Bij het California Institute of Technology (CalTech) is een optische gyroscoop ontwikkeld, die dankzij een grote verbetering van de signaal/ruis-verhouding kleiner kan zijn dan een rijstkorrel.

Gyroscopen worden gebruikt om de oriëntatie van voertuigen, drones, smartphones en andere elektronische apparaten in de driedimensionale ruimte te bepalen. Ze zitten in veel techniek die we dagelijks om ons heen zien en de geschiedenis van het miniaturiseren van deze sensoren is bijna een technisch wonder. Vroeger vond je gyroscopen vooral in schepen en vliegtuigen. Ze werden ingezet om een kunstmatige horizon te realiseren. Het waren destijds fijnmechanische kunstwerken met heel snel draaiende vliegwielen en een bijbehorende besturing. Tegenwoordig zitten ze zelfs in goedkope mobieltjes. Moderne gyroscopen zijn gebaseerd op zogenaamde micro-elektromechanische sensoren (MEMS), die veranderingen meten in de krachten, die werken op twee identieke trillende massa’s die in tegengestelde richtingen bewegen. Deze MEMS-gyroscopen hebben helaas maar een beperkte gevoeligheid. Daarom zijn er, voor toepassingen waar een grote nauwkeurigheid nodig is, optische gyroscopen ontwikkeld die werken zonder bewegende onderdelen en een grotere nauwkeurigheid halen met behulp van het zogenaamde Sagnac-effect.

Sagnac-effect

Dit effect is vernoemd naar de Franse natuurkundige Georges Sagnac. Het gaat om een optisch fenomeen, dat gebaseerd is op de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein. Een lichtstraal wordt daarbij in tweeën gesplitst en de twee bundels worden in tegengestelde richting door een cirkelvormige baan geleid. Op de plaats waar ze weer samenkomen, bevindt zich een lichtdetector. Omdat licht zich, zoals bekend, altijd verplaatst met de lichtsnelheid, zal één lichtstraal eerder aankomen dan de andere, wanneer de sensor draait. Daardoor ontstaat een meetbare faseverschuiving. Als we dit doen voor alle drie de ruimteassen, dan ontstaat een 3-assige gyroscoop voor ruimteoriëntatie.

Problemen

De kleinste optische gyroscopen waren tot nu toe helaas groter dan een golfbal en pasten dus niet echt in een smartphone. Ze namen zelfs teveel ruimte in om ze te integreren in de besturingselektronica van voertuigen. Bij sterk miniaturiseren neemt helaas ook het Sagnac-effect af, waardoor de nauwkeurigheid achteruit gaat. Tot nu toe maakte dat de realisatie van echt kleine optische gyroscopen onmogelijk.

Een doorbraak

De ingenieurs van de afdeling voor techniek en toegepaste wetenschappen van CalTech hebben nu een nieuwe optische gyroscoop ontwikkeld, die 500 keer kleiner is dan de tot nu toe gebruikelijke constructies. Opmerkelijk genoeg kan deze mini-gyroscoop toch dertig keer kleinere faseverschuivingen detecteren dan de grotere systemen. De nieuwe gyroscoop wordt beschreven in het novembernummer van het vakblad Nature Photonics.

De werking

De nieuwe gyroscoop bereikt die verbeterde prestaties door toepassing van een nieuwe techniek die „reciprocal sensitivity enhancement“ (wederzijdse gevoeligheidsverbetering) wordt genoemd. Dat wederzijdse heeft ermee te maken, dat beide lichtstralen in de gyroscoop op dezelfde manier worden beïnvloed door stoorsignalen. Het Sagnac-effect, dat werkt op het verschil tussen de beide in tegengestelde richting lopende lichtstralen is „niet reciprook“. Het licht loopt in het inwendige van de gyroscoop door geminiaturiseerde lichtgeleiders. Onvolkomenheden in het optische pad en storingen van buitenaf hebben op beide stralen dezelfde invloed.
Het team van Ali Hajimiri heeft een manier gevonden om dit reciproke ruissignaal te verminderen en daarbij de signalen intact te houden. Het verhogen van de wederzijdse gevoeligheid verbetert de signaal/ruis-verhouding en dat maakt nauwkeurige optische gyroscopen mogelijk op een chip die kleiner is dan een rijstkorrel.