DE69106289T2

DE69106289T2 - Optischer Faserkreisel.

Info

Publication number: DE69106289T2
Application number: DE69106289T
Authority: DE
Inventors: Shinji Motohara; Aritaka Ohno
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2011-09-20
Also published as: EP0476673A1; JPH0814492B2; US5136667A; EP0476673B1; CA2051875C; DE69106289D1; JPH04130213A; CA2051875A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtwellenleiter-Gyroskop mit einer Spule oder Schleife aus einem Monomoden-Lichtwellenleiter, durch die sich ein rechtsseitiger Lichtstrahl und ein linksseitiger Lichtstrahl als ein Uhrzeiger-Lichtstrahl bzw. ein Gegenuhrzeiger-Lichtstrahl ausbreiten, und welches eine Winkelgeschwindigkeit- oder rate, der die Lichtwellenleiterspule um ihre Achse ausgesetzt ist, dadurch erfaßt, daß eine Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen ermittelt wird. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Lichtwellenleiter- Gyroskop, das einen Depolarisator zur Entfernung des Einflusses einer Änderung der Polarisation des Lichts einsetzt, welche in der Lichtwellenleiterspule hervorgerufen wird.
Fig. 1 zeigt eine grundsätzliche Anordnung eines herkömmlichen Fasergyroskops. Von einer Lichtquelle 11 emittiertes Licht durchläuft einen optischen Koppler 12, etwa einen Lichtwellenleiter-Koppler, und tritt in einen Polarisator 13 ein, von dem eine polarisierte Lichtkomponente mit nur einer vorbestimmten Polarisationsrichtung entnommen wird. Das Licht von dem Polarisator 13 wird mittels eines optischen Spalters/Kopplers 14, etwa eines Lichtwellenleiter-Kopplers, in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt, von denen einer als rechtsseitiger Lichtstrahl über einen Depolarisator 1 5 einem Ende einer Monomoden-Lichtwellenleiter-Spule oder -schleife 16 eingegeben wird, während der andere als linksseitiger Lichtstrahl über einen optischen Phasenmodulator 17 dem anderen Ende der Lichtwellenleiter-Spule 16 eingegeben wird. Der rechtsseitige Lichtstrahl und der linksseitige Lichtstrahl kehren nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter-Spule 16 zu dem optischen Spalter/Koppler 14 zurück, von dem sie zusammengeführt werden, und interferieren miteinander. Das resultierende Interferenzlicht tritt in den Polarisator 13 ein, von dem eine polarisierte Lichtkomponente nur einer vorbestimmten Polarisationsrichtung entnommen wird, und das Licht, das den Polarisator 13 durchlaufen hat, wird von dem optischen Koppler 12 aufgeteilt oder abgezweigt und wird dann einem Fotodetektor 18 geliefert, in welchem es zu einem seiner Intensität entsprechenden elektrischen Signal umgesetzt wird. Ein optischer Phasenmodulator 17 wird von einem Signal einer periodischen Funktion, beispielsweise einem Sinuswellensignal, von einem Modulationssignalgenerator 19 angesteuert, und das den optischen Phasenmodulator 17 durchlaufende Licht wird phasenmoduliert. Das Ausgangssignal des Fotodetektors 18 wird an einem Synchrondetektor 21 angelegt, wo es mittels eines Referenzsignals von dem Modulationssignalgenerator 19 synchron-detektiert wird. Das Detektorausgangssignal wird einem Ausgangsanschluß 22 geliefert.
In dem Fall, daß die Lichtwellenleiter-Spule 16 keiner Winkelgeschwindigkeit um ihre Achse ausgesetzt ist, besteht keine Phasendifferenz zwischen dem rechtsseitigen Lichtstrahl und dem linksseitigen Lichtstrahl, nachdem diese die Lichtwellenleiter-Spule 16 durchlaufen haben, und das Ausgangssignal des Synchrondetektors 21 ist entsprechend null. Wenn die Lichtwellenleiter-Spule 16 einer Winkelgeschwindigkeit um ihre Achse ausgesetzt ist, tritt entsprechend eine Phasendifferenz zwischen dem rechtsseitigen Lichtstrahl und dem linksseitigen Lichtstrahl auf und der Synchrondetektor 21 erzeugt ein Ausgangssignal einer Polarität und eines Pegels entsprechend der Richtung und Größe der ausgeübten Winkelgeschwindigkeit. So kann die Winkelgeschwindigkeit ermittelt werden.
Auf diese Weise ermittelt das Lichtwellenleiter-Gyroskop die Phasendifferenz zwischen dem rechtsseitigen Lichtstrahl und dem linksseitigen Lichtstrahl, jedoch wird während des Durchlaufens des jeweiligen Lichtstrahls durch die Lichtwellenleiter-Spule 16 eine Polarisationskomponente von ihm (senkrechte Komponente) erzeugt, deren Polarisationsrichtung senkrecht zu der der ursprünglich polarisierten Lichtkomponente (Originalkomponente) ist, welche der Lichtwellenleiter-Spule 16 eingegeben wurde. Da die Lichtwellenleiter-Spule leicht doppelbrechend ist, unterscheiden sich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der senkrechten Komponente und der Originalkomponente durch die Lichtwellenleiter-Spule 16 voneinander. Wenn demgemäß der rechtsseitige Lichtstrahl und der linksseitige Lichtstrahl, die sich je aus der Originalkomponente und der senkrechten Komponente zusammensetzen, von dem optischen Spalter/Koppler 14 zusammengeführt werden, und die Originalkomponente (oder die senkrechte Komponente) des rechtsseitigen Lichtstrahls mit der senkrechten Komponente (oder der Originalkomponente) des linksseitigen Lichtstrahls interferiert, dann ist es unmöglich, die Phasendifferenz zwischen dem rechtsseitigen Lichtstrahl und dem linksseitigen Lichtstrahl richtig zu erfassen.
Um dies zu vermeiden, setzt der Stand der Technik den Depolarisator 15 ein, durch den die beiden polarisierten Lichtkomponenten jeweils des rechtsseitigen und des linksseitigen Lichtstrahls hinsichtlich ihrer Intensität gleichgemacht werden und eine beträchtliche Phasendifferenz zwischen ihnen vorhanden ist, so daß sie sich in einem Zustand befinden, daß sie nicht miteinander korreliert sind oder interferieren (d. h. einem unpolarisierten Zustand), damit eine Interferenz zwischen der einen polarisierten Lichtkomponente des rechtsseitigen Lichtstrahls und der anderen polarisierten Lichtkomponente des linksseitigen Lichtstrahls verhindert wird.
Der Depolarisator 15 ist gewöhnlich ein Lyot-Depolarisator mit doppelbrechenden Monomoden- fasern (siehe beispielsweise Böhm et al., IEEE, Band LT-1, Nr. 1, März 1983, Seite 71), der in Fig. 2 gezeigt ist. Der Lyot-Depolarisator besteht aus zwei doppelbrechenden Fasern 23 und 24 mit unterschiedlichen Längen L&sub1; und 2L&sub1;, die so miteinander verspleißt sind, daß ihre senkrechten Hauptachsen X&sub1;, Y&sub1; und X&sub2;, Y&sub2; an der Verbindungsstelle zwischen ihnen 45º zueinander verlaufen. Damit der Depolarisator jegliches in ihn einfallendes Licht zu unpolarisiertem Licht macht, ist es nötig, daß die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind:
(a) Das Verhältnis zwischen den Intensitäten der beiden polarisierten Lichtkomponenten ist für jeden der von dem Depolarisator emittierten Lichtstrahlen gleich. Diese Bedingung kann dadurch erfüllt werden, daß die Lichtwellenleiter oder optischen Fasern 23 und 24 so miteinander verbunden werden, daß an der Verbindungsstelle zwischen ihnen ihre Hauptachsen um 45º zueinander versetzt sind.
(b) Zwischen den beiden polarisierten Komponenten jedes der von dem Depolarisator emittierten Lichtstrahlen besteht keine Korrelation (oder keine Kohärenz). Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Differenz zwischen der Ausbreitungszeit durch die optische Faser 23 der Länge L&sub1; der Lichtkomponente, die in Richtung der Achse X&sub1; polarisiert ist, und derjenigen der Lichtkomponente, die in Richtung der Achse Y&sub1; polarisiert ist, größer ist als die Kohärenzzeit von Licht. In diesem Fall muß die optische Faser 23 die Länge L&sub1; aufweisen, die diese Bedingung erfüllt.
Die Bedingung (b) ist durch folgende Gleichung gegeben.
wobei Δβ die Differenz der Ausbreitungszeit pro Längeneinheit zwischen dem in X-Achsen- Richtung polarisierten Licht und dem in Y-Achsen-Richtung polarisierten Licht in der doppelbrechenden Faser ist (d. h. die Doppelbrechung pro Längeneinheit), Ic die Kohärenzlänge von Licht ist (Kohärenzzeit x Lichtgeschwindigkeit) und λ die Lichtwellenlänge ist.
Da der Depolarisator 15 dazu verwendet wird, den rechtsseitigen Lichtstrahl zu inkohärenten X- Achsen- und Y-Achsen-Komponenten sowie den linksseitigen Lichtstrahl zu inkohärenten X- Achsen- und Y-Achsen-Komponenten zu konvertieren, wie oben beschrieben, interferieren die X-Achsen-Komponente des rechtsseitigen Lichtstrahls und die Y-Achsen-Komponente des linksseitigen Lichtstrahls, die von dem optischen Spalter/Koppler 14 zusammengeführt werden, nicht miteinander und genausowenig interferieren die Y-Achsen-Komponente des rechtsseitigen Lichtstrahls und die X-Achsen-Komponente des linksseitigen Lichtstrahls miteinander, während aber die X-Achsen-Komponenten des rechtsseitigen Lichtstrahls und des linksseitigen Lichtstrahls miteinander interferieren und ebenso die Y-Achsen-Komponenten des rechtsseitigen Lichtstrahls und des linksseitigen Lichtstrahls miteinander interferieren. Eines dieser Interferenzlichtteile wird mittels des Polarisators 13 entnommen und dann an den Fotodetektor 18 geliefert, so daß folglich der Betrieb des Lichtwellenleiter-Gyroskops unbeeinflußt von der Doppelbrechung der Lichtwellenleiter-Spule 16 ist.
In Electronics Letters, 12. April 1984, Bd. 20, Nr. 8, S. 332, ist die Nullpunkt-Stabilität des Ausgangssignals des Lichtwellenleiter-Gyroskops mit dem obigen Aufbau durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
wobei E ein Amplitudenstreukoeffizient des Polarisators 13 ist, η die Polarisation von Licht ist, das von dem optischen Spalter/Koppler 14 zusammengeführt ist, eine Verbesserung des Drehwinkels des Lichtwellenleiters in bezug auf den Polarisator 13 ist und Φ&sub0; ein Phasenfehler des Lichtwellenleiter-Gyroskops zwischen dem rechtsseitigen Lichtstrahl und dem linksseitigen Lichtstrahl (die Nullpunktstabilität des Lichtwellenleiter-Gyroskops Ausgangssignals) ist.
Um aus Gleichung (2) die Nullpunkt-Stabilität Φ&sub0; = 1 x 10&supmin;&sup6; rad oder so zu erhalten, die für ein Lichtwellenleiter-Gyroskop mittlerer Genauigkeit erforderlich ist, ergibt sich, wenn &epsi; = 0,01 und = 0,01 als typische Werte verwendet werden, η = 0,014, und es ist nötig, die Polarisation des Ausgangslichts gering zu machen.
Der Depolarisator 15 wird dazu verwendet, die Polarisation des Ausgangslichts der Lichtwellenleiter-Spule 16 zu reduzieren, in der Praxis ist es aber erwünscht, den Durchmesser der Lichtwellenleiter-Spule 16 zu verringern. Das Biegen oder Verdrillen der Lichtwellenleiter-Spule kann darin manchmal eine Doppelbrechung hervorrufen, die eine Zunahme der Polarisation η des Ausgangslichts bewirkt. Das heißt, selbst wenn die X-Achsen- und die Y-Achsen-Lichtkomponenten mittels des Depolarisators 15 stark phasenversetzt werden, kann die Doppelbrechung in der Lichtwellenleiter-Spule 16 manchmal zur Verringerung der Phasendifferenz zwischen den Komponenten beitragen, was die Verschlechterung der Nullpunkt-Stabilität des Lichtwellenleiter-Gyroskops nach sich zieht.
Gemäß Springer-Verlag "Fiber Optic Rotation Sensor and Related Technology", 1982, Seiten 52 - 77, wird eine Doppelbrechung Δβ' = C (r/R) in einem Monomoden-Lichtwellenleiter durch dessen Krümmung mit einem Radius R hervorgerufen, wobei C = 1,34 x 10&supmin;&sup6; rad/m und r der Radius des Lichtwellenleiters sind.
Das Dokument US-A-4,712,306 offenbart ein Lichtwellenleiter-Gyroskop gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dieser Stand der Technik verwendet einen Depolarisator, der aus zwei doppelbrechenden optischen Fasern besteht, und schlägt vor, daß jede der beiden Fasern eine Länge von 1 % der Länge der Lichtwellenleiter-Spule haben sollte, damit der Depolarisator lang genug ist, damit die Doppelbrechung der optischen Fasern des Depolarisators ausreichen, um die Rest-Doppelbrechung der Lichtwellenleiter-Spule zu übertreffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lichtwellenleiter-Gyroskop zu schaffen, bei dem keine Interferenz zwischen sich senkrecht schneidenden Polarisationskomponenten jedes von einem rechtsseitigen und einem linksseitigen Lichtstrahl auftritt, und das eine ausgezeichnete Nullpunkt-Stabilität aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem Lichtwellenleiter-Gyroskop, wie beansprucht, gelöst.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein herkömmliches Lichtwellenleiter-Gyroskop zeigt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Depolarisators;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4A ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel des Nullpunkt-Ausgangssignals des Lichtwellenleiter-Gyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4B ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel des Nullpunkt-Ausgangssignals des herkömmlichen Lichtwellenleiter-Gyroskops zeigt;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das den wesentlichen Teil einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 3 zeigt in Blockform eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Teile, die solchen in Fig. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszahlen identifiziert sind. Diese Ausführungsform ist im Aufbau mit dem vorgenannten und in Fig. 1 gezeigten Beispiel des Standes der Technik mit Ausnahme des Depolarisators selbst identisch.
Die für den Depolarisator 25 gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlichen Bedingungen sind die gleichen, wie die vorgenannten Bedingungen (a) und (b), die für den bekannten Depolarisator 15 erforderlich sind, mit der Ausnahme, daß die Gleichung (1) in der Bedingung (b) durch die folgenden Gleichung (3) ersetzt ist
wobei Δβ die Doppelbrechung pro Längeneinheit der doppelbrechenden Faser des Depolarisators 25 ist (falls eine Schwebungslänge IB verwendet wird, Δβ = 2π/IB), Δβ' die Doppelbrechung pro Längeneinheit des Monomoden-Lichtwellenleiters ist, der die Lichtwellenleiter-Spule 16 bildet, und L&sub0; die Länge der Lichtwellenleiter-Spule 16 ist.
Das heißt, die Differenz zwischen der Differenz der Ausbreitungszeiten der X-Achsen- und der Y-Achsen-Lichtkomponenten, die durch die Doppelbrechung der Lichtwellenleiter-Spule 16 erzeugt werden, wenn beide Lichtkomponenten diese durchlaufen, und der Differenz der Ausbreitungszeiten der X-Achsen- und der Y-Achsen-Lichtkomponenten, die von der Doppelbrechung des Depolarisators 25 erzeugt werden, wenn beide Lichtkomponenten diesen durchlaufen, ist größer als die Kohärenzzeit des Lichts, und der rechtsseitige Lichtstrahl und der linksseitige Lichtstrahl, die die Lichtwellenleiter-Spule 16 durchlaufen und von dem optischen Spalter/Koppler 14 zusammengeführt werden, weisen keine Korrelation (d. h. keine Kohärenz) zwischen ihren senkrecht zueinander polarisierten Lichtkomponenten auf.
Zum Vergleich mit Gleichung (1) kann Gleichung (3) wie folgt umgeschrieben werden:
Bei der Ausführungsform von Fig. 3 ist der in Fig. 2 gezeigte Lyot-Depolarisator länger gemacht als im Stand der Technik, um die Bedingung von Gleichung (3) (oder (3')) zu erfüllen. Im Falle beispielsweise, wo L&sub0; = 350 m, IB = 2 mm, Δβ' = 5 rad/m, Ic = 50 um und λ = 0,83 um, beträgt die Länge L&sub1; der optischen Faser 23 beim Stand der Technik 12 cm oder mehr, während bei dieser Ausführungsform die Länge L&sub1; 67 cm oder mehr ist.
Eine Nullpunkt-Drift des Ausgangssignals des in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Lichtwellenleiter-Gyroskops ist relativ groß, wie in Fig. 4B gezeigt, während die Nullpunkt-Drift bei der Ausführungsform von Fig. 3, die den Depolarisator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, weniger als 1/10 derjenigen des herkömmlichen Gyroskops ist, wie in Fig. 4A gezeigt.
Der Depolarisator 25 kann in irgendeinem Teil der Schleife, beginnend mit dem optischen Spalter/Koppler 14 und zu diesem über die Lichtwellenleiter-Spule 16 zurückkehrend, beispielsweise in der Mitte der Lichtwellenleiter-Spule 16 angeordnet werden, wie in Fig. 5 gezeigt. Obwohl bei dem obigen Depolarisator 25 die Länge L&sub1; des Lichtwellenleiters oder der optischen Faser 23 groß gemacht ist, um die Bedingungen der Gleichung (3) zu erfüllen, kann auch die Schwebungslänge IB verringert werden. Alternativ ist es möglich, die Kohärenzlänge Ic des Lichts zu verringern, den Radius der Lichtwellenleiter-Spule 16 groß zu machen (d. h. die Doppelbrechung Δβ' zu verringern), oder die Länge L&sub0; der Schleife zu verringern. Der Depolarisator 25 kann unter Verwendung eines doppelbrechenden Kristalls sowie optischer Fasern ausgebildet werden. Während die obige Erfindung in Anwendung auf ein Lichtwellenleiter-Gyroskop mit offenem Kreis (ungeregelt) beschrieben wurde, ist die Erfindung auch auf ein Lichtwellenleiter- Gyroskop mit geschlossenem Kreis (geregelt) anwendbar.
Da, wie oben beschrieben, gemäß der vorliegenden Erfindung die Gleichung (3) in der Bedingung (b) die Länge L&sub1; des Lichtwellenleiters (der optischer Faser) 23 des Polarisators, die erforderlich ist, wenn ein Lichtstrahl durch die Kombination von Depolarisator und einer Monomoden-Lichtwellenleiter-Spule gelaufen ist, definiert, ändert sich die Polarisation von Ausgangslicht des Depolarisators nicht, selbst wenn es durch eine Monomoden-Lichtwellenleiter- Spule läuft, und des besteht keine Möglichkeit der Interferenz zwischen sich senkrecht schneidend polarisierten Komponenten jedes von einem rechtsseitigen und einem linksseitigen Lichtstrahl. Daher ist das Lichtwellenleiter-Gyroskop der vorliegenden Erfindung ausgezeichnet im Hinblick auf die Nullpunkt-Stabilität und gestattet damit eine korrekte Messung der Eingangswinkelgeschwindigkeit.
Es ist ersichtlich, daß viele Modifikationen und Variationen ausgeführt werden, ohne den Rahmen des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung, so wie sie beansprucht wird, zu verlassen.

Claims

1. Lichtwellenleiter-Gyroskop, umfassend

eine Lichtquelle (11),

eine Monomoden-Lichtwellenleiter-Spule (16),

eine optische Spalter/Koppler-Einrichtung (14) zum Aufteilen des Lichts von der Lichtquelle (11) in zwei Lichtstrahlen, die in die beiden Enden der Lichtwellenleiter-Spule (16) als ein rechtsseitiger Lichtstrahl bzw. ein linksseitiger Lichtstrahl einfallen, und zum Koppeln des rechtsseitigen Lichtstrahls und des linksseitigen Lichtstrahls, die die Lichtwellenleiter-Spule durchlaufen haben, damit sie miteinander interferieren,

einen optischen Koppler (12) zum Abzweigen des Interferenzlichts zu einem Fotodetektor (18) zur Umsetzung der Intensität des Interferenzlichts in ein elektrisches Signal und

einen Depolarisator (25) bestehend aus einem ersten und einem zweiten, tandem-verbundenen doppelbrechenden Lichtwellenleiter (23, 24), die so miteinander verspleißt sind, daß ihre Hauptachsen 45º zueinander stehen, wobei der Depolarisator (25) in Reihe in eine Schleife eingeschlossen ist, die die Lichtwellenleiter-Spule (16) enthält und durch die sich jeweils der rechtsseitige und der linksseitige Lichtstrahl von der optischen Spalter/Koppler-Einrichtung (14) und zu dieser zurück durch die Lichtwellenleiter-Spule (16) fortpflanzen,

wobei eine Winkelgeschwindigkeit, der die Lichtwellenleiter-Spule (16) um ihre Achse ausgesetzt ist, anhand des elektrischen Signals erfaßt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite doppelbrechende Lichtwellenleiter (23, 24) eine Länge L&sub1; bzw. 2L&sub1; aufweisen und die folgende Gleichung erfüllt ist:

wobei Δβ die Doppelbrechung pro Längeneinheit des ersten und des zweiten doppelbrechenden Lichtwellenleiters (23, 24) ist, λ und Ic die Wellenlänge bzw. die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts sind und L&sub0; und Δβ' die Länge bzw. die Doppelbrechung pro Längeneinheit des die Lichtwellenleiter-Spule (16) bildenden Lichtwellenleiters sind.

2. Lichtwellenleiter-Gyroskop nach Anspruch 1, bei dem der Depolarisator (25) zwischen die optische Spalter/Koppler-Einrichtung (14) und ein Ende der Lichtwellenleiter-Spule (16) eingefügt ist.

3. Lichtwellenleiter-Gyroskop nach Anspruch 1, bei dem der Depolarisator (25) in einen Zwischenteil des Monomoden-Lichtwellenleiters eingefügt ist, der die Lichtwellenleiter- Spule (16) bildet.

4. Lichtwellenleiter-Gyroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem eine Polarisationseinrichtung (13) zwischen die optische Spalter/Koppler-Einrichtung (14) und den optischen Koppler (12) eingefügt ist.