3.1 Fuente de luz

La fuente de luz es el punto de partida de la señal óptica en el giroscopio de fibra óptica. Su función principal es producir luz estable y enviarla al sistema. A menudo se utiliza luz de baja coherencia, como SLD o fuente de luz ASE.

Figura 3.3 Fuente de luz FOG

La luz emitida por la fuente primero entra en el acoplador, que divide uniformemente la luz en dos haces y los guía por separado en las trayectorias ópticas subsiguientes (fibra óptica). A través del acoplador, la luz originalmente de una sola trayectoria se asigna para propagarse en direcciones horarias y antihorarias, sentando las bases para la posterior utilización del efecto Sagnac.

3.2 Acoplador

Un acoplador de fibra óptica es un componente de fibra óptica diseñado para redistribuir señales ópticas. Abarca varios dispositivos de fibra óptica, como divisores ópticos, combinadores ópticos y acopladores ópticos. Este componente puede distribuir señales de una sola fibra a múltiples fibras o combinar señales de múltiples fibras en una sola fibra.

(1) X-Tipo de acoplador

Figura 3.4 Acoplador de fibra óptica

El acoplador X integra las funciones de un divisor y un combinador dentro de un solo paquete. Combina y distribuye la potencia óptica de dos fibras de entrada, luego la transmite por separado a dos fibras de salida. También conocido como acoplador 2×2.

Figura 3.5 Acoplador tipo X (2x2)

(2) Guía de onda en Y

Una guía de onda en forma de Y es un tipo de acoplador en forma de Y que presenta una configuración en Y distintiva.

La luz de la fuente incide en la guía de onda en Y y se divide en dos haces por la guía de onda en forma de Y. Estos haces se propagan en la bobina de fibra en direcciones horarias y antihorarias, respectivamente. Después de completar un ciclo completo dentro de la bobina de fibra, los haces se recombinan en un solo haz mediante la guía de onda en forma de Y y finalmente llegan al fotodetector.

Además de las funciones de división y combinación de luz, la guía de onda en Y también puede realizar las funciones de polarización y despolarización, modulación de fase, etc.

Figura 3.6 Dispositivo óptico integrado multifuncional de óxido de litio y bismuto (guía de onda en Y)

3.3 Anillo de fibra óptica

Después de entrar en el acoplador 2×2, la luz viaja a través de una guía de onda en Y hacia el bucle de fibra óptica. Este bucle, formado al enrollar una fibra extendida, permite que la luz se propague a lo largo de una trayectoria cerrada. Cuando la luz se propaga en sentido horario y antihorario simultáneamente dentro del bucle, la rotación de la fibra crea una ligera diferencia de tiempo entre los dos haces, lo que resulta en una diferencia de fase. Este fenómeno, conocido como el efecto Sagnac, forma el mecanismo central por el cual los giroscopios de fibra detectan información rotacional.

Para detectar rotaciones mínimas, las fibras ópticas requieren longitudes de cientos o incluso miles de metros. Si bien tales trayectorias ópticas extensas son poco prácticas, el efecto Sagnac revela que la sensibilidad es directamente proporcional al área encerrada por la trayectoria óptica. Al enrollar la fibra flexible varias veces, podemos mantener la misma área efectiva mientras reducimos significativamente sus dimensiones físicas.

Figura 3.7 Anillo de fibra óptica

En los giroscopios de fibra óptica, las fibras ópticas se enrollan típicamente en docenas, cientos o incluso más vueltas. Esto se debe a que la diferencia de fase generada por el efecto Sagnac depende del área efectiva encerrada por la trayectoria óptica, en lugar de depender únicamente del tamaño de una sola vuelta. Al aumentar el número de vueltas de enrollamiento, la distancia de propagación de la luz se puede extender significativamente dentro de un volumen limitado, amplificando así las diferencias de tiempo y fase causadas por la rotación.

El principio se puede entender simplemente como: cuanto más tiempo viaja la luz a través del bucle de fibra, más pronunciado se vuelve el efecto de la rotación. Esto explica por qué los giroscopios de fibra de alta precisión suelen presentar bucles de fibra más largos, mientras que los dispositivos de baja precisión o educativos utilizan longitudes de fibra relativamente más cortas. La calidad del enrollamiento del bucle de fibra impacta directamente en la precisión de la medición del giroscopio de fibra, lo que requiere equipos de enrollamiento especializados de alta precisión. Los giroscopios de fibra no solo se basan en principios físicos sofisticados, sino que también exigen procesos de fabricación extremadamente estrictos.

FIG. 3.8 Sistema de bucle de fibra óptica

3.4 Detector fotoeléctrico

En los giroscopios de fibra óptica, el fotodetector se coloca al final del sistema óptico. Su función principal es recibir las señales de luz reflejadas desde el bucle de fibra y convertirlas en señales eléctricas. Como un dispositivo basado en el efecto fotoeléctrico, el fotodetector transforma las señales ópticas en eléctricas. Funcionando como el ojo humano, permite la detección de señales débiles tanto visibles como invisibles.

La interferencia óptica ocurre cuando dos haces de luz que se propagan en sentido horario y antihorario convergen nuevamente dentro de un sistema. La rotación crea una diferencia de fase entre los haces, lo que hace que la intensidad de la luz de interferencia fluctúe. Los detectores fotoeléctricos utilizan este fenómeno para convertir variaciones de intensidad mínimas en señales eléctricas. Dado que las señales de interferencia suelen ser extremadamente débiles, estos detectores deben tener una alta sensibilidad para garantizar que los circuitos subsiguientes puedan capturar con precisión la información relacionada con la rotación.

Figura 3.9 Detector fotoeléctrico

3.5 Circuito de procesamiento de señales

La señal eléctrica emitida por el fotodetector es extremadamente débil y no se puede utilizar directamente. Por lo tanto, se requiere una serie de pasos de procesamiento de señales para obtener la medición final de la velocidad angular de rotación. Todo el proceso se puede dividir simplemente en los siguientes pasos:

Ø Pre-amplificación: Aumenta las señales eléctricas extremadamente débiles a un nivel adecuado para un procesamiento estable por parte de los circuitos subsiguientes.

Ø Conversión y demodulación de señales: La señal eléctrica amplificada se convierte en una señal procesable por computadora o circuito digital, y la información relacionada con la diferencia de fase óptica se extrae de ella.

Ø Control y salida: El controlador calcula el valor correspondiente a la velocidad angular de rotación en función de los resultados de la demodulación y proporciona el resultado al sistema externo a través de la interfaz de salida.

Figura 3.10: Circuito de procesamiento de señales FOG (Placa de circuito superior en el diagrama)

IV. Resumen

La característica definitoria de los giroscopios de fibra óptica es su uso de la luz en lugar de estructuras mecánicas para medir la rotación, lo que les otorga distintas ventajas en métricas de rendimiento críticas:

Ø Alta precisión: El sistema mide la rotación utilizando principios ópticos, eliminando la dependencia de las vibraciones mecánicas para una mayor precisión.

Ø Rendimiento estable: La ausencia de componentes mecánicos de alta velocidad en el interior garantiza una deriva mínima durante el funcionamiento prolongado.

Ø Excelente resistencia a las vibraciones y a los impactos: Mantiene un rendimiento de medición fiable incluso en entornos vibratorios como aviones y barcos.

Ø Alta fiabilidad y larga vida útil: Las fibras y componentes ópticos muestran un desgaste mínimo, lo que los hace ideales para un funcionamiento continuo a largo plazo.

A pesar de su rendimiento superior, los giroscopios de fibra óptica no son universalmente aplicables.

Ø El tamaño y el peso voluminosos: La necesidad de enrollar largas fibras ópticas dificulta la miniaturización.

Ø Altos costos: Los gastos aumentan debido a los materiales de fibra, los componentes ópticos y los procesos de fabricación de precisión.

Ø Alto consumo de energía: No es ideal para microdispositivos alimentados por batería.

Los giroscopios de fibra óptica no están destinados a reemplazar a todos los giroscopios, sino a desempeñar un papel fundamental en los campos que requieren alta precisión, fiabilidad y adaptabilidad ambiental. A diferencia de los giroscopios MEMS (Sistemas Micro-Electro-Mecánicos) convencionales, funcionan más como un 'corredor de larga distancia profesional' —priorizando la estabilidad y la precisión sobre la miniaturización extrema y la rentabilidad, manteniendo silenciosamente la orientación en aplicaciones aeroespaciales, de aguas profundas y de equipos de alta gama.

La próxima vez que aborde un avión o imagine una sonda de aguas profundas navegando de forma autónoma, recuerde que un haz de luz podría estar corriendo a través de un delicado bucle de fibra óptica, utilizando su sutil diferencia de tiempo para guiarnos.

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