JP5521042B2 - 結合状態において高ｐｍｄを有する光ファイバ干渉計、光ファイバジャイロスコープ（ｆｏｇ）、及びそのようなジャイロスコープを含む慣性航法システム - Google Patents

Description

発明の分野はサニャック効果に基づく干渉計ジャイロスコープの分野、より詳細には光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）の分野である。

光ファイバジャイロスコープは、特に何れの外部航法支援も不可能又は利用不可能であるときに信頼性、小ささ及び極限感度に関するそれらの品質故に慣性航法システムにおける回転計測にますます使用されている。光ファイバジャイロスコープは図１に描かれたサニャックリング干渉計である。光ファイバジャイロスコープは一般的に広帯域光源１、第１のビームスプリッタ２（光源／受光器スプリッタと呼ばれる）、入口／出口偏光及び単一空間モードフィルタ３、第２のスプリッタ４（コイルスプリッタと呼ばれる）、光ファイバコイル５及び検出器６を含む。それ自身は既知の方式において、ジャイロスコープは一般的に変調器（位相又は周波数変調）と信号処理システムを備える。光源のスペクトル幅Δλ_ＦＷＨＭは一般的に発光中心波長λの０．１％ないし１０％である。スペクトル幅は光源の発光幅に対応してもよい。より広いスペクトル範囲（１〜１００ｎｍ）にわたり掃引される（自然幅＜１ｎｍの）狭帯域光源が使用されてもよい。

相互構成において、入射光ビームは偏光子と空間フィルタを通過した後、分割されて第１と第２の二次ビームを生じる。入口において偏光された第１のビームは例えば時計方向にコイルの第１の端部を介して注入され、コイルの第２の端部から出てきてもう一度偏光子を通過する。入口においてやはり偏光された第２のビームは反時計方向にコイルの第２の端部を介して注入され、コイルの第１の端部から出てきてもう一度偏光子を通過する。偏光子の下流において、第１と第２のビームは互いに干渉し、これらの干渉は検出器において読み取られる。

例として、ジャイロスコープが休止していれば、第１と第２のビームは同一経路を辿り、検出器において互いに同相である。一方ジャイロスコープが運動していれば、より正確にはコイルがその軸の周りに時計方向に回転すれば、第１の光ビームは干渉計の「最長」アームを辿るが、第２の光ビームは干渉計の「最短」アームを辿る。コイルの回転は従って光ファイバに沿って反対方向に巡回する第１と第２のビーム間の位相ずれを発生させる。この位相ずれは検出器にける第１と第２の光ビームの干渉状態を変化させる。

そのような回転センサが動作するためには、干渉計における偏光状態が偏光子の出口での、従って検出器での光量の消失、あるいは少なくとも、信頼性のある検出に不適合の減衰を生じにくいことが保証されなければならない。

現状技術において、二つの既知の解決策が存在する。第１の既知の解決策は偏波保持ファイバ（又はＰＭファイバ）と呼ばれる単一モードファイバで形成されたコイルを使用することにある。実際には、偏波保持ファイバは主軸と呼ばれる二つの直交軸を有する複屈折性の非常に大きいファイバである。そのようなファイバは、光ビームの偏光がその主軸の一方に整合していれば光ビームがファイバを通過する間はずっとその偏光を保存することができる。これはファイバの主モード間のゼロ又は低結合を保証することにより行われる。例えば、そのファイバコアを楕円形状に形成することにより、あるいはファイバ内に応力場を作り出すことにより、その主モード間において低結合であるファイバを作ることが知られている。

ジャイロスコープに偏波保持ファイバが使用されるときは、信号消失を生じないようにファイバは入口／出口偏光子の軸に対して正確に方向付けられねばならない。従って、ファイバの入口において、偏光子の軸がファイバの主モードの一つに平行であれば、光は選択された主モードに沿った偏光を伴ってファイバから出てくることになる。ファイバの出口において、選択された主モードが偏光子の軸にやはり平行であることも求められる。最も不都合な構成において、ファイバの出口において、ファイバの選択された主モードと偏光子の軸が互いに直交し、従って検出器に入射する光量の全喪失がある。従って検出は不可能である。より不都合な相対配置において、すなわち選択された主モードと偏光子の軸が互いに直交していない場合、出口偏光子は出てくるビームを大幅に減衰させ、これは従って検出器に入射する光量、従ってジャイロスコープの感度を減じる。

その結果、ＦＯＧの工業生産中に、光ファイバコイルの取り付けステップにおいて、検出器に入射する光量が信号変動の測定に適合する程度にその主軸がＰＭファイバの両端にある偏光子の軸と整合するように、特別の注意が払われねばならない。この整合ステップはしばしば手動で行われる。それは従って微妙で高価なステップである。

さらに、ＰＭファイバでの減衰は１ｄＢ／ｋｍのオーダである。また、ＦＯＧの感度はファイバコイル長に比例し、この長さは一般的に０．１ｋｍないし１０ｋｍである。１０ｋｍのＰＭファイバ長は従って１０ｄＢの信号減衰に対応し、これはまだ非常に大きい減衰である。単位長さ当たりの減衰により、非常に長いＰＭファイバの使用は従ってＦＯＧにおいては不適切である。ＰＭファイバの使用に基づくＦＯＧは実際には一般的に約１０キロメートルに制限されたコイル長を有し、これもそれらの感度を制限する。

さらに、偏波保持ファイバは偏波を保存しない在来のファイバより高価である。

第２の既知の解決策は、一方では標準の単一モードファイバ（一般的に「電気通信」又はＳＭ（単一モード）ファイバと呼ばれる）、従って偏波保存のないファイバで形成されたコイルを使用することにあり、他方では、例えばファイバコイルの入口と出口に設けられた「ライオット・デポラライザ」と呼ばれるデポラライザを使用することにある（特許文献１参照）。特許文献１において、入口／出口偏光子を通過することにより偏光された第１の二次ビームは、ＳＭファイバコイルに時計方向に注入される前にライオット・デポラライザを通過することにより偏光解消される。コイルに注入される光量は従って全ての偏光方向に均一に分布する。従ってコイルの他端において、注入された光量の一部が入口／出口偏光子の軸に適合する偏光をもつことは確実であり、従って入口／出口偏光子の下流には十分な光量が存在する。なぜなら偏光子を通過した後に失われる偏光解消されたビームの強度は半分に過ぎないからである。ファイバコイルに反時計方向に注入された第２の２次ビームは同様の光路を辿る。最終的には、ジャイロスコープの組立中に偏光子に対するファイバの相対方位がどうであれ、第１と第２のビームは検出器において互いに干渉する。

偏波保存のないＳＭファイバは、安価でありかつ組立があまり厳密でないという利点を有する。しかしこの解決策は、高価でありかつそのファイバコイルへの組み込みがＦＯＧの製造を複雑にするライオット・デポラライザの使用を必要とするという欠点をもつ。

最後に、ＳＭファイバでの減衰は現在少なくとも０．２５ｄＢ／ｋｍのである。従って４０ｋｍのファイバ長に対し、信号減衰は少なくとも１０ｄＢであり、これは実際にはＳＭファイバＦＯＧに対する最大長を決定する。ＳＭファイバＦＯＧのファイバ長は一般的には０．１ｋｍないし２０ｋｍである。

一般的に、何れの光ファイバも偏波モード分散（ＰＭＤ）を示す（例えば非特許文献１参照）。より正確には、ファイバは使用されるファイバ長Ｌに従って二つのＰＭＤ状態を持つと考えられる。

第１の状態は「固有」状態と呼ばれ、そこでは、ＤＧＤ（群遅延時間差）で表示される二つの主偏波モード間の群伝搬時間差がファイバ長Ｌに対して直線的に増加する。この線形則の傾斜は固有偏波モード分散に対してＰＭＤ_ｉと表示される。従って、この固有状態では、

ただし、ＰＭＤ_ｉ係数は直交モード間の有効群屈折率差

に関連付けられ、ΔＮ_ｅｆｆは直交モード間の有効屈折率差であり、ｃは真空中の光速である。すなわち

ＰＭＤ_ｉは一般的にｐｓ／ｋｍで表わされる。

この固有状態は複屈折に対応する。ビート長Λが定義されてもよく、これは、その端においてＤＧＤが波の周期Ｔ（＝λ／ｃ）に等しくなるファイバ長である。すなわち、

この固有挙動は長さ２Ｌ_ｃまで続き、この場合Ｌ_ｃはファイバの相関長と呼ばれる（非特許文献１参照）。

２Ｌ_ｃより大きいファイバ長Ｌに対し、状態はいわゆる「結合」状態となり、そのときＤＧＤは長さの平方根として増加する。この平方根則の係数はＰＭＤ_ｃで表示される。

ただし、

ＰＭＤ_ｃは一般的にｐｓ／√ｋｍで表わされる。

従って以下のモデルが定義でき、これは何れのタイプのファイバにも当てはまる。

従って

従って図２に模式的に示されるように、何れのファイバも長さＬの関数としてそのＤＧＤの特性曲線を有する。

実際、偏波保持（ＰＭ）ファイバは１５５０ｎｍの波長において３ｍｍ程度のビート長Λにより特徴付けられる。すなわちΔＮｅｆｆ≒５ｘ１０^−４、従ってＰＭＤ_ｉ≒１．５ｎｓ／ｋｍである。長さ２Ｌ_ｃは約１００ｋｍ程度であり、これからＰＭＤ_ｃ≒１５ｎｓ／√ｋｍが演繹される（図３のＰＭファイバ曲線参照）。

標準のＳＭファイバは１５５０ｎｍの波長において１５ｍ程度のビート長Λにより特徴付けられる。すなわち１５５０ｎｍにおいてΔＮｅｆｆ≒１ｘ１０^−７、従ってＰＭＤ_ｉ≒０．０３ｐｓ／ｋｍである。それはまたＰＭＤ_ｃ≒０．０３ｐｓ／√ｋｍにより特徴付けられる。そこから約５ｍの長さＬ_ｃが演繹される（図３のＳＭ曲線参照）。

偏波保持ファイバの使用に基づくＦＯＧは０．１ｋｍないし１０ｋｍのファイバ長Ｌを用いて固有状態で動作する。この長さＬは長さ２Ｌ_ｃ（概ね１００ｋｍ）より小さく、直交偏波モード間の結合を避ける。最大長Ｌは実際にはファイバの減衰（約１ｄＢ／ｋｍ、すなわち１００ｋｍに対して１００ｄＢ）により制限される。

標準ＳＭファイバの使用に基づくＦＯＧは相関長が非常に短いので結合状態で動作するが、ＰＭＤ_ｃの値は非常に小さく、ライオット・デポラライザを使用して偏波モードの均一な干渉パターンを得る必要がある。

一般的に、ファイバのＰＭＤは入力パルスの広がりを生じ、これはファイバの帯域幅を制限する。従って先行技術によれば、ファイバの帯域幅を増加するために低ＰＭＤ値を有し、時間的に安定し、環境条件の変動に鈍感なファイバを作ることが試みられている。

Szafraniec他の米国特許第６８０１３１９号「Symmetrical depolarized fiber-optic gyroscope」

John A. BUCK著「Fundamentals of Optical Fibers」2004:pages 161-172

発明の一つの目的は良好な感度で安価な光ファイバ干渉計を製造することである。発明の干渉計の好ましい用途は光ファイバジャイロスコープである。

そのために、本発明はより詳細には、中心波長λ及び典型的にはλの０．１％ないし１０％のスペクトル幅Δλ_ＦＷＨＭ（ＦＷＨＭはＦｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ（半値全幅）の略）を有し、位相緩和時間τ_ＤＣ（ただしτ_ＤＣ＝λ^２／ｃΔλ_ＦＷＨＭ）を有する入射光ビームを放射できる広帯域光源と、全長がＬで第１と第２の端部を有するＮ回巻きの単一モード光ファイバを有するコイルと、前記入射ビームを前記光ファイバの前記第１と前記第２の端部にそれぞれ結合された第１と第２のビームに分割することができ、それにより前記第１のビームが第１の方向に前記光ファイバを通過し、前記第２のビームが反対の伝搬方向に前記光ファイバを通過する光学手段であって、前記ファイバを伝搬後に前記両端からそれぞれ出てくる前記両ビームを合成して出力ビームにすることができる光学手段と、前記出力ビームの干渉を検出することができる検出器とを含む光ファイバ干渉計に関する。

発明によれば、前記コイルの前記光ファイバは高偏波モード分散（ＰＭＤ）を有する光ファイバであり、前記光ファイバコイルの長さＬは前記ファイバの相関長の２倍より大きい、すなわちＬ＞２Ｌ_ｃであり、それにより前記ファイバは結合状態で動作し、前記ファイバの長さＬにわたり累積された二つの直交偏波状態間の群伝搬時間差（ＤＧＤ）は前記光源の位相緩和時間より大きい。すなわち、

好ましい実施例は、前記光学手段が、前記入射ビームを前記光ファイバの前記第１と前記第２の端部にそれぞれ結合された第１と第２のビームに空間的に分割することができ、それにより前記第１のビームが第１の方向に前記光ファイバを通過し、前記第２のビームが反対の伝搬方向に前記光ファイバを通過する双方向光スプリッタであって、前記ファイバを伝搬後に前記両端からそれぞれ出てくる前記両ビームを合成して出力ビームにすることができる双方向光スプリッタと、前記光源から前記入射ビームを受けることができる単一空間モードフィルタ及び偏光子であって、前記直線偏光単一空間モード入射ビームを前記光スプリッタに送ることができる単一空間モードフィルタ及び偏光子とを含む、発明による干渉計を含む光ファイバジャイロスコープに関する。

特定の実施例によれば、発明のジャイロスコープは、前記光源から来る前記入射ビームと、前記出力ビームとを空間的に分割し、それぞれ前記入射ビームを前記ファイバコイルに、前記出力ビームを前記検出器に送ることができるスプリッタを含む。

発明のジャイロスコープの好ましい実施例によれば、前記光ファイバは前記光源の位相緩和時間の１００倍より大きい前記ファイバの長さＬにわたり累積されたＤＧＤを有する。すなわち、
ＤＧＤ＞１００τ_ＤＣ

発明のジャイロスコープの特定の実施例によれば、前記光ファイバは１ないし１０００ｐｓ／√ｋｍの、結合モードにおけるＰＭＤ係数ＰＭＤ_ｃを有する複屈折性ファイバである。

発明のジャイロスコープの特定の実施例によれば、前記光ファイバは１０^−６ないし２ｘ１０^−４の、波長λにおける直交偏波モード間の有効群屈折率差

を有する複屈折性ファイバである。

発明のジャイロスコープの好ましい実施例によれば、前記ファイバコイルの長さＬは０．１ｋｍないし２０ｋｍである。

発明のジャイロスコープの好ましい実施例によれば、前記光源の波長λは８００ないし１６００ｎｍであり、スペクトル幅Δλ_ＦＷＨＭはλの０．１％ないし１０％である。

発明はまた、発明によるジャイロスコープを含む慣性航法システムに関する。

本発明はまた、以下の説明に記載される特徴に関し、それらは個々に、あるいは技術的に可能な任意の組み合わせとして考慮されねばならない。

この説明は非制限的例として与えられ、添付図面を参照すれば、如何に発明が実施できるかをより良く理解することを可能にするであろう。

光ファイバジャイロスコープを模式的に示す。 ファイバ長Ｌの関数としての偏波モードの群遅延時間差（ＤＧＤ）の変化曲線を示し、二つの伝搬状態、すなわち固有状態と結合状態を示す。 三つのタイプのファイバ、すなわち単一モードＳＭファイバ（非複屈折性）、偏波保持（ＰＭ）ファイバ、及び結合状態における高偏波モード分散（ＨＰＭＤ_ｃ）を有するファイバのＤＧＤ曲線を模式的に示す。 三つのタイプのファイバに対する長さＬの関数としてのＤＧＤの数値例を、１５５０ｎｍ付近に中心を置く異なるスペクトル幅の光源に対応する位相緩和時間の水準と共に示す。 ポアンカレ球上の偏光ベクトルを示す。 長さ４０ｋｍのＳＭファイバを通る１４７０ｎｍないし１５７０ｎｍの波長変化に対する偏光ベクトルの変化例を示す。 初期偏光とファイバの軸との整合を示す偏波保持ファイバを通る偏光ベクトルの変化例を示す。 偏光子と検光子の間にあるＨＰＭＤ_ｃを透過後の中心波長１５３２ｎｍでスプクトル幅Δλ_ＦＷＨＭ≒５ｎｍの光源のスペクトルを示す。

二つの在来の場合（低い値のＰＭＤ_ｉ、ＰＭＤ_ｃ及びＬ_ｃを有し、結合状態で動作する標準ＳＭファイバと、非常に高い値のＰＭＤ_ｉ、ＰＭＤ_ｃ及びＬ_ｃを有し、固有状態で動作する偏波保持ＰＭファイバ）と対照的に、発明は高い値のＰＭＤ_ｉとＰＭＤ_ｃを有し、結合状態で動作するファイバを使用することを提案する。そのようなファイバはＨＰＭＤ_ｃファイバ（結合高偏波モード分散ファイバ）と定義される。

ＨＰＭＤ_ｃファイバの例は数百ｐｓ／ｋｍ程度の高ＰＭＤ_ｉと数百ｐｓ／√ｋｍのＰＭＤ_ｃを有する結合状態で動作するファイバである。例えば、ＰＭＤ_ｉ≒５００ｐｓ／ｋｍでＰＭＤ_ｃ≒１５０√ｋｍである。

ＨＰＭＤ_ｃファイバはＰＭファイバのものと同様の技術（ストレスバー又は楕円コア）を用いて作れるが、その複屈折性は小さく（ＰＭファイバに対する５ｘ１０^−４と比較して１ないし２ｘ１０^−４程度のΔＮ_ｅｆｆ）、これはその製造を著しく簡略化する。言い換えれば、ＨＰＭＤ_ｃファイバは約３ｐｓ／ｋｍないし約７００ｐｓ／ｋｍのＰＭＤ_ｉを有する。

図３は三つのタイプのファイバ、ＳＭ、ＰＭ及びＨＰＭＤ_ｃに対して、ＤＧＤ曲線を使用ファイバ長Ｌの関数として模式的に示す。円は各タイプのファイバに対して、長さＬのファイバコイルを用いたＦＯＧでの使用の状態に対応する点を表わす。

図４はＤＧＤ曲線の数値例をファイバ長の関数として示し（横軸と縦軸は対数目盛）、異なるスペクトル幅（それぞれ５ｎｍ及び５０ｎｍ）の光源に対する位相緩和時間の水準を示す。

ストークス／ミューラー形式とポアンカレ球は光ビームの偏光状態を定義及び表現することを可能にする（例えばEtude de la dispersion modale de polarisation dans les systemes regeneres optiquement", thesis of Benoit Clouet, 15 jan. 2009, pages 37-56 and 244; J. P. Gordon, H. Kogelnik, PMD fundamentals: "Polarization mode dispersion in optical fibers", Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS, Vol. 97, No. 9, Apr. 2000, pp. 4541-4550; P. K. A. Wai, C. R. Menyuk, "Polarization mode dispersion, decorrelation, and diffusion in optical fibers with randomly varying birefringence" IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 14, No. 2, Feb. 1996, pp. 148-157; M. Midrio, "Nonlinear principal states of polarization in optical fibers with randomly varying birefringence", Journal of Optical Society of America B, Vol. 17, No. 2, Feb. 2000, pp. 169-177; G. J. Foschini, C. D. Poole, "Statistical theory of polarization dispersion in single mode fibers", IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 9,No. 11, Nov. 1991, pp. 1439-1456参照）。

ストークス形式は、ストークス四次元ベクトル、又はより単純にストークスベクトルと呼ばれる実数四次元ベクトルにより偏光状態を表わす。このベクトルの成分は光強度を表わす。準単色光平面波を仮定する（偏光又は非偏光）。ストークス四次元ベクトルＳは以下のように電界に基づいて定義される。

記号＜ｘ＞はｘの時間平均を表わす。すなわち、

ただし、積分時間Ｔは一般的に、＜ｘ＞がＴに依存しない程度に大きく選ばれる。

電界に関連するストークスベクトルは以下のように表わされてもよい。

ただし、θは方位角であり、εは楕円率角である。θは偏光楕円の傾斜を定め、εはその楕円率を定める。εは右偏光に対して正で、左偏光に対して負である。

完全偏光電界に対して、ストークスベクトルの成分は以下を立証する。

ストークス形式は偏光状態の非常に実用的な表現、すなわちポアンカレ球を使用することを可能にする。光波のストークスベクトルが正規化されれば、それは以下のように表わされる。

最後の三つの成分は波の偏光された部分を特徴付ける。

それらは球上の点の座標（方位角、仰角）と解釈されてもよい。偏光状態は従って球上で表現できる。それらは方位角θと楕円率εにより完全に特徴付けられ、球半径は１に正規化される。ポアンカレ球は図５に模式的に示される。

ポアンカレ球上の点は三つの軸、すなわち水平直線偏光ｅ_１、４５°の直線偏光ｅ_２及び右円偏光ｅ_３に関して位置が特定される。直線偏光は球の赤道上に位置する。左及び右円偏光は球の下及び上の極にある。右楕円偏光は上半球にある。

二つの直交偏光は球上の径方向対点、すなわち反対のストークスベクトルで表わされる。

実際には、球上の角度は現実世界に対して２倍される。

ＰＭＤに対して以下に基づいてベクトルが定義できる。すなわち、
− 主偏波状態、
− ＤＧＤ。

偏波分散ベクトルはストークス空間において所定の長さｚに対して

で定義される。このベクトルは所定の光周波数において定義されるが、横軸ｚに至るまでの全てのファイバを含み、それはｚに沿う偏波の進化を決定づける。偏波分散に対する無限小回転則は以下のように表わされる。

この式は偏光分散ベクトルの定義として使用できる。周波数に依存しない入力偏波に対して、偏波の進化はＰＭＤにより与えられる速度で、偏波分散ベクトルで定義された軸の周りのポアンカレ球上の円を辿る。回転数の周期はΔω_ｃｙｌｅ＝２π／ＤＧＤに等しい。

この式は偏波分散ベクトルノルムにより周波数領域における偏波の進化をＰＭＤの時間効果に直接関連付ける。

次いで複屈折ベクトルは方向に対して偏波の遅い固有モードを有し、ノルムに対してΔβを有するストークスベクトルとして

で定義される。

ＰＭＤの動的方程式は以下のように表わされる。

この方程式はＰＭＤ理論に基づいている。それは偏波分散（左）の巨視的概念を複屈折（右）の局所的概念に関連付ける。それは距離による偏波分散ベクトルの進化を支配する。方程式の右の要素において、第１項はＤＧＤの進展を決定づける。第２項は偏波分散ベクトルの方向にのみ影響を与える。

固有状態で動作するファイバの場合、波長の関数としての偏波状態によるＰＭＤの測定（例えば、偏光解析装置と波長可変レーザ光源を用いるMeasurement of Polarization-Mode Dispersion, by Brian L. Heffner and Paul R. Hernday in Hewlett-Packard Journal, February 1995に述べられる方法を参照）は従って、ファイバの複屈折軸の周りのポアンカレ球上の回転であり、この円の直径は入力偏波とファイバの主軸との整合度の関数である（図７参照）。

結合状態で動作するファイバ、すなわちその長さがファイバの相関長よりずっと長いファイバの場合、複屈折ベクトルはファイバに沿って変化する。そのときＰＭＤは非決定性現象になる。そのとき偏波の進化はポアンカレ球上のランダム曲線に沿って生じる。ポアンカレ球上のこのランダム変位は球全体に広がる。

例えば、標準ＳＭファイバに対し、ポアンカレ球全体に広がるには非常に長いファイバ長（４０ｋｍより大きいＬ）と非常に大きい波長変化（約１００ｎｍ）が必要である。従って、図６は長さ４０ｋｍのＳＭＦファイバに対する偏波分散ベクトルの変化をポアンカレ球表示で示す（Agilent 8509B Lightwave Polarization Analyzer Product Overview (1993)）。

それに反し、固有状態で動作する偏波保持（ＰＭ）ファイバはポアンカレ球上では円で表わされ、その円錐半角は、コイルの入口と出口における偏光子とファイバ主軸の整合度に依存する。図７はポアンカレ球上の種々の斜線円を示し、それぞれの円はファイバ軸と偏光子軸の不整合度に対応する（完全な整合は球上の点に対応する）。光源のスペクトル幅はここでは１００ｎｍであり、１００ｎｍの帯域にわたり狭帯域光源を変化させることにより得られる。

ＨＰＭＤ_ｃファイバの場合、図６のＳＭファイバの場合のようにランダムにポアンカレ球全体に広がるが、スペクトル幅と長さはずっと小さく、０．１ｋｍないし１０ｋｍオーダのコイル長とｎｍオーダのスペクトルである。

偏光子と検光子の間のこのＨＰＭＤ_ｃファイバを通過する光源のスペクトルに対してＨＰＭＤ_ｃファイバにより誘発される偏波スクランブルの効果も観測される。Δλ_ＦＷＨＭ＝５ｎｍ（ＦＷＨＭ、半値全幅）の光源と長さ４ｋｍのＨＰＭＤ_ｃファイバによるノイズの多いスペクトルが図８の曲線について観測される。実際、スペクトルのノイズは多ければ多いほど、偏光はよりスクランブルされ、ＦＯＧ用のシステムはより良好になる。

発明は結合状態で高偏波モード分散（ＰＭＤ）を有する十分長いＨＰＭＤ_ｃファイバを使用して偏波スクランブルを発生させる。そうすることにより、発明のＦＯＧは偏波保持ファイバの使用や、ライオット・デポラライザが付随する偏波保持のないファイバの使用を避ける。

発明によるＦＯＧの製造は従って簡略化され、サニャック干渉計内のライオット・デポラライザの製造と組み込みの問題はもはや存在せず、発明によるＦＯＧのサニャック干渉計は特別の幾何学軸を持たないので、入口／出口偏光子への接続はファイバ主モードと偏光軸の整合という制約を伴って最早行われない。発明によるＦＯＧはより容易でより安価な工業生産性を有し、従ってＦＯＧの使用を一般化することができる。

図１は発明の光ファイバジャイロスコープを模式的に示す。ＦＯＧは広帯域スペクトル光源１と、二つのビームスプリッタ２及び４と、入口／出口偏光及び空間フィルタ３と、結合状態で高ＰＭＤを有するＮ回巻きの単一モード光ファイバを備えて偏波をスクランブルするコイル５と、検出器６とを備える。そのようなＦＯＧの動作は結合状態のＳＭファイバ又は固有状態ＰＭファイバを有するＦＯＧのものと同様である。しかしながら、発明のＦＯＧはライオット・デポラライザを備えず、固有状態で動作しない。

結合状態の高ＰＭＤファイバが直線偏向スクランブラであるためには、このファイバが実際に結合状態で動作し、ＤＧＤが使用光源の位相緩和時間より大きいことが求められる。すなわち、
DGD＞τ_dc
ただし、光源に関するτ_ｄｃは以下のように定義できる。

Δλ_ＦＷＨＭは光源の半値全幅である。

偏波スクランブルは結合状態でのランダムな現象であるので、ＦＯＧの偏光子を通過する光が常に半分あり、これは従ってシステムの一定感度を保証する。

しかしながら、光ファイバジャイロスコープの重要なパラメータの一つは回転速度の関数として測定される位相曲線の傾斜として定義されるその倍率の安定性である。倍率は検出器に戻る光の平均波長に反比例する。ＤＧＤ＝τ_ｄｃであれば、ポアンカレ球のほんのわずかな表面積にしか広がらず、平均波長は従ってあまり安定しない。高性能ジャイロスコープに対し、ＤＧＤ＞１００τ_ｄｃを、あるいはＤＧＤ＞１０００τ_ｄｃをも保証することが望ましく、これはポアンカレ球全体を掃引し、従って高倍率性能を保証することを可能にする。従って、５ｎｍ程度のスペクトル線幅を有する１５３０ｎｍの中心波長をもつエルビウム型の光源に対し、平均波長の安定性は、ＤＧＤがτ_ｄｃオーダであるときは数１０^−３であり、ＤＧＤが１００τ_ｄｃオーダであるときは数１０^−６である。

結合状態の高ＰＭＤファイバの使用により、発明は先行技術による習慣に逆らうことに注目すべきである。実際、先行技術によれば、ファイバのＰＭＤによる入力パルスの広がりは帯域幅の点でこのファイバの能力を劣化させる。先行技術は従って、小さくて時間的に安定しかつ周囲条件の変動に鈍感なＰＭＤ値を有するファイバを作ることを目指している。

発明によるＦＯＧに使用される結合状態の高ＰＭＤ光ファイバの特定の例示的実施例は以下の表に与えられる物理特性を有する。

もちろん、当業者は、全ての波長、特に８２０ｎｍ又は１３１０ｎｍでの用途に対して結合状態において高ＰＭＤを有する光ファイバが開発できることが分かるであろう。

発明によるＦＯＧは偏波保持ファイバを備える第１のタイプの既知のＦＯＧで得られるものと同様の性能を有することが分かった。

好都合には、高ＰＭＤファイバは偏波保持ファイバより潜在的に製造が容易であることが分かった。ＨＰＭＤ_ｃファイバはＰＭファイバのものと同様の技術（ストレスバー又は楕円コア）を用いて作れるが、その複屈折性は小さく（ＰＭファイバに対する５ｘ１０^−４と比較して１ないし２ｘ１０^−４程度のΔＮ_ｅｆｆ）、これはその製造を著しく簡略化する。これは製造コストの低減を可能にする。これはまたより長いファイバを得てジャイロスコープ用のより大きいコイルを作り、それによりそのように作られたＦＯＧの感度を増加する。

もちろん、高ＰＭＤファイバは特別の方向をもたないので、ＦＯＧ性能を変化することなくコイルのファイバに溶着部を作ることが可能である。これはコイルの溶着修理、コイル長の増加を可能にする。

従って、偏波保持ＰＭファイバより小径のＨＰＭＤ_ｃファイバを作ってジャイロスコープの小ささを改良することが可能であると思われる。

好都合には、発明によるＦＯＧは偏波保持ファイバを備える第１のタイプの既知のＦＯＧより磁界に対して低感度をすることが分かった。

発明は特定の実施例を参照して述べられたが、それには限定されない。それは述べられた手段と均等の全ての技術やそれらの組合せを含み、それらは発明の枠内にある。

１ 広帯域光源
２ ビームスプリッタ
３ 入口／出口偏光及び空間フィルタ
４ ビームスプリッタ
５ 光ファイバコイル
６ 検出器

Claims (9)

1. 中心波長λ及びスペクトル幅Δλ_ＦＷＨＭを有し、位相緩和時間τ_ＤＣ＝λ^２／（ｃΔλ_ＦＷＨＭ）を有する入射光ビームを放射できる広帯域光源（１）と、
   全長がＬで第１と第２の端部を有するＮ回巻きの単一モード光ファイバ（５）を有するコイルと、
   前記入射ビームを第１と第２のビームに分割して、前記第１のビームを前記光ファイバ（５）の前記第１の端部に、前記第２のビームを前記光ファイバ（５）の前記第２の端部にそれぞれ結合することができ、それにより前記第１のビームが第１の方向に前記光ファイバ（５）を通過し、前記第２のビームが反対の伝搬方向に前記光ファイバ（５）を通過する光学手段であって、前記ファイバ（５）を伝搬後に前記両端からそれぞれ出てくる前記両ビームを合成して出力ビームにすることができる光学手段と、
   前記出力ビームの干渉を検出することができる検出器と
   を含む光ファイバ干渉計であって、
   前記光ファイバ（５）は高偏波モード分散（ＰＭＤ）光ファイバであり、
   前記光ファイバコイル（５）の長さＬは前記ファイバ（５）の相関長Ｌ_ｃの２倍より大きい、すなわちＬ＞２Ｌ_ｃであり、それにより前記ファイバ（５）は結合されたＰＭＤ状態で動作し、
   前記ファイバ（５）の長さＬにわたり累積された二つの直交偏波状態間の群伝搬時間差（ＤＧＤ）は前記光源の位相緩和時間より大きい、すなわち、
   ＤＧＤ＞τ_ＤＣ
   であることを特徴とする光ファイバ干渉計。
2. 請求項１に記載の干渉計を備える光ファイバジャイロスコープであって、
   前記光学手段は、
   前記入射ビームを前記光ファイバ（５）の前記第１と前記第２の端部にそれぞれ結合された第１と第２のビームに空間的に分割することができ、それにより前記第１のビームが第１の方向に前記光ファイバ（５）を通過し、前記第２のビームが反対の伝搬方向に前記光ファイバ（５）を通過する双方向光スプリッタ（４）であって、前記ファイバ（５）を伝搬後に前記両端からそれぞれ出てくる前記両ビームを合成して出力ビームにすることができる双方向光スプリッタ（４）と、
   前記光源から前記入射ビームを受けることができる単一空間モードフィルタ及び偏光子（３）であって、前記直線偏光した単一空間モード入射ビームを前記光スプリッタ（４）に送ることができる単一空間モードフィルタ及び偏光子（３）と
   を含むことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
3. 前記光源からくる前記入射ビームと、前記出力ビームとを空間的に分割し、それぞれ前記入射ビームを前記ファイバコイル（５）に、前記出力ビームを前記検出器（６）に送ることができるスプリッタ（２）を備えることを特徴とする請求項２に記載のジャイロスコープ。
4. 前記光ファイバ（５）は前記光源の位相緩和時間の１００倍より大きい前記ファイバ（５）の長さＬにわたり累積されたＤＧＤを有する、すなわち、
   ＤＧＤ＞１００τ_ＤＣ
   であることを特徴とする請求項２または３に記載のジャイロスコープ。
5. 前記光ファイバ（５）は１ないし１０００ｐｓ／√ｋｍの、結合モードにおけるＰＭＤ係数ＰＭＤ_ｃを有する複屈折性ファイバであることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一つに記載のジャイロスコープ。
6. 前記光ファイバ（５）は１０^−６ないし２ｘ１０^−４の、波長λにおける直交偏波モード間の有効群屈折率差
   

   

   を有する複屈折性ファイバであることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか一つに記載のジャイロスコープ。
7. 前記ファイバコイル（５）の長さＬは０．１ｋｍないし２０ｋｍであることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一つに記載のジャイロスコープ。
8. 前記光源の波長λは８００ないし１６００ｎｍであり、スペクトル幅Δλ_ＦＷＨＭはλの０．１％ないし１０％であることを特徴とする請求項７に記載のジャイロスコープ。
9. 請求項１ないし８のいずれか一つに記載のジャイロスコープを備える慣性航法システム。

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