米国の研究者たちが微型光学ジャイロを開発、感度が約2,000倍向上し、緩やかな回転を検出可能に

カリフォルニア大学サンタバーバラ校とカリフォルニア工科大学の研究者たちがチップレベルの光学ジャイロスコープを開発し、毎時37度という低い回転を検出可能にした。この速度は初期の窒化ケイ素設計よりほぼ2,000倍遅い。この成果によりセンサーは地球の自転速度、すなわち毎時15度により近づいた。最終的には、GPS信号を受信できない環境で動作する航空機、車両、宇宙船のためのコンパクトなナビゲーションシステムの開発に役立つ可能性がある。機械的運動に依存する従来のジャイロスコープとは異なり、この新デバイスは環状光路における光の伝播を利用して回転を検出する。

研究者たちによれば、この手法により、より小型で耐久性の高いパッケージで高精度なセンシングが可能になるという。

ジャイロスコープの技術詳細

この実験的ジャイロスコープは窒化ケイ素を使用しており、この材料は標準的なCMOSチップ製造プロセスと互換性がある。そのセンシング回路の直径は約24ミリメートルで、パッケージング後のデバイス幅はわずか数センチメートルである。研究者たちは2つの先行開発技術を組み合わせた：カリフォルニア工科大学のブリルアンレーザージャイロスコープ、およびカリフォルニア大学サンタバーバラ校が米空軍研究所の支援を受けて開発した低ノイズチップレーザープラットフォーム。デバイス内部では、2つの半導体レーザーが環状回路の逆方向へ光を送る。光と材料中の振動との相互作用により、2つの安定したレーザー信号が生成される。

デバイスが回転すると、これらの信号の周波数が相対的にわずかに変化する。この差を測定することで、ジャイロスコープは回転速度を特定できる。

感度の鍵となる要因

環状構造の光保持能力がその感度にとって極めて重要である。その品質因子、すなわち光学共振器が光を蓄える効率は1億6300万を超え、これによりデバイスは約200テラヘルツの光信号から狭い2メガヘルツの帯域幅を分離できる。光子は共振器内で約100ナノ秒保持され、光が繰り返し循環することを可能にする。より大きな環状構造も感度を高める。なぜなら光学ジャイロスコープは、光がより大きな面積を囲むときにより小さな回転を検出できるからだ。研究チームリーダーのDaniel J. Blumenthal氏は「我々の新しいジャイロスコープはいくつかの先進技術を組み合わせ、標準的なCMOSチップ加工法が使用可能なフォーマットで高感度を実現し、かつわずかミリワットの光パワーしか必要としない」と述べている。

デバイスを評価するため、研究者たちはパッケージング済みのチップを圧電回転台に搭載し、制御可能な周波数で前後に動かした。別の光学干渉計が台の実際の動きを測定し、ジャイロスコープの読み取り値と比較するための基準を提供した。センサーは線形応答を示し、毎時37度という低い回転を検出した。これは研究者たちの初期の窒化ケイ素ブリルアンジャイロスコープで測定された毎時72,000度と比較して改善を示しており、低ノイズレーザーと高品質光学共振器がフォトニックチップ上の回転感度を向上させられることを実証した。

しかし、この新デバイスは地球の自転の直接測定にはまだ至っておらず、完全に統合されたナビゲーションセンサーではなく実験室プロトタイプの段階にとどまる。研究者たちは測定の安定性に影響を与える可能性のある不要な光散乱の低減に取り組んでいる。また、レーザー、光検出器、その他のコンポーネントをコンパクトなシステムに統合する前に、実験室外でのテストを計画している。関連研究成果は『Optics Letters』に掲載済みである。

新型ジャイロスコープの応用可能性

この微型光学ジャイロスコープの開発は、特にGPSに依存できない環境において、ナビゲーション技術の重要な進歩を意味する。その高感度と小型化設計により、航空機、車両、宇宙船など多様な用途に適している。技術がさらに成熟するにつれ、この種のジャイロスコープは自動運転、ドローン、その他の高精度ナビゲーションシステムで重要な役割を果たす可能性がある。研究チームの取り組みは性能向上だけでなく、光散乱などの課題解決にも及び、最終製品の安定性と信頼性を確保することを目指している。