エンジニアは、世界で最も小さな光感知ジャイロスコープを構築しました。これは、最小のポータブルな最新技術に簡単に統合できます。
ジャイロスコープ 今日私たちが使用するすべてのテクノロジーに共通しています。 ジャイロスコープは、車両、ドローン、携帯電話やウェアラブルなどの電子機器で使用され、3次元（XNUMXD）空間での機器の正しい向きを知るのに役立ちます。 もともと、ジャイロスコープは、ホイールが軸上でさまざまな方向に高速で回転するのを助けるホイールのデバイスです。 標準 ジャイロスコープには、パルスレーザー光を運ぶスプールされた光ファイバーが含まれています。 これは、時計回りまたは反時計回りのいずれかの方向に実行されます。 対照的に、現代のジャイロスコープはセンサーです。たとえば、携帯電話には微小電気機械センサー（MEMS）があります。 これらのセンサーは、同じ質量のXNUMXつのエンティティに作用するが、XNUMXつの異なる方向に揺れている力を測定します。
サニャック効果
現在広く使用されているセンサーは感度が限られているため、 光ジャイロスコープ 必要です。 重要な違いは、光ジャイロスコープが同様のタスクを実行できることですが、可動部品がなく、より正確です。 これは、アインシュタインの一般相対性理論を使用して角速度の変化を検出する光学現象であるサニャック効果によって達成できます。 サニャック効果の間、レーザー光のビームはXNUMXつの独立したビームに分割され、丸みを帯びた経路に沿って反対方向に進み、最終的にXNUMXつの光検出器に到達します。 これは、デバイスが静的であり、主に光が一定の速度で移動するためにのみ発生します。 ただし、デバイスが回転している場合は、光の経路も回転し、XNUMXつの別々のビームが異なる時点で光検出器に到達します。 この位相シフトはサニャック効果と呼ばれ、この同期の違いはジャイロスコープによって測定され、方向を計算するために使用されます。
サニャック効果は信号のノイズに非常に敏感であり、小さな熱ゆらぎや振動などの周囲のノイズは、ビームが移動するときにビームを乱す可能性があります。 また、ジャイロスコープのサイズがかなり小さい場合は、混乱しやすくなります。 光ジャイロスコープは明らかにはるかに効果的ですが、光ジャイロスコープを縮小すること、つまりサイズを小さくすることは依然として課題です。光ジャイロスコープが小さくなると、センサーから送信される信号も弱まり、散乱するすべてのノイズによって失われるためです。ライト。 これにより、ジャイロスコープは動きを検出するのがより困難になります。 このシナリオでは、小型の光ジャイロスコープの設計が制限されています。 性能の良い最小のジャイロスコープは、少なくともゴルフボールのサイズであるため、小型のポータブルデバイスには適していません。
小型ジャイロスコープの新しいデザイン
米国カリフォルニア工科大学の研究者は、MEMSセンサーの代わりにレーザーを使用して同等の結果を得る非常に低ノイズの光ジャイロスコープを設計しました。 彼らの研究は Nature Photonicsの。 彼らは小さな2平方mmのシリコンチップを取り、それに光を導くためのチャネルを取り付けました。 このチャネルは、光が円の周りをあらゆる方向に進むようにガイドするのに役立ちます。 エンジニアは、35000つのディスクを使用してレーザービームの経路を長くすることにより、相互ノイズを除去しました。 ビームの経路が長くなると、ノイズの量が均等になり、XNUMXつのビームが出会うときに正確な測定が可能になります。 これにより、より小さなデバイスの使用が可能になりますが、それでも正確な結果が維持されます。 デバイスはまた、ノイズキャンセルを支援するためにライトの方向を逆にします。 この革新的なジャイロセンサーはXV-XNUMXCBと名付けられています。 パフォーマンスの向上は、「相互感度向上」法によって達成されました。 逆数とは、XNUMXつの独立した光線に同じように影響を与えることを意味します。 サニャック効果は、これらXNUMXつのビームが反対方向に移動しているときの変化の検出に基づいており、これは非相反的であることに相当します。 光は、電気回路のワイヤーと同様に、光を運ぶ小さな導管であるミニ光導波路を通過します。 光路の欠陥や外部干渉は、両方のビームに影響を与えます。
相互感度の向上により、信号対雑音比が向上し、この光ジャイロスコープを指の爪の先端のサイズの小さなチップに統合できるようになります。 この小さなジャイロスコープは、既存のデバイスの少なくとも500分の30のサイズですが、現在のシステムのXNUMX分のXNUMXの位相シフトを正常に検出できます。 このセンサーは、主にカメラの振動を補正するシステムで使用できます。 現在、ジャイロスコープはさまざまな分野で不可欠であり、現在の研究では、この実験室の設計が市販されるまでには時間がかかる場合がありますが、より小さな光ジャイロスコープを設計できることが示されています。
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ソース
Khial PP et al2018。相互感度が向上したナノフォトニック光ジャイロスコープ。 Nature Photonicsの。 12（11）。 https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
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