JP4410323B2 - 光ファイバ回転センサシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反対方向に伝搬する波を光ファイバの検出コイルへ与える光源を有する光ファイバ回転センサの倍率を安定化する構成に関する。本発明は特に、光源から干渉計への光信号の偏光および干渉計から再び光源へ送られる光信号の偏光の両方を安定化することにより、光ファイバ回転センサの倍率を安定化する構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ回転センサには光信号源が包有され、この光信号源は光ファイバの検出コイルを含む干渉計に対し反対方向に伝搬する波を与える。通常の光信号源にはポンプ光波を利得ファイバに与えるレーザダイオードが含まれる。利得ファイバには、ポンプ光波を吸収し次に干渉計の供給に適した光信号を出力するドーパントが含まれる。干渉計内では、一体化光学チップが光ファイバの検出コイルと接続されている。光ファイバ回転センサ内の通常の一体化光学チップには光ファイバの検出コイルに対し入出力される光信号を処理し制御するために使用される、偏光子、位相変調器およびＹカプラ等の部品が包有されている。干渉計の出力は反対方向に伝搬する２個の波間の位相差である。検出軸を中心とするコイルの回転速度はこの位相差を倍率で除算することにより得られる。光ファイバジャイロスコープの倍率（あるいはサニヤック倍率ＳＳＦ）は次の周知の式により与えられる。

ここに、Ｌは（コイル長を含む）検出ループの長さとＹカプラあるいはＹ接続点後の一体導波管の長さの和であり、Ｄは有効コイル直径、ｃは真空中での光の速度、λは“平均”あるいは“干渉”平均波長である。光ファイバ回転センサを用いて正確に測定するには、正確で安定した倍率が要求される。
【０００３】
光ファイバジャイロスコープの倍率安定性は光源と一体化光学チップとの間の光ファイバの光の偏光状態の変化により影響される。光ファイバ内の応力変化により、光ファイバを介し案内される光の偏光状態が変化される。この応力とは源起的には機械的あるいは熱により生じる。偏光状態の変化により、初期には光源と一体化光学チップ（一部単一モードファイバでおよび一部は偏光維持ファイバで作られる）との間を移動し次に偏光する一体化光学チップ自体を移動する光のフィルタ作用を介し、偏光状態の変化により光ファイバ回転センサの倍率が変化する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の構成では、上記のフィルタ作用により倍率不安定期間が短くなり倍率反復性の低下期間が長くなる、の如き問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、倍率安定性が向上された光ファイバ回転センサシステムが提供される。本発明によれば光源と光ファイバ回転センサ内の干渉計との間の光の偏光状態の変化を低減する装置に関する。本発明はレーザダイオード励起光源および高いコヒレンシを有する励起光を広いスペクトル出力光に変換するドープされた利得光ファイバを含む光源を備える。波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）を用いて、励起光をレーザダイオードからドープされた光ファイバへ効果的に結合し、またドープされた光ファイバから光カプラへ広いバンドの光を効果的に結合する。
【０００６】
光カプラは光信号を入力しこの光信号を光ファイバに与える。光ファイバは、光カプラから一体化光学チップへと光信号を光路に沿って案内するように配置され、利得光ファイバからの光信号が光ファイバの検出コイルに入力されて内部で互いに反対方向に伝搬する光波を形成する。互いに反対方向に伝搬する光波は検出コイルを透過し、次に一体化光学チップ内で合成されてジャイロ出力信号を形成する。減偏光子（デポーラライザー）は光カプラと一体化光学チップとの間の光路内に配置され光信号を減偏光（デポーラライズ）し干渉計へ伝搬する際の偏光状態の変化を防止する。減偏光子が存在しない場合、ランダムな環境撹乱により、（光源から干渉計への）前進光あるいは（干渉計から光源への）後退光をフィルタ処理する偏光波長機構を経ての倍率安定性が低下される。
【０００７】
本発明の一実施態様によれば、減偏光子は光ファイバ内に配置されるリオ減偏光子で構成される。
【０００８】
【作用】
光ファイバ回転センサシステムにはリオ減偏光子と光カプラとの間に配置される光ファイバ内のアイソレータが含まれ、アイソレータは第１の光カプラから一体化光学チップへの光ファイバ内の光の伝搬を可能にし、また一体化光学チップから利得光ファイバへの光の伝搬を防止するように有効に作用する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の原理を具現化する光ファイバ回転センサシステムの略図を示す。励起光源１０からの出力励起光は光ファイバ１２を経て、光カプラ１４へ送られる。励起光源１０は好ましくはレーザダイオードであり、波長１４７５ｎｍないしは９８０ｎｍの光を発する。光カプラ１４は好ましくは波長分割多重（ＷＤＭ）カプラである。光カプラ１４として好適に使用されるカプラ装置については、シヤウ等による米国特許第４，５５６，２７９号に開示されている。
【００１０】
励起光は光カプラ１４から光ファイバ１６を経て利得光ファイバ１８へ送られる。光カプラ１４は好ましくは励起光の約９９％を光ファイバ１６に送るよう形成される。利得光ファイバ１８は好ましくはエルビウムをドープした光ファイバである。利得光ファイバ自体については米国特許第５，２３１，４６５号（フアング等による）および米国特許第５，１０８，１８３号（フリング等による）に開示される。
【００１１】
利得光ファイバ１８はエルビウムドーパントを励起する励起光を吸収するために約１５６０ｎｍの波長の光を発光する。発光した光のバンドは十分に広いので、光ファイバ回転センサの検出コイルに好適に入力される。１５６０ｎｍ波長の光は利得光ファイバ１８内で２方向に出光する。２方向矢印２０は利得光ファイバ１８を介し案内される１５６０ｎｍの光を示す。入射した励起光と反対方向に出光する光は図１の右側から波長分割多重カプラ１４に入射される。吸収されなかつた励起光および励起光と同じ方向に伝搬する１５６０ｎｍの光は光ファイバ２２を経て光学部品２３へ送られる。励起光源１０、光ファイバ１２、光カプラ１４、光ファイバ１６、利得光ファイバ１８、光ファイバ２２および光学部品２３全体は光ファイバ回転センサの光信号源を構成している。
【００１２】
本発明の１実施態様において、光学部品２３は入射した光を最小反射で光ファイバ２２に出力するように構成される。このような光学部品は角度研磨された毛管、つぶされた光ファイバの端部、あるいは波長１５６０ｎｍの光および吸収されなかったポンプ光が反射されて再び光ファイバ２２へ戻ることを防止する他の好適な手段である。本発明の他の実施態様によれば、反射器としての光学部品２３は波長１５６０ｎｍの入射光を反射し一旦増幅された光を再び利得光ファイバ１８へ送る。これにより波長分割多重カプラ１４に入力される波長１５６０ｎｍの光の強度が増加される。光学部品は通常ダイクロイックミラーを備え吸収されなかった励起光が再び反射されることを防止する反射器にできる。本発明の第１の実施態様では“単一パスでエルビウムドープされた光ファイバ源”に、一方本発明の第２の実施態様では“ダブルパスでエルビウムドープされた光ファイバ源”を提供する。
【００１３】
両方の実施例態様おいて、波長１５６０ｎｍの光信号は次に波長分割多重カプラ１４を経てそこで波長１５６０ｎｍの光の約９９％が光ファイバ２４へ送られる。光ファイバ回転センサには、利得光ファイバ１８と一体化光学チップ３７との間を伝搬する光信号を減偏光する手段が含まれる。利得光ファイバ１８と一体化光学チップ３７との間を伝搬する光信号を減偏光する手段として、光ファイバ２４に設けられるリオ減偏光子２５を使用できる。リオ減偏光子２５の好適な構造は当業者には周知である。リオ減偏光子２５は好ましくは図１に示されるように配置される。一方各実施態様においては、リオ減偏光子２５は位置３２あるいは３６に配置される。
【００１４】
光アイソレータ２７はリオ減偏光子２５の前、後のいずれかの光ファイバ２４内に配置される。アイソレータ２７は、光カプラ１４から光カプラ２６へ光ファイバ２４内の光の伝搬を可能にし、一方光カプラ２６から光カプラ１４へ光ファイバ２４内の反対方向への光の伝搬を阻止するように構成される。本発明の第３の実施態様では上述した単一パス、エルビウムドープされた光ファイバ源を有するアイソレータ２７を用いることにより実現される。本発明の第４の実施態様ではダブルパスでエルビウムドープされた光ファイバ源を有するアイソレータ２７を用いることにより実現される。
【００１５】
光ファイバ２４を伝搬する光は光カプラ２６に入力される。光カプラ２６は単一軸回転センサには不要であり省略できる。一方光カプラ２６は単一の光源を有する２軸あるいは３軸光ファイバ回転センサシステムを作動可能である。図１に示されるように、光カプラ２６は出力信号を複数の光ファイバ２８〜３０に与え、本発明は１軸装置、２軸装置あるいは３軸装置として具現化できる。説明を簡単にするため、単一軸光ファイバ回転センサ５３の構造が詳示される。
【００１６】
センサ５３は光ファイバ２８〜３０内の位置３２に配置されるリオ減偏光子を包有している。光ファイバ２８は光信号を多重光カプラ（ＭＵＸ）３４に案内し、ＭＵＸ３４は最簡潔な形態では当業者には周知の種類のエバネッセント場４−ポート光カプラにできる。ＭＵＸ３４の結合比は通常約５０％である。このようなカプラはシヤウ等による上述した米国特許に開示されている。
【００１７】
ＭＵＸ３４は光出力を光ファイバ３５に与える。光ファイバ回転センサには光ファイバ３５内にリオ減偏光子３６が包有されている。光ファイバ３５は光出力をリオ減偏光子３６から多機能の一体化光学チップ３７へ案内する。多機能の一体化光学チップ３７には交差してＹカプラ４２を形成する３個の導波管３８〜４０が含まれる。導波管３８〜４０およびＹカプラ４２を含む一体化光学チップ３７の好適な構造については、（パブラスによる）米国特許第５，０３７，２０５号および（チヤン等による）米国特許第５，０４６，８０８号に開示されている。導波管３８〜４０は光ファイバ３５から光を入力しそれをＹカプラ４２へ案内し、Ｙカプラ４２はその入力光を導波管３９、４０に分割する。
【００１８】
導波管３９、４０は光信号を光ファイバのピグテール４４、４６を介し光ファイバの検出コイル４８に与える。検出コイル４８は好ましくは（パブラスによる）米国特許第４，９９７，２８２号に開示されるように、単一モード光ファイバで作られる。このコイルもまた（コードバ等による）米国特許第５，２６０，７６８号に開示されるように偏光維持ファイバで作られる。
【００１９】
ピグテール４４を介し検出コイル４８に入力される光は、検出コイル４８内で時計方向の光波をなしている。同様にピグテール４６から検出コイル４８に入力される光は検出コイル４８内で反時計方向の光波をなしている。時計方向および反時計方向の光波は検出コイル４８内で干渉パターンを形成する。検出コイル４８を通過した後、時計方向および反時計方向の光波はＹカプラ４２で合成されて検出コイル４８の光出力信号となる。合成された光波は時計方向および反時計方向の光波間の位相シフト量を示す干渉パターンを形成する。位相シフト量は回転速度を示している。
【００２０】
導波管３８およびリオ減偏光子３６を通過した後、合成された光波は光ファイバ３５を経てＭＵＸ３４へ伝搬する。次にＭＵＸ３４は一体化光学チップ３７からの光出力信号の半分を光ファイバ５０に送る。次に光信号を光ファイバ５０を介し検出器５２へ送り、検出器５２自体は検出コイル４８の光出力信号を処理させて回転速度の決定に使用される電気信号に変換する。
【００２１】
従来の光ファイバジャイロスコープ、即ちリオ減偏光子２５を有していないジャイロスコープでは、倍率不安定性は共に偏光波長フィルタ作用を伴う２工程により引き起こされる。第１の前工程では、光カプラ１４から一体化光学チップ３７へ進む光の偏光状態は単一モード光ファイバ部材１６、２４、２６、２８、３４ないしは３５のいずれかの内の応力（ねじれ、曲げ、温度変化等）により変化される。この光の偏光状態の変化それに続く一体化光学チップ３７でのフィルタ作用による偏光により、平均波長誤差（あるいは倍率誤差）が生じる。これは、偏光状態の変化が温度または他の環境パラメータと共に変化し、環境的に敏感になるためである。リオ減偏光子２５を挿入することにより、光の偏光状態が安定化されこれにより倍率誤差が除去される。
【００２２】
第２の後工程は以下のようになる。一体化光学チップ３７から利得光ファイバ１８へ戻る光が利得光ファイバ１８で増幅され散乱される。次に散光の一部はＷＤＭカプラ１４に入射され、ここから検出コイル４８をすでに通過した光を再び検出コイル４８へ向けるフィードバック工程が開始される。フィードバック光は任意の偏光状態で干渉パターンへ戻される。偏光状態は検出コイル４８への光路内の単一モードファイバに加えられる（ねじれ、曲げ、温度変化等による）応力と共に変化する。この信号は再び入射一体化光学チップ３７内の位相変調器により作用される。倍率の不安定性はこのフィードバック光および主光信号によるデュアルジャイ効果から生じる。
【００２３】
本発明の原理は光カプラ２６の出力２９、３０にそれぞれ接続されるセンサ５４、５６を含んだ多軸光ファイバ回転センサシステムに適用できる。センサ５４、５６は光ファイバ２８と接続される装置５３と同じように形成される。多軸光ファイバ回転センサシステムの場合、リオ減偏光子３２、３６の１に相当する減偏光子（図示せず）が各軸のセンサ内に含まれる。
【００２４】
上述したように、単一軸ジャイロスコープ内にリオ減偏光子２５を設けると減偏光子は２目的を行う。即ち第１の目的は（光源から干渉計への）前進光の偏光を安定化すること、および第２の目的は（干渉計から光源への）後退光の偏光をまた安定化することにある。リオ減偏光子２５のため、偏光はジャイロスコープの単一モードファイバ部に作用する環境撹乱に対しそれほど敏感ではない。
【００２５】
更に２軸あるいは３軸システムの場合、リオ減偏光子２５は（上述した散乱工程を経て）（単一あるいは複数の）他のコイルへフィードバックされる光源へ戻る１検出コイルの出力の偏光を安定化する。
【００２６】
図２は本発明による単一軸光ファイバ回転センサシステムを示す。図１および図２は、図２は光カプラ２６、ファイバ２９、３０およびセンサ５４、５６が省略されている点を除き実質的に同一である。また図２はアイソレータ２７とリオ減偏光子２５の位置が反対であるという点で、図１と異なる。アイソレータ２７およびリオ減偏光子２５を逆にすることは単一軸光ファイバ回転センサには必要ではない。図１および図２でのリオ減偏光子２５とアイソレータ２７の交互する二位置はこれら２装置の位置を交換可能である事を示すために図示されている。
【００２７】
単一軸光ファイバ回転センサの場合、光カプラ２６とＭＵＸ３４との間のリオ減偏光子３２およびＭＵＸ３４と一体化光学チップ３７との間のリオ減偏光子３６はリオ減偏光子２５の代わりに使用できる。２軸あるいは３軸システムには好ましくはリオ減偏光子２５が包有される。
【００２８】
アイソレータ２７を含む実施態様では、減偏光子は前進光の偏光を安定化するのに必要である。この場合後退光はアイソレータ２７により抑制されるので、この光の偏光を安定化する必要はない。
【００２９】
【発明の効果】
上述のように、本発明の干渉式光ファイバ回転センサに対する倍率安定化構成においては倍率不安定期間を短くして倍率反復性の低下を有効に防ぎ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明により形成される光ファイバ回転センサシステムの多軸型実施態様の簡略図である。
【図２】 図２は本発明により形成された光ファイバ回転センサシステムの単一軸型実施態様の簡略図である。
【符号の説明】
１０ 励起光源
１２ 光ファイバ
１４ 波長分割多重カプラ
１６ 光ファイバ
１８ 利得光ファイバ
２２ 光ファイバ
２３ 反射器
２４ 光ファイバ
２５ リオ減偏光子
２６ 光カプラ
２７ アイソレータ
２８〜３０ 光ファイバ
３２ リオ減偏光子
３４ 多重光カプラ（ＭＵＸ）
３５ 光ファイバ
３６ リオ減偏光子
３７ 一体化光学チップ
３８〜４０ 導波管
４２ Ｙカプラ
４４、４６ ピグテール
５０ 光ファイバ
５２ 検出器
５４、５６ センサ

Claims (7)

1. 利得光ファイバ（１８）と、前記利得光ファイバ（１８）から光信号を入力する第１光カプラ（１４）と、光ファイバの検出コイル（４８）およびその検出コイル（４８）に接続された一体化光学チップ（３７）を含む回転センサ（５３）と、前記第１光カプラ（１４）からの光信号を前記回転センサ（５３）内の前記一体化光学チップ（３７）へ光路に沿って案内する光ファイバ（２４，２８，３５）とを備え、
   前記利得光ファイバ（１８）は前記一体化光学チップ（３７）に光信号を与えるように光励起され、前記利得光ファイバ（１８）からの光信号が前記検出コイル（４８）へ入力されて前記検出コイル（４８）内に互いに逆方向に伝搬する光波を形成し、前記互いに逆方向に伝搬する光波が前記検出コイル（４８）を通過して前記一体化光学チップ（３７）内で合成されてジャイロ出力信号を発生させるように構成された光ファイバ回転センサシステムにおいて、
   前記利得光ファイバ（１８）と前記一体化光学チップ（３７）との間を伝搬する光信号を減偏光してこの偏光状態のランダムな変化を防止するリオ減偏光子（２５）と、
   前記第１光カプラ（１４）からの光信号を前記一体化光学チップ（３７）へ案内する前記光ファイバ（２４，２８，３５）の前記第１光カプラ（１４）と前記回転センサ（５３）間に配置され、前記利得光ファイバ（１８）から前記一体化光学チップ（３７）への光伝搬は許すが前記一体化光学チップ（３７）から前記利得光ファイバ（１８）への光伝搬を防止するように形成されたアイソレータ（２７）と
   を更に備えることを特徴とする光ファイバ回転センサシステム。
2. 前記アイソレータ（２７）は前記リオ減偏光子（２５）と前記第１光カプラ（１４）との間に位置することを特徴とする請求項１の光ファイバ回転センサシステム。
3. 前記リオ減偏光子（２５）は前記アイソレータ（２７）と前記第１光カプラ（１４）との間に位置することを特徴とする請求項１の光ファイバ回転センサシステム。
4. 前記第１光カプラ（１４）からの光信号を前記一体化光学チップ（３７）へ案内する前記光ファイバ（２４，２８，３５）内に接続され光信号が入力される第２光カプラ（２６）と、前記第２光カプラ（２６）からの光信号が入力される複数の前記回転センサ（５３，５４，５６）を有し、前記複数の回転センサ（５３，５４，５６）のそれぞれが、前記第２光カプラ（２６）に接続される光ファイバ（２８，２９，３０）と、その光ファイバから光信号を入力する第３光カプラ（３４）と、前記第３光カプラ（３４）から前記一体化光学チップ（３７）へ光信号を案内する光ファイバ（３５）とを備えることを特徴とする請求項１の光ファイバ回転センサシステム。
5. 前記リオ減偏光子（２５）が前記第２光カプラ（２６）と前記一体化光学チップ（３７）との間に配置されることを特徴とする請求項４の光ファイバ回転センサシステム。
6. 前記リオ減偏光子（２５）が前記第２光カプラ（２６）と前記第３光カプラ（３４）との間に配置されることを特徴とする請求項５の光ファイバ回転センサシステム。
7. 前記第３光カプラ（３４）が多重光カプラ（ＭＵＸ）であることを特徴とする請求項６の光ファイバ回転センサシステム。

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