Os pesquisadores deram um novo passo importante no avanço do desempenho dos giroscópios de fibra óptica de ressonador, um tipo de sensor de fibra óptica que detecta a rotação usando apenas a luz. Como os giroscópios são a base da maioria dos sistemas de navegação, o novo trabalho pode um dia trazer melhorias importantes para esses sistemas.

"Giroscópios de alto desempenho são usados ​​para navegação em muitos tipos de aeronaves, chão, aplicações marinhas e espaciais, "disse Glen A. Sanders, que liderou a equipe de pesquisa da Honeywell International. "Embora nosso giroscópio ainda esteja nos estágios iniciais de desenvolvimento, se atingir sua capacidade total de desempenho, estará posicionada para estar entre a próxima geração de tecnologias de navegação e orientação que não apenas aumentam os limites da precisão, mas o fazem com tamanho e peso reduzidos. "

No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , pesquisadores da Honeywell e do Centro de Pesquisa Optoeletrônica da Universidade de Southampton, no Reino Unido, descrevem como eles usaram um novo tipo de fibra óptica de núcleo oco para superar vários fatores que limitaram os giroscópios de fibra óptica de ressonador anteriores. Isso permitiu que eles melhorassem o requisito de desempenho mais exigente da estabilidade do giroscópio em até 500 vezes em relação ao trabalho publicado anteriormente envolvendo fibras de núcleo oco

"Esperamos ver esses giroscópios usados ​​na próxima geração da aviação civil, veículos autônomos e as muitas outras aplicações em que os sistemas de navegação são empregados, "disse Sanders." Certamente, à medida que melhoramos o desempenho dos sistemas de orientação e navegação, esperamos abrir recursos e aplicativos totalmente novos. "

Sentindo rotação com luz

Os giroscópios de fibra óptica do ressonador usam dois lasers que viajam através de uma bobina de fibra óptica em direções opostas. As extremidades da fibra são conectadas para formar um ressonador óptico para que a maior parte da luz recircule e faça várias viagens ao redor da bobina. Quando a bobina está em repouso, os feixes de luz viajando em ambas as direções compartilham a mesma frequência de ressonância, mas quando a bobina está girando, as frequências de ressonância mudam em relação umas às outras de uma forma que pode ser usada para calcular a direção do movimento ou orientação para o veículo ou dispositivo no qual o giroscópio está montado.

A Honeywell vem desenvolvendo a tecnologia de giroscópio de fibra óptica de ressonador há algum tempo devido ao seu potencial de fornecer navegação de alta precisão em um dispositivo de tamanho menor em comparação com os sensores de corrente. Contudo, tem sido um desafio identificar uma fibra óptica que possa suportar os níveis de potência do laser mesmo modestos nas larguras de linha do laser ultrafinas exigidas por esses giroscópios sem causar efeitos não lineares que degradam o desempenho do sensor.

"Em 2006, propusemos o uso de uma fibra de núcleo oco para o giroscópio de fibra óptica ressonador, "disse Sanders." Porque essas fibras confinam a luz em um ar central ou vazio cheio de gás, os sensores baseados neles não sofrem os efeitos não lineares que afetam os sensores baseados em fibras sólidas. "

Usando uma fibra ainda melhor

No novo trabalho, liderado por Austin Taranta na Universidade de Southampton, os pesquisadores queriam ver se um tipo inteiramente novo de fibra de núcleo oco poderia trazer ainda mais melhorias. Conhecida como fibra anti-ressonante nodeless (NANF), esta nova classe de fibras exibe níveis ainda mais baixos de efeitos não lineares do que outras fibras de núcleo oco.

NANFs também têm baixa atenuação óptica, o que melhora a qualidade do ressonador porque a luz mantém sua intensidade em comprimentos de propagação mais longos através da fibra. Na verdade, essas fibras mostraram ter a menor perda de luz de qualquer fibra de núcleo oco, e para muitas partes do espectro, a menor perda de qualquer fibra óptica.

Para giroscópios de fibra óptica de ressonador, é crucial que a luz viaje apenas em um único caminho através da fibra. Os NANFs ajudam a tornar isso possível, eliminando erros ópticos causados ​​por retroespalhamento, acoplamento de polarização e impurezas modais, que são todas as fontes potenciais de erro ou ruído extra no giroscópio. Sua eliminação remove os limitadores de desempenho mais significativos para outras tecnologias de fibra.

"Embora o backbone deste sensor seja o novo tipo de fibra óptica, também trabalhamos para reduzir bastante o ruído ao detectar a frequência de ressonância com precisão sem precedentes, "disse Sanders." Isso foi crucial para melhorar o desempenho e avançar para a miniaturização do sensor. "

Alcançando estabilidade de longo prazo

Os pesquisadores da Honeywell realizaram estudos de laboratório para caracterizar o desempenho do novo sensor de giroscópio de fibra óptica em condições de rotação estáveis, ou seja, apenas na presença da rotação da Terra. Isso estabelece a "estabilidade de polarização" do instrumento. Para eliminar ruídos e perturbações na configuração óptica do espaço livre, o giroscópio foi montado em um estábulo, cais estático. Ao incorporar os NANFs, os pesquisadores foram capazes de demonstrar uma estabilidade de polarização a longo prazo de 0,05 graus por hora, que está próximo aos níveis exigidos para a navegação de aeronaves civis.

"Ao demonstrar o alto desempenho dos NANFs nesta aplicação extremamente exigente, esperamos mostrar a promessa excepcional dessas fibras para uso em outras cavidades ressonantes científicas de precisão, "disse Taranta. Os pesquisadores agora estão trabalhando para fazer um giroscópio protótipo com uma configuração mais compacta e estável. Eles também planejam incorporar os NANFs de última geração, que apresentam uma melhoria quatro vezes maior nas perdas ópticas, junto com pureza modal e de polarização muito melhorada.