Avancées dans la fabrication de gyroscopes à fibre optique

Depuis qu'il a été proposé pour la première fois en 1975, le gyroscope à fibre optique (FOG) n'a cessé d'améliorer ses performances et sa fabricabilité. Désormais un produit fabriqué à grand volume et grand public avec des performances approchant les Ring Laser Gyros (RLG), les FOG offrent des avantages substantiels par rapport aux technologies concurrentes en termes de fiabilité, de coût et de complexité. L'épissure de fibres optiques et les processus associés sont au cœur de cette réalisation.

Les FOG sont des dispositifs interférométriques utilisant le célèbre effet Sagnac. La figure 1 présente un exemple simple d'un tel dispositif. La figure 1a montre une boucle de fibre optique de rayon R avec N boucles. L'appareil dispose d'un coupleur d'entrée/sortie (E/S) qui lance deux ondes lumineuses à contre-propagation. Lorsque les ondes sont recombinées au niveau de la photodiode du détecteur, elles s'additionnent de manière cohérente. Si la boucle tourne, alors une différence de phase se développe entre elles, qui se manifeste par une différence d'intensité au niveau du détecteur.

Pour comprendre cela, imaginons une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre de la boucle à une vitesse angulaire donnée ω. Entre le moment où la lumière entre dans la boucle et sort de la boucle, le coupleur d'E/S se sera déplacé d'une distance ΔL (Figure 1b). L'onde dans le sens des aiguilles d'une montre parcourra une distance L+ ΔL, et l'onde dans le sens inverse des aiguilles d'une montre parcourra une distance L-ΔL. La différence de longueur de trajet entre les deux est de 2ΔL, ce qui correspond à une différence de phase entre eux de :

où R est le rayon des boucles, N est le nombre de boucles, λ est la longueur d'onde de la lumière dans la fibre et c est la vitesse de la lumière.

En supposant une répartition exacte 50/50 des deux ondes et aucune perte de puissance dans la fibre, l'intensité lumineuse au niveau du détecteur est donnée par :

où I0 est l'intensité d'entrée.

Compte tenu du grand nombre d'épissures nécessaires pour produire un FOG (généralement 10 à 20 par appareil), l'épissure joue un rôle clé dans l'optimisation des performances. L'épissage d'une fibre optique nécessite le décapage du tampon de fibre, puis le nettoyage, le clivage, l'alignement, l'épissage, le recouvrement et le test d'épreuve (résistance) de la fibre. L'utilisation de la meilleure technologie éprouvée est essentielle pour obtenir les performances d'épissure requises.

La fibre PM a un « axe rapide » et un « axe lent » (biréfringence). Les spécifications de fibre typiques pour la diaphonie de polarisation entre les deux axes sont de l'ordre de 25 dB/100 m et plusieurs kilomètres de fibre sont généralement utilisés dans un FOG. Il est important que les épissures n'ajoutent pas de manière significative au PER intrinsèque de la fibre.

Pour maintenir le PER à travers une épissure, les axes rapide et lent des deux faces d'extrémité à épisser ensemble doivent être alignés (Figure 2). L'imagerie en vue d'extrémité combinée au traitement d'image avancé (AIP) est utilisée pour aligner les tiges de contrainte dans la fibre PM. Si les tiges de contrainte ne sont pas symétriques par rapport au noyau, l'AIP calculera l'alignement de rotation optimal pour un PER maximum et une perte minimum. En utilisant cette technique, des valeurs PER >35dB sont systématiquement réalisables. Ces valeurs ne sont généralement pas significatives par rapport à la fibre intrinsèque PER.

Pour des performances maximales, l'alignement actif de la rétroaction est une option. Les paires de fibres peuvent être alignées et tournées les unes par rapport aux autres tout en observant le PER sur un wattmètre correctement calibré. Lorsque le PER est maximisé, la paire de fibres est fusionnée. Étant donné que l'accès aux extrémités de la fibre est nécessaire pour la mesure, il n'est pas toujours possible d'utiliser cette technique, un alignement passif fiable est donc essentiel.

Pour une résistance d'épissure optimale, le choix des technologies d'épissure et de préparation des fibres (dénudage, clivage et nettoyage) est essentiel. La méthode dominante dans la production de FOG est un four à filament pour l'épissage par fusion. Il s'agit d'une méthode économique basée sur le chauffage résistif. Il génère un chauffage uniforme de manière hautement cohérente et reproductible, et fournit une résistance d'épissure élevée, généralement de 100 kpsi à 200 kpsi selon le diamètre de la fibre.

Avant l'épissage, il est essentiel de dénuder le tampon sans entrer en contact avec la gaine de la fibre, car toute entaille ou rayure sur la gaine sera un point de défaillance à l'avenir. La méthode préférée est le décapage thermomécanique (TMS). La fibre est chauffée, une paire de lames est serrée autour de la fibre juste à l'extérieur du diamètre de la gaine et la fibre est tirée à travers. Cela élimine efficacement tout le tampon acrylate et est suivi d'un nettoyage par ultrasons.

Les extrémités des fibres sont ensuite clivées à l'aide d'une technique de tension et de traçage, essentielle pour produire le faible angle de clivage et la haute qualité des facettes nécessaires pour obtenir une épissure à haute résistance. Un clivage médiocre peut entraîner à la fois une perte élevée et une faible résistance.

Une fois la fibre épissée, elle doit être recouverte pour la protéger. L'utilisation d'un moule en quartz est préférable pour un revêtement reproductible de haute qualité. La méthode est bien connue pour la qualité et les performances résultantes du recouvrement, et pour sa longévité de fabrication. Une fois la nouvelle couche terminée, les fibres peuvent être « imperméabilisées » ou soumises à une charge minimale pour s'assurer que chaque épissure dépasse une résistance minimale, généralement 100 kpsi pour une fibre de 80 m, à l'aide d'un test de traction de haute précision. En pratique, en raison de la courte longueur du câble, il est difficile de tester chaque épissure de fibre, c'est pourquoi des méthodes d'échantillonnage doivent être utilisées.

Un FOG à un seul axe a une bobine, un coupleur d'E/S, une source et un détecteur. D'autres composants sont également nécessaires, de sorte que le nombre d'épissures est assez important - encore une fois, généralement 10 à 20 épissures par appareil, en fonction du nombre d'axes et des détails de conception. Un tel grand nombre d'épissures sur de petits dispositifs ne se prête pas à une chaîne de fabrication distribuée. Un poste de travail compact contenant tout le matériel nécessaire à portée de main est la solution préférée. La configuration du poste de travail minimise la manipulation des appareils et constitue la configuration la plus pratique et la plus économique pour le raccordement manuel.

Généralement, le FOG est placé au-dessus ou devant le poste de travail (Figure 3). Chaque paire de fibres à épisser est coupée à sa bonne longueur, puis épissée. L'opérateur peut effectuer chaque étape de la séquence d'épissure avec seulement un minimum de mouvement du FOG lui-même.

Du point de vue de la conception, la fibre de 40 mm (Figure 4) offre l'avantage d'une densité de tassement plus élevée (plus de boucles de fibre par unité de volume) et d'un rayon de courbure minimum plus petit (en raison d'un diamètre de fibre plus petit). Cela peut permettre soit une sensibilité plus élevée dans le même boîtier qu'une conception actuelle, soit une sensibilité similaire dans un boîtier plus petit. Ces deux caractéristiques sont souhaitables et offrent une flexibilité de conception accrue. Les principaux compromis sont que la fibre elle-même peut avoir une perte plus élevée et la difficulté de production accrue de travailler avec de telles fibres ultrafines. Il est difficile pour un technicien de travailler avec des fibres individuelles de 40 mm de diamètre, une approche minimaliste de la manipulation des fibres est donc encore plus essentielle. Pour relever ce défi, l'automatisation est nécessaire.

Une plate-forme de raccordement entièrement automatisée améliorera à la fois la production actuelle et facilitera la transition vers des fibres de plus petit diamètre. Toute plate-forme d'automatisation doit conserver les avantages de l'approche actuelle du poste de travail, tout en offrant des performances élevées, une évolutivité et un excellent retour sur investissement (ROI). En particulier, toute solution d'automatisation doit avoir un débit élevé, des performances élevées et un mouvement de fibre minimal.

Techniquement, l'approche préférée consiste à maintenir une paire de fibres dans une position fixe, en minimisant le mouvement des fibres, et à effectuer le processus d'épissure complet in situ. Le FAS-3000 de Vytran est un poste de travail d'épissure de fibre qui peut entièrement automatiser le processus et l'ensemble de la séquence d'épissure (dénudage, nettoyage, clivage, alignement, épissure, recouvrement et test d'épreuve) peut prendre moins de deux minutes. Une rétroaction active sur l'alignement n'est pas nécessaire car l'alignement de la face d'extrémité sur ce système offre des performances suffisantes sur le PER et la perte. Les rendements peuvent également s'améliorer à mesure que la variabilité de l'opérateur est éliminée, et la qualité finale peut être améliorée par les tests d'épreuve 100 % in situ. Les données de test sont fournies à un système de fabrication intégré par ordinateur pour le contrôle statistique et la traçabilité du processus. Enfin, la gestion des fibres est effectuée avant et après le processus d'épissure FOG complet, ce qui conduit à une efficacité d'utilisation élevée et à un retour sur investissement élevé.

Les techniques d'épissage des fibres optiques, y compris l'alignement, l'épissage, le clivage et le recouvrement des fibres, sont essentielles pour la production et les performances du FOG. La technologie d'épissage et l'architecture des équipements sont des éléments clés d'une fabrication FOG efficace, et les deux deviendront de plus en plus importants à mesure que l'industrie évolue vers la miniaturisation et l'automatisation.

Cet article a été rédigé par David Douglass, Ph.D., et Jean-Michel Pelaprat, Vytran (Morganville, NJ). Pour plus d'informations, contactez Dan Bowden de Vytran à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir., ou visitez http://info.hotims.com/49745-200 .

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de mai 2014 du magazine Photonics Tech Briefs.

Lisez plus d'articles de ce numéro ici.

Lire plus d'articles des archives ici.

S'ABONNER