DE69124820T2

DE69124820T2 - Optischer Faserkreisel

Info

Publication number: DE69124820T2
Application number: DE69124820T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Gunji; Hiroshi Kajioka; Tatsuya Kumagai; Junichi Makino; Shigeru Oho; Hisao Sanobe
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1990-04-26
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2011-04-26
Also published as: EP0454113A2; DE69124820D1; US5208652A; EP0454113B1; EP0454113A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in einem kleinen Lichtleitfaser-Gyroskop, in dem ein Azimutwinkel und dergleichen unter Verwendung einer optischen Interferenz detektiert wird.
Hierzu basiert die Messung eines Lichtleitfaser-Gyroskops, das eine optische Differenz verwendet, um einen Azimutwinkel aus der Änderung einer Winkelgeschwindigkeit zu ermitteln, auf der Interferenz zweier Lichtwellen, die sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen in einer Lichtleitfaserschleife ausbreiten. Mit anderen Worten, die Winkelgeschwindigkeit wird durch Messen der Phasendifferenz des Interferenzlichts ermittelt, die aufgrund von Drehungen entwickelt wird.
Bei der Messung der Phasendifferenz mittels des Lichtleitfaser-Gyroskops auf diese Weise muß eine Phasenverzögerung vorgegeben werden. Als Hilfsmittel zum Erzeugen der Phasenverzögerung ist eine Technik bekannt, die in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 135912/1983 mit dem Titel "Applied Optics", 20, (1981), S. 4313-4318, beschrieben ist, in der zwei Lichtwellen, die das Interferenzlicht bilden, zu separaten optischen Pfaden geführt und durch Phasenplatten im Lichtleitfaser-Gyroskop geleitet werden, wodurch sie mit der vorgegebenen Phasenverzögerung versehen werden. Um die Detektionsgenauigkeit des Lichtleitfaser-Gyroskops zu verbessern, ist es außerdem erforderlich, den Einfluß von Rückkopplungslicht, die Kompensation einer Drift, die bei irgendeiner Veränderung in der Umgebung des Gyroskops auftritt, und dergleichen zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck sind Techniken bekannt, die in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. 94680/1981, Nr. 228113/1984, Nr. 134513/1990 usw. offenbart sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lichtleitfaser-Gyroskop mit einem Aufbau zu schaffen, der eine stabile Phasenverzögerung erzeugen kann, ohne den optischen Weg aufzuspalten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lichtleitfaser-Gyroskop zu schaffen, bei dem der Einfluß von Licht, das vom optischen System eines Interferometers zu einer Lichtquelle zurückgeführt wird, eliminiert werden kann, ohne die mittlere Lichtmenge der Lichtquelle um die Hälfte zu reduzieren.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Lichtleitfaser- Gyroskop, wie es im Anspruch 1 beansprucht ist. Die abhängigen Ansprüche sind auf Merkmale der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

Die vorliegende Erfindung wird deutlich beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 die erste Ausführungsform eines Lichtleitfaser- Gyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 die zweite Ausführungsform des Lichtleitfaser- Gyroskops der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 die dritte Ausführungsform des Lichtleitfaser- Gyroskops der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ein Schaubild zur Erläuterung der Operation der dritten Ausführungsform ist;
Fig. 5 die vierte Ausführungsform des Lichtleitfaser- Gyroskops der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit gemäß der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 eine Ausführungsform eines Lichtleitfaser-Gyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in der Figur gezeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine kohärente Lichtquelle, das Bezugszeichen 11 eine Lichtquellentreibereinheit, das Bezugszeichen 20 eine optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit, das Bezugszeichen 30 eine Lichtleitfaserschleife, das Bezugszeichen 40 einen Photodetektor und das Bezugszeichen 50 eine Signalverarbeitungsschaltung.
In der Ausführungsform der Fig. 1 wird die kohärente Lichtquelle 10 von der Lichtquellentreiberschaltung 11 angesteuert.
Das Licht von der kohärenten Lichtquelle 10 wird zum ersten Anschluß 21 der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit 20 geleitet. Das Licht&sub1; das über den Anschluß 21 in die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 eingetreten ist, wird in dieser Einheit aufgeteilt, wobei die resultierenden Lichtstrahlen aus dem zweiten Anschluß 22 bzw. dem dritten Anschluß 23 austreten.
Der erste Lichtstrahl, der der aus dem zweiten Anschluß 22 austretende Lichtstrahl ist, ist das Licht, das durch die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 durchgelassen wird, während der zweite Lichtstrahl, der der aus dem dritten Anschluß 23 austretende Lichtstrahl ist, das Licht ist, das in der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit 20 eingekoppelt wird. Die Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Lichtstrahlen wird durch die Phaseneigenschaften der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit 20 bestimmt. In dieser Ausführungsform ist die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 so beschaffen und hergestellt, daß eine Phasendifferenz von 45º entsteht.
Die ersten und zweiten Lichtstrahlen treten jeweils in die beiden Enden der Lichtleitfaser 30 ein und breiten sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen durch die Lichtleitfaserschleife 30 aus. Danach erreicht der erste Lichtstrahl den Anschluß 23, während der zweite Lichtstrahl den Anschluß 22 erreicht.
Somit treten beide Lichtstrahlen über die jeweils anderen Anschlüsse erneut in die optische Verzweigungs/Kopplungs- Einheit 20 ein.
Der erste Lichtstrahl, der über den dritten Anschluß 23 in die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 eintritt, wird in dieser Einheit aufgeteilt in den vierten Lichtstrahl, der das aus dem vierten Anschluß 24 austretende durchgelassene Licht darstellt, und den fünften Lichtstrahl, der das aus dem ersten Anschluß 21 austretende eingekoppelte Licht darstellt.
Andererseits wird in ähnlicher Weise der zweite Lichtstrahl, der über den zweiten Anschluß 22 in die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 eintritt, in dieser Einheit aufgeteilt in den sechsten Lichtstrahl, der das aus dem ersten Anschluß 21 austretende durchgelassene Licht darstellt, und den siebten Lichtstrahl, der das aus dem vierten Anschluß 24 austretende eingekoppelte Licht darstellt.
Die vierten und siebten Lichtstrahlen, die aus dem Anschluß 24 austreten, bilden das Interferenzlicht, das von Photodetektor 40 detektiert wird. Andererseits werden die fünften und sechsten Lichtstrahlen, die aus dem Anschluß 21 austreten, zur kohärenten Lichtquelle 10 zurückgeführt.
Hierbei ist die in dieser Ausführungsform verwendete optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 ein symmetrischer reziproker Wandler, bei dem in diesem Fall die Phasendifferenz zwischen den durchgelassenen und gekoppelten Lichtstrahlen ohne Rücksicht darauf, über welchen Anschluß der Lichtstrahl in diese Einheit eingetreten ist, gleich 45º ist.
Bei dem obenbeschriebenen Ausbreitungsprozeß des Lichts wird nun die Phasendifferenz zwischen den vierten und siebten Lichtstrahlen untersucht, die das Interferenzlicht bilden. Der vierte Lichtstrahl wurde durch die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 zweimal durchgelassen, während der siebte Lichtstrahl in der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 zweimal eingekoppelt wurde.
Dementsprechend beträgt die Gesamtphasendifferenz der vierten und siebten Lichtstrahlen auf der Grundlage der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 im Fall dieser Ausführungsform 45º 2 = 90º.
Wenn das gesamte optische System gedreht wird, wird zur obenbeschriebenen Phasendifferenz von 90º eine auf dem Sagnac-Effekt beruhende Phasendifferenz φs hinzugefügt, wobei die Phasendifferenz des Interferenzlichts insgesamt
(φs+ 90º)
annimmt.
Wenn φs eine zu messende Phasendifferenz bezeichnet und I und ν die Intensität bzw. die Sichtbarkeit des Interferenzlichts bezeichnen, wird das Ausgangssignal P eines optischen Interferenzsensors allgemein ausgedrückt durch Gleichung (1):
P = K I {1 + ν cos φs}, (1)
wobei K eine Konstante bezeichnet. Somit antwortet das Ausgangssignal P auf eine Veränderung der zu messenden Phasendifferenz φs in Form einer Cosinusfunktion.
In der Umgebung von φs = 0 nimmt somit die Empfindlichkeit des optischen Interferenzsensors stark ab, wobei im Fall des Lichtleitfaser-Gyroskops die Detektion einer niedrigen Winkelgeschwindigkeit schwierig wird.
Für die Detektion sehr kleiner Phasendifferenzen φs wird daher vorzugsweise die Phasendifferenz des optischen Interferenzsensors mittels irgendeiner Einrichtung mit einem Verzögerungswert beaufschlagt, so daß das Ausgangssignal P des optischen Interferenzsensors auf die zu messende Phasendifferenz φs mit einer Sinusfunktion antwortet, wie in Gleichung (2) gezeigt ist:
P = K I {1 + ν cos (φs + 90º)} = KI {1 + ν sin φs} (2)
Gemäß dem Lichtleitfaser-Gyroskop dieser Ausführungsform kann hierbei der Phasenverzögerungswert von 90º erreicht werden, ohne einen besonderen Phasenmodulator zu installieren, wie vorher beschrieben wurde, wobei ein Interferenzsignal P, das als Ausgangssignal des Photodetektors 40 geliefert wird, sich in Abhängigkeit von der Phasendifferenz φs in Form einer Sinusfunktion ändert, wie mit Gleichung (2) gezeigt ist.
Das heißt, es wird die optimale Empfindlichkeit erreicht.
Im folgenden wird die Phasendifferenz zwischen den fünften und sechsten Lichtstrahlen erläutert, die das zur kohärenten Lichtquelle 10 zurückgeführte Licht bilden.
Jeder dieser Lichtstrahlen wurde einmal durch die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 durchgelassen und einmal darin eingekoppelt. Es ist daher klar, daß die beiden Lichtstrahlen keine Phasendifferenz aufweisen, die durch die Ausbreitung durch die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 verursacht wird. Das heißt, wenn das zurückgeführte Licht als Interferenzlicht behandelt wird, steht es zur Phasendifferenz φs immer über eine Cosinusfunktion in Beziehung. Diese Tatsache wird in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt, die später beschrieben wird.
In Fig. 1 empfängt die Signalverarbeitungsschaltung 50 als Eingangssignal das Interferenzsignal des Photodetektors 40, das sich in Abhängigkeit von der Phasendifferenz φs in Form einer Sinusfunktion ändert, und liefert durch die Berechnung einer inversen Sinusfunktion als Ausgangssignal eine geradlinige Signalspannung, die die Phasendifferenz φs angibt.
Außerdem ist in einem Fall, bei dem im optischen System das polarisierte Licht fluktuiert, im Meßwert der zu messenden Phasendifferenz φs aufgrund einer Anderung im Interferenzzustand des Interferometers manchmal eine Drift enthalten. Um diese ungünstige Auswirkung der Polarisationsfluktuation zu eliminieren, ist es wünschenswert, zwischen die Lichtquelle 10 und dem ersten Anschluß 21 der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 und/oder zwischen dem vierten Anschluß 24 der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 und dem Photodetektor 40 einen/mehrere Polarisierer 75 einzusetzen.
Wenn im Fall der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform die Lichtmenge von der kohärenten Lichtquelle 10 verändert wird, fluktuiert unmittelbar die vom Photodetektor 40 empfangene Lichtmenge (die Intensität 1 in Gleichung (2)).
Bei dem Interferenzsensor, der eine Lichtleitfaser verwendet, fluktuiert andererseits manchmal aufgrund der Temperaturveränderung, der säkularen Veränderung der Kopplungseffizienz zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser oder dergleichen die Lichtmenge.
Somit kann bei der ersten Ausführungsform das Problem auftreten, daß sich der Proportionalitätskoeffizient zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsphasendifferenz φs der Signalverarbeitungsschaltung 50, mit anderen Worten ihre Spannungsskala, in Abhängigkeit von der in den Photodetektor 40 einfallenden Lichtmenge ändert.
Die zweiten und dritten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im folgenden beschrieben werden, kompensieren die in der ersten Ausführungsform auftretende Fluktuation der Spannungsskala.
Im folgenden wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Lichtleitfaser-Gyroskops gemäß der zweiten Ausführungsform
Bei dem Interferenzsensor, der die Lichtleitfaser verwendet, ist der wichtigste Faktor der Fluktuation der Lichtmenge üblicherweise die Temperatur oder die säkulare Änderung der Kopplungseffizienz zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser.
In der zweiten Ausführungsform sind daher zusätzlich zur ersten Ausführungsform eine zweite optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 60 und ein zweiter Photodetektor 41 angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, tritt das Licht von der kohärenten Lichtquelle 10 über den ersten Anschluß 61 in die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 60 ein und wird aufgeteilt, so daß es aus dem zweiten Anschluß 62 und dem dritten Anschluß 63 austritt.
Der zweite Photodetektor 41 empfängt das Licht vom Anschluß 63 und regelt die Lichtquellentreiberschaltung 11 so, daß die Lichtmenge konstant gehalten wird. Als Folge hiervon wird auch das vom zweiten Anschluß 62 der zweiten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 60 ausgegebene Licht auf einer konstanten Lichtmenge gehalten.
Das vom Anschluß 62 ausgegebene Licht wird der ersten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 zugeführt. Die anschließende Operation ist dieselbe wie in der ersten Ausführungsform
Wie oben erwähnt worden ist, ist in der zweiten Ausführungsform die Lichtmenge stabilisiert, so daß die Spannungsskala nicht fluktuiert.
Außerdem ist es wie in der ersten Ausführungsform auch in der zweiten Ausführungsform wünschenswert, zwischen den zweiten Anschluß 62 der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit 60 und dem ersten Anschluß 21 der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 und/oder zwischen dem vierten Anschluß 24 der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit 20 und dem Photodetektor 40 einen/mehrere Polarisierer 75 einzusetzen.
Im folgenden wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Lichtleitfaser-Gyroskops gemäß der dritten Ausführungsform
Die dritte Ausführungsform ist so beschaffen, daß die Fluktuation der Spannungsskala mittels eines Hilfsmittels kompensiert wird, das sich vom Hilfsmittel der zweiten Ausführungsform unterscheidet.
In der dritten Ausführungsform ist die erste Ausführungsform zusätzlich mit einem optischen Phasenmodulator 70 ausgestattet, der hergestellt wird, indem eine Lichtleitfaser von ungefähr 1 m Länge um einen PZT-Zylinder (Piezoelektrischer Wandler oder Piezo-Keramik) gewickelt wird, und der an einem Ende der Lichtleitfaser 30 eingesetzt wird.
Wenn bei dem Lichtleitfaser-Gyroskop der Fig. 3 die vorübergehende Anderung einer Lichtphase auf der Grundlage des optischen Phasenmodulators 70 mit 4)(t) bezeichnet wird, dann wird ein Interferenzsignal P(t), das als Ausgangssignal des Photodetektors 40 geliefert wird, durch die Gleichung (3) ausgedrückt:
P(t) = K {I + ν sin (φs + ψ(t) + ψ(t - τ))} (3)
Hierbei bezeichnet τ die Laufzeit der Lichtwelle, die der Faserschleife zugeordnet ist, und ist durch Gleichung (4) gegeben, in der die Länge l der Faserschleife, der Brechungsindex n der Lichtleitfaser und die Lichtgeschwindigkeit c verwendet werden:
τ = n l / c (4)
Hierbei ist ebenso wie in der ersten Ausführungsform das Interferenzsignal P(t) eine Sinusfunktion der Phasendifferenz φs, da das Interferometer dem Phasenverzögerungswert von 90º unterliegt, der durch die Phaseneigenschaften der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 entsteht.
Es sei nun angenommen, daß der optische Phasenmodulator 70 mit einem sinusförmigen Wellensignal angesteuert wird, das durch die Gleichung (5) ausgedrückt wird:
Ψ(t) = Ψµ sin ωµt (5)
Hierbei bezeichnet Ψµ die Amplitude der optischen Phasenmodulation und ωµ die Winkelfrequenz der optischen Phasenmodulation. Außerdem wird das Interferenzsignal P(t) durch die Gleichungen (6) und (7) ausgedrückt:
P(t) = K I (1 + ν sin (φs + η cos ωµ (t - τ/2))} (6)
η = 2 Ψµ sin (ωµ τ/2) (7)
Wenn die optische Phasenmodulationsamplitude Ψµ so eingestellt wird, daß der effektive Phasenmodulationsindex η ausreichend groß wird, kann dementsprechend ein bestimmter Zeitpunkt to existieren, der in Abhängigkeit von irgendeiner beliebigen Phasendifferenz φs die Gleichung (8) erfüllt:
φs + η cos ωµ (t&sub0; - τ/2) = π/2 (8)
Hierbei gilt die Gleichung (9):
PPEAK = P(t&sub0;) = K I {1 + ν} (9)
Somit erreicht das Interferenzsignal P(t) zum Zeitpunkt t&sub0; seinen Spitzenwert.
Wie aus Gleichung (9) deutlich wird, hängt der Spitzenwert PPEAK des Interferenzsignals nicht von der Phasendifferenz φs ab.
Unter Beachtung dieser Tatsache kompensiert die dritte Ausführungsform die Spannungsskalafluktuation der ersten Ausführungsform.
In Fig. 3 werden eine Treiberschaltung 80 für den optischen Phasenmodulator und eine Spitzenerfassungsschaltung 90 in Abhängigkeit von einem Gattersignal betrieben, das von einer Kompensationszeitgeberschaltung 100 erzeugt wird.
Wie in Fig. 4 gezeigt, steuert die Treiberschaltung 80 für den optischen Phasenmodulator den optischen Phasenmodulator 70 nur dann an, wenn sich das Gattersignal im EIN-Zustand befindet, wobei die Spitzenerfassungsschaltung 90 die Spitze des Interferenzsignal zu diesem Zeitpunkt erfaßt.
Wenn das Gattersignal gleich AUS ist, stoppt die Treiberschaltung 80 für den optischen Phasenmodulator den Betrieb.
Während das Gattersignal gleich AUS ist, hält außerdem die Spitzenerfassungsschaltung 90 den vorher erfaßten Spitzenwert und liefert diesen fortgesetzt als Spitzenwertsignal. Inzwischen werden der Signalverarbeitungsschaltung 110 als Eingangssignale das Interferenzsignal und das Spitzenwertsignal zugeführt, deren Verhältnis berechnet und als Ausgangssignal ausgegeben wird.
Das heißt, während das Gattersignal gleich AUS ist, ist das Interferenzsignal gleich:
P (t) = K I (1 + ν sin φs}, (10)
ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Dieses Interferenzsignal wird durch das Spitzenwertsignal dividiert, das erhalten wird, wenn das Gattersignal gleich EIN ist:
PPEAK = K I (1 + ν} (11)
Dadurch wird die Interferenzlichtintensität 1 entfernt, so daß das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung 110 von der Anderung der Menge des kohärenten Lichts unabhängig wird.
Die EIN-Zeit des Gattersignals wird unter Berücksichtigung der Antworteigenschaften des optischen Phasenmodulators PZT in dieser Ausführungsform auf ungefähr 10 ms eingestellt.
Die AUS-Zeit kann ausreichend lang sein, um eine langsame Fluktuation zu kompensieren, wobei das Gattersignal in dieser Ausführungsform mit einer Periode von einer Sekunde wiederholt eingeschaltet wird.
Ferner ist es in der dritten Ausführungsform wünschenswert, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform die Polarisierer zu verwenden.
Im folgenden wird die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung waren die Phaseneigenschaften der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit auf 45º eingestellt. Bei der Herstellung der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit ist es jedoch manchmal schwierig, die Phaseneigenschaften genau auf den gewünschten Wert einzustellen. Außerdem können über einen längeren Zeitraum Fluktuationen der Phaseneigenschaften der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit auftreten.
Die vierte Ausführungsform löst dieses Problem.
Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Lichtleitfaser-Gyroskops gemäß der vierten Ausführungsform
Wie in der Figur gezeigt, ist die fünfte Ausführungsform ähnlich der zweiten Ausführungsform so aufgebaut, daß zusätzlich zur ersten Ausführungsform die zweite optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 60 zwischen die kohärente Lichtquelle 10 und die erste optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 eingesetzt ist. Anders als bei der zweiten Ausführungsform ist jedoch der zweite Photodetektor 41 mit dem vierten Anschluß 64 der zweiten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 60 verbunden.
Außerdem umfaßt eine Signalverarbeitungsschaltung 200 einen steuerbaren Verstärker 201 mit dem Verstärkungsfaktor A, Addierer/Subtrahierer 202, 203 und eine Lineansierungsschaltung 204.
Ferner können die Phaseneigenschaften der ersten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 einen beliebigen Wert α aufweisen und müssen nicht genau 45º betragen, wie in den ersten, zweiten oder dritten Ausführungsformen.
Wie aus der genauen Beschreibung der ersten Ausführungsform deutlich wird, beträgt die Phasendifferenz des Interferenzlichts, das auf dem Anschluß 24 der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 austritt, in der vierten Ausführungsform 2 a. Das erste Interferenzsignal P&sub1;, das vom ersten Photodetektor 40 geliefert wird, wird ausgedrückt durch Gleichung (12):
P&sub1; = K I {1 + ν cos (Ψµ + 2α) = K I {1 + ν cos 2a cos φs -ν sin 2α sin φs} (12)
Andererseits ist das aus dem Anschluß 64 der zweiten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 60 austretende Licht Teil des zur kohärenten Lichtquelle 10 zurückgeführten Lichts, das aus dem Anschluß 21 der ersten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 austritt. Wie mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben worden ist, ist dieses austretende Licht das Interferenzlicht, das ungeachtet der Phaseneigenschaften der ersten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 immer eine Cosinusfunktion darstellt.
Somit ergibt sich das zweite Interferenzsignal P&sub2;, das vom zweiten Photodetektor 41 geliefert wird, wie mit Gleichung (13) gezeigt:
P&sub2; = L I {1 + ν cos φs} (13)
Hierbei bezeichnet L eine Konstante, die durch die Verzweigungseigenschaften der zweiten optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 60 und den Verstärkungsfaktor des zweiten Photodetektors 41 bestimmt wird.
Bei der vierten Ausführungsform werden die ersten und zweiten Interferenzsignale P1, P2 erfaßt und elektrisch kombiniert, wodurch ein Ausgangssignal des Lichtleitfaser-Gyroskops erzeugt wird, das in derselben Weise wie bei der Verleihung der Phasenverzögerung von 90º über eine Sinusfunktion mit der Phasendifferenz φs in Beziehung steht.
Genauer dient bei der Signalverarbeitungsschaltung 200 ein Eingangssignal B des Addierers/Subtrahierers 203 zum Einstellen eines Gleichspannungs-Verzögerungspegels, während das Ausgangssignal P&sub0; derselben durch Gleichung (14) ausgedrückt wird:
P&sub0; = A P2 - P1 - B (14)
Wenn somit der Verstärkungsfaktor A des einstellbaren Verstärkers 201 wie mit Gleichung (15) gezeigt eingestellt wird:
A = K cos 2α/L, (15)
wird das Ausgangssignal P&sub0; ausgedrückt durch Gleichung (16):
P&sub0; = K I ν sin 2α sin φs + (A L - K) 1 - B (16)
Somit wird das Ausgangssignal erzeugt, bei dem die Empfindlichkeit des Lichtleitfaser-Gyroskops bezüglich der Phasendifferenz φs optimiert ist.
Wenn außerdem der Gleichspannungsverzögerungswert B wie mit Gleichung 17 eingestellt wird:
B = (A L - K) I, (17)
wird das Ausgangssignal für die Phasendifferenz φs = 0 gleich P&sub0; = 0.
Wenn die Phaseneigenschaften α der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 ausreichend stabil sind, kann die Verstärkungsfaktorkonstante A eingestellt werden, indem sie nur während der Herstellung des Lichtleitfaser- Gyroskops eingestellt wird. In einem Fall, in dem die Phaseneigenschaften α so stark fluktuieren, daß sie im Betrieb ein Problem hervorrufen, muß jedoch die Konstante A erneut eingestellt werden.
In der vierten Ausführungsform wird die Verstärkungsfaktorkonstante A des einstellbaren Verstärkers 201 von Zeit zu Zeit eingestellt. Zu diesem Zweck ist eine Überwachungsschaltung 205 vorgesehen, die als Antwort auf ein von außen angelegtes Rücksetzsignal die Verstärkungsfaktorkonstante A so einstellt, daß das Ausgangssignal P&sub0; des Addierers/Subtrahierers 203 mit einem vorgegebenen Wert übereinstimmt.
Die vierte Ausführungsform sollte nur zu einem Zeitpunkt mit dem Rücksetzsignal beaufschlagt werden, zu dem sich ein bewegtes Objekt oder dergleichen, das das Lichtleitfaser-Gyroskop mitführt, nicht dreht, so daß eine Sagnac- Phasendifferenz φs = 0 angenommen werden kann.
Zu diesem Zeitpunkt setzt die Überwachungsschaltung 205 die Verstärkungsfaktorkonstante A und ferner den Gleichspannungsverzögerungswert B zurück, so daß gilt:
P&sub0; (φs = 0) = 0, (18)
wodurch die Fluktuation der Phaseneigenschaften α der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit 20 kompensiert wird.
Ferner ist es bei der vierten Ausführungsform wünschenswert, ähnlich wie in der zweiten Ausführungsform die Polarisierer zu verwenden.
Fig. 6 zeigt ein Herstellungsverfahren für die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit gemäß der Erfindung.
Die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit wird im Fusionsdehnungsprozeß hergestellt.
Wie in der Figur gezeigt, wird das Licht von einer Lichtquelle 10 veranlaßt, in die erste Lichtleitfaser 400 einzutreten, wobei das aus der ersten Lichtleitfaser 400 austretende Licht vorn ersten Photodetektor 410 erfaßt wird.
Die erste Lichtleitfaser 400 wird von einer feststehenden Klemme 402 und einer beweglichen Klemme 430 unterstützt.
Andererseits ist die zweite Lichtleitfaser 401 im Aufbau identisch mit der ersten Lichtleitfaser 400 und wird in ähnlicher Weise von einer feststehenden Klemme 421 und einer beweglichen Klemme 431 unterstützt.
Das Licht von der Lichtquelle 10 wird in einem Fusionsdehnungsabschnitt 440 in die zweite Lichtleitfaser 401 eingekoppelt, wobei das eingekoppelte Licht vom zweiten Photodetektor 411 erfaßt wird.
Ein Brenner 45º ist auf einer beweglichen Bühne 460 angeordnet, wobei der geschmolzene Zustand des Fusionsdehnungsabschnitts 440 kontrolliert wird, indem die bewegliche Bühne 460 vertikal und horizontal bewegt wird.
Im Fusionsdehnungsprozeß wird eine Photokopplung auf eine solche Weise erreicht, daß die Hüllen der zwei Lichtleitfasern in Kontakt gebracht werden und durch Erhitzen mit dem Brenner zu einer Einheit verschmolzen werden, bis sich die Kerne der zwei Lichtleitfasern sehr nahe kommen. Für die Verwirklichung des Nachbarzustands der Kerne ist es allgemein üblich, daß im geschmolzenen Zustand des Fusionsdehnungsabschnitts 440 die Kerne der zwei Lichtleitfasern 400, 401 gegeneinander gedrückt werden, woraufhin die beweglichen Klemmen 430, 431 in Axialrichtung der Lichtleitfasern bewegt werden, wodurch diese Lichtleitfasern gedehnt werden.
Hierbei werden die Ausgangssignalintensitäten der Photodetektoren 410, 411 verglichen, um ein gewünschtes Verzweigungsverhältnis zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung verwirklicht die asynchrone optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit in einer Weise, daß während der obenerwähnten Fusionsdehnung die erste Lichtleitfaser 400 und die zweite Lichtleitfaser 401 unter verschiedenen Dehnungsbedingungen gedehnt werden.
Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die beweglichen Klemmen 430, 431 zum Dehnen der ersten und zweiten Lichtleitfasern 400, 401 individuell angeordnet und werden getrennt bewegt, um dadurch eine asymmetrische Streckung durchzuführen. Im Fusionsdehnungsabschnitt 440 werden die Lichtleitfasern geschmolzen und gedehnt und besitzen daher veränderte Ausbreitungskonstanten. Da hierbei die Dehnungsmaße der ersten und zweiten Lichtleitfasern unterschiedlich sind&sub1; entsteht im Fusionsdehnungsabschnitt 440 eine Differenz in den Ausbreitungskonstanten.
Wenn außerdem im Herstellungsprozeß für den Faserkoppler Einrichtungen zum gleichzeitigen Messen der Phaseneigenschaften und des Verzweigungsverhältnisses einer optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit verwendet werden, können ein Faserkoppler mit Fasereigenschaften und einem Verzweigungsverhältnis nach Wunsch hergestellt werden.

Claims

1. Lichtleitfaser-Gyroskop, mit

einer optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit (20), in der Licht von einer kohärenten Lichtquelle (10) in zwei Richtungen aufgespalten oder aus zwei Richtungen zusammengeführt wird,

einem optischen System, das eine Lichtleitfaserschleife (30) für die Ausbreitung der aufgespaltenen Lichtstrahlen in entgegengesetztem Rotationssinn, sowie

eine Licht-Phasendifferenz-Verzögerungseinrichtung enthält, die den aufgespaltenen Lichtstrahlen eine Verzögerung verleiht,

wobei der optische Ausgang des Gyroskops aus Interferenzucht besteht, das die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit zweimal durchlaufen hat,

einem Signalverarbeitungssystem (40, 50, 110, 200), das den optischen Ausgang des optischen Systems (10, 20, 30, 70) in ein elektrisches Signal umsetzt und das elektrische Signal verarbeitet, und

einer Erfassungseinrichtung für die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage eines Verarbeitungsergebnisses des Signalverarbeitungssystems, wobei die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit (20) die Licht-Phasendifferenz schafft, die zwischen dem gesendeten Licht und dem aufgespaltenen Licht eine Phasenverzögerung von π/4 erzeugt,

der optische Ausgang der Einheit (20) aus Interferenzucht besteht, das die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit zweimal durchlaufen hat, die somit als Einrichtung für die Erzeugung der Lichtphasen- Verzögerung von π/2 dient, und

die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit (20) mehrere Lichtleitfasern (400, 401) enthält, die geschmolzen und unter verschiedenen Ziehbedingungen gezogen worden sind.

2. Lichtleitfaser-Gyroskop nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zum Messen der Intensität des aufgespaltenen Lichts der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit und einer Einrichtung zum Steuern der Intensität einer Lichtquelle des Lichtsystems in Übereinstimmung mit der gemessenen Intensität des verzweigten Lichts, um so die in einen Weg zur optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit eintretende Lichtrnenge konstant zu halten.

3. Lichtleitfaser-Gyroskop nach Anspruch 1, mit einer optischen Phasenmodulationseinrichtung (70), die zwischen die Lichtleitfaser-Schleife (30) und die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit (20) eingesetzt ist, und einer Einrichtung (80, 90) zum Ansteuern der optischen Phasenmodulationseinrichtung (70) sowie zum Kompensieren von Intensitätsschwankungen des Interferenzlichts durch die Verwendung eines Spitzenwerts des erhaltenen Interferenzlichts.

4. Lichtleitfaser-Gyroskop nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung, die das Interferenzlicht, das aus den in Interferenz zu bringenden Lichtstrahlen gebildet ist, die die Lichtphasenverzögerung aufweisen, und das aus einem Anschluß der optischen Verzweigungs/Kopplungs- Einheit (20) erhalten wird, und Rückkopplungslicht der Lichtleitfaser-Schleife (30), das von einem weiteren Anschluß der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit erhalten wird, einer vorgegebenen Verarbeitung auf der Grundlage von Phasencharakteristiken der optischen Verzweigungs/Kopplungs-Einheit (20) unterwirft und ein zusammengesetztes Signal erzeugt, das sich gemäß einer Sinusfunktion entsprechend der Phasendifferenz zwischen den in Interferenz zu bringenden Lichtstrahlen in der Lichtleitfaser-Schleife (30) verändert.

5. Lichtleitfaser-Gyroskop nach Anspruch 1, in dem die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit (20) einen Weg des gesendeten Lichts (22) und denjenigen des verzweigten Lichts (23) strukturell asymmetrisch macht.

6. Lichtleitfaser-Gyroskop nach Anspruch 1, in dem die optische Verzweigungs/Kopplungs-Einheit (20) mehrere Polarisationsebenenerhaltungsfasern (500, 501) enthält, die Anlaß zu verschiedenen Polarisationsmoden der optischen Verzweigung/Kopplung geben.