DE3144162A1

DE3144162A1 - Optische interferometervorrichtung

Info

Publication number: DE3144162A1
Application number: DE19813144162
Authority: DE
Inventors: Hervé Le Chesney Arditty; Michel Orsay Papuchon; Claude Longjumeau Puech
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1980-11-07
Filing date: 1981-11-06
Publication date: 1986-07-03
Also published as: GB2152207B; FR2555739B1; IT1145124B; NL8104642A; IT8168396A0; CA1208452A; US5056919A; GB2152207A; DE3144162C2; FR2555739A1

Description

THOMSON - CSF 5. November 1981

173, Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3466

Optische Interferometervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Messen einer in einem optischen Ringinterferometer auftretenden nichtreziproken Phasenverschiebung.

Ein solches Interferometer enthält eine Lichtenergiequelle, die allgemein von einem Laser gebildet ist, eine einen Wellenleiter bildende optische Vorrichtung, die von einer Anzahl von Spiegeln oder von einer in sich geschlossenen Lichtleitfaser gebildet ist, eine. Trenn- und Mischvorrichtung für das Licht sowie eine Detektor- und Verarbeitungsvorrichtung für das festgestellte Signal. Zwei aus der Trennvorrichtung austretende Wellen durchlaufen die den Wellenleiter bildende optische Vorrichtung in einander entgegengesetzten Richtungen.

Eine grundlegende Eigenschaft von Ringinterferometern ist die Reziprozität; jede Störung des optischen Wegs beeinflußt die zwei Wellen in gleicher Weise.

Schw/Ma

Es gibt jedoch zwei Arten von Störungen, die diese Reziprozität beeinflussen. Es handelt sich dabei einerseits um Störungen, die sich in einem Zeitraum ändern, der mit den Ausbreitungszeiten der Wellen längs des optischen Wegs des Interferometers vergleichbar sind, und andererseits handelt es sich um sogenannte nichtreziproke Störungen, die auf die Wellen unterschiedlich einwirken, je nachdem, in welcher Richtung sich diese längs des optischen Wegs ausbreiten.

Gewisse physikalische Effekte zerstören die Symmetrie des Mediums, in dem sich die Wellen ausbreiten. Hier kann der Faraday-Effekt oder der kolineare magneto-optische Effekt genannt werden, der darauf beruht, daß ein Magnetfeld eine Vorzugsorientierung des Elektronenspins eines optischen Materials erzeugt, wobei dieser Effekt vorteilhafterweise zur Realisierung von Strommeßvorrichtungen ausgenutzt wird. Außerdem kann der Sagnac-Effekt oder relativistische Trägheitseffekt genannt werden, bei dem die Drehung des Interferometers bezüglich eines Galilei-Verhältnisses die Laufzeitsymmetrie zerstört. Dieser Effekt wird vorteilhafterweise zur Realisierung von Kreiseln ausgenutzt.

Bei Fehlen nichtreziproker Störungen ist die Phasendifferenz ΔΦ zwischen den zwei Wellen, die sich in der Trenn- und Mischvorrichtung nach Durchlaufen des optischen Wegs vereinigen, gleich Null. Die Detektor- und Verarbeitungsvorrichtung berücksichtigt Signale, die die optische Leistung der nach der Vereinigung erhaltenen zusammengesetzten Welle repräsentieren. Wenn Störungen mit kleiner Amplitude gemessen werden sollen, beispielsweise in Kreiseln kleine Drehgeschwindigkeiten, ändert sich die auf das Auftreten reziproker Störungen zurückzuführende Komponente wenig, da die Phasenverschiebung ΔΦ nahezu Null ist. Es ist daher notwendig, auf künstlichem Wege eine zusätzliche feste Phasenverschiebung, also eine nichtreziproke Vorverschiebung, einzuführen, um die Meßempfindlichkeit zu erhöhen. Dieses Ver-

fahren stößt jedoch bei seiner Verwirklichung auf Schwierigkeiten bezüglich der Stabilität; die Instabilität bekannter Vorrichtungen hat nämlich allgemein die gleiche Größenordnung wie die Schwankungen der zu messenden Größe. Es sind Verfahren zur Erzielung einer größeren Stabilität dieser Vorrichtungen vorgeschlagen worden, doch ist die Verbesserung der Meßempfindlichkeit kleiner als erhofft; die maximale theoretische Empfindlichkeit wird dabei von den auf das Quantenrauschen begründeten Grenzwertberechnungen bestimmt. Zur Überwindung dieser Nachteile wird gemäß der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, mit dessen Hilfe der Arbeitspunkt eines Ringinterferometers verschoben werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht somit eine Verbesserung der Meßempfindlichkeit bei der Messung eines physikalischen Effekts, der zu nichtreziproken Störungen mit niedriger Amplitude führt. Außerdem erfordert es keine große Stabilität der ausgenützten Phänomene.

Dieses Verfahren eignet sich'besonders gut für Interferometer mit sehr langem Weg, beispielsweise mit einer Lichtleitfaser, die zur Messung des Drehungsgrades oder von elektrischen Strömen benutzt werden. Gegenüber den bekannten Verfahren hat das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile: Die Drift der Auswertungselektronik führt nicht zu einer Einschränkung der Meßstabilität, das Verfahren ermöglicht es, am Punkt maximaler Empfindlichkeit zu arbeiten, das angewendete Nullverfahren linearisiert die Sinusantwort des Interferometers, und das Ausgangssignal hat eine Frequenz, die der Amplitude der zu messenden Phasenverschiebung proportional ist, wobei seine Integration ohne Drift durch Zählung erfolgt.

Die nach der Erfindung ausgebildete optische Interferometervorrichtung zum Messen einer nichtreziproken Phasenverschiebung von zwei in entgegengesetzter Richtung in einem ringförmigen Wellenleiter zirkulierenden Strahlungen, mit einer

monochromatischen Lichtquelle, Photodetektorvorrichtungen für die Interferenz dieser Strahlungen und optische Trenn- und Mischvorrichtungen, die die Enden des Wellenleiters direkt mit der Lichtquelle und den Photodetektorvorrichtungen verbinden, ist dadurch gekennzeichnet, daß optische Phasenverschiebungsvorrichtungen vorgesehen sind, die elektrisch gesteuert sind und auf diese Strahlungen einwirken, daß ein Oszillator vorgesehen ist, der eine periodische Spannung mit der Frequenz 1/2τ liefert, wobei τ die Zeitdauer ist, die jede der Strahlungen für das Durchlaufen des von dem Wellenleiterring gebildeten Wegs benötigt, daß ein Sägezahngenerator mit einstellbarer Steigung vorgesehen ist, daß ein Synchrondetektor an einem seiner Eingänge diese periodische Spannung empfängt und mit seinem anderen Eingang an die Photodetektorvorrichtungen angeschlossen ist, daß der Ausgang dieses Synchrondetektors mit dem Steigungssteuereingang des Sägezahngenerators verbunden ist, daß die von der Sägezahnspannung erzeugte Phasenabweichung im wesentlichen gleich 2ir ist, daß die Resonanzfrequenz der Sägezahnspannung der nichtreziproken Phasenverschiebung nachgeregelt ist und daß die periodische Spannung und die Sägezahnspannung am Eingang der Phasenverschiebungsvorrichtungen eineinander überlagert sind.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ringinterferometers,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung einer besonderen Eigenschaft des Ringinterferometers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Verbesserung des Standes der Technik in Anwendung auf das Ringinterferometer,

9. 31U162

Fig. 4, 5, 6 und 7

Diagramme zur Erläuterung dieser Verbesserung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 9, 10, 11 und 12

Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 13 und 14

Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist in schematischer Form ein bekanntes Ringinterferometer dargestellt. Eine Laserquelle S schickt ein paralleles Strahlenbündel 1 zu einer von einer halbdurchlässigen Platte M gebildeten Trennvorrichtung.

Eine gewisse Anzahl von Spiegeln M₁, M_, M₃ legt einen optischen Weg fest, der den Ring des Interferometers bildet. Dieser Ring kann beispielsweise von einer Monomoden-Lichtleitfaser gebildet sein. Die Empfindlichkeit der Messung wird wegen der Verwendung eines langen optischen Wegs gesteigert. Der Ring ist zur Trennvorrichtung M in einer Schleife zurückgeführt, die auch die Rolle einer Mischvorrichtung spielt und auf diese Weise einen Ausgangszweig 3 definiert. Der Ring wird somit von zwei Wellen durchlaufen, die sich in umgekehrter Richtung ausbreiten: Die eine im Uhrzeigersinn (Richtung 2) und die andere entgegen dem Uhrzeigersinn (Richtung 1). Die zwei Wellen vereinigen sich auf der Platte der Trennvorrichtung M. Das Ergebnis dieser Vereinigung kann im Ausgangszweig 3 mit Hilfe des Detektors D beobachtet werden. Ein Teil der Strahlenbündel wird im Eingangszweig von der Trennplatte M erfaßt, und er durchläuft die Filtervorrichtung F erneut. Am

Ausgang vereinigen sich die zwei Wellen auf der Trennplatte M¹. Das Ergebnis dieser Vereinigung kann im Ausgangszweig 4 mit Hilfe des Detektors D¹ beobachtet werden. Zum Ausgangszweig 4 läßt sich sagen, daß die Tatsache der Einfügung der Filtervorrichtung F in den Eingangszweig des Interferometers dieses streng reziprok macht; es wird daher von einer Welle durchlaufen, die in einem einzigen optischen Mode enthalten ist. Die Filtervorrichtung wird durch ein Modenfilter realisiert, auf das ein Polarisator folgt. Das einfallende Strahlenbündel 1 durchläuft dieses Filter, und der das Filter verlassende Anteil befindet sich in einem Mode. Es kann daher das Strahlenbündel am Ausgangszweig 3 betrachtet werden, das der Interferenz der zwei Strahlenbündel entspricht, die das Modenfilter nicht wieder durchlaufen haben; es kann aber auch der Teil der Strahlenbündel betrachtet werden, der vom Eingangszweig von der halbdurchlässigen Trennplatte M wieder erfaßt worden ist. Dieser Teil der Strahlenbündel durchläuft die Filtervorrichtung F erneut. An ihrem Ausgang befinden sich die zwei Strahlenbündel, die in den Ausgangszweig 4 mittels der halbdurchlässigen Trennplatte M¹ geschickt worden sind, im gleichen Mode, was das Interferometer für reziproke Störungen unempfindlich macht.

Wenn ΔΦ die Phasendifferenz zwischen den zwei Wellen ist, die sich in entgegengesetzter Richtung im Ring ausbreiten, und wenn P die optische Ausgangsleistung ist, die im Ausgangszweig 4 gemessen werden soll, ist die Phasenverschiebung ΔΦ gleich Null, wenn keine niehtreziproken Störungen vornan-den sind.

Wenn beispielsweise ein Kreisel betrachtet wird, der mit einem Rrnginterferometer arbeitet, kann eine nichtreziproke Störung dadurch erzeugt werden, daß der Kreisel in Drehung versetzt wird. Die Phasenverschiebung ΔΦ ist nicht mehr Null, und es ergibt sich ΔΦ = αΩ; dabei ist Ω die Drehgeschwindigkeit, und

^y 31U162

für α gilt: α = k L/(XC), wobei k eine, von der Kreiselgeometrie abhängige Konstante ist, L die Länge des optischen Wegs ist, λ die Wellenlänge des von der Laserquelle S ausgesenten Lichts ist und C die Lichtgeschwindigkeit im Ring 2 ist. Wenn die Drehgeschwindigkeit Ω zunimmt, nimmt auch die Phasendifferenz ΔΦ im gleichen Ausmaß zu, da der Koeffizient α konstant bleibt. Die optische Leistung P_c entwickelt sich nach einem Kosinusgesetz. Es gilt:

^PS = ^P1S ^{+ P}2S

Darin entspricht P_1S der Richtung 1 und P„ der Richtung 2. Die Meßempfindlichkeit für einen gegebenen Wert ΔΦ wird durch die Ableitung von P_c ausgedrückt:

^dps
ά(ΔΦ)

Die Empfindlichkeit des Interferometers ist sehr gering, wenn sich die Phasendifferenz Δ Φ nur wenig von Null unterscheidet. Dies gilt in einem Kreisel, wenn kleine Drehgeschwindigkeiten Ω gemessen werden sollen. Die Änderung der optischen Leistung im Ausgangszweig ist im Diagramm von Fig. 2 dargestellt.

Man kann die Ausdrücke P_1C und P_oc als gleich betrachten. Daraus ergibt sich, daß für die Phasendifferenz ΔΦ = ir die festge- stellte Leistung ein Minimum hat. Sie durchläuft für ΔΦ = O und für 2π usw. ein Maximum P₀

S max

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Interferometers kann eine nichtreziproke konstante Vorphasenverschiebung in die Phase der zwei in einander entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Wellen eingeführt werden, damit der Arbeitspunkt des Interferometers verschoben wird.

-y-

Für den Fall einer sich kosinusförmig ändernden Funktion wird der Punkt der höchsten Empfindlichkeit für die Winkel (2K + 1)π/2 erhalten, wobei K eine ganze Zahl ist. Es kann daher eine Vorphasenverschiebung gewählt werden, die an jeder Welle eine Phasenvariation mit dem Absolutwert von π/4 , jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen, einführt. Bei Fehlen einer nichtreziproken Störung ergibt sich die Phasendifferenz somit aus:

ΔΦ¹ = ΔΦ + ΔΦ mit ΔΦ = 7r/2; ο ο

dies ergibt eine Lage am Punkt Ρ_ς von Fig. 2.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann längs des Wegs der Wellen im Ring 2 ein Phasenmodulator eingefügt werden, der einen reziproken Effekt hervorruft. Dieser Phasenmodulator wird so angeregt, daß er eine Phasenänderung der ihn durchlaufenden Welle hervorruft. Diese Änderung ist periodisch, wobei die Periodendauer den Wert 2τ hat, wenn τ die Laufzeit einer Welle in dem Ring ist.

Die Phasendifferenz ergibt sich dadurch aus: ΔΦ¹ = ΔΦ + Φ(^ - Φ^ - τ) ;

jede der in einander entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Wellen erfährt diese Phasenverschiebung, wenn sie den Modulator durchläuft, mit

2τ) .

In den Figuren 4 und 5 ist die Wirkung einer Phasenmodulation durch eine symmetrische Funktion Φ{^ dargestellt. Der Arbeits punkt beschreibt die Kurve P_c = f(ΔΦ) von Fig. 2 in symmetrischer Weise zwischen einem Extremwertepaar. Das erste Paar

3HA162 • hl ■

repräsentiert in Fig. 4 den Fall, bei dem die gemessene Drehung Null ist; es reduziert sich auf die zwei Werte -π/2 und + tt/2. Das zweite Paar repräsentiert nach Fig. 5 den Fall, *bei dem die zu messende Geschwindigkeit von Null verschieden ist, und es ergibt sich als ein Wert ΔΦ der Phasendifferenz. Es ist durch die Werte

(-π/2 + ΔΦ_ο) und ( + π/2 + A4>_q) dargestellt.

Zur Erzielung dieser Wirkung kann eine reziproke Phasenverschiebung ¹Mt) mit Rechteckverlauf an einem Ende des optischen Wegs angewendet werden.

Nach Fig. 7 ändert sich das Signal zwischen den zwei Werten Φ und Φ + π/2. Für den Fall von Fig. 4, d.h. bei Ω = 0, wird dem zuvor festgestellten Signal wegen der Einführung Φ(^ eine Komponente Φ (t) - Φ^-τ) hinzugefügt, wobei §_c„ und Φ__ΓΜ die resultierenden Phasenverschiebungen der zwei zur Interferenz gebrachten Wellen sind, wie am linken Teil der Figuren 6 und dargestellt ist. Die Phasenverschiebung zwischen Φ_~ und $_ccw ist somit eine rein reziproke Phasenverschiebung. $_ccw ~ $_cw ist daher ein Rechtecksignal, das sich zwischen +π/2 und -π/2 ändert.

Für den Fall von Fig. 5, d.h. bei Ω = ε, wird zum zuvor festgestellten Signal wegen der Einführung von Φ^) eine Kom ponente Φ' - Φ¹ hinzugefügt, die nicht mehr bezüglich 0 zentrisch liegt. Zur zuvor genannten reziproken Phasenverschiebung kommt eine nichtreziproke Phasenverschiebung ΔΦ hinzu. Für den zuvor genannten Fall mit Ω = 0 gilt:

Φ' (t) = Φ(^ + ΔΦ/2 und Φ'^-τ) = Φ'^) - ΔΦ/2

3U4162

und somit

Φ' (t) - i>'(t-T) = <i>(t) - Φ^-τ) + ΔΦ.

Φ_ΓΜ und Φ_Γρητ sind die resultierenden Phasenverschiebungen jeder der zwei Wellen, die die Schleife in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. $_rrw - Φ_ρΜ ist somit ein Rechtecksignal, dessen Mittelwert um ΔΦ bezüglich der Zeitachse verschoben ist.

In Fig. 8 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers dargestellt, wobei im Ringweg dieses Interferometers Phasenmodulatoren vorgesehen sind, damit die Geschwindigkeitsmessung genauer wird. In dieser Fig. 8 ist ein Sagnac-Interferometer mit seinem Ring 2 dargestellt, bei dem das Phasenmodulationssignal Φ(^) erzeugt wird. Der Phasenmodulator ist in den Ring 2 eingefügt. Das den Detektor D^r verlassende Signal wird über einen Synchronverstärker geschickt, der von einem mit der Frequenz 1/2τ schwingenden Oszillator gesteuert wird, der ein periodisches Signal Φ₁(t) abgibt. Die Anordnung aus dem Detektor und dem Synchronverstärker wird im folgenden als Synchrondetektor bezeichnet. Das von diesem Synchrondetektor abgegebene Signal bewirkt die Steuerung, der Steigung α des Sägezahngenerators 22 über einen PID-Regelverstärker 26. Der Sägezahngenerator gibt das Signal Φ_ ab, das mit dem Ausgangs signal Φ.. des Oszillators kombiniert wird und auf den Phasenmodulator Φ. einwirkt. Eine Schwellenwertdetektorlogik 23 ermöglicht es, das Sägezahnsignal auf seinen Ausgangswert zurückzuführen. Diese Detektion erfolgt in bezug auf eine Bezugsgröße, die beispielsweise eine Bezugsspannung V sein kann. Diese Bezugsgröße kann geregelt sein, wobei das festgestellte Signal in der Form

cos vorliegt und somit vor und nach der Rückführung des Sägezahnsignals gleich bleiben soll. Der Vergleich der beispielsweise von Spannungen gebildeten Bezugssignale an diesen zwei

3UA162

Zeitpunkten ermöglicht es mit Hilfe des Komparators 25, die Bezugsspannungsquelle 24 zu regeln.

Der am Detektor festgestellte Meßwert entspricht der Intensität

I₁ = I_lo cos² (ΔΦ/2).

Wenn ΔΦ die nichtreziproke Phasenverschiebung ist, die das Licht beim Durchlaufen des Interferometers erfahren hat, ergibt sich das der festgestellten Lichtintensität proportionale elektrische Signal des Detektors wie folgt:

I <* cos² (ΔΦ/2) .

Die Empfindlichkeit dI/αΔΦ dieser Messung hat für ΔΦ - (2k+1)u/4 ein Maximum, jedoch ist sie für ΔΦ - Kir und insbesondere im Bereich von ΔΦ = 0 gleich Null. Unter den verschiedenen Verfahren, mit deren Hilfe der Arbeitspunkt gegen die Position (2Κ+1)π/2 so verschoben werden kann, daß ein Arbeiten in einem linearen und empfindlichen Bereich stattfindet, nutzen die zweckmäßigsten Verfahren die Empfindlichkeit des Interferometers bezüglich reziproker Phasenänderungen aus, deren Amplitude während der Laufzeit im Interferometer merklich schwankt.

Wenn τ die Laufzeit im Interferometer ist und wenn an ein Ende des optischen Ringwegs eine reziproke Phasenverschiebung Φ^) angelegt wird, ergibt sich das festgestellte Signal wie folgt:

cos² ^(ΔΦ

Indem in den Weg der Wellen ein Phasenmodulator eingefügt wird, der einen reziproken Effekt hervorruft, beispielsweise einen elastisch-optischen oder einen elektro-optischen Effekt,

3Η4162

kann erreicht werden, daß sich die Phase der Wellen periodisch ändert. Gemäß der Erfindung kommt die Störung Φ(^ in zusammengesetzter Form als Summe zweier Signale zur Anwendung, nämlich aus einem periodischen Signal Φ₁ (t) mit der Periodendauer 2τ und einem Signal Φ_(t) modulo 2π mit linearem Anstieg, wobei τ die Laufzeit einer Welle in dem Ring ist.

Es gilt somit:

mit Φ₁(t+2T) = Φ.(t)

und Φ_η (t) = at - 2π E(at/2ir);

E(at/2ir) ist dabei der ganzzahlige Teil von at/2ir, und α ist die Steigung des Sägezahnsignals.

Es gilt also:

,ΔΦ + ατ + Φ. (t) - Φ (t-τΚ

COS -i TT¹ ■ ^L

Wenn angenommen wird: y(t) = Φ₁(t) - Φ₁(t-τ), ist die Funktion T(t) wegen der Periodizität von Φ.. (t) symmetrisch mit

¥(t+2) = ψ(t) und <Mt+T) = HHt).

Da cos eine gerade Funktion ist, hat die mit Φ (t) phasengleiche Komponente des Signals I mit der Periodendauer 2τ den Wert Null, wenn und nur wenn gilt: ΔΦ+ ατ = 0; diese Komponente hat eine Amplitude, die algebraisch dem Fehler ΔΦ + ατ proportional ist, wenn dieser klein ist. Es soll nun Fig. 9 betrachtet werden. Einem Signal Θ = ΔΦ + ατ + Ψ(t) am Eingang entspricht ein verformtes festgestelltes Signal I. Es könnte in zwei Signale mit der Frequenz 1/τ und 1/2τ zerlegt werden.

3H4162 ■//7-

Die Darstellung von Pig. 10 unterscheidet sich von Fig. .9 dadurch, daß gilt: ΔΦ + ατ = 0. Hier entspricht einem Eingangssignal Θ = ¹Ht) ein festgestelltes Signal I mit der Frequenz 1/τ. Das Ergebnis der Synchrondetektion hat somit den Mittelwert Null.

In den Figuren 9 und 10 ist T(t) als Beispiel sinusförmig angenommen worden.

Die Amplitude der Komponente ΔΦ + ατ wird als Fehlersignal zum Nachführen des Koeffizienten α der Funktion Φ_ benutzt, so daß gilt: α = ΔΦ/τ. ■

Die Rückschwingungsfrequenz des Signals Φ2(t) beträgt somit Ρ(Φ ) = ΔΦ/2πτ.· Diese Frequenz ist das Meßsignal der nichtreziproken Phasenverschiebung, wobei die Richtung, in der das Zurückschwingen erfolgt, das Vorzeichen der Phasenverschiebung angibt.

Das Verfahren funktioniert zwar unabhängig von der Form und der Amplitude der Funktion Φ₁(t), jedoch sind zwei vorteilhafte Formen die folgenden:

- die Sinusfunktion: Φ. (t) = 0,81 sin (—t)

ι τ

- die Rechteckfunktion: Φ₁(t) = 0 für te[2Κτ, (2Κ+1)τ]

Φ₁ (t) = τγ/4 für te[(2K+1)T, (2Κ+2)τ],

Die Amplituden dieser zwei Funktionen sind so gewählt worden, daß das festgestellte Signal einen Maximalwert erhält und daß die Linearität für kleine Signale gewährleistet ist.

- yi -

3H4162 - /β-

Die zwei Funktionen können leicht erzeugt werden; sie erfordern ein begrenztes Durchlaßband, und ihre Amplitude entspricht einem vorteilhaften Wert des Störabstandes der Nullmethode.

Im Fall von Fig. 7 wird Φ- als Rechteckfunktion angenommen. Mit Φ₁ (t) und «₂(t) gilt: <£(t) = Φ._] (t) + Φ₂ (t) . <i>_cw und Φ^^ sind die resultierenden Phasenverschiebungen jeder der zwei Moden, die die Schleife des Interferometers in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Diese zwei Signale sind wegen der reziproken Phasenverschiebung um τ gegeneinander phasenverschoben. Der Modulator ist dabei an einem .Ende der Schleife angebracht. Man sieht hier, daß der Wert ΔΦ verschwindet, der gleich der nichtreziproken Phasenverschiebung ist. Diese Phasenverschiebung in einem Kreisel ist auf die Drehgeschwindigkeit zurückzuführen.

~ ^CW *~^s^ ^^{as resu}l^ti^eren<^^e Signal, auf das der Detektor anspricht. Auf diese Weise werden der Wert ΔΦ der nichtreziproken Phasenverschiebung und ατ wiedergewonnen, wie oben definiert wurde.

Es gilt:

φ - φ = Λφ + «τ +
CCW CW

ist ebenfalls eine symmetrische Funktion, und ΔΦ + ατ ist der Mittelwert von Φ/-.™ ~ ^cvi'

Die Größe I ist das festgestellte Signal. Wie es erhalten wird, ist in Fig. 10 dargestellt. Die Größe I ist cos ($ Φ_Γ ) proportional. Wenn das cos repräsentierende Signal aufgezeichnet wird, ergibt sich I durch eine Verschiebung von A nach B.

- 31U162 /9.

Die Ordinatendifferenz zwischen den Punkten A und B ist 2ir, was wegen der Amplitude 2π des Sägezahnsignals i> gilt. Wie oben erläutert wurde, wird ein Signal I mit einer Amplitude betrachtet, die algebraisch ΔΦ + ατ proportional ist, und wegen der entgegengesetzten Vorzeichen von ΔΦ und ατ ist die Amplitude des Signals ατ - ΔΦ proportional.

Die Schwingungsweite des Signals Φ«(t) soll die Amplitude 2π haben- Für den Fall, daß der Maßstabsfaktor des entsprechenden Phasenmodulators nicht bekannt ist oder eine zeitliche Drift aufweisen kann, ist es vorteilhaft, diese Schwingungsweite auf den Wert 2tt nachzuregeln.

Es wird vor allem ein Komparator verwendet, mit dessen Hilfe ein Vergleich mit einer 2π entsprechenden Spannung V _f durchgeführt werden kann, wobei bei Gleichheit ein Rückführungs- , impuls die Zurückführung des Sägezahnsignals herbeiführt.

Es werden außerdem die an zwei Zeitpunkten festgestellten Signale verglichen, von denen einer der Rückführung des Sägezahnsignals vorangeht (Vergleich mit einer Bezugsspannung V __ ) während der andere dieser Rückführung folgt (Verzögerungsleitung) Bei Gleichheit ist der Wert V _f genau, da er einer Phasenverschiebung von 2 π entspricht. Ist dies nicht der Fall, muß eine !-Modifikation dieses Werts vorgenommen werden. Die Reaktion des Interferometers bleibt während der Laufzeitdauer der Relaxationsdiskontinuität gleich, die als unendlich schnell und außerhalb dieser Dauer angenommen wird.

Nach Fig. 12 ist der genaue Wert von 2ir zu 2ir + ε geworden, und die Punkte C und D sind in der Kurve I = f(t) nach C und D' verschoben worden.

Die nach diesem Prinzip durchgeführte Messung hat folgende Vorteile:

- Sie ist stabil, da sie nur von der Präzision, mit der das Zurückschwingen durchgeführt wird, und von der Laufzeit abhängt. Sie weist keinerlei Offset-Erscheinungen auf.

- Sie ist empfindlich, da sie in der Nähe des Punkts maximaler Steigung durchgeführt wird.

- Sie ist wegen der Verwendung der Nullmethode linear.

- Sie ist guantisiert, was die übertragung und Anwendung vereinfacht; insbesondere kann die driftfreie Integration einfach durch Zählung erhalten werden.

Die Vorrichtung (der Modulator für die reziproke Phase), die die Einführung der Störung Φ.. (t) + Φ_ (t) ermöglicht, kann in zwei Vorrichtungen aufgeteilt werden, die jeweils einzeln an jedem Ende des Übertragungswegs oder gemeinsam am gleichen Ende dieses Übertragungswegs gemäß Fig. 8 angebracht werden können, wobei eine dieser Vorrichtungen die Phasenverschiebung Φ₁(t) und die andere die Phasenverschiebung Φ_(t) herbeiführt. Bei der Phasenverschiebung Φ.. (t) handelt es sich um ein Signal mit kleiner Amplitude (typischerweise π/4), und hoher Frequenz (typischerweise einige 100 kHz) mit schmaler Bandbreite (= 0), dessen Genauigkeit nicht kritisch ist. Im Gegensatz dazu ist das Signal Φ_ ein Signal mit großer Amplitude (2ir) , mit niedriger Frequenz (einige Hz bis einige kHz) und mit großer Bandbreite (Gleichstrom bis einige kHz), dessen Genauigkeit den Maßstabsfaktor der Messung bestimmt. Diese einander widersprechenden Eigenschaften können in zwei getrennten Vorrichtungen leichter erreicht werden.

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Der oder die Phasenmodulatoren können jeweils in zwei gleiche Teile getrennt werden, die symmetrisch an den zwei Enden des optischen Übertragungswegs angebracht sind und die entgegengesetzt angeregt werden. Diese Anordnung gewährleistet eine zusätzliche Symmetrierung der Erscheinungen, die die Fehler zweiter Ordnung herabsetzen, die sich aus möglichen Nichtlinearitäten des Modulators ergeben.

Für gewisse Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, den Rückschwingzeitpunkt der Funktion Φ_ (t) nach vorne oder nach hinten zu verlegen, damit ihm eine absichtliche kleine Phasenbeziehung zur Funktion Φ.(t) verliehen wird. Solange die Amplitude des Sägezahnsignals unter 2π bleibt, wird kein kumulativer Fehler in die Messung eingeführt.

Wenn das Inkrement A<I>6t zu groß ist und einer zu groben Quantisierung von /A<i>dt entspricht, ermöglicht der Momentanwert von Φ- (t) die Glättung der Messung. Das vom Interferometer gelieferte Winkelinkrement beträgt 1/2τττ, so daß sich ergibt:

= Σ(2πτ) + [>

Insbesondere für den Fall, daß der Schwellenwert für die Schwingungsweite an keinem Zeitpunkt der Messung erreicht wird, wird der integrierte Meßwert kontinuierlich und linear durch folgende Beziehung gegeben:

fhtat = I>₂(t)].

Die Digitalisierung ist dabei nicht mehr möglich, jedoch gilt nach wie vor.das Nullverfahren.

Die erzielten Fortschritte auf dem Gebiet der Lichtleitfasern mit geringeren Verlusten ermöglichen die Verwendung solcher Lichtleitfasern bei der Verwirklichung dieser Ringinterfero-

meter, wie oben bereits erläutert wurde. Dadurch kann ein sehr langer optischer Weg 2 erhalten werden, und es ist auch eine größere Miniaturisierung der elektro-optischen Elemente und der Modulatoren durch Integration möglich. Ein Ausführungsbeispiel eines Ringinterferometers nach der Erfindung ist in Fig. 13 dargestellt. Die auf sich selbst gewickelte Lichtleitfaser 12 bildet den ringförmigen optischen Weg 2 des Interferometers. Die verschiedenen Zweige des Interferometers sind als integrierte Optik verwirklicht, was bedeutet, daß die Wellenleiter durch Integration in einem Substrat gebildet sind. Das Substrat kann aus folgenden Materialien ausgewählt sein: Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, in dem zur Realisierung der Wellenleiter Titan bzw. Niob diffundiert ist. Das Substrat kann außerdem aus Galliumarsenid bestehen, in dem die Wellenleiter durch Ionen- oder Protonenimplantation gebildet sind. Der Modulator ist aus zwei Modulatoren Φ.. und Φ_ zusammengesetzt, die an den zwei Enden der Lichtleiterfaser angeordnet sind. Genauer gesagt können die gemäß der Erfindung angewendeten Modulatoren unter Ausnutzung verschiedener elektrooptischer Effekte arbeiten, die beispielsweise als Pockels-Effekt oder Kerr-Effekt bekannt sind.

Zwei mit Hilfe von Elektrodenpaaren E₁, E und E₃, E. spielen die zuvor von den halbdurchlässigen Platten in Fig. 1 übernommene Rolle. Der Monomodenleiter 8 spielt die Rolle des Monomodenfilters von Fig. 1. Ein Polarisator ist durch Metalliserung der Oberfläche des Substrats über dem Monomodenleiter 8 gebildet.

Die zwei Koppler können durch optische Strahlenteiler ersetzt werden, die aus Monomoden-Wellenleitern zusammengesetzt sind, die so zusammengefügt sind, daß sie jeweils ein Y bilden; diese zwei Y sind jeweils mit einem ihrer Arme verbunden. Dies ist in Fig. 12 dargestellt. Ein Polarisator wird durch Metallisieren der Oberfläche des Substrats über dem Monomodenleiter 8 gebildet.

3U4162-

Die wichtigste Anwendung betrifft Lichtleitfaser-Kreisel. In diesen Anordnungen gilt:

C λ
ο ο

darin sind:

C die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum, λ die Wellenlänge des angewendeten Lichts im Vakuum,

S die von einer Windung der Lichtleiterfaser eingenommene Fläche,

N die Anzahl der Windungen,

Ω das absolute Drehfeld, dem die Anordnung ausgesetzt ist.

Ferner gilt: τ = N.P-n/C , wobei N und C wie oben definiert sind, während P der Umfang einer Windung ist und η der äquivalente Index der angewendeten Lichtleitfaser ist.

Es ergibt sich:

ΔΦ 4-1' ti

^Γ[Φ2] ^ 2π·τ - λ_ο·η-Ρ *

Es stellt sich heraus, daß diese Frequenz die des Laserkreisels mit gleichen Abmessungen ist, der in einem Material mit gleichem Index gebildet und dem gleichen Drehfeld ausgesetzt ist.

Dieses Ergebnis ermöglicht es, einen nach der Erfindung ausgebildeten Lichtleitfaser-Kreisel für einen Laserkreisel einzusetzen, ohne daß die Arbeitsweise der Auswertungselektronik im geringsten geändert werden muß.

-vs- 3H4162-

•ei If

Wie beim Laserkreisel wird der Kreisel dadurch zum Lagekreisel, daß das Ausgangssignal durch Zählung integriert wird, wobei jedes Zurückschwingen einem Inkrement Θ. in der absoluten Winkellage der Anordnung entspricht:

r, _ λο·η-Ρ
ι " 4-S *

Der Lichtleitfaser-Kreisel ist typischerweise aus einer Lichtleiterfaser mit einer Länge von 4 00 m und einem äquivalenten Index von 1,42 gebildet, die auf eine zylindrische Trommel mit einem Durchmesser von 8 cm gewickelt ist. Es gilt: S = 5-1θ"³ cm², P = 0,25 m, N = 1600, τ = 1,9 με, F ρ_φ2~] ^{= 66} kHz/(Rd/s) = 0,3 Hz/(deg/h) , Θ_± = 15·10~⁶ Rd = 3 Bogensekunden.

Ein weiterer Anwendungsfall ist in Magnetometern und in Stromsonden mit Lichtleitfasern gegeben- In diesen Anordnungen wird der Faraday-Effekt ausgenutzt, der bei guten Polarisationsbedindüngen eine nichtreziproke Phasenverschiebung ΔΦ ergibt, die der Zirkulation des Magnetfeldes längs der Lichtleiterfaser proportional ist. Es gilt:

ΔΦ = /B-dl.

Die Proportionalitätskonstante hängt nur vom Material ab, in dem die magnetisch-optische Wechselwirkung (in der Lichtleitfaser) stattfindet. Für den Fall, daß die optische Bahn eine~ geschlossene Schleife bei gleichmäßigen Bedingungen beschreibt, ist die Zirkulation dem elektrischen Gesamtstrom proportional, der diese geschlossene Form durchläuft. Es gilt:

ΔΦ cc /S-dl =

I.

3H4162

Wenn mehrere (N) Windungen der Lichtleitfaser mit mehreren Windungen (M) des elektrischen Leiters zusammenwirken, summieren sich die Wirkungen:

ΔΦ « N-M-I;

wenn die Erfindung auf die Anordnung angewendet wird, ergibt sich:

Fr -ι <* — · N-M-I

[Φ 2] 27T-L-n ^X'

In dieser Gleichung ist C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, L ist die Gesamtlänge der verwendeten Lichtleitfaser, und N ist ihr äquivalenter Index.

Die auf diese Weise erhaltene Anordnung ist ein "Strom/Synchro"-Umsetzer. Die Integration der Stromgröße wird wie oben durch ^£ eine einfache Zählung erhalten, wobei für das Inkrement gilt:

^w C -N-M*
ο

Typischerweise hat die (von der Verdet-Konstanten abgeleitete) Proportionalitätskonstante für eine herkömmlich hergestellte Lichtleitfaser die Größenordnung 10 Rd/(Α-Windung-Windung) . Wenn die Anordnung von einer Lichtleiterfaser mit einer Länge von 100 m und einem äquivalenten Index von 1,42 gebildet ist, gilt: τ = 0,5 με und Fr -ι = 3,5 Hz/ (A-Windung-Windung) , Q = 0,3 C-Windung·Windung.

Eine solche Anordnung weist eine offensichtliche Anpassungsfähigkeit auf; sie kann beispielsweise für folgendes eingesetzt werden:

- Messung von Strömen von einigen 10.000 A: 1 Windung einer Lichtleitfaser um einen einzigen Leiter -»- F = 3,5 Hz/A, Q = 0,3 C; Anwendung: In Elektrolysetanks;

- Messung von Strömen von einigen A: 100 Windungen der Lichtleiterfaser um 100 Windungen des elektrischen Leiters:

F = 35 kHz/A, Q = 3-10"⁵ C;

- Messung von Strömen von einigen mA: 1.000 Windungen der Lichtleitfaser um 10.000 Windungen des elektrischen Leiters: F = 35 kHz/mA, Q = 3-10 C.

- Leerseite -

Claims

Dipl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-lng. =·-'

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19 W I H 4 IDZ "

8000 München 60

THOMSON - CSF 5. November 1981

173, Bd. Haussmann

008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3466

Patentansprüche

Optische Interferometervorrichtung zum Messen einer nichtreziproken Phasenverschiebung von zwei in entgegengesetzter Richtung in einem ringförmigen Wellenleiter zirkulierenden -**" Strahlungen, mit einer monochromatischen Lichtquelle (S), Photodetektorvorrichtungen (D, D¹) für die Interferenz dieser Strahlungen und optische Trenn- und Mischvorrichtungen (M, M¹) , die die Enden des Wellenleiters direkt mit der Lichtquelle und den Photodetektorvorrichtungen verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß optische Phasenverschiebungsvorrichtungen (Φ) vorgesehen sind, die elektrisch gesteuert sind und auf diese Strahlungen einwirken, daß ein Oszillator (21) vorgesehen ist, der eine periodische Spannung mit der Frequenz 1/2τ liefert, wobei τ die Zeitdauer ist, die jede der Strahlungen für das Durchlaufen des von dem Wellenleiterring gebildeten Wegs benötigt, daß ein Sägezahngenerator (22) mit einstellbarer Steigung vorgesehen ist, daß ein Synchrondetektor an einem seiner Eingänge diese periodische Spannung empfängt und mit seinem anderen Eingang an die Photodetektorvorrichtungen angeschlossen ist, daß der Ausgang dieses Synchrondetektors mit

Schw/Ma

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dem Steigungssteuereingang des Sägezahngenerators verbunden ist, daß die Resonanzfrequenz der Sägezahnspannung der nichtreziproken Phasenverschiebung nachgeregelt ist und daß die periodische Spannung und die Sägezahnspannung am Eingang der Phasenverschiebungsvorrichtungen einander überlagert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Sägezahnspannung erzeugte Phasenabweichung im wesentlichen gleich 2ir ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Phase der Wellen modulierende periodische Funktion Rechtecksignale repräsentiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Phase der Wellen modulierende periodische Funktion Sinus- oder Kosinussignale repräsentiert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der die periodische Spannung liefernde Oszillator und der Sägezahngenerator einen elektro-optischen Effekt bewirken.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Filtervorrichtungen, mit deren Hilfe aus den Ausbreitungsmoden, die sich in der Schleife ausbreiten können und die an der Detektorvorrichtung ankommen können, ein bestimmter Ausbreitungsmode ausgewählt werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtungen ein Modenfilter und einen nur einen Wellentyp durchlassenden Polarisator enthalten.

— *5 —.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für ein Interferometer, dessen Wellenleiterring von einer Lichtleitfaser gebildet ist und bei dem die Energiequelle (S), die Trenn- und Mischvorrichtungen der Wellen sowie die Detektorvorrichtungen (D') vollständig als Festkörper durch Integration auf einem Substrat (Sb) gebildet sind, auf dem sich zwei Wellenleiter (7, 9) befinden, die an einem ihrer Enden mit der Energiequelle (S) und mit zwei Detektorvorrichtungen (D) sowie an ihren anderen Enden (10) mit den Enden der Lichtleitfaser (12) verbunden sind, gekennzeichnet durch wenigstens zwei auf dem Substrat (Sb) integrierte Elektroden (E₁₁, E_1?), die beiderseits eines der zwei Wellenleiter (10) angeordnet sind, damit ein Phasenmodulator (Φ) mit elektro-optischer Wirkung entsteht, wobei die Elektroden das Steuersignal (V ) empfangen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn- und Mischvorrichtungen der Wellen durch Integration von Wellenleitern auf einem Substrat gebildet sind, die die Form von zwei Y haben,die durch einen ihrer Zweige miteinander verbunden sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (Sb) aus den Materialien Lithiumniobat oder Lithiumtantalat besteht, in die zur Realisierung der Wellenleiter Titan bzw. Niob eindiffundiert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (Sb) aus Galliumarsenid besteht, in dem die Wellenleiter durch Ionen- oder Protonenimplantation realisiert sind.
12. Kreisel, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Ringinterfero¹-meter nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

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13. Strommeßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Ringinterferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11 enthält.