3.1 Źródło światła

Źródło światła jest punktem wyjścia sygnału optycznego w żyroskopie światłowodowym. Jego główną funkcją jest wytwarzanie stabilnego światła i wysyłanie go do systemu. Często stosuje się światło o niskiej spójności, takie jak SLD lub źródło światła ASE.

Rysunek 3.3 Źródło światła FOG

Światło emitowane przez źródło najpierw wchodzi do sprzęgacza, który równomiernie dzieli światło na dwie wiązki i prowadzi je oddzielnie do kolejnych ścieżek optycznych (światłowodów). Poprzez sprzęgacz, pierwotnie jednokierunkowe światło jest rozdzielane do propagacji zarówno w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, jak i przeciwnym, co stanowi podstawę do późniejszego wykorzystania efektu Sagnaca.

3.2 Sprzęgacz

Sprzęgacz światłowodowy to element światłowodowy przeznaczony do redystrybucji sygnałów optycznych. Obejmuje on różne urządzenia światłowodowe, takie jak rozdzielacze optyczne, kombinatory optyczne i sprzęgacze optyczne. Ten komponent może albo rozprowadzać sygnały z pojedynczego światłowodu do wielu światłowodów, albo łączyć sygnały z wielu światłowodów w jeden światłowód.

(1) X-Typu sprzęgacz

Rysunek 3.4 Sprzęgacz światłowodowy

Sprzęgacz X integruje funkcje rozdzielacza i kombinatora w jednym pakiecie. Łączy i rozprowadza moc optyczną z dwóch światłowodów wejściowych, a następnie przesyła ją oddzielnie do dwóch światłowodów wyjściowych. Znany również jako sprzęgacz 2×2.

Rysunek 3.5 Sprzęgacz typu X (2x2)

(2) Falowód Y

Falowód w kształcie litery Y to rodzaj sprzęgacza w kształcie litery Y.

Światło ze źródła pada na falowód Y i jest dzielone na dwie wiązki przez rozgałęźnik Y. Wiązki te propagują się odpowiednio w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnym w cewce światłowodowej. Po zakończeniu pełnego cyklu w cewce światłowodowej, wiązki są ponownie łączone w jedną wiązkę przez rozgałęźnik Y i ostatecznie docierają do fotodetektora.

Oprócz funkcji dzielenia i łączenia światła, falowód Y może również realizować funkcje polaryzacji i depolaryzacji, modulacji fazy i tak dalej.

Rysunek 3.6 Wielofunkcyjne zintegrowane urządzenie optyczne z tlenku bizmutu litu (falowód Y)

3.3 Pierścień światłowodowy

Po wejściu do sprzęgacza 2×2, światło przechodzi przez falowód Y do pętli światłowodowej. Ta pętla, utworzona przez nawinięcie rozciągniętego światłowodu, umożliwia propagację światła wzdłuż zamkniętej ścieżki. Kiedy światło propaguje się jednocześnie w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnym w pętli, obrót światłowodu powoduje niewielką różnicę czasu między dwiema wiązkami, co skutkuje różnicą faz. Zjawisko to, znane jako efekt Sagnaca, stanowi główny mechanizm, dzięki któremu żyroskopy światłowodowe wykrywają informacje o obrocie.

Aby wykryć drobne obroty, światłowody wymagają długości setek, a nawet tysięcy metrów. Chociaż takie rozległe ścieżki optyczne są niepraktyczne, efekt Sagnaca ujawnia, że czułość jest wprost proporcjonalna do powierzchni zamkniętej przez ścieżkę optyczną. Nawijając elastyczny światłowód wielokrotnie, możemy zachować tę samą efektywną powierzchnię, jednocześnie znacznie zmniejszając jej wymiary fizyczne.

Rysunek 3.7 Pierścień światłowodowy

W żyroskopach światłowodowych światłowody są zwykle nawijane w dziesiątkach, setkach, a nawet większej liczbie zwojów. Dzieje się tak, ponieważ różnica faz generowana przez efekt Sagnaca zależy od efektywnej powierzchni zamkniętej przez ścieżkę optyczną, a nie tylko od wielkości pojedynczego zwoju. Zwiększając liczbę zwojów nawijania, odległość propagacji światła można znacznie wydłużyć w ograniczonej objętości, tym samym wzmacniając różnice czasu i fazy spowodowane obrotem.

Zasada ta może być prosto rozumiana jako: im dłużej światło przemieszcza się przez pętlę światłowodową, tym bardziej wyraźny staje się efekt obrotu. To wyjaśnia, dlaczego wysokiej precyzji żyroskopy światłowodowe zazwyczaj mają dłuższe pętle światłowodowe, podczas gdy urządzenia o niskiej precyzji lub edukacyjne używają stosunkowo krótszych długości światłowodów. Jakość nawijania pętli światłowodowej bezpośrednio wpływa na dokładność pomiaru żyroskopu światłowodowego, wymagając specjalistycznego, wysokiej precyzji sprzętu do nawijania. Żyroskopy światłowodowe nie tylko opierają się na zaawansowanych zasadach fizycznych, ale także wymagają niezwykle rygorystycznych procesów produkcyjnych.

Rys. 3.8 System pętli światłowodowej

3.4 Detektor fotoelektryczny

W żyroskopach światłowodowych fotodetektor jest umieszczony na końcu systemu optycznego. Jego główną funkcją jest odbieranie sygnałów świetlnych odbitych od pętli światłowodowej i konwertowanie ich na sygnały elektryczne. Jako urządzenie oparte na efekcie fotoelektrycznym, fotodetektor przekształca sygnały optyczne na elektryczne. Działając jak ludzkie oko, umożliwia wykrywanie zarówno widocznych, jak i niewidocznych słabych sygnałów.

Interferencja optyczna występuje, gdy dwie wiązki światła propagujące się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnym ponownie zbiegają się w systemie. Obrót powoduje różnicę faz między wiązkami, powodując wahania natężenia światła interferencyjnego. Detektory fotoelektryczne wykorzystują to zjawisko do konwersji drobnych zmian natężenia na sygnały elektryczne. Ponieważ sygnały interferencyjne są zazwyczaj bardzo słabe, detektory te muszą mieć wysoką czułość, aby zapewnić, że kolejne obwody mogą dokładnie przechwytywać informacje związane z obrotem.

Rysunek 3.9 Detektor fotoelektryczny

3.5 Obwód przetwarzania sygnału

Sygnał elektryczny wyjściowy z fotodetektora jest niezwykle słaby i nie może być używany bezpośrednio. Dlatego wymagana jest seria kroków przetwarzania sygnału, aby uzyskać ostateczny pomiar prędkości kątowej obrotu. Cały proces można prosto podzielić na następujące kroki:

Ø Wstępne wzmocnienie: Zwiększa niezwykle słabe sygnały elektryczne do odpowiedniego poziomu dla stabilnego przetwarzania przez kolejne obwody.

Ø Konwersja i demodulacja sygnału: Wzmocniony sygnał elektryczny jest konwertowany na sygnał przetwarzalny przez komputer lub obwód cyfrowy, a informacje związane z różnicą faz optycznych są z niego wyodrębniane.

Ø Sterowanie i wyjście: Kontroler oblicza wartość odpowiadającą prędkości kątowej obrotu na podstawie wyników demodulacji i dostarcza wynik do systemu zewnętrznego za pośrednictwem interfejsu wyjściowego.

Rysunek 3.10: Obwód przetwarzania sygnału FOG (górna płytka obwodu na schemacie)

IV. Podsumowanie

Cechą charakterystyczną żyroskopów światłowodowych jest wykorzystanie światła, a nie struktur mechanicznych do pomiaru obrotu, co daje im wyraźne zalety w krytycznych wskaźnikach wydajności:

Ø Wysoka precyzja: System mierzy obrót za pomocą zasad optycznych, eliminując zależność od wibracji mechanicznych w celu zwiększenia dokładności.

Ø Stabilna wydajność: Brak szybkich elementów mechanicznych wewnątrz zapewnia minimalny dryft podczas długotrwałej pracy.

Ø Doskonała odporność na wibracje i uderzenia: Utrzymuje niezawodne wyniki pomiarów nawet w środowiskach wibracyjnych, takich jak samoloty i statki.

Ø Wysoka niezawodność i długa żywotność: Światłowody i komponenty wykazują minimalne zużycie, co czyni je idealnymi do ciągłej, długotrwałej pracy.

Pomimo doskonałej wydajności, żyroskopy światłowodowe nie są uniwersalnie stosowane.

Ø Gabaryty i waga: Konieczność nawijania długich światłowodów utrudnia miniaturyzację.

Ø Wysokie koszty: Wydatki rosną z powodu materiałów światłowodowych, komponentów optycznych i precyzyjnych procesów produkcyjnych.

Ø Wysokie zużycie energii: Niejdealne dla urządzeń mikro zasilanych bateriami.

Żyroskopy światłowodowe nie mają zastępować wszystkich żyroskopów, ale raczej odgrywać kluczową rolę w dziedzinach wymagających wysokiej precyzji, niezawodności i adaptacji do środowiska. W przeciwieństwie do konwencjonalnych żyroskopów MEMS (systemów mikro-elektro-mechanicznych), działają bardziej jak „profesjonalny długodystansowiec” — priorytetyzując stabilność i dokładność nad ekstremalną miniaturyzacją i opłacalnością, cicho utrzymując orientację w zastosowaniach lotniczych, głębinowych i wysokiej klasy sprzęcie.

Następnym razem, gdy wsiądziesz do samolotu lub wyobrazisz sobie sondę głębinową poruszającą się autonomicznie, pamiętaj, że wiązka światła może pędzić przez delikatną pętlę światłowodową, wykorzystując subtelną różnicę czasu, aby nas prowadzić.

​