Fortschritte bei der Herstellung von faseroptischen Gyroskopen

Seit seiner ersten Einführung im Jahr 1975 hat sich die Leistung und Herstellbarkeit des faseroptischen Gyroskops (FOG) stetig verbessert. FOGs sind mittlerweile ein gängiges, in großen Stückzahlen hergestelltes Produkt mit einer Leistung, die an Ringlaserkreisel (RLG) herankommt. Sie bieten erhebliche Vorteile gegenüber Wettbewerbstechnologien in Bezug auf Zuverlässigkeit, Kosten und Komplexität. Das Spleißen von Lichtwellenleitern und verwandte Prozesse stehen im Mittelpunkt dieser Errungenschaft.

FOGs sind interferometrische Geräte, die den bekannten Sagnac-Effekt nutzen. Abbildung 1 zeigt ein einfaches Beispiel eines solchen Geräts. Abbildung 1a zeigt eine Glasfaserschleife mit Radius R und N Schleifen. Das Gerät verfügt über einen Eingangs-/Ausgangskoppler (I/O), der zwei sich gegenläufig ausbreitende Lichtwellen aussendet. Wenn die Wellen an der Photodiode des Detektors wieder vereint werden, addieren sie sich kohärent. Wenn sich die Schleife dreht, entsteht zwischen ihnen eine Phasendifferenz, die sich als Intensitätsunterschied am Detektor bemerkbar macht.

Um dies zu verstehen, stellen Sie sich eine Drehung der Schleife im Uhrzeigersinn mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit ω vor. Zwischen dem Eintritt und dem Austritt des Lichts aus der Schleife hat sich der I/O-Koppler um eine Distanz ΔL bewegt (Abbildung 1b). Die Welle im Uhrzeigersinn legt eine Strecke L+ΔL zurück, und die Welle gegen den Uhrzeigersinn legt eine Strecke L-ΔL zurück. Der Weglängenunterschied zwischen den beiden beträgt 2ΔL, was einem Phasenunterschied zwischen ihnen von:

Dabei ist R der Radius der Schleifen, N die Anzahl der Schleifen, λ die Wellenlänge des Lichts in der Faser und c die Lichtgeschwindigkeit.

Unter der Annahme einer exakten 50/50-Aufteilung der beiden Wellen und ohne Leistungsverlust in der Faser ergibt sich die Lichtintensität am Detektor wie folgt:

wobei I0 die Eingangsintensität ist.

Angesichts der großen Anzahl von Spleißen, die zur Erzeugung eines FOG erforderlich sind – typischerweise 10 bis 20 pro Gerät – spielt das Spleißen eine Schlüsselrolle bei der Optimierung der Leistung. Das Spleißen einer optischen Faser erfordert das Abziehen des Faserpuffers, das anschließende Reinigen, Spalten, Ausrichten, Spleißen, Neubeschichten und eine Probeprüfung (Festigkeitsprüfung) der Faser. Um die erforderliche Spleißleistung zu erzielen, ist der Einsatz der besten bewährten Technologie von entscheidender Bedeutung.

PM-Fasern haben eine „schnelle Achse“ und eine „langsame Achse“ (Doppelbrechung). Typische Faserspezifikationen für Polarisationsübersprechen zwischen den beiden Achsen liegen in der Größenordnung von 25 dB/100 m und in einem FOG werden typischerweise mehrere Kilometer Faser verwendet. Es ist wichtig, dass Spleiße nicht wesentlich zum intrinsischen Faser-PER beitragen.

Um die PER durch einen Spleiß hindurch aufrechtzuerhalten, müssen die schnellen und langsamen Achsen der beiden Endflächen, die miteinander verbunden werden sollen, ausgerichtet werden (Abbildung 2). Endansicht-Bildgebung kombiniert mit Advanced Image Processing (AIP) wird verwendet, um die Spannungsstäbe in der PM-Faser auszurichten. Wenn die Spannungsstäbe nicht symmetrisch zum Kern sind, berechnet das AIP die optimale Rotationsausrichtung für maximalen PER und minimalen Verlust. Mit dieser Technik sind PER-Werte >35 dB routinemäßig erreichbar. Diese Werte sind im Allgemeinen im Vergleich zum intrinsischen Faser-PER nicht signifikant.

Für maximale Leistung ist eine aktive Feedback-Ausrichtung eine Option. Faserpaare können relativ zueinander ausgerichtet und gedreht werden, während PER auf einem ordnungsgemäß kalibrierten Leistungsmesser beobachtet wird. Wenn die PER maximiert ist, wird das Faserpaar verschmolzen. Da für die Messung Zugang zu den Enden der Faser erforderlich ist, ist die Anwendung dieser Technik nicht immer möglich. Daher ist eine zuverlässige passive Ausrichtung von entscheidender Bedeutung.

Für eine optimale Spleißfestigkeit ist die Wahl der Spleiß- und Faservorbereitungstechnologien – Abisolieren, Spalten und Reinigen – von entscheidender Bedeutung. Die vorherrschende Methode bei der FOG-Herstellung ist ein filamentbasierter Ofen zum Schmelzspleißen. Dies ist eine wirtschaftliche Methode, die auf Widerstandserwärmung basiert. Es erzeugt eine gleichmäßige, äußerst konsistente und wiederholbare Erwärmung und bietet eine hohe Spleißfestigkeit, typischerweise zwischen 100 kpsi und 200 kpsi, je nach Faserdurchmesser.

Vor dem Spleißen ist es wichtig, den Puffer abzuziehen, ohne die Faserummantelung zu berühren, da Kerben oder Kratzer auf der Ummantelung in Zukunft eine Fehlerquelle darstellen. Die bevorzugte Methode ist das thermomechanische Abisolieren (TMS). Die Faser wird erhitzt, ein Paar Klingen wird knapp außerhalb des Manteldurchmessers um die Faser geklemmt und die Faser wird durchgezogen. Dadurch werden alle Acrylatpuffer effektiv entfernt und anschließend erfolgt eine Ultraschallreinigung.

Die Faserenden werden dann mithilfe einer Spannungs- und Ritztechnik gespalten, die entscheidend für die Erzeugung des niedrigen Spaltwinkels und der hohen Facettenqualität ist, die für eine hochfeste Spleißung erforderlich sind. Eine schlechte Spaltung kann sowohl zu hohen Verlusten als auch zu geringer Festigkeit führen.

Nachdem die Faser gespleißt wurde, muss sie zum Schutz neu beschichtet werden. Für eine wiederholbare und qualitativ hochwertige Neubeschichtung wird die Verwendung einer Quarzform bevorzugt. Das Verfahren ist für die resultierende Qualität und Leistung der Neubeschichtung sowie für die Langlebigkeit der Herstellung bekannt. Sobald die Neubeschichtung abgeschlossen ist, können die Fasern mit einem hochpräzisen Zugtest „geprüft“ oder mit einer Mindestlast belastet werden, um sicherzustellen, dass jeder Spleiß eine Mindestfestigkeit überschreitet – typischerweise 100 kpsi für 80-m-Fasern. In der Praxis ist es aufgrund der kurzen Leitungslänge schwierig, jeden Faserspleiß einer Probeprüfung zu unterziehen, weshalb Probenahmemethoden verwendet werden müssen.

Ein einachsiger FOG verfügt über eine Spule, einen I/O-Koppler, eine Quelle und einen Detektor. Da auch andere Komponenten erforderlich sind, ist die Anzahl der Spleiße recht groß – wiederum typischerweise 10 bis 20 Spleiße pro Gerät, abhängig von der Anzahl der Achsen und den Designdetails. Derart große Spleißzahlen auf kleinen Geräten eignen sich nicht für eine verteilte Fertigungslinie. Die bevorzugte Lösung ist ein kompakter Arbeitsplatz, an dem sich alle benötigte Hardware griffbereit befindet. Die Workstation-Konfiguration minimiert die Gerätehandhabung und ist die praktischste und wirtschaftlichste Konfiguration für manuelles Spleißen.

Typischerweise wird der FOG über oder vor dem Arbeitsplatz platziert (Abbildung 3). Jedes zu verbindende Faserpaar wird auf die richtige Länge geschnitten und dann gespleißt. Der Bediener kann jeden Schritt in der Spleißsequenz mit nur minimaler Bewegung des FOG selbst ausführen.

Aus konstruktiver Sicht bietet die 40-mm-Faser (Abbildung 4) den Vorteil einer höheren Packungsdichte (mehr Faserschleifen pro Volumeneinheit) und eines kleineren minimalen Biegeradius (aufgrund des kleineren Faserdurchmessers). Dies kann entweder eine höhere Empfindlichkeit im gleichen Gehäuse wie ein aktuelles Design oder eine ähnliche Empfindlichkeit in einem kleineren Gehäuse ermöglichen. Beides sind wünschenswerte Eigenschaften und bieten eine erhöhte Designflexibilität. Die Hauptnachteile bestehen darin, dass die Faser selbst möglicherweise einen höheren Verlust aufweist und dass die Verarbeitung solcher ultrafeinen Fasern zu größeren Produktionsschwierigkeiten führt. Einzelne Fasern mit 40 mm Durchmesser sind für einen Techniker schwer zu bearbeiten, daher ist ein minimalistischer Ansatz bei der Faserhandhabung umso wichtiger. Um diese Herausforderung zu meistern, ist Automatisierung erforderlich.

Eine vollautomatische Spleißplattform wird sowohl die aktuelle Produktion verbessern als auch den Übergang zu Fasern mit kleinerem Durchmesser unterstützen. Jede Automatisierungsplattform muss die Vorteile des aktuellen Workstation-Ansatzes beibehalten und gleichzeitig hohe Leistung, Skalierbarkeit und einen hervorragenden Return on Investment (ROI) bieten. Insbesondere muss jede Automatisierungslösung einen hohen Durchsatz, eine hohe Leistung und eine minimale Faserbewegung aufweisen.

Technisch gesehen besteht der bevorzugte Ansatz darin, ein Faserpaar in einer festen Position zu halten, die Faserbewegung zu minimieren und den vollständigen Spleißvorgang vor Ort durchzuführen. Der FAS-3000 von Vytran ist eine Arbeitsstation zum Faserspleißen, die den Prozess vollständig automatisieren kann und deren gesamte Spleißsequenz (Abziehen, Reinigen, Spalten, Ausrichten, Spleißen, Neubeschichten und Probeprüfung) weniger als zwei Minuten dauern kann. Eine aktive Rückmeldung zur Ausrichtung ist nicht erforderlich, da die Endflächenausrichtung dieses Systems ausreichend Leistung bei PER und Verlust bietet. Auch die Erträge können verbessert werden, da die Bedienervariabilität eliminiert wird, und die Endqualität kann durch die 100 %-In-situ-Beweisprüfung verbessert werden. Die Testdaten werden zur statistischen Prozesskontrolle und Rückverfolgbarkeit an ein computerintegriertes Fertigungssystem weitergeleitet. Schließlich erfolgt das Fasermanagement vor und nach dem vollständigen FOG-Spleißprozess, was zu einer hohen Nutzungseffizienz und einem hohen ROI führt.

Spleißtechniken für optische Fasern, einschließlich Faserausrichtung, Spleißen, Spalten und Neubeschichten, sind für die FOG-Produktion und -Leistung von entscheidender Bedeutung. Spleißtechnologie und Gerätearchitektur sind Schlüsselelemente für eine effiziente FOG-Herstellung, und beide werden immer wichtiger, da sich die Branche in Richtung Miniaturisierung und Automatisierung bewegt.

Dieser Artikel wurde von David Douglass, Ph.D., und Jean-Michel Pelaprat, Vytran (Morganville, NJ) verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dan Bowden von Vytran unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können, oder besuchen Sie http://info.hotims.com/49745-200.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Mai-Ausgabe 2014 des Photonics Tech Briefs Magazine.

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