I ricercatori hanno compiuto un nuovo importante passo avanti nell'avanzamento delle prestazioni dei giroscopi a fibra ottica risonatori, un tipo di sensore in fibra ottica che rileva la rotazione utilizzando solo la luce. Poiché i giroscopi sono la base della maggior parte dei sistemi di navigazione, il nuovo lavoro potrebbe un giorno apportare importanti miglioramenti a questi sistemi.

"I giroscopi ad alte prestazioni sono utilizzati per la navigazione in molti tipi di aria, terreno, applicazioni marine e spaziali, " ha detto Glen A. Sanders, che ha guidato il team di ricerca di Honeywell International. "Sebbene il nostro giroscopio sia ancora nelle prime fasi di sviluppo, se raggiunge le sue massime capacità prestazionali, sarà pronto per essere tra la prossima generazione di tecnologie di guida e navigazione che non solo spingono i limiti della precisione, ma lo fanno con dimensioni e peso ridotti".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori di Honeywell e dell'Optoelectronics Research Center dell'Università di Southampton nel Regno Unito descrivono come hanno utilizzato un nuovo tipo di fibra ottica a nucleo cavo per superare diversi fattori che hanno limitato i precedenti giroscopi a fibra ottica risonatore. Ciò ha permesso loro di migliorare il requisito prestazionale più impegnativo della stabilità del giroscopio fino a 500 volte rispetto al lavoro precedentemente pubblicato che coinvolgeva le fibre a nucleo cavo

"Speriamo di vedere questi giroscopi utilizzati nella prossima generazione di aviazione civile, veicoli autonomi e le molte altre applicazioni in cui vengono impiegati i sistemi di navigazione, " ha detto Sanders. "In effetti, mentre miglioriamo le prestazioni dei sistemi di guida e navigazione, speriamo di aprire funzionalità e applicazioni completamente nuove."

Rilevamento della rotazione con la luce

I giroscopi a fibra ottica risonatore utilizzano due laser che viaggiano attraverso una bobina di fibra ottica in direzioni opposte. Le estremità della fibra sono collegate per formare un risonatore ottico in modo che la maggior parte della luce possa ricircolare e compiere più viaggi intorno alla bobina. Quando la bobina è a riposo, i fasci luminosi che viaggiano in entrambe le direzioni condividono la stessa frequenza di risonanza, ma quando la bobina gira, le frequenze di risonanza si spostano l'una rispetto all'altra in un modo che può essere utilizzato per calcolare la direzione del movimento o l'orientamento per il veicolo o il dispositivo su cui è montato il giroscopio.

Honeywell ha da tempo sviluppato la tecnologia del giroscopio a fibra ottica risonante per il suo potenziale di fornire una navigazione ad alta precisione in un dispositivo di dimensioni più ridotte rispetto ai sensori attuali. Però, è stato difficile identificare una fibra ottica in grado di resistere a livelli di potenza laser anche modesti alle larghezze di linea laser ultrafini richieste da questi giroscopi senza causare effetti non lineari che degradano le prestazioni del sensore.

"Nel 2006, abbiamo proposto di utilizzare una fibra a nucleo cavo per il giroscopio a fibra ottica del risonatore, " disse Sanders. "Poiché queste fibre confinano la luce in un vuoto centrale pieno di aria o gas, i sensori basati su di essi non soffrono degli effetti non lineari che affliggono i sensori basati su fibre solide".

Usando una fibra ancora migliore

Nel nuovo lavoro, guidato da Austin Taranta presso l'Università di Southampton, i ricercatori volevano vedere se un tipo completamente nuovo di fibra a nucleo cavo potesse portare ancora più miglioramenti. Conosciuto come fibra antirisonante senza nodi (NANF), questa nuova classe di fibre mostra livelli ancora più bassi di effetti non lineari rispetto ad altre fibre a nucleo cavo.

I NANF hanno anche una bassa attenuazione ottica, che migliora la qualità del risonatore perché la luce mantiene la sua intensità su lunghezze di propagazione più lunghe attraverso la fibra. Infatti, queste fibre hanno dimostrato di avere la più bassa perdita di luce di qualsiasi fibra a nucleo cavo, e per molte parti dello spettro, la perdita più bassa di qualsiasi fibra ottica.

Per giroscopi a fibra ottica risonatore, è fondamentale che la luce viaggi solo in un unico percorso attraverso la fibra. I NANF aiutano a renderlo possibile eliminando gli errori ottici causati dalla retrodiffusione, accoppiamento di polarizzazione e impurità modali, che sono tutte potenziali fonti di errore o rumore extra nel giroscopio. La loro eliminazione rimuove i più significativi limitatori di prestazioni per altre tecnologie in fibra.

"Sebbene la spina dorsale di questo sensore sia il nuovo tipo di fibra ottica, abbiamo anche lavorato per ridurre notevolmente il rumore durante il rilevamento della frequenza di risonanza con una precisione senza precedenti, " ha affermato Sanders. "Questo è stato fondamentale per migliorare le prestazioni e passare alla miniaturizzazione del sensore".

Raggiungere la stabilità a lungo termine

I ricercatori di Honeywell hanno eseguito studi di laboratorio per caratterizzare le prestazioni del nuovo sensore giroscopio a fibra ottica in condizioni di rotazione stabili, cioè., solo in presenza della rotazione terrestre. Questo stabilisce la "stabilità del bias" dello strumento. Per eliminare rumore e disturbi nella configurazione ottica dello spazio libero, il giroscopio era montato su una stalla, molo statico. Incorporando le NANF, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare una stabilità di polarizzazione a lungo termine di 0,05 gradi all'ora, che si avvicina ai livelli richiesti per la navigazione aerea civile.

"Dimostrando le elevate prestazioni dei NANF in questa applicazione estremamente impegnativa, speriamo di mostrare l'eccezionale promessa di queste fibre per l'uso in altre cavità risonanti scientifiche di precisione, " ha affermato Taranta. I ricercatori stanno ora lavorando per realizzare un prototipo di giroscopio con una configurazione più compatta e stabile. Hanno anche in programma di incorporare i NANF di ultima generazione, che mostrano un miglioramento di quattro volte nelle perdite ottiche, insieme a una purezza modale e di polarizzazione notevolmente migliorata.