В Калтехе создан нанофотонный оптический гироскоп размером с рисинку

В Калтехе создан нанофотонный оптический гироскоп размером с рисинку

Для определения 3D-координат любых движущихся объектов — самолетов, ракет, автомобилей, смартфонов (и, соответственно, «привязанных» к ним людей) — используются гироскопы. Эти приборы в «классическом исполнении» представляют собой кинематические измерительные системы, ключевыми компонентами которых являются вращающиеся с высокими угловыми скоростями диски. Мини-разновидностью механических гироскопов, которые работают в мобильных девайсах, стали микроэлектромеханические системы (МЭМС), содержащие датчик сил, действующих на два грузика (с одинаковыми массами), движущихся в противоположных направлениях. Современные МЭМС-гироскопы, встроенные в микросхемы смартфонов, не обеспечивают достаточно высокой точности измерений, поэтому инженеры-приборостроители ищут возможности создания для носимой электроники миниатюрных оптических гироскопов, принцип работы которых основан на использовании эффекта Саньяка. Этот оптический эффект наблюдается при движении по кольцевому световоду двух противоположных по направлению лучей света, полученных расщеплением базового светового луча на две составляющие. При любом изменении координат световода относительно его оси один из лучей либо опережает другой в достижении фотонного измерительного сенсора, либо отстает по времени. И вот эти «несовпадения», измеренные с высокой точностью, обеспечивают высокую точность определения одной из координат оптическим гироскопом. А совокупность трех кольцевых световодов (с движущимися по ним взаимно противоположными лучами), оси которых направлены по осям трехмерного пространства, позволяет определить три пространственные координаты местоположения объекта.

В теории, как обычно, все хорошо, а вот на практике оптические гироскопы до сих пор не удавалось уменьшить до размеров, приемлемых для встраивания в портативные мобильные устройства. Лучшие конструкции современных оптических гироскопов могут поместиться разве что в шарик, диаметром около 5 см. И вот, наконец, в лаборатории Али Хаджимири (Hajimiri lab) Калифорнийского технологического института создан нанофотонный оптический гироскоп с линейными размерами, не превышающими 100 нм, и почти 30-кратно повышенной чувствительности измерений фазы света, по сравнению с лучшими аналогами гироскопов, использующих эффект Саньяка.

Это достижение стало возможным благодаря разработке американскими инженерами инновационной технологии «взаимного» повышения чувствительности. Определение «взаимное» применено потому, что технология работает на обоих лучах света, обеспечивая компенсацию влияния тепловых шумов, эффектов рассеивания света в световодах и ряда других помех. Именно «взаимное» повышение чувствительности обеспечило многократное увеличение соотношения «сигнал/шум», что, в свою очередь, позволило уменьшить размеры световодов и, соответственно, габариты оптического гироскопа до размера рисинки.