La visión de los automóviles que conducen o de los aviones que vuelan solos solo puede hacerse realidad si la electrónica a bordo puede determinar dónde se encuentran en el espacio, en cualquier momento y con una precisión confiable. En el sector aeroespacial, este trabajo se dedica a los giroscopios que miden la luz para comprobar y estabilizar el rumbo de una embarcación en vuelo. Pero tales giroscopios pueden verse afectados por ciertas propiedades del material o por campos eléctricos o magnéticos, y las consecuencias pueden ser desastrosas. Esta es la razón por la que un consorcio germano-polaco se ha unido para desarrollar un medio fiable de transmisión de luz para hacer que los giroscopios sean menos susceptibles a las interferencias. Su secreto:fibras de núcleo hueco que pueden canalizar la luz con una pérdida mínima.

La fibra óptica forma la columna vertebral de las telecomunicaciones modernas:tubos diminutos, más delgados que un cabello humano, que contienen un núcleo de vidrio que es nuevamente diez veces más delgado. En ese núcleo, la luz puede moverse sin prácticamente nada que la interrumpa. A medida que el índice de refracción del material se reduce a medida que uno se acerca a la capa exterior, la luz no se filtra a través de las paredes delgadas, sino que rebota en ellas, zigzagueando a través del núcleo interno. Los científicos hablan de reflexión interna total una vez que esto se logra.

La tecnología de medición también utiliza las capacidades de las fibras ópticas. Son una parte elemental de los giroscopios, es decir, sensores de rotación de alta precisión. Si solo un eje de movimiento es relevante, los sensores de aceleración serían suficientes, pero cuando se necesita rastrear el movimiento de un objeto autónomo a través de las tres dimensiones del espacio, el sistema de medición tiene que ser más complicado e incluir tres acelerómetros y giroscopios.

Giroscopios ópticos al límite

Uno puede imaginarse un giroscopio óptico midiendo la rotación como un viaje alrededor del mundo:dependiendo de la dirección del viaje, uno pierde o gana tiempo. Un giroscopio de fibra incluye una fibra que se enrolla alrededor de una bobina y forma un resonador de anillo. En ese resonador, la luz puede viajar a favor o en contra del reloj.

Cuando el objeto gira, el camino recorrido por la onda de luz cambia imperceptiblemente, ya sea encogiéndose o expandiéndose por un pequeño margen. Es este cambio diminuto lo que un detector puede detectar y usar para calcular la rotación.

Pero aquí es donde las fibras ópticas topan con los límites de sus capacidades. Los campos magnéticos y eléctricos pueden interferir con el trabajo de interpretación del sensor, y el propio material puede interactuar con la luz y provocar un cambio en sus propiedades ópticas. Estos llamados efectos no lineales impactan directamente en cómo viaja la luz. La interferencia es tan mínima que no representa un problema para las telecomunicaciones, pero puede resultar crítica para la navegación de objetos autónomos, ya que la pequeña desviación de la dirección esperada pronto significará una desviación medible del rumbo elegido.

En su trabajo para evitar estos efectos, los investigadores del Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM han estado investigando tecnologías y materiales de vanguardia, y han encontrado un nuevo candidato prometedor en el mercado:las fibras de núcleo hueco.

Son tan delgadas como las fibras ópticas típicas, pero contienen aire en lugar de un núcleo de vidrio. La luz puede pasar a través de ese espacio hueco sin ninguna interrupción, lo que claramente reduce los efectos materiales que pueden cambiar su comportamiento. La luz también se mueve a través del material a 1,5 veces la velocidad de las fibras estándar, lo que hace que las fibras de núcleo hueco también sean una opción atractiva para las aplicaciones de transmisión de datos. Actualmente, su gran premio aún se interpone en el camino de su adopción más generalizada.

Tecnología de interconexión inteligente al rescate

Para los investigadores de los expertos en fotónica Wojciech Lewoczko-Adamczyk y Stefan Lenzky, el desafío era aprovechar las propiedades resistentes a las perturbaciones de estas fibras para la construcción de giroscopios de alta precisión, pero manteniendo bajos los costos de producción al mismo tiempo. Necesitaban encontrar una tecnología de interconexión que pudiera funcionar con el nuevo tipo de fibra. Uno de los principales desafíos fue la forma de dividir la señal luminosa en varios canales. Por lo general, las guías de ondas individuales se acoplarían simplemente fusionándolas, pero esto era imposible para las fibras de núcleo hueco, ya que su estructura única se perdería cuando se expusiera al calor.

Para contrarrestar este efecto, los investigadores construyeron colimadores en miniatura:lentes de alta precisión que capturan la luz de una fibra y la emiten antes de que ocurra la difracción. Una vez superado este paso crucial, la luz puede dividirse mediante espejos medio reflectantes y alimentarse al resonador de anillo. Después de un viaje alrededor del anillo, se mide y se retroalimenta a la fibra a través de un segundo colimador.

Plataforma de montaje para pymes

Al acoplar la luz con dos colimadores, la precisión extrema es esencial:en entornos de laboratorio, los componentes se pueden colocar y alinear con herramientas de posicionamiento precisas, pero es poco probable que estén disponibles en sitios de producción industrial. Esto significa que, hasta la fecha, las pequeñas y medianas empresas no han podido ofrecer este proceso. Por eso, el consorcio germano-polaco está desarrollando una plataforma de acoplamiento pasivo que permite integrar la tecnología en aplicaciones individuales. Su diseño permite el ajuste preciso de los colimadores terminados, eliminando la necesidad de alineación adicional.

Incluso con el proyecto aún programado para ejecutarse hasta finales de año, los investigadores ya han logrado un progreso sustancial:todavía se necesitan colimadores para doblar los haces, los componentes ópticos producidos por Fraunhofer IZM ya superan las soluciones actuales en el mercado con una precisión diez veces mayor. a un ángulo máximo de refracción de 0,04 grados. Esto significa que se pueden usar pares de colimadores para la plataforma de acoplamiento pasivo sin necesidad de alineación adicional, mientras se logra una eficiencia de acoplamiento de más del 85 por ciento. La misión para el tercer y último año del proyecto es probar qué tan confiable será la plataforma, agregar más componentes ópticos y mecánicos y colocar todo en un giroscopio. Una vez que se ha construido el sensor de rotación, todo está listo para probar la tecnología en condiciones reales.

La plataforma de ensamblaje del colimador puede hacer que los giroscopios ópticos para aeronaves y satélites sean más resistentes a las interrupciones, pero también puede ser una adición híbrida a los sistemas ópticos integrados que, p. utilice elementos ópticos que necesiten acoplamiento de haz libre. La luz dispersa que sale de una guía de ondas se puede colimar para reducir las pérdidas al volver a entrar en la siguiente guía de ondas. La solución óptica también será relevante para el procesamiento de materiales con haces de luz de ultra alta potencia o para la transmisión de luz infrarroja o ultravioleta de onda corta. Otras aplicaciones prometedoras se pueden imaginar en el campo de las telecomunicaciones. + Explora más

La nueva fibra óptica aporta mejoras significativas a los giroscopios basados ​​en luz