Гироскопы – это устройства, которые помогают транспортным средствам, дронам и портативным электронным устройствам определять своё положение в трёхмерном пространстве. Они присутствуют едва ли не в каждом технологичном устройстве повседневного пользования. Изначально, гироскопы представляли собой набор колёсиков, каждое из которых вращалось на отдельной оси. Но если заглянуть внутрь сотового телефона, мы обнаружим там микроэлектромеханический датчик (MEMS), современный эквивалент гироскопа, который измеряет изменения сил, действующих на два одинаковых грузика, движущихся возвратно-поступательно в противоположных направлениях. Чувствительность MEMS гироскопов ограничена, поэтому были созданы оптические гироскопы, без движущихся частей и более точные, основанные на эффекте Саньяка.

Подпись к изображению: Оптический гироскоп, созданный в лаборатории Али Хаджимири, на фоне зерен риса

Что такое «эффект Саньяка»?

Названный по имени французского физика Джорджа Саньяка, этот оптический эффект основан на общей теории относительности Эйнштейна. Для его демонстрации луч света делится на два, которые идут в противоположных направлениях по кругу и встречаются на одном детекторе. Скорость света постоянна, поэтому при вращении устройства — изменяется пройденный светом путь —  и это приводит к тому, что один из лучей достигает детектора раньше другого.

Задача

Самый миниатюрный на сегодня оптический гироскоп имеет размер больше мяча для гольфа и не подходит для многих устройств, где предъявляются требования по миниатюризации. По мере того, как оптические гироскопы становятся всё меньше, соответственно становится слабее и сигнал, обеспечивающий эффект Саньяка, а значит детектировать движение становится труднее. До настоящего времени это было препятствием для дальнейшей миниатюризации оптических гироскопов.

Изобретение

Группа инженеров в Калифорнийском технологическом институте под руководством профессора электротехники Али Хаджимири разработала новый оптический гироскоп, способный определять сдвиг фаз, и он в 500 раз меньше самого маленького из существующих устройств.

Как это работает

Новый гироскоп обеспечивает улучшение работы, используя новый метод — «взаимное усиление чувствительности». Здесь «взаимное» означает, что равным образом вовлечены оба световых луча в гироскопе. Так как эффект Саньяка основан на детектировании разницы между двумя лучами, движущимися в противоположных направлениях, они считаются невзаимными. Внутри гироскопа свет распространяется по миниатюрным волноводам (выполняющим ту же функцию, что и провода для электротока). Неоднородности оптического канала, факторы, способные повлиять на луч (например, температурные флуктуации, или рассеяние света) и любое вмешательство извне одинаково повлияют на оба луча.

Группа Хаджимири нашла способ устранить этот взаимный шум, не затронув сигналы эффекта Саньяка. Таким образом, взаимное усиление чувствительности улучшает соотношение сигнал/шум и позволяет встроить гироскоп в микросхему меньше рисового зерна.