Создан самый маленький оптический гироскоп, использующий "вращающийся" свет - «Наука и технологии»

Гироскопы - это устройства, при помощи которых беспилотные автомобили, летательные аппараты и портативные электронные устройства определяют свою ориентацию в трехмерном пространстве. Первые из гироскопов имели в основе своей конструкции массивные диски, вращающиеся вокруг своей оси с высокой скоростью, но если открыть любой современный мобильный телефон, то можно увидеть, что размеры гироскопов сократились до размеров крошечного чипа. Это стало возможным за счет использования микроэлектромеханического датчика (microelectromechanical sensor, MEMS), который измеряет силы, действующие на два идентичных по массе объекта, движущихся в противоположных направлениях. Однако, MEMS-гироскопы в силу своей частично механической природы имеют ряд ограничений, в том числе и по чувствительности, поэтому ученые разработали оптические варианты гироскопов, выполняющие ту же самую функцию, что и MEMS-гироскопы.

Оптические гироскопы, не имеющие движущихся механических частей, за счет высокой чувствительности обеспечивают большую точность измерений положения в пространстве при помощи эффекта Саньяка (Sagnac effect), который получил свое название в честь французского физика Джорджеса Саньяка (Georges Sagnac). Этот эффект имеет непосредственное отношение к Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, и для его воспроизведения луч света расщепляется на два луча, двигающиеся в противоположных направлениях по замкнутому круговому световоду. Изменение положения датчика, точнее поворот его вокруг оси движения лучей света, заставляет один луч пройти перед чувствительным элементом с небольшим опережением относительно другого. Используя три кольцевых световода, оси которых совпадают с осями трехмерного пространства, можно вычислить текущую пространственную ориентацию всего датчика.

Самые высокоточные оптические гироскопы, которые были созданы до последнего времени, имели размер, сопоставимый с размером мяча для гольфа, что делало невозможным их использование в портативных электронных устройствах. Но не так давно группе инженеров и ученых из Калифорнийского технологического института удалось успешно решить проблему, долгое время являвшейся препятствием миниатюризации оптических гироскопов. Результатом их работы стал оптический гироскоп, размер которого в 500 раз меньше размеров подобных гироскопов предыдущего поколения, а чувствительные элементы нового устройства могут зарегистрировать в 30 раз меньшее значение изменения фазы света, чем старые устройства.

Возможность такой кардинальной миниатюризации оптического гироскопа стал возможен за счет использования новой технологии "взаимного повышения чувствительности". Термин "взаимное" указывает на то, что данная технология затрагивает оба луча света, что позволяет компенсировать вредное влияние тепловых шумов, эффектов рассеивания света в волноводах и другие вмешательства из окружающей среды. Это "взаимное повышение чувствительности" позволило во много раз увеличить соотношение сигнал/шум, что, в свою очередь, позволило уменьшить размеры волноводов и сократить размеры оптического гироскопа в целом до размеров, сопоставимых с размером рисового зернышка.