Los ingenieros han construido el giroscopio de detección de luz más pequeño del mundo que podría integrarse fácilmente en la tecnología moderna portátil más pequeña.
Los giroscopios son comunes en todas las tecnologías que utilizamos hoy en día. Se emplean en vehículos, drones y dispositivos electrónicos como teléfonos móviles y wearables, ya que ayudan a determinar la orientación correcta de un dispositivo en el espacio tridimensional (3D). Originalmente, un giroscopio era un dispositivo con una rueda que permitía que esta girara rápidamente sobre un eje en diferentes direcciones. Un giroscopio óptico estándar contiene una fibra óptica enrollada que transporta un pulso de luz láser. Esta luz gira en sentido horario o antihorario. En contraste, los giroscopios modernos son sensores; por ejemplo, los teléfonos móviles incorporan sensores microelectromecánicos (MEMS). Estos sensores miden las fuerzas que actúan sobre dos entidades de masa idéntica que oscilan en direcciones opuestas.
El efecto Sagnac
Aunque los sensores actuales son de uso generalizado, su sensibilidad es limitada, por lo que se necesitan giroscopios ópticos . Una diferencia crucial radica en que los giroscopios ópticos pueden realizar una tarea similar, pero sin partes móviles y con mayor precisión. Esto se logra mediante el efecto Sagnac, un fenómeno óptico que utiliza la teoría de la relatividad general de Einstein para detectar cambios en la velocidad angular. Durante el efecto Sagnac, un haz de luz láser se divide en dos haces independientes que viajan en direcciones opuestas a lo largo de una trayectoria curva, hasta converger en un detector de luz. Esto ocurre solo si el dispositivo está estático, principalmente porque la luz viaja a velocidad constante. Sin embargo, si el dispositivo gira, la trayectoria de la luz también gira, lo que provoca que los dos haces lleguen al detector de luz en momentos diferentes. Este desfase se denomina efecto Sagnac, y esta diferencia de sincronización es medida por el giroscopio y utilizada para calcular la orientación.
El efecto Sagnac es muy sensible al ruido en la señal y cualquier ruido circundante, como pequeñas fluctuaciones térmicas o vibraciones, puede interrumpir los rayos a medida que viajan. Y si el giroscopio es de un tamaño considerablemente más pequeño, es más propenso a sufrir interrupciones. Los giroscopios ópticos son obviamente mucho más efectivos, pero sigue siendo un desafío reducir la escala de los giroscopios ópticos, es decir, reducir su tamaño, porque a medida que se hacen más pequeños, la señal transmitida desde sus sensores también se debilita y luego se pierde en el ruido que generan todos los giroscopios dispersos. luz. Esto hace que el giroscopio tenga más dificultad para detectar movimiento. Este escenario ha restringido el diseño de giroscopios ópticos más pequeños. El giroscopio más pequeño que tenga un buen rendimiento es al menos del tamaño de una pelota de golf y, por lo tanto, no es adecuado para dispositivos portátiles pequeños.
Nuevo diseño para un pequeño giroscopio.
Investigadores del Instituto Tecnológico de California (CTI) en EE. UU. han diseñado un giroscopio óptico de muy bajo ruido que utiliza láser en lugar de sensores MEMS y obtiene resultados equivalentes. Su estudio se publicó en Nature Photonics . Tomaron un diminuto chip de silicio de 2 mm² e instalaron un canal para guiar la luz. Este canal ayuda a guiar la luz para que viaje en todas las direcciones alrededor de un círculo. Los ingenieros eliminaron el ruido recíproco alargando la trayectoria de los haces láser mediante dos discos. A medida que la trayectoria del haz se alarga, la cantidad de ruido se uniformiza, lo que resulta en una medición precisa cuando los dos haces se encuentran. Esto permite utilizar un dispositivo más pequeño manteniendo resultados precisos. El dispositivo también invierte la dirección de la luz para ayudar a la cancelación de ruido. Este innovador sensor giroscópico se llama XV-35000CB. El rendimiento mejorado se logró mediante el método de "mejora de la sensibilidad recíproca". Recíproco significa que afecta a dos haces de luz independientes de la misma manera. El efecto Sagnac se basa en la detección de cambios entre estos dos haces, ya que viajan en direcciones opuestas, lo que equivale a que sean no recíprocos. La luz viaja a través de miniguías de onda ópticas, que son pequeños conductos que transportan la luz, similares a los cables de un circuito eléctrico. Cualquier imperfección en la trayectoria óptica o interferencia externa afectará a ambos haces.
La mejora de la sensibilidad recíproca mejora la relación señal / ruido, lo que permite que este giroscopio óptico se integre en un chip diminuto, tal vez del tamaño de la punta de una uña. Este pequeño giroscopio es al menos 500 veces más pequeño en tamaño que los dispositivos existentes, pero puede detectar con éxito cambios de fase 30 veces más pequeños que los sistemas actuales. Este sensor se puede utilizar principalmente en sistemas para corregir las vibraciones de una cámara. Los giroscopios son ahora indispensables en diferentes campos y la investigación actual muestra que es posible diseñar giroscopios ópticos más pequeños, aunque puede llevar algún tiempo que este diseño de laboratorio esté disponible comercialmente.
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Fuentes)
Khial PP et al. 2018. Giroscopio óptico nanofotónico con mejora de sensibilidad recíproca. Nature Photonics . 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
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