Les gyroscopes sont des appareils qui aident les véhicules, drones, et les appareils électroniques portables et portables connaissent leur orientation dans l'espace tridimensionnel. Ils sont monnaie courante dans à peu près toutes les technologies sur lesquelles nous comptons chaque jour. Initialement, les gyroscopes étaient des ensembles de roues imbriquées, chacun tournant sur un axe différent. Mais ouvre un téléphone portable aujourd'hui, et vous trouverez un capteur microélectromécanique (MEMS), l'équivalent d'aujourd'hui, qui mesure les changements dans les forces agissant sur deux masses identiques qui oscillent et se déplacent dans des directions opposées. Ces gyroscopes MEMS sont limités dans leur sensibilité, les gyroscopes optiques ont donc été développés pour remplir la même fonction mais sans pièces mobiles et avec un degré de précision plus élevé en utilisant un phénomène appelé effet Sagnac.

L'effet Sagnac, du nom du physicien français Georges Sagnac, est un phénomène optique enraciné dans la théorie de la relativité restreinte d'Einstein. Pour le créer, un faisceau de lumière est divisé en deux, et les faisceaux jumeaux se déplacent dans des directions opposées le long d'un chemin circulaire, puis se rencontrer au même détecteur de lumière. La lumière voyage à vitesse constante, ainsi, la rotation de l'appareil - et avec lui le chemin parcouru par la lumière - fait arriver l'un des deux faisceaux au détecteur avant l'autre. Avec une boucle sur chaque axe d'orientation, ce déphasage, connu sous le nom d'effet Sagnac, peut être utilisé pour calculer l'orientation.

Les plus petits gyroscopes optiques hautes performances disponibles aujourd'hui sont plus gros qu'une balle de golf et ne conviennent pas à de nombreuses applications portables. Comme les gyroscopes optiques sont de plus en plus petits, le signal qui capte l'effet Sagnac l'est aussi, ce qui rend de plus en plus difficile la détection de mouvement par le gyroscope. Jusqu'à maintenant, cela a empêché la miniaturisation des gyroscopes optiques.

Ingénieurs Caltech dirigés par Ali Hajimiri, Professeur Bren de génie électrique et de génie médical à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées, développé un nouveau gyroscope optique 500 fois plus petit que l'appareil de pointe actuel, pourtant, ils peuvent détecter des déphasages 30 fois plus petits que ces systèmes. Le nouveau dispositif est décrit dans un article publié dans le numéro de novembre de Photonique de la nature .

Comment ça fonctionne

Le nouveau gyroscope du laboratoire de Hajimiri atteint cette performance améliorée en utilisant une nouvelle technique appelée "amélioration de la sensibilité réciproque". Dans ce cas, « réciproque » signifie qu'il affecte les deux faisceaux de lumière à l'intérieur du gyroscope de la même manière. Puisque l'effet Sagnac repose sur la détection d'une différence entre les deux faisceaux lorsqu'ils se déplacent dans des directions opposées, il est considéré comme non réciproque. A l'intérieur du gyroscope, la lumière voyage à travers des guides d'ondes optiques miniaturisés (petits conduits qui transportent la lumière, qui remplissent la même fonction que les fils pour l'électricité). Imperfections du chemin optique pouvant affecter les faisceaux (par exemple, fluctuations thermiques ou diffusion de la lumière) et toute interférence extérieure affectera les deux faisceaux de la même manière.

L'équipe de Hajimiri a trouvé un moyen d'éliminer ce bruit réciproque tout en laissant intacts les signaux de l'effet Sagnac. L'amélioration réciproque de la sensibilité améliore ainsi le rapport signal sur bruit dans le système et permet l'intégration du gyroscope optique sur une puce plus petite qu'un grain de riz.

L'article s'intitule "Gyroscope optique nanophotonique avec amélioration de la sensibilité réciproque".