FR2535843A1

FR2535843A1 - Interferometric fibre-optic gyroscope and method for its operation.

Info

Publication number: FR2535843A1
Application number: FR8218773A
Authority: FR
Inventors: John Stuart Heeks
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1982-11-09
Filing date: 1982-11-09
Publication date: 1984-05-11
Also published as: FR2535843B1

Abstract

The invention relates to an interferometric fibre-optic gyroscope and one method for its operation. This gyroscope comprises a loop of optical fibre 10 in which two light waves are sent in opposite direction by means of a beam splitter 13 and a laser 14. The splitter 13 sends the two output beams onto a photodetector 15. The output signal serves to control a first phase modulation by the phase-cancelling (-offsetting) device 19 controlling the phase shifter 18, at a frequency 1/2 tau where tau is the optical transit time in the loop. A second phase modulation in synchronism at a frequency 1/4 tau is produced by the modulator 17 controlling the phase shifter 16, the light source being switched at the frequency 1/2 tau . The invention is applicable to fibre-optic gyroscopes using the Sagnac effect.

Description

La présente invention se rapporte a un gyroscope a interférometre a fibre optique utilisant lteffet Sagnac. The present invention relates to a fiber optic interferometer gyroscope using the Sagnac effect.

L'utilisation d'un enroulement a plusieurs tours de fibre optique, dans laquelle, au moyen de diviseurs et de combineurs de faisceau, la lumiere d'un seul laser est propagée dans les deux directions simultanément pour produire des signaux de sortie sensibles à la rotation sur un photodétecteur,est connue. Un tel arrangement est décrit, par exemple, dans l'article "Sensitivity analysis of the Sagnaceffect optical-fibre ring interferometer" de Shih-Chun Lin et
Thomas G. Giallorenzi paru dans la revue "Applied Optics", vol. 18, nO 6, 15 mars 1979. Quand les signaux de sortie sont combinés, on obtient des figures de franges d'interférence qui, dans un systeme fixe, forment une trame fixe dont la forme dépend de la nature de l'optique formant l'image.Si le systeme tourne autour de l'axe de l'enroulement, des déplacements de frange ont lieu et, par un traitement approprié, l'information de vitesse de rotation peut être extraite.The use of a multi-fiber optic winding, in which, by means of beam splitters and combiners, the light of a single laser is propagated in both directions simultaneously to produce output signals sensitive to the rotation on a photodetector, is known. Such an arrangement is described, for example, in the article "Sensitivity analysis of the Sagnaceffect optical-fiber ring interferometer" by Shih-Chun Lin and
Thomas G. Giallorenzi published in the journal "Applied Optics", vol. 18, No. 6, March 15, 1979. When the output signals are combined, we obtain figures of interference fringes which, in a fixed system, form a fixed frame whose shape depends on the nature of the optics forming the If the system rotates around the winding axis, fringe movements take place and, by appropriate processing, the rotational speed information can be extracted.

Selon les détails physiques du systeme (longueur d'onde de fonctionnement A, longueur de fibre L, etc.) et la gamme de vitesses de rotation à mesurer, on peut envisager des systèmes fonctionnant avec une seule frange ou sur plusieurs franges. En considérant d'abord un fonctionnement avec mesure d'une seule frange, un examen de la forme du signal de sortie montre qu'il y a des difficultés de mesure, parmi lesquelles les trois suivantes
i) la nature statique de la sortie du capteur (signal continu
pour une vitesse angulaire constante);
ii) la non-linéarité du courant de sortie en fonction de l'écart
de phase ; et
iii) le niveau de piédestal provenant des signaux optiques
parasites.Depending on the physical details of the system (operating wavelength A, fiber length L, etc.) and the range of rotational speeds to be measured, systems operating with a single fringe or over several fringes can be envisaged. By first considering an operation with measurement of a single fringe, an examination of the form of the output signal shows that there are measurement difficulties, among which the following three
i) the static nature of the sensor output (continuous signal
for a constant angular speed);
ii) the non-linearity of the output current as a function of the difference
phase; and
iii) the pedestal level from the optical signals
parasites.

Le systeme de base homodyne peut être amélioré, comme l'ont montré S-C. Lin et T.G. Giallorenzi, en prenant une seconde figure de frange complémentaire et en l'appliquant à un amplificateur différentiel. The basic homodyne system can be improved, as shown by S-C. Lin and T.G. Giallorenzi, taking a second complementary fringe figure and applying it to a differential amplifier.

Le déphasage différentiel de cent quatre-vingts degrés dans la seconde frange peut être obtenu de manière convenable en prévoyant une réflexion supplémentaire dans son trajet de transmission. Cette technique élimine les signaux en mode commun, en particulier le niveau moyen du bruit (c'està-dire le signal de piédestal). Un autre avantage de cet arrangement est que les deux sorties peuvent donner une mesure de l'énergie totale à la sortie du capteur et qu'un signal de commande de réaction peut être dérivé pour maintenir constante la puissance de la source.The differential phase shift of one hundred and eighty degrees in the second fringe can be obtained suitably by providing for additional reflection in its transmission path. This technique eliminates common mode signals, especially the average noise level (i.e. the pedestal signal). Another advantage of this arrangement is that the two outputs can give a measurement of the total energy at the sensor output and that a feedback control signal can be derived to keep the power of the source constant.

Il est difficile cependant, d'obtenir une stabilité convenable dans de tels systèmes continus et, de plus, on peut avoir un bruit à basse fréquence notable avec certains détecteurs. Une translation de la mesure à une fréquence intermédiaire élimine ces problèmes. La modulation du signal d'entrée peut produire un système de mesure alternatif. S-C. Lin et T.C. Giallorenzi suggèrent certains principes pour effectuer la modulation et la détection synchrone dans un système homodyne. Quelle que soit la manière dont une telle modulation est produite, il est clair que les signaux optiques se propageant en sens inverse doivent être séparés et qu'une perturbation de phase differentielle doit être appliquée. It is difficult, however, to obtain suitable stability in such continuous systems and, in addition, there may be noticeable low frequency noise with certain detectors. Translating the measurement to an intermediate frequency eliminates these problems. Modulating the input signal can produce an alternative measurement system. S-C. Lin and T.C. Giallorenzi suggest certain principles for performing modulation and synchronous detection in a homodyne system. Whichever way such modulation is produced, it is clear that the reverse propagating optical signals must be separated and a differential phase disturbance must be applied.

Selon la présente invention, il est prévu un gyroscope à interféromètre à fibre optique qui comprend des moyens pour appliquer une première modulation de phase dans le trajet optique en boucle pour des périodes alternées de durée T, où T est le temps de transit dans la boucle optique, des moyens pour appliquer une seconde modulation de phase dans la boucle pour des périodes alternees de durée 2T, des moyens pour commuter la source de lumière de la boucle pour des périodes alternées de durée T en synchronisme avec lesdites périodes de la première modulation de phase, qui, à leur tour, sont synchronisées avec les périodes de la seconde modulation de phase, et des moyens de commande à réaction auxquels la sortie du gyroscope est appliquée, lesdits moyens de commande à réaction produisant des signaux de commande verrouillés en phase pour les moyens de modulation de phase. According to the present invention, there is provided a fiber optic interferometer gyroscope which comprises means for applying a first phase modulation in the optical path in a loop for alternating periods of duration T, where T is the transit time in the loop optical, means for applying a second phase modulation in the loop for alternate periods of duration 2T, means for switching the light source of the loop for alternating periods of duration T in synchronism with said periods of the first modulation of phase, which, in turn, are synchronized with the periods of the second phase modulation, and reaction control means to which the output of the gyroscope is applied, said reaction control means producing control signals locked in phase for the phase modulation means.

L'invention prévoit aussi un procédé pour faire fonctionner un gyroscope à interféromètre à fibre optique, asymétriquement dans le temps, selon lequel une première modulation de phase à une fréquence f = 1, ou # est le temps de transit optique dans la boucle
21 de fibre optique, est appliquée aux signaux optiques dans la boucle en synchronisme avec à la fois une seconde modulation de phase à une fréquence f' = É et une commutation de la source de lumière pour le 1 gyroscope à une fréquence f = , l'amplitude et le sens de la modu 2# lation à la fréquence f = 1/2# étant commandés par un signal de réaction dérivé de la sortie de l'interféromètre et étant une mesure de la vitesse de rotation. The invention also provides a method for operating a fiber optic interferometer gyroscope, asymmetrically in time, according to which a first phase modulation at a frequency f = 1, where # is the optical transit time in the loop
21 of optical fiber, is applied to the optical signals in the loop in synchronism with both a second phase modulation at a frequency f '= É and a switching of the light source for the 1 gyroscope at a frequency f =, l amplitude and direction of modu 2 # lation at the frequency f = 1/2 # being controlled by a reaction signal derived from the output of the interferometer and being a measure of the speed of rotation.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-apres et des dessins joints où - la figure 1 représente schématiquement un gyroscope à fibre optique
selon l'invention; - la figure 2 montre la caractéristique de sortie d'écart de phase d'un
système de base de gyroscope à fibre optique; - la figure 3 représente des formes d'onde d'excitation et les réponses
en phase associées pour l'arrangement tesla figure 1 ; et - la figure 4 est un schéma d'une forme de modulateur et annulateur de
phase intégrés pour utilisation avec l'arrangement de la figure 1.The invention will be better understood and other characteristics will appear with the aid of the description below and of the accompanying drawings in which - Figure 1 schematically represents a fiber optic gyroscope
according to the invention; - Figure 2 shows the phase difference output characteristic of a
basic fiber optic gyroscope system; - Figure 3 shows excitation waveforms and responses
in the associated phase for the arrangement tesla FIG. 1; and - Figure 4 is a diagram of a form of modulator and canceller of
integrated phase for use with the arrangement in Figure 1.

Le gyroscope à fibre optique de la figure 1 consiste essentiellement en un enroulement à une seule ou à plusieurs spires de fibre optique 10 qui est couplée par des lentilles de focalisation 11, 12 et par un diviseur de faisceau équilibré 13 à un laser 14 et à un photodétecteur 15 (nous laisserons de côté pour le moment les autres composants de la figure). La lumière envoyée par le laser 14 est divisée de manière égale par le diviseur de faisceau 13 et couplée à chaque extrémité de la fibre 10, où elle se propage dans l'enroulement dans les deux directions, simultanément. Après émergence, les deux sorties de lumière de la fibre sont chacune divisées de nouveau de manière égale par le diviseur de faisceau 13 et la moitié de chaque sortie atteint le photodétecteur 15.Les deux demi-sorties atteignant le photodétecteur vont interférer entre elles dans le plan de photodétecteur. En général, la superposition des deux ondes de sortie se traduit par une figure d'interférence formée d'anneaux d'interférence concentriques. Dans un système optique bien ajusté, seule la frange centrale est présente et cette zone centrale est focalisée sur le photodétecteur. Si maintenant le gyroscope tourne autour de l'axe de l'enroulement, des différences de phase se produisent dans les deux sorties de la fibre, ce qui donne lieu à un changement d'intensité de la lumière sur le photodétecteur. La réponse du photodétecteur à l'écart de phase variable A6 résultant de la rotation aura la forme représentée sur la figure 2, où le courant de sortie i est à un pic central pour une vitesse de rotation nulle, tombe à un premier zero,puis monte à un second pic et ainsi de suite à mesure que la vitesse de rotation est augmentée. The fiber optic gyroscope of FIG. 1 essentially consists of a winding with one or more turns of optical fiber 10 which is coupled by focusing lenses 11, 12 and by a balanced beam splitter 13 to a laser 14 and to a photodetector 15 (we will leave aside for the moment the other components of the figure). The light sent by the laser 14 is divided equally by the beam splitter 13 and coupled to each end of the fiber 10, where it propagates in the winding in both directions, simultaneously. After emergence, the two light outputs of the fiber are each divided again equally by the beam splitter 13 and half of each output reaches the photodetector 15. The two half-outputs reaching the photodetector will interfere with each other in the photodetector plan. In general, the superposition of the two output waves results in an interference pattern formed by concentric interference rings. In a well adjusted optical system, only the central fringe is present and this central zone is focused on the photodetector. If now the gyroscope rotates around the axis of the winding, phase differences occur in the two outputs of the fiber, which gives rise to a change in the intensity of the light on the photodetector. The response of the photodetector to the variable phase difference A6 resulting from the rotation will have the form shown in FIG. 2, where the output current i is at a central peak for a zero rotation speed, falls to a first zero, then goes up to a second peak and so on as the speed of rotation is increased.

Pour éliminer la nature continue inhérente de la sortie quand on fait tourner le gyroscope à une vitesse angulaire constante, on peut utiliser une modulation de phase des signaux optiques. Pour montrer comment cette modulation de phase est accomplie, considérons un déphaseur 18, de type électro-optique ou autre, placé à une extrémité de la bouche ou enroulement de fibre de la figure 1. Ce déphaseur est commandé par un modulateur de phase 19 qui applique un signal de polarisation au déphaseur pendant des périodes alternees de durée T, où Test le temps de transit optique dans la boucle ou enroulement 10.Par suite de la disposition asymétrique du déphaseur 18, un transit sur deux de l'onde dans le sens des aiguilles d'une montre supportera un incrément de phase dérivé électriquement et les transits alternés de l'onde dans le sens inverse des aiguilles d'une montre subiront un déphasage identique. Ceci entralne une modulation de phase sur le signal de Sagnac à une fréquence 2T avec une modulation d'amplitude résultante à la sortie du photodétecteur de l'interféromètre. To eliminate the inherent continuous nature of the output when the gyroscope is rotated at a constant angular speed, phase modulation of the optical signals can be used. To show how this phase modulation is accomplished, consider a phase shifter 18, of the electro-optical or other type, placed at one end of the mouth or fiber winding of FIG. 1. This phase shifter is controlled by a phase modulator 19 which applies a polarization signal to the phase shifter for alternating periods of duration T, where Test the optical transit time in the loop or winding 10. As a result of the asymmetrical arrangement of the phase shifter 18, a transit in two of the wave in the direction clockwise will support an electrically derived phase increment and the alternating transits of the wave counterclockwise will undergo an identical phase shift. This causes a phase modulation on the Sagnac signal at a frequency 2T with an amplitude modulation resulting at the output of the photodetector of the interferometer.

En ajoutant une commutation synchrone de la sortie du laser, il est possible d'appliquer le déphasage commandé extérieurement à une seule des ondes se propageant en sens inverse. Ceci est la base pour annuler le signal de Sagnac et pour faire fonctionner le capteur dans un circuit en boucle fermée à annulation de phase. Ce mode de fonctionnement est celui illustré en réalité schématiquement sur la figure 1, le déphaseur 18 formant l'annulateur de phase en liaison avec la source laser commutée en synchronisme. By adding synchronous switching of the laser output, it is possible to apply the externally controlled phase shift to only one of the waves traveling in the opposite direction. This is the basis for canceling the Sagnac signal and for operating the sensor in a closed loop circuit with phase cancellation. This operating mode is that illustrated in reality schematically in FIG. 1, the phase shifter 18 forming the phase canceller in connection with the laser source switched in synchronism.

La modulation est maintenant appliquée dans un second déphaseur électro-optique 16 qui est aussi interposé entre la lentille 11 et l'extrémité de la fibre et est attaqué par un annulateur de phase 17 qui applique un signal de polarisation pour des périodes alternées de durée 2T. En raison de la disposition asymétrique du déphaseur 16 et de la phase relative des ondes d'excitation des déphaseurs 16 et 18, comme on le voit sur la figure 3, un transit sur deux du signal optique dans le sens des aiguilles d'une montre subira un incrément de déphasage dérivé électriquement et les transits alternés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre subiront un déphasage identique. The modulation is now applied in a second electro-optical phase shifter 16 which is also interposed between the lens 11 and the end of the fiber and is attacked by a phase canceller 17 which applies a polarization signal for alternating periods of duration 2T . Due to the asymmetrical arrangement of the phase shifter 16 and the relative phase of the excitation waves of the phase shifters 16 and 18, as can be seen in FIG. 3, every other transit of the optical signal clockwise will undergo an electrically derived phase shift increment and the alternating transits anticlockwise will undergo an identical phase shift.

Ceci conduit à une modulation de phase du signal de Sagnac à une fréquence 4T avec une modulation d'amplitude résultante sur la sortie du photodétecteur de l'interféromètre. Sans déplacement de phase Sagnac et avec un signal de modulation zéro applique au déphaseur 18, il y aura une composante de modulation zéro à la fréquence 4T a la sortie du photodétecteur. Cette situation correspond à la pente de la courbe de la figure 2 au point de phase zéro. Inversement, la sortie du photodétecteur à la fréquence 4T aura sa valeur maximum quand l'écart de phase de Sagnac aura pris la valeur 2. L'action de la boucle de commande fermée 30 est, par l'intermédiaire de l'amplitude et du sens de la commande du déphaseur 18, d'entralner la différence de phase vers zéro.L'amplitude et le sens de la commande du déphaseur 18 dans cette condition de verrouillage de phase représentent alors une mesure de la vitesse de rotation.This leads to a phase modulation of the Sagnac signal at a frequency 4T with a resultant amplitude modulation on the output of the photodetector of the interferometer. Without Sagnac phase shift and with a zero modulation signal applied to the phase shifter 18, there will be a zero modulation component at the frequency 4T at the output of the photodetector. This situation corresponds to the slope of the curve in Figure 2 at the zero phase point. Conversely, the output of the photodetector at the frequency 4T will have its maximum value when the Sagnac phase difference has taken the value 2. The action of the closed control loop 30 is, via the amplitude and the direction of control of the phase shifter 18, to center the phase difference towards zero. The amplitude and direction of the control of the phase shifter 18 in this phase lock condition then represent a measure of the speed of rotation.

Il est opportun de fabriquer les deux déphaseurs électrooptiques 16 et 18 pour la modulation de phase et l'annulation de phase respectivement sous forme d'un dispositif optique intégré, comme le montre la figure 4. L'annulateur de phase 19 commande aussi la commutation de la source de lumière ]4. En pratique, ceci est obtenu à l'aide d'un modulateur d'amplitude électro-optique séparé (non représenté) à la sortie du laser, car cela est plus facile à mettre en oeuvre qu'unie commutation directe du laser lui-meme. Les formes d'onde d'excitation pour les deux déphaseurs et la commutation du laser ainsi que les signaux de réponse de modulation de phase associés sont donnés sur la figure 3.Des modulateurs de phase séparés sont préférables pour éviter le problème de filtrage qui surgirait si les deux formes d'onde de modulation étaient appliquées au meme modulateur. Un modulateur séparé pour le signal de polarisation permet aussi de le faire plus long pour traiter la condition de multifrange à l'extrémité supérieure de la gamme dynamique. It is appropriate to manufacture the two electrooptical phase shifters 16 and 18 for phase modulation and phase cancellation respectively in the form of an integrated optical device, as shown in FIG. 4. The phase canceller 19 also controls the switching of the light source] 4. In practice, this is obtained using a separate electro-optical amplitude modulator (not shown) at the output of the laser, since this is easier to implement than direct switching of the laser itself. . The excitation waveforms for the two phase shifters and the switching of the laser as well as the associated phase modulation response signals are given in FIG. 3. Separate phase modulators are preferable to avoid the filtering problem which would arise. if both modulation waveforms were applied to the same modulator. A separate modulator for the polarization signal also makes it possible to make it longer to deal with the multifringe condition at the upper end of the dynamic range.

Un avantage net de l'architecture de modulateur de phase est que, en raison de sa simplicité relative, elle forme un circuit idéal pour etre réalisée en optique intégrée. En fait, la totalité de l'optique, en dehors de l'enroulement de fibre, du laser et du détecteur, pourrait être combinée sur un seul circuit en optique intégrée à quatre accès. En ce qui concerne des considérations de système, les ondes se propageant en sens inverse sont de manière précise à la même fréquence et les différences de phase (de trajet) qui établissent la modulation de phase et les signaux d'annulation sont, dans un composant intégré monolithique, sous le plus haut degré de contrôle. Comme cela est représenté sur la figure 4, le dispositif optique intégré comprend un corps 20 en niobate de lithium ayant un canal de guidage optique 21 diffusé dans une surface, en général du titane diffusé. Deux jeux d'électrodes métalliques 22, 22a pour l'annulateur de phase, et 23, 23a pour le modulateur de phase, sont déposés sur la surface du corps adjacente au canal 21. Quand un jeu d'électrodes est polarise par une tension, un champ électrique est établi à travers le canal et ce champ modifie l'indice de réfraction du canal, ce qui provoque un déphasage imposé à la lumière passant le long du canal. A clear advantage of the phase modulator architecture is that, due to its relative simplicity, it forms an ideal circuit to be produced in integrated optics. In fact, all of the optics, apart from the fiber winding, the laser and the detector, could be combined on a single circuit in integrated optics with four ports. Regarding system considerations, the waves traveling in opposite directions are precisely at the same frequency and the phase (path) differences that establish the phase modulation and cancellation signals are, in one component integrated monolithic, under the highest degree of control. As shown in FIG. 4, the integrated optical device comprises a body 20 made of lithium niobate having an optical guide channel 21 diffused in a surface, in general of diffused titanium. Two sets of metal electrodes 22, 22a for the phase canceller, and 23, 23a for the phase modulator, are deposited on the surface of the body adjacent to the channel 21. When a set of electrodes is polarized by a voltage, an electric field is established through the channel and this field modifies the refractive index of the channel, which causes a phase shift imposed on the light passing along the channel.

Bien entendu, l'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention. Of course, the embodiment described is in no way limitative of the invention.

Claims

1. Fiber optic interferometer gyroscope, characterized in that it comprises means (18, 19) for applying a first phase modulation in the loop optical path (10) for alternating periods of duration T, where T is the transit time in the optical loop, means (16, 17) for applying a second phase modulation in the loop for alternating periods of duration 2T, means for switching the light source (14) of the loop for periods alternating of duration T in synchronism with said periods of the first phase modulation, which, in turn, are synchronized with the periods of the second phase modulation, and reaction control means (30) to which the output of the gyroscope is applied, said feedback control means producing phase locked control signals for the phase modulation means.

2. Gyroscope according to claim 1, characterized in that the means for applying the first and second phase modulations comprise first and second electro-optical phase shifters (18, 16) coupled to or at the ends of the loop (10) in optical fiber.

3. Gyroscope according to claim 2, characterized in that said electro-optical phase shifters (1S, 16) are produced in the form of integrated optics devices each comprising a diffused channel waveguide (21) in a niobate body of lithium (20) with polarization electrodes (22, 22a; 23, 23a), adjacent to the channel, by means of which the refractive index of the channel can be modulated.

4. Gyroscope according to claim 3, characterized in that the channel (21) is formed by the diffusion of titanium.

5. Gyroscope according to one of claims 3 or 4, characterized in that the first and second phase shifters (18, 16) are both formed as a single device in integrated optics having a common channel (21) with two sets of bias electrodes (22, 22a; 23, 23a).

6. Gyroscope according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the light source (14) is a laser.

7. Gyroscope according to claim 6, characterized in that the means for switching the light source comprise an optical device for amplitude modulation at the output of the laser

8. Method for operating an optical fiber interferometer gyroscope, asymmetrically in time, characterized in that a first phase modulation at a frequency f = 1/2 #, where # is the optical transit time in the optical fiber loop (10) is applied to the optical signals in the loop in synchronism with both a second phase modulation at a frequency f '= 4T and a

4T switching of the light source (14) for the gyroscope at a 1 frequency f = 2 #, the amplitude and the direction of the modulation at the frequency f = 1 being controlled by a reaction signal derived from

2 # the output of the interferometer and being a measure of the speed of rotation.