A visão de carros que dirigem ou aviões que voam sozinhos só pode se tornar realidade se a eletrônica a bordo puder determinar onde eles estão no espaço, a qualquer hora e com precisão confiável. No setor aeroespacial, esse trabalho é dado aos giroscópios que medem a luz para verificar e estabilizar o curso de uma embarcação em voo. Mas esses giroscópios podem ser afetados por certas propriedades do material ou por campos elétricos ou magnéticos – e as consequências podem ser desastrosas. É por isso que um consórcio alemão-polonês se uniu para desenvolver um meio confiável de transmitir luz para tornar os giroscópios menos suscetíveis a interferências. Seu segredo:fibras de núcleo oco que podem canalizar a luz com perda mínima.
As fibras ópticas formam a espinha dorsal das telecomunicações modernas:tubos minúsculos, mais finos que um fio de cabelo humano, que contêm um núcleo de vidro dez vezes mais fino. Nesse núcleo, a luz pode se mover sem praticamente nada para perturbá-la. À medida que o índice de refração do material diminui à medida que nos aproximamos da camada externa, a luz não penetra pelas paredes finas, mas volta a partir delas, ziguezagueando pelo núcleo interno. Os cientistas falam de reflexão interna total, uma vez que isso seja alcançado.

A tecnologia de medição também usa os recursos das fibras ópticas. Eles são uma parte elementar dos giroscópios, ou seja, sensores de rotação altamente precisos. Se apenas um eixo de movimento for relevante, sensores de aceleração seriam suficientes, mas quando o movimento de um objeto autônomo através de todas as três dimensões do espaço precisa ser rastreado, o sistema de medição precisa ser mais complicado e incluir três acelerômetros e giroscópios.

Giroscópios ópticos no limite

Pode-se imaginar um giroscópio óptico medindo a rotação como uma volta ao mundo:dependendo da direção da viagem, perde-se ou ganha-se tempo. Um giroscópio de fibra inclui uma fibra que é enrolada em torno de uma bobina e forma um ressonador de anel. Nesse ressonador, a luz pode viajar com ou contra o relógio.

Quando o objeto gira, o caminho percorrido pela onda de luz muda imperceptivelmente, encolhendo ou expandindo por uma pequena margem. É esta mudança de minuto que um detector pode pegar e usar para calcular a rotação.

Mas é aqui que as fibras ópticas se deparam com os limites de suas capacidades. Campos magnéticos e elétricos podem interferir no trabalho de interpretação do sensor, e o próprio material pode interagir com a luz e causar uma alteração em suas propriedades ópticas. Esses chamados efeitos não lineares afetam diretamente como a luz viaja. A interferência é tão mínima que não representa nenhum problema para as telecomunicações, mas pode ser crítica para a navegação de objetos autônomos, pois o pequeno desvio da direção esperada em breve significará um desvio mensurável do curso escolhido.

Em seu trabalho para evitar esses efeitos, pesquisadores do Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM têm investigado tecnologias e materiais de ponta e encontraram um novo candidato promissor no mercado:as fibras de núcleo oco.

Elas são tão finas quanto as fibras ópticas típicas, mas contêm ar em vez de um núcleo de vidro. A luz pode passar por esse espaço oco sem qualquer interrupção, o que reduz claramente os efeitos materiais que podem alterar seu comportamento. A luz também se move através do material a 1,5 vezes a velocidade das fibras padrão, tornando as fibras de núcleo oco uma opção atraente também para aplicações de transmissão de dados. Atualmente, seu alto prêmio ainda está no caminho de sua adoção mais ampla.

Tecnologia de interconexão inteligente para o resgate

Para os pesquisadores em torno dos especialistas em fotônica Wojciech Lewoczko-Adamczyk e Stefan Lenzky, o desafio era aproveitar as propriedades de resistência à ruptura dessas fibras para a construção de giroscópios altamente precisos, mas mantendo os custos de produção baixos ao mesmo tempo. Eles precisavam encontrar uma tecnologia de interconexão que pudesse funcionar com o novo tipo de fibra. Um grande desafio foi o meio de dividir o sinal de luz para vários canais. Normalmente, guias de ondas individuais seriam acoplados simplesmente fundindo-os, mas isso era impossível para as fibras de núcleo oco, pois sua estrutura única seria perdida quando exposta ao calor.

Para combater esse efeito, os pesquisadores construíram colimadores em miniatura:lentes altamente precisas que capturam a luz de uma fibra e a emitem antes que qualquer difração possa acontecer. Com este passo crucial passado, a luz pode ser dividida por espelhos semi-refletivos e alimentada no ressonador de anel. Após uma volta ao redor do anel, ele é medido e realimentado na fibra através de um segundo colimador.

Plataforma de montagem para PMEs

Ao acoplar a luz com dois colimadores, a precisão extrema é essencial:em ambientes de laboratório, os componentes podem ser colocados e alinhados com ferramentas de posicionamento precisas, mas é improvável que estejam disponíveis em locais de produção industrial. Isso significa que as pequenas e médias empresas, até o momento, não conseguiram oferecer esse processo. É por isso que o consórcio alemão-polonês está desenvolvendo uma plataforma de acoplamento passivo que permite que a tecnologia seja integrada em aplicações individuais. Seu layout permite o encaixe preciso dos colimadores acabados, eliminando a necessidade de alinhamento adicional.

Mesmo com o projeto ainda programado para o final do ano, os pesquisadores já fizeram avanços substanciais:ainda são necessários colimadores para dobrar os feixes, os componentes ópticos produzidos pela Fraunhofer IZM já superam as soluções atuais no mercado com precisão dez vezes maior, em um ângulo máximo de refração de 0,04 graus. Isso significa que pares de colimadores podem ser usados ​​para a plataforma de acoplamento passivo sem a necessidade de alinhamento adicional, ao mesmo tempo em que alcança eficiência de acoplamento de mais de 85%. A missão para o terceiro e último ano do projeto é testar a confiabilidade da plataforma, adicionar mais componentes ópticos e mecânicos e encaixar tudo em um giroscópio. Uma vez que o sensor de rotação tenha sido construído, tudo está pronto para testar a tecnologia em campo em condições reais.

A plataforma de montagem do colimador pode tornar os giroscópios ópticos para aeronaves e satélites mais resistentes a interrupções, mas também pode ser uma adição híbrida a sistemas ópticos integrados que, por exemplo, use elementos ópticos que precisam de acoplamento de feixe livre. A luz dispersa que sai de um guia de ondas pode ser colimada para reduzir as perdas ao reentrar no próximo guia de ondas. A solução óptica também será relevante para o processamento de material com feixes de luz de ultra-alta potência ou para a transmissão de luz infravermelha ou UV de ondas curtas. Outras aplicações promissoras podem ser imaginadas no campo das telecomunicações. + Explorar mais

Nova fibra óptica traz melhorias significativas para giroscópios baseados em luz