Componentes Optoelectrónicos para la Integración en el Espacio

Pruebas de Componentes Optoelectrónicos para Integración en Rejilla de Fibra Orientada al espacio BraggS. Abad & F. Araújo

 (FiberSensing,  Advanced Monitoring Systems, Portugal)
J. Barbero, P. Adamiec &  D. López
J. González-Torres &  J. Velasco
(CRISA, España)
I. McKenzie 
(ESA-ESTEC, Países Bajos)

Introducción  

Las aplicaciones de monitoreo estructural de la salud de las naves espaciales se ven impulsadas por mayores restricciones en el costo de lanzamiento de cargas útiles en órbita que imponen una reducción importante en el peso estructural solo a través del uso de materiales avanzados y métodos de fabricación innovadores.

Por otro lado, la reducción del peso estructural debe atenuarse frente a las mayores demandas de rendimiento, tolerancia al daño y durabilidad de por vida [13]. El presente artículo presenta un demostrador que realizará mediciones de temperatura mediante sensores ópticos Fiber Bragg Grating (FBG). El objetivo del trabajo que se realiza es, por un lado, demostrar las ventajas de usar esta tecnología con respecto a las técnicas actuales de monitoreo de temperatura en aplicaciones de satélites y lanzadores de telecomunicaciones, y por otro lado alcanzar el TRL-5 Technology Maturity para Crisa y FiberSensing.

Con este objetivo, varios componentes optoelectrónicos se están probando según los requisitos de espacio para integrarse como parte de los sistemas FBG en desarrollo. Estas pruebas de prevalidación se llevan a cabo en colaboración con Alter Technology, y están destinadas a eliminar el riesgo del plan de desarrollo completo del sistema desde las primeras etapas de diseño. Este artículo presenta una descripción del sistema enfocado en el uso de componentes ópticos.

Detección de fibra óptica

Manufacturing setup at FiberSensing

El sistema de Fiber Optic Sensing (FOS) en desarrollo es un sistema de medición compuesto por sensores FBG, arnés óptico y una unidad de interrogación, cuyas interfaces son compatibles con el sistema de monitoreo térmico existente, por lo que se puede utilizar como reemplazo de este último. La tecnología FOS se puede utilizar para medir otros parámetros analógicos (tensión, desplazamiento, aceleración, inclinación, presión) utilizando la misma unidad de interrogación, agregando diferentes tipos de sensores FBG.

Una rejilla de fibra de Bragg es una microestructura de pequeño tamaño (menos de 10 mm de largo) que puede ser fotograbada en fibras ópticas fotosensibles por exposición lateral a la radiación láser UV modelada

Unidad de Interrogatorio Fos

La unidad de interrogación incluye un grupo de funciones llamado FOS CONTROL y otro llamado FOS OPTICAL, que corresponden a placas de circuito impreso (PCB) separadas del demostrador de FOS.

FOS_CONTROL: Este conjunto incluye básicamente las funciones electrónicas de la unidad, excepto aquellas que debido a las restricciones muy restrictivas y la relación íntima con los elementos ópticos del sistema deben estar cerca de ellas.
FOS_OPTICAL:
este conjunto incluye todos los componentes ópticos, además de las funciones electrónicas que se requieren para permanecer cerca de los elementos ópticos afectados por ellos.

Diseño mecánico

El enfoque de la arquitectura para el demostrador en el presente proyecto, sin embargo, no está en las interfaces internas del RTU2015 (TM / TC y potencia), que se consideran tecnología estándar, sino en las partes del sistema FOS que se ocupan de los nuevos tecnologías fotónicas. Sin embargo, el diseño mecánico que considera esto como un módulo RTU2015 tiene cierto impacto en las pruebas mecánicas. Por lo tanto, las pruebas de vibración y choque se realizaron con las muestras monta

Pre validación de componentes optoelectrónicos

Los componentes ópticos se consideran los más críticos en términos de idoneidad del entorno espacial [9]. Por esta razón, se ha realizado una selección preliminar de componentes que incluye una validación previa de aquellos considerados como los más críticos.

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Se ha considerado que otros componentes optoelectrónicos que también se usan dentro del sistema, como fotodetectores, acopladores o conectores, están en un TRL mayor y, por lo tanto, no se están probando.

CARACTERIZACIÓN DE LA TEMPERATURA

La caracterización de la temperatura de cada dispositivo optoelectrónico se realizó en el rango de temperatura de -30ºC a + 70ºC. En algunos casos estas temperaturas estaban fuera de la especificación de los dispositivos, pero se consideró que la integridad de los dispositivos no era peligrosa y, sin embargo, fue interesante conocer la evolución de los parámetros críticos de cada dispositivo dentro de este rango de temperatura . Los siguientes párrafos resumen los resultados obtenidos:

  • Caracterización térmica OADM
  • Caracterización de FILTRO sintonizable
  • Etalon Wavelength Locker
  • Atenuador óptico variable
Manufacturing setup at FiberSensing

Configuración de prueba de vibración


PRUEBAS MECÁNICAS

Las muestras se sometieron a vibración sinusoidal y aleatoria, así como a los choques SRS (espectro de respuesta a impactos) de acuerdo con la norma ECSS 10-03. Las muestras se montaron en una PCB de la misma manera que se montarían en la aplicación final. La principal característica óptica de cada componente óptico se controló durante las pruebas de vibración o se midieron antes y después (este fue el caso del filtro sintonizable). Del mismo modo, los componentes se caracterizaron antes y después de los choques SRS. La siguiente imagen muestra la configuración utilizada.

Resultados:

  • Prueba mecánica OADM: no se midió ninguna variación de la potencia óptica reflejada o pasada.
  • Prueba mecánica del filtro sintonizable: el filtro se midió antes y después de las pruebas de vibración y no se observó degradación.
  • Prueba mecánica del Etalon Wavelength Locker: Se monitoreó el casillero de longitud de onda en el punto de cuadratura durante las pruebas de vibración y se midió antes y después de las pruebas de choque. No se midieron variaciones relevantes.
  • Pruebas mecánicas de VOA: la variación de la atenuación durante la vibración fue inferior a 0,5 dB. Tenga en cuenta que los componentes probados son MEMS y, por lo tanto, hay partes móviles que podrían verse afectadas durante la vibración. Sin embargo, estos componentes mostraron buenas propiedades mecánicas.

Prevalidación del sensor FBG

El embalaje del sensor se basa en un sustrato de alúmina, que proporciona un alto módulo de Young para el desacoplamiento de tensiones. Esto permite la consecución de un sensor de factor de forma pequeño (20 x 6,35 x 2 mm) y de bajo peso (1 gr), a la vez que proporciona un manejo fácil y un buen rendimiento mecánico.

Conclusiones

Los resultados obtenidos son muy prometedores para que la implementación de una Unidad de Interrogatorio para sensores FBG sea validada en el espacio. Los principales problemas encontrados se relacionaron con la radiación de un componente que se sabe que tiene una versión de resistencia a la radiación. Sin embargo, no todos los componentes críticos se han probado aún debido a retrasos del fabricante de la SOA.

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