엔지니어들은 가장 작은 휴대용 현대 기술에 쉽게 통합될 수 있는 세계에서 가장 작은 빛 감지 자이로스코프를 만들었습니다.
자이로스코프 오늘날 우리가 사용하는 모든 기술에 공통적입니다. 자이로스코프는 3차원(XNUMXD) 공간에서 장치의 올바른 방향을 알 수 있도록 도와주기 때문에 차량, 드론 및 모바일 및 웨어러블과 같은 전자 장치에 사용됩니다. 원래 자이로스코프는 바퀴가 축을 중심으로 여러 방향으로 빠르게 회전하도록 도와주는 바퀴의 장치입니다. 표준 광 자이로스코프에는 펄스 레이저 광을 전달하는 감긴 광섬유가 포함되어 있습니다. 이것은 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 실행됩니다. 대조적으로, 현대의 자이로스코프는 센서입니다. 예를 들어 휴대폰에는 MEMS(Microelectromechanical sensor)가 있습니다. 이 센서는 동일한 질량의 두 개체에 작용하지만 서로 다른 두 방향으로 흔들리는 힘을 측정합니다.
사냑 효과
현재 널리 사용되는 센서는 감도가 제한되어 있으므로 광학 자이로스코프 필요합니다. 결정적인 차이점은 광학 자이로스코프가 유사한 작업을 수행할 수 있지만 가동 부품 없이 더 정확하게 수행할 수 있다는 것입니다. 이것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 사용하여 각속도의 변화를 감지하는 광학 현상인 Sagnac 효과에 의해 달성할 수 있습니다. Sagnac 효과 동안 레이저 광선은 두 개의 독립적인 광선으로 분리되어 이제 하나의 광 검출기에서 만나는 둥근 경로를 따라 반대 방향으로 이동합니다. 이것은 장치가 정적이고 주로 빛이 일정한 속도로 이동하기 때문에 발생합니다. 그러나 장치가 회전하는 경우 빛의 경로도 회전하여 두 개의 별도 빔이 다른 시점에서 광 검출기에 도달합니다. 이 위상 변이를 Sagnac 효과라고 하며 이 동기화 차이를 자이로스코프로 측정하여 방향을 계산하는 데 사용합니다.
Sagnac 효과는 신호의 노이즈에 매우 민감하며 작은 열 변동이나 진동과 같은 주변 노이즈는 빔이 이동할 때 빔을 방해할 수 있습니다. 그리고 자이로스코프의 크기가 상당히 작으면 중단되기 쉽습니다. 광학 자이로스코프는 분명히 훨씬 더 효과적이지만 광학 자이로스코프를 축소하는 것, 즉 크기를 줄이는 것은 여전히 어려운 일입니다. 왜냐하면 크기가 작아질수록 센서에서 전송되는 신호도 약해지고 모든 산란에 의해 생성되는 노이즈에서 길을 잃기 때문입니다. 빛. 이로 인해 자이로스코프가 움직임을 감지하기가 더 어려워집니다. 이 시나리오는 더 작은 광학 자이로스코프의 설계를 제한했습니다. 성능이 좋은 가장 작은 자이로스코프는 적어도 골프공 크기로 소형 휴대기기에는 적합하지 않다.
소형 자이로스코프를 위한 새로운 디자인
미국 캘리포니아 공과 대학(California Institute of Technology USA)의 연구원들은 MEMS 센서 대신 레이저를 사용하여 동등한 결과를 얻는 매우 낮은 노이즈의 광학 자이로스코프를 설계했습니다. 그들의 연구는 자연 Photonics. 그들은 작은 2제곱mm 실리콘 칩을 가져와 빛을 안내하는 채널을 설치했습니다. 이 채널은 빛이 원 주위의 모든 방향으로 이동하도록 안내합니다. 엔지니어는 두 개의 디스크를 사용하여 레이저 빔의 경로를 늘려 상호 노이즈를 제거합니다. 빔의 경로가 길어질수록 노이즈의 양이 고르게 되어 두 빔이 만날 때 정확한 측정이 가능합니다. 이를 통해 더 작은 장치를 사용할 수 있지만 여전히 정확한 결과를 유지할 수 있습니다. 또한 이 장치는 빛의 방향을 바꿔 노이즈 캔슬링을 지원합니다. 이 혁신적인 자이로 센서의 이름은 XV-35000CB입니다. 향상된 성능은 '상호 감도 향상' 방법으로 달성되었습니다. Reciprocal은 동일한 방식으로 두 개의 독립적인 광선에 영향을 미친다는 것을 의미합니다. Sagnac 효과는 두 빔이 반대 방향으로 이동할 때 이 두 빔 사이의 변화 감지를 기반으로 하며 이는 비가역적입니다. 빛은 전기 회로의 전선과 유사하게 빛을 전달하는 작은 도관인 미니 광 도파관을 통해 이동합니다. 광학 경로의 결함이나 외부 간섭은 두 빔에 모두 영향을 미칩니다.
상호 감도가 향상되어 신호 대 잡음비가 향상되어 이 광학 자이로스코프를 손톱 끝 크기의 작은 칩에 통합할 수 있습니다. 이 작은 자이로스코프는 기존 장치보다 크기가 최소 500배 작지만 현재 시스템보다 30배 작은 위상 변이를 성공적으로 감지할 수 있습니다. 이 센서는 주로 카메라의 진동을 보정하는 시스템에서 사용할 수 있습니다. 자이로스코프는 이제 다양한 분야에서 필수 불가결한 요소이며 현재 연구에 따르면 더 작은 광학 자이로스코프를 설계하는 것이 가능하지만 이 실험실 디자인이 상용화되기까지는 시간이 걸릴 수 있습니다.
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출처
Khial PP 외 2018. 상호 감도 향상 기능이 있는 나노광자 광학 자이로스코프. 자연 Photonics. 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
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