Peneliti AS mengembangkan giroskop optik mikro, sensitivitas meningkat hampir 2.000 kali, mampu mendeteksi rotasi lambat

Peneliti dari University of California, Santa Barbara dan California Institute of Technology telah mengembangkan giroskop optik tingkat cip yang mampu mendeteksi rotasi serendah 37 derajat per jam, kecepatan ini hampir 2.000 kali lebih lambat dibandingkan desain nitrida silikon sebelumnya. Pencapaian ini mendekatkan sensor ke kecepatan rotasi Bumi, yaitu 15 derajat per jam. Akhirnya, hal ini dapat membantu pengembangan sistem navigasi kompak untuk pesawat, kendaraan, dan spacecraft yang beroperasi di lingkungan di mana sinyal GPS tidak tersedia. Berbeda dengan giroskop konvensional yang bergantung pada gerakan mekanis, perangkat baru ini memanfaatkan cahaya yang merambat di jalur optik cincin untuk mendeteksi rotasi.

Peneliti menyatakan bahwa metode ini dapat memberikan sensasi presisi tinggi dalam kemasan yang lebih kecil dan lebih tahan lama.

Detail Teknis Giroskop

Giroskop eksperimental ini menggunakan nitrida silikon, material yang kompatibel dengan proses manufaktur cip CMOS standar. Sirkuit sensornya berdiameter sekitar 24 milimeter, sedangkan perangkat yang sudah dikemas memiliki lebar hanya beberapa sentimeter. Peneliti menggabungkan dua teknologi yang dikembangkan sebelumnya: giroskop laser Brillouin dari California Institute of Technology dan platform laser cip berisik rendah yang dikembangkan di University of California, Santa Barbara dengan dukungan dari Air Force Research Laboratory AS. Di dalam perangkat, dua laser semikonductor mengirimkan cahaya ke arah berlawanan pada sirkuit cincin. Interaksi antara cahaya dan getaran dalam material menghasilkan dua sinyal laser yang stabil.

Saat perangkat berputar, frekuensi sinyal-sinyal ini berubah secara relatif kecil. Mengukur perbedaan ini memungkinkan giroskop menentukan laju rotasi.

Faktor Kunci Sensitivitas

Kemampuan struktur cincin mempertahankan cahaya sangat krusial bagi sensitivitasnya. Faktor kualitasnya, yaitu efisiensi rongga resonansi optik dalam menyimpan cahaya, melebihi 163 juta, hal ini memungkinkan perangkat mengisolasi pita lebar 2 megahertz yang sempit dari sinyal optik sekitar 200 terahertz. Foton bertahan di dalam rongga resonansi selama hampir 100 nanodetik, memungkinkan cahaya berputar berulang kali. Struktur cincin yang lebih besar juga meningkatkan sensitivitas, karena giroskop optik dapat mendeteksi rotasi yang lebih kecil ketika cahaya mengelilingi area yang lebih besar. Ketua tim peneliti, Daniel J. Blumenthal, menyatakan: "Giroskop baru kami menggabungkan beberapa teknologi canggih, mencapai sensitivitas tinggi dalam format yang dapat diproses dengan metode fabrikasi cip CMOS standar, dan hanya memerlukan daya optik miliwatt."

Untuk mengevaluasi perangkat tersebut, peneliti memasang cip yang sudah dikemas pada platform rotasi piezoelektrik yang bergerak bolak-balik pada frekuensi terkontrol. Interferometer optik lain mengukur gerakan aktual platform, memberikan referensi untuk dibandingkan dengan pembacaan giroskop. Sensor menghasilkan respons linear dan mendeteksi rotasi serendah 37 derajat per jam. Hal ini dibandingkan dengan 72.000 derajat per jam yang terukur pada giroskop Brillouin nitrida silikon sebelumnya milik peneliti, menunjukkan peningkatan, membuktikan bahwa laser berisik rendah dan rongga resonansi optik berkualitas tinggi dapat meningkatkan sensitivitas rotasi pada cip fotonik.

Namun, perangkat baru ini belum mencapai pengukuran langsung rotasi Bumi, dan masih merupakan prototipe laboratorium, bukan sensor navigasi yang terintegrasi sepenuhnya. Peneliti berupaya mengurangi hamburan cahaya yang tidak perlu, yang dapat memengaruhi stabilitas pengukuran. Mereka juga berencana melakukan pengujian di luar laboratorium sebelum mengintegrasikan laser, detektor cahaya, dan komponen lain ke dalam sistem yang kompak. Hasil penelitian terkait telah diterbitkan di Optics Letters.

Potensi Aplikasi Giroskop Baru

Pengembangan giroskop optik mikro ini menandai kemajuan penting dalam teknologi navigasi, terutama di lingkungan yang tidak dapat mengandalkan GPS. Sensitivitas tinggi dan desain miniatur membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi seperti pesawat, kendaraan, dan spacecraft. Seiring dengan kematangan teknologi lebih lanjut, giroskop ini berpotensi memainkan peran kunci dalam sistem navigasi presisi tinggi seperti kendaraan otonom, drone, dan lainnya. Upaya tim peneliti tidak hanya berfokus pada peningkatan performa, tetapi juga mengatasi tantangan seperti hamburan cahaya, untuk memastikan stabilitas dan keandalan produk akhir.