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    La nouvelle fibre optique apporte des améliorations significatives aux gyroscopes basés sur la lumière

    Les chercheurs ont incorporé un nouveau type de fibre optique à noyau creux connu sous le nom de fibre antirésonante sans nœud pour augmenter les performances des gyroscopes à fibre optique à résonateur. Ces gyroscopes pourraient un jour constituer la base de technologies de navigation plus compactes et plus précises que les systèmes actuels. Crédit :Gregory T. Jasion, Centre de recherche en optoélectronique, Université de Southampton

    Les chercheurs ont franchi une nouvelle étape importante dans l'amélioration des performances des gyroscopes à fibre optique à résonateur, un type de capteur à fibre optique qui détecte la rotation en utilisant uniquement la lumière. Parce que les gyroscopes sont la base de la plupart des systèmes de navigation, les nouveaux travaux pourraient un jour apporter des améliorations importantes à ces systèmes.

    "Les gyroscopes performants sont utilisés pour la navigation dans de nombreux types d'air, sol, applications marines et spatiales, " a déclaré Glen A. Sanders, qui a dirigé l'équipe de recherche de Honeywell International. "Bien que notre gyroscope en soit encore aux premiers stades de développement, s'il atteint ses pleines performances, il sera sur le point de faire partie de la prochaine génération de technologies de guidage et de navigation qui non seulement repoussent les limites de la précision, mais le font avec une taille et un poids réduits."

    Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , Des chercheurs de Honeywell et du Centre de recherche en optoélectronique de l'Université de Southampton au Royaume-Uni décrivent comment ils ont utilisé un nouveau type de fibre optique à noyau creux pour surmonter plusieurs facteurs qui limitaient les précédents gyroscopes à fibre optique à résonateur. Cela leur a permis d'améliorer l'exigence de performance la plus exigeante de la stabilité du gyroscope jusqu'à 500 fois par rapport aux travaux publiés précédemment impliquant des fibres à noyau creux

    "Nous espérons voir ces gyroscopes utilisés dans la prochaine génération de l'aviation civile, les véhicules autonomes et les nombreuses autres applications dans lesquelles les systèmes de navigation sont utilisés, " dit Sanders. " En effet, à mesure que nous améliorons les performances des systèmes de guidage et de navigation, nous espérons ouvrir des capacités et des applications entièrement nouvelles."

    Détection de rotation avec lumière

    Les gyroscopes à fibre optique à résonateur utilisent deux lasers qui traversent une bobine de fibre optique dans des directions opposées. Les extrémités de la fibre sont connectées pour former un résonateur optique de sorte que la majeure partie de la lumière recircule et effectue plusieurs voyages autour de la bobine. Lorsque la bobine est au repos, les faisceaux lumineux se déplaçant dans les deux sens partagent la même fréquence de résonance, mais quand la bobine tourne, les fréquences de résonance se déplacent les unes par rapport aux autres d'une manière qui peut être utilisée pour calculer la direction du mouvement ou l'orientation du véhicule ou du dispositif sur lequel le gyroscope est monté.

    Honeywell développe une technologie de gyroscope à fibre optique à résonateur depuis un certain temps en raison de son potentiel à fournir une navigation de haute précision dans un appareil de plus petite taille par rapport aux capteurs actuels. Cependant, il a été difficile d'identifier une fibre optique capable de supporter les niveaux de puissance laser même modestes aux largeurs de raie laser ultra-fines requises par ces gyroscopes sans provoquer d'effets non linéaires qui dégradent les performances du capteur.

    "En 2006, nous avons proposé d'utiliser une fibre à âme creuse pour le gyroscope à fibre optique du résonateur, " a déclaré Sanders. "Parce que ces fibres confinent la lumière dans un vide central rempli d'air ou de gaz, les capteurs basés sur eux ne souffrent pas des effets non linéaires qui affectent les capteurs basés sur des fibres solides. »

    Utiliser une fibre encore meilleure

    Dans le nouveau travail, dirigé par Austin Taranta à l'Université de Southampton, les chercheurs voulaient voir si un tout nouveau type de fibre à âme creuse pouvait apporter encore plus d'améliorations. Connue sous le nom de fibre antirésonante sans nœud (NANF), cette nouvelle classe de fibres présente des niveaux d'effets non linéaires encore plus faibles que les autres fibres à âme creuse.

    Les NANF ont également une faible atténuation optique, ce qui améliore la qualité du résonateur car la lumière maintient son intensité sur des longueurs de propagation plus longues à travers la fibre. En réalité, il a été démontré que ces fibres ont la perte de lumière la plus faible de toutes les fibres à âme creuse, et pour de nombreuses parties du spectre, la plus faible perte de toute fibre optique.

    Pour les gyroscopes à fibre optique à résonateur, il est crucial que la lumière ne voyage que dans un seul chemin à travers la fibre. Les NANF contribuent à rendre cela possible en éliminant les erreurs optiques causées par la rétrodiffusion, couplage de polarisation et impuretés modales, qui sont autant de sources potentielles d'erreur ou de bruit supplémentaire dans le gyroscope. Leur élimination supprime les limiteurs de performance les plus importants pour les autres technologies de fibre.

    "Bien que l'épine dorsale de ce capteur soit le nouveau type de fibre optique, nous avons également travaillé pour réduire considérablement le bruit lors de la détection de la fréquence de résonance avec une précision sans précédent, " a déclaré Sanders. " C'était crucial pour améliorer les performances et aller vers la miniaturisation du capteur. "

    Atteindre la stabilité à long terme

    Les chercheurs d'Honeywell ont effectué des études en laboratoire pour caractériser les performances du nouveau capteur gyroscope à fibre optique dans des conditions de rotation stables, c'est à dire., seulement en présence de la rotation de la Terre. Ceci établit la « stabilité du biais » de l'instrument. Pour éliminer le bruit et les perturbations dans la configuration optique en espace libre, le gyroscope était monté sur une écurie, jetée statique. En intégrant les NANF, les chercheurs ont pu démontrer une stabilité de biais à long terme de 0,05 degré par heure, ce qui est proche des niveaux requis pour la navigation des aéronefs civils.

    « En démontrant la haute performance des NANF dans cette application extrêmement exigeante, nous espérons montrer la promesse exceptionnelle de ces fibres pour une utilisation dans d'autres cavités résonantes scientifiques de précision, " a déclaré Taranta. Les chercheurs travaillent actuellement à la réalisation d'un prototype de gyroscope avec une configuration plus compacte et stable. Ils prévoient également d'intégrer les NANF de dernière génération, qui présentent une amélioration de quatre fois des pertes optiques, ainsi qu'une pureté modale et de polarisation grandement améliorée.


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