JPH09500734A - ファラデー効果ドリフトの少ない減偏光された光ファイバ回転センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 偏光維持光ファイバ内に形成された光ファイバ感知コイルは、そこから延びる２つの光ファイバリードを有する。多機能集積光学チップは感知コイルに入力される光学信号を線形に偏光する。偏光維持光ファイバから形成される光ファイバリードは、多機能集積光学チップから延びる。光ファイバ多機能集積光学チップリードは多機能集積光学チップから出力される光学信号の線形偏光が光ファイバ多機能集積光学チップリードの各々の複屈折の主軸の１つに沿って方向づけられるように配列される。スプライスが、対応する第１の感知コイルリードと多機能集積光学チップリードとの間に形成される。感知コイルリードと多機能集積光学チップリードとはそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度となるように配列される。第１のスプライスは多機能集積光学チップからある距離だけおいて形成され、これにより第１の多機能集積光学チップリードにおいてその距離Ｌ₁ を伝播する光波に偏光成分間の選択された位相変化が生じる。

Description

【発明の詳細な説明】 ファラデー効果ドリフトの少ない減偏光された光ファイバ回転センサ 発明の背景 この発明は一般にサニャック効果回転センサに関し、特に光ファイバ感知コイ ル内において対向して伝播する波の間の回転により誘起される位相差を感知する 回転センサに関する。さらに特定的には、この発明は光ファイバ回転センサ内に おいてファラデー効果により引き起こされるバイアス誤差を低減するための装置 および方法に関する。 光ファイバ回転センサは、光ファイバのコイル内においてサニャック効果を用 いて、そのコイルの面に垂直な感知軸の周りでの回転を検出する。感知コイル内 で対向して伝播する光の波には、回転率に関連する位相シフトがもたらされる。 この位相シフトはこれらの波が結合されたときに作りだす干渉パターンにおける 変化として見てとられる。干渉パターンは同じ偏光の２つの波が光ファイバ感知 コイルを対向して横切り、その後干渉する場合に生成される。干渉パターンはそ れを光検出器に向けることによりモニタしてもよい。この光検出器は干渉フリン ジパターンにおける光の強度を示す電気信号を生成するものである。 その中を伝播してくる光信号の偏光を保存する低複屈折光ファイバと減偏光子 とを用いることで低複屈折光ファイバからなる光ファイバ回転センサに特徴的な 信号のフェー ジングが回避されるということが発見されている。減偏光子が高複屈折光ファイ バからなる光ファイバ回転センサ内に含まれる場合、偏光された光は複屈折の主 軸と合致する２つの直交する状態の間で分割される。これにより、光の半分は確 実に検出器に到達する。完璧な減偏光子を備えたシステムでは、偏光の度合いが ０％に近い。 光ファイバに磁界が与えられた結果として、光ファイバ回転センサ内には非相 反位相シフトが起こる。磁界はファラデー効果を通じて光ファイバにより導かれ た光と相互に作用し、それにより光波偏光面が回転される。地球の磁界と光ファ イバ回転センサ内の光波との間の相互作用により１０度／時間のバイアスの不確 定が引き起こされると報告されている。このバイアスの不確定性により光ファイ バ回転センサで行なわれる回転の測定に誤差が生じる。 ファラデー効果による回転角は、磁界強度、ファイバ長、およびガラス光ファ イバのベルデ定数の積により求められる。もし完璧な非複屈折光ファイバが光フ ァイバ回転センサの感知コイル内など閉じた径路内で巻かれたならば、磁界の線 積分はアンペアの法則に従い０である。なぜなら、この径路により囲い込まれる 電流がないからである。したがって、そのようなファイバについては、ファラデ ー効果による正味の回転角は０である。 磁界の線積分が０なのは、内部的または外部的に誘起された複屈折のない完璧 なファイバについてのみである。現 実の光ファイバは典型的には１つまたはそれ以上のタイプの複屈折を有する。光 ファイバ感知コイルにおけるファイバのねじれは複屈折の原因の１つである。フ ァイバのねじれは光ファイバにおいて、製造中またはコイルを巻く工程の結果と して起こり得る。光ファイバ回転センサコイルにおけるファイバのねじれは、回 避不可能な位相を遅滞させるものとして作用し、これは外部の磁界とともにファ ラデー効果に起因するバイアスドリフトを引き起こす。光ファイバ回転センサコ イルでは、磁界および位相を遅滞させるものが存在する結果、対向して伝播する 波の間で正味のバイアスシフトが生じる。 多くの光ファイバ回転センサの応用は、軽量かつ低コストな慣性測定ユニット を必要とする。この目的を達成するための多くのアプローチの１つは、磁界に対 する光ファイバ回転センサの感度を低減するのに必要とされる磁界シールドの量 を最小限にしようと図ることである。 光ファイバ回転センサに対する磁界の効果を説明するためにいくつかのモデル が発達してきた。初期のモデルは、ファイバのねじれ、ファイバの複屈折、ファ イバを通って伝播する光ビームの偏光状態、および磁界を光ファイバサニャック 干渉計において見られる非相反の作用と結びつける定性な説明を提供するもので あった。これらのモデルは、磁界がファイバ内を移行する光ビームと相互に作用 するためには、光ビームの伝播方向と磁界の方向とが平行な成分 を有していなければならないとしている。光ファイバ回転センサコイルと相互に 作用するのは横方向の磁界のみであると推論されていた。 しかしながら、光ファイバ回転センサは横方向の磁界および軸方向の磁界の双 方に感度を持つということが発見されている。横方向の磁界はファイバコイルの 面にあり、軸方向の磁界はファイバコイルの面に垂直であることを理解すべきで ある。磁界がコイル回転入力軸に平行であるとき、ファイバの軸に沿ったその成 分は、ファイバの巻きのコイル軸への突出が非常に少ないため、非常に小さい。 したがって、この磁界がもたらすのは、ファラデー効果による小さいまたは無視 できるバイアスドリフトであるはずである。それでも、多くの光ファイバ回転セ ンサコイルでは、それらの持つ横方向の感度と同じくらいまたはそれを上回る軸 方向の磁界感度が見られることが、実験により発見されている。 磁界に対するファイバジャイロ感度の補償は、これまでは単純なファイバのね じれを用いることにより提案されてきた。このアプローチでは限定された補償し かもたらされない。なぜなら、横方向の磁界と軸方向の磁界との双方を補償する のに必要なすべての変数を考慮に入れているわけではないからである。 ファラデー効果により引き起こされるバイアス誤差を低減するための別の先行 技術は、感知コイルを透磁性の高い 金属からなるハウジング内に入れることである。このハウジングは、光ファイバ をハウジングの外部の磁界から遮蔽する。金属シールドは、光ファイバ回転セン サのコストも重量も増大させてしまうという点で不利である。したがって、当該 技術分野では、回転センサシステムの重量を認め得るほどに増加させてしまうこ となく光ファイバ回転センサにおいてファラデー効果により引き起こされるバイ アス誤差を低減するための低コストの技術が必要とされている。 発明の概要 本発明は、高複屈折ファイバからなる感知コイルを有する光ファイバ回転セン サにおいて軸方向の磁界および横方向の磁界の双方に対する感度を抑制する単純 かつ低コストのアプローチに向けられている。 感知コイル内で１対の対向して伝播する波における位相差を検出することによ り、ある長さの光ファイバにおいて感知コイルの軸についての（軸方向の）回転 を感知する、本発明に従った光ファイバ回転センサは、感知コイルから延びる偏 光維持光ファイバの第１および第２のコイルリードを含む。第１および第２の感 知コイルリードの各々は、互いに垂直な複屈折の主軸を２つ有する。光源が、感 知コイル内で時計回りおよび反時計回りに伝播する光学ビームを形成する光の波 を生成する。 光源からの光は、多機能集積光学チップ（ＭＩＯＣ）に導入される。ＭＩＯＣ は、偏光子と、ビームスプリッタと、 位相変調器とを含む。ＭＩＯＣに入る光はまず偏光される。偏光された光は次に ビームスプリッタによって、強度の等しい２つの光ビームに分割される。これら の光ビームは次に位相変調器により変調される。これらの光のビームは次に２本 の光ファイバリード内に結合され、これらのリードはＭＩＯＣへピグテール状に される。ＭＩＯＣから出ていく第１および第２の光ファイバリードは、偏光維持 光ファイバからなる。光ファイバリードは各々、２本の互いに垂直な複屈折の主 軸を有する。第１および第２の出ていく光ファイバリードは、複屈折の軸が偏光 子により規定される偏光状態に垂直にも平行にも配向されるようにＭＩＯＣへピ グテール状にされる。偏光された光は、それが適切な複屈折の軸に対し平行に方 向づけられるように、ファイバリードを介してＭＩＯＣを出る。 第１のセンサコイルリードとＭＩＯＣを出ていく第１のファイバリードとの間 に第１のスプライスが形成される。第１の感知コイルリードとＭＩＯＣから出て いく第１のリードとは、それらにおける複屈折の対応する主軸が互いに関して４ ５°に近い角度となり、それにより感知コイル内の時計回りの波が減偏光される ように配置される。第１の出ていくリードは、ＭＩＯＣ出口ポートと第１のスプ ライスとの間で長さＬｏを有する。第２のスプライスが、第２の感知コイルリー ドと第２のＭＩＯＣを出ていくリードとの間で、ＭＩＯＣから距離Ｌ２をおいて 形成され、第２の ＭＩＯＣを出ていくリードはそれらの対応する複屈折の主軸が互いに４５°の角 度となり、それにより感知コイルにおける反時計回りの波が減偏光されるように 配置される。第１および第２のスプライスを４５°に配置することにより、横方 向の磁界に対する光ファイバコイルの感度が低減されることが実験によりわかっ ている。さらに、距離ＬｏおよびＬ２は、感知コイルにおける横方向および軸方 向の磁界感度の双方が低減できるように調節することができるということが分析 によりわかっている。また、２つの４５°のスプライスを用いることにより磁界 に対する感度を低減するための技術は、ねじれ補償技術との関連で使用され得る ということもわかっている。これらの２つの補償技術は、横方向および軸方向の 感度を双方とも低減するためにともに用いることができる。最後に、スプライス 位置Ｌ₁ およびＬ₂ は、横方向磁界感度が低減され得る一方で、軸方向磁界感度 が増幅されるように調節できるということもわかっている。これにより、１つの 方向に沿って磁界を測定するための手段が提供される。 感知コイル内で対向して伝播する１対の波における位相差を検出することによ りある長さの光ファイバ内に形成される感知コイルの軸についての回転を感知す る、本発明に従った光ファイバ回転センサは、感知コイルから延びる偏光維持光 ファイバの第１および第２の感知コイルリードを含む。第１および第２の感知コ イルリードの各々は、相互 に垂直な複屈折の主軸を２つ有する。光学信号ソースは、感知コイル内で時計回 りおよび反時計回りに伝播する光波を形成する光学信号を生成する。 偏光子は、光学信号ソースからの光学信号を線形に偏光する。第１および第２ の光ファイバ多機能集積光学チップリードが、多機能集積光学チップから延びる 。第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードは、偏光維持光ファ イバからなる。第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードは各々 、２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有する。 第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードは、多機能集積光学 チップから出力される光学信号の線形偏光が第１および第２の光ファイバ多機能 集積光学チップリードの各々における複屈折の主軸の一方に沿って方向づけられ るように、多機能集積光学チップに関して配列される。 第１のスプライスが、第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップ リードとの間に形成される。第１の感知コイルリードおよび第１の多機能集積光 学チップリードは、それらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５° の角度となり、それにより感知コイル内の反時計回りの波が減偏光されるように 配置される。第１の多機能集積光学チップリードは、多機能集積光学チップと第 １のスプライスとの間で長さＬ₁ を有しており、それにより偏 光成分間での第１の選択された位相変化が、第１の多機能集積光学チップリード における距離Ｌ₁ を伝播する光波において生じる。第２のスプライスは、第２の 感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとの間で多機能集積光学 チップから距離Ｌ₂ をおいて形成され、第２の感知コイルリードと第２の多機能 集積光学チップリードとは、それらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよ そ４５°の角度になり、それにより感知コイルにおける反時計回りの波が減偏光 されるように配置される。 本発明はまた、ファラデー効果を通じて、対向して伝播する光学信号が感知ル ープを横切るにつれ、感知コイル上の外部からの磁界がそれらの信号間で位相差 を引き起こすように、感知コイル内に対向して伝播する光学信号を導入するため の装置を含む、光ファイバコイル上の磁界の強度を示す信号を生成するための装 置を提供する。磁界センサは、感知コイルに対して横方向の磁界に対する対向し て伝播する光学信号の位相の感度を低減するための装置と、対向して伝播する光 学信号の組合せにより生じる干渉パターンをモニタして感知コイルの軸に沿って 方向づけられた外部からの磁界の強度を示す信号を生成するための装置とを含む 。 本発明の目的に対する認識、ならびにその構造および動作の方法についてのよ り完全な理解は、以下に述べる好ましい実施例の説明を検討し、添付の図面を参 照することに より得られるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、多機能集積光学チップ上に形成され、光ファイバ感知コイルから延び る１対の光ファイバリードにスプライスされた光ファイバリードを有する、多機 能集積光学チップを含む、本発明に従う減偏光された光ファイバ回転センサの図 である。 図２は、センサコイルにおける横方向の磁界への感度を示すグラフデータの図 である。 図３は、磁界により誘起されるバイアスと、感知コイルを多機能集積光学チッ プに接続する光ファイバ間のスプライスの１つの位置との分析的な関係をグラフ で示す図である。 図４は、複屈折の主軸を示す偏光維持光ファイバの断面図である。 図５は、図４の偏光維持光ファイバの側部立面図である。 好ましい実施例の説明 図１を参照して、磁界感度を補償するための装置を含む、光ファイバ回転セン サ１０が概略的に示されている。光ファイバ回転センサ１０は、光ファイバ１４ からなる感知コイル１２を含む。感知コイル１２を形成する光ファイバは、好ま しくは１対のよく規定された複屈折の主軸を有する高複屈折ファイバである。光 ファイバ回転センサ１０の基本的な特徴は、本発明の原理を説明する目的でのみ 述べられ る。光ファイバ回転センサの基本的な特徴は、本発明の一部をなすものではない 。 図４および５は、感知コイル１２を形成するのに用いられてもよい高複屈折偏 光維持光ファイバ１４の典型的な構造を示す。図４および５を参照して、偏光維 持光ファイバ１４は、コア１６およびクラッディング１８を有する。コア１６は 屈折率ｎ₁ を有するガラス材料からなる。コア１６は一般に円形の断面を有する 。クラッディング１８は屈折率ｎ₂ を有する。偏光維持光ファイバ１４の屈折率 は、コア１６とクラッディング１８との間のインタフェースにおける内部反射に よってコア１６内に光が導かれるように選択される。偏光維持光ファイバ１４は 、１対の長手ロッド状部材１９および２０を含む。ロッド状部材１９および２０ は複屈折の主軸２１および２２を規定し、クラッディング１８と協動してコア１ ６内に複屈折を生じさせ、これによりコア１６に入力される光学信号の偏光の状 態が保存される一方で、この光学信号は偏光維持光ファイバ１４内に伝播される 。 偏光維持ファイバは、偏光に依存する屈折率を有する。光ファイバ内の光の速 度はｖ＝ｃ／ｎであり、ここでｎは屈折率である。屈折率は偏光に依存するので 、屈折率のより大きい偏光は、屈折率のより小さい偏光よりもファイバ内での伝 播速度が低くなるだろう。存在し得る２つの偏光について異なった屈折率を有す る光ファイバは、複屈折し ていると言われる。２つの偏光はしたがって時に「高速」波および「低速」波と 呼ばれる。偏光の方向が複屈折の主軸の１つと平行になって、ファイバに入力さ れる線形に偏光された光の波における偏光は、その波がファイバの長さに沿って 伝播する際に保存される、または維持される。ファイバ内の光の波はしたがって 高速波または低速波のいずれかとなる。複屈折の主軸の双方に沿った偏光成分を 有する光学信号は、ファイバ内の高速波に結合された第１の部分と、低速波に結 合された第２の部分とを有する。 感知コイル１２は光ファイバ回転センサを形成するにあたり慣例であるように 複数個の巻を含むということを理解されたい。１対の光ファイバリード２４およ び２６が感知コイル１２から延びる。 光学信号ソース２８は、光ファイバ３０に光学信号を与える。この光ファイバ ３０は入力された光学信号を光ファイバ結合器３８に導く。光ファイバ結合器３ ８は、光学信号ソース２８からの信号の一部を光ファイバ３６に結合し、信号の 残りの部分は光ファイバ３０内に残ることを許容する。光ファイバ３０内に残る 光学信号ソース２８からの光ファイバ結合器３６に入射する光学信号の一部は、 結合器２８を通過して多機能集積光学チップ（ＭＩＯＣ）４４に至る。 ＭＩＯＣ４４は、完全な特徴を有する光ファイバ回転センサを形成するためそ の上にさまざまな構成要素（図示せ ず）を形成されている。ＭＩＯＣが、Ｙ結合器５０と位相変調器５２とで接合さ れる３つの光導波路４６〜４８を含むのであれば、本発明の原理は説明されるで あろう。 ３つの光導波路４６〜４８は、Ｙ結合器５０を形成するために交差する。光フ ァイバ３０からの信号はＭＩＯＣ４４のエッジにおいて光導波路４６内に結合さ れる。位相変調器５２が、光導波路４６に隣接してＭＩＯＣ４４上に形成される 。位相変調器５２を通過して伝播した後、信号は次にＹ結合器５０に入射され、 このＹ結合器５０は光導波路４７および４８の間で光学信号を分割する。 光ファイバリード５４および５６は光導波路４７および４８に接続される。ソ ースからの光学信号はこれらのリード５４および５６に入力され、これらは光フ ァイバリード２４および２６に、それぞれスプライス５８および５６においてス プライスされる。光ファイバリード２４および２６に入力される光学信号は、光 ファイバ回転センサ１０において必要とされる対向して伝播する波を形成する。 対向して伝播する波は光ファイバ感知コイル１２を横切り、次に光ファイバリ ード２４、２６、５４および５６ならびに光導波路４７および４８を介してＹ結 合器５０に戻るように伝播する。対向して伝播する波はＹ結合器５０内で合わさ り、よく知られている光学原理に従い干渉する。組合せられた波は次に光導波路 ４６および光ファイバ３４を介して伝播し、光学結合器３８に至る。光ファイバ 結合 器３８は組合せられた波の一部を光ファイバ４２に結合し、この光ファイバ４２ は組合せられた波を光検出器６２に導く。光検出器６２は電気信号を生成し、こ れは信号処理回路６４によって処理されて、図１のページにおける面に垂直な軸 についての光ファイバ感知コイル１２の回転率を決定する。 光ファイバリード２４、２６、５４、５６はすべて、各リードが１対のよく規 定された複屈折の主軸を有するように、高複屈折光ファイバから形成されるべき である。そのようなファイバはまた、それに入力される光学信号の偏光を維持す るという特性をも有している。 多機能集積光学チップ５２からスプライス５８までの、リード５４に沿った距 離は選択された長さＬ₁ である。多機能集積光学チップ５２からスプライス６０ への、リード５６に沿った距離は、選択された長さＬ₂ である。スプライス５８ は、リード２４および５４がそれらの複屈折の主軸を互いに４５°の角度に配向 されるように形成されるべきである。同様に、光ファイバリード２６および５６ の複屈折の軸は互いに関して４５°に配向される。この光ファイバリードの対２ ４、５４および２６、５６における複屈折の主軸の４５°配向ならびに多機能集 積光学チップ５２は組合せられて光ファイバ感知コイル１２内に偏光された光を 生成する。たとえば、多機能集積光学チップ５２により、光ファイバリードに入 力された信号がすべて高速モー ドにある固定された線形偏光Ｐ₁ を有すると推定されたい。偏光Ｐ₁ がスプライ ス５８に到達すると、偏光交差結合により、光ファイバリード２４はコイル１２ に対して等しい強度の高速モードおよび低速モードを導くこととなる。したがっ て、時計回りの波は減偏光される。反時計回りの波はスプライス６０において同 じ態様で減偏光される。 光ファイバ感知コイル１２を形成するのに用いられる光ファイバには、光ファ イバ感知コイル１２内に導かれる光学信号に位相シフトを引き起こすねじれがあ る。このねじれは光ファイバが４極コイルを形成するように巻かれている態様、 および典型的にはロッド２０および２２によりもたらされる周期的なねじれを伴 って形成されている光ファイバの構造から生じるものである。このねじれには図 ３に示されるような周期性があることがわかっている。ねじれは、回転率が０で あっても、対向して伝播する波の間で位相差を引き起こす。対向して伝播する波 においては横方向の磁界と軸方向の磁界との双方ともが位相シフトを引き起こす ことがわかっている。これらの位相シフトにより、センサの出力に誤差が生じる 。 図２は、既に述べた４５°の角度のスプライスを含まない典型的な光ファイバ 回転センサの横方向磁界感度を測定したデータをグラフで示すものである。その 変動は本質的にＳ字状である。 本発明の基本的な前提は、光ファイバリオ減偏光子が多 機能集積光学チップ１８を感知コイル１２に接続するリード２６、１８、２０お よび２２で統合的に製造され得るということである。光ファイバ減偏光子はそれ ぞれ複屈折の主軸を互いに４５°に配向されている、ともにスプライスされた偏 光維持ファイバの２つのセクションからなる。この整列が行なわれる精度は減偏 光子の品質を決定し、究極的には低複屈折ファイバで製造されるジャイロの性能 を決定するものである。 長さＬ₁ およびＬ₂ は、横方向磁界感度が抑制されるように選択される。スプ ライスにおけるファイバの複屈折の主軸の４５°の角度の配向により、ファイバ ５４における高速波の一部はファイバ２４における低速モードに結合され、ファ イバ５４における低速波の一部はファイバ２４における高速波に結合される。多 機能集積光学チップからのファイバ５４および５６における長さは、光学信号が 光ファイバ感知コイル１２内の光ファイバのねじれにより引き起こされる位相差 と等しくかつ逆である位相変化を距離Ｌ₁ において有するように選択される。 半径Ｒ＝１．７７ｃｍおよび２０層に形成された１８００回のファイバの巻を 有する光ファイバコイルについては、磁性感度における少なくとも２桁の抑制が 確実に達成可能となることが発見されている。４５°の角度のスプライスは横方 向の磁界に対する感度を低減することに注意されたい。スプライス５８および６ ０は軸方向の磁界についての 感度を増大させる。 ４５°の角度のスプライスが横方向の磁界に対してのみの感度を低減するため に用いられるのであれば、本発明の装置は与えられた軸方向の磁界の大きさを測 定するのに用いられてもよい。図５は、スプライス５８の位置の関数としての軸 方向および横方向の磁界に対する光ファイバ回転センサ１０の感度を示す。図３ の分析的な結果は、０．０１４ｍの半径を有するスプール上に巻かれた２００巻 のコイルについてのものである。６０の、多機能集積光学チップ５２からの距離 はＬ₂ ＝０．４ｍである。距離Ｌ₁ は、図３の水平方向の軸上に示される変数で ある。スプライス５８および６０は双方ともファイバの複屈折の主軸を４５°の 角度にして形成される。横方向の磁界に対する感度は小さく、一方軸方向の磁界 に対する感度は比較的大きいということが見てとれる。この実験の組から到達さ れる結論は、４５°のスプライスを利用して横方向感度を低減することが可能だ ということである。しかしながら、軸方向感度は増大する。 上述の４５°の角度でリードをともにスプライスした光ファイバ回転センサの テストにより、横方向磁界感度に対する著しい抑制が見られた。４５°の角度の スプライスなしでは１．７８９度／時間／ガウスだった感度は、リードが光ファ イバリードの複屈折の主軸を互いに４５°の角度にしてともにスプライスされた 場合には０．０６５deg/hr /gaussにまで低減された。 ここに開示される構造および方法は本発明の原理を説明するものである。この 発明はその精神または本質的な特性から逸脱することなく他の特定的な形態で実 施されてもよい。記載されている実施例はあらゆる観点から、限定的ではなく例 示的かつ説明的なものとして考えられるべきである。したがって、この発明の範 囲を規定するのは以上の説明ではなくこれ以降に述べる請求の範囲である。請求 の範囲およびその意味するところに包含される、ここに記載された実施例に対す るすべての変形は、この発明の範囲に含まれるものである。 光ファイバ回転センサ １０ 感知コイル １２ 光ファイバ １４ コア １６ クラッディング １８ 光ファイバリード １４および１６ 多機能集積光学チップ １８ ロッド状部材 ２０および２２ 光ファイバリード ２０および２２ 光ファイバリード ２４および２６ 光学信号ソース ２８ 光ファイバ ３０ 光ファイバ結合器 ３２ 光ファイバ ３４ ミラー ３６ 光学信号ソース ３８ ミラー ４０ 光ファイバ ４２ 多機能集積光学チップ（ＭＩＯＣ） ４４ 光導波路 ４６〜４８ Ｙ結合器 ５０ 多機能集積光学チップ ５２ 光ファイバリード ５４および５６ スプライス ５８および６０ 光検出器 ６２ 信号処理回路 ６４ スプール ６６ 軸方向磁界補償器 ７０ ループ ７２ ループ７２の一部 ７４ センサコイル１２上のファイバのループ ７６

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パターソン，ラルフ・エイ アメリカ合衆国、91306 カリフォルニア 州、キャノーガ・パーク、ラル・ストリー ト、9838 (72)発明者 フアン，シドニー・シー−イー アメリカ合衆国、91307 カリフォルニア 州、ウエスト・ヒルズ、ジュリー・レー ン、6655

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．感知コイルにおける１対の対向して伝播する波における位相差を検出するこ とにより、ある長さの光ファイバに形成される感知コイルの軸についての回転を 感知する、光ファイバ回転センサの磁界感度を低減するための装置であって、感 知コイルは外部からの磁界に対する感度を有するように形成され、それによりフ ァラデー効果が感知コイル内の対向して伝播する波に位相差を引き起こし、前記 装置は、 光学信号ソースと、 第１の光導波路がその上に形成された多機能集積光学チップとを備え、第１の 光導波路は光学信号ソースから光学信号を受取るよう配列され、多機能集積光学 チップは第１、第２および第３の光導波路が交差してＹ結合器を形成するように その上に第２および第３の光導波路が形成されており、多機能集積光学チップは さらに、第１の光導波路における波の位相を変調するためにその中に形成された 位相変調器を含み、前記装置はさらに 偏光維持光ファイバから形成され第２および第３の光導波路の端から延びるよ うに配列された第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードを備え 、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードの各々は２つの互い に垂直な複屈折の主軸を有し、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チッ プリードはそれぞれ第２お よび第３の光導波路に関して配列され、それにより第２および第３の光導波路か ら出力される光学信号の線形偏光は第１および第２の多機能集積光学チップリー ドの各々における複屈折の主軸の１つに沿って方向づけられ、さらに 感知コイルから延びる偏光維持光ファイバの第１および第２の感知コイルリー ドを備え、第１および第２の感知コイルリードの各々は２つの互いに垂直な複屈 折の主軸を有し、さらに 第１の感知コイルと第１の多機能集積光学チップリードとの間に形成される第 １のスプライスを備え、第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップ リードとはそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度と なるように配列され、それにより感知コイルにおける反時計回りの波は減偏光さ れ、第１の多機能集積光学チップリードは多機能集積光学チップと第１のスプラ イスとの間に長さＬ₁ を有し、それにより偏光成分間の第１の選択された位相変 化が第１の多機能集積光学チップリードにおける距離Ｌ₁ を伝播する光波に生じ 、さらに 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとの間で多機能 集積光学チップから距離Ｌ₂ をおいて形成される第２のスプライスを備え、第２ の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとはそれらの対応する 複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度となるように配列され、それに より感知コイルにおける反 時計回りの波は減偏光される、光ファイバ回転センサの磁界感度を低減するため の装置。 ２．感知コイル内の１対の対向して伝播する波における位相差を検出することに よりある長さの光ファイバ内に形成される感知コイルの軸についての回転を感知 する光ファイバ回転センサの磁界感度を低減するための装置であって、感知コイ ルは外部からの磁界に感度を有するように形成され、それによりファラデー効果 が感知コイル内の対向して伝播する波に位相差を引き起こし、前記装置は 感知コイルから延びる偏光維持光ファイバの第１および第２の感知コイルリー ドを備え、偏光維持光ファイバの第１および第２の感知コイルリードの各々は、 ２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有し、さらに 感知コイルにおいて時計回りおよび反時計回りに伝播する光波を形成する光学 信号を生成するための光学信号ソースと、 光学信号ソースと感知コイルとの間に接続される多機能集積光学チップとを備 え、多機能集積光学チップはその上に第１の光導波路が形成されており、第１の 光導波路は光学信号ソースから光学信号を受取るよう配列されており、多機能集 積光学チップは第１、第２および第３の光導波路が交差してＹ結合器を形成する ようにその上に第２および第３の光導波路が形成されており、多機能集積光学チ ップはさらに、第１の光導波路における波の位相を変調させる ためにその中に形成される位相変調器を含み、前記装置はさらに 多機能集積光学チップから延びる第１および第２の光ファイバ多機能集積光学 チップリードを備え、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリード は偏光維持光ファイバから形成され、第１および第２の光ファイバ多機能集積光 学チップリードの各々は２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有し、第１および第 ２の光ファイバ多機能集積光学チップリードは、多機能集積光学チップから出力 された光学信号の線形偏光が第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップ リードの各々における複屈折の主軸の１つに沿って方向づけられるように多機能 集積光学チップに関して配列され、さらに 第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリードとの間に形成さ れる第１のスプライスを備え、第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学 チップリードとはそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の 角度となるように配列され、それにより感知コイル内の反時計回りの波が減偏光 され、第１の多機能集積光学チップリードは多機能集積光学チップと第１のスプ ライスとの間に長さＬ₁ を有しており、それにより偏光成分間の第１の選択され た位相変化が第１の多機能集積光学チップリードにおいて距離Ｌ₁ を伝播する光 波に生じ、この位相変化は感知コイル内の対向して伝播する波に対しファラ デー効果により引き起こされる位相変化とは逆のものであり、さらに 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとの間に形成さ れる第２のスプライスを備え、第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学 チップリードとはそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の 角度となるように配列され、それにより感知コイル内の反時計回りの波が減偏光 される、光ファイバ回転センサの磁界感度を低減するための装置。 ３．磁界の強度を示す信号を生成するための装置であって、 感知軸を有する光ファイバの感知コイルと、 対向して伝播する光学信号がファラデー効果を通じて感知ループを横切るにつ れ、感知コイルへの外部からの磁界が対向して伝播する光学信号間に位相差を引 き起こすように、感知コイルにおいて対向して伝播する光学信号を導入するため の装置と、 感知コイルに対して横方向の磁界に対する対向して伝播する光学信号の位相の 感度を低減するための装置と、 対向して伝播する光学信号の組合せにより引き起こされる干渉パターンをモニ タして感知コイルの軸に沿って方向づけられる外部からの磁界の強度を示す信号 を生成するための装置とを含む、装置。 ４．感知コイルに横方向の磁界に対する対向して伝播する光学信号の位相の感度 を低減するための装置は、 感知コイルから延びる偏光維持光ファイバの第１および第２の感知コイルリー ドを備え、偏光維持光ファイバの第１および第２の感知コイルリードの各々は、 ２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有し、さらに 光学信号ソースと感知コイルとの間に接続される多機能集積光学チップを備え 、多機能集積光学チップは第１の光導波路がその上に形成されており、第１の光 導波路は光学信号ソースから光学信号を受取るよう配列されており、多機能集積 光学チップは第１、第２および第３の光導波路が交差してＹ結合器を形成するよ うに、その上に第２および第３の光導波路が形成されており、多機能集積光学チ ップはさらに、第１の光導波路における波の位相を変調させるためにその中に形 成される位相変調器を含み、さらに 多機能集積光学チップから延びる第１および第２の光ファイバ多機能集積光学 チップリードを備え、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリード は偏光維持光ファイバから形成され、第１および第２の光ファイバ多機能集積光 学チップリードの各々は、２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有し、第１および 第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードは多機能集積光学チップから出力 された光学信号における線形偏光が第１および第２の光ファイバ多機能集積光学 チップリードの各々の複屈折の主軸の１つに沿って方向づけられるように、多機 能集積光学チップに関して配列され、さらに 第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリードとの間に形成さ れる第１のスプライスを備え、第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学 チップリードとはそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の 角度となるように配列され、それにより感知コイルにおける反時計回りの波が減 偏光され、第１の多機能集積光学チップリードは多機能集積光学チップと第１の スプライスとの間に長さＬ₁ を有し、それにより第１の多機能集積光学チップリ ードにおける距離Ｌ₁ を伝播する光波において偏光成分間の第１の選択された位 相変化が起こり、位相変化は感知コイル内の対向して伝播する波に対するファラ デー効果により引き起こされる位相変化とは逆のものであり、さらに 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとの間に形成さ れる第２のスプライスを備え、第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学 チップリードとはそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の 角度となるように配列され、それにより感知コイルにおける反時計回りの波が減 偏光される、請求項３に記載の装置。 ５．感知コイル内における１対の対向して伝播する波の位相差を検出することに よりある長さの光ファイバ内に形成される感知コイルの軸についての回転を感知 する光ファイバ回転センサを形成する方法であって、 感知コイルを、そこから延びる偏光維持光ファイバの第１および第２の感知コ イルリードを有するように形成するステップと、 感知コイルにおいて時計回りおよび反時計回りに伝播する光波を生成するステ ップと、 光学信号ソースからの光学信号を線形に偏光するステップと、 感知コイルと多機能集積光学チップとの間に多機能集積光学チップを接続する ステップと、 第１および第２の偏光維持光ファイバ多機能集積光学チップリードを多機能集 積光学チップから延びるように配列するステップと、 多機能集積光学チップから出力される光学信号の線形偏光が第１および第２の 光ファイバ多機能集積光学チップリードの各々の複屈折の主軸の１つに沿って方 向づけられるように、第１および第２の光ファイバ偏光維持多機能集積光学チッ プリードを多機能集積光学チップに関して配列するステップと、 第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリードとの間に第１の スプライスを形成するステップと、 第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリードとをそれらの対 応する複屈折の主軸が互いに４５°の角度となるように配列し、それにより感知 コイル内の反時計回りの波が減偏光されるようにするステップと、 第１の多機能集積光学チップリードを多機能集積光学チップと第１のスプライ スとの間で長さＬ₁ を有するように形成し、それにより第１の多機能集積光学チ ップリードにおける距離Ｌ₁ を伝播する光波において偏光成分間の第１の選択さ れた位相差が生じるようにするステップと、 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとの間に第２の スプライスを形成するステップと、 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとをそれらの対 応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度となるように配列し、そ れにより感知コイルにおける反時計回りの波が減偏光されるようにするステップ とを備える、方法。 ６．感知コイルにおける１対の対向して伝播する波の位相差を検出することによ りある長さの光ファイバ内に形成される感知コイルの軸についての回転を感知す る光ファイバ回転センサの磁界感度を低減するための方法であって、感知コイル は外部からの磁界に対する感度を有するように形成され、それによりファラデー 効果が感知コイル内の対向して伝播する波において位相差を引き起こし、前記方 法は、 偏光維持光ファイバの第１および第２の感知コイルリードを感知コイルから延 びるように形成するステップを備え、偏光維持光ファイバの第１および第２の感 知コイルリードは２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有し、さらに 感知コイル内に時計回りおよび反時計回りに伝播する光 波を形成する光学信号を生成するステップと、 光学信号ソースからの光学信号を線形に偏光するステップと、 光学信号ソースと感知コイルとの間に多機能集積光学チップを接続するステッ プと、 第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードを多機能集積光学チ ップから延びるように形成するステップと、 偏光維持光ファイバの第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリー ドを、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードの各々が２つの 互いに垂直な複屈折の主軸を有するように形成するステップと、 多機能集積光学チップから出力される光学信号の線形偏光が第１および第２の 光ファイバ多機能集積光学チップリードの各々の複屈折の主軸の１つに沿って方 向づけられるように、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリード を多機能集積光学チップに関して配列するステップと、 第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリードとの間に第１の スプライスを形成し、第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリ ードとをそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度とな るように配列してそれにより感知コイルにおける反時計回りの波が減偏光される ようにするステップと、 第１の多機能集積光学チップリードを、多機能集積光学チップと第１のスプラ イスとの間に長さＬ₁ を有するように形成し、それにより第１の多機能集積光学 チップリードにおける距離Ｌ₁ を伝播する光波において偏光成分間の第１の選択 された位相変化が生じるようにするステップとを備え、位相変化は感知コイル内 の対向して伝播する波に対しファラデー効果により引き起こされる位相変化とは 逆のものであり、さらに 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとの間に多機能 集積光学チップから距離Ｌ₂ をおいて第２のスプライスを形成するステップと、 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとをそれらの対 応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度となるように配列し、そ れにより感知コイルにおける反時計回りの波が減偏光されるようにするステップ とを含む、方法。 ７．磁界の強度を示す信号を生成する方法であって、 感知軸を有する光ファイバの感知コイルを形成するステップと、 感知コイルに対する外部からの磁界がファラデー効果を通じて対向して伝播す る光学信号が感知ループを横切るにつれ対向して伝播する光学信号間に位相差を 引き起こすように、感知コイルに対向して伝播する光学信号を導入するステップ と、 感知コイルに横方向となる磁界に対する対向して伝播する光学信号の位相の感 度を低減するステップと、 対向して伝播する光学信号を組合せて干渉パターンを生じさせるステップと、 干渉パターンを検出して感知コイルの軸に沿って方向付けられる外部からの磁 界の強度を示す信号を生成するステップとを備える、方法。 ８．感知コイルに横方向となる磁界に対する対向して伝播する光学信号の位相の 感度を低減するステップは、 偏光維持光ファイバの第１および第２感知コイルリードを感知コイルから延び るように生成するステップを含み、偏光維持光ファイバの第１および第２の感知 コイルリードの各々は、２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有し、さらに 感知コイルにおいて時計回りおよび反時計回りに伝播する光波を形成する光学 信号を生成するステップと、 光学信号ソースからの光学信号を線形に偏光するステップと、 光学信号ソースと感知コイルとの間に多機能集積光学チップを接続するステッ プと、 第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリードを多機能集積光学チ ップから延びるように形成するステップと、 偏光維持光ファイバの第１および第２の光ファイバ多機 能集積光学チップリードを、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップ リードの各々が２つの互いに垂直な複屈折の主軸を有するように形成するステッ プと、 多機能集積光学チップから出力される光学信号の線形偏光が第１および第２の 光ファイバ多機能集積光学チップリードの各々の複屈折の主軸の１つに沿って方 向づけられるように、第１および第２の光ファイバ多機能集積光学チップリード を多機能集積光学チップに関して配列するステップと、 第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリードとの間に第１の スプライスを形成し、第１の感知コイルリードと第１の多機能集積光学チップリ ードとをそれらの対応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度とな るようにして、それにより感知コイルにおける反時計回りの波が減偏光されるよ うにするステップと、 第１の多機能集積光学チップリードを多機能集積光学チップと第１のスプライ スとの間で長さＬ₁ を有するように形成し、それにより第１の多機能集積光学チ ップリードにおける距離Ｌ₁ を伝播する光波において偏光成分間の第１の選択さ れた位相変化が生じるようにするステップを備え、位相変化は感知コイルにおけ る対向して伝播する波に対するファラデー効果により引き起こされた位相変化と 逆のものであり、さらに 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップ リードとの間に多機能集積光学チップから距離Ｌ₂ をおいて第２のスプライスを 形成するステップと、 第２の感知コイルリードと第２の多機能集積光学チップリードとをそれらの対 応する複屈折の主軸が互いに関しておよそ４５°の角度となるように配列し、そ れにより感知コイルにおける反時計回りの波が減偏光されるようにするステップ とを備える、請求項７に記載の方法。