DE69208296T2 - Faseroptischer Kreisel - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Gyroskop zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit einer sich bewegenden Vorrichtung, z.B. eines Kraftfahrzeugs, eines Flugzeugs oder eines Schiffs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein faseroptisches Gyroskop, welches hauptsächlich aus optischen Fasern aufgebaut ist.
• Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der japanischen Anmeldungen Nr. 139899/1992 vom 30.4.1992 und Nr.198534/1991 vom 12.7.1991 in Anspruch, die hier durch Bezugnahme inkorporiert sind.
• Ein faseroptisches Gyroskop ermittelt eine Winkelgeschwindigkeit einer Sensorspule, in dem die Eigenschaft ausgenutzt wird, daß die Phasendifferenz zwischen einem sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Lichtstrahl und einem sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Lichtstrahl im Verhältnis zu der Winkelgeschwindigkeit der Spule steht. Es gibt unterschiedliche Bauformen von faseroptischen Gyroskopen, abhängig von dem Verfahren, wie die Lichtstrahlen moduliert werden: Phasenmodulation, Frequenzmodulation und Phasensprungverfahren und dergleichen.
• Da ein faseroptisches Gyroskop den sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Lichtstrahl und den sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Lichtstrahl miteinander zur Interferenz bringt, müssen beide Lichtstrahlen an einem Detektor gleiche Polarisationsebenen besitzen. Eine Abweichung der Polarisationsebenen reduziert die Leistung des Interferenzlichtstrahls im Verhältnis zum Kosinus des Winkels zwischen den verschiedenen Polarisationsebenen. Wenn außerdem die Polarisationsebenen vertikal aufeinanderstehen, können sie nicht miteinander in Interferenz treten.
• Die Polarisationsebenen müssen an dem Detektor in der gleichen Richtung liegen. Da zwei degenerierte Lichtstrahlen mit verschiedenen Polarisationsebenen in einer Einzelmodenfaser mit gleicher Phasenkonstante laufen, werden die Polarisationsebenen mit einiger Wahrscheinlichkeit spontan gedreht.
• Um die wahrscheinliche Drehung der Polarisationsebenen zu unterdrücken, kann man einen verbesserten Aufbau der Faserspule mit polarisationserhaltenden Fasern vorschlagen, wobei der Signallichtstrahl polarisiert wird, bevor er in zwei Teil- Lichtstrahlen unterteilt wird. Da die polarisationserhaltende Faser die Drehung der Polarisationsebenen unterdrückt, kann er zwei Teil-Lichtstrahlen in der gleichen Polarisationsebene zur Interferenz bringen.
• Polarisationserhaltende Fasern sind nicht rotationssymetrisch, sondern in einer Winkeirichtung asymmetrisch. Die Asymmetrie wird dadurch erhalten, daß man Teile zum Aufbringen von Spannung in einer diametralen Richtung einfügt oder Kerne zu einem elliptischen Querschnitt verformt. Eine solche Asymmetrie ruft eine Differenz der Phasenkonstanten zwischen zwei Lichtstrahlen mit verschiedenen Polarisationsebenen hervor. Entsprechend der Polarisation weicht die Phasengeschwindigkeit ab. Natürlich besitzt die polarisationserhaltende Faser doppelbrechende Eigenschaft. Somit wird sie häufig auch als doppelbrechende Faser bezeichnet. In der vorliegenden Beschreibung wird die polarisationserhaltende Faser als Synonym für doppelbrechende Faser verwendet.
• Allerdings ist die polarisationserhaltende Faser viel teurer als die übliche Einzelmodenfaser. Ein faseroptisches Gyroskop, welches vollständig mit der polarisationserhaltenden Faser aufgebaut ist, ist extrem teuer. Seine praktische Bedeutung ist gering.
• Eine Faserspule und der größte Teil der optischen Wege sollen vorzugsweise aus üblichen Einzelmodenfasern aufgebaut sein. Allerdings stellen übliche Einzelmodenfaser Probleme dar, die es zu lösen gilt. Obschon sie sich Einzelmodenfaser nennen, bedeutet dies, daß eine einzelne Phasenkonstante nur einen einzigen Schwingungstyp aufweist. Tatsächlich gibt es zwei Schwingungstypen mit unterschiedlichen, zueinander senkrechten Polarisationsebenen, die die gleiche Phasenkonstante besitzen. Zwei Schwingungstypen mit unterschiedlichen Polarisationsebenen sind ideal unabhängig. Allerdings können die Polarisationsebenen aufgrund externer Spannung oder Störung drehen, weil die Phasenkonstanten gleich sind. Gleiche Phasenkonstanten degenerieren zwei Schwingungstypen. Sie können die Drehung der Polarisationsebenen nicht unterbinden. Die Drehung der Polarisationsebenen vermischt die beiden Moden, die ansonsten ideal unabhängig wären.
• Allerdings besitzen zwei Moden unterschiedliche Schwankungen der Phasenkonstanten in mikroskopischem Maßstab, ungeachtet der makroskopischen Gleichheit der Phasenkonstanten. Wenn deshalb zwei Moden die gleiche Strecke zurückgelegt haben, sind die effektiven optischen Weglängen verschieden. Die Differenz der effektiven optischen Weglängen ruft eine Schwankung des Ausgangssignals des Photodetektors hervor.
• im Uhrzeigersinn laufendes Licht und im Gegenuhrzeigersinn laufendes Licht müssen in einem faseroptischen Gyroskop die absolut gleiche Weglänge aufweisen. In mikroskopischem Maßstab würde die Schwankung der Polarisation eine Schwankung der optischen Weglänge hervorrufen. Um die Schwankung der optischen Weglänge zu unterdrücken, wird es wirksam sein, die Polarisationsebene dadurch in einer gewissen Richtung zu fixieren, daß man den Lichtstrahl durch einen Polarisator schickt, bevor er aufgeteilt wird in Licht, welches im Uhrzeigersinn läuft und Licht, welches im Gegenuhrzeigersinn läuft. Eine solche Polarisation ermöglicht es nur einem einzigen Mode mit einer einzigen Polarisationsebene, die Einzelmodenfaser zu durchlaufen. Da Einzelmodenstrahlen in einer Einzelmodenfaser laufen, sind die optischen Weglängen absolut gleich. Die Situation wäre die gleiche bei der oben erwähnten polarisationserhaltenden Faser, wenn keine Drehung der Polarisation stattfände. Allerdings kann eine Einzelmodenfaser nicht verhindern, daß Lichtstrahlen die Polarisationsebenen drehen. Damit reicht die vorbereitende Polarisierung durch den Polarisator nicht aus, die optischen Weglängen in jedem Fall gleich zu machen. Zwei Lichtstrahlen mit linearen Polarisationsebenen breiten sich in einer Faserspule aus und gelangen durch den selben Polarisator in Rückwärtsrichtung. Aufgrund einer wahrscheinlichen Drehung der Polarisationsebenen fallen die Polarisationsebenen der Strahlen nicht notwendigerweise zusammen mit der Richtung der optischen Achse des Polarisators. Der Neigungswinkel zwischen der optischen Achse des Polarisators und der Polarisationsebene des Strahls wird mit ψ bezeichnet. Die Amplitude des durch den Polarisator in Rückwärtsrichtung laufenden Strahls verringert sich im Verhältnis zum cos ψ. Die Neigungswinkel sind nicht notwendigerweise die gleichen bei dem im Uhrzeigersinn und dem im Gegenuhrzeigersinn laufenden Strahl. Außerdem kann sich der Neigungswinkel aufgrund einer Temperaturschwankung ändern. Da die linear polarisierten Strahlen häufig die Polarisationsebenen drehen, schwankt das Ausgangssignal des Photodetektors aufgrund der Polarisationsdrehung. Eine solche Schwankung im Ausgangssignal des Photodetektors steht einer exakten Messung der Winkelgeschwindigkeit entgegen.
• Deshalb hatten K. Boehm et al. ein Einzelmodenfaser-Gyroskop mit einem Depolansator in dem optischen Weg neben einem Polarisator vorgeschlagen. Ein Depolansator ist ein Bauelement zum Depolarisieren beliebig linear polarisierter oder elliptisch polarisierter Strahlen. Ein depolarisierter Zustand bedeutet, daß Polarisationsebenen mit gleicher Wahrscheinlichkeit in sämtliche Richtungen verteilt sind.
• K. Boehm et al.: "Low-Drift Fiber Gyro Using Superluminescent Diode", ELECTRONICS LETTERS, vol. 17, Nr.10, S. 352 (1981).
• Fig. 15 zeigt den Aufbau des faseroptischen Gyroskops nach Boehm. Eine Lichtquelle (1) emittiert einen Lichtstrahl. Der Strahl läuft durch eine Linse (21), einen Strahlaufspalter (22), einen Polarisator (23) und eine Linse (24), bevor er in ein Ende einer optischen Faser eintritt. Das optische System konvergiert den Lichtstrahl auf einen kleinen Faserkern. Der Strahl wird von dem Polarisator (23) linear polarisiert. In die Faser wird folglich ein Schwingungstyp mit einer einzigen Polarisationsebene eingeleitet. Die Faser (25) ist mit einer weiteren Faser (27) durch einen Koppler (26) gekoppelt. Der Koppler (26) teilt den Strahl auf in einem sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Strahl und einen sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Strahl. Der sich im Uhrzeigersinn ausbreitende Strahl tritt aus und gelangt durch eine Linse (28), einen Depolarisator (29) und eine Linse (30). Der Strahl konvergiert gegen ein Ende der Faser (27) und breitet sich in einer Faserspule (4) im Uhrzeigersinn aus. Anschließend läuft der Uhrzeiger-Strahl durch einen Phasenmodulator (5). Der im Gegenuhrzeigersinn laufende Strahl wird zunächst von dem Phasenmodulator (5) moduliert und läuft dann im Gegenuhrzeigersinn durch die Faserspule (4), Der im Uhrzeigersinn laufende Strahl und der im Gegenuhrzeigersinn laufende Strahl werden im folgenden abgekürzt einfach mit CW-Strahl (clockwise) bzw. CCW-Strahl (counterclockwise) bezeichnet. Der CCW-Strahl läuft schließlich durch den Depolarisator (29). Ein Depolarisator ist ein optisches Bauelement zum Depolarisieren einer beliebigen linearen oder elliptischen Polarisation in eine Nicht- Polarisation, in der Polarisationsebenen in sämtliche Richtungen mit gleicher Wahrscheinlichkeit verteilt sind. Die Funktion eines Depolarisators ist derjenigen eines Polarisators entgegengesetzt. Der in Fig. 15 gezeigte Depolarisator (29) wird als Lyot-Depolarisator bezeichnet. Fig. 16 zeigt eine schematische Ansicht eines Lyot-Depolarisators.
• Ein Lyot-Depolarisator besteht aus zwei doppelbrechenden, miteinander gekoppelten Kristallen. Die optischen Achsen der beiden Kristalle sind gegeneinander um 45º verdreht. Die Dicken der Kristalle stehen in einem Verhältnis von 1:2. Die Dicke des Kristalls ist so festgelegt, daß eine Differenz der optischen Weglängen zwischen ordentlichem Strahl und außerordentlichem Strahl die kohärente Länge des Lichts übersteigt. Fig. 16 zeigt getrennte Kristalle, um die optischen Achsen darzustellen, in der Praxis jedoch sind zwei Kristalle ohne Lücke miteinander verkittet.
• Die Funktion eines Depolarisators soll kurz erläutert werden. Ein linear polarisierter Strahl (a) tritt in einen ersten doppelbrechenden Kristall (Q&sub1;) und wird aufgeteilt in zwei Strahlen (b) und (c) deren Polarisationsebenen parallel zu den optischen Achsen des doppelbrechenden Kristalls liegen. Der eine ist ein ordentlicher Strahl, der andere ein außerordentlicher Strahl. Die optische Wegdifferenz L der beiden Strahlen über die volle Länge des Kristalls muß länger sein als die kohärente Länge des Lichts. Natürlich sind die Amplituden der beiden Strahlen in dem Kristall (Q&sub1;) verschieden. Zwei unabhängige Strahlen treten in einen zweiten doppelbrechenden Kristall (Q&sub2;) ein, dessen optische Achsen um 45º gegenüber dem ersten Kristall (Q&sub1;) geneigt sind. Beide Strahlen (b) und (c) werden hälftig aufgeteilt in ordentliche Strahlen (d) und (e) sowie außerordentliche Strahlen (f) und (g). Der Strahl (d) und der Strahl (f), die aus dem Strahl (b) stammen, besitzen gleiche Amplituden. Der Strahl (e) und der Strahl (g) aus dem Strahl (c) besitzen ebenfalls die gleiche Amplitude. Die Polarisation der ordentlichen Strahlen wird durch die X-Achse bezeichnet. Die Polarisation der außerordentlichen Strahlen wird durch die Y-Achse bezeichnet. Die Gesamtenergie der Lichtstrahlen mit der Polarisation parallel zur X- Achse ist gleich einer Summe der Energie der Strahlen (d) und (e). In ähnlicher Weise beträgt die Gesamtenergie der Lichtstrahlen mit der Polarisation parallel zur Y-Achse so viel wie die Summe der Energie der Strahlen (f) und (g). Die Energie der Strahlen mit X-Polarisation ist gleich der Energie der Strahlen mit Y-Polarisation, weil sie gleiche Summen von Hälften gleicher Beträge besitzen. Hier besteht der Grund dafür, daß die Gesamtenergie der Strahlen gleicher Polarisation durch die Summe der Energie gegeben ist, darin, daß die Differenz der optischen Wege der Strahlen gleicher Polarisation länger ist als die kohärente Länge des Lichts. In dem Ausdruck der Energie verschwinden die Kreuzterme in der Summe der Amplituden der verschiedenen Strahlen.
• Die Amplituden der Strahlen mit X- und Y-Polarisation sind stets gleich. Damit ist auch die Energie bei einem beliebigen Strahl gleich derjenigen eines entsprechenden Strahls mit einer Polarisation, die zu der des erstgenannten Strahls senkrecht ist. Deshalb haben sämtliche Strahlen mit irgendeiner Polarisation die gleiche Amplitude gemeinsam. Dieser Zustand ist ein depolarisierter Zustand. Beliebig linear polarisierte Strahlen werden in einem depolarisierten Zustand umgewandelt. Damit können auch beliebig elliptische polarisierte Strahlen in einen depolarisierten Zustand umgewandelt werden.
• Da der doppelbrechende Kristall doppelt so dick ist wie der erste, sind die Unterschiede der optischen Weglängen für die ordentlichen Strahlen und die außerordentlichen Strahlen unter den 4 Strahlen (d), (e), (f) und (g) gleich. In jedem Fall sind die Differenzen länger als die kohärente Länge. Das Dickenverhältnis muß nicht notwendigerweise 1:2 sein. Auch andere Verhältnisse sind zulässig, ausgenommen das Verhältnis 1:1. In diesem Fall jedoch muß jede Differenz der optischen Weglängen größer sein als die kohärente Länge.
• Wenn wir einen dünneren Depolarisator verwenden wollen, ist eine Lichtquelle mit einer kürzeren kohärenten Länge erforderlich.
• Das in Fig. 15 dargestellte faseroptische Gyroskop ist mit Einzelmodenfasern, einem Polarisator und einem Depolarisator aufgebaut. Der Polarisator und der Depolarisator wurden zu dem Zweck eingesetzt, das Problem der Schwankung des Ausgangssignais zu lösen, welches durch die Drehung der Polarisationsebene hervorgerufen wird. Außer von Boehm wurden von anderen Personen ähnliche faseroptische Gyroskope mit einem Lyot-Depolarisator in der Nähe der Faserspule vorgeschlagen.
• Allerdings war das in Fig. 15 dargestellte faseroptische Gyroskop nach Boehm nur ein für den Laboreinsatz hergestelltes Gerät. Es ist nicht ein für den praktischen Einsatz geeignetes Gerät. Für einen Polarisator, einen Depolarisator und einen Strahlaufspalter wurden sperrige optische Teile verwendet. Diese Teile sind wesentlich umfangreicher als Fasern. Abgesehen von den sperrigen Teilen müssen Linsen vor und hinter den Teilen angeordnet werden, um die Strahlen in breite, gleichförmige ebene Wellen umzusetzen. Die umfangreichen diskreten Teile machen das Gerät zu sperrig für den Einsatz in einem Fahrzeug oder einem anderen sich bewegenden Objekt.
• Ein praktisches faseroptisches Gyroskop erfordert die Verringerung der Größe von Polarisator, Depolarisator und Strahlaufspalter zu einer kompakten Baugröße, die zumindest kleiner als eine Faserspule ist.
• Ein Depolarisator und ein Polarisator können aus optischen Fasern hergestellt werden. Diese Tatsache ist allgemein bekannt. Ein Strahlaufspalter läßt sich ebenfalls durch optische Fasern herstellen. Wenn man sämtliche optischen Teile durch optische Fasern herstellt, sollte es möglich sein, zum ersten Mal ein faseroptisches Gyroskop für die Praxis herzustellen.
• Ein Faser-Strahlaufspalter läßt sich dadurch herstellen, daß man Teile von zwei Fasern anschmilzt, sie seitlich miteinander koppelt und den gekoppelten Teil auffaltet, damit sie flüchtig gekoppelt sein können. Eine solche flüchtige Kopplung unterteilt den Lichtstrahl in zwei Teilwellen. Eine Länge der Kopplung sollte so festgelegt werden, daß der Strahl rigoros in zwei Hälften für zwei Zweige auf der Ausgangsseite unterteilt wird.
• Ein Depolarisator läßt sich auch aus polarisationserhaltenden Fasern herstellen. Fig. 17 ist eine schematische Ansicht des durch zwei polarisationserhaltende Fasern mit Längen im Verhältnis von 1:2 aufgebautem Polarisators. Zwei polarisationserhaltende Fasern werden endseitig gespleißt, wobei ihre optischen Achsen um 45º gegeneinander verdreht sind. Die Längen der Fasern werden so bestimmt, daß die Differenz der optischen Wege der Strahlen verschiedener Polarisationsebenen parallel zu den unterschiedlichen optischen Achsen länger ist als die Kohärenzlänge des Lichts. Schwarze Punkte zeigen die in die Fasern in diametral gegenüberliegenden Positionen eingefügten Teile zum Aufbringen von Spannung. Die zwei paarweise Punkte verbindende Linie entspricht der optischen Hauptrichtung der Fasern. Diese Achse wird als X-Achse bezeichnet. Die andere Hauptachse, die Y-Achse, ist senkrecht zu der X-Achse. Die Ausbreitungsrichtung ist die Z-Achse. Die X- und Y- Achsen einer Faser sind gegenüber den X- und Y-Achsen der anderen Faser an der Verbindungsstelle um 45º verdreht. Obschon Fig. 17 auseinandergenommene Fasern zeigt, um die optische Achse und den Verdrehungswinkel zu verdeutlichen, sind die beiden Fasern an der Verbindungsstelle gespleißt.
• Ein Brechungsindex des Lichtstrahls mit einer Polarisierungsebene parallel zur X- Achse (kurz: X-Polarisation) wird mit nx bezeichnet. Ein Brechungsindex des Strahls mit Y-Polarisation wird mit ny bezeichnet. L&sub1; und L&sub2; sind Faserlängen. Die kohärente Länge der Lichtquelle wird mit h bezeichnet. Diese Parameter erfordern die folgenden Ungleichungen, damit die Faserkopplung ein Depolarisator wird:
• nx - ny L&sub1; > h ( i = 1,2)
• nx - ny L&sub2; - L&sub1; > h (1)
• Ein Faser-Polarisator einer Spule aus einer polarisationserhaltenden Faser ist bekannt. Hergestellt wird die Spule, indem eine polarisationserhaltende Faser in mehreren Windungen um einen Kern gewickelt wird. Wenn eine polarisationserhaltende Faser mit einem Brechungsindex gewickelt wird, unterscheidet sich die Mikrobiegungs-Dämpfung bezüglich der Richtung der Polarisationsebenen. Dies macht es möglich, einen einzelnen Strahl mit einer gewissen Polarisationsrichtung durchzulassen. Der andere Strahl mit der anderen Polarisationsrichtung verschwindet. Die Spule arbeitet als Polarisator. Dies wird als Faser-Polarisator bezeichnet.
• Es wurde ein kompakter Polarisator vorgeschlagen, der dünne Metalischichten verwendet. Fig. 18 zeigt einen solchen Polarisator, der aus Metalischichten und dielektrischen Schichten besteht, die wechselweise angeordnet sind. Die Metallschichten haben eine Dicke von mehreren Nanometern bis einigen 10 Nanometern. Die dielektrischen Schichten haben eine Dicke von einigen 10 Nanometern bis einigen 100 Nanometern. Ein Lichtstrahl wird so in den Polarisator eingeleitet, daß eine Ausbreitungslinie parallel zu den Schichtebenen verläuft. Beispielsweise offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.60-97304 (97304/85) einen solchen mehrschichtigen Polarisator. Ein Strahl mit einer Polarisationsebene parallel zu den Metallschichten wird alsbald gedämpft. Nur ein Strahl mit einer Polarisation vertikal zu den Filmebenen kann ohne Dämpfung durch das Bauelement gelangen. Damit arbeitet das mehrschichtige Metall-Dielektrikum-Bauelement als ein Polarisator. Der Metall-Dielektrikum-Mehrschichtpolarisator kann so klein sein, daß sich Fasern direkt an seinen Enden anspleißen lassen.
• Natürlich kann auch ein anderer Polarisator verwendet werden. im Fall eines diskreten, sperrigen Polarisators werden zwei Linsen benötigt, um einen Strahl in eine breite ebene Welle aufzuweiten und die breite Welle auf einen Kern einer Faser zu konvergieren, wie dies in Fig. 19 gezeigt ist.
• Die diskreten optischen Teile gemäß Fig. 15, nämlich ein Polarisator, ein Depolansator und ein Strahlaufspalter können durch Faser-Bauelemente oder kompakte Bauelemente ersetzt werden. Allerdings reicht ein solcher Austausch noch nicht aus, ein praxistaugliches faseroptisches Gyroskop herzustellen. Das Problem der Schwankung des Ausgangssignals ist immer noch nicht vollständig gelöst.
• Der von einer Lichtquelle ausgegebene Lichtstrahl ist ein linear polarisierter Lichtstrahl. Die Polarisationsebene dreht sich manchmal aus gewissen Gründen zwischen einer Lichtquelle und einem Polarisator. Es ist schwierig, die Polarisation eines Strahls jederzeit in Einklang zu bringen mit der optischen Achse des Polarisators.
• Äußere Magnetkräfte oder eine äußere Spannung induziert zufällige Drehung der Polarisation. Eine Abweichung zwischen der Polarisation und der optischen Achse verringert die Amplitude des durch den Polarisator laufenden Strahls. In dem Fall eines diskreten Polarisators gemäß Fig. 15 läßt sich eine Anfangsjustierung der Achsen dadurch in einfacher Weise vornehmen, daß man das Ausgangssignal eines Photodetektors maximiert, indem man den voluminösen, diskreten Polarisator dreht. im Fall eines Faser-Polarisators oder eines Metall-Dielektrikum-Mehrschichtpolarisators allerdings wäre eine derartige Anfangsjustierung völlig unmöglich, weil kein Licht durch den Polarisator gelangt, bevor dieser an Fasern gekoppelt ist, und es ist keine Justierung möglich, bevor eine Kopplung mit Fasern vorgenommen ist.
• Aber selbst wenn eine derartige Anfangsjustierung zur Harmonisierung der Strahlpolarisation mit der optischen Achse des Polarisators durchgeführt wird, drehen sich die Polarisationsebenen der Strahlen manchmal durch Temperaturschwankung oder Faserstörung, da eine übliche Einzelmodenfaser nicht verhindern kann, daß sich die Polarisation spontan dreht. Die Drehung der Polarisationsebenen ruft eine Zunahme oder eine Abnahme des durch den Polarisator laufenden Lichtstrahls hervor. Deshalb würde der Ersatz eines diskreten, voluminösen Polarisators durch einen kompakten Polarisator, der einen Strahl durchlassen kann, nachdem er mit Fasern gekoppelt wurde, zu einem neuen, schwierigen Problem der Polarisationsdrehung zwischen Lichtquelle und Polarisator führen. Eine Anfangsjustierung kann in keinem Fall auf einfache Weise erfolgen. Eine Nachjustierung ist vollständig ausgeschlossen, da der Polarisator fest mit den Fasern gekoppelt ist.
• Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, hatten die Erfinder ein neues, kompaktes faseroptisches Gyroskop mit einem weiteren Depolarisator zwischen einer Lichtquelle und einem Polarisator entwickelt. Der neu hinzugekommene Depolarisator läßt sich entweder zwischen einer Lichtquelle und einem ersten Faserkoppier oder zwischen einem ersten Faserkoppier und einem Polarisator anordnen. Offenbart ist ein solches faseroptisches Gyroskop in:
• 1. Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.2-225616 ( 225616/90 )
• 2. Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.2-225617 ( 225617/90 )
• 3. Japanische Patent-Offeniegungsschrift Nr.2-225618 ( 225618/90 )
• Die Erfindung 1 verwendete einen Polarisator mit zwei polarisationserhaltenden Fasern, die mit einem gegenseitigen Verdrehungswinkel von etwa 45º gekoppelt waren. Das Längenverhältnis der Fasern betrug 1:2. Die Länge der kürzeren Faser wurde so bestimmt, daß die Differenz der effektiven optischen Wege zwischen einem ordentlichen Strahl und einem außerordentlichen Strahl (kurzgesagt, die optische Wegdifferenz durch Doppelbrechung) ist länger als die kohärente Länge der Lichtquelle. Ein solcher Depolarisator war bekannt und äquivalent dem in Fig. 17 dargestellten Polarisator.
• Die Erfindung 2 schaffte im wesentlichen einen effektiven Depolarisator in der Nähe einer Lichtquelle, indem eine polarisationserhaltende Faser vor der Lichtquelle in der Weise angebracht wurde, daß die optische Faser etwa um 45º gegenüber der Polarisation des von der Quelle emittierten Lichts verdreht war. Die Erfindung 2 verzichtete auf eine weitere polarisationserhaltende Faser dadurch, daß die Verdrehung zwischen Lichtquelle und Faser genutzt wurde.
• Die Erfindung 3 schaffte im wesentlichen einen wirksamen Depolarisator, indem ein doppelbrechender Kristall vor einer Lichtquelle so angeordnet wurde, daß die optische Achse gegenüber der Polarisation des von der Quelle abgegebenen Lichts um etwa 45º verdreht war. Ähnlich wie Erfindung 1 bildete die Polarisation der Lichtquelle und die Doppelbrechung des Kristalls einen effektiven Depolarisator.
• Die Erfinder nehmen an, daß ein weiterer Depolarisator zwischen einer Lichtquelle und einem Polarisator eingefügt werden sollte, wenn zwischen einer Lichtquelle und einem Polarisator eine Einzelmodenfaser vorhanden ist. Die Erfindungen 1, 2 und 3 beruhten auf dieser Annahme. Ein solches faseroptisches Gyroskop stellte ein neues Bauelement dar, weil es kein bekanntes Gyroskop mit 2 Depolarisatoren gab.
• Allerdings erforderten Erfindung 2 und Erfindung 3 eine diffizile Justierung der optischen Achsen der Fasern oder der doppelbrechenden Kristalle zu der Polarisationsebene eines von einer Quelle abgegebenen Lichtstrahls. Die Erfindung 1 basierte auf einem unabhängigen Depolarisator mit zwei polarisationserhaltenden Fasern, die mit ihren um 45º gegeneinander verdrehten optischen Achsen gekoppelt waren. Der Faser-Depolarisator ist ein einfacher, zuverlässiger Depolarisator. Allerdings erforderte er zahlreiche Verbindungsschritte: eine Verbindung einer Einzelmodenfaser mit einem Depolarisator, eine Verbindung eines Polarisators mit einem Depolarisator und eine Verbindung zwischen zwei polarisationserhaltenden Fasern; damit wurden mindestens 3 Verbindungsschritte notwendig.
• Ein solches Problem der Verbindungsschritte gibt es auch bei einem weiteren Depolarisator, der an ein Ende einer Faserspule gekoppelt ist, zusätzlich zu dem vor dem Polarisator befindlichen Depolarisator. Boehm hatte einen Depolarisator mit zwei doppelbrechenden Kristallen gemäß Fig. 15 vorgeschlagen. Der Kristall-Depolarisator läßt sich einfach ersetzen durch einen Faser-Depolarisator mit zwei polarisationserhaltenden Fasern. Der Austausch macht niemals die für die Verbindungsvorgänge aufzubringende Zeit wett, weil ein Faser-Depolarisator drei Verbindungen erfordert, nämlich zwei Verbindungen zwischen einer üblichen Einzelmodenfaser und einer polarisationserhaltenden Faser und eine Verbindung zwischen zwei polarisationserhaltenden Fasern. Speziell die Verbindungsherstellung zwischen zwei polarisationserhaltenden Fasern ist äußerst schwierig, weil die optischen Achsen exakt um 45º gegeneinander verdreht werden müssen.
• Eine weitere bekannte Anordnung ist in der EP-A-0260885 beschrieben. Sie beschreibt ein faseroptisches Gyroskop mit einer Sensorspule, die aus einer üblichen Einzelmodenfaser gebildet ist, und mit einem Modul, welches polarisationserhaltende optische Fasern enthält. Ein Uhrzeigersinn-Strahl, der von einer polarisationserhaltenden Faser geführt wird, gelangt durch einen Polarisator, bevor er in die Sensorspule eintritt. Das Polarisationsmodul enthält eine Einrichtung zum Bereitstellen eines unpolarisierten Gegenuhrzeigersinn-Strahls für die Sensorspule und eine Einrichtung zur Phasenmodulation einer vorbestimmten Polarisationskomponente. Das Modul depolarisiert außerdem den Uhrzeiger-Strahl, nachdem er die Sensorspule durchlaufen hat. Die Uhrzeigersinn- und Gegenuhrzeigersinn-Wellen sind beide unpolarisiert, wenn sie sich in einem optischen Koppler kombinieren, bevor sie auf einen Detektor auftreffen, der ein elektrisches Signal bildet, welches bezeichnend ist für Änderungen in dem Interferenzmuster, um die Drehung der Spule anzuzeigen.
• Allerdings können die Verbindungsvorgänge vereinfacht werden. Eine Betrachtung der Funktion eines Depolarisators ermöglicht es uns, den Aufbau eines Depolarisators zu vereinfachen. Ein Zweck dieser Erfindung ist es, ein faseroptisches Gyroskop mit vereinfachten Depolarisatoren anzugeben. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, ein faseroptisches Gyroskop anzugeben, welches sich geringer Teilekosten und geringer Kosten für den Zusamenbau erfreut, indem vereinfachte Depolarisatoren eingesetzt werden.
• Erfindungsgemäß wird ein faseroptisches Gyroskop zum Messen der Winkelgeschwindigkeit einer Faserspule durch Ausbreiten von Lichtstrahlen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn innerhalb der Faserspule, durch Feststellen der Stärke eines Interferenzstrahls und durch Berechnen der Phasendifferenz zwischen dem im Uhrzeigersinn und dem im Gegenuhrzeigersinn laufenden Strahl geschaffen, wobei das Gyroskop aufweist: eine Lichtquelle zum Emittieren eines quasi-monochromatischen Lichtstrahls, wobei die Faserspule aus eine Einzelmodenfaser mit mehreren Windungen gebildet ist, einen Photodetektor zum Feststellen der Stärke des Interferenzstrahls, einen ersten Faserweg, der mit der Lichtquelle in Verbindung steht, einen zweiten Faserweg, einen driten, ein Ende der Faserspule bildenden Faserweg, einen vierten Faserweg, der das andere Ende der Faserspule bildet, einen fünften Faserweg, der mit dem Photodetektor in Verbindung steht, einen ersten Koppier zum Koppeln des ersten und des fünften Faserwegs mit dem zweiten Faserweg, einen zweiten Koppier zum Koppeln des dritten und des vierten Faserwegs mit dem zweiten Faserweg, einen in dem zweiten Faserweg befindlichen Polarisator, einen ersten Depolarisator vor dem Polarisator in dem zweiten Faserweg, wobei der erste Depolarisator dadurch aufgebaut ist, daß eine polarisationserhaltende Faser an ein vorderes Ende des Polarisators unter einem Neigungswinkel von 45º zwischen den Hauptachsen des Polarisators und der polarisationserhaltenden Faser gekoppelt ist, wobei die polarisationserhaltende Faser eine Differenz der optischen Wege zwischen den Strahlen mit unterschiedlichen Hauptachsen aufweist, die länger ist als eine kohärente Länge der Lichtquelle, und gekennzeichnet dadurch, daß ein zweiter Depolarisator entweder in dem dritten Faserweg oder in dem vierten Faserweg zwischen der Faserspule und dem zweiten Koppler oder in dem zweiten Faserweg zwischen dem Polarisator und dem zweiten Koppler vorgesehen ist.
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Depolarisator nicht mit zwei polansationserhaltenden Fasern, sondern mit einer polarisationserhaltenden Faser gebildet, die an eine Einfallebene eines Polarisators unter einem Drehungswinkel von etwa 40º gekoppelt ist. Dies ermöglicht es uns, auf eine polarisationserhaltende Faser zu verzichten. Ein üblicher Faser-Depolarisator erfordert zwei polarisationserhaltende Fasern mit einer Länge von 1 m zu 2 m. Eine polarisationserhaltende Faser ist eine teure Faser, weil sie Mittel zum Aufbringen von Spannung und dergleichen aufweist. Dieses Merkmal spart uns einen Meter polarisationserhaltende Faser ein. Darüber hinaus reduziert sich die Anzahl von Spleißpunkten der Faser um eins. Spleißen ist ein schwieriger, zeitraubender Vorgang, weil die Fasern genau unter einem Verdrehungswinkel von 45º gespleißt werden müssen. Dieses Merkmal spart uns einen kostspieligen Arbeitsgang ein. Das Merkmal ermöglicht es uns, die Materialkosten und die Kosten für den Zusammenbau beträchtlich zu verringern.
• Kurz gesagt, bildet die vorliegende Erfindung ein Depolarisator durch Spleißen einer polarisationserhaltenden Faser an ein Vorderende eines Polarisators unter einem Verdrehungswinkel von etwa 45º zwischen der Polarisation des Polarisators und den optischen Hauptachsen der Faser. Der erste Polarisator wird also ersetzt durch einen vereinfachten Polarisator.
• Ein Depolarisator kann auch dadurch hergestellt werden, daß man eine polarisationserhaltende Faser an ein rückwärtiges Ende eines Polarisators unter einem Verdrehungswinkel von 45º zwischen der Polarisation des Polarisators und der optischen Hauptachse der Faser anspleißt. Ein zweiter Depolarisator wird durch einen vereinfachten ersetzt.
• Zwei Depolarisatoren kann man dadurch bilden, daß man zwei polarisationserhaltende Fasern an ein vorderes und ein hinteres Ende eines Polarisators unter einem Verdrehungswinkel von ungefähr 45º zwischen der Polarisation des Polarisators und den optischen Achsen der Faser anspleißt. Ein erster und ein zweiter Depolansator werden durch vereinfachte ersetzt. Es sollten zwei Polarisatoren vor und hinter einem Polarisator angeordnet werden. Einer von ihnen oder beide werden ersetzt durch vereinfachte Depolarisatoren vom Koppeltyp, bestehend aus einer polarisationserhaltenden Faser, die an eine Fläche eines Polarisators unter einem Neigungswinkel von etwa 45º zwischen der Polarisation des Polarisators und der optischen Hauptachse der Faser gekoppelt ist.
• Im folgenden soll die Frage erläutert werden, warum eine polarisationserhaltende Faser und ein Polarisator selbst uns die Möglichkeit bieten, einen Depolarisator zu bauen. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Äquivalenz des Depolarisators vom Koppeltyp mit einem üblichen Faser-Depolarisator oder einem doppelbrechenden Kristall-Depolarisator, der zwei in Reihe angeordnete doppelbrechende Teile verwendet. Die Einsparung einer Faser ist ein Merkmal der Ausführungsformen der Erfindung.
• Bevor die Einsparung erläutert wird, soll unter Bezugnahme auf Fig. 16 oder Fig. 17 das Prinzip des Polarisators erklärt werden. Ein linear polarisierter Strahl tritt in ein erstes doppeibrechendes Material Q&sub1; oder A ein. Ein Neigungswinkel zwischen der Polarisationsebene des Strahls und der optischen Achse des ersten doppelbrechenden Materials wird mit φ bezeichnet. Die X-Komponente des Strahls (die X- Achse ist die optische Hauptachse) ist proportional zum cos φ. Die Y-Komponente des Strahls ist proportional zu sin φ.Teilstrahlen breiten sich in dem doppelbrechenden Material aus. Eine optische Wegdifferenz ist ein Produkt der Länge des Materials und der Differenz zwischen der Brechung, die durch den X-Polarisations-Strahl und den Y-Polarisations-Strahl hervorgerufen wird. Die optische Wegdifferenz wird mit L bezeichnet. L= nx - ny L&sub1;. L&sub1; ist die Materiallänge, nx ist ein Brechungsindex, der X-Polarisation und n ist ein Brechungsindex des Strahls mit Y- Polarisation. Da die Differenz L länger ist als die Kohärenzlänge der Lichtquelle, interferieren die zwei Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsebenen nicht miteinander. Die Strahlen sind mit (b) und (c) bezeichnet. Der Strahl (b) besitzt X- Polarisation. Der Strahl (c) hat Y-Polarisation. Der einfallende Strahl ist mit (a) bezeichnet.
• Die Strahlen (a) und (b) treten in ein zweites doppelbrechendes Material Q&sub2; ein. Die optischen Hauptachsen dieses zweiten Materials sind unter einem Neigungswinkel bezüglich des optischen Hauptwinkels des ersten Materials geneigt. Damit ergibt sich die X-Komponente der Lichtstrahlen am hinteren Ende des zweiten Materials aus einem Produkt (d) der X-Komponente von Q&sub1; multipliziert mit cos θ und einem weiteren Produkt (e) der Y-Komponente (c) von Q&sub1; multipliziert mit sin θ. Das Produkt (d) ist proportional zu cos θ cos φ und das Produkt (e) ist proportional zu - sin θ sin φ. Andere Koeffizienten, z.B. die Leistung der Lichtquelle, der Quantenwirkungsgrad des Photodetektors, sind für sämtliche Strahlen gemeinsam. Die Stärke (Px) der Strahlen mit X-Polarisation wird dadurch erhalten, daß man das Quadrat der Summe der Komponenten (d) und (e) berechnet. Allerdings interferieren die beiden Komponenten (d) und (e) nicht, weil die optische Wegdifferenz länger ist als die Kohärenzlänge des Lichts. Ein Kreuz-Term in dem Quadrat verschwindet. Die Stärke (Px) ist nur eine Summe aus den Stärken der Komponenten. Folglich gilt
• Px = ( cos θ cos φ )² + ( sin φ sin θ )² (2)
• In ähnlicher Weise ist die Stärke (Py) der Y-Komponente von Q&sub2; eine Summe eines Produkts (f) der X-Komponente von Q&sub1;, multipliziert mit sin θ und einem Produkt (g) der Y-Komponente von Q&sub1;, multipliziert mit cos θ. Das Produkt (f) steht im Verhältnis zu ( cos φ sin θ ). Das Produkt (g) steht im Verhältnis zu ( sin φ cos θ ). Die Stärke der Y-Komponente ist gegeben durch ein Quadrat der Summe der Komponenten (f) und (g). Die Kohärenzlänge der Lichtquelle ist kürzer als die optische Wegdifferenz zwischen (g) und (f). Ein Kreuz-Term in dem Quadrat verschwindet ebenfalls. Damit ist die Stärke (Py) gegeben durch
• Py = ( cos φ sin θ )² + ( sin φ cos θ )² (3)
• Wenn der Neigungswinkel der Hauptachsen der beiden doppeibrechenden Materialien Q&sub1; und Q&sub2; 45º ( θ = 45 ), vereinfachen sich die Stärken Px und Py wie folgt:
• Px = ( sin² φ + cos² φ ) / 2 = 1 / 2 (4)
• Py = ( sin² φ + cos² φ ) / 2 = 1 / 2 (5)
• Beide Stärken der X-Komponente und der Y-Komponente sind stets gleich ( Px = Py ), unabhängig von dem Anfangsneigungswinkel der Polarisation. Die Leistung des Anfangsstrahls wird exakt aufgeteilt in Px und Py. Eine solche Unterteilung in Hälften wird im folgenden als Gleichteilung bezeichnet. Nur θ = 45º ergibt die Gleichteilung der X- und der Y-Komponenten. Die Gleichungen (2) und (3) zeigen deutlich, daß die Gleichteilung θ = 45º erfordert. Die anderen Grade können nicht die Bedingung für die Gleichteilung erfüllen, weil andere Grade als 45º sin θ und cos θ unterschiedliche Gewichte verleihen und die Summe der Quadrate nicht mehr 1 ist.
• Bei der Gleichteilung besitzt die Leistung der Strahlen mit Polarisation in beliebige Richtungen gleiche Leistung. Eine Leistung W eines linear-polarisierten Strahls, dessen Polarisationsebene unter einem Winkel Ψ zu der X-Achse geneigt ist, erhält man durch eine Linearkombination von Px und Py mit Koeffizienten cos² Ψ und sin² Ψ. Nämlich,
• W = Px cos² Ψ + Py sin² Ψ = 1/2 (6)
• Diese Gleichung bedeutet, daß die Leistung eines linear-polarisierten Strahls mit Polarisation in beliebiger Richtung immer konstant ist. Die Leistung der Strahlen ist unabhängig von der Polarisierung. Dies bedeutet, daß die Strahlen nicht polarisiert sind. Dieser Zustand wird als depolarisiert bezeichnet. Dieses Ergebnis ist immer gültig, ungeachtet der Polarisation des einfallenden Strahls.
• Die obige Erläuterung basiert auf der Annahme, daß ein Anfangsstrahl ein linearpolarisierter Strahl ist. Aber auch irgendein elliptisch-polarisierter Strahl wird zu jedem Zeitpunkt ebenfalls depolarisiert, weil jeder Strahl mit irgendeiner Polarisation depolarisiert wird. Folglich können zu jeder Zeit auch sämtliche elliptisch- oder kreisförmig-polarisierten Strahlen depolarisiert werden. Allgemein werden beliebige Strahlen mit irgendwelcher Polarisation in den doppeibrechenden Materialien Q&sub1; und Q&sub2; polarisiert.
• im allgemeinen macht es einen Depolarisator erforderlich, daß ein Kreuz-Term in der Gleichung für die Leistung verschwindet und die Gleichteilung der Leistung in X- und Y-Komponenten gegeben ist. Das Verschwinden eines Kreuz-Terms leitet sich daraus ab, daß die optische Wegdifferenz länger ist als die Kohärenzlänge des Lichts. Die Gleichteilung, das heißt die Leistung des Strahls mit X-Polarisation ist genauso groß wie die des Strahls mit Y-Polarisation, basiert auf dem Umstand, daß die optischen Achsen der beiden doppelbrechenden Materialien einander bei einem Verdrehungswinkel von etwa 45º treffen.
• Die obige Erklärung entspricht exakt einem Depolarisator mit zwei doppelbrechenden Kristallen Q&sub1; und Q&sub2;, die gemäß Fig. 1 6 miteinander verkittet sind. Fig. 17 zeigt einen weiteren Depolarisator mit zwei polarisationserhaltenden Fasern, die unter einem gegenseitigen Verdrehungswinkel von etwa 45º bezüglich der optischen Achsen gespleißt sind und die doppelbrechenden Kristalle ersetzen. Die Funktion des Faser-Depolarisators ist die gleiche wie die eines Depolarisators vom Kristall- Typ gemäß Fig. 16. Bei dem Faser-Depolarisator sind die doppelbrechenden Materialien Q&sub1; und Q&sub2; ersetzt durch polarisationserhaltende Fasern A und B. in dem Depolarisator gilt im Hinblick auf die Funktion Q&sub1; = A und Q&sub2; = A. Soweit die Erläuterung des Prinzips des Depolarisators.
• Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, soll nun eine Abwandlung betrachtet werden, bei der ein zweites doppelbrechendes Material Q&sub2; weggelassen und ein doppelbrechendes Material Q direkt an einen Polarisator angeschlossen ist. "Direkt" bedeutet, daß zwischen dem doppelbrechenden Material Q und dem Polarisator kein Zwischenmedium vorhanden ist. In diesem Fall ist die X- Achse der Hauptachse des Polarisators zugeordnet. Das einzelne doppelbrechende Material hat eine optische Hauptachse, die um 45º gegenüber derjenigen des Polarisators verdreht ist. Die Leistung Hx der Strahlen mit X-Polarisation am hinteren Ende des doppeibrechenden Materials Q beträgt
• Hx = ( cos θ cos φ )² + (sin φ sin θ )² (7)
• Dies leitet sich in ähnlicher Weise her wie Px in Gleichung (4). Wegen θ = 45º gilt
• Hx = 1/2 (8)
• Diese Gleichung ist wichtig. Sie bedeutet, daß die Leistung Hx des Strahls mit X- Polarisation genau eine Hälfte der Anfangsleistung am vorderen Ende des Polarisators beträgt. Unabhängig von der Anfangspolarisation nämlich tritt die Hälfte der Leistung in den Polarisator mit X-Polarisation ein. Der Polarisator läßt einen Strahl ohne Dämpfung durch, dessen Polarisationsebene parallel zur X-Richtung verläuft, während er einen Strahl mit einer Polarisationsebene in Y-Richtung abfängt. Damit beträgt die Leistung des Strahls, der durch den Polarisator hindurchlaufen kann, genau die Hälfte der Anfangsleistung ohne Bezugnahme auf die Anfangspolarisation. Wenn der Polarisator derart perfekt ist, daß ein Strahl mit X-Polarisation ohne Verlust durch den Polarisator läuft, ist die Leistung des durchgelaufenen Strahls weder größer als die Hälfte noch kleiner als die Hälfte der Anfangsleistung. Sie beträgt genau die Hälfte. Diese Eigenschaft ist sicherlich die gleiche für ein Paar aus einem Polarisator und einem Depolarisator. Deshalb läßt sich ein aus einem Polarisator und einem Depolarisator bestehendes Paar sicherlich ersetzen durch einen Polarisator und ein einzelnes doppelbrechendes Material, welches unter einem Neigungswinkel von 45º direkt mit dem Polarisator gekoppelt ist. Letzteres ist ersterem äquivalent.
• Die Erfinder denken, daß die Fachleute etwa gedacht haben, die Gleichungen (2) bis (5) würden nur für das hintere Ende von Q&sub2; gelten und Q&sub2; wäre zur Bestätigung dieser Gleichungen unerläßlich. Ein Durchdenken lehrt uns allerdings, daß die Gleichungen nicht nur für das hintere, sondern auch für das vordere Ende von Q&sub2; gelten. Die Gültigkeit der Gleichungen (2) bis (5) ist für die Dicke von Q&sub2; ohne Bedeutung.
• Anstelle des Umstands des Durchlaufs durch Q&sub2; ist eine exakte hälftige Aufteilung am vorderen Ende von Q&sub2; von Bedeutung, weil die Hauptachsen in einem Neigungswinkel von etwa 45º gegeneinander verdreht sind. Die Aufteilung in Hälften erfordert lediglich ein optisches Teil, dessen optische Achse um 45º gegenüber der optischen Achse von Q&sub1; verdreht ist. Das optische Teil muß mit einer optischen Hauptachse ausgestattet sein. Nebenbei bemerkt, handelt es sich bei einem Polansator um ein Teil mit einer optischen Hauptachse. Wenn daher ein doppeibrechendes Material direkt von einem Polarisator begleitet wird, gelten die Gleichungen (2) bis (5) vor dem Polarisator.
• Warum erfordert dann ein konventioneller Depolarisator Q&sub2;? Eine solche Frage muß beantwortet werden, bevor man anstelle eines konventionellen Depolarisators einen neuen verwendet. Q&sub2; hat nur die Rolle, den optischen Weg mit einer Differenz zwischen X-Polarisations-Strahlen und Y-Polarisations-Strahlen zu schaffen, der länger ist als die Kohärenzlänge des Lichts, um eine Interferenz von Strahlen mit X- und Y- Polarisation zu vermeiden. Diese Rolle wird nun als Nicht-Interferenz bezeichnet. In einem konventionellen Depolarisator spielt ein zweites doppelbrechendes Material Q&sub2; die Rolle der Nicht-interferenz. Q&sub2; hat die Funktion, einen Strahl in Hälften aufzuteilen. Allerdings leitet sich eine solche hälftige Aufteilung (Gleichteilungsfunktion) ab aus dem Verdrehungswinkel von 45º der optischen Achsen. Damit ist die Q&sub2; innewohnende Funktion, die Nicht-Interferenz in einem herkömmlichen Depolansator.
• Wird ein Depolarisator direkt von einem Polarisator begleitet, so kann dies ohne die Funktion der Nicht-Interferenz geschehen, weil lediglich Strahlen mit X-Polarisation durch den Polarisator laufen können.
• Der in Fig. 16 dargestellte Depolarisator erforderte Q&sub2; für die Nicht-Interferenz zwischen X-Komponenten (d) und (e) und Y-Komponenten (f) und (g). Q&sub2; hatte keine weitere Rolle mit Ausnahme der Nicht-Interferenz. Wenn ein Polarisator zu Q&sub1; hinzukommt, verschwinden die Komponenten (f) und (g), weil sie eine Polarisationsebene haben, die senkrecht zur Achse des Polarisators steht. In diesem Fall wird die Nicht-Interferenz überflüssig, weil die Komponenten (f) und (g) mit Y-Polarisation nicht existieren.
• Kurz gesagt, nur eine direkte Kopplung eines Polarisators mit Q&sub1; macht es möglich, einen Depolarisator ohne Q&sub2; zu bauen. Die vorliegende Erfindung macht von diesem Umstand Gebrauch. Wenn ein Depolarisator von einer Einzelmodenfaser begleitet wird, ist Q&sub2; unerläßlich, weil die Drehung der Polarisationsebenen in der Einzelmodenfaser zwischen Depolarisator und Polarisator stattfinden kann.
• Ein grundlegendes Durchdenken eines Depolarisators hat es uns ermöglicht, einen Depolarisator zu erfinden. Kurz gesagt, kann eine bloße direkte Kopplung eines Polarisators mit Q&sub1; uns den Q&sub2; ersparen. Wenn eine Einzelmodenfaser einen von Q&sub1; und Q&sub2; gebildeten Depolarisator begleitet und an die Einzelmodenfaser ein Polarisator gekoppelt ist, ist Q&sub2; für den Depolarisator deshalb unerläßlich, weil sein Fehlen die Drehung der Polarisationsebenen ergeben würde, welche die Y-Komponenten (f) und (g) mit den X-Komponenten (d) und (e) mischen würde. Die vorliegende Erfindung ist, kurz gesagt, gekennzeichnet durch das Koppeln eines einzelnen, doppelbrechenden Materials mit einem Polarisator und einem Neigungswinkel von etwa 45º, damit es die Rolle eines Polarisators und eines Depolarisators spielt. Ein konventioneller Depolarisator besteht aus zwei doppelbrechenden Materialien. Ein neuer, erfindungsgemäßer Depolarisator wird nicht von einem einzelnen doppelbrechenden Material gebildet, sondern dadurch, daß ein einzelnes doppelbrechendes Material direkt mit einem Polarisator gekoppelt ist. Q&sub2; läßt sich einsparen durch direktes Koppeln von Q&sub1; mit einem Polarisator.
• Eine solche Funktion ist bilateral. Die obige Erklärung bezieht sich auf einen Lichtstrahl, der aus Q&sub1; in einen Polarisator läuft. Was geschieht, wenn ein Lichtstrahl sich aus einem Polarisator in Q&sub1; ausbreitet. Die Situation des Strahls ist noch einfacher. Ein Strahl, der durch einen Polarisator gelaufen ist, ist linear in die Richtung der Achse polarisiert, unabhängig von der Anfangspolarisierung. Die optische Hauptachse von Q&sub1; ist bezüglich der Polarisation um 45º geneigt. Deshalb besitzt ein Teilstrahl mit X-Polarisation die halbe Leistung des Anfangsstrahls, und ein weiterer Teilstrahl mit Y-Polarisation besitzt genau die andere Hälfte der Leistung des Anfangsstrahls. Die Gleichteilung wird realisiert durch den Neigungswinkel von 45º. Da Strahlen mit beliebiger Polarisation dargestellt werden können durch eine Linearkombination der Elementarstrahlen mit X- und Y-Polarisation bei Wichtungen im Verhältnis zu dem Kosinus der Winkel zwischen der X-Achse oder der Y-Achse und der Polarisation, ist die Intensität der Strahlen stets die gleiche wie bei dem Strahl mit X- oder mit Y-Polarisation. Da die Leistung der Strahlen beliebiger Polarisation gleich ist, ist der Zustand der Lichtstrahlen depolarisiert.
• Da die Funktion des neu vorgeschlagenen Polarisators bilateral ist, kann ein doppelbrechendes Material entweder an ein vorderes Ende, an ein hinteres Ende oder an beide Enden eines Polarisators gekoppelt werden.
• Die Erfindung ergibt sich deutlich aus der folgenden Beschreibung eines Beispiels unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren der Zeichnung. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gyroskops;
• Fig. 2 eine vergrößerte, schematische perspektivische Darstellung eines Depolarisators, der aufgebaut ist durch eine direkt an ein vorderes Ende eines Polarisators gekoppelte, polarisationserhaltende Faser;
• Fig. 3 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Depolarisators, der vorne an einem Polarisator angebracht ist (eine perspektivische Ansicht, die die Verbindungen zwischen einer polarisationserhaltenden Faser, einer Einzelmodenfaser und eines Polarisators zeigt);
• Fig. 4 eine schematische Ansicht einer ersten Erfindung eines faseroptischen Gyroskops mit einem Faser-Polarisator;
• Fig. 5 eine schematische Ansicht der näheren Umgebung eines Depolarisators, gebildet aus einer polarisationserhaltenden Faser, die direkt an ein vorderes Ende eines Faser-Polarisators gekoppelt ist;
• Fig. 6 eine schematische Ansicht eines konventionellen Depolarisators, bestehend aus zwei polarisationserhaltenden Fasern, die direkt vorne an einem Faser- Polarisator angebracht sind;
• Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines faseroptischen Gyroskops gemäß einer zweiten Erfindung;
• Fig. 8 eine schematische, auseinandergezogene Darstellung der näheren Umgebung eines Depolarisators, der aus einer polarisationserhaltenden Faser besteht, die direkt an ein hinteres Ende eines Polarisators gekoppelt ist;
• Fig. 9 eine schematische Ansicht eines faseroptischen Gyroskops unter Verwendung eines Faser-Polarisators als eine Ausführungsform einer zweiten Erfindung;
• Fig. 10 eine Ansicht einer näheren Umgebung eines Depolarisators, der aus einer polarisationserhaltenden Faser besteht, die an ein hinteres Ende eines Faser-Polarisators gekoppelt ist;
• Fig. 11 eine schematische Ansicht eines faseroptischen Gyroskops als eine Ausführungsform einer dritten Erfindung;
• Fig. 12 eine auseinandergezogene Darstellung einer näheren Umgebung von Depolarisatoren, bestehend aus zwei polarisationserhaltenden Fasern, die an beide Enden eines Polarisators gekoppelt sind;
• Fig. 13 eine schematische Ansicht eines faseroptischen Gyroskops unter Verwendung eines Faser-Polarisators als eine Ausführungsform der dritten Erfindung;
• Fig. 14 eine auseinandergezogene Ansicht einer näheren Umgebung von Depolarisatoren, bestehend aus zwei polarisationserhaltenden Fasern, die an beide Enden eines Faser-Polarisators als ein Beispiel der Anordnungen nach Fig. 13 gekoppelt sind;
• Fig. 15 eine schematische Ansicht eines faseroptischen Gyroskops, wie es von Boehm et al. vorgeschlagen wurde;
• Fig. 16 eine auseinandergezogene Darstellung eines Depolarisators, hergestellt durch Verkitten zweier hintereinander angeordneter doppeibrechender Materialien;
• Fig. 17 eine auseinandergezogene Ansicht eines Depolarisators, hergestellt durch Verkitten von zwei polarisationserhaltenden Fasern in Reihe mit um 45º geneigten Polarisationsebenen;
• Fig. 18 eine schematische Ansicht eines Polarisators, der durch mehrschichtige Metailfilme und dielektrische Filme in Windungen hergestellt ist;
• Fig. 19 eine Ansicht einer Kopplung zwischen einem Polarisator und einer polarisationserhaltenden Faser, um den Einsatz von Linsen zur Bildung einer breiten ebenen Welle im Fall eines großen Polarisators darzustellen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1
• Anhand der Fig. 1 wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsform koppelt eine polarisationserhaltende Faser vorne an einen Polansator. Praktisch sämtliche optischen Wege werden durch optische Fasern gebildet. Die Wege bestehen hauptsächlich aus üblichen Einzelmodenfasern, einige Abschnitte jedoch bestehen aus polarisationserhaltenden Fasern.
• Das faseroptische Gyroskop enthält eine Lichtquelle (1), einen ersten Depolarisator (2), einen zweiten Depolarisator (3), eine Faserspule (4), einen Phasenmodulator (5), einen Photodetektor (6), einen ersten Faserkoppier (7), einen zweiten Faserkoppier (8) und einen Polarisator (19). Diese Teile sind miteinander über Fasern verbunden. Grundsätzlich kann der Polarisator (19) irgendein Polarisator-Typ sein, z. B. ein Polarisationsprisma, eine Metall-Dielektrikum-Mehrschichtanordnung oder ein Faser-Polarisator. In der Praxis läßt sich die Erfindung anwenden bei irgendwelchen Typen von faseroptischen Gyroskopen mit irgendwelchen Polarisatortypen.
• Eine Lichtquelle gibt einen quasi-monochromatischen Lichtstrahl ab. Eine Laserdiode oder eine Superlumineszenz-Diode kann als Lichtquelle verwendet werden. Die Kohärenzlänge muß kurz genug sein. Depolarisatoren (2) und (3) sind Teile zum Depolarisieren von linear- oder elliptisch-polarisierten Strahlen. Das Einfügen eines (zweiten) Depolarisators (3) zwischen einen Faserkoppier und eine Faserspule war dem Fachmann bekannt, wie anhand von Fig. 15 dargelegt wurde, die das Gyroskop nach Boehm zeigt. Die vorliegende Erfindung fügt einen (ersten) Depolarisator (2) zwischen den ersten Faserkoppier (7) und den Polarisator (19). Hier ist der Aufbau des ersten Depolarisators (2) neu. Der zweite Depolarisator (3) ist ein üblicher, bestehend aus zwei polarisationserhaltenden Fasern (A) und (B), die koaxial gekoppelt sind, während ihre optischen Hauptachsen gegeneinander um 45º verdreht sind. Die Längen der polarisationserhaltenden Fasern bestimmen sich durch die Bedingung, daß eine Differenz der optischen Wege der Strahlen bei verschiedenen, aufeinander senkrecht stehenden Polarisationsebenen länger sein sollte als die kohärente Länge des Lichts. Das Verhältnis von zwei optischen Fasern besteht z.B. 2:1. Das Erfordernis muß bezüglich der kürzeren Faser und der Differenz von Fasern gelten. Die Ungleichung (1) stellt diese Erfordernisse deutlich heraus. Zwei polarisationserhaltende Fasern sind koaxial mit einem Neigungswinkel von 45º zwischen den optischen Achsen der beiden Fasern gespleißt. Beide Enden des Depolarisators sind an die Enden einer Einzelmodenfaser der Faserspule gespleißt. Die Verbindungen sind in den Figuren "X" bezeichnet.
• Der erste Depolarisator (2) ist kein üblicher Depolarisator, wie in Fig. 3 dargestellt ist, wo eine erste polarisationserhaltende Faser (A) unter einem Neigungswinkel von 45º mit einer zweiten polarisationserhaltenden Faser (B) gekoppelt ist. Ansonsten ist der erste Depolarisator (2) aus einer polarisationserhaltenden Faser (A) gebildet, welche direkt an ein vorderes Ende eines Polarisators (19) gekoppelt ist, wobei die Hauptachse zu der Achse des Polarisators unter einem Winkel von 45º geneigt ist. Das andere Ende der Faser (A) schmiegt sich an ein Ende einer üblichen Einzelmodenfaser (D) des zweiten Faserwegs (12) an. Somit erspart der Depolarisator eine polarisationserhaltende Faser im Vergleich zu der Anordnung nach Fig. 3. Dies erübrigt eine Faser (B). Außerdem reduziert sich die Anzahl von Verbindungen um eine. Die Funktion der Faser (B) ist der optischen Achse des Polarisators zugeordnet. Dieses Ersetzen der optischen Achse der Faser (B) ermöglicht uns die Einsparung der einen Faser (B). Wie zuvor erwähnt, kann eine polarisationserhaltende Faser (ein doppeibrechendes Material) im Zusammenwirken mit einer Achse eines Polarisators als Depolarisator arbeiten.
• Wie bisher deutlich erläutert wurde, erfordert ein Depolarisator in einer Zwischenposition polarisationserhaltende Fasern (A) und (B) mit um 45º verdrehten optischen Hauptachsen. Wenn aber eine einzelne polarisationserhaltende Faser (A) direkt an einen Polarisator gekoppelt ist, verschwindet der Strahl mit einer Polarisationsebene senkrecht zur Achse des Polarisators vollständig. Es besteht keine Notwendigkeit, einen solchen Strahl von dem Strahl zu trennen, dessen Polarisationsebene parallel zur Polarisatorachse ist, so daß die weitere polarisationserhaltende Faser (B) weggelassen werden kann.
• Die Funktion der Einrichtung nach Fig. 2 wird im folgenden erläutert. Wenn gemäß Fig. 2 ein Strahl mit einer beliebigen Polarisationsebene in eine polarisationserhaltende Faser (A) eintritt, wird er in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen der eine eine X-Polarisation und der andere eine Y-Polarisation aufweist. Das Teilungsverhältnis beträgt cos φ zu sin φ. Wenn sich die beiden Teustrahlen in der Faser (A) ausbreiten, nimmt die Phasendifferenz zwischen den Strahlen zu. Die endgültige Differenz am Ende der Faser (A) ist größer als die Kohärenzlänge des Lichts. Deshalb treten diese Lichtstrahlen nicht miteinander in Interferenz. Die Strahlen treten in den Polarisator (19) mit X-Polarisation ein (Hauptachse des Polarisators). Die Stärken der Strahlen stehen im Verhältnis zu cos φ sin 45º und sin φ cos 45º, da die Hauptachsen der Faser (A) gegenüber der Polarisatorachse um 45º gedreht ist. Da die Strahlen nicht interferieren, ist die Leistung der Strahlen gegeben durch eine Summe der Quadrate der Amplituden der beiden. Die Leistung Hx beträgt
• Hx = ( cos² φ + sin² φ ) / 2 = 1/2 (9)
• Diese Gleichung bedeutet, daß die Hälfte der Anfangsleistung den Polarisator (19) ungeachtet der Anfangspolarisation passieren kann. Dieses Bauelement vermag die Stabilität der Lichtleistung von ihn durchsetzenden Strahlen aus der Faser (A) zu stabilisieren. Die Rolle des Bauelements, das mit einem Depolarisator und einem Polarisator ausgestattet ist, besteht darin, den von der Quelle abgegebenen Strahl umzusetzen in einen Strahl, der genau die Hälfte der Anfangsenergie besitzt und eine Polarisation parallel zur Polarisatorachse aufweist.
• Im folgenden soll ein Strahl betrachtet werden, der gerade in den Polarisator von der Seite der Faserspule her eintritt. Der Strahl wurde in einen Strahl mit einer Polarisation parallel zur Polarisatorachse umgewandelt. Wenn der Strahl in die polarisationserhaltende Faser (A) eintritt, wird der Strahl exakt in Energiehälften in einen Strahl mit X-Polarisation und einen Strahl mit Y-Polarisation aufgeteilt, weil die Achsen der Faser gegenüber der Achse des Polarisators (19) um 45º geneigt sind. Folglich wird der Strahl depolarisiert, nachdem er die Faser (A) durchlaufen hat. Der depolarisierte Strahl tritt in einen Photodetektor ein, der die Stärke eines Interferenzstrahls aus dem im Uhrzeigersinn gelaufenen Strahl und dem im Gegenuhrzeigersinn gelaufenen Strahl mißt. Die Polarisationsdrehung zwischen dem Polarisator und dem Photodetektor bringt keine Schwankung eines Skalenfaktors, der ein Verhältnis des Ausgangssignals zur Winkelgeschwindigkeit der Faserspule ist. Die Erfindung erhöht die Stabilität der Leistung der durch den Polarisator gehenden Strahlen. Die Erhöhung der Stabilität der Leistung der Strahlen kann den Skalenfaktor stabilisieren, welcher eines der wichtigsten Erfordernisse bei faseroptischen Gyroskopen darstellt.
• Wie oben erwähnt, haben folgende Erfindungen die Bedeutung des ersten Depolansators, das heißt eines Depolarisators zwischen einer Lichtquelle und einem Polarisator hervorgehoben:
• (1) Japanische Patent-Anmeldung Nr.2-225616 (225616 / 90)
• (2) Japanische Patent-Anmeldung Nr.2-225617 (225617 / 90)
• (3) Japanische Patent-Anmeldung Nr.2-225618 (225618 / 90)
• Diese Erfindungen sahen vor, einen ersten Depolarisator zwischen einem ersten Faserkoppler und einer Lichtquelle einzufügen. Da der Depolarisator weit von dem Polarisator entfernt war, ermöglichten diese Erfindungen uns nicht die Verbesserung eines Depolarisators, der eine Kopplung aus einem doppelbrechenden Material und eines Polarisators darstellt. Allerdings sollte ein erster Depolarisator zwischen der Lichtquelle und einem Polarisator liegen, um die Leistung des ihn durchlaufenden Lichtstrahls zu stabilisieren. Deshalb kann ein erster Depolarisator zwischen den Faserkoppier und den Polarisator eingefügt werden, um die Erfindung auszuführen.
• Wesentliche Teile der vorliegenden Erfindung wurden bislang erläutert. Im folgenden werden solche Dinge erläutert, die auch dem Fachmann bekannt gewesen sind. Die Faserspule (4) ist dadurch gebildet, daß eine Einzelmodenfaser mehrere Male zu einer Spule gewickelt ist. Die Erfindung kann Anwendung finden bei faseroptischen Gyroskopen vom Phasenmodulationstyp, vom Frequenzmodulationstyp und beim Phasenversetzungstyp. Ausführungsbeispiele sind Beispiele für einen Phasenmodulationstyp, der mit einem Phasenmodulator (5) ausgestattet ist.
• Der Phasenmodulator (5) wird dadurch hergestellt, daß man einen Teil der Einzelmodenfaser in der Nähe eines Endes der Faserspule (4) um einen zylindrischen piezoelektrischen Schwinger wickelt, der mit Elektroden zur Verformung ausgestattet ist. Wenn an die Elektroden eine Wechselspannung (AC) gelegt wird, dehnt sich der piezoelektronische Schwinger aus oder schrumpft in radialer Richtung entsprechend der Frequenz der Wechselspannung. Die mechanische Ausdehnung und Schrumpfung des Schwingers ruft eine Ausdehnung und Schrumpfung der dort aufgewickelten Faser hervor. Die Schwingung der Länge der Faser ändert die Phase des durch die Faser laufenden Strahls. Da sich der Phasenmodulator an einem Ende der Faserspule (4) befindet, erhalten der CW-Strahl und der CCW-Strahl eine Phasenmodulation zu verschiedenen Zeiten. Damit erscheint der Effekt der Phasenmodulation am Ausgang des Photodetektors (6). Der Photodetektor ist z.B. eine PIN- Photodiode. Sie bringt einen CW-Strahl und einen CCW-Strahl zur Interferenz und mißt die Stärke des Interferenz-Strahls.
• Ein erster Faserkoppler (7) und ein zweiter Faserkoppler (8) werden gebildet, indem man die Mäntel von Teilen der Fasern abschält, die abgeschälten Teile seitlich miteinander in Berührung bringt, sie anschmilzt, miteinander verklebt und die geschmolzenen, miteinander gekoppelten Fasern auseinanderzieht. Der geringe Abstand zwischen den Kernen der beiden Fasern ermöglicht deren Zusammenkopplung durch flüchtige Wellen, die Lichtleistung durch das Ende der Wellenfunktionen übertragen, die aus den Kernen austreten. Ein Faserkoppler besitzt vier Enden von zwei Paaren. Wenn ein Strahl in ein Ende eines Paares eingeleitet wird, teilt er sich in Hälften auf, und zwei Strahlen gleicher Leistung treten aus beiden Enden des anderen Paares aus. Die Länge der Ausdehnung wird so eingestellt, daß die Ausgangsleistung der Enden ausgeglichen ist. Ein Faserkoppler ist nicht so umfangreich wie ein Strahlaufspalter. Er ist ein kompaktes und handliches Bauelement, um Strahlen zu teilen und zu koppeln.
• Im folgenden werden die Faserwege erläutert. Ein erster Faserweg (11) verbindet die Lichtquelle (1) mit dem ersten Faserkoppler (7). Es handelt sich hier um eine übliche Einzelmodenfaser. Ein konvergierendes Bauelement (10) (z.B. Linsen) befindet sich zwischen der Lichtquelle (1) und einem Ende der Faser. Ein zweiter Faserweg (12) verbindet den ersten Koppler (7) mit dem zweiten Koppler (8). Ein dritter Faserweg (13) und ein vierter Faserweg (14) sind Enden der Faserspule (4). Beide Enden kommunizieren mit dem zweiten Faserkoppler (8).
• Ein fünfter Faserkoppler (15) verbindet den ersten Faserkoppler (7) mit dem Photodetektor (6). Ein sechster Faserweg (16) ist der Rest des zweiten Faserkopplers (8) mit einem freien Ende. Ein siebter Faserweg (17) ist der Rest des ersten Faserkopplers (7) mit einem freien Ende.
• Der Polarisator (19) befindet sich mittwegs des zweiten Weges (12), der den ersten Koppler (7) mit dem zweiten Koppler (8) verbindet. Der Phasenmodulator (5) und der zweite Depolarisator (3) sind entweder am dritten Faserweg (13) oder am vierten Faserweg (14) angeordnet. Dieses Beispiel hat den Depolarisator (3) und den Phasenmodulator (5) an unterschiedlichen Wegen angeordnet. Sie können natürlich auch an dem selben Weg (13) oder (14) liegen.
• Der erste Depolarisator (2) befindet sich zwischen dem ersten Faserkoppler (7) und dem Polarisator (19) des zweiten Weges (12). Ein von der Lichtquelle abgegebener, linear-polarisierter Strahl wird von dem ersten Depolarisator (2) depolarisiert. Der depolarisierte Strahl wird am Polarisator (19) in eine gewisse Richtung linear-polarisiert. Nachdem der Strahl einmal depolarisiert ist, ist die Amplitude des den Polarisator (19) durchlaufenden Strahls unabhängig von der Richtung der Lichtquelle oder der Richtung der Polarisation des auftreffenden Strahls konstant. Die konstante Amplitude des Ausgangsstrahls erübrigt eine Justierung der Richtungen der Lichtquelle (1) des Polarisators (19). Selbst wenn externe Kräfte, eine Temperaturänderung oder Magnetfelder, eine Drehung der Polarisationsebenen hervorrufen sollten, beeinflußt die Drehung nicht den Ausgangsstrahl des Polarisators (19).
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2
• Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der ersten Erfindung. Eine polarisationserhaltende Faser ist an das vordere Ende eines Faser-Polarisators (9) gekoppelt. Sämtliche optischen Wege werden durch Fasern mit einem Polarisator gebildet. Der Hauptteil wird durch eine übliche Einzelmodenfaser gebildet, jedoch ist ein Teil durch eine polarisationserhaltende Faser gebildet. Dieses faseroptische Gyroskop enthält eine Lichtquelle (1), einen ersten Depolarisator (2), einen zweiten Depolansator (3), eine Faserspule (4), einen Phasenmodulator (5), einen Photodetektor (6), einen ersten Faserkoppler (7), einen zweiten Faserkoppler (8) und einen Faser-Polarisator (9). Sämtliche Teile sind durch Fasern miteinander verbunden.
• Der Faser-Polarisator (9) wird dadurch erhalten, daß man eine polarisationserhaltende Faser um einen Spulenträger zu einer Spule wickelt. Zwei Schwingungstypen verschiedener Polarisationsebenen können sich in einer polarisationserhaltenden Faser ausbreiten. Allerdings wird der eine Schwingungstyp mit der Polarisationsebene parallel zur Spulenebene in einer zur Spule geformten Faser gedämpft.
• Damit kann der andere Schwingungstyp ohne Dämpfung durch die Faserspule laufen. Die zur Spule gebildete polarisationserhaltende Faser dient als Polarisator. Der erste Depolarisator (2), der sich vor dem Polarisator befindet, läßt sich durch die Idee dieser Erfindung vereinfachen.
• Der erste Depolarisator (2) wird nicht durch zwei polarisationserhaltende Fasern (A) und (B) gebildet, wie in Fig. 6 gezeigt ist, sondern durch eine polarisationserhaltende Faser (A), wie in Fig. 5 gezeigt ist. Eine polarisationserhaltende Faser (A) ist an ein Ende der polarisationserhaltenden Faser (C) des Faserpolarisator (9) gespleißt, wobei die optischen Achsen von (A) gegenüber den optischen Achsen (C) um 45º geneigt sind. Durch die Anordnung wird praktisch ein Depolarisator aufgebaut. Die anderen Teile sind ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel "1".
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3
• Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der zweiten Erfindung. Ein zweiter Depolarisator (3) befindet sich nicht am einen Ende der Faserspule (4), sondern liegt zwischen einem Polarisator (19) und einem zweiten Faserkoppler (8). Der zweite Depolarisator (3) ist aufgebaut mit einer polarisationserhaltenden Faser und dem Polarisator (19), die unter einem Neigungswinkel von 45º zwischen den Achsen der ersteren und den Achsen des letzteren zusammengefügt sind.
• Ein Polarisator (19) kann vom Metall-Dieleketrikum-Mehrschichttyp, vom Fasertyp oder kann ein Polarisationsprisma sein. Beim vorliegenden Beispiel ist der erste Depolarisator (2) ein konventioneller Depolarisator mit zwei polarisationserhaltenden Fasern, die unter einem Neigungswinkel von 45º gespleißt sind, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Fig. 8 zeigt die nähere Umgebung des Polarisators (19). Obschon diese Fasern in der Praxis zusammengespleißt werden, sind die Teile in einem auseinandergezogenen Zustand dargestellt, um deutlich die Enden der gespleißten Fasern sichtbar zu machen. Der zweite Depolarisator (3) besteht aus dem Polarisator (19) und einer polarisationserhaltenden Faser (A'). Der Depolarisator, der am Ende einer Faserspule (4) im Stand der Technik gelegen hatte, ist in die Nähe des Polarisators (19) gewandert. Wenn der zweite Depolarisator nicht in der Nähe des Polarisators (19) liegt, kann eine derart vereinfachte Form von Depolarisator nicht verwendet werden. Diese Anordnung eines Depolarisators ermöglicht es dem CW-Strahl und dem CCW-Strahl, gleichzeitig depolarisiert zu werden. Eine nähere Betrachtung lehrt uns, daß keine Notwendigkeit dafür besteht, einen zweiten Depolarisator zwischen einen zweiten Koppler (8) und einer Spule (4) einzufügen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 4
• Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der zweiten Erfindung. Ähnlich wie Ausführungsform 3 gehört zu einem Polarisator (9) ein vereinfachter zusammengebauter Depolarisator (3). Allerdings wird ein Faser-Polarisator (9) verwendet. Damit sind sämtliche Wege durch Fasern wie bei der Ausführungsform 2 gebildet. Fig. 10 ist eine vergrößerte Ansicht des Depolarisators. Eine polarisationserhaltende Faser (A') haftet an einem Ende einer polarisationserhaltenden Faser (E) des Polarisators (9) bei gegeneinander um 45º geneigten Achsen. (F) ist eine Einzelmodenfaser des zweiten Faserwegs (12).
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 5
• Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der dritten Erfindung. Sowohl ein erster als auch ein zweiter Depolarisator (2) und (3) sind in vereinfachter Form gebildet, indem sie direkt an einen Polarisator (19) gekoppelt sind. Ein Polarisator kann beliebig aus einem Metall-Dielektrikum-Mehrschicht-Polarisator, einem Faser-Polansator oder einem Polarisationsprisma ausgewählt werden. Die Anordnung von Depolarisatoren ist symmetrisch bezüglich des Polarisators (19). Die Anzahl der Verbindungen ist im Vergleich zum Stand der Technik um zwei verringert.
• Fig. 12 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Depolarisatoren. Eine polarisationserhaltende Faser (A) haftet mit einem Neigungswinkel von 45º der Hauptachsen an einem vorderen Ende des Polarisators (19). Die Faser (A) und der Polarisator (19) bilden einen praktischen Depolarisator (2). Eine weitere polarisationserhaltende Faser (A') ist unter einem Neigungswinkel von 45º der Hauptachsen an das hintere Ende des Polarisators (19) gespleißt. Die Ausführungsform "5" vereinfacht beide Depolarisatoren (2) und (3) gemäß der Grundidee der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 6
• Fig. 13 zeigt ein weiteres Beispiel der dritten Erfindung. Als Polarisator (19) wird ein Faser-Polarisator (9) verwendet. Fig. 14 zeigt Depolarisatoren und einen Polarisator (9) in der Ausführungsform 6. Ein erster Depolarisator (2) wird gebildet durch eine polarisationserhaltende Faser (A), die unter einem Neigungswinkel von 45º am vorderen Ende (C) des Faser-Polarisators (9) gespleißt ist. Ein zweiter Depolarisator (3) wird gebildet durch eine polarisationserhaltende Faser (A') unter einem Neigungswinkel von 45º am hinteren Ende (E) des selben Polarisators (9).

Claims (3)

1. Faseroptisches Gyroskop zum Messen der Winkelgeschwindigkeit einer Faserspule (4), indem in der Faserspule Lichtstrahlen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn zur Ausbreitung gebracht werden, die Stärke eines Interferenzstrahls detektiert und die Phasendifferenz zwischen dem im Uhrzeigersinn laufenden Strahl und dem im Gegenuhrzeigersinn laufenden Strahl berechnet wird, wobei das Gyroskop aufweist:

- eine Lichtquelle (1) zum Emittieren eines quasi-monochromatischen Lichtstrahls, wobei die Faserspule (4) aus einer Einzelmodenfaser mit mehreren Windungen gebildet ist,

- einen Photodetektor (6) zum Detektieren der Stärke des Interferenzstrahls,

- einen ersten Faserweg (11), der mit der Lichtquelle in Verbindung steht,

- einen zweiten Faserweg (12),

- einen dritten Faserweg (13), der ein Ende der Faserspule (4) darstellt,

- einen vierten Faserweg (14), der das andere Ende der Faserspule darstellt,

- einen fünften Faserweg (15), der mit dem Photodetektor (6) in Verbindung steht,

- einen ersten Koppler (7) zum Koppeln des ersten und des fünften Faserwegs (11, 15) mit dem zweiten Faserweg (12),

- einen zweiten Koppler (8) zum Koppeln des dritten und vierten Faserwegs (13, 14) mit dem zweiten Faserweg (12),

- einen Polarisator (19), der in dem zweiten Faserweg angeordnet ist,

- einen ersten Depolarisator (2), der vor dem Polarisator (19) in dem zweiten Faserweg angeordnet ist, wobei der erste Depolarisator (2) durch Koppeln einer polarisationserhaltenden Faser (A) an ein vorderes Ende des Polarisators (19) unter einem Neigungswinkel von 45º zwischen den Hauptachsen des Polarisators und der polarisationserhaltenden Faser aufgebaut ist, wobei die polarisationserhaltende Faser (A) eine Differenz der optischen Wege zwischen den unterschiedliche Hauptachsen aufweisenden Strahlen aufweist, die länger ist als eine Kohärenzlänge der Lichtquelle,

gekennzeichnet durch

einen zweiten Depolarisator (3), der entweder in dem dritten Faserweg (13) oder in dem vierten Faserweg (14) zwischen der Faserspule (4) und dem zweiten Koppler (8) oder in dem zweiten Faserweg (12) zwischen dem Polarisator (19) und dem zweiten Koppler (8) angeordnet ist.

2. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, bei dem der Polarisator (19) ein Faser-Polarisator ist, der hergestellt wurde durch Wickeln einer polarisationserhaltenden Faser zu einer Spule und Verschwindenlassen eines Strahls mit einer Polarisationsebene in einer Richtung, indem Gebrauch gemacht wird von der Abhängigkeit einer Dämpfung von der Polarisation.

3. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, bei dem der Polarisator (19) eine Metall-Dielektrikum-Mehrschichtanordnung ist.