DE3626714A1

DE3626714A1 - OPTICAL MEASURING DEVICE IN WHICH THE SAGNAC EFFECT IS EVALUATED

Info

Publication number: DE3626714A1
Application number: DE19863626714
Authority: DE
Inventors: Emlyn Jones; James Wilson Parker
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: Safran Electronics and Defense Germany GmbH
Priority date: 1985-08-14
Filing date: 1986-08-07
Publication date: 1987-02-19
Also published as: JPS6239712A; FR2586293A1; JPH0781866B2; GB2179140B; GB2179140A

Description

Die Erfindung geht aus von einer optischen Meßeinrichtung, bei der der Sagnac-Effekt ausgewertet wird, insbesondere eine faseroptische Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung.The invention is based on an optical measuring device, in which the Sagnac effect is evaluated, in particular a fiber optic rotational speed measuring device.

Eine solche Meßeinrichtung ist bekannt. Bei einer faseroptischen Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung wird von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl abgegeben, dieser Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und die beiden Teilstrahlen durchlaufen eine spulenförmig angeordnete Lichtleitfaser gegensinnig. Nach dem Durchlaufen der Lichtleitfaser werden die beiden Teilstrahlen in dem Strahlteiler einander überlagert und der so erzeugte Lichtstrahl wird einem Fotodetektor zugeführt. In diesem wird aus der durch den Sagnac-Effekt bedingten Phasenverschiebung die Drehgeschwindigkeit ermittelt. Eine solche Meßeinrichtung ist bekannt aus "Sensitivity analysis of the Sagnac-effect optical-fibre ring interferometer" by Shih-Chun Lin und Thomas G. Giallorenzi in Applied Optics, Band 18 Nr. 6, 15. März 1979. Wenn die Ausgangssignale einander überlagert werden, dann entstehen ringförmige Muster. Bei einem stationären System entsteht ein feststehendes Muster, dessen Form von den Eigenschaften der Abbildungsoptik abhängt. Wenn sich die Meßeinrichtung um die Spulenachse dreht, dann ändert sich die Lage der Ringe und durch eine geeignete Auswertung kann die Drehgeschwindigkeit ermittelt werden.Such a measuring device is known. At a fiber optic rotational speed measuring device is from emitted a light beam from a light source, this Beam of light divided into two partial beams and the two Partial beams pass through a coil-like arrangement Optical fiber in opposite directions. After going through the Optical fibers are the two partial beams in the Beam splitter superimposed on each other and the so generated Light beam is fed to a photo detector. In this is caused by the Sagnac effect Phase shift determines the rotational speed. A such a measuring device is known from "Sensitivity analysis of the Sagnac-effect optical-fiber ring interferometer "by Shih-Chun Lin and Thomas G. Giallorenzi in Applied Optics, Vol. 18 No. 6, March 15, 1979. If the Output signals are superimposed on each other, then arise ring-shaped pattern. With a stationary system arises a fixed pattern, the shape of which Properties of the imaging optics depends. If the Measuring device rotates around the coil axis, then changes the position of the rings and a suitable evaluation the speed of rotation can be determined.

Abhängig von den physikalischen Eigenschaften des Systems (z. B. Betriebswellenlänge λ, Länge der Lichtleitfaser, usw.) und der Drehgeschwindigkeiten, die gemessen werden sollen, erhält man Systeme, bei denen die Auswertung von einem einzelnen Ring oder von mehreren Ringen ins Auge gefaßt werden kann.Depending on the physical properties of the system (e.g. operating wavelength λ , length of the optical fiber, etc.) and the rotational speeds to be measured, systems are obtained in which the evaluation of a single ring or of several rings is envisaged can be.

Eine mögliche Realisierung der Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung weist einen reziproken Aufbau auf. Eine solche Meßeinrichtung ist bekannt aus dem Artikel von R. Ulrich "Fibre optic rotation sensing with low drift", Optics Letters Nr. 5 (5), Mai 1980, Seiten 173-175. Ein Schlüsselbauelement des reziproken Aufbaus ist das Monomode-Filter (sowohl bezüglich des Raums als auch der Polarisation), welches den gemeinsamen Ein/Ausgangsanschluß des Sagnac-Interferometers darstellt und welches Phasenverschiebungen infolge von Veränderungen der Doppelbrechung in der Lichtleitfaser unterdrückt. Aus der Literatur (z. B. E. C. Kintner, "Polarisation control in optical-fibre gyroscope", Optics Letters 6 (3), März 1981, Seiten 154-156, ist zu entnehmen, daß für eine Lichtwelle mit einer großen Kohärenzlänge die Phasenverschiebung durch das Modenfilter nur schwach unterdrückt werden kann, so daß beispielsweise ein Filter mit einer Auslöschung von 80 dB die Phasenverschiebung nur um einen Faktor von 10⁴ reduziert.A possible implementation of the rotational speed measuring device has a reciprocal structure. Such a measuring device is known from the article by R. Ulrich "Fiber optic rotation sensing with low drift", Optics Letters No. 5 (5), May 1980, pages 173-175. A key component of the reciprocal structure is the single mode filter (both in terms of space and polarization), which is the common input / output port of the Sagnac interferometer and which suppresses phase shifts due to changes in birefringence in the optical fiber. From the literature (e.g. BEC Kintner, "Polarization control in optical-fiber gyroscope", Optics Letters 6 (3), March 1981, pages 154-156, it can be seen that for a light wave with a large coherence length, the phase shift by the Mode filter can only be suppressed weakly, so that, for example, a filter with an extinction of 80 dB only reduces the phase shift by a factor of 10 ⁴ .

In der deutschen Patentanmeldung P 32 39 068 ist ein Phasenmodulator beschrieben, (abgeleitet von der reziproken Minimalkonfiguration für ein Homodynfasergyroskop) bei dem zwei optische Phasenmodulatoren symmetrisch angeordnet sind in bezug auf die Lichtleitfaserspule. Dieser wirkt zusammen mit einer synchron geschalteten Lichtquelle. Dies ermöglicht sowohl eine Phasenmodulation als auch eine bestimmte Phasenverschiebung. Bei einer praktischen Realisierung der Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung wird eine Phasenregelschleife gebildet und das Interferometerausgangssignal wird auf einen bestimmten Wert geregelt. Die Drehgeschwindigkeit ist proportional zu dem Regelsignal.In German patent application P 32 39 068 there is a Phase modulator described, (derived from the reciprocal minimum configuration for one Homodyne fiber gyroscope) in which two optical Phase modulators are arranged symmetrically with respect to the optical fiber coil. This works together with one synchronously switched light source. This enables both a phase modulation as well as a certain one Phase shift. In a practical implementation of the Rotational speed measuring device becomes a Phase locked loop formed and that Interferometer output signal is set to a specific Value regulated. The speed of rotation is proportional to the control signal.

Eine Modifizierung dieses Systems ist in der englischen Patentanmeldung 83 01 654 beschrieben, bei dem man eine Verbesserung durch die Verwendung PZT-Phasenmodulatoren erhält. Um das gewünschte Wechselspannungssignal am Ausgang zu erhalten, wird das Ausgangssignal des Photodetektors abgetastet.A modification of this system is in the English Patent application 83 01 654 described, in which one Improvement through the use of PZT phase modulators receives. To get the desired AC signal on To get output, the output signal of the Photodetectors scanned.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer optischen Meßeinrichtung, bei der der Sagnac-Effekt ausgewertet wird, die Phasenverschiebungsunterdrückung zu verbessern.The object of the invention is in an optical Measuring device in which the Sagnac effect is evaluated will improve phase shift suppression.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt: The invention is illustrated by the drawings, for example explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Minimalkonfiguration für einen faseroptischen Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung mit reziprokem Aufbau wie von R. Ulrich in der zitierten Literaturquelle beschrieben, und Fig. 1 is a simplified block diagram of a minimal configuration for a fiber optic rotational speed measuring device with a reciprocal structure as described by R. Ulrich in the cited literature source, and

Fig. 2 bis 4 vereinfachte Blockschaltbilder für die Modifizierung gemäß der Erfindung. Fig. 2 to 4 are simplified block diagrams of the modification according to the invention.

In dem Blockschaltbild der Fig. 1 sind von der faseroptischen Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung mit reziprokem Aufbau die Lichtquelle S und ein Fotodetektor D, ein Polarisator und Monomode-Filter P, ein erster Strahlteiler BS 1 und ein zweiter Strahlteiler BS 2 und weiterhin der Sensorwellenleiter dargestellt. Der Sensorwellenleiter ist in Form einer spulenförmig angeordneten Lichtleitfaser F realisiert. Andere Bauelemente wie z. B. optische Modulatoren, Depolarisatoren und die elektronischen Bauelemente, die zur Auswertung benötigt werden, sind der Einfachheit halber wegen weggelassen.In the block diagram of FIG. 1, the light source S and a photodetector D , a polarizer and monomode filter P , a first beam splitter BS 1 and a second beam splitter BS 2 and also the sensor waveguide are shown by the fiber optic rotational speed measuring device with a reciprocal construction. The sensor waveguide is implemented in the form of an optical fiber F arranged in a coil. Other components such as B. optical modulators, depolarizers and the electronic components that are required for evaluation are omitted for the sake of simplicity.

Als Lichtquelle S kann ein Festkörperlaser oder ELED verwendet werden. Als Strahlteiler kann eine PIN-Diode oder eine Avalanche-Fotodiode verwendet werden. Die Strahlteiler BS 1 und BS 2 können Faserkoppler sein oder sie können auch in der Technik der integrierten Optik als Richtkoppler realisiert sein oder sie können auch in Form von y-förmigen Verbindungen realisiert sein. Der Polarisator und Monomode-Filter P kann in bekannter Weise ein einzelnes Bauelement sein, das als Faserpolarisator oder als Polarisator, realisiert in der Technik der integrierten Optik, verwendet werden kann. Diese Bauelemente sind doppelbrechend. A solid-state laser or ELED can be used as the light source S. A PIN diode or an avalanche photodiode can be used as the beam splitter. The beam splitters BS 1 and BS 2 can be fiber couplers or they can also be implemented in the technology of integrated optics as directional couplers or they can also be implemented in the form of y-shaped connections. The polarizer and monomode filter P can be a single component in a known manner, which can be used as a fiber polarizer or as a polarizer, implemented in the technology of integrated optics. These components are birefringent.

Bei der Erfindung wird eine genügend große Polarisationsdispersion erzeugt; sie ist so gewählt, daß sie die Kohärenzlänge der Lichtquelle um einen Betrag überschreitet, der groß genug ist, daß Paare von Wellen nicht mehr kohärent sind, welche sonst eine unerwünschte Phasenverschiebung in dem faseroptischen Drehgeschindigkeitsmesser, verursacht durch die Doppelbrechung in der Faser, erzeugen würde.In the invention is a sufficiently large Polarization dispersion generated; it is chosen so that the coherence length of the light source by an amount that is big enough that pairs of waves are no longer coherent, which would otherwise be undesirable Phase shift in the fiber optic Rotary speed meter caused by the Birefringence in the fiber.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Anordnung ist in der Fig. 2 dargestellt. In der Fig. 2 wie auch nachfolgend in den Fig. 3 und 4 weisen gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein doppelbrechender Monomode-Wellenleiter BSMG dem Polarisator P nachgeschaltet.A first embodiment of the new arrangement is shown in FIG. 2. In FIG. 2 and also subsequently in FIGS. 3 and 4, the same components have the same reference symbols as in FIG. 1. In the embodiment of FIG. 2 is a birefringent single-mode waveguide BSMG downstream of the polarizer P.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein doppelbrechender Monomode-Wellenleiter BSMG dem Polarisator P vorgeschaltet. Bei beiden Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und Fig. 3 kann der doppelbrechende Monomode-Wellenleiter ein Stück einer stark doppelbrechenden Lichtleitfaser oder ein Stück eines Wellenleiters, realisiert in der Technik der integrierten Optik, in einem doppelbrechenden Substrat wie z. B. Lithiumniobat sein.In the embodiment of FIG. 3 is a birefringent single-mode waveguide BSMG upstream of the polarizer P. In both embodiments according to FIGS. 2 and Fig. 3, the birefringent single-mode waveguide is a piece of a highly birefringent optical fiber, or a piece of a waveguide, realized in the art of integrated optics, a birefringent substrate such. B. Lithium niobate.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 weist ein doppelbrechender Polarisator BP eine genügend große Länge auf, so daß seine Polarisationsdispersion die Kohärenz der Lichtquelle übertrifft. Der doppelbrechende Polarisator BP ersetzt den Polarisator P bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Der doppelbrechende Polarisator BP kann ein Stück einer polarisierenden Faser oder eines Polarisators, realisiert in der Technik der integrierten Optik, sein.In the third exemplary embodiment according to FIG. 4, a birefringent polarizer BP has a length which is sufficiently large that its polarization dispersion exceeds the coherence of the light source. The birefringent polarizer BP replaces the polarizer P in the exemplary embodiment according to FIG. 1. The birefringent polarizer BP can be a piece of a polarizing fiber or a polarizer, implemented in the technology of integrated optics.

Nachfolgend erfolgt eine kurze Erklärung der Funktionsweise. Bei vielen praktischen Ausführungsbeispielen von faseroptischen Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtungen ist das Modenfilter eine polarisationserhaltende Faser oder ein Stück eines optischen Chips. In solchen Fällen ist das Filter doppelbrechend und es ist umgeben von doppelbrechenden Elementen. Deren Moden sind sehr ähnlich zu denen des Filters. Es wurde gezeigt, daß wenn die Dispersion in dem doppelbrechenden Bauelement die Kohärenzwelle der Lichtquelle überschreitet, die meisten der doppelbrechenden Phasenverschiebungsterme reduziert werden im Verhältnis zur Kohärenzfunktion der Lichtquelle. Die verbleibenden Terme werden stark unterdrückt durch das Modenfilter, so daß beispielsweise ein Filter mit einer 40 dB Auslöschung dieser Terme um einen Faktor 10⁴ reduziert. Für Zwecke der Erklärung wird angenommen, daß die Eigenmoden von Filter und doppelbrechendem Bauelement identisch sind. Die beiden polarisierten Moden werden mit x und y bezeichnet, wobei x der Mode ist, der von dem Modenfilter durchgelassen wird (oder Polarisator) und y ist die Bezeichnung für den gedämpften. Die Zeit für den Mode x zum Passieren des doppelbrechenden Bauelements ist τ _x; die für den Mode y ist τ _y. Somit sind nach dem Durchlaufen dieses Elements die x- bzw. y-Moden zeitlich getrennt durch einen Wert τ _x-τ _y. Betrachtet man nun das Licht, das nach dem Durchlaufen des Fasersendersensors F zu dem Filter in dem x-polarisierten Mode zurückkehrt. Wegen der Verkopplung zwischen den Moden in der Sensorspule F und dem Strahlteiler BS 2, haben sowohl der Lichtstrahl, der die Lichtleitfaser im Uhrzeigersinn (cw) und der Lichtstrahl, der Lichtleitfaser entgegen dem Uhrzeigersinn (ccw) durchläuft, zwei Komponenten. Eine der Komponenten machte ihren ersten Durchlauf durch das Modenfilter in der x-Polarisationsrichtung und die andere in der y-Polarisationsrichtung. Es gibt daher (vernachlässigt man Reflexionen und Rückstreuung) insgesamt vier Komponenten für den Lichtstrahl, der zu dem Modenfilter BS 2 mit x-Polarisation zurückkommt. Diese sind nachfolgend wie folgt gekennzeichnet: Below is a brief explanation of how it works. In many practical embodiments of fiber optic rotational speed measuring devices, the mode filter is a polarization-maintaining fiber or a piece of an optical chip. In such cases the filter is birefringent and is surrounded by birefringent elements. Their modes are very similar to those of the filter. It has been shown that when the dispersion in the birefringent device exceeds the coherence wave of the light source, most of the birefringent phase shift terms are reduced in proportion to the coherence function of the light source. The remaining terms are strongly suppressed by the mode filter, so that, for example, a filter with a 40 dB cancellation of these terms is reduced by a factor of 10 ⁴ . For purposes of explanation, it is assumed that the eigenmodes of the filter and the birefringent component are identical. The two polarized modes are denoted by x and y , where x is the mode that is passed through by the mode filter (or polarizer) and y is the name for the attenuated one. The time for mode x to pass the birefringent component is τ _x ; that for mode y is τ _y . Thus, after passing through this element, the x and y modes are separated in time by a value τ _x - τ _y . Now consider the light that returns to the filter in the x -polarized mode after passing through the fiber transmitter sensor F. Because of the coupling between the modes in the sensor coil F and the beam splitter BS 2 , both the light beam that passes through the optical fiber clockwise (cw) and the light beam that passes through the optical fiber counterclockwise (ccw) have two components. One of the components made its first pass through the mode filter in the x polarization direction and the other in the y polarization direction. There are therefore (neglecting reflections and backscattering) a total of four components for the light beam that comes back to the mode filter BS 2 with x polarization. These are identified as follows:

Betrachtet man nun das Ergebnis der Kombination dieser Komponenten. Die Interferenz der Strahlen 1 und 2 ergibt das gewünschte Ausgangssignal der Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtung und ist durch die Reziprozität frei von einer störenden Phasenverschiebung. Die Interferenz der Strahlen 2 und 3 sowie von 1 und 4 bilden zusammen den Anteil "erster Ordnung" wie er von R. I. Fredericks und R. Ulrich in ihrer Veröffentlichung "Phase error bounds of fibre gyro with imperfect polariser/depolariser", Electronics Letters 20 (8), 12. April 1984, Seiten 330 bis 332 beschrieben ist. Die Strahlen 1 und 2 sind jedoch auf die Strahlen 3 und 4 um einen Betrag τ _x-τ _y zeitlich verzögert und die Interferenzterme sind deshalb um γ(τ _x-τ _y) reduziert, wobei γ die Kohärenzfunktion der Lichtwelle ist. Die Strahlen 3 und 4 sind ein nichtreziprokes Paar, bei dem Kohärenz nicht beseitigt wurde; da sie jedoch beide durch das Modenfilter gedämpft wurden ist ihr Beitrag zu der Phasenverschiebung infolge der Doppelbrechung in zweiter Ordnung im Verhältnis der Amplitudenauslöschung.Now consider the result of the combination of these components. The interference of the beams 1 and 2 gives the desired output signal of the rotational speed measuring device and is free from an interfering phase shift due to the reciprocity. The interference of beams 2 and 3 and of 1 and 4 together form the "first order" component as described by RI Fredericks and R. Ulrich in their publication "Phase error bounds of fiber gyro with imperfect polarizer / depolarizer", Electronics Letters 20 ( 8), April 12, 1984, pages 330 to 332. However, rays 1 and 2 are delayed by an amount τ _x - τ _y on rays 3 and 4 and the interference terms are therefore reduced by γ ( τ _x - τ _y ), where γ is the coherence function of the light wave. Rays 3 and 4 are a non-reciprocal pair and coherence has not been eliminated; however, since they were both attenuated by the mode filter, their contribution to the second order phase shift due to birefringence is in the ratio of the amplitude cancellation.

Ähnliche Schlüsse kann man ziehen für die Lichtstrahlen, die in y-Polarisationsrichtung zurückgekommen sind, mit der Ausnahme, daß diese alle zumindest einmal durch das Modenfilter gedämpft wurden und somit Beiträge zweiter Ordnung oder kleiner bringen in bezug zu der Phasenverschiebung infolge der Doppelbrechung. Somit sind alle Beiträge zur Doppelbrechungsphasenverschiebung zumindest von zweiter Ordnung bei der Modenfilterauslöschung oder aber sie sind unterdrückt durch die Kohärenzfunktion.Similar conclusions can be drawn for the light rays which have returned in the y polarization direction, with the exception that they have all been attenuated at least once by the mode filter and thus bring second-order or smaller contributions with respect to the phase shift due to the birefringence. Thus, all contributions to the birefringence phase shift are at least of second order in mode filter cancellation or else they are suppressed by the coherence function.

Die hier vereinfacht dargestellte Erklärung kann bestätigt werden durch eine formale mathematische Analyse, bei der nicht davon ausgegangen wird, daß die Eigenmoden von Filter und Doppelbrechungselement identisch sind.The explanation shown in simplified form can be confirmed are through a formal mathematical analysis in which it is not assumed that the eigenmodes of Filter and birefringence element are identical.

Diese Lehre ist nicht nur bei Drehgeschwindigkeitsmeßeinrichtungen anwendbar sondern auch bei anderen Meßeinrichtungen, bei denen der Sagnac-Effekt ausgewertet wird.This teaching is not just about Rotational speed measuring devices applicable but also with other measuring devices in which the Sagnac effect is evaluated.

Claims

1. Optical measuring device in which the Sagnac effect is evaluated, in particular fiber optic rotational speed measuring device, with a light source ( S ), with an optical waveguide ( F ) serving as a sensor, with a receiving and evaluating device ( D ), in which from the the signals supplied by the sensor waveguide, the Sagnac effect is evaluated, with a single-mode filter , which is passed through by the light signals both before and after passing through the sensor waveguide , and with a dispersion element ( BSMG ), which serves to reduce unwanted signals caused by the interference between transmit and receive signals are caused.

2. Measuring device according to claim 1, characterized characterized in that the dispersion element is birefringent and the polarization dispersion with the coherence length the light source is comparable or larger than this.

3. Measuring device according to claim 2, characterized in that the dispersion element ( BSMG ) between the mode filter ( P ) and the sensor waveguide ( F ) is arranged.

4. Measuring device according to claim 2, characterized in that the dispersion element ( BSMG ) between the one hand the mode filter ( P ) and on the other hand the light source ( S ) and the receiving and evaluating device ( D ) is arranged.

5. Measuring device according to claim 2, characterized in that the mode filter ( BP ) is designed so that it also contains the dispersion element.

6. Measuring device according to one of the preceding Claims, characterized in that the Dispersion element a birefringent Is single mode waveguide or contains one.