Insinyur telah membangun giroskop penginderaan cahaya terkecil di dunia yang dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam teknologi modern portabel terkecil.
Giroskop umum di setiap teknologi yang kita gunakan di zaman sekarang. Giroskop digunakan di kendaraan, drone, dan perangkat elektronik seperti ponsel dan perangkat yang dapat dikenakan karena membantu mengetahui orientasi perangkat yang benar dalam ruang tiga dimensi (3D). Awalnya, giroskop adalah perangkat roda yang membantu roda berputar cepat pada sumbu ke arah yang berbeda. Sebuah standar optik giroskop berisi serat optik spooled yang membawa sinar laser pulsa. Ini berjalan baik searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Sebaliknya, giroskop modern adalah sensor, misalnya di ponsel ada sensor mikroelektromekanis (MEMS). Sensor-sensor ini mengukur gaya-gaya yang bekerja pada dua entitas dengan massa yang sama tetapi bergetar dalam dua arah yang berbeda.
Efek Sagnac
Sensor meskipun sekarang banyak digunakan memiliki sensitivitas terbatas dan dengan demikian giroskop optik dibutuhkan. Perbedaan penting adalah bahwa giroskop optik dapat melakukan tugas serupa tetapi tanpa bagian yang dapat dipindahkan dan dengan lebih akurat. Ini dapat dicapai dengan efek Sagnac, sebuah fenomena optik yang menggunakan teori relativitas umum Einstein untuk mendeteksi perubahan kecepatan sudut. Selama efek Sagnac, seberkas sinar laser dipecah menjadi dua berkas independen yang sekarang bergerak ke arah yang berlawanan di sepanjang jalur melingkar yang akhirnya bertemu di satu detektor cahaya. Ini terjadi hanya jika perangkat statis dan terutama karena cahaya bergerak dengan kecepatan konstan. Namun, jika perangkat berputar, jalur cahaya juga diputar menyebabkan dua berkas terpisah mencapai detektor cahaya pada titik waktu yang berbeda. Pergeseran fase ini disebut efek Sagnac dan perbedaan sinkronisasi ini diukur dengan giroskop dan digunakan untuk menghitung orientasi.
Efek Sagnac sangat sensitif terhadap kebisingan dalam sinyal dan kebisingan di sekitarnya seperti fluktuasi termal kecil atau getaran dapat mengganggu balok saat mereka bergerak. Dan jika giroskop berukuran jauh lebih kecil maka lebih rentan terhadap gangguan. Giroskop optik jelas jauh lebih efektif tetapi masih merupakan tantangan untuk mengurangi giroskop optik yaitu mengurangi ukurannya, karena semakin kecil sinyal yang ditransmisikan dari sensornya juga melemah dan kemudian hilang dalam kebisingan yang dihasilkan oleh semua giroskop yang tersebar. lampu. Hal ini menyebabkan giroskop lebih kesulitan dalam mendeteksi gerakan. Skenario ini telah membatasi desain giroskop optik yang lebih kecil. Giroskop terkecil yang memiliki kinerja yang baik setidaknya seukuran bola golf dan karenanya tidak cocok untuk perangkat portabel kecil.
Desain baru untuk giroskop kecil
Para peneliti di California Institute of technology USA telah merancang giroskop optik dengan noise sangat rendah yang menggunakan laser sebagai pengganti sensor MEMS dan mendapatkan hasil yang setara. Studi mereka diterbitkan di Nature Photonics. Mereka mengambil chip silikon kecil berukuran 2 mm persegi dan memasang saluran di atasnya untuk memandu cahaya. Saluran ini membantu memandu cahaya untuk melakukan perjalanan ke segala arah di sekitar lingkaran. Insinyur menyingkirkan kebisingan timbal balik dengan memperpanjang jalur sinar laser dengan menggunakan dua disk. Saat jalur pancaran menjadi lebih panjang, jumlah kebisingan disamakan sehingga menghasilkan pengukuran yang akurat saat kedua berkas bertemu. Ini memungkinkan penggunaan perangkat yang lebih kecil tetapi tetap mempertahankan hasil yang akurat. Perangkat ini juga membalikkan arah cahaya untuk membantu pembatalan kebisingan. Sensor gyro inovatif ini diberi nama XV-35000CB. Peningkatan kinerja dicapai dengan metode 'peningkatan sensitivitas timbal balik'. Timbal balik berarti mempengaruhi dua berkas cahaya independen dengan cara yang sama. Efek Sagnac didasarkan pada deteksi perubahan antara dua sinar ini saat mereka bergerak dalam arah yang berlawanan dan ini sama dengan menjadi nonreciprocal. Cahaya bergerak melalui pandu gelombang optik mini yang merupakan saluran kecil yang membawa cahaya, mirip dengan kabel dalam rangkaian listrik. Setiap ketidaksempurnaan di jalur optik atau gangguan luar akan mempengaruhi kedua balok.
Peningkatan sensitivitas timbal balik meningkatkan rasio signal-to-noise yang memungkinkan giroskop optik ini diintegrasikan ke dalam chip kecil yang mungkin seukuran ujung kuku. Giroskop kecil ini setidaknya berukuran 500 kali lebih kecil dari perangkat yang ada tetapi berhasil mendeteksi pergeseran fasa 30 kali lebih kecil dari sistem saat ini. Sensor ini dapat digunakan terutama dalam sistem untuk mengoreksi getaran kamera. Giroskop sekarang sangat diperlukan di berbagai bidang dan penelitian saat ini menunjukkan bahwa giroskop optik yang lebih kecil dapat dirancang meskipun mungkin perlu beberapa waktu agar desain laboratorium ini tersedia secara komersial.
***
{Anda dapat membaca makalah penelitian asli dengan mengklik tautan DOI yang diberikan di bawah ini dalam daftar sumber yang dikutip}
Sumber (s)
Khial PP et al 2018. Giroskop optik nanofotonik dengan peningkatan sensitivitas timbal balik. Nature Photonics. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
