JP2016004048A

JP2016004048A - 光学的誤差の低減した小型で低コストな共振器光ファイバジャイロスコープ

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Publication number: JP2016004048A
Application number: JP2015122758A
Authority: JP
Inventors: グレン・エイ・サンダース; A Saunders Glenn; リー・ケイ・ストランドジョード; K Strandjord Lee; ティエチュン・チウ; Tiequn Qiu; ジアンフェン・ウー; Jianfeng Wu
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-01-12
Also published as: EP2957863A1; US20150369606A1; US10197397B2; EP2957863B1

Abstract

【課題】光学的誤差の低減した小型で低コストな共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）を提供する。【解決手段】ＲＦＯＧ１００Ｃは、光源１０２Ａ、１０２Ｂからの時計回り光信号と反時計回り光信号を光ファイバ共振器１０８に結合させ、光ファイバ共振器１０８からの前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を光検出器１３０Ａ、１３０Ｂに結合させるように構成された光チップ１０９とを備える。光ファイバ共振器１０８は、第１端点１１９Ａと第２端点１１９Ｂを有する光ファイバコイル１１８を備え、光ファイバコイル１１８は、第１端点１１９Ａと第２端点１１９Ｂの中間に配置された９０度スプライス１２４を有し、第１端点１１９Ａと９０度スプライス１２４の間に配置された第１ファイバストレッチャ１２６Ａの周りに巻回され、第２端点１１９Ｂと９０度スプライス１２４の間に配置された第２ファイバストレッチャ１２６Ｂの周りに巻回される。【選択図】図１Ｃ

Description

関連出願への相互参照

[0001] この出願は、２０１４年６月１９日に提出された米国仮特許出願番号６２／０１４，６６２の利益を主張し、その内容はこれによって参照として本明細書に組み込まれる。

[0002] 商用ナビゲーション応用向けの小型で低コストなナビゲーショングレードジャイロスコープに対する要求がある。光学ジャイロスコープ技術の中で、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、既存の干渉計型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）及びリングレーザジャイロスコープ（ＲＬＧ）よりも良好な信号対雑音感度を回転速度測定にもたらすことによって、それらの要求を潜在的に満たすことが可能であろう。

[0003] ＲＦＯＧは他の種類のジャイロスコープに対して多くの利点を有してはいるが、それでもいくつかの問題を有している。ＲＦＯＧの１つの大きな問題はバイアス不安定性であり、それは測定された回転速度の偏差、即ち、ジャイロスコープが実際には回転していない時にそのジャイロスコープによって示される回転速度の偏差である。バイアス不安定性の１つの原因は、不適切な偏光状態にある光によるものである。従来の実装例は、不適切な偏光状態にある光の問題とＰＭファイバにおいて発生する温度依存誤差を解決しようとしてきた。しかしながら、これらの問題を解決しようとするにあたって、従来の実装例は、性能を制限しあるいは製造トレランスの厳しさを増大させる後方散乱や残留偏光誤差のような性能問題を引き起こすスプライス及びファイバカプラを通じて、より大きな共振器損失（より高いジャイロスコープ雑音）、より多くの組み立てコスト、より大きなサイズ、より多くの欠陥などの他の問題を引き起こしてきた。その上、中空コアファイバの使用は他の誤差項を除去するのであるが、従来の実装例が数多くのスプライスを導入すると、中空コアファイバを使用する能力が少なくなる。中空コアファイバの融着スプライスは損失が非常に大きく、メカニカルスプライスは損失が大きくコストが高い。従来の実装例における上記問題のそれぞれは、本開示の実施態様がどのようにして上記問題を解決するかということと共に、以下においてより詳細に論じられる。

[0004] 明細書を読み理解すれば当業者には明らかとなるであろう前述及び後述の理由により、ＲＦＯＧのバイアス不安定性を改善するための改良システム及び方法に対する要求が、当該分野に存在する。

[0005] 本開示の実施態様は、光学的誤差の低減した小型で低コストな共振器光ファイバジャイロスコープのためのシステム及び方法を提供する。

[0006] 一実施態様では、共振器光ファイバジャイロスコープは、時計回り光信号と反時計回り光信号を放出するように構成された少なくとも１つの波長可変光源と、前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を受け取るように構成された光チップであって、前記光チップは、前記少なくとも１つの波長可変光源からの前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を光ファイバ共振器に結合させ、前記光ファイバ共振器からの前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を少なくとも１つの光検出器に結合させる、光チップとを備える。前記光ファイバ共振器は、第１端点と第２端点を有する光ファイバコイルであって、前記光ファイバコイルは、実質的に前記第１端点と前記第２端点の中間に配置された９０度スプライスを有し、前記光ファイバコイルは、前記第１端点と前記９０度スプライスの間に配置された第１ファイバストレッチャの周りに巻回され、前記光ファイバコイルは、前記第２端点と前記９０度スプライスの間に配置された第２ファイバストレッチャの周りに巻回されている、光ファイバコイルと、前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号をサンプリングするように構成された前記少なくとも１つの光検出器とを備える。

[0007] 図面は例示的な実施態様のみを表し、したがって適用範囲において限定的であるものと見做されてはならないということを理解して、その例示的な実施態様が、添付図面の使用を通じてより一層の具体性と詳細さをもって説明される。

図１Ａは、例示的なＲＦＯＧのブロック図である。図１Ｂは、例示的なＲＦＯＧのブロック図である。図１Ｃは、例示的なＲＦＯＧのブロック図である。図２は、斜め劈開された光ファイバの一例のブロック図である。図３Ａは、側面図のブロック図である。図３Ｂは、側面図のブロック図である。図４は、共振器光ファイバジャイロスコープにおけるバイアス不安定性を低減するための例示的な方法のフロー図である。

[0012] 一般的な慣例に従って、説明される様々な特徴は一定の縮尺で描かれず、例示的実施態様に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。

[0013] 以下の詳細な説明では、その一部をなす添付図面への参照がなされ、添付図面には、具体的な例示の実施態様が実例として示されている。しかしながら、他の実施態様が利用され得ること、並びに、論理的、機械的、及び電気的な変更がなされ得ることが、理解されなければならない。その上、図面及び明細書に提示された方法は、個々のステップが実施される順序を限定するものと解釈されてはならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に捉えられてはならない。

[0014] 概して、ＲＦＯＧは、リング共振器内を伝搬するように方向付けられた２つの対向伝搬する光波間における、当該リング共振器の共振周波数シフトを測定することによって働く。より具体的には、ビーム発生装置からの光を時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）方向に共振器内へ、並びに共振器から外へ結合させるように光ファイバコイルと少なくとも１つのカプラを用いて、ＲＦＯＧのリング共振器が形成される。ビーム発生装置は、共振コイルの共振周波数が観測されるように、対向伝搬する光ビームのそれぞれの周波数を変調及び／又はシフトさせる。コイルを通るＣＷ及びＣＣＷ経路のそれぞれの共振周波数は、コイルを異なる回数通過した全ての光波がコイル内の任意の地点において強め合って干渉するような、強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉の結果として、波長λを有する光波は、共振器の周回経路長が波長の整数倍に等しい場合に「共振状態にある」と称される。コイルの軸回りの回転は、ＣＷ及びＣＣＷ伝搬に対して異なる経路長を生じさせ、こうして共振器のそれぞれの共振周波数間にシフトを生じさせる。この周波数差、したがって共振器コイルの回転速度は、回転に起因する閉光路の共振周波数シフトに整合するようにＣＷビームとＣＣＷビームの周波数を調整することによって、測定されることが可能である。

[0015] 上述されたように、バイアス不安定性はＲＦＯＧの大きな問題である。ＲＦＯＧにおけるバイアス不安定性の主要な原因の１つは、回転を測定するのに用いられる共振器検知ループ内を伝搬することが可能な、偏光固有状態と呼ばれる光の２つの異なる偏光状態があることである。従来のＲＦＯＧ、あるいはＲＦＯＧの一般的なケースでは、共振器の２つの偏光固有状態は異なる周回経路長を有し、各方向において一方だけ、且つ同じものが、共振器の共振周波数を測定し回転速度を決定するために探査される。もし各入力方向における入力光が共振器のただ１つの共振固有状態に完全には結合しなければ、バイアス不安定性の原因となる光学的誤差が生じ得る。偏光の固有状態は、共振器コイルを一周伝搬した後に自分自身を再生する偏光状態である。ＲＦＯＧ内にはファイバの異なる偏光軸の間で相互結合を引き起こす成分が存在し、この相互結合が今度は共振器の偏光固有状態を変化させる。例えば、もし固有状態１及び２が初めにファイバの２つの主軸、例えばそれぞれｘ及びｙ軸上に完全にあり、ｘ軸の光（固有状態１）が回転検知に用いられるなら、共振器の光ファイバコイル内の光ファイバカプラやスプライス、及び共振器の光ファイバ自身の内部における散乱が、ファイバの２つの軸からの光を相互結合させることがあり、その結果固有状態１及び２は、もはやファイバのｘ及びｙ軸に揃ってはいない。この例において、共振器内における偏光の固有状態は、ファイバの２つの軸の間の光相互結合と熱揺らぎとの組み合わせの結果として変化し、光波をぴったりと共振器の一方の偏光固有状態（ここに「偏光状態」又は「共振器の偏光状態」と称される）に完全に合わせることは困難である。その上、光が望ましくない偏光状態にある場合、それが引き起こす誤差は、ファイバの複屈折（ファイバの２つの異なる軸上を伝搬する光の屈折率差の指標）の変化に起因して温度と共にドリフトし、この望ましくない偏光状態に起因する誤差を補償することは不可能である。

[0016] 図１Ａ−１Ｃは、例示的なＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃのブロック図である。ＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃの概略的な動作は上で説明されている。即ち、ＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃは、リング共振器１０８内を伝搬するように方向付けられた２つの対向伝搬する光波１２２Ａ、１２２Ｂ間における、リング共振器１０８の共振周波数シフトを測定することによって働く。従来の実装例における上述された問題を解決するに際して、ＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃの動作を完全なものにする構成要素が、以下においてより詳細に説明される。異なる図において同一の符号を付された要素は、相互に同じように機能する。

[0017] ＲＦＯＧ１００Ａは、波長可変光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂをそれぞれ合成する波長可変光源１０２Ａ、１０２Ｂ（例えば、波長可変レーザ、半導体レーザ、光周波数コム、又は他の適切な波長可変光源）を備える。波長可変光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び波長可変光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは、本明細書においてそれぞれ光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂと称されるだろう。いくつかの実施態様では、波長可変光源１０２Ａ、１０２Ｂは、２つの光源を備えることが可能である。他の実施態様では、より多くの又はより少ない光源１０２Ａ、１０２Ｂが存在することが可能である。一例では、第１光源１０２Ａは周波数ｆ_１を有するように光ビーム１０４Ａを調整し、第２光源１０２Ｂは周波数ｆ_２を有するように光ビーム１０４Ｂを調整する。

[0018] 好適には、２つの光周波数ｆ_１及びｆ_２の間の相対的な周波数ドリフトとジッタは、周波数シフトの測定、したがって回転速度の測定の精度及び安定性に影響を与えないレベルにまで十分に低減される。このことは、図１Ｂに示されるように、サーボ１０６Ａ、１０６Ｂを用いて光周波数ｆ_１及びｆ_２を共振器１０８の共振周波数にロックすることによって達成されることが可能である。

[0019] いくつかの実施態様では、安定性を更に高めるために、図１Ｃに示されるように、サーボ１０６Ｃを用いて共振器１０８の共振周波数ｆ_１及びｆ_２とは異なる周波数ｆ_０の基準共振に安定化されたマスター光源１０３も存在することが可能である。マスター波長可変光源１０３からの光ビーム１０５は、（「スレーブレーザ」と呼ばれる）波長可変光源１０２Ａ、１０２Ｂからの光ビーム１０４Ａ及び１０４Ｂのうちの一方又は両方と混合されることが可能である。この例では、マスター波長可変光源１０３からの光ビーム１０５は、カプラ１０７を用いて光源１０２Ａからの光ビーム１０４Ａと混合される。マスター波長可変光源１０３により生成された光への、波長可変オフセット周波数シフトを用いた位相同期によってスレーブ化された各波長可変光源は、特定の伝送ポートに関連付けられた光検出器からの信号を受け取ってスレーブレーザ１０２Ａ及び１０２ＢをＣＷの共振とＣＣＷの共振の中心に位置させるように波長可変周波数シフトを調整する、関連のフィードバック制御を有することができる。例えば、ＲＦＯＧ１００が２つの波長可変光源１０２Ａ及び１０２Ｂを有する場合、共振器１０８内を伝搬するレーザの一方又は両方が光検出器１３０Ａ及び１３０Ｂの１つへ向けて巡回させられることができ、ここで光検出器１３０Ａ、１３０Ｂは、フィードバック制御への信号を、共振器１０８内を伝搬する波長可変光源１０２Ａ及び１０２Ｂに供給する。

[0020] 光源１０２Ａ、１０２Ｂによって発生した光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは光チップ１０９へ結合される。いくつかの実施態様では、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは、光ファイバ１１０を用いて光源１０２Ａ、１０２Ｂから光チップ１０９へ結合されることが可能である。いくつかの実施態様では、ひとたび光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂが光チップ１０９に入力すると、光チップ１０９は、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを光チップ１０９内でガイドするための導波路又は自由空間光路１１２を含むことが可能である。例示的な実施態様では、光ファイバ１１０の端点（本明細書で「端部」とも称される）は、図２に示されるように斜め劈開されることが可能である。例示的な実施態様では、光ファイバ１１０が斜め劈開される角度２０２は、８度以上であってよい。他の実施態様では、光ファイバ１１０が斜め劈開される角度２０２は、８度未満の角度２０２であってよい。光ファイバ１１０の端部を斜め劈開する目的は、第１屈折率を有する第１材料から第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２材料への移行に起因して生じる、ファイバの導波路に反対方向に結合する後方散乱反射を低減することである。この例では、光ファイバ１１０内のガラスはおよそ１．４７の屈折率を有し、光路１１２中の自由空間の屈折率はおよそ１．００である。光ファイバ１１０を斜め劈開することによって、斜め劈開しなければこの例ではおよそ４％である光ファイバ１１０への後方反射が、大幅に低減される。加えて、光ファイバ１１０は、斜め劈開された端面又は普通の斜め劈開されていない端面と組み合わせて、後方反射光を更に低減するために反射防止（ＡＲ）コーティングされてもよい。光ファイバ１１０の先端の周りに高屈折率コーティングを設けて、（斜め劈開によって）ある角度でクラッド内へ後方反射した光が光ファイバ１１０の外へ完全に吸収され、光ファイバ１１０のコア内へ決して後方伝搬することができないということを確実にすることも可能である。

[0021] ひとたび光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂが光チップ１０９に入力すると、導波路１１２が光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを光チップ１０９内でガイドする。まず、導波路１１２は、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを光サーキュレータ１１４へガイドする。例示的な実施態様では、光サーキュレータ１１４は、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを垂直方向に偏光させる垂直通過軸を有することが可能である。他の実施態様では、光サーキュレータ１１４は、垂直とは異なる向きの通過軸を有すること、又は全く通過軸を有しないことが可能であり、この場合、光サーキュレータ１１４は、様々な向きで光を通過させるだろう。他の実施態様では、光チップ１０９上に導波路がなく、むしろ光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは、チップ表面上方の自由空間を、ファイバからサーキュレータ１１４、部分反射ミラー１１６、及び偏光子１２０のような部品へと進む。

[0022] 光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを偏光させることに加えて、光サーキュレータ１１４は、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを共振器１０８内へ結合する結合素子１１６へ光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを方向付けることが可能である。例示的な実施態様では、結合素子１１６は、光サーキュレータ１１４からの光を共振器１０８の光ファイバコイル１１８の中へ方向付けるように角度調整された弱反射ミラー１１６である。他の実施態様では、結合素子１１６は、光ファイバカプラ、導波路、又は他の適切な部品である。ある実装例では、弱反射ミラーは他の種類の結合素子よりも好適であり得る。何故なら、他の種類の結合器は異なる偏光間の相互結合を招来する場合があるからである。例えば、光ファイバカプラは、カプラ内においてファイバの偏光間のおよそ１％の光の相互結合を招来する場合があり、この相互結合がＲＦＯＧの精度を低下させ得る。サーキュレータ１１４はまた、共振器１０８からの光１２２Ａ、１２２Ｂを光検出器１３０Ａ−１３０Ｃに結合し、光検出器１３０Ａ−１３０Ｃは、共振器からの光１２２Ａ−１２２Ｃをサンプリングする。サーボ１０６Ａ−１０６Ｃを利用する実施態様は、光検出器１３０Ａ−１３０Ｃによって受光された光を結合して、それぞれ光源１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３の周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_０を調整することが可能である。

[0023] 上述されたように、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは結合素子１１６によって光チップ１０９から共振器１０８へ結合される。しかしながら、例示的な実施態様では、偏光子１２０が結合素子１１６と共振器１０８の光ファイバコイル１１８との間において光チップ１０９に含まれることが可能である。例示的な実施態様では、偏光子１２０は、垂直な通過軸、反射防止コーティング、及び垂直入射に対してわずかに傾いた角度を有することが可能である。他の実施態様では、偏光子１２０は、垂直とは異なる通過軸を有することが可能である。

[0024] 光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂが偏光子１２０を通過した後、それらは共振器１０８の光ファイバコイル１１８に入力する。例示的な実施態様では、光ファイバコイル１１８は偏波保持（ＰＭ）ファイバであり、第１端点１１９Ａ及び第２端点１１９Ｂを有する。第１端点１１９Ａ及び第２端点１１９Ｂは、本明細書において「端部」とも称されるだろう。その上、例示的な実施態様では、光ファイバコイル１１８の端部は、上で論じられ図２に示されるように、８度以上で斜め劈開されることが可能である。他の実施態様では、光ファイバコイル１１８の端部は、他の角度で斜め劈開されることが可能である。もしファイバが中実コアファイバであるなら、後方反射を低減するために反射防止（ＡＲ）コーティングされることも可能である。上記と同様に、光ファイバコイル１１８の端部を斜め劈開することで、光チップ１０９の導波路１１２への後方反射が防止され、あるいはより重要なことに、共振器内における伝搬の一方方向から他方方向への光の後方反射が防止されるだろう。この発明では中空コアファイバが用いられることも可能であり、その端面を斜め劈開することで後方反射を低減することが可能である、ということに留意されたい。その上、例示的な実施態様では、光ファイバコイル１１８の端部は、図３Ａ−３Ｂに示されるように、エポキシ３０４などの接着剤３０４を用いて光チップ１０９上のＶ溝３０２Ａ、３０２Ｂ内に固定されることが可能である。中空コアファイバの場合には、接着剤がファイバの中空コアの中に滲み込んで光の導波特性を損なわないようにＶ溝内の端面を保護すべく注意がなされなければならない。

[0025] 図３Ａ−３Ｂは、光チップ１０９上に作製されたＶ溝３０２Ａ、３０２Ｂの側面図である。上述されたように、例示的な実施態様では、光ファイバコイル１１８はＰＭファイバである。周知の通り、ＰＭファイバは速軸と遅軸を有する。ＰＭファイバ内を一方の軸に沿って進む光は、ファイバの一方の偏光状態を持ち、本開示では、ファイバの長さに沿った所与の箇所において共振器の一方の偏光固有状態にある。ファイバの長さに沿った同一箇所において他方の軸に沿って進む光は、ＰＭファイバの他方の偏光状態であって共振器の直交した偏光固有状態で進行する。理想的には、ＰＭファイバは、この２つの軸上にある光の偏光を保存する。その結果、もし光のビームが一方の軸に沿って発せられたなら、その光はそれに対応する偏光で当該軸に留まるはずである。ＰＭファイバに応力棒３０６を設けることによって、ＰＭファイバの速軸と遅軸が形成される。応力棒は光ファイバコイル１１８内に複屈折を生じさせ、この複屈折が、異なる屈折率を有するそれらの軸に起因して、一方の軸上にある光の速度を他方の軸上にある光の速度に対して変化させる。応力棒３０６の面に垂直な偏光を有する光は速軸に沿って進み、一方、応力棒３０６の面に平行な偏光を有する光は遅軸に沿って進む。図３Ａでは、光３２２は垂直偏光を有しており、光３２２が応力棒３０６の面に垂直な偏光を有するので、この光はＰＭファイバ１１８の速軸に沿って進む。図３Ｂでは、光３２２は応力棒３０６の面に平行である垂直偏光を有しており、したがって、図３Ｂにおける光３２２はＰＭファイバ１１８の遅軸中を進む。例示的な実施態様では、光ファイバコイル１１８における応力棒３０６の面は、光チップ１０９の表面に平行、且つＶ溝３０２Ａにおいて光３２２の偏光に垂直であり、更に、光ファイバコイル１１８における応力棒３０６の面は、光チップ１０９の表面に垂直、且つ、以下でより詳細に説明される光ファイバコイル１１８の９０度スプライス１２４に起因して、Ｖ溝３０２Ｂにおいて光３２２の偏光に平行である。

[0026] ＰＭファイバは２つの異なる屈折率を持つ２つの異なる軸を有するので、この２つの異なる軸で伝搬定数が異なるだけでなく、各軸における温度及び応力の関数としての伝搬定数の変化も異なる。このことは、ＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃの２つの偏光固有状態の相対的な共振周波数に影響を与え、温度又は応力が変動するにつれてＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃの性能を低下させる。いくつかの従来の実装例において認められる温度依存問題に対抗するために、光ファイバコイル１１８は、光ファイバコイル１１８に挿入された９０度スプライス１２４を有している。例示的な実施態様では、９０度スプライス１２４は、光ファイバコイル１１８の中点に挿入される。しかしながら、いくつかの実施態様では、９０度スプライス１２４は、光ファイバコイル１１８のほぼ中点に挿入されることが可能である。この光ファイバコイル１１８中の９０度スプライス１２４のおかげで、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは、速軸上と遅軸上で等しい量の時間を過ごす。一例として、回転を測定するためにＣＷ及びＣＣＷ方向で用いられる共振器の所望の偏光固有状態にある光波は、共振器１０８の上側部分１０８Ａにより表されることができる速軸、及び共振器１０８の下側部分１０８Ｂにより表されることができる遅軸上を伝搬する。したがって、ＣＷ進行光１２２Ａは、共振器１０８の上側部分１０８Ａにいる間は速軸で進むだろう。ひとたびＣＷ光１２２Ａが９０度スプライス１２４を通り抜けて共振器１０８の下側部分１０８Ｂの中へ入ると、この光１２２Ａは、共振器１０８内における共振器ファイバ１１８の遅軸にあるだろう。その結果、ＲＦＯＧの温度依存性が低減される。

[0027] ９０度スプライス１２４を光ファイバコイル１０８に導入することは光ファイバコイル１１８の温度依存性を低減する利点を有する一方で、９０度スプライス１２４は、もし図３Ａ及び３Ｂに示されるような直交した向きのファイバ端部がなければ更なる問題を付加する。即ち、９０度スプライスが直交した向きの端部を持たずに光ファイバコイル１１８に挿入された場合、共振器の偏光固有状態はファイバの２つの軸上で等しい量の光を有し、またファイバの長さに沿って、固有状態は円偏光から楕円偏光、４５度直線偏光、楕円偏光、そして再び円偏光へ変化するだろう。入力光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは、もしそれらが直線偏光だとしたら、もはや１つの共振器偏光固有状態に正確には結合しないであろう。代わりに、光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂは、２つの固有状態を均等に励起するに違いないであろう。例えば、もし注入された光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂがｘ軸偏光の光だとしたら、共振器内で等しい大きさの２つの共振を励起するであろう。したがって、９０度スプライス１２４はＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃの温度依存性を低減したけれども、今度は（図３Ａ及び３Ｂの直交した向きのファイバ端部がないと仮定すると）ファイバコイル１１８の一方の軸に沿った直線偏光ではない共振器の偏光固有状態が存在し、入力光ビーム１０４Ａ、１０４Ｂを共振器１０８の一方の偏光固有状態のみに合わせるのを困難にする。

[0028] いくつかの従来の実装例は、２つの９０度スプライスを導入することによって温度依存性の問題を解決しようとする。結果として、光は遅軸と速軸で等しい量の時間を過ごすので、温度依存性は平均化される。加えて、２つの９０度スプライスは、リング内の偏光固有状態が実質的に直線状態となり、したがってより合わせやすくなることを可能にする。しかしながら、この実装例は、光が遅軸と速軸で実際に等しい量の時間を過ごすように、９０度スプライスが光ファイバコイル内に設置される精度が極めて正確である必要があり、またスプライス角度の９０度からの微小な偏差がジャイロの正確さを著しく低下させ得る、という欠点を有している。そしてまた、この実装例は対称的な入出力構造を有しておらず、このことが誤差を入り込ませる場合もある。

[0029] 不要な偏光を解消するために、いくつかの従来の実装例は、偏光子を光ファイバコイルに導入してきた。しかしながら、この実装例は更なる問題を招来する。例えば、偏光子を光ファイバコイルに導入することの１つの問題は、光ファイバ共振器における損失が増加することである。その結果、ジャイロの信号対雑音比が小さくなる。その上、偏光子を光ファイバコイルに導入することによって、より多くの０度スプライスが必要とされる。

[0030] ２つの９０度スプライスを光ファイバコイルに追加し、又は０度スプライスが挿入されることを必要とする偏光子を光ファイバコイルに追加する従来の実装例の他の問題は、各スプライスにおいて後方散乱光が生じ得ることであり、この後方散乱光は、スプライス若しくは偏光子の対、又はスプライスと偏光子の対からの二重後方散乱光を生む機会を増大させる。二重後方散乱は、前方方向にバイアス不安定性の原因となる光を再発生させるため、ＲＦＯＧに更なる問題を引き起こす。

[0031] 二重後方散乱を取り除くために、この開示における実施態様は、ファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂを光ファイバコイル１１８に導入する。例示的な実施態様では、ファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６ＢはＰＺＴシリンダである。そしてまた、例示的な実施態様では、ファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂは、可能性のある後方散乱発生箇所の各対の間（即ち、スプライスの各組の間）において光ファイバコイル１１８に導入され、そして後方散乱はランダム化されることが可能である。しかしながら、従来の実装例においては、ファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂを可能性のある後方散乱発生箇所の各対に導入することは、従来の実装例が必要とする多数のスプライスのため非現実的である。各ファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂはまた、ＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｃにサイズとコストを追加する。

[0032] 後方散乱をランダム化するために、ファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂは、位相変調振幅が初期光１２２Ａ、１２２Ｂと二重後方散乱光との間におけるベッセル関数Ｊ_０の最初のヌルに対応する２．４ラジアン（又はベッセル関数Ｊ_０の別のヌルに対応するより大きな変調振幅）になるように、適切な経路長変化を与えることができる。２．４ラジアンは次のように計算される。２つの波（即ち初期光１２２Ａ、１２２Ｂと二重後方散乱光）の干渉は、次のように表現されることが可能である。

ここで、Ｉは結果として生じる２つの干渉する波の光強度であり、Ｅ_１は第１の（ＣＷ又はＣＣＷ）一次波即ち信号波の電界振幅であり、Ｅ_２は第２の即ち寄生波（ＣＷ又はＣＣＷ）の電界振幅であり、φ（ｔ）は２つの波の相対位相である。相対位相は時間の関数であるように示されているが、温度の関数又は時間的に変化する他の何らかの環境パラメータの関数として表現されることも可能であろう。

[0033] 式（１）は次のように書き直されることが可能である。

[0034] 三角関数の恒等式を用いて、式（２）は次のように書き直されることが可能である。

[0035] 三角関数ｃｏｓ［θ_ａｓｉｎ（ω_ｍｔ）］及びｓｉｎ［θ_ａｓｉｎ（ω_ｍｔ）］は、ベッセル関数の無限級数として表現されることが可能である。

[0036] 式（４）及び（５）において、２つの無限級数に含まれる１つの項を除く全ての項が、ω_ｍ又はω_ｍの整数倍で変化するだろうということを理解することが可能である。したがって、もしキャビティの変調周波数ω_ｍが十分高く設定されているなら、１つの項即ちＪ_０（θ_ａ）を除く全ての項は、関心のある帯域外となるのに十分な高い周波数で変化し、こうして除去されることが可能である。残りの項Ｊ_０（θ_ａ）は、キャビティの変調振幅θ_ａを適切な値に設定することによって小さくすることが可能である。Ｊ_０（θ_ａ）は、およそ２．４ラジアンの位相変調振幅でゼロを横切り、再びおよそ５．５ラジアンでゼロを横切り、次いで再びおよそ８．６ラジアンでゼロを横切る。位相変調振幅がこれらのヌルの１つに近付けられれば近付けられるほど、ジャイロスコープの検知誤差は小さくなる。したがって、ファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂが適切な経路長に選ばれる結果として、従来の実装例において生じる後方散乱誤差は低減される。

[0037] 図４は、共振器光ファイバジャイロスコープのバイアス不安定性を低減するための例示的な方法４００のフロー図である。方法４００は、少なくとも１つの光信号を光ファイバ共振器の光ファイバコイルに結合させるステップを含み、前記少なくとも１つの光信号が前記光ファイバコイルに結合された後、前記少なくとも１つの光信号は、前記光ファイバコイルの速軸に沿った伝搬から前記光ファイバコイルの遅軸に沿った伝搬へ一度移行する（ブロック４０２）。更にまた、前記少なくとも１つの光信号は、前記光ファイバコイルの前記速軸と前記遅軸に沿って伝搬するのに実質的に等しい量の時間を過ごす。いくつかの実施態様では、光ファイバコイル及び光ファイバ共振器は、上で論じられた実施態様の任意のものを含むことが可能である。更にまた、いくつかの実施態様では、光信号は、上で論じられた方法のうち任意の方法で、光ファイバ共振器の光ファイバコイルに結合されることが可能である。例えば、いくつかの実施態様では、前記少なくとも１つの光信号は、少なくとも１つの弱反射ミラーを用いて光ファイバコイルに結合されることが可能である。

[0038] 方法４００は、更に、前記少なくとも１つの光信号と二重後方散乱した光信号との間の位相変調振幅が実質的に２．４ラジアンとなるように、前記少なくとも１つの光信号の経路長を変更するステップを含む（ブロック４０４）。いくつかの実施態様では、前記少なくとも１つの光信号の経路長は、上で論じられた方法のうち任意の方法で変更されることが可能である。例えば、前記少なくとも１つの光信号の経路長は、少なくとも１つのファイバストレッチャを用いて変更されることが可能である。ファイバストレッチャは、ＰＺＴシリンダであってよい。

[0039] 方法４００は、更に、前記少なくとも１つの光信号が前記光ファイバ共振器を出た後に前記少なくとも１つの光信号をサンプリングするステップを含む。上記と同様に、いくつかの実施態様では、前記少なくとも１つの光信号は、上で論じられた方法のうち任意の方法を用いてサンプリングされることが可能である。例えば、前記少なくとも１つの光信号は、光検出器を用いてサンプリングされることが可能である。

[0040] 更にまた、いくつかの実施態様では、方法４００は、前記少なくとも１つの光信号のサンプリングに基づいて前記少なくとも１つの光信号の１又は複数の周波数を調整するステップを含むことができる（ブロック４０８）。いくつかの実施態様では、これは上で論じられた方法のうち任意の方法を用いてなされることが可能である。例えば、いくつかの実施態様では、サーボが１又は複数の光検出器によって受光された光を結合するように用いられて、前記少なくとも１つの光信号を生成する光源の周波数を調整することが可能である。

[0041] この開示において説明された実施態様の結果として、ＲＦＯＧ１００Ａ−１００Ｂの温度依存性は低減され、本実施態様はより少ないスプライスを有すると共により少ないファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂを要するために従来の実装例におけるよりも小型且つ低コストであり、スプライスに起因する偏光誤差は管理され、そして従来の実装例において発生する後方散乱問題は小さくなる。

[0042] 別の言い方をすれば、この開示における実施態様は、ファイバ共振器内の後方散乱や、あるいは、１）９０度スプライス若しくはゼロ度スプライスの位置合わせ、２）又はカプラの欠陥、３）スプライス損失、４）及びファイバコイル中のスプライスの数をたったの１つに減じたことによる後方散乱誤差に関する、より厳しいトレランスなどの数多くの好ましくない副作用を招来することなく偏光誤差を取り扱うことによって、上記の問題を解決する。ジャイロスコープにとって重要な各スプライスはコストを要することがあるため、スプライスの数を減じることによって、製造コストも低減される。この開示の実施態様は、ファイバ偏光子やファイバピグテール型バルク光学偏光子よりも低コストであるチップ上の偏光子を用いてファイバの個々のセグメントの不要な軸にある光を減衰させることによって、偏光誤差を管理する。加えて、（従来の実装例のように偏光子がファイバループに組み込まれている場合と異なり）偏光子からのあらゆる後方反射誤差は、偏光子を傾け、ファイバ端面からの後方反射から誤差を除去する同一のファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂを用いることによって、そして２つの偏光子がこのように近接しているという事実によって、大幅に低減されることが可能である。２つの後方散乱表面（光チップ上の偏光子）が近接していることにより、回りまわってジャイロの誤差を引き起こし得る熱的変動に影響されやすい当該２つの後方散乱表面間の経路長の変化が低減される。よって、いくつかの実施態様では、この設計において後方散乱誤差を除去するために、２つのファイバストレッチャ１２６Ａ、１２６Ｂが必要となるだけである。加えて、偏光相互結合の原因であり、したがって偏光子の消光要件と９０度スプライスの位置合わせ及びループ配置の正確性とを増大させる、ファイバカプラが削除される。このことも、コストとサイズを小さくする。

＜例示的実施態様＞
[0043] 例１は、時計回り光信号と反時計回り光信号を放出するように構成された少なくとも１つの波長可変光源と、前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を受け取るように構成された光チップであって、前記光チップは、前記少なくとも１つの波長可変光源からの前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を光ファイバ共振器に結合させ、前記光ファイバ共振器からの前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を少なくとも１つの光検出器に結合させる、光チップと、第１端点と第２端点を有する光ファイバコイルを備えた前記光ファイバ共振器であって、前記光ファイバコイルは、実質的に前記第１端点と前記第２端点の中間に配置された９０度スプライスを有し、前記光ファイバコイルは、前記第１端点と前記９０度スプライスの間に配置された第１ファイバストレッチャの周りに巻回され、前記光ファイバコイルは、前記第２端点と前記９０度スプライスの間に配置された第２ファイバストレッチャの周りに巻回されている、光ファイバ共振器と、前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号をサンプリングするように構成された前記少なくとも１つの光検出器と、を備える共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0044] 例２は、前記光ファイバコイルは偏波保持光ファイバコイルである、例１の共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0045] 例３は、前記第１端点と前記９０度スプライスとの間を伝搬する光信号は、実質的に前記偏波保持ファイバの速軸を伝搬し、前記第２端点と前記９０度スプライスとの間を伝搬する光信号は、実質的に前記偏波保持ファイバの遅軸を伝搬する、例２の共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0046] 例４は、前記光ファイバコイルは中実コア光ファイバである、例１−３のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0047] 例５は、前記中実コア光ファイバの第１端部又は前記中実コア光ファイバの第２端部又はその両方は斜め劈開され、又は反射防止コーティングされ、又はその両方を施される、例４の共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0048] 例６は、前記光ファイバコイルは中空コアファイバである、例１−５のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0049] 例７は、前記中空コアファイバの第１端部又は前記中空コアファイバの第２端部又はその両方は斜め劈開される、例６の共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0050] 例８は、前記第１ファイバストレッチャ及び前記第２ファイバストレッチャはＰＺＴシリンダである、例１−７のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0051] 例９は、前記第１ファイバストレッチャ及び前記第２ファイバストレッチャは、光信号と二重後方散乱した光信号との間の変調振幅が実質的にベッセル関数Ｊ_０のヌルを与えるように、前記光信号の経路長を変化させる、例１−８のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0052] 例１０は、前記光チップは、少なくとも１つの弱反射ミラーを用いて前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号を前記光ファイバ共振器の前記光ファイバコイルに結合させる、例１−９のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含む。

[0053] 例１１は、第１端点と第２端点を有する光ファイバコイルを備えた光ファイバ共振器であって、前記光ファイバコイルは、実質的に前記第１端点と前記第２端点の中間に配置された９０度スプライスを有し、前記光ファイバコイルは、前記第１端点と前記９０度スプライスの間に配置された第１ファイバストレッチャの周りに巻回され、前記光ファイバコイルは、前記第２端点と前記９０度スプライスの間に配置された第２ファイバストレッチャの周りに巻回されている、光ファイバ共振器を含む。

[0054] 例１２は、前記光ファイバコイルは偏波保持光ファイバコイルである、例１１の光ファイバ共振器を含む。

[0055] 例１３は、前記第１端点と前記９０度スプライスとの間を伝搬する光信号は、実質的に前記偏波保持ファイバの速軸を伝搬し、前記第２端点と前記９０度スプライスとの間を伝搬する光信号は、実質的に前記偏波保持ファイバの遅軸を伝搬する、例１２の光ファイバ共振器を含む。

[0056] 例１４は、前記光ファイバコイルは中実コア光ファイバであり、前記中実コア光ファイバの第１端部又は前記中実コア光ファイバの第２端部又はその両方は斜め劈開され、又は反射防止コーティングされ、又はその両方を施される、例１１−１３のいずれかの光ファイバ共振器を含む。

[0057] 例１５は、前記光ファイバコイルは中空コアファイバであり、前記中空コアファイバの第１端部又は前記中空コアファイバの第２端部又はその両方は斜め劈開される、例１１−１４のいずれかの光ファイバ共振器を含む。

[0058] 例１６は、前記第１ファイバストレッチャ及び前記第２ファイバストレッチャはＰＺＴシリンダである、例１１−１５のいずれかの光ファイバ共振器を含む。

[0059] 例１７は、前記第１ファイバストレッチャ及び前記第２ファイバストレッチャは、光信号と二重後方散乱した光信号との間の変調振幅が実質的にベッセル関数Ｊ_０のヌルを与えるように、前記光信号の経路長を変更する、例１１−１６のいずれかの光ファイバ共振器を含む。

[0060] 例１８は、共振器光ファイバジャイロスコープにおけるバイアス不安定性を低減するための方法であって、少なくとも１つの光信号を光ファイバ共振器の光ファイバコイルに結合させるステップであって、前記少なくとも１つの光信号が前記光ファイバコイルに結合された後、前記少なくとも１つの光信号は、前記光ファイバコイルの速軸に沿った伝搬から前記光ファイバコイルの遅軸に沿った伝搬へ一度移行し、前記少なくとも１つの光信号は、前記光ファイバコイルの前記速軸と前記遅軸に沿って伝搬するのに実質的に等しい量の時間を過ごす、ステップと、前記少なくとも１つの光信号と二重後方散乱した光信号との間の変調振幅が実質的にベッセル関数Ｊ_０のヌルを与えるように、前記少なくとも１つの光信号の経路長を変更するステップと、前記少なくとも１つの光信号が前記光ファイバ共振器を出た後に前記少なくとも１つの光信号をサンプリングするステップと、を含む方法を含む。

[0061] 例１９は、前記少なくとも１つの光信号の経路長は少なくとも１つのファイバストレッチャを用いて変更される、例１８の方法を含む。

[0062] 例２０は、前記少なくとも１つの光信号は少なくとも１つの弱反射ミラーを用いて前記光ファイバコイルに結合される、例１８−１９のいずれかの方法を含む。

[0063] 特定の実施態様が本明細書で例示され説明されてきたが、同じ目的を達成することを意図される任意のアレンジメントが、当該示された特定の実施態様の代わりとなることができる、ということが当業者によって理解されるだろう。したがって、本発明はクレーム及びその均等物によってのみ限定される、ということが明白に意図される。

Claims

時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）と反時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）を放出するように構成された少なくとも１つの波長可変光源（１０２Ａ、１０２Ｂ）と、
前記時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）と前記反時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）を受け取るように構成された光チップ（１０９）であって、前記光チップ（１０９）は、前記少なくとも１つの波長可変光源（１０２Ａ、１０２Ｂ）からの前記時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）と前記反時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）を光ファイバ共振器（１０８）に結合させ、前記光ファイバ共振器（１０８）からの前記時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）と前記反時計回り光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）を少なくとも１つの光検出器（１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ）に結合させる、光チップ（１０９）と、
第１端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）と第２端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）を有する光ファイバコイル（１１８）を備えた前記光ファイバ共振器（１０８）であって、
前記光ファイバコイル（１１８）は、実質的に前記第１端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）と前記第２端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）の中間に配置された９０度スプライス（１２４）を有し、
前記光ファイバコイル（１１８）は、前記第１端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）と前記９０度スプライス（１２４）の間に配置された第１ファイバストレッチャ（１２６Ａ、１２６Ｂ）の周りに巻回され、
前記光ファイバコイル（１１８）は、前記第２端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）と前記９０度スプライス（１２４）の間に配置された第２ファイバストレッチャ（１２６Ａ、１２６Ｂ）の周りに巻回されている、
光ファイバ共振器（１０８）と、
前記時計回り光信号と前記反時計回り光信号をサンプリングするように構成された前記少なくとも１つの光検出器（１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ）と、
を備える共振器光ファイバジャイロスコープ（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）。
前記光ファイバコイル（１１８）は偏波保持光ファイバコイル（１１８）であり、前記第１端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）と前記９０度スプライス（１２４）との間を伝搬する光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）は、実質的に前記偏波保持ファイバ（１１８）の速軸を伝搬し、前記第２端点（１１９Ａ、１１９Ｂ）と前記９０度スプライス（１２４）との間を伝搬する光信号（１０４Ａ、１０４Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂ）は、実質的に前記偏波保持ファイバ（１１８）の遅軸を伝搬する、請求項１に記載の共振器光ファイバジャイロスコープ（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）。
共振器光ファイバジャイロスコープにおけるバイアス不安定性を低減するための方法（４００）であって、
少なくとも１つの光信号を光ファイバ共振器の光ファイバコイルに結合させるステップ（４０２）であって、
前記少なくとも１つの光信号が前記光ファイバコイルに結合された後、前記少なくとも１つの光信号は、前記光ファイバコイルの速軸に沿った伝搬から前記光ファイバコイルの遅軸に沿った伝搬へ一度移行し、
前記少なくとも１つの光信号は、前記光ファイバコイルの前記速軸と前記遅軸に沿って伝搬するのに実質的に等しい量の時間を過ごす、
ステップ（４０２）と、
前記少なくとも１つの光信号と二重後方散乱した光信号との間の変調振幅が実質的にベッセル関数Ｊ_０のヌルを与えるように、前記少なくとも１つの光信号の経路長を変更するステップ（４０４）と、
前記少なくとも１つの光信号が前記光ファイバ共振器を出た後に前記少なくとも１つの光信号をサンプリングするステップ（４０８）と、
を含む方法。