Kaliforniya ve Caltech araştırmacıları çip ölçeğinde optik giroskop geliştirdi: saatte 37 dereceye kadar yavaş dönüşü ölçebiliyor.

California Üniversitesi Santa Barbara kampüsü ile Caltech araştırmacıları, saatte yalnızca 37 derece döndürme yeteneğine sahip bir çip ölçeğinde optik giroskop geliştirdi. Cihazın önceki silisyum nitrit tasarımından yaklaşık 2.000 kat daha yavaş dönüşü algılabilmesi, sensörün Dünya’nın saatte 15 derece döndürme hızını ölçmeye yaklaşmasını sağladı.

Interesting Engineering tarafından aktarılan bilgilere göre, yeni cihaz GPS sinyallerinin alınamadığı ortamlarda uçak, araç ve uzay aracı için kompakt navigasyon sistemlerinin geliştirilmesine yardımcı olabilecek potansiyele sahip.

Geleneksel giroskopların aksine mekanik harekete dayanmayan yeni cihaz, dönüşü bir halka şeklindeki optik devreden geçen ışıkla algılıyor. Araştırmacılar, yaklaşımın daha küçük ve daha dayanıklı bir pakette yüksek hassasiyetli sensörlük sunabileceğini söylüyor.

Deneysel giroskop, standart CMOS çip üretimi süreçleriyle uyumlu olan silisyum nitrid kullanıyor. Sensör devresi yaklaşık 24 milimetre çapında olurken, paketli cihaz birkaç santimetreden daha geniş değil.

Işıkla küçük dönüşler ölçülüyor

Araştırmacılar iki önceki teknolojiyi birleştirdi: Caltech’ten bir Brillouin lazer giroskopu ve Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı desteğiyle UC Santa Barbara’da geliştirilen düşük gürültülü çipe yerleştirilmiş lazer platformu.

Cihazın içinde iki yarı iletken lazer, ışığı halka şeklindeki bir devrede zıt yönlerde ilerletiyor. Işık ile malzemedeki titreşimler arasındaki etkileşimler, iki stabil lazer sinyali üretiyor.

Cihaz döndüğünde bu sinyallerin frekansları birbirine göre hafifçe kayıyor. Bu farkın ölçülmesi giroskopun dönüş hızını belirlemesini sağlıyor.

Halkanın ışığı içinde tutma yeteneği hassasiyetinin merkezinde yer alıyor. Bir optik rezonatörün ışığı ne kadar verimli sakladığını gösteren kalite faktörü 163 milyondan fazla.

Bu, cihazın yaklaşık 200 terahertz’te çalışan bir optik sinyalden dar bir 2 megahertz bant genişliğini izole etmesini sağlıyor. Fotonlar rezonatör içinde neredeyse 100 nanosaniye kalıyor ve ışığın tekrar tekrar dolanmasına olanak tanıyor.

Büyük halka ayrıca hassasiyeti artırıyor çünkü optik giroskoplar, ışık daha büyük bir alanı kapsadığında daha küçük dönüşleri algılabiliyor.

“Yeni giropozumuz birkaç gelişmiş teknolojiyi, standart CMOS çip işleme yöntemleriyle üretilebilen ve yalnızca milivat düzeyinde optik güç kullanan bir biçimde yüksek hassasiyet seviyesiyle birleştiriyor.”

Daniel J. Blumenthal, UC Santa Barbara araştırmacı ekibini yöneten isim

Dünya’nın dönüşüne yakın testler

Cihazı değerlendirmek için araştırmacılar paketli çipi, kontrollü frekanslarda ileri geri hareket ettiren bir pizoelektrik sahaya yerleştirdi. Ayrı bir optik interferometre sahanın gerçek hareketini ölçerek giroskop okumalarının karşılaştırılacağı bir referans sağladı.

Sensör doğrusal bir yanıt verdi ve saatte 37 dereceye kadar yavaş dönüşü algıladı. Bu, araştırmacıların önceki silisyum nitrit Brillouin giropozuyla ölçtüğü 72.000 derece/saat değerine kıyasla büyük bir gelişme.

Gelişme, düşük gürültülü lazerlerin ve yüksek kaliteli optik rezonatörlerin fotonik çipte dönüş hassasiyetini nasıl artırabileceğini gösteriyor.

Buna rağmen yeni cihaz henüz Dünya’nın doğrudan ölçümünü kanıtlamadı. Aynı zamanda tam anlamıyla entegre bir navigasyon sensörü değil, laboratuvar prototipi olarak kalmaya devam ediyor.

Araştırmacılar, ölçüm kararlılığını etkileyebilen istenmeyen ışık saçılmasını azaltmaya çalışıyor. Lazerleri, fotodedektörleri ve diğer bileşenleri laboratuvardan önce tek bir kompakt sistemde entegre etmeyi planlıyor.

Bulgular Optics Letters dergisinde yayımlandı.