De visie van auto's die rijden of vliegtuigen die zelf vliegen, kan alleen werkelijkheid worden als de elektronica aan boord altijd en met betrouwbare precisie kan bepalen waar ze zich in de ruimte bevinden. In de lucht- en ruimtevaartsector wordt deze taak toevertrouwd aan gyroscopen die licht meten om de koers van een vaartuig tijdens de vlucht te controleren en te stabiliseren. Maar dergelijke gyroscopen kunnen worden beïnvloed door bepaalde materiaaleigenschappen of door elektrische of magnetische velden - en de gevolgen kunnen rampzalig zijn. Daarom heeft een Duits-Pools consortium de handen ineen geslagen om een ​​betrouwbaar middel te ontwikkelen om licht door te laten en gyroscopen minder storingsgevoelig te maken. Hun geheim:holle kernvezels die licht kunnen kanaliseren met minimaal verlies.

Glasvezel vormt de ruggengraat van moderne telecommunicatie:minuscule buisjes, dunner dan een mensenhaar, die een glazen kern bevatten die weer tien keer dunner is. In die kern kan licht bewegen met vrijwel niets om het te verstoren. Naarmate de brekingsindex van het materiaal krimpt naarmate men dichter bij de buitenste laag komt, sijpelt het licht niet door de dunne wanden, maar kaatst het terug, zigzaggend door de binnenkern. De wetenschappers spreken van totale interne reflectie als dit eenmaal is bereikt.

Meettechnologie maakt ook gebruik van de mogelijkheden van optische vezels. Ze zijn een elementair onderdeel van gyroscopen, dat wil zeggen zeer nauwkeurige rotatiesensoren. Als slechts één bewegingsas relevant is, zouden versnellingssensoren voldoende zijn, maar wanneer de beweging van een autonoom object door alle drie de dimensies van de ruimte moet worden gevolgd, moet het meetsysteem ingewikkelder zijn en drie versnellingsmeters en gyroscopen bevatten.

Optische gyroscopen op de limiet

Men kan zich een optische gyroscoop die de rotatie meet, voorstellen als een reis rond de wereld:afhankelijk van de rijrichting verliest men tijd of wint men tijd. Een vezelgyroscoop omvat een vezel die om een ​​spoel is gewikkeld en een ringresonator vormt. In die resonator kan licht met of tegen de klok reizen.

Wanneer het object draait, verandert het pad dat de lichtgolf passeert onmerkbaar, ofwel krimpend of uitzettend met een kleine marge. Het is deze kleine verandering die een detector kan oppikken en gebruiken om de rotatie te berekenen.

Maar dit is waar optische vezels tegen de grenzen van hun mogelijkheden aanlopen. Magnetische en elektrische velden kunnen interfereren met het interpretatiewerk van de sensor, en het materiaal zelf kan interageren met het licht en een verandering in de optische eigenschappen veroorzaken. Deze zogenaamde niet-lineaire effecten hebben een directe invloed op hoe het licht zich voortplant. De interferentie is zo minimaal dat het geen probleem vormt voor telecommunicatie, maar het kan van cruciaal belang zijn voor het navigeren door autonome objecten, aangezien de kleine afwijking van de verwachte richting al snel een meetbare afwijking van de gekozen koers zal betekenen.

In hun werk om deze effecten te voorkomen, hebben onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM onderzoek gedaan naar geavanceerde technologieën en materialen, en zijn ze een veelbelovende nieuwe kandidaat op de markt tegengekomen:holle kernvezels.

Deze zijn net zo dun als typische optische vezels, maar bevatten wel lucht in plaats van een glazen kern. Licht kan ongestoord door die holle ruimte, wat duidelijk de materiële effecten vermindert die het gedrag kunnen veranderen. Licht beweegt ook door het materiaal met 1,5 keer de snelheid van standaardvezels, waardoor holle-kernvezels ook een aantrekkelijke optie zijn voor datatransmissietoepassingen. Momenteel staat hun hoge prijs nog steeds een grotere acceptatie in de weg.

Slimme interconnectietechnologie die redding brengt

Voor de onderzoekers rond fotonica-experts Wojciech Lewoczko-Adamczyk en Stefan Lenzky was de uitdaging om de disruptieve eigenschappen van deze vezels te benutten voor de constructie van zeer nauwkeurige gyroscopen en tegelijkertijd de productiekosten laag te houden. Ze moesten een interconnectietechnologie vinden die zou kunnen werken met het nieuwe vezeltype. Een grote uitdaging was de manier om het lichtsignaal voor meerdere kanalen te splitsen. Gewoonlijk zouden individuele golfgeleiders worden gekoppeld door ze eenvoudig aan elkaar te smelten, maar dit was onmogelijk voor de holle kernvezels, omdat hun unieke structuur verloren zou gaan bij blootstelling aan hitte.

Om dit effect tegen te gaan, bouwden de onderzoekers miniatuurcollimators:zeer nauwkeurige lenzen die het licht van één vezel opvangen en uitzenden voordat er diffractie kan plaatsvinden. Als deze cruciale stap is gepasseerd, kan het licht worden gesplitst door halfreflecterende spiegels en in de ringresonator worden gevoerd. Na één rondje om de ring wordt het gemeten en via een tweede collimator teruggevoerd naar de vezel.

Assemblageplatform voor het MKB

Bij het koppelen van licht met twee collimators is uiterste precisie van essentieel belang:in laboratoriumomgevingen kunnen de componenten worden geplaatst en uitgelijnd met nauwkeurige positioneringstools, maar deze zijn waarschijnlijk niet beschikbaar in industriële productielocaties. Dit betekent dat kleine tot middelgrote ondernemingen dit proces tot op heden niet hebben kunnen aanbieden. Daarom ontwikkelt het Duits-Poolse consortium een ​​passief koppelingsplatform waarmee de technologie kan worden geïntegreerd in individuele toepassingen. Dankzij de lay-out kunnen de voltooide collimators nauwkeurig worden geplaatst, waardoor er geen extra uitlijning nodig is.

Zelfs nu het project nog loopt tot het einde van het jaar, hebben de onderzoekers al aanzienlijke vooruitgang geboekt:er zijn nog steeds collimators nodig om de bundels te buigen, de optische componenten die door Fraunhofer IZM worden geproduceerd, presteren al tien keer zo nauwkeurig als de huidige oplossingen op de markt, bij een maximale brekingshoek van 0,04 graden. Dit betekent dat paren collimatoren kunnen worden gebruikt voor het passieve koppelingsplatform zonder dat extra uitlijning nodig is, terwijl een koppelingsefficiëntie van meer dan 85 procent wordt bereikt. De missie voor het derde en laatste jaar van het project is om te testen hoe betrouwbaar het platform zal zijn, meer optische en mechanische componenten toe te voegen en alles in een gyroscoop te passen. Zodra de rotatiesensor is gebouwd, is alles klaar om de technologie in de praktijk te testen onder realistische omstandigheden.

Het collimatorassemblageplatform kan optische gyroscopen voor vliegtuigen en satellieten weerbaarder maken tegen verstoring, maar het kan ook een hybride toevoeging zijn aan geïntegreerde optische systemen die b.v. gebruik optische elementen die vrije bundelkoppeling nodig hebben. Verstrooid licht dat een golfgeleider verlaat, kan worden gecollimeerd om verliezen te verminderen bij het opnieuw binnenkomen van de volgende golfgeleider. De optische oplossing zal ook relevant zijn voor het verwerken van materiaal met ultrasterke lichtstralen of voor het doorlaten van infrarood of kortegolf UV-licht. Andere veelbelovende toepassingen zijn denkbaar op het gebied van telecommunicatie. + Verder verkennen

Nieuwe optische vezel brengt aanzienlijke verbeteringen aan op licht gebaseerde gyroscopen