JP4071281B2 - 光ファイバジャイロスコープの光源波長制御 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、サニャック効果に基づく高性能光学ジャイロスコープに関する。特に、本発明は、正確な波長制御を伴う光源を有する干渉計形の光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）に関し、さらに特定すれば、ジャイロスコープのスケールファクタの精密制御のために要素許容差を緩和して波長を厳密に制御するような光源を有する干渉計形光ファイバジャイロスコープに関する。波長に直接に比例するジャイロのスケールファクタを計器が正確に動作することを期待される期間中に校正することは不可能であるので、光源の構成要素のドリフトや老化の影響があるにもかかわらず正確なスケールファクタが必要とされる。
発明の概要
光源波長の安定性はジャイロスコープのスケールファクタの安定性に直接に影響を及ぼす。干渉計形ＦＯＧで従来から使用されてきた広帯域半導体光源は、本来、精密を要する多くの用途について波長の安定性が欠けている。百万分率（ppm）程度の高度な波長安定性を実現する方法の１つは、等安定性基準を使用するものであるが、そのような基準や、ジャイロ光源へ伝達する方法は実用的な形態では利用できない。広帯域希土類添加ファイバ光源（ＦＬＳ）の出現によって、興味深い新たな可能性が得られた。この場合（図１を参照）、半導体レーザーからのλ_Pの光は、特殊ファイバに添加されている希土類イオンを光学的にポンピングするために使用される。希土類イオンは、そこで、励起状態が崩壊して、ジャイロ光源として使用される中心波長λを中心とする広い光のスペクトルを放射する。半導体光源が１ppmまでは安定しないとしても、ＦＬＳの出力波長λは単にポンプ波長λ_Pの疎関数であり、ポンプ波長パラメータの制御が、本発明によって、より雑ではあるが、容易に利用できる基準により可能になる。その目的は、ジャイロスコープ光源の波長であるラムダ（λ）を厳密に制御し、且つスケールファクタの安定性を得ることである。λを直接に制御することに伴う問題は、λを直接に測定すること、並びにλを所望の波長正確度のより安定した基準まで安定させることを要求する。従って、光源の波長正確度を１ppmにするには、光源波長を測定し且つ制御するために１ppmの正確さをもつ波長基準が必要である。
本発明は、添加ファイバ又は添加材料光源の波長制御又は監視に関わる。ファイバ光源において、ファイバ光源の波長λを決める２つの構成要素の３つの主要パラメータは、ポンプ波長λ_Pと、ポンプパワーＰ_Pと、添加ファイバの温度である。温度従属性は繰返し性を有し、校正可能である。光源波長のポンプ波長への従属性は小さい。すなわち、通常は１／３０未満である。従って、図１に示すように、ポンプ波長を３００ppmまで制御することにより、光源波長λで１０ppmの安定性を実現できる。そのため、光源波長を直接に制御するために必要であると考えられるより雑な波長基準を使用できるであろう。このような方式によってコストは低減される。前述のように、光源波長を測定又は直接に制御して、波長基準において実用的な形態で１ppm未満を実現することは不可能である。しかし、そのような測定を実行するために実現可能な方法は、ポンプ波長を測定し、３０ppm未満（これは可能である）に制御するというものである。さらに、ポンプ波長測定装置は、実際に実現可能な波長分割多重（ＷＤＭ）溶融光ファイバカップラ又は使用可能なファイバに都合良く埋設された格子であっても良い。それら２つの装置は、光源波長を確定するときに重要な第３のパラメータであるポンプパワーを測定するために使用されると好都合であろう。この測定情報は、ポンプパワーを制御するためのサーボに供給される。
欧州特許出願第９３３０６１４５．９号は、超蛍光光源（ＳＦＳ）の波長安定化装置を開示している。この装置はポンプ光源の出力ではなく、ＳＦＳからの光出力のサンプルに応答する。
【図面の簡単な説明】
図１は、ポンプ波長及びパワー制御を介した光源波長制御の基本構造を示す。
図２は、波長検出ファイバカップラの使用により制御されるポンプ波長及びパワーによって決まる光源波長維持の図である。
図３は、格子が埋設された短いファイバの使用によりポンプ波長及びパワーを制御する装置の図である。
図４は、サーボフィードバック回路によりポンプ波長を格子の中心周波数に調整し且つロックすることができるように変調周波数で延伸された格子埋込みファイバの使用によりポンプ波長を制御する装置の図である。
実施形態の説明
平均光源波長λは（たとえば、エルビウム）添加ファイバ１２の温度によって決まる。ファイバ光源１４の利点は、その温度感度が低く且つポンプ１６の波長（従って、ポンプ温度）に対する感度が低いことである。たとえば、エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）光源は、通常はＥＤＦ温度で７ppm／摂氏（Ｃ）度未満の変化を呈する温度係数を有する。Ｅｒ：シリカのエネルギーレベルは主に（局所電界に起因する）シュタルク分割から得られるため、このような温度係数となる。従って、光ファイバ光源はそれ自体の半導体光源ポンプダイオード又は共通の超蛍光ダイオード（ＳＬＤ）の４００ppm／摂氏度の温度従属性に対して１〜２桁の改善を示す。残留する７ppm／度Ｃ未満のファイバ光源波長温度従属性は、ポンプ波長とポンプパワーが変化しないとすれば、ボルツマンが説明したエネルギーレベルの統計的出現にのみ依存するので、これは時間の経過に従った予測可能な関数である。詳細にいえば、上下のレーザー発光レベルをいくつかの状態のマニホルドにそれぞれ分割する。その結果として得られる特定の温度係数は、時間の経過に従った各マニホルドのエネルギーレベルの統計的占有を表わすボルツマン分布によって与えられることになる。
光源１４は、例えば、エルビウム添加ファイバを有し、これにλ_Pのポンプ光が入射し、非反射端部又は末端１８に当たる。光源１４は、反射を伴わずに戻りポンピングされる単一パスを利用する。光源１４の他のポンピング構成には、反射端部１８が順方向又は逆方向にポンピングされる２パス装置があるだろう。光源１４は、非反射端部１８を有し、順方向ポンピングされる単一パスであっても良いであろう。
典型的なポンプ１６の波長は公称では９８０ナノメートル（nm）と１４８０nmである。光源１４の波長は約１５５０nmであると考えられる。１４８０nmと９８０nmの双方のポンピングの場合のポンプ波長に対する光源１４の波長の従属性は、厳密な休止平均ポンピング波長に伴って変化する。代表的な１４８０nmの場合、ファイバ光源１４の定量的な利点は、ポンプ１６のレーザー温度（Ｔ_P）の０．１度Ｃの変化がポンプ１６の波長の４０ppm（０．０６nm）の変化をもたらすが、光源１４の波長を１．３ppm未満しか変化させないことである。同様に、厳密な構成に応じて、ポンプ電流の１．０ミリアンペア（mA）の変化はポンプパワーの０．１ミリワット（mW）の変化をもたらすが、光源波長の変化はわずかに０．３ppmから１ppmである。通常、ポンプレーザー温度（Tp）とポンプパワー（P_P）を制御し、ＥＤＦ温度を監視し且つ補正（すなわち、制御）するので、光源１６の波長λを直接に測定せずに確定することができる。
エルビウムを利用する光源のような希土類添加広帯域光源の場合、エルビウム−ファイバ温度と、ポンプパワーと、ポンプ波長が一定であれば、波長の繰返し性は非常に高い。エルビウムなどの希土類イオンは、ポンプ平均波長（λ_P）及びパワー（Ｐ_P）が一定であると仮定すれば、波長標準としてすぐれており、また、ポンプ平均波長とパワーの変化に対し低い感度を示すので、ポンプ平均波長及びパワーのおおまかな測定及び制御によって、それらのイオンは波長の高い安定性を達成する。エルビウム−ファイバの温度を適切に安定化し、波長制御基準が１００ppmの安定性（ポンプ波長を安定させるため）であり且つ直接ポンプパワー制御は５０マイクロワットの安定性を示すのであれば、０．３ppmの光源波長安定性が得られるであろう。ポンプダイオード１６のパワー測定は標準ＰＩＮ光検出器により容易に実行される。
ポンプ波長の波長従属性は、（所定のＥＤＦ組成について）λ_P，ＥＤＦ温度及びＥＤＦ長さの公称値などの厳密な設計パラメータをどのように選択するかによって異なる。一般的な設計においては、０．３ppm未満のスケールファクタ変化をもたらすポンプ波長λ_Pの安定性（０．０１５nm）を得るために、ポンプダイオード１６の温度安定化を（様々な環境に対して）０．０２５度Ｃ以内にすることが必要である。出願人は、熱電冷却器（ＴＥＣ）２０を使用して、広範囲にわたる熱環境に対して半導体光源温度を０．０２度Ｃ未満まで制御することを実証した。同様に、−５５から＋９０度Ｃの温度範囲にわたり適切な加熱／冷却容量を有するＴＥＣを伴うポンプ光源も利用できる。尚、ポンプ波長の繰返し性に課される必要条件はその結果としてのＦＬＣの繰返し性と比較して相対的に控え目なものであるが、最も苛酷な（＜１ppm）用途においては、直接制御が必要になるであろう。たとえば、時間の経過に従ってポンプダイオード波長の変化を発生させる老化の影響が観測された場合には、ポンプ波長を直接に制御するために、ファイバブラック格子（fiber Bragg grating）などの波長制御装置を採用しなければならないであろう。
波長分割マルチプレクサ２４は、光分割が波長を感知するようなカップラ又は他の種類の分割器を有する。カップラはポンプ１６のλ_Pの光が入射する入射ポート２１と、ポンプ１６のλ_Pの光が射出し且つ光源１４のλの光が入射する入射／射出ポート２２とを有する。射出ポート２３からは、光ファイバジャイロスコープ２６に入射する光源１４のλの光が射出する。ポンプ１６の光はポート２３からは射出できず、光源の光は波長分割マルチプレクサ２４のポート２１からは射出できない。
ポンプパワータップカップラ３０は、波長基準２８及びポンプパワー基準３２のためにポンプ１６のλ_Pの光からパワーをタッピングする。波長基準２８の出力信号はポンプ波長制御電子回路３８へ送られ、ポンプ波長制御電子回路３８は、ポンプレーザー光の波長λ_Pの安定性を維持するためにポンプレーザーダイオード１６の温度を制御する冷却器２０へ信号を出力する。ポンプパワー基準３２からの出力信号は電流制御電子回路３９へ送られ、電流制御電子回路３９は、ポンプ１６のパワーＰ_Pの安定性を維持するためにポンプレーザーダイオード１６への電流を制御する。
温度センサ４０は光源１４のエルビウム添加ファイバ１２の温度を検出し、エルビウム添加ファイバ１２による補正を実行するプロセッサ４１に指示信号を供給する。
本発明は、ポンプ光源１６の平均波長を測定するために、波長分割多重（ＷＤＭ）溶融光ファイバカップラ３４を図１の波長基準２８として使用する（図２）。波長分割多重カップラ３４の２つの射出ポート３５及び３６から射出した光パワーは、挿入の時点でスペクトル情報を取り出すために使用される。差分誤差信号を検出し且つヌル化（nulling）することにより２つのパワーＩ₁及びＩ₂を均衡状態に保持することで、挿入の時点でのポンプ１６の平均波長λ_Pの制御が実行される。この方式の利点は、単一のガラス構造を形成するために安定溶融シリカ材料とファイバを一体に融合して使用することによって得られる。この構造は熱ヒステリシスを非常に低く抑えて、広い温度範囲にわたって５ppm／度Ｃ未満の熱係数と、１０〜１２ppmの繰返し性を示す。従って、ＦＬＳがポンプ波長に影響されないことと関連して、この装置はポンプ光源を１０ppmに制御して、光波１４の波長のドリフトを０．３５ppmにするために必要とされる正確さと安定性を与える。
ジャイロ光源１４の平均波長にポンプパワーが吸収された影響によるポンプ１６のミリワット（mW）単位のパワーＰ_Pは、厳密なＦＬＳ１４の構成とポンプ１６の波長に従って、０．３から１２ppm／０．１mWの範囲に入っているべきである。ＷＤＭ３４の波長制御装置によりポンプパワーＰ_Pを監視しても好都合であろう。ＷＤＭカップラの２つの射出ポート３５及び３６のパワー差の変化は波長λ_Pの変化を表わすが、光パワー出力の和の変化はポンプパワーＰ_Pの変化を表わす。ＷＤＭ３４の２つの射出ポート３５及び３６に２つの整合する光検出器４３及び４４をそれぞれ配置すると共に、それらの信号を加算増幅器４５での和と、差動増幅器４６での差とに組合わせることにより、図２に示すように、ポンプパワーＰ_Pとポンプ波長λ_Pの変化を（それぞれ）観測し、制御できる。ポンプ波長λ_Pの場合、出力差を表わす信号４７を使用して、ポンプ波長サーボ電子回路３８及び冷却器（ＴＥＣ）２０を介してポンプ光源１６の温度、従って、その波長を調整することができる。ポンプ１６のパワーの場合には、ポート３５及び３６におけるＷＤＭ出力Ｉ₁及びＩ₂の和の変化を表わす信号４８を使用して、平均ポンプ電流、従って、そのパワーＰ_Pを制御できる。
先に説明したＷＤＭカップラ装置３４を原理上は実際の光源１４の波長λを直接に測定し且つ制御するためにも使用できるであろうということに注意しなければならない。しかし、ジャイロのスケールファクタの同等の安定性を実現するためには、装置を０．３５ppmの安定性に改善しなければならないであろう。この代替方法は、本発明において説明したポンプ波長を制御する方式より困難である。
ポンプ波長及びポンプパワーを測定し、制御するための代替装置も存在し、それらの装置は先に説明したＷＤＭカップラ３４の装置と比べて利点を有する。たとえば、ポンプ１６からの光はポンプパワータップカップラ３０及びパワー分割ファイバカップラ５０を介して、図３に示すように格子５２が埋設された短いファイバ５１へ導かれる。そこで、格子５２はポンプ光源１６のスペクトルの中のいくつかの波長を透過又は反射する。格子５２から（パワー分割器を介して）反射されて来る光（Ｉ_r）と、格子を透過した光５４（Ｉ_T）とを測定することにより、ポンプ１６の波長λ_PとポンプパワーＰ_Pを測定できる。光５３は光検出器５５により、光Ｉ_r５３を表わす電気信号５６に変換される。光５４は光検出器５７により、光Ｉ_T５４を表わす電気信号５８に変換される。信号５６及び５８は加算増幅器５９により加算され、その結果、光Ｉ_r５３と光Ｉ_T５４の和を表わす和信号６０が得られる。信号６０はポンプ電流制御電子回路３９に供給され、ポンプ電流制御電子回路３９は、ポンプ１６のパワーＰ_Pを適切に維持するために制御電流をポンプダイオード１６へ送る。ポンプ１６の波長λ_Pを維持するために、信号５６，５８及び６０はポンプ波長制御電子回路３８へ送信される。和Ｉ_r＋Ｉ_T（それぞれ、５３及び５４）の変化はポンプパワーＰ_Pの変化を表わし、し、一方、正規化された差

の変化又は

の変化（厳密な設計によって決まる）はポンプ波長λ_Pの変化を示す。
特に興味深い構造の１つを図４に示すが、この場合、ポンプ１６の波長のわずかな変移を検出するために、格子５２を埋設したファイバ５１は（圧電変換器６１を介して）周波数ｆ_mで延伸されている。格子５２の波長が公称でポンプ１６の公称平均波長にあると設定されていれば、サーボによってポンプ１６の波長λ_Pを格子５２の中心周波数に調整し、ロックする。この場合、格子５２（ポンプ光源１６の波長スペクトル幅より狭い波長共振幅を有する）の反射率は最大である。ファイバ５１の長さを変調源６７により周波数ｆ_mによって、従って、格子５２の間隔によって変調することにより、ＰＤ１６２の前置増幅器６３の出力６４が変調される。前置増幅器信号６４の変調源６７からの周波数ｆ_mに従った復調の後、サーボはポンプ１６の波長λ_Pを、復調器６５の入力端子に信号６４（周波数ｆ_m）がほぼ存在しないようなポンプ波長に安定させる。すなわち、（応答関数とポンプ波長スペクトルが妥当な対称性を有するものと仮定すれば）有効に格子５２の共振の中心に安定させることになる。
ファイバ５２からの出力光は光検出器６６へ送られて、電気信号６８に変換され、この信号は加算増幅器６９により信号６４と加算されて信号７０となり、信号７０はポンプ１６のパワーＰ_Pをポンプダイオード１６に対する電流を介して維持するために光源電流制御電子回路３９へ送られる。
尚、有効光波長に作用する他の影響もジャイロ２６全体の設計に際して考慮しなければならない。たとえば、ジャイロスコープのスケールファクタを確定する厳密な波長は、光検出器７１で観測される平均波長である。ジャイロスコープの光学素子の波長従属伝送特性は熱従属性をもつこともある。そのような誤差は、特定の温度範囲にわたるスケールファクタ補正アルゴリズムにより自動的に修正できる。
もう１つの問題は、時間の経過に伴ってポンプ波長λ_P又はポンプパワーＰ_Pが変化することにより起こる光源１４の老化に起因する波長の変移する。それらのパラメータは直接に制御可能である。老化の影響が重大である場合、所望の必要条件に適合するようにポンプ１６のパラメータを制御することにより、能動波長安定化を導入することができる。言うまでもなく、これはポンプ光源１６より選択した波長基準装置において老化の影響が小さいことを仮定している。しかしながら、原理上、時間の経過に従って能動半導体素子よりも、受動波長基準のほうが安定しているべきである。この第２のトレードオフが本発明のもう１つの利点である。

Claims (2)

1. 波長λを有する添加ファイバ光源（１４）と；
   波長λ_Pのポンプ光を発生するポンプ光源（１６）と；
   前記ポンプ光源（１６）の温度を制御するために該ポンプ光源に近接して配置された、入力端子を有する温度制御装置（２０）と；
   前記ポンプ光源に接続する第１のポートと、第２のポートと、第３のポートとを有するカップラ（３０）と；
   前記ポンプ光源（１６）により発生されたポンプ光の第１のポンプ光を受けるために前記カップラ（３０）の第２のポートに接続する第１のポートと、前記添加ファイバ光源（１４）に接続する第２のポートと、第３のポートとを有する波長分割マルチプレクサ（２４）と；
   前記ポンプ光源（１６）により発生されたポンプ光の第２のポンプ光を受けるために前記カップラ（３０）の第３のポートに接続する入力端子と、出力端子とを有する波長基準（２８）と；
   前記ポンプ光源（１６）により発生されたポンプ光の第２のポンプ光を受けるために前記カップラ（３０）の第３のポートに接続する入力端子と、出力端子とを有するポンプパワー基準（３２）と；
   前記ポンプパワー基準（３２）の出力端子に接続する入力端子と、前記ポンプ光源（１６）に接続する出力端子とを有する電流制御電子回路（３９）とを具備する光源波長制御装置において、
   前記ポンプ光の前記波長λ_Pのフィードバックに基づいて前記ポンプ光源（１６）を制御するポンプ波長制御電子回路（３８）を具備し、そのポンプ波長制御電子回路は前記波長基準（２８）の出力端子に接続する入力端子と、前記温度制御装置（２０）の入力端子に接続する出力端子とを有し、さらに、
   前記ポンプパワー基準（３２）が、
   前記第２のポンプ光から第３、第４のポンプ光を生成するため、前記カップラ（３０）に接続する分割手段（５１）と、
   前記第３のポンプ光の第１の部分を戻り反射させるとともに第２の部分を通過させる格子（５２）と、
   前記第３のポンプ光の第２の部分を第１の信号に変換する第１の光検出器（５７）および、
   前記第１の光検出器（５７）に接続する第１の入力端子と、第２の信号を受ける第２の入力端子、および前記電流制御電子回路（３９）に接続する出力端子とを有し、かつ、前記第１、第２の信号の和を生成する加算増幅器とを有し、
   前記波長基準（２８）が、
   前記第３のポンプ光の第１の部分を前記第２の信号に変換して、この第２の信号を前記加算増幅器の第２の入力端子と、前記ポンプ波長制御電子回路（３８）とに供給する第２の光検出器（５５）を有し、
   前記ポンプ波長制御電子回路（３８）が前記第１、第２の信号およびそれらの和に基づき前記温度制御装置（２０）を駆動する
   ことを特徴とする光源波長制御装置。
2. 前記第３のポンプ光の第１の部分は所定の波長を有し、前記添加ファイバー光源（１４）は希土類物質を添加されたファイバと、添加ファイバー（１２）に近接して設けられた温度センサ（４０）とを有し、
   さらに、
   前記温度センサ（４０）と通信して、前記添加ファイバ（１２）の温度を補正するプロセッサ（４１）と、
   前記格子に接続し、前記第３のポンプ光の第１の部分を変調する変調源（６７）とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の光源波長制御装置。

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