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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen faseroptische Kreisel, und insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von Wellenlängenbrumm
in Licht, das von einer Lichtquelle in einem faseroptischen Kreisel
ausgesendet ist.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK PROBLEM
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Es
ist ein Problem in der faseroptischen Kreiseltechnologie, eine Lichtquelle
bereitzustellen, die ausreichend rauschfrei ist, um es einem faseroptischen
Kreisel zu ermöglichen, äußerst kleine
Rotationsraten zu fühlen,
mit minimaler falscher Ausgabe aufgrund von Systemrauschen. Eine
Art von Rauschen, die die Kreiselleistung über einen Temperaturbereich
beeinträchtigt,
ist Wellenlängenbrumm.
Wellenlängenbrumm
ist eine periodische Veränderung der
Wellenlänge
einer Lichtquellenabgabe als Funktion von Temperatur. Bei einem
faseroptischen Kreisel beeinträchtigt
Wellenlängenbrumm über einen Temperaturbereich
die Normierungsfaktorgenauigkeit des faseroptischen Kreisels über Temperatur, d.h.
das Verhältnis
zwischen der Kreiseleingangsrotationsrate und der Ausgangsimpulsrate
wird über den
Temperaturbereich nicht-linear. Es wurde beobachtet, dass das von
bestimmten faseroptischen Kreisellichtquellen ausgesendete Licht
Wellenlängenbrumm
aufweist, aber die Ursache des Wellenlängenbrumms und Unterdrückungsmittel
dafür waren
bislang weitgehend unbekannt. Die Europäische Patentanmeldung
EP 0848464 stellt einen
Versuch dar, bei dem ein Spektralfilter zum Verbessern der Wel lenlängenstabilität genutzt
ist.
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LÖSUNG
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Die
vorliegende Erfindung bewältigt
die vorhergehenden Probleme und erzielt einen Fortschritt in der
Technik durch Bereitstellen eines Verfahrens, das Wellenlängenbrumm
in einem faseroptischen Kreisel durch Unterdrücken sowie Reduzieren der Wirkungen
von Flüstergaleriemodi,
die durch die Kreisellichtquelle erzeugt sind, reduziert.
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Flüstergaleriemodi
sind durch die Übertragung
von Licht durch einen gekrümmten
Abschnitt aus optischer Faser bewirkt. Genauer gesagt ermöglicht es
eine Biegung mit begrenztem Radius in der optischen Faser, dass
sich etwas Licht, das durch den Faserkern wandert, in den Mantel
der optischen Faser verbreitet, d.h. etwas Licht in den Puffer der
optischen Faser entweicht, wodurch ein sekundärer Lichtweg ausgebildet ist.
An einem folgenden Punkt entlang der optischen Faser wird das sekundäre Licht zurück in den
Faserkern gekoppelt, wo es wieder mit dem primären Licht, das durch den Kern
wandert, kombiniert wird, wodurch Flüstergaleriemodi in dem optischen
Faserkern erzeugt sind. Die Wechselwirkung des sekundären Lichts
mit dem primären
Licht im Kern erzeugt zweistrahlige oder mehrstrahlige Störungen,
die Intensitätsmodulation
des Lichts als Funktion von Temperatur bewirkt.
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Die
Wellenlängenumwandlung
von Licht in dem faseroptischen Kreisel erzeugt Licht mit einem bimodalen
Spektrum, d.h. mit Spektralspitzen auf zwei verschiedenen Wellenlängen. Wenn
zwei durch Temperatur intensitätsmo dulierte
Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen durch eine optische Faser übertragen
werden, die einer Temperaturänderung
unterworfen ist, weist das dadurch erzeugte Lichtspektrum eine resultierende
mittlere Wellenlänge
auf, die eine temperaturrelative Periodizität aufweist. Infolgedessen bewirkt
die Intensitätsmodulation
des Lichts aufgrund von Flüstergaleriemodi,
gekoppelt mit den von der Lichtquelle erzeugten bimodalen Spektren,
dass das von der Lichtquelle erzeugte Licht Wellenlängenbrumm
aufweist.
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Das
vorliegende Verfahren dient zum Vergrößern von Biegungen in bestehenden,
gekrümmten
Abschnitten aus optischer Faser, die in der Lichtquelle für einen
faseroptischen Kreisel genutzt werden. Diese Vergrößerung des
Biegungsradius reduziert wirksam die Menge von vom Kern zum Mantel zum
Kern reflektierten Licht, was wiederum das Ausmaß reduziert, in dem Flüstergaleriemodi
erzeugt werden, wodurch eine Wellenlängenbrummquelle reduziert wird.
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Das
Reduzieren von Wellenlängenbrumm wird
in der vorliegenden Erfindung außerdem durch Verwenden eines
Bandsperrfilters zum Dämpfen
einer der bimodalen Spektralkomponenten, die von der Kreisellichtquelle
erzeugt sind, erzielt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird durch Lektüre
der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser
verständlich.
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Es
zeigen:
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1 ein
Diagramm einer faseroptischen Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
beschnittene Ansicht einer Lichtquelle eines faseroptischen Kreisels,
die einen Wellenlängenmultiplexer
mit optischen Faserbiegungen am Eingang und Ausgang davon zeigt;
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3 eine
Darstellung, die die Erzeugung von Flüstergaleriemodi zeigt; und
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4 eine
typische Wellenform des von der faseroptischen Lichtquelle erzeugten
Lichts nach der Filterung und Spektralverschiebung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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1 ist
ein Diagramm einer faseroptischen Lichtquelle 100, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie in einem faseroptischen Kreisel
genutzt ist. Wie in 1 gezeigt ist der Laser 105 ein
Festkörper-
(Halbleiter-) Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm im nahen Infrarotbereich
erzeugt. Im Betrieb wird durch den Laser 105 erzeugtes
Licht durch den Filter 110 geleitet, der ein Faser-Bragg-Gitter
ist, welches zum Stabilisieren der Wellenlänge des Lichts auf 980 nm gebraucht
ist. Das Licht wird dann vom Wellenlängenmultiplexer 120 empfangen,
der das 980-nm-Licht über
die halbkreisförmige
Biegung 125 in eine Länge
von mit Erbium dotierter Faser 130 überträgt, die das 980-nm-Licht in
Licht mit einer mittleren Wellenlänge von ungefähr 1550
nm umwandelt (spektral verschiebt). Dieses spektral verschobene 1550-nm-Licht
weist jedoch ein bimodales Spektrum mit Spitzen 402 und 401 auf,
die bei ungefähr
1531 nm bzw. 1560 nm liegen.
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Das
1531-/1560-nm-Licht wandert dann (in der entgegengesetzten Richtung)
durch den Wellenlängenmultiplexer 120 zurück, der
das Licht durch die halbkreisförmige
Biegung 135 in eine Länge
von mit Erbium dotierter Faser 140 umleitet, die ein zum Spektrumformen
genutzter Filter ist. Der Filter 140 wandelt eine wesentliche
Menge des 1531-nm-Lichts in die 1560-nm-Wellenlänge um, wobei jedoch eine spurenhafte
Menge von 1531-nm-Licht weiterhin in der Ausgabe des Filters 140 vorhanden
ist.
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Ein
Bandsperrfilter 150, der vorzugsweise ein Faser-Bragg-Gitter ist,
wird wahlweise gleichzeitig mit dem obigen Verfahren zum weiteren
Dämpfen der
1531-nm-Komponente
des Lichts, das vom Filter 140 ausgegeben wird, eingesetzt.
Die Lichtausgabe vom Bandsperrfilter 150 wird dann durch
den Optoisolator 160 übertragen,
um die faseroptische Lichtquellenausgabe 170 zu erzeugen.
Die Dämpfung
der 1531-nm-Spektralkomponente 402 reduziert den Wellenlängenbrummbetrag
weiter, der in der Ausgabe 170 der faseroptischen Lichtquelle 100 vorhanden ist.
Es sollte beachtet werden, dass das vorliegende Verfahren und die
vorliegende Vorrichtung ohne Einbeziehung des Bandsperrfilters 150 zum
erheblichen Reduzieren von Wellenlängenbrumm in einem faseroptischen
Kreisel funktioniert.
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3 ist
eine Darstellung eines Abschnitts aus optischer Faser, die die Erzeugung
von Flüstergaleriemodi
zeigt. Wie in 3 gezeigt sind Flüstergaleriemodi
durch die Übertragung
von Licht durch einen ge krümmten
Abschnitt aus optischer Faser 300 in einem faseroptischen
Kreisel bewirkt. Wenn der Radius einer Krümmung oder Biegung in einem Abschnitt
aus optischer Faser verkleinert wird, besteht eine entsprechende
Zunahme der Lichtmenge, die von dem gekrümmten Fasermantelabschnitt
zurück
in den Faserkern reflektiert wird. Genauer gesagt ermöglicht es
die Biegung in der optischen Faser etwas von dem Licht 301,
das durch den Faserkern 305 wandert, sich bei 302 in
den Faserpuffer 310 zu verbreiten, wodurch ein sekundärer Lichtweg ausgebildet
ist. Dieses sekundäre
Licht entweicht am Punkt 303 vom Puffer 310 in
den Mantel 315, wobei dieses Licht an einem folgenden Punkt 304 entlang der
optischen Faser von der Außenwand 315' des Mantels 315 zurück in den
Faserkern 305 reflektiert wird, wo es mit dem primären Licht,
das durch den Kern wandert, erneut kombiniert wird. Diese erneute Kombinierung
dieses sekundären
Lichts im Faserkern mit dem primären
Licht im Kern erzeugt zweistrahlige oder mehrstrahlige Störungen,
die Intensitätsmodulation
des Lichtstrahls 306 als Funktion von Temperatur bewirkt.
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Licht
mit einem einzelnen, schmalen Spektrum würde durch die Gegenwart von
Flüstergaleriemodi
beeinträchtigt
und weist Intensitätsmodulation
(gemessen als Funktion von Temperatur) auf, weist infolge dieser
Störung
jedoch keine Wellenlängenänderung
auf. Wenn jedoch Licht mit einem bimodalen Spektrum durch eine optische
Faser übertragen
wird, und wenn beide der Spektralmodi Intensitätsmodulation aufweisen, ist
ein Lichtspektrum erzeugt, das eine resultierende mittlere Wellenlänge aufweist,
die eine temperaturrelative Periodizität oder Wellenlängenbrumm
aufweist.
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2 ist
eine beschnittene Ansicht eines Lichtquellenpakets 200,
das einen Wellenlängenmultiplexer 120 mit
halbkreisförmigen
optischen Faserabschnitten (Biegungen) 125, 135,
die am Eingang 103 und am Ausgang 104 davon angeschlossen sind,
zeigt. Die Enden 106 bzw. 107 der optischen Faserabschnitte 125 bzw. 135 sind
in 2 aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht angeschlossen gezeigt. Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gehört
zu dem Lichtquellenpaket 200 das Gehäuse 201, der Wellenlängenmultiplexer 120 mit
den halbkreisförmigen
optischen Faserabschnitten 125 und 135 (die an
die mit Erbium dotierte Faser 130 bzw. an den Filter 140 angeschlossen
sind), der Filter 150 und der Optoisolator 160.
Bei einem bisher bestehenden Lichtquellenpaket war der Radius der
optischen Faserbiegungen (in 2 mit Bezugszeichen 125' und 135' bezeichnet)
durch die Abmessungen des Gehäuses
auf einen Radius von ungefähr
1,9 Zentimeter eingeschränkt.
Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist entweder die Größe des Gehäuses 120 erhöht oder
sind, alternativ, die optischen Faserabschnitte 125 und 135 durch das
Gehäuse 120 umgeleitet
(wenn die Gehäuseabmessungen
dies zulassen), sodass der Minimalradius der optischen Faserabschnitte 125 und 135 ungefähr 2,5 cm
beträgt.
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Bei
einer faseroptischen Lichtquelle mit halbkreisförmigen Faserabschnitten 125'/135' mit Radien von 1,9
cm wurde beobachtet, das der Wellenlängenbrumm über einen Temperaturbereich
von 130ºC größer als
70 ppm (parts per million; Teilchen pro Million) ist. Als der Radius
der halbkreisförmigen
optischen Faserabschnitte 125' und 135' gemäß der vorliegenden Erfindung
auf 2,54 cm vergrößert wurde, wurde
der Wellenlängenbrumm über einen
Temperaturbereich von 130ºC
mit weniger als 30 ppm gemessen. Es ist zu beachten, dass, während ein
optischer Faserbiegungsradius von ungefähr 2,5 cm eine erhebliche Reduzierung
des Wellenlängenbrumms
im Vergleich zum Biegungsradius von 1,9 cm des Stands der Technik
bereitstellt, jegliche Vergrößerung des
Radius eines bestehenden, gekrümmten Abschnitts
aus optischer Faser in der Lichtquelle eines faseroptischen Kreisels
eine entsprechende Verminderung des Wellenlängenbrumms, der durch diesen
bestimmten Abschnitt bewirkt ist, bereitstellen sollte.
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4 stellt
eine typische Wellenform 400 des von der faseroptischen
Lichtquelle erzeugten Lichts nach der Filterung durch den 980-nm-Filter 110 und
Spektralverschiebung durch die mit Erbium dotierte Faser 130 dar.
Wie in 4 gezeigt weist die Wellenform 400 ein
bimodales Spektrum mit Spitzen 402 und 401 auf,
die bei ungefähr
1531 nm bzw. 1560 nm liegen. Die Dämpfung der 1531-nm-Spektralkomponente 402 durch
den Faser-Bragg-Bandsperrfilter 150 reduziert
den Wellenlängenbrummbetrag
weiter, der in der Ausgabe 170 der faseroptischen Lichtquelle 100 vorhanden
ist.