- Der neue optische Gyroskop kann Rotationen von nur 37 Grad pro Stunde erfassen.
- Das Gerät verwendet Siliziumnitrid und ist mit standardmäßigen CMOS-Fertigungsverfahren kompatibel.
- Die Empfindlichkeit des Gyroskops stammt aus der Lichtspeicherfähigkeit der Ringstruktur.
- Die Forscher planen weitere Tests außerhalb des Labors.
Forscher der University of California, Santa Barbara und des California Institute of Technology haben einen chipbasierten optischen Gyroskop entwickelt, der Rotationen von nur 37 Grad pro Stunde erfassen kann – eine Geschwindigkeit, die fast 2,000-mal langsamer ist als bei früheren Siliziumnitrid-Designs. Dieser Fortschritt bringt den Sensor der Erdrotationsrate von 15 Grad pro Stunde näher. Letztlich könnte er dazu beitragen, kompakte Navigationssysteme für Flugzeuge, Fahrzeuge und Raumfahrzeuge zu entwickeln, die in Umgebungen ohne GPS-Signale operieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gyroskopen, die auf mechanischer Bewegung beruhen, nutzt dieses neue Gerät die Ausbreitung von Licht in einem ringförmigen Lichtpfad, um Rotationen zu detektieren.
Die Forscher geben an, dass dieses Verfahren hochpräzises Sensieren in kleineren, langlebigeren Gehäusen ermöglicht.
Technische Details des Gyroskops
Dieser experimentelle Gyroskop verwendet Siliziumnitrid, ein Material, das mit standardmäßigen CMOS-Chip-Fertigungsverfahren kompatibel ist. Sein Sensorkreis hat einen Durchmesser von etwa 24 Millimetern, während das verpackte Gerät nur wenige Zentimeter breit ist. Die Forscher kombinierten zwei zuvor entwickelte Technologien: den Brillouin-Laser-Gyroskop vom California Institute of Technology und die Low-Noise-Chip-Laser-Plattform, die an der University of California, Santa Barbara mit Unterstützung des US Air Force Research Laboratory entwickelt wurde. Im Inneren des Geräts senden zwei Halbleiterlaser Licht in entgegengesetzte Richtungen durch einen Ringkreis. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materialschwingungen erzeugt zwei stabile Lasersignale.
Wenn sich das Gerät dreht, ändern sich die Frequenzen dieser Signale leicht. Die Messung dieser Differenz ermöglicht es dem Gyroskop, die Drehgeschwindigkeit zu bestimmen.
Schlüsselfaktoren der Empfindlichkeit
Die Lichtspeicherfähigkeit der Ringstruktur ist entscheidend für die Empfindlichkeit. Ihr Qualitätsfaktor, also die Effizienz des optischen Resonators beim Speichern von Licht, übersteigt 163 Millionen, wodurch das Gerät eine schmale Bandbreite von 2 Megahertz aus einem etwa 200 Terahertz umfassenden optischen Signal isolieren kann. Photonen verbleiben fast 100 Nanosekunden im Resonator, was wiederholte Lichtumläufe erlaubt. Eine größere Ringstruktur erhöht ebenfalls die Empfindlichkeit, da optische Gyroskope kleinere Rotationen erfassen können, wenn das Licht einen größeren Flächeninhalt umgibt. Der Leiter des Forschungsteams, Daniel J. Blumenthal, erklärt: „Unser neuer Gyroskop vereint mehrere fortschrittliche Technologien und erreicht hohe Empfindlichkeit in einem Format, das mit standardmäßigen CMOS-Chip-Verarbeitungsmethoden kompatibel ist, und benötigt lediglich Milliwatt an optischer Leistung.”
Um das Gerät zu bewerten, montierten die Forscher den verpackten Chip auf einer piezoelektrischen Drehplattform, die sich mit kontrollierter Frequenz hin und her bewegt. Ein weiterer optischer Interferometer maß die tatsächliche Bewegung der Plattform und lieferte eine Referenz zum Vergleich mit den Gyroskop-Messwerten. Der Sensor erzeugte eine lineare Reaktion und detektierte Rotationen von nur 37 Grad pro Stunde. Im Vergleich zu den 72,000 Grad pro Stunde, die mit dem früheren Siliziumnitrid-Brillouin-Gyroskop der Forscher gemessen wurden, zeigt dies eine Verbesserung und belegt, dass Low-Noise-Laser und hochwertige optische Resonatoren die Rotationsempfindlichkeit auf photonischen Chips steigern können.
Allerdings hat dieses neue Gerät noch keine direkte Messung der Erdrotation erreicht und bleibt ein Laborprototyp, kein vollständig integrierter Navigationssensor. Die Forscher arbeiten daran, unerwünschte Lichtstreuung zu verringern, die die Messstabilität beeinträchtigen könnte. Sie planen zudem, Tests außerhalb des Labors durchzuführen, bevor Laser, Photodetektoren und andere Komponenten in ein kompaktes System integriert werden. Die Forschungsergebnisse wurden in „Optics Letters“ veröffentlicht.
Anwendungspotenzial des neuen Gyroskops
Die Entwicklung dieses mikroskopischen optischen Gyroskops markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Navigationstechnologie, insbesondere in Umgebungen, in denen man sich nicht auf GPS verlassen kann. Seine hohe Empfindlichkeit und sein miniaturisiertes Design machen es für vielfältige Anwendungen in Flugzeugen, Fahrzeugen und Raumfahrzeugen geeignet. Mit zunehmender technischer Reife könnte dieser Gyroskop eine Schlüsselrolle in autonomen Fahrsystemen, Drohnen und anderen hochpräzisen Navigationssystemen spielen. Die Bemühungen des Forschungsteams zielen nicht nur auf Leistungssteigerung ab, sondern auch auf die Bewältigung von Herausforderungen wie Lichtstreuung, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Endprodukts zu gewährleisten.