DE3615916C2

DE3615916C2 -

Info

Publication number: DE3615916C2
Application number: DE3615916A
Authority: DE
Inventors: John R. Scituate Mass. Us Haavisto
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 1985-10-02
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1990-07-19
Also published as: FR2588075B1; JPS6282315A; GB2182139A; DE3615916A1; US4661964A; FR2588075A1; GB2182139B; GB8610345D0; JPH0547046B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasergyroskop, umfassend eine Halbleiter-Laserdiode; einen Ringwellenleiter; Mittel zum Einkoppeln von Laserlicht in den Ringwellenleiter unter Erzeugung von gegensinnig umlaufenden Strahlen; Wellenlei ter, die dämpfend mit dem Ringwellenleiter gekoppelt sind und die zur Überwachung des in diesem sich fortpflanzenden Lichtes mit zwei Detektoren verbunden sind, die Licht im Ringwellenleiter erfassen.

Ein derartiges Lasergyroskop ist Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 35 00 633.1, die jedoch nicht vorver öffentlicht ist. Dieses Lasergyroskop mit offenem Kreis stellt die Vorstufe der vorliegenden Anmeldung dar. Es zeigt eine Anordnung, bei der die Laserfrequenz über die Resonanzfrequenz des Resonators in Stufen, die einem Gleichspannungspegel überlagert sind, abgetastet wird. Die Lichtintensität des einen der gegensinnigen Lichtstrahlen wird während jeder Stufe erfaßt und die Intensitätsdiffe renz des erfaßten Lichts wird festgestellt. Die Intensi tätsdifferenz wird dazu genutzt, den Gleichspannungspegel der Stufen so zu ändern, daß die Differenz gegen Null aus geregelt wird. Die Lichtintensität des anderen der gegen sinnigen Lichtstrahlen wird während jeder Stufe erfaßt und die Intensitätsdifferenz wird ebenfalls festgestellt. Diese Differenz bezeichnet die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops.

Die DE-OS 27 20 256 betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Messung einer Inertialdrehung. Es werden Spiegel verwendet, die das Licht auf einem geschlossenen Weg re flektieren. Außerdem werden akustisch-optische Modulatoren benutzt, um die Frequenzen der Lichtstrahlen in üblicher Weise zu steuern.

Die DE 33 30 660 A1 betrifft eine Einrichtung zur Messung von Unterschieden der Eigenresonanzfrequenzen optischer Resonatoren. Dabei wird die Intensität des Laserstrahls durch einen Laserstrommodulator moduliert. Die Modula tionsfrequenz wird so geregelt, daß Seitenbänder den Re sonanzfrequenzen des Ringresonators für linksherum und rechtsherum laufendes Licht nachgeführt werden, wenn sich die Resonanzfrequenz infolge einer inertialen Winkelge schwindigkeit durch den Sagnac-Effekt aufspaltet. Die Mo dulationsfrequenz liefert dann ein Maß für die Winkelge schwindigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasergyros kop der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbes sern, daß im Wellenleiteraufbau keine aktiven Elemente wie gesonderte Frequenzregelungselemente erforderlich sind, daß das Gyroskop einen geringeren Störanteil und damit eine verbesserte Signalgüte aufweist und daß bei einfachem Aufbau eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Anspruch 1 ge kennzeichneten Merkmale. Der Unteranspruch enthält eine zweckmäßige weitere Ausbildung.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, auf aktive Elemente wie elektro-optische Modulatoren für die Frequenzmodulation zu verzichten. Es wird ein Signal besserer Qualität mit geringem Störanteil erzeugt. Die zeitliche Trennung der beiden Resonanzfrequenzen schließt eine Schwebung aus, die bei Lasergyroskopen bekannt ist, wenn im Resonanzhohlraum gleichzeitig gegensinnige Strah len vorhanden sind. Schließlich werden durch die zeitliche Trennung optische Wechselwirkungen, wie etwa Kerr-Effekte, vermindert. Außerdem ist der Raumbedarf der erfindungsge mäßen Anordnung wesentlich geringer.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Lasergyroskops dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung;

Fig. 2 eine Graphik, in der die Laserfrequenz über der Zeit aufgetragen ist;

Fig. 3 eine Graphik, in der die Laserfrequenz über dem Eingangsstrom aufgetragen ist; und

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer Dünnfilm Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

In Fig. 1 umfaßt das Lasergyroskop 10 eine Halbleiter- Laserdiode 12, die monochromatisches Laserlicht erzeugt. Licht vom Laser 12 passiert ein fakultatives Trennglied 14 und gelangt in einen 3-dB-Verzweigungswellenleiter 16. Die beiden Wellenleiterzweige 17 und 18 injizieren rechts- und linkslaufende Lichtstrahlen mittels gedämpfter Einkopplung in einen Ringwellenleiter 19. Die Ausgänge der Wellenlei ter 20 und 22 dienen der Erfassung des vom Ringwellenlei ter 19 absorbierten Lichts. Der Ausgang des Wellenleiters 20 ist mit einem Detektor 24 und der Ausgang des Wellen leiters 22 ist mit einem Detektor 26 gekoppelt. Am Ausgang des Detektors 24 herrscht eine Spannung V₁, am Ausgang des Detektors 26 eine Spannung V₂. Ein Schalter 28 dient dem abwechselnd aufeinanderfolgenden Anlegen der Spannungen V₁ und V₂ an den Eingang eines Servosystems 30. Das Ausgangs signal F des Servosystems 30 wird mit einer Referenzfrequenz F _MOD verglichen, die zur Einstellung des der Halbleiter Laserdiode 12 zugeführten Eingangsstroms dient.

Nach Fig. 2 wird die Frequenz der Laserdiode 12 zwischen den Werten f₁ und f₂ in regelmäßigen Abständen umgeschal tet. Die Frequenzänderung der Laserdiode 12 wird erreicht durch Ändern des Eingangsstroms zur Laserdiode 12. Diese Beziehung ist in Fig. 3 gezeigt, aus der ersichtlich ist, daß die Frequenz eine im wesentlichen lineare Beziehung zum Eingangsstrom i hat.

Im Betrieb wird der Strom i der Laserdiode 12 mit unverän derlicher Rate zwischen zwei Werten umgeschaltet, die so gewählt sind, daß sie den Resonanzfrequenzen der beiden Fortpflanzungsrichtungen im Ring entsprechen. Es ist er sichtlich, daß die effektive Weglänge im Ringwellenleiter 19 für den rechts- und den linkslaufenden Strahl jeweils verschieden ist, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Gyros kops 10 um eine zur Ebene der Fig. 1 senkrechte Achse in unterschiedlichen Resonanzfrequenzen für die gegensinnigen Strahlen resultiert. Die Laserstromwerte werden durch das Resonanznachlauf-Servosystem 30 bestimmt. D. h., das Ser vosystem 30 stellt die Frequenz der Laserdiode 12 so ein, daß sowohl der rechts wie auch der links umlaufende Laser strahl im Ringwellenleiter 19 in Resonanz gehalten werden. Der Schalter 28 wird synchron mit dem Umschalten der La serfrequenz betätigt, so daß die gegensinnigen Strahlen in Resonanz gehalten werden. Die Differenz f₁-f₂ zwischen den Frequenzen der gegensinnig umlaufenden Strahlen ist proportional der Winkelrotation des Lasergyroskops 10 um eine zur Ebene von Fig. 1 senkrechte Achse.

Eine Implementierung des Lasergyroskops ist in Fig. 4 dar gestellt. Das Lasergyroskop 10 ist auf einem Substrat 40, das bevorzugt Glas ist, implementiert und weist einen Gallium-Aluminium-Arsenid-Halbleiterlaser 42 auf. Der Aus gang des Lasers 42 wird in einen verzweigten Wellenleiter 44 gekoppelt, der unter Dämpfung in den Ringwellenleiter 46 einkoppelt. Der Ringwellenleiter 46 ist bevorzugt durch Ionenaustausch gebildet. Im Ringwellenleiter 46 sich fort pflanzendes Licht wird von Ausgangswellenleitern 48 und 50 überwacht und von Detektoren 52 und 54 erfaßt. Der Ausgang der Detektoren 52 und 54 wird in Verbindung mit einer Elektronik (nicht gezeigt) genutzt, die als Teil des Sub strats 40 vorgesehen sein kann. Diese Elektronik reali siert das unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterte Servo system.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Aus gänge der Detektoren synchron mit dem Laser umgeschaltet, und es wird eine einzige Servoschleife verwendet. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Lasereingang zwi schen zwei parallelen Servoschleifen umgeschaltet. Die Gyroskopgeschwindigkeits-Information wird durch Differen zierung der Rückkopplungssignale in der Servoschleife erhalten. Zur amplitudenunabhängigen Servoregelung kann der Laser moduliert werden, und es kann eine phasen empfindliche Demodulation erfolgen. Bei der Ausführungs form mit zwei Servoschleifen können zwei verschiedene Mo dulationsfrequenzen verwendet werden. Ferner kann eine zu sätzliche Laserlicht-Trennung vorgesehen werden, um die Rückkopplung zu vermindern.

Claims

1. Lasergyroskop, umfassend eine Halbleiter-Laserdiode (12, 42); einen Ringwellenleiter (19, 46); Mittel (16, 17, 18; 44) zum Einkoppeln von Laserlicht in den Ringwellenleiter (19, 46) unter Erzeugung von gegensinnig umlaufenden Strahlen; Wellenleiter (20, 22; 48, 50), die dämpfend mit dem Ringwellenleiter (19, 46) gekoppelt sind und die zur Überwachung des in diesem sich fortpflanzenden Lichtes mit zwei Detektoren (24, 26; 52, 54) verbunden sind, die Licht im Ringwellenleiter (19, 46) erfassen, dadurch gekennzeichnet,
- daß ein Servosystem (30) vorgesehen ist, das die Frequenz der Halbleiter-Laserdiode (12, 42) so regelt, daß gegensinnige Lichtstrahlen im Ringwellenleiter (19, 46) in Resonanz bleiben,
- daß der Strom der Halbleiter-Laserdiode (12, 42) zwischen zwei Werten umschaltbar ist, die so gewählt sind, daß sie den Resonanzfrequenzen (f₁, f₂) der beiden Fortpflanzungsrichtungen im Ringwellenleiter (19, 46) entsprechen, und
- daß ein Schalter (28) vorgesehen ist zum aufeinander folgenden Anlegen der Ausgangssignale der beiden Detektoren (24, 26; 52, 54) an den Eingang des Servo systems (30) synchron mit dem Umschalten des Stroms der Halbleiter-Laserdiode (12, 42).

2. Lasergyroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Trennglied (14) zwischen der Halbleiter-Laserdiode (12, 42) und den Mitteln (16, 17, 18; 44) zum Einkoppeln von Laserlicht.