Drones sin GPS incluso bajo guerra electrónica: el giróscopo láser podría ser la solución

Investigadores crearon un giroscopio óptico en un chip que pudo medir rotaciones de apenas 37° por hora. Para comparar, la Tierra gira aproximadamente 15° en ese mismo intervalo de tiempo. La sensibilidad aún no es suficiente para seguir con seguridad la propia rotación del planeta, pero el nuevo resultado acercó los giroscopios compactos al nivel necesario para una navegación precisa sin GPS.

Los autores midieron la rotación del dispositivo real, no solo calcularon su posible sensibilidad. La versión anterior del giroscopio en la misma plataforma distinguía movimiento únicamente a partir de 72 000° por hora. Ahora la velocidad mínima medida se redujo casi 2000 veces.

En lugar de una pequeña pieza mecánica, el giroscopio utiliza luz. Dentro del chip fotónico hay trazado un anillo de aproximadamente 24 mm de diámetro por el que dos señales láser circulan en sentidos opuestos. Mientras el dispositivo está inmóvil, sus frecuencias casi coinciden. Si el chip gira, una señal óptica recorre el anillo de manera ligeramente distinta que la otra. El giroscopio detecta la minúscula diferencia de frecuencias y calcula la velocidad de rotación a partir de ella.

Los físicos llaman a este principio efecto Sagnac. Para que el débil desplazamiento no se pierda entre el ruido, los investigadores hicieron que la luz interactuara con las vibraciones del material y obtuvieron dos señales láser Brillouin muy estables. El anillo se fabricó con nitruro de silicio, que permite guiar la luz por canales microscópicos con pérdidas reducidas.

Un diámetro grande para una microcircuitería fotónica también desempeñó un papel importante. Cuanto mayor es el área dentro del anillo, más la rotación altera el movimiento de las ondas de luz contrapropagantes. Al mismo tiempo, el resonador óptico retiene los fotones casi 100 ns, por lo que la luz tiene tiempo de recorrer varias veces el anillo y acumular un efecto medible. El factor de calidad del resonador superó los 163 millones.

Para verificarlo, los investigadores fijaron el chip empaquetado de unos centímetros a una pequeña plataforma giratoria y lo hicieron moverse lentamente de un lado a otro. Un interferómetro óptico separado registró el movimiento real y sirvió como instrumento de control. Las lecturas del giroscopio variaron junto con la velocidad de rotación hasta el mínimo de 37° por hora.

Para convertirse en un sensor de navegación completo en un solo chip, el desarrollo aún debe superar varias etapas. Los láseres, fotodetectores y parte de la óptica auxiliar todavía se encuentran fuera del chip principal, y la dispersión no deseada de la luz empeora la estabilidad de las mediciones. Los autores pretenden reducir las interferencias, integrar los componentes en un único módulo compacto y probarlo fuera del entorno de laboratorio.

Si los ingenieros logran trasladar todo el sistema óptico a un chip, los giroscopios de alta precisión podrían volverse notablemente más pequeños y resistentes que los aparatos actuales. La construcción no tiene piezas móviles sensibles, y la parte óptica consume solo unos pocos miliovatios. En perspectiva, sensores así podrían ser útiles para automóviles, aviones y naves espaciales que necesitan determinar su movimiento incluso donde la navegación por satélite es inaccesible o poco fiable.