Nano-gyroscope optique

6 novembre 2018, 18:29
Nano-gyroscope optique
Nano-gyroscope optique
C'est l'amélioration du rapport signal/bruit du dispositif qui a permis le développement d'un nouveau type de gyroscope miniaturisé au sein du CalTech (Institut de technologie de Californie).

Les gyroscopes servent à mesurer le déplacement des véhicules, des drones, des smartphones et d'autres appareils électroniques dans un espace tridimensionnel. Autrefois, les gyroscopes mécaniques étaient des chefs-d’œuvres de précision extrêmement coûteux, constitués de roues en rotation rapide suspendues sur des cardans. Ils permettaient de déterminer avec certitude les mouvements des navires, des avions et des systèmes de guidage des missiles dans l'espace. Aujourd'hui, les gyroscopes à capteurs MEMS (systèmes microélectromécaniques) sont peu coûteux et trouvent leur place dans pratiquement tous les appareils intelligents du commerce. Il permettent de mesurer tout changement dans les forces s'exerçant sur deux masses vibrantes identiques, se déplaçant dans des directions opposées. Les gyroscopes à capteurs MEMS ont des limites, notamment en termes de sensibilité, ce qui explique l'utilisation des gyroscopes optiques pour les applications les plus exigeantes. Ces derniers ne nécessitent aucune pièce mobile et bénéficient d'une précision supérieure grâce à l'effet Sagnac.

Comme son nom l'indique, le phénomène a été découvert par le physicien français Georges Sagnac. L'effet est produit par un interféromètre en anneau et s'appuie sur une propriété de la lumière constituant l'assise de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Pour mesurer la rotation dans un plan, un faisceau lumineux est séparé en deux et émis dans des directions opposées, le long d'un guide d'ondes optiques circulaire constituant un interféromètre. Une rotation physique du guide d'ondes autour de son axe provoque la rencontre des deux faisceaux à un moment légèrement différent. En mesurant la différence de phase entre les deux, il est possible d'établir le degré de rotation dans ce plan. Trois de ces gyroscopes alignés respectivement dans les plans X, Y et Z permettent d’obtenir un gyroscope à trois axes, capable d’assurer une orientation complète dans l’espace.

Le plus petit des gyroscopes optiques haut de gamme actuels a à peu près la taille d'une balle de golf, ce qui rend difficile son incorporation discrète dans un boîtier de smartphone courant ! Il est aussi trop volumineux pour s'intégrer facilement dans l'électronique de commande des applications de navigation des véhicules terrestres. La différence de phase obtenue grâce à l'effet Sagnac diminue avec les dimensions du gyroscope. Ce qui limite la précision de l'appareil et a, jusqu'ici, freiné la miniaturisation des gyroscopes optiques.

Les ingénieurs du Département de génie et de sciences appliquées du Caltech ont réussi à créer un nouveau gyroscope optique 500 fois plus petit que les modèles actuels, mais sans perdre en précision. Concrètement, cet appareil est capable de détecter des déphasages 30 fois plus faibles que ce que permettent des systèmes plus volumineux. Ce nouveau gyroscope est décrit dans le numéro de novembre de la revue Nature Photonics.

Le gain de performances obtenu découle de l'utilisation d'une technique appelée « amélioration de sensibilité réciproque ». Dans ce cas, la réciprocité tient au fait que les deux faisceaux lumineux du gyroscope sont affectés de manière identique par une interférence quelconque (effet thermique ou dispersion de la lumière). Cependant, les différences de phase des deux faisceaux sont « non réciproques ».
L'équipe dirigée par Ali Hajimiri a développé une méthode permettant d'atténuer le bruit réciproque indésirable tout en conservant intactes les informations non réciproques du signal de phase. L'amélioration du rapport signal/bruit du système a été cruciale pour développer ce gyroscope optique miniature.
 
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