JP4542131B2 - 波長基準として狭帯域ｆｂｇフィルタを用いる光ファイバ・ジャイロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、Ｄｒａｐｅｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓへ付与された契約番号Ｎ００３０−０１−Ｃ−００２８の下で政府の支援を受けてなされた。政府は、本発明の一定の権利を有する。

本発明は、一般に、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、ＩＦＯＧの安定性を改善するための制御機構に関する。

ＩＦＯＧのスケール・ファクタ（scale factor、目盛係数）の安定性は、システムの光検出器で観察される波長の安定性に大きく依存する。特にスケール・ファクタの安定性に関して、ＩＦＯＧの性能を向上させるために、ＩＦＯＧには、波長弁別器として働く波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）・カプラと、一対の整合されたフォトダイオードとに基づく波長制御機構が備えられている。より詳細に説明すると、図１は従来のＩＦＯＧ構造を示し、この構造は、ファイバ光源などのような光源１１０と、５０−５０パワー・スプリッタ１１５と、感知コイル１２０へ及び感知コイル１２０から光を供給する集積光学チップ１１８とを含み、ここでは５０−５０パワー・スプリッタ１１５および集積光学チップ１１８の２つのエレメントを「感知ループ・アセンブリ」と呼ぶこともある。５０−５０カプラ１１５はまた、感知コイル１２０の回転に起因するサニャック効果を検出するために用いられる「フォトダイオードおよび関連のプリアンプ（前置増幅器）」１２５へ、接続される。ＩＦＯＧループ閉電子回路（IFOG loop closure electronics）１３０は、フォトダイオード１２５とＩＯＣ１１８との橋渡しをし、それにより、望まれる公知のフィードバックを提供する。

前述の図１の既知のシステムを改善するために、図２に示されるような構造が最近提案されている。そこでは、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）・カプラ２１０と一対の整合されたダイオード２２０とが、光学回路へ挿入されている。ここでは、この組み合わせを「波長分割マルチプレクサ／検出器アセンブリ」と呼ぶこともある。整合されたダイオードの加算値（合計）を表す信号は、ＩＦＯＧループ閉電子回路１３０へ供給され、そして、差信号は波長制御フィードバック電子回路２３０へ供給されて、光源１１０へ直接にフィードバックを提供し、それにより光源自体の波長の安定性を向上させる。

しかし、不都合なことに、このシステムの波長の安定性は、実質的に、ＷＤＭカプラ２１０および整合フォトダイオード２２０の安定性に依存しており、これらは、外部の摂動（例えば、温度、放射など）の影響を受け得る。また、これらのコンポーネントは、長期のドリフトの影響を受けやすく、それにより更に安定性は低下する。

従って、ＩＦＯＧデバイスの波長の安定性を更に向上させるシステムおよび方法が必要とされる。

本発明は、波長制御コンポーネントにおける変化を監視するために使用できる安定した波長基準を提供することにより、波長安定性が改善され、従って、スケール・ファクタの性能が全体的に向上されたＩＦＯＧを提供する。安定した波長を有するという特に望ましい副産物により、より安定したスケール・ファクタを得ることが可能となる。

より詳細には、本発明は、（ｉ）ＷＤＭベースの波長制御と、（ｉｉ）狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）に基づく波長基準との双方を組み込んだ光ファイバ・ジャイロスコープ構造を提供する。後者のコンポーネントは波長基準の安定性を著しく改善する。

ここで説明する幾つかの実施形態は、安定性を向上させるために、光源および波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）／検出器と関連して用いられる狭帯域反射ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）を用いる幾つかの異なる構造を提案する。

本発明の特徴および利点は、図面と関連させて下記の詳細な説明を読むことにより、より良く理解できる。

図３は、狭帯域反射ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）を組み込んだ、本発明の第１の実施形態に従ったＩＦＯＧ構造を示す。この図面および他の図面において、フィードバック・ライン（図１および図２に示す）は、図面を明瞭にするために、示していない。しかしながら、当業者は、本発明の幾つかの実施形態に従ったＦＯＧがそのようなフィードバック・ラインを有することを理解するであろう。示されるように、この構造は、ファイバ光源などのような光源アセンブリ１１０を含み、例えば、９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍのレーザ・ランプ、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）・カプラ、エルビウムのドープされたファイバ、アイソレータ、および光学アイソレータを含む。このようなＦＬＳアセンブリは当該技術では良く知られたものである。

この実施形態では、光源１１０の出力は、５０／５０パワー・スプリッタ１１５へ結合される。スプリッタ１１５の一つのポートは、集積光学チップ（ＩＯＣ）１１８および関連する感知ループ１２０へ接続される。スプリッタ１１５の別のポートは、ＷＤＭカプラ１２０へ接続され、ＷＤＭカプラ２１０は、整合されたフォトダイオード２２０へ接続される。この実施形態によると、５０／５０スプリッタ１１５の第４のポートは、例えば９０％ポートおよび１０％ポートを有するタップへ、接続される。この場合、９０％ポートはファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）３１０へ接続され、これは狭帯域反射ＦＢＧとして動作し、広帯域光源スペクトルから狭波長基準を生成するために用いられる。

図９は、光源１１０として用いることができる１５３２ｎｍファイバ光源（ＦＬＳ）の典型的な出力のスペクトルを示す。示されるように、約３５０ｐｐｍの調節可能範囲は、全範囲にわたって入力電流を調節することにより、容易に達成できる。

更に、図１０Ａおよび図１０Ｂに示されるように、中心波長が約１５３０ｎｍであり、帯域幅が約０．５ｎｍであり、阻止が約４０ｄＢである（図９Ａに示す）狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）が、波長基準として用いられる光経路へ挿入された場合、５０／５０スプリッタ１１５を通って戻るスペクトルは、図１０Ｂに示すもののようになる。帯域幅が非常に狭いので、光源への入力電流がその全レンジにわたって調節されたときでさえ、１ｐｐｍのオーダーの非常に安定した波長が得られる。当業者は、ＦＢＧの中心波長、帯域幅、および阻止帯は、様々な光源および安定性の諸要求に対して最適化できること、また、ここで示した特定の波長、帯域幅、および阻止帯の値は単なる例であることを、理解するであろう。

最終的に、また、本発明に従うと、ＦＢＧ３１０により提供される波長基準は、ＷＤＭカプラ２１０およびフォトダイオード２２０を校正するために用いられる。ＷＤＭカプラは、波長弁別器として働く。即ち、ＷＤＭカプラは、光の長い波長成分および短い波長成分を、その２つの出力ポートで分割する。光検出器は、ＷＤＭカプラの出力ポートのそれぞれで、合計パワーを測定する。入力波長における変化は、これらの２つのポート間でのパワーの分割を変化させる。従って、ＤＩＦＦ（差）信号（Ｐ２−Ｐ１）とＳＵＭ（加算）信号（Ｐ２＋Ｐ１）との比率は、この波長のシフトを監視するために用いることができる。

ＷＤＭカプラおよび光検出器が完全に安定していると仮定した場合、この比率の変化は、波長のシフトを示すものである。しかしながら、ＷＤＭカプラの中心波長及び／又は光検出器の応答性が時間の経過とともに変化した場合、入力光の平均波長が変化しなくとも、比率の変化の原因となる。ＦＢＧにより提供される安定した波長基準は、ＷＤＭカプラの中心波長のシフトを測定するために用いられる。２×１スイッチ（例えば、図４に示すようなもの）と関連して用いた場合、光検出器の応答性における差の変化を補償することもできる。このようにして、ＷＤＭカプラの中心波長および光検出器の応答性の差における変化から、入力波長における変化を区別することができる。

好適には、波長基準ＦＢＧ３１０により供給される基準信号を増幅するために、光検出器／前置増幅器３２０が備えられる。波長基準は、それ自体の相対強度ノイズ（ＲＩＮ（relative intensity noise））を有し、これは、ＷＤＭカプラ２１０へ入る前に５０／５０カプラ１５０でＩＦＯＧ信号へ付加される。このノイズは、補償されない限り、ＩＦＯＧの角度ランダムウォーク（angle random walk）性能を低下させ得る。ＦＢＧ基準ＲＩＮ信号は、ＩＦＯＧループを閉じるために用いられるＳＵＭ信号における波長基準から、付加されたノイズを取り除くために用いることができる。図４に示すように、波長基準信号をターンオフするためにスイッチが用いられる場合には、このＦＢＧ基準信号が必要ではないことに、留意されたい。

より詳細には、狭帯域基準によりもたらされる、整合された（デュアルの）光検出器２２０でのＲＩＮのノイズを補償するために、タップ３３０および光検出器／前置増幅器３２０が用いられる。

代替の実施形態において、波長基準ＦＢＧ３１０を、波長基準を精製するための別のタイプの波長選択フィルタと置換することができる。１つの可能性としては、アセチレン・セルのような分子基準を用いることが考えられる。可能性として、分子基準の波長の安定性は、ＦＢＧベースの基準信号よりもかなり高いが（その大きさに１０の２乗を掛けた程度）、ここで説明したＦＢＧ構造の利点は、複雑度がかなり低く且つ実施しやすいということであることを、理解すべきである。

図４は、本発明の第２の実施形態を示し、この実施形態では、オン／オフ・スイッチ４１０を用いて波長基準ＦＢＧ３１０をオン／オフするものであり、これにより、タップ３３０と、追加のフォトダイオード及び前置増幅器３２０とを、効率的に置き換える。スイッチ４１０がオン位置にある場合、望ましい狭帯域基準が、ＷＤＭカプラ２１０および整合フォトダイオード２２０へ供給される。更に、ＷＤＭカプラ２１０の入力脚部を切り替えて、光検出器の応答性の感度を除くように、オプションの２×１スイッチ４２０を用いることができる。

図５は、本発明の第３の実施形態を示し、第３の実施形態は第１の実施形態と似ているが、第３の実施形態では別のフォトダイオードおよびプリアンプ５１０を含み、これを用いてループを閉じる。ＩＯＣ１１８から戻る光信号をタップするために、第２の５０／５０カプラ５２０を用いる。言うまでもないが、ここでは波長基準ＦＢＧ３１０が用いられ、これは本発明の原理に従うものである。別のループ閉フォトダイオード５１０があるので、第２の実施形態の光学スイッチ４１０はもはや必要ではないことに、留意されたい。

図６は、本発明の更に別の実施形態を示し、この実施形態では、最初の３つの実施形態で示されていた５０／５０スプリッタの代わりに、サーキュレータ６１０を用いる。この例では、波長基準ＦＢＧ３１０は、タップ６３０（９０％ポートおよび１０％ポートを有するものとして示されている）を介して、フォトダイオードおよび前置増幅器３２０へ接続される。光源１１０は、タップ６２０（８０％ポートおよび２０％ポートを有するものとして示されている）およびタップ６３０を介して、波長基準ＦＢＧ３１０と通信する。前述のものと同様に、狭帯域反射ＦＢＧ３１０を用いて、光源１１０からの広帯域光から狭波長基準を生成する。次に、この波長基準は、ＷＤＭカプラ２１０および整合フォトダイオード２２０を校正するために用いられ、これは本発明の目標と一致している。この実施形態によると、および前述のものと同様に、狭帯域基準によりもたらされるデュアル光検出器でのＲＩＮノイズを補償するために、タップ６３０およびフォトダイオード／前置増幅器３２０が用いられる。当業者は、タップのスプリット（分割）比率は、例示したもの以外でもよいことを理解するであろう。

図７は、本発明の第５の実施形態を示し、この実施形態では、波長基準ＦＢＧ３１０をオン／オフするスイッチ７１０を用いる。波長基準ＦＢＧ３１０は、タップ７２０を介してサーキュレータ６１０と接続される。前述のもののように、ここに示した分割比率以外の分割比率とすることもできる。また、タップ７２０およびサーキュレータ６１０が、図１に示したような５０／５０スプリッタ１１５と置き換わることを指摘しておく。５０／５０スプリッタの２経路の損失は６ｄＢであるが、サーキュレータとタップ・カプラの対の損失は約３ｄＢ（タップの分割比率にもよる）であるという点で、このことは重要である。

他の実施形態のように、この第５の実施形態も、オプションとして、ＷＤＭカプラ２１０の入力脚部を切り替えて光検出器の応答性の感度を除くように、２×１スイッチ４２０を含むことができる。

最後に、図８は、本発明の第６の実施形態を示し、この実施形態では、サーキュレータ６１０と、３個のタップ８１０、８２０、８３０とを用いて、別のループ閉光検出器８４０を装備する。従って、ここでは、他の実施形態の場合と同様に、波長基準ＦＢＧ３１０により生成される狭帯域基準信号を得るためのスイッチは不要である。

前述のことから理解できるであろうが、本発明は、ＷＤＭベースの波長制御機構と関連する波長誤差の校正に使用することができる波長基準を、ＩＦＯＧの全体的な構造に付加することに向けられている。

本発明の好適な実施形態の上記の開示は、例示および説明のためのものである。本発明を網羅しているものではなく、また、開示された形態に制限するものでもない。上記の開示を基にして、当業者には、開示された実施形態の多くの変形例および変更例が明らかとなる。本発明の範囲は、特許請求の範囲により定義され、また、その等価物により定義される。

更に、本発明の個々の実施形態の説明において、明細書では、本発明の方法及び／又はプロセスを特定の一連のステップとして説明した。しかし、方法やプロセスは、説明された特定の順序のステップに依存するものではない限り、方法やプロセスは、特定の一連のステップに限定されるべきではない。当業者であれば理解するように、ステップの順序が異なっていてもよい場合もある。従って、明細書に記載されたステップの特定の順序は、特許請求の範囲を制限するものと解釈すべきではない。更に、本発明の方法及び／又はプロセスに関する請求項は、記載された順でのステップの実行に限定されるべきではなく、当業者は、順序は変えることができ、それでもなお本発明の精神および範囲内にあることを、容易に理解できる。

図１および図２は、従来技術のＩＦＯＧ構造を示す。 図１および図２は、従来技術のＩＦＯＧ構造を示す。 図３は、狭帯域反射ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）を組み込んだ、本発明の第１の実施形態に従ったＩＦＯＧ構造を示す。 図４は、狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）およびスイッチを組み込んだ、本発明の第２の実施形態に従ったＩＦＯＧ構造を示す。 図５は、狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）およびＦＯＧループを閉じるための別のフォトダイオードを組み込んだ、本発明の第３の実施形態に従ったＩＦＯＧ構造を示す。 図６は、狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）およびサーキュレータを組み込んだ、本発明の第４の実施形態に従ったＩＦＯＧ構造を示す。 図７は、狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）、サーキュレータ、およびスイッチを組み込んだ、本発明の第５の実施形態に従ったＩＦＯＧ構造を示す。 図８は、狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）、サーキュレータ、およびＦＯＧループを閉じるための別のフォトダイオードを組み込んだ、本発明の第２の実施形態に従った、ＩＦＯＧ構造を示す。 図９は、典型的なファイバ光源（ＦＬＳ）の周波数スペクトルを示す。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、それぞれ、本発明の構造で用いることができる狭帯域ＦＢＧの帯域幅と、その狭帯域ＦＧＢがＦＬＳの出力に適用されたときに結果的に得られる波長基準のスペクトルとを示す。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、それぞれ、本発明の構造で用いることができる狭帯域ＦＢＧの帯域幅と、その狭帯域ＦＧＢがＦＬＳの出力に適用されたときに結果的に得られる波長基準のスペクトルとを示す。

Claims (10)

1. 干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）であって、
   光源と、
   前記光源と通信する感知ループ・アセンブリと、
   前記光源と通信し、波長の制御に用いられる波長分割マルチプレクサ／検出器アセンブリと、
   前記光源と直接に接続する狭帯域ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）以外の狭帯域ファイバ・ブラッグ格子であって、前記光源および前記波長分割マルチプレクサ／検出器アセンブリと通信し、前記波長分割マルチプレクサ／検出器アセンブリにおけるエラーを補償する狭帯域ファイバ・ブラッグ格子と
   を備える干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
2. 請求項１に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記狭帯域ファイバ・ブラッグ格子は、反射ファイバ・ブラッグ格子である、干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
3. 請求項１に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記狭帯域ファイバ・ブラッグ格子は、スプリッタを介して前記光源と通信する、干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
4. 請求項１に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記狭帯域ファイバ・ブラッグ格子による処理を受ける光を前記波長分割マルチプレクサ／検出器アセンブリへ供給するために、１個のみのスプリッタが用いられる、干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
5. 請求項４に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記１個のスプリッタは５０／５０スプリッタである、干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
6. 請求項４に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記５０／５０スプリッタは、前記ファイバ光源と前記感知ループ・アセンブリとの間に配される、干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
7. 請求項１に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記狭帯域ファイバ・ブラッグ格子による処理を受ける光を前記波長分割マルチプレクサ／検出器アセンブリへ供給するために、複数個のスプリッタが用いられる、干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
8. 請求項１に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記狭帯域ファイバ・ブラッグ格子を光学回路に入れるか又は光学回路から外すように切り替える第１のスイッチを更に備える、干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
9. 請求項８に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記波長分割マルチプレクサ／検出器アセンブリへの入力を切り替える第２のスイッチを更に備える干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。
10. 請求項１に記載の干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープであって、前記光源と前記狭帯域ファイバ・ブラッグ格子との間に配されるサーキュレータを更に備える干渉方式光ファイバ・ジャイロスコープ。

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