Odpowiedź na wyzwanie stworzenia “lokalnego, niezależnego systemu lokalizacyjnego” sprowadza się przede wszystkim do fizyki i błędów pomiarowych, które w małych urządzeniach potrafią szybko narastać. Amerykańscy naukowcy właśnie pokazali jednak, że jedna z najważniejszych barier miniaturyzacji może zostać pokonana. Co ciekawe, nie potrzebowali do tego żadnego nowego rodzaju mechanicznego czujnika.
Naukowcy poprawili czułość żyroskopu niemal 2000 razy
Zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara oraz Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech) opracował optyczny żyroskop, który pozwala wykrywać obrót o prędkości zaledwie 37 stopni na godzinę. Żeby zrozumieć, jak niewielki jest to ruch, wystarczy przypomnieć, że nasza planeta obraca się wokół własnej osi z prędkością kątową około 15 stopni na godzinę. Innymi słowy, nowy czujnik zbliżył się do czułości potrzebnej do wykrywania samego obrotu Ziemi.
Czytaj też: Naukowcy złamali materiałową zasadę. Ten izolator przeczy intuicji
Znacznie ciekawsze jest jednak porównanie z wcześniejszym żyroskopem badaczy, który również wykorzystywał azotek krzemu, ale pozwalał rejestrować obrót dopiero przy prędkości około 72000 stopni na godzinę. Zejście do 37 stopni oznacza niemal 2000-krotną poprawę minimalnej wykrywalnej prędkości obrotowej. Nie chodzi więc o wzrost precyzji pomiaru każdego parametru urządzenia, ale o ogromny postęp w wykrywaniu bardzo powolnego ruchu.
Na tym jednak nie koniec, bo pierścieniowy obwód optyczny ma średnicę zaledwie 24 mm, a cały eksperymentalny moduł mierzy tylko kilka centymetrów. Właśnie tutaj widzę największy potencjał tego osiągnięcia, bo precyzyjne żyroskopy optyczne istnieją przecież od dekad. Jednak to ich miniaturyzacja przy zachowaniu odpowiednich parametrów stanowi zupełnie inne wyzwanie niż budowanie wielkich urządzeń laboratoryjnych.
Zamiast mechaniki wykorzystali światło. Tak działa nowy żyroskop
Typowy żyroskop MEMS, który znajdziemy w smartfonie, wykorzystuje mikroskopijne drgające struktury mechaniczne. Kiedy urządzenie się obraca, to zmienia się ich ruch, a elektronika przelicza te zmiany na prędkość kątową. Rozwiązanie jest tanie i wystarczające do codziennego użytku, ale przy bardzo precyzyjnych pomiarach jego ograniczenia stają się problemem.
Amerykanie wykorzystali więc efekt Sagnaca, w którym obrót wpływa na propagację światła poruszającego się w przeciwnych kierunkach po zamkniętej drodze. Dwa lasery półprzewodnikowe kierują światło do pierścieniowego obwodu wykonanego z azotku krzemu, gdzie dzięki oddziaływaniu światła z drganiami materiału powstają dwa stabilne sygnały laserowe Brillouina. Obrót powoduje niewielką różnicę ich częstotliwości, a jej pomiar pozwala określić prędkość kątową urządzenia.
Czytaj też: Alternatywny diament wprost z laboratorium. Nigdy przedtem nie udało się uzyskać takiego materiału
Kluczowy okazał się sam rezonator optyczny, którego współczynnik dobroci Q przekracza 163 miliony. W praktyce oznacza to, że światło może wielokrotnie krążyć w pierścieniu, a fotony pozostają w nim przez niemal 100 nanosekund. Układ potrafi dzięki temu wyodrębnić pasmo około 2 MHz z sygnału optycznego o częstotliwości około 200 THz. Większa powierzchnia obejmowana przez pierścień dodatkowo zwiększa czułość żyroskopu.
Co ważne, konstrukcja wymaga jedynie miliwatów mocy optycznej, a zastosowana platforma jest zgodna z procesami produkcji układów CMOS. Oczywiście nie oznacza to jeszcze, że podobny żyroskop można od jutra montować w każdym smartfonie, ale przynajmniej otwiera drogę do produkowania takich czujników metodami znanymi z przemysłu półprzewodnikowego. Co ciekawe, w rozwój wykorzystanej platformy fotonicznej zaangażowane było również Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych USA.
Obrót Ziemi został zmierzony już w 2020 roku
Już w 2020 roku naukowcy z Caltechu opisali na łamach “Nature Photonics” miniaturowy żyroskop laserowy wykorzystujący rezonator krzemionkowy, który rzeczywiście pozwolił zmierzyć obrót Ziemi. Jego czułość przy pomiarach oscylacyjnych sięgała nawet 5 stopni na godzinę. Dlaczego więc obecny wynik 37 stopni na godzinę jest tak ważny? Odpowiedź tkwi w technologii wykonania.
Wcześniejszy eksperyment pokazał, że miniaturowy żyroskop optyczny może osiągnąć wyjątkową czułość, natomiast nowa konstrukcja przenosi podobną klasę pomiarów na fotoniczną platformę z azotku krzemu, znacznie lepiej rokującą pod kątem dalszej integracji i produkcji półprzewodnikowej. Pamiętajmy z kolei, że w praktyce o przyszłości technologii decyduje nie tylko to, co można osiągnąć w laboratorium, ale też możliwość przeniesienia tego osiągnięcia do rzeczywistego urządzenia.
Nie oznacza to jednak, że wszystko już działa idealnie. Nowy żyroskop był testowany na specjalnej platformie piezoelektrycznej wykonującej kontrolowane ruchy obrotowe, których rzeczywistą wartość określał niezależny interferometr optyczny. Czujnik wykazał liniową odpowiedź i wykrywał obrót o prędkości 37 stopni na godzinę, ale bezpośredniego pomiaru obrotu Ziemi jeszcze nie przeprowadził. Badacze muszą też ograniczyć niepożądane rozpraszanie światła, poprawić stabilność pomiarów oraz zintegrować lasery, fotodetektory i pozostałe elementy w jednym układzie, zanim rozpoczną testy poza laboratorium.
Czy właśnie tak będzie wyglądała przyszłość nawigacji bez GPS?
Największego potencjału nowego żyroskopu upatruję w nawigacji inercyjnej, czyli określaniu ruchu i orientacji na podstawie pomiarów przyspieszeń oraz prędkości kątowych. Wyobraźcie sobie np. drona, który po utracie GPS musi samodzielnie kontynuować lot. Jeśli jego czujniki choćby nieznacznie błędnie określają kierunek, z czasem może coraz bardziej oddalać się od planowanej trasy. Podobne wyzwania opisywałem już przy okazji nawigacji wykorzystującej pole magnetyczne Ziemi oraz wojskowego systemu nawigacji kwantowej QuINS.
Czytaj też: MIT zrobiło komputer, który pamięta dzięki odkształcaniu materiału
Wszystkie te rozwiązania próbują ograniczyć zależność maszyn od satelitów, choć każde robi to w inny sposób. Nowy żyroskop mógłby stać się jednym z elementów takiego systemu, ale samodzielnie GPS nie zastąpi, ponieważ mierzy obrót, a nie bezpośrednio położenie. Czy za kilka lat podobne układy trafią do samolotów, autonomicznych pojazdów i statków kosmicznych? Uważam, że jest na to realna szansa, ale obecne badania nie dają jeszcze podstaw do określania ich przyszłej dokładności w praktycznej nawigacji. Naukowcy muszą najpierw wykazać odpowiednią stabilność, odporność na warunki pracy i powtarzalność parametrów po pełnej integracji.
Źródła: Optics Letters, Optica, Nature Photonics
