La visione delle auto che guidano o degli aerei che volano da soli può diventare realtà solo se l'elettronica di bordo è in grado di determinare dove si trovano nello spazio, in qualsiasi momento e con precisione affidabile. Nel settore aerospaziale, questo compito è affidato ai giroscopi che misurano la luce per controllare e stabilizzare la rotta di una nave in volo. Ma tali giroscopi possono essere influenzati da determinate proprietà del materiale o da campi elettrici o magnetici e le conseguenze possono essere disastrose. Questo è il motivo per cui un consorzio tedesco-polacco si è unito per sviluppare un mezzo affidabile per trasmettere la luce per rendere i giroscopi meno suscettibili alle interferenze. Il loro segreto:fibre a nucleo cavo che possono incanalare la luce con una perdita minima.

Le fibre ottiche costituiscono la spina dorsale delle moderne telecomunicazioni:minuscoli tubi, più sottili di un capello umano, che contengono un nucleo di vetro che è di nuovo dieci volte più sottile. In quel nucleo, la luce può muoversi praticamente senza nulla per interromperla. Poiché l'indice di rifrazione del materiale si restringe più ci si avvicina allo strato esterno, la luce non filtra attraverso le pareti sottili, ma rimbalza da esse, zigzagando attraverso il nucleo interno. Gli scienziati parlano di totale riflessione interna una volta raggiunta questa.

La tecnologia di misurazione utilizza anche le capacità delle fibre ottiche. Sono una parte elementare dei giroscopi, cioè sensori di rotazione altamente precisi. Se è rilevante un solo asse di movimento, i sensori di accelerazione sarebbero sufficienti, ma quando è necessario tracciare il movimento di un oggetto autonomo attraverso tutte e tre le dimensioni dello spazio, il sistema di misurazione deve essere più complicato e includere tre accelerometri e giroscopi.

Giroscopi ottici al limite

Si può immaginare un giroscopio ottico che misura la rotazione come un viaggio intorno al mondo:a seconda della direzione di marcia, si perde tempo o si guadagna tempo. Un giroscopio in fibra include una fibra che è avvolta attorno a una bobina e forma un risuonatore ad anello. In quel risonatore, la luce può viaggiare con o contro il tempo.

Quando l'oggetto gira, il percorso percorso dall'onda luminosa cambia impercettibilmente, restringendosi o espandendosi di un piccolo margine. È questo cambiamento minuto che un rilevatore può raccogliere e utilizzare per calcolare la rotazione.

Ma è qui che le fibre ottiche si scontrano con i limiti delle loro capacità. I campi magnetici ed elettrici possono interferire con il lavoro di interpretazione del sensore e il materiale stesso può interagire con la luce e causare un cambiamento nelle sue proprietà ottiche. Questi cosiddetti effetti non lineari influiscono direttamente sul modo in cui la luce viaggia. L'interferenza è così minima che non rappresenta un problema per le telecomunicazioni, ma può rivelarsi fondamentale per la navigazione di oggetti autonomi, poiché la piccola deviazione dalla direzione prevista significherà presto una deviazione misurabile dalla rotta scelta.

Nel loro lavoro per evitare questi effetti, i ricercatori del Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM hanno studiato tecnologie e materiali all'avanguardia e si sono imbattuti in un nuovo promettente candidato sul mercato:le fibre Hollow-core.

Sono sottili quanto le tipiche fibre ottiche, ma contengono aria invece di un nucleo di vetro. La luce può attraversare quello spazio vuoto senza alcuna interruzione, il che riduce chiaramente gli effetti materiali che possono modificarne il comportamento. La luce si muove anche attraverso il materiale a 1,5 volte la velocità delle fibre standard, rendendo le fibre a nucleo cavo un'opzione interessante anche per le applicazioni di trasmissione dati. Attualmente, il loro alto premio ostacola ancora la loro adozione più diffusa.

Tecnologia di interconnessione intelligente in soccorso

Per i ricercatori attorno agli esperti di fotonica Wojciech Lewoczko-Adamczyk e Stefan Lenzky, la sfida era quella di cogliere le proprietà di resistenza alla rottura di queste fibre per la costruzione di giroscopi ad alta precisione, ma allo stesso tempo mantenendo bassi i costi di produzione. Avevano bisogno di trovare una tecnologia di interconnessione che potesse funzionare con il nuovo tipo di fibra. Una delle principali sfide era il mezzo per dividere il segnale luminoso per diversi canali. In genere, le singole guide d'onda sarebbero state accoppiate semplicemente fondendole insieme, ma ciò era impossibile per le fibre a nucleo cavo, poiché la loro struttura unica sarebbe andata persa se esposte al calore.

Per contrastare questo effetto, i ricercatori hanno costruito collimatori in miniatura:lenti altamente precise che catturano la luce da una fibra e la emettono prima che possa verificarsi qualsiasi diffrazione. Una volta superato questo passaggio cruciale, la luce può essere divisa da specchi semiriflettenti e immessa nel risonatore ad anello. Dopo un giro intorno all'anello, viene misurato e reimmesso nella fibra attraverso un secondo collimatore.

Piattaforma di assemblaggio per le PMI

Quando si accoppia la luce con due collimatori, l'estrema precisione è essenziale:negli ambienti di laboratorio, i componenti possono essere posizionati e allineati con strumenti di posizionamento precisi, ma è improbabile che questi siano disponibili nei siti di produzione industriale. Ciò significa che le piccole e medie imprese, ad oggi, non sono state in grado di offrire questo processo. Questo è il motivo per cui il consorzio tedesco-polacco sta sviluppando una piattaforma di accoppiamento passivo che consente di integrare la tecnologia nelle singole applicazioni. La sua disposizione consente il montaggio preciso dei collimatori finiti, eliminando la necessità di un allineamento aggiuntivo.

Anche con il progetto ancora in programma per la fine dell'anno, i ricercatori hanno già compiuto progressi sostanziali:i collimatori sono ancora necessari per piegare i fasci, i componenti ottici prodotti da Fraunhofer IZM superano già le soluzioni attuali sul mercato con una precisione dieci volte superiore, ad un angolo di rifrazione massimo di 0,04 gradi. Ciò significa che è possibile utilizzare coppie di collimatori per la piattaforma di accoppiamento passivo senza richiedere un ulteriore allineamento, ottenendo al contempo un'efficienza di accoppiamento superiore all'85%. La missione per il terzo e ultimo anno del progetto è testare l'affidabilità della piattaforma, aggiungere più componenti ottici e meccanici e inserire tutto in un giroscopio. Una volta costruito il sensore di rotazione, tutto è pronto per testare sul campo la tecnologia in condizioni reali.

La piattaforma di assemblaggio del collimatore può rendere i giroscopi ottici per velivoli e satelliti più resistenti alle interruzioni, ma può anche essere un'aggiunta ibrida ai sistemi ottici integrati che, ad es. utilizzare elementi ottici che necessitano di accoppiamento a raggio libero. La luce diffusa che esce da una guida d'onda può essere collimata per ridurre le perdite quando si rientra nella guida d'onda successiva. La soluzione ottica sarà rilevante anche per la lavorazione di materiale con fasci di luce ad altissima potenza o per la trasmissione di luce infrarossa o UV a onde corte. Altre applicazioni promettenti possono essere immaginate nel campo delle telecomunicazioni. + Esplora ulteriormente

La nuova fibra ottica apporta miglioramenti significativi ai giroscopi basati sulla luce