光ファイバージャイロスコープ製造の進歩

1975 年に初めて提案されて以来、光ファイバー ジャイロスコープ (FOG) は、性能と製造性が着実に向上してきました。 現在、主流の大量生産製品となっている FOG は、リング レーザー ジャイロ (RLG) に迫る性能を備えており、信頼性、コスト、複雑さの点で競合技術に比べて大きな利点をもたらします。 光ファイバーの接続と関連プロセスがこの成果の中核です。

FOG は、よく知られたサニャック効果を利用した干渉デバイスです。 図 1 は、そのようなデバイスの簡単な例を示しています。 図 1a は、N 個のループを持つ半径 R の光ファイバー ループを示しています。 このデバイスには、2 つの逆伝播光波を発射する入力/出力 (I/O) カプラーが備わっています。 波が検出器のフォトダイオードで再結合されると、コヒーレントに加算されます。 ループが回転している場合、ループ間に位相差が発生し、検出器での強度差として現れます。

これを理解するために、与えられた角速度 ω でループが時計回りに回転することを想像してください。 光がループに入ってから出るまでの間に、I/O カプラは距離 ΔL 移動します (図 1b)。 時計回りの波は距離 L+ ΔL を伝わり、反時計回りの波は距離 L-ΔL を伝わります。 2 つの間の経路長の差は 2ΔL で、これは次の位相差に相当します。

ここで、R はループの半径、N はループの数、λ はファイバー内の光の波長、c は光の速度です。

2 つの波が正確に 50/50 に分割され、ファイバー内で電力損失がないと仮定すると、検出器での光強度は次の式で求められます。

ここで、I0 は入力強度です。

FOG を生成するには多数のスプライス (通常はデバイスあたり 10 ～ 20) が必要であることを考えると、スプライシングはパフォーマンスの最適化において重要な役割を果たします。 光ファイバーを接続するには、ファイバーのバッファーを剥がし、その後、ファイバーの洗浄、切断、位置合わせ、接続、再コーティング、および耐力 (強度) テス​​トを行う必要があります。 必要なスプライス性能を得るには、実績のある最高のテクノロジーを使用することが重要です。

PM ファイバーには「速軸」と「遅軸」（複屈折）があります。 2 軸間の偏波クロストークの一般的なファイバー仕様は 25dB/100m 程度で、FOG では通常、数キロメートルのファイバーが使用されます。 スプライスによってファイバー固有の PER が大幅に増加しないことが重要です。

スプライスを通じて PER を維持するには、スプライスされる 2 つの端面の速軸と遅軸を揃える必要があります (図 2)。 PM ファイバー内の応力ロッドを整列させるために、先端画像処理 (AIP) と組み合わせた端面イメージングが使用されます。 ストレス ロッドがコアに対して対称でない場合、AIP は最大の PER と最小の損失を実現する最適な回転アライメントを計算します。 この手法を使用すると、PER 値 >35dB を日常的に達成できます。 これらの値は一般に、固有の繊維 PER と比較すると重要ではありません。

パフォーマンスを最大限に高めるには、アクティブなフィードバック調整がオプションです。 適切に校正されたパワーメータで PER を観察しながら、ファイバペアを位置合わせして相互に回転させることができます。 PER が最大化されると、ファイバー ペアが融合されます。 測定にはファイバーの端にアクセスする必要があるため、この技術を常に利用できるわけではないため、信頼性の高いパッシブアライメントが重要です。

最適なスプライス強度を実現するには、ストリップおよびファイバの準備技術 (剥離、切断、洗浄) の選択が重要です。 FOG 製造における主流の方法は、融着接続用のフィラメントベースの炉です。 これは抵抗加熱を利用した経済的な方法です。 一貫性と再現性の高い方法で均一な加熱を生成し、繊維の直径に応じて通常 100 kpsi ～ 200 kpsi の高い接続強度を提供します。

クラッディングに傷や傷があると、将来故障箇所になるため、接続する前に、ファイバーのクラッディングに接触せずにバッファを剥がすことが不可欠です。 推奨される方法は熱機械剥離 (TMS) です。 ファイバを加熱し、クラッド直径のすぐ外側でファイバの周りに一対のブレードを固定し、ファイバを引き抜きます。 これにより、すべてのアクリル酸緩衝液が効果的に除去され、続いて超音波洗浄が行われます。

次に、高強度のスプライスを実現するために必要な低い劈開角度と高いファセット品質を実現するために重要な、テンション アンド スクライブ技術を使用してファイバ端を劈開します。 へき開が不十分だと、損失が大きくなり、強度が低下する可能性があります。

ファイバーを接続した後は、保護のために再コーティングする必要があります。 繰り返し可能な高品質の再コーティングには、石英モールドの使用が推奨されます。 この方法は、結果として得られるリコートの品質と性能、および製造寿命が長いことでよく知られています。 再コーティングが完了したら、高精度の引張試験を使用して、各スプライスが最小強度 (通常は 80 m のファイバーで 100 kpsi) を超えることを確認するために、ファイバーに「プルーフ」または最小荷重で応力を加えることができます。 実際には、リードの長さが短いため、各ファイバ接続のプルーフテストが困難であるため、サンプリング方法を使用する必要があります。

単軸 FOG には、1 つのコイル、1 つの I/O カプラ、1 つのソース、および 1 つの検出器があります。 他のコンポーネントも必要となるため、スプライスの数は非常に多くなります。やはり、軸の数と設計の詳細に応じて、通常はデバイスあたり 10 ～ 20 のスプライスになります。 小型デバイスでのこのような大量のスプライス数は、分散型製造ラインには適していません。 必要なすべてのハードウェアを簡単に手の届くところに備えたコンパクトなワークステーションが推奨されるソリューションです。 ワークステーション構成はデバイスの取り扱いを最小限に抑え、手動スプライシングに最も実用的で経済的な構成です。

通常、FOG はワークステーションの上または前に配置されます (図 3)。 接続される各ファイバ ペアは、適切な長さに切断されてから接続されます。 オペレータは、FOG 自体を最小限に動かすだけで、スプライス シーケンスの各ステップを実行できます。

設計の観点から見ると、40 mm ファイバ (図 4) には、より高い充填密度 (単位体積あたりのファイバ ループの数が多い) と、(ファイバ直径が小さいため) 最小曲げ半径が小さいという利点があります。 これにより、現在の設計と同じパッケージでより高い感度を実現することも、より小さなパッケージで同様の感度を実現することもできます。 これらは両方とも望ましい特性であり、設計の柔軟性が向上します。 主なトレードオフは、ファイバー自体の損失が大きくなる可能性があることと、このような超極細ファイバーを使用すると生産が困難になることです。 技術者にとって直径 40 mm のファイバーを個別に扱うのは難しいため、ファイバーの取り扱いには最小限のアプローチがさらに重要です。 この課題に対処するには、自動化が必要です。

完全に自動化されたスプライシング プラットフォームは、現在の生産を向上させるだけでなく、より小さな直径のファイバーへの移行をサポートします。 自動化プラットフォームは、現在のワークステーション アプローチの利点を維持しながら、高いパフォーマンス、拡張性、優れた投資収益率 (ROI) を提供する必要があります。 特に、自動化ソリューションには、高スループット、高性能、そして最小限のファイバー移動が必要です。

技術的には、ファイバのペアを固定位置に維持してファイバの動きを最小限に抑え、完全な接続プロセスをその場で実行するのが好ましいアプローチです。 Vytran の FAS-3000 は、プロセスを完全に自動化できるファイバー接続ワークステーションであり、接続シーケンス全体 (剥離、洗浄、切断、位置合わせ、接続、再コーティング、プルーフ テスト) にかかる時間は 2 分未満です。 このシステムの端面アライメントは PER と損失に関して十分なパフォーマンスを提供するため、アライメントに関するアクティブなフィードバックは必要ありません。 オペレーターのばらつきがなくなるため歩留まりも向上し、100% 現場での証明テストによって最終品質も向上します。 テストデータは、統計的プロセス制御とトレーサビリティのためにコンピュータ統合製造システムに提供されます。 最後に、完全な FOG スプライス プロセスの前後にファイバー管理が行われるため、高い利用効率と高い ROI が実現します。

ファイバーの位置合わせ、接続、切断、再コーティングなどの光ファイバーの接続技術は、FOG の製造と性能にとって重要です。 スプライシング技術と装置アーキテクチャは、効率的な FOG 製造の重要な要素であり、業界が小型化と自動化に向かう​​につれて、両方ともますます重要になります。

この記事は、David Douglass 博士と Vytran (ニュージャージー州モーガンビル) の Jean-Michel Pelaprat によって書かれました。 詳細については、Vytran の Dan Bowden までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。 表示するには JavaScript を有効にする必要があります。または、 http://info.hotims.com/49745-200 にアクセスしてください。

この記事は、Photonics Tech Briefs Magazine の 2014 年 5 月号に初めて掲載されました。

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