Ingenieurs hebben 's werelds kleinste lichtgevoelige gyroscoop gebouwd die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in de kleinste draagbare moderne technologie.
Gyroscopen zijn gebruikelijk in elke technologie die we tegenwoordig gebruiken. Gyroscopen worden gebruikt in voertuigen, drones en elektronische apparaten zoals mobiele telefoons en wearables, omdat ze helpen de juiste oriëntatie van een apparaat in een driedimensionale (3D) ruimte te kennen. Oorspronkelijk is een gyroscoop een apparaat van een wiel dat het wiel helpt om snel om een as in verschillende richtingen te draaien. Een standaard optische gyroscoop bevat een gespoelde optische vezel die een pulslaserlicht draagt. Deze loopt met de klok mee of tegen de klok in. Moderne gyroscopen daarentegen zijn sensoren, in mobiele telefoons zijn bijvoorbeeld micro-elektromechanische sensoren (MEMS) aanwezig. Deze sensoren meten krachten die op twee entiteiten van identieke massa inwerken, maar die in twee verschillende richtingen wankelen.
Het Sagnac-effect
De sensoren die nu veel worden gebruikt, hebben een beperkte gevoeligheid en dus: optische gyroscopen zijn nodig. Een cruciaal verschil is dat optische gyroscopen een vergelijkbare taak kunnen uitvoeren, maar zonder bewegende delen en met meer nauwkeurigheid. Dit wordt bereikt door het Sagnac-effect, een optisch fenomeen dat Einsteins algemene relativiteitstheorie gebruikt om veranderingen in hoeksnelheid te detecteren. Tijdens het Sagnac-effect wordt een straal laserlicht opgesplitst in twee onafhankelijke stralen die zich nu in tegengestelde richtingen langs een afgerond pad voortbewegen en elkaar uiteindelijk bij één lichtdetector ontmoeten. Dit gebeurt alleen als het apparaat statisch is en vooral omdat licht zich met een constante snelheid voortplant. Als het apparaat echter roteert, wordt het lichtpad ook gedraaid, waardoor de twee afzonderlijke stralen de lichtdetector op een ander tijdstip bereiken. Deze faseverschuiving wordt Sagnac-effect genoemd en dit verschil in synchronisatie wordt gemeten door de gyroscoop en gebruikt om de oriëntatie te berekenen.
Het Sagnac-effect is erg gevoelig voor ruis in het signaal en omgevingsgeluid, zoals kleine thermische schommelingen of trillingen, kan de bundels tijdens het reizen verstoren. En als de gyroscoop aanzienlijk kleiner is, is hij gevoeliger voor verstoring. Optische gyroscopen zijn uiteraard veel effectiever, maar het is nog steeds een uitdaging om optische gyroscopen te verkleinen, dwz hun afmetingen te verkleinen, omdat naarmate ze kleiner worden, het signaal dat door hun sensoren wordt uitgezonden ook zwakker wordt en dan verloren gaat in de ruis die wordt gegenereerd door alle verstrooide licht. Hierdoor heeft de gyroscoop meer moeite om beweging te detecteren. Dit scenario heeft het ontwerp van kleinere optische gyroscopen beperkt. De kleinste gyroscoop met goede prestaties is minstens zo groot als een golfbal en dus niet geschikt voor kleine draagbare apparaten.
Nieuw ontwerp voor een kleine gyroscoop
Onderzoekers van het California Institute of technology USA hebben een optische gyroscoop ontworpen met een zeer lage ruis die laser gebruikt in plaats van MEMS-sensoren en gelijkwaardige resultaten krijgt. Hun studie is gepubliceerd in Natuur Fotonica. Ze namen een kleine siliciumchip van 2 vierkante mm en installeerden er een kanaal op om het licht te geleiden. Dit kanaal helpt het licht te leiden om in elke richting rond een cirkel te reizen. Ingenieurs verwijderden wederzijdse ruis door het pad van laserstralen te verlengen door twee schijven te gebruiken. Naarmate het pad van de straal langer wordt, wordt de hoeveelheid ruis geëgaliseerd, wat resulteert in een nauwkeurige meting wanneer de twee stralen elkaar ontmoeten. Dit maakt het gebruik van een kleiner apparaat mogelijk, maar met behoud van nauwkeurige resultaten. Het apparaat keert ook de richting van het licht om om te helpen bij ruisonderdrukking. Deze innovatieve gyrosensor heet XV-35000CB. De verbeterde prestatie werd bereikt door de methode 'wederzijdse gevoeligheidsverbetering'. Wederkerig betekent dat het twee onafhankelijke lichtstralen op dezelfde manier beïnvloedt. Het Sagnac-effect is gebaseerd op detectie van verandering tussen deze twee stralen wanneer ze in tegengestelde richtingen reizen en dit komt neer op niet-reciproke. Het licht gaat door mini optische golfgeleiders, kleine leidingen die licht transporteren, vergelijkbaar met draden in een elektrisch circuit. Eventuele onvolkomenheden in het optische pad of interferentie van buitenaf zullen beide bundels beïnvloeden.
Verbetering van de wederzijdse gevoeligheid verbetert de signaal-ruisverhouding waardoor deze optische gyroscoop kan worden geïntegreerd op een kleine chip, misschien ter grootte van een vingernagel. Deze kleine gyroscoop is minstens 500 keer kleiner dan bestaande apparaten, maar kan met succes faseverschuivingen detecteren die 30 keer kleiner zijn dan de huidige systemen. Deze sensor kan voornamelijk worden gebruikt in systemen om trillingen van een camera te corrigeren. Gyroscopen zijn nu onmisbaar op verschillende gebieden en huidig onderzoek toont aan dat het mogelijk is om kleinere optische gyroscopen te ontwerpen, hoewel het enige tijd kan duren voordat dit laboratoriumontwerp in de handel verkrijgbaar is.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Khial PP et al 2018. Nanofotonische optische gyroscoop met wederzijdse gevoeligheidsverbetering. Natuur Fotonica. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
