El giroscopio óptico desarrollado en el laboratorio de Ali Hajimiri, descansando sobre granos de arroz. Crédito:Ali Hajimiri / Caltech
Los giroscopios son dispositivos que ayudan a los vehículos, drones y los dispositivos electrónicos portátiles y portátiles conocen su orientación en un espacio tridimensional. Son un lugar común en casi todas las tecnologías en las que confiamos todos los días. Originalmente, Los giroscopios eran conjuntos de ruedas anidadas, cada uno girando sobre un eje diferente. Pero abre un celular hoy y encontrarás un sensor microelectromecánico (MEMS), el equivalente moderno, que mide los cambios en las fuerzas que actúan sobre dos masas idénticas que oscilan y se mueven en direcciones opuestas. Estos giroscopios MEMS tienen una sensibilidad limitada, por lo que se han desarrollado giroscopios ópticos para realizar la misma función pero sin partes móviles y con un mayor grado de precisión utilizando un fenómeno llamado efecto Sagnac.
El efecto Sagnac, nombrado en honor al físico francés Georges Sagnac, es un fenómeno óptico enraizado en la teoría de la relatividad especial de Einstein. Para crearlo, un rayo de luz se divide en dos, y los haces gemelos viajan en direcciones opuestas a lo largo de un camino circular, luego se encuentran en el mismo detector de luz. La luz viaja a velocidad constante, de modo que al girar el dispositivo, y con él el camino que recorre la luz, uno de los dos rayos llega al detector antes que el otro. Con un bucle en cada eje de orientación, este cambio de fase, conocido como el efecto Sagnac, se puede utilizar para calcular la orientación.
Los giroscopios ópticos de alto rendimiento más pequeños disponibles en la actualidad son más grandes que una pelota de golf y no son adecuados para muchas aplicaciones portátiles. Como los giroscopios ópticos se construyen cada vez más pequeños, también lo es la señal que captura el efecto Sagnac, lo que hace que sea cada vez más difícil para el giroscopio detectar movimiento. Hasta ahora, esto ha impedido la miniaturización de los giroscopios ópticos.
Los ingenieros de Caltech dirigidos por Ali Hajimiri, Bren Professor de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Médica en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, desarrolló un nuevo giroscopio óptico que es 500 veces más pequeño que el dispositivo de última generación actual, sin embargo, pueden detectar cambios de fase que son 30 veces más pequeños que esos sistemas. El nuevo dispositivo se describe en un artículo publicado en la edición de noviembre de Fotónica de la naturaleza .
Cómo funciona
El nuevo giroscopio del laboratorio de Hajimiri logra este rendimiento mejorado mediante el uso de una nueva técnica llamada "mejora de la sensibilidad recíproca". En este caso, "recíproco" significa que afecta a ambos haces de luz dentro del giroscopio de la misma manera. Dado que el efecto Sagnac se basa en detectar una diferencia entre los dos haces cuando viajan en direcciones opuestas, se considera no recíproco. Dentro del giroscopio la luz viaja a través de guías de ondas ópticas miniaturizadas (pequeños conductos que transportan luz, que realizan la misma función que los cables para la electricidad). Imperfecciones en la trayectoria óptica que pueden afectar a los rayos (por ejemplo, fluctuaciones térmicas o dispersión de la luz) y cualquier interferencia exterior afectará a ambos haces de manera similar.
El equipo de Hajimiri encontró una manera de eliminar este ruido recíproco mientras dejaba intactas las señales del efecto Sagnac. La mejora de la sensibilidad recíproca mejora así la relación señal-ruido en el sistema y permite la integración del giróscopo óptico en un chip más pequeño que un grano de arroz.
El artículo se titula "Giroscopio óptico nanofotónico con mejora de sensibilidad recíproca".