Aircraft-navigation-grade laser-driven FOG with Gaussian-noise phase modulation

Abstract

A laser-driven fiber optic gyroscope (FOG) is demonstrated with an angular random walk noise of 5.5×10^-4 deg/√h, a drift of 6.8×10^-3 deg/h, and an inferred scale-factor stability of 0.15 ppm, making it, to the best of our knowledge, the first laser-driven FOG to satisfy the performance requirements for inertial navigation of commercial aircraft. This is achieved using Gaussian white noise phase modulation to broaden the linewidth of the source laser and to strongly suppress the narrow-linewidth optical carrier. The performance of this laser-driven FOG is shown to have better noise and only slightly higher drift than the same FOG driven by a conventional superfluorescent fiber source. This result is validated for two lasers with widely different intrinsic coherence.

Optimizing Coherence Suppression in a Laser Broadened by Phase Modulation With Noise

“…Recently, the bandwidth of a laser has been broadened by sending its output through an electro-optic phase modulator (EOM) driven by broadband RF noise [8], [10], [11]. For weak modulation, some of the carrier power is redistributed into symmetric sidebands whose frequency spectra mirror the RF frequency spectrum.…”

“…As the modulation amplitude is increased, the power in the sidebands is further redistributed into higher-JLT-27020-2020 order sidebands, and sidebands convolve with each other: the optical spectrum therefore smoothes out into a Gaussian shape with a broad bandwidth independent of the original laser linewidth. This method has produced bandwidths ranging from ~1.5 GHz [9] to ~10 GHz [8] and 42 GHz [10]. Only a small fraction fc (~10 -4 ) of residual carrier remains [11].…”

“…In general, increasing the noise voltage applied to the EOM reduces fc exponentially [11]- [14]. However, experiments show that at large voltages the carrier suppression degrades [9]- [10], leading to a narrow range of voltages that suppress the carrier optimally. Thus, there is a need to understand why fc degrades at large voltages, and how to possibly broaden this range.…”

Использование высокочастотной шумоподобной модуляции для снижения дрейфовых процессов в LiNbO-=SUB=-3-=/SUB=--фазовом модуляторе волоконно-оптического гироскопа

“…Так, в работе [2] авторам удалось применить радиофотонные технологии для уменьшения дисперсии Аллана для волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) с лазерным источником оптического излучения. Достижение такого результата стало возможным за счет использования дополнительной фазовой модуляции оптического сигнала источника лазерного излучения (ширина полосы генератора гауссовского шума от 10 MHz до 11 GHz по уровню −3 dB [2]), что позволило увеличить ширину спектра оптического излучения и уменьшить влияние обратных отражений, возникающих в оптическом тракте ВОГ.…”

“…Так, в работе [2] авторам удалось применить радиофотонные технологии для уменьшения дисперсии Аллана для волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) с лазерным источником оптического излучения. Достижение такого результата стало возможным за счет использования дополнительной фазовой модуляции оптического сигнала источника лазерного излучения (ширина полосы генератора гауссовского шума от 10 MHz до 11 GHz по уровню −3 dB [2]), что позволило увеличить ширину спектра оптического излучения и уменьшить влияние обратных отражений, возникающих в оптическом тракте ВОГ. Важность работы [2] заключается в уменьшении дисперсии Аллана ВОГ до уровня, достижимого с использованием широкополосного источника при применении лазерного источника оптического излучения, что потенциально может улучшить стабильность масштабного коэффициента, уменьшить стоимость и сложность ВОГ.…”