Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen faseroptischen Kreisel, der zum Aufspalten und Koppeln
von Licht einen optischen Wellenleiter verwendet, der als eine optische integrierte Schaltung
ausgebildet ist.
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Es ist ein faseroptischer Kreisel vorgeschlagen worden, der anstelle eines optischen
Faserkopplers einen als eine optische integrierte Schaltung ausgebildeten optischen Wellenleiter
verwendet, um Licht von einer Lichtquelle in zwei Teile zur Fortpflanzung zu einer ein
Ringinterferometer bildenden optischen Faserspule aufzuspalten und zwei Lichtstrahlen, die sich durch die
Faserspule fortgepflanzt haben, zusammenzuführen, um sie als Interferenzlicht zu einem
Photodetektor zu leiten (vergleiche z.B. GB-A-2 121 532).
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Fig. 1 zeigt ein anderes Beispiel eines solchen faseroptischen Kreisels, bei dem eine optische
Faserspule 61 in Schichten um den Umfang eines scheibenförmigen Trägeraufbaus 20 nahe
dessen einer Seite gewickelt ist und eine Lichtquelle 62, ein Photodetektor 63 und ein Substrat
70 mit einer optischen integrierten Schaltung auf dem Trägeraufbau 60 innerhalb der optischen
Faserspule 61 montiert sind. Das Substrat 70 mit der optischen integrierten Schaltung ist eine
rechteckige elektrooptische kristalline Platte etwa aus Lithium-niobat und weist an ihrer einen
Oberfläche einen optischen Wellenleiter 74 auf, der durch Eindiffundieren von beispielsweise
Titan in einem gewünschten Streifenmuster ausgebildet wurde. Der optische Wellenleiter 74
umfaßt einen Stamm 71, ein Paar Zweige 72a und 72b, die ausgehend von dem einen Ende
des Stamms 71 auseinanderlaufen, und ein weiteres Paar Zweige 73a und 73b, die in ähnlicher
Weise ausgehend von dem anderen Ende des Stamms 71 auseinanderlauften. Das Paar Zweige
72a und 72b und der Stamm 71 bilden einen 3 dB Koppler, während das Paar Zweige 73a und
73b und der Stamm 71 ebenfalls einen 3 dB Koppler bilden. Optische Verbinder 76 und 77
sind an den entgegengesetzten Enden des Substrats 70 mit der optischen integrierten
Schaltung vorgesehen. Die Zweige 72a und 72b des optischen Wellenleiters 74 sind mit dem einen
bzw. dem anderen Ende 61a und 61 b der optischen Faserspule 61 verbunden, und die Zweige
73a und 73b sind über optischen Fasern 78 und 79 mit der Lichtquelle 62 bzw. dem
Photodetektor 63 verbunden. Eine elektrische Schaltungseinheit 80 ist an der anderen Seite des
Trägeraufbaus 60 montiert.
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Obwohl nicht dargestellt, ist ein Elektroden paar zu Phasenmodulation für einen oder beide
Zweige 72a und 72b des optischen Wellenleiters 74 vorgesehen, und die elektrische
Schaltungseinheit 80 enthält einen Phasenmodulationsgenerator zur Lieferung eines
Phasenmodulationssignals an dieses Elektrodenpaar sowie einen Synchrondetektor zur Synchrondetektierung
eines Ausgangssignals von dem Photodetektor 63 mittels des Phasenmodulationssignals zum
Erhalt des Ausgangssignals des faseroptischen Kreisels. Der Stamm 71 des optischen
Wellenleiters 74 ist so ausgebildet, daß ein Polarisationseffekt erzeugt wird.
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Licht von der Lichtquelle 62 läuft durch die optische Faser 78 und gelangt vom Zweig 73a des
optischen Wellenleiters 74 über den Stamm 71 zu den Zweigen 72a und 72b, das heißt das
Licht wird in zwei Strahlen aufgespaltet. Dabei wird entweder einer der Lichtstrahlen oder es
werden beide Lichtstrahlen durch Anlegen des oben erwähnten Phasenmodulationssignals an
das erwähnte Elektrodenpaar phasenmoduliert. Als Ergebnis wird das eine Licht als linksseitiges
Licht der optischen Faserspule 61 an deren einem Ende 61a und das andere Licht als
rechtsseitiges Licht der optischen Faserspule 61 an deren anderem Ende 61b zugeführt. Das linksseitige
Licht und das rechtsseitige Licht werden nach Durchlaufen der optischen Faserspule 61 dem
Stamm 71 des optischen Wellenleiters 74 über dessen Zweige 72b und 72a von dem anderen
Ende 61b bzw. dem einen Ende 61a der optischen Faserspule 61 zugeführt, wodurch sie
zusammengeführt werden. Das resultierende Interferenzlicht wird von dem Zweig 73b des
optischen Wellenleiters 74 über die optischen Faser 79 dem Photodetektor 63 zugeführt, in dem es
in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, das mittels des oben erwähnten
Phasenmodulationssignals einer Synchronmodulation unterzogen wird, was zu dem Ausgangssignal des
faseroptischen Kreisels führt. Eine Basis 91 ist an einer Seite des Trägeraufbaus 60 montiert, und
das Substrat 70 mit der optischen integrierten Schaltung ist gemäß Darstellung in den Figuren
2 und 3 mittels eines Klebstoffs 92 direkt an der Basis 91 befestigt.
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Da bei dem oben erwähnten bekannten faseroptischen Kreisel das Substrat 70 mit der
optischen integrierten Schaltung direkt mittels des Klebstoffs 92 mit der Basis 91 verbunden ist,
wird eine zufällige Erhitzung von außen, etwa ein Anstieg der Umgebungstemperatur, eine
starke thermische Spannung im Substrat 70 mit der optischen integrierten Schaltung
hervorrufen. Dies beruht auf dem Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
dem elektrooptischen Kristall, der das Substrat 70 mit der integriert Schaltung bildet, und der
Basis 91, wodurch der elektrooptische Kristall thermisch verformt wird und dadurch sein
Brechungsindex geändert wird, was einen Fehler im Ausgangssignal des faseroptischen Kreisels
verursacht.
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Das Dokument US-A-4,750,800 offenbart einen Montageaufbau für einen integrierten
optischen Chip, bei dem das LiNbO&sub3; an einem Substrat befestigt ist, welches seinerseits an einem
Trägergehäuseaufbau angebracht ist. Ein mittels ultravioletter Bestrahlung aushärtender
Klebstoff wird dazu verwendet, den Chip an dem Substrat zu befestigen, während ein nachgiebiger
Klebstoff, etwa Silicongummi, zur Montage des Substrats an dem Trägergehäuseaufbau
verwendet wird. Der nachgiebige Klebstoff dient dazu (durch Absorption), eine
Spannungsübertragung von dem Trägergehäuseaufbau auf das Substrat zu beschränken. Das Substratmaterial ist
ausgewählt aus Materialien, die anisotrope thermische Ausdehnungscharakeristiken aufweisen,
die gleich jenen des IO-Chips sind oder diesem exakt entsprechen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Kreisel mit kleinem
Durchmesser zu schaffen, der einen als optische integrierte Schaltung ausgebildeten optischen
Wellenleiter zum Aufspalten und Koppeln von Licht verwendet.
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Diese Aufgabe wird mit einem faseroptischen Kreisel wie beansprucht gelöst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein faseroptischer Kreisel geschaffen, der enthält: eine
Lichtquelle, eine ein Ringinterferometer darstellende optische Faserspule, einen Photodetektor
und ein Substrat mit einer optischen integrierten Schaltung, von der Licht von der Lichtquelle
zur Lieferung an die optische Faserspule in zwei Strahlen aufgeteilt wird, und die beiden
Lichtstrahlen nach Durchlaufen der optischen Faserspule zur Lieferung an den Photodetektor vereint
werden. In diesem faseroptischen Kreisel ist die optische integrierte Schaltung an einer
Versteifungsplatte fixiert, die aus dem gleichen elektrooptischen Kristall hergestellt ist, wie er für das
Substrat mit der optischen integrierten Schaltung verwendet wird, oder einem Material, das
etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der elektrooptische Kristall
aufweist. Die Versteifungsplatte wird durch flexible Mittel auf einem Trägeraufbau gehalten.
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Bei solch einem faseroptischen Kreisel, bei dem die Versteifungsplatte von den flexiblen Mitteln
versetzbar auf dem Trägeraufbau gehalten wird, wird, selbst wenn in der Versteifungsplatte
eine thermische Spannung aufgrund des Unterschiedes der thermischen Ausdehnung zwischen
der Versteifungsplatte und dem Trägeraufbau bei äußerer Erhitzung des
Geschwindigkeitsmessers auftritt, die Versteifungsplatte relativ zum Trägeraufbau versetzt, um dadurch die
thermische Spannung zu absorbieren. Da hierbei das Substrat mit der optischen integrierten
Schaltung und die Versteifungsplatte aus dem gleichen elektrooptischen Kristall hergestellt sind oder
die Versteifungsplatte aus einem Material gebildet ist, dessen thermischer
Ausdehnungskoeffizient etwa derselbe wie der des Substrats mit der optischen integrierten Schaltung ist, wird in
dem Substrat mit der optischen integrierten Schaltung direkt keine hohe thermische Spannung
aufgrund des Unterschiedes zwischen ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten entstehen.
Folglich wird im wesentlichen keine thermische Spannung in dem das Substrat mit der
optischen integrierten Schaltung bildenden elektrooptischen Kristall auftreten, was praktischer
Weise die Möglichkeit des Einführen von Fehlern in das Ausgangssignal des faseroptischen
Kreisels aufgrund einer Änderung des Brechungsindex des elektrooptischen Kristalls infolge
seiner thermischen Verformung ausschließt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen faseroptischen
Kreisels zeigt;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Trägeraufbau für ein Substrat mit einer
optischen integrierten Schaltung bei dem herkömmlichen faseroptischen Kreisel zeigt;
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht des in Fig. 2 gezeigten Trägeraufbaus;
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Fig. 4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel des Trägeraufbaus für das Substrat mit der
optischen integrierten Schaltung bei dem faseroptischen Kreisel der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht des in Fig. 4 gezeigten Trägeraufbaus;
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Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die eine Deformation eines Teiles des Trägeraufbaus von Fig.
4 zeigt, wenn in diesem eine thermische Spannung verursacht wird; und
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel des Trägeraufbaus für das Substrat
mit der optischen integrierten Schaltung bei dem faseroptischen Kreisel der
vorliegenden Erfindung darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Figuren 4 und 5 zeigen ein Beispiel des Trägeraufbaus für das Substrat mit der optischen
integrierten Schaltung bei dem faseroptischen Kreisel der vorliegenden Erfindung. Das Substrat
30 mit der optischen integrierten Schaltung ist mittels eines Klebstoffs oder ähnlichem an der
Versteifungsplatte 50 fixiert. An der Oberseite des Trägeraufbaus 10 sind eine Auflage 11, die
kürzer und schmäler ist als das Substrat 30 mit der optischen integrierten Schaltung, und zwei
Paare dünner plattenartiger Trägerstücke 12, die höher sind als die Auflage 11 und ihr allseitig
gegenüberliegen, durch Schneiden vorstehend ausgebildet. Die Versteifungsplatte 50 mit dem
darauffestmontierten Substrat 30 mit der optischen integrierten Schaltung ist auf die Auflage
11 gesetzt und mittels eines Klebstoffs 52 mit den dünnen plattenartigen Trägerstücken 12 des
Trägeraufbaus 10 verbunden. Die Trägerstücke 12 bilden flexible Haltemittel. Um die Auflage
11 sind Freiräume zur Verhinderung eines Flusses des Klebstoffs 52 gebildet.
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Bei dieser Ausführungsform gilt, daß, selbst wenn die Versteifungsplatte 50 und der
Trägeraufbau 10 unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die dünnen
plattenförmigen Trägerstücke, die die Versteifungsplatte 50 tragen, durch äußere
Hitzeeinwirkung leicht verformt werden, wie vergrößert in Fig. 6 dargestellt, was die auf die
Versteifungsplatte 50 einwirkende Spannung vermindert. Da ferner die Versteifungsplatte 50 aus
dem gleichen elektrooptischen Kristall hergestellt ist, wie er für das Substrat 30 mit der
optischen integrierten Schaltung verwendet wird, oder aus einem Material mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen gleich dem des elektrooptischen Kristalls ist,
wird auch keine große Spannung direkt in dem Substrat 30 mit der optischen integrierten
Schaltung aufgrund des Unterschiedes ihrer thermischen Ausdehnung induziert. Eine mögliche
Änderung des Brechungsindex des elektrooptischen Kristalls infolge seiner
Spannungsverformung wird so gering sein, daß der faseroptischen Kreisel sein Ausgangssignal praktisch
fehlerfrei erzeugt.
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Fig. 7 zeigt ein anderes Beispiel des Trägeraufbaus für das Substrat mit der optischen
integrierten Schaltung bei dem faseroptischen Kreisel gemäß der vorliegenden Erfindung. Das
Substrat 30 mit der optischen integrierten Schaltung ist mittels eines Klebstoffs oder
dergleichen an der Versteifungsplatte 50 befestigt. Der Trägeraufbau 10 weist eine Auflage 13 und
eine Kombination aus einem Stufenabschnitt 14 und einem dünnen plattenartigen Trägerstück
15 auf, die die Versteifungsplatte 50 an ihren gegenüberliegenden Enden in ihrer Längsrichtung
tragen. Die Versteifungsplatte, die das Substrat 30 mit der optischen integrierten Schaltung
trägt, ist auf der Auflage 13 montiert und mittels eines Klebstoffs 53 mit dem Stufenabschnitt
14 und dem dünnen plattenartigen Trägerstück des Trägeraufbaus 10 verbunden. Auch dieses
Beispiel ergibt denselben Effekt wie die zuvor unter Bezug auf die Figuren 4, 5 und 6
beschriebenen.
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Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung das Substrat mit der optischen
integrierten Schaltung fest auf einer Versteifungsplatte montiert, die aus dem gleichen
elektrooptischen Kristall hergestellt ist, wie er für das Substrat 30 mit der optischen integrierten
Schaltung verwendet wird, oder aus einem Material mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der nahezu gleich dem des elektrooptischen Kristalls ist, und die
Versteifungsplatte wird mittels flexibler Haltemittel auf einem Trägeraufbau gehalten. Daher tritt im
wesentlichen keine thermische Verformung in dem elektrooptischen Kristall, der das Substrat
mit der optischen integrierten Schaltung bildet, auf, und folglich besteht praktisch keine
Möglichkeit, daß durch Änderung des Brechungsindex des elektrooptischen Kristalls, die von dessen
thermischer Verformung herrührt, ein Fehler in das Ausgangssignal des faseroptischen Kreisels
eingeführt wird.
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Es ersichtlich, daß viele Modifikationen und Variationen ausgeführt werden können, ohne den
Rahmen des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung zu verlassen.