JP2009288246A - 高信頼性低損失の中空コアファイバ共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバジャイロシステムにおいて中空コア光ファイバコイルを接続するための光結合デバイス（２０）を提供すること。
【解決手段】例示的な光ファイバジャイロシステムは、再循環器（１００）または光集積回路チップ（１３０）と、第１および第２の端部を有する中空コア光ファイバのファイバコイル（８３、２２）と、中空コア光ファイバの端部を再循環器または光集積回路チップからある既定の距離で密閉空洞内に保持する結合デバイス（２０）とを含む。結合デバイスは、ファイバ端部を適正な位置に強固に保持するためのハウジング（２４、２６）を含む。このハウジングは、ファイバ端部を受け入れる空洞を含む。
【選択図】図１

Description

ジャイロは、回転軸まわりの回転速度または角速度の変化を測定するために使用されてきた。基本的な従来の光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は、光源と、ビーム発生デバイスと、このビーム発生デバイスに結合されて、ある領域を取り巻く光ファイバのコイルとを含む。ビーム発生デバイスは光ビームをコイル中に送出し、この光ビームは、光ファイバのコアに沿って時計回り（ＣＷ）方向および反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝搬する。多くのＦＯＧは、ファイバの固体ガラスコアに沿って光を伝えるガラスベースの光ファイバを利用する。２つの対向伝搬（例えばＣＷとＣＣＷ）ビームは、回転する閉光路を回って伝搬している間に路長が異なることがあり、この２つの路長の差は回転速度に比例する。

共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）では、対向伝搬光ビームは望ましくは単色（例えば単一周波数）であり、多くの巻数の光ファイバコイルを通り、コイルを通過した光の方向を変えてコイル中に再び戻す（すなわち光を循環させる）ファイバカプラなどのデバイスを用いたコイルを何回も通過して循環する。ビーム発生デバイスは、共振コイルの共振周波数を観測できるように、対向伝搬光ビームのそれぞれの周波数を変調および／またはシフトする。コイルを通るＣＷおよびＣＣＷの経路それぞれでの共振周波数は強め合う干渉条件に基づいており、そのため、それぞれ異なる回数コイルを横断したすべての光波が、コイル内のどの点でも強め合う干渉をするようになる。この強め合う干渉のために、往復の共振器光路長が波長の整数に等しいときの波長λを有する光波は「共振する」と呼ばれる。コイルが回転すると、時計回りの伝搬と反時計回りの伝搬ではそれぞれ異なる光路長が生じ、それによって共振器のそれぞれの共振周波数間でシフトが生じ、この周波数差は、回転による閉光路の共振周波数シフトと一致するようにＣＷビームとＣＣＷビームの周波数の差を調整することによって測定できるようなものであり、回転速度を示す。

共振コイルの共振周波数を観測できるように対向伝搬光ビームのそれぞれの周波数を変調およびシフトするために、周波数シフタおよび位相変調器がビーム発生デバイス（例えばレーザ光源）と併せて使用されてきた。周波数シフタおよび位相変調器は、特に小規模の応用例の場合、または共振器ジャイロの実施の場合に、経済的に実施するのが困難なことがある。別法として、周波数シフタおよび位相変調器を使用せずに、可変波長レーザを使用して対向伝搬光ビームを導入し共振検出することもできる。しかし、共振検出のために２つ以上の可変波長レーザを使用する場合には、このようなレーザ間の相対的な周波数ノイズは一般に、共振器ジャイロによって検出される回転速度の精度を低下させる角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）の最も大きな原因になる。

ＲＦＯＧでは、光ファイバのガラス材料が、ＣＷ経路およびＣＣＷ経路の共振周波数をシフトさせ、したがって間違った回転の表示または不正確な回転速度の測定値をもたらす効果を引き起こすことがある。回転速度の測定精度を低下させるガラス媒体由来の異常は、非線形カー効果、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）、偏光誤差、およびレイリー後方散乱誤差により発生することがある。これらの誤差機構はまた、環境の影響を受けやすく、例えば望ましくない温度感受性を生じさせる。対向伝搬光ビームをコイル内で何回も循環させるには反射鏡を使用することができるが、こうすると一般に信号対雑音比が低下する。

非線形カー効果は、ＲＦＯＧ内の高い単色光パワーが光ファイバ中のガラスの屈折率を変えるときに発生する。ＣＷビームとＣＣＷビームの強度の不一致により、観測される周波数シフトのバイアスが数度／時の程度で誘起することがある。ＳＢＳは、ファイバ共振器の高いフィネスと関連する高い強度がレージングすなわちガラスファイバ内の誘導放出を引き起こすときに発生し、これは一般に、共振周波数の測定において不安定性を大きく助長する。偏光で誘起する誤差は、１本の光ファイバから隣接する光ファイバへ、または同じファイバ内で、光を第２の偏光モードに偶然に結合するファイバカプラにより生じることがある。第２の偏光モードは共振して、回転を測定するために使用される偏光モードの共振線形に非対称性を生じさせることがある。ＣＷビームとＣＣＷビームで第２の偏光モードの周波数は同じでも、その振幅が異なることがあり、それによってＣＷビームおよびＣＣＷビームの共振周波数の観測結果が、回転の影響を超えて異なることになる。ＣＷビームおよびＣＣＷビームの共振周波数ごとの共振中心の決定が回転速度測定に直接影響を及ぼすので、偏光で誘起する誤差は、ＲＦＯＧの精度を厳しく制限することがある。レイリー後方散乱誤差は、共振器ジャイロのドリフト速度の源になることがある。ファイバ中のガラスによる、またはファイバの不完全性による後方散乱光が循環光ビームに干渉し、大きなドリフト速度誤差を引き起こす可能性がある。

ＲＦＯＧに中空コアファイバを使用することは、ＲＦＯＧの従来のファイバ中のガラス内光伝搬による前述の誤差を軽減するために大きな関心の対象になっている。この場合、光は、その大部分が自由空間（例えば真空または空気）中を進むように、中空コアがある光ファイバの中心へと光バンドギャップ効果によって案内され、それにより、ガラスコアファイバ中の光伝搬に由来する回転等価誤差項が大幅に低減する。しかし、本発明が対処する欠点の１つは、ファイバ端部が、長期にわたるとファイバの光損失をもたらし光学特性に影響を及ぼすことがある気体および微粒子による汚染に対して開放されていることである。

本発明は、光ファイバジャイロシステムにおいて中空コア光ファイバ共振器を接続するための光結合デバイスを提供する。

例示的な光ファイバジャイロシステムは、再循環器または光集積回路チップと、第１および第２の端部を有する中空コア光ファイバを備えた共振器と、中空コア光ファイバの端部を再循環器または光集積回路チップからある既定の距離で密閉空洞内に保持する結合デバイスとを含む。結合デバイスは、ファイバ端部を適正な位置に強固に保持するためのハウジングを含む。このハウジングは、ファイバ端部を受け入れる空洞を含む。

本発明の一態様では、ハウジングはスリーブを含み、結合デバイスは、このスリーブに接続されたガラスプレートを含む。ファイバ端部は、ガラスプレートから１００ミクロンよりも大きい距離のスリーブ内の位置に固定される。

本発明の別の態様では、ガラスプレートは、反射防止コーティングで部分的にコーティングされる。
本発明のさらに別の態様では、ガラスプレートからの後方散乱が光ファイバに再び入らないように、ガラスプレートの面垂線の平面が光ファイバの長軸に対してある角度に向けられる。

本発明のさらに別の態様では、ハウジングは、ガラスプレートに接続されたスリーブの端部と反対側のスリーブの端部に接着されたフェルールを含む。このフェルールは、ファイバコイルを確実に固定して受け入れる。フェルールおよびスリーブはガラスで形成される。

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態を添付の図面を参照して以下で詳細に説明する。

図１−１は、本発明により形成された結合デバイスによって受け入れられた光ファイバコイルの端部の斜視図である。 図１−２は、図１に示されたデバイスの断面図である。 図１に示されたデバイスの分解組立図である。 本発明の一実施形態により形成された共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）の概略図である。 本発明の一実施形態により形成された干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の構成要素を示す概略図である。

図１−１、１−２および２は、干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）または共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）に含まれる光学構成要素、あるいは他の、中空コアファイバを使用することに益し、したがって開放端中空コアファイバ２２で生じる影響を低減することで利益を得られるはずのどんなデバイスにも含まれる光学構成要素に、中空コアファイバ２２の端部を取り付けるための結合デバイス２０を様々に示す。

デバイス２０は、ガラスフェルール２４、スリーブ２６、およびガラスプレート２８を含む。ガラスフェルール２４はまた、ガラスキャピラリデバイスであってもよい。ガラスフェルール２４は、スリーブ２６の第１の端部に取り付けられる。スリーブ２６の第２の端部は、ガラスプレート２８の一方の側面に取り付けられる。スリーブ２６もフェルール２４も、くりぬいて作られた空洞を含む。スリーブ２６の内部の空洞は、中空コアファイバ２２の直径よりもかなり大きい。スリーブ２６およびフェルール２４は成形され、あるいはガラスから機械加工される。フェルール２４、スリーブ２６、およびガラスプレート２８は、標準的なガラスエポキシまたはハンダなど、いくつかの異なる種類のよく知られた手段のいずれかで取り付けられる。

中空コアファイバ２２の端部は、中空コアファイバ２２の露出端部がガラスプレート２８の表面からスリーブ２６内部の所定の距離の範囲内に来る位置まで、フェルール２４から受け入れられる。一実施形態では、スリーブ２６内の中空コアファイバ２２の開放端とガラスプレート２８の表面との間の距離は、１ｍｍの１／１０から２ｍｍの１／１０の間であるが、それがどのように使用されるかに応じてそれより大きくも小さくもすることができる。フェルール２４のくりぬいて作られた空洞は、接着剤または封止剤が吸い上がらないようにして中空コアファイバ２２を中に接着または封止できるように緩和される。したがって、スリーブ２６内部の空間は、スリーブ２６の第２の端部がガラスプレート２８で封止されると密封空洞になる。

一実施形態では、中空コアファイバ２２の長軸は、ガラスプレートからファイバに入る後方散乱の影響を低減させるために、ガラスプレート２８の面の面垂線に対してある角度に向けられる。ファイバの先端はまた、ファイバの端面に対する垂線がファイバの長軸ともはや平行にならないように切断して、ファイバの端部からそれ自体に戻る後方散乱（ファイバを出て行く光による）、または自由空間からガラスプレートの方へ戻るファイバ先端での背面反射入射光をさらに防止することができる。ガラスプレート２８は、損失を低くするために片側または両側に反射防止コーティングを有し、それによって後方散乱の影響をさらに低減させる。

図３は、本発明の例示的一実施形態による共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）７０の概略図である。一実施形態では、ＲＦＯＧ ７０は、光ビームをそれぞれ合成する第１および第２の調整可能光源７２、７４（例えば可変波長レーザ）と、光ビームをファイバコイル８３中に導入する再循環器１００を含む共振器７５と、共振器７５から第１および第２の戻りビームを受け取る第１および第２の光検出器７６、７８とを含む。共振器７５は、ファイバコイル８３、結合デバイス２０、および再循環器１００を有する閉光路である。再循環器１００は、非ゼロ透過である高反射率鏡を含むことができる。第１の調整可能光源（例えばレーザ）７２によって生成された光ビームは周波数ｆ_０に調整され、第２の調整可能光源（例えばレーザ）７４によって生成された光ビームは周波数ｆ_０＋Δｆに調整される。この２つのレーザ周波数間の相対的な周波数ドリフトおよびジッタは、周波数シフトの、したがって回転速度の測定の精度および安定性に及ぼす影響を最小にするレベルまで、または影響を及ぼさないレベルまで十分に最小化されることが好ましい。これは、電子サーボを用いるレーザ周波数安定化技法によって達成され、この電子サーボは、それらのビート周波数を回転速度に比例する調整可能で安定したオフセットにロックする。調整可能光源（例えばレーザ）７２、７４のそれぞれは、対応する生成光ビームを正弦周波数変調することができる。さらに、ＲＦＯＧ ７０は、調整可能光源（例えばレーザ）７２、７４からの光ビームの伝搬を共振器７５に向け、かつ共振器７５からの光を光検出器７６、７８に向けるための追加の鏡８０、８２、およびビームスプリッタ８６、８８を含むことができる。

共振器７５は、再循環器１００に結合された第１および第２の端部を有する中空コア光ファイバコイル８４を含む。光ファイバコイル８４は、ある領域を取り囲む多くの巻数を有する。再循環器１００は、光ビーム（例えばＣＷおよびＣＣＷの入力光ビーム）を中空コア中に導入し、その光ビームの一部を光ファイバコイル８４に通して循環させる。再循環器１００は、光ファイバコイル８４の一方の端部から出てくる光をファイバコイル８４の他方の端部に再導入し、それによって光をファイバコイル８４に何回も通して伝搬させる。結合デバイス２０（図１、２）は、ファイバコイル８４の端部を再循環器１００に接続する。結合デバイス２０のガラスプレート２８は、再循環器に隣接して配置され、あるいは周知の取付け手段、例えばエポキシ、ハンダを用いて再循環器１００に取り付けられる。

図４は、干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）１２０を示し、これは、中空コア光ファイバコイルを有する光ファイバコイル１４０と光集積回路チップ１３０を結合するための結合デバイス２０（図１、２）を含む。光源１３４および光検出器１５０は、光カプラを介して光集積回路チップ１３０に光学的に接続される。プロセッサ１５２は、光検出器１５０から受け取った信号に基づいて、光集積回路チップ１３０内の変調器に変調信号および制御信号を送出する。

独占的な所有権すなわち独占権が主張される本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲で定義される。

２０ 結合デバイス
２２ 中空コア光ファイバ
２４ ハウジング、ガラスフェルール
２６ ハウジング、スリーブ
２８ ガラスプレート
７０ 共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）
７２ 調整可能光源
７４ 調整可能光源
７５ 共振器
７６ 光検出器
７８ 光検出器
８０ 鏡
８２ 鏡
８３ 光ファイバコイル
８４ 中空コア光ファイバコイル
８６ ビームスプリッタ
８８ ビームスプリッタ
１００ 再循環器
１２０ 干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）
１３０ 光集積回路チップ
１３４ 光源
１４０ 光ファイバコイル
１５０ 光検出器
１５２ プロセッサ

Claims (3)

1. 再循環器（１００）または光集積回路チップ（１３０）の少なくとも１つと、
   第１および第２の端部を有する中空コア光ファイバを含む光ファイバコイル（８３）と、
   前記中空コア光ファイバの前記端部の少なくとも一方を前記少なくとも１つの再循環器または光集積回路チップからある既定の距離で密閉空洞内に保持するように構成された、少なくとも１つの結合デバイス（２０）とを備えた光ファイバジャイロスコープであって、
   前記少なくとも１つの結合デバイスが、前記ファイバ端部を適正な位置に強固に保持するための少なくとも１つのハウジングを含み、
   前記少なくとも１つのハウジングが、前記ファイバ端部を受け入れるように構成された空洞、およびスリーブを含み、前記少なくとも１つの結合デバイスが、前記スリーブに接続されたガラスプレートを含み、前記ファイバ端部が、前記ガラスプレートから１００ミクロンよりも大きい距離の前記スリーブ内の位置に固定されている、光ファイバジャイロスコープ。
2. 前記ガラスプレートが反射防止コーティングで部分的にコーティングされ、前記ガラスプレートの面に対する垂線が、光の後方散乱を低減させるために、前記光ファイバの長軸から実質的にある角度に向けられ、前記少なくとも１つのハウジングがさらに、前記ガラスプレートに接続された前記スリーブの端部と反対側の前記スリーブの端部に接着されたフェルールを含み、前記フェルールが、前記光ファイバを確実に固定して受け入れるように構成され、前記フェルールおよびスリーブがガラスで形成される、請求項１に記載のジャイロスコープ。
3. 中空コア光ファイバ（２２）の端部を強固に保持するための少なくとも１つのハウジング（２４、２６）と、
   前記少なくとも１つのハウジングに接続されたガラスプレート（２８）とを備える光結合デバイスであって、
   前記中空コア光ファイバの端部が、前記ガラスプレートからある既定の距離で前記ハウジングの密閉空洞内に保持され、
   前記少なくとも１つのハウジングがスリーブを含み、前記ファイバ端部が、前記ガラスプレートから１００ミクロンよりも大きい距離の前記スリーブ内の位置に固定され、
   前記ガラスプレートの前記面に対する前記垂線が、前記ガラスプレートから前記ファイバに入る後方散乱光の影響を実質的に低減させるために、前記光ファイバの長軸からある角度に向けられ、
   前記少なくとも１つのハウジングがさらに、前記ガラスプレートに接続された前記スリーブの端部と反対側の前記スリーブの端部に接着されたフェルールを含み、前記フェルールが、前記光ファイバを確実に固定して受け入れるように構成されている、光結合デバイス。