Desarrollo de prototipos de sensor interferométrico en fibra ópticamono-modo mediante técnicas de modulación de fase para la medida de la rotación diferencial

Abstract

Título de la tesis: "Desarrollo de prototipos de sensor interferométrico en fibra óptica mono-modo mediante técnicas de modulación de fase para la medida de la rotación diferencial". Introducción Determinadas aplicaciones tecnológicas (navegación aeroespacial, navegación aérea, navegación submarina, posicionamiento de satélites de telecomunicaciones) requieren un sensor de rotación altamente preciso que sea capaz de medir velocidades de rotación extremadamente pequeñas (grado estratégico: 0,0001º/h, grado de navegación: 0,001º/h, grado táctico: 0,01º/h, grado industrial: 0,1º/h). Esta restricción tan exigente solamente puede ser desempeñada por un elemento basado en el comportamiento interferométrico de la luz. Para ello se utiliza el efecto Sagnac sobre una bobina de fibra óptica, midiendo mediante técnicas interferométricas el desplazamiento de la fase óptica que resulta entre dos ondas que se mueven en contra-propagación a través de la misma cuando se ve sometida a una rotación. El desarrollo de la tecnología IFOG (Interferometric-Fiber-Optic-Gyroscope) desde su primer diseño en fibra-óptica en el año 1976 (V. Vali & R.W. Shorthill) no ha cesado de perfeccionarse hasta nuestros días. La tesis se centra en diseños de giroscopio utilizando fibra óptica mono-modo, que reducen en gran manera el coste del sistema, para aplicaciones con grado de tipo táctico o industrial. Objetivos El objetivo de la tesis es el estudio de sistemas IFOG con fibra mono-modo, en cuanto a: - Alternativas de diseño y configuración - Variantes sobre las configuraciones básicas - Análisis de los resultados de desempeño utilizando simuladores electro-ópticos. Organización de la Tesis La memoria de esta Tesis está dividida en dos partes, a las cuales se acompañan cinco anexos finales. La primera parte de la Tesis (Capítulos 1 a 4) se dedica a realizar una revisión teórica de la interferometría de la luz y del estado actual de la técnica en lo que se refiere a los tipos de sensor óptico interferométrico basado en fibra-óptica utilizados en aplicaciones convencionales (medición de rotación, tensión mecánica, presión dinámica y temperatura). La segunda parte de la Tesis (Capítulos 5 a 9) atiende la realización del diseño y desarrollo de siete prototipos de giroscopio interferométrico en fibra-óptica mono-modo aplicados a la medición de la velocidad o posicionamiento angular de precisión en control de proceso industrial. Se han realizado y comparado diseños tanto en lazo abierto como cerrado, utilizando ondas de tipo sinusoidal y diente de sierra. El documento contiene también 5 anexos con los cálculos utilizados y los resultados de simulación. Conclusiones y aportaciones El Capitulo 10 contiene las conclusiones y aportaciones de la Tesis. A partir de los resultados obtenidos, se puede concluir que es posible el diseño de un sensor de velocidad de precisión mejor que 0.005º/h con fibra mono-modo estándar, con una longitud de uno o varios centenares de metros y diámetro de carrete de unos 10 cm. Las aportaciones fundamentales de la Tesis se centran en el estudio de diferentes opciones de diseño, el cálculo de todos los parámetros para cada una de ellas, y la obtención y comparación de resultados mediante simulador electro-óptico, lo que en conjunto comporta un estudio exhaustivo de las alternativas aplicables. RESUMEN (en Inglés) Title of the PhD Thesis: "Development of prototypes of single-mode fiber optic interferometric sensor by means of phase modulation techniques for the measurement of differential rotation" Introduction Certain technological applications (aerospace navigation, air navigation, submarine navigation, communication satellites positioning) need a high precise rotation sensor able to measure extremely small rotation speeds (strategic grade: 0,0001º/h, navigation grade: 0,001º/h, tactical grade: 0,01º/h, industrial grade: 0,1º/h). Such a high demanding specification can only be satisfied by an element based on the interferometric behavior of light. For this purpose the Sagnac effect is used on an optical fiber coil, by measuring the resulting optical phase shift between two optical waves moving in counter-propagation directions across the fiber, when rotation ratio is applied to system. Measurement of the phase shift is done by interferometric techniques. A first prototype using IFOG (Interferometric-Fiber-Optic-Gyroscope) technology was designed in 1976 (V. Vali & R.W. Shorthill), and the technology has been constantly improving until the present. The PhD Thesis is centered in the design of gyroscopes using single-mode optical fiber, what would reduce in an important amount the overall cost of an IFOG system, for applications with industrial or tactic grades. Objectives The goal of the PhD Thesis is the deep study of IFOG systems using single-mode optical fiber, in relation to: - Design and configuration alternatives - Variations of the basis configurations - Analysis of the performance results using electro-optical simulators. PhD Thesis Organization The document is divided in two main parts, together with 5 annexes. The first part (Chapters 1 to 4) is devoted to a theoretical revisión of light interferometry and the current state of the art of the interferometric optical sensors based on fiber optic that are used in conventional applications (rotation measurement, mechanical strain, dynamic pressure and temperature). The second part (Chapters 5 to 9) attends specially to the achievement of design and development of seven prototypes of interferometric fiber optic gyroscope using single-mode optical fiber, applied to precise measurement of angular speed or position for industrial control processes. Designs using open and closed loop configurations have been realized and compared, and also using sinusoidal and saw tooth input waves. The document contains 5 annexes with the main calculations used and the simulation results. Conclusions and contributions Chapter 10 contains conclusions and contributions of this PhD Thesis. From the results obtained, the feasibility of a design of a speed sensor with speed better than 0.005º/h using single-mode standard optical fiber (one to several hundreds of meters in length and 10cm diameter) has been shown. Main contributions are centered in the deep study of the different configuration and design options, each of them supported by the calculation of all the parameters involved, and the comparison of results obtained by means of electro-optical simulator, what as a whole converts this document in an exhaustive study of the available alternatives.