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Le plus petit gyroscope optique

LES SCIENCESLA PHYSIQUELe plus petit gyroscope optique

Les ingénieurs ont construit le plus petit gyroscope à détection de lumière au monde qui pourrait être facilement intégré dans la plus petite technologie moderne portable.

Gyroscopes sont communs à toutes les technologies que nous utilisons aujourd'hui. Les gyroscopes sont utilisés dans les véhicules, les drones et les appareils électroniques tels que les mobiles et les appareils portables, car ils aident à connaître l'orientation correcte d'un appareil dans un espace tridimensionnel (3D). A l'origine, un gyroscope est un dispositif d'une roue qui aide la roue à tourner rapidement sur un axe dans différentes directions. Une référence optique Le gyroscope contient une fibre optique enroulée transportant une lumière laser pulsée. Cela fonctionne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse. En revanche, les gyroscopes modernes sont des capteurs, par exemple, dans les téléphones portables, des capteurs microélectromécaniques (MEMS) sont présents. Ces capteurs mesurent des forces qui agissent sur deux entités de masse identique mais qui oscillent dans deux directions différentes.

L'effet Sagnac

Les capteurs bien que maintenant largement utilisés ont une sensibilité limitée et donc gyroscopes optiques sont nécessaires. Une différence cruciale étant que les gyroscopes optiques sont capables d'effectuer une tâche similaire mais sans aucune pièce mobile et avec plus de précision. Ceci est possible grâce à l'effet Sagnac, un phénomène optique qui utilise la théorie de la relativité générale d'Einstein pour détecter les changements de vitesse angulaire. Au cours de l'effet Sagnac, un faisceau de lumière laser est divisé en deux faisceaux indépendants qui se déplacent maintenant dans des directions opposées le long d'un chemin arrondi se rencontrant finalement à un détecteur de lumière. Cela ne se produit que si l'appareil est statique et principalement parce que la lumière se déplace à vitesse constante. Cependant, si l'appareil tourne, le trajet de la lumière subit également une rotation, ce qui fait que les deux faisceaux séparés atteignent le détecteur de lumière à un moment différent. Ce déphasage est appelé effet Sagnac et cette différence de synchronisation est mesurée par le gyroscope et utilisée pour calculer l'orientation.

L'effet Sagnac est très sensible au bruit dans le signal et tout bruit environnant comme de petites fluctuations thermiques ou des vibrations peut perturber les faisceaux lors de leur déplacement. Et si le gyroscope est d'une taille considérablement plus petite, il est plus sujet aux perturbations. Les gyroscopes optiques sont évidemment beaucoup plus efficaces mais c'est toujours un défi de réduire les gyroscopes optiques c'est-à-dire de réduire leur taille, car à mesure qu'ils deviennent plus petits, le signal transmis par leurs capteurs s'affaiblit également puis se perd dans le bruit qui est généré par tous les gyroscopes diffusés. léger. Cela rend le gyroscope plus difficile à détecter un mouvement. Ce scénario a restreint la conception de gyroscopes optiques plus petits. Le plus petit gyroscope ayant de bonnes performances a au moins la taille d'une balle de golf et ne convient donc pas aux petits appareils portables.

Nouveau design pour un petit gyroscope

Des chercheurs du California Institute of Technology USA ont conçu un gyroscope optique à très faible bruit qui utilise un laser au lieu de capteurs MEMS et obtient des résultats équivalents. Leur étude est publiée dans Nature Photonics. Ils ont pris une minuscule puce de silicium de 2 mm carrés et y ont installé un canal pour guider la lumière. Ce canal aide à guider la lumière pour qu'elle se déplace dans toutes les directions autour d'un cercle. Les ingénieurs ont éliminé le bruit réciproque en allongeant le trajet des faisceaux laser à l'aide de deux disques. Au fur et à mesure que le trajet du faisceau s'allonge, la quantité de bruit est compensée, ce qui permet une mesure précise lorsque les deux faisceaux se rencontrent. Cela permet d'utiliser un appareil plus petit tout en conservant des résultats précis. L'appareil inverse également la direction de la lumière pour aider à la suppression du bruit. Ce capteur gyroscopique innovant est nommé XV-35000CB. L'amélioration des performances a été obtenue par la méthode d'amélioration de la sensibilité réciproque. Réciproque signifie qu'il affecte deux faisceaux de lumière indépendants de la même manière. L'effet Sagnac est basé sur la détection d'un changement entre ces deux faisceaux lorsqu'ils se déplacent dans des directions opposées, ce qui équivaut à être non réciproque. La lumière voyage à travers des mini guides d'ondes optiques qui sont de petits conduits qui transportent la lumière, semblables aux fils d'un circuit électrique. Toute imperfection dans le chemin optique ou interférence extérieure affectera les deux faisceaux.

L'amélioration de la sensibilité réciproque améliore le rapport signal/bruit permettant à ce gyroscope optique d'être intégré sur une minuscule puce peut-être de la taille du bout d'un ongle. Ce petit gyroscope est au moins 500 fois plus petit que les appareils existants mais peut détecter avec succès des déphasages 30 fois plus petits que les systèmes actuels. Ce capteur peut être principalement utilisé dans des systèmes pour corriger les vibrations d'une caméra. Les gyroscopes sont désormais indispensables dans différents domaines et les recherches actuelles montrent qu'il est possible de concevoir des gyroscopes optiques plus petits, même si cela peut prendre un certain temps pour que cette conception de laboratoire soit disponible dans le commerce.

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{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}

Sources)

Khial PP et al 2018. Gyroscope optique nanophotonique avec amélioration de la sensibilité réciproque. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5

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Équipe SCIEU
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