DE3527274A1 - Passives duennfilm-ringresonator-lasergyroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasergyroskop, insbeson­ dere ein solches Lasergyroskop, bei dem die Dünnfilm­ technologie angewendet ist und bei dem im Resonator nicht gleichzeitig im Uhrzeigersinn und im Gegenuhr­ zeigersinn laufende Strahlen existieren.

Lasergyroskope werden durch Ausbreitung von im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn laufende Lichtstrahlen in einem Resonator betrieben. Wenn der Resonator eine Winkelgeschwindigkeit in der Resona­ torebene besitzt, ist die auftretende Weglänge für einen der Strahlen länger als für den in Gegenrichtung laufen­ den Strahl. Deshalb sind die Resonanzbedingungen für die zwei Strahlen nicht mehr dieselben. Um beide Strah­ len wieder in Resonanz zu bringen, muß eine Vorspan­ nung zur Kompensation der auftretenden Änderung der Weglänge sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegen­ uhrzeigersinn erzeugt werden.

Wenn sowohl der Strahl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn gleichzeitig im Resonator existiert, können sich verschiedene nachteilige Zusammenwir­ kungen ergeben, wie Schwebungen, Rückstreuung und Rückkopplung in den Laser. Diese Interaktionen verrin­ gern die Leistungsfähigkeit eines solchen Lasergyro­ skops.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein passives Ringresonator-Lasergyroskop zu ermöglichen, das im wesentlichen lnteraktionswirkungen, wie Schwebun­ gen, Rückstreuungen und Rückkopplung in den Laser vermeidet, wobei durch Anwendung der Dünnfilmtech­ nologie ein sehr kompaktes zuverlässiges und leicht her­ zustellendes Gyroskop ermöglicht werden soll.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels ei­ nes Lasergyroskops gelöst, das einen Festkörperlaser und einen passiven Dünnfilm-Resonator aufweist. Ein Dünnfilm-Zuführungsschleifenwellenleiter wird flüchtig mit dem Resonator gekoppelt, um Licht vom Laser in den Resonator einzuspeisen.

Ein elektrooptischer Schalter in Dünnfilmausführung injiziert abwechselnd einen Lichtstrahl vom Laser im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in die Zufüh­ rungsschleife. Weiterhin ist ein elektrooptischer Dünn­ filmmodulator vorgesehen, der die Phase des Lichts vom Laser moduliert, so daß die Strahlen im Uhrzeiger­ sinn und im Gegenuhrzeigersinn unabhängig voneinan­ der in Resonanz bleiben.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der elektrooptische Modulator zwischen dem Laser und dem elektrooptischen Schalter vorgesehen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der elektrooptische Modulator im passiven Ringresonator selbst vorgese­ hen. In diesen Ausführungsbeispielen enthält der elek­ trooptische Modulator einen Kanalwellenleiter, der auf einem elektrisch-aktiven Material aufgebracht und von Elektroden zur Modulation der Phase des Lichts vom Laser flankiert wird. Der elektrooptische Schalter kann auch einen Kanalwellenleiter enthalten, der auf elek­ trisch-aktivem Material aufgebracht und von Elektro­ den flankiert ist, die zum Schalten des Laserlichts einge­ richtet sind, so daß abwechselnd Strahlen im Uhrzeiger­ sinn und im Gegenuhrzeigersinn in den Zuführungskreis injiziert werden. Das bevorzugte elektrisch-aktive Ma­ terial ist titandiffundiertes LiNbO₃. Der bevorzugte Festkörperlaser ist ein Gallium-Aluminium-Arsenid-La­ ser. Der passive Ringresonator ist bevorzugt ein verlust­ armer elektrooptischer Wellenleiter aus Zinkoxid, der auf einem Substrat aus Glas, thermisch oxidiertem Sili­ cium oder Quarz aufgebracht ist. Ebenso kann dotiertes Plexiglas auf einem Quarzsubstrat verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeich­ nung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Lasergyro­ skops, bei dem sich der elektrooptische Modulator zwi­ schen dem Laser und dem elektrooptischen Schalter 2 befindet;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der verschiedenen Zustände des elektrooptischen Modulators und des elektrooptischen Schalters;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Lasergy­ roskops, bei dem sich der elektrooptische Modulator im Resonator selbst befindet;

Fig. 4 graphisch die Zustände des elektrooptischen Modulators und des elektrooptischen Schalters im Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 3;

Fig. 5 perspektivisch das Dünnfilm-Lasergyroskop gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lasergyroskops.

Fig. 1 zeigt, daß ein Lasergyroskop 10 einen Festkör­ per-Halbleiterlaser 12 aus Gallium-Aluminium-Arsenid enthält, der monochromatisches Licht erzeugt. Vom La­ ser 12 erzeugtes Licht geht durch einen elektroopti­ schen Dünnfilmmodulator 14, der den Lichtstrahl durch eine lineare Änderung der Phase mit der Zeit frequenz­ mäßig verschiebt. Der modulierte Lichtstrahl geht dann in einen elektrooptischen Dünnfilmschalter 16. Der elektrooptische Schalter 16 lenkt den Strahl abwech­ selnd in einen oberen Zweig 18 und einen unteren Zweig 20 einer Zuführungsschleife 22. Die Zuführungsschleife 22 ist in der Nähe eines passiven Ringresonators 24 angebracht, so daß die Zuführungsschleife 22 flüchtig mit dem passiven Ring gekoppelt ist. Eine Ausgangs­ schleife 26 ist ebenfalls flüchtig mit dem passiven Ring­ resonator 24 gekoppelt. Die Ausgangsschleife 26 ist mit (nicht gezeigten) Detektoren verbunden, die auf die Fre­ quenzen der rechts herum und links herum laufenden Strahlen ansprechen. Wenn das Lasergyroskop 10 eine Winkelgeschwindigkeit hat, tritt im Resonator 24 für den einen Strahl eine größere Weglänge als für den anderen gegenläufigen Strahl auf. Um jeden der Strah­ len unabhängig voneinander resonieren zu lassen, müs­ sen die Frequenzen des rechts herum und links herum laufenden Strahls um einen gleichen, jedoch entgegen­ gesetzten Betrag verschoben werden, um die Resonanz­ bedingung aufrechtzuerhalten. Die zur Erhaltung der Resonanz nötige Frequenzverschiebung ist proportio­ nal der Rotationsgeschwindigkeit.

Fig. 2 stellt die Signalformen der zur Erhaltung der Resonanzbedingung nötigen Phasenverschiebung dar. Die obere Kurve in Fig. 2 stellt das Spannungssignal, das am elektrooptischen Modulator 14 liegt, dar. Hier muß bemerkt werden, daß der elektrooptische Modula­ tor 14 mit dem elektrooptischen Schalter 16 synchroni­ siert ist, so daß die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhr­ zeigersinn laufenden Strahlen im Resonator 24 nicht gemeinsam im Resonator 24 existieren. Im einzelnen wird bei t = 0 der im Uhrzeigersinn laufende Strahl in den Resonator 24 eingestrahlt und der elektrooptische Modulator 14 erzeugt eine Frequenzverschiebung von + D F X D F ist die Frequenzverschiebung, die nötig ist, die Resonanzbedingung zu erhalten. Zum Zeitpunkt t = τ wird der im Gegenuhrzeigersinn laufende Strahl in den Resonator 24 eingestrahlt und gleichzeitig verschiebt der elektrooptische Modulator seine Frequenz um - ΔF (Fig. 2). Nach einem weiteren Zeitintervall wird der im Uhrzeigersinn laufende Strahl erneut eingestrahlt und der elektrooptische Modulator 14 geeignet geschal­ tet. Dieser Wechsel wird kontinuierlich wiederholt. Fig. 2 zeigt im unteren Teil, daß die nicht gezeigten Frequenzdetektoren mit Ausnahme einer kleinen Zeit­ dauer um die Schaltzeit herum, um Schaltübergange zu vermeiden, offengehalten werden. Im Betrieb erfassen die (nicht gezeigten) Frequenzdetektoren, die am Aus­ gangskreis 26 angeschlossen sind, wenn das Lasergyro­ skop 10 rotiert, Frequenzverschiebungen von der Reso­ nanzfrequenz weg. Diese Verschiebungen werden dann als Eingänge für den elektrooptischen Modulator 14 verwendet, um die geeignete Frequenzverschiebung zur Erhaltung der Resonanzfrequenz sowohl durch im Uhr­ zeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn gelaufenen Strahls verwendet. Wie bereits oben beschrieben, ist die Frequenzverschiebung der Winkelgeschwindigkeit des Gyroskops 10 proportional und ist die zu erfassende Größe. Wie Fig. 2 zeigt, wird abwechselnd der im Uhr­ zeigersinn laufende und der im Gegenuhrzeigersinn lau­ fende Strahl eingestrahlt, so daß die gegenläufigen Strahlen zeitlich voneinander isoliert sind. Diese zeitli­ che Isolation verhindert nachteilige Interaktionswirkun­ gen, wie Schwebungen, Rückstreu- und Rückkoppelef­ fekte in den Laser 12.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung. Darin ist der elektrooptische Modulator 14 ein Phasenmodulator und innerhalb des passiven Ringreso­ nator-Wellenleiters 24 selbst angebracht, anstatt zwi­ schen dem Laser 12 und dem elektroptischen Schalter 16, wie im Fall des Ausführungsbeispiels von Fig. 1. Fig. 4 zeigt die verschiedenen Signalformen, die geeig­ net im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 auftreten. Wie zuvor, werden abwechselnd Strahlen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn synchron mit dem elektro­ optischen Modulator eingestrahlt. In diesem Fall sind jedoch die am Modulator 14 anliegenden Spannungssi­ gnale Konstanten, als sich linear mit der Zeit zu ändern, wie Fig. 2 zeigt. Auf diese Weise wird der Modulator 14 die auftretende Weglänge des Resonator 24 ändern, um die Resonanz zu erhalten. Genau wie zuvor, werden die (nicht gezeigten) Frequenzdetektoren mit Ausnahme kurzer Zeitintervalle um die Schaltzeiten herum zur Vermeidung von Schaltübergängen offengehalten.

Fig. 5 zeigt eine physikalische Implementierung des Lasergyroskops 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1. Das Lasergyroskop 10 wird auf einem Sub­ strat 30, das vorzugsweise Quarz ist, erzeugt. Der Galli­ um-Aluminium-Arsenid-Halbleiterlaser wird an einen Kanalwellenleiter 32 auf einem elektrisch-aktiven Ma­ terial, wie titandiffundiertem Lithiumniobat, gekoppelt. Ein Elektrodenpaar 34 flankiert den Kanalwellenleiter 32. Die Phase im Wellenleiter 32 wird durch ein elektri­ sches Feld in der Region des Wellenleiters gesteuert, das durch Änderung der Spannung zwischen den Elek­ troden 34 erzeugt wird. Der Wellenleiter 32 geht dann durch einen zweiten Satz von Elektroden 36, die eben­ falls solche elektrooptischen Eigenschaften haben, daß der Strahl in den oberen Zweig 18 oder den unteren Zweig 20 (Fig. 1) der Zuführungsschleife 22, abhängig von der Spannung zwischen den Elektroden 36, verteilt werden kann. Das in der Zuführungsschleife 22 wan­ dernde Licht wird flüchtig in den passiven Ringresona­ tor 24 gekoppelt. Der Wellenleiterresonator 24 wird vorzugsweise aus einem dotierten Plexiglas hergestellt.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Ein La­ sergyroskop 60 enthält ein Siliciumdioxidsubstrat 62, auf dem die anderen Komponenten mittels der Dünnfilm­ technologie aufgebracht sind. Die verschiedenen Wel­ lenleiter auf dem Substrat 62 sind vorzugsweise aus ei­ nem verlustarmen elektrooptischen Material, wie Zink­ oxid, hergestellt. Im einzelnen ist ein Resonator 64 auf dem Substrat 62 aufgebracht. Ein Ausgangswellenleiter­ kreis 66 ist flüchtig mit dem Resonatorkreis 64 gekop­ pelt. Innerhalb des Resonatorkreises 64 befindet sich auch eine Zuführungsschleife 68. Wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel von Fig. 5 wird ein von einem Laser 70 erzeugter Strahl entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, abhängig vom Zustand eines Schalters 72, in die Zuführungsschleife 68 eingespeist. Ein elektrooptischer Modulator 74 ist innerhalb der Zu­ führungsschleife angeordnet. Alternativ kann der Mo­ dulator im Resonatorkreis 64 selbst angeordnet sein. Da die Empfindlichkeit eines Lasergyroskops, wie das in Fig. 6 mit 60 bezeichnete, mit dem Umfang des Resona­ torkreises wächst, gestattet dieses Ausführungsbeispiel einen großen Umfang in einem verhältnismäßig kleinen Paket, da die anderen Komponenten innerhalb der Re­ sonatorschleife 64 liegen.

Somit ist zu sehen, daß die der Erfindung zugrundelie­ gende Aufgabe bei dem offenbarten Lasergyroskop, das Rotation erfassen kann und mittels Dünnfilmtechnolo­ gie implementiert ist, gelöst ist. Dieses Gyroskop ist somit sehr kompakt und leicht herzustellen. Außerdem werden die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeiger­ sinn mittels des elektrooptischen Schalters zerteilten Strahlen in den Resonator in abwechselnder Weise ein­ geführt, so daß die Strahlen nicht gleichzeitig vorliegen. Diese zeitliche Isolation der Strahlen verhindert somit nachteilige Beeinflussungen der Strahlen untereinander, die in herkömmlichen Lasergyroskops auftreten. Die Dünnfilmausführung ergibt auch eine hohe Zuverlässig­ keit.

Claims (11)

1. Dünnfilmlasergyroskop, gekennzeichnet durch
einen Festkörperlaser (12; 70),
einen passiven Dünnfilm-Ringresonator (24; 64),
einen Dünnfilm-Zuführungskreis-Wellenleiter (22; 68), der flüchtig mit dem Resonator gekoppelt ist und Licht vom Laser in den Resonator einspeist,
einen elektrooptischen Dünnfilmschalter (16; 36; 72), der abwechselnd in den Zuführungskreis Licht­ strahlen vom Laser im Uhrzeigersinn und im Ge­ genuhrzeigersinn injiziert, und
einen elektrooptischen Dünnfilm-Modulator (14; 34; 74), der die Phase des Lichts vom Laser modu­ liert, damit jeweils die Resonanzbedingungen der im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ein­ gestrahlten Lichtstrahlen unabhängig voneinander erhalten bleiben.

2. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Modulator (14) innerhalb des passiven Ringresona­ tors (24) vorgesehen ist (Fig. 3).

3. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Modulator (14) zwischen dem Laser (12) und dem elektrooptischen Schalter (16) vorgesehen ist (Fig. 1).

4. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Modulator einen Kanalwellenleiter aus einem elek­ trooptischen Material mit Elektroden (34) zur Mo­ dulation der Phase des vom Laser erzeugten Lichts aufweist.

5. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Schalter einen Kanalwellenleiter aufweist, der auf elektrisch-aktivem Material aufgebracht ist und von Elektroden flankiert wird, um vom Laser ein­ gestrahltes Licht abwechselnd im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn in den Zuführungs­ kreis zu injizieren.

6. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das elektrisch-aktive Material titandiffundiertes LiNbO₃ ist.

7. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das elektrisch-aktive Material titandiffundiertes LiNbO₃ ist.

8. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laser ein GaAlAs- Laser ist.

9. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der passive Ringresona­ tor aus dotiertem Plexiglas, das auf einem Quarz­ substrat aufgebracht ist, besteht.

10. Dünnfilmlasergyroskop nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Ma­ terial Zinkoxid ist.

11. Dünnfilmlasergyroskop, gekennzeichnet durch einen Festkörper-Gallium-Aluminium-Arsenid-La­ ser,
einen passiven Dünnfilmringresonator,
einen Zuführungskreis aus einem Dünnfilmwellen­ leiter, der flüchtig mit dem Resonator gekoppelt ist und Licht vom Laser in den Resonator einstrahlt,
einen elektrooptischen Dünnfilmschalter, der ab­ wechselnd einen Lichtstrahl vom Laser im Uhrzei­ gersinn und im Gegenuhrzeigersinn in den Zufüh­ rungskreis injiziert und einen Kanalwellenleiter aufweist, der auf einem elektrisch-aktiven Material aufgebracht ist und von Elektroden flankiert wird, die vom Laser erzeugtes Licht schalten, und
einen elektrooptischen Dünnfilmmodulator, der die Phase des vom Laser erzeugten Lichts moduliert, um die Resonanzbedingungen der im Uhrzeiger­ sinn und im Gegenuhrzeigersinn laufenden Strah­ len unabhängig voneinander zu erhalten und einen Kanalwellenleiter, der auf einem elektrisch-aktiven Material aufgebracht und von Elektroden zur Mo­ dulation der Phase des Lichts vom Laser flankiert ist, aufweist.