説明

光信号源波長安定化装置

光信号源(12)からの光信号出力の波長安定化装置は光信号源(12)からの光信号を受信するように配置した光ファイバー(14)と光ファイバー(14)から外へ制御信号を結合するように配置した光タップ(16)を備える。光信号スプリッター(22)が、制御部分を波長依存強度Iを有する第1部分と波長依存強度Iを有する第2部分とに分割するように設置される。制御回路(28)が、比R=I/Iを算出して、光信号源(12)における波長の移行が比Rを所定設定点から逸脱させる場合に、光信号源(12)にエラー信号を送るように、設置される。


【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は一般に光ファイバーセンサー、特に光ファイバージャイロスコープ(FOG)としても知られる光ファイバー回転センサーに関する。更に詳しくは、本発明は或る動作温度範囲全般における波長の安定化を進めた、FOG技術応用装置のための光信号源の提供に関する。
【背景技術】
【0002】
広帯域光源は主として感知技術応用装置に用いられ、FOG応用技術で使われる一次信号源である。ジャイロスケールファクター(SFgyro)の安定は、下記の等式から判るように信号源の波長の安定に高度に依存する。

(1)
ここでAは光路の封入面積、Nは光ファイバーコイルの巻き数、cは真空中における光の速さ、λは波長の中心である。この等式(1)から、λが変化するとジャイロスケールファクターが影響を受けることがわかる。スケールファクター性能の改善のためには、波長を温度と時間に渡って安定させるか、適宜の情報を収集してジャイロ性能から波長変動を模式化する手段を提供しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明は光ファイバージャイロスコープ(FOG)システムでの使用に適した広帯域光信号源の波長安定化を目的とする。本発明は超蛍光ファイバー(SFS)と、スーパールミネセントダイオード(SLD)に基づく光信号源のどちらにも応用可能である。何れの場合にも光信号源スペクトルは3dB点で主として20nmから50nmと広く、中心波長は温度と共に変動する。
【課題を解決するための手段】
【0004】
光信号源からの光信号出力の波長安定化のための本発明による装置は、光信号源からの光信号受信用に配した光ファイバーと、光信号の制御部分を光ファイバーから取り出すように配した光学タップを含む。光信号スプリッターが配置されて、制御部分を、波長依存強度Iを有する第1の部分と、波長依存強度Iを有する第2の部分とに分割する。制御回路が設置されて、比R=I/Iを演算し、光信号源の波長のドリフトが比Rを所定設定点から逸脱させる時は、エラー信号を光信号源に送る。
【0005】
この装置は更に、制御回路に接続され、波長依存強度Iを表わす電気信号を生成するように設置された第1の光検出器と、制御回路に接続され、波長依存強度Iを表わす電気信号を生成するように設置された第2の光検出器とを備え得る。
【0006】
光信号スプリッターは、波長依存強度Iを有する透過部分と波長依存強度Iを有する反射部分とを出力するように形成した光スロープフィルターを含んでも良い。
【0007】
或いは、光信号スプリッターは、制御信号を第1部分と第2部分とに分割するようにした波長独立光結合器と、第1の光学エッジまたは帯域フィルターを備えても良く、この第1の光学エッジまたは帯域フィルターは、制御信号の第1部分がそこへの入射となるように配置され、第1波長帯中の光信号Iを透過させるように形成される。第2の光学エッジまたは帯域フィルターは、制御信号の第2部分を入射として第2波長帯中の光信号Iを透過させるように形成してもよい。
【0008】
或いは、光信号スプリッターは、制御信号が結合されるようにした第1光ファイバーと、制御信号を第1光ファイバーでガイドされ続ける第1制御部分と第1光ファイバー外に結合される第2制御部分とに分離するように設置された第1光カプラ−とを含んでもよい。第2光カプラーが第1光ファイバーと接続され、第2光ファイバーが第2光カプラーから第1制御部分を受けるように配置され、第1ファイバーブラッグ格子が第2光ファイバー内に形成されかつ第1波長帯の光信号Iを形成するように設置され、第3光ファイバーが第1光カプラーから第2制御部分を受けるように配置され、第2のファイバーブラッグ格子が第3光ファイバー内に形成されかつ第2波長帯の光信号Iを形成するように設置されてもよい。
【0009】
光信号スプリッターはまた、制御信号が結合されるように配した第1光ファイバーと、制御信号を第1光ファイバーでガイドされ続ける第1制御部分と第1光ファイバー外に結合される第2制御部分とに分離するように設置された光カプラーと、第1光ファイバー内に形成されたファイバーブラッグ格子であって第1光周波数を通して第1波長帯中の光信号Iを形成すると共に第2光周波数を光カプラーに後方反射させて第2波長帯中の光信号Iを形成するものと、光カプラーに接続されて光信号Iを受けるように設置された第2光ファイバーを含んでも良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本発明による幾つかの実施例を添付図面に基づいて説明する。
【0011】
図1は二つの異なる温度における典型的な超ルミネッセントダイオード(SLD)のスペクトル図を示す。図1の実線は温度17℃における波長の関数としての相対的な強度を示す。破線は温度24℃における波長の関数としての相対的な強度を示す。この図1から、7℃の温度変化で最大強度の波長に約3nmの変動が生じることが容易に判明する。
【実施例1】
【0012】
図2は本発明の第1の実施例による光信号源波長安定化装置10を示す。光信号源12は光信号を第1光ファイバー14に供給する。光ファイバー14は光信号を光信号源12から光ファイバーカプラー16にガイドする。光ファイバーカプラー16は信号源光の大部分を、主として回転検出応用技術に用いられる光ファイバージャイロスコープ(FOG)18に出力する。光ファイバーカプラー16とFOG18の適切な構成は当該技術において周知であるからここで詳述する必要はない。
【0013】
光ファイバーカプラー16は信号源光の一部を第2光ファイバー20に結合する。時折り「タップカプラー」という用語がこの光ファイバーカプラー16に対して用いられる。第1光ファイバー14から一部結合された信号源光は「タップ光」とも呼ばれる。第2光ファイバー20はこのタップ光を光スロープフィルター22にガイドし、光スロープフィルター22はタップ光の第1部分(矢印24で示す)を透過させ、第2部分(矢印26で示す)を反射させる。光スロープフィルター22は、反射された強度に対する透過された強度の比がタップ光の光波長の関数となるように構成される。光スロープフィルターは、予め決められた比の値が、FOG18への入力用に望ましい波長を選択するように設定されるよう構成される。
【0014】
タップ光の透過された第1部分24は第1光検出器Pに入射し、反射された第2部分26は第2光検出器Pに入射する。これら光検出器PおよびPは、それぞれ、透過されたタップ光24と反射されたタップ光26の強度に対応する電気信号を生成する。第1と第2の光検出器PおよびPは制御回路28に接続され、制御回路28は、信号源波長が選択された波長から逸脱したことを示すエラー信号を生成するように設定されている。エラー信号は、第1光ファィバー14とFOG18への光信号入力の波長を調節するために、光信号源12にフィードバックされる。
【0015】
反射されたタップ光強度に対する透過されたタップ光強度の比は、信号源光が選択された波長を有することを表わす固定設定点に設定される。信号源波長に何らかの変化があれば制御回路28で算出される比が変化する。制御回路28が決定した実際の比と設定点との間の差は、エラー信号の生成のために使用され、エラー信号は、選択値から離れる波長の変化を矯正するために、光信号源にフィードバックされる。ここで注意すべきことは、第1と第2の光検出器PとPによって生成された電気信号の比がエラー信号決定に用いられるため、信号源信号の強度上の変動は光信号源波長安定化装置10では検出されないことである。このような変動は透過された第1部分24と反射された第2部分26の双方に現れて比の算出から分離する。
【0016】
図3は本発明の第2の実施例による光信号源波長安定化装置30を示す。図3が図2と異なるのは、光スロープフィルター22を、光カプラー32と、一対のブルーエッジ及びレッドエッジ帯域フィルター38及び42で置き換えた点のみである。タップ信号は第2光ファイバー20から光カプラー32に入力され、そこでタップ信号は2つのほぼ均等な信号に分割される。光カプラー32のカップリング特性はタップ信号の波長とは無関係であることが望ましい。光ファイバー20内に残る光はブルーエッジ帯域フィルター38に入力される。光カプラー32はタップ光の半分を光ファイバー41に結合し、光ファイバー41は結合されたタップ光をレッドエッジ帯域フィルター42に案内する。ブルーエッジ帯域フィルター38とレッドエッジ帯域フィルター42から出力された信号はそれぞれ対応する光検出器PおよびPに入射される。
【0017】
光検出器P及びPは、電気信号を制御回路28に送り、ブルーエッジ及びレッドエッジ帯域フィルター38及び42から出力された光信号の強度を示す。これら光信号の強度の比は光信号源12から出力される選択された波長のための固定値に設定される。光信号源波長の選択波長からの逸脱は強度の比を変化させる。強度比の変化は、光信号源の波長を選択された値へ戻す調整に用いられるエラー信号の形成に用いられる。
【0018】
図4Aは、選択温度Tにおける、光信号源信号の強度を、波長との関数として図示する。図4Aはまたブルーエッジとレッドエッジ帯域フィルター38及び42の帯域特性を示す。両帯域フィルター38及び42はこれらを通過する強度が等しくなるように設置される。図4Bは、温度T+ΔTにおける光信号源の信号強度対波長の特性図である。光信号源信号は右にシフトし、それによって、両帯域フィルター38及び42を透過する信号の相違が起こる。
【0019】
信号源波長スペクトルは通常30〜60nmの有限帯域巾を有するので、波長中心に対するスペクトル形状上の位置を表す用語がある。波長中心より左のスペクトルの部分はブルーエッジ成分と呼ばれ、波長中心より右のスペクトルの部分はレッドエッジ成分と呼ばれる。
【0020】
パスバンドフィルターとカットオフフィルターの何れもブルーエッジ及びレッドエッジ帯域フィルターとして用い、広帯域光信号源における波長移行の監視に作用させ得る。図4Aに示すのは2つのパスバンドフィルターで、その一方はスペクトルのブルーエッジ(左側)に適用され、他方はスペクトルのレッドエッジ(右側)に適用され、図4Bに示すのは波長が移行したスペクトルでの同じフィルターである。
【0021】
二者択一的に、カットオフフィルターが使用可能である。このフィルターの伝達関数は透過波長と非透過波長の間に先鋭な遷移特性を有しなければならない。図4Cと4Dに示すのはそれぞれ非移行信号源スペクトルと移行信号源スペクトルに当てたカットオフフィルターである。機能上、パスバンドフィルターとカットオフフィルターの双方のアプローチが波長安定化に帰結することを明白に示している。
【0022】
図5は、図2及び3に示す本発明の各実施例に類似する第3の実施例による光信号源波長安定化装置40を示す。光ファイバー20はタップした信号を光カプラー50にガイドし、光カプラー50はこの信号を光ファイバー20と光ファイバー52とに均等に振り分ける。光ファイバー52はタップした信号のうちのそれに分岐された一部をファイバーブラッグ格子(FBG)54にガイドする。FBG54は信号源スペクトルの第1選定波長帯を光カプラー50に戻す方向に反射させる。反射されなかった光ファイバー52内の光信号の一部は、光ファイバー52からの光を受け取るように配置された光ターミネーター56に吸収される。FBG54で反射された光の一部は光カップラー50を通過して光検出器Pに入射される。
【0023】
光ファイバー20内で光カプラー50を通過する光は光ファイバー20を伝搬して光カプラー58に至る。光カプラー58はタップした信号の一部を光ファイバー60に結合し、光ファイバー60は、その中の光信号をFBG62へガイドするように設置されている。FBG62は信号源スペクトルの第2選定波長帯を光カプラー58に戻す方向に反射させる。FBG62で反射されなかった光は、光ファイバー60からの光信号を受け取るように配置された光ターミネーター64で吸収される。タップした信号のうちFBG62で反射された一部は、光カプラー58を通過して光ファイバー60により光検出器Pにガイドされる。
【0024】
光検出器PおよびPは第1と第2の選定波長帯の強度に対応する電気信号を生成する。これら電気信号は、上述したように、必要なときに信号源波長を調整するために用いられるエラー信号を生成するために、制御回路28により処理される。
【0025】
図6は単独の温度無依存のFBG72を用いた第4の実施例による光信号源波長安定化装置70を示す。光ファイバー20はタップした信号を光カプラー74にガイドし、光カプラー74は、光ファイバー20に残る透過部分と光ファイバー76に結合する結合部分とを出力する。光ターミネーター78が結合部分を吸収する。透過部分は光ファイバー20内をFBG72に伝搬し、FBG72はタップした信号の一部を光カプラー74に戻す方向に反射させる。光カプラー74はタップした信号で反射されたものの一部を光ファイバー76に結合し、光ファイバー76はこの反射タップ信号の一部を光検出器Pにガイドする。反射されずにFBG72を通過するタップ信号の一部は光検出器Pに入射される。光検出器P1およびP2が生成した電気信号の比を取れば、波長の移行を補正するために光信号源12に帰還させるエラー信号を生成するために用い得る情報が得られる。
【0026】
図7は、単独のFBG72と光サーキュレーター82を用いた第5の実施例による光信号源波長安定化装置80の略図的表示である。図7に見られる形態は図6に示す光信号源波長安定化装置70に類似する。図6の波長から独立した光カプラー74は3ポートの光サーキュレーター82に置き換えられる。光サーキュレーター82はポート1〜3を有する。光ファイバー20がポート1に接続されて光信号を光信号源12から光サーキュレーター82に与える。光ファイバー84がポート2に接続され、光ファイバー86がポート3に接続される。光サーキュレーター82はその入力と出力を循環させるように回転させ得る3ポート装置として構成される。つまり、ポート1への信号入力はポート2において光サーキュレーター82から出力され、ポート2への信号入力はポート3から出力される。ポート1からポート3へ、あるいはポート2からポート1へは、信号を通過させないようになっている。この入出力関係は1⇒2⇒3⇒1のように表せる。光サーキュレーターの導入は、光サーキュレーター82を使用すれば光損失の失点が低くなる点で3dBのカプラーの使用よりも有利である。代表的な光サーキュレーターは損失ポート対ポートが約0.75dBであるに対し、3dBカプラーは損失入力対出力が3dBである。図6および7に示す形態において、光検出器P1で観測されるパワーについて生じる光損失は、それぞれ6dBと1.5dBである。
【0027】
光サーキュレーター82のポート1に入力された信号は、従って、ポート2においてサーキュレーターから光ファイバー84に出力され、光ファイバー84はこの信号をFBG88にガイドする。FBG88に入力された信号の第1部分は反射されて光ファイバー84内を伝搬して光サーキュレーター82のポート2に至る。この信号の第1部分は次いでポート3において光サーキュレーター82から光ファイバー86へ出力される。この信号の反射された部分は光検出器Pによって検出される。
【0028】
FBG88に入射された信号の第2部分は光ファイバー84内を光検出器Pに伝達される。光検出器PおよびPで生成された電気信号は、光信号源12から出力される波長の調整に用いられるエラー信号を生成するために、図6に関して上記した様に、処理される。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】FOG応用技術で使用される代表的な光信号源について温度の関数としての波長の移行を示す図。
【図2】本発明による光信号源波長安定化装置の第1の実施例を略図的に示す。
【図3】光信号源安定化制御のためにエッジフィルターを用いる本発明の一実施例を略図的に示す。
【図4A】光信号源スペクトルエッジフィルターの効果をグラフ図で示す。
【図4B】移行した光信号源スペクトルならびにエッジフィルターの効果をグラフ図で示す。
【図4C】光信号源のスペクトルを示すと共にブルーエッジフィルターならびにレッドエッジフィルターを示す。
【図4D】温度変化によって生じた周波数移行の後の光信号源のスペクトルを示すと共にブルーエッジフィルターならびにレッドエッジフィルターを示す。
【図5】一対の温度無依存ファイバーブラッグ格子を含む本発明の一実施例を略図的に示す。
【図6】単独のファイバーブラッグ格子を用いて光信号源の安定化をもたらす本発明の一実施例を略図的に示す。
【図7】光カプラーに代えて光サーキュレーターを含む図6に示すものと類似の本発明の一実施例を示す。
【符号の説明】
【0030】
10 光信号源波長安定化装置
12 光信号源
14 第1光ファイバー
16 光ファイバーカプラー
18 光ファイバージャイロスコープ(FOG)
20 第2光ファイバー
22 光スロープフィルター
24 送出第1部分
26 反射第2部分
P1,P2 光検出器
28 制御回路
30 光信号源波長安定化装置
32 光カプラー
38 ブルーエッジ帯域フィルター
41 光ファイバー
42 レッドエッジ帯域フィルター
40 光信号源波長安定化装置
50 光カプラー
52 光ファイバー
54 ファイバーブラッグ格子(FBG)
56 光ターミネーター
58 光カプラー
60 光ファイバー
62 FBG
64 光ターミネーター
70 光信号源波長安定化装置
72 不透熱性FBG
74 光カプラー
76 光ファイバー
78 光ターミネーター
80 光信号源波長安定化装置
82 光サーキュレーター
84,86 光ファイバー
88 FBG


【特許請求の範囲】
【請求項1】
光信号源(12)から光信号を受けるように配置された光ファイバー(14)と、
光ファイバー(14)によってガイドされた光信号から制御信号を結合するように配置された光タップ(16)と、
制御信号を波長依存強度I1を有する第1部分と波長依存強度Iを有する第2部分とに分割するように設置された光信号スプリッター(22)と、
比R=I1/I2を算出して、光信号源における波長移行が比Rを所定設定点から逸脱させるような場合にエラー信号を光信号源(12)に送るように設置された制御回路(28)と
を含む、光信号源(12)から出力される光信号の波長安定化装置。
【請求項2】
制御回路(28)に接続されて波長依存強度Iを示す電気信号を生成するように設置された第1の光検出器(P)、および、制御回路(28)に接続されて波長依存強度Iを示す電気信号を生成するように設置された第2の光検出器(P)を更に備える、請求項1の光信号源波長安定化装置。
【請求項3】
光信号スプリッター(22)が、波長依存強度Iを有する送出部分と波長依存強度Iを有する反射部分とを出力するように形成された光スロープフィルターとして形成される、請求項2の光信号源波長安定化装置。
【請求項4】
光信号スプリッター(22)が、
制御信号を第1部分と第2部分とに分割するように設置した波長独立光カプラー(32)と、
制御信号の第1部分の入射を受けるように配置され、第1波長帯域内の光信号Iを送信するように形成された第1光エッジフィルター(38)と、
制御信号の第2部分の入射を受けるように配置され、第2波長帯域内の光信号Iを送信するように形成された第2光エッジフィルター(42)と
を含む、請求項2の光信号源波長安定化装置。
【請求項5】
光信号スプリッター(22)が、
制御信号を第1部分と第2部分とに分割するように配置した波長独立光カプラー(32)と、
制御信号の第1部分の入射を受けるように配置され、第1波長帯域内の光信号Iを送信するように形成された第1光エッジフィルター(38)と、
制御信号の第2部分の入射を受けるように配置され、第2波長帯域内の光信号Iを送信するように形成された第2光エッジフィルター(42)と
を含む、請求項1の光信号源波長安定化装置。
【請求項6】
光信号スプリッター(22)が、
制御信号が結合されるように配置した第1光ファイバー(20)と、
制御信号を、第1光ファイバー(20)でガイドされ続ける第1制御部分と第1光ファイバー(20)外に結合される第2制御部分とに分割するように設置された第1の光カプラー(50)と、
第1光ファイバー(20)と接続された第2の光カプラー(58)と、
第2の光カプラー(58)から第1制御部分を受けるように配置された第2光ファイバー(60)と、
第2光ファイバー(60)内に形成されて第1波長帯域内の光信号Iを形成するように設置された第1ファイバーブラッグ格子(62)と、
第1の光カプラー(50)から第2制御部分を受けるように設置された第3光ファイバー(52)と、
第3光ファイバー(52)内に形成されて第2波長帯域内の光信号Iを形成するように設置された第2ファイバーブラッグ格子(54)と
を含む、請求項1の光信号源波長安定化装置。
【請求項7】
光信号スプリッター(22)が、
制御信号が結合されるように配置した第1光ファイバー(20)と、
制御信号を第1光ファイバー(20)でガイドされ続ける第1制御部分と第1光ファイバー(20)外に結合される第2制御部分とに分割するように設置された光カプラー(74)と、
第1光ファイバー(20)内に形成されて、第1光周波数を送信して第1波長帯域内の光信号Iを形成するように形成されるとともに第2光周波数を光カプラー(74)に反射させて第2波長帯域内の光信号Iを形成するように形成されたファイバーブラッグ格子(72)と、
光カプラー(74)に接続されてそこから光信号Iを受けるように設置された第2光ファイバー(76)と
を含む、請求項1の光信号源波長安定化装置。
【請求項8】
光信号スプリッター(22)が、
制御信号が結合されるように配置された第1光ファイバー(20)と、
制御信号を第1光ファイバー(20)でガイドされ続ける第1制御部分と第1光ファイバー(20)外に結合される第2制御部分とに分割するように設置された波長独立光サーキュレーター(82)と、
第1光ファイバー(20)内に形成されて、第1光周波数を送信して第1波長帯域内の光信号Iを形成するように形成されるとともに第2光周波数を光サーキュレーター(82)に反射させて第2波長帯域内の光信号Iを形成するように形成されたファイバーブラッグ格子(88)と、
光サーキュレーター(82)に接続されてそこから光信号Iを受けるように設置された第2光ファイバー(86)と
を含む、請求項1の光信号源波長安定化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4A】
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【図4B】
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【図4C】
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【図4D】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公表番号】特表2009−522769(P2009−522769A)
【公表日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−548497(P2008−548497)
【出願日】平成18年6月27日(2006.6.27)
【国際出願番号】PCT/US2006/024896
【国際公開番号】WO2007/075193
【国際公開日】平成19年7月5日(2007.7.5)
【出願人】(507408316)ノースロップ グラマン ガイダンス アンド エレクトロニクス カンパニー,インコーポレーテッド (8)
【氏名又は名称原語表記】NORTHROP GRUMMAN GUIDANCE AND ELECTRONICS COMPANY, INC.
【住所又は居所原語表記】1840 Century Park East, Los Angeles, CA 90067−2101, U.S.A.
【Fターム(参考)】