DE3786622T2

DE3786622T2 - Optischer Kreisel mit Doppelfiber.

Info

Publication number: DE3786622T2
Application number: DE87308042T
Authority: DE
Inventors: George A Pavlath
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2007-09-12
Also published as: EP0260885A2; EP0260885A3; DE3786622D1; JPS6385313A; CA1319542C; EP0260885B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Drehsensoren und im speziellen auf faseroptische Drehsensoren. Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf faseroptische Drehsensoren, welche eine Polarisation aufrechterhaltende optische Fasern umfassen.
Ein faseroptischer Ring-Interferometer umfaßt typischerweise eine Schleifen eines faseroptischen Materiales, welche gegenläufig sich ausbreitende Lichtwellen führt. Nach Durchlaufen der Schleife werden die gegenläufig sich ausbreitenden Wellen kombiniert, so daß sie konstruktiv oder destruktiv interferieren, um ein optisches Ausgangssignal zu bilden. Die Intensität des optischen Ausgangssignales verändert sich als Funktion der Interferenz, welche abhängig ist von der relativen Phase der sich gegenläufig ausbreitenden Wellen.
Faseroptische Ring-Interferometer haben sich als besonders nützlich zur Messung einer Drehung erwiesen. Die Drehung der Schleife erzeugt eine relative Phasendifferenz zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Wellen in Abhängigkeit von dem wohl bekannten Sagnac-Effekt. Der Betrag der Phasendifferenz ist eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Schleife. Das optische Ausgangssignal, welches durch die Interferenz der sich gegenläufig ausbreitenden Wellen erzeugt wird, verändert sich in der Intensität als Funktion der Drehrate der Schleife. Eine Drehermittlung wird durch Ermittlung des optischen Ausgangssignales und durch dessen Verarbeitung zur Bestimmung der Drehrate durchgeführt.
Um für Trägheits-Navigationsanwendungen verwendbar zu sein, muß ein Drehsensor einen sehr großen dynamischen Bereich aufweisen. Der Drehsensor muß in der Lage sein, Drehraten so niedrig wie 0,01 Grad pro Stunde und hoch wie 1000 Grad pro Sekunde zu ermitteln. Das Verhältnis der zu messenden oberen Grenze zur unteren Grenze ist annähernd 10&sup9;.
Einige Vertrautheit mit polarisiertem Licht und der Ausbreitung von Licht in einer optischen Faser wird das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern. Deshalb wird eine kurze Beschreibung des Konzepts vorgenommen, welches zur Beschreibung der Ausbreitung und der Polarisation einer Lichtwelle in einer Faser verwendet wird.
Eine optische Faser umfaßt einen zentrischen Kern und eine umgebende Hülle. Der Brechungsindex der Hülle ist größer als der des Kerns. Der Durchmesser des Kerns ist so gering, daß Licht, welches auf die Kern-Hüllen-Zwischenfläche fällt, durch innere Reflektionen in dem Kern verbleibt.
Es ist bekannt, daß eine Lichtwelle durch ein zeitveränderliches elektromagnetisches Feld wiedergegeben werden kann, welches orthogonale elektrische und magnetische Feldvektoren umfaßt, die eine Frequenz gleich der Frequenz der Lichtwelle haben. Eine elektromagnetische Welle, welche sich durch eine Führungsstruktur ausbreitet, kann durch eine Anordnung von Eigenschwingungszuständen beschrieben werden. Die Eigenschwingungen sind die zulässigen Verteilungen des elektrischen und des magnetischen Felds in der Führungsstruktur, zum Beispiel einer faseroptischen Wellenführung. Die Feldverteilungen sind direkt bezogen auf die Verteilung der Energie innerhalb der Struktur. Die Eigenschwingungen werden im allgemeinen wiedergegeben durch mathematische Funktionen, welche die Feldkomponenten in der Welle im Hinblick auf die Frequenz und räumliche Verteilungen in der Führungsstruktur beschreiben. Die speziellen Funktionen, welche die Eigenschwingungen einer Wellenführung beschreiben, hängen von der Geometrie der Wellenführung oder dem Wellenleiter ab. Für eine optische Faser, bei welcher der Wellenleiter auf eine Struktur begrenzt ist, welche einen kreisförmigen Querschnitt fester Abmessungen aufweist, werden sich nur Felder ohne starke Dämpfung ausbreiten, welche bestimmte Frequenzen und räumliche Verteilungen haben. Die Wellen, welche Feldkomponenten aufweisen, welche sich mit niedriger Dämpfung ausbreiten, werden Eigenschwingungen genannt. Eine Eigenschwingungsfaser wird für ein Signal einer vorgegebenen Frequenz nur eine räumlich Energieverteilung, d. h. eine Eigenschwingung ausbreiten.
Zur Beschreibung der Eigenschwingungen ist es günstig, auf die Richtung des elektrischen und des magnetischen Feldes relativ zur Richtung der Ausbreitung der Welle bezugzunehmen. Wenn nur der elektrische Feldvektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, welche üblicherweise die optische Achse genannt wird, ist, ist die Welle ein transverser elektrischer Wellentyp (TE). Wenn nur der magnetische Feldvektor senkrecht zur optischen Achse ist, ist die Welle ein transverser magnetischer Wellentyp (TM). Wenn sowohl der elektrische als auch der magnetische Feldvektor senkrecht zu der optischen Achse sind, ist die Welle ein transverser elektromagnetischer Wellentyp (TEM).
Keine der Eigenschwingungen erfordert eine definierte Richtung der Feldkomponenten; und in einem TE-Wellentyp kann beispielsweise das elektrische Feld in jeder Richtung, welche senkrecht zur optischen Achse ist, liegen. Die Richtung des elektrischen Feldvektors in einer elektromagnetischen Welle ist die Polarisation der Welle. Im allgemeinen wird eine Welle eine willkürliche Polarisation haben, in welcher eine gleichförmige Verteilung von elektrischen Feldvektoren vorliegt, welche in alle Richtungen zeigen, welche für einen vorgegebenen Wellentyp zulässig sind. Wenn alle elektrischen Feldvektoren in einer Welle nur in eine spezielle Richtung zeigen, ist die Welle linear polarisiert. Wenn das elektrische Feld aus zwei orthogonalen elektrischen Feldkomponenten gleicher Phasengröße besteht, welche um 90 Grad zueinander verschoben sind, ist das elektrische Feld zirkular polarisiert, da das sich netto ergebende elektrische Feld ein Vektor ist, welcher um die Ausbreitungsrichtung mit einer Winkelgeschwindigkeit rotiert, welche gleich der Frequenz der Welle ist. Wenn die beiden linearen Polarisierungen ungleich oder in einer Phase anders als 90 Grad zueinander sind, weist die Welle eine elliptische Polarisation auf. Im allgemeinen kann jede willkürliche Polarisation durch die Summe zweier orthogonal linearer Polarisationen, zweier entgegengesetzt gerichteter zirkularer Polarisationen oder zweier gegendrehender elliptischer Polarisationen, welche orthogonale Hauptachsen aufweisen, wiedergegeben werden.
Die Grenze zwischen dem Kern und der Hülle ist eine dielektrische Übergangsfläche, bei welcher bestimmte gut bekannte Grenzbedingungen an den Feldkomponenten erfüllt werden müssen. Beispielsweise muß die Komponente des elektrischen Feldes parallel zu der Übergangsfläche stetig sein. Eine optische Faser eines einzelnen Wellentypes breitet elektromagnetische Energie aus, welche eine elektrische Feldkomponente aufweist, welche senkrecht zu der Übergangsfläche zwischen dem Kern und der Hülle ist. Da der Faserkern einen Brechungsindex hat, welcher größer ist als der der Hülle und das Licht auf die Übergangsfläche in Winkeln auftrifft, welche größer oder gleich dem kritischen Winkel sind, verbleibt im wesentlichen das gesamte elektrische Feld durch interne Reflexion an der Übergangsfläche in dem Kern. Um sowohl die Anforderungen an die Stetigkeit als auch an die interne oder Totalreflexion zu erfüllen, muß die radiale Komponente des elektrischen Feldes in der Hülle eine rapide abnehmende Exponentialfunktion sein. Ein exponentiell abklingendes oder gedämpftes elektrisches Feld wird üblicherweise als abklingendes Feld bezeichnet.
Die Geschwindigkeit eines optischen Signals hängt von dem Brechungsindex des Mediums ab, durch welches sich das Licht ausbreitet. Gewisse Materialien haben unterschiedliche Brechungsindizes für unterschiedliche Polarisationen. Ein Material, welches zwei Brechungsindizes aufweist, wird als doppeltbrechend bezeichnet. Die Polarisation des Signals, welches sich längs einer optischen Faser eines Wellentyps ausbreitet, wird manchmal als Wellentyp bezeichnet. Eine standard-optische Faser eines Wellentyps kann als Faser zweier Wellentypen betrachtet werden, da sie zwei Wellen der gleichen Frequenz und einer räumlichen Verteilung ausbreiten kann, welche zwei unterschiedliche Polarisationen aufweisen. Die unterschiedlichen Polarisationskomponenten der gleichen Eigenschwingung können sich durch ein doppeltbrechendes Material unverändert ausbreiten, ausgenommen für eine Geschindigkeitsdifferenz zwischen den zwei Polarisationen.
Zirkulare Doppelbrechung, lineare Doppelbrechung und elliptische Doppelbrechung werden jeweils unter Bezug auf unterschiedliche Polarisationsarten beschrieben. Wenn ein Material zirkulare Doppelbrechung aufweist, wird die Polarisation einer Lichtwelle als eine Kombination zweier gegendrehender Komponenten ausgedrückt. Eine der zirkularen Polarisationen wird als "rechtshändig zirkular" bezeichnet, während die andere als "linkshändig zirkular" bezeichnet wird. In einem nicht-doppeltbrechenden Material verbreiten sich sowohl die rechtshändige als auch die linkshändige zirkulare Polarisation mit der gleichen Geschwindigkeit. Die gegendrehenden elektrischen Feldvektoren der zirkularpolarisierten Komponenten des Lichts repräsentieren Polarisationstypen für zirkulare Doppelbrechung. Wenn das Licht linear polarisiert ist, sind die zirkularen Polarisationsvektoren miteinander in Phase und von gleicher Amplitude. Wenn das Licht elliptisch polarisiert ist, sind die zirkularen Polarisationsvektoren von ungleicher Amplitude oder Phase. Im allgemeinen kann elliptisch polarisiertes Licht unterschiedliche Maße von Elliptizität aufweisen; und die Polarisation kann in einem Bereich zwischen einer linearen Polarisation als ein Extrem und einer zirkularen Polarisation als anderes Extrem liegen.
Bei einem zirkular doppeltbrechenden Material ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines zirkularen Polarisationsvektors größer als die Geschwindigkeit der Ausbreitung des gegendrehenden Polarisationsvektors. In ähnlicher Weise ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in einem Material, welches linear doppeltbrechend ist in einer der linear polarisierten Arten größer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in der anderen normal-linear polarisierten Art. Elliptische Doppelbrechung ergibt sich, wenn in einem Punkt in einem Material, durch welches die Lichtwelle sich ausbreitet sowohl lineare Doppelbrechung als auch zirkulare Doppelbrechung existiert. Die elliptische Doppelbrechung beeinflußt die Polarisation des Lichts in komplexer Weise, welche, teilweise, von der relativen Größe der linearen Doppelbrechung und der zirkularen Doppelbrechung abhängt.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß jedes polarisierte Licht durch zwei zirkular polarisierte Wellen mit geeigneter Phase und Amplitude wiedergegeben werden kann; zwei elliptisch rotierende Komponenten oder zwei senkrecht linear polarisierte elektrische Feldkomponenten.
Es ist bekannt, daß es zur Verringerung von Fehlern in vielen faseroptischen Systemen wünschenswert sein kann, Licht eines bekannten Polarisationszustandes an ausgewählten Punkten zur Eingabe in optische Einrichtungen zu haben, deren Betrieb von der Polarisation abhängig ist. Der Zustand der Polarisation ist speziell bei einigen faseroptischen Drehsensoren wichtig. In einem Faserdrehmeßsystem, welches polarisiertes Licht verwendet, werden Driftfehler, beruhend auf Änderungen in der Polarisation durch die Qualität des Polarisators bestimmt.
Ein linear polarisierter Zustand in einem faseroptischen Drehsensor wird üblicherweise erreicht durch einen Typ eines linearen Polarisators wie etwa des faseroptischen Polarisators, welcher in dem US-Patent Nr. 4,386,822 von Bergh beschrieben ist. Der Polarisationszustand des Eingangs in den Polarisator ist im wesentlichen willkürlich. Der Polarisator koppelt Licht von unerwünschter Polarisation aus der Faser aus und gestattet nur Licht, welches eine ausgewählte gewünschte Polarisation hat, die Ausbreitung durch die Faser. Bergh offenbart einen faseroptischen Polarisator, welcher eine Länge einer optischen Faser aufweist, welche in einer gekrümmten Nut in einem Quarzsubstrat gelagert ist. Das Substrat und ein Teil der optischen Faser sind geschliffen und poliert, um einen Teil der Hülle von der optischen Faser zu entfernen, um einen Interaktionsbereich zu bilden. Der Teil der optischen Faser in der Nut ist konvex gekrümmt, bezogen auf eine Blickrichtung auf die polierte Oberfläche. Der doppeltbrechende Kristall ist an dem Substrat über dem Interaktionsbereich in enger Nachbarschaft zu dem Kern des optischen Fasermaterials gelagert. Der Kristall ist so positioniert, daß er teilweise den Weg des sich in der optischen Faser ausbreitenden Lichtes schneidet, so daß eine dämpfende Feldkopplung Licht ungewünschter Polarisationen von der optischen Faser in den Kristall koppelt.
Abgleichungsfehler sind die Hauptquelle für Fehler bei der Verwendung von faseroptischen Sagnac-Ringen als Drehsensoren. Die Abgleichung eines Drehsensors ist das Ausgangssignal, wenn kein Eingangssignal vorliegt. Wenn die Abgleichung konstant ist, kann sie von dem Ausgangssignal abgezogen werden, wenn es ein Eingangssignal gibt, um die Antwort des Drehsensors auf ein Eingangssignal zu bestimmen. Die Abgleichung bleibt jedoch über die Zeit und über Temperaturveränderungen nicht konstant.
Die Hauptquelle für Abgleichfehler in Faser-Kreiseln resultiert aus einem nicht-perfekten Polarisator und Polarisationsquerkopplungen in der Faser. Ein idealer Polarisator sollte ein unendliches Ausschwingverhältnis haben. Das Ausschwingverhältnis eines Polarisators ist das Verhältnis der Intensität der unerwünschten Polarisation in dem Ausgangssignal zu dessen Intensität in dem Eingangssignal. Diese Fehlerquelle wurde zuerst durch Kintner, Opt. Lett. Vol. 6, Nr. 3, S. 154 (1981) identifiziert. Polarisationsinstabilität manifestiert sich in optischen interferometischen Systemen in ,einer Weise analog zu einem Signalfading in klassischen Kommunikationssystemen.
Faseroptische Kreisel, welche mit polarisiertem Licht arbeiten, erfordern Ausschwingverhältnisse in der Größe von 100 dB um Abgleichfehler unter 0,01 Grad pro Stunde zu halten. Frühere faseroptische Kreisel, welche unpolarisiertes Licht verwenden, erfordern Ausschwingverhältnisse in dem Bereich zwischen 60 und 100 dB und erfordern die Verwendung von Fasern mit Hochqualitäts-Polarisations-Aufrechterhaltung (PM) in dem Kreisel. Vorteile der Verwendung von PM-Fasern in faseroptischen Kreiseln bestehen in verringerten Anforderungen an das Polarisator-Ausschwingverhältnis und reduziertem Abgleichfehler wegen des Faraday-Effekts. Es ist ebenfalls nicht nötig, eine aktive Polarisationskontrolle zu verwenden, wenn PM-Fasern zur Ausbildung des Kreisels verwendet werden. PM-Fasern sind jedoch so teuer, daß es unrealistisch ist, diese für einen faseroptischen Kreisel zu verwenden.
Wir merken an, daß Tai et al., Elektronics Letters, Vol. 22, Nr. 10, Mai 1986, Seiten 546 - 547 einen All-Faserkreisel beschreibt, welcher eine Länge einer optischen Faser umfaßt, welche in einer Sensorschleife ausgebildet ist, und eine optische Signalquelle in Form einer Superlumineszent-Diode zur Beleuchtung der Sensor-Schleife. Tai et al. offenbaren weiterhin einen Depolarisator zur Bereitstellung eines unpolarisierten optischen Uhrzeigerichtungs-Strahls und eines unpolarisierten Gegenuhrzeigerichtungs-Strahls und einen Phasenmodulator zum Modulieren einer vorbestimmten Polarisationskomponente. Der Kreisel von Tai et al. umfaßt auch eine Wicklung einer Nicht-Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser, welche eine Sensorwicklung bildet, und einen Detektor zur Ermittlung einer Interferenz zwischen dem Uhrzeigerichtungs-Strahl und dem Gegenuhrzeigerichtungs- Strahl.
Die britische Patentanmeldung GB-A-20 89976 offenbart einen faseroptischen Ring-Interferometer, welcher eine Lichtquelle umfaßt, ein Paar von Strahlenteilern und ein Paar von Depolarisatoren, welche vorgesehen sind, um unpolarisierte Lichtsignale bereitzustellen, um gegenausbreitende Wellen in dem Faseroptikring auszubilden.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Sagnac-Ringdrehungssensor gemäß Anspruch 1 sowie eine Methode zur Verwendung eines derartigen Sensors, wie im Anspruch 4 angegeben. Die vorliegende Erfindung überwindet sowohl die Schwierigkeiten des Signalfadings in faseroptischen Drehsensoren als auch die Kosten der Verwendung einer eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser über den Drehsensor.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt ein eine Polarisation aufrechterhaltendes Modul, welches die Anforderungen an das Polarisator-Ausschwingverhältnis reduziert und die Notwendigkeit der Verwendung einer aktiven Polarisationssteuerung vermeidet. Dieser Zweifaserkreisel umfaßt eine Sensorwicklung, welche aus einer üblichen Singlemodefaser geformt ist, welche wesentlich weniger kostenintensiv ist als die Polarisations-Aufrechterhaltungs- Faser, welche in dem Modul verwendet wird.
Der erfindungsgemäße Sagnac-Ringdrehsensor umfaßt eine optische Signalwelle und ein Polarisations-Aufrechterhaltungsmodul, welches angeordnet ist, um Signale von der optischen Signalwelle zu empfangen. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden unpolarisierte Uhrzeigerichtungs-Strahlen (CW) und Gegenuhrzeigerichtungs-Strahlen (CCW) auf die Wicklung aufgebracht. In einem zweiten Ausführungsbeispiel umfaßt das Polarisations-Aufrechtserhaltuiigmodul Mittel zur Bereitstellung eines ersten polarisierten optischen Strahls und eines zweiten unpolarisierten Strahls auf einen Sagnac-Ring. Der erste und der zweite Strahl können jeweils als CW und CCW-Strahlen ausgebildet sein. Der Sensor umfaßt auch Mittel zur Modulation einer vorbestimmten Polarisationskomponente jedes Strahls. Eine Wicklung einer nicht eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser, welche den Sagnac-Ring bildet, leitet den polarisierten CW-Strahl und den unpolarisierten CCW-Strahl um einen geschlossenen Weg, so daß Drehungen der Sensorwicklung das Interferenzmuster zwischen den Strahlen verändert. Ein Detektor erzeugt ein elektrisches Signal, welches Veränderungen in dem Interferenzmuster zur Anzeige einer Drehung des Coils wiedergibt.
Der erfindungsgemäße Sagnac-Ringdrehsensor umfaßt auch eine Länge einer ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser, welche ein Paar von Hauptachsen aufweist. Der Drehsensor umfaßt weiter Mittel zur Bereitstellung eines optischen Signals auf die erste eine Polarisation aufrechterhaltende optische Faser. Das optische Signal weist eine erste lineare Polarisationskomponente auf, welche parallel zu einer der Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ist, und eine zweite lineare Polarisationskomponente, welche parallel zu der anderen Hauptachse ist. Ein erster Polarisator leitet Licht, welches längs einer Polarisationsachse polarisiert ist, welche in einem 45º Winkel zu den Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser angeordnet ist, und dämpft andere Polarisationen.
Ein optischer Koppler koppelt optische Signale zwischen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser und eine Länge einer zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser. Die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende optische Faser weist Hauptachsen auf, welche parallel sind zu den Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser. Licht, welches in die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende Faser gekoppelt wird, bildet einen Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl und Licht, welches in der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser verbleibt, bildet einen Uhrzeigerichtungs- Strahl. Eine dritte Länge einer eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ist zwischen einem optischen Wellenleiter und der Sensorwicklung verbunden. Der optische Wellenleiter ist so angeordnet, daß er Signale zwischen der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser und der dritten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser leitet. Der optische Wellenleiter weist Hauptachsen auf, welche in einem Winkel zu den Hauptachsen der zweiten und der dritten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser ausgerichtet sind. Die Phase des Lichts einer vorbestimmten Polarisation in dem optischen Wellenleiter wird durch einen Phasenmodulator moduliert, welcher zwischen einem Paar von Polarisatoren angeordnet ist. Die Polarisatoren bewirken die Polarisierungen der Uhrzeigerichtungs- und Gegenuhrzeigerichtungs- Strahlen, in dem optischen Wellenleiter, welche die vorbestimmte Polarisation haben, bevor sie den Phasenmodulator erreichen. Der optische Wellenleiter ist bevorzugterweise in einem Substrat von Lithium-Niobat und die Elektroden des Phasenmodulators und benachbarte Polarisatoren sind bevorzugterweise über dem optischen Wellenleiter angeordnet, wobei der Phasenmodulator zwischen den Polarisatoren ist.
Das Verfahren zur Verwendung eines derartigen Sagnac-Ringdrehsensors umfaßt die Schritte der Einführung von Signalen von der optischen Signalquelle in ein eine Polarisation aufrechterhaltendes Modul und des Erzeugens von unpolarisierten Uhrzeigerichtungs- und Gegenuhrzeigerichtungs-Strahlen und eines unpolarisierten Gegenuhrzeigerichtungs- Strahl-Ausgangs von dem Polarisations-Aufrechterhaltungsmodul. Das Verfahren umfaßt weiterhin das Modulieren einer vorbestimmten Polarisationskomponente von Licht in dem eine Polarisation aufrechterhaltenden Modul und das Verbinden einer Wicklung einer nicht eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser mit dem eine Polarisation aufrechterhaltenden Modul zum Empfang des unpolarisierten optischen Uhrzeigerichtungs-Strahls und des unpolarisierten Gegenuhr- Zeigerichtungs-Strahls.
Das Polarisations-Aufrechterhaltungs-Modul kann eine Länge einer ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser umfassen, welche ein Paar von Hauptachsen aufweist. Ein optisches Signal wird dann der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser zugeführt. Das optische Signal weist eine erste Linear-Polarisationskomponente auf, welche parallel zu einer der Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ist, sowie eine zweite Linear-Polarisationskomponente auf, welche parallel zu einer der Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ist, sowie eine zweite Linear-Polarisationskomponente, welche parallel zu der anderen Hauptachse ist. Das Verfahren kann auch die Anordnung eines ersten Polarisators umfassen, welcher Licht durchläßt, welches längs einer ersten Polarisationsachse polarisiert ist und andere Polarisationen dämpft, benachbart zu der ersten Länge einer eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser, wobei die erste Polarisationsachse in einem 45º Winkel zu den Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ausgerichtet sind.
Das Verfahren kann auch das Koppeln von optischen Signalen zwischen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser und einer Länge einer zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser umfassen. Die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende Faser weist Hauptachsen auf, welche parallel zu den Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser sind. Licht, welches in die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende Faser gekoppelt ist, bildet einen Gegenuhrzeigerichtungs- Strahl und Licht, welches in der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser verbleibt, bildet in der Sensorwicklung einen Uhrzeigerichtungs-Strahl. Das Verfahren umfaßt weiterhin das Koppeln von Signalen von der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser in einen optischen Wellenleiter, welcher Hauptachsen aufweist, welche in einem Winkel von 45º zu den Hauptachsen der zweiten und der dritten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ausgerichtet sind. Signale werden von den optischen Wellenleitern in eine dritte Länge einer eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser gekoppelt. Das Verfahren umfaßt weiterhin das Modulieren der Phase von Licht, welches eine vorbestimmte Polarisation aufweist, in dem optischen Wellenleiter.
Das Verfahren kann weiterhin das Polarisieren des Gegenuhrzeigerichtungs-Strahls in dem optischen Wellenleiter umfassen, so daß Signale, welche von der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser auf den Phasenmodulator auftreffen, eine vorbestimmte Polarisation aufweisen; eine Schleife aus optischer Faser ist zwischen dem optischen Wellenleiter und der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser verbunden, um eine Sensorwicklung für den Uhrzeigerichtungs-Strahl und den Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl bereitzustellen; und das Polarisieren des Uhrzeigerichtungs-Strahls in dem optischen Wellenleiter, so daß Signale, welche von der Sensorwicklung auf den Phasenmodulator auftreffen, die vorbestimmte Polarisation haben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt schematisch den Doppelfaser-Optikkreisel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines optischen Kopplers, welcher in dem Doppelfaser-Optikkreisel der Fig. 1 vorgesehen sein kann;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 von Fig. 2;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine ovale Oberfläche an einem Bereich einer optischen Faser zeigt, welche in dem ein faseroptisches dämpfendes Feld umfassenden Koppler der Fig. 2 und 3 umfaßt;
Fig. 5 ist eine Explosionsdraufsicht auf ein Substrat, welches in dem Faseroptik-Koppler der Fig. 2 bis 4 verwendet werden kann;
Fig. 6 ist eine Explosions-Endansicht des Substrats gemäß Fig. 5;
Fig. 7 ist eine perspektivische Schnittansicht des Substrats der Fig. 5 und 6;
Fig. 8A bis 8E zeigen Ausgestaltungen eines optischen Wellenleiters in einem Substrat;
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Phasenmodulator zeigt, welcher auf einem Substrat ausgebildet ist, welches in dem Doppelfaser-Optikkreisel der Fig. 1 aufgenommen ist;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht eines Polarisators, welcher auf einem Substrat ausgebildet ist, welches in dem Doppelfaser-Optikkreisel der Fig. 1 vorgesehen ist;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, welche eine zweite Bauart des Polarisators zeigt, welcher in dem Doppelfaser-Optikkreisel der Fig. 1 verwendbar ist;
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht des Polarisators von Fig. 11, welche eine Optikfaser in einem mit einer Nut versehenen Substrat mit einem doppeltbrechenden Kristall benachbart zu der Faser zeigt;
Fig. 13 zeigt eine reflexionslose Verbindungsstelle, welche zwischen zwei optischen Fasern ausgebildet ist;
Fig. 14 zeigt die Polarisation der optischen Signale und der Hauptachsen an Punkten A-F der Fig. 1;
Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht einer eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser; und
Fig. 16 zeigt einen Stapel von Lagen von zwei Dielektrika, welche unterschiedliche Dicken und unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Bezugnehmend auf Fig. 1 zeigt ein Doppelfaser-Optikkreisel 20 eine Lichtquelle 22, welche bevorzugterweise eine Superlumineszentdiode (SLD) ist, welche kohärentes Licht aussendet. Der optische Ausgang der Lichtquelle 22 wird an einem Punkt A in eine PM-Optikfaser 24 eingeleitet. Die Optikfaser 24 ist bevorzugterweise eine Singlemode-Optikfaser. Der Lichteingang zu der Faser 24 breitet sich dann zu einem optischen Koppler 28 aus, welcher an einem Punkt B in Fig. 1 angeordnet ist. Der Koppler 28 koppelt einen Bereich des optischen Signals, welches auf diesen einfällt, in eine PM-Optikfaser 29. Licht, welches in der Faser 24 verbleibt, fällt auf einen linearen Polarisator 30, welcher an einem Punkt C angeordnet ist.
Nach Durchlaufen des Polarisators 30 erreicht das Licht in der Faser 24 an einem Punkt D einen zweiten optischen Koppler 32. Der optische Koppler koppelt einen ersten Teil des Lichts in eine PM-Optikfaser 34. Das Licht, welches in die Faser 34 gekoppelt ist, bildet einen Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl für den Doppelfaser-Optikkreisel 20. Licht, welches in der Faser 24 verbleibt, bildet den Uhrzeigerichtungs-Strahl für den Doppelfaser-Optikkreisel 20.
Die Faser 34 leitet den Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl zu einem Modul 35. Das Modul 35 umfaßt eine Substrat 36, welches bevorzugterweise einen Lithium-Niobat-Chip umfaßt. Ein mit einer integrierten Optik versehener Wellenleiter 38, welcher in den Fig. 1, 9 und 10 gezeigt ist, ist an einem Punkt E mit der Faser 34 gekoppelt, um optische Signale zwischen diesen zu übertragen. Ein Phasenmodulator 42 ist auf dem Lithium-Niobat-Chip 38 zwischen einem Paar von Polarisatoren 44 und 46 ausgebildet. An einem Punkt F der Fig. 1 ist eine Länge einer PM-Faser 48 benachbart zu dem mit einer integrierten Optik versehenen Wellenleiter 38 gelagert.
Eine Sensorwicklung 49 weist ein Ende 49A auf, welches mit der Faser 34 an einem Punkt G verbunden ist, sowie ein Ende 49B, welches mit der PM-Faser 48 an einem Punkt H verbunden ist. Die Sensorwicklung umfaßt bevorzugterweise ungefähr 1 km einer Singlemode-Optikfaser. Die Verbindungen an den Punkten G und H sind bevorzugterweise reflexionslose Verbindungsstellen.
Bezugnehmend auf Fig. 13 kann eine reflexionslose Verbindungsstelle durch Polieren der zu verbindenden Faserenden in Winkeln ausgebildet sein, so daß die Verbindungsstelle nicht senkrecht zu den Fasern ist. Der Winkel zwischen der Verbindungsstelle und den Fasern ist so ausgewählt, daß Licht, welches von der Verbindungsstelle reflektiert wird, die Grenze zwischen dem Kern und der Hülle in einem Winkel trifft, welcher geringer ist als der kritische Winkel. Reflektiertes Licht verläßt dann die Faser und bildet keine Fehlerquelle bei Messungen der Drehrate.
Vor einer Beschreibung des Verfahrens zum Betrieb des Doppelfaser-Optikkreisels 20 wird eine Beschreibung der in diesem verwendeten Komponenten gemacht.

Optische Koppler

Die beiden optischen Koppler 28 und 32 können im wesentlichen identisch aufgebaut sein; deshalb ist die nachfolgende Beschreibung des optischen Kopplers 28 aufalle optischen Koppler anwendbar, welche in dem Doppelfaser-Optikkreisel 20 vorhanden sind, wenn die optischen Fasern 24, 29 und 35 Singlemode-Fasern sind. Für Multimode-Faseranwendungen des Doppelfaser-Optikkreisels 20 sind geeignete Multimode- Koppler (nicht dargestellt) aus dem Stand der Technik vorbekannt.
Eine Bauart eines Multimode-Kopplers, welcher zur Ausbildung des Sensors bei Multimode-Anwendungen verwendbar ist, ist in der US-Patentanmeldung 816,881 von John J. Fiing beschrieben. Diese Anmeldung ist übertragen auf Litton Systems, Inc., auf welche die vorliegende Erfindung übertragen ist.
Ein Faseroptik-Richtungskoppler, welcher zur Verwendung bei Singlemode-Anwendungen als Koppler 28 und 32 in Fig. 1 verwendbar ist, ist in der Ausgabe vom 27.03.1980 von Electronics Letters, Vol. 16, Nr. 7, Seiten 260 bis 261 und in dem US-Patent 4,493,528, ausgegeben am 15.01.1985 an Shaw et al. beschrieben. Dieses Patent ist übertragen auf den Board of Trustees der Leland Standford Junior University.
Wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt, umfaßt der Koppler 28 die optischen Fasern 24 und 29 der Fig. 1, welche jeweils in einem Paar von Substraten 50 und 52 gelagert sind. Die Faser 24 ist in einer gebogenen Nut 54 gelagert, welche in einer optisch flachen Oberfläche 58 des Substrat 50 ausgebildet ist. In gleicher Weise ist die Faser 29 in einer gebogenen Nut 56 gelagert, welche in einer optisch flachen Oberfläche 60 des Substrats 52 ausgebildet ist. Das Substrat 50 und die Faser 24, welche in diesem gelagert ist, umfassen eine Kopplerhälfte 62, und das Substrat 52 und die Faser 29, welche in diesem gelagert ist, umfassen eine Kopplerhälfte 64.
Die gebogenen Nuten 54 und 56 haben jeweils einen Krümmungsradius, welcher groß ist, verglichen mit den Durchmessern der Fasern 24 und 29, welche im allgemeinen im wesentlichen identisch sind. Die Breiten der Nuten 54 und 56 sind geringfügig größer als die Faserdurchmesser, um jeweils zu ermöglichen, daß die Fasern 24 und 29 sich in die Wege einpassen, welche durch die Bodenwandungen der Nuten 54 und 56 definiert sind. Die Tiefen der Nuten 54 und 56 variieren jeweils von einem Minimum an dem Mittelbereich der Substrate 50 und 52 zu einem Maximum an den Kanten der Substrate 50 und 52. Der Unterschied in der Nuttiefe ermöglicht es den optischen Fasern 24 und 29, wenn diese jeweils in den Nuten 54 und 56 gelagert sind, jeweils graduell zu den Mittelbereichen zusammenzulaufen und zu den Kanten der Substrate 50 und 52 auseinanderzulaufen. Die graduelle Krümmung der Fasern 24 und 29 verhindert das Auftreten von scharfen Biegungen oder abrupten Änderungen in der Richtung der Fasern 24 und 29, um einen Energieverlust durch eine Störung des Modus zu vermeiden. Die Nuten 54 und 56 können einen rechteckigen Querschnitt aufweisen; jedoch können andere Querschnittsgestaltungen, wie U-Formen oder V-Formen zur Ausbildung des Kopplers 28 verwendet werden.
Bezugnehmend auf Fig. 2 bis 4 sind in den Mittelbereichen der Substrate 50 und 52 die Tiefen der Nuten 54 und 56 geringer als die Durchmesser der Fasern 24 und 29. An den Kanten der Substrate 50 und 52 sind die Tiefen der Nuten 54 ;und 56 bevorzugterweise zumindest so groß wie die Faserdurchmesser. Durch jedes geeignete Verfahren, beispielsweise Läppen, wird faseroptisches Material von jeder der Fasern 24 und 29 entfernt, um oval ausgebildete plane Oberflächen 58 und 60 in den Fasern 24 und 29 zu schaffen, welche koplanar mit den gegenüberliegenden Flächen 58 und 60 der Substrate 50 und 52 sind. Die ovalen Flächen sind in einer einander zugewandten Beziehung nebeneinandergelegt, um einen Wechselwirkungsbereich 66 zu bilden, in welchem das gedämpfte Feld von Licht, welches durch jede der Fasern 24 und 29 ausgebreitet wird, mit der anderen Faser zusammenwirkt. Der Betrag des Faseroptikmaterials, welches entfernt ist, nimmt schrittweise von Null nahe den Kanten der Substrate 50 und 52 zu einem Maximalbetrag an ihren Mittelpunkten zu. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ermöglicht die abgeschrägte Entfernung von Faseroptikmaterial, daß die Fasern 24 und 29 graduell zusammenlaufen und auseinanderlaufen, was zur Vermeidung einer nach hinten gerichteten Reflexion und zur Vermeidung eines übergroßen Verlustes an Lichtenergie an dem Wechselwirkungsbereich 66 vorteilhaft ist.
Durch die gedämpfte Feldkopplung an dem Wechselwirkungsbereich 66 wird Licht zwischen den Fasern 24 und 29 übertragen. Die optische Faser 24 umfaßt einen zentrischen Kern 68 und eine umgebende Hülle 70. Die Faser 29 weist einen Kern 72 und eine Hülle 74 auf, welche jeweils identisch zu dem Kern 68 und der Hülle 70 sind. Der Kern 68 hat einen Brechungsindex, welcher größer ist als der der Hülle 70, und der Durchmesser des Kerns 68 ist so, daß Licht, welches sich in dem Kern ausbreitet, an der Kern-Hüllen-Zwischenfläche intern reflektiert. Die meiste optische Energie, welche durch die optische Faser 24 geführt wird, ist in deren Kern 68 eingegrenzt. Die Lösung der Wellengleichungen für die Faser 68 und die Anwendung der gut bekannten Grenzbedingungen zeigen jedoch, daß die Energieverteilung, obwohl primär in dem Kern 68, einen Teil umfaßt, welcher sich in die Hülle erstreckt und exponentiell abklingt, wenn der Radius von dem Zentrum der Faser zunimmt. Der exponentiell abklingende Teil der Energieverteilung in der Faser 68 wird üblicherweise als das abklingende Feld bezeichnet. Wenn das abklingende Feld der optischen Energie, welche ursprünglich durch die Faser 24 ausgebreitet wurde, sich über einen ausreichenden Abstand in die Faser 29 erstreckt, wird Energie von der Faser 24 in die Faser 29 gekoppelt.
Es hat sich herausgestellt, daß zur Sicherstellung einer guten Kopplung mit abklingendem Feld der Betrag des Materials, welches von den Fasern 24 und 29 entfernt wird, sorgfältig gesteuert werden muß, so daß der Abstand zwischen den Kernen der Fasern 24 und 29 sich innerhalb einer kritischen Zone befindet. Das abklingende Feld erstreckt sind über einen kurzen Abstand in die Hülle und nimmt rapide in der Größe mit dem Abstand außerhalb des Kerns ab. Somit sollte ausreichend faseroptisches Material entfernt werden, um eine Überlappung zwischen den abklingenden Feldern der Wellen, welche durch die zwei Fasern 24 und 29 ausgebildet werden, zu gestatten. Wenn zuwenig Material entfernt ist, sind die Kerne nicht ausreichend nahe aneinander, um zu gestatten, daß die abklingenden Felder die gewünschte Zwischenwirkung der geführten Wellen bewirken; und somit ergibt sich eine unzureichende Kopplung.
Die Entfernung von zuviel Material ändert die Ausbreitungscharakteristika der Fasern, was in einem Verlust von Lichtenergie von den Fasern wegen einer Störung des Wellentyps resultiert. Wenn jedoch der Abstand zwischen den Kernen der Fasern 24 und 29 innerhalb der kritischen Zone ist, empfängt jede Faser 24 und 29 einen ausreichenden Teil der abklingenden Feldenergie von dem anderen, um eine gute Kopplung ohne bedeutenden Energieverlust zu erzielen. Die kritische Zone umfaßt einen Bereich, in welchem die abklingenden Felder der Fasern 24 und 29 sich ausreichend überlappen, um eine gute Kopplung des abklingenden Feldes mit jedem Kern zu schaffen, welcher innerhalb des abklingenden Feldes des Lichtes ist, welches durch den anderen Kern geleitet wird. Es wird angenommen, daß für weich geführte Wellenarten, wie etwa die HE&sub1;&sub1;-Wellenart, welche durch Singlemodefasern geführt wird, eine Störung der Wellenart auftritt, wenn der Faserkern freigelegt ist. Deshalb ist die kritische Zone der Kernabstand, welcher bewirkt, daß sich die abklingenden Felder ausreichend überlappen, um eine Kopplung zu erreichen, ohne einen durch eine Störung der Wellenart hervorgerufenen Energieverlust zu bewirken.
Das Ausmaß der kritischen Zone für einen speziellen Koppler hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, wie etwa den Parametern der Fasern und der Geometrie des Kopplers. Die kritische Zone kann für eine Singlemodefaser mit einem Steppindexprofil ziemlich eng sein. Der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der Fasern 24 und 29 ist typischerweise geringer als zwei oder drei Kerndurchmesser.
Der Koppler 28 der Fig. 1 umfaßt vier Öffnungen 28A, 28B, 28C und 28D. Die Öffnungen 28A und 28B, welche jeweils an der rechten und an der linken Seite des Kopplers 28 sind, korrespondieren mit der Faser 24. Die Öffnungen 28C und 28D korrespondieren in ähnlicher Weise mit der Faser 29. Zum Zwecke der Erklärung wird angenommen, daß ein optischer Signaleingang durch die Faser 24 auf die Öffnung 28A aufgelegt wird. Das Signal gelangt durch den Koppler 28 und wird entweder an einem oder beiden der Öffnungen 28B oder 28D ausgegeben, abhängend von dem Betrag der Kopplung zwischen den Fasern 24 und 29. Die "Kopplungskonstante" wird definiert als das Verhältnis der gekoppelten Leistung zu der gesamten Ausgangsleistung. Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist die Kopplungskonstante das Verhältnis der Leistungsausgangs an der Öffnung 28D dividiert durch die Summe des Leistungsausgangs an den Öffnungen 28B und 28D. Dieses Verhältnis wird manchmal als "Kopplungswirkungsgrad" bezeichnet, welcher typischerweise in Prozent ausgedrückt wird. Wenn deshalb der Ausdruck "Kopplungskonstante" hier verwendet wird, ist zu verstehen, daß der korrespondierende Kopplungswirkungsgrad gleich der Kopplungskonstante mal 100 ist.
Der Koppler 28 kann abgestimmt sein, um die Kopplungskonstante auf jeden gewünschten Wert zwischen Null und 1,0 durch Versetzen der gegenüberliegenden Oberflächen der Fasern 24 und 29 einzustellen, um die Dimensionen des Bereiches der Überlappung der abklingenden Felder zu steuern. Eine Abstimmung kann durch Verschiebung der Substrate 50 und 52 seitlich ,oder längs relativ zueinander durchgeführt werden.
Der Koppler 28 ist hochdirektional, wobei im wesentlichen die gesamte Leistung, welche an eine Seite desselben angelegt wird, an den Öffnungen der anderen Seite ausgegeben wird. Es wird im wesentlichen das gesamte Licht, welches als Eingang an eine der Öffnungen 28A oder 28C angelegt wird, zu den Öffnungen 28B und 28D ohne merkbare Gegenrichtungs-Kopplung ausgegeben. Die Richtungscharakteristik ist dadurch symmetrisch, daß einiges Licht, welches auf eine der Öffnungen 28B oder 28D aufgebracht wird, den Öffnungen 28A und 28B zugeführt wird. Der Koppler 28 ist im wesentlichen nichtdiskriminierend bezüglich der Polarisationen und bewahrt die Polarisation des in diesen eingeführten Lichtes.
Licht, welches von einer der Fasern 24 und 29 zu der anderen quer-gekoppelt ist, unterläuft eine Phasenverschiebung von π/2, Licht jedoch, welches gerade durch den Koppler 28 ohne Querkopplung hindurchgeleitet wird, wird nicht in-der Phase verschoben. Wenn beispielsweise der Koppler 28 eine Kopplungskonstante von 0,5 aufweist und ein optisches Signal in die Öffnung 28A eingegeben wird, dann sind die Ausgänge an den Öffnungen 28B und 28D von gleicher Größe; der Ausgang an der Öffnung 28D ist jedoch in der Phase durch π/2 relativ zu dem Ausgang an der Öffnung 28B verschoben.

Die Substrate 50 und 52

Die Substrate 50 und 52 können aus jedem geeigneten festen Material gefertigt sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Substrate 50 und 52 im allgemeinen rechteckige Blöcke von geschmolzenem Quarzglas, im wesentlichen 2,5 cm lang, 2,5 cm breit und 1,0 cm dick. Die Fasern 24 und 29 können in den gebogenen Nuten 54 und 56 mittels eines geeigneten Klebers (nicht dargestellt), wie etwa Epoxyharz befestigt sein. Die geschmolzenen Quarzsubstrate 50 und 52 weisen bevorzugterweise einen thermischen Expansionskoeffizienten ähnlich der Fasern 24 und 29 auf, welcher wichtig ist zur Aufrechterhaltung von vorgegebener Kopplungscharakteristika, wenn die Substrate 50 und 52 und die Fasern 24 und 29 einer Wärmebehandlung während der Herstellung oder des Gebrauchs unterworfen werden. Für einige Anwendungen kann der Koppler 28 nur die zwei Fasern 24 und 29 umfassen, wobei die beiden ovalen Bereiche miteinander verschmolzen oder verbunden sind, ohne daß sie in den Substraten 50 und 52 gehalten sind.
Bezüglich der Fig. 3 bis 7 kann das Substrat 52 aus einem Paar von Seitenlaminaten 53 und 55 und einem Mittellaminat 57 ausgebildet sein. Die Seitenlaminate 53 und 55 sind bevorzugterweise als rechteckige Parallel-Epipede ausgebildet. Das Mittellaminat 57 kann aus einem rechteckigen Parallel- Epiped gebildet sein; eine Kante 76 des Mittellaminats ist jedoch maschinell bearbeitet, um eine konvexe Kurve auszubilden. Das Mittellaminat 57 weist bevorzugterweise eine Länge von ungefähr 0,400 Inches und eine Breite von ungefähr 0,5 Inches auf. Die Maximalhöhe des Mittellaminates 57 ist bevorzugterweise ungefähr 0,045 Inches. Die Seitenlaminate 53 und 55 sind im wesentlichen identisch zueinander. Beispielsweise ist das Seitenlaminat 53 bevorzugterweise ungefähr 0,400 Inches lang, ungefähr 0,040 Inches dick und geringfügig höher als die 0,045 Inch Höhe des Mittellaminats. Es hat sich herausgestellt, daß eine Höhe von 0,050 Inch zufriedenstellend für die Seitenlaminate 53 und 55 ist.
Der Koppler wird ausgebildet durch Anordnung des Mittellaminats 57 zwischen den beiden Seitenlaminaten 53 und 55. Die Laminate 53, 55 und 57 sind längsweise aufgereiht, so daß die zwei größeren flachen Oberflächen des Mittellaminats 57 zwischen den größeren rechteckigen Flächen der Seitenlaminate 53 und 57 gehalten ist. Bezugnehmend auf Fig. 7 ist das Mittellaminat 57 im wesentlichen vollständig auf dem Seitenlaminat 53 angeordnet, so daß ein Teil des Seitenlaminats 53 sich über die gebogene Kante 76 des Mittellaminats 57 erstreckt. Das Seitenlaminat 55 ist auf dem Mittellaminat 57 angeordnet, um symmetrisch zu dem Seitenlaminat 53 zu sein. Da die Höhe des Mittellaminats ungefähr 0,005 Inches größer ist als die 0,045 Inchhöhe des Mittellaminats, ist eine konvexe Nut zwischen den Seitenlaminaten 53 und 55 ausgebildet.
Die drei Laminate 53, 55 und 57 sind zueinander angeordnet, um die Nut 56 auszubilden und sind daraufhin fest mittels jeder üblichen Klemmeinrichtung verklammert. Nachdem die Faser 24 in die Nut 56 eingebracht ist, wird eine Spannung auf die Faser aufgebracht, so daß sie sich an die Krümmung der gekrümmten Nut 56 anpaßt. Die Laminate 53, 55 und 57 und die Faser 24 werden anschließend miteinander verbunden.
Der Verbindungsvorgang zur Ausbildung der Kopplerhälften kann in einfacher Weise die Aufbringung eines geeigneten Klebers auf die Kopplerhälften in einem einschrittigen Verbindungsvorgang umfassen. Die Oberflächen 73 und 75 der Laminate 53 und 55 werden daraufhin jeweils geläppt, bis ein gewünschter Betrag der Faser 24 zur Ausbildung des Interaktionsbereichs entfernt wurde.
Optische Koppler werden gebildet durch Verbinden zweier Kopplerhälften miteinander, wobei sich die ebenen Bereiche der Fasern einander gegenüberliegen. Die Kopplerhälften können dann wie oben beschrieben durch Aufbringung eines geeigneten Klebers auf die Substrate miteinander verbunden werden, während sie zusammengeklammert sind. Ein Laserfusionsverfahren zum Verbinden der Fasern 24 und 29 miteinander kann jedoch Koppler höherer Qualität für gewisse Anwendungen als eine Klebstoffverbindung erzeugen.
Der Koppler 28 kann so ausgebildet sein, daß er eine gewünschte Kopplungskonstante aufweist. Ein Verfahren zur Sicherstellung des Erreichens einer gewünschten Kopplerkonstante umfaßt den Schritt Eingabe eines optischen Signals von einem Laser (nicht dargestellt) in ein Ende der Faser 24. Die Intensitäten der optischen Signale, welche aus den Fasern 24 und 29 austreten, nachdem der Eingangsstrahl auf den Wechselwirkungsbereich 66 aufgetroffen ist, werden unter Verwendung geeigneter Fotodetektoren (nicht dargestellt) überwacht, während die Substrate manipuliert werden, um den gewünschten Kopplungs-Wirkungsgrad zu erhalten. Der Betrag der Kopplung kann durch Bewegung der Substrate verändert werden, um den Betrag der Überlappung der planen Faserflächen einzustellen.
Nachdem die Fasern 24 und 29 positioniert wurden, um die gewünschte Kopplungskonstante einzustellen, wird Energie auf deren Zwischenfläche aufgebracht. Die Energiequelle ist bevorzugterweise ein CO&sub2;-Laser (nicht dargestellt), und dieser sollte einen Ausgangsstrahl erzeugen, welcher die Fasern 24 und 29 auf eine Temperatur nahe der Glas-Umwandlungs-Temperatur erwärmt. Die Energiequelle kann auch ein Ultraschallgenerator, eine Induktionsheizquelle oder eine andere geeignete Einrichtung zur Bereitstellung der gewünschten Wärmemenge auf die Fasern 24 und 29 sein.
Die Übergangstemperatur ist unterhalb des Schmelzpunktes des Glases, aus welchem die Fasern 24 und 29 hergestellt sind. Die Übergangstemperatur hängt von den Materialien ab, welche die Fasern 24 und 29 umfassen. Die meisten optischen Fasern sind aus Siliziumdioxid mit einer Dotierung, wie etwa Germaniumdioxid oder Bor gefertigt, welche zu diesen zugegeben ist, um den Brechungsindex zu steuern. Derartige Fasern haben typischerweise Übergangstemperaturen im Bereich von 1220ºC bis 1200ºC. Die Übergangstemperatur sollte experimentell für die zu verbindenden Fasern bestimmt werden, und der Energieausgang von dem Laser 98 sollte gesteuert werden, um sicherzustellen, daß die Temperatur in dem verbundenen Bereich nicht die Übergangstemperatur überschreitet. Die Übergangstemperatur einer optischen Faser wird erreicht, wenn die Faser zu erweichen beginnt, wenn die Temperatur ansteigt.
Die Aufbringung des Ausgangs des Lasers auf die Verbindung der Fasern 24 und 29 verschmilzt diese miteinander. Es hat sich herausgestellt, daß das oben beschriebene Verfahren zu einem verbundenen Bereich führt, welcher den gleichen physikalischen Aufbau und die gleichen optischen Charakteristika aufweist wie das Material, welches die Fasern 24 und 29 umfaßt. Folglich werden lokale Unregelmäßigkeiten in den Brechungsindizes vermieden, wobei der resultierende Wechselwirkungsbereich 66 des verbundenen Bereiches ordentliche Brechungsindizes aufweist, so wie dies für ein molekularkonsistentes Material erwartet werden kann. Der Schritt der Kopplung von Licht von den Fasern 24 und 29, während diese überlappt sind, gestattet eine ausreichende Steuerung der Überlappungstiefe der Herstellung zur Ausbildung des Kopplers 28, um einen vorbestimmten Kopplungswirkungsgrad zu haben.

Der Wellenleiter 38

Die Fig. 8A bis 8E zeigen Ausgestaltungen des optischen Wellenleiters 38 in dem Substrat 36. Anfänglich ist das Substrat 36 mit einer lichtunempfindlichen Schicht 120 bedeckt. Eine gläserne Fotomaskenplatte 121 ist auf der lichtunempfindlichen Schicht 120 angeordnet. Die Platte 121 wird hergestellt unter Verwendung standardgemäßer Fotoreduktionstechniken, um ein gewünschtes Muster zu erzeugen, auf welchem Bereiche 122 und 124 dunkel sind und beabstandet sind, um einen länglichen rechteckigen Bereich 126 übrigzulassen. Die Pfeile in Fig. 8A zeigen ultraviolettes Licht (UV), welches auf die Glasplatte 121 und den belichteten Bereich 126 der lichtunempfindlichen Schicht 120 auftrifft. Die Bereichen 122 und 124 sind dunkel gegenüber dem UV-Licht, so daß das UV-Licht lediglich den belichteten Bereich 126 der lichtunempfindlichen Schicht 120 beeinflußt. Bezugnehmend auf Fig. 8B läßt die Anordnung des lichtunempfindlichen Bereichs 126 in einem geeigneten Entwickler an dem Substrat 12 nur ein Paar von lichtunempfindlichen Bereichen 127 und 128 angebracht, welche jeweils direkt unter den Glasplatten 122 und 124 liegen.
Bezugnehmend auf Fig. 8C wird eine Titanschicht 130 auf dem Substrat 36 ausgebildet, wo der lichtunempfindliche Bereich 126 von diesem entfernt wurde. Die Titanschicht 130 kann durch jedes geeignete Verfahren, wie beispielsweise Evaporation ausgebildet werden, um einen dünnen metallischen Film herzustellen. Die verbleibenden lichtunempfindlichen Bereiche 77 und 128 weisen ebenfalls Titanschichten 132 und 134 auf, welche auf diesen ausgebildet sind, die Schicht 130 hat jedoch im wesentlichen parallele Seiten, welche scharf durch die Kanten der fotounempfindlichen schichten 77 und 128 definiert sind.
Die Anordnung des Substrats 36 in einem Lösungsmittel, wie etwa Aceton entfernt die lichtunempfindlichen Bereiche 77 und 128 und läßt nur die gutdefinierte Schicht 130 aus Titan auf dem Substrat 36, wie in Fig. 8D gezeigt. Die Schicht 130 weist einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, betrachtet von dem Ende wie in Fig. 8D. Das Substrat 36 mit der Titanschicht 130 darauf wird in einem Hochtemperaturofen, welcher aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, angeordnet und über eine Zeit gebrannt, welche ausreichend ist, um eine Diffusion der Ti&spplus;&spplus;-Ionen in das Substrat 36 zu bewirken, um den im wesentlichen rechteckigen Wellenleiter 3&, der in Fig. 8E dargestellt ist, auszubilden.

Der Polarisator 30

Bezugnehmend auf die Fig. 11 und 12 umfaßt der Polarisator 30 einen halben Koppler 160, welcher ein Substrat 162 umfaßt, welches bevorzugterweise aus einem Quarzblock hergestellt ist, welcher eine gebogene Nut 164 in sich aufweist. Eine Länge der optischen Faser 24 ist in der Nut 164 befestigt. Ein Bereich des Substrats 160 wurde geschliffen und poliert, um eine Oberfläche 120 zu schaffen, welche sich in die Hülle der Faser 24 erstreckt. Der Schleif- und Poliervorgang entfernt einen Bereich der Hülle, um einen Wechselwirkungsbereich 166 zu erzeugen. Ein doppeltbrechender Kristall 168, welcher eine optisch flache Oberfläche 30 aufweist, ist auf einer Fläche 170 auf dem Substrat 160 gelagert. In dem Wechselwirkungsbereich wirkt das abklingende Feld von Licht, welches sich in der Faser 24 ausbreitet, mit dem doppeltbrechenden Kristall 168 zusammen.
Wenn die Faser 24 eine Singlemodefaser ist, dann sind die einzigen ausgebreiteten Wellentypen solche, in welchen die Richtungen der elektrischen und magnetischen Felder annähernd rechtwinklig zu der Richtung der Ausbreitung der Welle durch die Faser 24 sind. In Fig. 11 repräsentiert der Vektor A die Ausbreitungsrichtung des Lichtes durch die Faser 24, und der Vektor 174 repräsentiert eine Polarisation senkrecht zu der Richtung der Ausbreitung der Lichtwelle. Die Richtung der Ausbreitung und die senkrechte Polarisation sind in der Ebene des Blattes. Der Punkt an dem Schnittpunkt der Vektoren A und B repräsentiert einen Polarisationsvektor, welcher parallel zu der Zwischenfläche zwischen der Faser 24 und dem doppeltbrechenden Kristall 168 an dem Wechselwirkungsbereich 166 und senkrecht zu der Ebene des Blattes ist.
Der Kristall 168 ist so angeordnet, daß der Brechungsindex des Kristalls 168 für Licht, welches senkrecht zu der Kristall-Faser-Zwischenfläche polarisiert ist, geringer ist als der Brechungsindex der Faser 168. Deshalb verbleibt Licht, welches sich in der optischen Faser 24 mit einer Polarisation senkrecht zu der Kristall-Faser-Zwischenfläche ausbreitet, in der optischen Faser 24 wegen totaler interner Reflexionen an der Kristall-Faser-Zwischenfläche. Der Brechungsindex des Kristalls 168 für Polarisationen parallel zu der Kristall-Faser-Zwischenfläche ist so gewählt, daß er größer ist als der Brechungsindex der optischen Faser 24, so daß Licht, welches parallel zu der Kristall-Faser-Zwischenfläche ist, aus der optischen Faser 24 in den doppeltbrechenden Kristall 168 ausgekoppelt wird.
Der Polarisator 30, welcher hier beschrieben wird, ist im wesentlichen identisch zu dem Polarisator, welcher in dem US-Patent 4,386,822 von Bergh offenbart ist.

Der Phasenmodulator 42

Bezugnehmend auf Fig. 9 umfaßt der Phasenmodulator 42 ein Paar von Elektroden 100 und 102, welche an dem Lithium-Niobat-Chip 36 ausgebildet sind. Die Elektrode 100 befindet sich direkt über der Wellenführung 8, die Elektrode 102 ist seitlich von der Elektrode 100 versetzt. Eine Spannungsquelle 104 ist mit den Elektroden 100 und 102 verbunden, um ein elektrisches Feld in dem Wellenleiter 38 auszubilden.
Wie in Fig. 9 gezeigt, ist das elektrische Feld in dem Wellenleiter 38 primär vertikal. Der Wellenleiter 38 hat einen Brechungsindex n = n&sub0; + n&sub1; (E), wobei n&sub0; eine konstante Komponente des Brechungsindex und n&sub1; (E) eine Funktion des aufgebrachten elektrischen Feldes E sind. Da das elektrische Feld in dem Wellenleiter 38 im wesentlichen in der vertikalen Richtung, wie in Fig. 10 dargestellt, ist, beeinflußt nur die vertikale Komponente des Feldes den Brechungsindex. Veränderungen in der Brechung des Wellenleiters 38 bewirken eine Veränderung dessen effektiver optischer Länge. Deshalb schafft die Steuerung des elektrischen Feldes Mittel zur Steuerung der Zeit, welche für eine Lichtwelle erforderlich ist, um in der Wellenführung 38 unter die Elektrode 100 zu gelangen. Die Veränderung der Durchlaufzeit kann als Veränderung in der Phase der Welle gesehen werden. Da der Phasenmodulator 42 die Phase von Signalen, welche längs der Kristallhauptachse polarisiert sind, asymmetrisch in dem Wellenleiter 38 moduliert, können nur Wellen, welche längs einer Hauptachse des Wellenleiters 38 moduliert sind, in den Phasenmodulator 42 eintreten.

Die Polarisatoren 44 und 46

Da die Polarisatoren 44 und 46 bevorzugterweise im wesentlichen identisch sind, wird nur der Polarisator 44 hier im Detail beschrieben. Bezugnehmend auf Fig. 10 ist ein Metallstreifen 106 an dem Lithium-Niobat-Chip 36 über den Wellenleiter 36 angeordnet. Der Metallstreifen 106 ist bevorzugterweise aus Aluminium ausgebildet. Eine dielektrische Pufferschicht 112 ist zwischen dem Streifen 106 und dem Lithium-Niobat-Chip 36. Der Polarisator 44 leitet die horizontal polarisierte Komponente des einfallenden Lichtes und dämpft die vertikal polarisierte Komponente.

Die eine Polarisation aufrechterhaltende Faser

Eine eine Polarisation aufrechterhaltende Faser weist Brechungsindizes auf, welche sich signifikant für unterschiedliche Polarisationen unterscheiden. Da der Lichteingang in die Faser 16 Polarisationskomponenten längs beider Faserachsen aufweist, werden sich diese beiden Polarisationen in der Faser ohne Mischung untereinander ausbreiten. Die eine Polarisation aufrechterhaltenden Fasern 24, 34 und 40 können durch eine Vielzahl von Techniken hergestellt werden, welche nachfolgend beschrieben werden. Da alle der eine Polarisation aufrechterhaltenden Fasern im wesentlichen identisch sind, bezieht sich die nachfolgende Beschreibung derartiger Fasern nur auf die Faser 24.
Da die Geschwindigkeit des Lichts in der Faser 24 v = c/n ist, wobei c die Geschwindigkeit des Lichts in einem Vakuum und n der Brechungsindex der Faser für die zu betrachtende spezielle Polarisation sind, weisen die beiden Polarisationen unterschiedliche Geschwindigkeiten in der Faser auf. Die langsamere Welle hat eine Geschwindigkeit vs = c/n&sub1; und die schnellere Welle eine Geschwindigkeit vf = c/n&sub2;, wobei n&sub2; < n&sub1; ist.
Eine Art der eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser weist einen ummantelten Kern 200 und eine diesen umgebende Hülle 202 auf, wie in Fig. 15 gezeigt. Der Kern 200 weist unterschiedliche Brechungsindizes für Wellen unterschiedlicher Polarisation auf, so daß die Ausbreitungskonstanten des Kerns polarisationsabhängig sind. Die Umhüllung 202 weist bevorzugterweise einen Brechungsindex auf, welcher geringer ist als die beiden Brechungsindizes des Kerns. Der Kern 200 und die Hülle 202 können Brechungsindizes derart haben, daß der Index der Hülle größer ist als ein Kernindex und kleiner als der andere. Derartige Fasern werden manchmal als Polarisationsfasern bezeichnet. Licht, welches auf eine Zwischenfläche zwischen zwei ungleichartige Dielektrika von dem Material auftrifft, welches den größeren Brechungsindex hat, wird intern reflektiert, wenn der Einfallswinkel größer ist als der kritische Winkel. Deshalb leitet die eine Polarisation aufrechterhaltende Faser Licht beider Polarisationen. Da die Ausbreitungskonstanten des Kerns unterschiedlich oder nicht-entartet für die beiden Polarisationen sind, wird Energie nicht leicht zwischen diesen gekoppelt. Deshalb erfährt Licht, welches durch die eine Polarisation aufrechterhaltende Faser 24 ausgebreitet wird, keine Veränderung der Polarisation.
Ein Kern mitdoppeltbrechenden Eigenschaften kann synthetisiert werden durch geeignete Auswahl von Materialien für die Schicht 208 und 207, um spezielle Brechungsindizes zu haben und durch geeignete Auswahl der fraktionellen Dicken f&sub1; und f&sub2;, wie in Fig. 16 dargestellt. Bezugnehmend auf Fig. 15 umfaßt der Kern 200 Schichten 218-220 eines ersten Materials und Schichten 222 und 223 eines zweiten Materials, welches einen Brechungsindex aufweist, welcher sich von dem ersten Material unterscheidet. Der Kern 200 kann viele Schichten der beiden Materialien umfassen, zur übersichtlicheren Erläuterung und Darstellung sind jedoch nur die fünf Schichten 218-220 und 222 und 223 dargestellt.
Der Kern 200 ist mit einem kreisförmigen Querschnitt, wie bei den meisten optischen Fasern gezeigt. Die Materialien, welche den Kern 200 und die Hülle 202 umfassen, sind so gewählt, daß die Kern-Brechungsindizes für eine Polarisation längs der Z-Achse und der Y-Achse größer sind als der Index der Hülle 202. Deshalb verbleibt eine Welle, welche längs der Z-Richtung polarisiert ist und in die Form-Faser 24 eingeleitet wird, in der Z-Richtung polarisiert.
Anders als normale optische Fasern wird die doppeltbrechende Singlemode-Formfaser 24 den polarisierten Zustand einer sich in dieser ausbreitenden Welle beibehalten. In der Faser 24 ist der Unterschied zwischen den Brechungsindizes für die beiden Polarisationen ausreichend groß, so daß ein wesentlicher Unterschied zwischen den Ausbreitungskonstanten von Wellen, welche die beiden orthogonalen Polarisationen aufweisen, vorliegt. Der Unterschied zwischen den Ausbreitungskonstanten eliminiert die Degeneration zwischen den Polarisationszuständen und verhindert, daß sich Wellen einer Polarisation unter üblichen Bedingungen mit der anderen Polarisation koppeln. Eine Kopplung von Energie zwischen den Wellen erfordert, daß die Wellen im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit haben. Wenn die Geschwindigkeiten unterschiedlich sind, liegt keine bemerkbare Kopplung zwischen den beiden Zuständen vor.
Bezugnehmend auf Fig. 16 umfaßt ein Verfahren zur Herstellung einer eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser der in Fig. 15 gezeigten Art zuerst ein Ausbilden eines Stabes 206 von abwechselnden Schichten von Materialien 208 und 209, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Der Stapel 206 wird erwärmt, um einen im wesentlichen monolithischen Block zu bilden. Der Block kann dann durch eine Abfolge von Formen gezogen werden oder auf andere Weise durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren verlängert werden, um seine Dimensionen auf Werte zu reduzieren, welche zur Verwendung als der Kern 200 geeignet sind. Vor dem Ziehen kann der Block geschliffen werden, um einen Zylinder zu bilden, um einen Kern zu erzeugen, welcher einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Eine Umhüllung mit einem Brechungsindex kleiner als beide Brechungsindizes des Kerns 200 kann zu diesem mittels einer von mehreren Standardtechniken zugeführt werden, wie beispielsweise Aufschmelzen von einer Menge an Siliziumdioxid, SiO&sub2;, auf den Kern, Kollabieren einer SiO&sub2;-Röhre auf den Kern oder durch reaktive Ablagerung von SiO&sub2; aus einer gasförmigen Mischung.
GeO&sub2; (n&sub2; = 1,593) kann als Hoch-Index-Komponente und SiO&sub2; als Niedrig-Index-Komponente in dem Stapel 206 verwendet werden. Sowohl Silizium als auch Germanium werden in praktisch allen Singlemode- und Multimodefasern wegen ihres geringen Verlustes und ihrer physikalischen Kompatibilität verwendet. Inhomogen kombiniert mit geeigneten fraktionierten Dicken bilden sie einen Kern 20, wobei sowohl nz als auch ny groß genug sind, um durch geschmolzenes Silizium eingehüllt zu werden.
Es können gut eingeführte optische Herstellungstechniken verwendet werden, um die SiO&sub2;-Platten aus einer reinen Masse von SiO&sub2; zu formen. Die GeO&sub2;-Komponente kann zu dünn sein, um durch mechanische Fabrikationstechniken hergestellt zu werden. Die GeO&sub2;-Schicht kann durch Sputtern eines GeO&sub2;- Films auf ein SiO&sub2;-Substrat hergestellt werden. Die GeO&sub2;- Schicht kann auch durch Beschichten des SiO&sub2; mit einer Schicht von Ge und Oxydieren derselben zu GeO&sub2; in einem Röhrenofen erzeugt werden.
Andere Typen von hoch-doppeltbrechenden Fasern, welche geeignet sind zur Verwendung als eine eine Polarisation aufrechterhaltende Faser 24 sind in den folgenden US-Patenten offenbart:
US-Patent 4,549,781, ausgegeben am 29.10.1985 an Bhagavatula et al. für einen eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Single-Mode-Wellenleiter;
US-Patent 4,529,426, ausgegeben am 16.07.1985 an Pleibel et al. für ein Verfahren zur Herstellung von hoch-doppeltbrechenden Fasern;
US-Patent 4,465,336, ausgegeben am 14. August 1984 an Huber et al. für einen Wellenleiter und ein Verfahren zur Herstellung desselben; und
US-Patent 4,561,871, ausgegeben am 31.12.1985 an Berkey für ein Verfahren zur Herstellung einer eine Polarisation bewahrenden optischen Faser.

Betriebsweise

Die Vorteile der Verwendung einer PM-Faser können vergegenwärtigt werden, wenn die PM-Faser nur in den Bereichen des Doppelfaser-Optikkreisels zwischen den Punkten A und G und A H verwendet wird. Die Fasersensorwicklung 49 wird weiterhin aus einer kostengünstigen Singlemodefaser hergestellt. Somit weist der Doppelfaser-Optikkreisel 20 die Vorteile einer PM-Faser und die geringen Kosten einer Singlemodefaser auf.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird Licht von der SLD 22 (oder einer anderen Breitbandquelle) in die Faser 24 am Punkt A gekoppelt. Die Richtung der Polarisation des Lichtausgangs von der SLD 22 ist ausgerichtet zu einer der Hauptachsen der Faser 24, wie in Fig. 14 gezeigt. Da die SLD 22 auch eine unpolarisierte optische Komponente abstrahlt, wird einiges unpolarisiertes Licht in die andere Hauptachse der Faser 24 eingekoppelt. Die Hauptachsen der Fasern 24 und 29 an dem Punkt B an dem Koppler 28 sind zueinander ausgerichtet, um eine Polarisationskopplung zu verhindern. Der Koppler 28 kreuzkoppelt bevorzugterweise 50% des auf diesen einfallenden Lichtes von einer der Fasern 24 und 29 in die andere Faser. Die Signale, welche sich in den zwei Hauptachsen zu dem Polarisator 30, welcher bei C angeordnet ist, sind unkorreliert. Die Signale sind in der PM-Faser 24 zwischen den Punkten A bis C dekorreliert, und es gibt im wesentlichen keine Kreuzkopplung zwischen den Punkten A und C.
Der Polarisator 30 leitet die vertikal polarisierte Komponente des Lichtsignales, welches auf diesen eingegeben wird und dämpft die horizontale Komponente des Lichtes. Die Hauptachse der Faser 24 ist in einem Winkel von 45 Grad bezüglich der Achse des Polarisators 30 ausgerichtet. Im wesentlichen das gesamte Licht, welches den Polarisator 30 an dem Punkt C verläßt, wird gleichmäßig zwischen die zwei Hauptachsen der Faser 24 aufgeteilt. Die Korrelation zwischen den Lichtwellen, welche die beiden Polarisationen haben, wird größtenteils reduziert, wenn der Abstand zwischen den Punkten C und D größer ist als eine Depolarisationslänge. Die Depolarisationslänge ist eine Funktion der Fasergruppen-Geschwindigkeitsstreuung und der Quellen-Bandbreite. Üblicherweise ist die Depolarisationslänge ungefähr 12 cm. Der Abstand zwischen den Punkten C und D kann deshalb ungefähr 25 cm sein.
Der Koppler 32 an dem Punkt D teilt die Welle in die Uhrzeigerichtungswelle (CW) und die Gegenuhrzeigerichtungswelle (CCW). Die Hauptachsen der Fasern 32 und 34 am Punkt D des Kopplers 32 sind ausgerichtet, somit wird die Korrelation zwischen den Wellen in den Hauptachsen niedrig gehalten. Die CW-Welle gelangt von der PM-Faser 24 an dem Punkt G zu der Singlemode-Sensorwicklung 49. Nach Ausbreitung durch die Sensorwicklung 49 gelangt die CW-Welle an dem Punkt H in die PM-Faser 48. Die CW- und die CCW-Wellen sind im wesentlichen in der Sensorwicklung 49 unpolarisiert.
Wenn der Doppelfaser-Optikkreisel 20 mit einer offenen Schleife betrieben wird, würde die PM-Faser von dem Punkt H zu dem Koppler 32 verlaufen. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Phasenmodulator, welcher polarisationssensitiv ist, für einen Betrieb mit einer geschlossenen Schleife verwendet. Die PM-Faser 34 und 48 sind jeweils an dem LiNbO&sub3;-Chip 36 an den Punkten E und F gelagert. Die Hauptachsen der ?M-Fasern 34 und 48 sind parallel zueinander ausgerichtet und in einem Winkel von 45º zu den Hauptachsen des optischen Wellenleiters 38. Die beiden Polarisatoren 44 und 46 auf dem Chip 36 wählen die Komponente der Polarisation längs der meist empfindlichen Achse des Phasenmodulators aus. Diese Achse ist als die vertikale Achse dargestellt, es kann jedoch auch die horizontale Achse in zufriedenstellender Weise verwendet werden.
Das CW-Licht wird in dem Polarisator 46 polarisiert, es wird durch den Phasenmodulator 42 phasenmoduliert und am Punkt E in die PM-Faser 34 eingeleitet. Da das Licht mit 45º zu der Hauptachse der Faser 34 wieder eingeleitet wird, werden beide Polarisationsmodi in gleicher Weise erregt; und das Licht wird unpolarisiert, wenn der Abstand zwischen den Punkten D und E größer ist als eine Depolarisationslänge.
Das CCW-Licht wird durch den Polarisator 44 polarisiert, durch den Phasenmodulator 42 phasenmoduliert und an dem Punkt F in die PM-Faser 48 eingeleitet. Der Polarisator des Lichts an dem Punkt F ist in einem Winkel von 45º zu den Hauptachsen der Faser 48 angeordnet.
Das sich ausbreitende CCW-Licht wird depolarisiert, wenn der Abstand zwischen den Punkten F und H größer ist als eine Depolarisationslänge. Das sich ausbreitende CCW-Licht wird an dem Punkt H in die Singlemode-Fasersensorschleife 49 eingeleitet. Die CCW-Welle breitet sich darauf bis G aus, wo sie in die PM-Faser 24 eingeleitet wird, welche die CCW- Welle zu dem Koppler 32 an dem Punkt D führt. Die CW- und CCW-Wellen werden am Punkt D überlagert. Die überlagerten Wellen breiten sich zu dem Punkt C aus, wo die Hälfte des Lichtes durch den Polarisator 30 hindurchgeht. Licht, welches durch den Polarisator 30 durchtritt, breitet sich zu dem Punkt B aus, wo die Hälfte des Lichtes in die Faser 29 eingekoppelt wird, welche das Signal zu einem Fotodetektor 90 führt.
Das System des Doppelfaser-Optikkreisels mit geschlossener Schleife, welches beschrieben wurde, weist einen Verlust von zusätzlichen 9 dB wegen des Depolarisations-Polarisations- Vorganges auf. Wenn das System mit einer offenen Schleife betrieben wird, ist der zusätzliche Verlust nur 6 dB.
Wenn, bezugnehmend auf Fig. 1, der Phasenmodulator 42 in Form eines polarisations-unsensitiven Typs ist, kann auf die Polarisatoren 44 und 46 verzichtet werden. In diesem Falle kann die PM-Faser 34 willkürlich zu den Achsen des Phasenmodulators 42 ausgerichtet werden. Die PM-Faser 48 von den Punkten F bis H wird weggelassen, und die Singlemode-Faser- Sensorwicklung wird direkt zu dem Phasenmodulator 42 gespleißt. Diese Ausgestaltung weist einen zusätzlichen Verlust von 6 dB auf.
Der Doppelfaser-Optikkreisel 20 arbeitet auch gut als Drehsensor, wenn ein Strahl, beispielsweise der CW-Strahl in der Sensorwicklung polarisiert ist und der andere unpolarisiert ist. Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 14 bewirkt eine Drehung der Faser 24, daß am Punkt C die Faserhauptachsen parallel zu der Achse des Polarisator 30 ausgerichtet sind, daß der CW-Strahl, welcher auf die Sensorwicklung 49 aufgebracht wird, polarisiert wird. Der CCW-Strahl verbleibt weiterhin durch das Modul 35 depolarisiert, bevor der Strahl in die Sensorwicklung 49 gelangt. Der CW-Strahl wird depolarisiert, während er sich durch die Faser 48 und das Modul 35 ausbreitet. Deshalb sind die Wellen, welche sich in dem Koppler 30 zur Erzeugung des optischen Ausgangssignals des Systems 10 kombinieren, unpolarisiert.
Anstelle des Phasenmodulators können Frequenzverschieber sowohl polarisations-sensitiv als auch insensitiv oder modellsensitiv oder insensitiv verwendet werden. Wenn ein polarisations-oder modalsensitiver Frequenzverschieber verwendet wird, existiert ein zusätzlicher Verlust von 9 dB. Wenn der Frequenzverschieber polarisations- oder modalinsensitiv ist, wird der zusätzliche Verlust auf nur 6 dB reduziert. Die nachfolgenden Bedingungen der Längen der Fasern von Fig. 1 sind bevorzugterweise zufriedenstellend, um ein Rauschen bedingt durch kohärente Fresnel-Reflexionen zu vermeiden:
DG - DE > Lcoh;
EF > Lcoh;
FH > Lcoh;
DG - DF > Lcoh; und
DG - DH > Lcoh.
Diese Bedingungen werden in der Praxis leicht erreicht, da die kohärente Länge, Lcoh, für typische Superlumineszent- Dioden ungefähr um ist.

Claims

1. Ein Sagnac-Ringdrehsensor, welcher eine Länge einer eine Nicht-Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser umfaßt, welche in einer Sensorwicklung (49) ausgebildet ist; und eine optische Signalquelle (22), welche angeordnet ist, um Licht zu der Sensorwicklung zuzuführen, um einen unpolarisierten Uhrzeigerichtungs-Strahl und einen unpolarisierten Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl auszurichten, einen Phasenmodulator (42) zur Modulation ausgewählter Polarisationskomponenten in dem Uhrzeigerichtungs-Strahl und dem Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl, und einen Detektor (114) zur Ermittlung einer Interferenz zwischen dem Uhrzeigerichtungs-Strahl und dem Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl zur Messung einer Drehung der Sensorwicklung (49), gekennzeichnet durch:

eine Länge einer ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser (24), welche ein Paar von Hauptachsen aufweist;

einen Polarisator (30), welcher eine Übertragungsachse hat, welche in einem Winkel von 45º bezüglich der Hauptachsen der Länge der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) ausgerichtet ist, um der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) ein optisches Signal zuzuführen, welches eine erste lineare Polarisationskomponente aufweist, welche parallel zu einer der Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ist, und eine zweite lineare Polarisationskomponente, welche parallel zu der anderen Hauptachse ist;

eine Länge einer zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser (34), welche optisch mit der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) so gekoppelt ist, daß ein optischer Signaleingang zu der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) sich zwischen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) und der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (34) aufteilt, wobei die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende optische Faser (34) Hauptachsen aufweist, welche parallel zu den Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) sind, wobei Licht, welches in der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) verbleibt einen Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl zum Eingang in die Sensorwicklung (49) ausbildet, und wobei Licht, welches in die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende Faser (34) eingekoppelt ist, einen Uhrzeigerichtungs-Strahl ausbildet;

einen optischen Wellenleiter (38), welcher mit der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser verbunden ist, wobei der optische Wellenleiter (38) Hauptachsen aufweist, welche in einem Winkel von 45º zu den Hauptachsen der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser (34) ausgerichtet sind; und

eine Länge einer dritten optischen Faser, welche zwischen dem optischen Wellenleiter (38) und der Sensorwicklung (49) verbunden ist, wobei die dritte optische Faser (48) Hauptachsen hat, welche parallel zu den Hauptachsen der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (34) sind und in einem 45º Winkel zu den Hauptachsen des optischen Wellenleiters (38) ausgerichtet sind.

2. Der Sagnac-Ringdrehsensor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:

einen ersten Polarisator (44) zur Polarisation des Gegenuhrzeigerichtungs-Strahls in dem optischen Wellenleiter (38) so, daß Signale, welche von der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser auf den Phasenmodulator (42) auftreffen, die korrespondierende ausgewählte Polarisationskomponente haben; und

einen zweiten Polarisator (46) zur Polarisation des Uhrzeigerichtungs-Strahls in dem optischen Wellenleiter (38) so, daß Signale, welche von der Sensorwicklung (49) auf den Phasenmodulator (42) auftreffen, die korrespondierende ausgewählte Polarisationskomponente haben.

3. Drehsensor nach Anspruch 2, wobei der optische Wellenleiter (38) in einem Substrat (36) aus Lithium-Niobat ausgebildet ist, wobei der erste und der zweite Polarisator (44, 46) und der Phasenmodulator (42) auf dem Substrat (36) benachbart zu dem optischen Wellenleiter (38) gelagert sind, wobei der Phasenmodulator (42) zwischen den Polarisatoren (44, 46) angeordnet ist.

4. Verfahren zur Drehmessung, welches einen Sagnac-Ringdrehsensor verwendet, welcher eine Sensorwicklung (49) umfaßt, welche aus einer Länge einer eine Nicht-Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser gebildet wird, welches eine optische Signalquelle (22) verwendet, um Licht auf die Sensorwicklung zu leiten, um einen unpolarisierten Uhrzeigerichtungs-Strahl und einen unpolarisierten Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl auszubilden, welches ausgewählte Polarisationskomponenten in dem Uhrzeigerichtungs-Strahl und dem Gegenuhrzeigerichtungs- Strahl in der Uhrzeigerichtungs-Welle und der Gegenuhrzeigerichtungs-Welle mit einem Phasenmodulator (42) phasenmoduliert, und welches Interferenzmuster zwischen der Uhrzeigerichtungs-Welle und der Gegenuhrzeigerichtungs- Welle mit einem Detektor (114) ermittelt, um eine Drehung der Sensorwicklung (49) zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Länge einer ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) umfaßt, welche ein Paar von Hauptachsen aufweist; wobei das Verfahren das Polarisieren von Lichtstrahlen umfaßt, welche durch die erste eine Polarisation aufrechterhaltende optische Faser (24) geführt wird, mittels eines Polarisators (30), welcher eine Durchgangsachse aufweist, welche in einem Winkel von 45º bezüglich der Hauptachsen der Länge der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) ausgerichtet ist, um ein optisches Signal zu der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) zuzuleiten, welches eine erste lineare Polarisationskomponente aufweist, welche parallel zur einer der Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser ist, und eine zweite lineare Polarisationskomponente, welche parallel zu der anderen Hauptachse ist; sowie die Verwendung einer Länge einer zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser (24), welche optisch mit der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) gekoppelt ist, um einen optischen Signaleingang zu der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) zwischen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) und der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (34) aufzuteilen; wobei die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende optische Faser (34) so angeordnet ist, daß sie Hauptachsen aufweist, welche parallel zur den Hauptachsen der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) ausgerichtet sind, so daß Licht, welches in der ersten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (24) verbleibt, einen Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl zum Eingang in die Sensorwicklung (49) bildet und Licht, welches in die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende optische Faser (34) gekoppelt wird, einen Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl zum Eingang in die Sensorwicklung (49) bildet und Licht, welches in die zweite eine Polarisation aufrechterhaltende Faser (34) gekoppelt wird, einen Gegenuhrzeigerichtungs-Strahl bildet; wobei ein optischer Wellenleiter (38) mit der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser verbunden ist, so daß der optische Wellenleiter (38) Hauptachsen aufweist, welche in einem Winkel von 45º zu den Hauptachsen der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser (34) angeordnet sind; und wobei eine Länge einer dritten optischen Faser (48) zwischen der optischen Wellenführung (38) und der Sensorwicklung (49) so verbunden ist, daß die dritte optische Faser (48) Hauptachsen aufweist, welche parallel zu den Hauptachsen der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden Faser (34) sind und welche mit 45º zu den Hauptachsen des optischen Wellenleiters (38) orientiert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend die Verfahrensschritte:

Polarisieren des Gegenuhrzeigerichtungs-Strahls in dem optischen Wellenleiter (38) mittels eines ersten Polarisators (44), so daß Signale, welche auf den Phasenmodulator (42) von der zweiten eine Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser auftreffen, die korrespondierende ausgewählte Polarisation haben;

Polarisieren des Gegenuhrzeigerichtungs-Strahls in dem optischen Wellenleiter (38) mittels eines zweiten Polarisators (46), so daß Signale, welche von der Sensorwicklung (49) auf den Phasenmodulator (42) auftreffen, die korrespondierende ausgewählte Polarisation haben.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der optische Wellenleiter (38) in einem Substrat (36) aus Lithium-Niobat ausgebildet ist; und bei welchem der erste und der zweite Polarisator (44, 46) und der Phasenmodulator (42) an dem Substrat (36) benachbart zu dem optischen Wellenleiter (38) gelagert sind, wobei der Phasenmodulator (42) zwischen den Polarisatoren (44, 46) angeordnet ist.