Los investigadores han dado un nuevo paso importante en el avance del rendimiento de los giroscopios de fibra óptica con resonador, un tipo de sensor de fibra óptica que detecta la rotación usando solo luz. Dado que los giroscopios son la base de la mayoría de los sistemas de navegación, el nuevo trabajo podría traer algún día importantes mejoras a estos sistemas.

"Los giroscopios de alto rendimiento se utilizan para la navegación en muchos tipos de aire, suelo, aplicaciones marinas y espaciales, "dijo Glen A. Sanders, quien dirigió el equipo de investigación de Honeywell International. "Aunque nuestro giroscopio aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, si alcanza su máxima capacidad de rendimiento, estará preparado para estar entre la próxima generación de tecnologías de orientación y navegación que no solo superan los límites de la precisión, sino que lo hacen con un tamaño y peso reducidos ".

En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , Investigadores de Honeywell y del Centro de Investigación de Optoelectrónica de la Universidad de Southampton en el Reino Unido describen cómo utilizaron un nuevo tipo de fibra óptica de núcleo hueco para superar varios factores que han limitado los giroscopios de fibra óptica con resonador anteriores. Esto les permitió mejorar el requisito de rendimiento más exigente de la estabilidad del giroscopio hasta 500 veces más que el trabajo publicado anteriormente que involucra fibras de núcleo hueco.

"Esperamos que estos giroscopios se utilicen en la próxima generación de aviación civil, vehículos autónomos y las muchas otras aplicaciones en las que se emplean los sistemas de navegación, "dijo Sanders." De hecho, a medida que mejoramos el rendimiento de los sistemas de orientación y navegación, esperamos abrir capacidades y aplicaciones completamente nuevas ".

Detección de rotación con luz

Los giroscopios de fibra óptica de resonador utilizan dos láseres que viajan a través de una bobina de fibra óptica en direcciones opuestas. Los extremos de la fibra están conectados para formar un resonador óptico de modo que la mayor parte de la luz recircule y realice múltiples viajes alrededor de la bobina. Cuando la bobina está en reposo, los rayos de luz que viajan en ambas direcciones comparten la misma frecuencia de resonancia, pero cuando la bobina está girando, las frecuencias de resonancia cambian entre sí de una manera que se puede utilizar para calcular la dirección de movimiento u orientación del vehículo o dispositivo en el que está montado el giroscopio.

Honeywell ha estado desarrollando tecnología de giroscopio de fibra óptica con resonador durante algún tiempo debido a su potencial para ofrecer una navegación de alta precisión en un dispositivo de menor tamaño en comparación con los sensores actuales. Sin embargo, Ha sido un desafío identificar una fibra óptica que pueda soportar los niveles de potencia láser incluso modestos en los anchos de línea láser ultrafinos requeridos por estos giroscopios sin causar efectos no lineales que degraden el rendimiento del sensor.

"En 2006, propusimos usar una fibra de núcleo hueco para el giroscopio de fibra óptica resonador, ", dijo Sanders." Debido a que estas fibras confinan la luz en un aire central o un vacío lleno de gas, los sensores basados ​​en ellos no sufren los efectos no lineales que afectan a los sensores basados ​​en fibras sólidas ".

Usando una fibra aún mejor

En el nuevo trabajo dirigido por Austin Taranta en la Universidad de Southampton, los investigadores querían ver si un tipo completamente nuevo de fibra de núcleo hueco podría aportar aún más mejoras. Conocido como fibra antiresonante sin nudos (NANF), esta nueva clase de fibras exhibe niveles aún más bajos de efectos no lineales que otras fibras de núcleo hueco.

Los NANF también tienen una atenuación óptica baja, lo que mejora la calidad del resonador porque la luz mantiene su intensidad en longitudes de propagación más largas a través de la fibra. De hecho, Se ha demostrado que estas fibras tienen la menor pérdida de luz de cualquier fibra de núcleo hueco, y para muchas partes del espectro, la pérdida más baja de cualquier fibra óptica.

Para giroscopios de fibra óptica con resonador, es fundamental que la luz viaje solo en un único camino a través de la fibra. Los NANF ayudan a hacer esto posible al eliminar los errores ópticos causados ​​por la retrodispersión, acoplamiento de polarización e impurezas modales, que son todas posibles fuentes de error o ruido adicional en el giroscopio. Su eliminación elimina los limitadores de rendimiento más importantes para otras tecnologías de fibra.

"Aunque la columna vertebral de este sensor es el nuevo tipo de fibra óptica, También trabajamos para reducir en gran medida el ruido al detectar la frecuencia de resonancia con una precisión sin precedentes, ", dijo Sanders." Esto fue crucial para mejorar el rendimiento y avanzar hacia la miniaturización del sensor ".

Conseguir estabilidad a largo plazo

Los investigadores de Honeywell realizaron estudios de laboratorio para caracterizar el rendimiento del nuevo sensor de giroscopio de fibra óptica en condiciones de rotación estables. es decir., solo en presencia de la rotación de la Tierra. Esto establece la "estabilidad de sesgo" del instrumento. Para eliminar el ruido y las perturbaciones en la configuración óptica de espacio libre, el giroscopio estaba montado en un establo, muelle estático. Al incorporar las NANF, los investigadores pudieron demostrar una estabilidad de sesgo a largo plazo de 0,05 grados por hora, que está cerca de los niveles requeridos para la navegación de aeronaves civiles.

"Al demostrar el alto rendimiento de las NANF en esta aplicación extremadamente exigente, Esperamos mostrar la promesa excepcional de estas fibras para su uso en otras cavidades resonantes científicas de precisión, ", dijo Taranta. Los investigadores ahora están trabajando para hacer un prototipo de giroscopio con una configuración más compacta y estable. También planean incorporar las NANF de última generación, que presentan una mejora de cuatro veces en las pérdidas ópticas, junto con una pureza modal y de polarización muy mejorada.