Gyroskop är enheter som hjälper fordon, drönare, och bärbara och handhållna elektroniska apparater känner sin orientering i tredimensionellt utrymme. De är vanliga i nästan alla tekniker vi litar på varje dag. Ursprungligen, gyroskop var uppsättningar av kapslade hjul, var och en snurrar på en annan axel. Men öppna upp en mobiltelefon idag och du hittar en mikroelektromekanisk sensor (MEMS), dagens motsvarighet, som mäter förändringar i krafterna som verkar på två identiska massor som oscillerar och rör sig i motsatta riktningar. Dessa MEMS -gyroskop är begränsade i känslighet, så optiska gyroskop har utvecklats för att utföra samma funktion men utan rörliga delar och större grad av noggrannhet med hjälp av ett fenomen som kallas Sagnac -effekten.

Sagnac -effekten, uppkallad efter den franske fysikern Georges Sagnac, är ett optiskt fenomen förankrat i Einsteins teori om särskild relativitet. För att skapa det, en ljusstråle delas i två, och tvillingstrålarna rör sig i motsatta riktningar längs en cirkulär väg, träffas sedan vid samma ljusdetektor. Ljuset färdas med konstant hastighet, så roterar enheten - och med den vägen som ljuset färdas - får en av de två strålarna att komma fram till detektorn före den andra. Med en slinga på varje orienteringsaxel, detta fasskifte, känd som Sagnac -effekten, kan användas för att beräkna orientering.

De minsta högpresterande optiska gyroskop som finns tillgängliga idag är större än en golfboll och är inte lämpliga för många bärbara applikationer. När optiska gyroskop byggs mindre och mindre, så är också signalen som fångar Sagnac -effekten, vilket gör det allt svårare för gyroskopet att upptäcka rörelse. Tills nu, detta har förhindrat miniatyrisering av optiska gyroskop.

Caltech -ingenjörer under ledning av Ali Hajimiri, Bren professor i elektroteknik och medicinsk teknik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap, utvecklat ett nytt optiskt gyroskop som är 500 gånger mindre än den nuvarande toppmoderna enheten, men de kan upptäcka fasskift som är 30 gånger mindre än dessa system. Den nya enheten beskrivs i ett papper publicerat i novembernumret av Nature Photonics .

Hur det fungerar

Det nya gyroskopet från Hajimiris laboratorium uppnår denna förbättrade prestanda genom att använda en ny teknik som kallas "ömsesidig känslighetsförbättring". I detta fall, "ömsesidig" betyder att det påverkar båda ljusstrålarna inuti gyroskopet på samma sätt. Eftersom Sagnac -effekten är beroende av att detektera en skillnad mellan de två strålarna när de färdas i motsatta riktningar, det anses icke -ömsesidigt. Inuti gyroskopet, ljus färdas genom miniatyriserade optiska vågledare (små ledningar som bär ljus, som utför samma funktion som trådar gör för el). Brister i den optiska vägen som kan påverka strålarna (t.ex. termiska fluktuationer eller ljusspridning) och eventuell yttre störning påverkar båda strålarna på samma sätt.

Hajimiris team hittade ett sätt att rensa bort detta ömsesidiga brus och samtidigt lämna signaler från Sagnac -effekten intakta. Ömsesidig känslighetsförbättring förbättrar således signal-brusförhållandet i systemet och möjliggör integrering av den optiska gyro på ett chip som är mindre än ett riskorn.

Papperet har titeln "Nanofoton optiskt gyroskop med ömsesidig känslighetsförbättring."