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El giroscopio óptico más pequeño

CIENCIASFÍSICAEl giroscopio óptico más pequeño

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.

Giroscopios son comunes en todas las tecnologías que utilizamos en la actualidad. Los giroscopios se utilizan en vehículos, drones y dispositivos electrónicos como móviles y wearables, ya que ayudan a conocer la orientación correcta de un dispositivo en un espacio tridimensional (3D). Originalmente, un giroscopio es un dispositivo de una rueda que ayuda a la rueda a girar rápidamente sobre un eje en diferentes direcciones. Un estandar óptico El giroscopio contiene una fibra óptica enrollada que lleva una luz láser de pulso. Esto se ejecuta en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Por el contrario, los giroscopios de hoy en día son sensores, por ejemplo, en los teléfonos móviles hay un sensor microelectromecánico (MEMS) presente. Estos sensores miden fuerzas que actúan sobre dos entidades de masa idéntica pero que oscilan en dos direcciones diferentes.

El efecto Sagnac

Los sensores, aunque ahora se utilizan ampliamente, tienen una sensibilidad limitada y, por lo tanto, giroscopios ópticos Se necesitan. Una diferencia crucial es que los giroscopios ópticos pueden realizar una tarea similar pero sin partes móviles y con más precisión. Esto se puede lograr 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 rayo de luz láser se divide en dos rayos independientes que ahora viajan en direcciones opuestas a lo largo de un camino redondeado que finalmente se encuentra en un detector de luz. Esto sucede solo si el dispositivo es estático y principalmente porque la luz viaja a velocidad constante. Sin embargo, si el dispositivo está girando, el camino de la luz también gira, lo que hace que los dos haces separados alcancen el detector de luz en un momento diferente. Este cambio de fase se denomina efecto Sagnac y el giroscopio mide esta diferencia de sincronización y se utiliza 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 de Tecnología de California de EE. UU. Han diseñado un giroscopio óptico con muy poco ruido que utiliza sensores láser en lugar de MEMS y obtiene resultados equivalentes. Su estudio se publica en Nature Photonics. Tomaron un pequeño chip de silicio de 2 mm cuadrados e instalaron un canal en él 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 rayos láser utilizando dos discos. A medida que la trayectoria del haz se alarga, la cantidad de ruido se nivela, lo que da como resultado una medición precisa cuando los dos haces se encuentran. Esto permite el uso de un dispositivo más pequeño pero manteniendo resultados precisos. El dispositivo también invierte la dirección de la luz para ayudar en 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 está afectando a dos haces de luz independientes de la misma manera. El efecto Sagnac se basa en la detección del cambio entre estos dos haces cuando viajan en direcciones opuestas y esto equivale a no ser recíproco. La luz viaja a través de mini guías de ondas ópticas, que son pequeños conductos que transportan luz, similares a los cables de un circuito eléctrico. Cualquier imperfección en la trayectoria óptica o interferencia exterior 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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{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}

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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Equipo SCIEU
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