Progressi nella produzione di giroscopi a fibra ottica

Da quando è stato proposto per la prima volta nel 1975, il giroscopio a fibra ottica (FOG) è costantemente migliorato in termini di prestazioni e producibilità. Oggigiorno un prodotto mainstream, fabbricato in grandi volumi con prestazioni che si avvicinano ai giroscopi laser ad anello (RLG), i FOG offrono vantaggi sostanziali rispetto alle tecnologie della concorrenza in termini di affidabilità, costi e complessità. La giunzione della fibra ottica e i relativi processi sono al centro di questo risultato.

I FOG sono dispositivi interferometrici che sfruttano il noto effetto Sagnac. La Figura 1 presenta un semplice esempio di tale dispositivo. La Figura 1a mostra un anello in fibra ottica di raggio R con N anelli. Il dispositivo è dotato di un accoppiatore di ingresso/uscita (I/O) che lancia due onde luminose che si propagano in senso contrario. Quando le onde vengono ricombinate sul fotodiodo del rilevatore, si sommeranno in modo coerente. Se la spira ruota, si sviluppa tra loro una differenza di fase, che si manifesta come differenza di intensità sul rilevatore.

Per capirlo, immagina una rotazione in senso orario della spira ad una data velocità angolare ω. Tra il momento in cui la luce entra nel circuito e ne esce, l'accoppiatore I/O si sarà spostato di una distanza ΔL (Figura 1b). L'onda in senso orario percorrerà una distanza L+ ΔL, mentre l'onda in senso antiorario percorrerà una distanza L-ΔL. La differenza di lunghezza del percorso tra i due è 2ΔL, che corrisponde ad una differenza di fase tra loro di:

dove R è il raggio delle spire, N è il numero di spire, λ è la lunghezza d'onda della luce nella fibra e c è la velocità della luce.

Supponendo una suddivisione esatta 50/50 delle due onde e nessuna perdita di potenza nella fibra, l'intensità della luce al rilevatore è data da:

dove I0 è l'intensità di ingresso.

Dato l'elevato numero di giunzioni necessarie per produrre un FOG, in genere da 10 a 20 per dispositivo, la giunzione gioca un ruolo chiave nell'ottimizzazione delle prestazioni. La giunzione di una fibra ottica richiede la rimozione del buffer della fibra, quindi la pulizia, la scissione, l'allineamento, la giunzione, il rivestimento e il test di prova (resistenza) della fibra. L'utilizzo della migliore tecnologia collaudata è fondamentale per ottenere le prestazioni di giunzione richieste.

La fibra PM ha un "asse veloce" e un "asse lento" (birifrangenza). Le specifiche tipiche della fibra per la diafonia di polarizzazione tra i due assi sono dell'ordine di 25 dB/100 me molti chilometri di fibra vengono generalmente utilizzati in una nebbia. È importante che le giunzioni non aggiungano significativamente alla fibra intrinseca PER.

Per mantenere il PER attraverso una giunzione, gli assi veloce e lento delle due facce terminali da unire insieme devono essere allineati (Figura 2). L'imaging della vista finale combinato con l'elaborazione avanzata delle immagini (AIP) viene utilizzato per allineare le barre di sollecitazione nella fibra PM. Se le barre di sollecitazione non sono simmetriche rispetto al nucleo, l'AIP calcolerà l'allineamento di rotazione ottimale per il PER massimo e la perdita minima. Utilizzando questa tecnica, sono normalmente ottenibili valori PER > 35 dB. Questi valori generalmente non sono significativi rispetto alla fibra intrinseca PER.

Per ottenere le massime prestazioni, l'allineamento con feedback attivo è un'opzione. Le coppie di fibre possono essere allineate e ruotate l'una rispetto all'altra osservando il PER su un misuratore di potenza opportunamente calibrato. Quando il PER è massimizzato, la coppia di fibre è fusa. Poiché per la misurazione è necessario l'accesso alle estremità della fibra, non è sempre possibile utilizzare questa tecnica, pertanto è fondamentale un allineamento passivo affidabile.

Per una resistenza ottimale della giunzione, la scelta delle tecnologie di giunzione e preparazione delle fibre (spelatura, taglio e pulizia) è fondamentale. Il metodo dominante nella produzione del FOG è un forno a filamento per la giunzione a fusione. Questo è un metodo economico basato sul riscaldamento resistivo. Genera un riscaldamento uniforme in modo altamente coerente e ripetibile e fornisce un'elevata resistenza alla giunzione, tipicamente da 100 kpsi a 200 kpsi a seconda del diametro della fibra.

Prima della giunzione, è essenziale rimuovere il tampone senza entrare in contatto con il rivestimento in fibra, poiché eventuali scheggiature o graffi sul rivestimento costituiranno un punto di guasto in futuro. Il metodo preferito è lo stripping termomeccanico (TMS). La fibra viene riscaldata, una coppia di lame viene fissata attorno alla fibra appena fuori dal diametro del rivestimento e la fibra viene trascinata attraverso. Questo rimuove efficacemente tutto il tampone di acrilato ed è seguito dalla pulizia ad ultrasuoni.