Avanços na fabricação de giroscópios de fibra óptica

Desde que foi proposto pela primeira vez em 1975, o giroscópio de fibra óptica (FOG) melhorou constantemente em desempenho e capacidade de fabricação. Agora, um produto fabricado em alto volume com desempenho que se aproxima do Ring Laser Gyros (RLG), os FOGs oferecem vantagens substanciais sobre as tecnologias competitivas em termos de confiabilidade, custo e complexidade. A emenda de fibra óptica e processos relacionados estão no centro dessa conquista.

FOGs são dispositivos interferométricos que utilizam o conhecido efeito Sagnac. A Figura 1 apresenta um exemplo simples de tal dispositivo. A Figura 1a mostra um loop de fibra óptica de raio R com N loops. O dispositivo possui um acoplador de entrada/saída (E/S) que lança duas ondas de luz de contrapropagação. Quando as ondas são recombinadas no fotodiodo do detector, elas se somam coerentemente. Se o loop estiver girando, uma diferença de fase se desenvolve entre eles, que se manifesta como uma diferença de intensidade no detector.

Para entender isso, imagine uma rotação no sentido horário da espira a uma dada velocidade angular ω. Entre o momento em que a luz entra no loop e sai do loop, o acoplador de I/O terá se movido uma distância ΔL (Figura 1b). A onda no sentido horário percorrerá uma distância L+ ΔL e a onda no sentido anti-horário percorrerá uma distância L-ΔL. A diferença de comprimento do caminho entre os dois é 2ΔL, o que corresponde a uma diferença de fase entre eles de:

onde R é o raio dos loops, N é o número de loops, λ é o comprimento de onda da luz na fibra e c é a velocidade da luz.

Assumindo uma divisão exata de 50/50 das duas ondas e sem perda de potência na fibra, a intensidade da luz no detector é dada por:

onde I0 é a intensidade de entrada.

Dado o grande número de emendas necessárias para produzir um FOG – normalmente de 10 a 20 por dispositivo – a emenda desempenha um papel fundamental na otimização do desempenho. A emenda de uma fibra óptica requer a remoção do buffer da fibra e, em seguida, a limpeza, clivagem, alinhamento, emenda, recobrimento e teste de prova (resistência) da fibra. Usar a melhor tecnologia comprovada é fundamental para obter o desempenho de emenda necessário.

A fibra PM possui um "eixo rápido" e um "eixo lento" (birrefringência). Especificações típicas de fibra para diafonia de polarização entre os dois eixos são da ordem de 25dB/100m e vários quilômetros de fibra são normalmente usados ​​em um FOG. É importante que as emendas não aumentem significativamente o PER da fibra intrínseca.

Para manter o PER através de uma emenda, os eixos rápido e lento das duas faces finais a serem unidas precisam estar alinhados (Figura 2). Imagens de visualização final combinadas com Processamento Avançado de Imagem (AIP) são usadas para alinhar as hastes de tensão na fibra PM. Se as hastes de tensão não forem simétricas em relação ao núcleo, o AIP calculará o alinhamento de rotação ideal para PER máximo e perda mínima. Usando esta técnica, valores PER >35dB são rotineiramente alcançáveis. Esses valores geralmente não são significativos em comparação com o PER da fibra intrínseca.

Para desempenho máximo, o alinhamento de feedback ativo é uma opção. Os pares de fibras podem ser alinhados e girados um em relação ao outro enquanto se observa o PER em um medidor de potência devidamente calibrado. Quando o PER é maximizado, o par de fibras é fundido. Como o acesso às extremidades da fibra é necessário para a medição, nem sempre é possível utilizar esta técnica, portanto, um alinhamento passivo confiável é fundamental.

Para obter a resistência ideal da emenda, a escolha das tecnologias de preparação da emenda e da fibra - decapagem, clivagem e limpeza - é crítica. O método dominante na produção de FOG é um forno baseado em filamentos para emendas por fusão. Este é um método econômico baseado em aquecimento resistivo. Ele gera aquecimento uniforme de maneira altamente consistente e repetível e fornece alta resistência à emenda, normalmente de 100 kpsi a 200 kpsi, dependendo do diâmetro da fibra.

Antes da emenda, é essencial remover o buffer sem entrar em contato com o revestimento de fibra, pois qualquer entalhe ou arranhão no revestimento será um ponto de falha no futuro. O método preferido é a decapagem termomecânica (TMS). A fibra é aquecida, um par de lâminas é preso ao redor da fibra fora do diâmetro do revestimento e a fibra é puxada. Isso remove efetivamente todo o tampão de acrilato e é seguido por limpeza ultrassônica.