Spinning the light:Verdens mindste optiske gyroskop

Gyroskoper er enheder, der hjælper køretøjer, droner, og bærbare og håndholdte elektroniske enheder kender deres orientering i tredimensionelt rum. De er almindelige i stort set alle dele af teknologi, vi er afhængige af hver dag. Oprindeligt, gyroskoper var sæt af indlejrede hjul, hver drejer på en anden akse. Men åbne en mobiltelefon i dag, og du vil finde en mikroelektromekanisk sensor (MEMS), den moderne ækvivalent, som måler ændringer i de kræfter, der virker på to identiske masser, der oscillerer og bevæger sig i modsatte retninger. Disse MEMS gyroskoper er begrænset i deres følsomhed, så optiske gyroskoper er blevet udviklet til at udføre den samme funktion, men uden bevægelige dele og en større grad af nøjagtighed ved hjælp af et fænomen kaldet Sagnac-effekten.

Sagnac-effekten, opkaldt efter den franske fysiker Georges Sagnac, er et optisk fænomen med rod i Einsteins særlige relativitetsteori. For at skabe det, en lysstråle deles i to, og tvillingstrålerne bevæger sig i modsatte retninger langs en cirkulær bane, så mødes ved den samme lysdetektor. Lys bevæger sig med konstant hastighed, så rotation af enheden – og med den den vej, som lyset bevæger sig – får den ene af de to stråler til at nå frem til detektoren før den anden. Med en løkke på hver orienteringsakse, dette faseskift, kendt som Sagnac-effekten, kan bruges til at beregne orientering.

De mindste højtydende optiske gyroskoper, der er tilgængelige i dag, er større end en golfbold og er ikke egnede til mange bærbare applikationer. Da optiske gyroskoper bygges mindre og mindre, det samme er signalet, der fanger Sagnac-effekten, hvilket gør det sværere og sværere for gyroskopet at registrere bevægelse. Indtil nu, dette har forhindret miniaturisering af optiske gyroskoper.

Caltech ingeniører ledet af Ali Hajimiri, Bren Professor i Elektroteknik og Medicinsk Teknik i Afdelingen for Ingeniørvidenskab og Anvendt Videnskab, udviklet et nyt optisk gyroskop, der er 500 gange mindre end den nuværende state-of-the-art enhed, alligevel kan de registrere faseskift, der er 30 gange mindre end disse systemer. Den nye enhed er beskrevet i et papir offentliggjort i novemberudgaven af Naturfotonik .

Hvordan det virker

Det nye gyroskop fra Hajimiris laboratorium opnår denne forbedrede ydeevne ved at bruge en ny teknik kaldet "gensidig følsomhedsforbedring." I dette tilfælde, "gensidig" betyder, at det påvirker begge lysstråler inde i gyroskopet på samme måde. Da Sagnac-effekten er afhængig af at detektere en forskel mellem de to stråler, når de bevæger sig i modsatte retninger, det anses for ikke-gensidigt. Inde i gyroskopet, lys bevæger sig gennem miniaturiserede optiske bølgeledere (små kanaler, der bærer lys, der udfører samme funktion som ledninger til elektricitet). Ufuldkommenheder i den optiske vej, der kan påvirke strålerne (f.eks. termiske udsving eller lysspredning) og enhver ekstern interferens vil påvirke begge stråler på samme måde.

Hajimiris team fandt en måde at luge ud af denne gensidige støj, mens signalerne fra Sagnac-effekten efterlades intakte. Gensidig følsomhedsforbedring forbedrer således signal-til-støj-forholdet i systemet og muliggør integration af den optiske gyro på en chip, der er mindre end et riskorn.

Papiret har titlen "Nanofotonisk optisk gyroskop med gensidig følsomhedsforbedring."