Visionen om bilar som kör eller flygplan som flyger själva kan bara bli sann om elektroniken ombord kan avgöra var de befinner sig i rymden, när som helst och med pålitlig precision. Inom flygsektorn överlåts detta jobb till gyroskop som mäter ljus för att kontrollera och stabilisera kursen för ett fartyg under flygning. Men sådana gyroskop kan påverkas av vissa materialegenskaper eller av elektriska eller magnetiska fält - och konsekvenserna kan bli katastrofala. Det är därför ett tysk-polskt konsortium har gått samman för att utveckla ett pålitligt sätt att överföra ljus för att göra gyroskop mindre mottagliga för störningar. Deras hemlighet:Ihåliga fibrer som kan kanalisera ljus med minimal förlust.

Fiberoptik utgör ryggraden i modern telekommunikation:Små rör, tunnare än ett människohår, som innehåller en glaskärna som återigen är tio gånger tunnare. I den kärnan kan ljus röra sig med praktiskt taget ingenting som stör det. När materialets brytningsindex krymper ju närmare det yttre lagret man kommer, sipprar inte ljuset genom de tunna väggarna, utan studsar istället tillbaka från dem, sicksackande genom den inre kärnan. Forskarna talar om total intern reflektion när detta väl är uppnått.

Mättekniken använder också de optiska fibrernas kapacitet. De är en elementär del av gyroskop, det vill säga mycket exakta rotationssensorer. Om endast en rörelseaxel är relevant skulle det räcka med accelerationssensorer, men när ett autonomt objekts rörelse genom alla tre dimensioner av rymden behöver spåras måste mätsystemet vara mer komplicerat och inkludera tre accelerometrar och gyroskop.

Optiska gyroskop vid gränsen

Man kan tänka sig ett optiskt gyroskop som mäter rotation som en resa runt jorden:Beroende på färdriktningen förlorar man tid eller vinner tid. Ett fibergyroskop inkluderar en fiber som är lindad runt en spole och bildar en ringresonator. I den resonatorn kan ljus färdas med eller mot klockan.

När föremålet vänder sig ändras vägen som passerar av ljusvågen omärkligt, antingen krymper eller expanderar med en liten marginal. Det är denna minutändring som en detektor kan plocka upp och använda för att beräkna rotationen.

Men det är här som optiska fibrer stöter på gränserna för deras kapacitet. Magnetiska och elektriska fält kan störa sensorns tolkningsarbete och själva materialet kan interagera med ljuset och orsaka en förändring av dess optiska egenskaper. Dessa så kallade olinjära effekter påverkar direkt hur ljuset färdas. Störningen är så minimal att den inte utgör några problem för telekommunikation, men den kan visa sig vara kritisk för att navigera i autonoma objekt, eftersom den lilla avvikelsen från den förväntade riktningen snart kommer att innebära en mätbar avvikelse från den valda kursen.

I sitt arbete för att undvika dessa effekter har forskare vid Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM undersökt banbrytande teknologier och material, och de har stött på en lovande ny kandidat på marknaden:Ihåliga fibrer.

Dessa är precis lika tunna som vanliga optiska fibrer, men de innehåller luft istället för en glaskärna. Ljus kan passera genom det ihåliga utrymmet utan störningar, vilket klart minskar de materiella effekterna som kan förändra dess beteende. Ljus rör sig också genom materialet med 1,5 gånger snabbare än standardfibrer, vilket gör ihåliga fibrer till ett tilltalande alternativ även för dataöverföringsapplikationer. För närvarande står deras höga pris fortfarande i vägen för deras mer utbredda adoption.

Smart sammankopplingsteknik till undsättning

För forskarna kring fotonikexperterna Wojciech Lewoczko-Adamczyk och Stefan Lenzky var utmaningen att ta vara på de störningsfjädrande egenskaperna hos dessa fibrer för att bygga mycket exakta gyroskop men samtidigt hålla nere produktionskostnaderna. De behövde hitta en sammankopplingsteknik som kunde fungera med den nya fibertypen. En stor utmaning var sättet att dela upp ljussignalen för flera kanaler. Vanligtvis skulle individuella vågledare kopplas genom att helt enkelt smälta ihop dem, men detta var omöjligt för fibrerna med ihålig kärna, eftersom deras unika struktur skulle gå förlorad när de utsätts för värme.

För att motverka denna effekt, konstruerade forskarna miniatyrkollimatorer:mycket exakta linser som fångar ljuset från en fiber och avger det innan någon diffraktion kan ske. Med detta avgörande steg passerat kan ljuset delas av halvreflekterande speglar och matas in i ringresonatorn. Efter en resa runt ringen mäts den och matas tillbaka in i fibern genom en andra kollimator.

Montageplattform för små och medelstora företag

När ljus kopplas till två kollimatorer är extrem precision av avgörande betydelse:I laboratoriemiljöer kan komponenterna placeras och riktas in med exakta positioneringsverktyg, men dessa kommer sannolikt inte att vara tillgängliga i industriella produktionsanläggningar. Detta innebär att små och medelstora företag hittills inte har kunnat erbjuda denna process. Det är därför det tysk-polska konsortiet utvecklar en passiv kopplingsplattform som gör att tekniken kan integreras i individuella applikationer. Dess layout möjliggör exakt passning av de färdiga kollimatorerna, vilket tar bort behovet av ytterligare justering.

Även med projektet som fortfarande är planerat att pågå till slutet av året, har forskarna redan gjort betydande framsteg:Kollimatorer behövs fortfarande för att böja strålarna, de optiska komponenterna som produceras av Fraunhofer IZM överträffar redan nuvarande lösningar på marknaden med tiofaldig precision, vid en maximal brytningsvinkel på 0,04 grader. Detta innebär att kollimatorpar kan användas för den passiva kopplingsplattformen utan att det krävs ytterligare uppriktning, samtidigt som kopplingseffektiviteten på mer än 85 procent uppnås. Uppdraget för det tredje och sista året av projektet är att testa hur tillförlitlig plattformen kommer att vara, lägga till fler optiska och mekaniska komponenter och passa in allt i ett gyroskop. När rotationssensorn väl har konstruerats är allt klart för att fälttesta tekniken under verkliga förhållanden.

Kollimatormontageplattformen kan göra optiska gyroskop för flygplan och satelliter mer motståndskraftiga mot störningar, men den kan också vara ett hybridtillskott till integrerade optiska system som t.ex. använd optiska element som behöver fri strålekoppling. Spridt ljus som lämnar en vågledare kan kollimeras för att minska förlusterna när det kommer in i nästa vågledare igen. Den optiska lösningen kommer också att vara relevant för bearbetning av material med ultrahöga ljusstrålar eller för att överföra infrarött eller kortvågigt UV-ljus. Andra lovande tillämpningar kan tänkas inom telekommunikationsområdet. + Utforska vidare

Ny optisk fiber ger betydande förbättringar av ljusbaserade gyroskop