JP2007127648A

JP2007127648A - 過酷な環境下における波長基準のリアルタイム校正のためのｉｆｏｇ変調技法

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Publication number: JP2007127648A
Application number: JP2006297852A
Authority: JP
Inventors: Liu Ren-Young; リウ・レン−ヨン
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2007-05-24
Also published as: EP1780506A2; EP1780506A3; US20070097374A1

Abstract

【課題】改良された干渉型光ファイバ・ジャイロスコープを提供する。
【解決手段】干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）は、カプラ（１１２）を介して互いに接続されたファイバ光源（１１０）と、多機能集積光学チップ（ＩＯＣ）（１１４）及びその対応するファイバ検知用コイル（１１８）と、波長分割マルチプレクサとを、サーボ・ループ閉処理用電子回路と共に含む。更に、ドリフトや放射の作用を受けやすくない原子基準などのような絶対波長基準が、波長分割マルチプレクサに接続される。周期的に一瞬の間、波長分割マルチプレクサを校正するために、絶対波長基準によって供給される信号が選択されて、通常は波長分割マルチプレクサへ渡されるＩＯＣ（１１４）からのジャイロ戻り光は抑圧される。
【選択図】図７

Description

本発明は、一般に干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）と、それに対する改良とに関する。

本発明は、契約番号ＤＬ−Ｈ５３１２７９の元で政府に支援されてなされた。政府は、本発明におけるある種の権利を有する。

図１は、ＩＦＯＧの基本動作および基礎的な構成要素を示す。ＩＦＯＧ設計は、６つの主な構成要素、即ち、ファイバ光源１１０と、カプラ１１２と、Ｙ接合および位相変調器を含む多機能集積光学チップ（ＩＯＣ）１１４と、ファイバ検知用コイル１１８と、光検出器１２０と、処理用電子回路１２５とを備える。ファイバ光源１１０は、光を生成し、その光を、光源カプラ１１２およびＩＯＣ１１４を介して、ファイバ検知用ループ１１８へ送る。光源カプラ１１２は、入力光を取り入れ、それを両方の出力レッグを介して送るために半分に分割する。一方の出力レッグは、光源光を更にＩＯＣ１１４へ搬送する。他方の出力レッグは、それ以上使用することなしに終端することも、更に処理する目的で光の強度および過剰ノイズを検出するために使用することもできる。光が検知用コイル１１８およびＩＯＣ１１４を介して送り返されると、光源カプラ１１２は逆に動作して、レート信号（ｒａｔｅｓｉｇｎａｌ）処理のために光は光検出器１２０へ送られる。

ＩＯＣ１１４は、Ｙ接合、偏光子、位相変調器を含めての当技術分野で周知であるように、単一のチップで実装された多機能を有する。プロトン交換導波路などのような導波路自体とすることができる偏光子は、入来する光を偏光し、単一偏光変調（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）だけでなく、２つの偏光モード間の交差結合によって誘導されるバイアス不安定性の抑制にも対処する。偏光子がないと、変調されない光は更なる干渉をおこして、検知用干渉計のコントラストを低減させる。ＩＯＣのＹ接合は、検知用コイル１１８への光を時計回り（ＣＷ）の波と反時計回り（ＣＣＷ）の波とに分割する。この接合はまた、検知用ループ１１８から戻るＣＷ波とＣＣＷ波を組み合わせ、その光を、光源カプラ１１２および光検出器１２０を介して送り返す。位相変調器は、その光を変調して、インターフェログラムにおいて、レート極性（ｒａｔｅｐｏｌａｒｉｔｙ）と共に高い感度を生み出すために使用される。変調器はまた、閉ループ動作時にサニャック位相シフトを打ち消すために、閉ループ相を提供する。

図２Ａおよび図２Ｂは、得られたインターフェログラムを示し、基本的に、ＣＷ波とＣＣＷ波の干渉パターンに対応する２乗余弦関数である。変調が注入されないと、強め合う干渉により、ゼロ付近で感度がない。π（１８０°）位相差では、インターフェログラムは、光検出器レベルでゼロ光強度になる弱め合う干渉を示す。通常のＩＦＯＧ動作時には、図２Ａの下部に向かって示されている矩形波が、通常、位相変調器に加えられ、レート検出の感度、線形性、極性のために、インターフェログラムをゼロ点から±π／２の位相にバイアスする。図２Ｂは、ファイバ検知用コイルからサニャック位相シフトがある場合を示す。これは、バイアス変調信号が光検出器１２０で方形波出力を引き起こすように、インターフェログラムをシフトする。開ループ動作時には、光検出器信号は、実際の回転レートを得るために、レベルＡからレベルＢを減算することにより、ＩＦＯＧプロセッサ１２５内で復調される。回転レート出力は、インターフェログラムの非線形性の関数である。光源１１０、カプラ１１２、ＩＯＣ１１４、コイル１１８、および複数のファイバ・スプライスを含む光路に沿った光強度の変動もまた、回転レート測定精度に影響を及ぼす。従って、開ループＩＦＯＧ動作は、適度なバイアス安定性およびスケール・ファクタ線形性性能を得るために、有意な補償技法を必要とする。

光強度振幅に対する依存をなくするために、今では、ＩＦＯＧにおいて、閉ループ動作と呼ばれる別の変調技法がより一般的に使用される。ＩＦＯＧプロセッサは、光検出器信号を復調し、サニャック位相シフトを無効にするために、フィードバック信号を位相変調器へ送る。換言すれば、閉ループ動作は、ジャイロをヌル状態で動作させる。ヌル状態でロックするために必要な電圧レベルのデジタル表現は、継続的に更新され、ＩＦＯＧ処理回路内部で、アキュムレータなどのようなレジスタに格納され、光検出器からの復調信号を打ち消すために必要とされるフィードバック信号の大きさを示す。閉ループ動作時には、回転レートは、インターフェログラムの非線形性にも、光路に沿った強度変動にも依存しない。閉ループ設計は、パワー依存をなくし、ＩＯＣ及びその関連ドライブの不完全性による平方根換算（ｓｑｕａｒｅ−ｒｏｏｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）へと１対１スケール・ファクタ非線形性をシフトすることによって、より良好な変調性能を実現する。閉ループ信号設計に必要とされる高速変調に関して、位相変調器は、高性能とするための重要な構成要素となる。

閉ループ動作技法に加えて、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）をベースとする波長制御もまた、最近、過酷な環境下でＩＦＯＧのスケール・ファクタ性能を改善するために、ＩＦＯＧデバイスに適用されている。ＷＤＭベースの波長制御は、ＩＦＯＧのスケール・ファクタを著しく改善したが、幾つかの問題が残っている。例えば、幾つかの放射テスト下では、ＷＤＭは、特に幾つかの応用分野に関連しては望ましいレベルよりも大きいシフトである２０ｐｐｍ程度の波長シフトを受ける可能性があることが、観察されている。

従って、依然としてＩＦＯＧ性能において更なる改良が求められている。

本発明は、参照ＷＤＭ（スケール・ファクタ）およびデュアル光検出器の校正のために、ジャイロ戻り信号を一時的に抑制し、同時に、リアルタイムで、放射によって誘導される（または任意の環境によって誘導される）波長ドリフトを抽出するための、ＩＦＯＧループ閉動作における独自の新規な信号処理技法を紹介する。ＩＦＯＧ戻り信号の抑制は、ループ通過時間、またはループ通過時間の倍数からみると比較的短いものとすることができる。この処理技法の主な利点は、電子的に実装できることである。また、変調器などのような追加の光学コンポーネントを必要としない。

（ｉ）ＷＤＭベースの波長制御サーボおよび（ｉｉ）過酷な環境下における高精度スケール・ファクタ性能のための絶対波長基準と、一体化されたＩＦＯＧの場合、波長基準／サーボ信号と共になったジャイロ戻り信号を独立に変調して、更に処理および校正する目的でこれらの２つの信号を分離する必要がある。本発明の実施形態によれば、ジャイロのレート誘導型の信号のみが変調され、波長基準信号は変調されない。この手法は、ジャイロ信号を一時的に遮断するために、検知用ループで既知の多機能ＩＯＣを継続して使用することを可能にする。より具体的には、通常のＩＦＯＧ動作中に、ジャイロは、一体化したレート信号取出しのために、π以外の点でバイアスされる。予め設定された間隔で周期的に、ジャイロ戻り信号（gyro return signal）は、ジャイロをπまたはπの倍数でバイアスすることによって、遮断される。この短い遮断期間中には、ジャイロ戻り信号はない。従って、ＷＤＭ誤差に２つの光検出器間の不一致を足したものを、外部の絶対波長基準を用いて校正することができる。波長校正は、ＷＤＭ出力リードにピグテール接続された２つの光検出器のパワー差を測定することにより、開ループとすることができる。

１つの可能な実装では、この技法は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）で、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）で実施されるＩＦＯＧループ閉回路で実装される。ジャイロのバイアスは、π以外の適正な変調深さ（π／２や３π／４など）をＩＯＣの位相変調器へ送ることによって、制御される。ジャイロ信号は、大抵の時間の間はオンであり、スケール・ファクタ誤差を校正する目的でＦＰＧＡ（またはＡＳＩＣ）によって処理されるスケール・ファクタ校正情報を抽出するために周期的にオフになる。

スケール・ファクタ校正は、以下のように行われる。ＷＤＭがスケール・ファクタ参照デバイスとして作製されているとき、それは、ＷＤＭの５０／５０出力分割比が、或る許容範囲を有するＩＦＯＧＦＬＳの平均波長にチューンされることを意味する。理想的な状況では、平均波長がＷＤＭの５０／５０分割比に合致した状態で光がＷＤＭ入力ポートに進入したとき、２つの出力ポートでのパワー出力は等しくなり、釣り合う。換言すれば、入力ポート内で平均波長のドリフトがないため、２つの出力ＷＤＭポート間のパワー差がゼロになる。入力ポートでの平均波長ドリフトに対する２つの出力ポートでのそのようなパワー差は、広い範囲全体にわたって線形の関係である。例えば、放射、温度、衝撃、または振動がＷＤＭカプラの平均波長に影響を及ぼし、経時的にドリフトを引き起こす場合、ＷＤＭは、図７に示されているように、絶対波長基準に基づいて再校正されることが好ましい。絶対波長基準は、ＩＦＯＧで使用されるＦＬＳの平均波長（また、５０／５０ＷＤＭカプラの平均波長）に非常に近いスペクトル線を有する。再校正プロセス中には、πで変調することによってジャイロ戻り信号が遮断され、次いで、上述のものと同じ原理に基づいて再校正するために、絶対波長基準からのパワーがＷＤＭカプラへと放たれる。そのような再校正プロセスは、平均波長ドリフトを校正するだけでなく、２つの光検出器間の応答度（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ）不一致も含み、より良好な信号対雑音比とするためにＡＣ変調することができる。再校正平均波長（スケール・ファクタ）値は、更に処理するため、またはセンサ・スケール・ファクタを校正するために、メモリ内に格納される。

本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の詳細な説明と関連図面を読めば、より完全に理解されることになる。

最初の光ファイバ・ジャイロスコープは、シングル・モード（ＳＭ）・ファイバを使用して構築された。当時、ＳＭファイバ内で発生する制御不能な、環境に依存する偏光の放散が、バイアス・ドリフトおよび信号フェージングとして顕在化することが明らかとなった。バイアス・ドリフトは、偏光誤差に起因し、信号フェージングは、偏光のふらつき（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｗａｎｄｅｒ）の結果である。１９８０年代初期に市場に登場した偏波保持（ＰＭ）ファイバは、ジャイロスコープ・アーキテクチャの単純さを保つ特性を提供し、同時に、信号フェージングおよび偏光誤差の問題に対して簡単な解決策を提供した。従って、これまでの最も普及している設計は、ナビゲーション・ジャイロスコープの厳しい性能要件を満たすために、ＰＭファイバを使用している。

ＦＯＧ技術を手頃なものとするための努力により、安価なＳＭファイバを検知用ループで使用する偏光解消ジャイロスコープについての研究が活発化した。近年、一連の進歩により、偏光解消ＩＦＯＧ技術は、すべての環境状態にわたって、戦術的グレードからナビゲーション・グレードの性能レベルへと進歩している。

デュアル・デポラライザ設計 − ＳＭファイバを使用する光ファイバ・ジャイロでは、光は、ジャイロ・ループへ進入する前に偏光解消される。偏光解消は、図３に示されているように、ＩＯＣから出る偏光を４５°で偏波保持ファイバの断面へ線形的に放つことによって、達成される。光は、線形複屈折ＰＭファイバの２つの固有状態で異なる速度で伝播するため、固有モード（しばしば高速伝播モードおよび低速伝播モードと呼ばれる）間で遅延がある。２つのデポラライザでの複屈折によって誘導される遅延ｔ_１およびｔ_２は、光源ｔ_ｃのコヒーレンス時間より実質的に長い。従って、デポラライザを通過した後、高速モードの光は、低速モードの光との相関を解除され、デポラライザの端部で「ランダム」な偏光状態になる。ループの両側に位置する２つのデポラライザを使用する図３に示されているジャイロ・アーキテクチャは、幾つかの非可逆作用に対する余裕度（ｉｍｍｕｎｉｔｙ）を増大し、従って、低ドリフトの応用分野にとって好ましいアーキテクチャを確立する。ＳＭファイバを使用することもできることに留意されたい。

極めて高いスケール・ファクタ精度を有する高性能偏光解消ＩＦＯＧ − 高性能偏光解消ジャイロの設計は、図３に示されているもののようなデュアル・デポラライザ・ジャイロ・アーキテクチャを使用する。そのようなＩＦＯＧの例示的な機能図が図４に示されている。ファイバ光源（ＦＬＳ）１１０からの光は、５０／５０カプラ（またはサーキュレータ）１１２を介して、集積光学チップ（ＩＯＣ）１１４に伝播し、そこで光は、時計回りの波と反時計回りの波に分割される。回転により、これらの２つの波の間で、位相シフトｊｓがもたらされる。波は、コイル１１８を通過した後で、ＩＯＣ１１４で再結合され、次いで、サーキュレータ１１２を介して波分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）４１０へ送られる。ＷＤＭ４１０は、再び入来波を分割する。しかしこの時には、分割比が、到着する光波の平均波長を反映する。ＷＤＭ４１０のデュアルの検出器は、全パワーＰ_Ｃ＋Ｐ_Ｔと、ＷＤＭ４１０の２つのポート間のパワー差Ｐ_Ｃ−Ｐ_Ｔとに関する情報を提供する。それぞれの信号は、図４に示されているように、２つのサーボ・ループ、即ち回転検知用ループ４２０と平均波長制御ループ４３０を閉じるために使用される。全パワーＰ_Ｃ＋Ｐ_Ｔは、閉ループ電子回路４４０によって処理されたとき、反対方向に伝播する波の間での、非可逆の、回転によって誘導されるサニャック位相シフトｊｓに関する情報を提供する。ループは、ｊｓと振幅が等しいが符号が反対の位相シフトをジャイロ・ループへ注入する位相変調によって、閉じられる。

一方、パワー差Ｐ_Ｃ−Ｐ_Ｔは、平均波長の尺度を提供するものであり、ファイバ光源１１０の動作状態を変えることによって平均波長サーボ・ループ４３０を閉じるために使用される。波長サーボは、波長校正で置き換えることができ、この波長校正では、デジタル化、処理、ジャイロ・スケール・ファクタ校正のためにＷＤＭカプラのパワー差がループ閉鎖電子回路へ供給され、これらはすべてファームウェア制御および処理によって行われる（図７参照）。好ましい実装では、図４（および図７）のブロック図に示されている構成要素は、温度が安定化された環境内にある。

スケール・ファクタ
スケール・ファクタは、平均波長に、また検知用コイルのサイズに直接に比例し、そのどちらも、環境摂動、特に放射によって影響を受ける可能性がある。本発明の実施形態による手法は、ＷＤＭに到着する光の平均波長安定性を最大化し、また安定性を更に改善することであり、そのためにＷＤＭベースの能動波長制御または校正を使用する。検知用コイルの設計とその機械的安定性とにも十分注意が払われることが好ましい。

ＦＬＳ安定性：典型的には、ファイバ光源（ＦＬＳ）のスペクトルは、３つのガウス関数の和の形に分解することができる。放射前後のスペクトルの分析は、そのスペクトルを含むガウス・ピークのすべてが同じ程度に放射によって影響を受けるものではないことを明確に示す。最も安定した（波長およびパワーにおける）放出ピーク（ｅｍｉｓｓｉｏｎｐｅａｋ）は、１．５３ｍｍのところのピークである。パワーが主に１．５３ｍｍ放出ピーク内に含まれるＦＬＳは周知である。例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，７４４，９６６号を参照されたい。この受動スペクトル・シェーピング設計により、放射によって誘導される平均波長シフトが２１００ｐｐｍ（スペクトル・シェーピングなし）から約１３ｐｐｍ（スペクトル・シェーピングあり）へと実質的に減少する。

能動波長制御：ＷＤＭ４１０を使用することにより、到着する光の平均波長を継続的に監視し、その変化を補償するように光源の動作点を変更することが可能である。ＷＤＭベースの波長制御を用いた実験作業では、平均波長不安定性が２５００分の１に減少することが実証されている。図５は、能動波長制御ループを閉じた後で、５０００ｐｐｍ摂動から２ｐｐｍより良好な安定性へと光源波長が回復することを示す。１．５３ｍｍを中心とする改良型ＦＬＳを使用する高性能ＩＦＯＧの場合、能動波長制御パッケージ全体にわたる温度勾配が０．０５℃未満に管理され、図６に示されているように、平均波長不安定性が１３ｐｐｍからサブｐｐｍレベルまで更に低減された。

ジャイロによって検出された信号を使用する能動波長制御は特に望ましい。なぜなら、放射は、ＦＬＳだけでなく検知用コイルで使用されるファイバの伝送特性にも影響を及ぼす可能性があり、これもまた平均波長のシフトに通じるからである。能動波長制御に関する追加の情報はまた、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，３２３，４０９号および第５，６８４，５９０号でも見出すことができる。

上記の考察は、ＷＤＭ４１０、即ち波長参照デバイスが、達成されるスケール・ファクタ精度より大きく変動しないという仮定に基づくものである。しかし、ＷＤＭの温度が０．０５℃未満に安定化されたときでさえ、ＷＤＭの特性は依然として経時的にドリフトする可能性があり、それに応じてジャイロ・スケール・ファクタがドリフトすることになると判断されている。また、ＷＤＭ４１０は、ある放射暴露下で少なくとも２０ｐｐｍドリフトする可能性があると判断されている。ＷＤＭ４１０の平均波長について、この長期ドリフトと、放射によって誘導される誤差とを改善するために、本発明は、図７に示されているように、ＷＤＭ４１０の入力ポートの１つに接続される絶対波長基準７００を含む。この絶対波長基準７００は、例えば、時間と共にや、他の摂動と共に変化しない原子基準または他の基準デバイスとすることができる。本発明の変調技法および復調技法によれば、ＩＦＯＧ動作サイクルが、測定期間と校正期間とに分割される。より具体的には、ＩＦＯＧは、±π以外で（好ましくは、より良好なランダム・ノイズのために１／２πまたは３／４πで）動作することにより、ほとんどの時に、入力回転レートを測定する。また、応用分野および／または環境力学に応じて、デューティ・サイクルの何分の１かの間（例えば、０．０１％から１０％）、ＩＦＯＧは、ジャイロ戻り信号（光）を遮断するようにπで動作し、ＩＦＯＧスケール・ファクタを校正するために絶対波長基準７００からの信号のみをシステム検出器に到達させる。ジャイロが±πで動作されたとき、戻り信号がＹ接合（第４ポート）のサブストレートへとリークされ、その結果、ジャイロ信号が戻らない。校正は、ループ閉電子回路４４０または関連する回路で実行されることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態の前述の開示は、例示と説明のために提示されている。包括的とすることや、開示されているまさにその形態に本発明を限定することは意図されていない。本明細書に述べられている多数の変形形態および変更形態は、上述の開示に照らして、当業者には明らかとなろう。本発明の範囲は、本明細書に添付されている特許請求の範囲によって、またそれらの均等物によってのみ規定されるべきである。

更に、本発明の代表的な実施形態について述べる際に、本明細書は、本発明の方法および／または工程を、特定の順序のステップとして提示している可能性がある。しかし、方法または工程が、本明細書に述べられているステップのその特定の順序に依拠しないのであれば、方法または工程を、述べられているステップのその特定の順序に限定するべきではない。当業者なら理解できるように、ステップの他の順序が可能である可能性がある。従って、本明細書に述べられているそれらのステップのその特定の順序は、特許請求の範囲に対する限定として解釈するべきではない。更に、本発明の方法および／または工程を対象とする特許請求の範囲は、記載されている順序でそれらのステップを実行することに限定するべきでなく、順序は変わる可能性があり、それでもなお本発明の精神および範囲内にあり得ることを、当業者なら容易に理解することができる。

図１は、ＩＦＯＧの基本動作および基礎的な構成要素を示す。図２ＡおよびＢは、ＩＦＯＧによって生成された典型的なインターフェログラムを示す。図３は、デュアル・デポラライザＩＦＯＧの設計を示す。図４は、ＩＦＯＧの例示的な機能図を示す。図５は、図４のＩＦＯＧの改善された性能特性を示す。図６は、図４のＩＦＯＧの改善された性能特性を示す。図７は、本発明の例示的な実施形態を示す。

Claims

ファイバ光源（１１０）と、
第１のポート、第２のポート、第３のポートを有し、前記第１のポートが前記ファイバ光源（１１０）に結合されるカプラ（１１２）と、
前記カプラ（１１２）の前記第２のポートに接続される多機能集積光学チップ（ＩＯＣ）（１１４）およびそれに対応するファイバ検知用コイル（１１８）と、
第１の入力ポートおよび第２の入力ポートを有し、第１の出力ポートおよび第２の出力ポートを有する波長分割マルチプレクサであって、前記第１の入力ポートが前記カプラ（１１２）の前記第３のポートと連絡し、前記第１の出力ポートが回転検知用サーボ・ループへ信号を供給し、前記第２の出力ポートが平均波長制御サーボ・ループへ信号を供給する、波長分割マルチプレクサと、
前記波長分割マルチプレクサの前記第２の入力ポートに接続された絶対波長基準と
を備える干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）。
請求項１に記載の干渉型光ファイバ・ジャイロスコープであって、
前記絶対波長基準からの信号が、前記波長分割マルチプレクサに断続的に適用される、
干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ。
請求項１に記載の干渉型光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記カプラ（１１２）の前記第３のポートからの信号が断続的に抑制される、干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ。