JP2010078591A - バイアスが低減した光ファイバジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

【課題】バイアスが低減した光ファイバジャイロスコープを提供する。
【解決手段】光ファイバジャイロスコープ２が、光源１１と、光源１１に結合される結合器１２と、結合器１２に結合される光検出器１４と、第１の素子２１５によって結合器１２に結合される光集積回路（ＩＯＣ）１６と、第２の素子２１０及び第３の素子２２０によってＩＯＣ１６に結合される感知ループ１０とを備える。第１の素子、第２の素子、及び第３の素子のうちの少なくとも１つは偏光素子を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、バイアスが低減した光ファイバジャイロスコープに関する。

光ファイバジャイロスコープでは、回転速度感知のためのサニャック位相が、ファイバループの同一の光路を反対方向（たとえば時計回り（ＣＷ）方向及び反時計回り（ＣＣＷ）方向）に進む干渉光波の強度を測定することによって求められる。このような同一の光路は、空間的観点及び偏光モードの観点の両方から見て相反的な経路を含む。正確なサニャック位相は、ＣＷ進行光波及びＣＣＷ進行光波が、ループファイバの同じ部分内にいる間に同じ偏光状態で進む場合にのみ測定される。このような光波がループファイバの同じ部分内にいる間に異なる偏光モードで進む場合、いわゆる偏光誤差が生じる。

偏光保持（ＰＭ）又は非偏光保持のいずれかである従来のシングルモード光ファイバは通常、２つの偏光モードをサポートする。ファイバスプライスにおける交差結合及びファイバ内の複屈折乱れ（birefringence disturbance）に起因して、２つの偏光モード間のエネルギー交換が常に存在する。偏光交差結合光波の、一次光波又は他の交差結合光波との干渉は、回転感知のための正確な位相情報を有しない誤差信号をもたらすため、回避及び低減される必要がある。

偏光誤差の低減の観点からすると、ファイバにおける偏光モード交差結合がより小さいため、ＰＭファイバ感知コイルが好ましい。しかしながら、ＰＭファイバであっても、製造工程中に該ファイバに形成されるマイクロベンディング及び不均一応力に起因して非ゼロ交差結合を受けやすい。これらの交差結合の強さは典型的には、ｈパラメータによって特徴付けられる。ｈパラメータの値が大きいＰＭファイバコイルは結果的に、ジャイロスコープバイアス性能を劣化させる偏光誤差をより大きくする場合がある。

偏光解消（depolarized）ジャイロスコープでは、非偏光保持シングルモード（ＳＭ）ファイバが、コスト削減及び／又は耐放射性の向上のために使用される。偏光誤差を比較的低いレベルまで低減するように光回路を設計する複数の方法がある。それでも、これらの方法のうちのほとんどは、光集積回路（ＩＯＣ）又は（ＩＯＣが使用されない場合では）偏光子の高い偏光消光比（ＰＥＲ）εを必要とする。これは、偏光誤差の全てがε又はより高い次数のεのいずれかに比例するためである。しかしながら多くの場合、ＩＯＣ又は単一偏光子のＰＥＲが十分に高くなく、ジャイロスコープの特定の用途にとって偏光誤差が十分に小さくない場合がある。

図１を参照すると、装置１は、典型的な従来技術の干渉方式光ファイバジャイロスコープである。この干渉方式光ファイバジャイロスコープは、広帯域光源１１と、方向性結合器１２と、光検出器１４と、光集積回路（ＩＯＣ）１６と、感知ループ１０と、ＩＯＣを結合器及び感知ループに接続するファイバ部分１５、２１０、及び２２０とを備える。感知ループ１０は、偏光保持（ＰＭ）ファイバコイル又は非ＰＭシングルモード（ＳＭ）ファイバコイルを含むことができる。ＩＯＣ１６は、接合部１７において入力光波を実質的に等しい部分に分割するＹ字型導波路４０と、偏光子１８と、位相変調のための電極１９とを備える。１つの典型的な構成では、偏光子１８を含むのではなく、ＩＯＣ導波路４０を偏光素子とすることができる。ファイバ部分１５、２１０、及び２２０はリオタイプのデポラライザとすることができる。これらの各デポラライザは２つのＰＭファイバ部分を含み、これらの２つのＰＭファイバ部分の複屈折軸は互いに対して４５度で方向付けられている。これらの従来技術の装置では、唯一の偏光（ＰＺ）素子は多くの場合、ＩＯＣ１６である。これらの装置は、要求されているレベル未満に偏光誤差を低減するのに十分に高いＰＥＲを有しない場合がある。

一つの実施形態において、光ファイバジャイロスコープが、光源と、光源に結合される結合器と、結合器に結合される光検出器と、第１の素子によって結合器に結合される光集積回路（ＩＯＣ）と、第２の素子及び第３の素子によってＩＯＣに結合される感知ループとを備える。第１の素子、第２の素子、及び第３の素子のうちの少なくとも１つは偏光素子を含む。

本発明の好ましい実施形態及び代替の実施形態を、以下の図面を参照して以下において詳細に説明する。

従来技術の光ファイバジャイロスコープの概略図である。 本発明の一実施形態による偏光解消光ファイバジャイロスコープの概略図である。 本発明の代替の実施形態に関連付けられる、ジャイロスコープ相対バイアス誤差振幅対偏光消光比のグラフである。 本発明の一実施形態による偏光解消光ファイバジャイロスコープの概略図である。 本発明の一実施形態による偏光解消光ファイバジャイロスコープの概略図である。 本発明の代替の実施形態に関連付けられる、ジャイロスコープ相対バイアス誤差振幅対偏光消光比のグラフである。 本発明の一実施形態による偏光解消光ファイバジャイロスコープの概略図である。 光回路内の不正確に配置された偏光素子の、偏光消光比の関数としてのジャイロスコープ相対バイアス振幅のグラフである。 本発明の一実施形態によるＰＭ光ファイバジャイロスコープの概略図である。 本発明の一実施形態によるＰＭ光ファイバジャイロスコープの概略図である。 本発明の一実施形態によるＰＺ光ファイバジャイロスコープの概略図である。

一実施形態は干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、ジャイロスコープ光回路内において偏光素子を使用することによって偏光誤差を低減するための設計手法に関する。

小さな内部偏光交差結合及び高い偏光消光比を有する偏光ファイバのようなコンパクトな偏光部品が開発されており且つ利用可能であるならば、偏光誤差を低減するために、これらの追加の偏光素子を光回路の特定の部分において、又はさらにはジャイロスコープの感知コイルにおいて使用することが有利である。

本発明の実施形態は、偏光素子をジャイロスコープの光回路の特定の部分において使用することによって偏光誤差を低減するための幾つかの手法を提示する。光ファイバジャイロスコープの一実施形態は、光源、光方向性結合器、典型的には１つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する光集積回路（ＩＯＣ）、感知ループ、並びに光結合器とＩＯＣ入力ポートとの間の少なくとも１つの偏光素子及び／又はループとＩＯＣ出力ポートとの間の少なくとも１つの偏光素子を備える。偏光素子は好ましくは、高い偏光消光比を有する偏光ファイバである。別の実施形態では、偏光ファイバを感知コイルファイバとして使用することもできる。

追加の偏光素子をＩＯＣに連結して追加することは、望ましくない偏光モードの排除を増強するのに有利である。代替的に、この手法によって、特定のジャイロバイアス安定性要件を満たすための、ＩＯＣ ＰＥＲ、ＩＯＣピグテール調整不良、スプライス偏光調整不良、コイル複屈折又はｈパラメータ、結合器偏光依存損失（ＰＤＬ）、デポラライザファイバ長等のような、多くの光学素子の性能要件を大幅に緩和させることができる。

図２は、本発明の一実施形態による偏光解消ジャイロスコープ２を示している。図１の装置１の構成要素と同様のジャイロスコープ２の構成要素は、図２において同様の参照符号によって示される。図２に示されている実施形態では、偏光素子２１５が結合器１２とＩＯＣ１６との間に配置される。方向性結合器１２は、溶融ファイバ結合器、マイクロ光結合器、重なり結合器（lapped coupler）、又は光サーキュレータ若しくは等価な装置とすることができる。広帯域幅光源１１から方向性結合器１２を通過する光波は続いて、偏光素子２１５によって偏光され、その後ＩＯＣ１６に結合される。偏光素子２１５は、１つの偏光の光を実質的に透過させる一方で直交偏光を強く抑制するファイバ結合光偏光子又は等価な装置とすることができる。ＩＯＣ１６は、（光源１１に向かって配置されている）１つの入力ポートと、（ループ１０に向かって配置されている）２つの出力ポートとを有する。ＩＯＣ１６の入力ポートに入る光波は、接合部１７において２つの実質的に等しい部分に分割される。一方の光波は時計回り（ＣＷ）方向にループ１０を通じて伝播し、他方の光波は反時計回り（ＣＣＷ）方向にループ１０を通じて伝播する。ループ１０は、デポラライザ２００に結合されるリード線１０１及び１０２を有する非ＰＭシングルモード（ＳＭ）ファイバとすることができる。デポラライザ２００は上方部分２１０及び下方部分２２０を含む。上方部分２１０はＰＭファイバセグメント２１及び２３を含む。これらのＰＭファイバセグメントの光軸はスプライス２２において実質的に約４５度に調整される。下方部分２２０はＰＭファイバセグメント２６及び２８を含む。これらのＰＭファイバセグメントの光軸はスプライス２７において実質的に約４５度に調整される。ＰＭファイバ２１及び２６の偏光軸は、出力ポートスプライス２０及び２５においてＩＯＣ導波路４０の通過軸に対して実質的に約０度に調整される。ＣＷ光波及びＣＣＷ光波は、ループ１０及びデポラライザ２００を通じて伝播した後、接合部１７において結合し、ＩＯＣ１６入力ポートを出る。出た光波は、偏光素子２１５及び結合器１２を通過し、その後光検出器１４に到達する。

ＩＯＣ１６は、通過軸に沿って偏光される一方の偏光モードを誘導すると共に、非通過（reject）軸に沿って偏光される他方の偏光モードを実質的に拒絶する偏光導波路を有するＬｉＮｂＯ３結晶基板を備えることができる。図示されている実施形態における偏光素子２１５の通過軸はＩＯＣ通過軸に合わせられる。素子２１５による追加の偏光識別が、ジャイロスコープ偏光誤差を低減するのに有利である。これは、図３に示されているモデル化結果から明白に見てとることができる。相対スケール（「１」が偏光素子２１５無しの元のバイアス誤差を表す）において、図３における破線は、素子２１５のＰＥＲと共にバイアス誤差が単調に低下することを示している。この実施形態では、バルク偏光部品１５の使用が、ピグテールファイバへの接続点において１５２及び１５３の新たな交差結合点を導入する場合がある。偏光誤差は光回路においてこれらの交差結合の影響を受けやすいため、１５２及び１５３の追加の交差結合が、偏光素子２１５によって提供される特定の量の利益を相殺する場合がある。この効果は図３において破線によって示されており、ＰＥＲがゼロであり且つ１５２及び１５３における非ゼロ交差結合が仮定される場合、相対バイアス誤差は１．０よりも大きい。

場合によっては改善される代替の本発明の実施形態を図４に示す。偏光解消ジャイロスコープ３は、結合器１２とＩＯＣ１６の入力ポートとの間に（バルク偏光素子２１５の代わりに）偏光ファイバ４１５を組み込む。ファイバ４１５のような偏光ファイバは、１つの偏光の光を透過させる一方で直交偏光を強く抑制するように機能する。ＩＯＣ入力ピグテール３３は、偏光ファイバ又は非偏光ＰＭファイバのいずれかとすることができる。しかしながら、３３を４１５と同じタイプの偏光ファイバに選択することが好ましい。これは、同じタイプのファイバを接合するのはより容易であるため、３２においてより小さい交差結合が達成可能であり得るためである。図４に示されている実施形態では、偏光ファイバ４１５は内部交差結合点を全く有しないか又は非常にわずかに有し、さらなる偏光誤差を導入しない。偏光ファイバ４１５ＰＥＲのバイアス性能に対する影響は、図３において実線によって示されている。バルク偏光素子２１５を使用する上述の実施形態に関する破線と比較して、ＰＥＲに対するバイアスの依存がより急な勾配を有し、ＰＥＲ＝０においてバイアス誤差がより小さい。これらは、偏光ファイバが偏光誤差を低減するのに有利であり得ることを示す。加えて、追加のバルク部品がジャイロ光回路内に導入されないため、この実施形態はよりコンパクト且つ経済的にすることができる。

しかしながら、特にバルク偏光素子の内部交差結合が非常に小さい（たとえば−３０ｄＢよりも小さい）場合は、偏光ファイバ及びバルク偏光素子の機能差は重要ではないかもしれない。本発明の実施形態の説明の一般性のために、用語「偏光素子」は、偏光ファイバ４１５のような偏光ファイバ又は素子２１５のようなバルク偏光素子のいずれかを指すことができることに留意されたい。明記されていない場合、偏光ファイバは他の偏光素子によって取り替え可能であるとみなされるべきである。

偏光ファイバを組み込む偏光解消光ファイバジャイロスコープ４の代替の一実施形態を図５に示す。この実施形態は、図４に示されている実施形態を参照して説明したように１つ又は複数の入力ファイバを備えるのではなく、ＩＯＣ１６出力ポートピグテール５２１及び／又は５２６のうちの少なくとも一方において偏光ファイバを備える。図５の実施形態では、部分２３及び２８は非偏光ＰＭファイバとすることができる。これらの部分の光軸は、スプライス２２及び２７において偏光ファイバ５２１及び５２６に対して実質的に約４５度に調整される。偏光ファイバ部分５２１及び／又は５２６のジャイロスコープバイアス性能に対する効果を図６に表す。各偏光部分の効果を区別するために、２つの曲線を描く。円形記号を有する実線は両方のファイバ部分５２１及び５２６が偏光ファイバである場合を表す。矩形記号を有する破線は、ファイバ部分５２１のみ又は部分５２６のみが偏光ファイバである場合を表す。２つのＰＺ部分の−２０ｄＢのＰＥＲが１０倍の偏光誤差低減を提供することができることが分かった。部分５２１のみ又は部分５２６のみが偏光をもたらす場合、バイアスの低減の程度はこれよりも大きくない。

代替の実施形態のジャイロスコープ５は、図７に示すように、ＩＯＣ入力ピグテール（部分７１５）及び出力ピグテール（部分７２１、７２６）の両方において偏光ファイバ部分を含む。この構成からの組み合わされた偏光効果は、上述した実施形態の場合よりも著しい可能性がある。

ジャイロスコープ光回路内の偏光素子を位置決めする場所の選択は慎重に行うべきであることは留意すべきである。たとえば、偏光素子を光源１１と結合器１２との間に配置することによって大きな偏光誤差が生じる場合がある。図８は、このような不正確に配置された偏光素子を有するジャイロの場合の、モデル化されたバイアス誤差対ＰＥＲのグラフである。偏光解消ジャイロスコープにおいて結合器の上流で光源を偏光することが不利である可能性があることは明白であると考えられる。同様に、非偏光結合器の代わりに偏光方向性結合器を使用することは不利である場合がある。これは、偏光素子の不正確な配置の結果として偏光誤差が著しく増大する可能性があるためである。

本発明の一実施形態の原理はＰＭジャイロスコープにも同様に適用することができる。シミュレーションが、ＩＯＣ ＰＥＲが特定の値を超えない場合、少なくとも１つの追加の偏光素子をＰＭ光ファイバジャイロスコープ内に挿入することが有利であり得ることを示している。図９を参照すると、装置６は、ＩＯＣ入力ポートピグテールファイバとして偏光ファイバ９３３を有するＰＭジャイロスコープの一実施形態である。この実施形態では、９１０はＰＭファイバコイルであり、２１及び２６は通常のＰＭファイバである。スプライス３１、３４、２０、２２、２５、２６におけるＰＭ、ＰＺファイバ及びＩＯＣ導波路の複屈折軸を全て、互いに対して実質的に約０度として、偏光交差結合を最小化することができる。３４における交差結合は回避することができないが、偏光誤差の全体的低減は、偏光ファイバ９３３のＰＥＲが十分に高い場合、依然として大幅なものであり得る。

図１０は、ＰＭジャイロスコープ７の代替の一実施形態を示している。このＰＭジャイロスコープは、入力ポート（部分１０３３）と、１つ又は両方の出力ポート（部分１０２１、１０２６）との両方においてＩＯＣピグテールファイバとして偏光ファイバを有する。偏光ファイバ１０３３、１０２１、及び１０２６は、この構成において偏光誤差の大幅な低減を提供することができる。加えて、この構成は、シングルタイプ偏光ファイバのために最適化されるモードフィールド形状を有するようにＩＯＣ導波路を設計するのに有利である。

図１１を参照すると、装置８は、偏光誤差を低減するために偏光ファイバを組み込む本発明の代替の一実施形態である。この実施形態では、感知コイル１１１０全体並びにファイバ部分１１２１及び／又は１１２６が偏光ファイバである。ＩＯＣ入力ピグテールファイバ１１３３は、同じタイプの又は他の偏光ファイバとすることもできる。この構成では、望ましくない偏光モードのスプリアス光を、大幅に低下した値に低減することができる。したがって、ＩＯＣ ＰＥＲの要件を大幅に緩和することができる。

上記のように本発明の好ましい実施形態を図示及び説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多数の変更を行うことができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されない。代わりに、本発明は、以下の特許請求の範囲を参照することによって全体的に画定されるべきである。

Claims (3)

1. 光ファイバジャイロスコープ（２）であって、
   光源（１１）と、
   前記光源（１１）に結合される結合器（１２）と、
   前記結合器（１２）に結合される光検出器（１４）と、
   偏光をもたらす第１の素子（２１５）によって前記結合器（１２）に結合される光集積回路（ＩＯＣ）（１６）と、
   第２の素子（２１０）及び第３の素子（２２０）によって前記ＩＯＣ（１６）に結合される感知ループ（１０）と、
   を備える、光ファイバジャイロスコープ。
2. ジャイロスコープ（２）であって、前記第２の素子（２１０）は偏光素子を含む、請求項１に記載のジャイロスコープ。
3. 光ファイバジャイロスコープ（２）であって、
   光源（１１）と、
   前記光源（１１）に結合される結合器（１２）と、
   前記結合器（１２）に結合される光検出器（１４）と、
   第１の素子（２１５）によって前記結合器（１２）に結合される光集積回路（ＩＯＣ）（１６）と、
   第２の素子（２１０）及び第３の素子（２２０）によって前記ＩＯＣ（１６）に結合される感知ループ（１０）であって、前記第２の素子及び前記第３の素子のうちの少なくとも一方は偏光素子である、感知ループ（１０）と、
   を備える、光ファイバジャイロスコープ。

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