Ця рекордна чутливість, що наближається до швидкості обертання Землі (15 градусів на годину), у майбутньому може знайти застосування у високоточних системах навігації та орієнтації, особливо там, де недоступний сигнал GPS.
Гіроскопи вимірюють параметри обертання об'єкта, допомагаючи визначати його орієнтацію та рух. Гіроскопи на базі мікросхем, що використовуються в смартфонах та інших повсякденних пристроях, як правило, мають обмежену чутливість, що робить їх непридатними для вирішення складніших завдань. Це спонукало вчених зайнятися розробкою оптичних гіроскопів на чипі, що мають достатню чутливість для таких цілей, як навігація літальних апаратів.
"Наш новий гіроскоп поєднує кілька передових технологій, забезпечуючи високу чутливість за компактних розмірів. Його можна виробляти за допомогою стандартних методів виготовлення КМОН-структур (CMOS), при цьому він споживає всього кілька міліватів оптичної потужності", - зазначає Деніел Дж. Блюменталь, який очолював дослідницьку групу з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі. "Повністю інтегрований оптичний гіроскоп не лише компактніший за наявні сьогодні системи, а й не містить частин, що рухаються, завдяки чому він вкрай стійкий до вібрацій і ударів."
У журналі Optics Letters дослідники описують новий пристрій, в основі якого лежить особливий тип малошумного лазера, створеного на базі фотонної інтегральної схеми хвилеводів на основі нітриду кремнію. Досягнута чутливість майже у 2000 разів перевищує показники попередньої розробки цієї групи - гіроскопа на основі ефекту Бріллюена в нітриді кремнію, який фіксував обертання зі швидкістю 72 000 градусів на годину.
"Наступний розвиток цієї технології дозволить впровадити високоточні оптичні гіроскопи в компактні пристрої на чипі", — каже Керрі Вахала, керівник дослідницької групи з Каліфорнійського технологічного інституту. "Це відкриє шлях до створення більш надійних та придатних для масового виробництва пристроїв, які можна буде використовувати в автомобілях, авіації та космічних апаратах."
Об'єднання технологій
Для створення нового гіроскопа дослідники об'єднали два підходи: технологію діамантових лазерних гіроскопів, розроблену науковою групою Вахали, і рішення на базі нітриду кремнію — "діамантовий лазер на чипі", створене групою Блюменталя у співпраці з Дослідницькою лабораторією ВПС США. У діамантових гіроскопах використовується взаємодія світла з коливаннями у хвилеводі, що дозволяє генерувати лазерні сигнали з низьким рівнем шуму, необхідні для реєстрації обертання.
В основі підходу, запропонованого групою Вахали, лежить кільцевий мікрорезонатор. Він здатний утримувати світло з мінімальними втратами й має високу добротність (Q-фактор) - показник того, наскільки ефективно кільце зберігає світлову енергію. Завдяки цьому світло може здійснювати безліч обертів усередині резонатора, що робить систему надзвичайно чутливою до найменших змін, спричинених обертанням. У 2017 році команда Вахали продемонструвала цю технологію, а згодом використала мініатюрний оптичний резонатор із діоксиду кремнію для фіксації обертання Землі.
Група Блюменталю за підтримки Дослідницької лабораторії ВПС США розробила фотонні схеми на основі нітриду кремнію — матеріалу, який дозволяє спрямовувати світло з вкрай низькими втратами. Такі схеми сумісні зі стандартними методами виробництва КМОН-структур (CMOS), що відкриває шлях до мініатюризації технології та спрощення процесу її виготовлення. На цій основі були створені компактні (чипові) діамантові лазери, що генерують високостабільне випромінювання у вузькому частотному діапазоні. Це дозволило системі реєструвати мізерно малі зміни, зумовлені обертанням. У 2019 році ця технологія була використана для вимірювання обертання Землі.
"Поєднання цих двох підходів дозволило вимірювати набагато повільніше обертання, ніж це було можливо раніше з використанням інтегральних технологій, і наблизитися до створення повністю інтегрованого лазерного оптичного гіроскопа", - зазначив Блюменталь.
У новому пристрої чутливий елемент чипа є кільцевим оптичним контуром діаметром близько 24 міліметрів. Два напівпровідникові лазери направляють світло в кільце в протилежних напрямках; взаємодія світла з матеріалом породжує два високостабільні лазерні сигнали (бріллюенівські сигнали), які поширюються вздовж кільця. Відносно великий розмір кільця має важливе значення, оскільки чутливість оптичних гіроскопів зростає зі збільшенням площі, що охоплюється кільцем.
Коли чип нерухомий, обидва світлові сигнали поводяться однаково. Однак при обертанні чипа виникає крихітна різниця у їх частотах. Чип фіксує цю різницю та використовує її для визначення швидкості свого обертання.
Кільцевий резонатор з нітриду кремнію в даному пристрої має власну добротність (Q-фактор), що перевищує 163 мільйони. Це забезпечує надзвичайно вибіркову фільтрацію: резонатор виділяє смугу частот шириною 2 МГц з оптичного сигналу з частотою 200 ТГц, при цьому утримуючи фотони всередині контуру протягом майже 100 наносекунд.
Вимір надповільного обертання
Для тестування нового пристрою дослідники помістили упакований в корпус чип (розміром всього кілька сантиметрів) на невелику п'єзоелектричну платформу, що обертається, і приводили його в рух, здійснюючи коливання із заданими частотами. За допомогою окремого оптичного інтерферометра вони вимірювали фактичне переміщення і порівнювали отримані дані з показаннями гіроскопа.
Реакція гіроскопа на рух виявилася лінійною, що дозволило дослідникам зафіксувати обертання зі швидкістю лише 37 градусів на годину. Цей результат підтвердив, що поєднання КМОН-сумісних технологій, оптичних резонаторів дуже великого розміру та високої добротності (Q-фактора) дозволяє створювати високочутливі оптичні гіроскопи.
Зараз дослідники працюють над удосконаленням матеріалів та резонатора, щоб зменшити зворотне розсіювання небажаного випромінювання накачування – це має підвищити стабільність вимірювань. Надалі планується об'єднати всю систему в єдиний компактний блок для проведення випробувань поза лабораторними умовами. Нарешті, інтеграція всіх компонентів – лазерів, фотодетекторів та інших елементів – на одному чипі із застосуванням технологій повномасштабної фотонної інтеграції дозволить створити повноцінний лазерний оптичний гіроскоп на кристалі.
