NO844693L

NO844693L - Fiberoptisk polarisator med feilsignal-tilbakekobling

Info

Publication number: NO844693L
Application number: NO844693A
Authority: NO
Inventors: George A Pavlath
Original assignee: Litton Systems Inc
Priority date: 1983-12-05
Filing date: 1984-11-26
Publication date: 1985-06-06
Also published as: CA1249155A; US4729622A; EP0145432A3; KR900005293B1; ATE38567T1; AU3208984A; JPS641762B2; BR8405444A; AU556296B2; EP0145432B1; DE3475113D1; IL72732A0; JPS60123808A; EP0145432A2; KR850005087A; IL72732A

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse vedrører apparater og fremgangsmåter for polarisering av lys og spesielt fiberoptiske apparater og fremgangsmåter for fremskaffelse av lys med en forhåndsbestemt polarisering. Enda mer spesielt vedrører den foreliggende oppfinnelse et polarisatorsystem som innbefatter en tilbakekoblingssløyfe som skaffer et feilsignal proporsjonalt med intensiteten av en valgt polarisasjonsmodus som forplanter seg i fiberen, samt organer til å oppheve feilsignalet.

Det er velkjent at i forbindelse med mange fiberoptiske systemer kan det være ønskelig å benytte lys med en kjent polarisasjonstilstand ved valgte punkter som inngangssignal til komponenter hvis drift går ut på polarisasjon i avhengighet av feilminimaliser ing. Polarisasjonstilstanden er spesielt viktig ved et organ som et optisk fibergyroskop er. I forbindelse med et polarisert optisk fibergyroskopsystem blir avdriftfeil på grunn av polarisasjon bestemt ved kvaliteten av polarisatoren og ved styringen av polarisasjonstilstanden.

En lineær polarisasjonstilstand oppnår man typisk med noen typer lineære polarisatorer, f.eks. den fiberoptiske polarisator som er omtalt i US patentskrift 4.386.822 (Bergh). Polar isasjonstilstands-inngangssignalet til polarisatoren

er generelt vilkårlig. Polarisatoren kobler lys med uønskede polarisasjoner ut av fiberen og tillater lys med bare en valgt ønsket polarisasjon å forplante seg gjennom fiberen. Dersom ikke noe av det innfalne lys har den ønskede polarisasjon, vil innføringstapet være 100% og der passerer intet signal gjennom polarisatoren.

Et forbedret apparat til å fremskaffe lys av en kjent polarisasjon innbefatter en polarisator-styreenhet som er plassert i fiberen mellom lyskilden og polarisatoren, idet polarisasjons-styreenheten blir justert til å sende ut lys av den ønskede polarisasjon til polarisatoren. I et typisk system vil polarisasjonstilstands-inngangssignalet til polari-sas jons-styreenheten imidlertid variere på grunn av de om-givelsesavhengige følsomheter hos den optiske fiber.

Variasjoner i temperatur og trykk, vibrasjoner og aldring

av materialene kan bevirke betydelige endringer i polarisasjons-utgangssignalet fra polarisasjons-styreenheten til polarisatoren. Ved et system som innbefatter en polarisasjons-styreenhet som er fiksert til å variere polarisasjonen av det innfalne lys med en forhåndsbestemt størrelse, vil derfor den tidsvarierende polarisasjon av inngangslyset til polari-sas jons-styreenheten bevirke signalfading.

De fleste fiberoptiske gyroskopsystemer som hittil er demonstrert, innbefatter en flerhet av plasskrevende optiske organer. Disse plasskrevende optiske organer innbefatter speil, linser, strålesplittere, prismer og Bragg-celler som eksempler. Selv om hvert av de plasskrevende optiske organer som er nødvendig for realisering av et fiberoptisk gyroskopsystem for nærværende eksisterer, vil de tap, lysspredning og ikke-resiprokale optiske egenskaper som de fører inn i systemet i alvorlig grad redusere ytelsen av gyroskopsystemet selv om de plasskrevende optiske organer har den finest mulige optiske kvalitet. Eksperimenter har vist at et full-optisk fibergyroskopssystem kan gi et støynivå på ca. 0,001 grader/ omdr.-h. Den beste plasskrevende optiske ekvivalent har et støynivå som er mange ganger ringere enn det for full-fiber-systemet.

I tillegg til rent optiske begrensninger vil plasskrevende optiske elementer innføre begrensninger med hensyn til pakke-størrelse, alvorlige konstruksjonsbegrensninger med hensyn til muligheten for å motstå det temperaturområde som kreves ved typiske militære spesifikasjoner samt potensielle kilder for vibrasjonsfølsomhet. Plasskrevende optiske organer av nødvendig kvalitet er meget dyre, og erfaring har vist at det er usannsynlig at der kan oppnås betydelige kostreduksjoner i forbindelse med produksjonen av slike plasskrevende optiske organer.

Ytelsen hos en fiberoptisk dreieføler er kritisk avhengig av polarisasjonstilstanden. i fiberen. Polarisasjonstilstanden i en fiber avhenger meget av omgivelsen, men polarisasjonstilstanden kan styres elektronisk.

En fiberoptisk polarisasjons-styreenhet utgjøres av

et 2-portorgan som omformer en vilkårlig polarisasjons-inn-tilstand til en ønsket polarisasjons-uttilstand. Denne omforming utføres ved at man plasserer to justerbare dobbeltbrytende seksjoner i den optiske bane. Bruken av anisotrope påkjenninger på fiberen induserer dobbeltbrytning gjennom den fotoelastiske virkning. Den fotoelasti ske virkning har å gjøre med endringen i brytningsindeksene for fiberen like overfor de påførte krefter. Anisotropiske påkjenninger kan påføres fiberen ved klemming av fiberen eller ved bøyning av fiberen rundt en sirkulær form. En bøyning av fiberen rundt en sirkulær form er blitt benyttet med stort hell i laboratoriet, idet man manuelt justerer vinkelposisjonene for de sirkulære former, men slike polarisasjons-styreenheter er ikke funnet tjenelige ved oppbygningen av små og enkle servomekanismer til styring av polarisasjonstilstanden hos en optisk fiber.

Der er utført eksperimenter med polarisasjonsstabili-sering i en single-modus optisk fiber under bruk av to elektromagnetiske fiberklemmeorganer. Disse eksperimenter omfatter bruken av plasskrevende optiske organer for eksaminasjon av polarisasjonstilstanden hos det lys som eksiterer fiberen og for å skaffe et tilbakekoblingssignal for styring av de elektromagnetiske klemmeorganer. De apparater som ble brukt ved disse.eksperimenter, har de ulemper at de krever tilgang til fiberendene, de er meget plasskrevende og har et høyt innføringstap.

For å oppnå de fordeler som kan utledes fra full-fiber-løsningen overfor optiske gyroskop må der foreligge passende optiske komponenter med former som kan tilpasses fabrikasjon på en eneste fiber i den hensikt å minimalisere tapene og tilbakespredningsteknikker som er knyttet til spleiser. Komponentene må være forholdsvis små, ha lav vekt, kunne pakkes lett og være i stand til å møte strenge driftsspesifikasjoner for fremskaffelse av et optisk gyroskopsystem som passer for militære og sivile styringsanvendelser.

Oversikt over oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse skaffer et system for polari-sas jonsstyr ing i en monofiber som egner seg til bruk ved konstruksjon av et ful1-fibergyroskopsystem.

Den foreliggende oppfinnelse skaffer et fiberoptisk polarisasjonssystem med et lineært polarisert utgangssignal som er hovedsakelig konstant med hensyn til tid. Oppfinnelsen innbefatter en polarisator som bruker et dobbeltbrytende metall i berøring med en fiberoptisk bølgeleder til føring av lys av en første valgt polarisasjon ut fra bølgelederen, mens der tillates lys med en annen valgt polarisasjon å føres udempet gjennom den fiberoptiske bølgeleder. Systemet bruker lys som stråler ut fra fiberen inn i det dobbeltbrytende materiale i forplantningsretningen for den inngående bølge som et feilsignal som føres tilbake gjennom styrekretser til en polarisasjons-styreenhet som styrer polarisasjonen av lys som faller inn på polarisatoren. Polarisasjons-styreenheten omfatter fortrinnsvis bruken av piezoelektriske klemmeorganer og innbefatter et piezoelektrisk element som virker som et påvirkningsorgan for fremskaffelse av en spenning i fiberen som er proporsjonal med et påført elektrisk felt. Fotodetektorer som er følsomme med hensyn til lysets bølge-lengde i det dobbeltbrytende materiale, detekterer feilsignalet og fremskaffer et elektrisk signal som er proporsjonalt med den optiske effekt i feilsignalet.

Styrekretsene behandler det elektriske feilsignal for fremskaffelse av styresignal-utgangssignaler som tilføres polarisasjons-styreenheten for opphevelse av feilsignalet. Således innbefatter polarisasjonssystemet ifølge oppfinnelsen kretser med negativ tilbakekobling som styrer polarisasjons-styreenheten for minimalisering av feilsignalet. Resultatet blir at lys med den ønskede polarisasjon og konstant størrelse vil forplante seg gjennom polarisasjonssystemet for innføring i andre optiske komponenter.

Den foreliggende oppfinnelse går således ut på et kompakt full-fiber optisk system uten plasskrevende optiske innret-ninger samtidig som oppfinnelsen tilfredsstiller det ønskede resultat for fremskaffelse av et lys med konstant intensitet som har en eneste polarisasjon uten krav til adkomst til fiberendene.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av oppfinnelsen.

Fig. 2 er et snitt tatt etter linjen 2-2 på fig. 1.

Fig. 3 er et sideriss av apparatet på fig. 2.

Fig. 4 er en skjematisk fremstilling av et piezoelektrisk klemmeorgan som benyttes til styring av lyspolarisasjonen i en optisk fiber. Fig. 5 anskueliggjør bruken av to piezoelektriske fiber-klemmeinnretninger for en optisk fiber for styring av polarisasjonen av lys som forplanter seg derigjennom.

Fig. 6 er et skjematisk riss som viser oppbygningen

av styreenheten på fig. 1 og dennes tilknytning til de piezeo-elektriske klemmeorganer på fig. 5. Fig. 7 viser skjematisk en annen utførelsesform for styreenheten på fig. 1. Fig. 8 viser kurver for det utgående feilsignal som tilføres styrekretsene som funksjon av forskjellige parametre.

Beskrivelse av foretrukken utførelsesform

På fig. 1 er der vist et fiberoptisk polarisasjonssystem 10 som innbefatter en fiberoptisk bølgeleder 12, en polarisator 14 og et par polarisasjons-styreenheter 16 og 18.

Slik det best fremgår av fig. 2, er den fiberoptiske bølgeleder 12 fortrinnsvis en monomodus optisk fiber med en midtkjerne 19 og en omgivende kledning 20 som er kjent innen fagområdet. For monomodus-dri ft har kjernen typisk en diameter i størrelsesorden 1-10 mikrometer, mens kledningen 20 har en diameter av størrelsesorden 100 mikrometer. Selv om den viste utførelsesform benytter en monomodus optisk fiber med en trinngradient hva angår refleksjonsindeks mellom kjernen og kledningen, så er oppfinnelsen ikke begrenset til slike fibre og kan realiseres med andre fibre, f.eks. mono- og multimodus-fibre med gradert indeks.

En polarisator som egner seg til bruk ved den foreliggende oppfinnelse, er omtalt i US patentskrift 4.386.822 (Bergh).

Polarisator

På fig. 1 og 2 innbefatter polarisatoren 14 et substrat

21 med en påmontert optisk flat overflate 22. Den fiberoptiske bølgeleder 12 er montert i et bueformet spor 24 tildannet i den optisk flate overflate 22 av substratet 21. Fordi hoved-funksjonen for substratet 21 er å holde den fiberoptiske bølgeleder 12 i en forhåndsbestemt posisjon, kan substratet 21 bli tildannet av et hvilket som helst passende stivt materiale. Ved den foretrukne utførelsesform omfatter substratet 21 en blokk av smeltet kvarts samtidig som en passende sement, f.eks. epoksylim, sikrer fastholdelse av den fiberoptiske bølgeleder 12 i sporet 24.

Slik det best fremgår av fig. 2, vil dybden av sporet

24 i midtpartiet av substratet 21 være mindre enn diameteren av den fiberoptiske bølgeleder 12, idet det ytre parti av kledningen 20 er fjernet for dannelse av en mellomvirknings-sone 26 hvorfra lys kan kobles ut fra den fiberoptiske bølge-leder 12. Kledningen 20 er fjernet i den interaktive sone 26 for dannelse av en flat overflate 28 som ligger i plan med den optisk flate overflate 22 av substratet 21. Ved kantene av substratet 21 er dybden av sporet 24 fortrinnsvis i det minste så stor som diameteren av den fiberoptiske bølgeleder 12, slik at kledningen 20 forblir intakt. Således vil den mengde av kledning 20 som er fjernet øke gradvis fra null ved kantene av substratet 21 til et maksimum nær midtpartiet derav ved den interaktive sone 26.

Et krystall 28 dannet av et dobbeltbrytende materiale

er montert på substratet 21 i umiddelbar nærhet av kjernen 19 av den fiberoptiske bølgeleder 12 i den interaktive sone

26. Krystallet 28 har en optisk flat overflate 30 som vender mot den optisk flate overflate 22 av substratet 21. Krystallet 28 er slik plassert at det delvis ligger i banen for lys som forplanter seg i den fiberoptiske bølgeleder 12 slik at flyktig feltkobling kan koble lys fra den fiberoptiske bølgeleder inn i krystallet 28. Ved en foretrukket utførelses-form er diameteren av kjernepartiet 19 av størrelsesorden 4 mikrometer, og avstanden mellom krystallet 28 og kjernen 19 er av størrelsesorden 1 mikrometer. Ved denne utførelses-form har det bueformede spor 24 en krumningsradius i størrel-sesorden 20 cm, samtidig som den interaktive sone 26 mellom den fiberoptiske bølgeleder 12 og krystallet 28 er tilnærmet 1 mm lang.

Krystallet 28 omfatter et legeme av dobbeltreflekterendé materiale til det formål å fremskaffe forskjellige bølge-hastigheter for lys med forskjellige polarisasjoner. Med polarisasjoner for hvilke bølgehastigheten i krystallet 28

er lavere enn bølgehastigheten i den fiberoptiske bølgeleder 12, vil det lys som føres av den fiberoptiske bølgeleder 12, eksitere en samlet bølge ("bulk wave") i krystallet 28, som bevirker at lys slipper unna fra den fiberoptiske bølge-leder 12. I krystallet 28 blir der ikke eksitert noen samlet bølge for polarisasjoner med bølgehastigheter i krystallet større enn i fiberen slik at lys med slike polarisasjoner forblir ledet av den fiberoptiske bølgeleder 12. Riktig valg og orientering av krystallet 28 av dobbeltbrytende materiale vil derfor bevirke at lys av en første valgt polarisasjon tilbakeholdes i den fiberoptiske bølgeleder 12, mens lys av en annen selektert polarisasjon blir fjernet derfra og ført vekk fra den fiberoptiske bølgeleder 12 gjennom krystallet 8. Brytningsindeksen for krystallet 28 er slik at en bølge med polarisasjon langs en av hovedaksene av krystallet 28

vil forplante seg langsommere i krystallet 28 enn i den fiberoptiske bølgeleder 12, mens en bølge med polarisasjon langs en annen hovedakse vil forplante seg med større hastighet i krystallet 28 enn i den fiberoptiske bølgeleder 12.

Krystallet 28 er valgt slik at det har i det minste

en brytningsindeks som er lik eller større enn brytningsindeksen for kjernen 20 i den fiberoptiske bølgeleder 12 og en annen brytningsindeks som er lik eller mindre enn brytningsindeksen for kledningen 20. Ved en foretrukken utførelsesform har krystallet 28 en brytningsindeks som er større enn brytningsindeksen for kjernen 19 og to brytningsindekser som er mindre enn brytningsindeksen for kledningen 20. Dette

forhold mellom brytningsindekser tillater orientering av krystallet 28 for justering av tapsegenskaper ("lossiness")

av én polarisasjon uten å påvirke tapsegenskaper hos andre polarisasjoner. Ved den anskueliggjorte utførelsesform er krystallet 26 fortrinnsvis skåret slik at aksen for den største brytningsindeks ligger' i planet for den optisk flate overflate 30.

Ved en foretrukken utførelsesform er kjernen 19 av den fiberoptiske bølgeleder 12 dannet av amorft silisiumoksid med en effektiv brytningsindeks på tilnærmet 1,46, og krystallet 28 omfatter et kaliumpentaborat (KBc0o*4H„0) krystall ;_> o2. ;med følgende brytningsindekser ved en bølgelengde på 633 nm i vakuum: n a = 1,49, n, d = 1,43 og n c = 1,42, hvor a, b og . ;c svarer til symmetriaksene for krystallet 28. Krystallet er skåret i et plan som er vinkelrett på den vertikale b-akse, og den skårne overflate 30 er polert og.plassert mot den fiberoptiske bølgeleder 12 i påvirkningsområdet 26. For lys som er polarisert vinkelrett i forhold til krystallfibermellomskiktet 30, er brytningsindeksen (n^= 1,43) for krystallet 28 mindre enn brytningsindeksen 1,46. Den fiberoptiske bølgeleder 12 vil bevirke at lys som forplanter seg inne i den fiberoptiske bølgeleder 12, forblir deri på grunn av de totale indre refleksjoner ved krystallfibermellomskiktet 30. ;Brytningsindeksen n for polarisering parallelt med kry- ;stallf ibermellomskiktet 30 ligger mellom n = 1,42 og n ;c a ;= 1,49 i henhold til følgende formel: ;;hvor 0 er vinkelen mellom forplantningsretningen og c-aksen for krystallet. Ved en effektiv polarisator vil orienteringen og brytningsindeksen for krystallet 26 velges slik at den langsommere bølgehastighet i krystallet 28 blir liggende meget nær bølgehastigheten inne i den fiberoptiske bølgeleder 12, fordi det er funnet at effektiviteten av koblingen fra ;den fiberoptiske bølgeleder 12 til krystallet 28 øker når bølgehastigheten i krystallet 28 kommer nærmere bølgehastig-heten i den fiberoptiske bølgeleder 12. ;Ved en foretrukken sammenstillingsteknikk blir den fiberoptiske bølgeleder 12 bundet i det buede spor 24 under bruk av en passende sement og den fiberoptiske bølgeleder 12 og substratet 21 blir slipt og polert sammen inntil den ønskede mengde av kledning 20 er blitt fjernet fra den fiberoptiske bølgeleder 12 i påvirkningsområdet 26. Den polerte overflate 30 av krystallet 28 blir deretter plassert mot overflaten av substratet 21, hvoretter trykk blir påført for reduksjon av den mellomliggende avstand til en brøkdel av en mikrometer. En indekstilpasset olje med en brytningsindeks på tilnærmet 1,45 blir ført inn mellom krystallet 28 og den fiberoptiske bølgeleder 12 ved hjelp av kapillarvirkning for fremskaffelse av optisk tilpasning mellom krystallet 28 og den fiberoptiske bølgeleder 12 og for reduksjon av friksjonskrefter som må overvinnes for riktig plassering av krystallet 28 på substratet 21 . ;På fig. 3 er der anskueliggjort en tverrelektromagnetisk bølge (TEM) som typisk har to polarisasjonsmoduser i en mono-modusfiber. Det lys som føres inn i polarisatoren 14, er anskueliggjort ved en første pil 32 som viser forplantningsretningen av lysbølgen og en annen pil 34 vinkelrett på pilen 32, hvilket indikerer en polarisasjonsretning. Den annen polarisasjonsretning er anskueliggjort ved hjelp av sirkelen med et punkt i sitt senter hvor pilene 32 og 34 krysser hverandre. Sirkelen og punktet representerer en polarisasjons-vektor som peker ut av papirplanet parallelt med de optisk flate overflater 30 og 22. Med et krystall 28 som er skåret og orientert med hensyn til den fiberoptiske bølgeleder 12 ;som beskrevet ovenfor, vil brytningsindeksen for krystallet 28 for lys som er representert ved polarisasjonsvektoren 34, være mindre enn den effektive brytningsindeks for den fiberoptiske bølgeleder 12, slik at lys med polarisasjon angitt ved polarisasjonsvektoren 34 forplanter seg forbi krystallet 28 gjennom den fiberoptiske bølgeleder 12 ved ;hjelp av total indre refleksjon ved krystallfiber-meilom-skiktet. For lys som er polarisert parallelt med krystallfibermellomskiktet 30, vil brytningsindeksen for krystallet 28 ;være tilnærmet lik eller større enn den effektive brytningsindeks for fiberen, slik at bølgehastigheten i krystallet 28 for denne polarisasjon er tilnærmet lik eller mindre enn bølgehastigheten i den fiberoptiske bølgeleder 12. Derfor vil lys som er polarisert parallelt med krystallfiber-mellom-skiktet 30, eksitere en samlet bølge i krystallet 28 og unn-slippe fra den fiberoptiske bølgeleder 12. ;Resultatet blir at det lys som forblir inne i den fiberoptiske bølgeleder 12, er sterkt polarisert i retning vinkelrett på planet 30 av krystallet 28. ;Ekstinksjonsforholdet for polarisatoren 14 svarer til forholdet mellom lys med den uønskede polarisasjonsmodus som holdes tilbake i den fiberoptiske bølgeleder 12 og lyset av den ønskede polarisasjonsmodus som holdes tilbake i den fiberoptiske bølgeleder 12, idet der antas samme innganger fra begge moduser til polarisatoren 14. Polarisatoren 14 ;som er konstruert i henhold til den foregående beskrivelse, gjør det mulig å fremskaffe et ekstinksjonsforhold større enn 80 dB, med et gjennomgangstap av lys av ønsket polarisasjon på bare noen få prosent. De to betydeligste parametre hos polarisatoren 14 er ekstinksjonsforholdet og ekstinksjonstapet. Optiske gyroskopanvendelser krever ekstinksjonsforhold større enn 80 dB og innføringstap på mindre enn 10%. Polarisatoren 14 gjør det mulig å oppnå et ekstinksjonsforhold på ca. 100 dB, mens de beste plasskrevende optiske polarisatorer har ekstinksjonsforhold på ca. 50-60 dB. ;Polarisasjonsstyreenhet ;Ytelsen av et fiberoptisk apparat f.eks. inertifølere (ikke vist) avhenger i høy grad av polarisasjonstilstanden i fiberen. Det fiberoptiske polarisasjonssystem 10 ifølge den foreliggende oppfinnelse styrer elektronisk polarisasjonstilstanden i den fiberoptiske bølgeleder 12, idet en tilfeldig inn-polarisasjonstilstand blir omformet til en ønsket"ut-polari sasjonstilstand. Polarisasjonsomformingen utføres ved plassering av to justerbare dobbeltbrytende seksjoner i den optiske bane av lys som blir ført i den fiberoptiske bølgeleder 12 for styring av ut-polarisasjonstilstanden til polarisatoren 14. ;Hver av'polarisasjonsstyreenhetene 16 og 18 innbefatter et par av fiberklemorganer henholdsvis 35, 36 og 37, 38, ;som påfører anisotrope påkjenninger på den fiberoptiske bølge-leder 12 for indusering av dobbeltbrytning ved fotoelastisk virkning. Den fotoelastiske virkning endrer brytningsindeksene for fiberen som reaksjon på den påførte kraft. Som vist på ;fig. 4 og 5, omfatter hver fiberklemorgan 35-38 et piezoelektrisk påvirkningselement 40 som er montert på innsiden av en rektangulær åpning 42 i en hovedsakelig rektangulær ramme 44. En ende av det piezoelektriske påvirkningselement 40 er stivt forbundet med rammen, og den annen ende av det piezoelektriske påvirkningselement berører den fiberoptiske bølgeleder 12 som holdes mellom det piezoelektriske element og et parti av rammen. Det er velkjent at dersom et piezoelektrisk materiale påvirkes av et elektrisk felt, så vil der fremskaffes spenninger på en repeterbar forhåndsbestemt måte som reaksjon på det påførte elektriske felt. Ordinært vil de spenninger som fremskaffes i det piezoelektriske påvirkningselement 40 være proporsjonalt med det påtrykte elektriske felt. ;Det er funnet at omformingen fra en vilkårlig elliptisk polarisasjonstilstand til en vilkårlig ut-polarisasjonstilstand krever tre fiberklemorganer. Det fiberoptiske polarisasjonssystem 10 innbefatter på den ene side av polarisatoren 14 paret av fiberklemorganer 35, 36 og på den motsatte side av polarisatoren 14 paret av fiberklemorganer 37, 38 for endring av en vilkårlig inn-polarisasjonstilstand fra en eller annen retning til en spesifisert lineær polarisasjonstilstand ved polarisatoren 14. Denne omforming kan utføres med to klemorganer 35, 36, forutsatt at man kan neglisjere den dobbeltbrytning som eksisterer inne i fiberen mellom polarisasjonsstyreenheten 16 og polarisatoren 14, noe som er tilnærmet riktig over en begrenset banelengde. Dersom banelengden er slik at dobbeltbrytningen i den fiberoptiske bølgeleder 12 ikke er neglisjerbar mellom polarisasjons-styreenheten 16 og polarisatoren 14, vil det være nødvendig med et tredje klemorgan (ikke vist) for fremskaffelse av den ønskede lineære polarisasjonstilstand som inngangssignal til polarisatoren 14. Den nødvendige spenning og kraft pr. enhetslengde som utøves på fiberen for fremskaffelse av den ønskede polarisasjonsendring, kunne reduseres, eller det dynamiske område for polarisasjons-styreenheten 16 kunne utvides ved økning av lengden av det piezoelektriske påvirkningselement. ;På fig. 5 er et par fiberklemorganer plassert på linje mens den fiberoptiske bølgeleder 12 er ført derigjennom. ;Hvert klemelement har en definert akse for påføring av spenninger i fiberen, og i den hensikt å fremskaffe den ønskede polarisasjonsomforming blir aksene for de påførte spenninger anordnet 45° i forhold til hverandre. Hvert klemorgan oppnår et faseskift som er parallelt med aksen for klemorganet og et annet faseskift som er vinkelrett på klemorganets akse. Paret av fiberklemorganer 35, 36 gjør det derfor mulig å ;endre polarisasjonen langs to akser som står vinkelrett på hverandre og på den fiberoptiske bølgeleder 12. ;Det er foretrukket at det piezoelektriske materiale ;som blir benyttet i fiberklemorganet, har en Curie-temperatur som er større enn 85°C. Den piezoelektriske virkning forsvinner ved temperaturer som er større enn Curie-temperaturen, men denne spesifikasjon kan lett tilfredsstilles i praksis ved bruk av et materiale som f.eks. blytitantat eller blyzirkonat. Slike piezoelektriske materialer har Curie-temperaturer på ;ca. 300°C. Beregninger viser at et piezoelektrisk påvirkningselement av praktisk størrelse med en høyde på ca. 8,9 mm, ;en lengde på ca. 6,4 mm og en tykkelse på ca. 3,2 mm og en påtrykt spenning på ca. 10 volt fremskaffer en faseendring på 180° for fibre som er ca. 10 mikrometer i diameter. Et dynamisk område på pluss eller minus 720° vil således kreve et styrespenningsområde på 8-80 volt, noe som vil fremskaffe ;krefter på fiberen på tilnærmet 8x10 -4 dyne/cm, noe som er en størrelsesorden under den terskelkraft som bevirker ødeleggelse av fiberen. ;Styresystemet ;Slik det fremgår av fig. 1 og 2, har krystallet 28 et par plan 29, 31, idet en første fotodetektor 43 er montert på planet 29 og en annen fotodetektor 45 er montert på planet 31. Den første fotodetektor 43 er slik anordnet at der vil falle inn lys som til å begynne med forplanter seg fra venstre mot høyre i den optiske bølgeleder 12 og som deretter ble koblet ut av den fiberoptiske bølgeleder 12 til krystallet 28. Den annen fotodetektor 45 er slik anordnet at der faller inn lys som til å' begynne méd'vandrer fra høyre mot venstre i den fiberoptiske bølgeleder 12 og som ble koblet derfra til krystallet 28. Utgangssignalet fra den første fotodetektor 43 går til en første styreenhet 47 som sender ut styresignaler til fiberklemorganene 35 og 36 som er orientert som vist på fig. 5 med hensyn til den fiberoptiske bølgeleder 12. Den annen fotodetektor 45 sender ut styresignaler til en annen styreenhet 46 som sender ut styresignaler til paret av fiberklemorganer 37 og 38. Således er det fiberoptiske polarisasjonssystem 10 i stand til å fremskaffe lys med en ønsket polarisasjonsutgang uavhengig av retningen for det inngående lyssignal. ;En vilkårlig polarisasjonstilstand kan representeres ;ved komponentene Ex og E^, hvor Ex er representert som tid-ligere forklart i forbindelse med fig. 3 ved et omsirklet punkt som er rettet ut av papirplanet på fig. 3 og anordnet vinkelrett i forhold til fiberen 12. E^ er også vinkelrett i forhold til fiberen 12. Polarisasjonstilstanden for det innfalne lys kan defineres ved hjelp av to parametre A og A; HVOR A<2>= E<2>/E, idet E er lik E<2>+ E<2>, og A utgjør fasefor-x x y' ;skjellen mellom x- og y-polarisasjonene. Det innfalne lys kan derfor uttrykkes i en matriserepresentasjon som følger: ;;De parametre som skal styres, er og T^, forskjellene mellom de parallelle og ortogonale faseskifter ved fiberklemorganene 35, 36 med hensyn til klemorganaksen. Som vist er det ønskelig at det innfalne lys til polarisatoren 14 og lysutgangen derfra har en polarisasjon bare i y-retningen. ;Som beskrevet ovenfor, kobler krystallet 28 lys som er polarisert i x-retningen og vandrer fra venstre mot høyre i den fiberoptiske bølgeleder 12 ut av fiberen mot den første fotodetektor. Dersom alt lys som føres inn i polarisatoren 14 ;har den ønskede polarisering, vil der ikke være noe lys som faller gjennom krystallet ved den første fotodetektor 43. Derfor vil det lys som faller på den første fotodetektor ;43 bli å regne som et: feilsignal som blir behandlet ved hjelp av den første styeenhet 47 som deretter sender styresignalene til fiberklemorganene 35 og 36 for eliminering av feilsignalet. Det feilsignal som observeres ved fotodetektoren 43, er en funksjon av faseforskjellene og ^ som er lineære med hensyn til de styrespenninger som påtrykkes fiberklemorganene 35 og 36. Feilsignalet er gitt ved ;;Fig-. 8 illustrerer datamaskin-avtegninger av feilsignaler for styring av polar isasjonsinngangen til polarisatoren 14. Kurven (a) bruker F_ som den variable med A = 1, A - 45°, ;og r i = 45°. Kurven (b) bruker F. som den variable med A = 0,707, A = 30° og Y^= 45°. Kurven (c) bruker Y^som den variable med A = 0, A = 30° og Y^= 45°. For en gitt inn-polarisasjonstilstand vil feilsignalet variere sinusformet med enten r^ eller r^-I de spesielle tilfeller hvor A = 0 og A = 1, er feilsignalet uavhengig av Y^fordi i hvert av de spesielle tilfeller er koeffisienten av det ledd som innbefatter T^.lik 0." .. I disse spesielle tilfeller vil den innkommende polarisasjonstilstand være enten parallell eller vinkelrett i forhold til aksen for fiberklemorganet 35. ;Med en endring i den styrespenning som påtrykkes fiberklemorganet 35, vil fasen av lyset endre seg med en størrelse lik T^, men polar isasjonstilstanden vil forbli konstant. Dersom den innkommende polar isasjonstilstand er på linje ;med aksen for fiberklemorganet 35, kan foreligge som 0, ;± 2tt, ± 4tt etc. for oppnåelse av den ønskede utgang. Dersom den innkommende polarisasjonstilstand er vinkelrett i forhold til f iberklemorganet 35, kan T foreligge ved ± tt, ± 3tt etc. for oppnåelse av den ønskede innretting av polarisasjonen av lyset i fiberen for innføring ti polarisatoren 14. ;Styresignalet kan man oppnå ved moduleringer av og ;T 2 for observasjon av virkningen på feilsignalet. Modulasjon kan utf øres. ved et •. f rekventativt system, f. eks. det som er vist på fig. 7, som benytter et sekvensielt logikknettverk 48. Utgangssignalet av fotodetektoren 40 utgjør inngangssignalet til en forforsterker og filternettverk 50 som også mottar et inngangssignal fra et passende forspenningsnettverk 52. Det forsterkede og filtrerte signal utgjør inngangen til en analog/digital-omformer 54 som kan være en 8-biter A/D-omformer som danner inngangen til det sekvensielle logikknettverk 48. Det sekvensielle logikknettverk 48 er programmert med en algoritme som driver fiberklemorganene 35 og 36 slik at det utgangssignal som detekteres derfra*reduseres til et minimum. På en frekventativ måte og med størrelser proporsjonal med det detekterte feilsignal, vil sekvensielle logikknettverk 48 alternativt påtrykke korrigeringer på fiberklemorganene 35 og 36 gjennom et par av krystalldrivere, henholdsvis 56 og 58, inntil der oppnås et minimalt feilsignal under en forhåndsvalgt verdi. Fordi prøvetagnings- og korreksjons-hyppigheten er fortrinnsvis større enn 2.000 pr. sek, vil den støy som genereres i det sekvensielle logikknettverk 48, ligge godt over båndbredden for det fiberoptiske system for gyroskopanvendelser. Generelt vil den støy som genereres, kunne plasseres utenfor det signalbånd som er av interesse.

På fig. 6 er der vist en alternativ løsning for eliminering av feilsignalet, idet der benyttes kontinuerlige sinus-formede modulasjoner av og ved valgte frekvenser av o)^og u>2 • Utgangssignalet fra f otodetektoren 43 blir tilført en forforsterker 60 med en utgang forbundet med en integrator-

og blandekrets 64. En signalgenerator 66 avgir modulerings-signaler ved frekvenser på u)^ og tø- til demodulatoren 62

og til integrator- og blandekretsen 64. Integrator- og blandekretsen 64 har utganger forbundet med hvert av parene av krystalldrivere 56 og 58 for tilførsel av styresignaler til fiberklemorganene henholdsvis 35 og 36. Demodulasjon ved frekvensene og oj ? skaffer to styresignaler for drift av fiberklemorganene 15 og 16 for fremskaffelse av faseforskjellene og T^, slik at der oppnås samtidige minimumsverdier i DC-feilsignalet..

Polarisatorsystemet 10 i henhold til den foreliggende oppfinnelse opererer i henhold til følgende spesifikasjoner:

Det fiberoptiske polarisatorsystem 10 i henhold til den foreliggende oppfinnelse behandler innkommende lys med vilkårlig polarisasjon og fremskaffer således et utgangs-lyssignal med forhåndsvalgt polarisasjon med minimale tap, slik at polarisatorsystemet 10 egner seg for behandling av lyssignaler som inngang til et full-fibergyroskop.

Claims

1. System for fremskaffelse av lys med en valgt polarisasjonstilstand,karakterisert vedat det omfatter: en fiberoptisk bølgeleder, en polarisator for kobling av lys av en første polarisasjon ut av den fiberoptiske bølgeleder, samtidig som der tillates lys med en annen polarisasjon å forplante seg inne i den fiberoptiske bølgeleder, og styreorganer som reagerer på lys med den første polarisasjon som er koblet ut fra den fiberoptiske bølgeleder for styring av polarisasjonen av lys som faller på polarisatoren for derved å bevirke at polarisatoren fremskaffer utgangslys med bare den annen polarisasjon i den fiberoptiske bølgeleder.

2. System som angitt i krav 1,karakterisertved at styreorganene omfatter en fotodetektor til å forme et feilsignal som er en funksjon av lysintensiteten av den første polarisasjon som er koblet ut av den fiberoptiske bølgeleder.

3. System som angitt i krav 2,karakterisertved at styreorganene ytterligere omfatter: signalbehandlingsorganer til å motta feilsignaler og fremskaffe styresignaler som reaksjon dertil og polarisasjonsstyreorganer som reagerer på styresignaler for justering av den lineære polarisasjonstilstand av lys som faller inn på polarisatoren for fremskaffelse av et utgangssignal derfra av en annen polarisasjon i den fiberoptiske bølgeleder.

4. System som angitt i krav 1,karakterisertved at den fiberoptiske bølgeleder er en monomodus optisk fiber med en kjerne og en kledning rundt kjernen, samtidig som polarisatoren omfatter: et vekselvirkningsområde i den optiske fiber og et dobbeltbrytende materiale som er plassert ved siden av vekselvirkningsområdet, idet kledningen for fiberen ved vekselvirkningsområdet har en tykkelse og det dobbeltbrytende materiale brytningsindekser som samvirker for å bevirke kort-varig feltkobling for overføring av lys av den første polarisasjon fra den optiske fiber til det dobbeltbrytende materiale, mens lys av den annen polarisasjon forblir inne i den optiske fiber.

5. System som angitt i krav 3,karakterisertved at polarisasjonsstyreorganene omfatter organer til å påkjenne den fiberoptiske bølgeleder for induksjon av fotoelastisk dobbeltbrytning deri for endring av polarisasjonen av lys som forplanter seg inne i den fiberoptiske bølgeleder til en forhåndsbestemt tilstand for innføring til polarisatoren .

6. System som angitt i krav 5,karakterisertved at påkjenningsorganene innbefatter: et første påvirkningsorgan for påføring av spenninger til den fiberoptiske bølgeleder langs en første akse, idet det første påvirkningsorgan induserer i det lys som forplanter seg i den fiberoptiske bølgeleder et første parallelt faseskift og et første vinkelrett faseskift i forhold til den første akse og et annet påvirkningsorgan for påføring av spenninger på den fiberoptiske bølgeleder langs en annen akse, idet det annet påvirkningsorgan induserer i det lys som forplanter seg i den fiberoptiske bølgeleder et annet parallelt faseskift og et annet vinkelrett faseskift i forhold til den annen akse, idet forskjellene mellom de første og andre parallelle faseskifter og de første og andre vinkelrette faseskifter bestemmer polarisasjonen av det lys som kommer ut fra polari-sas jonsstyreorganene .

7. System som angitt i krav 6,karakterisertved at de første og andre påvirkningsorganer hver innbefatter et piezoelektrisk påvirkningselement som reagerer på et påtrykket elektrisk felt for påføring av spenninger på den fiberoptiske bølgeleder.

8. System som angitt i krav 6,karakterisertved at signalbehandlingsorganene innbefatter: organer til å omforme feilsignalet til et digitalsignal, et sekvensielt logikknettverk som er forbundet med omfor-mingsorganene for sekvensiell prøvetagning av digitalsignalet og fremskaffelse av utgangssignaler som reaksjon på det prøve-tatte digitalfeilsignal for modulering av forskjellen mellom de første og andre parallelle faseskifter og forskjellen mellom de første og andre vinkelrette faseskifter for minimalisering av feilsignalet.

9. System som angitt i krav 6,karakterisertved at styreorganet innbefatter en demodulator forbundet med fotodetéktoren•for mottagelse av feilsignalet derfra, en signalgenerator forbundet med demodulatoren for på-føring av et inngangssignal dertil, idet signalgeneratoren leverer et signal med en første frekvens til demodulatoren for modulasjon av forskjellen mellom det første parallelle faseskift og det første vinkelrette faseskift, samtidig som signalgeneratoren leverer et signal med en annen frekvens til demodulatoren for modulasjon av forskjellen mellom det annet parallelle faseskift og det annet ortogonale faseskift, og en integrator- og blandekrets forbundet med demodulatoren og signalgeneratoren for mottagelse av signaler derfra, idet integrator- og blandekretsen leverer utgangssignaler til det første og annet påvirkningsorgan for modulasjon av feilsignalet med en størrelse proporsjonal med endringsgraden for feilsignalet med hensyn til tid for minimalisering av feilsignalet .

10. System for fremskaffelse av lys med en valgt polarisasjonstilstand,karakterisert vedat det omfatter: en fiberoptisk bølgeleder med en midtkjerne omgitt av en kledning, en polarisator som innbefatter et dobbeltbrytende krystall med et parti plassert inne i det flyktige lysfelt som forplanter seg i den fiberoptiske bølgeleder, idet det dobbeltbrytende krystall har en første brytningsindeks som bevirker kobling av lys med en første valgt polarisasjon ut av den fiberoptiske bølgeleder og en annen brytningsindeks som bevirker tilbakeholdelse av lys av en annen valgt polarisasjon i den fiberoptiske bølgeleder, detektororganer som er plassert for å motta lys som er koblet ut fra den fiberoptiske bølgeleder for dannelse av et feilsignal, signalbehandlingsorganer til å motta feilsignalet og fremskaffe et styresignal som reaksjon på dette, og polarisasjonsstyreorganer som reagerer på styresignalet for justering av polarisasjonen av lys som faller på polarisatoren for eliminering av feilsignal og fremskaffelse av et utgangssignal fra polarisatoren på den fiberoptiske bølge-leder med en valgt polarisasjonstilstand.

11. System som angitt i krav 10,karakterisertved at polarisasjonsstyreorganene omfatter organer til å påvirke den fiberoptiske bølgeleder for induksjon av fotoelastisk dobbeltbrytning deri for endring av polarisasjonen av det lys som forplanter seg i den fiberoptiske bølgeleder til en forhåndsbestemt tilstand for innføring til polarisatoren .

12. System som angitt i krav 11,karakterisertved at påkjenningsorganene innbefatter: et første påvirkningsorgan til å påføre spenninger i den første optiske bølgeleder langs en første akse, idet det første påvirkningsorgan induserer i det lys som forplanter seg i den fiberoptiske bølgeleder et første parallelt faseskift og et første vinkelrett faseskift i forhold til den første akse, og et annet påvirkningsorgan for påføring av spenninger på den fiberoptiske bølgeleder langs en annen akse, idet det annet påvirkningsorgan induserer i det lys som forplanter seg i den fiberoptiske bølgeleder et annet parallelt faseskift og et annet vinkelrett faseskift i forhold til den annen akse, samtidig som forskjellen mellom det første og annet parallelle faseskift og det første og annet vinkelrette faseskift bestemmer polarisasjonen av lys som kommer ut fra polarisasjonsstyreorganene.

13. System som angitt i krav 6,karakterisertved at det første og annet påvirkningsorgan innbefatter et piezeoelektrisk påvirkningselement som reagerer på et påtrykt elektrisk felt for påføring av spenning på den fiberoptiske bølgeleder.

14. System som angitt i krav 10,karakterisertved at signalbehandlingsorganene innbefatter: organer til å omforme feilsignalet til et digitalsignal og et sekvensielt logikknettverk forbundet med omformings-organet for sekvensiell prøvetagning av digitalsignalet og fremskaffelse av utgangssignaler som reaksjon på det prøve-tatte digitalsignal for modulasjon av forskjellen mellom det første og annet parallelle faseskift og forskjellen mellom det første og annet vinkelrette faseskift for minimalisering av feilsignalet.

15. System som angitt i krav 10,karakterisertved at styreorganene innbefatter en demodulator forbundet med fotodetektoren for mottagelse av feilsignalet derfra, en signalgenerator som er forbundet med demodulatoren for tilførsel av et inngangssignal dertil, idet signalgeneratoren leverer et signal med en første frekvens til demodulatoren for demodulasjon av forskjellen mellom det første parallelle faseskift og det første vinkelrette faseskift, samtidig som signalgeneratoren leverer et signal med en annen frekvens til demodulatoren for modulasjon av forskjellen mellom det annet parallelle faseskift og det annet vinkelrette faseskift og en integrator- og blandekrets forbundet med demodulatoren og signalgeneratoren for mottagelse av signaler derfra, idet integrator- og blandekretsen leverer utgangssignaler til det første og annet påvirkningsorgan for modulasjon av feilsignalet med en størrelse proporsjonal med endringsgraden av feilsignalet med hensyn til tid for minimalisering av feilsignalet.

16. Fremgangsmåte til fremskaffelse av lys med en valgt polarisasjonstilstand, omfattende følgende trinn: å levere et lysinngangssignal til en fiberoptisk bølge-leder , å koble lys av en første polarisasjon ut av den fiberoptiske bølgeleder, samtidig som der tillates lys av en annen polarisasjon å forplante seg i den fiberoptiske bølgeleder, å detektere lyset med en første polarisasjon som er koblet ut av den fiberoptiske bølgeleder, å danne et feilsignal som er proporsjonalt med det detekterte lys, og å justere polarisasjonen av lyset i den fiberoptiske bølgeleder for eliminering av feilsignalet og utsendelse av lys som bare har den annen polarisasjon i den fiberoptiske bølgeleder.

17. Fremgangsmåte som angitt i krav 16,karakterisert vedat den ytterligere omfatter trinnene: å digitalisere feilsignalet for dannelse av et digitalsignal, å sample digitalsignalet, å fremskaffe styresignaler som reaksjon på det samplede digitalsignal, og å tilføre styresignalene til en polarisasjonsstyreenhet for justering av polarisasjonen i den hensikt å eliminere feilsignalet.

18. System for polarisert lys,karakterisertved at det omfatter: en fiberoptisk bølgeleder, organer til å koble lys av en første valgt polarisasjonstilstand ut av den fiberoptiske bølgeleder, samtidig som der tillates lys av en annen polarisasjonstilstand å forplante seg i den fiberoptiske bølgeleder, og organer som reagerer på lys som er koblet ut av den fiberoptiske bølgeleder for justering av polarisasjonstilstanden av lys som føres inn i koblingsorganet for eliminering av intensiteten av lys som er koblet fra den fiberoptiske bølgeleder og maksimalisere intensiteten av lys av en annen polarisasjonstilstand som forplanter seg i den fiberoptiske bøleleder.