von Georg WeigeltGeorg Weigelt, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Die Vision von Autos, die fahren, oder Flugzeugen, die selbst fliegen, kann nur wahr werden, wenn die Elektronik an Bord jederzeit und zuverlässig ihre Position im All bestimmen kann. In der Luft- und Raumfahrt wird diese Aufgabe Gyroskopen übertragen, die Licht messen, um den Kurs eines Schiffes im Flug zu überprüfen und zu stabilisieren. Doch solche Kreisel können durch bestimmte Materialeigenschaften oder durch elektrische oder magnetische Felder beeinträchtigt werden – mit verheerenden Folgen. Deshalb hat sich ein deutsch-polnisches Konsortium zusammengeschlossen, um eine zuverlässige Lichtübertragung zu entwickeln, um Kreisel weniger störanfällig zu machen. Ihr Geheimnis: Hohlkernfasern, die Licht mit minimalen Verlusten leiten können.
Glasfasern bilden das Rückgrat der modernen Telekommunikation: Winzige Röhren, dünner als ein menschliches Haar, die einen nochmals zehnmal dünneren Glaskern enthalten. In diesem Kern kann sich Licht bewegen, ohne dass es gestört wird. Da der Brechungsindex des Materials schrumpft, je näher man der äußeren Schicht kommt, sickert das Licht nicht durch die dünnen Wände, sondern prallt stattdessen von ihnen zurück und strömt im Zickzack durch den inneren Kern. Ist dies erreicht, sprechen die Wissenschaftler von Totalreflexion.
Auch die Messtechnik nutzt die Fähigkeiten optischer Fasern. Sie sind elementarer Bestandteil von Gyroskopen, also hochpräzisen Rotationssensoren. Wenn nur eine Bewegungsachse relevant ist, würden Beschleunigungssensoren ausreichen, aber wenn die Bewegung eines autonomen Objekts durch alle drei Dimensionen des Raums verfolgt werden muss, muss das Messsystem komplizierter sein und drei Beschleunigungsmesser und Gyroskope umfassen.
Optische Gyroskope am Limit
Man kann sich ein optisches Gyroskop, das die Rotation misst, wie eine Weltreise vorstellen: Je nach Fahrtrichtung verliert man Zeit oder gewinnt Zeit. Ein Faserkreisel umfasst eine Faser, die um eine Spule gewickelt ist und einen Ringresonator bildet. In diesem Resonator kann sich Licht mit oder gegen die Uhr bewegen.
Wenn sich das Objekt dreht, ändert sich der Weg, den die Lichtwelle passiert, unmerklich, entweder schrumpft oder erweitert sich um einen winzigen Rand. Es ist diese winzige Änderung, die ein Detektor erfassen und zur Berechnung der Rotation verwenden kann.
Doch hier stoßen Glasfasern an ihre Grenzen. Magnetische und elektrische Felder können die Interpretationsarbeit des Sensors stören, und das Material selbst kann mit dem Licht interagieren und eine Änderung seiner optischen Eigenschaften bewirken. Diese sogenannten nichtlinearen Effekte wirken sich direkt darauf aus, wie sich das Licht ausbreitet. Die Störung ist so gering, dass sie für die Telekommunikation kein Problem darstellt, kann sich aber für die Navigation autonomer Objekte als kritisch erweisen, da die winzige Abweichung von der erwarteten Richtung bald eine messbare Abweichung vom gewählten Kurs bedeuten wird.
Um diese Effekte zu vermeiden, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM modernste Technologien und Materialien untersucht und sind auf einen vielversprechenden neuen Kandidaten auf dem Markt gestoßen: Hohlkernfasern.
Diese sind genauso dünn wie typische Glasfasern, enthalten aber Luft anstelle eines Glaskerns. Licht kann diesen Hohlraum ungestört passieren, was die Materialeinflüsse, die sein Verhalten verändern können, deutlich reduziert. Licht bewegt sich außerdem mit 1,5-facher Geschwindigkeit durch das Material als Standardfasern, was Hohlkernfasern auch zu einer attraktiven Option für Datenübertragungsanwendungen macht. Gegenwärtig steht ihr hoher Preis ihrer weiteren Verbreitung noch im Weg.
Clevere Verbindungstechnik zur Rettung
Für die Forscher um die Photonik-Experten Wojciech Lewoczko-Adamczyk und Stefan Lenzky bestand die Herausforderung darin, die störfesten Eigenschaften dieser Fasern für den Bau hochpräziser Kreisel zu nutzen und gleichzeitig die Produktionskosten gering zu halten. Sie mussten eine Verbindungstechnologie finden, die mit dem neuen Fasertyp funktionieren könnte. Eine große Herausforderung war die Aufteilung des Lichtsignals auf mehrere Kanäle. Typischerweise würden einzelne Wellenleiter gekoppelt, indem sie einfach miteinander verschmolzen würden, aber dies war für die Hohlkernfasern unmöglich, da ihre einzigartige Struktur verloren gehen würde, wenn sie Hitze ausgesetzt würden.
Um diesem Effekt entgegenzuwirken, konstruierten die Forscher Mini-Kollimatoren: Hochpräzise Linsen, die das Licht einer Faser einfangen und wieder aussenden, bevor es zu einer Beugung kommen kann. Ist dieser entscheidende Schritt geschafft, kann das Licht durch halbdurchlässige Spiegel geteilt und in den Ringresonator eingespeist werden. Nach einer Umrundung des Rings wird es gemessen und über einen zweiten Kollimator wieder in die Faser eingespeist.
Montageplattform für KMU
Bei der Lichteinkopplung mit zwei Kollimatoren kommt es auf höchste Präzision an: In Laborumgebungen lassen sich die Komponenten mit präzisen Positionierwerkzeugen platzieren und ausrichten, in industriellen Produktionsstätten dürften diese jedoch kaum zur Verfügung stehen. Dies bedeutet, dass kleine und mittelständische Unternehmen dieses Verfahren bisher nicht anbieten können. Deshalb entwickelt das deutsch-polnische Konsortium eine passive Kopplungsplattform, die es ermöglicht, die Technologie in individuelle Anwendungen zu integrieren. Sein Layout ermöglicht die präzise Montage der fertigen Kollimatoren, sodass keine zusätzliche Ausrichtung erforderlich ist.
Auch wenn das Projekt noch bis Ende des Jahres läuft, haben die Forscher bereits große Fortschritte gemacht: Kollimatoren werden noch benötigt, um die Strahlen zu biegen, die optischen Komponenten des Fraunhofer IZM übertreffen aktuelle Lösungen am Markt bereits um das Zehnfache an Präzision, bei einem maximalen Brechungswinkel von 0,04 Grad. Dies bedeutet, dass Kollimatorpaare für die passive Kopplungsplattform verwendet werden können, ohne dass eine zusätzliche Ausrichtung erforderlich ist, wobei eine Kopplungseffizienz von mehr als 85 Prozent erreicht wird. Die Mission für das dritte und letzte Jahr des Projekts besteht darin, zu testen, wie zuverlässig die Plattform sein wird, weitere optische und mechanische Komponenten hinzuzufügen und alles in ein Gyroskop zu integrieren. Sobald der Rotationssensor aufgebaut ist, ist alles bereit, um die Technologie unter realen Bedingungen im Feld zu testen.
Die Kollimator-Montageplattform kann optische Kreisel für Flugzeuge und Satelliten widerstandsfähiger gegen Störungen machen, aber auch eine hybride Ergänzung integrierter optischer Systeme sein, die zB optische Elemente verwenden, die eine freie Strahlkopplung benötigen. Aus einem Wellenleiter austretendes gestreutes Licht kann kollimiert werden, um Verluste beim Wiedereintritt in den nächsten Wellenleiter zu reduzieren. Die optische Lösung wird auch für die Bearbeitung von Material mit ultrahohen Lichtstrahlen oder für die Übertragung von infrarotem oder kurzwelligem UV-Licht relevant sein. Weitere vielversprechende Anwendungen sind im Bereich der Telekommunikation vorstellbar.
Bereitgestellt vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM