レーザ源を利用した低ノイズの光ファイバセンサ
光ファイバセンサは、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む。源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送される。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する。レーザ源は周波数変調されるか、またはコイルの長さよりも長いコヒーレンス長を有し得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本願は、２００７年１１月１５日に出願された米国仮出願第６０／９８８，４０４号の優先権の利益を主張する。当該仮出願はその全体がここに引用により援用される。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本願は一般に光ファイバセンサに関し、より特定的には光ファイバジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）の初期の実験的実証は、光源用にレーザを用いて得られた。たとえば、Ｒ．Ａ．バーグ（Bergh）、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル（Lefevre）、およびＨ．Ｊ．ショー（Shaw）、「全単一モード光ファイバジャイロスコープ」（All-single-mode fiberoptic gyroscope）、オプティクス・レターズ（Optics Letters）、第６巻第４号、１９８〜２００頁（１９８１）を参照されたい。ＦＯＧに関する、ショットノイズが制限された感度が期待された（たとえば、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」（The Fiber-Optic Gyroscope）、アーテックハウス社（Artech House Inc.）、ノーウッド（Norwood）、ＭＡ（１９９３）を参照されたい）が、その感度は光ファイバにおける後方散乱によって劇的に劣化したことが、実際に観察された（たとえば、Ｃ．Ｃ．カトラー（Cutler）、Ｓ．Ａ．ニュートン（Newton）、およびＨ．Ｊ．ショー、「散乱による回転感知の制限」（Limitation of rotation sensing by scattering）、オプティクス・レターズ、第５巻第１１号、４８８〜４９０頁（１９８０）を参照されたい）。レーザを超放射源（ＳＦＳ）に置き換えること（たとえば、Ｋ．ボーム（Bohm）、Ｐ．マーテン（Marten）、Ｋ．ペーターマン（Petermann）、Ｅ．ワイデル（Weidel）、およびＲ．ウーリッチ（Ulrich）、「超放射ダイオードを用いた低ドリフトファイバジャイロ」（Low-drift fibre gyro using a superluminescent diode）、エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters）、第１７巻第１０号、３５２〜３５３頁（１９８１）を参照されたい）は、この後方散乱により誘導されたノイズの劇的な減少を、カー効果、偏光変動、およびファラデー効果による他のノイズ源の減少とともに、もたらした。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
いくつかの実施例では、光ファイバセンサは、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合された周波数変調されたレーザ源とを含む。源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送される。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する。
【０００５】
いくつかの実施例では、ある方法が光ファイバセンサを動作させる。この方法は、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含む。このステップはさらに、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。この方法はさらに、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。この方法はさらに、第１の信号および第２の信号が周波数変調されるようにレーザ源の周波数を変調するステップを含む。
【０００６】
いくつかの実施例では、光ファイバセンサは、ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む。レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有する。源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送される。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する。
【０００７】
いくつかの実施例では、ある方法が光ファイバセンサを動作させる。この方法は、ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含む。レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有する。この方法はさらに、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。この方法はさらに、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的な光ファイバセンサ１０を概略的に示す図である。
【図２】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったサニャック光ファイバセンサの光ファイバコイルにおける単一散乱体Ｓを概略的に示す図である。
【図３Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったレーザ源の線形掃引周波数のプロットである。
【図３Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った後方散乱信号およびメイン信号のシフトされた周波数のプロットである。
【図４】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、散乱体位置での後方散乱ノイズのビート周波数の依存性のプロットである。
【図５Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったレーザ源の光学線幅のプロットである。
【図５Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったビート信号の電気的線幅のプロットである。
【図５Ｃ】レーザ源のあるレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す図である。
【図５Ｄ】レーザ源のあるレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す図である。
【図５Ｅ】レーザ源のあるレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す図である。
【図６Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、周期的な鋸歯状の周波数変調波形形状のプロットである。
【図６Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、周期的な周波数変調についての戻り光周波数およびビート周波数のプロットである。
【図７】鋸歯状の波形および正弦波形の確率の密度のプロットである。
【図８Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサを概略的に示す図である。
【図８Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサを概略的に示す図である。
【図９】ＳＦＳ、レーザ、および周波数変調レーザという３つの異なる光源についての、ＳＭＦ−２８ファイバを有する図８Ａのセンサに関する回転信号のプロットである。
【図１０】ＳＭＦ２８ファイバが停止状態にある図８Ａのセンサについて観察されたＲＦスペクトルのプロットである。
【図１１】空芯ＦＯＧが停止状態にある図８Ａのセンサについて観察されたＲＦスペクトルのプロットである。
【図１２Ａ】停止状態の空芯ＦＯＧについての、検出器信号の時間特性およびスペクトル特性を示す図である。
【図１２Ｂ】停止状態の空芯ＦＯＧについての、検出器信号の時間特性およびスペクトル特性を示す図である。
【図１３】標準的なファイバコイルについての、検出帯域幅の平方根に対するノイズの依存性を示す図である。
【図１４】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサを概略的に示す図である。
【図１５】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法のフロー図である。
【図１６】コイル長よりも大きい源コヒーレンス長を利用した、いくつかの実施例の理論的数値モデルの結果を示す図である。
【図１７】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
超放射源（ＳＦＳ）などの広帯域源は、カー効果およびファラデー効果に関連する有害効果、偏光に関する非相反性、および、コヒーレント後方散乱から生じるノイズを減少させるために、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）などの光ファイバセンサ用によく使用されている。光源としてのＳＦＳの使用がＦＯＧの感度の注目すべき向上をもたらしたものの、感度は依然として、２つの主な欠点によって制限されている。特定の過剰ノイズ減少手法が使用されない限り、広帯域源の使用に関するノイズの１つの付加的な源は、検出器での広帯域源の異なるスペクトル成分間のビートによる過剰ノイズである。たとえば、Ｒ．Ｐ．メラー（Moeller）およびＷ．Ｋ．バーンズ（Burns）、「ノイズ減算を用いた１．０６μｍ全ファイバジャイロスコープ」（1.06-μm all-fiber gyroscope with noise subtraction）、オプティクス・レターズ、第１６巻第２３号、１９０２〜１９０４頁（１９９１）、およびここにその全体が引用により援用される米国特許第５，５３０，５４５号を参照されたい。ＦＯＧ用の光源としてのＳＦＳの別の欠点は、ＳＦＳの広帯域出力の平均波長を安定化する際の困難である。これらの欠点は、ＦＯＧが、唯一の慣性航法機器としての航空機において使用されることを妨げる一因となっている。
【００１０】
図１は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的な光ファイバセンサ１０を概略的に示す。センサ１０は、光ファイバコイル２０と、コイル２０に光学的に結合された少なくとも１つの光学結合器３０とを含む。センサ１０はさらに、少なくとも１つの光学結合器３０に光学的に結合された周波数変調されたレーザ源４０を含む。レーザ源４０からの光は、少なくとも１つの光学結合器３０によって、コイル２０に沿って第１の方向５４に伝搬する第１の信号５２、およびコイル２０に沿って第１の方向５４とは反対の第２の方向５８に伝搬する第２の信号５６として、コイル２０に伝送される。第１の信号５２および第２の信号５６の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号５２および第２の信号５６は、少なくとも１つの光学結合器３０によって組合され、第３の信号６０を生成する。
【００１１】
いくつかの実施例では、光ファイバセンサ１０は、図１に概略的に示すようなサニャックベースの光ファイバセンサである。いくつかの実施例のセンサ１０は、コイル２０の回転に敏感なＦＯＧである（たとえば、コイル２０に加わる（たとえば１時間当たりの度数単位での）回転の速度が変化するにつれて、第３の信号６０によって運ばれるパワーが変化する）。いくつかの他の実施例では、センサ１０は、音響摂動、熱的摂動、および磁場摂動を含むもののこれらに限定されない１つ以上の他の摂動に敏感であるよう構成される。いくつかの実施例のセンサ１０は、それにより、回転運動、音場、熱過渡、および磁場のうちの１つ以上の検出を提供する。いくつかの実施例のセンサ１０は、方位磁石として、ジャイロコンパスとして、および運動センサとしての目的を含むもののそれらに限定されない１つ以上の目的のために使用されるよう構成される。当業者であれば、以下の説明の大半はＦＯＧに関して提示されるものの、他の光ファイバセンサもここに記載されたいくつかの実施例に対応していることを認識するであろう。
【００１２】
いくつかの実施例のコイル２０は、複数の実質的に同心のループを含む。いくつかの実施例では、コイル２０は、従来の光ファイバ（たとえば、ＮＹ、コーニング（Corning）のコーニング社（Corning, Inc.）から入手可能なＳＭＦ−２８（登録商標）光ファイバといった単一モードファイバ）を含む。いくつかの他の実施例では、コイル２０は空芯光ファイバ（デンマーク、ビアケレズ（Birkerod）のクリスタルファイバ（Crystal Fibre）Ａ／Ｓから入手可能なＨＣ−１５５０−０２光ファイバといった中空光バンドギャップファイバ）を含む。いくつかの実施例では、空芯光ファイバは、従来の光ファイバと比べて、カー効果、ファラデー効果、およびシュープ（熱）効果のうちの１つ以上の減少を有利に提供する。たとえば、各々、その全体がここに引用により援用される、米国特許出願公開番号第２００８／００３０７４１ Ａ１号、および、Ｈ．Ｋ．キム（Kim）、Ｖ．ダンギ（Dangui）、Ｍ．ディゴネット（Digonnet）、およびＧ．キノ（Kino）、「空芯光バンドギャップファイバを用いた光ファイバジャイロスコープ」（Fiber-optic gyroscope using an air-core photonic-bandgap fiber）、ＳＰＩＥ議事録、第５８５５巻第１号、１９８〜２０１頁（２００５）を参照されたい。しかしながら、既存の空芯光ファイバの後方散乱係数は、実際には、従来の中実光ファイバの後方散乱係数よりも（最大で約１桁分）高く、それにより、レーザ駆動の空芯光ファイバセンサ（たとえばＦＯＧ）の感度を著しく制限する。しかしながら、直進する技術改良により、空芯光ファイバは、現在の空芯ファイバで主流であるものよりもはるかに低い、劇的に減少した後方散乱レベルを有することができる。たとえば、空芯光ファイバの後方散乱を減少させるための一方法は、たとえば多くの現在の空芯光ファイバで行なわれているような７本ではなく、１９本のチューブをファイバプリフォームから取除いて芯を形成することにより、ファイバ芯の直径を増加させることである。第２の方法は、ファイバをより幅が広いバンドギャップを有するよう設計することを含む。これは、たとえば、ファイバの空気充填比を増加させることによって達成可能である。後方散乱のレベルを減少させるための第３のアプローチは、ファイバを引く速度を増加させることであり、それは本質的に、溶融帯の温度、プリフォームのチューブに印加されるガスの圧力、ガラスの粘度および／または組成といった他の作製およびプリフォームパラメータの調節を必要とする。空芯光ファイバにおける後方散乱を減少させるこれらの方法、ならびに（場合によっては）それらの物理的原因および数学的正当化は、その全体がここに引用により援用される、ビナヤック ダンギ（Vinayak Dangui）の博士号論文「レーザ駆動空芯光バンドギャップ光ファイバジャイロスコープ」（Laser-Driven Air-Core Photonic-Bandgap Fiber Optic Gyroscope）、スタンフォード大学（Stanford University）電気工学部（Electrical Engineering Department）、２００７年１０月の特に第５．３．７項に見られる。他の光ファイバも、ここに記載されたさまざまな実施例に対応する。
【００１３】
いくつかの実施例では、図１に概略的に示すように、少なくとも１つの光学結合器３０は、第１のポート７２、第２のポート７４、および第３のポート７６を含む第１の光学結合器７０を含む。たとえば、第１の光学結合器７０は、図１に概略的に示すような３ｄＢの光学結合器を含み得る。いくつかの実施例の第１の光学結合器７０は追加のポートを含む。いくつかの実施例では、図１に概略的に示すように、第２のポート７４はコイル２０の第１の端２２に光学的に結合され、第３のポート７６はコイル２０の第２の端２４に光学的に結合されている。レーザ源４０により生成され、第１のポート７２が受けた光は、第１の信号５２と第２の信号５６とに分割される。第１の信号５２は、第２のポート７４によってコイル２０の第１の端２２に伝送されて、コイル２０に沿って第１の方向（たとえば時計回り）に伝搬し、コイル２０の第２の端２４および第３のポート７６によって第１のポート７２に伝送される。第２の信号５６は、第３のポート７６によってコイル２０の第２の端２４に伝送されて、コイル２０に沿って第２の方向５８（たとえば反時計回り）に伝搬し、コイル２０の第１の端２２および第２のポート７４によって第１のポート７２に伝送される。このように、第１の信号５２および第２の信号５６はコイル２０を通って逆伝搬し、第１の光学結合器７０によって再度組合される。
【００１４】
そのような構成では、第１の信号５２および第２の信号５６の光学経路は、互いに対して実質的に相反する。ここで使用されるような「相反する」という用語は、実質的に同じ光学光路長を有し、摂動（たとえば熱的変動）に対して実質的に等しい反応を有する光学経路を含むものの、それらに限定されない、その最も広範な妥当な解釈を含む。たとえば、点Ａでの第１の状態（「状態」とは偏光状態、位相を含むが、振幅を含まない）から点Ｂでの第２の状態に進む光については、点Ｂで光の方向を反転させた際に（点Ｂで第２の状態で始まる）光が第１の状態で点Ａに再度戻る場合、光の伝搬は相反する。ここに記載されたいくつかの実施例については、２つの信号５２、５６が同じ光学経路に沿って進むため、それらの伝搬は、第１の信号がコイル２０全体を一方向に回って進む際に第１の信号５２によって累積された位相が、第２の信号５６がコイル２０全体を逆方向に回って進む際に第２の信号５６によって累積された位相と等しくなるよう、基本的にまたは実質的に相反する。この相反性は、ファラデー効果（磁場への露出から生じる）およびサニャック効果（回転への露出から生じる）といった自然の数少ない非相反効果がない場合、および、感知コイル２０の一部または全部に非対称的に加えられる非対称的な時間依存性効果（たとえば、圧力変動または温度変動といった動的摂動など）がない場合に、絶対的であろう。しかしながら、この相反性は、非相反効果がすべてちょうどゼロ、つまり、特に、２つの信号５２、５６がコイル２０に沿ったあらゆる点で同じ偏光状態（ＳＯＰ）でなければならない（しかしながら、各信号のＳＯＰは、コイル２０に沿ったあらゆる点で同じである必要はない）である場合を除き、絶対的ではない。この文脈において、「実質的に相反する」という用語は、これらの残存する非相反効果を相殺することが決して完全ではないことを認めている。実質的に相反する光学経路を含むシステムの例は、コモンパス干渉計およびコモンモード干渉計を含むが、それらに限定されない。非相反光学経路の例は、不平衡干渉計を開示している、Ｊ．ツェン（Zheng）、「全ファイバ単一モードファイバによる周波数変調連続波サニャックジャイロスコープ」（All-fiber single-mode fiber frequency-modulated continuous-wave Sagnac gyroscope）、オプティクス・レターズ、第３０巻、１７〜１９頁（２００５）に載っている。
【００１５】
いくつかの実施例では、図１に概略的に示すように、少なくとも１つの光学結合器３０は、第１のポート８２、第２のポート８４、および第３のポート８６を含む第２の光学結合器８０をさらに含む。いくつかの実施例の第２の光学結合器８０は追加のポートを含む。たとえば、第２の光学結合器８０は、図１に概略的に示すような光サーキュレータを含み得る。いくつかの実施例では、第１のポート８２は、レーザ源４０によって生成された光を受け（たとえば、第１のポート８２はレーザ源４０に光学的に結合され）、第２のポート８４は第１の光学結合器７０の第１のポート７２に光学的に結合され、第３のポート８６は検出システム９０に光学的に結合されている。第１のポート８２がレーザ源４０から受けた光は、第２のポート８４を通って、第１の光学結合器７０の第１のポート７２に伝送される。第２のポート８４が第１の光学結合器７０の第１のポート７２から受けた光（たとえば第３の信号６０）は、第３のポート８６を通って検出システム９０に伝送される。少なくとも１つの光学結合器３０の他の構成も、ここに記載されたいくつかの実施例に対応する。たとえば、少なくとも１つの光学結合器３０は追加のまたはより少ない光学素子を含むことができ、第２の光学結合器８０は３ｄＢの光学結合器を含むことができる。以下により十分に説明されるように、いくつかの実施例では、センサ１０は、偏光相反性を達成するために有利に使用可能な偏光器を含むことができる。
【００１６】
コイル２０が回転していない場合、コイル２０および第１の結合器７０によって形成されたコモンパス干渉計を通って伝搬した後で第１のポート７２に戻ってきた第１の信号５２および第２の信号５６は、同相で再度組合される。（図１のコイル２０上の小さい交差で示された）コイル２０の中心点以外のあらゆる場所でコイル２０に動的摂動が加えられると、逆伝搬する第１の信号５２および第２の信号５６は位相差を経験する。２つの信号５２、５６が少なくとも１つの光学結合器３０によってポート７２で再度組合されると、この位相差はポート７２での第３の信号６０の振幅差をもたらし、それは検出器システム９０によって検出される。この振幅差は、摂動についての情報を含む。コイル２０の回転はまた、その振幅が回転速度に比例する位相シフトを誘導する。センサ１０に摂動が与えられない場合（たとえばＦＯＧが回転なしの場合）、理想的なＦＯＧから戻ってきた信号は、変調周波数（ｄｃを含む）の数倍ものスペクトル成分を含むが、ｆ0の信号は全く戻ってこない。しかしながら、後方散乱ノイズを含む摂動は、ｆ0の成分を誘導する。このため、いくつかの実施例において対象となる信号はｆ0で変調される。
【００１７】
いくつかの実施例では、レーザ源４０は、約１．４８μｍ〜約１．６μｍの範囲の平均波長を有する。いくつかの実施例のレーザ源４０の平均波長は、約１ｐｐｍまたはより良好な範囲内に対して安定である。ＳＦＳと比べた、いくつかの実施例の平均波長のより大きな安定性は、ＦＯＧに関するより大きなスケール因子安定性を有利に提供する。いくつかの実施例では、レーザ源４０は、コヒーレント長がコイル２０の長さと等しいかそれより短くなるように狭い帯域幅を有するレーザを含む。いくつかの実施例では、レーザ源４０の帯域幅は、レーザ源４０のスペクトル成分間のビートによる過剰ノイズがセンサ１０に実質的に存在しない（たとえば過剰ノイズは、検出された信号のショットノイズを下回る）ように、十分に狭くなっている。ここに記載されたいくつかの実施例に対応するレーザの例は、外部共振器半導体ダイオードレーザ、および分散帰還型ファイバレーザを含むが、それらに限定されない。いくつかの実施例では、分散帰還型ファイバレーザは、外部共振器半導体ダイオードレーザよりもコンパクトで頑強であるため、より好適である。いくつかの実施例では、レーザ周波数は、選択された周波数ｆmで何らかのパターン（たとえば正弦波状、鋸歯状など）で変調される。
【００１８】
媒体の局所屈折率の不均一性と光との相互作用によるコヒーレント後方散乱は、光ファイバジャイロスコープ、音響センサなどのさまざまなサニャック干渉計ベースのセンサにおいて主なノイズ源であることが知られている。そのような局所不均一性に光が遭遇すると、それはさまざまな方向に散乱される。ファイバの受入れ円錐内にある逆方向の散乱光の部分は、逆伝搬モードに結合する。コイルを出ると、この光は主要波の各々と干渉して、エラー信号を生成する。散乱光および主要光の光学経路はもはや相反しておらず、そのため、温度過渡または磁場変動によるファイバ伝搬定数の局所変動、および源の位相変動によって、後方散乱によるエラー信号が、発生する干渉がコヒーレントなときに変動するようになる。このエラー信号における二乗平均平方根（ＲＭＳ）変動は、ＦＯＧなどのサニャックループベースのセンサの最小感度を制限する。ＦＯＧの場合、この種のノイズはしばしば、
【００１９】
【数１】
【００２０】
の単位で与えられるＦＯＧランダムウォークによって特徴付けられる。
いくつかの実施例では、周波数変調されたレーザ源４０は、過剰ノイズの減少（ひいてはＦＯＧについての、たとえば回転に対する感度の向上）を有利に提供し、いくつかの実施例では、後方散乱されたノイズの減少を提供する。図２は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った、サニャック光ファイバセンサ１０の光ファイバコイル２０における位置ｚにある単一散乱体Ｓを概略的に示す。図２に概略的に示すコイル２０は、以下により十分に説明されるような位相変調器１３０を含む。いくつかの実施例では、位相変調器１３０は、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」、アーテックハウス社、ノーウッド、ＭＡ（１９９３）に記載されているように、干渉計に直角位相でバイアスをかける。図２のセンサ１０は、たとえば３ｄＢのファイバ結合器といった光学結合器によってそれ自体の上で閉鎖されたコイル２０を含む標準的なサニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの一例である。いくつかの実施例では、位相変調器１３０による位相変調の期間は、コイル２０の飛行時間の２倍であり、この位相変調の周波数は、センサ１００の適正周波数ｆ0と呼ばれる。いくつかの実施例では、位相変調器１３０の変調周波数は、コイル２０の適正周波数ｆ0と等しい。周波数のこの選択は、上に引用したＨ．Ｃ．ルフェーブルにより記載されているように、回転に対するＦＯＧの感度を最大にすることを含む数々の有利な利点を有する。この位相変調の別の有益な効果は、コイルが回転すると、この回転によってコイルの出力において生じる干渉信号が周波数ｆ0を中心とする、ということである。
【００２１】
後方散乱ノイズは、検出器における、第１の信号５２と、散乱体（たとえば位置ｚにある散乱体Ｓ）からの第２の信号５６の後方散乱によって生成された概してより弱い信号との相互作用から生じる。少量の後方散乱光が少なくとも１つの光学結合器３０に戻り、そこでそれは第１の信号５２と干渉して、第１の信号５２上にノイズを生成する（第１の信号５２における光子の位相と、散乱体からの反射の位相および振幅との双方のランダム特性に起因する）。この方向において、第１の信号５２および後方散乱信号は双方とも、それらが相互作用する時点までに位相変調器１３０をすでに通過しているため、それらの干渉から生じるスプリアス信号が周波数ｆ0で発生する。ＦＯＧ出力信号上の、回転に誘導された信号もｆ0で発生する（上に引用したＨ．Ｃ．ルフェーブルを参照）ため、このスプリアス信号はＦＯＧの回転信号と区別できず、したがって、それはエラーの源を構成する。反対方向では、図２の例示的なセンサ１０における主な違いは、第２の信号５６と、散乱体からの第１の信号５２の後方散乱による後方散乱信号とが相互作用する時点までに、第２の信号５６のみが位相変調器１３０をすでに通過している点である。この理由は２つの要素からなる。第１に、後方散乱信号は、第１の信号５２が位置ｚにある散乱体から後方散乱することから生成されたものであり、それが、第１の信号５２がまだ位相変調器１３０を通過しておらず、このためまだ変調されていない時点で起こるためである。第２に、この特定の後方散乱信号は反時計回りに進むため、それも決して位相変調器１３０を通過しない。その結果、この特定の構成では、第２の信号５６はｆ0のコヒーレント後方散乱ノイズを全く運ばない。
【００２２】
メイン信号と後方散乱信号とのこの干渉プロセスはコヒーレントであるため、コイルの中心点を中心とするコイル２０の区分に沿って、かつ源４０のコヒーレント長とほぼ等しいコイル２０の長さに沿って位置する散乱体のみが、コヒーレント後方散乱に寄与する。コイル２０の残りの部分に沿って位置する散乱体は、メイン信号と時間的にコヒーレントではない後方散乱信号を生成し、それにより、位相ノイズではなく強度ノイズを生成する。このノイズはコヒーレント後方散乱ノイズよりもかなり弱い。コヒーレント長が短い（典型的には数十ミクロン）広帯域源を利用したサニャック干渉計では、コヒーレント後方散乱ノイズはしたがって非常に弱い。以前に指摘したように、そのような源が使用される場合、源の主なノイズは典型的には、後方散乱ノイズではなく、過剰ノイズである。一方、広帯域源の代わりに狭帯域幅レーザ源を利用することは、コヒーレント後方散乱ノイズを生成する光ファイバコイル２０のより大きな部分に起因する、劇的に増大したノイズをもたらし得る。なぜなら、レーザ源のコヒーレント長（典型的には１ｃｍまたはそれよりも長く、通常もっと長く、最大数千ｋｍである）は、広帯域源のコヒーレント長よりもかなり長いためである。レーザ源のコヒーレント長は、典型的には、光ファイバコイル２０の長さの数分の１（たとえば、数百メートル以上であり得るコイル２０の長さの０．１％）以上であり得る。したがって、光ファイバコイル２０に沿った散乱体はすべて、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与する。
【００２３】
いくつかの実施例では、この後方散乱ノイズは、レーザ源４０の周波数を掃引または変調し、検出された信号をフィルタリングすることによって、有利に減少される。レーザ源４０の線形掃引周波数νI（ｔ）が図３Ａに示されており、
【００２４】
【数２】
【００２５】
として表わすことができる。ここで、Ｓは周波数掃引の速度（Ｈｚ／ｓ）であり、ｔは時間（秒）である。図２から明らかなように、メイン信号は、後方散乱信号と同時にはコイル２０から戻ってこない。これら２つの間の遅延Δｔは散乱体の位置に依存しており、
【００２６】
【数３】
【００２７】
として表わすことができる。ここで、ｚはコイル２０における散乱体の位置であり、Ｌはコイル２０の長さであり、ｎはコイル２０の屈折率であり、ｃは光の速度である。したがって、所与の時点で、後方散乱信号およびメイン信号は、図３Ｂに示すように異なる光周波数を有する。したがって、それらが干渉する際、それらは検出器システム９０で、大抵の散乱体について、もはやｆ0ではない周波数を有するビート信号を生成する。具体的には、図２でコイル２０を時計回り（ｃｗ）に進んだ信号、およびそれが干渉する（反時計回りの信号の後方散乱から生じる）後方散乱信号は双方とも、それらが干渉する際に位相変調器１３０を通過してきており、そのため、それらのビート音の周波数はｆ0＋ΔνBであり、ここでΔνBは
【００２８】
【数４】
【００２９】
として表わすことができる。これに対し、反対方向では、コイル２０の出力において、コイル２０を反時計回り（ｃｃｗ）に進んだ信号は位相変調器１３０を通過してきているが、それと干渉する（ｃｗ信号の後方散乱から生じる）後方散乱信号は通過していない。したがって、それらが干渉する際、それらのビート音の周波数はΔνBであり、すなわち、それはｆ0の近傍ではなくｄｃの近傍にある。このため、このビート音はｆ0周囲のコヒーレント後方散乱ノイズに寄与しない。ビート信号の周波数は、散乱体の位置を示す。戻ってきたスペクトルのフーリエ変換は、コイル２０の中心に対する、コイル２０に沿った散乱体の空間特性化を与える。コイル２０の中心に対して位置が対称的である２つの散乱体は、識別できない。
【００３０】
このため、いくつかの実施例では、構成とレーザ周波数の周波数変調または掃引との組合せの結果、有害な後方散乱ノイズはｆ0＋ΔνBのビート周波数で変調され、一方、対象となる信号は周波数ｆ0である。言い換えれば、レーザ源４０の周波数を掃引することにより、後方散乱ノイズにおけるエネルギは、メイン信号の周波数とは異なる周波数にシフトされ、このため分光フィルタリングによる後方散乱ノイズの抑制を可能にする。検出器システム９０での信号のこのフィルタリングは、光学検出器９２の出力において、ｆ0を中心とし、かつビート周波数シフトΔνBよりも小さいカットオフ帯域幅ＢＷdetを有するバンドパスまたはローパスフィルタ９４によって行なわれる。このフィルタはノイズビート音を伝送せず、それにより、検出システム９０で信号に対する後方散乱ノイズの寄与を有利に減少させる。このフィルタ９４は、たとえばロックイン増幅器、または同等の電子フィルタを含み得る。この種のフィルタは、ｆ0の回転誘導信号を検出し、それを他のノイズ源からフィルタリングするために、既存のＦＯＧにおいて既に使用されており、そのため当業者であれば、ここの開示に鑑みて適切なフィルタ９４をどのようにして選ぶかについて知っているであろう。動的摂動（たとえば音響波）を感知するために光ファイバセンサ１０が使用されるいくつかの実施例では、カットオフ帯域幅ＢＷdetは、摂動の周波数よりも高くなるように選択される。カットオフ帯域幅は、たとえば、数分の１Ｈｚ〜１ｋＨｚ、またはそれを上回る範囲であり得る。
【００３１】
図４に示すように、所与のカットオフ帯域幅ＢＷdetについて、有害な散乱体のみがコイル２０の中心の周囲の均等なコヒーレント長Ｌc内に位置しており、ここでＬcは
【００３２】
【数５】
【００３３】
として表わすことができる。この有効長をコイル２０の典型的な長さよりもかなり短くすることは、簡単である。たとえば、１Ｈｚの帯域幅および２０ｎｍ／ｓの掃引速度（それは達成が単純明解である）については、Ｌcはたった８０μｍであり、源の実際のコヒーレント長とは無関係である。これは、たとえば、源４０のコヒーレント長が、数百メートルさらには数キロメートルにもなり得るコイル２０の長さと等しい場合でも、真実である。コヒーレント後方散乱については、周波数変調されたレーザ源４０はしたがって、その実際のコヒーレント長が数桁分より長い場合であっても、典型的なＳＦＳのコヒーレント長（たとえば数十ミクロン）に匹敵するコヒーレント長を有するようである。
【００３４】
この分析は、いくつかの実施例により提供された後方散乱ノイズの減少が、レーザ源４０が掃引される光学帯域幅に依存せず、周波数掃引の速度であるＳにのみ依存していることを示している。したがって、いくつかの実施例では、小さい光学帯域幅にわたってレーザ源４０の周波数の高速変調を利用することにより、所与の速度Ｓを達成することが有利である。これらの利点のうちの１つは、広帯域源の光学帯域幅と同じぐらい広い光学帯域幅にわたってレーザ周波数を掃引する必要がないことである。他の実施例では、大きい光学帯域幅にわたってレーザ源４０の周波数の低速変調を利用することにより、所与の速度Ｓを達成することが有利である。これは、たとえばレーザ力学によって課されるように、大きい帯域幅にわたって低速でレーザを調整することがより容易な場合に有利である。たとえば、分散帰還型ファイバレーザは遅い緩和周波数（たとえば数百ｋＨｚ）を呈するため、そのようなレーザを利用するいくつかの実施例では、大きい帯域幅にわたってゆっくりと周波数を掃引することが好ましい場合がある。
【００３５】
以前に指摘したように、コヒーレント後方散乱ノイズがどれだけ多く減少されるかにおいて重要な計量値は、周波数掃引速度Ｓである。Ｓは、回転誘導信号周波数ｆ0と、レーザ源４０に加えられた周波数変調の結果、ｆ0の両側にシフトされたノイズピークとの間の周波数シフトを定める。いくつかの実施例では、使用のために選択するＳの値に関し、センサ１０の局所的に最適な２つの動作モードがある。ｆ0での後方散乱ノイズをできるだけ減少させるために、ノイズピークはｆ0からできるだけ遠くにシフトされ得る。いくつかの実施例では、ノイズピークは第１の動作モードにおいて、周波数掃引速度Ｓをできるだけ大きくなるよう選択することによってシフトされ、ｆ0よりもはるかに大きいΔνBをもたらす。いくつかのレーザでは、この第１の動作モードは、たとえばレーザ帯域幅が小さすぎる場合、またはレーザ力学が遅すぎる場合に実施が難しい場合があり、大きい掃引速度Ｓの達成を困難に、または不可能にすらする。いくつかの実施例では、センサ１０は、ｆ0の奇数調波（たとえばｆ0、３ｆ0、５ｆ0など）の回転誘導信号を用いて動作され得る。
【００３６】
これらの実用的な理由から、またはいくつかの他の理由から、いくつかの実施例では、別の動作モードが使用可能である。上述のように周波数変調が０から増加するにつれて、ｆ0におけるノイズピークは、ｆ0の両側に位置する、すなわちｆ0±ΔνBにおける２つのピークに分割される。しかしながら、ｄｃおよびｆ0の全調波（２ｆ0、３ｆ0など）に位置するあらゆるノイズピークにおいて、同じ分割が起こる。このため、元々ｆ0にあったノイズピークはｆ0の有用な回転誘導信号から遠ざかるように周波数シフトされるが、元々ｄｃにあったノイズピークはｆ0に向かって周波数シフトされる。この第２の動作モードにおける最適な変調周波数は、ビート周波数ΔνB＝ｆ0／２（Ｓ＝ｃ2／（４ｎ2Ｌ2）に対応）を提供することである。この第２の動作モードは局所的に最適である。なぜなら、この周波数シフトΔνB＝ｆ0／２で、ｄｃにあったノイズピークおよびｆ0にあったノイズピークは双方とも、ｆ0／２、すなわちｄｃと信号周波数ΔνBとの中間に周波数シフトされるためである。変調周波数をさらに増加させること（すなわちｆ0／２を上回ること）は、ｆ0にあった元のノイズピークをｆ0からさらに遠ざかるように動かし、それはｆ0におけるノイズを減少させるが、それはまた、ｄｃにあった元のノイズピークをｆ0により近づくように動かし、それはノイズを増加させる。ｄｃでのノイズピークの振幅は、それがｆ0にある場合よりも大きいため、最終結果は、ｆ0での後方散乱ノイズの増加となるであろう。したがって、この第２の動作モードにおける最適速度は、Ｓ＝ｃ2／（４ｎ2Ｌ2）である。たとえば、長さが２００ｍのファイバコイルおよび１．４５の屈折率については、掃引速度の条件は、１．５５μｍの信号波長についてＳ＝２６８ＧＨｚ／ｓ、または約２．１ｎｍ／ｓである。この周波数掃引速度を提供するために使用可能なレーザ源４０の例は、外部共振器半導体ダイオードレーザ（たとえば最大１００ｎｍ／ｓまで）を含むが、それに限定されない。
【００３７】
第１の動作モードについては、ビート周波数がｆ0を上回って十分に増加するにつれて、元々ｄｃ、ｆ0、およびｆ0のすべての高調波に位置していたノイズピークはシフトし、ｆ0での信号ピークと重複するのに十分な周波数に広がる。次に、２つの効果がｆ0でのノイズレベルに寄与する。第１に、より多くのノイズピークがｆ0でのノイズに寄与し、それはｆ0でのノイズレベルを増加させる。第２に、元々ｆ0およびｄｃにあったノイズピークのエネルギが広がり、ｆ0での振幅を損失し、それはｆ0でのノイズレベルを減少させる。より高い調波でのノイズピークは、調波の次数が増加するにつれて減少する振幅を有するため、第１の寄与は第２の寄与よりも弱く、したがって、周波数シフトを非常に高い値に増加させる正味の影響は、ｆ0でのノイズを減少させることである。
【００３８】
図５Ａおよび図５Ｂは、レーザ源４０の光学線幅とビート信号の電気的線幅との比較を示す。図５Ａに示すように、レーザ源４０は、光周波数νIと光学線幅δνIとを有する。異なる光周波数で動作する相関関係のない２つのレーザ間のビート信号のスペクトル線幅は、それらのレーザの線幅の和である。しかしながら、レーザ信号同士が相関する場合、ビート信号線幅はゼロになりがちである。図２に示す光ファイバセンサ１０の状況では、２つのうなる光信号は、これらの信号間の遅延がレーザ源４０のコヒーレント時間よりも短い場合に相関する。したがって、レーザコヒーレント長がコイル２０よりも長いいくつかの実施例では、後方散乱信号およびメイン信号は相関しており、ビート信号は、図５Ｂに実線で示すように、レーザ源４０の光学線幅δνIよりも著しく小さい電気的線幅を提示する。図５Ｂの点線は、ビート信号同士が相関せず、２δνIの線幅をもたらす最悪の場合の筋書きを示している。
【００３９】
図５Ｃ〜図５Ｅは、レーザ源４０のさまざまなレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す。高度にコヒーレントなレーザ源４０（図５Ｃに示すように、Ｌc＞＞Ｌ）については、戻ってきた信号とコヒーレントな後方散乱信号との間のビート信号は非常に狭く、フィルタリングが高度のノイズ抑制を生み出し得る。（図５Ｄおよび図５Ｅに示すように）コヒーレント長が低下すると、ビート信号は幅が広がり、それらはｆ0でますます重複し、ノイズ抑制は効果が弱くなる。
【００４０】
ビート信号の線幅がビート周波数ΔνBよりも小さいいくつかの実施例では、後方散乱ノイズは、ローパスフィルタ（たとえば、カットオフ帯域幅ＢＷdetを有するフィルタ）またはバンドパスフィルタを用いて、フィルタリングで除去され得る。したがって、いくつかの実施例では、レーザ源４０は、ビート信号の線幅が減少するように、コイル２０よりも大きいコヒーレント長を有しており、結果として生じる信号における後方散乱ノイズは、分光フィルタリングによってより効果的に減少され得る。たとえば、長さが２００ｍのファイバコイルについては、光学線幅δνIがｃ／Ｌよりもはるかに小さいという条件は、δνI＜＜１．５ＭＨｚを有することによって満たされる。そのような光学線幅は、（典型的には数百ｋＨｚの線幅を有する）外部共振器半導体ダイオードレーザ、または（典型的には数十ｋＨｚの線幅を有する）単一モードファイバレーザによって提供され得る。
【００４１】
レーザ源４０の周波数を無限に増加させることはできないので、いくつかの実施例では、周期的変調が適用される（たとえば、図６Ａに示すような鋸歯状の周波数変調波形形状）。いくつかの実施例におけるこの周波数変調の周波数ｆsweepは、検出システム９０のフィルタ帯域幅ＢＷdetよりもはるかに高くなるよう有利に選択される。図６Ｂに示すように、周期的周波数変調については、メイン信号と後方散乱信号との間のビート周波数ΔνBは、周波数変調の巻付け部（具体的には、図６Ｂの上のグラフで後方散乱曲線とメイン曲線とが交差するあらゆる点）の周囲でゼロになりがちである。なぜなら、戻ってきたメイン信号と戻ってきた後方散乱信号とが実質的に等しい周波数を有するのは、これらの交差点の近傍であるためである。したがって、これらの点の近傍におけるビート周波数の減少は、後方散乱ノイズの一部を検出帯域幅内へと効果的に動かし、このためこれらの点での残存後方散乱ノイズを増加させる。このフィルタリングされていないノイズの大きさは、いくつかの実施例では、レーザ源４０が掃引される光学帯域幅を増加させ、これによりビート周波数の時間依存性のデューティサイクルを増加させるか、または単位時間当たりの交差点の数を同等に減少させることにより、減少され得る。帯域幅が高くなるにつれて、単位時間当たりの巻付け部（または交差点）の数は少なくなり、ひいてはノイズ減少が大きくなる。
【００４２】
そのようないくつかの実施例に対応するレーザ源４０の例は、（たとえば１００ｎｍ掃引可能な）外部共振器半導体ダイオードレーザ、および（たとえば圧電性セラミックを用いて高速で、ファイバを延ばすことにより１０ｎｍ以上、ファイバの圧縮により９０ｎｍ以上掃引可能な）分散帰還型ファイバレーザを含むが、それらに限定されない。たとえば、レーザ源４０の周波数変調は、いくつかの種類がある狭線幅（たとえば単一周波数）半導体レーザダイオードを用いることにより、およびレーザダイオード駆動電流を変調することにより、提供され得る。これは、駆動電流に印加される周波数で、レーザ周波数の若干の変調を生成することが周知である。この周波数は掃引速度を制御し、一方、電流変調の振幅はレーザ周波数変調の振幅を制御する。
【００４３】
他の周波数変調波形形状（たとえば正弦波状）も、ここに記載されたいくつかの実施例に対応する。いくつかの実施例では、周波数変調波形形状は、（たとえば鋸歯状のように）確率の平坦な密度を有するよう選択される。図７は、鋸歯波形および正弦波波形の確率の密度を比較している。正弦波状の周波数変調波形形状は、その確率の密度が正弦波形の極値近傍で最大であるため、後方散乱ノイズの大きさを劇的に増加させる。
【００４４】
図８Ａは、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサ１００を概略的に示す。図８Ａのセンサ１００は、コイル２０を含む標準的なサニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの別の例である。図８のセンサ１００は、最小構成のＦＯＧであり得る（たとえば、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」、アーテックハウス社、ノーウッド、ＭＡ（１９９３）を参照）。レーザ源４０からの光は光サーキュレータ８０に伝送され、偏光器１１０を通り、光学結合器７０に入り、それは偏光制御器１２０、光ファイバコイル２０、および電気光学（ＥＯ）位相変調器１３０によってそれ自体の上で閉鎖されている。位相変調器１３０は、センサ１００に直角位相でバイアスをかけるために使用可能であり、これによりセンサ１００の感度を高める。いくつかの実施例では、偏光器１１０および位相変調器１３０は、数々のベンダーおよび製造業者（たとえば、カリフォルニア州ミルピタス（Milpitas）のＪＤＳユニフェーズ社（JDS Uniphase Corp.））から商業的に入手可能な、ファイバベースまたはファイバピグテイルの部品である。
【００４５】
図８Ｂは、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサ１０２を概略的に示す。図８Ｂのセンサ１０２は、コイル２０を含む標準的なサニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの別の例である。センサ１０２は、偏光器１１０から下流に（たとえばコイル２０内、偏光器１１０と第１の光学結合器７０との間、および／または第１の光学結合器７０内）に、偏光保持（ＰＭ）ファイバを含む。いくつかのそのような実施例では、偏光器１１０から下流の光学経路全体がＰＭファイバである。いくつかの実施例では、センサ１０２は全体にわたって（すなわち源４０から下流で）ＰＭファイバを有している。ＰＭファイバを、偏光器１１０から下流の光学経路全体に沿って、またはセンサ１０２全体にわたって利用することにより、いくつかの実施例では、センサ１００の偏光制御器１２０の使用が不要になる。そのようないくつかの実施例は、（手動により（実際のＦＯＧでは実行不可）、またはコストおよび複雑性を追加する複雑な帰還システムを用いて）偏光制御器１２０を調節する必要性を有利に回避する。いくつかの実施例の位相変調器１３０は関数発生器１４０によって駆動されており、それはロックイン増幅器１５０に結合され、ロックイン増幅器１５０は信号をコンピュータシステム１６０に出力する。いくつかの実施例におけるセンサ１００の適正周波数でのロックイン検出は、信号対ノイズ比を有利に改良できる。この位相変調を用いると、対象となる戻ってきた信号は、位相変調の周波数（すなわち適正周波数ｆ0）を中心とする。
【００４６】
図２に示す例示的な構成に関して上述したものと同様に、図８に概略的に示すセンサ１００については、逆伝搬する信号同士のうちの１つのみによる後方散乱光が位相変調器１３０を通って伝搬する。たとえば、偏光制御器１２０を通り、次にコイル２０の残りを通り、次に位相変調器１３０を通って伝搬する第１の信号５２については、コイル２０内で生成された後方散乱光は、偏光制御器１２０に向かって、かつ位相変調器１３０から遠ざかるように伝搬し、それから第１の光学結合器７０に到達する。逆に、位相変調器１３０を通り、次にコイル２０を通り、次に偏光制御器１２０を通って伝搬する第２の信号５６については、コイル２０内で生成された後方散乱光は、位相変調器１３０を通って伝搬してから第１の光学結合器７０に到達する。位相変調器１３０を通って伝搬していない後方散乱光は、このため位相変調されず、したがって、検出周波数での後方散乱ノイズに寄与しない。そのような構成は、双方の後方散乱信号が変調されて双方がノイズに寄与する他の構成（たとえば、Ｊ．ツェン、「全ファイバ単一モードファイバによる周波数変調連続波サニャックジャイロスコープ」、オプティクス・レターズ、第３０巻、１７〜１９頁（２００５）、および、Ｊ．ツェン、「差動複屈折ファイバによる周波数変調連続波サニャックジャイロスコープ」、ＩＥＥＥフォトニクス・テクノロジー・レターズ（Photonics Technology Letters）、第１７巻、１４９８〜１５００頁（２００５））とは異なっている。
【００４７】
加えて、図８Ａおよび図８Ｂに概略的に示すセンサ１００、１０２、および図１に概略的に示すセンサ１０については、逆伝搬する信号同士が双方とも周波数変調され、組合されて、第３の信号６０を生成する。他の構成（たとえば、Ｂ．カルショー（Culshaw）ら、「周波数変調ヘテロダイン光ファイバサニャック干渉計」（Frequency Modulated Heterodyne Optical Fiber Sagnac Interferometer）、ＩＥＥＥ会報、マイクロ波理論および技術部会（Microwave Theory and Technique）、ＭＴＴ−３０、５３６〜５３９頁（１９８２））は、コイル２０の２つの逆伝搬信号の周波数を変調せず、これらの信号を組合さない。
【００４８】
２つの異なるＦＯＧを用いた図８Ａの例示的なセンサ１００について、実験結果を以下に提供する。ＦＯＧは各々、直径８ｃｍのスプールに巻かれた長さ２００ｍの標準光ファイバ（コーニング社からのＳＭＦ−２８ファイバ）、および直径８ｃｍのスプールに巻かれた長さ２３５ｍの空芯光バンドギャップファイバ（クリスタルファイバからのＨＣ−１５５０−０２ファイバ）という異なる光ファイバを利用している。（基本ノイズデータを収集するための）標準エルビウム添加超放射ファイバ源、および線幅が２００ｋＨｚの外部共振器波長可変レーザという２つの異なる光源を用いることにより、ＦＯＧの性能を研究した。レーザの周波数は周波数変調（ＦＭ）を用いて掃引可能であった。この場合、レーザの駆動電流は変調され、それは非常に小さい波長変調帯域幅（１ｐｍと試算）を生成した。また、これに代えて、レーザ周波数は周波数掃引（ＦＳ）を用いて掃引可能であり、その場合、レーザ周波数は、光学格子からなる半導体レーザの外部共振器を調整することによって掃引された。このアプローチは、（最大１００ｎｍの）広い光学変調帯域幅を提供した。
【００４９】
図９は、ＳＦＳ、レーザ、および周波数変調レーザという３つの異なる光源について、ロックイン増幅器１５０の出力において観察された、ＳＭＦ−２８ファイバコイルを用いたセンサ１００についての回転信号を示す。ＥＯ位相変調器１３０は、関数発生器１４０からの４００ｋＨｚの正弦波によって駆動され、検出器９２に戻ってきた光学パワーは−２０ｄＢｍであり、ロックイン増幅器１５０の等価積分時間は１．２８ｓ（ＢＷdetが０．７８Ｈｚ）であった。図９のデータは、センサ１００を停止させた状態で、等価積分時間のほぼ１０倍に等しい期間にわたって取得された。図９に示すように、ＳＦＳを用いた場合のノイズはレーザのノイズよりもはるかに小さく、それぞれ１シグマで３°／ｈおよび３３°／ｈであった。このＦＯＧをレーザを用いて調べた場合に観察されたノイズの増加は後方散乱によるものであり、一方、ＳＦＳを用いた場合に観察されたノイズは過剰ノイズによって支配されている。
【００５０】
周波数変調レーザについては、鋸歯変調をレーザ駆動電流に８ｋＨｚで１ｍＡのピーク間振幅で適用することにより、レーザ周波数が変調された。周波数変調の振幅は１ｐｍであると試算され、周波数掃引速度Ｓは４．４ｎｍ／ｓであると試算された。周波数変調レーザは、後方散乱ノイズを、非周波数変調レーザの３３°／ｈと比べると約４倍の改良となる７．６°／ｈに著しく減少させた。上で説明したように、この改良の理由は、後方散乱ノイズが適正周波数ｆ0からシフトされ、ロックイン増幅器によってフィルタリングで除去され、ｆ0でのノイズが低下したためである。このシフトは周波数掃引速度Ｓに比例しており、周波数シフトは、１ｋＨｚでの変調については４０ｋＨｚに等しく、４ｋＨｚでは約１４０ｋＨｚに等しい。これらの実験結果はしたがって、周波数掃引レーザによる後方散乱ノイズの減少を支持する。いくつかの実施例では、対象となる周波数ｆ0における図９で使用されたレーザの振幅ノイズは、このセンサ１００の性能を制限する。いくつかの他の実施例では、より低いノイズを有するレーザは、ＳＦＳと同様の、またはより良好な性能を提供する。なぜなら、広帯域源と比べ、レーザは、制限された過剰ノイズを提示するためである。加えて、図９は、非常に小さい（１ｐｍ）光学帯域幅にわたるレーザの周波数変調が、センサ１００において後方散乱ノイズを劇的に減少させるのに十分であることを示している。
【００５１】
図１０は、ＳＭＦ−２８ファイバが停止した状態のセンサ１００について検出器９２の出力において観察されたＲＦスペクトルを示す。このスペクトルは、図５Ｂに従って予期されるスペクトルと質的に十分一致している。ＦＯＧ源４０としてＳＦＳが使用される場合、ｆ0で観察された後方散乱ノイズ成分は非常に小さい。ＳＦＳをレーザ源と置き換えた場合、ｆ0で強い後方散乱ノイズが観察される。レーザの周波数を変調することにより、図９は、後方散乱ノイズが位相変調周波数ｆ0から遠ざかるように、かつその両側にシフトされることを示している。後方散乱ノイズのこの周波数シフトは、ｆ0のあらゆる倍数（ゼロを含む）の周囲で観察された。レーザ周波数変調は、ＳＦＳを用いて動作された同じＦＯＧの低いノイズレベルに達するには不十分であるものの、後方散乱ノイズを明らかに減少させる（図１０参照）。上述のように、この周波数シフトは周波数掃引速度に比例することが観察された。図１０はまた、いくつかの実施例では後方散乱の減少が制限されていることを示す。後方散乱ノイズピークを位相変調周波数よりもさらにシフトさせることはできず（すなわち、ΔνBはｆ0よりも小さくなければならない）、または、ｄｃから正の周波数に向けてシフトされたノイズが、対象となる周波数ｆ0で観察されるであろう。これに対し、いくつかの他の実施例では、以下でさらに説明するように、後方散乱ノイズは、ΔνB＞＞ｆ0となるように非常に高速でレーザの周波数を掃引することにより、高周波数へとさらにシフトされる。たとえば、半導体レーザの外部共振器の格子の回転を用いて、１００ｎｍ／ｓもの高い周波数速度を得ることができる。
【００５２】
ビート信号は５０ｋＨｚの線幅を有することが観察された。前述のように、この線幅は、レーザの光学線幅の２倍よりも小さい。したがって、ビート波は部分的に相関するようであり、それはレーザの１．５ｋｍのコヒーレント長と十分に一致している。
【００５３】
同様の傾向が、空芯光ファイバコイル２０を利用したセンサ１００についても観察された。ＥＯ位相変調器１３０は６３２ｋＨｚの正弦波で駆動され、検出器９２に戻ってきた光学パワーは−２４ｄＢｍであり、ロックイン増幅器１５０の等価積分時間は１．２８ｓ（ＢＷdetが０．７８Ｈｚ）であった。図１１は、検出器９２の出力において観察されたＲＦスペクトルを示す。図１０のＳＭＦ−２８ファイバコイル２０についてのＲＦスペクトルと比較した主な違いは、標準ファイバと比べて空芯光ファイバの後方散乱係数が増大しているため、後方散乱ノイズが２０ｄＢ（電気的）増大した（１０倍）ことである。レーザ周波数変調は、標準ファイバコイルを用いた場合と同様に後方散乱ノイズを減少させるが、ＳＦＳの低ノイズ性能に達するほどではない。レーザ周波数が３．２ｋＨｚで、かつ周波数速度が
【００５４】
【数６】
【００５５】
（または２３２ＧＨｚ／ｓ）となるような速度で変調されると、ノイズは２６４°／ｈであることが観察され、それはＳＦＳを用いた場合に観察された７．７°／ｈというノイズのほぼ３０倍である。ノイズの大きさは、ロックイン増幅器１５０の等価積分時間の１０倍の時間にわたって、１シグマで測定された。この速度Ｓは、〜８０ｋＨｚのノイズピークにおいて周波数シフトを誘導した（図１１参照）。このノイズシフトは、上述の第２の動作モードに従った最適周波数ｆ0／２ほど高くはないものの、このＦＯＧを検査した条件、およびそれが生成したノイズの減少は、第２の動作モードの図示を提供する。この実施例は、この第２の動作モードにおける空芯ＦＯＧでの後方散乱ノイズの著しい減少を実証する。
【００５６】
上述のように、第１の動作モードは、第２の動作モードよりもはるかに速い速度で周波数を変調することを含む。空芯のまたは従来の光ファイバコイル２０についての後方散乱ノイズは次に、非常に高速（たとえば１００ｎｍ／ｓもの速さ）でレーザの周波数を掃引することにより、はるかにより高い周波数（ΔνB＞＞ｆ0）にシフトされる。これは実際には、たとえば半導体レーザの外部共振器の格子を回転させることによって達成可能である。この場合、上述のように、ｆ0の全調波の近傍にあるすべてのノイズピークにおけるエネルギは、非常に広い周波数範囲にわたって広がり、対象となる周波数ｆ0とほとんど重複しない。この点を証明することを目的とした実験では、検出された光学パワーは−２０ｄＢｍであり、ロックイン等価積分時間は３８ｓであり、レーザ周波数は３０ｎｍにわたり、１００ｎｍ／ｓの速度で鋸歯形状で掃引された。レーザは、エルビウム添加ファイバ増幅器を用いて増幅された。周波数掃引源によって駆動された空芯ＦＯＧの観察されたノイズは１６°／ｈ（１００ｓにわたって１シグマで測定）であったが、それは、ＳＦＳを用いて観察されたノイズ（５．２°／ｈ）のほんの３倍である。このノイズは光学帯域幅とは無関係であり、１０ｎｍまたは６０ｎｍにわたってレーザ周波数を掃引することは、ノイズの大きさを顕著には変化させなかった。加えて、この性能は、ＦＯＧのレーザと入力／出力偏光器との間のファイバの長さが偏光を維持しなかったという事実によって生じた５ｄＢもの高い光学パワー変動にもかかわらず、得られた。
【００５７】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、停止状態の空芯ＦＯＧについての検出器信号のいくつかの時間特性およびスペクトル特性を提示する。ＦＯＧがＳＦＳによって駆動されている場合、検出された信号は、図１２Ａの上のグラフに示すように、２ｆ0の予期された成分である。ＳＦＳがレーザに置換された場合、この成分は、図１２Ａの真ん中のグラフに示すように、後方散乱ノイズによって隠される。周波数掃引レーザを用いると、２ｆ0の予期された成分は、（図１２Ａの下のグラフに示される）後方散乱ビートノイズによる過変調を有して観察される。
【００５８】
【数７】
【００５９】
から、および散乱体の平均位置がｚ＝０（またはＬ、なぜなら、０およびＬは、散乱体がノイズに最も寄与する２つの場所であるため）と仮定すると、予期されたビート周波数は９．７ＭＨｚであり、それは、図１２Ｂに示すような、ＲＦスペクトル分析器を用いて観察された９ＭＨｚという最大値と非常に良好に一致する。
【００６０】
図１３は、コイル２０においてＳＭＦ−２８ファイバを用いたＦＯＧについての、検出帯域幅の平方根に対するノイズの測定された依存性を提示する。上述のように、いくつかの実施例におけるロックイン増幅器１５０の積分時間は、周波数掃引の期間と比べて大きくなるよう有利に選択される。図１３は、ロックイン増幅器１５０の検出帯域幅とレーザ源４０の掃引速度との比率の重要性を示している。ランダムウォーク体制では、レーザ駆動のおよびＳＦＳ駆動のＦＯＧについての予期された線形依存性が観察された。加えて、周波数掃引レーザを用いた場合のノイズは、大きい帯域幅についてはレーザ駆動のＦＯＧと同じぐらい高いことが観察され、より小さい検出帯域幅については広帯域源のノイズに近づくことが観察された。
【００６１】
ここに説明するように、周波数掃引された狭帯域レーザ（たとえば分散帰還型ファイバレーザ）は、光ファイバセンサ（たとえばＦＯＧ）において有利に使用可能である。いくつかの実施例では、レーザ駆動のＦＯＧに比べて、後方散乱ノイズは減少され得る（たとえば４分の１）。コイル２０における点反射はコヒーレント後方散乱ノイズを引起す場合があり、それはレーザを周波数変調することによって減少可能であり、そのため後方散乱ノイズは、ＦＯＧにおける反射源を除去することにより（たとえば、すべてのファイバ間接続部でファイバコネクタを融着接続部に置き換えることにより）、さらに（たとえば１０分の１）減少可能である。レーザ源４０を周波数変調することはまた、メイン（または一次）信号のうちの一方または双方と、サニャックループに沿った点界面で発生する反射との干渉から生じるコヒーレントノイズを減少させ得る。そのような反射は、ファイバ間接続部でのスプリアス反射、コイル２０に位置する構成要素（たとえば位相変調器）内の内部界面でのフレネル反射、または、たとえばチップがＬｉＮｂＯ3チップである場合、ファイバとＥＯ変調器チップとの間の光学接続部でのフレネル反射を含むが、それらに限定されない。
【００６２】
標準光ファイバを用いる場合、周波数掃引された狭帯域レーザによって駆動されるＦＯＧのノイズ性能は、広帯域源を用いた場合とほぼ同じぐらい良好である。いくつかの実施例における周波数掃引された狭帯域レーザの使用は、レーザを用いて駆動されるすべてのＦＯＧについて、感度の向上（たとえばノイズの減少）および安定性の向上（たとえば平均波長の安定性）を有利に提供する。空芯ファイバのさらなる使用は、熱安定性の向上、カー効果に誘導された位相ドリフトの減少、および磁場に対する感度の減少といった追加の利点を提供する。いくつかの実施例の後方散乱ノイズの減少は、主として周波数掃引速度に依存しており、ほんの１ｐｍにわたってレーザ周波数を掃引することは、後方散乱ノイズの実質的な減少を達成するのに十分であった。ここに記載されたいくつかの実施例は、広帯域源に比べてレーザ源の平均波長のより容易な制御を可能にし、このため、ＦＯＧスケール因子についてのより良好な長期安定性を提供する。
【００６３】
図１４は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサ１７０を概略的に示す。図１４のセンサ１７０は、コイル２０を含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの別の例である。図１４のセンサ１７０は、標準的な方法に従ってＦＯＧ構成要素をすべてチップ（ＬｉＮｂＯ3）上に作製し、商業用のＦＯＧを作製した集積光学チップである。いくつかのそのような実施例では、第１の光学結合器７０（たとえばＹ接合部）、第２の光学結合器８０（たとえばＹ接合部）、偏光器１１０、および位相変調器１３０を含むもののそれらに限定されない、センサ１８０の主要構成要素は、同一の集積光学チップ上に、たとえばＬｉＮｂＯ3上に、標準技術を用いてすべて作製され、それは、小型性、機械的安定性、ならびに大規模製造の容易性およびコスト削減というよく認識されたいくつかの利点を提示する。いくつかの実施例では、コイル２０は偏光保持ファイバを含む。いくつかの他の実施例では、偏光制御器をコイル２０に沿った１つの点に位置付けることができ、コイル２０の複屈折性を制御し、偏光の信号出力状態が偏光器の伝送軸に対して整列されることを確実にして、それにより偏光相反性を提供する。いくつかの実施例では、コイル２０は空芯ファイバを含む。
【００６４】
いくつかの実施例では、ここに記載されたこの周波数変調は、基本ＦＯＧ構成の多くの他の実現化例で、また、ＦＯＧが動作する態様または構成要素を作製するために使用される特定の技術にかかわらず、使用可能である。たとえば、ＦＯＧが開ループで動作するか閉ループで動作するか、ループを閉鎖するために使用される方式とは無関係に、またあらゆる目的のためにＦＯＧにおいて全体として実施された変調方式または他の信号処理方式とは無関係に、周波数変調が使用可能である。
【００６５】
図１５は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法２００のフロー図である。方法２００は、動作ブロック２１０で、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップとを含む。方法２００はさらに、動作ブロック２２０で、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。方法２００はさらに、動作ブロック２３０で、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。方法２００はさらに、動作ブロック２４０で、第１の信号および第２の信号が周波数変調されるようにレーザ源の周波数を変調するステップと含む。いくつかの実施例では、第３の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、レーザ源の周波数を変調するステップは、残りの部分の周波数とは異なるビート周波数になるよう、後方散乱ノイズ部分をシフトする。
【００６６】
後方散乱によるエラー信号を変動させる起こり得る効果のうち、主な寄与は源におけるランダム位相変動である。ファイバにおける温度過渡といった他の寄与は、はるかにより長い特性時間定数を有しており、一般に、ランダムウォークノイズというよりも、時間が経つにつれてＦＯＧ信号出力のドリフトをもたらす（たとえば、Ｋ．クレケンス（Krakens）およびＫ．ブロテカー（Blotekjaer）、「サニャック干渉計におけるレーザ位相ノイズの効果」（Effect of Laser Phase Noise in Sagnac Interferometers）、ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー（Journal of Lightwave Technology）、第１１巻第４号、１９９３年４月を参照されたい）。上述のように、コヒーレント後方散乱ノイズの効果を減少させる主なアプローチは、これまでは、広帯域源を用いてＦＯＧを調べることであった。広帯域源を使用する場合、コヒーレント後方散乱ノイズは減少した。なぜなら、その源のコヒーレント長Ｌcはその場合、コイルの長さに比べて非常に短いためである。その結果、コイル中間点を中心とするファイバのほぼ１つのコヒーレント長内に位置する散乱体によって散乱された光のみが、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与する。この領域外に位置する散乱体によって散乱された光は、源のコヒーレント時間よりも長く、かつインコヒーレントに干渉する一次波に対し、遅延を有しており、このためそれはエラー信号の著しい変動には寄与しない。したがって、散乱によるエラーを減少させるために、１つのアプローチは、源のコヒーレント長を減少させることにより、または同等、広帯域光源を使用することにより、コヒーレント後方散乱に寄与するファイバの領域をますます小さくすることである。広帯域源については、この領域は通常、長さがたった数ミクロン、または数十ミクロンである。
【００６７】
ここに記載されたいくつかの実施例に従った、コヒーレント後方散乱および反射（たとえば点反射）によるエラー信号のＲＭＳ変動を減少させる別のアプローチは、高度にコヒーレントな源、すなわち、コイル長よりも長いコヒーレント長を有する源を使用することである。上記の説明から、源のコヒーレント長を増加させることは、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与するファイバの長さを増加させることであり、それはしたがって一般に、より大きな後方散乱ノイズ、ひいてはより大きなＦＯＧランダムウォークにつながる。しかしながら、後方散乱ノイズは、源のコヒーレント長がコイル長さと等しくなる点までしか増加しない。この増加はもちろん、より多くの散乱体がコヒーレント散乱ノイズに寄与するという事実に起因する。しかしながら、源のコヒーレント長がコイルの長さを超えて増加した場合、２つの効果が起こる。第１に、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与するファイバの長さは、もはや増加しない。なぜなら、コイルファイバ全体に沿った散乱体はすべて、コヒーレント後方散乱ノイズに既に寄与しているためである。第２に、源のコヒーレント長を増加させることは、源によって放出された光子のますます小さいランダム位相変動につながる。これらの変動は、エラー信号の変動を最終的にもたらすものであるため、後方散乱ノイズの変動は減少し、ランダムウォークも同様である。したがって、後方散乱信号にコヒーレントに寄与する領域がここで固定され、源のランダム位相変動が、コヒーレント長を増加させることによってより小さくなり得るため、エラー信号のＲＭＳ変動も減少する。これは、コヒーレント後方散乱によるＦＯＧランダムウォークの減少、および付随する最小検出可能回転速度の改良につながる。いくつかのそのような実施例は、図１、図２、図８Ａ、図８Ｂ、および図１４の構成を含むがそれらに限定されないさまざまなセンサ構成を用いて使用可能である。
【００６８】
図１６は、上述の原理を検証するために使用される理論的な数値モデルの結果を示す。このモデルは、さまざまなコヒーレント長について、ファイバループに局所不均一性がある源のランダム位相変動間の相互作用を数値的にシミュレートするために使用された。図１６は、ＳＭＦ−２８ファイバと同等の統計特性を有する２５５メートルのファイバからなるある特定のコイルについてのこのシミュレーションの結果を示しており、散乱体のたった１つのランダム分布についてノイズに対する効果を調査した。この数値モデルはまた、起こり得るすべての散乱体分布にわたる位相ノイズ（および対応するランダムウォーク）を平均化することができ、それらについてこのモデルは、同じ曲線であるものの形状および縦軸絶対スケールが若干異なる曲線を生み出す（簡潔にするため図示せず）。垂直の点線は、コイル長に等しいコヒーレント長（Ｌc＝Ｌ）を示す。図１６に示すように、コヒーレント長が短い源については、ＦＯＧランダムウォークは比較的小さい。コヒーレント長が増加するにつれて、ランダムウォークも当初は増加する。しかしながら、コヒーレント長が一旦コイルの長さを上回ると、コヒーレント後方散乱によるランダムウォークは上述のように減少する。
【００６９】
このモデルの妥当性を、周波数変調レーザによって駆動される光ファイバジャイロスコープの実験的実証を用いて、かつシミュレーションに使用されたものと一致するパラメータを用いて確認した。実験構成は、ＳＭＦ−２８ファイバの２４０メートルのコイルを有する図８Ａに示すような最小構成ＦＯＧに結合された、２００ｋＨｚの半値全幅線幅（または約１．５ｋｍのコヒーレント長）を有する外部共振器レーザを利用した。ＦＯＧは、ファイバピグテイル電気光学位相変調器１３０を用いて適正なコイル周波数でバイアスをかけられた。戻ってきた信号はＰ−Ｉ−Ｎフォトダイオードを用いて測定され、１ｋＨｚの帯域幅を有するロックイン増幅器を用いて復調された。この実験構成は、
【００７０】
【数８】
【００７１】
のＦＯＧランダムウォークを呈した。数値モデルは、
【００７２】
【数９】
【００７３】
の平均ランダムウォークを予測し、すべての起こり得る散乱体分布にわたって計算して、１つの特定のファイバを用いた我々の実験結果との非常に近接した一致を示し、シミュレーションの妥当性を確認した。
【００７４】
図１６は、原則的に、いくつかの実施例における源のコヒーレント長が、後方散乱ノイズをできるだけ減少させるためにできるだけ長くなるよう選択され得ることを示している。たとえば、コヒーレント長を約１５０キロメートルに増加させることは、コヒーレント後方散乱ノイズをそのピーク値から１５分の１に減少させることをもたらす。この減少は対数−対数のスケール上でほぼ線形であり、そのため正味のノイズ減少は、このファイバの特定の例においても、コヒーレント長が２００倍増加する毎に１０分の１となるよう特徴付けられ得る。しかしながら、いくつかの実施例では、後方散乱ノイズを、ノイズ、たとえばショットノイズの次の主な源の直下まで減少することが十分であり得る。
【００７５】
図１６のこれらの結果を生み出すために使用された数値モデルは、光源のコヒーレンス度が極めて高くなった場合に光源に存在するかもしれない他の位相ノイズ源を考慮に入れていなかった。そのようなノイズ源は、自然放出ノイズ、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）、および過剰ノイズを含む。これらのノイズ源が存在する場合、図１６の曲線はＬc＞Ｌ領域においてもはや無限には低下しない。その代わり、ある臨界コヒーレント長よりも上で、曲線は減少を止め、おそらく漸近値で横ばいとなる。この漸近レベルは、Ｌc＞Ｌおよびこの特定源を用いた場合に可能なコヒーレント後方散乱ノイズ減少の最大値に対応する。所与の源を用いて達成可能なノイズ減少の量は、上述の実験結果に関連して上述したように、光ファイバジャイロスコープを用いて容易に測定可能である。
【００７６】
ランダムウォークは当初、コヒーレント長の増加とともに増加するため、以前に存在した多くのノイズ減少方式は、源のコヒーレント長を減少することに焦点を置いていた。これまでの研究は、コヒーレント長がループの長さよりもはるかに長く、上述の性能を予測していなかった場合の体制を考慮していなかった。安定した中心波長およびごくわずかな過剰ノイズといった上述の狭帯域源の利点のため、高度にコヒーレントな源（すなわち、コイル長を上回るコヒーレント長を有する源）を用いるＦＯＧを利用したいくつかの実施例は、より伝統的な方法に対して著しい利点を提供する。
【００７７】
いくつかの実施例では、コイルの長さに対するコヒーレント長の比は１よりも大きく、１．１よりも大きく、１．５よりも大きく、２よりも大きく、５よりも大きく、１０よりも大きく、１００よりも大きく、または１０００よりも大きい。いくつかの実施例では、光ファイバセンサは、周波数変調と、コイルの長さよりも長いコヒーレント長とを双方とも利用する。いくつかの他の実施例では、光ファイバセンサは、周波数変調、またはコイルの長さよりも長いコヒーレント長を利用する。
【００７８】
図１７は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法３００のフロー図である。方法３００は、動作ブロック３１０において、
ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルファイバに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含む。レーザ源は、コイルファイバの長さよりも大きいコヒーレンス長を有するよう選択される。方法３００はさらに、動作ブロック３２０において、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。方法３００はさらに、動作ブロック３３０において、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。
【００７９】
さまざまな実施例が上に説明されてきた。この発明はこれらの特定の実施例を参照して説明されたが、これらの説明は発明の例示であるよう意図されており、限定的であるとは意図されていない。さまざまな変更および用途が、添付された特許請求の範囲に定義されたようなこの発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者の脳裏に浮かぶであろう。
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本願は、２００７年１１月１５日に出願された米国仮出願第６０／９８８，４０４号の優先権の利益を主張する。当該仮出願はその全体がここに引用により援用される。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本願は一般に光ファイバセンサに関し、より特定的には光ファイバジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）の初期の実験的実証は、光源用にレーザを用いて得られた。たとえば、Ｒ．Ａ．バーグ（Bergh）、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル（Lefevre）、およびＨ．Ｊ．ショー（Shaw）、「全単一モード光ファイバジャイロスコープ」（All-single-mode fiberoptic gyroscope）、オプティクス・レターズ（Optics Letters）、第６巻第４号、１９８〜２００頁（１９８１）を参照されたい。ＦＯＧに関する、ショットノイズが制限された感度が期待された（たとえば、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」（The Fiber-Optic Gyroscope）、アーテックハウス社（Artech House Inc.）、ノーウッド（Norwood）、ＭＡ（１９９３）を参照されたい）が、その感度は光ファイバにおける後方散乱によって劇的に劣化したことが、実際に観察された（たとえば、Ｃ．Ｃ．カトラー（Cutler）、Ｓ．Ａ．ニュートン（Newton）、およびＨ．Ｊ．ショー、「散乱による回転感知の制限」（Limitation of rotation sensing by scattering）、オプティクス・レターズ、第５巻第１１号、４８８〜４９０頁（１９８０）を参照されたい）。レーザを超放射源（ＳＦＳ）に置き換えること（たとえば、Ｋ．ボーム（Bohm）、Ｐ．マーテン（Marten）、Ｋ．ペーターマン（Petermann）、Ｅ．ワイデル（Weidel）、およびＲ．ウーリッチ（Ulrich）、「超放射ダイオードを用いた低ドリフトファイバジャイロ」（Low-drift fibre gyro using a superluminescent diode）、エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters）、第１７巻第１０号、３５２〜３５３頁（１９８１）を参照されたい）は、この後方散乱により誘導されたノイズの劇的な減少を、カー効果、偏光変動、およびファラデー効果による他のノイズ源の減少とともに、もたらした。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
いくつかの実施例では、光ファイバセンサは、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合された周波数変調されたレーザ源とを含む。源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送される。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する。
【０００５】
いくつかの実施例では、ある方法が光ファイバセンサを動作させる。この方法は、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含む。このステップはさらに、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。この方法はさらに、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。この方法はさらに、第１の信号および第２の信号が周波数変調されるようにレーザ源の周波数を変調するステップを含む。
【０００６】
いくつかの実施例では、光ファイバセンサは、ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む。レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有する。源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送される。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する。
【０００７】
いくつかの実施例では、ある方法が光ファイバセンサを動作させる。この方法は、ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含む。レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有する。この方法はさらに、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。この方法はさらに、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的な光ファイバセンサ１０を概略的に示す図である。
【図２】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったサニャック光ファイバセンサの光ファイバコイルにおける単一散乱体Ｓを概略的に示す図である。
【図３Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったレーザ源の線形掃引周波数のプロットである。
【図３Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った後方散乱信号およびメイン信号のシフトされた周波数のプロットである。
【図４】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、散乱体位置での後方散乱ノイズのビート周波数の依存性のプロットである。
【図５Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったレーザ源の光学線幅のプロットである。
【図５Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従ったビート信号の電気的線幅のプロットである。
【図５Ｃ】レーザ源のあるレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す図である。
【図５Ｄ】レーザ源のあるレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す図である。
【図５Ｅ】レーザ源のあるレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す図である。
【図６Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、周期的な鋸歯状の周波数変調波形形状のプロットである。
【図６Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、周期的な周波数変調についての戻り光周波数およびビート周波数のプロットである。
【図７】鋸歯状の波形および正弦波形の確率の密度のプロットである。
【図８Ａ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサを概略的に示す図である。
【図８Ｂ】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサを概略的に示す図である。
【図９】ＳＦＳ、レーザ、および周波数変調レーザという３つの異なる光源についての、ＳＭＦ−２８ファイバを有する図８Ａのセンサに関する回転信号のプロットである。
【図１０】ＳＭＦ２８ファイバが停止状態にある図８Ａのセンサについて観察されたＲＦスペクトルのプロットである。
【図１１】空芯ＦＯＧが停止状態にある図８Ａのセンサについて観察されたＲＦスペクトルのプロットである。
【図１２Ａ】停止状態の空芯ＦＯＧについての、検出器信号の時間特性およびスペクトル特性を示す図である。
【図１２Ｂ】停止状態の空芯ＦＯＧについての、検出器信号の時間特性およびスペクトル特性を示す図である。
【図１３】標準的なファイバコイルについての、検出帯域幅の平方根に対するノイズの依存性を示す図である。
【図１４】ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサを概略的に示す図である。
【図１５】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法のフロー図である。
【図１６】コイル長よりも大きい源コヒーレンス長を利用した、いくつかの実施例の理論的数値モデルの結果を示す図である。
【図１７】ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
超放射源（ＳＦＳ）などの広帯域源は、カー効果およびファラデー効果に関連する有害効果、偏光に関する非相反性、および、コヒーレント後方散乱から生じるノイズを減少させるために、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）などの光ファイバセンサ用によく使用されている。光源としてのＳＦＳの使用がＦＯＧの感度の注目すべき向上をもたらしたものの、感度は依然として、２つの主な欠点によって制限されている。特定の過剰ノイズ減少手法が使用されない限り、広帯域源の使用に関するノイズの１つの付加的な源は、検出器での広帯域源の異なるスペクトル成分間のビートによる過剰ノイズである。たとえば、Ｒ．Ｐ．メラー（Moeller）およびＷ．Ｋ．バーンズ（Burns）、「ノイズ減算を用いた１．０６μｍ全ファイバジャイロスコープ」（1.06-μm all-fiber gyroscope with noise subtraction）、オプティクス・レターズ、第１６巻第２３号、１９０２〜１９０４頁（１９９１）、およびここにその全体が引用により援用される米国特許第５，５３０，５４５号を参照されたい。ＦＯＧ用の光源としてのＳＦＳの別の欠点は、ＳＦＳの広帯域出力の平均波長を安定化する際の困難である。これらの欠点は、ＦＯＧが、唯一の慣性航法機器としての航空機において使用されることを妨げる一因となっている。
【００１０】
図１は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的な光ファイバセンサ１０を概略的に示す。センサ１０は、光ファイバコイル２０と、コイル２０に光学的に結合された少なくとも１つの光学結合器３０とを含む。センサ１０はさらに、少なくとも１つの光学結合器３０に光学的に結合された周波数変調されたレーザ源４０を含む。レーザ源４０からの光は、少なくとも１つの光学結合器３０によって、コイル２０に沿って第１の方向５４に伝搬する第１の信号５２、およびコイル２０に沿って第１の方向５４とは反対の第２の方向５８に伝搬する第２の信号５６として、コイル２０に伝送される。第１の信号５２および第２の信号５６の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号５２および第２の信号５６は、少なくとも１つの光学結合器３０によって組合され、第３の信号６０を生成する。
【００１１】
いくつかの実施例では、光ファイバセンサ１０は、図１に概略的に示すようなサニャックベースの光ファイバセンサである。いくつかの実施例のセンサ１０は、コイル２０の回転に敏感なＦＯＧである（たとえば、コイル２０に加わる（たとえば１時間当たりの度数単位での）回転の速度が変化するにつれて、第３の信号６０によって運ばれるパワーが変化する）。いくつかの他の実施例では、センサ１０は、音響摂動、熱的摂動、および磁場摂動を含むもののこれらに限定されない１つ以上の他の摂動に敏感であるよう構成される。いくつかの実施例のセンサ１０は、それにより、回転運動、音場、熱過渡、および磁場のうちの１つ以上の検出を提供する。いくつかの実施例のセンサ１０は、方位磁石として、ジャイロコンパスとして、および運動センサとしての目的を含むもののそれらに限定されない１つ以上の目的のために使用されるよう構成される。当業者であれば、以下の説明の大半はＦＯＧに関して提示されるものの、他の光ファイバセンサもここに記載されたいくつかの実施例に対応していることを認識するであろう。
【００１２】
いくつかの実施例のコイル２０は、複数の実質的に同心のループを含む。いくつかの実施例では、コイル２０は、従来の光ファイバ（たとえば、ＮＹ、コーニング（Corning）のコーニング社（Corning, Inc.）から入手可能なＳＭＦ−２８（登録商標）光ファイバといった単一モードファイバ）を含む。いくつかの他の実施例では、コイル２０は空芯光ファイバ（デンマーク、ビアケレズ（Birkerod）のクリスタルファイバ（Crystal Fibre）Ａ／Ｓから入手可能なＨＣ−１５５０−０２光ファイバといった中空光バンドギャップファイバ）を含む。いくつかの実施例では、空芯光ファイバは、従来の光ファイバと比べて、カー効果、ファラデー効果、およびシュープ（熱）効果のうちの１つ以上の減少を有利に提供する。たとえば、各々、その全体がここに引用により援用される、米国特許出願公開番号第２００８／００３０７４１ Ａ１号、および、Ｈ．Ｋ．キム（Kim）、Ｖ．ダンギ（Dangui）、Ｍ．ディゴネット（Digonnet）、およびＧ．キノ（Kino）、「空芯光バンドギャップファイバを用いた光ファイバジャイロスコープ」（Fiber-optic gyroscope using an air-core photonic-bandgap fiber）、ＳＰＩＥ議事録、第５８５５巻第１号、１９８〜２０１頁（２００５）を参照されたい。しかしながら、既存の空芯光ファイバの後方散乱係数は、実際には、従来の中実光ファイバの後方散乱係数よりも（最大で約１桁分）高く、それにより、レーザ駆動の空芯光ファイバセンサ（たとえばＦＯＧ）の感度を著しく制限する。しかしながら、直進する技術改良により、空芯光ファイバは、現在の空芯ファイバで主流であるものよりもはるかに低い、劇的に減少した後方散乱レベルを有することができる。たとえば、空芯光ファイバの後方散乱を減少させるための一方法は、たとえば多くの現在の空芯光ファイバで行なわれているような７本ではなく、１９本のチューブをファイバプリフォームから取除いて芯を形成することにより、ファイバ芯の直径を増加させることである。第２の方法は、ファイバをより幅が広いバンドギャップを有するよう設計することを含む。これは、たとえば、ファイバの空気充填比を増加させることによって達成可能である。後方散乱のレベルを減少させるための第３のアプローチは、ファイバを引く速度を増加させることであり、それは本質的に、溶融帯の温度、プリフォームのチューブに印加されるガスの圧力、ガラスの粘度および／または組成といった他の作製およびプリフォームパラメータの調節を必要とする。空芯光ファイバにおける後方散乱を減少させるこれらの方法、ならびに（場合によっては）それらの物理的原因および数学的正当化は、その全体がここに引用により援用される、ビナヤック ダンギ（Vinayak Dangui）の博士号論文「レーザ駆動空芯光バンドギャップ光ファイバジャイロスコープ」（Laser-Driven Air-Core Photonic-Bandgap Fiber Optic Gyroscope）、スタンフォード大学（Stanford University）電気工学部（Electrical Engineering Department）、２００７年１０月の特に第５．３．７項に見られる。他の光ファイバも、ここに記載されたさまざまな実施例に対応する。
【００１３】
いくつかの実施例では、図１に概略的に示すように、少なくとも１つの光学結合器３０は、第１のポート７２、第２のポート７４、および第３のポート７６を含む第１の光学結合器７０を含む。たとえば、第１の光学結合器７０は、図１に概略的に示すような３ｄＢの光学結合器を含み得る。いくつかの実施例の第１の光学結合器７０は追加のポートを含む。いくつかの実施例では、図１に概略的に示すように、第２のポート７４はコイル２０の第１の端２２に光学的に結合され、第３のポート７６はコイル２０の第２の端２４に光学的に結合されている。レーザ源４０により生成され、第１のポート７２が受けた光は、第１の信号５２と第２の信号５６とに分割される。第１の信号５２は、第２のポート７４によってコイル２０の第１の端２２に伝送されて、コイル２０に沿って第１の方向（たとえば時計回り）に伝搬し、コイル２０の第２の端２４および第３のポート７６によって第１のポート７２に伝送される。第２の信号５６は、第３のポート７６によってコイル２０の第２の端２４に伝送されて、コイル２０に沿って第２の方向５８（たとえば反時計回り）に伝搬し、コイル２０の第１の端２２および第２のポート７４によって第１のポート７２に伝送される。このように、第１の信号５２および第２の信号５６はコイル２０を通って逆伝搬し、第１の光学結合器７０によって再度組合される。
【００１４】
そのような構成では、第１の信号５２および第２の信号５６の光学経路は、互いに対して実質的に相反する。ここで使用されるような「相反する」という用語は、実質的に同じ光学光路長を有し、摂動（たとえば熱的変動）に対して実質的に等しい反応を有する光学経路を含むものの、それらに限定されない、その最も広範な妥当な解釈を含む。たとえば、点Ａでの第１の状態（「状態」とは偏光状態、位相を含むが、振幅を含まない）から点Ｂでの第２の状態に進む光については、点Ｂで光の方向を反転させた際に（点Ｂで第２の状態で始まる）光が第１の状態で点Ａに再度戻る場合、光の伝搬は相反する。ここに記載されたいくつかの実施例については、２つの信号５２、５６が同じ光学経路に沿って進むため、それらの伝搬は、第１の信号がコイル２０全体を一方向に回って進む際に第１の信号５２によって累積された位相が、第２の信号５６がコイル２０全体を逆方向に回って進む際に第２の信号５６によって累積された位相と等しくなるよう、基本的にまたは実質的に相反する。この相反性は、ファラデー効果（磁場への露出から生じる）およびサニャック効果（回転への露出から生じる）といった自然の数少ない非相反効果がない場合、および、感知コイル２０の一部または全部に非対称的に加えられる非対称的な時間依存性効果（たとえば、圧力変動または温度変動といった動的摂動など）がない場合に、絶対的であろう。しかしながら、この相反性は、非相反効果がすべてちょうどゼロ、つまり、特に、２つの信号５２、５６がコイル２０に沿ったあらゆる点で同じ偏光状態（ＳＯＰ）でなければならない（しかしながら、各信号のＳＯＰは、コイル２０に沿ったあらゆる点で同じである必要はない）である場合を除き、絶対的ではない。この文脈において、「実質的に相反する」という用語は、これらの残存する非相反効果を相殺することが決して完全ではないことを認めている。実質的に相反する光学経路を含むシステムの例は、コモンパス干渉計およびコモンモード干渉計を含むが、それらに限定されない。非相反光学経路の例は、不平衡干渉計を開示している、Ｊ．ツェン（Zheng）、「全ファイバ単一モードファイバによる周波数変調連続波サニャックジャイロスコープ」（All-fiber single-mode fiber frequency-modulated continuous-wave Sagnac gyroscope）、オプティクス・レターズ、第３０巻、１７〜１９頁（２００５）に載っている。
【００１５】
いくつかの実施例では、図１に概略的に示すように、少なくとも１つの光学結合器３０は、第１のポート８２、第２のポート８４、および第３のポート８６を含む第２の光学結合器８０をさらに含む。いくつかの実施例の第２の光学結合器８０は追加のポートを含む。たとえば、第２の光学結合器８０は、図１に概略的に示すような光サーキュレータを含み得る。いくつかの実施例では、第１のポート８２は、レーザ源４０によって生成された光を受け（たとえば、第１のポート８２はレーザ源４０に光学的に結合され）、第２のポート８４は第１の光学結合器７０の第１のポート７２に光学的に結合され、第３のポート８６は検出システム９０に光学的に結合されている。第１のポート８２がレーザ源４０から受けた光は、第２のポート８４を通って、第１の光学結合器７０の第１のポート７２に伝送される。第２のポート８４が第１の光学結合器７０の第１のポート７２から受けた光（たとえば第３の信号６０）は、第３のポート８６を通って検出システム９０に伝送される。少なくとも１つの光学結合器３０の他の構成も、ここに記載されたいくつかの実施例に対応する。たとえば、少なくとも１つの光学結合器３０は追加のまたはより少ない光学素子を含むことができ、第２の光学結合器８０は３ｄＢの光学結合器を含むことができる。以下により十分に説明されるように、いくつかの実施例では、センサ１０は、偏光相反性を達成するために有利に使用可能な偏光器を含むことができる。
【００１６】
コイル２０が回転していない場合、コイル２０および第１の結合器７０によって形成されたコモンパス干渉計を通って伝搬した後で第１のポート７２に戻ってきた第１の信号５２および第２の信号５６は、同相で再度組合される。（図１のコイル２０上の小さい交差で示された）コイル２０の中心点以外のあらゆる場所でコイル２０に動的摂動が加えられると、逆伝搬する第１の信号５２および第２の信号５６は位相差を経験する。２つの信号５２、５６が少なくとも１つの光学結合器３０によってポート７２で再度組合されると、この位相差はポート７２での第３の信号６０の振幅差をもたらし、それは検出器システム９０によって検出される。この振幅差は、摂動についての情報を含む。コイル２０の回転はまた、その振幅が回転速度に比例する位相シフトを誘導する。センサ１０に摂動が与えられない場合（たとえばＦＯＧが回転なしの場合）、理想的なＦＯＧから戻ってきた信号は、変調周波数（ｄｃを含む）の数倍ものスペクトル成分を含むが、ｆ0の信号は全く戻ってこない。しかしながら、後方散乱ノイズを含む摂動は、ｆ0の成分を誘導する。このため、いくつかの実施例において対象となる信号はｆ0で変調される。
【００１７】
いくつかの実施例では、レーザ源４０は、約１．４８μｍ〜約１．６μｍの範囲の平均波長を有する。いくつかの実施例のレーザ源４０の平均波長は、約１ｐｐｍまたはより良好な範囲内に対して安定である。ＳＦＳと比べた、いくつかの実施例の平均波長のより大きな安定性は、ＦＯＧに関するより大きなスケール因子安定性を有利に提供する。いくつかの実施例では、レーザ源４０は、コヒーレント長がコイル２０の長さと等しいかそれより短くなるように狭い帯域幅を有するレーザを含む。いくつかの実施例では、レーザ源４０の帯域幅は、レーザ源４０のスペクトル成分間のビートによる過剰ノイズがセンサ１０に実質的に存在しない（たとえば過剰ノイズは、検出された信号のショットノイズを下回る）ように、十分に狭くなっている。ここに記載されたいくつかの実施例に対応するレーザの例は、外部共振器半導体ダイオードレーザ、および分散帰還型ファイバレーザを含むが、それらに限定されない。いくつかの実施例では、分散帰還型ファイバレーザは、外部共振器半導体ダイオードレーザよりもコンパクトで頑強であるため、より好適である。いくつかの実施例では、レーザ周波数は、選択された周波数ｆmで何らかのパターン（たとえば正弦波状、鋸歯状など）で変調される。
【００１８】
媒体の局所屈折率の不均一性と光との相互作用によるコヒーレント後方散乱は、光ファイバジャイロスコープ、音響センサなどのさまざまなサニャック干渉計ベースのセンサにおいて主なノイズ源であることが知られている。そのような局所不均一性に光が遭遇すると、それはさまざまな方向に散乱される。ファイバの受入れ円錐内にある逆方向の散乱光の部分は、逆伝搬モードに結合する。コイルを出ると、この光は主要波の各々と干渉して、エラー信号を生成する。散乱光および主要光の光学経路はもはや相反しておらず、そのため、温度過渡または磁場変動によるファイバ伝搬定数の局所変動、および源の位相変動によって、後方散乱によるエラー信号が、発生する干渉がコヒーレントなときに変動するようになる。このエラー信号における二乗平均平方根（ＲＭＳ）変動は、ＦＯＧなどのサニャックループベースのセンサの最小感度を制限する。ＦＯＧの場合、この種のノイズはしばしば、
【００１９】
【数１】
【００２０】
の単位で与えられるＦＯＧランダムウォークによって特徴付けられる。
いくつかの実施例では、周波数変調されたレーザ源４０は、過剰ノイズの減少（ひいてはＦＯＧについての、たとえば回転に対する感度の向上）を有利に提供し、いくつかの実施例では、後方散乱されたノイズの減少を提供する。図２は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った、サニャック光ファイバセンサ１０の光ファイバコイル２０における位置ｚにある単一散乱体Ｓを概略的に示す。図２に概略的に示すコイル２０は、以下により十分に説明されるような位相変調器１３０を含む。いくつかの実施例では、位相変調器１３０は、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」、アーテックハウス社、ノーウッド、ＭＡ（１９９３）に記載されているように、干渉計に直角位相でバイアスをかける。図２のセンサ１０は、たとえば３ｄＢのファイバ結合器といった光学結合器によってそれ自体の上で閉鎖されたコイル２０を含む標準的なサニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの一例である。いくつかの実施例では、位相変調器１３０による位相変調の期間は、コイル２０の飛行時間の２倍であり、この位相変調の周波数は、センサ１００の適正周波数ｆ0と呼ばれる。いくつかの実施例では、位相変調器１３０の変調周波数は、コイル２０の適正周波数ｆ0と等しい。周波数のこの選択は、上に引用したＨ．Ｃ．ルフェーブルにより記載されているように、回転に対するＦＯＧの感度を最大にすることを含む数々の有利な利点を有する。この位相変調の別の有益な効果は、コイルが回転すると、この回転によってコイルの出力において生じる干渉信号が周波数ｆ0を中心とする、ということである。
【００２１】
後方散乱ノイズは、検出器における、第１の信号５２と、散乱体（たとえば位置ｚにある散乱体Ｓ）からの第２の信号５６の後方散乱によって生成された概してより弱い信号との相互作用から生じる。少量の後方散乱光が少なくとも１つの光学結合器３０に戻り、そこでそれは第１の信号５２と干渉して、第１の信号５２上にノイズを生成する（第１の信号５２における光子の位相と、散乱体からの反射の位相および振幅との双方のランダム特性に起因する）。この方向において、第１の信号５２および後方散乱信号は双方とも、それらが相互作用する時点までに位相変調器１３０をすでに通過しているため、それらの干渉から生じるスプリアス信号が周波数ｆ0で発生する。ＦＯＧ出力信号上の、回転に誘導された信号もｆ0で発生する（上に引用したＨ．Ｃ．ルフェーブルを参照）ため、このスプリアス信号はＦＯＧの回転信号と区別できず、したがって、それはエラーの源を構成する。反対方向では、図２の例示的なセンサ１０における主な違いは、第２の信号５６と、散乱体からの第１の信号５２の後方散乱による後方散乱信号とが相互作用する時点までに、第２の信号５６のみが位相変調器１３０をすでに通過している点である。この理由は２つの要素からなる。第１に、後方散乱信号は、第１の信号５２が位置ｚにある散乱体から後方散乱することから生成されたものであり、それが、第１の信号５２がまだ位相変調器１３０を通過しておらず、このためまだ変調されていない時点で起こるためである。第２に、この特定の後方散乱信号は反時計回りに進むため、それも決して位相変調器１３０を通過しない。その結果、この特定の構成では、第２の信号５６はｆ0のコヒーレント後方散乱ノイズを全く運ばない。
【００２２】
メイン信号と後方散乱信号とのこの干渉プロセスはコヒーレントであるため、コイルの中心点を中心とするコイル２０の区分に沿って、かつ源４０のコヒーレント長とほぼ等しいコイル２０の長さに沿って位置する散乱体のみが、コヒーレント後方散乱に寄与する。コイル２０の残りの部分に沿って位置する散乱体は、メイン信号と時間的にコヒーレントではない後方散乱信号を生成し、それにより、位相ノイズではなく強度ノイズを生成する。このノイズはコヒーレント後方散乱ノイズよりもかなり弱い。コヒーレント長が短い（典型的には数十ミクロン）広帯域源を利用したサニャック干渉計では、コヒーレント後方散乱ノイズはしたがって非常に弱い。以前に指摘したように、そのような源が使用される場合、源の主なノイズは典型的には、後方散乱ノイズではなく、過剰ノイズである。一方、広帯域源の代わりに狭帯域幅レーザ源を利用することは、コヒーレント後方散乱ノイズを生成する光ファイバコイル２０のより大きな部分に起因する、劇的に増大したノイズをもたらし得る。なぜなら、レーザ源のコヒーレント長（典型的には１ｃｍまたはそれよりも長く、通常もっと長く、最大数千ｋｍである）は、広帯域源のコヒーレント長よりもかなり長いためである。レーザ源のコヒーレント長は、典型的には、光ファイバコイル２０の長さの数分の１（たとえば、数百メートル以上であり得るコイル２０の長さの０．１％）以上であり得る。したがって、光ファイバコイル２０に沿った散乱体はすべて、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与する。
【００２３】
いくつかの実施例では、この後方散乱ノイズは、レーザ源４０の周波数を掃引または変調し、検出された信号をフィルタリングすることによって、有利に減少される。レーザ源４０の線形掃引周波数νI（ｔ）が図３Ａに示されており、
【００２４】
【数２】
【００２５】
として表わすことができる。ここで、Ｓは周波数掃引の速度（Ｈｚ／ｓ）であり、ｔは時間（秒）である。図２から明らかなように、メイン信号は、後方散乱信号と同時にはコイル２０から戻ってこない。これら２つの間の遅延Δｔは散乱体の位置に依存しており、
【００２６】
【数３】
【００２７】
として表わすことができる。ここで、ｚはコイル２０における散乱体の位置であり、Ｌはコイル２０の長さであり、ｎはコイル２０の屈折率であり、ｃは光の速度である。したがって、所与の時点で、後方散乱信号およびメイン信号は、図３Ｂに示すように異なる光周波数を有する。したがって、それらが干渉する際、それらは検出器システム９０で、大抵の散乱体について、もはやｆ0ではない周波数を有するビート信号を生成する。具体的には、図２でコイル２０を時計回り（ｃｗ）に進んだ信号、およびそれが干渉する（反時計回りの信号の後方散乱から生じる）後方散乱信号は双方とも、それらが干渉する際に位相変調器１３０を通過してきており、そのため、それらのビート音の周波数はｆ0＋ΔνBであり、ここでΔνBは
【００２８】
【数４】
【００２９】
として表わすことができる。これに対し、反対方向では、コイル２０の出力において、コイル２０を反時計回り（ｃｃｗ）に進んだ信号は位相変調器１３０を通過してきているが、それと干渉する（ｃｗ信号の後方散乱から生じる）後方散乱信号は通過していない。したがって、それらが干渉する際、それらのビート音の周波数はΔνBであり、すなわち、それはｆ0の近傍ではなくｄｃの近傍にある。このため、このビート音はｆ0周囲のコヒーレント後方散乱ノイズに寄与しない。ビート信号の周波数は、散乱体の位置を示す。戻ってきたスペクトルのフーリエ変換は、コイル２０の中心に対する、コイル２０に沿った散乱体の空間特性化を与える。コイル２０の中心に対して位置が対称的である２つの散乱体は、識別できない。
【００３０】
このため、いくつかの実施例では、構成とレーザ周波数の周波数変調または掃引との組合せの結果、有害な後方散乱ノイズはｆ0＋ΔνBのビート周波数で変調され、一方、対象となる信号は周波数ｆ0である。言い換えれば、レーザ源４０の周波数を掃引することにより、後方散乱ノイズにおけるエネルギは、メイン信号の周波数とは異なる周波数にシフトされ、このため分光フィルタリングによる後方散乱ノイズの抑制を可能にする。検出器システム９０での信号のこのフィルタリングは、光学検出器９２の出力において、ｆ0を中心とし、かつビート周波数シフトΔνBよりも小さいカットオフ帯域幅ＢＷdetを有するバンドパスまたはローパスフィルタ９４によって行なわれる。このフィルタはノイズビート音を伝送せず、それにより、検出システム９０で信号に対する後方散乱ノイズの寄与を有利に減少させる。このフィルタ９４は、たとえばロックイン増幅器、または同等の電子フィルタを含み得る。この種のフィルタは、ｆ0の回転誘導信号を検出し、それを他のノイズ源からフィルタリングするために、既存のＦＯＧにおいて既に使用されており、そのため当業者であれば、ここの開示に鑑みて適切なフィルタ９４をどのようにして選ぶかについて知っているであろう。動的摂動（たとえば音響波）を感知するために光ファイバセンサ１０が使用されるいくつかの実施例では、カットオフ帯域幅ＢＷdetは、摂動の周波数よりも高くなるように選択される。カットオフ帯域幅は、たとえば、数分の１Ｈｚ〜１ｋＨｚ、またはそれを上回る範囲であり得る。
【００３１】
図４に示すように、所与のカットオフ帯域幅ＢＷdetについて、有害な散乱体のみがコイル２０の中心の周囲の均等なコヒーレント長Ｌc内に位置しており、ここでＬcは
【００３２】
【数５】
【００３３】
として表わすことができる。この有効長をコイル２０の典型的な長さよりもかなり短くすることは、簡単である。たとえば、１Ｈｚの帯域幅および２０ｎｍ／ｓの掃引速度（それは達成が単純明解である）については、Ｌcはたった８０μｍであり、源の実際のコヒーレント長とは無関係である。これは、たとえば、源４０のコヒーレント長が、数百メートルさらには数キロメートルにもなり得るコイル２０の長さと等しい場合でも、真実である。コヒーレント後方散乱については、周波数変調されたレーザ源４０はしたがって、その実際のコヒーレント長が数桁分より長い場合であっても、典型的なＳＦＳのコヒーレント長（たとえば数十ミクロン）に匹敵するコヒーレント長を有するようである。
【００３４】
この分析は、いくつかの実施例により提供された後方散乱ノイズの減少が、レーザ源４０が掃引される光学帯域幅に依存せず、周波数掃引の速度であるＳにのみ依存していることを示している。したがって、いくつかの実施例では、小さい光学帯域幅にわたってレーザ源４０の周波数の高速変調を利用することにより、所与の速度Ｓを達成することが有利である。これらの利点のうちの１つは、広帯域源の光学帯域幅と同じぐらい広い光学帯域幅にわたってレーザ周波数を掃引する必要がないことである。他の実施例では、大きい光学帯域幅にわたってレーザ源４０の周波数の低速変調を利用することにより、所与の速度Ｓを達成することが有利である。これは、たとえばレーザ力学によって課されるように、大きい帯域幅にわたって低速でレーザを調整することがより容易な場合に有利である。たとえば、分散帰還型ファイバレーザは遅い緩和周波数（たとえば数百ｋＨｚ）を呈するため、そのようなレーザを利用するいくつかの実施例では、大きい帯域幅にわたってゆっくりと周波数を掃引することが好ましい場合がある。
【００３５】
以前に指摘したように、コヒーレント後方散乱ノイズがどれだけ多く減少されるかにおいて重要な計量値は、周波数掃引速度Ｓである。Ｓは、回転誘導信号周波数ｆ0と、レーザ源４０に加えられた周波数変調の結果、ｆ0の両側にシフトされたノイズピークとの間の周波数シフトを定める。いくつかの実施例では、使用のために選択するＳの値に関し、センサ１０の局所的に最適な２つの動作モードがある。ｆ0での後方散乱ノイズをできるだけ減少させるために、ノイズピークはｆ0からできるだけ遠くにシフトされ得る。いくつかの実施例では、ノイズピークは第１の動作モードにおいて、周波数掃引速度Ｓをできるだけ大きくなるよう選択することによってシフトされ、ｆ0よりもはるかに大きいΔνBをもたらす。いくつかのレーザでは、この第１の動作モードは、たとえばレーザ帯域幅が小さすぎる場合、またはレーザ力学が遅すぎる場合に実施が難しい場合があり、大きい掃引速度Ｓの達成を困難に、または不可能にすらする。いくつかの実施例では、センサ１０は、ｆ0の奇数調波（たとえばｆ0、３ｆ0、５ｆ0など）の回転誘導信号を用いて動作され得る。
【００３６】
これらの実用的な理由から、またはいくつかの他の理由から、いくつかの実施例では、別の動作モードが使用可能である。上述のように周波数変調が０から増加するにつれて、ｆ0におけるノイズピークは、ｆ0の両側に位置する、すなわちｆ0±ΔνBにおける２つのピークに分割される。しかしながら、ｄｃおよびｆ0の全調波（２ｆ0、３ｆ0など）に位置するあらゆるノイズピークにおいて、同じ分割が起こる。このため、元々ｆ0にあったノイズピークはｆ0の有用な回転誘導信号から遠ざかるように周波数シフトされるが、元々ｄｃにあったノイズピークはｆ0に向かって周波数シフトされる。この第２の動作モードにおける最適な変調周波数は、ビート周波数ΔνB＝ｆ0／２（Ｓ＝ｃ2／（４ｎ2Ｌ2）に対応）を提供することである。この第２の動作モードは局所的に最適である。なぜなら、この周波数シフトΔνB＝ｆ0／２で、ｄｃにあったノイズピークおよびｆ0にあったノイズピークは双方とも、ｆ0／２、すなわちｄｃと信号周波数ΔνBとの中間に周波数シフトされるためである。変調周波数をさらに増加させること（すなわちｆ0／２を上回ること）は、ｆ0にあった元のノイズピークをｆ0からさらに遠ざかるように動かし、それはｆ0におけるノイズを減少させるが、それはまた、ｄｃにあった元のノイズピークをｆ0により近づくように動かし、それはノイズを増加させる。ｄｃでのノイズピークの振幅は、それがｆ0にある場合よりも大きいため、最終結果は、ｆ0での後方散乱ノイズの増加となるであろう。したがって、この第２の動作モードにおける最適速度は、Ｓ＝ｃ2／（４ｎ2Ｌ2）である。たとえば、長さが２００ｍのファイバコイルおよび１．４５の屈折率については、掃引速度の条件は、１．５５μｍの信号波長についてＳ＝２６８ＧＨｚ／ｓ、または約２．１ｎｍ／ｓである。この周波数掃引速度を提供するために使用可能なレーザ源４０の例は、外部共振器半導体ダイオードレーザ（たとえば最大１００ｎｍ／ｓまで）を含むが、それに限定されない。
【００３７】
第１の動作モードについては、ビート周波数がｆ0を上回って十分に増加するにつれて、元々ｄｃ、ｆ0、およびｆ0のすべての高調波に位置していたノイズピークはシフトし、ｆ0での信号ピークと重複するのに十分な周波数に広がる。次に、２つの効果がｆ0でのノイズレベルに寄与する。第１に、より多くのノイズピークがｆ0でのノイズに寄与し、それはｆ0でのノイズレベルを増加させる。第２に、元々ｆ0およびｄｃにあったノイズピークのエネルギが広がり、ｆ0での振幅を損失し、それはｆ0でのノイズレベルを減少させる。より高い調波でのノイズピークは、調波の次数が増加するにつれて減少する振幅を有するため、第１の寄与は第２の寄与よりも弱く、したがって、周波数シフトを非常に高い値に増加させる正味の影響は、ｆ0でのノイズを減少させることである。
【００３８】
図５Ａおよび図５Ｂは、レーザ源４０の光学線幅とビート信号の電気的線幅との比較を示す。図５Ａに示すように、レーザ源４０は、光周波数νIと光学線幅δνIとを有する。異なる光周波数で動作する相関関係のない２つのレーザ間のビート信号のスペクトル線幅は、それらのレーザの線幅の和である。しかしながら、レーザ信号同士が相関する場合、ビート信号線幅はゼロになりがちである。図２に示す光ファイバセンサ１０の状況では、２つのうなる光信号は、これらの信号間の遅延がレーザ源４０のコヒーレント時間よりも短い場合に相関する。したがって、レーザコヒーレント長がコイル２０よりも長いいくつかの実施例では、後方散乱信号およびメイン信号は相関しており、ビート信号は、図５Ｂに実線で示すように、レーザ源４０の光学線幅δνIよりも著しく小さい電気的線幅を提示する。図５Ｂの点線は、ビート信号同士が相関せず、２δνIの線幅をもたらす最悪の場合の筋書きを示している。
【００３９】
図５Ｃ〜図５Ｅは、レーザ源４０のさまざまなレベルのコヒーレンスについての、適正周波数ｆ0およびビート周波数ΔνBを示す。高度にコヒーレントなレーザ源４０（図５Ｃに示すように、Ｌc＞＞Ｌ）については、戻ってきた信号とコヒーレントな後方散乱信号との間のビート信号は非常に狭く、フィルタリングが高度のノイズ抑制を生み出し得る。（図５Ｄおよび図５Ｅに示すように）コヒーレント長が低下すると、ビート信号は幅が広がり、それらはｆ0でますます重複し、ノイズ抑制は効果が弱くなる。
【００４０】
ビート信号の線幅がビート周波数ΔνBよりも小さいいくつかの実施例では、後方散乱ノイズは、ローパスフィルタ（たとえば、カットオフ帯域幅ＢＷdetを有するフィルタ）またはバンドパスフィルタを用いて、フィルタリングで除去され得る。したがって、いくつかの実施例では、レーザ源４０は、ビート信号の線幅が減少するように、コイル２０よりも大きいコヒーレント長を有しており、結果として生じる信号における後方散乱ノイズは、分光フィルタリングによってより効果的に減少され得る。たとえば、長さが２００ｍのファイバコイルについては、光学線幅δνIがｃ／Ｌよりもはるかに小さいという条件は、δνI＜＜１．５ＭＨｚを有することによって満たされる。そのような光学線幅は、（典型的には数百ｋＨｚの線幅を有する）外部共振器半導体ダイオードレーザ、または（典型的には数十ｋＨｚの線幅を有する）単一モードファイバレーザによって提供され得る。
【００４１】
レーザ源４０の周波数を無限に増加させることはできないので、いくつかの実施例では、周期的変調が適用される（たとえば、図６Ａに示すような鋸歯状の周波数変調波形形状）。いくつかの実施例におけるこの周波数変調の周波数ｆsweepは、検出システム９０のフィルタ帯域幅ＢＷdetよりもはるかに高くなるよう有利に選択される。図６Ｂに示すように、周期的周波数変調については、メイン信号と後方散乱信号との間のビート周波数ΔνBは、周波数変調の巻付け部（具体的には、図６Ｂの上のグラフで後方散乱曲線とメイン曲線とが交差するあらゆる点）の周囲でゼロになりがちである。なぜなら、戻ってきたメイン信号と戻ってきた後方散乱信号とが実質的に等しい周波数を有するのは、これらの交差点の近傍であるためである。したがって、これらの点の近傍におけるビート周波数の減少は、後方散乱ノイズの一部を検出帯域幅内へと効果的に動かし、このためこれらの点での残存後方散乱ノイズを増加させる。このフィルタリングされていないノイズの大きさは、いくつかの実施例では、レーザ源４０が掃引される光学帯域幅を増加させ、これによりビート周波数の時間依存性のデューティサイクルを増加させるか、または単位時間当たりの交差点の数を同等に減少させることにより、減少され得る。帯域幅が高くなるにつれて、単位時間当たりの巻付け部（または交差点）の数は少なくなり、ひいてはノイズ減少が大きくなる。
【００４２】
そのようないくつかの実施例に対応するレーザ源４０の例は、（たとえば１００ｎｍ掃引可能な）外部共振器半導体ダイオードレーザ、および（たとえば圧電性セラミックを用いて高速で、ファイバを延ばすことにより１０ｎｍ以上、ファイバの圧縮により９０ｎｍ以上掃引可能な）分散帰還型ファイバレーザを含むが、それらに限定されない。たとえば、レーザ源４０の周波数変調は、いくつかの種類がある狭線幅（たとえば単一周波数）半導体レーザダイオードを用いることにより、およびレーザダイオード駆動電流を変調することにより、提供され得る。これは、駆動電流に印加される周波数で、レーザ周波数の若干の変調を生成することが周知である。この周波数は掃引速度を制御し、一方、電流変調の振幅はレーザ周波数変調の振幅を制御する。
【００４３】
他の周波数変調波形形状（たとえば正弦波状）も、ここに記載されたいくつかの実施例に対応する。いくつかの実施例では、周波数変調波形形状は、（たとえば鋸歯状のように）確率の平坦な密度を有するよう選択される。図７は、鋸歯波形および正弦波波形の確率の密度を比較している。正弦波状の周波数変調波形形状は、その確率の密度が正弦波形の極値近傍で最大であるため、後方散乱ノイズの大きさを劇的に増加させる。
【００４４】
図８Ａは、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサ１００を概略的に示す。図８Ａのセンサ１００は、コイル２０を含む標準的なサニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの別の例である。図８のセンサ１００は、最小構成のＦＯＧであり得る（たとえば、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」、アーテックハウス社、ノーウッド、ＭＡ（１９９３）を参照）。レーザ源４０からの光は光サーキュレータ８０に伝送され、偏光器１１０を通り、光学結合器７０に入り、それは偏光制御器１２０、光ファイバコイル２０、および電気光学（ＥＯ）位相変調器１３０によってそれ自体の上で閉鎖されている。位相変調器１３０は、センサ１００に直角位相でバイアスをかけるために使用可能であり、これによりセンサ１００の感度を高める。いくつかの実施例では、偏光器１１０および位相変調器１３０は、数々のベンダーおよび製造業者（たとえば、カリフォルニア州ミルピタス（Milpitas）のＪＤＳユニフェーズ社（JDS Uniphase Corp.））から商業的に入手可能な、ファイバベースまたはファイバピグテイルの部品である。
【００４５】
図８Ｂは、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサ１０２を概略的に示す。図８Ｂのセンサ１０２は、コイル２０を含む標準的なサニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの別の例である。センサ１０２は、偏光器１１０から下流に（たとえばコイル２０内、偏光器１１０と第１の光学結合器７０との間、および／または第１の光学結合器７０内）に、偏光保持（ＰＭ）ファイバを含む。いくつかのそのような実施例では、偏光器１１０から下流の光学経路全体がＰＭファイバである。いくつかの実施例では、センサ１０２は全体にわたって（すなわち源４０から下流で）ＰＭファイバを有している。ＰＭファイバを、偏光器１１０から下流の光学経路全体に沿って、またはセンサ１０２全体にわたって利用することにより、いくつかの実施例では、センサ１００の偏光制御器１２０の使用が不要になる。そのようないくつかの実施例は、（手動により（実際のＦＯＧでは実行不可）、またはコストおよび複雑性を追加する複雑な帰還システムを用いて）偏光制御器１２０を調節する必要性を有利に回避する。いくつかの実施例の位相変調器１３０は関数発生器１４０によって駆動されており、それはロックイン増幅器１５０に結合され、ロックイン増幅器１５０は信号をコンピュータシステム１６０に出力する。いくつかの実施例におけるセンサ１００の適正周波数でのロックイン検出は、信号対ノイズ比を有利に改良できる。この位相変調を用いると、対象となる戻ってきた信号は、位相変調の周波数（すなわち適正周波数ｆ0）を中心とする。
【００４６】
図２に示す例示的な構成に関して上述したものと同様に、図８に概略的に示すセンサ１００については、逆伝搬する信号同士のうちの１つのみによる後方散乱光が位相変調器１３０を通って伝搬する。たとえば、偏光制御器１２０を通り、次にコイル２０の残りを通り、次に位相変調器１３０を通って伝搬する第１の信号５２については、コイル２０内で生成された後方散乱光は、偏光制御器１２０に向かって、かつ位相変調器１３０から遠ざかるように伝搬し、それから第１の光学結合器７０に到達する。逆に、位相変調器１３０を通り、次にコイル２０を通り、次に偏光制御器１２０を通って伝搬する第２の信号５６については、コイル２０内で生成された後方散乱光は、位相変調器１３０を通って伝搬してから第１の光学結合器７０に到達する。位相変調器１３０を通って伝搬していない後方散乱光は、このため位相変調されず、したがって、検出周波数での後方散乱ノイズに寄与しない。そのような構成は、双方の後方散乱信号が変調されて双方がノイズに寄与する他の構成（たとえば、Ｊ．ツェン、「全ファイバ単一モードファイバによる周波数変調連続波サニャックジャイロスコープ」、オプティクス・レターズ、第３０巻、１７〜１９頁（２００５）、および、Ｊ．ツェン、「差動複屈折ファイバによる周波数変調連続波サニャックジャイロスコープ」、ＩＥＥＥフォトニクス・テクノロジー・レターズ（Photonics Technology Letters）、第１７巻、１４９８〜１５００頁（２００５））とは異なっている。
【００４７】
加えて、図８Ａおよび図８Ｂに概略的に示すセンサ１００、１０２、および図１に概略的に示すセンサ１０については、逆伝搬する信号同士が双方とも周波数変調され、組合されて、第３の信号６０を生成する。他の構成（たとえば、Ｂ．カルショー（Culshaw）ら、「周波数変調ヘテロダイン光ファイバサニャック干渉計」（Frequency Modulated Heterodyne Optical Fiber Sagnac Interferometer）、ＩＥＥＥ会報、マイクロ波理論および技術部会（Microwave Theory and Technique）、ＭＴＴ−３０、５３６〜５３９頁（１９８２））は、コイル２０の２つの逆伝搬信号の周波数を変調せず、これらの信号を組合さない。
【００４８】
２つの異なるＦＯＧを用いた図８Ａの例示的なセンサ１００について、実験結果を以下に提供する。ＦＯＧは各々、直径８ｃｍのスプールに巻かれた長さ２００ｍの標準光ファイバ（コーニング社からのＳＭＦ−２８ファイバ）、および直径８ｃｍのスプールに巻かれた長さ２３５ｍの空芯光バンドギャップファイバ（クリスタルファイバからのＨＣ−１５５０−０２ファイバ）という異なる光ファイバを利用している。（基本ノイズデータを収集するための）標準エルビウム添加超放射ファイバ源、および線幅が２００ｋＨｚの外部共振器波長可変レーザという２つの異なる光源を用いることにより、ＦＯＧの性能を研究した。レーザの周波数は周波数変調（ＦＭ）を用いて掃引可能であった。この場合、レーザの駆動電流は変調され、それは非常に小さい波長変調帯域幅（１ｐｍと試算）を生成した。また、これに代えて、レーザ周波数は周波数掃引（ＦＳ）を用いて掃引可能であり、その場合、レーザ周波数は、光学格子からなる半導体レーザの外部共振器を調整することによって掃引された。このアプローチは、（最大１００ｎｍの）広い光学変調帯域幅を提供した。
【００４９】
図９は、ＳＦＳ、レーザ、および周波数変調レーザという３つの異なる光源について、ロックイン増幅器１５０の出力において観察された、ＳＭＦ−２８ファイバコイルを用いたセンサ１００についての回転信号を示す。ＥＯ位相変調器１３０は、関数発生器１４０からの４００ｋＨｚの正弦波によって駆動され、検出器９２に戻ってきた光学パワーは−２０ｄＢｍであり、ロックイン増幅器１５０の等価積分時間は１．２８ｓ（ＢＷdetが０．７８Ｈｚ）であった。図９のデータは、センサ１００を停止させた状態で、等価積分時間のほぼ１０倍に等しい期間にわたって取得された。図９に示すように、ＳＦＳを用いた場合のノイズはレーザのノイズよりもはるかに小さく、それぞれ１シグマで３°／ｈおよび３３°／ｈであった。このＦＯＧをレーザを用いて調べた場合に観察されたノイズの増加は後方散乱によるものであり、一方、ＳＦＳを用いた場合に観察されたノイズは過剰ノイズによって支配されている。
【００５０】
周波数変調レーザについては、鋸歯変調をレーザ駆動電流に８ｋＨｚで１ｍＡのピーク間振幅で適用することにより、レーザ周波数が変調された。周波数変調の振幅は１ｐｍであると試算され、周波数掃引速度Ｓは４．４ｎｍ／ｓであると試算された。周波数変調レーザは、後方散乱ノイズを、非周波数変調レーザの３３°／ｈと比べると約４倍の改良となる７．６°／ｈに著しく減少させた。上で説明したように、この改良の理由は、後方散乱ノイズが適正周波数ｆ0からシフトされ、ロックイン増幅器によってフィルタリングで除去され、ｆ0でのノイズが低下したためである。このシフトは周波数掃引速度Ｓに比例しており、周波数シフトは、１ｋＨｚでの変調については４０ｋＨｚに等しく、４ｋＨｚでは約１４０ｋＨｚに等しい。これらの実験結果はしたがって、周波数掃引レーザによる後方散乱ノイズの減少を支持する。いくつかの実施例では、対象となる周波数ｆ0における図９で使用されたレーザの振幅ノイズは、このセンサ１００の性能を制限する。いくつかの他の実施例では、より低いノイズを有するレーザは、ＳＦＳと同様の、またはより良好な性能を提供する。なぜなら、広帯域源と比べ、レーザは、制限された過剰ノイズを提示するためである。加えて、図９は、非常に小さい（１ｐｍ）光学帯域幅にわたるレーザの周波数変調が、センサ１００において後方散乱ノイズを劇的に減少させるのに十分であることを示している。
【００５１】
図１０は、ＳＭＦ−２８ファイバが停止した状態のセンサ１００について検出器９２の出力において観察されたＲＦスペクトルを示す。このスペクトルは、図５Ｂに従って予期されるスペクトルと質的に十分一致している。ＦＯＧ源４０としてＳＦＳが使用される場合、ｆ0で観察された後方散乱ノイズ成分は非常に小さい。ＳＦＳをレーザ源と置き換えた場合、ｆ0で強い後方散乱ノイズが観察される。レーザの周波数を変調することにより、図９は、後方散乱ノイズが位相変調周波数ｆ0から遠ざかるように、かつその両側にシフトされることを示している。後方散乱ノイズのこの周波数シフトは、ｆ0のあらゆる倍数（ゼロを含む）の周囲で観察された。レーザ周波数変調は、ＳＦＳを用いて動作された同じＦＯＧの低いノイズレベルに達するには不十分であるものの、後方散乱ノイズを明らかに減少させる（図１０参照）。上述のように、この周波数シフトは周波数掃引速度に比例することが観察された。図１０はまた、いくつかの実施例では後方散乱の減少が制限されていることを示す。後方散乱ノイズピークを位相変調周波数よりもさらにシフトさせることはできず（すなわち、ΔνBはｆ0よりも小さくなければならない）、または、ｄｃから正の周波数に向けてシフトされたノイズが、対象となる周波数ｆ0で観察されるであろう。これに対し、いくつかの他の実施例では、以下でさらに説明するように、後方散乱ノイズは、ΔνB＞＞ｆ0となるように非常に高速でレーザの周波数を掃引することにより、高周波数へとさらにシフトされる。たとえば、半導体レーザの外部共振器の格子の回転を用いて、１００ｎｍ／ｓもの高い周波数速度を得ることができる。
【００５２】
ビート信号は５０ｋＨｚの線幅を有することが観察された。前述のように、この線幅は、レーザの光学線幅の２倍よりも小さい。したがって、ビート波は部分的に相関するようであり、それはレーザの１．５ｋｍのコヒーレント長と十分に一致している。
【００５３】
同様の傾向が、空芯光ファイバコイル２０を利用したセンサ１００についても観察された。ＥＯ位相変調器１３０は６３２ｋＨｚの正弦波で駆動され、検出器９２に戻ってきた光学パワーは−２４ｄＢｍであり、ロックイン増幅器１５０の等価積分時間は１．２８ｓ（ＢＷdetが０．７８Ｈｚ）であった。図１１は、検出器９２の出力において観察されたＲＦスペクトルを示す。図１０のＳＭＦ−２８ファイバコイル２０についてのＲＦスペクトルと比較した主な違いは、標準ファイバと比べて空芯光ファイバの後方散乱係数が増大しているため、後方散乱ノイズが２０ｄＢ（電気的）増大した（１０倍）ことである。レーザ周波数変調は、標準ファイバコイルを用いた場合と同様に後方散乱ノイズを減少させるが、ＳＦＳの低ノイズ性能に達するほどではない。レーザ周波数が３．２ｋＨｚで、かつ周波数速度が
【００５４】
【数６】
【００５５】
（または２３２ＧＨｚ／ｓ）となるような速度で変調されると、ノイズは２６４°／ｈであることが観察され、それはＳＦＳを用いた場合に観察された７．７°／ｈというノイズのほぼ３０倍である。ノイズの大きさは、ロックイン増幅器１５０の等価積分時間の１０倍の時間にわたって、１シグマで測定された。この速度Ｓは、〜８０ｋＨｚのノイズピークにおいて周波数シフトを誘導した（図１１参照）。このノイズシフトは、上述の第２の動作モードに従った最適周波数ｆ0／２ほど高くはないものの、このＦＯＧを検査した条件、およびそれが生成したノイズの減少は、第２の動作モードの図示を提供する。この実施例は、この第２の動作モードにおける空芯ＦＯＧでの後方散乱ノイズの著しい減少を実証する。
【００５６】
上述のように、第１の動作モードは、第２の動作モードよりもはるかに速い速度で周波数を変調することを含む。空芯のまたは従来の光ファイバコイル２０についての後方散乱ノイズは次に、非常に高速（たとえば１００ｎｍ／ｓもの速さ）でレーザの周波数を掃引することにより、はるかにより高い周波数（ΔνB＞＞ｆ0）にシフトされる。これは実際には、たとえば半導体レーザの外部共振器の格子を回転させることによって達成可能である。この場合、上述のように、ｆ0の全調波の近傍にあるすべてのノイズピークにおけるエネルギは、非常に広い周波数範囲にわたって広がり、対象となる周波数ｆ0とほとんど重複しない。この点を証明することを目的とした実験では、検出された光学パワーは−２０ｄＢｍであり、ロックイン等価積分時間は３８ｓであり、レーザ周波数は３０ｎｍにわたり、１００ｎｍ／ｓの速度で鋸歯形状で掃引された。レーザは、エルビウム添加ファイバ増幅器を用いて増幅された。周波数掃引源によって駆動された空芯ＦＯＧの観察されたノイズは１６°／ｈ（１００ｓにわたって１シグマで測定）であったが、それは、ＳＦＳを用いて観察されたノイズ（５．２°／ｈ）のほんの３倍である。このノイズは光学帯域幅とは無関係であり、１０ｎｍまたは６０ｎｍにわたってレーザ周波数を掃引することは、ノイズの大きさを顕著には変化させなかった。加えて、この性能は、ＦＯＧのレーザと入力／出力偏光器との間のファイバの長さが偏光を維持しなかったという事実によって生じた５ｄＢもの高い光学パワー変動にもかかわらず、得られた。
【００５７】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、停止状態の空芯ＦＯＧについての検出器信号のいくつかの時間特性およびスペクトル特性を提示する。ＦＯＧがＳＦＳによって駆動されている場合、検出された信号は、図１２Ａの上のグラフに示すように、２ｆ0の予期された成分である。ＳＦＳがレーザに置換された場合、この成分は、図１２Ａの真ん中のグラフに示すように、後方散乱ノイズによって隠される。周波数掃引レーザを用いると、２ｆ0の予期された成分は、（図１２Ａの下のグラフに示される）後方散乱ビートノイズによる過変調を有して観察される。
【００５８】
【数７】
【００５９】
から、および散乱体の平均位置がｚ＝０（またはＬ、なぜなら、０およびＬは、散乱体がノイズに最も寄与する２つの場所であるため）と仮定すると、予期されたビート周波数は９．７ＭＨｚであり、それは、図１２Ｂに示すような、ＲＦスペクトル分析器を用いて観察された９ＭＨｚという最大値と非常に良好に一致する。
【００６０】
図１３は、コイル２０においてＳＭＦ−２８ファイバを用いたＦＯＧについての、検出帯域幅の平方根に対するノイズの測定された依存性を提示する。上述のように、いくつかの実施例におけるロックイン増幅器１５０の積分時間は、周波数掃引の期間と比べて大きくなるよう有利に選択される。図１３は、ロックイン増幅器１５０の検出帯域幅とレーザ源４０の掃引速度との比率の重要性を示している。ランダムウォーク体制では、レーザ駆動のおよびＳＦＳ駆動のＦＯＧについての予期された線形依存性が観察された。加えて、周波数掃引レーザを用いた場合のノイズは、大きい帯域幅についてはレーザ駆動のＦＯＧと同じぐらい高いことが観察され、より小さい検出帯域幅については広帯域源のノイズに近づくことが観察された。
【００６１】
ここに説明するように、周波数掃引された狭帯域レーザ（たとえば分散帰還型ファイバレーザ）は、光ファイバセンサ（たとえばＦＯＧ）において有利に使用可能である。いくつかの実施例では、レーザ駆動のＦＯＧに比べて、後方散乱ノイズは減少され得る（たとえば４分の１）。コイル２０における点反射はコヒーレント後方散乱ノイズを引起す場合があり、それはレーザを周波数変調することによって減少可能であり、そのため後方散乱ノイズは、ＦＯＧにおける反射源を除去することにより（たとえば、すべてのファイバ間接続部でファイバコネクタを融着接続部に置き換えることにより）、さらに（たとえば１０分の１）減少可能である。レーザ源４０を周波数変調することはまた、メイン（または一次）信号のうちの一方または双方と、サニャックループに沿った点界面で発生する反射との干渉から生じるコヒーレントノイズを減少させ得る。そのような反射は、ファイバ間接続部でのスプリアス反射、コイル２０に位置する構成要素（たとえば位相変調器）内の内部界面でのフレネル反射、または、たとえばチップがＬｉＮｂＯ3チップである場合、ファイバとＥＯ変調器チップとの間の光学接続部でのフレネル反射を含むが、それらに限定されない。
【００６２】
標準光ファイバを用いる場合、周波数掃引された狭帯域レーザによって駆動されるＦＯＧのノイズ性能は、広帯域源を用いた場合とほぼ同じぐらい良好である。いくつかの実施例における周波数掃引された狭帯域レーザの使用は、レーザを用いて駆動されるすべてのＦＯＧについて、感度の向上（たとえばノイズの減少）および安定性の向上（たとえば平均波長の安定性）を有利に提供する。空芯ファイバのさらなる使用は、熱安定性の向上、カー効果に誘導された位相ドリフトの減少、および磁場に対する感度の減少といった追加の利点を提供する。いくつかの実施例の後方散乱ノイズの減少は、主として周波数掃引速度に依存しており、ほんの１ｐｍにわたってレーザ周波数を掃引することは、後方散乱ノイズの実質的な減少を達成するのに十分であった。ここに記載されたいくつかの実施例は、広帯域源に比べてレーザ源の平均波長のより容易な制御を可能にし、このため、ＦＯＧスケール因子についてのより良好な長期安定性を提供する。
【００６３】
図１４は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った例示的なセンサ１７０を概略的に示す。図１４のセンサ１７０は、コイル２０を含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの別の例である。図１４のセンサ１７０は、標準的な方法に従ってＦＯＧ構成要素をすべてチップ（ＬｉＮｂＯ3）上に作製し、商業用のＦＯＧを作製した集積光学チップである。いくつかのそのような実施例では、第１の光学結合器７０（たとえばＹ接合部）、第２の光学結合器８０（たとえばＹ接合部）、偏光器１１０、および位相変調器１３０を含むもののそれらに限定されない、センサ１８０の主要構成要素は、同一の集積光学チップ上に、たとえばＬｉＮｂＯ3上に、標準技術を用いてすべて作製され、それは、小型性、機械的安定性、ならびに大規模製造の容易性およびコスト削減というよく認識されたいくつかの利点を提示する。いくつかの実施例では、コイル２０は偏光保持ファイバを含む。いくつかの他の実施例では、偏光制御器をコイル２０に沿った１つの点に位置付けることができ、コイル２０の複屈折性を制御し、偏光の信号出力状態が偏光器の伝送軸に対して整列されることを確実にして、それにより偏光相反性を提供する。いくつかの実施例では、コイル２０は空芯ファイバを含む。
【００６４】
いくつかの実施例では、ここに記載されたこの周波数変調は、基本ＦＯＧ構成の多くの他の実現化例で、また、ＦＯＧが動作する態様または構成要素を作製するために使用される特定の技術にかかわらず、使用可能である。たとえば、ＦＯＧが開ループで動作するか閉ループで動作するか、ループを閉鎖するために使用される方式とは無関係に、またあらゆる目的のためにＦＯＧにおいて全体として実施された変調方式または他の信号処理方式とは無関係に、周波数変調が使用可能である。
【００６５】
図１５は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法２００のフロー図である。方法２００は、動作ブロック２１０で、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップとを含む。方法２００はさらに、動作ブロック２２０で、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。方法２００はさらに、動作ブロック２３０で、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。方法２００はさらに、動作ブロック２４０で、第１の信号および第２の信号が周波数変調されるようにレーザ源の周波数を変調するステップと含む。いくつかの実施例では、第３の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、レーザ源の周波数を変調するステップは、残りの部分の周波数とは異なるビート周波数になるよう、後方散乱ノイズ部分をシフトする。
【００６６】
後方散乱によるエラー信号を変動させる起こり得る効果のうち、主な寄与は源におけるランダム位相変動である。ファイバにおける温度過渡といった他の寄与は、はるかにより長い特性時間定数を有しており、一般に、ランダムウォークノイズというよりも、時間が経つにつれてＦＯＧ信号出力のドリフトをもたらす（たとえば、Ｋ．クレケンス（Krakens）およびＫ．ブロテカー（Blotekjaer）、「サニャック干渉計におけるレーザ位相ノイズの効果」（Effect of Laser Phase Noise in Sagnac Interferometers）、ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー（Journal of Lightwave Technology）、第１１巻第４号、１９９３年４月を参照されたい）。上述のように、コヒーレント後方散乱ノイズの効果を減少させる主なアプローチは、これまでは、広帯域源を用いてＦＯＧを調べることであった。広帯域源を使用する場合、コヒーレント後方散乱ノイズは減少した。なぜなら、その源のコヒーレント長Ｌcはその場合、コイルの長さに比べて非常に短いためである。その結果、コイル中間点を中心とするファイバのほぼ１つのコヒーレント長内に位置する散乱体によって散乱された光のみが、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与する。この領域外に位置する散乱体によって散乱された光は、源のコヒーレント時間よりも長く、かつインコヒーレントに干渉する一次波に対し、遅延を有しており、このためそれはエラー信号の著しい変動には寄与しない。したがって、散乱によるエラーを減少させるために、１つのアプローチは、源のコヒーレント長を減少させることにより、または同等、広帯域光源を使用することにより、コヒーレント後方散乱に寄与するファイバの領域をますます小さくすることである。広帯域源については、この領域は通常、長さがたった数ミクロン、または数十ミクロンである。
【００６７】
ここに記載されたいくつかの実施例に従った、コヒーレント後方散乱および反射（たとえば点反射）によるエラー信号のＲＭＳ変動を減少させる別のアプローチは、高度にコヒーレントな源、すなわち、コイル長よりも長いコヒーレント長を有する源を使用することである。上記の説明から、源のコヒーレント長を増加させることは、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与するファイバの長さを増加させることであり、それはしたがって一般に、より大きな後方散乱ノイズ、ひいてはより大きなＦＯＧランダムウォークにつながる。しかしながら、後方散乱ノイズは、源のコヒーレント長がコイル長さと等しくなる点までしか増加しない。この増加はもちろん、より多くの散乱体がコヒーレント散乱ノイズに寄与するという事実に起因する。しかしながら、源のコヒーレント長がコイルの長さを超えて増加した場合、２つの効果が起こる。第１に、コヒーレント後方散乱ノイズに寄与するファイバの長さは、もはや増加しない。なぜなら、コイルファイバ全体に沿った散乱体はすべて、コヒーレント後方散乱ノイズに既に寄与しているためである。第２に、源のコヒーレント長を増加させることは、源によって放出された光子のますます小さいランダム位相変動につながる。これらの変動は、エラー信号の変動を最終的にもたらすものであるため、後方散乱ノイズの変動は減少し、ランダムウォークも同様である。したがって、後方散乱信号にコヒーレントに寄与する領域がここで固定され、源のランダム位相変動が、コヒーレント長を増加させることによってより小さくなり得るため、エラー信号のＲＭＳ変動も減少する。これは、コヒーレント後方散乱によるＦＯＧランダムウォークの減少、および付随する最小検出可能回転速度の改良につながる。いくつかのそのような実施例は、図１、図２、図８Ａ、図８Ｂ、および図１４の構成を含むがそれらに限定されないさまざまなセンサ構成を用いて使用可能である。
【００６８】
図１６は、上述の原理を検証するために使用される理論的な数値モデルの結果を示す。このモデルは、さまざまなコヒーレント長について、ファイバループに局所不均一性がある源のランダム位相変動間の相互作用を数値的にシミュレートするために使用された。図１６は、ＳＭＦ−２８ファイバと同等の統計特性を有する２５５メートルのファイバからなるある特定のコイルについてのこのシミュレーションの結果を示しており、散乱体のたった１つのランダム分布についてノイズに対する効果を調査した。この数値モデルはまた、起こり得るすべての散乱体分布にわたる位相ノイズ（および対応するランダムウォーク）を平均化することができ、それらについてこのモデルは、同じ曲線であるものの形状および縦軸絶対スケールが若干異なる曲線を生み出す（簡潔にするため図示せず）。垂直の点線は、コイル長に等しいコヒーレント長（Ｌc＝Ｌ）を示す。図１６に示すように、コヒーレント長が短い源については、ＦＯＧランダムウォークは比較的小さい。コヒーレント長が増加するにつれて、ランダムウォークも当初は増加する。しかしながら、コヒーレント長が一旦コイルの長さを上回ると、コヒーレント後方散乱によるランダムウォークは上述のように減少する。
【００６９】
このモデルの妥当性を、周波数変調レーザによって駆動される光ファイバジャイロスコープの実験的実証を用いて、かつシミュレーションに使用されたものと一致するパラメータを用いて確認した。実験構成は、ＳＭＦ−２８ファイバの２４０メートルのコイルを有する図８Ａに示すような最小構成ＦＯＧに結合された、２００ｋＨｚの半値全幅線幅（または約１．５ｋｍのコヒーレント長）を有する外部共振器レーザを利用した。ＦＯＧは、ファイバピグテイル電気光学位相変調器１３０を用いて適正なコイル周波数でバイアスをかけられた。戻ってきた信号はＰ−Ｉ−Ｎフォトダイオードを用いて測定され、１ｋＨｚの帯域幅を有するロックイン増幅器を用いて復調された。この実験構成は、
【００７０】
【数８】
【００７１】
のＦＯＧランダムウォークを呈した。数値モデルは、
【００７２】
【数９】
【００７３】
の平均ランダムウォークを予測し、すべての起こり得る散乱体分布にわたって計算して、１つの特定のファイバを用いた我々の実験結果との非常に近接した一致を示し、シミュレーションの妥当性を確認した。
【００７４】
図１６は、原則的に、いくつかの実施例における源のコヒーレント長が、後方散乱ノイズをできるだけ減少させるためにできるだけ長くなるよう選択され得ることを示している。たとえば、コヒーレント長を約１５０キロメートルに増加させることは、コヒーレント後方散乱ノイズをそのピーク値から１５分の１に減少させることをもたらす。この減少は対数−対数のスケール上でほぼ線形であり、そのため正味のノイズ減少は、このファイバの特定の例においても、コヒーレント長が２００倍増加する毎に１０分の１となるよう特徴付けられ得る。しかしながら、いくつかの実施例では、後方散乱ノイズを、ノイズ、たとえばショットノイズの次の主な源の直下まで減少することが十分であり得る。
【００７５】
図１６のこれらの結果を生み出すために使用された数値モデルは、光源のコヒーレンス度が極めて高くなった場合に光源に存在するかもしれない他の位相ノイズ源を考慮に入れていなかった。そのようなノイズ源は、自然放出ノイズ、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）、および過剰ノイズを含む。これらのノイズ源が存在する場合、図１６の曲線はＬc＞Ｌ領域においてもはや無限には低下しない。その代わり、ある臨界コヒーレント長よりも上で、曲線は減少を止め、おそらく漸近値で横ばいとなる。この漸近レベルは、Ｌc＞Ｌおよびこの特定源を用いた場合に可能なコヒーレント後方散乱ノイズ減少の最大値に対応する。所与の源を用いて達成可能なノイズ減少の量は、上述の実験結果に関連して上述したように、光ファイバジャイロスコープを用いて容易に測定可能である。
【００７６】
ランダムウォークは当初、コヒーレント長の増加とともに増加するため、以前に存在した多くのノイズ減少方式は、源のコヒーレント長を減少することに焦点を置いていた。これまでの研究は、コヒーレント長がループの長さよりもはるかに長く、上述の性能を予測していなかった場合の体制を考慮していなかった。安定した中心波長およびごくわずかな過剰ノイズといった上述の狭帯域源の利点のため、高度にコヒーレントな源（すなわち、コイル長を上回るコヒーレント長を有する源）を用いるＦＯＧを利用したいくつかの実施例は、より伝統的な方法に対して著しい利点を提供する。
【００７７】
いくつかの実施例では、コイルの長さに対するコヒーレント長の比は１よりも大きく、１．１よりも大きく、１．５よりも大きく、２よりも大きく、５よりも大きく、１０よりも大きく、１００よりも大きく、または１０００よりも大きい。いくつかの実施例では、光ファイバセンサは、周波数変調と、コイルの長さよりも長いコヒーレント長とを双方とも利用する。いくつかの他の実施例では、光ファイバセンサは、周波数変調、またはコイルの長さよりも長いコヒーレント長を利用する。
【００７８】
図１７は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った、光ファイバセンサを動作させる例示的な方法３００のフロー図である。方法３００は、動作ブロック３１０において、
ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルファイバに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含む。レーザ源は、コイルファイバの長さよりも大きいコヒーレンス長を有するよう選択される。方法３００はさらに、動作ブロック３２０において、源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する。第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。方法３００はさらに、動作ブロック３３０において、第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む。
【００７９】
さまざまな実施例が上に説明されてきた。この発明はこれらの特定の実施例を参照して説明されたが、これらの説明は発明の例示であるよう意図されており、限定的であるとは意図されていない。さまざまな変更および用途が、添付された特許請求の範囲に定義されたようなこの発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者の脳裏に浮かぶであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバコイルと、
コイルに光学的に結合された周波数変調されたレーザ源とを含み、源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送され、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する、光ファイバセンサ。
【請求項２】
センサはサニャックベースの光ファイバジャイロスコープであり、第３の信号はコイルの回転を示す、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
コイルとレーザ源との間で、コイルおよびレーザ源に光学的に結合された少なくとも１つの光学結合器をさらに含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
少なくとも１つの光学結合器は、第１のポート、第２のポート、および第３のポートを含む第１の光学結合器を含み、第１のポートはレーザ源によって生成された光を受け、第２のポートはコイルの第１の端に光学的に結合され、第３のポートはコイルの第２の端に光学的に結合されている、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
第１の信号は、第２のポートによってコイルの第１の端に伝送されて、コイルに沿って第１の方向に伝搬し、コイルの第２の端および第３のポートによって第１のポートに伝送され、第２の信号は、第３のポートによってコイルの第２の端に伝送されて、コイルに沿って第２の方向に伝搬し、コイルの第１の端および第２のポートによって第１のポートに伝送される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
第１の光学結合器は３ｄＢの光学結合器を含む、請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
少なくとも１つの光学結合器は、第１のポート、第２のポート、および第３のポートを含む第２の光学結合器をさらに含み、第１のポートはレーザ源によって生成された光を受け、第２のポートは第１の光学結合器の第１のポートに光学的に結合され、第３のポートは検出システムに光学的に結合されている、請求項４に記載のセンサ。
【請求項８】
第２の光学結合器の第１のポートが受けたレーザ源からの光は、第２の光学結合器の第２のポートを通って第１の光学結合器の第１のポートに伝送され、第２の光学結合器の第２のポートが第１の光学結合器の第１のポートから受けた第３の信号は、第２の光学結合器の第３のポートを通って検出システムに伝送される、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
第２の光学結合器は光サーキュレータを含む、請求項７に記載のセンサ。
【請求項１０】
少なくとも１つの光学結合器と光ファイバコイルとの間で、少なくとも１つの光学結合器および光ファイバコイルに光学的に結合されている偏光制御器をさらに含む、請求項３に記載のセンサ。
【請求項１１】
少なくとも１つの光学結合器と光ファイバコイルとの間で、少なくとも１つの光学結合器および光ファイバコイルに光学的に結合されている位相変調器をさらに含む、請求項３に記載のセンサ。
【請求項１２】
関数発生器と検出システムとをさらに含み、検出システムは、
第３の信号を受けるよう構成された検出器と、
検出器からの出力を受けるよう構成されたロックイン増幅器とを含み、
位相変調器は関数発生器によって駆動され、ロックイン増幅器は関数発生器に結合されている、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
光ファイバコイルは空芯光バンドギャップファイバを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
レーザ源は、外部共振器半導体ダイオードレーザ、または分散帰還型ファイバレーザを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１５】
レーザ源の周波数変調は、周期的な鋸歯波形形状を有する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１６】
第３の信号を受けるよう構成された検出システムをさらに含み、検出システムはフィルタ帯域幅を含み、第３の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、フィルタ帯域幅は後方散乱ノイズ部分をフィルタリングで除去するよう選択される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１７】
センサは、コイルを含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１８】
光ファイバセンサを動作させる方法であって、前記方法は、
光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップと、
源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップとを含み、第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬し、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、前記方法はさらに、
第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップと、
第１の信号および第２の信号が周波数変調されるようにレーザ源の周波数を変調するステップとを含む、方法。
【請求項１９】
第３の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、レーザ源の周波数を変調するステップは、残りの部分の周波数とは異なるビート周波数になるよう、後方散乱ノイズ部分をシフトする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ある長さを有する光ファイバのコイルと、
コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含み、レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有しており、源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送され、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する、光ファイバセンサ。
【請求項２１】
センサは、コイルを含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープである、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２２】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２３】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１．１よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２４】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１．５よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２５】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が２よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２６】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が５よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２７】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１０よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２８】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１００よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２９】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１０００よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項３０】
光ファイバセンサを動作させる方法であって、前記方法は、
ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含み、レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有しており、前記方法はさらに、
源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含み、第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬し、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、前記方法はさらに、
第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む、方法。
【請求項１】
光ファイバコイルと、
コイルに光学的に結合された周波数変調されたレーザ源とを含み、源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送され、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する、光ファイバセンサ。
【請求項２】
センサはサニャックベースの光ファイバジャイロスコープであり、第３の信号はコイルの回転を示す、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
コイルとレーザ源との間で、コイルおよびレーザ源に光学的に結合された少なくとも１つの光学結合器をさらに含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
少なくとも１つの光学結合器は、第１のポート、第２のポート、および第３のポートを含む第１の光学結合器を含み、第１のポートはレーザ源によって生成された光を受け、第２のポートはコイルの第１の端に光学的に結合され、第３のポートはコイルの第２の端に光学的に結合されている、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
第１の信号は、第２のポートによってコイルの第１の端に伝送されて、コイルに沿って第１の方向に伝搬し、コイルの第２の端および第３のポートによって第１のポートに伝送され、第２の信号は、第３のポートによってコイルの第２の端に伝送されて、コイルに沿って第２の方向に伝搬し、コイルの第１の端および第２のポートによって第１のポートに伝送される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
第１の光学結合器は３ｄＢの光学結合器を含む、請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
少なくとも１つの光学結合器は、第１のポート、第２のポート、および第３のポートを含む第２の光学結合器をさらに含み、第１のポートはレーザ源によって生成された光を受け、第２のポートは第１の光学結合器の第１のポートに光学的に結合され、第３のポートは検出システムに光学的に結合されている、請求項４に記載のセンサ。
【請求項８】
第２の光学結合器の第１のポートが受けたレーザ源からの光は、第２の光学結合器の第２のポートを通って第１の光学結合器の第１のポートに伝送され、第２の光学結合器の第２のポートが第１の光学結合器の第１のポートから受けた第３の信号は、第２の光学結合器の第３のポートを通って検出システムに伝送される、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
第２の光学結合器は光サーキュレータを含む、請求項７に記載のセンサ。
【請求項１０】
少なくとも１つの光学結合器と光ファイバコイルとの間で、少なくとも１つの光学結合器および光ファイバコイルに光学的に結合されている偏光制御器をさらに含む、請求項３に記載のセンサ。
【請求項１１】
少なくとも１つの光学結合器と光ファイバコイルとの間で、少なくとも１つの光学結合器および光ファイバコイルに光学的に結合されている位相変調器をさらに含む、請求項３に記載のセンサ。
【請求項１２】
関数発生器と検出システムとをさらに含み、検出システムは、
第３の信号を受けるよう構成された検出器と、
検出器からの出力を受けるよう構成されたロックイン増幅器とを含み、
位相変調器は関数発生器によって駆動され、ロックイン増幅器は関数発生器に結合されている、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
光ファイバコイルは空芯光バンドギャップファイバを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
レーザ源は、外部共振器半導体ダイオードレーザ、または分散帰還型ファイバレーザを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１５】
レーザ源の周波数変調は、周期的な鋸歯波形形状を有する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１６】
第３の信号を受けるよう構成された検出システムをさらに含み、検出システムはフィルタ帯域幅を含み、第３の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、フィルタ帯域幅は後方散乱ノイズ部分をフィルタリングで除去するよう選択される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１７】
センサは、コイルを含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１８】
光ファイバセンサを動作させる方法であって、前記方法は、
光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップと、
源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップとを含み、第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬し、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、前記方法はさらに、
第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップと、
第１の信号および第２の信号が周波数変調されるようにレーザ源の周波数を変調するステップとを含む、方法。
【請求項１９】
第３の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、レーザ源の周波数を変調するステップは、残りの部分の周波数とは異なるビート周波数になるよう、後方散乱ノイズ部分をシフトする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ある長さを有する光ファイバのコイルと、
コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含み、レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有しており、源からの光は、コイルに沿って第１の方向に伝搬する第１の信号、およびコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する第２の信号としてコイルに伝送され、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第１の信号および第２の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第３の信号を生成する、光ファイバセンサ。
【請求項２１】
センサは、コイルを含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープである、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２２】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２３】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１．１よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２４】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１．５よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２５】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が２よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２６】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が５よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２７】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１０よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２８】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１００よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２９】
コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が１０００よりも大きい、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項３０】
光ファイバセンサを動作させる方法であって、前記方法は、
ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含み、レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有しており、前記方法はさらに、
源からの光を第１の信号および第２の信号としてコイルに伝送するステップを含み、第１の信号はコイルに沿って第１の方向に伝搬し、第２の信号はコイルに沿って第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬し、第１の信号および第２の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、前記方法はさらに、
第１の信号および第２の信号を組合せて、第３の信号を生成するステップを含む、方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【公表番号】特表２０１１−５０３６２３（Ｐ２０１１−５０３６２３Ａ）
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３４２５１（Ｐ２０１０−５３４２５１）
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６９９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６５０８６
【国際公開日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（５０３１１５２０５）ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リランド スタンフォード ジュニア ユニヴァーシティ (69)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６９９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６５０８６
【国際公開日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（５０３１１５２０５）ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リランド スタンフォード ジュニア ユニヴァーシティ (69)
【Ｆターム（参考）】
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