DE69116470T2

DE69116470T2 - Gyroscope mit optischem Wellenleiterverstärker als Lichtquelle

Info

Publication number: DE69116470T2
Application number: DE69116470T
Authority: DE
Inventors: Michel J F Digonnet; Kenneth A Fesler; Byoung Yoon Kim; Herbert J Shaw
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1990-08-09
Filing date: 1991-07-16
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-07-17
Also published as: EP0470710A2; EP0470710A3; JPH0579845A; JP2640588B2; US5106193A; KR100218135B1; CA2048337A1; CA2048337C; KR920004814A; DE69116470D1; EP0470710B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Fachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf dem Fachgebiet der Bauteile für optische Wellenleiter, wie etwa optische Fasern, und insbesondere auf dem Fachgebiet der Fasergyroskope, Rotationssensoren und Interferometer mit superfluoreszierenden Faserlaserquellen und dgl. angesiedelt.

Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik

Ein Sagnac-Interferometer umfaßt eine optische Schleife, normalerweise aus einer optischen Faser, welche zum Erfassen der Rotation eines Gegenstandes verwendet wird, auf welchem die Schleife befestigt ist. Solche Interferometer arbeiten derart, daß die optische Energie von einer Lichtquelle in zwei im wesentlichen gleiche Lichtstrahlen geteilt wird und anschließend breiten sich die beiden Lichtstrahlen um die Schleife herum in entgegengesetzter Richtungen aus. Die beiden Lichtstrahlen werden nach dem Durchlaufen der Schleife kombiniert und nachdem sie durch einen Richtungskoppler gelaufen sind, durch einen Detektor erfaßt. Die durch in Interferenz der beiden Lichttrahlen verursachten Intensitätsänderungen des kombinierten Lichtes werden erfaßt. Entsprechend dem bekannten Sagnac-Effekt bewirkt die Rotation des Gegenstandes und somit der Faserschleife Änderungen der relativen Phase zwischen dem in die beiden Richtungen sich ausbreitenden Licht, welche wiederum eine Änderung der erfaßten Intensität verursacht. Die Rotationsgeschwindigkeit der Schleife kann aus den erfaßten Intensitätsänderungen bestimmt werden. Siehe beispielsweise die US-Patent Nr. 4,410,275; 4,529,312; 4,637,722; 4,687,330 und 4,836,676.
Die Lichtquelle des Interferometers ist vorzugsweise eine Breitbandquelle. Resonanzfaserlaser (RFL's) und superfluoreszierende Faserlaser (SFL's) können eine hohe Spektralbandbreite und eine hohe Energieabgabe aufweisen; derartige Vorrichtungen weisen ein besseres Verhältnis der Stabilität der Durchschnittswellenlänge gegenüber der Temperatur als Halbleiterdiodenquellen auf. Diese Eigenschaften, zusammen mit der Aussicht auf eine hohe Lebenserwartung bedingen, daß die Breitbandquellen eine Alternative zu den standard superlumineszierenden Diodenquellen darstellen. Resonanzfaserlaser bieten das höchste Verhältnis der Ausgangsleistung zur Pumpleistung. Doppeldurchlaß-superfluoreszierende Laser bieten Zwischenwerte und Eindurchlaß-superfluoreszierende Laser weisen die niedrigsten Werte auf. Alle diese Quellen zeigen eine Anfälligkeit hinsichtlich einer optischen Rückkopplung, so daß hohe Gyroinstabilitäts- und -ausgangsfehler bei der Resonanzlaser-Faserquelle resultieren, wobei ein Instabilitätsbeginn bei niedrigen Quellenausgangsniveaus für die Doppeldurchlaß-superfluoreszierende Faserlaser auftritt und ein ähnliches Verhalten bei einem höheren Ausgang, der dennoch geringer als der optimale Quellenausgang ist, bei dem Eindurchlaß-superfluoreszierenden Faserlaser auftritt.
Beispielsweise setzt das im US-Patent Nr. 4,637,025 offenbarte Gyroskope eine Breitbandlichtquelle ein, um das in die optische Faserschleife zugeführte Licht zu liefern. Die im US-Patent Nr. 4,637,025 beschriebene Lichtquelle arbeitet derart, daß ein Pumpsignal einer Einmoden-optische Faser zugeführt wird, welche einen mit einem aktiven fluoreszierenden Material, wie etwa Neodym oder andere Edelgasmaterialien, dotierten Kern aufweist. Das Pumplicht weist eine ausreichende Intensität auf, so daß eine Verstärkung einer Spontanemission von Photonen durch das fluoreszierende Material bewirkt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel (Fig. 1) wird Pumplicht in die optische Faser durch eine Linse zugeführt. Bei dem zweiten der beiden Ausführungsbeispiele wird das Pumplicht durch eine dichroitische Linse zugeführt, welche gegenüber dem Pumplicht transparent und gegenüber dem emitierten Licht in höchstem Maße reflektierend ist. Das Pumplicht wird durch das fluoreszierende Material absorbiert und regt die darin befindlichen Elektronen zu höheren Energiezuständen an, so daß die Emission von Licht resultiert, wenn die Elektronen in niedrigere Zustände übergehen. Aufgrund der willkürlichen Art und Weise, in welcher die Spontanemissionen stattfinden, ist das verstärkte, emitierte Licht effektiv spontanfluoreszierend und temporär incoherent.
Ein Artikel von Fesler, et al., mit dem Titel "Fibre Gyro Experiment Using Fibre Laser Source", Ausgabe 25, Nr. 8 der Electronics Letters, Seiten 534 bis 536, vom 13. April 1989, beschreibt ein faseroptisches Gyroskop mit einer Faserlaserquelle. Eine modulierte optische Rückkopplung vom Gyro- Schaltkreis wird durch eine intracavitäre Modulation der Faserlaserquelle unterdrückt.
Um die Absorbtionsverluste zu verringern, welche durch die intermediären optischen Vorrichtungen, insbesondere Koppler, verursacht werden, wurden Vorschläge gemacht, um die die Lichtquellen vom Detektor isolierenden Richtungskoppler zu vermeiden. Im US-Patent Nr. 4,842,409 sind die Lichtquelle und der Photodetektor kolinear, entweder als einzelne Halbleiterdiode, welche alternativ als Emitter und als Detektor von Lichtenergie verwendet wird, oder ansonsten durch entsprechende Ausrichtung angeordnet. Bei der letztgenannten Anordnung wird die aus einer Halbleiterdiode gebildete Lichtquelle zwischen dem Photodetektor und dem Y-Koppler durch ihre gekoppelte Vorder- und Rückfläche eingefügt (integrierte optische Vorrichtungen werden bei diesem Patent eher als herkömmliche optische Vorrichtungen eingesetzt). Die Diode wird somit alternativ als Emitter und als Verstärker von Lichtenergie eingesetzt. In beiden Fällen wird die Halbleiterdiode geschaltet, so daß sie periodisch Lichtimpulse emitiert, welche so lang wie möglich sind, d.h. sie weisen eine Zeitdauer auf, die geringfügig kleiner als die Zeit τ' ist, welche die beiden Strahlen benötigen, um sich entlang deren kompletten Hin- und Rückwege auszubreiten. Die Schaltperiode 2 τ' nähert sich in diesem Fall der Periode 2τ der Phasenmodulation stark an, welche zum optimieren der Erfassungsempfindlichkeit eingesetzt wird, da die Hin- und Rückweglänge, welche durch die zwischen der Lichtquelle und dem Interferometer befindlichen Strahlen abgedeckt wird, verglichen mit der Wegverbindung der Interferometerschleife selbst, klein ist. Hierdurch überlappen im Ausgangssignal vom Photodetektor die verschiedenen Komponenten aufgrund der Modulation, welche von der Quellenschaltung stammt und welche von der Phasenmodulation stammt, einander, so daß die Erfassung des nutzbaren Signals erschwert wird. Bei obig ausgeführtem US-Patent Nr. 4,842,409 wird die Schwierigkeit in gewisser Form durch künstliches Verdoppeln der Ausbreitzeit der beiden Strahlen auf ihren Hin- und Rückwegen verhindert, indem eine Zusatzlänge der optischen Faser zwischen der Quelle und dem Y-Koppler hinzuaddiert wird, wobei die Zusatzlänge einem Viertel der Länge der Interferometerschleife entspricht. Jedoch erhöht das Hinzufügen einer wesentlichen Länge der optischen Faser die Kompaktheit des Interferometersystems und verringert den Lichtenergiewirkungsgrad.
Im US-Patent Nr. 4,848,910 wird eine weitere Lösung des oben genannten Problems vorgeschlagen. Die Lösung ist im wesentlichen von elektrischer Natur und setzt nicht die optischen Eigenschaften der Komponenten ein. Um einen hohen Energiewirkungsgrad zu erzielen ist es gemäß dieser Entgegenhaltung notwendig Abstrahl- und Empfangslichtimpulse von maximaler Dauer τ' entsprechend dem zweifachen der Übergangszeit τ", welche das Licht benötigen, um von der Laserdiode zum Interferometerring zu laufen, plus der Übergangszeit τ um den Interferometerring, einzusetzen. Als Folge ist die Abstrahl-Empfangsschaltdauer 2 τ' der Phasen-Modulationsperiode 2 τ sehr nahe. Das Spektrum des durch den Photodetektor erzeugten Signals weist Spektrallinien in der Nähe der Frequenz 1/2 τ auf, welche durch die Modulation aufgrund des Abstrahl-Empfangsschaltens der Laserdiode verursacht werden. Diese Spektrallinien stören die Erfassung der nutzbaren Spektrallinie bei 1/2 τ, welche durch die Phasenmodulation erzeugt wird. Das US-Patent Nr. 4,848,910 schlägt zur Lösung dieses Problems vor das nutzbare Signal bei einer anderen Spektrallinie des Signals zu isolieren, welches vom Photodetektor stammt, nachdem die Phasenmodulation mit der Modulation kombiniert wurde, welche von der Abstrahl-Empfangsschaltung der Laserdiode stammt, oder allgemeiner ausgedrückt, mit jeder Amplitudenmodulation der Lichtenergie, welche durch die Laserdiode emitiert wird. Die optische Energie, welche vom Interferometerring stammt weist ein Frequenzspektrum auf, welches reich an harmonischen Komponenten ist. Solange sich die beiden Modulationsfrequenzen geringfügig unterscheiden existiert eine Komponente, welche zum Messen des relativen Phasenunterschiedes der beiden Strahlen mit maximaler Empfindlichkeit für kleine Phasenunterschiede einsetzbar ist.
Im Gegensatz zu den beiden vorgeschlagenen Lösungen der beiden oben genannten US-Patente löst die vorliegende Erfindung das oben genannte Problem, ohne Schalten der Lichtquelle. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das oben genannte Problem zu lösen, indem interessante optische Eigenschaften der superfluoreszierenden Laserquellen verwendet werden, welche als Signalverstärker eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Interferometer nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen eines Interferometers gemäß Anspruch 13 und ein Erfassungsverfahren gemäß Anspruch 16, welches ein Interferometer verwendet.
Der Modulator weist vorzugsweise einen Phasenmodulator mit einer Frequenz fm auf, welche im wesentlichen audgewählt wird, entsprechend
fm = v/2L
wobei: v die Geschwindigkeit des sich durch die Erfassungsschleife ausbreitenden Lichtes darstellt; und
L den entlang der Erfassungschleife gemessene Differenzabstand zwischen (a) dem Phasenmodulator und dem ersten Ende der Erfassungsschleife; und (b) dem Phasenmodulator und dem zweiten Ende der Erfassungsschleife darstellt.
Die Ausgangssignalmodulation kann eine Frequenzkomponente bei fm oder eine Frequenz aufweisen, welche nicht kleiner als ungefähr 1 kHz ist. Die Ausgangssignalmodulation kann eine Frequenz in der Größenordnung von ungefähr 100 bis 200 kHz aufweisen. Die Übergangsfrequenz beträgt vorzugsweise im wesentlichen weniger als 1 MHz und kann in der Größenordnung von ungefhr 500 Hz angesiedelt sein.
Bei dem Interferometer läuft das Ausgangssignal vorzugsweise durch die Lichtquelle für die Verstärkung. Das Interferometer kann zusätzlich einen Detektor aufweisen, welcher für den Empfang des Ausgangssignals angeordnet ist, nachdem das Ausgangssignal durch die Lichtquelle läuft. Die Lichtquelle kann eine Erbium-dotierte optische Faser mit metallischem Überzug aufweisen.
Die Lichtquelle weist vorzugsweise eine gekoppelte optische Pumpquelle auf, um Pumplicht dem Metallüberzug bzw. der Plattierung zuzuführen.
Bei dem Erfassungsverfahren weist der Verstärkungsschritt vorzugsweise den Schritt des Hindurchführens des Ausgangssignals durch eine optische Faser mit einem emitierenden Medium auf. Das emitierende Medium kann erbiumdotiertes Siliciumdioxyd bzw. Silica aufweisen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung eines die vorliegende Erfindung verkörpernden Sagnac-Interferometers mit einer rückwärts gepumpten superfluoreszierenden Faserquelle, wobei der Ausgang des Interferometers in der superfluoreszierenden Faserquelle vor der Erfassung verstärkt wird;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht der doppeltplattierten neodymdotierten optischen Faser entlang der Linie I-I in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt ein Ausgangsspektrum der superfluoreszierenden Faserquelle des in Fig. 1 dargestellten Interferometers;
Fig. 4 zeigt ein den Ausgang des Interferometers von Fig. 1 aufzeichnendes Diagramm;
Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Energieniveaudiagramm von Erbiumglas, welches die unterschiedlichen Laserübergänge darstellt;
Fig. 6 zeigt ein die Änderung der Proportionsumkehrung ΔN&sub1;&sub2;(0,t) darstellendes Diagramm, wenn ein Sättigungsimpuls der Länge ΔT der superfluoreszierenden Faserlaserquelle zugeführt wird, wobei das Diagramm einen Sättigungszustand zeigt, welcher von einer Rückbildung zu anfänglichen Zuständen gefolgt wird; und
Fig. 7 zeigt eine Darstellung der relativen Sättigungs induzierten Modulation gegenüber der Frequenz.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotationssensors. Die Fig. zeigt ein Sagnac-Interferometer 102, welches eine Lichtquelle 100 aufweist. Die Lichtquelle 100 umfaßt einen optischen Wellenleiter, etwa eine optische Faser 130 mit einem ersten Ende 132 und einem zweiten Ende 134.
Die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete optische Faser 130 stellt eine Eindurchlaß-superfluoreszierende Faserlaserquelle dar. Diese Faserlaserquelle zeigt im wesentlichen eine verringerte Quellenrückkopplungsanfälligkeit und bestätigt kurzfristige Rauscherwartungen. Wenn die superfluoreszierende Faserlaserquelle 130 mit optischer Energie innerhalb spezieller optischer Wellenlängenbereiche gepumpt wird (wird im folgenden als Absorbtionsbänder der optischen Faser bezeichnet) erzeugt die optische Faser 130 Ausgangslicht mit einer Wellenlänge, welche von der Wellenlänge der pumpoptischen Energie abhängt. Beispielsweise umfaßt die optische Faser 130 einen Kern aus einem Grundglas, welches mit einem aktiven fluoreszierenden Material, wie etwa Neodym dotiert ist, das etwa Licht mit Wellenlängen in der Größenordnung von 0,82 Microns absorbiert. Die absorbierten Photonen von der pumpoptischen Energie erregen die Elektronen im aktiven Material zu höheren Energieelektronen-Energiezuständen und es werden Photonen bei charakteristischen Emissionsbändern oder fluoreszierenden Wellenlängen emitiert, wenn die Elektronen zu niedrigeren Energieniveaus übergehen. Beispielsweise betragen bei Neodym die Emissionsbänder 1,06 Microns und 1,35 Microns. Die Übergänge über die niedrigeren Energieniveaus zurück zum Grundzustand für spontane Emission finden auf beliebige Weise statt, so daß die durch das Pumplicht verursachten Photonenemissionen zu einer spontanen Fluoreszenz verstärkt werden, wodurch bewirkt wird, daß das emitierte Ausgangslicht temporär incoherent ist. Die optische Faser 130 kann auch eine Erbiumdotierte Faser sein. Wie nachfolgend detaillierter dargestellt wird, weisen Erbium-dotierte Faserlaserquellen lange Sättigungs- und Abbildungszeitkonstanten auf, welche insbesondere zum Verhindern von Nebensprechwirkungen in der Faser interessant sind.
Die Lichtquelle 100 weist eine Pumpquelle 120 auf, welche mit dem zweiten Ende 134 der fluoreszierenden optischen Faser durch einen dichroitischen Spiegel 122 gekoppelt ist. Die Pumplichtquelle 120 kann beispielsweise eine Laserdiode, eine Diodenanordnung-Pumpquelle oder dgl. sein. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Pumpquelle 120 vorzugsweise eine Diodenanordnung, etwa eine GaAlAs in Phase gebrachte Anordnung auf. Eine derartige Diodenanordnungs-Pumpquelle, etwa die 500 mW Diode Labs 815 nm Laserdiodenanordnungen von Spectra, ist kommerzielle erhältlich, welche bei ungefähr 350 MW mit einem Strom von 650 mA und einer 3 dB Bandbreite von 2,75 nm arbeitet. Die Quelle 120 liefert ein optisches Pumpsignal mit einer Wellenlänge innerhalb eines der Absorbtionsbänder der fluoreszierenden optischen Faser 130, beispielsweise 0,82 Microns. Das durch die Pumplichtquelle 120 gelieferte Pumplicht wird in das zweite Ende 134 der optischen Faser 130 mittels zweier Linsen 125 und 127 und dem dichroitischen Spiegel 122 zugeführt. Der dichroitische Spiegel 122 reflektiert das Pumplicht vollständig. Der dichroitische Spiegel stellt einen schmalbandigen 815/1060 nm dichroitischen Spiegel im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, welcher die doppeltplattierte Faser einsetzt. Der Spiegel ist gegenüber Licht bei 1060 nm transparent und reflektiert im wesentlichen das komplette Licht bei 815 nm. Das Pumplicht breitet sich anschließend im fluoreszierenden Material im Kern der optischen Faser 130 aus. Die Intensität des durch die Pumplichtquelle 120 gelieferten Pumplichtes wird derart gewählt, daß sie ausreichend hoch ist, so daß eine Populationsumkehrung der Elektronen im fluoreszierenden Material bewirkt wird, wodurch die verstärkte spontane Lichtemission vom fluoreszierenden Material unterstützt wird. Die Länge der fluoreszierenden optischen Faser 130 wird ausreichend lang gewählt, so daß im wesentlichen die komplette pumpoptische Energie durch das fluoreszierende Material absorbiert wird.
Bei einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die optische Faser 130 ein doppelt plattierter neodymdotierter Faserwellenleiter, welcher etwa von Polaroid-Corporation erhältlich ist. Die Faserlänge beträgt ungefähr 20 m. Vorzugsweise wurden beide Enden der doppelt plattierten Faser auf 15º poliert, so daß Endflächenreflektionen unterdrückt werden, welche detaillierter nachfolgend beschrieben werden. In Fig. 2 ist eine doppelt plattierte optische Faser 400 detaillierter in Querschnittansicht gezeigt. Wie dargestellt umfaßt die doppelt plattierte optische Faser 400 einen inneren Kern 420 mit Silikaglas, welches mit ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Nd&sub2;0&sub3; dotiert ist. Der Kern kann auch 3,8 Gewichtsprozent Al&sub2;0&sub3; aufweisen. Der Kern 420 hat eine numerische Aperture von 0,15. Der Kern 420 weist einen Durchmesser von ungefähr 4,8 Micrometer auf und ist von einer ersten Plattierung 422 mit einer annähernd rechteckigen Form umgeben (etwa mit zwei im wesentlichen parallelen Seiten, welche wie dargestellt durch geringfügig gerundete Enden verbunden sind). Die erste Plattierung 422 weist ungefähr rechteckige Abmessungen von 110 Mikrometer zu 45 Mikrometer auf, so daß ein Verhältnis der ersten Plattierungsfläche zur Kernfläche von ungefähr 274 geschaffen wird. Die erste Plattierung 422 umfaßt hauptsächlich Silika (Si0&sub2;) und ist von einer zweiten Plattierung 424 umgeben, welche eine erste Pufferbeschichtung darstellt. Die zweite Plattierung 424 weist ein weiches Fluro-Polymer mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,39 auf. Die numerische Aperture zwischen der ersten Plattierung 422 und der zweiten Plattierung 424 beträgt ungefähr 0,4. Die zweite Plattierung 424 ist von einer zweiten oder äußeren Pufferbeschichtung 426 umgeben, welche ein kommerzielles hartes Polymer als Schutz der doppelt plattierten optischen Faser 400 aufweist.
Die erste Plattierung 422 ermöglicht der Faser als Einmodenkern in einer rechteckigen Plattierung zu wirken. Die zweite Plattierung 424 gestattet, daß die Faser als Multimodenfaserkern für Pumplicht wirkt. Die Plattierung 422 hat eine hohe numerische Aperture und somit kann Pumplicht in die Plattierung unter einem Winkel mit Bezug auf die Kernachse zugeführt werden. Dies ermöglicht, daß das Pumplicht direkt mit der Faser 400 koppelbar ist und eliminiert den Bedarf am dichroitischen Spiegel. Das Pumplicht in der Plattierung 422 breitet sich in den Einmodenkern aus und der Einmodenkern absorbiert das Pumplicht, jedoch über eine längere Faserlänge als bei Pumplicht, welches auf den Einmodenkern beschränkt ist. Die doppelt plattierte Faser kann mit einer Hochleistungs-Halbleiterphasierten Anordnung gepumpt werden. Dies ist von Vorteil, da die hohen Pumpleistungen, welche für nützliche Fluoreszenzumfänge von einer neodymdotierten Faser erforderlich sind nicht in einfacher Form von einer Einstreifen-Laserdiode (single-strip laser diode) erzielt werden.
Wiederum bezugnehmend auf Fig. 1 wird das Anlegen von Pumplicht an das zweite Ende 134 der fluoreszierenden Faser 130, im Gegensatz zum gegenüberliegenden Ende 132, als "Rückwärtspumpen" bezeichnet. Verschiedene das "Rückwärtspumen" (backward pumping) einsetzende Ausführungsbeispiele sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr. 401,225 mit dem Titel "Superfluorescent Optical Fiber Light Source" beschrieben, welche am 31. August 1989 eingereicht und auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde.
Diese Anmeldung wird durch Bezugnahme aufgenommen. Die Reflektion des zum ersten Ende 132 der Faser 130 ausbreitenden Lichtes ("das rückwärts ausbreitende Licht") wurden anfänglich als wünschenswert eingestuft. Der Anmelder hat jedoch herausgefunden, daß die Reflektion von rückwärts ausbreitendem Licht bei vielen Anwendungen unerwünscht ist. Insbesondere liefert die Schleife des Interferometers 102 die gleichen Effekte wie ein Spiegel und bis zu 50 % des in den Sagnacinterferometer 102 zugeführten und sich um die Schleife ausbreitenden Lichtes kann zur fluoreszierenden optischen Faser 130 rückgekoppelt werden. Wenn das Licht am ersten Ende 132 reflektiert wird, wie beim US-Patent Nr. 4,637,025, breitet es sich nochmals zurück zum Sagnacinterferometer 102 aus. Unter diesen Umständen wirken die optische Faser 130 und die Schleife des Interferometers 102 als die beiden Spiegel eines Resonanzhohlraumes. Somit kann ein Resonanzlasern auftreten, welches die Erzeugung von unerwünschten temporär kohärenten Laserlicht bewirkt.
Um diese Resonanzprobleme zu vermeiden bleibt das Ende 132 frei von reflektiertem Licht, welches von der Pumpdiode-Endfacette und anderen Komponenten abgegeben wird, wenn das Pumplicht in die Faser 130 gekoppelt wird. Das erste Ende 132 der fluoreszierenden optischen Faser 130 ist speziell ausgebildet, um Reflektionen an dem ersten Ende 132 zu verhindern. Beispielsweise kennzeichnet in Fig. 1 eine Querstrichlinie am ersten Ende 132, daß das erste Ende 132 zu einem Winkel (etwa 15º) abgeschnitten wurde, so daß sich zum ersten Ende ausbreitendes Licht nicht reflektierend vom ersten Ende 132 emitiert wird. Im wesentlichen kein sich zum ersten Ende 132 ausbreitendes Licht wird zurück zum zweiten Ende 134 reflektiert. Bei einem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedes Ende der optischen Faser 130 nicht reflektierend, indem die beiden Enden mit Winkeln zugeschnitten wurden (z.B. sind das erste Ende 132 und das zweite Ende 134 zu einem Winkel von ungefähr 150 geschnitten). Alternativ kann eine nicht reflektierende Beschichtung am ersten Ende 132 aufgebracht werden. Somit kann durch geeignetes Abschließen des Endes 132 reflektierendes Licht von diesem Ende um mehr als 60 dB unterdrückt und das Stattfinden eines Resonanzlasern verhindert werden. Obwohl die oben beschriebenen "rückwärtsgepumpten" Anordnungen vorteilhaft und bevorzugt sind, ist es dem Durchschnittsfachmann ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung unter Verwendung herkömmlicher optischer Anordnungen durchführbar ist.
Die durch die superfluoreszierende Faser 130 emitierte Lichtenergie hat eine hohe Strahlungsintensität relativ zum Licht, welches durch eine sogenannte superstrahlungslichtemitierende Diode (LED) erzeugt wird. Zusätzlich weist das emitierte Licht eine Wellenlängenverteilung auf, welche breiter als der charakteristische Spektrallinienausgang einer Laserdiode ist, zeigt eine geringe temporäre Kohärenz und weist eine Grundwellenlänge auf, welche im wesentlichen temperaturunabhängig ist. Das mit der fluoreszierenden optischen Faser 130 gekoppelte Pumplicht stimuliert die Emission von Breitbandlicht.
Das emitierte Licht wird in allen Richtungen innerhalb des fluoreszierenden Materials im Kern der fluoreszierenden optischen Faser 130 erzeugt. Der Anteil des anfänglich sich in allen Richtungen des zweiten Endes 134 ausbreitenden Lichtes (welches nachfolgend als vorwärts ausbreitendes Licht bezeichnet wird) wird von diesem als Breitbandausgangssignal emitiert. Bei neodymdotierter Faser wird das Licht bei 1060 nm emitiert. Das 1060 nm Fluoreszenzsignal wird durch die Linse 127 parallel gerichtet, durch den dichroitischen Spiegel 122 übertragen, welcher bei 1060 nm transparent ist, und durch eine dritte Linse 129 in das Interferometer 102 durch eine optische Faser 110 fokussiert. Die Faser 110 kann eine 1060 nm polarisationskonservierende Einmoden-Corningfaser sein. Die SFL-Qelle 130 erzeugt eine fluoreszierende Leistung von ungefähr 3 mW mit einer Bandbreite von ungefähr 10 nm, von der 1,5 mW in die Gyrofaser 110 gekoppelt wird. Das Ausgangsspektrum der superfluoreszierenden Faser wird in Fig. 3 dargestellt. Das Spektrum zeigt eine 3 dB Bandbreite von ungefähr 12 nm bei einer Wellenlänge von ungefähr 1060 nm. Vorzugsweise wird im wesentlichen das komplette Licht von dem zweiten Ende 134 zum Eingang der Faser 110 gekoppelt.
Bei einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden der voluminöse optische Teil und der dichroitische Spiegel durch einen Multimodenfaserkoppler ersetzt, welcher die superfluoreszierende Faser 130 aufnimmt. Ein derartiger Koppler (in Fig. 1 nicht dargestellt) ist vorzugsweise ein Multiplexingkoppler. Wie beispielsweise im US-Patent Nr. 4,556,279 beschrieben, ist ein Multiplexingkoppler derart aufgebaut, daß er unterschiedliche Lichtanteile zwischen den beiden Kopplerhälften entsprechend der Wellenlänge des Lichtes koppelt. Beispielsweise ist der Multiplexingkoppler derart aufgebaut, daß im wesentlichen das komplette in die optische Faser 130 bei der Wellenlänge des Pumpsignals (etwa 0,82 µm) zugeführte Licht nicht gekoppelt und in die fluoreszierende optische Faser 130 übertragen wird, so daß der oben beschriebene fluoreszierende Effekt bewirkt wird. Andererseits verursacht der Multiplexingkoppler, daß das innerhalb der fluoreszierenden optischen Faser 130 erzeugte und sich in Vorwärtsrichtung zum zweiten Ende 134 ausbreitende Licht von der fluoreszierenden optischen Faser 130 zur optischen Faser 110 gekoppelt wird. Das gekoppelte Licht breitet sich in der optischen Faser 110 zur Schleife des Sagnac-Interferometers 102 aus. Bei einem derartigen alternativen Ausführungsbeispiel mit einem Multiplexingkoppler anstelle einer voluminösen Optik kann die Pumpquelle zudem mit der Faser 130 durch eine Multimodenfaser verbunden werden. Die Pumpwelle 120 führt Licht in das erste Ende der Multimodenfaser zu, welches sich zum zweiten Ende der Multimodenfaser ausbreitet. Das zweite Ende der Multimodenfaser ist beweglich an der optischen Faser 130 angeschlossen (pigtailed), so daß das Licht in die optische Faser 130 gekoppelt wird. Diese Ausführungsbeispiele sind in der gleichzeitig angemeldeten Patentanmeldung Nr. 401,225, beschrieben, welche am 31. August 1989 eingereicht wurde und hierdurch durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen wird.
Wiederum bezugnehmend auf das Interferometer 102 von Fig. 1 wird das durch die optische Faser 130 emitierte Breitbandausgangssignal in das Sagnac-Interfermoter 102 durch die optische Faser 110 zugeführt. Ein Richtungskoppler 140 bildet einen Bereich der optischen Faser 110 zu einer Schleife 142 zwischen den beiden Enden 112 und 114 der optischen Faser 110. Die Länge der Schleife beträgt beispielsweise ungefähr 1 km. Die Faser 110 der Schleife 142 stellt vorzugsweise eine Polarisationsbeibehaltungsfaser dar, welche von 3 M Co. hergestellt und auf eine Spule mit 20 cm Durchmesser aufgewickelt wird. Der Richtungskoppler 140 ist vorzugsweise entsprechend dem US-Patent Nr. 4,536,058 oder in ähnlicher Form aufgebaut. Der Richtungskoppler 140 ist beispielsweise ein polierter Polarisationsbeibehaltungskoppler, welcher für den Betrieb bei 1060 nm ausgestaltet ist. Die Schleife 142 arbeitet als Erfassungsbereich des Interferometers 102. Der Koppier 140 koppelt ungefahr 50 % des Breitbandlichtes, welches mit der optischen Faser 110 von der Breitbandlichtquelle 100 (3 dB Koppler) gekoppelt ist. 50 % des Breitbandlichtes breitet sich um die Schleife 142 in einer ersten Richtung (in Fig. 1 in Uhrzeigersinn) und ungefähr 50 % breitet sich um die Schleife 142 in einer zweiten entgegengesetzten Richtung (in Fig. 1 in Gegenuhrzeigersinn) aus. Das Sagnac-Interferometer 102 von Fig. 1 umfaßt ferner einen Modulator 158, vorzugsweise einen Farbmodulator 158, welcher durch einen Prozessor 154 angetrieben wird, der eine Phasenmodulation in die gegenläufig ausbreitenden Lichtsignale innerhalb der Schleife 142 zuführt, so daß das elektrische Ausgangssingal synchron demoduliert werden kann. Der Phasenmodulater ist beispielsweise ein fasergewickelter PZT-piezoelektrischer Zylinder, welcher bei einer Frequenz von 200 kHz (geeignete Frequenz für eine 1-km-Spule) betrieben wird. Die Amplitude des Phasenmodulators ist derart ausgewählt, daß sie den ersten harmonischen Gyroskopausgang maximiert. Das um die Schleife 142 laufende Licht wird durch den Richtungskoppler 140 rekombiniert und das rekombinierte Lichtsignal breitet sich rückwärts zur fluoreszierenden Faser 130 aus. Ungefähr 50 % des Lichtes wird als Ausgangssignal durch das erste Ende 112 der optischen Faser 110 geliefert, wobei die anderen 50 % durch das zweite Ende 114 der Faser 110 austreten. Die Genauigkeit der doppelbrechenden Faser-Achsenausrichtung am Polarisator und an den epoxyverklebten Stellen der Faserschleife 142 wird innerhalb ± 5º angesehen.
Der Betrieb des Sagnac-Interferometer ist bekannt und wird hierin nicht im Detail beschrieben. Der Durchschnittsfachmann erkennt, daß zusätzliche Bauteile häufig eingesetzt werden, um den Betrieb derartiger Interferometer zu verbessern. Der optische Einfügverlust der Schaltung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der fluoreszierenden Faser beträgt exemplarisch ungefähr 27 dB. Bauteile wie etwa ein Polarisator 160, welcher auf der optischen Faser 110 zwischen dem Ende 112 der Faser 110 und dem Richtungskoppler 140 angeordnet ist, werden vorteilhafterweise bei vielen Anwendungen eingesetzt. Der Polarisator kann etwa aus einer Miniaturcalcitstange zwischen zwei GRIN-Linsen mit einem geschätzten optischen Leistungsextensions- bzw. Schwächungskoeffizienten besser als 35 dB bestehen. Der Durchschnittsfachmann erkennt zudem, daß Bereiche des Sagnac-Interferometers 102 vorteilhafterweise mit integrierten optischen Bauteilen oder kompakten optischen Bauteilen ausgestaltbar sind.
Der Ausgang des Interferometers tritt in die fluoreszierende Faser 130 durch das zweite Ende 134 ein, nachdem er durch die Linsen 127, 129 fokussiert wurde. Der dichroitische Spiegel 122 ist wiederum gegenüber dem Ausgangslicht transparent, welches sich bei der Emissionswellenlänge der superfluoreszierenden Faser 130 befindet. Das Ausgangslicht wird anschließend in der Laserfaser 130 verstärkt, welche nunmehr als ein Verstärker wirkt. Das gyroskopoptische Ausgangssignal, welches durch die superfluoreszierende Faser 130 vom zweiten Ende 134 zurück zum ersten Ende 132 läuft, erfährt eine Verstärkung von ungefähr 30 dB beim experimentellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Fachmann erkennt, daß die Phasenmodulation an der Schleife eine Amplitudenmodulation des rekombinierten Signalausganges durch das Interferometer bei der gleichen Frequenz wie die Fasenmodulatorfrequenz induziert. Diese Amplitudenmodulation kann eine Modulation der optischen Verstärkung in der Faser bei der gleichen Frequenz bewirken, sowohl bei ausreichend hoher und ausreichend langsamer Amplitudenmodulation als auch innerhalb der Bandbreite der verstärkenden Faser. Die hohen Werte des modulierten Signals reichem die obere Laserniveaupopulation ab, wodurch die Verstärkung abnimmt. Die niedrigen Werte des modulierten Signals beeinflußen die Verstärkung nicht, so daß die Verstärkung unverändert bleibt. Die Verstärkungsänderungen werden durch die Verstärkungshöhe gemessen. Wenn die Verstärkung moduliert wird, ist die Verstärkung fast verlustlos (unity). Wenn die Verstärkung nicht moduliert wird, beträgt die Höhe 0. In der Praxis variiert die Verstärkungshöhe zwischen 1 und 0.
Das amplitudenmodulierte Signal wird auch dem emitierten Signal eine Amplitudenmodulation bei der gleichen Frequenz aufprägen. Folglich kann das emitierte Signal und das Gyroskopsignal Resonanzeffekte erzeugen, welche die Präzision und Empfindlichkeit des Interferometers beeinflußen. Zudem kann die Modulation mit Bezug auf das tatsächlich zu erfassende Signal beträchtlich sein und als Rauschquelle wirken.
Die Verstärkungsmodulation variiert mit den erregten Lebensdauern des Lasermaterials des Verstärkes. Die Populationslebensdauer eines Laserniveaus wird als Dauer definiert, während welcher die Population des Laserniveaus im invertierten Zustand bleibt, bis he der Population auf ein niedriges Niveau herabemitiert ist. Wenn sich das amplitudenmodulierte Gyroskopsignal, welches auch als Ausgangssignal bezeichnet wird, durch das Lasermedium der Faser 130 ausbreitet, ändert sich die Population des oberen Laserniveaus im Gleichschritt mit der Frequenzmodulation des Signals. Die Populationsumkehr folgt den Intensitätsänderungen des Ausgangssignals aufgrund der schnellen Geschwindigkeit, mit welcher das obere Laserniveau vom Grundzustand durch ein oberes Pumpniveau bevölkert wird, und der hohen Verarmungsgeschwindigkeit. Das obere Laserniveau ist schnell gesättigt und kann den Intensitätschwankungen folgen. Faserlaser haben eine relativ lange obere Laserniveau-Lebensdauer. Das obere Laserniveau wird relativ langsam bevölkert. Wenn die Frequenz des amplitudenmodulierten Ausgangssignals ausreichend hoch relativ zur Populationslebensdauer ist und eine Frequenz übersteigt, welche nachfolgend als Schwellenwertfrequenz oder Übergangsfrequenz bezeichnet wird, wird die Populationsumkehrung aufhören den Intensitätsänderungen des Ausgangssignals zu folgen. Das Quellensignal nimmt anschließend eine quasistetige Zustandspopulationsdichte im oberen Laserniveau mit keiner resultierenden Modulation vom Ausgangssignal wahr.
Beim Laser der vorliegenden Erfindung wird die Frequenz der Fasenmodulation derart ausgewählt, daß das amplitudenmodulierte Signal ausreichend hoch ist, so daß eine Verstärkungsmodulation verhindert wird. Bei einer Erbium-dotierten Faser ist die Verstärkungshöhe im wesentlichen gleich 1 bis zu einer Frequenz von 500 kHz und nimmt anschließend schnell ab. Bei Sagnac-Gyroskopen ist die Phasenmodulationsfrequenz mit der Länge der Interferometerschleife durch die Gleichung gekoppelt: fm = v/2L, wobei fm die Phasenmodulationsfrequenz darstellt, v die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit durch die Erfassungsschleife bezeichnet und L den entlang der Erfassungsschleife zwischen dem Phasenmodulator und einem ersten Ende der Erfassungsschleife und dem Phasenmodulator und einem zweiten Ende der Erfassungsschleife gemessenen Differenzabstand darstellt. Normalerweise beträgt bei Faserschleifen mit einer Länge von 1 km die Phasenmodulationsfrequenz ungefähr 200 kHz. Bei einer derartigen Frequenz ist die Verstärkungsmodulation für eine Erbium-dotierte Faser ungefähr 0.
Die Fluoreszenzlebensdauer von Neodym ist in der Größenordnung von 40 µs kürzer als die Lebensdauer von Erbium, welche 10 bis 15 ms beträgt. Somit ist die Schwellenwertfrequenz für eine Erbium-dotiert Faser kleiner als die Schwellenwertfrequenz für Neodym-dotierte Fasern. Folglich ist die Verstärkungsmodulation bei Frequenzen in der Größenordnung von 200 kHz bei einer neodymdotierten Faser auch vernachläßigbar.
Im Gegensatz hierzu haben Laserdioden eine kurze obere Laserlebensdauer. Beispielsweise ist die Lebensdauer von Laserdioden in der Größenordnung von wenigen Nanosekunden angesiedelt, so daß die Schwellenwertfrequenz sehr hoch, in der Größenordnung von 1 MHz ist. Die Verstärkung wird somit in Halbleiterlaserdioden selbst bei sehr hohen Frequenzen moduliert. Da die Modulationshöhe von der Stärke des Rückkopplungssignals abhängt, ist es möglich, die Verstärkungshöhe bei Laserdioden zu verringern, indem das Rückkopplungssignal verkleinert wird. Jedoch verringert dies im wesentlichen das S/N-Verhältnis. Aufgrund dieser Probleme offenbarten die bekannten Patente mit Laserdioden (US-Patent Nr. 4,842,409 und US-Patent Nr. 4,848,951) die Verwendung von Schalter, um die Laserdiode nacheinander als Quelle und als Verstärker einzusetzen. Dies erzeugte andere Probleme, welche die oben genannten Patente vorgaben zu lösen.
Somit ist durch die Wahl eines Lasermediums mit einer aus reichend langen oberen Laserniveau-Lebensdauer es möglich, die Verstärkungsmodulation in der Verstärkungsfaser wesentlich zu verringern. Wenn die Modulationsfrequenz des Ausgangssignals sehr viel größer als die Übergangsfrequenz ist, nimmt die Umkehrmodulation auf akzeptable Niveaus für Gyroskopanwendungen sehr schnell ab.
In Fig. 7 ist die Verstärkungsmodulation gegenüber der Frequenz für unterschiedliche Werte des Eingangspumpsignals und Signalleistungen in einem log-log-Diagramm dargestellt. Fig. 7 wird detaillierter in Verbindung mit der theoretischen Analyse der Ausgleichsverstärkungssättigung und -erholung bei Erbiumlaserfasern beschrieben. Fig. 7 zeigt eindeutig, daß die Verstärkungsmodulation konstant und für Frequenzen niedriger als eine vorgegebene Frequenz nicht vernachlässigbar sind, welche nachfolgend als Übergangsfrequenz bezeichnet wird. Wenn jedoch die Frequenz des Signals über die Übergangsfrequenz zunimmt, sinkt die Verstärkungsmodulation sehr schnell ab und verschwindet. Beispielsweise bei Erbium beträgt die Verstärkungsmodulation ungefähr 0,9 für eine vorgegebene Eingangspumpleistung und Signalleistung, wie durch Kurve 1 in Fig. 7 für Frequenzen kleiner oder gleich einer Übergangsfrequenz dargestellt ist, welche ungefähr 500 Hz beträgt. Wenn die Frequenz 500 Hz übersteigt, nimmt die Verstärkungsmodulation sehr schnell ab. Bei Frequenzen oberhalb 1 KHz wird die Verstärkungsmodulation vernachlässigbar und geht auf 0. Die log-log-Kurve der abnehmenden Verstärkungsmodulation beträgt ungefähr -1.
Nochmals zur Fig. 1 zurückkehrend wird das Ausgangssignal vom ersten Ende 132 durch einen Detektor 150 erfaßt, welcher ein elektrisches Ausgangssignal auf eine Leitung 152 zuführt, die zu einem Prozessor 154 führt. Der Detektor ist exemplarisch eine Silizum PIN-Photodiode. Der Prozessor 154 verarbeitet das elektrische Ausgangssignal und liefert ein berechnetes Ausgangssignal auf einen Bus 156, welcher auf die Richtung und Geschwindigkeit anspricht, mit der die Schleife 152 gedreht wird. Bei dem experimentellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt die optische Leistung am Ende 132 der superfluoreszierenden Faser 130 8mw, von der ein Teil auf den Detektor fokussiert ist und einen Gleichstrom von 0,2 mA erzeugt. Dieses hohe Niveau des elektrischen Eingangs zu der Elektronik vereinfacht in vorteilhafter Weise die elektronische Signalverarbeitungsschaltung.
Fig. 4 zeigt die experimentellen Ergebnisse, welche durch das Interferometer der vorliegenden Erfindung erzielt wurden. Der Registrierstreifen weist sieben Bereiche auf, welche mit I bis VII bezeichnet sind. In allen Bereichen, ausgenommen Bereich VI ruht das Gyroskop, wobei die Schleifenachse parallel zur Erdachse ausgerichtet ist. Im Bereich I wird die Elektronik eingeschaltet. Im Bereich II ist die Pumpquelle an. Im Bereich III wird der Phasenmodulator eingeschaltet, jedoch die Rotationsgeschwindigkeit beträgt 0º/Std. Im Bereich IV ist die Schleifenachse zur Erdachse mit einem Winkel ausgerichtet, welcher eine effektive Rotationsgeschwindigkeit von 5º/Std. ergibt. Im Bereich V ist die Rotationsrate wiederum 0. Im Bereich VI wird der Phasenmodulator ausgeschaltet. Im Bereich VII wird die Pumpdiode ausgeschaltet. Jede Hauptunterteilung in Fig. 4 stellt eine Minute dar. Die Bereiche I und VII geben den elektronischen Rauschuntergrund des Systems, ungefähr
0, 002º/Std./ Hz
wieder.
Die Bereiche II und VI (wobei der Faserlaser aktiviert und die Laserdiodenpumpe eingeschaltet ist) zeigen das Umdrehungs-pro-Minute-Intensitätsrauschen, welches als ungefähr
0,08º/Std./ Hz
angesehen werden kann und welches dem theoretischen Niveau des Quellenschwebungsrauschens von
0,75º/Std./ Hz
nahe ist. Die berechneten Werte des kurzen Rauschens und Johnsons-Rauschens betragen jeweils
0,005 und 0,002º/Std./ Hz.
Die Bereiche III bis V (der Phasenmodulator (PM) ist eingeschaltet) zeigen das Gyro-Ansprechverhalten bei 0 und 5º/Std. Rotationsgeschwindigkeit.
Im niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich ist das System der vorliegenden Erfindung stabil und weist eine Rotationsempfindlichkeit von ungefähr
0,08º/Std./ Hz
auf, welches scheinbar bei dem normalen Schwebungsrauschen eingestellt wird, welches der Bandbreite der superfluoreszierenden Fasserlaserquelle zugeordnet ist. Es ist anzumerken, daß das Hinzufügen einer hohen verstärkungsoptischen Verstärkung im System der vorliegenden Erfindung das Nettoausgangsrauschniveau nicht bemerkenswert erhöht. Das System der vorliegenden Erfindung ist im wesentlichen empfindlicher als rückwärts gepumpte Interferometer ohne Gain-Verstärkung bzw. Leistungsverstärkung. Die Leistungs- und Stromniveaus am Detektor sind beim System der vorliegenden Erfindung um drei Größenordnungen höher aufgrund der hohen optischen Verstärkung, welche durch das Gyroskopsignal beim Zurücklaufen durch die Verstärkungsfaser erfahren wird.
Während die optischen Bauteile, welche bei der experimentellen Gyroskopschaltung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, zur Bewertung des kurzfristigen Rauschens und der Empfindlichkeit des Systems der vorliegenden Erfindung geeignet sind, erlauben sie keinen Vorspannungsversatz und Vorspannungsabweichungen bis zu ± 4º/Std. bei Temperaturänderungen, wie bei langfristigen Abweichungsuntersuchungen festgestellt wurde. Jedoch ist es für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, daß eine Gyroskopschaltung, welche optimale Bauteile verwendet, den Bestandteil der quellenerzeugten Abweichung ausschalten kann.
Eine theoretische Analyse der Ausgleichs-Verstärkungssättigung und -erholung bei Erbium-dotierten Faserverstärkern ist in einem Artikel von E. Desurvire, mit dem Titel "Analysis of Transient Gain Saturation and Recovery in Erbium Doped Fiber Amplifiers", IEEE Photonics Technology Letters, Ausgabe 1 Nr. 8, August 1989 wiedergegeben. Dieser Artikel wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Obwohl die Analyse erbiumdotierte als Faserverstärker eingesetzte Fasern betrifft ist sie qualitativ auch für Faserlaser gültig welche mit anderen Lasermaterialien dotiert sind.
Die Differenz, welche durch sättigungsinduzierte Kreuzkopplungs- bzw. Nebensprechfrequenz-modulierten Drehsensorsignalausgang bewirkt wird, kann die Präzision und die Empfindlichkeit der Messungen in Faseroptikgyroskopen beeinträchtigen. Wie oben ausgeführt, stellt die sättigungsinduzierte Kreuzkopplung einen Reduzierungseffekt der Populationsumkehrung oder Trägerdichte in der optischen Faser dar.
In Fig. 5 ist ein vereinfachtes Dreiniveaumodell einer erbiumdotierten Faser dargestellt. Das Modell weist drei Niveaus auf: das Grundniveau, das erregte Niveau (oder obere Laserniveau) und das obere Pumpniveau. N&sub1;, N&sub2; und N&sub3; sind jeweils die Grundniveau-, die erregte Niveau- und die obere Pumpniveaupopulationen. Niveau 1 entspricht dem &sup4;I13/2 Niveau (der Laserübergang von Er³&spplus; beträgt 1,5 µm), Niveau 2 entspricht dem &sup4;I15/2 Niveau und Niveau 3 entspricht dem Pumpabsorbtionsband. Wie in Fig. 5 dargestellt, definieren die Buchstaben R, Aij und Wij verschiedene Geschwindigkeiten von den verschiedenen Niveaus 1, 2 und 3. R stellt die Pumprate dar, Aij = τij&supmin;¹ ist die spontane Absinkgeschwindigkeit vom Niveau i zum Niveau j mit der charakteristischen Lebensdauer τij. Beispielsweise beträgt die Fluoreszenzlebensdauer τ&sub2;&sub1; wenn die Erbiumfaser fluoresziert, d.h. die Lebensdauer des Überganges zwischen dem Niveau 2 und dem Niveau 1. Schließlich stellt Wij die stimulierte Emissionsgeschwindigkeit dar.
Die zeitabhängigen Geschwindigkeitsgleichungen für die Atompopulationen sind in einem Artikel von C.R. Giles und E. Desurvice mit dem Titel "Transient gain and cross-talk in erbium-doped fiber amplifers", Optics Letters, Ausgabe 14, Nr. 16, 15. August 1989 dargestellt. Dieser Artikel wird hierdurch durch Bezugnahme aufgenommen. Diese Gleichungen sind wie folgt:
Mit obigen Anmerkungen stellen sich die zeitabhängigen Geschwindigkeitsgleichungen für die Niveaupopulationen N1 und N2 wie folgt dar:
dN&sub1;/dt = -(W&sub1;&sub2;+R)N&sub1; + (W&sub2;&sub1;+A&sub2;&sub1;)N&sub2; + RN&sub3; (2)
dN&sub2;/dt = W&sub1;&sub2;N&sub1; - (W&sub2;&sub1;+A&sub2;&sub1;)N&sub2; + A&sub3;&sub2;N&sub3; (3)
Bei dieser Verstärkungssättigungsanalyse ist es unmöglich, die Verstärkungsdynamik entlang der kompletten Faser zu studieren, aufgrund der nicht-linearen Eigenschaft des Sättigungseffektes. Jedoch besteht die Möglichkeit, die Verstärkungsdynamik am Ende des Fasereinganges zu studieren, bei welchem der Pumpsignaleingang in die Faser und das Signal, welches durch die Faser emitiert wurde, durch konstante anfängliche Bedingungen fixiert sind. Um die Berechnungen zu vereinfachen wird angenommen, daß W&sub1;&sub2; und W&sub2;&sub1; dem gleichen Wert W entsprechen. Unter der Annahme, daß ferner W und R am Eingangsfaserende (z=0) den gleichen konstanten Zeitwert für eine gewisse Dauer aufweisen, erzielen die Gleichungen (2) und (3) nach der Integration die folgenden Lösungen:
Nk(z=O,t) = ake-ω1t + bke-ω2t + Ck
k = 1,2 (4)
Die Zeitkonstanten ω&sub1;&supmin;¹ und ω&sub2;&supmin;¹ stellen charakteristische Abnahmezeiten dar und ergeben sich wie folgt
Bei obigen Gleichungen (5) und (6) sind Pp(0) und PS(0) jeweils die Eingangspumpleistung und die Gyroskopsignalleistung bei z = 0, d.h, am Eingangsende der Faser. Pthp stellt den Pumpenschwellwert für die Populationsumkehr dar, wobei Psat die Gyroskopsignalsättigungsleistung ist. Die Werte der Pumpschwellwertleistung und der Sättigungsleistung können theoretisch berechnet werden. Die Populationsumkehr zwischen Niveau 1 und Niveau 2 wird durch die Differenz N&sub2; - N&sub1; erhalten. Die Gleichung (10) zeigt, daß die Zeitabhängigkeit der Umkehrung bzw. Inversion durch die Verhältnisse α und β interpoliert wird, welche durch die folgende Gleichungen erhalten werden:
α = Pp(0)/Pthp (7)
2β = Ps(0)/Psat (8)
Die Tatsache, daß der Pumpschwellwert Pth und die Sättigungsleistung Psat umgekehrt proportional zu τ&sub2;&sub1;&supmin;¹ sind impliziert, daß die Zeitkonstanten ω&sub1; und ω&sub2; tatsächlich von der Fluoreszenzlebensdauer unabhängig sind, wenn
Pp(0)/Pthp
viel größer als 1 oder wenn
Ps(0)/Psat
viel größer als 1 ist.
Bei Erbiumglas, bei welchem die Abnahmezeit vom Pumpniveau τ&sub3;&sub2; im allgemeinen sehr kurz im Vergleich zur Fluoreszenzzeit r&sub2;&sub1; ist kann das Verhältnis &epsi; = τ&sub3;&sub2;/τ&sub2;&sub1; an 0 angenähert werden. Die Auflösung der Gleichung (4) ergibt die Populationen der Niveaus 1 und 2:
wobei N&sup0;i = N&sup0;i(0,0) ist.
Die Population des Niveaus 3 wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
N&sub3;(0,t) N&sup0;&sub3; exp (-t/τ&sub3;&sub2;) (10')
Aus den Gleichungen (9) und (10) kann abgeleitet werden, daß N&sub1; und N&sub2; als Summe von zwei Thermen ausgedrückt werden können: Der erste Therm ist ein zweitabhängiger Therm mit einer ω&sub1;&supmin;¹-Charakteristik 1/e Lebensdauer und einem Verschwinden bei t T ∞ ; der zweite Therm ist konstant und entspricht dem stetigen Zustandsbereich.
Bei der folgenden Analyse wird angenommen, daß ein Rechtecksignal in die Faser eingegeben wird. Es ist ersichtlich, daß der Durchschnittsfachmann erkennt, daß eine derartige Analyse für ein Modulationssignal mit einer unterschiedlichen Wellenform, wie etwa ein sinusförmiges Signal durchführbar ist. Die rechteckige Wellenform wurde ausgewählt, um das Problem leicht analysierbar zu gestalten. Ein Sättigungssignalimpuls der Länge Δ T wird somit in die Faser eingegeben bzw. zugeführt. Die Länge des Impulses ist viel größer als ω&sub1;&supmin;¹.
Die Gleichungen (9) und (10) ergeben den folgenden Ausdruck der zeitabhängigen Inversion ΔN&sub1;&sub2;(0,t).
Nunmehr wird auf Fig. 6 Bezug genommen, welche einen Ausdruck der zeitabhängigen Inversion ΔN&sub1;&sub2;(0,t) darstellt. Fig. 6 zeigt, daß die zeitabhängige Inversion ΔN&sub1;&sub2;(0,t) während des Signalimpulses abnimmt. Diese Phase wird als Sättigungsbereich bezeichnet. Wenn das Signal ausgeschaltet wird kehrt die zeitabhängige Inversion ΔN&sub1;&sub2;(0,t) zu dessen Anfangswert zurück. Diese Phase wird als Erholungsbereich bezeichnet. Normalerweise werden der Sättigungs- und der Erholungsbereich durch ΔTs und ΔTr gemessen, welche als Zeit definiert sind, die zwischen dem 90%igen Wert der Zeitinversion und dem 10%igen Wert der Zeitinversion während der Sättigungsphase bzw. der Erholungsphase definiert ist.
Die obige Analyse ermöglicht nunmehr abzuleiten, daß der Dämpfungseffekt der Verstärkungsdynamik die Verstärkungsmodulation bewirkt, welche durch ein zeitvariierendes Sättigungssignal induziert wird (etwa ein rechteckiges Wellenformsignal in der vorliegenden theoretischen Analyse), das es verschwindet, wenn die Signalfrequenz zunimmt. Bei einem rechteckigen Wellenform-Modulationssignal mit einer Frequenz 1/2 ΔT, welche bei T=0 in die Phase zugeführt wird, wird die relative Inversionsmodulation, d.h. die Modulationsverstärkung, durch die Gleichung gegeben:
wobei B gleich f/2 und f=1/ΔT ist. Der Term δ(ΔN&sub1;&sub2;) stellt die Inversionsdifferenz am Ende von aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen dar.
/ΔN&sub1;&sub2;
ist die Durchschnittsinversion, K ist eine Konstante und ω und ω' ergeben sich wie folgt:
ω = (1 + α + 2β)/τ&sub2;&sub1; and ω' = (1 + α)/τ&sub2;&sub1; (15)
Die Gleichung (13) zeigt, daß die Modulation für hohe Frequenzwerte verschwindet und bei kleinen Frequenzwerten maximal ist.
Nunmehr wird auf Fig. 7 Bezug genommen, in welcher die relative Umkehrmodulation (Verstärkungsmodulation) als Funktion der Frequenz f für die Differenzwerte von α und ß ausgedruckt ist. Fig. 7 zeigt in einem log-log-Ausdruck, daß die Steigung bei Erbium bei bis zu 500 Hz ungefähr 0 ist und sich dahinter auf -1 ändert. Die relative sättigungsinduzierte Modulation der Kreuzkopplung beginnt bei Frequenzen um 500 Hz bis 1 kHz abzunehmen und verschwindet bei Frequenzen über 1000 kHz (1 Mhz). Fig. 7 zeigt Ausdrucke von unterschiedlichen Werten der relativen Eingangspump- und Gyroskopsignalleistungen. Die durchgezogenen Linien entsprechen τ&sub2;&sub1; = 14 ms. Die gestrichelten Linien entsprechen τ&sub2;&sub1; = 10 ms. Die gestrichelten Linien sind nach rechts verschoben. Dies zeigt, daß bei niedrigeren Werten der oberen Laserzeitdauer die Schwellwertfrequenz größer ist.
Bei Erbium-dotierten Fasern verschwindet die sättigungsinduzierte Verstärkungsmodulation und die Schwellwertfrequenz f = 1 kHz. Die Population im oberen Laserniveau ändert sich schrittweise mit der Modulation des Modulationslasersignals, sofern zwischen den hochpumpenden und stimulierten Emissionsgeschwindigkeiten ein Ausgleich geschaffen wird. Folglich ändert sich die Populationsinversion bzw. -umkehr bei der Modulation des Signals und induziert somit eine Verstärkungsmodulation. Wenn die Modulationsfrequenz zunimmt, folgt die Populationsinversion den Intensitätsänderungen des Signals, aufgrund der geringen Geschwindigkeit, bei welcher das obere Laserniveau vom Grundzustand durch das obere Pumpniveau bevölkert wird, nicht mehr. Das Quellensignal erkennt eine quasi stetige Zustandspopulationsdichte im oberen Laserniveau bei keiner resultierenden Modulation vom Modulationssignal.
Die vorliegende Erfindung kombiniert die Vorteile des Rückwärtspumpens und der Verwendung der Lichtquelle als Verstärker des Gyroskopsignals und ermöglicht einen Betrieb ohne Instabilität oder andere bemerkenswerte Verschlechterungen der Quelleneigenschaften bei einem Quellenausgangsleistungsniveau von 34 mW. Dies stellt eine Größenordnungsverbesserung gegenüber vorherigen vorwärts gepumpten Systemen dar und ermöglicht das Erzielen einer quellenrausch-beschränkten Drehempfindlichkeit. Der Betrieb der Quelle als kombinierte Quelle und Verstärker ermöglicht eine Gyro-Durchführung mit wesentlich erhöhten Detektorausgangsniveaus, welche die elektronische Verarbeitung vereinfachen können. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann verständlich, daß Modifikationen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegen und derartige Modifikationen durch den Umfang der Ansprüche der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden.

Claims

1. Inferferometer mit einer Erfassungsschleife (142), einer Lichtquelle (100), welche mit der Erfassungschleife (142) zum Eingeben eines Eingangslichtsignales in die Erfassungsschleife (142) gekoppelt ist, und einem Modulator (158), welcher durch die Erfassungschleife (142) ausbreitendes Licht moduliert, wobei die Lichtquelle (100) den Lichtsignalausgang durch die Erfassungsschleife (142) empfängt und durch den Modulator (158) moduliert, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Lichtquelle (100) ein lichtemittierendes Medium umfaßt, welches eine Umkehrmodulation ausführt, die von der Modulation des Ausgangssignals abhängt, wobei der Abhängigkeitsgrad wesentlich über einer Übergangsfrequenz als unter der Übergangsfrequenz liegt, die Umkehrmodulation für Modulationsfrequenzen des Ausgangssignals unterhalb der Übergangsfrequenz relativ hoch ist und abnimmt, wenn die Modulationsfrequenz des Ausgangssignals über die Übergangsfrequenz zunimmt; und daß

der Modulator (158) mit einer Frequenz angetrieben wird, welche bewirkt, daß die Modulation des Ausgangssignals bei einer Frequenz stattfindet, welche wesentlich über der Übergangsfrequenz liegt, um die Umkehrmodulation wesentlich zu verringern.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (158) einen Phasenmodulator mit einer Frequenz fm aufweist, welche im wesentlichen entsprechend fm = v/2L ausgewählt wird, wobei v die durch die Erfassungsschleife (152) ausbreitende Lichtgeschwindigkeit darstellt und L den entlang der Erfassungsschleife (142) gemessenen Differenzabstand zwischen dem Phasenmodulator und dem ersten Ende der Erfassungsschleife (142) und dem Phasenmodulator und einem zweiten Ende der Erfassungschleife (142) darstellt.

3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignalmodulation eine Frequenzkomponente bei fm aufweist.

4. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignalmodulation eine Frequenz aufweist, die nicht kleiner als ungefähr 1 kHz ist.

5. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignalmodulation eine Frequenz in der Größenordnung von 100 - 200 kHz aufweist.

6. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überfangsfrequenz im wesentlichen kleiner als 1 MHz ist.

7. Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfrequenz in einer Größenordnung von ungefähr 500 Hz liegt.

8. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal durch die Lichtquelle (100) zur Verstärkung hindurchläuft, wobei das Interferometer zusätzlich einen Detektor (150) aufweist, welcher derart positioniert ist, daß er das Ausgangssignal empfängt, nachdem das Ausgangssignal durch die Lichtquelle (100) hindurchgelaufen ist.

9. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (100) eine Erbium-dotierte optische Faser aufweist.

10. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (100) eine optische Faser mit einer Plattierung aufweist.

11. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (100) eine optische Pumpquelle (120) aufweist, die zum Zuführen von Pumplicht in die Plattierung gekoppelt ist.

12. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Polarisator (160), welcher zwischen der Lichtquelle (100) und der Schleife (142) derart angeordnet ist, daß Eingangslicht von der Quelle (100) durch den Polarisator (160) und ein Lichtausgang von der Schleife (142) auch durch den Polarisator (160) läuft.

13. Verfahren zum Herstellen eines Interferometers mit einer Erfassungschleife (142) und einem Detektor (150), mit den Schritten:

Koppeln einer Lichtquelle (100) mit einem emittierenden Medium mit der Schleife (142);

Positionieren der Lichtquelle (100) zwischen der Erfassungschleife (142) und dem Detektor (150) derart, daß ein Ausgangssignal von der Schleife (142) durch die Quelle (100) läuft, um das Ausgangssignal zu verstärken;

Koppeln eines Modulators (158) mit der Schleife (142) derart, daß das Ausgangssignal moduliert wird, gekennzeichnet durch den Schritt:

Koppeln eines Generators, um den Modulator (158) bei einer Frequenz fm anzutreiben, welche in Bezug auf die Umkehrmodulations-Eigenschaften des emittierenden Mediums ausreichend hoch ist, so daß die Umkehrmodulations-induzierte Modulation des Ausgangssignals im wesentlichen ausgeschaltet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (158) einen Phasenmodulator aufweist und fm = v/2L ist, wobei v die Geschwindigkeit des durch die Erfassungsschleife (142) ausbreitenden Lichtes darstellt und L den entlang der Erfassungschleife (142) gemessenen Differenzabstand zwischen dem Phasenmodulator (158) und einem ersten Ende der Erfassungschleife (142) und dem Phasenmodulator (158) und einem zweiten Ende der Erfassungsschleife (142) beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Quelle (100) eine Erbium-dotierte Faser aufweist.

16. Erfassungsverfahren, mit den Schritten:

Verstärken eines Ausgangssignals von einem Interferometer, um ein verstärktes Ausgangssignal zu liefern;

Erfassen des verstärkten Ausgangssignals;

Modulieren von Licht, welches sich im Interferometer ausbreitet, so daß das Ausgangssignal vor der Verstärkung des Ausgangssignals moduliert wird,

gekennzeichnet durch den Schritt:

Verwenden einer Frequenz für die Modulation, welche ausreichend hoch ist, um eine Umkehrmodulation-induzierte Modulation des Ausgangssignals während der Verstärkung zu vermeiden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsschritt den Schritt umfaßt: Führen des Ausgangssignals durch eine aus einem emittierendem Medium bestehenden optische Faser.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierende Medium Erbium-dotiertes Silica aufweist.