光ファイバジャイロスコープ用の感知ループダブラ
感知ループダブラを備えた干渉方式光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）などの光ファイバリング干渉計。このＩＦＯＧデバイスは、光源と、この光源およびフォトダイオードと光学的に通信するサーキュレータと、このサーキュレータから放出された光を、それぞれ変調し得る２つの経路に分割し得る集積光学系チップ（ＩＯＣ）を備える。このＩＯＣはさらに、サーキュレータに向かう方向に光が伝播するときに、これら２つの経路のそれぞれからの光を合成することができる。このＩＦＯＧデバイスはさらに、ファイバコイル、およびＩＯＣとファイバコイルの間に配設された偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタを備える。このＰＭコンバイナ／スプリッタは、１度目は第１偏光状態でファイバコイルを通して光を送出し、その後同じ光を、２度目は第２の直交する偏光状態でファイバコイルを通して送出するように動作する。そのため、光は、単一ループＩＦＯＧデバイスと比べて２倍の距離を伝播し、したがって、実質的にＬＤ積が２倍になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）に関する。より詳細には、本発明は、ファイバコイル長およびループ直径が同じＩＦＯＧに比べて、感度が２倍になり、角度の酔歩（ＡＲＷ）が減少し、バイアス安定性が向上したＩＦＯＧに関する。本発明は、従来型ＩＦＯＧとジャイロ性能は同じだが、従来型デバイスの半分のファイバコイル長しか使用しないＩＦＯＧにも関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られているように、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）では、光ファイバは、円形またはループ形状に巻かれ、回転の存在下で、２つの互いに反対方向に伝播する波について、サニャック位相差を検出する感知デバイスとして働く。主に、巻かれたファイバ感知コイルの長さと直径の積（ＬＤ積）により、大部分、ジャイロスコープの感度が決まる。一般に、ＬＤ積が大きいほど、デバイスの感度および安定性が高くなり、ランダムノイズが減少する。しかし、（ＬＤ積をより大きくするために）ファイバ長をより長くするか、あるいはループ直径をより大きくすることに起因してコイルの体積が大きくなると、特に、リングレーザジャイロスコープ（ＲＬＧ）または半球形共振ジャイロスコープ（ＨＲＧ）などの他の技術と比べたときに、ジャイロスコープデバイスに必要とされる筐体がますます大きくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、寸法を物理的に大きくすることによってＬＤ積を大きくせずにＩＦＯＧデバイスの性能を改善するか、あるいは、ほぼ半分のファイバコイル長で所与のＩＦＯＧデバイスの性能を維持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、２つの直交偏光状態でそれぞれ１回ずつ、ファイバコイル内で光をルート付ける新しい技術に基づいている。好ましくは、伝播する光の偏光状態は、偏光保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタによって制御される。この技術では、同じファイバコイル長で、感度が２倍になり、角度の酔歩（ＡＲＷ）およびバイアス不安定性が低減されるか、あるいは、半分のファイバコイル長しか使用せずに、所与のＩＦＯＧのジャイロの性能が維持される。
【０００５】
より具体的には、偏光保存コンバイナ／スプリッタを使用して、ファイバコイルに入射し、ファイバコイルから出射する光の１つの偏光状態だけを結合する。ファイバ内を伝播する光は、ＰＭファイバコイルに９０度スプライスを使用することによって、それを１回通過した後で９０度回転する。次いで、この光は、コイルの２度目の通過のために、ＰＭコンバイナ／スプリッタを介してファイバコイルに戻される。２度目の通過の後で、この光は、再度９０度回転して元の偏光状態に戻り、ＰＭコンバイナ／スプリッタを通過し、集積光学系チップ（ＩＯＣ）などの位相変調器に結合される。上記機能を実現するために、ＰＭコンバイナ／スプリッタを使用する少なくとも２つの実施形態を実施し得る。一方の実施形態では、ＰＭコンバイナ／スプリッタおよび９０°スプライスをそれぞれ１つしか使用しない。第２実施形態では、２つのＰＭコンバイナ／スプリッタおよび１つの９０°スプライスを使用する。第１実施形態は、比較的簡単なものであり、必要とする光回路の変更は最小限である。第２実施形態は、対称性がより高いものであり、ＰＭコンバイナ／スプリッタのドリフトの影響を受けない。この理由は、光は各ＰＭコンバイナ／スプリッタの交差脚および通過脚のいずれに沿っても１回伝播するからである。
【０００６】
第３実施形態は、ＰＭコンバイナ／スプリッタによるものではなく、代わりに、例えばバルク光学系を使用して実施し得る偏光ビームスプリッタによるものである。
【０００７】
本発明の実施形態では、まず基準線となる性能を確立するために、単一感知ループを備えたＩＦＯＧ試験台を組み立てた。固有周波数は２４．６ｋＨｚで測定され、バイアスデータは、ＡＲＷが約５００マイクロ度／回転−時の状態で取得した。次いで、偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタを組み込み、少なくとも１つの９０°スプライスを適用して、速い軸および遅い軸の光を方向変更することによって倍増感知ループが実現されるように、本発明の第１実施形態に従ってこの試験台を改変した。速い軸および遅い軸は、ＰＭファイバの２つの主軸であり、屈折率がより小さい（より大きい）速い（遅い）軸では、光は、より速く（より遅く）伝播する。感知ループを２回通過することは、単一ループ構成の固有周波数の半分である約１２．３ｋＨｚで測定された固有周波数によって検証した。すなわち、２重感知ループ構成では、ループ通過時間（集積光学系チップ（ＩＯＣ）の一方の側から、ファイバコイルを通って、ＩＯＣの他方の側に光が伝播する時間）は倍になる。バイアスデータは、ＡＲＷが約３００マイクロ度／回転−時の状態で測定した。そのため、ＡＲＷのこの結果は、単一ループＡＲＷ測定値と比べて、約４０％の改善を示す。５０％の理論改善値との差は、ファイバを２度通過するために熱位相ノイズが大きくなるためである。
【０００８】
添付の図面と併せて以下の詳細な説明から、本発明のより徹底した理解が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、４つの節で本発明の詳細な説明を述べる。第Ｉ節で、感知ダブラの構造を説明する。第ＩＩ節に、典型的な溶融タイプのＰＭコンバイナ／スプリッタの測定値を示す。第ＩＩＩ節で、光学試験台アセンブリを説明する。第ＩＶ節で、感知ループダブラのテスト結果および単一ループ構成との比較を論じる。最後に、第Ｖ節で、本発明の第２実施形態を説明する。
Ｉ．感知ループダブラの構造
本発明による、感知ループ（したがって、ＬＤ積）を効果的に２倍にする１つのやり方は、光がＰＭファイバ内を２つの直交する状態でそれぞれ１回ずつ伝播するように、伝播する光の偏光状態を管理することである。図１に、ＩＦＯＧ感知ループダブラデバイスの例の構成を示す。この構成は、速い軸または遅い軸に光を方向変更するために、少なくとも１つの９０°スプライスに加えて、追加のＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を含める点で、単一ループ構成と異なる。ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０の機能は、特定の出力ポートに入る光の偏光を制御することである。ファイバ光源（ＦＬＳ）１０２は、サーキュレータ（または、５０／５０カプラ）１０４に光を提供する。次いで、集積光学系チップ（ＩＯＣ）（または、５０／５０カプラ）１０６は、この光を２つの互いに反対方向に伝播する波に分割し、これらの光は、ファイバコイル１０８を通って伝播する。これらの互いに反対方向に伝播する波がファイバコイル１０８から再度出射した後で、これらの波は、ＩＯＣ １０６の左端で干渉し、再度サーキュレータ１０４を通って逆に伝播し、出射してフォトダイオード１１２に至る。ＩＯＣ電極１０６ａ〜１０６ｄによって適切な変調を施すことにより、当技術分野でよく知られているように、フォトダイオード１１２からの信号が復調され、それによって、固有周波数および回転レートを検出することができる。
【００１０】
単一感知ループ構成では、本発明の好ましい構成にはある偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタ１１０がない。従来型の感知ループでは、互いに反対方向に伝播する波は、ファイバコイルを１回だけ通過し、ＩＯＣを通って出射する。ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を追加することによって、入射光の偏光に基づいて、光の交差出射および通過出射を制御することが可能になる。好ましい実施形態では、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０は、２本のＰＭファイバを合わせて溶融することによって作製することができる。あるいは、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０は、研磨した後で２本のファイバを互いに押し付けることによって作製することもできるし、自由空間微小光学系を使用して作製することもできる。図２に示すように、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０の構成に応じて、偏光方向が０°の入射光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を交差して（通過して）通過することになり、９０°の偏光入射光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタを通過して（交差して）通過することになる。
【００１１】
ＰＭファイバ内を伝播する光の偏光は、スプライシング技術によって変えることができる。例えば、光の偏光は、ファイバを破断し、１８０°で合わせてスプライスして元に戻すことによって１８０°変えることができる。光を９０°回転させる１／２波長板と同様に、ＰＭファイバを９０°スプライスすることによって、光を９０°回転させることもできる。図３に、右手の法則に従う９０°スプライスの偏光構成を示す。向きを−９０°変えるようにファイバをスプライスすることによって、左手の法則を実現することもできる。
【００１２】
図４に、ダブラデバイスを通って伝播する光の光路および偏光状態を示す。ＩＯＣ １０６の上側経路から出射する光の偏光方向は０°（反時計方向波）と仮定する。０°スプライス＃１では、光は、０°偏光で維持される。次いで、光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を交差して通過し、スプライス＃３を通って出射する。＃３の９０°スプライスは、偏光を９０°回転させる。この光は、ファイバコイル１０８およびスプライス＃２を通って伝播し、９０°の偏光方向は変化しない。この時点で、偏光方向は９０°なので、光は、ＰＭスプリッタを通過して通過し、再度スプライス＃３で出射する。この光は、偏光方向が１８０°の状態で、２度目のファイバコイルの伝播を行う。この光がファイバコイルを出射するとき、光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタを交差して通過し、スプライス＃４で、ＩＯＣ １０６の下側経路に向かって出射する。時計方向の波についての光の通過経路は、上記で説明した反時計方向の波に類似している。これら２つの波は、ＩＯＣ １０６の左側端部で再度合流するが、本発明によれば、各波は、ファイバコイル内を２回伝播している。
ＩＩ．ＰＭコンバイナ／スプリッタの測定
ＰＭコンバイナ／スプリッタを取得して、その偏光性能を評価した。（英国デボン州Ｔｏｒｑｕａｙ所在の）ＳＩＦＡＭ Ｆｉｂｒｅ Ｏｐｔｉｃｓ社から２つのデバイスサンプルを取得した。表１および表２に、ＳＩＦＡＭ社のＰＭコンバイナ／スプリッタのデータを示す。
【００１３】
各サンプルについて、消光比および分離比の測定を実施した。消光比は、出力が最大の状態で同じ出力ポートから出射する誤った偏光の尺度である。分離比は、他の出力ポートにおける光漏れの尺度である。消光比測定では、入力ポート（例えば、Ａ）に偏光が入射し、出力ポート（例えば、Ｘ）では、偏光子を介して測定が行われる。入射光および偏光子は、最大光出力が得られるように調整する。次いで、偏光子を９０°回転させる。これら２つの結果の比から、消光比が決まる。異なる入力ポートおよび出力ポートに同じ手順を適用して、すべての消光比を取得する。
【００１４】
ＳＩＦＡＭデバイスのサンプルの消光は良好であり、平均して約３０ｄＢである。この消光比は、ＰＭスプリッタ／コンバイナによる偏光誤差を無視するのに十分に大きい。というのは、このＰＭファイバコイルの偏光誤差のほうが大きい、すなわち、消光比が小さい（４ｋｍのファイバについての測定で１７．８ｄＢ）からである。
【００１５】
消光比を測定する同じ手順に従って、分離比を測定する。出射ポートにおける最大出力を取得した後で、光漏れについて他の出力ポートを測定する。これら２つの結果の比から、分離比が決まる。本発明で使用するのに適したＰＭコンバイナ／スプリッタの設計では、遅い軸が直進通過軸である。遅い軸に光が入射する場合、交差出射ポートよりも通過出射ポートにおける分離比が大きくなる。速い軸に光が入射する場合、交差出射ポートで光出力が最大になる。速い軸で分離比が小さくなると、通過出射ポートにおける漏れが大きくなる。すなわち、遅い軸の分離比は、速い軸の分離比よりも大きい。
【００１６】
ＳＩＦＡＭ社のＰＭコンバイナ／スプリッタの分離比の測定では、遅い軸と速い軸の差がより大きい。これは、使用するＦＬＳの波長と、ＰＭコンバイナ／スプリッタを製作する際の最適波長との差によるものと考えられる。典型的には、溶融タイプのＰＭコンバイナ／スプリッタは、研磨タイプと比べて、温度および湿度に対してより良好な安定性を示す。
【００１７】
自由空間微小光学系を他の光学コンポーネントを組み合わせて使用してＰＭコンバイナ／スプリッタを製作し、それによってコンパクトな筐体を得ることもできることに留意されたい。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
ＩＩＩ．試験台アセンブリ
図１に概略的に示す感知ループダブラを実証するために、試験台を組み立てた。ＦＬＳ １０２の平均波長は約１５５０ｎｍであり、その帯域は２９．４ｎｍである。ＩＯＣ １０６のチャネル長は４７ｍｍである。ＰＭファイバコイル１０８は、長さ約４ｋｍのＰＭファイバを含む。このコイルの下はゴムマットとして振動を防いだ。このゴムマットは、下の金属プレートからの熱絶縁としても働いた。すべての光学コンポーネントを金属カバーで覆って空気の流れをなくし、それによって、これらの光学コンポーネントの温度を安定化させる助けとした。
【００２０】
より具体的には、（第１実施形態の変形であり、スプライスがすべて９０°である）図５を参照すると、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０をコイルファイバおよびＩＯＣ１０６のピグテールにスプライスする手順が示されている。まずポイント＃１をスプライスし、その後、ポイント＃２、＃３、および＃４をスプライスする。監視システムを使用してスプライスを良好に行い得る限り、これとは異なる順序を選択し得る。分離比が大きい（表１から２９．２ｄＢ）ので、ＰＭファイバコイル１０８に入射する前にＩＯＣに戻る光漏れが制限される。このため、この直進通過漏れによって生じる干渉誤差が小さくなる。２番目の経路として感知ファイバに光が戻すルート付けされる構成が得られる限り、０°または９０°の異なる組合せを用いることができるはずであることに留意されたい。すなわち、偏光状態が異なるために、光が感知ファイバを２度廻ってルート付けられるという結果が得られる限り、（例えば、図１の）９０°スプライスは必ずしも、スプライス＃３のところに配置する必要はなく、他の場所に配置し得るはずである。
【００２１】
より具体的には、第１実施形態では、０°偏光は交差脚を通過し、９０°偏光は同じ脚を通過して通過することになり（これは、９０°スプライスの数が少ないので好ましい）、そのため、以下のスプライスが可能である。
【００２２】
スプライス１、０°
スプライス２、０°
スプライス３、９０°
スプライス４、０°
または、
スプライス１、０°
スプライス２、９０°
スプライス３、０°
スプライス４、０°
ＰＭコンバイナ／スプリッタの脚１および２を入れ替える（あるいは、脚３と４を入れ替える）と、下記のスプライスも可能である。
【００２３】
スプライス１、９０°
スプライス２、０°
スプライス３、９０°
スプライス４、９０°
または、
スプライス１、９０°
スプライス２、９０°
スプライス３、０°
スプライス４、９０°
また、ＰＭコンバイナ／スプリッタの場所は、（コイルとＩＯＣの間の上記の場所で実施するのが比較的簡単であるが）ファイバコイル内の任意の場所とし得ることに留意されたい。同様に、スプライス２またはスプライス３のどちらかににおける９０°スプライスの場所も、ファイバコイル内の任意の場所とし得る。
【００２４】
コイルファイバ１０８およびＩＯＣ １０６でＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０をスプライスした後で、スプライス損失および消光（分離）比を測定した。測定から、コイルファイバ１０８の損失は５．１２ｄＢであり、その消光比は１７．８ｄＢであることが示された。２度目の通過のためにコイルファイバ１０８に入射する前に、偏光誤差により、光漏れがＰＭスプリッタを交差する。単一ループの漏れにはそれ自体のインターフェログラムがあり、これは、２重ループ構成のものと異なる。単一ループに沿った光漏れのほうが大きく、ＰＭコンバイナ／スプリッタの消光比は小さい。コイルファイバにおける損失が大きいと、２重ループと単一ループの比が小さくなる。本発明による構成では、２重ループに比べて、単一ループの漏れの約５％の漏れがある。好都合には、この単一ループの漏れは、復調プロセスで相殺される。表３に、図５に示す構成についてのスプライス損失および消光比（分離比）を反映したデータを示す。
【００２５】
【表３】
ＩＶ．試験
好ましい試験構成では、ホットプレートを使用して、光学コンポーネントの温度を制御する。一定ポンプ電流／一定温度コントローラとともに、光源コントローラを使用してＦＬＳ １０２を制御する。関数発生器を使用して、ＩＯＣ １０６への変調信号を生成する。光検出器１１２からの出力は、ロックイン増幅器（ＬＩＡ）に送出して復調処理を行う。次いで、データ取得システム（ＤＡＳ）によって、このロックイン増幅器からデータを取得し、レート情報とともに保存する。
【００２６】
単一ループ構成では、光検出器１１２で２Ｖの非変調信号を得るために、６７ｍＡのポンプ電流が必要とされる。最初のセットアップの後、まず、固有周波数を測定した。オシロスコープを使用して、光検出器１１２の出力を測定した。π／２方形波変調でＩＯＣ １０６を駆動した。このバイアス変調に加えて、固有周波数変調（ＥＦＭ）信号として、固有周波数測定値の６４倍の正弦波を印加した。バイアス周波数（およびそれに従ってＥＦＭ周波数）を調整して、ＥＦＭ周波数においてスペクトルアナライザで最小サイドローブを取得した。固有周波数は、約２４．６ｋＨｚで測定された。
【００２７】
固有周波数を測定した後で、バイアス測定に備えて、温度制御オーブン内で約２日間ジャイロを安定化させた。バイアスデータは、方形波をπ／２で変調したときに取得した。図６Ａに、このバイアスデータを示す。図６Ｂに、ＡＲＷを約５００マイクロ度／回転−時で計算したクラスタ分析を示す。バイアス安定性は、０．００１度／時よりも良好であった。
【００２８】
２重ループ構成では、２Ｖの非変調信号に達するのに必要とされるポンプ電流は、１７４ｍＡであった。図７Ａに、この場合も方形波をπ／２で変調したときのバイアス測定を示し、図７Ｂに、２重ループ構成についてのクラスタ分析を示す。ＡＲＷの計算値は、約３００マイクロ度／回転−時になった。この値は、単一ループ構成と比較して約４０％の改善である。得られたバイアス安定性は、予想よりも小さく、約０．００３度／時であった。この不安定性は、ＰＭコイルファイバ１０８の消光比が低いことによる単一ループの漏れに起因し得ると考えられる。この不安定性は、感知コイルの前に配置したＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０の余分な長さにも起因し得る。
Ｖ．第２実施形態
図８および図９に、１対のＰＭコンバイナ／スプリッタを使用して、感知ループダブラを実現する本発明の第２実施形態を示す。ここでは、対称ＰＭカプラ／スプリッタ構成が実現され、光は、各ＰＭカプラ／スプリッタごとに２回、通過脚および交差脚を伝播する。こうすると、より釣合いのとれた構成が得られる。
【００２９】
第２実施形態による対称構成で可能なスプライス構成には、以下のものが含まれる。
【００３０】
０°偏光は交差脚を通過し、９０°偏光は同じ脚を通過して通過することになる（これは、９０°スプライスの数が少ないので好ましい）ので、以下のスプライス配列が可能である。
【００３１】
スプライス１、０°
スプライス２、０°
スプライス３、９０°
スプライス４、０°
スプライス５、０°
または、
スプライス１、０°
スプライス２、９０°
スプライス３、０°
スプライス４、０°
スプライス５、０°
ＰＭコンバイナ／スプリッタの脚１および２を入れ替える（あるいは、脚３と４を入れ替える）場合、好ましくは、スプライス１およびスプライス４はともに９０°スプライスであり、スプライス５は０°スプライス、スプライス３またはスプライス４は９０°スプライスである。
【００３２】
スプライス２（またはスプライス３）がＰＭコンバイナ／スプリッタの他の脚につながる場合には、スプライス２およびスプライス３は０°スプライスであり、スプライス５は９０°スプライス、スプライス１（またはスプライス４）は９０°スプライスである。
ＶＩ．第３実施形態
図１０〜図１２に、本発明の第３実施形態を示す。ここでは、１つまたは複数のＰＭコンバイナ／スプリッタを使用する代わりに、例えばバルク光学系を使用して実施し得る偏光ビームスプリッタを使用して、感知ループ伝播による倍増を実現することができる。あるいは、偏光ビームスプリッタは、とりわけサーキュレータ、カプラ、またはＩＯＣなどの他のコンポーネントを集積し得る微小光学系技術を利用して実施し得るはずである。
【００３３】
図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、偏光ビームスプリッタの機能は、ＰＭコンバイナ／スプリッタに類似している。この機能により、一方の偏光状態はスプリッタを通過させ、他方の直交する偏光状態は、内部全反射により界面で反射させることができる。
【００３４】
この偏光ビームスプリッタは、屈折率が異なる２種類の光学材料を使用して作製し得る。この屈折率は、界面における４５°入射光の一方の偏光が通過し、他方が界面で反射するように選択する。
【００３５】
図１１および図１２に、図１および図４に示すように単一のＰＭコンバイナ／スプリッタを備える本発明の第１実施形態のものと同じ全体構成で、どのように偏光ビームスプリッタを使用し得るかを示す。
【００３６】
上記のことに鑑みて、本発明によれば、ＩＦＯＧのＬＤ積を物理的に大きくすることなく、ＩＦＯＧの感度を上げることが可能であることが当業者には理解されよう。あるいは、本発明によれば、従来型ＩＦＯＧデバイスのＬＤ積を半分にし、依然として同じ性能の感度を維持することが可能である。
【００３７】
さらに、本発明は、低コスト・低精度のジャイロおよび高コスト・高精度のジャイロにともに利用することができる。したがって、ある種の実施形態では、サーキュレータおよび／またはＩＯＣをなくすことができる。また、本発明は、リング干渉計を使用する任意のタイプのセンサに適用可能であるとみなすべきである。すなわち、本発明は、ＩＦＯＧデバイスに限定されるものではない。
【００３８】
また、先に述べたように、サーキュレータ１０４の代わりに、高度に集積化された多機能光−光デバイスの一部であるファイバカプラまたは自由空間微小光学ビームスプリッタなど、光波を合成または分割する任意のデバイスを使用することができる。同様に、ＩＯＣ １０６の代わりに、光ファイバカプラ、またはおそらくは微小光学デバイスも使用し得るはずである。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態の上記開示は、例示し説明するために提示したものである。上記開示は、網羅的なものでもなく、本発明をここで開示した厳密な形態に限定するためのものでもない。上記開示に照らして、本明細書で説明した実施形態の多くの変形形態および改変形態が当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によってのみ定義される。
【００４０】
さらに、本発明の代表的な実施形態を説明する際に、本明細書では、特定の順序のステップとして本発明の方法および／またはプロセスを提示した。しかし、これらの方法またはプロセスが本明細書で述べた特定の順序のステップに依拠しない限り、これらの方法またはプロセスは、ここで説明した特定の順序のステップに限定されるべきではない。当業者には理解されるように、他の順序のステップも可能なことがある。したがって、本発明で述べたステップの特定の順序が、特許請求の範囲を限定すると解釈すべきではない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とする特許請求の範囲は、記載された順序でこれらのステップが実施されるものであると限定されるべきではなく、これらの順序は、変更することができ、依然として本発明の趣旨および範囲に含まれることが当業者には容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるＩＦＯＧ感知ループダブラの第１実施形態の概略図である。
【図２】本発明によるＰＭコンバイナ／スプリッタの偏光構成を示す図である。
【図３】ＰＭファイバにおける９０°スプライスの偏光構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるダブラデバイスを通って伝播する光の光路および偏光状態を示す図である。
【図５】実験を実施した第１実施形態の変形のスプライシング構成を示す図である。
【図６Ａ】８秒間隔でデータを取得した、単一ループ構成についてのバイアス測定を示す図である。
【図６Ｂ】８秒間隔でデータを取得した、単一ループ構成についてのクラスタ分析を示す図である。
【図７Ａ】１秒間隔でデータを取得した、本発明による２重ループ構成についてのバイアス測定を示す図である。
【図７Ｂ】１秒間隔でデータを取得した、本発明による２重ループ構成についてのクラスタ分析を示す図である。
【図８】本発明による２つのＰＭコンバイナ／スプリッタを含む第２実施形態を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態のダブラを通って伝播する光の光路および偏光状態を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の第３実施形態による、ＰＭコンバイナ／スプリッタの代わりに使用し得る偏光ビームスプリッタを示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第３実施形態による、ＰＭコンバイナ／スプリッタの代わりに使用し得る偏光ビームスプリッタを示す図である。
【図１１】本発明による第１実施形態のものと同じ全体構成で、偏光ビームスプリッタを使用する方法を示す図である。
【図１２】本発明による第１実施形態のものと同じ全体構成で、偏光ビームスプリッタを使用する方法を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）に関する。より詳細には、本発明は、ファイバコイル長およびループ直径が同じＩＦＯＧに比べて、感度が２倍になり、角度の酔歩（ＡＲＷ）が減少し、バイアス安定性が向上したＩＦＯＧに関する。本発明は、従来型ＩＦＯＧとジャイロ性能は同じだが、従来型デバイスの半分のファイバコイル長しか使用しないＩＦＯＧにも関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られているように、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）では、光ファイバは、円形またはループ形状に巻かれ、回転の存在下で、２つの互いに反対方向に伝播する波について、サニャック位相差を検出する感知デバイスとして働く。主に、巻かれたファイバ感知コイルの長さと直径の積（ＬＤ積）により、大部分、ジャイロスコープの感度が決まる。一般に、ＬＤ積が大きいほど、デバイスの感度および安定性が高くなり、ランダムノイズが減少する。しかし、（ＬＤ積をより大きくするために）ファイバ長をより長くするか、あるいはループ直径をより大きくすることに起因してコイルの体積が大きくなると、特に、リングレーザジャイロスコープ（ＲＬＧ）または半球形共振ジャイロスコープ（ＨＲＧ）などの他の技術と比べたときに、ジャイロスコープデバイスに必要とされる筐体がますます大きくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、寸法を物理的に大きくすることによってＬＤ積を大きくせずにＩＦＯＧデバイスの性能を改善するか、あるいは、ほぼ半分のファイバコイル長で所与のＩＦＯＧデバイスの性能を維持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、２つの直交偏光状態でそれぞれ１回ずつ、ファイバコイル内で光をルート付ける新しい技術に基づいている。好ましくは、伝播する光の偏光状態は、偏光保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタによって制御される。この技術では、同じファイバコイル長で、感度が２倍になり、角度の酔歩（ＡＲＷ）およびバイアス不安定性が低減されるか、あるいは、半分のファイバコイル長しか使用せずに、所与のＩＦＯＧのジャイロの性能が維持される。
【０００５】
より具体的には、偏光保存コンバイナ／スプリッタを使用して、ファイバコイルに入射し、ファイバコイルから出射する光の１つの偏光状態だけを結合する。ファイバ内を伝播する光は、ＰＭファイバコイルに９０度スプライスを使用することによって、それを１回通過した後で９０度回転する。次いで、この光は、コイルの２度目の通過のために、ＰＭコンバイナ／スプリッタを介してファイバコイルに戻される。２度目の通過の後で、この光は、再度９０度回転して元の偏光状態に戻り、ＰＭコンバイナ／スプリッタを通過し、集積光学系チップ（ＩＯＣ）などの位相変調器に結合される。上記機能を実現するために、ＰＭコンバイナ／スプリッタを使用する少なくとも２つの実施形態を実施し得る。一方の実施形態では、ＰＭコンバイナ／スプリッタおよび９０°スプライスをそれぞれ１つしか使用しない。第２実施形態では、２つのＰＭコンバイナ／スプリッタおよび１つの９０°スプライスを使用する。第１実施形態は、比較的簡単なものであり、必要とする光回路の変更は最小限である。第２実施形態は、対称性がより高いものであり、ＰＭコンバイナ／スプリッタのドリフトの影響を受けない。この理由は、光は各ＰＭコンバイナ／スプリッタの交差脚および通過脚のいずれに沿っても１回伝播するからである。
【０００６】
第３実施形態は、ＰＭコンバイナ／スプリッタによるものではなく、代わりに、例えばバルク光学系を使用して実施し得る偏光ビームスプリッタによるものである。
【０００７】
本発明の実施形態では、まず基準線となる性能を確立するために、単一感知ループを備えたＩＦＯＧ試験台を組み立てた。固有周波数は２４．６ｋＨｚで測定され、バイアスデータは、ＡＲＷが約５００マイクロ度／回転−時の状態で取得した。次いで、偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタを組み込み、少なくとも１つの９０°スプライスを適用して、速い軸および遅い軸の光を方向変更することによって倍増感知ループが実現されるように、本発明の第１実施形態に従ってこの試験台を改変した。速い軸および遅い軸は、ＰＭファイバの２つの主軸であり、屈折率がより小さい（より大きい）速い（遅い）軸では、光は、より速く（より遅く）伝播する。感知ループを２回通過することは、単一ループ構成の固有周波数の半分である約１２．３ｋＨｚで測定された固有周波数によって検証した。すなわち、２重感知ループ構成では、ループ通過時間（集積光学系チップ（ＩＯＣ）の一方の側から、ファイバコイルを通って、ＩＯＣの他方の側に光が伝播する時間）は倍になる。バイアスデータは、ＡＲＷが約３００マイクロ度／回転−時の状態で測定した。そのため、ＡＲＷのこの結果は、単一ループＡＲＷ測定値と比べて、約４０％の改善を示す。５０％の理論改善値との差は、ファイバを２度通過するために熱位相ノイズが大きくなるためである。
【０００８】
添付の図面と併せて以下の詳細な説明から、本発明のより徹底した理解が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、４つの節で本発明の詳細な説明を述べる。第Ｉ節で、感知ダブラの構造を説明する。第ＩＩ節に、典型的な溶融タイプのＰＭコンバイナ／スプリッタの測定値を示す。第ＩＩＩ節で、光学試験台アセンブリを説明する。第ＩＶ節で、感知ループダブラのテスト結果および単一ループ構成との比較を論じる。最後に、第Ｖ節で、本発明の第２実施形態を説明する。
Ｉ．感知ループダブラの構造
本発明による、感知ループ（したがって、ＬＤ積）を効果的に２倍にする１つのやり方は、光がＰＭファイバ内を２つの直交する状態でそれぞれ１回ずつ伝播するように、伝播する光の偏光状態を管理することである。図１に、ＩＦＯＧ感知ループダブラデバイスの例の構成を示す。この構成は、速い軸または遅い軸に光を方向変更するために、少なくとも１つの９０°スプライスに加えて、追加のＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を含める点で、単一ループ構成と異なる。ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０の機能は、特定の出力ポートに入る光の偏光を制御することである。ファイバ光源（ＦＬＳ）１０２は、サーキュレータ（または、５０／５０カプラ）１０４に光を提供する。次いで、集積光学系チップ（ＩＯＣ）（または、５０／５０カプラ）１０６は、この光を２つの互いに反対方向に伝播する波に分割し、これらの光は、ファイバコイル１０８を通って伝播する。これらの互いに反対方向に伝播する波がファイバコイル１０８から再度出射した後で、これらの波は、ＩＯＣ １０６の左端で干渉し、再度サーキュレータ１０４を通って逆に伝播し、出射してフォトダイオード１１２に至る。ＩＯＣ電極１０６ａ〜１０６ｄによって適切な変調を施すことにより、当技術分野でよく知られているように、フォトダイオード１１２からの信号が復調され、それによって、固有周波数および回転レートを検出することができる。
【００１０】
単一感知ループ構成では、本発明の好ましい構成にはある偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタ１１０がない。従来型の感知ループでは、互いに反対方向に伝播する波は、ファイバコイルを１回だけ通過し、ＩＯＣを通って出射する。ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を追加することによって、入射光の偏光に基づいて、光の交差出射および通過出射を制御することが可能になる。好ましい実施形態では、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０は、２本のＰＭファイバを合わせて溶融することによって作製することができる。あるいは、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０は、研磨した後で２本のファイバを互いに押し付けることによって作製することもできるし、自由空間微小光学系を使用して作製することもできる。図２に示すように、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０の構成に応じて、偏光方向が０°の入射光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を交差して（通過して）通過することになり、９０°の偏光入射光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタを通過して（交差して）通過することになる。
【００１１】
ＰＭファイバ内を伝播する光の偏光は、スプライシング技術によって変えることができる。例えば、光の偏光は、ファイバを破断し、１８０°で合わせてスプライスして元に戻すことによって１８０°変えることができる。光を９０°回転させる１／２波長板と同様に、ＰＭファイバを９０°スプライスすることによって、光を９０°回転させることもできる。図３に、右手の法則に従う９０°スプライスの偏光構成を示す。向きを−９０°変えるようにファイバをスプライスすることによって、左手の法則を実現することもできる。
【００１２】
図４に、ダブラデバイスを通って伝播する光の光路および偏光状態を示す。ＩＯＣ １０６の上側経路から出射する光の偏光方向は０°（反時計方向波）と仮定する。０°スプライス＃１では、光は、０°偏光で維持される。次いで、光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０を交差して通過し、スプライス＃３を通って出射する。＃３の９０°スプライスは、偏光を９０°回転させる。この光は、ファイバコイル１０８およびスプライス＃２を通って伝播し、９０°の偏光方向は変化しない。この時点で、偏光方向は９０°なので、光は、ＰＭスプリッタを通過して通過し、再度スプライス＃３で出射する。この光は、偏光方向が１８０°の状態で、２度目のファイバコイルの伝播を行う。この光がファイバコイルを出射するとき、光は、ＰＭコンバイナ／スプリッタを交差して通過し、スプライス＃４で、ＩＯＣ １０６の下側経路に向かって出射する。時計方向の波についての光の通過経路は、上記で説明した反時計方向の波に類似している。これら２つの波は、ＩＯＣ １０６の左側端部で再度合流するが、本発明によれば、各波は、ファイバコイル内を２回伝播している。
ＩＩ．ＰＭコンバイナ／スプリッタの測定
ＰＭコンバイナ／スプリッタを取得して、その偏光性能を評価した。（英国デボン州Ｔｏｒｑｕａｙ所在の）ＳＩＦＡＭ Ｆｉｂｒｅ Ｏｐｔｉｃｓ社から２つのデバイスサンプルを取得した。表１および表２に、ＳＩＦＡＭ社のＰＭコンバイナ／スプリッタのデータを示す。
【００１３】
各サンプルについて、消光比および分離比の測定を実施した。消光比は、出力が最大の状態で同じ出力ポートから出射する誤った偏光の尺度である。分離比は、他の出力ポートにおける光漏れの尺度である。消光比測定では、入力ポート（例えば、Ａ）に偏光が入射し、出力ポート（例えば、Ｘ）では、偏光子を介して測定が行われる。入射光および偏光子は、最大光出力が得られるように調整する。次いで、偏光子を９０°回転させる。これら２つの結果の比から、消光比が決まる。異なる入力ポートおよび出力ポートに同じ手順を適用して、すべての消光比を取得する。
【００１４】
ＳＩＦＡＭデバイスのサンプルの消光は良好であり、平均して約３０ｄＢである。この消光比は、ＰＭスプリッタ／コンバイナによる偏光誤差を無視するのに十分に大きい。というのは、このＰＭファイバコイルの偏光誤差のほうが大きい、すなわち、消光比が小さい（４ｋｍのファイバについての測定で１７．８ｄＢ）からである。
【００１５】
消光比を測定する同じ手順に従って、分離比を測定する。出射ポートにおける最大出力を取得した後で、光漏れについて他の出力ポートを測定する。これら２つの結果の比から、分離比が決まる。本発明で使用するのに適したＰＭコンバイナ／スプリッタの設計では、遅い軸が直進通過軸である。遅い軸に光が入射する場合、交差出射ポートよりも通過出射ポートにおける分離比が大きくなる。速い軸に光が入射する場合、交差出射ポートで光出力が最大になる。速い軸で分離比が小さくなると、通過出射ポートにおける漏れが大きくなる。すなわち、遅い軸の分離比は、速い軸の分離比よりも大きい。
【００１６】
ＳＩＦＡＭ社のＰＭコンバイナ／スプリッタの分離比の測定では、遅い軸と速い軸の差がより大きい。これは、使用するＦＬＳの波長と、ＰＭコンバイナ／スプリッタを製作する際の最適波長との差によるものと考えられる。典型的には、溶融タイプのＰＭコンバイナ／スプリッタは、研磨タイプと比べて、温度および湿度に対してより良好な安定性を示す。
【００１７】
自由空間微小光学系を他の光学コンポーネントを組み合わせて使用してＰＭコンバイナ／スプリッタを製作し、それによってコンパクトな筐体を得ることもできることに留意されたい。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
ＩＩＩ．試験台アセンブリ
図１に概略的に示す感知ループダブラを実証するために、試験台を組み立てた。ＦＬＳ １０２の平均波長は約１５５０ｎｍであり、その帯域は２９．４ｎｍである。ＩＯＣ １０６のチャネル長は４７ｍｍである。ＰＭファイバコイル１０８は、長さ約４ｋｍのＰＭファイバを含む。このコイルの下はゴムマットとして振動を防いだ。このゴムマットは、下の金属プレートからの熱絶縁としても働いた。すべての光学コンポーネントを金属カバーで覆って空気の流れをなくし、それによって、これらの光学コンポーネントの温度を安定化させる助けとした。
【００２０】
より具体的には、（第１実施形態の変形であり、スプライスがすべて９０°である）図５を参照すると、ＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０をコイルファイバおよびＩＯＣ１０６のピグテールにスプライスする手順が示されている。まずポイント＃１をスプライスし、その後、ポイント＃２、＃３、および＃４をスプライスする。監視システムを使用してスプライスを良好に行い得る限り、これとは異なる順序を選択し得る。分離比が大きい（表１から２９．２ｄＢ）ので、ＰＭファイバコイル１０８に入射する前にＩＯＣに戻る光漏れが制限される。このため、この直進通過漏れによって生じる干渉誤差が小さくなる。２番目の経路として感知ファイバに光が戻すルート付けされる構成が得られる限り、０°または９０°の異なる組合せを用いることができるはずであることに留意されたい。すなわち、偏光状態が異なるために、光が感知ファイバを２度廻ってルート付けられるという結果が得られる限り、（例えば、図１の）９０°スプライスは必ずしも、スプライス＃３のところに配置する必要はなく、他の場所に配置し得るはずである。
【００２１】
より具体的には、第１実施形態では、０°偏光は交差脚を通過し、９０°偏光は同じ脚を通過して通過することになり（これは、９０°スプライスの数が少ないので好ましい）、そのため、以下のスプライスが可能である。
【００２２】
スプライス１、０°
スプライス２、０°
スプライス３、９０°
スプライス４、０°
または、
スプライス１、０°
スプライス２、９０°
スプライス３、０°
スプライス４、０°
ＰＭコンバイナ／スプリッタの脚１および２を入れ替える（あるいは、脚３と４を入れ替える）と、下記のスプライスも可能である。
【００２３】
スプライス１、９０°
スプライス２、０°
スプライス３、９０°
スプライス４、９０°
または、
スプライス１、９０°
スプライス２、９０°
スプライス３、０°
スプライス４、９０°
また、ＰＭコンバイナ／スプリッタの場所は、（コイルとＩＯＣの間の上記の場所で実施するのが比較的簡単であるが）ファイバコイル内の任意の場所とし得ることに留意されたい。同様に、スプライス２またはスプライス３のどちらかににおける９０°スプライスの場所も、ファイバコイル内の任意の場所とし得る。
【００２４】
コイルファイバ１０８およびＩＯＣ １０６でＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０をスプライスした後で、スプライス損失および消光（分離）比を測定した。測定から、コイルファイバ１０８の損失は５．１２ｄＢであり、その消光比は１７．８ｄＢであることが示された。２度目の通過のためにコイルファイバ１０８に入射する前に、偏光誤差により、光漏れがＰＭスプリッタを交差する。単一ループの漏れにはそれ自体のインターフェログラムがあり、これは、２重ループ構成のものと異なる。単一ループに沿った光漏れのほうが大きく、ＰＭコンバイナ／スプリッタの消光比は小さい。コイルファイバにおける損失が大きいと、２重ループと単一ループの比が小さくなる。本発明による構成では、２重ループに比べて、単一ループの漏れの約５％の漏れがある。好都合には、この単一ループの漏れは、復調プロセスで相殺される。表３に、図５に示す構成についてのスプライス損失および消光比（分離比）を反映したデータを示す。
【００２５】
【表３】
ＩＶ．試験
好ましい試験構成では、ホットプレートを使用して、光学コンポーネントの温度を制御する。一定ポンプ電流／一定温度コントローラとともに、光源コントローラを使用してＦＬＳ １０２を制御する。関数発生器を使用して、ＩＯＣ １０６への変調信号を生成する。光検出器１１２からの出力は、ロックイン増幅器（ＬＩＡ）に送出して復調処理を行う。次いで、データ取得システム（ＤＡＳ）によって、このロックイン増幅器からデータを取得し、レート情報とともに保存する。
【００２６】
単一ループ構成では、光検出器１１２で２Ｖの非変調信号を得るために、６７ｍＡのポンプ電流が必要とされる。最初のセットアップの後、まず、固有周波数を測定した。オシロスコープを使用して、光検出器１１２の出力を測定した。π／２方形波変調でＩＯＣ １０６を駆動した。このバイアス変調に加えて、固有周波数変調（ＥＦＭ）信号として、固有周波数測定値の６４倍の正弦波を印加した。バイアス周波数（およびそれに従ってＥＦＭ周波数）を調整して、ＥＦＭ周波数においてスペクトルアナライザで最小サイドローブを取得した。固有周波数は、約２４．６ｋＨｚで測定された。
【００２７】
固有周波数を測定した後で、バイアス測定に備えて、温度制御オーブン内で約２日間ジャイロを安定化させた。バイアスデータは、方形波をπ／２で変調したときに取得した。図６Ａに、このバイアスデータを示す。図６Ｂに、ＡＲＷを約５００マイクロ度／回転−時で計算したクラスタ分析を示す。バイアス安定性は、０．００１度／時よりも良好であった。
【００２８】
２重ループ構成では、２Ｖの非変調信号に達するのに必要とされるポンプ電流は、１７４ｍＡであった。図７Ａに、この場合も方形波をπ／２で変調したときのバイアス測定を示し、図７Ｂに、２重ループ構成についてのクラスタ分析を示す。ＡＲＷの計算値は、約３００マイクロ度／回転−時になった。この値は、単一ループ構成と比較して約４０％の改善である。得られたバイアス安定性は、予想よりも小さく、約０．００３度／時であった。この不安定性は、ＰＭコイルファイバ１０８の消光比が低いことによる単一ループの漏れに起因し得ると考えられる。この不安定性は、感知コイルの前に配置したＰＭコンバイナ／スプリッタ１１０の余分な長さにも起因し得る。
Ｖ．第２実施形態
図８および図９に、１対のＰＭコンバイナ／スプリッタを使用して、感知ループダブラを実現する本発明の第２実施形態を示す。ここでは、対称ＰＭカプラ／スプリッタ構成が実現され、光は、各ＰＭカプラ／スプリッタごとに２回、通過脚および交差脚を伝播する。こうすると、より釣合いのとれた構成が得られる。
【００２９】
第２実施形態による対称構成で可能なスプライス構成には、以下のものが含まれる。
【００３０】
０°偏光は交差脚を通過し、９０°偏光は同じ脚を通過して通過することになる（これは、９０°スプライスの数が少ないので好ましい）ので、以下のスプライス配列が可能である。
【００３１】
スプライス１、０°
スプライス２、０°
スプライス３、９０°
スプライス４、０°
スプライス５、０°
または、
スプライス１、０°
スプライス２、９０°
スプライス３、０°
スプライス４、０°
スプライス５、０°
ＰＭコンバイナ／スプリッタの脚１および２を入れ替える（あるいは、脚３と４を入れ替える）場合、好ましくは、スプライス１およびスプライス４はともに９０°スプライスであり、スプライス５は０°スプライス、スプライス３またはスプライス４は９０°スプライスである。
【００３２】
スプライス２（またはスプライス３）がＰＭコンバイナ／スプリッタの他の脚につながる場合には、スプライス２およびスプライス３は０°スプライスであり、スプライス５は９０°スプライス、スプライス１（またはスプライス４）は９０°スプライスである。
ＶＩ．第３実施形態
図１０〜図１２に、本発明の第３実施形態を示す。ここでは、１つまたは複数のＰＭコンバイナ／スプリッタを使用する代わりに、例えばバルク光学系を使用して実施し得る偏光ビームスプリッタを使用して、感知ループ伝播による倍増を実現することができる。あるいは、偏光ビームスプリッタは、とりわけサーキュレータ、カプラ、またはＩＯＣなどの他のコンポーネントを集積し得る微小光学系技術を利用して実施し得るはずである。
【００３３】
図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、偏光ビームスプリッタの機能は、ＰＭコンバイナ／スプリッタに類似している。この機能により、一方の偏光状態はスプリッタを通過させ、他方の直交する偏光状態は、内部全反射により界面で反射させることができる。
【００３４】
この偏光ビームスプリッタは、屈折率が異なる２種類の光学材料を使用して作製し得る。この屈折率は、界面における４５°入射光の一方の偏光が通過し、他方が界面で反射するように選択する。
【００３５】
図１１および図１２に、図１および図４に示すように単一のＰＭコンバイナ／スプリッタを備える本発明の第１実施形態のものと同じ全体構成で、どのように偏光ビームスプリッタを使用し得るかを示す。
【００３６】
上記のことに鑑みて、本発明によれば、ＩＦＯＧのＬＤ積を物理的に大きくすることなく、ＩＦＯＧの感度を上げることが可能であることが当業者には理解されよう。あるいは、本発明によれば、従来型ＩＦＯＧデバイスのＬＤ積を半分にし、依然として同じ性能の感度を維持することが可能である。
【００３７】
さらに、本発明は、低コスト・低精度のジャイロおよび高コスト・高精度のジャイロにともに利用することができる。したがって、ある種の実施形態では、サーキュレータおよび／またはＩＯＣをなくすことができる。また、本発明は、リング干渉計を使用する任意のタイプのセンサに適用可能であるとみなすべきである。すなわち、本発明は、ＩＦＯＧデバイスに限定されるものではない。
【００３８】
また、先に述べたように、サーキュレータ１０４の代わりに、高度に集積化された多機能光−光デバイスの一部であるファイバカプラまたは自由空間微小光学ビームスプリッタなど、光波を合成または分割する任意のデバイスを使用することができる。同様に、ＩＯＣ １０６の代わりに、光ファイバカプラ、またはおそらくは微小光学デバイスも使用し得るはずである。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態の上記開示は、例示し説明するために提示したものである。上記開示は、網羅的なものでもなく、本発明をここで開示した厳密な形態に限定するためのものでもない。上記開示に照らして、本明細書で説明した実施形態の多くの変形形態および改変形態が当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によってのみ定義される。
【００４０】
さらに、本発明の代表的な実施形態を説明する際に、本明細書では、特定の順序のステップとして本発明の方法および／またはプロセスを提示した。しかし、これらの方法またはプロセスが本明細書で述べた特定の順序のステップに依拠しない限り、これらの方法またはプロセスは、ここで説明した特定の順序のステップに限定されるべきではない。当業者には理解されるように、他の順序のステップも可能なことがある。したがって、本発明で述べたステップの特定の順序が、特許請求の範囲を限定すると解釈すべきではない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とする特許請求の範囲は、記載された順序でこれらのステップが実施されるものであると限定されるべきではなく、これらの順序は、変更することができ、依然として本発明の趣旨および範囲に含まれることが当業者には容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるＩＦＯＧ感知ループダブラの第１実施形態の概略図である。
【図２】本発明によるＰＭコンバイナ／スプリッタの偏光構成を示す図である。
【図３】ＰＭファイバにおける９０°スプライスの偏光構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるダブラデバイスを通って伝播する光の光路および偏光状態を示す図である。
【図５】実験を実施した第１実施形態の変形のスプライシング構成を示す図である。
【図６Ａ】８秒間隔でデータを取得した、単一ループ構成についてのバイアス測定を示す図である。
【図６Ｂ】８秒間隔でデータを取得した、単一ループ構成についてのクラスタ分析を示す図である。
【図７Ａ】１秒間隔でデータを取得した、本発明による２重ループ構成についてのバイアス測定を示す図である。
【図７Ｂ】１秒間隔でデータを取得した、本発明による２重ループ構成についてのクラスタ分析を示す図である。
【図８】本発明による２つのＰＭコンバイナ／スプリッタを含む第２実施形態を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態のダブラを通って伝播する光の光路および偏光状態を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の第３実施形態による、ＰＭコンバイナ／スプリッタの代わりに使用し得る偏光ビームスプリッタを示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第３実施形態による、ＰＭコンバイナ／スプリッタの代わりに使用し得る偏光ビームスプリッタを示す図である。
【図１１】本発明による第１実施形態のものと同じ全体構成で、偏光ビームスプリッタを使用する方法を示す図である。
【図１２】本発明による第１実施形態のものと同じ全体構成で、偏光ビームスプリッタを使用する方法を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
２つの端部を有し、これら２つの端部にはそれぞれ、前記光源から光が供給されるファイバコイルと、
コンバイナ／スプリッタとを備え、前記コンバイナ／スプリッタは、（ｉ）少なくとも１つのスプライスが、前記スプライスを横切って伝播する光の偏光状態を変える９０°スプライスであり、（ｉｉ）前記ファイバコイルに入射する光が、それぞれ異なる偏光状態で前記コイルを２度横切るように、前記ファイバコイルのファイバにスプライスされる、光ファイバリング干渉計。
【請求項２】
サーキュレータをさらに備える、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項３】
前記サーキュレータと光学的に通信するフォトダイオードをさらに備える、請求項２に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項４】
前記光源からの光を、それぞれ変調し得る２つの経路に分割し得る集積光学系チップ（ＩＯＣ）をさらに備え、前記ＩＯＣはさらに、前記光源に向かう方向に光が伝播するときに、前記２つの経路のそれぞれからの光を合成することができる、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項５】
前記ファイバコイルは、偏波保存ファイバを含む、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項６】
前記コンバイナ／スプリッタは、偏波保存ファイバを含む、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項７】
干渉方式光ファイバジャイロである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項８】
前記光源は、ファイバ光源を含む、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項９】
前記ファイバコイルの長さは約４ｋｍである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１０】
前記コンバイナ／スプリッタは、溶融タイプおよび研磨タイプの一方である、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１１】
前記コンバイナ／スプリッタの消光比は、少なくとも３０ｄＢである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１２】
前記コンバイナ／スプリッタの分離比は、少なくとも１０ｄＢである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１３】
光は、前記光源に向かう方向に戻る前に、前記コンバイナ／スプリッタを通過し、前記ファイバコイルを廻り、前記コンバイナ／スプリッタを交差して伝播する、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１４】
光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）の長さと径の（ＬＤ）積を２倍にするデバイスであって、
偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタが、前記ＦＯＧのファイバループと集積光学系チップ（ＩＯＣ）の間に配設され、前記ＰＭコンバイナ／スプリッタは、溶融タイプおよび研磨タイプの一方であり、かつ４つの接続ポイントを有し、前記接続ポイントの２つは、前記ファイバループのそれぞれの端部に接続され、前記接続ポイントの別の２つは、前記ＩＯＣによって画定されたそれぞれの光路に接続される、デバイス。
【請求項１５】
前記接続ポイントは、スプライスによって接続される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記スプライスの少なくとも１つは、入射光の偏光を９０°回転させるように配列される、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ＩＯＣによって画定された前記経路の１つに沿って放出された光は、前記ファイバループを廻って２度伝播し、２度目は、前記ＰＭコンバイナ／スプリッタによって前記光が前記ファイバループに導かれる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの消光比は、少なくとも３０ｄＢである、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの分離比は、少なくとも１０ｄＢである、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２０】
光源と、
前記光源およびフォトダイオードと光通信するサーキュレータと、
前記サーキュレータから放出された光を、それぞれ変調し得る２つの経路に分割でき、さらに前記サーキュレータに向かう方向に光が伝播するときに、前記２つの経路のそれぞれからの光を合成することができる集積光学系チップ（ＩＯＣ）と、
ファイバコイルと、
前記ＩＯＣと前記ファイバコイルの間に配設され、前記ＩＯＣと前記ファイバコイルと光通信し、前記ＩＯＣおよびファイバコイルに接続するための接続ポイントを含む偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタと、
を備える光デバイスの長さと直径の（ＬＤ）積を２倍にする装置。
【請求項２１】
前記接続ポイントは、スプライスによって前記ＩＯＣおよびファイバループに接続される、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記スプライスの少なくとも１つは、入射光の偏光を９０°回転させるように構成される、請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記ＩＯＣによって画定された前記経路の１つに沿って放出された光は、前記ファイバループを廻って２度伝播し、２度目は、前記ＰＭコンバイナ／スプリッタによって前記光が前記ファイバループに導かれる、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの消光比は、少なくとも３０ｄＢである、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの分離比は、少なくとも１０ｄＢである、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２６】
光源と、
前記光源およびフォトダイオードと光通信するサーキュレータと、
前記サーキュレータから放出された光を、それぞれ変調し得る２つの経路に分割でき、さらに前記サーキュレータに向かう方向に光が伝播するときに、前記２つの経路のそれぞれからの光を合成することができる集積光学系チップ（ＩＯＣ）と、
ファイバコイルと、
前記ＩＯＣと前記ファイバコイルの間に対称に配設され、前記ＩＯＣと前記ファイバコイルと光通信する１対の偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタと、
を備える、光デバイスの長さと直径の（ＬＤ）積を２倍にする装置。
【請求項２７】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタは、前記ＩＯＣとファイバコイルの間でスプライスされる、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記スプライスの少なくとも１つは、入射光の偏光を９０°回転させるように配列される、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記ＩＯＣによって画定された前記経路の１つに沿って放出された光は、前記ファイバループを廻って２度伝播し、２度目は、前記１対のＰＭコンバイナ／スプリッタによって前記光が前記ファイバループに導かれる、請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
光を提供する手段と、
感知ループに向かって前記光を通過させ、前記感知ループから戻る光を抽出する手段と、
通過させ抽出する前記手段に戻る前に、前記光に前記感知ループを２度横切らせる手段とを備える、光ファイバリング干渉計。
【請求項３１】
干渉方式光ファイバジャイロである、光ファイバリング干渉計。
【請求項３２】
光に前記感知ループを２度横切らせる前記手段は、ＰＭコンバイナ／スプリッタを含む、光ファイバリング干渉計。
【請求項３３】
光に前記感知ループを２度横切らせる前記手段は、偏光ビームスプリッタを含む、光ファイバリング干渉計。
【請求項１】
光源と、
２つの端部を有し、これら２つの端部にはそれぞれ、前記光源から光が供給されるファイバコイルと、
コンバイナ／スプリッタとを備え、前記コンバイナ／スプリッタは、（ｉ）少なくとも１つのスプライスが、前記スプライスを横切って伝播する光の偏光状態を変える９０°スプライスであり、（ｉｉ）前記ファイバコイルに入射する光が、それぞれ異なる偏光状態で前記コイルを２度横切るように、前記ファイバコイルのファイバにスプライスされる、光ファイバリング干渉計。
【請求項２】
サーキュレータをさらに備える、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項３】
前記サーキュレータと光学的に通信するフォトダイオードをさらに備える、請求項２に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項４】
前記光源からの光を、それぞれ変調し得る２つの経路に分割し得る集積光学系チップ（ＩＯＣ）をさらに備え、前記ＩＯＣはさらに、前記光源に向かう方向に光が伝播するときに、前記２つの経路のそれぞれからの光を合成することができる、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項５】
前記ファイバコイルは、偏波保存ファイバを含む、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項６】
前記コンバイナ／スプリッタは、偏波保存ファイバを含む、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項７】
干渉方式光ファイバジャイロである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項８】
前記光源は、ファイバ光源を含む、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項９】
前記ファイバコイルの長さは約４ｋｍである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１０】
前記コンバイナ／スプリッタは、溶融タイプおよび研磨タイプの一方である、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１１】
前記コンバイナ／スプリッタの消光比は、少なくとも３０ｄＢである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１２】
前記コンバイナ／スプリッタの分離比は、少なくとも１０ｄＢである、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１３】
光は、前記光源に向かう方向に戻る前に、前記コンバイナ／スプリッタを通過し、前記ファイバコイルを廻り、前記コンバイナ／スプリッタを交差して伝播する、請求項１に記載の光ファイバリング干渉計。
【請求項１４】
光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）の長さと径の（ＬＤ）積を２倍にするデバイスであって、
偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタが、前記ＦＯＧのファイバループと集積光学系チップ（ＩＯＣ）の間に配設され、前記ＰＭコンバイナ／スプリッタは、溶融タイプおよび研磨タイプの一方であり、かつ４つの接続ポイントを有し、前記接続ポイントの２つは、前記ファイバループのそれぞれの端部に接続され、前記接続ポイントの別の２つは、前記ＩＯＣによって画定されたそれぞれの光路に接続される、デバイス。
【請求項１５】
前記接続ポイントは、スプライスによって接続される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記スプライスの少なくとも１つは、入射光の偏光を９０°回転させるように配列される、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ＩＯＣによって画定された前記経路の１つに沿って放出された光は、前記ファイバループを廻って２度伝播し、２度目は、前記ＰＭコンバイナ／スプリッタによって前記光が前記ファイバループに導かれる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの消光比は、少なくとも３０ｄＢである、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの分離比は、少なくとも１０ｄＢである、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２０】
光源と、
前記光源およびフォトダイオードと光通信するサーキュレータと、
前記サーキュレータから放出された光を、それぞれ変調し得る２つの経路に分割でき、さらに前記サーキュレータに向かう方向に光が伝播するときに、前記２つの経路のそれぞれからの光を合成することができる集積光学系チップ（ＩＯＣ）と、
ファイバコイルと、
前記ＩＯＣと前記ファイバコイルの間に配設され、前記ＩＯＣと前記ファイバコイルと光通信し、前記ＩＯＣおよびファイバコイルに接続するための接続ポイントを含む偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタと、
を備える光デバイスの長さと直径の（ＬＤ）積を２倍にする装置。
【請求項２１】
前記接続ポイントは、スプライスによって前記ＩＯＣおよびファイバループに接続される、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記スプライスの少なくとも１つは、入射光の偏光を９０°回転させるように構成される、請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記ＩＯＣによって画定された前記経路の１つに沿って放出された光は、前記ファイバループを廻って２度伝播し、２度目は、前記ＰＭコンバイナ／スプリッタによって前記光が前記ファイバループに導かれる、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの消光比は、少なくとも３０ｄＢである、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタの分離比は、少なくとも１０ｄＢである、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２６】
光源と、
前記光源およびフォトダイオードと光通信するサーキュレータと、
前記サーキュレータから放出された光を、それぞれ変調し得る２つの経路に分割でき、さらに前記サーキュレータに向かう方向に光が伝播するときに、前記２つの経路のそれぞれからの光を合成することができる集積光学系チップ（ＩＯＣ）と、
ファイバコイルと、
前記ＩＯＣと前記ファイバコイルの間に対称に配設され、前記ＩＯＣと前記ファイバコイルと光通信する１対の偏波保存（ＰＭ）コンバイナ／スプリッタと、
を備える、光デバイスの長さと直径の（ＬＤ）積を２倍にする装置。
【請求項２７】
前記ＰＭコンバイナ／スプリッタは、前記ＩＯＣとファイバコイルの間でスプライスされる、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記スプライスの少なくとも１つは、入射光の偏光を９０°回転させるように配列される、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記ＩＯＣによって画定された前記経路の１つに沿って放出された光は、前記ファイバループを廻って２度伝播し、２度目は、前記１対のＰＭコンバイナ／スプリッタによって前記光が前記ファイバループに導かれる、請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
光を提供する手段と、
感知ループに向かって前記光を通過させ、前記感知ループから戻る光を抽出する手段と、
通過させ抽出する前記手段に戻る前に、前記光に前記感知ループを２度横切らせる手段とを備える、光ファイバリング干渉計。
【請求項３１】
干渉方式光ファイバジャイロである、光ファイバリング干渉計。
【請求項３２】
光に前記感知ループを２度横切らせる前記手段は、ＰＭコンバイナ／スプリッタを含む、光ファイバリング干渉計。
【請求項３３】
光に前記感知ループを２度横切らせる前記手段は、偏光ビームスプリッタを含む、光ファイバリング干渉計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２００７−５０１４１３（Ｐ２００７−５０１４１３Ａ）
【公表日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３２８５３（Ｐ２００６−５３２８５３）
【出願日】平成１６年５月６日（２００４．５．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１４２８１
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４７８２１
【国際公開日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月６日（２００４．５．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１４２８１
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４７８２１
【国際公開日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]