- ไจโรสโคปแบบออปติกชนิดใหม่สามารถตรวจจับการหมุนได้ต่ำถึง 37 องศาต่อชั่วโมง
- ตัวอุปกรณ์ใช้ซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต CMOS มาตรฐาน
- ความไวของไจโรสโคปมาจากความสามารถในการกักเก็บแสงของโครงสร้างแบบวงแหวน
- นักวิจัยมีแผนทดสอบเพิ่มเติมนอกห้องปฏิบัติการ
นักวิจัยจาก UC Santa Barbara และ California Institute of Technology พัฒนาไจโรสโคปแบบออปติกระดับชิปที่สามารถตรวจจับการหมุนได้ต่ำถึง 37 องศาต่อชั่วโมง ซึ่งอัตรานี้ช้ากว่าการออกแบบซิลิคอนไนไตรด์รุ่นก่อนเกือบ 2,000 เท่า ความสำเร็จนี้ทำให้เซนเซอร์เข้าใกล้ความเร็วการหมุนของโลกที่ 15 องศาต่อชั่วโมงมากยิ่งขึ้น ในที่สุดอาจช่วยพัฒนา 시스템นำทางแบบกะทัดรัดสำหรับอากาศยาน ยานพาหนะ และยานอวกาศที่ปฏิบัติงานในสภาพแวดล้อมซึ่งไม่สามารถรับสัญญาณ GPS ได้ ต่างจากไจโรสโคปแบบดั้งเดิมที่อาศัยการเคลื่อนที่เชิงกล อุปกรณ์ใหม่นี้ใช้แสงที่เดินทางในเส้นทางแสงแบบวงแหวนในการตรวจจับการหมุน
นักวิจัยระบุว่าวิธีนี้สามารถให้การตรวจจับที่มีความแม่นยำสูงในบรรจุภัณฑ์ที่เล็กลงและทนทานกว่า
รายละเอียดทางเทคนิคของไจโรสโคป
ไจโรสโคปเชิงทดลองนี้ใช้ซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งเป็นวัสดุที่เข้ากันได้กับกระบวนการผลิตชิป CMOS มาตรฐาน วงจรตรวจจับมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 24 มิลลิเมตร ขณะที่ตัวอุปกรณ์เมื่อบรรจุแล้วมีความกว้างเพียงไม่กี่เซนติเมตร นักวิจัยได้ผสานเทคโนโลยีสองอย่างที่พัฒนาไว้ก่อนหน้านี้ ได้แก่ ไจโรสโคปเลเซอร์แบบ Brillouin จาก California Institute of Technology และแพลตฟอร์มเลเซอร์บนชิปที่มีสัญญาณรบกวนต่ำซึ่งพัฒนาโดย UC Santa Barbara โดยได้รับการสนับสนุนจาก Air Force Research Laboratory ภายในตัวอุปกรณ์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองตัวส่งแสงไปในทิศทางตรงข้ามกันรอบวงจรแบบวงแหวน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับการสั่นในวัสดุทำให้เกิดสัญญาณเลเซอร์ที่เสถียรสองสัญญาณ
เมื่ออุปกรณ์หมุน ความถี่ของสัญญาณเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อยเมื่อเทียบกัน การวัดความต่างนี้ทำให้ไจโรสโคปสามารถระบุอัตราการหมุนได้
ปัจจัยสำคัญของความไว
ความสามารถในการกักเก็บแสงของโครงสร้างแบบวงแหวนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความไวของอุปกรณ์ ค่าคุณภาพ (quality factor) ซึ่งคือประสิทธิภาพของoptical cavity ในการกักเก็บแสง มีค่าสูงกว่า 163 ล้าน ช่วยให้อุปกรณ์สามารถแยกแถบความถี่แคบ 2 เมกะเฮิรตซ์ออกจากสัญญาณแสงที่ราว 200 เทระเฮิรตซ์ได้ โฟตอนคงอยู่ใน cavity ได้เกือบ 100 นาโนวินาที ทำให้แสงวนซ้ำได้หลายรอบ โครงสร้างวงแหวนที่ใหญ่ขึ้นยังเพิ่มความไวด้วย เนื่องจากไจโรสโคปแบบออปติกสามารถตรวจจับการหมุนที่น้อยลงได้เมื่อแสงล้อมรอบพื้นที่更大的面積 หัวหน้าทีมวิจัย Daniel J. Blumenthal กล่าวว่า "ไจโรสโคปใหม่ของเราผสานเทคโนโลยีขั้นสูงหลายอย่างเข้าด้วยกัน เพื่อให้ได้ความไวสูงในรูปแบบที่ใช้วิธีผลิตชิป CMOS มาตรฐานได้ และใช้กำลังแสงเพียงมิลลิวัตต์"
เพื่อประเมินอุปกรณ์นี้ นักวิจัยติดตั้งชิปที่บรรจุแล้วบนแท่นหมุนแบบเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งเคลื่อนที่ไปมาในอัตราความถี่ที่ควบคุมได้ อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แบบออปติกอีกตัวหนึ่งวัดการเคลื่อนที่จริงของแท่น เพื่อให้ค่าอ้างอิงสำหรับเปรียบเทียบกับค่าที่อ่านได้จากไจโรสโคป เซนเซอร์ให้การตอบสนองเชิงเส้น และตรวจจับการหมุนได้ต่ำถึง 37 องศาต่อชั่วโมง เมื่อเทียบกับ 72,000 องศาต่อชั่วโมงที่วัดได้จากไจโรสโคปแบบ Brillouin ที่ใช้ซิลิคอนไนไตรด์ของนักวิจัยในรุ่นก่อนหน้า นับเป็นผลลัพธ์ที่แสดงถึงการปรับปรุง และพิสูจน์ว่าเลเซอร์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและ optical cavity คุณภาพสูงสามารถเพิ่มความไวในการตรวจจับการหมุนบนชิปโฟโตนิกได้
อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ใหม่นี้ยังไม่สามารถวัดการหมุนของโลกได้โดยตรง และยังคงเป็นต้นแบบในห้องปฏิบัติการ ไม่ใช่เซนเซอร์นำทางที่บูรณาการอย่างสมบูรณ์ นักวิจัยกำลังมุ่งลดการกระเจิงของแสงที่ไม่จำเป็น ซึ่งอาจส่งผลต่อความเสถียรของการวัด พวกเขายังมีแผนทดสอบนอกห้องปฏิบัติการก่อนที่จะบูรณาการเลเซอร์ ตัวตรวจจับแสง และชิ้นส่วนอื่น ๆ เข้าเป็นระบบกะทัดรัดเดียวกัน ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Optics Express
ศักยภาพการใช้งานของไจโรสโคปแบบใหม่
การพัฒนาไจโรสโคปแบบออปติกขนาดจิ๋วนี้ถือเป็นความก้าวหน้าสำคัญของเทคโนโลยีการนำทาง โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ไม่สามารถพึ่งพา GPS ได้ ความไวสูงและการออกแบบที่ย่อขนาดลงทำให้เหมาะสมกับการใช้งานหลากหลาย ทั้งอากาศยาน ยานพาหนะ และยานอวกาศ เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาเต็มที่มากขึ้น ไจโรสโคปชนิดนี้อาจมีบทบาทสำคัญในระบบขับขี่อัตโนมัติ โดรน และระบบนำทางความแม่นยำสูงอื่น ๆ ความพยายามของทีมวิจัยไม่เพียงมุ่งยกระดับประสิทธิภาพ แต่ยังรวมถึงการแก้ปัญหาต่าง ๆ เช่น การกระเจิงของแสง เพื่อให้มั่นใจในความเสถียรและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย