Исследователи создали оптический гироскоп на чипе, который смог измерить вращение со скоростью всего 37° в час. Для сравнения, Земля поворачивается примерно на 15° за тот же промежуток времени. Чувствительности пока не хватает, чтобы уверенно отслеживать само вращение планеты, однако новый результат приблизил компактные гироскопы к уровню, который нужен для точной навигации без GPS.
Авторы измерили вращение настоящего устройства, а не просто рассчитали его возможную чувствительность. Предыдущая версия гироскопа на той же платформе различала движение лишь при 72 000° в час. Теперь минимальная измеренная скорость снизилась почти в 2000 раз.
Вместо крошечной механической детали гироскоп использует свет. Внутри фотонного чипа проложено кольцо диаметром около 24 мм, по которому два лазерных сигнала идут навстречу друг другу. Пока устройство неподвижно, их частоты почти совпадают. Стоит чипу повернуться, и один световой сигнал проходит кольцо немного иначе, чем второй. Гироскоп замечает крошечную разницу частот и по ней вычисляет скорость вращения.
Физики называют этот принцип эффектом Саньяка. Чтобы слабый сдвиг не потерялся среди помех, исследователи заставили свет взаимодействовать с колебаниями материала и получили два очень стабильных бриллюэновских лазерных сигнала. Кольцо изготовили из нитрида кремния, который позволяет направлять свет по микроскопическим каналам с небольшими потерями.
Большой для фотонной микросхемы диаметр тоже сыграл важную роль. Чем больше площадь внутри кольца, тем сильнее вращение меняет движение встречных световых волн. Оптический резонатор при этом удерживает фотоны почти 100 нс, поэтому свет успевает много раз пройти по кольцу и накопить измеримый эффект. Добротность резонатора, то есть способность сохранять световую энергию, превысила 163 млн.
Для проверки исследователи закрепили упакованный чип размером в несколько сантиметров на небольшом поворотном столике и заставляли его медленно двигаться туда и обратно. Отдельный оптический интерферометр следил за реальным движением и служил контрольным прибором. Показания гироскопа менялись вместе со скоростью поворота вплоть до минимальных 37° в час.
До полноценного навигационного датчика на одном кристалле разработке ещё предстоит пройти несколько этапов. Лазеры, фотодетекторы и часть вспомогательной оптики пока находятся вне основного чипа, а нежелательное обратное рассеяние света ухудшает стабильность измерений. Авторы хотят уменьшить помехи, собрать компоненты в единый компактный модуль и проверить его уже за пределами лабораторной установки.
Если инженерам удастся перенести всю оптическую систему на один чип, высокоточные гироскопы смогут стать заметно меньше и прочнее нынешних приборов. У конструкции нет движущихся чувствительных деталей, а оптическая часть потребляет лишь несколько милливатт. В перспективе подобные датчики могут пригодиться автомобилям, самолётам и космическим аппаратам, которым нужно определять своё движение даже там, где спутниковая навигация недоступна или ненадёжна.
