DE102011104512A1

DE102011104512A1 - Lichtquellen- und Kopplermodul für ein mehrstufiges Sensorsystem

Info

Publication number: DE102011104512A1
Application number: DE201110104512
Authority: DE
Inventors: Sven Voigt
Original assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Ein Lichtquellenmodul umfasst ein Substrat (9), eine in dem Substrat (9) integrierte Lichtquelle (11) und lichtleitende Fasern (31, 32, 33), welche polarisiertes Licht aus der Lichtquelle ein- und auskoppeln. Ein an das Lichtquellenmodul angepasstes integriert-optisches Kopplermodul umfasst mehrere in einem Substrat (110) integrierte polarisationserhaltende 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133). Kopplermodul und Lichtquellenmodul sind in einem Triadensystem mit drei faseroptischen Kreiseln einsetzbar.

Description

Faseroptische Kreisel finden beispielsweise in Navigationssystemen Verwendung. Zur Messung von drei orthogonalen Rotationsachsen werden drei faseroptische Kreisel in einem so genannten Triadensystem angeordnet. In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 036 022.0 wird ein Transceivermodul mit integrierter Wellenlängenstabilisierung und Polarisator beschrieben. Allerdings ist dabei zu beachten, dass die Lichtquellen im Transceivermodul auf Peltiergekühlten Superlumineszenzdioden basieren, weshalb bei extremen äußeren Temperaturen von zum Beispiel –55°C und +85°C ein elektrischer Verlust von mindestens 3 Watt allein durch das Betreiben des Peltier-Kühlers auftritt. Bei Verwendung von drei Transceivern in dem Triadensystem werden somit 9 Watt elektrische Verlustleistung generiert. Im Allgemeinen ist eine solch hohe Verlustleistung in einem inertialen Messsystem nicht tolerabel.
Derzeit angebotene auf Faserkreiseln basierende inertiale Messsysteme und darauf aufbauende hochgenaue Navigationssysteme werden mit einer gekühlten Lichtquelle, einer SLD (Superlumineszenzdiode) oder einer Superfluoreszenzquelle mit gekühlter Laserpumpdiode betrieben.
In der 8 ist eine klassische Triadenanordnung 800 mit einer Lichtquelle 70 und drei Faserkreiseln 3 dargestellt. Die drei Faserkreisel 3 sind dabei so angeordnet (nicht dargestellt), dass ihre jeweiligen Wicklungsebenen senkrecht zueinander orientiert sind, damit Rotationen in drei Raumachsen detektiert werden können. Licht aus der Lichtquelle 70 wird über einen 1 × 3-Faser-Koppler 60 durch jeweils einen MIOC (integriert-optischer Chip) 5 in die Faserkreisel 3 geleitet. Aus den Faserkreiseln 3 zurückkommendes Licht wird über einen Lyot-Depolarisator 201 (als 45°-Spleiß ausgebildet) und einen 2 × 2 SM (Singlemode) Koppler 31 in jeweils einen Detektor 41 geleitet.
Nachteilig bei der beschriebenen Triadenstruktur ist die aufwändige Anordnung und bei Verwendung einer Lichtquelle mit einer emittierten mittleren Lichtwellenlänge von 830 nm (SLD) ergibt sich die Schwierigkeit ein polarisationserhaltendes oder polarisationsunabhängiges Design zu realisieren. Die oben beschriebene Triadenstruktur erfordert 13 Spleißverbindungen S1, ..., S13. Ein polarisationserhaltendes Design bei einer mittleren Wellenlänge von 830 nm ist aufgrund der Nichtverfügbarkeit von zuverlässigen, polarisationserhaltenden 1 × 3-Faser-Kupplern nicht möglich. Des Weiteren verhindern auch die hohen Kosten für polarisationserhaltende oder polarisierende Bauteile wie Kuppler und Lichtquelle einen Einsatz in der Triadenstruktur.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Lichtquellenmodul zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Aufbau von Anordnungen mit mehrstufigen faseroptischen Sensoren vereinfacht und Energie eingespart werden kann. Von der Aufgabe werden ein Kopplermodul, eine Triadenstruktur und ein Navigationssystem mit der Triadenstruktur umfasst.
Diese Aufgabe wird durch Angabe eines Lichtquellenmoduls gemäß Anspruch 1, eines Kopplermoduls gemäß Anspruch 12 und eines Triadensystems gemäß Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Ausgestaltung eines solchen Lichtquellenmoduls ermöglicht die Auskopplung von polarisiertem Licht in mehrere lichtleitende Fasern bei Verwendung nur eines thermoelektrischen Kühlers und ist beispielsweise in Triadensystemen mit drei faseroptischen Kreiseln anwendbar, das in einem Navigationssystem sinnvoll eingesetzt werden kann.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Beschreibung und der Verdeutlichung der der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien. Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen sind miteinander kombinierbar, sofern sie sich einander nicht ausschließen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Die 1 zeigt ein Lichtquellenmodul schematisch in der Draufsicht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die 2 zeigt das Lichtquellenmodul gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die 3 zeigt das Lichtquellenmodul gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Die 4 zeigt das Lichtquellenmodul gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Die 5 zeigt das Lichtquellenmodul gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Die 6 zeigt eine Triadenstruktur mit einem Kopplermodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 7 zeigt eine Triadenstruktur mit einem Kopplermodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die 8 zeigt die Triadenstruktur gemäß dem Stand der Technik.
In der 1 ist ein Lichtquellenmodul 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Lichtquellenmodul 10 umfasst lichtleitende Fasern 31, 32, 33 und ein Substrat 9 in oder auf dem optische oder optoelektronische Bauelemente integriert sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind in oder auf dem Substrat 9 eine Lichtquelle 11, die beispielsweise eine Superlumineszenzdiode (SLD) sein kann, ein Kollimator 12 zum Kollimieren von Licht aus der Lichtquelle 11, ein Polarisator 13 zum Polarisieren von kollimiertem Licht, ein erster und ein zweiter Strahlteiler 17, 18, eine erste, eine zweite, eine dritte Koppeloptik 21, 22, 23 zum jeweiligen Einkoppeln von polarisiertem Licht in eine erste, eine zweite, eine dritte polarisationserhaltende, lichtleitende Faser 31, 32, 33 integriert. Der erste Strahlteiler 17 teilt das polarisierte Licht auf die erste Koppeloptik 21 und den zweiten Strahlteiler 18 auf. Der zweite Strahlteiler 18 teilt das empfangene polarisierte Licht auf die zweite Koppeloptik 22 und die dritte Koppeloptik 23 auf. Die lichtleitenden Fasern 31, 32, 33 können polarisationserhaltende Fasern zum Auskoppeln von polarisiertem Licht aus dem Lichtquellenmodul 10 sein.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 sind die Lichtquelle 11, eine Lichtquellenüberwachungseinheit 14, beispielsweise zum Überwachen von Intensität und Lichtwellenlänge des emittierten Lichtes aus der Lichtquelle 11 und ein Temperatursensor 15 zum Erfassen von Temperaturschwankungen der genannten optischen und optoelektronischen Bauelemente auf einer Temperatursteuerungseinheit, beispielsweise einem thermoelektrischen Kühler (TEC) 16 angeordnet. Die Lichtquellenüberwachungseinheit 14 kann beispielsweise eine PIN-Fotodiode sein. Alle anderen aufgeführten Bauelemente des Lichtquellenmoduls 10 wie z. B. die zwei Strahlteiler 17, 18 sind dann nicht auf dem TEC, sondern in oder auf dem Substrat 9 integriert. Der TEC 16 kann beispielsweise als Peltier-Element ausgebildet und auf dem Substrat 9 befestigt sein. Der TEC 16 kann aber auch in dem Substrat 9 integriert sein oder das Substrat 9 teilweise ausbilden.
Gemäß anderen Ausführungsformen sind der TEC 16 und das Substrat 9 räumlich voneinander getrennt angeordnet und der TEC ist über ein Koppelelement wärmeleitend mit dem Substrat 9 bzw. der Lichtquelle 11 verbunden, wobei das Koppelelement und der TEC 16 thermisch mit dem Substrat 9 bzw. der Lichtquelle 11 koppeln. Die optischen und optoelektronischen Bauelemente können direkt auf dem Substrat 9 angeordnet oder ausgebildet sein. Der TEC 16 kann auch unterhalb des Substrats 9 angeordnet sein, sodass die Bauelemente einerseits und das TEC 16 andererseits aufeinander gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats 9 angeordnet sind.
Der in der 1 gezeigte TEC 16, der nur wenige Bauelemente aufnimmt, kommt durch eine, im Vergleich zu einem TEC, der alle Bauelemente aufnehmen kann, kleinere Kühl-Heizfläche mit einer verringerten elektrischen Verlustleistung aus. Die weiteren Bauelemente sind im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise in einem hermetisch dichten Gehäuse integriert. Diese im Gehäuse integrierten Bauelemente werden dann nicht gekühlt bzw. beheizt.
Der Polarisator 13, der gemäß der 1 im kollimierten Strahlengang angeordnet ist, kann auch anders, zum Beispiel direkt hinter der Lichtquelle 11 im nicht kollimierten Strahlengang vorgesehen sein. Möglich ist es auch, dass mehrere Polarisatoren, die jeweils vor einer Faserauskopplung angeordnet sind, verwendet werden. Kostengünstiger ist es jedoch nur einen Polarisator 13 einzusetzen.
Die 2 zeigt das Lichtquellenmodul 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Lichtquellenmodul 20 unterscheidet sich von dem Lichtquellenmodul 10 gemäß der 1 dahingehend, dass die Koppeloptiken 21, 22, 23 auf einer Seite des Lichtquellenmoduls 20 in einer Reihe angeordnet sind und ein Spiegel 8 in oder auf dem Substrat 9 integriert ist. Entsprechend der Anordnung der Koppeloptiken 21, 22, 23 sind die lichtleitenden Fasern 31, 32, 33 in einer Reihe angeordnet. Im Unterschied zu dem in der 1 gezeigten Lichtquellenmodul 10 teilt der zweite Strahlteiler 18 das polarisierte Licht auf die zweite Koppeloptik 22 und den Spiegel 8 auf. Der Spiegel 8 reflektiert das polarisierte Licht in die dritte Koppeloptik 23.
Die 3 zeigt das Lichtquellenmodul 30 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das Lichtquellenmodul 30 unterscheidet sich von dem Lichtquellenmodul 10 gemäß der 1 dahingehend, dass ein dritter Strahlteiler 19 und die Lichtquellenüberwachungseinheit 14 in dem Substrat 9 integriert sind. Der erste Strahlteiler 17 teilt das polarisierte Licht auf die Lichtquellenüberwachungseinheit 14 und den zweiten Strahlteiler 18 auf, der das Licht auf die erste Koppeloptik 21 und den dritten Strahlteiler 19 aufteilt. Der dritte Strahlteiler 19 teilt das empfangene, polarisierte Licht auf die zweite und dritte Koppeloptik 22, 23 auf.
In der 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel das Lichtquellenmodul 40 dargestellt. Das Lichtquellenmodul 40 unterscheidet sich von dem Lichtquellenmodul 30 gemäß der 3 dahingehend, dass die Koppeloptiken 21, 22, 23 und entsprechend die lichtleitenden Fasern 31, 32, 33 auf einer Seite des Substrats 9 in einer Reihe angeordnet sind. Des Weiteren ist der Spiegel 8 mit im Substrat 9 integriert. Genau wie im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 reflektiert der Spiegel 8 das vom dritten Strahlteiler 19 empfangene, polarisierte Licht in die dritte Koppeloptik 23. Die Koppeloptiken 21, 22, 23 koppeln dann das polarisierte Licht jeweils in die lichtleitenden Fasern 31, 32, 33, die gemäß den Ausführungsbeispielen der 2, 4 und 5 in eine Richtung weisen, ein.
Das in der 5 dargestellte Lichtquellenmodul 50 unterscheidet sich von dem in der 4 dargestellten Lichtquellenmodul in der Weise, dass alle optischen und optoelektronischen Bauelemente auf dem thermoelektrischen Kühler 16, der deswegen eine sehr viel größere Kühl-Heizfläche aufweist, angeordnet sind. Die Anordnung der Bauelemente entspricht der Anordnung gemäß der 4.
Die drei Strahlteiler 17, 18, 19 gemäß den 4 und 5 können mit folgenden Lichtaufteilungsverhältnissen vorgesehen sein. Der erste Strahlteiler 17 teilt das Licht für die Lichtquellenüberwachungseinheit 14 und die drei Faserausgänge der lichtleitenden Fasern 31, 32, 33 auf. Der erste Strahlteiler 17 kann beispielsweise ein Aufteilungsverhältnis von 5:95 oder 10:90 aufweisen. 5% oder 10% des Lichtes aus der Lichtquelle 11 werden zur Überwachung durch die Lichtquellenüberwachungseinheit 14 benutzt. Die anderen 95% oder 90% des Lichtes werden mit Hilfe des zweiten und dritten Strahlteilers 18, 19 und des Spiegels 8 auf die drei Faserausgänge der lichtleitenden Fasern 31, 32, 33 mit gleicher Lichtintensität aufgeteilt. Daraus ergeben sich für das Aufteilungsverhältnis des zweiten Strahlteilers 18 33:67 und des dritten Strahlteilers 19 50:50.
Bei der räumlichen Anordnung gemäß den Ausführungsbeispielen in den 1 und 3 kann auf den Spiegel 8 zum Auskoppeln von polarisiertem Licht in die Koppeloptik 23 verzichtet werden.
Gemäß den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Lichtquellenüberwachungseinheit 14 nicht in Vorwärtsrichtung auf der lichtemittierenden Seite der Lichtquelle 8 verwendet. Hier sind nur zwei Strahlteiler 17, 18 angeordnet, wobei der erste Strahlteiler ein Lichtaufteilungsverhältnis von 33:67 und der zweite Strahlteiler von 50:50 aufweisen kann.
Möglich ist es auch, das Lichtquellenmodul mit nur zwei lichtleitenden Fasern auszuführen. Die Anordnung eines solchen Lichtquellenmoduls würde sich dann ergeben, wenn man in den Lichtquellenmodulen 10, 20, 30, 40, 50 gemäß den 1 bis 5 einen Strahlteiler und eine lichtleitende Faser weglässt.
Die 6 zeigt ein Triadensystem mit faseroptischen Kreiseln 101 zur Messung einer Rotationsgeschwindigkeit bezüglich drei Rotationsachsen, als ein Beispiel für ein mehrstufiges Sensorsystem.
In dem Ausführungsbeispiel wird polarisiertes Licht aus dem Lichtquellenmodul 20, 40, 50, das gemäß den in den 2, 4 oder 5 dargestellten Ausführungsbeispielen vorgesehen sein kann, über ein Kopplermodul 100 in drei faseroptische Kreisel 101 geleitet und Licht aus den faseroptischen Kreiseln 101 über das Kopplermodul 100 an Detektoren 141, 142, 143 zurückgeleitet.
Das integriert-optische Kopplermodul 100 umfasst ein planares Substrat 110 mit polarisationserhaltenden lichtwellenleitenden Strukturen, die als drei in dem Substrat 110 integrierte polarisationserhaltende integriert-optische 2 × 1-Koppler 111, 112, 113 ausgebildet sind. Jeweils ein erster Arm der drei 2 × 1-Koppler 111, 112, 113 ist mit jeweils einer lichtleitenden Faser 31, 32, 33 des Lichtquellenmoduls 20, 40, 50 verbunden. Die Verbindung kann spleißlos sein, beispielsweise in dem jeweils eine der lichtleitenden Fasern 31, 32, 33 direkt an eine Lichteintrittsfläche des jeweils ersten Armes der 2 × 1-Koppler 111, 112, 113 angekoppelt ist. Möglich ist es auch die Verbindungen zwischen Kopplermodul 100 und Lichtquellenmodul 20, 40, 50 anders vorzusehen, beispielsweise als Spleißverbindungen.
Das Substrat 110, in dem die drei 2 × 1-Koppler 111, 112, 113 ausgebildet sind, kann ein isotropes Medium, beispielsweise Glas sein. Prinzipiell können polarisationserhaltende Koppler auch in polarisierenden Wellenleiterstrukturen wie in Protonen ausgetauschtem Lithiumniobat LiNbO₃ hergestellt werden. Allerdings haben solche Koppler zusätzliche optische Dämpfungsverluste von etwa 3 Dezibel. Bei Verwendung von isotropen Wellenleitern in zum Beispiel Glas können die Dämpfungsverluste auf unter 1 Dezibel über die Substratlänge reduziert werden. Die Dämpfungsverluste von Kopplern auf Basis isotroper Wellenleiter in Glas haben damit vergleichbare Dämpfungswerte wie polarisationserhaltende Schmelzkoppler in Fasertechnologie, allerdings mit dem Vorteil, drei integriert-optische Koppler, wie sie für die Triadenstruktur benutzt werden, auf einem Substrat 110 zu integrieren.
Die Lichteintrittsfläche eines jeweils dritten Arms der drei 2 × 1-Koppler 111, 112, 113 kann zur Ausbildung von Ein-Ausgängen zum Ein-Auskoppeln von polarisiertem Licht in das oder aus dem Kopplermodul mit jeweils einer lichtleitenden polarisationserhaltenden Faser 123 gekoppelt sein.
Diese jeweils lichtleitende polarisationserhaltende Faser 123 kann beispielsweise durch eine Spleißverbindung mit jeweils einem Sensor, zum Beispiel einem faseroptischen Kreisel lichtleitend verbunden sein. Die Ein-Ausgänge des Kopplermoduls können durch die lichtleitenden Fasern 123, 124 (Pigtail) ausgebildet sein. Bei dem polarisationserhaltenden planaren Kopplermodul 100, 200 gibt es zwei Polarisationskreuzkoppelstellen, den Fasereingang und den Faserausgang. Für die Performance eines Faserkreisels sollten möglichst wenige Lichtwege durch Polarisationskoppelstellen entstehen. Daher sollte die polarisationserhaltende Faser möglichst genau ausgerichtet werden. Die Genauigkeit der Ausrichtung und der Stress auf die in einer V-Nut verklebten Faserenden bestimmen die Extinktion. Im Glaswellenleiter kommt es zu keiner Umkopplung der Polarisation. Aufgrund einer sehr kleinen Anisotropie der Wellenleiter mit einer Restdoppelbrechung von Δn < 10^–6 (typisch 5·10^–7) bei einer Substratlänge von etwa 20 mm wirken diese Kreuzkoppelstellen quasi als eine, da die beiden Kreuzkoppelstellen nur eine Laufzeitverzögerung von 20 nm bewirken. Diese Verzögerung der Laufzeiten der beiden Polarisationsmoden ist nach einer Substratlänge von etwa 40 mm nicht nachweisbar. Bei der Verwendung eines 1 × 3-Faserkopplers und eines 2 × 2 polarisationserhaltenden Faserkopplers wie im Stand der Technik (s. 8), wurde es drei Kreuzkoppelstellen geben (beispielsweise S1, S2, S8 in 8) und damit eine größere Laufzeitverzögerung.
Demgegenüber ist die vorgeschlagene Lösung wegen der geringen Laufzeitverzögerung vorteilhaft.
In dem dargestellten Triadensystem wird Licht aus der jeweils lichtleitenden Faser 123 über jeweils eine Weiche 105 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und die beiden Teilstrahlen werden zueinander gegenläufig in jeweils eine der Faserspulen 101 der faseroptischen Kreisel eingekoppelt. Die jeweilige Weiche 105 kann ein Strahlteiler oder ein integriert-optischer Chip sein. Die Faserspule 101 ist ein zu einer Spule mit einer oder mehreren Windungen geformter Lichtleiter, beispielsweise eine gewickelte Spule aus einer optischen Faser.
Die Teilstrahlen werden so in die jeweilige Faserspule 101 eingekoppelt, dass sie die Windungen der Faserspule 101 in entgegengesetzte Richtungen durchlaufen. Ein erster Teilstrahl durchläuft die Faserspule 101 im Uhrzeigersinn, ein zweiter Teilstrahl entgegen dem Uhrzeigersinn. Wird die Anordnung in eine Rotation mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω um die Normale zur Windungsebene der Faserspule 101 gebracht, so verkürzt sich der Weg für den einen Teilstrahl, während er sich für den anderen entsprechend verlängert. Es ergeben sich für beide Teilstrahlen unterschiedliche Laufzeiten. Die daraus resultierenden Phasenverschiebung zwischen beiden Teilstrahlen wird nach dem Zusammenführen der Teilstrahlen als Interferenzmuster in einem jeder Faserspule 101 zugeordneten Detektor 141, 142, 143 der jeweils mit dem Kopplermodul 100, beispielsweise über eine Singlemode Faser 124 verbunden ist, registriert. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit, mit der der faseroptische Kreisel 101 rotiert. Aus dem Ausgangssignal des jeweiligen Detektors 141, 142, 143 wird in einer Auswerteeinheit die Winkelgeschwindigkeit des faseroptischen Kreisels 101 bezüglich einer jeweiligen Rotationsachse bestimmt.
Die Detektoren 141, 142, 143 sind gemäß 6 mit einem zweiten Arm der 2 × 1-Koppler 111, 112, 113 verbunden. Zur Ausbildung von drei weiteren Ein-Ausgängen des Kopplermoduls 100 kann an eine Lichteintrittsfläche des jeweils zweiten Arms der drei 2 × 1-Koppler 111, 112, 113 eine polarisationserhaltende oder eine Singlemode Faser 123, 124 angekoppelt sein. Die Verbindung zu den Detektoren 141, 142, 143 kann dann über eine Spleißverbindung zwischen zwei lichtleitenden Fasern hergestellt sein. Die Verbindung zwischen Kopplermodul 100 und Detektor 141, 142, 143 kann, muss aber nicht polarisationserhaltend sein.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Triadensystems 500. Es unterscheidet sich von dem in der 6 dargestellten Triadensystem 400 durch das Kopplermodul 200. Das Kopplermodul 200 unterscheidet sich von dem. Kopplermodul 100 durch die Ausführung der planaren integriert-optischen Koppler als drei integriert-optische 2 × 2-Koppler 131, 132, 133. Die Lichteintrittsflächen von jeweils einem vierten Arm der drei Koppler 131, 132, 133 können mit einer Singlemode lichtleitenden Faser 124 oder einer polarisationserhaltenden lichtleitenden Faser 123 gekoppelt sein. Die weiteren Ein-Ausgänge können beispielsweise mit Detektoren zur Überwachung des Systems verbunden sein.
Möglich ist es auch das Kopplermodul mit nur zwei integriert-optischen 2 × 1 oder 2 × 2 Kopplern vorzusehen.
Das polarisationserhaltende Triadensystem gemäß den 6 oder 7 mit nur sechs Spleißverbindung P1, ..., P6 bzw. neun Spleißverbindungen Q1, ..., Q9 ist im Vergleich zum Triadensystem gemäß der 8 einfach strukturiert. Das Lichtquellenmodul mit nur einer Lichtquelle, einem thermoelektrischen Kühler und drei Faserausgängen und das an das Lichtquellenmodul angepasste Kopplermodul. sparen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit drei Lichtquellen und drei thermoelektrischen Kühlern Energie.
Die vorgeschlagene Triadenstruktur, bzw. das Kopplermodul und das Lichtquellenmodul können auch für einen Wechselstrom(AC)-Stromsensor verwendet werden. Die Aufteilung auf drei Interferometer für die jeweilige Stromphase erfolgt über einen analogen Aufbau mit Lichtquellen- und Kopplermodul.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009036022 [0001]

Claims

Lichtquellenmodul umfassend: ein Substrat (9), eine in oder auf dem Substrat (9) integrierte Lichtquelle (11), und mindestens zwei polarisiertes Licht aus der Lichtquelle (11) ein- und auskoppelnde lichtleitende Fasern (31, 32, 33).
Lichtquellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenmodul (10, 20, 30, 40) eine erste, eine zweite, eine dritte lichtleitende Faser (31, 32, 33) umfasst und in oder auf dem Substrat (9) ein Polarisator (13) zum Polarisieren von Licht aus der Lichtquelle (11) und ein erster und ein zweiter Strahlteiler (17, 18) zum Aufteilen von polarisiertem Licht aus der Lichtquelle (11) auf die lichtleitenden Fasern (31, 32, 33) integriert sind.
Lichtquellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Substrat (9) ein Spiegel (8) integriert ist und der Spiegel (8), der erste und der zweite Strahlteiler (17, 18) in der Weise angeordnet sind, dass der erste Strahlteiler (17) polarisiertes Licht auf die erste lichtleitende Faser (31) und den zweiten Strahlteiler (18) und der zweite Strahlteiler (18) das polarisierte Licht auf die zweite lichtleitende Faser (32) und den Spiegel (8) aufteilt und der Spiegel (8) das polarisierte Licht auf die dritte lichtleitende Faser (33) lenkt.
Lichtquellenmodul nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Substrat (9) eine Lichtquellenüberwachungseinheit (14) zur Überwachung des von der Lichtquelle (11) emittierten Lichtes integriert ist und die Lichtquelle (11) zwischen der Lichtquellenüberwachungseinheit (14) und dem Polarisator (13) angeordnet ist.
Lichtquellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Substrat (9) eine Lichtquellenüberwachungseinheit (14) zur Überwachung des von der Lichtquelle (11) emittierten Lichtes und ein dritter Strahlteiler (19) integriert sind und die Strahlteiler (17, 18, 19) und die Lichtquellenüberwachungseinheit (14) so angeordnet sind, dass der erste Strahlteiler (17) polarisiertes Licht auf die Lichtquellenüberwachungseinheit (14) und den zweiten Strahlteiler (18) und der zweite Strahlteiler (18) polarisiertes Licht auf die erste lichtleitende Faser (31) und den dritten Strahlteiler (19) aufteilt, der polarisiertes Licht auf die zweite lichtleitende Faser (32) und die dritte lichtleitende Faser (33) aufteilt.
Lichtquellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Substrat (9) eine Lichtquellenüberwachungseinheit (14) zur Überwachung des von der Lichtquelle (11) emittierten Lichtes, ein dritter Strahlteiler (19) und ein Spiegel (8) integriert sind, wobei die Strahlteiler (17, 18, 19), der Spiegel (8) und die Lichtquellenüberwachungseinheit (14) so angeordnet sind, dass der erste Strahlteiler (17) polarisiertes Licht auf die Lichtquellenüberwachungseinheit (14) und den zweiten Strahlteiler (18) und der zweite Strahlteiler (18) polarisiertes Licht auf die erste lichtleitende Faser (31) und den dritten Strahlteiler (19) aufteilt, der polarisiertes Licht auf die zweite lichtleitende Faser (32) und den Spiegel (8) aufteilt, und der Spiegel (8) das polarisierte Licht auf die dritte lichtleitende Faser (33) reflektiert.
Lichtquellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11) eine Superlumineszensdiode ist.
Lichtquellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Substrat (9) ein Temperatursensor (15) zum Erfassen von Temperaturänderungen der in dem Substrat (9) integrierten-optischen oder optoelektronischen Bauelemente und eine Temperatursteuerungseinheit (16) zum Erhalten einer Betriebstemperatur der in dem Substrat (9) integrierten Bauelemente vorgesehen sind.
Lichtquellenmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursteuerungseinheit (16) ein in dem Substrat (9) integrierter oder das Substrat (9) teilweise ausbildender thermoelektrischer Kühler (16) ist.
Lichtquellenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (15) und einige oder alle der genannten optischen oder optoelektronischen Bauelemente auf dem thermoelektrischen Kühler (16) angeordnet sind.
Lichtquellenmodul nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11), der Temperatursensor (15) und die Lichtquellenüberwachungseinheit (14) auf dem thermoelektrischen Kühler (16) angeordnet sind.
Integriert-optisches Kopplermodul zum Empfangen und Weiterleiten von polarisiertem Licht aus dem Lichtquellenmodul gemäß Anspruch 1, umfassend: ein planares Substrat (110) mit polarisationserhaltenden Lichtwellen leitenden Strukturen, die als mindestens zwei in dem Substrat (110) integriert-optische 2 × 1 Koppler (111, 112, 113) oder als mindestens zwei in dem Substrat (110) integriert-optische 2 × 2 Koppler (131, 132, 133) ausgebildet sind, wobei jeweils ein erster Arm der 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133) lichtleitend mit dem Lichtquellenmodul verbunden ist.
Integriert-optisches Kopplermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass drei integriert-optische 2 × 1 Koppler (111, 112, 113) oder drei integriert-optische 2 × 2 Koppler (131, 132, 133) in dem Substrat (110) ausgebildet sind.
Integriert-optisches Kopplermodul nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung von Ein-Ausgängen zum Ein- und Auskoppeln von Licht in das oder aus dem Kopplermodul (100, 200) Lichteintrittsflächen von Armen der 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133) mit lichtleitenden Fasern (123, 124) gekoppelt sind.
Integriert-optisches Kopplermodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche des jeweils ersten Armes der drei 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133) mit jeweils einer Lichtaustrittsfläche der drei polarisationserhaltenden lichtleitenden Fasern (31, 32, 33) des Lichtquellenmoduls (20, 40, 50) gekoppelt ist.
Integriert-optisches Kopplermodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche eines jeweils dritten Armes der drei 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133) mit jeweils einer polarisationserhaltenden lichtleitenden Faser (123) gekoppelt ist.
Integriert-optisches Kopplermodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche eines jeweils zweiten Armes der drei 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133) und die Lichteintrittsfläche eines jeweils vierten Armes der drei 2 × 2 Koppler (131, 132, 133) mit jeweils einer polarisationserhaltenden lichtleitenden Faser (123) gekoppelt ist.
Integriert-optisches Kopplermodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche eines jeweils zweiten Armes der drei 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133) und die Lichteintrittsfläche eines jeweils vierten Armes der drei 2 × 2 Koppler (131, 132, 133) mit jeweils einer Singlemode lichtleitenden Faser (124) gekoppelt ist.
Integriert-optisches Kopplermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (110) in dem die 2 × 1 oder 2 × 2 Koppler (111, 112, 113, 131, 132, 133) ausgebildet sind, ein nahezu isotropes Medium ist.
Integriert-optisches Kopplermodul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Glas ist.
Triadensystem zur Messung von drei Rotationsachsen umfassend: drei faseroptische Kreisel (101) zum Erfassen einer Rotation bezüglich drei Rotationsachsen, drei Detektoren (141, 142, 143) zur Bestimmung einer Rotationsgeschwindigkeit bezüglich der drei Rotationsachsen, das polarisiertes Licht auskoppelnde Lichtquellenmodul (20, 40, 50) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 6 und das integriert-optische Kopplermodul (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei das integriert-optische Kopplermodul (100, 200) polarisiertes Licht in die faseroptischen Kreisel (101) und aus den faseroptischen Kreiseln (101) rücklaufendes Licht in die Detektoren (141, 142, 143) auskoppelt.