- El nuevo giroscopio óptico puede detectar rotaciones de tan solo 37 grados por hora.
- El dispositivo utiliza nitruro de silicio y es compatible con los procesos estándar de fabricación CMOS.
- La sensibilidad del giroscopio proviene de la capacidad de retención de luz de la estructura de anillo.
- Los investigadores planean realizar más pruebas fuera del laboratorio.
Investigadores de University of California, Santa Barbara, y Caltech han desarrollado un giroscopio óptico a escala de chip capaz de detectar rotaciones de tan solo 37 grados por hora, una velocidad casi 2,000 veces más lenta que los primeros diseños de nitruro de silicio. Este logro acerca al sensor a la velocidad de rotación de la Tierra, de 15 grados por hora. En última instancia, podría ayudar a desarrollar sistemas de navegación compactos para aeronaves, vehículos y naves espaciales que operen en entornos donde no se recibe señal GPS. A diferencia de los giroscopios tradicionales, que dependen del movimiento mecánico, este nuevo dispositivo utiliza la propagación de la luz por un circuito óptico en anillo para detectar la rotación.
Los investigadores señalan que este método puede ofrecer una detección de alta precisión en un encapsulado más pequeño y duradero.
Detalles técnicos del giroscopio
Este giroscopio experimental utiliza nitruro de silicio, un material compatible con los procesos estándar de fabricación de chips CMOS. Su circuito de detección tiene un diámetro de aproximadamente 24 milímetros, mientras que el dispositivo encapsulado mide solo unos pocos centímetros de ancho. Los investigadores combinaron dos tecnologías desarrolladas previamente: el giroscopio de láser Brillouin de Caltech y la plataforma de láser en chip de bajo ruido desarrollada por University of California, Santa Barbara con el apoyo de Air Force Research Laboratory. Dentro del dispositivo, dos láseres semiconductores envían luz en direcciones opuestas a través de un circuito en anillo. La interacción entre la luz y las vibraciones en el material genera dos señales láser estables.
Cuando el dispositivo rota, la frecuencia de estas señales cambia ligeramente en relación entre sí. Medir esta diferencia permite al giroscopio determinar la velocidad de rotación.
El factor clave de la sensibilidad
La capacidad de la estructura de anillo para retener luz es fundamental para su sensibilidad. Su factor de calidad, es decir, la eficiencia con que la cavidad óptica resonante almacena luz, supera los 163 millones, lo que permite al dispositivo aislar un ancho de banda estrecho de 2 megahercios a partir de una señal óptica de aproximadamente 200 terahercios. Los fotones permanecen casi 100 nanosegundos dentro de la cavidad resonante, lo que permite que la luz circule repetidamente. Una estructura de anillo más grande también aumenta la sensibilidad, porque los giroscopios ópticos pueden detectar rotaciones más pequeñas cuando la luz abarca un área mayor. El líder del equipo de investigación, Daniel J. Blumenthal, afirmó: «Nuestro nuevo giroscopio combina varias tecnologías avanzadas y logra una alta sensibilidad en un formato que puede fabricarse con métodos estándar de procesamiento de chips CMOS, y solo requiere milivatios de potencia óptica.»
Para evaluar el dispositivo, los investigadores montaron el chip encapsulado en una plataforma giratoria piezoeléctrica que se movía hacia adelante y hacia atrás a una frecuencia controlada. Otro interferómetro óptico midió el movimiento real de la plataforma, proporcionando una referencia para compararla con las lecturas del giroscopio. El sensor produjo una respuesta lineal y detectó rotaciones de tan solo 37 grados por hora. En comparación con los 72,000 grados por hora medidos por el giroscopio Brillouin de nitruro de silicio anterior de los investigadores, esto representa una mejora y demuestra que los láseres de bajo ruido y las cavidades ópticas resonantes de alta calidad pueden aumentar la sensibilidad rotacional en chips fotónicos.
Sin embargo, este nuevo dispositivo aún no ha logrado una medición directa de la rotación de la Tierra y sigue siendo un prototipo de laboratorio, no un sensor de navegación totalmente integrado. Los investigadores trabajan para reducir la dispersión de luz innecesaria, que podría afectar la estabilidad de la medición. También planean realizar pruebas fuera del laboratorio antes de integrar los láseres, los fotodetectores y otros componentes en un sistema compacto. Los resultados de la investigación se han publicado en Optics Express.
Potencial de aplicación del nuevo giroscopio
El desarrollo de este giroscopio óptico en miniatura marca un avance importante en la tecnología de navegación, especialmente en entornos donde no se puede depender del GPS. Su alta sensibilidad y su diseño miniaturizado lo hacen adecuado para diversas aplicaciones, como aeronaves, vehículos y naves espaciales. A medida que la tecnología madure más, este giroscopio tiene el potencial de desempeñar un papel clave en la conducción autónoma, los drones y otros sistemas de navegación de alta precisión. Los esfuerzos del equipo de investigación no solo se centran en mejorar el rendimiento, sino también en resolver desafíos como la dispersión de luz para garantizar la estabilidad y la fiabilidad del producto final.