DE19629260C1

DE19629260C1 - Elektrooptischer Phasenmodulator mit richtungsunabhängiger Impulsantwort, Anordnung von elektrooptischen Phasenmodulatoren und Verwendung eines elektrooptischen Phasenmodulators

Info

Publication number: DE19629260C1
Application number: DE1996129260
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Spahlinger; Manjeet S Ner
Original assignee: Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2016-07-20
Also published as: JP2000515260A; CA2253271A1; WO1998003895A1; EP0912912A1; EA199900133A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Phasenmodulator mit integriert op tischem Wellenleiter und beidseitig in konstantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenleiters angeordneten Modulationselektro den.

Phasenmodulatoren dieser Gattung werden in erster Linie in faseroptischen Sagnac-Interferometern, die das eigentliche Drehratenmeßinstrument bei faser optischen Kreiseln (FOGs = Fiber Optic Gyroscopes) bilden, oder auch als Kern element bei anderen interferometrischen Meßeinrichtungen verwendet, etwa bei Mach-Zehnder-Interferometern.

Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik und Aufgabenstellung sei je doch im folgenden mit Bezug auf einen faseroptischen Kreisel (FOG) erläutert.

Bei faseroptischen Kreiseln moderner Bauart wird häufig ein integriert optischer Chip (IO-Chip) verwendet der auf der Eingangsseite in der Regel einen integrier ten Polarisator, sodann eine Y-Verzweigung und zwei gleichabständig entlang der optischen Achsen nach der Y-Verzweigung in bestimmter Konfiguration angeord nete Elektroden zweier Phasenmodulatoren aufweist, welche die beiden in die En den einer Faserspule in Gegenrichtung eingestrahlten Lichtstrahlen in bestimm ter, weiter unten näher erläuterten Weise modulieren. Verschiedene Ausfüh rungsvarianten solcher Phasenmodulatoren oder digitaler Phasenschieber sind in den Druckschriften US 5 137 359, US 5 237 629 und US 5 400 142 beschrieben. Ein FOG mit dieser Art von Phasenmodulator weist eine Empfindlichkeit gegen über in den Phasenmodulator eingestreuten Störsignalen auf.

Die Einkopplung solcher Störsignale in den den Phasenmodulator enthaltenden MIOC-Pfad (MIOC = Modulierender IO-Chip) läßt sich, wie nachfolgend erläutert, analysieren.

Störsignale, die in den MIOC-Pfad einkoppeln, können unter bestimmten Um ständen Bias-Fehler hervorrufen. Im folgenden soll untersucht werden, wie sich periodische Störsignale auswirken, wenn eine Fehlabstimmung des Kreisel-Ab tasttakts gegenüber der Durchlaufzelt des Lichts durch die Faser vorliegt. Neben einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber derartigen Einkopplungen bewirkt ei ne Fehlabstimmung noch weitere Störeffekte, wie beispielsweise erhöhten Ran dom-Walk. Diese Effekte sollen hier jedoch nicht untersucht werden. Um dem Le ser die Möglichkeit zu geben, sich mit der Funktionsweise von Sagnac-Interfero metern mit Random-Modulation und geschlossenem, rückstellendem Regelkreis vertraut zu machen, sei auf die europäischen Patente EP 0 498 902 und EP 0 551 537 verwiesen.

Um die Auswirkung von Störeinkopplungen bei Fehlabstimmung erfassen zu können, genügt es, das Sagnac-Interferometer bei geöffneter Regelschleife zu be trachten (vgl. Fig. 1). Es sei T der Abtasttakt des Systems und gleichzeitig die Peri ode einer einkoppelnden Störspannung, T₀ sei die davon abweichende Durch laufzeit des Lichts, ϕ(t) sei die durch den Modulator hervorgebrachte Phasenmo dulation und ϕ_s(t) sei die Sagnac-Phase. Unter Vernachlässigung von Gleich spannungskomponenten und Verstärkungsfaktoren im Detektorpfad gilt für das Ausgangssignal y(t) des Interferometers:

y(t) = cos(ϕ(t)-ϕ(t-T₀) + ϕ_s(t)) (1)

Nimmt man nun an, daß durch eine geeignete, im Takte T wirkende, dem Signal ϕ(t) überlagerte Modulationsspannung in bekannter Weise eine Aussteuerung an die Wendepunkte der Interferometerkennlinie vorgenommen und das jeweils wirksame Vorzeichen der Steigung der Kennlinie durch ein ebenfalls im Takte T wirkendes Demodulatorsignal kompensiert wird, dann kann das Interferometer näherungsweise durch eine Kennlinie

y(t) = sin(ϕ(t)-ϕ(t-T₀) + ϕ_s(t)) (2)

ohne Modulations- und Demodulationssignale beschrieben werden. Die Nähe rung gilt strenggenommen nur für T = T₀. Für T ≠ T₀ treten in schmalen Über gangsbereichen zusätzliche Transienten auf, die in der obigen Gleichung nicht berücksichtigt sind. Da diese Transienten lediglich zu einer Erhöhung des Ran dom-Walk beitragen, und um die Rechnung zu vereinfachen, sei die Gültigkeit von (2) auch für T ≠ T₀ unterstellt, sofern die Fehlabstimmung nicht zu groß ist. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich durch Linearisierung der Sinusfunktion:

y(t) = ϕ(t)-ϕ(t-T₀) + ϕ_s(t) (3)

Dieses Signal wird durch ein im Datenpfad angeordnetes Filter gefiltert und dann abgetastet, wobei sich der n-te Abtastwert y_n durch eine gewichtete Mittelung im Intervall [(n-1)T, nT] berechnet. Gewichtungsfunktion ist die an der Zeitachse gespiegelte Impulsantwort h(t) des Filters. Außerhalb des Intervalls entstehen keine Beiträge, selbst wenn die Impulsantwort dort nicht verschwindet, weil auf grund der statistischen Modulation demodulierte Signalanteile außerhalb des genannten Intervalls unkorreliert sind. Damit ist

Die Funktion h[t] sei o.B.d.A. so normiert, daß

gelte. Die gemittelte Drehrate ergibt sich aus

Damit ist

Bei hinreichend stationären Signalen ist die Mittelwertbildung über eine Folge x_n unabhängig von einer Indexverschiebung, d. h. es ist

Damit kann im zweiten Integral von (7) der Index n durch n + 1 ersetzt werden. Es sei ΔT = T₀-T die Taktverstimmung. Dann wird

Bei genügend kleinem ΔT ist ϕ′(t)ΔT ≈ ϕ(t)-ϕ(t-ΔT). Mit dieser Näherung ergibt sich schließlich

Es sei nun ϕ(t) = ϕ(t + nT) ein mit T periodisches Signal. Ferner sei ϕ_s(t) = ϕ_S = const. Dann ist

Beispiel

Als Beispiel sei angenommen, daß h(t) = 2/T ist für t < T/2 und h(t) = 0 für t < T/2. Für ϕ(t) gelte im Bereich t ∈ [0, T) ϕ(t) = ϕ₀ für t ∈ [0, T/4) ν t ∈ [3T/4, T) und ϕ(t) = -ϕ₀ für t ∈ [T/4, 3T/4). Außerhalb des Bereichs t ∈ [0, T) werde ϕ(t) gemäß ϕ(t) = ϕ(t + nT) periodisch fortgesetzt.

Die gemessene Phase ist also der relativen Verstimmung ΔT/T und der Amplitu de der Einstreuung ϕ₀ proportional. Nimmt man als relative Verstimmung 100 ppm (ΔT/T = 10^-4) und als Amplitude der Einstreuung ϕ₀ = 2π·10^-2 an, dann ist bei einem Kreisel mit einer 2π-Drehrate von 2000°/s der durch die Einstreuung verursachte Bias-Fehler:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrooptischen Phasenmodu lator für faseroptische Interferometer, insbesondere für faseroptische Kreisel zu schaffen, bei dem die bisher beobachtete Empfindlichkeit gegenüber eingestreu ten Störsignalen vollständig oder zumindest weitgehend beseitigt ist.

Ausgangspunkt für die Erfindung ist die Erkenntnis, daß die Empfindlichkeit von elektrooptischen Phasenmodulatoren der genannten Art sich theoretisch auf Null reduzieren läßt, wenn die Zeit des Arbeitstakts des Interferometers bzw. Kreisels mit der Umlaufzeit des Lichts vom ersten Phasenmodulator über die Fa serspule bis zum gegenüberliegenden Phasenmodulator ins Übereinstimmung ge bracht wird. Es wurde erkannt, daß es hierzu notwendig ist, Maßnahmen zu tref fen, die sicherstellen, daß der Phasenmodulator in beiden Durchlaufrichtungen des Lichts die selbe Impulsantwort besitzt.

Die technische Lehre der Erfindung läßt sich damit für einen elektrooptischen Phasenmodulator mit integriert optischem Wellenleiter und beidseitig in kon stantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenlei ters angeordneten Modulationselektroden dadurch kennzeichnen, daß die Elek troden so angeordnet sind, daß die raumzeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden und des elektrischen Felds zwischen den Elektroden eine symme trisch verteilte Impulsantwort erzeugen.

Dieser Grundgedanke der Erfindung eignet sich sowohl für analoge als auch für digitale Phasenmodulatoren beim Einsatz in FOGs.

Für einen digitalen Phasenmodulator gilt dann als bevorzugte Ausführungsform, daß mehrere Paare parallel ansteuerbarer, hinsichtlich ihrer Längserstreckung binär abgestufte Elektroden mit einer zwischen diesen binär abgestuften Elektro den angeordneten Gegenelektrode vorgesehen werden, wobei jede Binärstufe aus zwei Teilelektroden besteht und die Symmetriepunkte aller Binärstufen überein stimmen, derart, daß die komplette Elektrodenanordnung eine symmetrisch ver teilte Impulsantwort erzeugt.

Im folgenden werden die Bedingungen abgeleitet und einzelne Bauformen für Phasenmodulatoren erläutert, die erfindungsgemäß in beiden Durchlaufrich tungen des Lichts dieselbe Impulsantwort liefern.

Bei den heute verwendeten Bauformen solcher Phasenmodulatoren auf integriert optischen Chips, besonders bei den digitalen Varianten (vgl. US 5 137 359), wird in der Regel die im folgenden abgeleitete Symmetriebedingung nicht erfüllt. Bei hochgenauen faseroptischen Meßeinrichtungen, insbesondere bei FOGs, ist da mit der erforderliche Abgleich der Abtasttaktzeit an die Lichtdurchlaufzelt nicht möglich.

Es werden zunächst die Bedingungen für ein ideales moduliertes Sagnac-Interfe rometer beschrieben:
Beim idealen modulierten Sagnac-Interferometer ist die Auslesefunktion am Photodetektor nach der Demodulation unter Weglassung der Modulationssigna le, unabhängig vom Modulationsverfahren wie oben bereits dargestellt:

y(t) = αu(t)-αu(t-T₀) + ϕ_s(t) (14)

Dabei ist u(t) die am Phasenmodulator wirkende Rückstellspannung (bzw. Stör spannung), α der elektro-optische Übertragungsfaktor, ϕ_s(t) die Sagnac-Phase und T₀ die Lichtdurchlaufzeit vom Mittelpunkt zum Mittelpunkt der Phasenmo dulatoren durch die Spule des FOG. Im folgenden sei

u(t) = u(t + T) (15)

eine mit dem Arbeitstakt T periodische Störspannung. Hiermit, und mit ϕ_s = 0 wird

y(t) = α(u(t)-u (t-T₀ + T)) (16)

Bei idealer Abstimmung T = T₀ wird als y(t) = 0.

Der Aufbau eines realen faseroptischen Interferometers ist in Fig. 1 der beigefüg ten Zeichnungen dargestellt.

Das von einer Lichtquelle D stammende Licht wird an einer Y-Verzweigung Y in zwei Teile aufgespalten, die dann die Modulatoren m₁ und m₂, alsdann gegensin nig die Spule S und dann nochmals die beiden Modulatoren m₁, m₂ durchlaufen. Die Lichtstrahlen werden unter einer gegenseitigen Phasenverschiebung

ϕ = ϕ_m + ϕ_s (17)

wieder vereinigt, wobei ϕ_m die durch die Modulatoren erzeugte Phase und ϕ_s die Sagnac-Phase ist. Beide Modulatoren werden durch dieselbe Spannung u(t) an gesteuert. Die Laufzeit des Lichts vom Mittelpunkt des Modulators m₁ zum Mit telpunkt des Modulators m₂ sei T₀. Dann ergibt sich für die Phase ϕ_m bei gegen sinniger Polung der beiden Modulatoren:

ϕ_m = α₁⁺(t) _* u(t) + α₂⁺(t) _* u(t)-α₁⁻(t) _* u(t-T₀)-α₂⁻(t) _* u(t-T₀) (18)

Hierbei ist α_n⁺(t) die elektrooptische Impulsantwort des Modulators m_n (n = 1, 2) in der Durchlaufrichtung von rechts nach links, während α_n⁻(t) die elektroopti sche Impulsantwort der Modulatoren für die Durchlaufrichtung von links nach rechts ist. Der Stern * kennzeichnet die Faltung:

α(t) * u(t) = ∫ α(τ)u(t-τ)dτ (19)

Falls nun das Interferometer mit T = T₀ betrieben und mit einer in T periodischen Spannung u(t) beaufschlägt wird, ergibt sich

y(t) = (α₁⁺(t) + α₂⁺(t)-α₁⁻(t)-α₂⁻(t)) _* u(t) (20)

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den bereits oben kurz erläuterten prinzipiellen Aufbau eines realen Sagnac-Interferometers;

Fig. 2 einen elektrooptischen Phasenmodulator, erfindungsgemäß als System mit verteilter Impulsantwort;

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Elektrodenanordnung für eine grund sätzliche Lösungsvariante eines elektrooptischen digitalen Phasenmo dulators mit optimiert verteilter Impulsantwort gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine andere grundsätzliche Ausführungsform einer Elektrodenanord nung für einen digitalen Phasenmodulator, der hinsichtlich der raum zeitlichen Ausbreitung angelegter Potentiale den Symmetrieanforderun gen gemäß der Erfindung entspricht; und

Fig. 5A, B in schematischer Darstellung die Elektrodenanordnung analoger Pha senmodulatoren gemäß der Erfindung, wobei Fig. 5A eine spiegelsymme trische und Fig. 5B eine punktsymmetrische Elektrodenanordnung ver anschaulichen.

Phasenmodulatoren, die der Erfindung entsprechen, seien prinzipiell wie in Fig. 2 dargestellt aufgebaut. Der optisch aktive Bereich, gekennzeichnet durch das dargestellte Rechteck R, verlaufe entlang der sich von rechts nach links er streckenden x-Achse, wobei seine Ausdehnung durch das Intervall [-x₀, x₀] be grenzt sei. Die Steuerspannung u(t) kopple nun mit einer von x abhängigen Im pulsantwort h(x, t) in jeden Punkt des aktiven Bereichs ein und erzeuge dort eine inkrementelle Phasenverschiebung. Wenn nun ν die Ausbreitungsgeschwindig keit des Lichts im aktiven Bereich sei, werden die elektrooptischen Impulsant worten:

und

Das Ziel ist, y(t) in (20) zu Null zu machen. Hierfür gibt es gemäß der Erfindung zwei Möglichkeiten. Im ersten Fall wählt man

α_n⁺ = α_n⁻ (23)

Das wird gemäß (21) und (22) erfüllt für

h_n(x, t) = h_n(-x, t) (24)

Die zweite Möglichkeit führt zu

α₁⁺ = α₂⁻ (25)

Daraus folgt

h₁(x, t) = h₂(-x, t) (26)

wodurch automatisch auch

h₂(x, t) = h₁(-x, t) (27)

und damit

a₂⁺ = α₁⁻ (28)

erfüllt wird. Daraus folgt schließlich y(t) = 0.

Die Symmetrieanforderungen für ein Elektroden-Layout, das die Bedingungen der Erfindung erfüllt, wird nachfolgend erläutert:
Der Phasenmodulator der erfindungsgemäßen Art, insbesondere für einen faser optischen Kreisel, kann als integrierter optischer Baustein (Chip) hergestellt sein, wobei ein optischer Wellenleiter in ein geeignetes Material, insbesondere LiNbO₃ oder LiTaO₃, eindiffundiert wird. Dieser Wellenleiter hat einen optischen Brechungsindex, der von einem angelegten elektrischen Feld abhängig ist. Das notwendige elektrische Feld wird durch die auf der Oberfläche des Bausteins par allel zum Wellenleiter angeordneten Elektroden erzeugt.

Ein dem oben erläuterten ersten Fall (Gleichung (23)) entsprechende Elektroden anordnung zeigt Fig. 3 für einen aktiven Kanal 1 des symmetrisch aufgebauten Paars von Phasenmodulatoren m₁ oder m₂. Mit 2 sind Elektrodenanschlüsse für die binär ansteuerbaren Elektroden des digitalen Modulators bezeichnet. Be zugshinweis 4 kennzeichnet eine beiden Modulatoren m₁, m₂ gemeinsam zuge ordnete Gegenelektrode.

Die verteilte Impulsantwort h(x, t) ist demnach von der raumzeitlichen Vertei lung des erzeugten elektrischen Felds abhängig. Die im vorangegangenen Ab schnitt hergeleiteten Symmetrieforderungen für die verteilten Impulsantworten h_n(x, t) können erfüllt werden durch symmetrische Elektrodenanordnungen auf dem Phasenmodulator, wobei auch die raumzeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden den Symmetrieforderungen genügen muß. Dies gilt sowohl für digitale (Fig. 3 und 4) als auch für analoge Modulatoren (Fig. 5A, B).

Bei digitalen Modulatoren (vgl. Fig. 3) wird für jede Bitwertigkeit eine eigene Elek trodenanordnung vorgesehen, wobei die Gewichtungen durch entsprechende Flächenverhältnisse realisiert werden. Die Symmetriebedingungen müssen für jedes einzelne Bit erfüllt werden, wobei die Symmetriepunkte aller Bits überein stimmen müssen, so daß letzten Endes die Symmetriebedingung für die komplet te Elektrodenanordnung erfüllt ist.

Für die beiden genannten Lösungsfälle ergeben sich für digitale Modulatoren demnach die folgenden Anordnungen:

Im ersten Fall müssen die Modulatoren ein zur Achse x = 0 spiegelsymmetrisches Elektroden-Layout besitzen, so daß auch eine zu dieser Achse raumzeitlich sym metrische Ausbreitung garantiert ist. Daraus ergibt sich für einen digitalen Mo dulator beispielsweise das in Fig. 3 gezeigte Layout. Der optische Wellenleiter ist durch den in der Mitte zwischen den Elektroden verlaufenden Pfeil (aktiver Kanal 1) dargestellt. Gezeigt ist nur einer der beiden Modulatoren, der andere muß ent sprechend ausgeführt sein.

Der zweite Fall führt zu einem Elektroden-Layout, bei dem die Elektrodengeome trien der beiden Modulatoren durch Drehung um 180° auseinander hervorgehen. Fig. 4 zeigt die Prinzipdarstellung eines solchen Elektroden-Layouts. In der Prin zipdarstellung ist mit 10 der aktive Kanal des Modulators m₁, mit 11 der aktive Kanal des Modulators m₂, mit 12 die gemeinsame Gegenelektrode, mit 13 das bi näre Elektroden-Array des Modulators m₁ und mit 14 das in seiner Anordnung um 180° gedrehte binäre Elektroden-Array des Modulators m₂ bezeichnet.

Die entsprechenden Verhältnisse für die spiegelsymmetrische bzw. die punkt symmetrische Gestaltung des Elektroden-Layouts für analoge Phasenmodulato ren erfindungsgemäßer Art sind für den Fachmann aus den Fig. 5A bzw. 5B un mittelbar erkennbar.

Aufgrund der Erfindung lassen sich mindestens zwei Arten von Elektroden-Lay outs für Sagnac-Interferometer, und zwar sowohl von analogen wie auch von digi talen Phasenmodulatoren, so realisieren, daß bei idealer Arbeitstaktabstimmung der Einfluß von periodischen Störsignalen zuverlässig unterdrückt wird.

Claims

1. Elektrooptischer Phasenmodulator mit integriert optischem Wellenleiter und beidseitig in konstantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenleiters angeordneten Modulationselektroden, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektroden (2; 13, 14) so angeordnet sind, daß die raum zeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden und des elektrischen Felds zwischen den Elektroden eine symmetrisch verteilte Impulsantwort er zeugt.

2. Elektrooptischer Phasenmodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Paare parallel ansteuerbarer, hinsichtlich ihrer Flächenverhält nisse binär abgestufter Elektroden und eine zwischen diesen binär abgestuften Elektroden angeordnete Gegenelektrode, wobei jede Binärstufe aus zwei Teilelek troden besteht und die Symmetriepunkte aller Binärstufen übereinstimmen, der art, daß die komplette Elektrodenanordnung eine symmetrisch verteilte Im pulsantwort erzeugt.

3. Anordnung mit mindestens einem elektrooptischen Phasenmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Phasenmodulatoren zu sammen mit einer Y-Verzweigung in einem IO-Chip integriert sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anordnung der Modulationselektroden des einen Phasenmo dulators (m₁) gegenüber der Anordnung der Modulationselektroden des anderen Phasenmodulators (m₂) um 180° gedreht ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzlich ein Polarisator im IO-Chip integriert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Polarisator durch Protonenaustauschtechnik zusammen mit dem integrierten Wellenleiter in einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Substrat erzeugt worden ist.

7. Verwendung eines elektrooptischen Phasenmodulators nach Anspruch 1 oder 2 oder einer Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser oder diese Teil(e) des opti schen Aufbaus eines faseroptischen Sagnac-Interferometers ist.