DE69107549T2

DE69107549T2 - Optischer Faserkreisel.

Info

Publication number: DE69107549T2
Application number: DE69107549T
Authority: DE
Inventors: Takaki Iwashita; Yozo Nishiura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1991-08-16
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2011-08-17
Also published as: DE69107549D1; KR960007746B1; EP0474389A1; US5245407A; CA2049382A1; US5371595A; CA2049382C; EP0474389B1; KR920004842A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Kreisel zur Messung der Winkelgeschwindigkeiten von Autos, Flugzeugen, Schiffen oder anderen sich bewegenden Objekten, speziell auf einen phasenmodulierten faseroptischen Kreisel.
Ein faseroptischer Kreisel ist ein Meßgerät zur Messung einer Winkelgeschwindigkeite unter Anwendung des Prinzips, daß die Phasendifferenz zwischen zwei Lichtwellen, die sich rechtsdrehend (im Uhrzeigersinn) bzw. linksdrehend in einer Faserwendel fortgepflanzt haben, proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Faserwendel ist. "Phasenmodulation" bedeutet, daß die Phase der Lichtwellen, die sich in der optischen Faser ausbreiten, durch Auseinander- und Zusammenziehen eines Teils der optischen Faser nahe eines Endes der Faserwendel moduliert wird. Die beiden Lichtwellen - die rechtsdrehende und die linksdrehende Lichtwelle - interferieren miteinander an einer Eingangs-Oberfläche des Photodetektors. Die Modulations-Drehfrequenz wird mit-bezeichnet. Die Intensität des Interferenzlichtes, das durch den Photodetektor nachgewiesen wird, enthält eine unendliche Reihe eines Basis-Signals einer ersten Modulationsordnung und von Harmonischen höherer Modulationsordnung, die Schwingungsanteile der Frequenz n Ω (n: ganze Zahl) und Koeffizienten von Bessel-Funktionen haben.
Somit wird das Basis-Signal oder eine beliebige Ordnung von Harmonischen durch phasenempfindlichen Nachweis des Ausgangssignals des Photodetektors unter Verwendung von Trägersignalen der Modulationsfrequenz oder der mit einer ganzen Zahl multiplizierten Modulationsfrequenz erhalten. Die Amplituden der ungeradzahligen harmonischen Komponenten (unter Einfluß des Basis-Signals) im Photodetektorsignal wird geschrieben als
worin E&sub1; und E&sub2; die Amplituden der rechtsdrehenden Lichtwelle und der linksdrehenden Lichtwelle, J2m+1(ξ) eine Bessel-Funktion der (2m + 1)-ten Ordnung und Δθ die Phasendifferenz zwischen dem sich rechtsdrehend Fortpflanzenden und dem sich linksdrehend Fortpflanzenden ist. "ξ", das die Modulationsintensität bezeichnet, ist gegeben durch
ξ = 2 b sin ( Ω Ln/2c) (2)
worin b die Amplitude der Modulationsphase, Ω die Drehfrequenz der Modulation, L die Länge der Faserwendel, n ein Brechungsindex der optischen Faser und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Die Amplitude der harmonischen Komponente zweiter Ordnung wird geschrieben als worin J2n(ξ) eine Bessel-Funktion der 2n-ten Ordnung ist. Alle Harmonischen enthalten die Phasendifferenz Δθ. Die Harmonischen geradzahliger Ordnung enthalten cos Δθ, während die Harmonischen der ungeradzahligen Ordnung sin Δθ enthalten. Wenn die Amplitude des Lichtes und die Modulationsstärke stabil genug sind, wird der Phasenunterschied Δθ allein aus der Basiswellen-Komponente erhalten.
Um die Modulationsstärke ξ auf einem konstanten Wert zu halten, sollte die Ansteuerungsschaltung des Phasenmodulators so gesteuert werden, daß die Amplitude der zugehörigen ungeradzahligen harmonischen Komponente Null ist. So wird ξ auf den Nullpunkt ξ festgehalten werden, wenn die 2n-te Ordnung der Bessel-Funktion J2n(ξ ) = 0 ist. Wenn die Modulationsstärke ξ konstant ist, sind alle in der Reihe des Ausgangssignals enthaltenen Bessel-Funktionen konstante, bekannte Werte.
Wenn die Amplituden der sich rechtsdrehend oder linksdrehend fortpflanzenden Lichtwelle sich mit der Zeit ändern, wird der Phasenunterschied Δθ in Tangentialform tanΔθ erhalten, indem die Fundamentalkomponente durch die vierte harmonische Komponente oder eine andere geradzahlige harmonische Komponente dividiert wird. Da die Amplituden der Lichtwellen durch die Division ausgemittelt wurden, enthält das Ergebnis die sich mit der Zeit ändernde Komponente.
Dann kann die genaue Phasendifferenz Δθ durch die drei Komponenten erhalten werden: Die Grundwellenkomponente, die harmonische Komponente zweiter Ordnung und die harmonische Komponente vierter Ordnung. Derartige phasenmodulierte faseroptische Kreisel wurden durch die Japanischen Offenlegungsschriften mit den Nummern 1-57634, 1-57635, 1-57636, 1-57637, 1-291628, 1-291629, 1-291630, 1-291631, 1-295500, 2-3809 und 2-10055 vorgeschlagen.
Da ein faseroptischer Kreisel eine Winkelgeschwindigkeit aus der Phasendifferenz Δθ zwischen der sich rechtsdrehend fortpflanzenden Lichtwelle und der sich linksdrehend fortpflanzenden Lichtwelle mißt, wobei diese interferieren, müssen die Polarisationsebenen der beiden Lichtwellen übereinstimmen. Hier ist eine "Polarisationsebene" als Ebene definiert, welche die Polarisationsvektoren der Lichtwelle enthält. Die Polarisationsebene ist somit sowohl zur Richtung des elektrischen Feldes als auch zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes parallel.
Wenn die Polarisationsebenen unterschiedlich wären, würde die Intensität des Interferenzlichtes proportional zum Kosinus des zwischen den beiden Polarisationsebenen aufgespannten Winkels abfallen. Weiterhin könnten, wenn die Polarisationsebenen sich in einem rechten Winkel träfen, die beiden Lichtwellen überhaupt nicht interferieren.
Daher müssen die Polarisationsebene des sich rechtsdrehend ausbreitenden Lichtes und des sich linksdrehend ausbreitenden Lichtes übereinstimmen, um das Intensitätssignal des Interferenzlichtes zu erhalten. Da eine optische Eininodenfaser es erlaubt, däß sich zwei entartete Lichtwellen mit unterschiedlichen Polarisationsebenen mit derselben Phasenkonstanten durch diese hindurch ausbreiten, ist es wahrscheinlich, daß die Polarisationsebenen spontan rotieren. Wenn die Polarisationsebenen in einer aus einer optischen Einmodenfaser hergestellten Faserwendel variierten, würde sich die Intensität des Interferenzlichtes proportional zum Kosinus des Winkels zwischen den Polarisationsebenen der beiden Lichtwellen irregulär ändern. Eine Einmodenfaser kann nicht ausschließen ("verbieten"), daß die Polarisationsebenen des Lichtes spontan rotieren. "Einmoden-" bedeutet, daß die Faser die Ausbreitung einer Lichtwelle einer bestimmten Phasenkonstanten erlaubt. Aber die Polarisation des Lichtes ist eine andere physikalische Eigenschaft des Lichtes. Lichtwellen mit derselben Phasenkonstanten enthalten zwei Teilwellen mit unterschiedlichen Polarisationsebenen. Der Durchmesser des Kerns einer optischen Faser bestimmt die Zahl der Lichtwellen (Moden), die sich durch diese ausbreiten können, indem die Phasenkonstanten der Lichtwellen beschränkt werden. Dieses "Einmoden-" bedeutet sicherlich eine einzelne Lichtwelle im Hinblick auf die Phasenkonstante. Da eine Einmodenfaser jedoch einen kleinen, rotationssymmetrischen Kern hat, können sich zwei Lichtwellen mit unterschiedlichen Polarisationsebenen mit derselben Phasenkonstanten durch diese ausbreiten. Da die beiden Lichtwellen dieselben Phasenkonstanten haben, würden sich die beiden Lichtwellen in einer Einmodenfaser miteinander mischen, wenn die Polarisationsebene einer Lichtwelle spontan rotierte.
Wird anstelle einer Einmodenfaser eine polarisationserhaltende optische Einmodenfaser, die kürzlich hergestellt worden ist, verwendet, kann auch eine Polarisationsebene einer Lichtwelle erhalten werden, weil die Entartung hinsichtlich der Polarisation in der Faser gelöst wird. Sie ist eine Art der Einmodenfasern. Sie wird kurz als polarisationserhaltende Faser bezeichnet. Der Kern der polarisationserhaltenden Faser hat eine Anisotropie um die optische Achse. Die Durchmesser oder Spannungen des Kerns sind in zwei Richtungen, die senkrecht auf der Mittelachse stehen, unterschiedlich. Die beiden Richtungen werden hier die optischen Hauptachsen genannt. Daher wird sich, wenn eine Lichtwelle in eine polarisationserhaltende Faser eingeleitet wird, die Phasenkonstante in zwei Werte entsprechend den Richtungen der Polarisationsebenen aufspalten. Die Polarisationsebene einer Lichtwelle wird infolge der induzierten Differenz der Phasenkonstanten bei einer der beiden optischen Hauptachsen in der Faser gehalten.
Es wird somit eine solche Verbesserung eines faseroptischen Kreisels vorgeschlagen, daß nahezu alle optischen Wege aus polarisationserhaltenden Fasern anstelle von Einmodenfasern aufgebaut sein und das Licht durch einen Polarisator in linear polarisiertes Licht umgewandelt werden sollte, bevor es durch einen Strahlaufspalter in zwei Teilwellen aufgespalten wird. Da die Polarisationsebene der Teilwellen in Koinzidenz mit zwei vertikalen optischen Hauptachsen gehalten und keine Drehung der Polarisationsebenen auftreten würde, würde das sich rechtsdrehend fortpflanzende Licht oder das sich linksdrehend fortpflanzende Licht infolge der Koinzidenz der Polarisationsebenen vollständig interferieren. Somit würde der faseroptische Kreisel unter Verwendung der polarisationserhaltenden Fasern eine große Verbesserung darstellen.
Ein solcher verbesserter faseroptischer Kreisel ist jedoch trotz der theoretischen Fortschritte noch niemals hergestellt worden. Er würde viel zu teuer, weil eine polarisationserhaltende Faser weit teurer als eine einfache Einmodenfaser ist.
Nach alledem sollten eine Faserwendel und die meisten optischen Wege vorzugsweise durch einfache Einmodenfasern gebildet sein. Einmodenfasern haben jedoch verschiedene Probleme, die teilweise beschrieben wurden.
Obgleich sie als Einmodenfaser bezeichnet wird, bedeutet dies, daß in der Faser eine Mode nur hinsichtlich der Phasenkonstanten "steht". In der Praxis gibt es zwei Lichtmoden mit unterschiedlichen Polarisationsebenen. Zwei Lichtmoden mit unterschiedlichen Polarisationsebenen würden in einem Idealfall voneinander unabhängig sein. Zwei Lichtmoden neigen jedoch dazu, sich miteinander zu mischen, wenn die Polarisationsebenen aus irgendeinem Grunde rotieren, weil die beiden Moden im makroskopischen Maßstab dieselbe Phasenkonstante haben.
Weiterhin haben die beiden Moden mit unterschiedlichen Polarisationsebenen nicht dieselbe effektive Länge der Lichtwege, auch wenn die beiden Moden sich um dieselbe Strecke ausgebreitet haben, weil die mikroskopischen Fluktuationen der Lichtwege unterschiedlich sind.
Somit würden, wenn zwei Moden mit unterschiedlichen Polarisationsebenen sich in einer Faserwendel ausbreiten dürften, das rechtsdrehend übertragene Licht und das linksdrehend übertragene Licht, die unterschiedliche effektive Längen der Lichtwege haben, miteinander inferieren. Dann würde das Interferenzlicht einen Offset enthalten, der von der Differenz der Lichtwege abhängt. Hier bedeutet "Offset" eine Abweichung der Phasendifferenz Δθ von Null, wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω&sub0; einer Faserwendel Null ist. Es versteht sich von selbst, daß infolge der effektiven Unterschiede der optischen Wege zwei Moden den Offset tragen können.
Das sich rechtsdrehend ausbreitende Licht und das sich linksdrehend ausbreitende Licht müssen zur Unterdrückung des Offset exakt denselben optischen Weg zurücklegen. Zu diesem Zweck wäre es vorteilhaft, wenn die Polarisationsebene des Lichtes durch Hindurchleiten durch einen Polarisator, bevor das Licht durch einen Strahlaufspalter oder einen optischen Faserkoppler auf eine bestimmte Richtung fixiert werden sollte. Wenn die Polarisationsebene fixiert ist, wird sich in einer Einmodenfaser einer Faserwendel nur eine Mode mit der vorbestimmten Polarisationsebene ausbreiten. Dann wird die effektive Länge der optischen Wege streng dieselbe sein. Die Situation ist bis hier ähnlich dem Fall der oben erwähnten polarisationserhaltenden Faser.
Da jedoch die Polarisationsebene einer Lichtwelle in einer optischen Einmodenfaser dazu neigt, zu rotieren, ist die Fixierung der Polarisation durch einen Polarisator nicht ausreichend, um einen maximalen Ausgangswert ohne Fluktuation der Lichtamplitude zu erhalten.
Das durch einen Polarisator linear polarisierte Licht wird durch einen Strahlteiler in zwei Lichtwellen aufgeteilt. Die beiden Lichtwellen breiten sich durch die Faserwendel rechtsdrehend oder linksdrehend aus. Dann treffen die beiden Lichtwellen am Strahlteiler oder am Faserkoppler zusammen und gehen durch den Polarisator in umgekehrter Richtung hindurch. In diesem Moment fallen die Polarisationsebenen der beiden, rechtsdrehenden und linksdrehenden, Lichtwellen infolge der wahrscheinlichen Rotation der Polarisationsebenen in der Einmodenfaser der Faserwendel nicht notwendig mit der Hauptachse des Polarisators zusammen.
Eine Winkelabweichung zwischen der Hauptachse des Polarisators und der Polarisationsebene einer Lichtwellen wird mit φ bezeichnet. Wenn φ nicht 0 ist, fällt die Amplitude des durch den Polarisator hindurchgehenden Lichtes proportional zu cos φ ab. Die Winkel φ für das rechtsdrehende Licht und für das linksdrehende Licht sind nicht dieselben. Weiterhin werden sich die Winkelabweichungen φ mit der Temperatür ändern. Somit werden die Amplituden der rechtsdrehenden Lichtwelle und der linksdrehenden Lichtwelle (zur Vereinfachung wird "sich fortpflanzenden" beim sich rechtsdrehend oder linksdrehend fortpflanzenden Licht oft weggelassen) an einem Photodetektor schwanken. Damit würde auch der Ausgangswert des Photodetektors infolge der Rotation der Polarisationsebenen der Lichtwellen schwanken.
Es wurde daher herausgefunden, daß ein Depolarisator zusätzlich zum Polarisator hinzugefügt werden sollte, wenn die Faserwendel durch eine optische Einmodenfaser gebildet wird. Ein Depolarisator ist eine optische Vorrichtung, die linear polarisiertes Licht in unpolorisiertes Licht umwandelt. Hier bedeutet unpolarisiertes Licht ein Ensemble von Teilwellen mit gleichmäßig in allen Richtungen verteilten Polarisationsebenen. Obwohl alle Teilwellen unterschiedliche Polarisationsebene haben, ist die Vektorsumme der Polarisationsebenen immer Null. Damit hat das Licht als Ganzes keine effketive Polarisationsebene. Die Wirkung des Depolarisators ist es, diejenige des Polarisators umzukehren.
Ein solcher faseroptischer Kresiel, der mit einem Depolarisator versehen ist, wurde durch K. Boehm et al: "Low-Drift Fiber Gyro Using a Superluminescent Diode", ELECTRONICS LETTERS, vol. 17, Nr. 10, S. 352 (1981) vorgeschlagen.
Figur 2 zeigt die schematische Darstellung des von K. Boehm vorgeschlagenen faseroptischen Kreisels.
Das von einer Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierte Licht geht durch eine Linse (21), einen Strahlteiler (22), einen Polarisator (23) und eine Linse (24) hindurch und tritt am Ende einer optischen Faser (25) ein. Die Linsen (21) und (24) bewirken, daß das Licht in den dünnen Kern der optischen Faser (25) eintritt, indem sie das mit einem breiten festen Winkel von der Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierte Licht konvergieren. Da der Polarisator (23) zwischen den Linsen (21) und (24) angeordnet ist, ist das in die optische Faser (25) eintretende Licht linear polarisiert. Es tritt nämlich eine einzelne Mode des Lichtes mit einer Polarisationsebene in die optische Faser (25) ein. Das linear polarisierte Licht durchläuft alle optischen Elemente im Kreisel. Die optische Faser (25) ist durch einen optischen Faserkopf (26) mit einer weiteren optischen Faser (27) verbunden. Der optische Faserkopf (26) teilt das einfallende, linear polarisierte Licht in zwei Lichtwellen, die sich rechtsdrehend oder linksdrehend durch eine Faserwendel (4) ausbreiten. Das rechtsdrehende Licht tritt einmal in die Luft aus, geht durch eine Linse (28), einen Depolarisator (29) und eine weitere Linse (30) hindurch. Das depölarisierte Licht wird an einem Ende der Einmodenfaser der Faserwendel (4) durch die Linse (30) konvergiert. Das in die optische Faser eintretende Licht breitet sich durch die Faserwendel (4) rechtsdrehend aus und durchläuft einen Phasenmodulator (5).
Andererseits tritt das linksdrehende Licht in eine weitere optische Faser (27) ein, geht durch den Phasenmodulator (5) hindurch und breitet sich linksdrehend durch den Faserwendel (4) aus. Dann geht das linksdrehende Licht durch den Depolarisator (29) hindurch. Der Depolarisator (29) wandelt - der Wirkung eines Polarisators entgegengesetzt - linear polarisiertes Licht in unpolarisiertes Licht um. Der Depolarisator wird als Lyot-Depolarisator bezeichnet und hat zwei transparente doppelbrechende Kristalle mit zueinander rechtwinkligen optischen Achsen für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl, die so aneinandergeklebt sind, daß der Winkel zwischen den beiden optischen Achsen der transparenten Kristalle
TEXT FEHLT auf 45º eingestellt ist. Die Dicken der optischen Kristalle haben ein Verhältnis von 1:2.
Beide Kristalle haben so große Dicken, daß der Unterschied der optischen Weglänge zwischen dem ordentlichen Strahl und dem außerordentlichen Strahl größer als die Kohärenzlänge der Licht emittierenden Vorrichtung (1) ist. Somit erfordert ein dünnerer Depolarisator eine Licht emittierende Vorrichtung mit einer kürzeren Kohärenzlänge des Lichtes. Hierzu werden einige Begriffe kurz erklärt. Kohärentes Licht ist ideales Licht, bei dem die Wellen sich mit einer feststehenden Phasenbeziehung unbegrenzt in Raum und Zeit ausbreiten. Zwei Lichtwellen mit gleicher Phase können miteinander interferieren. Somit können zwei Lichtwellen, die zueinander kohärent sind, interferieren. Allgemein haben Gaslaser gute Kohärenz. Die Kohärenzlänge ist die maximale Länge, innerhalb derer die Wellen eines Lichtbündels eine feststehende Phasenbeziehung haben. Doppelbrechung bedeutet, daß der Brechungsindex von der Polarisationsebene des Lichtes abhängt. Ein einachsig doppelbrechender Kristall hat zwei Hauptachsen, die zueinander senkrecht sind. Ein Strahl mit einer Polarisationsebene parallel zu einer der Hauptachsen wird als außerordentlicher Strahl bezeichnet. Der andere Strahl mit einer Polarisationsebene parallel zur anderen der Hauptachsen wird als ordentlicher Strahl bezeichnet. Der Brechungsindex ist für den ordentlichen Strahl und den außerordentlichen Strahl unterschiedlich. Da ein optischer Weg als das Produkt des Brechungsindex und der Weglänge definiert ist, ist die Differenz der optischen Wege das Produkt der Weglange (Dicke des Kristalls) und der Differenz der Brechungsindizes.
Der in Figur 2 gezeigte faseroptische Kreisel, der eine durch eine Einmodenfaser gebildete Faserwendel hat, hatte das Problem der durch die spontane Rotation der Polarisationsebene verursachte Problem der Drift der Ausgangsleistung durch Verwendung eines Polarisators und eines Depolarisators gelöst.
Boehm et al. schlugen noch einen weiteren faseroptischen Kreisel vor, der in Figur 3 gezeigt ist. Das von einer Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierte Licht geht durch eine Zylinderlinse (33), eine Linse (34) und eine weitere Linse (35) hindurch und tritt konvergent in eine optische Faser (36) ein. Eine weitere, mit einem Photodetektor (6) zusammenhängende optische Faser (36) ist durch einen Koppler (37) mit der optischen Faser (36) verbunden. Das aus der optischen Faser (36) austretende Licht geht durch eine Linse (38), einen Polarisator (39) und eine Linse (40) hindurch. Das Licht ist jetzt linear polarisiert. Das polarisierte Licht tritt konvergent in eine weitere Faser (41) ein. Das Licht wird durch einen Koppler (42) in zwei Teilwellen geteilt: eine rechtsdrehend und eine linksdrehend sich fortpflanzende Lichtwelle.
Das rechtsdrehende Licht tritt aus der Faser (43) in Luft aus. Das Licht geht durch eine Linse (45), einen Kristall-Depolarisator (Lyot-Depolarisator) und eine Linse (47) hindurch. Das Licht ist jetzt depolarisiert. Das depolarisierte Licht tritt konvergent in eine Einmodenfaser ein und breitet sich rechtsdrehend durch eine Faserwendel (4) aus. Das rechtsdrehend sich fortpflanzende Licht wird dann durch einen Phasenmodulator (5) moduliert. Das modulierte rechtsdrehende Licht geht durch den Koppler (42) und den Polarisator (39) in Gegenrichtung hindurch. Dann passiert das Licht den Koppler (37) und tritt in den Photodetektor (6) ein.
Das linksdrehende Licht passiert den Phasenkoppler (42) und den Phasenmodulator (5). Das modulierte linksdrehende Licht breitet sich durch die Faserwendel (4) linksdrehend aus. Das Licht geht durch den Depolarisator (46), den Faserkoppler (42), den Polarisator (39) und den Koppier (37) hindurch. Das Licht tritt in den Photodetektor (6) ein. Somit interferieren das rechtsdrehende Licht und das linksdrehende Licht auf der Oberfläche des Photodetektors. Die Intensität des Interferenzlichtes wird nachgewiesen.
Sowohl der in Figur 2 als auch der in Figur 3 gezeigte faseroptische Kreisel fixieren die Polarisationsebene zuerst auf eine einzige Ebene, teilen das Licht in zwei Lichtwellen auf und depolarisieren das Licht. Da die rechtsdrehende Lichtwelle und die linksdrehende Lichtwelle zu unterschiedlichen Zeitpunkten phasenmoduliert werden, wird der Effekt der Phasenmodulation nicht ausgelöscht und ist im Ausgangssignal des Photodetektors enthalten. Das Ausgangssignal wird durch einen phasenstarren (Lockin)-Verstärker mit dem Modulationssignal phasenempfindlich nachgewiesen. Das Verfahren der Modulation und Demodulation des Signals ist ähnlich dem bei herkömmlichen phasen- modulierten faseroptischen Kreiseln ohne Depolarisator.
Bei diesen Verbesserungen werden die einmal polarisierten Lichtwellen durch einen Depolarisator depolarisiert und dann wieder polarisiert. Wie oben erwähnt, ist die Amplitude einer durch einen Polarisator hindurchgehenden Lichtwelle proportional zum Kosinus des zwischen der Hauptachse des Polarisators und der Polarisationsebene des Lichtes aufgespannten Winkels. Auch wenn die Polarsationsebenen von Teilwellen in einer Faserwendel spontan oder induziert rotieren, kann die Hälfte der Teilwellenenergie durch den Polarisator hindurchgehen, weil die Drehung der Polarisationsebenen allen Teilwellen mit derselben Wahrscheinlichkeit widerfährt und die Polarisationsebene der Teilwellen in alle Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit verteilt sind.
Daher war das Problem der Drift oder des Abfalls des Asugangssignals infolge der wahrscheinlichen Rotation der Polarisationsebenen durch die Verbesserungen gelöst.
Die in Figuren 2 und 3 gezeigten Kreisel hatten jedoch ein anderes Problem. Sie waren keine praktischen, kompakten Geräte, sondern unpraktische, voluminöse Geräte, die kunstvoll in einem Labor aufgebaut worden waren. Die Kreisel enthielten diskrete, voluminöse optische Teile für Depolarisatoren und Polarisatoren, die durch optisch aktive Einzelkristalle aufgebaut waren. Die Polarisatoren und Depolarisatoren waren weit größer als optische Fasern. Weiterhin mußten vor und hinter den Polarisatoren oder Depolarisatoren voluminöse Linsen positioniert werden, weil die Lichtwellen diese als ebene Wellen durchlaufen müssen. Die diskreten optischen Teile machten die Kreisel sehr voluminös und groß.
Für den praktischen Gebrauch muß ein faseroptischer Kreisel ein kleines, leichtes Gerät sein. Um einen solchen praktischen, kleinen, leichten faseroptischen Kreisel zu fertigen, ist es wünschenswert, daß ein Depolarisator und Polarisator nur aus optischen Fasern gefertigt sein sollten.
Es ist bekannt, daß ein Depolarisator und ein Polarisator aus optischen Fasern gefertigt werden können. Ein praktischer faseroptischer Kreisel würde solange nicht erhalten werden können, solange die optischen Teile nicht aus optischen Fasern gefertigt werden könnten. Außer dem Depolarisator und Polarisator ist für einen kompakten Kreisel ein Strahlteiler mit einem Prisma ähnlich unerwünscht. Der voluminöse Strahlteiler sollte durch einen optischen Faserkoppler ersetzt werden.
Die Ersetzung des Strahlteilers durch einen optischen Faserkoppler führt zu der in Figur 3 gezeigten Version. Würde es ausreichen, die voluminösen, diskreten optischen Komponenten Depolarisator (46) und Polarisator (39) durch die aus optischen Fasern gebildeten äquivalenten Teile zu ersetzen, um einen praktisch verwendbaren, kompakten faseroptischen Kreisel zu erhalten? Es ist nicht hinreichend. Möglicherweise wurde der Grund dafür, daß eine solche einfache Ersetzung unzureichend ist, durch die Erfinder erstmalig bemerkt. Der Grund wird nun erklärt.
Obwohl das gerade von der Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierte Licht in einer bestimmten Richtung, die durch die geometrische Gestalt der Licht emittierenden Vorrichtung (1) bestimmt ist, die linear polarisiert ist, kann sich die Polarisationsebene in einer optischen Einmodenfaser vor dem Polarisator spontan oder induziert drehen. Obwohl die Zwischenfaser (36) kurz ist, ist es schwierig, die Polarisationsebene des von der Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierten Lichtes mit der Hauptachse des Polarisators in Einklang zu bringen. Wenn die Polarisationsebene nicht mit der Hauptachse des Polarisators zusammenfallen würde, würde die Amplitude des Lichtes, das durch den Polarisator hindurchgehen kann, absinken.
Im Falle der Verwendung eines diskreten Polarisators aus einem Volumenkristall, wie in Figur 2 oder Figur 3 gezeigt, ist es möglich, die Richtung des Polarisators durch Drehung so einzustellen, daß die Ausgangsleistung des Photodetektors maximal gemacht wird. Im Falle der Verwendung eines faseroptischen Polarisators ist es jedoch unmöglich, die Hauptachse des Faser-Polarisators zu justieren, weil das Licht durch den Faser-Polarisator hindurchgeleitet werden kann, nachdem dieser mit den Einmodenfasern verbunden worden ist. Die Verbindung zwischen dem Faser-Polarisator und der anderen Faser wird durch Aufschmelzen und Aneinanderpressen ihrer Enden hergestellt. Wenn der Faser-Polarisator mit den anderen Fasern verbunden wird, ist eine relative Drehung zwischen diesen strikt verboten.
Eine Drehung der Licht emittierenden Vorrichtung (1) kann es uns ermöglichen, die Polarisationsebene mit der Hauptachse des Faser-Polarisators in Übereinstimmung zu bringen.
Wenn dies so wäre, würde die Polarisationsebene manchmal in einer Einmodenfaser vor und hinter dem Faser-Polarisator sich spontan oder durch Temperaturänderungen, Spannungen oder das magnetische Feld induziert drehen. Eine solche Drehung würde die durch den Polarisator hindurchgehende Lichtleistung verringern und den Skalierungsfaktor, der das Verhältnis zwischen einer Eingangsvariablen und einem Ausgangssignal ist, ändern.
Die US-A-4712306 beschreibt einen faseroptischen Kreisel, der ähnlich zu dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten ist und bei dem ein Depolarisator ausgangsseitig von einem Polarisator vorgesehen ist, um das Licht zu stabilisieren, das durch den Polarisator hindurchgegangen ist.
Ein Artikel in Summaries of Technical Paper presented at the Optical Fibre Communication Conference, Atlanta, Georgia, 24. bis 26. Februar 1986, Seiten 24-25, beschreibt einen faseroptischen Kreisel, der eine polarisationsmanifestierende Faser verwendet. Das Gerät verwendet einen Depolarisator zwischen der Lichtquelle und einem ersten Koppler, um die Kohärenz der Lichtbündel zu verringern.
Die GB-A-2089976 beschreibt einen faseroptischen Kreisel, der zwei Depolarisatoren zwischen einem ersten und einem zweiten Koppler verwendet. Die US-A-4556293 beschreibt eine Lichtquelle, die in faseroptischen Kreiseln verwendet werden kann.
Wie oben beschrieben, ist das Problem der Drehung der Rotationsebene des Lichtes in einer Einmodenfaser zwischen einem Faser-Polarisator und der Faserwendel durch Einfügen eines Depolarisators an einem Punkt in der Nähe der Faserwendel erfolgreich gelöst worden. Die Erfinder glauben jedoch, daß ein weiteres Problem der Drehung der Polarisationsebene in den Einmodenfasern zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem Polarisator bis jetzt weder bekannt geworden noch gelöst worden ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen faseroptischen Kreisel bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen faseroptischen Kreisel bereitzustellen, bei dem keine durch die Drehung der Polarisationsebene in einer Einmodenfaser induzierte Drift oder Änderung der Ausgangsleistung auftritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: Ein faseroptischer Kreisel zur Messung einer Winkelgeschwindigkeit einer Faserwendel im Prinzip aus der Phasendifferenz zwischen sich in der Faserwendel rechtsdrehend und linksdrehend ausbreitendem Licht, mit einer Licht emittierenden Vorrichtung zur Emission eines monochromatischen, kohärenten Lichtbündels, einer Faserwendel aus eineroptischenEinmodenfaser, die vielfach um eine Spindel gewickelt ist, einem Photodetektor, der in einer Position angeordnet ist, wo die sich rechtsdrehend und linksdrehend fortpflanzenden Lichtbündel interferieren und derart angeordnet ist, daß er die Intensität des interferierenden Lichtes nachweist, einem mit der Licht emittierenden Vorrichtung zusammenwirkenden ersten Faserweg, einem mit dem Photodetektor zusammenwirkenden fünften Faserweg, einem dritten Faserweg und einem vierten Faserweg, der Endabschnitte der Faserwendel aufweist, einem dazwischenliegenden zweiten Faserweg, einer ersten Faserkopplung zum Koppeln des zweiten Faserweges sowohl mit dem ersten Faserweg, der mit der Licht emittierenden Vorrichtung zusammenwirkt, als auch dem fünften Faserweg, der mit dem Photodetektor zusammenwirkt, einem zweiten Faserkoppler zum Koppeln des zweiten Faserweges sowohl mit dem dritten Faserweg, als auch dem vierten Faserweg, einem im zweiten Faserweg vorgesehenen Polarisator zur linearen Polarisierung von Licht, einem entweder im dritten Faserweg oder im vierten Faserweg vorgesehenen Phasenmodulator zum Modulieren der Phase des sich im Faserweg fortpflanzenden Lichtes, und einem Depolarisator am Ende der Faserwendel, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Depolarisator im ersten Faserweg vorgesehen ist, um das im Faserweg sich ausbreitende Licht durch Ausrichtung der Polarisationsebenen der Licht-Teilbündel in alle Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit zu depolarisieren, wobei der weitere Depolarisator so ausgebildet ist, daß er das Licht durch Ausrichtung der Polarisationsebenen der Licht-Teilbündel in alle Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit depolarisiert, und wobei das aus der Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierte Licht in den Polarisator übertragen wird, nachdem es durch den weiteren Depolarisator depolarisiert wurde.
Um das Problem der wahrscheinlichen Drehung der Polarisationsebene zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem Polarisator zu lösen, hat der faseroptische Kreisel gemäß dieser Erfindung einen weiteren Depolarisator an einem Punkt der optischen Wege zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem Polarisator. Der zusätzliche Depolarisator depolarisiert das Licht, welches von der Licht emittierenden Vorrichtung emittiert wird, obwohl das Licht linear polarisiert ist, kann die Hälfte der Lichtenergie durch den Polarisator hindurchgehen, weil des Licht unmittelbar vor dem Polarisator depolarisiert wird. Der zusätzliche Depolarisator verringert die durch den Polarisator hindurchgehende Lichtenergie auf etwa die Hälfte des Anfangswertes. Die durch den Polarisator hindurchgehende Lichtenergie wird sich jedoch auch dann nicht ändern, wenn die Polarisationsebene sich zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem Polarisator dreht. Folglich löst der zusätzliche Depolarisator das Problem der Drift des Ausgangssignals, das durch die Drehung der Polarisationsebene hervorgerufen wird.
Als zusätzlicher Depolarisator kann jede Art von Depolarisator verwendet werden. Hier werden drei Arten erklärt.
Ein Depolarisator vom Vollfasertyp weist zwei polarisationserhaltende Fasern auf, die miteinander unter Abweichung von ihren optischen Hauptachsen um 45º verbunden worden sind. Das Verhältnis der Längen der beiden Fasern ist vorzugsweise 1:2. Auch in der kürzeren polarisationserhaltenden Faser sollte die optische Wegdifferenz infolge der Doppelbrechung größer als die Wellenlänge des Lichtes von der Licht emittierenden Vorrichtung sein. Obgleich das Prinzip der Depolarisation dasselbe wie beim Lyot-Depolarisator ist, erfordert der Depolarisator vom Vollfasertyp keine voluminösen Kristalle.
Ein weiterer Depolarisator weist eine in einer speziellen Anordnung der Licht emittierenden Vorrichtung vorgesehene polarisationserhaltende Faser auf. Indem er Gebrauch von der Eigenschaft macht, daß das von der Licht emittierenden Vorrichtung emittierte Licht linear polarisiert ist, verzichtet der Polarisator auf eine polarisationserhaltende Faser. Die einzige polarisationserhaltende Faser sollte mit einem Ende vor der Licht emittierenden Vorrichtung angeordnet sein. Das andere Ende der polarisationserhaltenden Faser ist mit einer mit dem Polarisator zusammenwirkenden Einmodenfaser verbunden worden. Wichtig ist, daß die Hauptachse der polarisationserhaltenden Faser mit der Polarisationsebene der Licht emittierenden Vorrichtung einen Winkel von 45º einschließt. Die Polarisation der Licht emittierenden Vorrichtung und die Doppelbrechung der polarisationserhaltenden Faser bilden einen effektiven Depolarisator. Ähnlich sollte die Länge der polarisationserhaltenden Faser so bestimmt sein, daß sie die Anforderung erfüllt, daß die optische Wegdifferenz infolge Doppelbrechung größer als die Wellenlänge des Lichtes von der Licht emittierenden Vorrichtung sein sollte. Diese Anforderung schließt die Möglichkeit einer Interferenz zwischen zwei Lichtbündeln mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen aus.
Ein weiterer Depolarisator ist ein Lyot-Depolarisator, der aus zwei doppelbrechenden Kristallen besteht, deren Hauptachsen um 45º voneinander abweichen. Dieser Depolarisator sollte zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem Vorderende einer Faser angeordnet und mit Linsen versehen sein.
Die Funktion der vorliegenden Erfindung wird jetzt erklärt. Bei dieser Erfindung ist ein Depolarisator in die optischen Wege zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem Polarisator eingefügt. Das linear polarisierte Licht wird durch den Depolarisator in unpolarisiertes Licht umgewandelt. Da das unpolarisierte Licht durch den Polarisator hindurchgeht, ist die Intensität des Ausgangs- Lichtes konstant: Die Hälfte der Energie des Eingangs- Lichtes. Wenn die Polarisationsebene des Lichtbündels in der Einmodenfaser zwischen dem Depolarisator und dem Polarisator gedreht wird, geht die Depolarisations-Eigenschaft nicht verloren, weil die Drehung in allen Richtungen mit einer gemeinsamen Wahrscheinlichkeit auftritt.
Da die Intensität des durch den Polarisator hindurchgehenden Lichtes durch den Depolarisator konstant gemacht wird, ist eine präzise Winkelausrichtung zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und der optischen Faser oder zwischen der optischen Faser und dem Polarisator unnötig. Weiterhin induzieren auf die Faser einwirkende Spannungen oder Temperaturänderungen keine Änderungen oder Drift der Intensität des Ausgangs-Lichtes. Der Skalierungsfaktor, der das Verhältnis des Ausgangssignals zu einer Eingangsvariablen darstellt, ist stabil, weil die Intensität des durch den Polarisator hindurchgehenden Lichtes konstant ist. Somit ermöglicht es der Depolarisator, eine Winkelgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit ohne Drift zu messen. Diese Erfindung wird einen faseroptischen Kreisel mit einem stabilen Skalierungsfaktor ohne Drift bereitstellen, in dem fast alle optischen Wege durch optische Fasern gebildet sind.
Die Erfindung wird vollständiger aus der nachfolgenden Beschreibung zu verstehen sein, die nur im Sinne eines Beispiels gegeben ist, unter Bezugnahme auf die einzelnen Figuren der begleitenden Zeichnungen, von denen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Kreisels als eine Ausführungsform dieser Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Kreisels, wie er von Boehin et al. vorgeschlagen wurde,
Figur 3 eine scheinatische Darstellung eines weiteren von Boehm et al. vorgeschlagenen faseroptischen Kreisels,
Figur 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Depolarisators, der polarisationserhaltende Fasern verwendet,
Figur 5 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Kreisels nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Kreisels nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
ist.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Alle Lichtwege sind durch optische Fasern gebildet: Hauptsächlich durch optische Einmodenfasern, aber teilweise durch polarisationserhaltende optische Fasern.
Dieser faseroptische Kreisel enthält eine Licht emittierende Vorrichtung (1), Depolarisatoren (2) und (3), eine Faserwendel (4), einen Phasenmodulator (5), einen Photodetektor (6), Faserkoppler (7) und (8), einen Polarisator vom Fasertyp und die Teile miteinander verbindende optische Einmodenfasern.
Eine Licht emittierende Vorrichtung (1) ist eine Lichtquelle, die monochromatisches Licht aussendet. Eine Laserdiode oder eine Superlumineszenzdiode mit einer kurzen Kohärenzlänge können als Lichtquelle verwendet werden. Depolarisatoren (2) und (3) sind die Vorrichtungen, die linear polarisiertes Licht in unpolarisiertes Licht umwandeln. Der zweite Depolarisator (3) ist auch im Stand der Technik in Figur 2 oder Figur 3 beschrieben. Die Notwendigkeit des zweiten Depolarisators ist bekannt gewesen, wie bereits beschrieben. Neben dem zweiten Depolarisator (3) schlägt die vorliegende Erfindung jedoch den ersten Depolarisator (2) vor. Dies ist das Neue an dieser Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform sind beide Depolarisatoren (2) und (3) aus polarisationserhaltenden Fasern hergestellt. Wie in Figur 4 gezeigt, sind zwei polarisationserhaltende Fasern axial miteinander gekoppelt, wobei ihre optischen Hauptachsen einen Winkel von 45º miteinander einschließen.
Die Differenzen der optischen Wege des Lichtes mit zwei unterschiedlichen Polarisationsebenen, die senkrecht zueinander sind, in den Fasern müssen größer als die Kohärenzlänge des von der Licht emittierenden Vorrichtung emittierten Lichtes sein. Das Verhältnis der Länge der Fasern ist vorzugsweise 2:1. Wenn die Fasern ein Längenverhältnis von 2:1 haben, sollte die kürzere Faser die Ungleichung
(nx - ny) l > h (4)
erfüllen, worin nx der Brechungsindex für das in x- Richtung polarisierte Licht, ny der Brechungsindex für das in y-Richtung polarisierte Licht, l die Faserlänge und h die Kohärenzlänge der Licht emittierenden Vorrichtung sind. "x" und "y" sind die Hauptachsen der polarisationserhaltenden Faser. Diese Erfordernisse sind dem Fachmann bekannt gewesen und sind auch in dieser Beschreibung mehrmals erwähnt worden. Jedoch wird der Polarisator vom Fasertyp jetzt im einzelnen erklärt, weil er beim Stand der Technik noch nicht verwendet worden ist.
Es wird angenommen, däß Licht mit einer Polarisationsebene, die mit der Hauptachse der Faser einen Winkel φ einschließt, in die erste polarisationserhaltende optische Faser eingetreten ist. Das Licht wird in zwei Teilwellen zerlegt, die Polarisationsebenen parallel zur x-Richtung und zur y-Richtung haben. Da das Licht sich in einer anisotropen Faser ausbreitet, sind die Brechungsindizes und die Phasengeschwindigkeiten für die beiden Lichtwellen unterschiedlich. Wenn die beiden Teilwellen, die ursprünglich ein Lichtbündel waren, aus der Faser austreten, sind die beiden Lichtwellen mit den unterschiedlichen Polarisationsebenen voneinander um die Länge entfernt, über die sie nicht miteinander interferieren konnten. Dies ist es, was die Ungleichung (4) bedeutet. Die Amplituden der Teilwellen mit der x-Polarisation und der y- Polarisation werden in der ersten anisotropen, polarisationserhaltenden Faser mit cos φ und sin φ bezeichnet. Hier wird die Lichtwelle mit der zur x-Richtung parallelen Polarisationsebene einfach als Lichtwelle mit x-Polarisation geschrieben.
Beim Durchgang durch eine Grenzfläche treten die beiden Lichtwellen in die zweite polarisationserhaltende Faser ein, die zur ersten um einen Winkel θ geneigt ist. Da die Lichtwellen weiter in zwei aufgeteilt werden, breiten sich in der Faser vier Teilwellen aus. Die Amplituden der Teilwellen mit x-Polarisation sind cos φ cos θ - sin φ sinθ. Die beiden Lichtwellen werden nicht interferieren, weil sie weiter als die Kohärenzlänge des Lichts voneinander entfernt sind. Somit ist die Energie Px des Lichtes, die als Quadrat der Amplitude definiert ist, mit x-Polarisation gegeben durch
Da die Ungleichung (4) auch in der zweiten Faser gilt, verschwindet der Mischterm des Quadrates.
Ähnlich sind die Amplituden der Lichtwellen mit y-Polarisation cos φ sin θ und sin φ cos θ. Da diese Lichtwellen auch voneinander weiter als die Kohärenzlänge entfernt sind, verschwindet hier auch der Mischterm. Die Energie Py der Lichtwelle mit y-Polarisation ist
Unpolarisiertes Licht bedeutet das Licht, welches viele Teilwellen einschließt, die Polarisationsebenen in allen Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit haben. Diese Bedingung ist äquivalent zur Gleichung Px = Py. Allgemein hängt das Verhältnis Px/Py vom Winkel φ der Polarisation des einfallenden Lichtes ab. Aber nur im Falle θ = π/4 (45º) gilt für beliebige φ die Bedingung Px = Py für Depolarisation.
Daher wird ein Depolarisatör durch axiales Verwenden zweier doppelbrechender Teile mit Neigung ihrer Hauptachsen um 45º miteinander hergestellt. Im Lyot-Depolarisator sind doppelbrechende Kristalle verwendet worden. Es können auch polarisationserhaltende Fasern verwendet werden, weil sie Doppelbrechung haben.
Der Grund, weshalb das Dicken- oder Längenverhältnis 1:2 sein sollte, ist es, auszuschließen, daß der Unterschied der optischen Wege, der infolge des ersten doppelbrechenden Teils die Kohärenzlänge einmal überstiegen hat, sich unterhalb der Kohärenzlänge verringert. Wenn das Dicken- oder Längenverhältnis 1:1 wäre, würden die optischen Lichtwellen mit den Amplituden cos φ sin θ und
sin φ cos θ die Differenz der optischen Wege einbüßen und miteinander interferieren. Die Energie des Lichtes der y-Polarisation würde sich nicht durch Gleichung (6) schreiben lassen. Die Bedingung der Depolarisation (Px = Py) würde durchbrochen. Natürlich muß das Verhältnis nicht strikt 1:2 sein. Andere Verhältnisse außer 1:1 sind für einen Depolarisator auch erlaubt.
Die Faserwendel (4) ist eine Wendel (Spule) einer optischen Einmodenfaser, die vielfach um eine Spindel gewickelt ist. Diese wirkt als Rotationssensor. Die Lichtwellen breiten sich in der Faserwendel (4) rechtsdrehend und linksdrehend aus.
Der Phasenmodulator (5), der die Phase des sich ausbreitenden Lichtes modulieren wird, besteht aus einem zylindrischen piezoelektrischen Schwinger,um den ein Teil der optischen Faser nahe einem Ende der Faserwendel (4) gewickelt ist. Der piezoelektrische Schwinger hat zwei Elektroden entweder an beiden Enden oder auf einer inneren und äußeren Oberfläche, zum Anlegen einer Spannung. Wenn an die Elektroden eine Wechselspannung angelegt wird, zieht sich der piezoelektrische Schwinger in radialer Richtung wiederholt zusammen und dehnt sich aus. Damit zieht sich auch die optische Faser um den piezoelektrischen Schwinger periodisch zusammen und dehnt sich aus. Somit ändert sich auch die Phase des sich in der Faser ausbreitenden Lichtes periodisch.
Ein Photodetektor (6), zum Beispiel eine Pin-Photodiode, bewirkt, daß die rechtsdrehende Lichtwelle und die linksdrehende Lichtwelle miteinander interferieren, und weist die Intensität des Interferenzlichtes nach.
Faserkoppler (7) und (8), die eine Lichtwelle in zwei aufteilen oder zwei Lichtwellen in eine vereinigen, sind durch Entfernen der Überzüge zweier optischer Fasern, paralleles In-Berührung-Bringen, Schmelzen und Dehnen hergestellt worden. Im gedehnten Zustand ist der Abstand zwischen den beiden Kernen der Fasern so gering, daß beide Fasern eine evaneszente Kopplung bilden, durch die die Energie des Lichtes graduell übertragen wird. Der Kopplungsgrad, der Abstand und die Länge, sollte(n) so eingestellt werden, daß die Hälfte der Lichtenergie an beiden Enden der Fasern verschwindet, wenn Licht am anderen Ende einer Faser eintritt. Der Faserkoppler ist in der Funktion einem Strahlteiler äquivalent. Der erstere ist aber kleiner und leichter als der letztere.
Der Polarisator vom Fasertyp besteht aus einer Spindel und einer polarisationserhaltenden Faser, die um die Spindel gewickelt ist. Da der optische Weg gekrümmt ist, wird eine der beiden Moden mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen ausgelöscht, indem ihre Energie aus der Faser herausgestreut wird. Somit kann die andere Lichtmode ohne signifikante Verluste den gekrümmten Weg zurücklegen. Daher wirkt die gewendelte Faser im wesentlichen wie ein Polarisator.
Nachfolgend werden die durch optische Fasern gebildeten optischen Wege beschrieben. Bei der Ausführungsform gibt es sieben Faserwege: Den ersten bis siebenten Faserweg. Der erste Faserweg (11) verbindet die Licht emittierende Vorrichtung (1) mit dem ersten Faserkoppler (7). Dies ist eine Einmodenfaser. Eine konvergierende Optik (10) ist zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung (1) und einem Ende des ersten Faserweges (11) angeordnet.
Der zweite Faserweg (12) verbindet den ersten Faserkoppler (7) mit dem zweiten Faserkoppler (8). Der dritte Faserweg (13) und der vierte Faserweg (14) sind Enden der Faserwendel (4). Sowohl der Faserweg (13) als auch (14) sind mit einem Ende des zweiten Faserkopplers (8) gekoppelt.
Der fünfte Faserweg (15) verbindet den ersten Faserkoppler (7) mit dem Photodetektor (6).
Der sechste Faserweg (16) ist ein Rest der Faser des zweiten Faserkopplers (8). Dieser Faserweg (16) hat ein freies Ende. Der siebente Faserweg (17) ist ein Rest des ersten Faserkopplers (7). Dieser hat auch ein freies Ende.
Wenn ein Strahlteiler durch einen Faserkoppler ersetzt wird, wird unvermeidlich ein freies Ende der Faser übrigbleiben.
Der Polarisator (9) vom Fasertyp ist im zweiten Faserweg (12) zwischen dem ersten Faserkoppler (7) und dem zweiten Faserkoppler (8) angeordnet. Der Phasenmodulator (5) und der zweite Depolarisator (3) sollten entweder im dritten Faserweg (13) oder im vierten Faserweg (14) angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform sind sie in verschiedenen Wegen angeordnet. Sie können aber auch in demselben Weg angebracht sein.
Der erste Depolarisator (2) muß zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung (1) und dem Faser-Polarisator (9) untergebracht sein. Bei der Ausführungsform befindet sich der erste Depolarisator (2) auf halbem Wege im ersten Faserweg (11). Es ist jedoch erlaubt, den ersten Depolarisator (2) (wie durch die punktierte Linie gezeigt) im zweiten Faserweg (12) zwischen dem Faser-Polarisator (9) und dem ersten Faserkoppler (7) anzuordnen. Der erste Depolarisator (2) kann nämlich an einem beliebigen Punkt der optischen Wege vor dem Faser-Polarisator (9) angeordnet sein.
Die Licht emittierende Vorrichtung (1) emittiert linear polarisiertes Licht. Der erste Depolarisator (2) wandelt das Licht in depolarisiertes (unpolarisiertes) Licht um. Das unpolarisierte Licht wird durch den Faser-Polarisator (9) umgekehrt in linear polarisiertes Licht umgewandelt. Da das einmal depolarisierte Licht durch den Faser- Polarisator (9) wieder polarisiert wird, ist die Amplitude des polarisierten Lichtes konstant, unabhängig von der Richtung der Licht emittierenden Vorrichtung. Dies ist eine wichtige Sache. Es gibt keine Notwendigkeit, die Licht emittierende Vorrichtung oder den Faser-Polarisator in der Drehrichtung um die Lichtbündelachse zu justieren. Ein spontan oder durch Spannung, ein magnetisches Feld oder eine Temperaturänderung induzierte Drehung der Polarisationsebenen wird keinen Unterschied im Ausgangssignal bewirken.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform. Der erste Depolarisator ist vereinfacht. Der erste Depolarisator besteht nur aus einer rotationserhaltenden Faser (51) die mit dem Vorderende des ersten Faserweges (11) verbunden ist. Das durch die Licht emittierende Vorrichtung (1) emittierte Licht wird durch die Konvergenzoptik (10) konvergent gemacht und in die polarisationserhaltende Faser (51) eingeleitet. Die Hauptachse der polarisationserhaltenden Faser (51) ist so eingestellt worden, daß sie um 45º gegenüber der Polarisation des gerade von der Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierten Lichtes geneigt ist. Daher ist die erste polarisationserhaltende Faser gemäß dem vorangehenden Beispiel jetzt weggelassen worden. Ohne die erste polarisationserhaltende Faser wird das durch die Licht emittierende Vorrichtung (1) emittierte Licht exakt in zwei Hälften geteilt. Somit breiten sich das Licht mit x-Polarisation und das Licht mit y-Polarisation in der Faser mit derselben Amplitude aus. Am Ende der polarisationserhaltenden Faser (51) gibt es zwei unabhängige, nicht-interferierbare Lichtwellen, die dieselbe Amplitude und zueinander senkrechte Polarisationsebenen haben. Jede Lichtwelle mit einer beliebigen Polarisationsebene, die durch lineare Kombination der beiden unabhängigen Lichtwellen erhalten werden würde, würde - unabhängig von der Polarisation - exakt dieselbe Amplitude haben. Somit ist dies ein Ensemble von vielen Lichtwellen mit Polarisationsebenen in allen Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit. Dieses Licht ist somit unpolarisiert. Diese Ausführungsform hat erfolgreich eine der polarisationserhaltenden Fasern eines Depolarisators weglassen können, indem die Eigenschaften der Licht emittierenden Vorrichtung (1) ausgenützt wurden.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform. Anders als bei der ersten und zweiten Ausführungsform, wird als erster Depolarisator ein gewöhnlicher Lyot-Depolarisator (52) verwendet. Es wurden nämlich zwei doppelbrechende Kristalle unter Neigung ihrer Hauptachsen um 45º gegeneinander aneinander geklebt. Linsen (53) und (54) sind vor und hinter dem Depolarisator (52) angeordnet. Die Konvergenzoptik (10) ist somit ein wenig kompliziert. Das Licht wird durch den Lyot-Depolarisator (52) depolarisiert und tritt in den ersten Faserweg (11) ein.
Natürlich muß die Dicke des doppelbrechenden Kristalls der erwähnten Bedingung genügen, daß die Differenz der optischen Wege zwischen einem außerordentlichen Strahl und einem ordentlichen Strahl größer als die Kohärenzlänge der Licht emittierenden Vorrichtung sein sollte.

Claims

1. Faseroptischer Kreisel zur Messung einer Winkelgeschwindigkeit einer Faserwendel (4) im Prinzip aus der Phasendifferenz zwischen einer sich in der Faserwendel (4) rechts (im Uhrzeigersinn) drehend ausbreitenden und einer sich links drehend ausbreitenden Lichtwelle, mit einer Licht emittierenden Vorrichtung (1), die ein monochromatisches, kohärentes Lichtstrahlbündel emittiert, einer Faserwendel (4), die eine einzelne, viele Male um eine Spindel gewickelte optische Einmodenfaser aufweist, einem Photodetektor (6) , der an einer Stelle angeordnet ist, wo die sich rechtsdrehend und linksdrehend ausbreitenden Lichtwellenbündel interferieren und der so ausgebildet ist, daß er die Intensität des interferierenden Lichtes nachweist, einem ersten Faserweg (11), der mit der Licht emittierenden Vorrichtung (1) zusammenwirkt, einem fünften Faserweg (15), der mit dem Photodetektor zusammenwirkt, einem dritten Faserweg (13) und einem vierten Faserweg (14), der Endabschnitte der Faserwendel (4) aufweist, einem dazwischenliegenden zweiten Faserweg (12), einer ersten Faserkopplung (7) zum Koppeln des zweiten Faserweges (12) sowohl mit dem ersten Faserweg (11), der mit der Licht emittierenden Vorrichtung zusammenwirkt, als auch dem fünften Faserweg (15), der mit dem Photodetektor zusammenwirkt, einem zweiten Faserkoppler (8) zum Koppeln des zweiten Faserweges (12) sowohl mit dem dritten Faserweg (13) als auch dem vierten Faserweg (14), einem im zweiten Faserweg (12) (12) vorgesehenen Polarisator (9) zur linearen Polarisierung des Lichtes, einem entweder im dritten Faserweg (13) oder im vierten Faserweg (14) vorgesehenen Phasenmodulator zur Modulation der Phase des im Faserweg sich ausbreitenden Lichtes und einem Depolarisator (3) an einem Ende der Faserwendel (4), dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Depolarisator (2) im ersten Faserweg (11) zum Depolarisieren des sich im Faserweg ausbreitenden Lichtes durch Ausrichtung der Polarisationsebenen der Teilwellenbündel in alle Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit vorgesehen ist, der weitere Depolarisator (2) so ausgebildet ist, daß er Licht durch Ausrichtung der Polarisationsebenen der Teilwellenbündel in alle Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit depolarisiert, und wobei das von der Licht emittierenden Vorrichtung (1) emittierte Licht in den Polarisator (9) übertragen wird, nachdem es durch den weiteren Depolarisator (2) depolarisiert wurde.

2. Faseroptischer Kreisel nach Anspruch 1, wobei der eine Depolarisator (3) zwei polarisationserhaltende Fasern aufweist, deren Hauptachsen unterschiedliche Längen aufweisen und die unter gegenseitiger Neigung ihrer Hauptachsen um 45º miteinander gekoppelt sind, und wobei in der kürzeren der polarisationserhaltenden Fasern die Differenz der optischen Wege der beiden Lichtbündel, deren Polarisationsebenen parallel zu den Hauptachsen sind, größer als die Wellenlänge des durch die Licht emittierende Vorrichtung (1) emittierten Lichtes ist.

3. Faseroptischer Kreisel nach Anspruch 2, wobei der weitere Depolarisator (2) zwei polarisationserhaltende Fasern aufweist, deren Hauptachsen unterschiedliche Längen haben und die unter gegenseitiger Neigung ihrer Hauptachsen um 45º miteinander gekoppelt sind, und wobei in der kürzeren der polarisationserhaltenden Fasern die Differenz der optischen Wege der beiden Lichtbündel, deren Polarisationsebenen parallel zu den Hauptachsen sind, größer als die Wellenlänge des durch die Licht emittierende Vorrichtung (1) emittierten Lichtes ist.

4. Faseroptischer Kreisel nach Anspruch 1, wobei der weitere Depolarisator (2) eine polarisationserhaltende Faser unterschiedlich langer Hauptachsen, deren eines Ende mit einem Eingangs-Ende des ersten Faserweges gekoppelt ist und deren anderes Ende der Licht emittierenden Vorrichtung gegenüberliegt, aufweist, derne Hauptachse um 45º zur Polarisation des durch die Licht emittierende Vorrichtung emittierten Lichtes geneigt ist und wobei in der polarisationserhaltenden Faser die Differenz der optischen Wege der beiden Lichtbündel, deren Polarisationsebenen parallel zu den Hauptachsen sind, größer als die Wellenlänge des durch die Licht emittierende Vorrichtung emittierten Lichtes ist.

5. Faseroptischer-Kreisel nach Anspruch 1, wobei der weitere Depolarisator (2) einen relativ dünnen doppelbrechenden Kristall mit Hauptachsen und einen relativ dicken doppelbrechenden Kristall mit Hauptachsen aufweist, wobei die Kristalle miteinander unter gegenseitiger Neigung ihrer Hauptachsen um 45º verbunden sind und wobei mit beim dünneren doppelbrechenden Kristall die Differenz der optischen Wege der beiden Lichtbündel, deren Polarisationsebenen parallel zu den Hauptachsen sind, größer als die Wellenlänge des durch die Licht emittierende Vorrichtung emittierten Lichtes ist.

6. Faseroptischer Kreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Licht emittierende Vorrichtung (1) eine Superlumineszenzdiode ist.

7. Faseroptischer Kreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Licht emittierende Vorrichtung (1) ein Halbleiterlaser ist.

8. Faseroptischer Kreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Phasenmodulator (5) einen zylindrischen piezoelektrischen Schwinger mit Elektroden aufweist, um den die optische Einmodenfaser eines Endes der Faserwendel gewickelt ist.

9. Faseroptischer Kreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Polarisator (9) ein Polarisator vom Fasertyp ist und eine aufgewickelte polarisationserhaltende Faser hat, in der zwei Lichtbündel mit unterschiedlichen Polarisationsebenen unterschiedliche Phasengeschwindigkeit haben, und wobei eines der Lichtbündel durch Streuen von Energie an einer gekrümmten Grenzfläche zwischen einem Kern und einer Umhüllung der aufgewickelten polarisationserhaltenden Faser gedämpft wird und das andere Lichtbündel sich durch diese ohne nennenswerten Verlust ausbreiten kann.