DE69302086T2 - Modulationsfehlerverminderung für faseroptischen kreisel - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Phasenmodulatoren für faseroptische Systeme und insbesondere Anordnungen zum Anpassen einer solchen Phasenmodulation sich darin ausbreitender elektromagnetischer Wellen an sich ändernde Bedingungen.
• Faseroptische Kreisel stellen eine attraktive Vorrichtung zur Messung der Drehung eines einen solchen Kreisel tragenden Objekts dar. Solche Kreisel können ziemlich klein ausgeführt und so konstruiert werden, daß sie erheblichen mechanischen Schockbeanspruchungen, Temperaturänderungen und anderen extremen Umgebungseinflüssen widerstehen. Aufgrund des Fehlens beweglicher Teile können sie fast wartungsfrei sein und zeigen das Potential, kostenmäßig wirtschaftlich zu werden. Sie können auch für geringe Drehgeschwindigkeiten empfindlich sein, welche bei anderen optischen Kreiseln zu Problemen führen.
• Ein faseroptischer Kreisel weist eine um einen Kern gewickelte optische Faser auf, die zugleich um die Achse gewickelt ist, um welche Drehungen gemessen werden sollen. Die optische Faser ist typischerweise etwa 100 bis 2000 Meter lang und ist Teil eines geschlossenen optischen Weges, in den eine elektromagnetische Welle, oder Lichtwelle, eingegeben und in zwei solcher Wellen aufgeteilt wird, die sich in Gegenrichtung durch die Spule ausbreiten, um letztendlich auf einen Photodetektor aufzutreffen. Eine Drehung um die Meßachse des Kerns oder der aufgewickelten optischen Faser führt für eine dieser Wellen in der einen Drehrichtung zu einer Vergrößerung der aktiven optischen Weglänge und in der Gegenrichtung zu einer Verkürzung der optischen Weglänge. Das entgegengesetzte Ergebnis ergibt sich bei einer Drehung in der Gegenrichtung. Solche Weglängendifferenzen zwischen den Wellen führen in beiden Drehrichtungen zu einer Phasenverschiebung zwischen den Wellen, was als Sagnac-Effekt bekannt ist. Die Verwendung einer aufgewickelten optischen Faser ist erwünscht, weil der Betrag der Phasenunterschiedsverschiebung aufgrund der Drehung und somit auch das Ausgangssignal von der Länge des gesamten optischen Weges durch die Spule abhängt, welchen die beiden elektromagnetischen Wellen in entgegengesetzter Richtung zurücklegen. Somit kann in einer langen optischen Faser eine große Phasendifferenz erzielt werden, obwohl sie aufgrund des Aufwickelns ein relativ kleines Volumen einnimmt.
• Der Ausgangsstrom der Photodiode des Photodetektorsystems aufgrund der in Gegenrichtung umlaufenden und die aufgewickelte optische Faser durchlaufenden elektromagnetischen Wellen folgt einer angehobenen Kosinusfünktion. Dies bedeutet, daß der Ausgangsstrom vom Kosinus der Phasendifferenz zwischen diesen beiden Wellen abhängt. Da eine Kosinusfünktion eine gerade Funktion ist, liefert die Ausgangsfünktion keine Anzeige hinsichtlich der relativen Richtungen der Phasendifferenzverschiebung und somit keine Anzeige hinsichtlich der Drehrichtung um die Spulenachse. Außerdem ist die Anderungsgeschwindigkeit einer Kosinusfünktion in der Nähe des Nullpunkts sehr klein, so daß eine solche Ausgangsfünktion für geringe Drehgeschwindigkeiten eine sehr geringe Empfindlichkeit hat.
• Wegen dieser ungenügenden Eigenschaften wird die Phasendifferenz zwischen den beiden in Gegenrichtung umlaufenden elektromagnetischen Wellen üblicherweise moduliert, indem man einen optischen Phasenmodulator, der üblicherweise als Basismodulator bezeichnet wird, auf der einen Seite der aufgewickelten optischen Faser in den optischen Weg einfügt. Als Ergebnis hiervon durchläuft eine der beiden in Gegenrichtung sich ausbreitenden Wellen auf ihrem Weg zur Spule durch den Modulator, während die in Gegenrichtung laufende andere Welle den Modulator durchläuft, wenn sie aus der Spule heraustritt.
• Ferner ist als Teil des Demodulatorsystems ein phasenempfindlicher Detektor vorhanden, welcher ein Signal empfängt, das dem Ausgangsstrom des Photodetektors entspricht. Sowohl der Phasenmodulator als auch der phasenempfindliche Detektor können mit einem Sinussignalgenerator bei der sogenannten Normalfrequenz betrieben werden, um eine vom Modulator verursachte Amplitudenmodulation zu verringern oder zu beseitigen. Es können auch andere Kurvenformen der gleichen Grundfrequenz Anwendung finden. Andere Frequenzen können und werden oft benutzt, um die Frequenz auf einen besser verarbeitbaren Wert zu verringern.
• Das resultierende Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors folgt einer Sinusfunktion, d.h. das Ausgangssignal hängt vom Sinus der Phasendifferenz zwischen den beiden auf die Photodiode auftreffenden elektromagnetischen Wellen ab und damit primär von der Phasenverschiebung, welche sich aus der Rotation um die Spulenachse ergibt, sofern keine anderen merklichen, aber ungewünschten Phasenverschiebungen auftreten. Eine Sinusfunktion ist eine ungerade Funktion, die ihre maximale Änderungsrate im Bereich einer Phasenverschiebung Null hat und somit zu beiden Seiten des Wertes Null ihr algebraisches Vorzeichen ändert. Somit kann das phasenempfindliche Detektorsignal eine Anzeige liefern, in welcher Richtung eine Drehung um die Spulenachse auftritt und kann die maximale Anderungsgeschwindigkeit des Signalwertes als Funktion der Drehgeschwindigkeit in der Nahe der Drehgeschwindigkeit Null liefern. Dies bedeutet, daß der Detektor seine maximale Empfindlichkeit für Phasenverschiebungen im Bereich Null hat, so daß sein Ausgangssignal für niedrige Drehgeschwindigkeiten sehr empfindlich ist. Dies ist natürlich nur möglich, wenn Phasenverschiebungen aus anderen Quellen, d.h. Fehler, genügend klein sind. Außerdem ist dieses Ausgangssignal unter diesen Umständen bei relativ geringen Drehgeschwindigkeiten fast linear. Solche Eigenschaften des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Detektors stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber den Eigenschaften des Ausgangsstroms des Photodetektors ohne optische Phasenmodulation dar.
• Ein Beispiel eines solchen zum Stand der Technik gehörigen und aus W092/00502 bekannten Systems ist in Figur 1 wiedergegeben. Der optische Teil des Systems enthalt verschiedene Elemente längs der optischen Wegstrecken, um sicherzustellen, daß dieses System reziprok ist, d.h. daß für jede der sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden elektromagnetischen Wellen praktisch identische optische Wegstrecken gegeben sind, ausgenommen die spezifischen Einfügungen nicht-reziproker Phasendifferenzverschiebungen, wie dies unten beschrieben wird. Die aufgewickelte optische Faser bildet eine Spule 10 um einen Kern oder Spulenkörper unter Verwendung einer optischen Einmoden-Faser, welche um die Achse gewickelt ist, um welche die Rotation gemessen werden soll. Die Verwendung einer Einmoden-Faser gestattet eine eindeutige Definition der Wegstrecken der elektromagnetischen oder Lichtwellen und gestattet ferner eine eindeutige Definition der Phasenfronten einer solchen geführten Welle. Dies unterstützt die Aufrechterhaltung der Reziprozität wesentlich.
• Zusätzlich kann die optische Faser eine sogenannte polarisationserhaltende Faser sein, indem eine sehr merkliche Doppelbrechung in der Faser vorgesehen ist, so daß Polarisationsänderungen, welche durch unvermeidbare mechanische Beanspruchungen, den Farraday-Effekt in magnetischen Feldern oder aus anderen Quellen stammen und zu sich ändernden Phasendifferenzverschiebungen zwischen den gegenläufigen Wellen führen könnten, relativ unbedeutend werden. Somit wird entweder die Achse mit hohem Brechungsindex, d.h. die Achse mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit, oder die Achse mit niedrigem Brechungsindex für die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen ausgewählt und zwar in Abhängigkeit von den anderen optischen Komponenten des Systems. Im vorliegenden System wurde im Hinblick auf dessen optischen Komponenten die Achse mit niedrigem Index ausgewählt.
• Die sich in entgegengesetzter Richtung durch die Spule 10 ausbreitenden elektromagnetischen Wellen werden von einer Quelle für elektromagnetische Wellen oder eine Lichtquelle 11 in Figur 1 zur Verfügung gestellt. Diese Quelle ist üblicherweise eine Laserdiode, die elektromagnetische Wellen im nahen Inftarotbereich des Spektrums mit einer typischen Wellenlänge von 830 nm liefert. Die Quelle 11 muß für das abgestrahlte Licht eine kurze Kohäretizwellenlänge haben, um die Fehler der Phasenverschiebungsdifferenz zwischen diesen Wellen aufgrund von Rayleigh- und Fresnel- Streuung an den Streupunkten in der Spule 10 zu verringern. Wegen des nicht-linearen Kerr-Effekts in der Spule 10 können unterschiedliche Intensitäten der beiden gegenläufigen Wellen zu unterschiedlichen Phasenverschiebungen zwischen ihnen führen. Diese Situation kann ebenfalls durch Verwendung einer Quelle mit kurzer Kohärenzwellenlänge als Quelle 10 umgangen werden, was zu einer Auslöschung der modalen Phasenverschiebung führt.
• Zwischen der Laserdiode 11 und der faseroptischen Spule 10 ist in Figur 1 eine optische Wegstreckenanordnung gezeigt, die durch Erstrecken der Enden der die Spule 10 bildenden optischen Faser zu einigen optischen Kopplungskomponenten gebildet wird, welche die optische Gesamtstrecke in verschiedene optische Teustrecken unterteilen. Ein Teil der polarisationserhaltenden optischen Faser steht der Laserdiode 11 an einer Stelle optimaler Lichtemission gegenüber, von wo aus sie sich zu einem ersten optischen Richtkoppler 12 erstreckt. Der optische Richtkoppler 12 umfaßt ein Lichtübertragungsmedium, welches sich zwischen vier Anschlüssen erstreckt und zwar je zwei an jedem Ende des Mediums, und die an jedem Ende des Kopplers 12 in Figur 1 dargestellt sind. Gegen einen dieser Anschlüsse ist die von der Laserdiode 11 kommende optische Faser gerichtet. Am anderen Anschluß auf der Fühlerseite des optischen Richtkopplers 12 ist eine weitere optische Faser dargestellt, die zur Photodiode 13 führt, welche an ein Photodetektorsystem 14 angeschlossen ist.
• Die Photodiode 13 empfängt elektromagnetische Wellen oder Lichtwellen, die aus der vor ihr angeordneten optischen Faser austreten, und erzeugt einen entsprechende Photostrom. Dieser Photostrom folgt, wie oben erwähnt, im Falle von zwei auftreffenden, nahezu kohärenten Lichtwellen einer Kosinusfünktion und liefert einen Photostromausgang, der vom Kosinus der Phasendifferenz zwischen den beiden praktisch kohärenten Lichtwellen abhängt. Diese photovoltaische Vorrichtung arbeitet mit sehr niedriger Impedanz, um einen Photostrom zu erzeugen, der eine lineare Funktion der auftreffenden Strahlung darstellt und wird üblicherweise als PIN-Photodiode bezeichnet.
• Der optische Richtkoppler 12 weist an seinem anderen Ende eine weitere optische Faser auf, die sich zu einem Polarisator 15 erstreckt. Am anderen Anschluß auf derselben Seite des Kopplers 12 ist eine nicht-reflektierende Abschlußanordnung 16 vorgesehen, die einen weiteren Teil einer optischen Faser umfaßt.
• Wenn der optische Richtkoppler 12 an einem seiner Anschlüsse elektromagnetische oder Lichtwellen empfängt, so überträgt er dieses Licht derart, daß etwa die Hälfte davon an jedem der beiden Anschlüsse des Kopplers 12 auf der dem Einlaßanschluß gegenüberliegenden Seite erscheint. Andererseits werden keine Wellen bzw. kein Licht auf den Anschluß übertragen, der auf der gleichen Seite des Kopplers 12 wie der Anschluß für das eintreffende Licht liegt.
• Der Polarisator 15 wird benutzt, weil selbst bei einer Einmodenfaser für durch die Faser laufende elektromagnetische Wellen zwei Polarisationsmoden möglich sind. Der Polarisator 15 hat deshalb den Zweck, eine dieser Polarisationsmoden durch die optische Faser längs deren langsamer Achse hindurch zu lassen und, wie oben erwähnt, die andere Polarisation zu blockieren. Der Polarisator 15 blockiert jedoch den zu blockierenden Polarisationszustand nicht vollständig. Dies führt erneut zu einer kleinen Nicht-Reziprozität zwischen sich in Gegenrichtung durch die Faser ausbreitenden elektromagnetischen Wellen, so daß eine kleine nicht-reziproke Phasenverschiebungsdifferenz zwischen diesen auftritt, welche sich in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen des Polarisators ändern kann. Insofern unterstützt die in der optischen Faser angewandte hohe Doppelbrechung wiederum die Verringerung der resultierenden Phasendifferenz, wie dies oben erwahnt wurde.
• Der Polarisator 15 hat an seinen beiden Enden einen Anschluß, und das elektromagnetische Wellenübertragungsmedium befindet sich dazwischen. Gegenüber seinem Anschluß auf der dem optischen Richtkoppler 12 gegenüberliegenden Seite ist ein weiterer optischer Faseranschluß vorgesehen, der sich zu einem weiteren optischen Zweirichtungskoppler 17 erstreckt. Dieser hat die gleichen Wellenübertragungseigenschaften wie der Koppler 12.
• Der Anschluß auf der gleichen Seite des Kopplers 17, von der ein Anschluß an den Polarisator 15 angeschlossen ist, ist wiederum unter Verwendung einer weiteren optischen Faserstrecke an eine nicht-reflektierende Abschlußanordnung 18 angeschlossen. Betrachtet man die Anschlüsse am anderen Ende des Kopplers 17, so ist einer mit weiteren optischen Komponenten in optischen Wegstrecken verbunden, die sich von dort zu einem Ende der optischen Faser der Spule 10 erstrecken. Der andere Anschluß des Kopplers 17 ist direkt mit dem verbleibenden Ende der optischen Faser 10 verbunden. Zwischen der Spule 10 und dem Koppier 17 ist auf der der direkt angeschlossenen Seite der Spule 10 gegenüberliegenden Seite ein optischer Phasenmodulator 19 vorgesehen. Der optische Phasenmodulator 19 hat zwei Anschlüsse an den beiden Enden des darin befindlichen Übertragungsmediums, welche in Figur 1 an gegenüberliegenden Enden dargestellt sind. Die optische Faser von der Spule 10 steht einem Anschluß des Modulators 19 gegenüber. Die vom Koppler 17 kommende optische Faser liegt am anderen Anschluß des Modulators 19.
• Der optische Modulator 19 kann elektrische Signale empfangen, um den ihn durchlaufenden elektromagnetische Wellen eine Phasendifferenz aufzudrücken, indem er den Brechungsindex des Ubertragungsmediums oder der Übertragungsmedien ändert und somit die optische Weglänge verändert. Solche Signale werden dem Modulator 19 durch einen Basismodulationssignalgenerator 20 zugeführt, der ein sinusförmiges Ausgangssignal mit einer Modulationsfrequenz f&sub8; liefert, welches gleich C&sub1;sin(ω&sub8;t) ist, wobei ω&sub8; die Kreisfrequenz entsprechend der Modulationsfrequenz f&sub8; ist. Andere geeignete periodische Wellenformen könnten alternativ eingesetzt werden.
• Damit ist die Beschreibung des optischen Teils des Systems gemäß Figur 1 beendet, welches sich längs des optischen Weges erstreckt, den die von der Quelle 11 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen oder Lichtwellen zurücklegen. Solche elektromagnetischen Wellen werden von der Quelle über die optische Faserstrecke an den optischen Richtkoppler 12 angekoppelt. Ein Teil der von der Quelle 10 zum Koppler 12 gelangenden Welle geht in der nicht-reflektierenden Abschlußanordnung 16 verloren, welche an den Anschluß am gegenüberliegenden Ende angekoppelt ist. Der Rest der Welle wird jedoch durch den Polarisator 15 zum optischen Richtkoppler 17 übertragen.
• Der Richtkoppler 17 dient als Strahlenteiler, in welchem die seinem Anschluß vom Polarisator 15 zugeleiteten elektromagnetischen Wellen etwa häiftig aufgeteilt werden, wobei jeweils ein Teil aus jedem der beiden gegenüberliegenden Anschlüsse austritt. Aus einem der Anschlüsse am gegenüberliegenden Ende des Kopplers 17 läuft eine elektromagnetische Welle durch die optische Faserspule 10, den Modulator 19 und zurück zum Koppler 17. Dort geht ein Teil der zurückkehrenden Welle in der nicht-reflektierenden Anordnung 18 verloren, welche an den anderen Anschluß, auf dern mit dem Polarisator 15 verbundenen Ende des Kopplers 17 angeschlossen ist. Der Rest der Welle durchläuft den anderen Anschluß des Kopplers 17 zum Polarisator 15 sowie zum Koppler 12, wo ein Teil auf die Photodiode 13 übertragen wird. Der andere vom Polarisator 15 zur Spule 10 übertragene Teil der Welle verläßt den anderen Anschluß des mit der Spule 10 verbundenen Ende des Kopplers 17, durchläuft den Modulator 19 sowie die optische Faserspule 10 um erneut in den Koppler 17 einzutreten. Dabei folgt ein Teil davon dem gleichen Weg wie der andere Teil, um schließlich auf die Photodiode 13 aufzutreffen.
• Wie oben erwähnt, liefert die Photodiode 13 einen Ausgangsphotostrom IPD&sub1;&sub3;, der proportional zur Intensität der beiden auftreffenden elektromagnetischen oder Lichtwellen ist und folglich dem Kosinus der Phasendifferenz zwischen diesen beiden Wellen folgt, wenn sie auf die Diode auftreffen. Er ergibt sich aus folgender Gleichung:
• Dies liegt daran, daß der Strom von der resultierenden optischen Intensität der beiden praktisch kohärenten Wellen abhängt, welche auf die Photodiode 13 auftreffen. Diese Intensität ändert sich von einem Spitzenwert I&sub0; auf einen kleineren Wert, der davon abhängt, inwieweit konstruktive oder destruktive Interferenz zwischen den beiden Wellen auftritt. Diese Welleninterferenz ändert sich mit der Rotation der die Spule 10 bildenden aufgewickelten optischen Faser um ihre Achse, weil diese Rotation eine Phasendifferenzverschiebung von ΦR zwischen den Wellen einführt. Weiterhin gibt es eine zusätzliche veränderliche Phasendifferenz, welche in den Ausgangsstrom der Photodiode vom Modulator 19 eingeführt wird, und zwar mit einem Amplitudenwert Φm, der sich als Kosinus (ω&sub8;t) ändern soll.
• Der optische Phasenmodulator 19 ist von der oben beschriebenen Art und wird zusammen mit einem phasenempfindlichen Detektor als Teil eines Demodulationssystems benutzt, um das Ausgangssignal des Photodetektorsystems 14, welches, wie oben erwähnt, einer Kosinusfünktion folgt, in ein Signal umzuwandeln, welches einer Sinusfünktion folgt. Der Verlauf einer solchen Sinusfünktion führt dazu, daß das Ausgangssignal, wie oben erwähnt, Information sowohl hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit als auch der Drehrichtung um die Achse der Spule 10 liefert.
• Das Ausgangssignal des die Photodiode 13 umfassenden Photodetektorsystems 14 wird somit in eine Spannung umgewandelt und einem Verstärker 21 zugeleitet, wo es verstärkt wird und durch ein Filter 22 zu einem phasenempfindlichen Detektor 23 gelangt. Dieser dient als Teil eines Phasendemodulationssystems, das an sich bekannt ist. Ein solcher phasenempfindlicher Detektor erfaßt die Amplitude der ersten Harmonischen des gefilterten Ausgangssignals des Photodiodensystems oder die Grundfrequenz des Modulationssignalgenerators 20, um eine Anzeige der relativen Phasenlage der auf die Photodiode 13 auftreffenden elektromagnetischen Wellen zu liefern. Diese Information wird vom phasenempfindlichen Detektor 23 in einem einer Sinusfünktion folgenden Ausgangssignal geliefert, d.h. das Ausgangssignal folgt dem Sinus der Phasendifferenz zwischen den beiden auf die Photodiode 13 auftreffenden elektromagnetischen Wellen.
• Der Basismodulationssignalgenerator 20 führt beim Modulieren des Lichts im optischen Weg mit der Frequenz f&sub8;, wie beschrieben, ferner zur Erzeugung von harmonischen Komponenten, wenn die elektromagnetischen Wellen im Photodetektorsystem 14 wieder kombiniert werden. Das Filter 22 ist ein Bandpaßfilter, welches die Modulationsfrequenzkomponenten des Ausgangssignals des Photodetektors 14 hindurchläßt, d.h. die erste Harmonische, nachdem diese im Verstärker 21 verstärkt wurde.
• Im Betrieb ändern sich die Phasendifferenzänderungen der in Gegenrichtung durch die Spule 10 des optischen Weges laufenden elektromagnetischen Wellen aufgrund der Rotation relativ langsam im Vergleich zu den Phasendifferenzänderungen, die vom Modulator 19 herrühren. Alle Phasendifferenzen aufgrund von Rotation oder des Sagnac- Effekts verschieben lediglich die Phasendifferenzen zwischen zwei elektromagnetischen Wellen. Der Amplitudenskalenfaktor der Modulationsfrequenzkomponente des Ausgangssignals des Photodetektorsystems 14, welches am Ausgang des Filters 22 erscheint, kann als Sinus dieser Phasendifferenz erwartet werden, der ferner durch die Faktoren a) der festen Größe des maximalen Phasenmodulationswertes dieser Wellen aufgrund des Modulators 19 und des Generators 20 sowie b) aufgrund einer Konstanten modifiziert ist, welche die verschiedenen Verstärkungsfaktoren im System repräsentiert. Sodann wird erwartet, daß die periodischen Effekte dieser Sinusmodulation ausgelöst durch den Generator 20 und den Modulator 19 in dieser Signalkomponente durch Demodulation im System mit dem phasenempfindlichen Detektor 23 entfernt werden, so daß ein Ausgangssignal des Phasendemodulatorsystems (Detektor) übrig bleibt, das nur vom Amplituden-Skalenfaktor abhängt.
• Damit ergibt sich die Spannung am Ausgang des Verstärkers 21 typisch zu:
• V&sub2;&sub1;-out = k{1 + cos[ΦR + Φm cos(ωgt + θ)]}
• Die Konstante k stellt die Verstärkung des Systems bis zum Ausgang des Verstärkers 21 dar. Das Symbol θ ist eine zusätzliche Phasenverzögerung im Ausgangssignal des Verstärkers 21 in bezug auf die Phase des vom Generator 20 gelieferten Signals. Ein Teil dieser Phasenverschiebung wird im Photodetektorsystem 14 eingefügt und ein anderer Teil rührt von anderen Quellen her, wie beispielsweise der Phasenverschiebung am Modulator 19 zwischen der Phase der vom Generator 20 gelieferten Signale und der Antwort des Modulators 19, der den Brechungsindex des darin befindlichen Mediums und/oder seine Länge entsprechend ändert. Die anderen in der vorstehenden Gleichung genannten Symbole haben die gleiche Bedeutung wie in der ersten Gleichung.
• Obige Gleichung läßt sich in einer Bessel-Reihenentwicklung erweitern zu:
• Dieses Signal am Ausgang des Verstärkers 21 gelangt zum Eingang des Filters 22.
• Dieses Filter 22 läßt, wie oben erwahnt, in erster Linie die erste Harmonische der letzten Gleichung, d.h. die Modulationsfrequenzkomponente, hindurch. Als Ergebnis läßt sich das Ausgangssignal des Filters 22 wie folgt schreiben:
• V&sub2;&sub2;-out = -2kJ1(Φm)sinΦR cos(ωgt +θ+Ψ&sub1;)
• Der weitere Phasenverzögemngsanteil Ψ&sub1; ist die zusätzliche Phasenverschiebung im Anteil der ersten Harmonischen, welche aufgrund des Signaldurchlaufs durch das Filter 22 hinzugefügt wird. Es ist zu erwarten, daß diese hinzugefügte Phasenverschiebung praktisch konstant und eine bekannte Eigenschaft des Filters 22 ist.
• Das Signal vom Filter 22 wird dann dem phasenempfindlichen Detektor 23 ebenso zugeführt, wie das Signal vom Basismodulationsgenerator 20. Das letztgenannte Signal hat die Form C&sub1;sin(ω&sub8;t), wobei ω&sub8; die Kreisfrequenz entsprechend der Modulationsfrequenz f&sub8; ist. Nimmt man an, daß eine Phasenverschiebung von θ+Ψ&sub1; durch den phasenempfindlichen Detektor 23 seinem Ausgangssignal hinzugefügt werden kann, so wird das Ausgangssignal jenes Detektors mit einem solchen Generator 20 folgendermaßen lauten:
• V&sub2;&sub3;-out = k'J&sub1;(Φm)sinΦR
• Die Konstante k' berücksichtigt die Systemverstärkung durch den phasenempfindlichen Detektor 23.
• Es kann jedoch sein, daß diese erwarteten Ergebnisse mit dem System gemaß Figur 1 nicht erreicht werden. Ein Grund dafür, daß die erwarteten Ergebnisse nicht eintreten, liegt darin, daß der Basismodulationssignalgenerator 20 beim Modulieren des Lichts im optischen Weg mit der Frequenz f&sub8; mit Hilfe des oben beschriebenen Phasenmodulators 19 beim Rekombinieren der elektromagnetischen Wellen nicht nur harmonische Komponenten im Photodetektorsystem 14 erzeugt, sondern auch einige harmonische Komponenten direkt in die sich ändernde Phase des optischen Weges eingibt und zwar aufgrund von Nicht- Linearitäten im Generator 20 und im Modulator 19.
• Dies bedeutet als erste Möglichkeit, daß das vom Modulationsgenerator 20 an seinem Ausgang gelieferte Ausgangssignal nicht nur eine Grundfrequenz mit der Frequenz f&sub8;, sondern auch merkliche Harmonische hiervon aufweisen kann. Aber selbst, wenn ein von solchen Harmonischen freies Signal erzeugt werden könnte, können nicht-lineare Bauteileigenschaften sowie Hysterese im Phasenmodulator 19 zur Einführung von Harmonischen in die sich ändernde Phase und dabei in den optischen Weg zur Folge haben. Solche Harmonische können zu beträchtlichen Drehgeschwindigkeits-Grundfehlern im Ausgangssignal des faseroptischen Kreisels führen. Es ist deshalb erwünscht, einen interferometrischen faseroptischen Kreisel zu schaffen, bei dem solche Fehler aufgrund des Modulationssystems verringert oder vermieden sind.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung sieht eine Fehlersteueranordnung für einen faseroptischen Rotationssensor vor, der auf der gegenläufigen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einer zu einer Spule aufgewickelten optischen Faser beruht, wobei die beiden Wellen mit einer Phasenverschiebung auf einen Photodetektor auftreffen. Diese in entgegengesetzten Richtungen sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen durchlaufen beide einen optischen Basisphasenmodulator, der von einem Phasenmodulationsgenerator gesteuert wird und wobei beide zur Erzeugung von Störungen durch zweite Harmonische beitragen, welche Fehler im Fühlerausgangssignal ergeben. Eine direkte Begrenzung beider Beiträge um diese geringer als eine aquivalente Ausgangsfehlerbegrenzung zu halten oder eine indirekte Begrenzung durch einen Begrenzungsfaktor können vorgesehen sein, um die Kombination dieses Faktors mit den Beiträgen kleiner als eine äquivalente Ausgangsfehlerbegrenzung zu halten. Man erhält in jedem Falle einen akzeptablen Sensor.
• Die Steuerung des Beitrags des optischen Grundphasenmodulators bei einem Modulator mit einem Piezokörper, um den ein Stück optische Faser gewickelt ist, wird dadurch erreicht, daß der Körper Schichten mit nicht-linearer Steifigkeit hat.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Figur 1 zeigt ein schematisches Systemdiagramm der Erfindung, welches eine Signalverarbeitungsanordnung und einen optischen Ubertragungsweg samt Anordnung zeigt; und die Figuren 2A und 2B zeigen ein Modulatorsystem gemäß der Erfindung.
Einzelbeschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• In der sich zeitlich ändernden Phase, welche vom Phasenmodulator 19 und Demodulationsgenerator 20 des Grundmodulations-Untersystems in den optischen Weg eingeprägt wird, hat üblicherweise nur die nächste Harmonische nach der Grundwelle eine merkliche Amplitude, um wesentliche Fehler hervorzurufen. Somit braucht nur die zweite Harmonische betrachtet zu werden. Der Modulationssignalgenerator 20 kann beim Fehlen von Maßnahmen zum Beseitigen der zweiten Harmonischen betrachtet werden, als ob er ein Ausgangssignal, insbesondere bei höheren Ausgangsspannungsamplituden, liefert, welches sich ändert gemäß:
• V&sub2;&sub0; = C&sub2;[cosωgt + δecos(2ωgt + Ψ'e)]
• Anstelle der Form C&sub1;sin(ω&sub8;t), wobei die Abweichung von einer Sinusfunktionsdarstellung zu einer Kosinusfünktionsdarstellung eine willkürliche Wahl darstellt.
• In dieser Wiedergabe des Ausgangssignals des Generators 20 ist δe die relative Amplitude des unerwünschten Signals der zweiten Harmonischen, welche das gewünschte Ausgangssignal stört, bezogen auf die Amplitude der Grundwellenkomponente. C&sub2; ist eine allgemeine Verstärkungskonstante für den Generator 20, die auf einen Wert eingestellt wird, der ausreicht, um das Ausgangssignal der Grundwellenkomponente mit einer gewünschten Amplitude bereitzustellen. Die Phase Ψ'e die bei der Erzeugung der zweiten harmonischen Komponente entwickelt wird, wurde willkürlich in bezug auf den Phasenwert Null ausgewählt, welcher seinerseits willkürlich für das Gründsignal ausgewählt ist.
• Der Phasenmodulator 19 kann ein Keramikkörper mit piezoelektrischem Effekt sein, und auf ihn kann ein Teil der optischen Faser, welche vom Schleifenkoppler 17 zur Spule 16 führt, in mehreren Windungen aufgewickelt sein. Dieser Keramikkörper ist üblicherweise ein abgeschnittener Teil eines Hohlzylinders (ein Ring) aus einem Material wie Bleizirkontitanat (PZT). Die diesen Ring verbindenden elektrischen Leitungen und Anschlüsse zum Generator 20 sind üblicherweise auf der Außenseite sowie der Innenseite gekrümmter Oberflächen des abgeschnittenen Zylinderkörpers angeordnet. Bei elektrischer Anregung verhält sich der Ring als elektrisches Schaltkreiselement, welches zumindest teilweise durch äquivalente elektrische Bauelemente simuliert werden kann. Das Grundsignal vom Modulationsgenerator 20 führt dazu, daß der Keramikring sich radial ausdehnt und zusammenzieht und hierdurch den Außenumfang der gebogenen Oberfläche des Rings vergrößert und verringert und damit die darum gewickelte optische Faser dehnt und wieder schrumpfen läßt und somit ihre Länge vergrößert und verkleinert. Diese Wirkung ändert oszillierend die optische Wegstrecke in der Faser und moduliert somit die Phase jeglicher hindurchlaufender elektromagnetischer Wellen.
• Alternativ kann der Phasenmodulator 19 ein integriert optischer Baustein sein mit einem Substrat üblicherweise aus Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) mit einem eindiffundierten Titan- oder Protonenaustausch-Wellenleiter. Der Modulationsgenerator 20 ist elektrisch damit durch elektrische Anschlußleitungen verbunden, welche an zwei Elektroden zu beiden Seiten des Wellenleiters angeschlossen sind, um aufgründ des elektrooptischen Effekts darin eine Phasenmodulation hervorzurufen. Die Phase jeglicher durch den Wellenleiter laufender elektromagnetischer Wellen wird durch das an die Elektroden angelegte elektrische Feld verändert, welches sich in Abhängigkeit des an diese Elektroden angelegten Ausgangssignals des Generators 20 ändert und den effektiven Brechungsindex im Wellenleiterteil zwischen den Elektroden ändert und somit jene Wellen moduliert. Das Verhalten des integriert optischen Bausteins als elektrisches Bauelement stellt sich ebenfalls an diesen Elektroden auf dem Bausteinsubstrat dar und kann wenigstens teilweise durch äquivalente elektrische Bauteile, in erster Linie wiederum Kapazitäten simuliert werden.
• Die Zuführ der Ausgangsspannung V&sub2;&sub0; an die für die Benutzung im faseroptischen Kreisel ausgewählten Geräte führt zu einer sich zeitlich ändernden Phasenänderung Φ(t) in den elektromagnetischen Wellen, welche durch den optischen Teilweg in diesem Gerät laufen. Die sich zeitlich ändernde Phasenänderung im optischen Weg des Kreiselsystems berücksichtigt nicht nur die Komponente der zweiten Harmonischen im Ausgangssignal des Modulationsgenerators 20, welche durch den ausgewählten Phasenmodulator läuft, sondern die Zuführ der notwendigen, relativ großen Spannungsamplitude der Grundkomponente dieses Generatorausgangssignals an das Gerät führt zu einer mechanischen Antwort, welche üblicherweise eine weitere Komponente einer zweiten Harmonischen zu dieser sich zeitlich ändernden Phasenänderung liefert. Somit wird die vom Grundmodulationssystem eingefügte zeitabhängige Phasenänderung in den den optischen Weg des Phasenmodulators durchlaufenden elektromagnetischen Wellen zu:
• Φ(t) = C2Φ1cosωgt + C2Φ2δecos(2ωgt + Ψe) + C2Φ1δm cos(2ωgt + Ψm)
• In dieser resultierenden Phasenbeziehung wirken die Amplitudenantwort des Phasenmodulators 19 beim Umsetzen in die Komponente der ersten harmonischen Phasenänderung im optischen Wegteil des Modulators und die erste harmonische Komponente des an diesem Modulator angelegten Ausgangssignals des Modulationsgenerators 20 auf Φ&sub1; ein und sie umfaßt somit elektromechanische und mechanooptische Einflüsse. Eine zeitabhängige Phasenkomponente der zweiten Harmonischen erscheint aufgrund der linearen Amplitudenantwort des Modulators 19 auf die Komponente der zweiten Harmonischen des Ausgangssignals des Modulationsgenerators 20, und zwar als Ergebnis der Umsetzung der Wirkungen ihrer Anwendung auf Phasenänderungen im optischen Wegteil dieses Modulators. Diese Antwort wird mit Φ&sub2; bezeichnet und umfaßt wiederum sowohl elektromechanische als auch mechanooptische Einflüsse.
• Eine weitere zeitabhängige Phasenkomponente der zweiten Harmonischen tritt auch wänrend der nicht-linearen Amplitudenantwort des Modulators 19 auf die erste harmonische Komponente des Ausgangssignals des Modulators 20 auf und zwar als Ergebnis der Umsetzung der Auswirkung ihrer Anwendung auf Phasenänderungen im optischen Wegteil des Modulators. Die Größe dieser Antwort auf die Antwort beim Umsetzen der Generatorkomponente der ersten Harmonischen in eine zeitabhängige erste harmonische Komponente wird mit δm bezeichnet. Die Phase dieser zeitabhängigen zweitharmonischen Komponente, die sich aus mechanischen Nicht-Linearitäten in bezug auf die zeitabhänige erstharmonische Komponente ergibt, ist Ψm. Zu bemerken ist, daß die Phase Ψe in der ersten zeitabhängigen Phasenänderungskomponente des optischen Weges sich von der Phase Ψ'e in der zweitharmonischen Komponente des Ausgangssignals des Modulationsgenerators 20 unterscheidet, weil eine Phasenverschiebung zwischen der elektrischen Anregung und der mechanischen Antwort des Phasenmodulators 19 bei der zweitharmonischen Frequenz vorliegt. Die mechanischen Nicht-Linearitäten veranlassen eine entsprechende zeitabhängige, zweitharmonische Phasenänderungskomponente des optischen Weges und zwar aufgrund des nicht-linearen Verhaltens im Strukturmaterial des Phasenmodulators 12 und wegen der Hysterese in den Werkstoffen und den Strukturkomponentenbeziehungen, beispielsweise der mechanischen Kopplung im Phasenmodulator 19.
• Die nicht-reziproke Netto-Phasendifferenz Φm(t) zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden elektromagnetischen Wellen, die nach dem Durchlaufen der Spule 10 und des Phasenmodulators 19 im Koppler 17 rekombiniert wurden, beträgt Φ(t)-Φ(t-τ), wobei τ die Zeitspanne ist, welche eine elektromagnetische Welle braucht, um den Demodulator 19 zu verlassen, durch die Spule 10 zu laufen und einen Symmetriepunkt auf der entgegengesetzten Seite der Spule zu erreichen.
• Diese Definition für Φm(t) kann symmetriert werden, indem man dieses für t auf der Basis von t = t'+τ/2 einsetzt und eine leichtere Bearbeitung der Gleichung für diese Größe ermöglicht. Die Zeitdauer τ ist die Ausbreitungszeit für eine elektromagnetische Welle durch die Spule 10 vom Phasenmodulator 19 bis zu einem Symmetriepunkt auf der gegenüberliegenden Seite der Spule 10. Benutzt man die Definition von Φm(t) und sieht die obenerwähnte Substitution vor, so ergibt sich:
• Dabei wurde die letzte Gleichung durch Verwendung trigonometrischer Beziehungen erhalten. Ist die Amplitude des Grundwellenanteils als Modulationsamplitude Φm oder Φm -2C2Φ1sinωgτ/2 definiert, so kann die letztgenannte Gleichung wie folgt umgeschrieben werden:
• Die elektromagnetischen Wellen mit dieser Phasenlage erreichen den Photodetektor 13 und deshalb muß obige Gleichung für den Wert IPD&sub1;&sub3; umgeschrieben werden, um diese letzte Phasendifferenz zu verwenden, d.h.:
• Dabei werden für diese Annäherung trigonometrische Umformungen verwendet.
• Die vorstehende Gleichung kann in eine Bessel-Reihenentwicklung erweitert werden, die kombiniert mit trigonometrischen Beziehungen dazu führt, daß die erste harmonische Komponente im Ausgangssignal des Photodetektors 13 wie folgt auftritt:
• Da das erstharmonische Signal des Modulationsgenerators 20 dem Kosinus ωgt folgt, wird die in Phase liegende Komponente der letztgenannten Gleichung, d.h. die mit Sinus ωgt' multiplizierten Bestandteile, vom phasenempfindlichen Detektor 23 abgetrennt und zwar bei der Grundfrequenz des Modulationsgenerators 20 als:
• Dabei wird angenommen, daß ΦR=0, d.h. jegliche Rotation der Spule 10 wird ignoriert, um jegliche Phasendifferenz bei einer Drehgeschwindigkeit Null als Fehler zu erkennen. Die Konstante k' ist wiederum die in der ersten Gleichung für V23-out oben erscheinende Konstante, welche die Verstärkungskonstanten der Systemkomponenten vor und innerhalb des phasenempfindlichen Detektors 23 umfaßt.
• Wie die Gleichung für die abgeleiteten, in Phase liegenden Komponenten zeigt, besteht ein Versatzwert im Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 23, d.h. es gibt einen Ausgangswert, der eine Drehung der Spule 10 anzeigt, obwohl keine Eingangsdrehrate der Spule vorliegt. Die nachfolgende Signalverarbeitungsschaltung, an welche der Kreisel angeschlossen ist, wird jedoch so bemessen, daß sie ein Signal V23-out in der erwarteten Form entsprechend der obigen ersten Gleichung gibt und zwar auf der Basis, daß keine Störung der zweiten Harmonischen vorliegt, oder:
• V23-out =k'J1(Φm)sin R
• Sie definiert jeglichen, nicht in Phase liegenden Ausgangswert des phasenempfindlichen Detektors 23 als einer Drehgeschwindigkeit von R äquivalent, d.h. als Drehgeschwindigkeitsfehler. Durch Gleichsetzen der beiden letzten Gleichungen erhält man den Wert R, der von der nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltung aufgenommen wird und als gültige Drehgeschwindigkeit mit folgendem Wert weitergegeben wird:
• Diese Ergebnis läßt sich unter der Annahme vereinfachen, daß der Drehgeschwindigkeitsfehler R relativ klein gehalten wird, wenn man einen brauchbaren Kreisel haben möchte, so daß dann der Drehgeschwindigkeitsversatzfehler direkt folgender Beziehung gleicht:
• Betrachtet man einen interferometrischen faseroptischen Kreisel ohne Rückkopplung unter Verwendung eines Phasenmodulators, der auf einem von einer optischen Faser umschlungenen Keramikkörper basiert und verwendet man aufgebrannte Koppler, so erlaubt eine solche Anordnung die Verwendung eines faseroptischen Kreisels mit relativ moderaten Eigenschaften mit einem Ausgangsfehler von wenigen Graden pro Stunde. Solch eine Anordnung begrenzt auch die Grundmodulationsfrequenz oder die Frequenz der Grundkomponente des Ausgangssignals des Modulationsgenerators 20 auf die Größenordnungen von einigen zehn Kilohertz.
• Unter diesen Umständen führen die drei ersten Faktoren auf der rechten Seite der letzten Gleichung für einen effektiven Offsetfehler R zusammen zu einem Wert in der Größenordnung von 1, sofern der typische Wert für die Amplitude der Grundbasismodulationskomponente Φm zu 1,84 gewählt wird, um hierdurch das erwartete Ausgangssignal zu maximieren. Die Gleichung kann dann angenähert geschrieben werden als:
• Angesichts eines typischen zulässigen Fehlers von wenigen Graden pro Stunde für eine solche Anordnung wurde R üblicherweise festgelegt zu R ≤ 10&supmin;&sup6;, oder
• Es ist klar, daß jeder der Summanden auf der rechten Seite dieser Ungleichung zumindest die Ungleichung einzeln erfüllen muß, wenn die Ungleichung insgesamt gültig sein soll, d.h.
• Ein Phasenmodulator aus einem Keramikring mit einer darum gewickelten optischen Faser läßt die Antwort in der zeitabhängigen Phasenänderung im optischen Wegteil durch den Modulator bei der zweiten harmonischen Frequenz nur mit einem Zehntel von demjenigen auftreten, der sich bei der Grundfrequenz ergibt, d.h. Φ&sub2;/Φ&sub1; 0, 1. Der Faktor sin Ψe kann nie größer werden als eins und unterliegt unvorhersehbaren Änderungen, so daß man nicht annehmen kann, daß er ständig bei einem bestimmten Wert kleiner als eins liegt. Der Wert sin Ψe muß für den Zweck einer Fehleranalyse als angenähert eins behandelt werden, mit dem Ergebnis, das δe≤10&supmin;&sup5;.
• Da δe die Amplitude der zweitharmonischen Komponente des Ausgangssignal des Modulationsgenerators 20 im Verhältnis zur Amplitude der erstharmonischen Komponente ist, muß die zweitharmonische Amplitudenkomponente 100 dB kleiner sein als die Amplitude der Grundkomponente. Dies heißt, daß die mechanische Antwort des Phasenmodulators eine genügende Unterstützung bei der Unterdrückung der Auswirkung der vom Modulationsgenerator erzeugten zweitharmonischen Komponente liefert und damit die Anforderung an den Generator um einen Faktor 20 dB gegenüber der Spezifikation des Systemausgangsfehlers reduziert.
• Andererseits muß sinΨm wegen seiner nicht Vorhersagbarkeit als ungefähr eins angenommen werden, mit dem Ergebnis, daß δm≤10&supmin;&sup6;. Da δm die Amplitude der zeitabhängigen zweitharmonischen Phasenänderungskomponente des optisches Weges aufgrund der nicht-linearen mechanischen Antwort des Phasenmodulators 19 in bezug auf die zeitabhängige erstharmonische Phasenänderungskomponente des optischen Weges ist, muß die Amplitude der mechanisch induzierten zweitharmonischen Phasenänderungskomponente 120dB kleiner sein als die Amplitude der zeitabhängigen gründharmonischen Phasenänderung des optischen Weges.
• Die Bedingung für das Ausgangssignal des Modulationsgenerators 20, δe≤10&supmin;&sup5; oder -100 dB läßt sich erreichen, wenn das Ausgangssignal des Generators 20 nach Durchlaufen eines Filters eine genügende Anzahl von Polstellen aufweist, um eine Dämpfung von wenigstens 100 dB bei der doppelten Frequenz der Grundfrequenz des Generatorausgangssignals ωg zuliefern. Ein solches Filter muß aus Bauteilen aufgebaut sein, die keine nicht-linearen Eigenschaften über den Bereich der Spannungsamplitude haben, welchen der Generator für den Betrieb des Phasenmodulators 19 liefern muß. Eine solche Anordnung führt zu einem Ausgangssignal des Generators 20, dessen Amplitudenverhäitnis seiner zweitharmonischen Komponente in bezug auf seine Grundkomponente geringer ist als der zulässige Phasenfehler der Drehgeschwindigkeit für das faseroptische Kreiselsystem nach Figur 1.
• Die mechanische Forderung δm≤10&supmin;&sup6; beziehungsweise -120 dB, für den Phasenmodulator 19 kann wesentlich schwieriger zu erfüllen sein, wenn man eine Struktur mit einem Keramikring benutzt, um den die Faser mehrfach herumgewickelt ist. Obwohl der isolierte Keramikkörperring gut geeignete Schwingungsmoden für eine periodische Bewegung des Ringes aufweist, indem der Modus bei der Grundfrequenzkomponente ωg eine radiale Schwingungsbewegung der Ringaußenfläche vor und zurück ist und der nächste Modus bei 2ωg etwa dem Muster einer Acht folgt, derart, daß aufgrund dieser Bewegung keine Anderung im Außenumfang auftritt, ergeben sich jedoch weitere wesentliche Probleme. Jede Begrenzung der Bewegung des Ringes kann zu leichten Deformationen führen, die andere harmonische Komponenten in der Bewegung auftreten lassen, welche in die Dehnbewegung der herumgewickelten optischen Faser übertragen werden. Die sich aus solchen Anderungen der Phasenlängendimensionen ergebenden Auswirkungen führen zu zweitharmonischen Komponenten in den Phasenänderungen des optischen Weges und induzieren zweitharmonische Komponenten in die hindurchlaufenden elektromagnetischen Wellen.
• Eine solche Begrenzung ist der Anschluß der elektrischen Signalverbindungsdrähte an den Ring, die eine mechanische Belastung des Ringes und insbesondere eine unabgeglichene mechanische Belastung darstellt. Eine typischerweise noch wesentlich ernstere Quelle ungleichmäßiger Begrenzungen ist die Belastung, welche auf den Ring durch die verschiedenen Arten der Halterung ausgeübt wird, welche dafür verwendet wird, um den Ring an einer gewünschten Stelle zu befestigen. Schließlich kann das Aufwickeln der optischen Faser auf den Ring eine Lastbeschränkung, insbesondere eine ungleichmäßige Lastbegrenzung, und eine wesentliche Quelle von Hysterese und/oder zeitabhängigen mechanischen Ungleichgewichten darstellen, insbesondere beim Dehnvorgang der Faser durch den radial oszillierenden Ring und die Verschiebungen, die sich als Ergebnis von Temperaturzyklen oder Alterung ergeben. Ungleichmäßigkeiten im Keramikmaterial im Ringkörper können ebenfalls Hysterese und/oder andere schädliche Wirkungen haben. Diese verschiedenen Nicht-Linearitäten tragen zur Bildung des Wertes δm und insbesondere zur zweiten Harmonischen bei, und die Hysterese hat insbesondere einen Anteil an der Bildung des Wertes Ψm.
• Die Figuren 2A und 2B zeigen eine Draufsicht bzw. eine seitliche Schnittdarstellung eines optischen Phasenmodulators, der so aufgebaut ist, daß er diese Arten von Nicht- Linearitäten einschließlich der Hysterese und/oder mechanischer Ungleichgewichte wesentlich reduziert. Ein piezokeramischer Ring 30 liegt in einer Ausnehmung des Gehäuses 31, die ein Hohlraum mit flachem Boden und in seine obere Fläche eingearbeitet ist. Diese Ausnehmung wird durch eine vertikale Seitenfläche begrenzt, die durch das Gehäuse 31 gebildet ist und einen kreisförmigen Querschnitt hat. Ein zentraler Kern 32 in der Ausnehmung in Form eines aufrecht stehenden Zylinders, um den die Ausnehmung gebildet ist, hat eine Oberfläche praktisch parallel zu und in der Höhe der Oberfläche des Gehäuses 31.
• Eine untere Lage 33 aus offenzelligem Schaumstoffliegt auf der Bodenfläche der Ausnehmung auf und hat ein zentrales Loch, durch welches der Kern 32 nach oben ragt. Der Keramikring 30 befindet sich darüber und umgibt den Kern 32. Er wird zentrisch in bezug auf den Kern gehalten durch eine weitere Schicht 34 aus offenzelligem weichen Schaumstoff Diese hat die Form einer runden Scheibe von der gleichen Dicke, wie die Höhe des Ringes 30. Ein zentrales Loch in der Schaumscheibe 34 läßt den Kern 32 hindurchragen.
• Über der Schicht 34 und einem großen Teil der Oberfläche des Rings 30 liegt eine obere Schicht 35 aus offenzelligem Schaumstoff. Sie umgibt den Kern 32, der durch ein Loch in dieser Schicht hindurchragt. Eine Halteplatte 36 mit einem zentralen Befestigungsloch liegt auf dem Ring 30 und der Schicht 35 auf und bedeckt den Kern 32 mit Ausnahine desjenigen Teils für das Befestigungsloch. Eine Schraube 37 ragt durch das Befestigungsloch in der Halteplatte 36 in ein Sackloch des Kerns 32 hinein, das zentrisch in die Oberfläche des Kerns eingearbeitet ist.
• Die Schraube 37 wird angezogen bis die Halteplatte 36 fest gegen die obere Fläche des Kerns 32 gedrückt ist. Diese Aktion führt zu einer ziemlich gut wiederholbaren, nach unten gerichteten Kraft auf die Kombination von Ring 30 zwischen den Schichten 35 und 33 aus offenzelligem Weichschaumstoff, bestimmt durch die Höhe des Ringes und die Dicke jener Schichten, vorausgesetzt, eine reproduzierbare Tiefe der Ausnehmung im Gehäuse 31 sowie eine reproduzierbare Höhe des Kerns 32. Somit sind die Kräfte, mit denen der Ring 30 gehalten ist, von Baueinheit zu Baueinheit gut bekannt und gut wiederholbar.
• Die Schichten 35 und 33 verhalten sich etwa wie nicht-lineare Federn, indem der Ring 30 von ihnen ziemlich leicht mit geringer Steifigkeit in diesen Schichten gehalten ist und einander gegenüberstehende Kräfte des Rings auf sie einwirken, wenn der Ring etwa in der Mitte dazwischensteht. Jedoch vergrößert sich die Gegenkraft dieser Schichten gegen die auf sie einwirkenden Kräfte des Ringes sehr schnell, wenn der Ring 30 um einen wesentlichen Betrag in Richtung auf eine dieser Schichten gedrückt wird, beispielsweise aufgrund einer mechanischen Schockbeanspruchung. Die Schichten werden relativ ziemlich steif Die Zentrierschicht 34 verhält sich in ähnlicher Weise, wenn ein Teil des Ringes 30 radial gegen den Kern 32 bewegt wird. Diese relativ leichte Belastung auf den Ring 30 hält die Erzeugung zweitharmonischer Bewegungskomponenten, während einer periodischen, durch den Generator 20 erzeugten Bewegung des Ringes, sehr klein, bewahrt aber gleichwohl den Ring 30 gut begrenzt vor relativ starken Bewegungsauslenkungen.
• Zwei flexible Anschlußdrähte 38 und 39 werden für die elektrische Kontaktgabe zu den inneren bzw. äußeren gekrümmten Oberflächen des Ringes 30 benutzt. Die Anschlußdrähte 38 und 39 sind sehr flexibel und stellen somit eine sehr geringe mechanische Belastung des Ringes 30 dar. Eine mögliche Alternative zu einem Ring, die eine Belastung durch Verbindungsdrähte 38 und 39 vermeiden könnte, wäre die Benutzung einer festen Scheibe aus Keramik anstelle eines Rings, weil solche Scheiben unter periodischer Bewegung stationäre Schwingungsknoten entwickeln, an denen solche Drähte befestigt werden können, ohne die Bewegung der Scheibe zu behindern.
• Ein um den Ring 30 herumgewickelter Teil 40, der sich zwischen Koppler 27 und Spule 10 erstreckenden optischen Faser ist in Figuren 2A und 2B so dargestellt, daß er um die Mittelteile der gekrümmten äußeren Oberfläche des Rings 30 gewickelt ist. Der flexible Draht 39 ist an die gekrümmte Außenfläche des Rings 30 oberhalb desjenigen Flächenteils angeschlossen, um den die optische Faser 40 gewickelt ist. Eine wesentliche Verringerung von Hysterese und Schlupf beim Dehnen der aufgewickelten optischen Faser während der Modulation erfordert, daß der Mantel auf der optischen Faser 40 dünn und hart ist und gut am Siliziumkern haftet.
• Ebenfalls aus diesem Grunde ist der optische Faserteil 40 unter Spannung von etwa 40 Gramm um die äußere gekrümmte Oberfläche des Ringes 30 gewickelt. Dabei ist diese Oberfläche mit einem durch Ultraviolettstrählung aushärtbaren Epoxydharz benetzt, welches durch die aufgewickelten Faserteile eindringt und anschließend ausgehärtet wird, um diesen Teil fest an der äußeren gekrümmten Oberfläche des Ringes 30 anzukleben. Das optische Faserstück 40 ist symmetrisch um die Außenfläche des Rings 30 gewickelt, wobei eine gerade Anzahl von Windungen vorgesehen ist, um jegliche Dehnung zu vermeiden, welche darauf beruhen könnte, daß nur ein Teil einer Windung der umgebenden Faser gedehnt wird.
• Eine solche Struktur für den Phasenmodulator 19 kann einen Phasenmodulator ergeben, in dern die zweitharmonische erzeugte mechanische Antwort relativ leicht eine mechanisch induzierte zeitabhängige Phasenänderung des optischen Weges erreicht, deren Amplituden 80 dB kleiner sind als diejenigen der Grundfrequenzkomponenten. Bei sorgfaltiger Ausführung wird die Amplitude mehr als 120 dB unter der der Grundwellenkomponente liegen. Damit kann der Phasenmodulator nach den Figuren 2A und 2B die Anforderung erfüllen, daß die Phasenänderungskomponente der zweiten Harmonischen geringer ist als der zulässige Wert für die Phasenfehlerversatzkomponente im Ausgangssignal des faseroptischen Kreiselsystems nach Figur 1.
• Der oben für den Versatzphasenfehler gefündene Ausdruck aufgrund der Anwesenheit von Komponenten der zweiten Harmonischen zeigt zwei weitere Möglichkeiten für die Verringerung oder Beseitigung eines solchen Versatzfehlers. Die erste liegt im Faktor [1-J&sub3;(Φm)/J&sub1;(Φm)], der auf Null gebracht oder auf nahezu Null verringert werden kann, wenn man die Amplitude der Grundwellenkomponente der Phasenänderung Φm mit einem wesentlich höheren Wert 3,05 wählt als dern Wert der für die Maximierung des erwarteten Ausgangssignals benutzt wird, also den Wert 1,84. Dies würde dazu führen, daß auch R Null wird. Ein System zur Auswahl und Auftechterhaltung von Amplitudenwerten der Grundkomponente der Basismodulation ist in der früheren amerikanischen Parallelanmeldung "Fiber Optic Gyroscope Bias Modulation Amplitude Determination" von P. Dane et al, Aktenzeichen 07/636,305, jetzt US-Patent 5 196 904 beschrieben. Obwohl eine solche Anordnung die Basismodulationsamplitude nicht genau bei 3,05 halten kann und der Versatz aufgrund größerer Quadratursignale zunimmt, kann diese Anordnung dazu verwendet werden, einen relativ kleinen Wert für diesen Faktor, wenn auch nicht ganz den Wert Null, zu erzielen, wodurch dieser seinerseits die Grenzen erhöhen kann, welche δe und δm einhalten müssen, selbst wenn die Versatzfehlerphasenanforderung an das Ausgangssignal des faseroptischen Kreisels unverändert bleibt.
• Die andere verbleibende Möglichkeit für die Beseitigung oder wesentliche Reduzierung des in der Zeichnung dargestellten Versatzphasenfehlers liegt im Faktor cosωgτ/2. Wie bekannt ist, gibt es eine sogenannte Normalfrequenz für ωg beim Betrieb des Phasenmodulators 19 mit dem Modulationsgenerator 20. Bei dieser Modualtionsfrequenz liegt die Modulation der gegenläufigen elektromagnetischen Wellen in der Spule 10 180º außer Phase, was verschiedene Vorteile beim Betrieb eines Basismodulationssystems nach sich zieht. Die Normalfrequenz für ωg oder ωg-p ist ωg-pτ=π. Bei dieser Frequenz gilt klar ωg/2=π/2. Da cosπ/2=0, wird auch R zur Null. Ein Phasenmodulator der in den Figuren 2A und 2B beschriebenen Art kann üblicherweise nicht bei der typischen Frequenz betrieben werden, weil dies zugleich bedeutet, daß eine relativ kurze optische Faser für die Bildung der Spule 10 benutzt wird (obwohl es für größere Längen geeignet wäre), und somit stellt eine Option die Verwendung eines Phasenmodulators in Form eines Bausteins integrierter Optik dar, insbesondere, wenn ein faseroptischer Kreisel mit aufgewickelter Schleife vorliegt.
• Ist der typische Wert für Φm = 1,84 gegeben, so wird Φm[1-J&sub3;(Φm)/J&sub1;(Φm)] erneut ungefähr eins. Andererseits beseitigt die Verwendung eines integriert optischen Bausteins die Hilfe aus dem mechanischen Antwortverhältnis, d.h. Φ&sub2;/Φ&sub1;, wird angenähert eins sein, weil eine bausteinintegrierte Optik eine große Bandbreite bei der Anwendung des elektrooptischen Effekts zeigt, die keine nennenswerten frequenzabhängigen Auswirkungen einfügt, solange die Kapazität zwischen den Elektroden bei sehr hohen Frequenzen nicht bedeutsam wird. Ms Ergebnis wird die Unterstützung beseitigt, welche dieser Faktor durch Anheben der zu erfüllenden Grenze von δe gebracht hat. Außerdem wird δm etwa Null sein, so daß eine mechanisch induzierte Komponente der zweiten Harmonischen eine merkliche Schwierigkeit bei der Benutzung eines integriert optischen Bausteins bereitet. Dieses Ergebnis liegt daran, daß der elastooptische Effekt im Material eines solchen Bausteins unmerklich ist im Vergleich zum elektrooptischen Effekt. Solche integriert optische Bausteine zeigen andere Nicht-Linearitäten, die jedoch nur Quadratureffekte zur Folge haben. Unter diesen Umständen kann aus dem obengenannten Ergebnis für R und erneut unter Beachtung, daß sinΨe mit einem Wert eins zu betrachten ist, der Phasenfehler geschrieben werden kann
• Es gibt jedoch erhebliche Schwierigkeiten beim Versuch cosωτ/2 auf Null zu setzen oder ωg/2 auf π/2, weil τ eine Funktion der Temperatur ist und sich die optische Faser in der Spule 10 bei Temperaturänderungen dehnt oder zusammenzieht. Typischerweise liegt diese Temperaturabhängigkeit in der Größenordnung von:
• 1/τ δτ/dT 10&supmin;&sup5;/ºC
• Darin ist T die Temperatur in ºCelsius. Diese Temperaturabhängigkeit führt zu einer entsprechenden Temperaturabhängigkeit des Wertes cosωgτ/2, die für einen Wert ωgτ/2 etwa π/2 angenähert geschrieben werden kann mit:
• Somit ändert sich cosωgτ/2 bei einer maximalen Abweichung von 60ºC gegenüber der Raumtemperatur, um:
• Damit kann cosωgτ/2 nicht näher an Null bleiben als innerhalb 10&supmin;³, so daß:
• δe≤ R max/10&supmin;³
• Die Anforderung an die relative Amplitude der zweitharmonischen Komponente in bezug auf die erstharmonische Komponente beim Modulationsgenerator 20 ist weniger streng in dem Falle, in dem der Phasenmodulator 19 mit 60 dB bei der Normalfrequenz betrieben wird. Dies läßt sich durch Verwendung eines integriert optischen Bausteins anstelle eines Keramikkörpers mit aufgewickelter optischer Faser oder durch ein langes Stück optischer Faser in der Spule unter Verwendung eines solchen Keramikkörpers erzielen. Andererseits bedeutet der Aufwand durch Verwendung eines integriert optischen Bausteins oder einer langen Spule oder beides oft, daß ein faseroptischer Kreisel hoher Qualität verwendet werden muß, um ihn bei dern notwendigen Preis verkaufbar zu machen. Folglich kann R max wesentlich, beispielsweise auf weniger als 10&supmin;&sup8; verringert werden, oder auf nur einen Teil eines Grades pro Stunde. Im Falle eines integriert optischen Bausteins kann die Anforderung an die Amplitude der zweitharmonischen Komponente in bezug auf die erstharmonische Komponente des Modulationsgenerators 20, d.h. von δe genauso streng sein wie beim vorherigen Fall von R max kleiner als 10&supmin;&sup5;.
• In vielen Fällen wird man vom Modulationsgenerator 20 der Einfachheit fordern, daß er ein Rechtecksignal für den Betrieb des Phasenmodulators 19 liefert, anstelle eines Sinussignals. Beispielsweise kann diese Kurvenform in bestimmten Demodulationsmethoden sehr brauchbar sein, welche vom in Figur 1 gezeigten System abweichen. Solche Reckteckwellen, wenn sie wirklich rechteckig sind, enthalten keine geradzahligen Harmonischen, so daß die einzige Harmonische von Bedeutung, nämlich die zweite Harmonische beim Betrieb des Phasenmodulators 19 nicht auftritt.
• Es kann jedoch sehr schwierig sein, eine Rechteckwelle für den Betrieb einer praktisch kapazitiven Last vorzusehen, dies gilt insbesondere bei höheren Frequenzen. Ein Tastverhältnis, welches von 50% abweicht, ist keine Hauptschwierigkeit, da eine unsymmetrische Rechteckwelle lediglich das Quadratursignal erhöht, das vom Phasendetektor geliefert wird. Andererseits werden Komponenten der zweiten Harmonischen, die zu einem Versatzphasenfehler führen, erzeugt, wenn die Anstiegszeiten und die Abklingzeiten der Rechteckwelle ungleich sind. Die Grenze δe für die sich ergebende zweitharmonische Komponente des Generators 20 in bezug auf die Grundkomponente bleibt abhängig von der zulässigen Phasenfehlergrenze des faseroptischen Kreisels, wie dies in obiger Gleichung gezeigt wird, und läßt sich in bezug auf die Differenzen zwischen Anstiegs- und Abklingzeit näherungsweise darstellen als:
• δe ANSTIEGSZEIT - ABKLINGZEIT/τ
• Wird eine Spule 10 von 1,0 km Länge gewählt, so beträgt τ etwa 5 µs. Soll δe wiederum die Anforderung δe≤10&supmin;&sup5; erfüllen, dann darf die Differenz zwischen der Anstiegszeit und der Abklingzeit der Welle 0,05ns nicht überschreiten.

Claims (22)

1.Drehsensor zum Feststellen einer Drehung um die Achse einer zu einer Spule (10) aufgewickelten optischen Faser, wobei die Messung auf zwei in Gegenrichtung die Faserspule (10) durchlaufenden und mit einem Phasenverhältnis auf einen Fotodetektor (13) auftreffenden elektromagnetischen Wellen bewht, und der maximale effektive Offsetfehler des Phasenverhäitnisses einem speziellen maximalen Offsetfehler der Drehgeschwindigkeit zugeordnet ist, und wobei der Drehsensor umfaßt:

a) einen optischen Basisphasenmodulator (19) in einem optischen Pfadteil, der aus jenen optischen Pfadteilen ausgewahlt ist, welche von den elektromagnetischen Wellen auf dem Wege zu oder von der optischen Faserspule (10) zum Fotodetektor (13) durchlaufen werden, und wobei der Phasenmodulator (19) die ihn sowie den optischen Pfad durchlaufenden elektromagnetischen Wellen derart phasenmodulieren kann, daß in Abhängigkeit von einem entsprechenden elektrischen Signal am Modulatoreingang eine sich ändernde Phasendifferenz zwischen den die optische Faserspule (10) in entgegengesetzten Richtungen durchlaufenden elektromagnetischen Wellen entsteht;

b) einen mit seinem Ausgang elektrisch an den Eingang des optischen Basisphasenmodulators angeschlossenen Phasenmodulationsgenerator (20);

c) eine Signalkomponenten-Auswahlvorrichtung (14, 21, 22) mit einem elektrisch an den Fotodetektor (13) angeschlossenen Detektionseingang, welche dessen Ausgangssignal empfängt, das jeglichen Phasendifferenzen zwischen den zwei auf den Fotodetektor aufireffenden elektromagnetischen Wellen entspricht und welche einen Ausgang aufiveist;

dadurch gekennzeichnet, daß

d) das elektrische Signal am Eingang des optischen Basisphasenmodulators (19), sofern es bei einer ersten Frequenz im wesentlichen periodisch ist, die sich ändernde Phase mit einer der doppelten ersten Frequenz entsprechenden Frequenz eine Amplitude annehmen läßt, welche ein erster Bruchteil der Amplitude ist, welche die sich ändernde Phase bei der ersten Frequenz hat;

e) der Phasenmodulationsgenerator (20) ein praktisch periodisch elektrisches Ausgangssignal an seinem Ausgang mit einer Grundkomponente bei einer ausgewählten Grundfrequenz und ausgewählter Amplitude liefern kann und eine harmonische Komponente bei der doppelten Grundfrequenz hat, deren Amplitude ein zweiter Bruchteil der Grundkomponentenamplitude ist; und

f) die Signalkomponenten-Auswahlvorrichtung (14, 21, 22) Signale an ihrem Ausgang erscheinen läßt, welche Amplituden von Signalkomponenten mit der Grundfrequenz am Detektionseingang entsprechen, wobei der optische Basisphasenmodulator (19) bei der Grundfrequenz eine sich ändernde Phasendifferenz zwischen den in entgegengesetzter Richtung durch die optische Faserspule (10) laufenden elektromagnetischen Wellen erzeugt, und zwar mit einer Phasendifferenz-Grundamplitude entsprechend dem Ausgangssignal des Phasenmodulationsgenerators (20).

2. Drehsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Bruchteil kleinere Werte haben als das Verhältnis des effektiven maximalen Offsetfehlers zur Grundphasendifferenzamplitude.

3. Drehsensor nach Ahspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein für den zweiten Bruchteil benötigter Wert durch eine Filtervorrichtung im Phasenmodulationsgenerator (20) bereitgestellt wird, welche die Amplituden der hierdurch mit doppelter Grundfrequenz gelieferten Signale mit einem ausgewählten Dämpfüngsfaktor unter die Amplituden von Signalkomponenten reduziert, welche mit der Grundfrequenz durchlaufen.

4. Drehsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein für den ersten Bruchteil benötigter Wert durch den optischen Basisphasenmodulator (19) erzeugt wird.

5. Drehsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Signalkomponenten-Auswahlvorrichtung (14, 21, 22) mit ihrem Demodulationseingang elektrisch an den Ausgang des Phasenmodulationsgenerators (20) angeschlossen ist und dessen Ausgangssignal empfängt;

b) die Signalkomponenten-Auswahlvorrichtungen (14, 21, 22) an ihrem Demodulationseingang stehende Signale verarbeiten kann, welche eine merkliche Demodulationssignalkomponente mit der gewählten Demodulationsfrequenz aufiveisen, um an ihrem Ausgang Signale erscheinen zu lassen, welche die Amplituden von Signalkomponenten darstellen, die am Detektionseingang auftreten und auf der Demodulationsfrequenz beruhen.

6. Drehsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Basisphasenmodulator (19) und der Phasenmodulationsgenerator (20) Parameterwerte beinhalten, die einen Gewichtungsfaktor liefern, der wenigstens einen der ersten und zweiten Bruchteile multipliziert, um damit ein solches Produkt zu bilden, daß der verbleibende erste oder zweite Bruchteil und das Produkt kleinere Werte haben als das Ausgangsverhältnis des effektiven maximalen Offsetfehlers zur Grundphasendifferenzamplitude, wobei der zur Bildung des Produkts verwendete erste bzw. zweite Bruchteil größer ist als das Ausgangssignalverhältnis.

7. Drehsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Bruchteil entsprechende erste und zweite Produkte bilden, indem sie mit dem Gewichtungsfaktor multipliziert werden, und daß die Werte dieser ersten und zweiten Produkte kleiner sind als das Ausgangsverhältnis, während die ersten und zweiten Bruchteile größer als das Ausgangsverhältnis sind.

8. Drehsensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Gewichtungsfaktor auf einem Ansprechverhältnis basiert;

b) der optische Basisphasenmodulator (19) in den durch die Faserspule (10) hindurchlaufenden elektromagnetischen Wellen eine Phasenänderung mit der Grundfrequenz erzeugt, und zwar mit einer Grundphasenamplitude in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Phasenmodulationsgenerators (20);

c) weiterhin in den die optische Faserspule durchlaufenden elektromagnetischen Wellen eine Phasenänderung mit doppelter Grundfiequenz erzeugt, und zwar mit einer harmonischen Phasenamplitude in Abhängigkeit vom Phasenmodulationsgenerator (20), und am Ausgang ein periodisches Signal von der doppelten Grundfrequenz liefert; wobei

d) das Ansprechverhältnis gleich dem Verhältnis der harmonischen Phasenamplitude zur Grundfrequenzamplitude ist.

9. Drehsensornachanspruch7oderB, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtungsfaktor auf dem sinus von (ωgτ/2) basiert, wobei ωg die Grundfrequenz ist und über einen vorgegebenen Temperaturbereich innerhalb eines ausgewählten Bereichs um π/τ gehalten wird, τ die Zeitspanne ist, welche elektromagnetische Wellen brauchen, um vom optischen Basisphasenmodulator (19) durch die Faserspule zu einem symmetrischen Punkt in einem solchen optischen Pfad auf der gegenüberliegenden Seite der Faserspule (10) zu gelangen.

10. Drehsensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtungsfaktor auf der Formel [J&sub1;(Φ) - J&sub3;(Φ)] basiert, wobei Φ die Grundphasendifferenzamplitude ist und über einen ausgewählten Temperaturbereich in einem ausgewählten Bereich um den Wert 3,5 gehalten wird.

11. Drehsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wert für das Ansprechverhältnis durch den optischen Basisphasenmodulator (19) festgesetzt wird.

12. Drehsensor nach Anspruch 4 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Basisphasenmodulator (19) eine piezoelektrische Materialstruktur (30) aufweist mit:

a) einem Eingang sowie einer Umschlingungsfläche, deren Umfang in Abhängigkeit von einem Signal am Eingang veränderbar ist;

b) eine in einen optischen Pfad einfügbare optische Faserlänge (40), welche eine um die Umschlingungsfläche gewickelte Spule bildet;

c) zwei zusammendruckbaren Zwischenschichten (33, 35) von nicht-linearer Steifigkeit gegenüber der Zusammenpressung, so daß der Widerstand gegen Zusammenpressung bei genügender Zunahme der Preßung stark ansteigt; und

d) einer Spannvorrichtung (32, 33, 37), in welcher die piezoelektrische Materialstruktur (30) zwischen den beiden Zwischenschichten (33, 35) angeordnet ist.

13. Drehsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Phasenmodulationsgenerators (20) eine etwa rechteckförmige Kurvenform hat, und der zweite Bruchteil angenähert gleich der Differenz zwischen den Anstiegszeiten und den Abklingzeiten geteilt durch die Zeitspanne ist, welche die elektromagnetischen Wellen brauchen, um vom optischen Basisphasenmodulator durch die Faserspule (10) zu einem symmetrischen Punkt in einem dazwischenliegenden optischen Pfad auf der gegenüberliegenden Seite der Faserspule (10) zu gelangen.

14. Optischer Basisphasenmodulator zur Anordnung in einem optischen Pfad, der längs des optischen Pfads hindurchlaufende elektromagnetische Wellen phasenmodulieren kann, gekennzeichnet durch,

a) eine piezoelektrische Materialstruktur (30) mit einem Eingang sowie einer Umschlingungsfläche von einem Umfang, der in Abhängigkeit von einem dem Eingang zugeführten elektrischen Signal veränderbar ist;

b) einem in einen optischen Pfad einfügbare optische Faserlänge (40), welche eine um die Umschlingungsfläche gewickelte Spule bildet;

c) zwei zusammendrückbaren Zwischenschichten (33, 35) von nicht-linearer Steifheit gegen Zusammenpressung, so daß der Widerstand gegen Zusammenpressen bei genügender Zunahme der Preßung stark ansteigt; und

d) eine Spannvorrichtung (32, 36, 37), in der die piezoelektrische Materialstruktur zwischen den beiden Zwischenschichten angeordnet ist.

15. Optischer Basisphasenmodulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Materialstruktur (30) als Ringstruktur ausgebildet ist und einen zusammendrückbaren Zentrierring (34) mit nicht-linearer Steifheit gegen Zusammenpressen aufweist, so daß der Widerstand gegen Zusammenpressung bei hinreichendem Anstieg der Preßung stark zunimmt, wobei der Zentrierring (34) innerhalb der Ringstruktur aus piezoelektrischem Material (30) um einen starren Positionierkem herum angeordnet ist.

16. Optischer Basisphasenmodulator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Faserstück (40) eine dünne anhaftende Ummantelung aufweist.

17. Optischer Basisphasenmodulator nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Faserstück (40) mit sich selbst und der piezoelektrischen Materialstruktur (30) verklebt ist.

18. Optischer Basisphasenmodulator nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der mit seinem Ausgang elektrisch an den Eingang des optischen Basisfasenmodulators angeschlossene Phasenmodulationsgenerator eine aus einem flexiblen Draht (38, 39) bestehende Verbindung in einem Stück nahe dem Eingang aufweist.

19. Optischer Basisphasenmodulator nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zwischenschichten (33, 35) aus Schaumstoffmaterial hergestellt sind.

20. Optischer Basisphasenmodulator nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring aus einem weichen Schaumstoffmaterial, vorzugsweise aus einem offenzelligen Schaumstoff besteht.

21. Optischer Baisphasenmodulator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Faserstück die piezoelektrische Materialstruktur (30) umschlingt und mit einem ungehärteten Klebestoff umgeben ist, der nach dem Aufwickeln ausgehärtet wird.

22. Optischer Basisphasenmodulator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faserlänge (40) im wesentlichen eine ganze Anzahl von Windungen um die piezoelektrische Materialstruktur (30) aufweist, welche um diese herumgewickelt sind.