Avances en la fabricación de giroscopios de fibra óptica

Desde que se propuso por primera vez en 1975, el giroscopio de fibra óptica (FOG) ha mejorado constantemente en rendimiento y capacidad de fabricación. Ahora, un producto principal de fabricación de gran volumen con un rendimiento que se aproxima a los giroscopios láser de anillo (RLG), los FOG ofrecen ventajas sustanciales sobre las tecnologías de la competencia en términos de confiabilidad, costo y complejidad. El empalme de fibra óptica y los procesos relacionados están en el centro de este logro.

Los FOG son dispositivos interferométricos que utilizan el conocido efecto Sagnac. La Figura 1 presenta un ejemplo simple de tal dispositivo. La figura 1a muestra un bucle de fibra óptica de radio R con N bucles. El dispositivo tiene un acoplador de entrada/salida (E/S) que lanza dos ondas de luz que se propagan en sentido contrario. Cuando las ondas se recombinan en el fotodiodo del detector, se sumarán coherentemente. Si el bucle está girando, se desarrolla una diferencia de fase entre ellos, que se manifiesta como una diferencia de intensidad en el detector.

Para entender esto, imagine una rotación en el sentido de las agujas del reloj del bucle a una velocidad angular dada ω. Entre el momento en que la luz ingresa al lazo y sale del lazo, el acoplador de E/S se habrá movido una distancia ΔL (Figura 1b). La onda en sentido horario viajará una distancia L+ ΔL, y la onda en sentido antihorario viajará una distancia L-ΔL. La diferencia de longitud de camino entre los dos es 2ΔL, lo que corresponde a una diferencia de fase entre ellos de:

donde R es el radio de los bucles, N es el número de bucles, λ es la longitud de onda de la luz en la fibra y c es la velocidad de la luz.

Suponiendo una división exacta de 50/50 de las dos ondas y sin pérdida de potencia en la fibra, la intensidad de la luz en el detector viene dada por:

donde I0 es la intensidad de entrada.

Dada la gran cantidad de empalmes necesarios para producir un FOG (generalmente de 10 a 20 por dispositivo), el empalme juega un papel clave en la optimización del rendimiento. Empalmar una fibra óptica requiere pelar el búfer de fibra, luego limpiar, cortar, alinear, empalmar, recubrir y probar (resistencia) la fibra. El uso de la mejor tecnología comprobada es fundamental para obtener el rendimiento de empalme requerido.

La fibra PM tiene un "eje rápido" y un "eje lento" (birrefringencia). Las especificaciones típicas de fibra para diafonía de polarización entre los dos ejes son del orden de 25dB/100m y en un FOG se utilizan normalmente varios kilómetros de fibra. Es importante que los empalmes no aumenten significativamente el PER intrínseco de la fibra.

Para mantener el PER a través de un empalme, los ejes rápido y lento de las dos caras de los extremos que se van a empalmar deben estar alineados (Figura 2). Las imágenes de la vista final combinadas con el Procesamiento avanzado de imágenes (AIP) se utilizan para alinear las barras de tensión en la fibra PM. Si las barras de tensión no son simétricas con respecto al núcleo, el AIP calculará la alineación de rotación óptima para el PER máximo y la pérdida mínima. Usando esta técnica, los valores PER >35dB son alcanzables rutinariamente. Estos valores generalmente no son significativos en comparación con la fibra intrínseca PER.

Para obtener el máximo rendimiento, la alineación de retroalimentación activa es una opción. Los pares de fibras se pueden alinear y rotar entre sí mientras se observa el PER en un medidor de potencia calibrado correctamente. Cuando se maximiza el PER, el par de fibras se fusiona. Dado que se requiere acceso a los extremos de la fibra para la medición, no siempre es posible utilizar esta técnica, por lo que es fundamental una alineación pasiva confiable.

Para una fuerza de empalme óptima, la elección de las tecnologías de preparación de fibra y empalme (pelado, corte y limpieza) es fundamental. El método dominante en la producción de FOG es un horno basado en filamentos para empalme por fusión. Este es un método económico basado en el calentamiento resistivo. Genera un calentamiento uniforme de manera altamente consistente y repetible, y proporciona una alta resistencia al empalme, normalmente de 100 kpsi a 200 kpsi, según el diámetro de la fibra.

Antes del empalme, es esencial pelar el búfer sin que entre en contacto con el revestimiento de fibra, ya que cualquier muesca o rasguño en el revestimiento será un punto de falla en el futuro. El método preferido es el decapado termomecánico (TMS). La fibra se calienta, un par de cuchillas se sujetan alrededor de la fibra justo fuera del diámetro del revestimiento y la fibra se extrae. Esto elimina efectivamente todo el tampón de acrilato y es seguido por una limpieza ultrasónica.

A continuación, los extremos de las fibras se cortan utilizando una técnica de tensión y trazado, fundamental para producir el ángulo de corte bajo y la calidad de faceta alta necesaria para lograr un empalme de alta resistencia. Una escisión deficiente puede conducir tanto a una gran pérdida como a una baja resistencia.

Después de empalmar la fibra, se debe volver a recubrir para su protección. Se prefiere el uso de un molde de cuarzo para un recubrimiento repetible de alta calidad. El método es bien conocido por la calidad y el rendimiento resultantes del repintado, y por su longevidad de fabricación. Una vez que se completa el repintado, las fibras se pueden "probar" o tensar con una carga mínima para garantizar que cada empalme supere una resistencia mínima, normalmente 100 kpsi para 80 m de fibra, utilizando una prueba de tracción de alta precisión. En la práctica, debido a la corta longitud del cable, es difícil probar cada empalme de fibra, por lo que se deben utilizar métodos de muestreo.

Un FOG de un solo eje tiene una bobina, un acoplador de E/S, una fuente y un detector. También se requieren otros componentes, por lo que la cantidad de empalmes es bastante grande; nuevamente, generalmente de 10 a 20 empalmes por dispositivo, según la cantidad de ejes y los detalles del diseño. Una cantidad tan grande de empalmes en dispositivos pequeños no se presta a una línea de fabricación distribuida. Una estación de trabajo compacta que contenga todo el hardware necesario al alcance de la mano es la solución preferida. La configuración de la estación de trabajo minimiza el manejo del dispositivo y es la configuración más práctica y económica para el empalme manual.

Normalmente, el FOG se coloca encima o delante de la estación de trabajo (Figura 3). Cada par de fibras que se va a empalmar se corta a la longitud adecuada y luego se empalman. El operador puede realizar cada paso en la secuencia de empalme con solo un movimiento mínimo del propio FOG.

Desde el punto de vista del diseño, la fibra de 40 mm (Figura 4) ofrece la ventaja de una mayor densidad de empaquetamiento (más bucles de fibra por unidad de volumen) y un radio de curvatura mínimo más pequeño (debido a un diámetro de fibra más pequeño). Esto puede permitir una mayor sensibilidad en el mismo paquete que un diseño actual o una sensibilidad similar en un paquete más pequeño. Ambas son características deseables y proporcionan una mayor flexibilidad de diseño. Las principales ventajas y desventajas son que la fibra en sí misma puede tener una mayor pérdida y la mayor dificultad de producción de trabajar con fibras tan ultrafinas. Las fibras individuales de 40 mm de diámetro son difíciles de trabajar para un técnico, por lo que un enfoque minimalista para el manejo de la fibra es aún más esencial. Para enfrentar este desafío, se requiere automatización.

Una plataforma de empalme totalmente automatizada mejorará la producción actual y respaldará la transición a fibra de menor diámetro. Cualquier plataforma de automatización debe mantener las ventajas del enfoque de estación de trabajo actual, al mismo tiempo que ofrece alto rendimiento, escalabilidad y excelente retorno de la inversión (ROI). En particular, cualquier solución de automatización debe tener un alto rendimiento, un alto rendimiento y un movimiento mínimo de fibra.

Técnicamente, el enfoque preferido es mantener un par de fibras en una posición fija, minimizando el movimiento de las fibras y realizar el proceso de empalme completo in situ. FAS-3000 de Vytran es una estación de trabajo de empalme de fibra que puede automatizar completamente el proceso y toda la secuencia de empalme (pelar, limpiar, cortar, alinear, empalmar, recubrir y probar) puede tomar menos de dos minutos. La retroalimentación activa sobre la alineación no es necesaria ya que la alineación de la cara final en este sistema proporciona un amplio rendimiento en PER y pérdida. Los rendimientos también pueden mejorar a medida que se elimina la variabilidad del operador, y la calidad final puede mejorarse mediante pruebas de prueba 100 % in situ. Los datos de prueba se proporcionan a un sistema de fabricación integrado por computadora para el control y la trazabilidad del proceso estadístico. Finalmente, la gestión de la fibra se realiza antes y después del proceso completo de empalme FOG, lo que conduce a una alta eficiencia de utilización y un alto ROI.

Las técnicas de empalme de fibra óptica, incluida la alineación de la fibra, el empalme, la escisión y el recubrimiento, son fundamentales para la producción y el rendimiento de FOG. La tecnología de empalme y la arquitectura del equipo son elementos clave para la fabricación eficiente de FOG, y ambos serán cada vez más importantes a medida que la industria avanza hacia la miniaturización y la automatización.

Este artículo fue escrito por David Douglass, Ph.D., y Jean-Michel Pelaprat, Vytran (Morganville, NJ). Para obtener más información, comuníquese con Dan Bowden de Vytran en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo o visite http://info.hotims.com/49745-200.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de mayo de 2014 de la revista Photonics Tech Briefs.

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