JP2010261959A - 偏光解消ジャイロにおける効果的な相対強度雑音（ｒｉｎ）除去のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光解消ジャイロのＡＲＷ性能を向上させるための、効果的な相対強度雑音（ＲＩＮ）除去システム及び方法を提供する。
【解決手段】光がデポラライザ２４０及びコイルを通過した後であるが、カウンタ伝搬光波と結合する前に、検知ループ２５０においてＲＩＮ検出器光２７０をタップする。ＲＩＮ検出器が速度検出器のスペクトルと実質的に同一のスペクトルをもつ光波を受信し、より効果的なＲＩＮ除去をもたらすように、タップされたＲＩＮ光波は、ＩＯＣの通過軸と同じ方向に配向された通過軸を用いて偏光される。
【選択図】図３

Description

本発明は、偏光解消ジャイロにおける効果的な相対強度雑音（ＲＩＮ）除去のためのシステム及び方法に関する。

相対強度雑音（ＲＩＮ）は干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）の角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）の主要原因の１つである。電気的強度雑音除去はジャイロ性能を向上させる目的でＲＩＮを減少させるために使用されてきた。しかしながら、ＲＩＮ検出器での光波スペクトルと速度検出器（rate detector）での光波スペクトルとの間の不一致に起因して、偏光解消（デポラライズされた、depolarized）単一モード（ＳＭ）ＩＦＯＧに対し、ＲＩＮ除去は偏光保持（ＰＭ）ＩＦＯＧに対してのＲＩＮ除去ほど効果的ではなかった。このスペクトルの不一致は、ジャイロデポラライザ及び単一モードコイルファイバの複屈折に由来する。

図１は、偏光解消光ファイバジャイロスコープ１００における典型的な従来技術のＲＩＮ除去方式を示す。光源１１０から放出された光波は、２×２ファイバカプラ１２０によって光集積回路（ＩＯＣ）１３０の入力導波路１３１に入れられる。ＩＯＣのＹ接合点スプリッタ／コンバイナは、入力光波を実質的に等分に分配する。等分された光波の１つ（ＣＷ光）は導波路１３４に向けられ、他方の光波（ＣＣＷ光）は導波路１３５に向けられる。導波路１３４、１３５における光波は、変調器１３３によって位相変調され、その後、カップリングされてデポラライザ部１４０に入る。デポラライザ部１４０は、偏光保持ファイバ１４１、１４３、１４４及び１４６を有しており、これら偏光保持ファイバは、隣接するＰＭファイバの分極軸間が４５度の角度を有する接合部１４２及び１４５で接合されている。非ＰＭ単一モード（ＳＭ）ファイバコイル１５０の端部１５１及び１５２は、ＰＭファイバ１４３及び１４６にそれぞれ接続している。ファイバコイル１５０を通過して戻ってきたＣＷ光波及びＣＣＷ光波は、Ｙ接合点（コンバイナ１３２）で再び結合され、２×２ファイバカプラ１２０によってポート１２２からポート１２３に向けられた後、速度検出器１６０に伝搬する。

この従来技術では、光源相対雑音は、典型的には２×２ファイバカプラ１２０のポート１２４でＲＩＮ検出器１７０によって測定され、その後、適切な遅延の後にジャイロ速度検出器の信号から電気的に除去される。このＲＩＮタッピング方式は、ＰＭファイバコイルを使用し、デポラライザを使用しないＰＭジャイロ（図１には示さず）に対しては十分に作用する。なぜなら、速度検出器の光スペクトルとＲＩＮ検出器での光スペクトルは実質的に同一であるためである。そのようなＰＭジャイロでは、光源の全スペクトル成分の偏光状態は、検知ループの通過軸と一直線に合わせられ、速度検出器に到達できる。しかしながら、これは偏光解消ジャイロスコープには当てはまらない。図１に示された偏光解消ジャイロにおいて、光源の異なるスペクトル成分の偏光状態は、光路に沿って維持されない。なぜなら、ファイバコイルは偏光保持（ＰＭ）ではなく、デポラライザに４５度接合部があるためである。スペクトル成分の偏光状態は、光回路を通過した後のＩＯＣの通過軸と平行に配向され得ず、このようにして、速度検出器への入り込みを軽減又は阻止される。図２に示すように、速度検出器での光波スペクトル１８０はスペクトル的に変調／チャネライズ（channelize）され、ＲＩＮ検出器での光波スペクトル１８２とは著しく異なる。速度とＲＩＮとの間のスペクトルの不一致は、ＲＩＮ除去効率の顕著な低下を引き起こす。

本発明は、偏光解消ジャイロのＡＲＷ性能を顕著に向上させる、より効果的なＲＩＮ除去方法を提供する。本発明は、光がデポラライザ及びコイルを通過した後であるか、カウンタ伝搬光波（counter propagating lightwave）と結合する前に、検知ループにおいてＲＩＮ検出器光をタップする方式を使用する。タップされたＲＩＮ光波は、次のポラライザによって、ＩＯＣの通過軸と同一方向に配向された通過軸を用いて偏光される。このようにして、ＲＩＮ検出器は速度検出器のスペクトルと実質的に同一のスペクトルをもつ光波を受信し、結果として、より効果的なＲＩＮ除去をもたらす。回転誘導光波位相変化及び変調誘導光波位相変化は、ＲＩＮ検出器での強度変化に変換されないため（カウンタ伝搬光への干渉は生じない）、所望しない強度雑音のみが速度信号から除去される。この方式は、長い遅延ファイバ又は追加の電子機器を使用しないで、速度信号に応じたＲＩＮ信号の遅延要求を容易に達成できるという追加的な利点を有する。さらに、ＲＩＮ信号は、光がファイバコイル（最大数ｋｍ）を通過した後にタップされるため、コイル損失の変化に起因する強度変動は、速度検出器及びＲＩＮ検出器の両方と同一であり、結果として、より効果的な雑音除去をもたらす。

本発明において、発明の好ましい実施の形態が２つある。１つは、デポラライザに接続しているＩＯＣ出力ファイバのうちの１つにＰＭカプラを挿入することである。このカプラは、コイルを通過する微量の光をカップリングし、ＲＩＮ検出器に向ける。適切にＲＩＮ光を偏光すること、及び検知ループへの回帰から隔離することが必要である。別の実施の形態は、光集積回路（ＩＯＣ）の新たな設計を必要とし、ＲＩＮタップカプラ及びポラライザをＩＯＣの内部に組み込むものである。この方式は、部品統合のレベルを増大し、よりコンパクトなジャイロ設計を実現するための助けとなる。

本発明の好ましい実施形態及び代替的な実施形態を、以下の図面を参照しながら詳細に説明する。

典型的な従来技術のＲＩＮ除去方式を用いた偏光解消ジャイロの概略図である。 典型的な偏光解消ジャイロスコープに対するＲＩＮ検出器及び速度検出器での光波スペクトルの図である。 本発明の一実施形態による光回路の概略図である。 本発明の別の実施形態による光回路の概略図である。

ブロードバンド光源の相対強度雑音（ＲＩＮ）は、光源に含まれる異なる光周波数成分のビーティングに由来する。干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）の場合、速度検出器でのＲＩＮは検出器に到達した光源スペクトルによって求められる。速度検出器から強度雑音を効率よく除去するために、光回路の異なる場所での光源のＲＩＮを記録するために特設される、別の検出器（ＲＩＮ検出器）は、速度検出器のスペクトルと実質的に同じスペクトルを有する光を受信するのに望ましい。本発明はＲＩＮ検出器及び速度検出器での整合光スペクトル（matched light spectra）を使用した、偏光解消ジャイロにおける効果的なＲＩＮ除去のためのシステム及び方法を説明する。

図３を参照すると、本発明の一実施形態によれば、偏光解消ジャイロ２００は、光源２１０、方向性カプラ２２０、光集積回路（ＩＯＣ）２３０、及びファイバループ２５０を備える。これらの構成要素は、図１に示す構成要素１１０、１２０、１３０、及び１５０とそれぞれ同一であってもよい。光源２１０から放出された光波は、カップリングされＩＯＣ２３０の入力波ガイド２３１に入り、Ｙ形スプリッタ／コンバイナ２３２で分配され、ＣＷ伝搬波及びＣＣＷ伝搬波となる。

カップリングされ、ファイバコイル２５０内に入る前に、波ガイド２３４（２３５）におけるＣＷ（ＣＣＷ）光は、最初にデポラライザ２４０部の上部（下部）に伝搬する。デポラライザ２４０部はＰＭファイバ２４１（２８４、２８５）及び２４３（２４６）を備える。ＩＯＣ２３０の偏光通過軸は、ＰＭファイバ２４１（２８４、２８５）の偏光通過軸と一直線に合わせられ、２４１（２８４）の偏光軸と２４３（２４６）の偏光軸とは、ファイバ接合部２４２（２４５）で互いに対して４５度となるように配向される。そのような構成において、コイルに入るブロードバンド光源の各波長成分は、線形から楕円形、円形の範囲で異なる偏光状態を有し、全体でほぼ偏光解消光を形成する。ファイバコイルの端部２５２（２５１）を出るＣＷ（ＣＣＷ）光波は、カップリングされ、下部（上部）デポラライザ部に入る。下部（上部）デポラライザ部は、ＰＭファイバ２４６（２４３）、２８４（２４１）、及びそれらを接続する４５度接合部２４５（２４２）を含む。

ＣＷ光は、ＣＣＷ光とスプリッタ／コンバイナ２３２で再度結合する。ＩＯＣ２３０の通過軸に沿って非ゼロ強度を有する波長成分のみが、カプラ２２０によって方向付けされた後、速度検出器２６０に到達する。速度検出器での典型的な光スペクトルを、図２における光スペクトル１８０によって示す。

図１における従来技術と異なり、図３に示すように、ＰＭカプラ２８１は、下部デポラライザにおいて、第２のＩＯＣ波ガイド２３５と４５度接合部２４５との間に挿入される。カプラ２８１は、十分な量の光伝搬を第２の下部ＰＭファイバ２８４から、第１の下部ＰＭファイバ２８５に渡す。逆も同様である。カプラ２８１は、ごく少量のＣＷ光（第２の下部ＰＭファイバ２８４から第１の下部ＰＭファイバ２８５への伝搬）をカップリングして、ポート２８３に入れる。ＩＯＣ２３０の偏光軸と同一に配向された偏光軸を用いたポラライザ２８７は、速度検出器２６０に到達波長成分と同じ波長成分をＲＩＮ検出器２７０に渡す。アイソレータ２８６は、反射光を検知ループへ入ることから阻止する。

ＲＩＮ検出器２７０での光波スペクトルが、速度検出器２６０での光波スペクトルと同一であることは、理論上証明することができ、ブロードバンド光源２１０からの光波は偏光解消される。光波はＩＯＣ２３０の波ガイドによって偏光される。ファイバループ２５０全体を通過した後の、カプラ２３２でのＣＷ光波は、ジョーンズ行列法によって表すことができる。

上記の式において、Ｅ_０ｘ及びＥ_０ｙは、ＩＯＣ２３０の通過軸及びブロック軸に沿って偏光された入力光の電界である。ここでは、一般性を損なうことなく、ｘ偏光光Ｅ_０ｘはＩＯＣ通過軸に沿って配向され、ｙ偏光光Ｅ_０ｙはＩＯＣブロック軸に沿って配向されると仮定される。ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、及びｔ_４は、それらの対応する高速軸に関連する、（２３４＋２４１）、２４３、２４６、及び（２３５＋２８５＋２８４）の複屈折低速軸によって発生する位相遅延である。φ_Ｂは変調器２３３で適用されるバイアス変調の位相であり、φ_Ｒは回転誘導されたサグナック位相である。Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、測定又はシミュレートが可能な、ファイバループ２５０におけるＳＭコイルの波長依存ジョーンズ行列要素である。εは、ＩＯＣ２３０の偏光振幅減衰率である。ＩＯＣ２３０が高い偏光振幅減衰率を有する場合、電界のｙ成分は無視できるほど小さい。ｘ偏光光のみが検出器に到達する。

ファイバループ２５０を通過した後の、コンバイナ２３２でのＣＣＷ光波は同様に、

のように表することができる。
速度検出器２６０に到達する総電界（total field）は、

である。ここで、βは、コンバイナ２３２から速度検出器２６０までの光伝搬の振幅損失を考慮に入れた係数である。Ｕは、上記の式の一番目の括弧内の式を表す、簡素化記号である。速度検出器２６０での強度は、

である。
ＳＭファイバコイル２５０のＡ行列要素、Ｂ行列要素、Ｃ行列要素、及びＤ行列要素は波長に依存するため、｜Ｕ｜^２は波長の関数であり、速度検出器２６０での光パワースペクトル分布を表す。検出器２６０での速度信号は、回転速度検知に関して復調され得るサグナック位相を含む。

ＲＩＮ検出器２７０に到達する光は、そのカウンタ伝搬部分とは結合せず、バイアス変調されない。ＲＩＮ検出器２７０に到達する光の強度は、

である。ここで、αはＲＩＮカプラ及びＲＩＮ検出器２７０への経路によって発生した振幅損失である。式４と式６とを比較すると、ＲＩＮ検出器２７０に到達する光波スペクトルは、速度検出器２６０での光波スペクトルと同じである。両方とも｜Ｕ｜^２で表される。しかしながら、ＲＩＮ検出器２７０によって生成される信号は、サグナック位相及びバイアス変調からのいずれの強度変化も含まない。これは、ＲＩＮ除去に対して理想的である。なぜなら、強度変化によって誘導されたサグナック位相は、ＲＩＮ除去の間に取り除かれるべきでなく、速度検知のための復調処理において有用であるためである。

カプラ２８１はまた、デポラライザ２４０の上部部分において、ＩＯＣ２３０の波ガイド２３４と４５度接合部２４２との間にも設置され得る。上記の理論によって、検知ループを通過した後、スプリッタ／コンバイナ２３２並びに４５度接合部２４５及び２４２の間でタップされたＣＷ及びＣＣＷ光のスペクトルは、同一であることが示された。２つの構成は等価であり、図３に示される同じ実施形態によって包含されると考えられる。

検知ループにおけるＰＭカプラが引き起こすおそれのある、偏光誘起バイアスエラーを軽減させるため、可能な限り小さい、例えば−２５ｄＢ未満の偏光クロスカップリングを用いるＰＭカプラを使用する。偏光クロスカップリングをカプラにおいて避けることができない場合であっても、それらの位置が実質的に４５度接合部に近接し、無視できる程度のバイアスエラーしか引き起さないことができる、カプラを４５度接合部に、可能な限り近接させて位置付ける。これによって、デポラライザの設計が上がり容易になる。

図４は、本発明の他の実施形態によって形成されるジャイロ３００の例を示す。この実施形態によると、ＲＩＮ波ガイドカプラ３８１がデポラライザファイバのパッケージに影響を及ぼさないよう、ＲＩＮ波ガイドカプラ３８１をＩＯＣ２３０に組み込む。ＩＯＣ３３０内のＲＩＮ波ガイドカプラ３８１は、光のごく一部をカップリングし、波ガイド３８３に入れる。導波路３８３もＩＯＣ３３０内にある。波ガイド３８３は光をＲＩＮ検出器３７０に向ける。波ガイド３８３は、ＩＯＣ３３０内の他の波ガイドと同じ方法で光を偏光する偏光波ガイドである。そのため、ＲＩＮ検出器３７０に到達する光のスペクトルは、速度検出器３６０に到達する光のスペクトルと実質的に同一である。後方反射光が検知ループに進入するのを防止するため、出力カップリングファイバへのＩＯＣインタフェース３８４は、角度研磨されなければならず、アイソレータ３８６はＲＩＮ検出器３７０とＩＯＣ３３０との間に挿入される。ＲＩＮ波ガイドカプラ３８１の別の端部３８２は適切に終端処理され、いかなる光反射がＩＯＣ３３０へ再度入ることも防止する。

本質的に、両方の実施形態において、光がカウンタ伝搬光波と再結合する前であるが、光がコイル及びデポラライザを通過した後に、検知ループ内部でＲＩＮ光をタップする。図３及び図４において示される２つの実施形態は例示であって、本概念の実現を、ファイバコイルの各端部に２つのデポラライザを有するジャイロに限定するものでは決してない。ＲＩＮ検出器での光スペクトルが、速度検出器での光スペクトルと実質的に同一である限り、光回路の異なる位置に設置された異なる数のデポラライザをもつ他のジャイロは、本発明を使用できる。

上述のように、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多く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るものではない。むしろ、本発明は、専ら以下の特許請求の範囲を参照することによって画定されるべきである。

Claims (3)

1. 光ファイバジャイロ（２００）であって、
   光源（２１０）と、
   少なくとも３つのポートを有する方向性カプラ（２００）であって、第１のポートで受信した光の大部分を第２のポートに向け、且つ第２のポートで受信した光の大部分を第３のポートに向けるように構成され、前記光源がカップリングされて前記第１のポートに向けられる、前記カプラと、
   前記方向性カプラの前記第３のポートに接続される光速度検出器（２６０）と、
   少なくとも３つのポートを有する光集積回路（ＩＯＣ）（２３０）であって、前記ＩＯＣの前記第１のポートが前記方向性カプラの前記第２のポートに接続している、光集積回路と、
   第１の偏光解消素子（２４１、２４２、２４３）と、
   第２の偏光解消素子（２８４、２８５、２４６、２４５）と、
   ２つの端部を有する検知ループ（２５０）であって、前記ループの前記第１の端部は、前記第１の偏光解消素子を介して前記ＩＯＣの前記第２のポートに接続しており、前記ループの前記第２の端部は、前記第２の偏光解消素子を介して前記ＩＯＣの前記第３のポートに接続している、検知ループと、
   前記偏光解消素子のうちの１つ、又は前記ＩＯＣの第２のポート若しくは第３のポートのうちの近い１つと接続して光波を受信する相対強度雑音（ＲＩＮ）（２７０）検出器と、
   を備える、光ファイバジャイロ。
2. 前記ジャイロ（２００）であって、
   前記偏光解消素子のうちの少なくとも１つは少なくとも３つのポートを有するＲＩＮカプラ（２８１）を備え、前記ＲＩＮカプラ（２８１）の前記第１のポートは前記ＩＯＣの前記第２のポート又は前記第３のポートのうちの１つに接続し、前記ＲＩＮカプラ（２８１）の前記第２のポートは関連付けられる偏光解消素子に接続し、前記ＲＩＮカプラ（２８１）は、検知ループ（２５０）から送信された所定のごく一部の光をカップリングして、前記ＲＩＮカプラの前記第３のポートに向ける、請求項１に記載の光ファイバジャイロ。
3. 前記ジャイロ（３００）であって、前記ＩＯＣ（２３０）は、
   少なくとも１つの偏光素子（２３４、２３５）と、
   スプリッタ／コンバイナ（２３２）であって、カップリングされ、第１のＩＯＣポートに入れられた光が偏光素子によって偏光され、且つ２つの光波に分配され、その結果として生じた光波が前記第２のＩＯＣポート及び前記第３のＩＯＣポートに向けられる、スプリッタ／コンバイナと、
   前記第２のポート又は前記第３のポートのうちの１つと、スプリッタ／コンバイナとの間の光伝搬のごく一部をカップリングし、ＲＩＮ検出器（３７０）に向ける、ＲＩＮ波ガイドカプラ（３８１）と、
   を備え、
   前記ＲＩＮカプラからカップリングされた光は、光アイソレータ（３８６）を介して前記ＲＩＮ検出器（３７０）に向けられる、請求項１に記載の光ファイバジャイロ。

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