KR100210968B1 - 낮은 복굴절 성분을 가진 광학섬유 자이로스코우프 - Google Patents

Abstract

섬유광학 자이로스코우프는 두 분명한 부분으로 형성되며 하나는 낮은 복굴절 섬유의 광학통로를 갖고 다른 것은 편광 유지(PM) 섬유로 형성된 통로를 갖는다. 두 부분은 낮은 복굴절 PM 섬유 스플라이스에서 연결된다. PM 부분은 최소한 하나의 MIOC 와 PM 섬유의 괸련된 회전 감지코일을 포함하며 낮은 복굴절 부분을 광학소스와 관련된 카플러와 검출기를 포함한다. 배열은 편광소멸과 편광비상호성(PNR) 바이어스 오차를 최소화하며 낮은 가격으로 최대로 사용케하며 많은 경우 성능저하없이 전체적 체계 가격을 최소화하는 내구성 있는 성분을 사용케한다.

Description

낮은 복굴절 성분을 가진 섬유광학 자이로스코우프(gyroscope)

제1도는 종래기술에 따른 낮은 복굴절 섬유광학 자이로스코우프의 개략적 다이아그램.

제2도는 본 발명에 따른 세축 섬유광학 자이로스코우프의 개략적 다이아그램.

제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세축 섬유광학 자이로스코우프의 개략적 다이아그램.

제4(a)도와 제4(b)도는 본 발명에 따른 하나의 축 섬유광학 자이로스코우프의 다른 실시예의 개략적 다이아그램.

제5(a)도와 제5(b)도는 발명에 따르고 PM 제조된 하나의 축자이로스코우프를 위한 바이어스 불확실 데이타 대 온도의 그래프.

제6(a)도과 2와 6(b)1과는 2도는 발명에 따라 자이로의 시간에 대한 자이로스케일 안자안정성(온도상부(제 6(a)도)와 온도변수(제6(b)를 도시하는 그래프쌍.

과 2와 6(b)1과 2도는 발명에 따라 자이로의 시간에 대한 자이로스케일 인자안정성(온도상부(제6(a)도)와 온도변수(제6(b)를 도시하는 그래프쌍.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

24,26,28,48,50,52,70,74,76,82,84,86,90 : 스플라이스

30,32,34 : 칩 36,38,40,72,78,80 : 카플러

42,44,46 : 코일 64 : 다이오드

본 발명은 섬유광학 자이로스코우프(gyroscope) 같은 사그낙(sagnac) 효과에 기초한 광학적 회전 감지기에 관련된다. 보다 특히 본 발명은 성능을 저하시키지 않고 체계 가격을 최소화하도록 비교적 낮은 가격 성분으로 만들어진 광학섬유 자이로스코우프에 관한 것이다.

회전측정은 미사일과 비행기 유도에서 우주선 응용분야까지 이르는 많은 지역에서 상당히 중요하다.

스피닝(spinning) 바퀴 또는 기계적 자이로스코우프 방법이 오랜동안 사용되었다. 넓게 수용되는데도 불구하고 이 접근방법은 순항유도 영역에 알려진 단점을 갖게된다. 이것은 높은 성분가격과 성분부품의 연속적 운동때문에 상대적으로 짧은 수명을 갖게된다.

고리 레이저 자이로스코우프 같은 사그낙 효과에 기초한 광학기기는 많은 부분에서 기계적 자이로스코우프로 대체하기 시작했다. 레이저 광을 만드는 고질(high quality) 기체 방출관과 저분산 거울의 개발은 이 기술의 개발을 재촉했다. 그러나 고리 레이저 자이로스코우프는 낮은 회전율에서 주파수 잠김 현상을 일으켜 그러한 낮은 율에서 회전으로 유도된 주파수를 제거한다.

섬유광학 자이로스코우프는 낮은 회전율에서 주파수 잠김 문제가 없는 고리 레이저 자이로의 대체방법이 되었다. 더욱이 섬유광학 자이로스코우프는 가격을 감소시킬 수 있다. 따라서 이 기기는 큰부피, 낮고 중간의 정확도 순항과 유도체계에 알맞다.

섬유광학 자이로스코우프는 최초로 광학섬유 통신산업에 사용된것과 유사한 낮은 복굴절 섬유를 사용했다. 종래기술의 전형적인 낮은 복굴절 섬유광학 자이로스코우프의 개략적 다이아그램이 제1도에 도시된다. 그러한 장치는 레이저 다이오드 광원(10), 빛을 방향잡는 두 비임 분할기(12와 14)(또는 방향성 카플러(coupler)), 광감지기(16), 회전 감지성분으로 작용하는 다회전 섬유코일(18)과 압전 실린더 또는 하나의 채널(channel) LiNbo₃도파관 변조기로 구성된 위상 변조기(20)을 구성한다. 사그낙 위상이동은 역전파 파 사이의 회전으로 유도된 자동 위상이동에서 생긴 상대적 효과이다.

낮은 복굴절 광학성분과 낮은 복굴절 섬유로 만들어진 섬유광학 자이로스코우프의 가장 악명 높은 문제는 하나는 섬유의 두 편광상태 사이에서 전력의 임의적이고 예견할 수 없는 교환으로 인한 큰 바이어스 편류(drift)이다. 편광 비 상호성(PNR) 바이어스 오차로 알려진 이 바이어스 불안정성이 밑에 짧게 기술되겠다.

1981년 매사츄세츠에 캠브리지에서 열린 섬유광학 회전감지기에 대한 제1차 국제콘퍼런서의 프로시딩중 Ezekiel과 Arditty의 섬유광학 회전감지기 : 튜토리알 리뷰에 기술된 것처럼 섬유광학 자이로에서의 사그낙으로 유도된 위상의 작은크기 때문에 다른 와류(parasitic) 효과로 생기 의사(spurious) 위상 위동은 사그낙 위상 이동보다 큰 크기가 쉽게된다. 그러한 많은 의사 위상이동을 소거하는 유일한 공지방법은 소위 상호성의 원리를 사용하는 것이다. 이 원리에 따라 많은 그러한 와류의 원하지 않는 위상 이동은 크기에 불구하고 역전파 파가 감지 루우프(loop)내에서 동일한 광학통로를 이동한다면 사라지게 된다.

하나의 모우드(mode) 광학섬유는 실제적으로 두 직교하는 편광 모우드를 갖게된다. 낮은 복굴절, 하나의 모우드 섬유의 하나의 편광모우드에게 만으로 빛을 보내는 것이 항상 가능하지만 많은 외부 복굴절 섭동(perturbation)(섬유, 섬유트위스트(twist) 또는 섬유 굽어짐, 자기 또는 전기장에서의 작은 측면힘 같은)은 직교 모우드로 전력을 연결한다. 결과적으로, 제1도의 종래기술 광학섬유 자이로스코우프에서 두 역적파 파가 각파의 부분이 한 편광에서 첫째 이동하고 직교 편광부로 횡연결 되는 것과 동일한 광학적 통로를 움직이게 할 수는 없다. 상호성의 원리가 위반되어 편광비 상호성 바이어스(PNR) 오차를 만든다.

비상호성의 원리에 따라 루우프 카플러(제1도의 점(A)에서)전에 완전한 편광필터(또는 편광기)를 놓으면 PNR 바이어스 오차를 없앤다. 그러나 배타적인 낮은 복굴절 자이로스코우프에서 루우프 카플러전에 편광기를 놓으면 편광소멸(fading)으로 알려진 다른문제를 야기한다. 편광소멸은 편광기를 갖고있는 낮은 복굴절 섬유체계에서 발견된다. 낮은 복굴절에서 빛의 편광상태(SOP), 하나의 모우드 섬유는 진동하므로 (두 편광모우드 사이에서 전력의 연속적 교환을 만드는 이미 언급한 외부 복굴절 섭동때문에) 상황은 SOP가 편광기의 전달축에 직교할때 일어난다. 그러한 상황에서 전달된 전력은 0이다. 그리하여 전력의 큰 진동(가장크게 100%)이 시간에 걸쳐 발생한다. 편광소멸은 편광기축과 정렬시키도록 섬유편광 콘트롤러를 사용하여 손으로 SOP를 주기적으로 조절하므로서 이전의 섬유광학 자이로스코우프에서는 덜하게 된다. 말할 필요없이, 그러한 구멍 메우개(stopgap) 접금 방법은 싸고 대량 생산장치 설계에 부적절하다.

편광소멸외에도 편광기를 사용하는 낮은 복굴절 섬유광학 자이로스코우프는 만족스런 회전율 민감도 이루기 위해 비실제적인 고성능 편광기를 필요로 한다. 예를 들어 낮은 복굴절 섬유와 성분을 구성하는 자이로스코우프는 순항 등급성능을 얻기 위해 120dB 정도의 소멸율을 가진 편광기를 필요로 한다. 현재 가장 알려진 편광기는 약 90dB 정도의 소멸율을 갖는다. 저가의 대량 생산할 수 있는 편광기의 소멸율은 현재 60에서 70dB을 넘지 않는다.

편광소멸과 편광 비상호성 바이어스 오차의 문자는 초발광 다이오드 같은 낮은 간섭 또는 넓은 밴드(band) 광원과 편광유지(PM) 섬유의 도입으로 크게 경감되었다. 예를 들어 1983년 98변 볼륨1의 J. 라이트웨이브 테크놀로지의 W.K. 번스와 C.L. 첸과 R.P 모엘러의 넓은 밴드 소스를 가진 섬유광학 자이로스코우프 를 보자. PM 섬유는 섬유편광 모우드의 하나로 들어온 빛의 SOP가 외부의 복굴절 섭동에도 불구하고 섬유의 긴부분(수백미터 또는 킬로미터)에 걸쳐 보존되도록 설계된다. 편광소멸은 기본적으로 빛의 SOP가 항상 편광기 전달축과 정렬될때 사라진다. PM 섬유의 높은 복굴절과 관련하여 광원의 낮은 간섭이 일차파와 다른 와류의 횡연결된 파 사이의 상호관계를 크게 감소시키므로 PNR 바이어스 오차는 크게 감소된다.

PM 섬유와 성분의 사용은 섬유와 섬유성분 제조시 가격을 증가시킨다. PM 섬유와 PM 카플러는 예를 들어 PM 카플러의 제조가 비싼 정렬단계를 필요로 하므로 낮은 복굴절 카운터 파트(counterpart) 보다 제조하기가 훨씬 비싸다.

더욱이 광원의 평균 파장이 변하는 온도에 대해 안정되지 않으면 스케일(scale) 인자오차가 생긴다. 평균파장은 섬유광학 자이로스코우프내의 환경에 관해 매우 안정되야하며 예를 들어 카플러 분할율의 온도 의존성에 의해 크게 영향 받는다. 이전의 설계는 PM 또는 낮은 복굴절 성분을 사용하는 체계에 대해 과거에는 이 문제를 언급하지 않았다.

낮은 복굴절 섬유 감지코일에서의 편광소멸과 PNR 바이어스 오차를 감소시키는 다른 접금방법은 1981년 매사츄세츠 캠브리지에서 열린 섬유광학 회전 감지기에 관한 제1차 국제콘퍼런스에서의 울리치의 섬유광학 자이로스코우프에서의 편광과 편광소거에 기술되어 있다. 울리치는 편광소거 또는 편광 평균의 원리를 발표했다. 울리치에 따르면 낮은 복굴절 섬유의 모든 가능한 SOP가 자이로스코우프 검출기 적분 시간동안 존재한다면 안정된 편광 평균이 만들어 진다. 편과소거 또는 편광 평균을 이루는 실제적인 방법은 Ibid에서의 R.E 에프워스의 광학섬유 감지기에 사용된 다양한 반도체 광원의 임시적 간섭에서 논의된 것처럼 넓은 밴드의 광원과 관련하여 리오트(Lyot) 편광소거기에 의해서이다. 리오트 편광소거기에 관한 다른 참고문헌은 1983년 볼륨 1 페이지 475의 J. 라이트웨이브 테크놀로지의 W.K 번즈의 리오트 편광소거기에서의 편광정도 이며 그러한 참고문헌은 여기에 참조로 인용되었다. 편광소거된 섬유광학 자이로스코우프는 집적된 3인조 광학적 율감지기장치를 다루는 구빈스와 그 동료들의 미국특허 번호 4,828,389에 발표되어 있고 그 개념은 1990년 볼륨 8페이지 93에서 102의 섬유광학과 레이저 감지기에 관한 SPIE 프로시딩의 J.L 페이지의 섬유광학 자이로 관성 측정 유니트를 위한 멀티 플랙스된 접근방법의 논문에 더 논의되어 있다.

편광소거된 자이로스코우프는 낮은 정확도 응용분야(5에서 50도/시간. 최소 회전 민감도)에서 유용하지만 현재의 편광기와 편광소거기의 제한 때문에 예를 들어 관성 순항, 헤딩 레퍼런스(heading reference)와 항공전자공학에 필요한 정확도와 미사일 유도응용(0.003에서 1.0도/시간 최소 회전 민감도)을 이룰 수 있는지 의문시된다.

본 발명은 광원 최소한 하나의 광감지기, 광학섬유의 최소한 하나의 감지코일과 Y 접점 도파관을 포함하는 최소한 하나의 다기능 집적 광합칩을 포함하는 형태의 섬유광학 자이로스코우프를 개선하므로서 종래기술의 앞서의 단점을 극복한다. 본 발명의 자이로스코우프로 갖춰진 그러한 장치에서의 개선은 낮은 복굴절과 편광유지 (PM)성분의 사용에 있으며 감지코일은 PM 섬유성분이다.

본 발명의 앞서의 그리고 부가적인 특징과 장점은 다음의 상세한 기술로부터 명백해진다. 그러한 기술은 첨부된 도면과 함께 이루어진다. 쓰여진 기술의 번호에 상응하는 도면의 번호는 발명의 특징을 나타낸다. 도면과 기술에서 유사한 번호는 유사한 특징을 나타낸다.

도면을 참조할때 제2도는 발명에 따른 세축 섬유광학 자이로스코우프의 개략적 다이아그램이다. 다음의 논의에서 재래식 세축 자이로 체계에 본 발명의 특징이 일체화된 제2도의 장치가 상당히 감소된 가격으로 편광유지(PM) 섬유와 카플러의 배타적으로 구성된 체계에 상당한 성능을 주고있음을 알게된다. 그러한 경제성은 체계에 상대적으로싼 낮은 복굴절 섬유와 카플러를 선택적으로 일체화시키기 때문이다. 다음의 논의로부터 본 발명의 특징은 세축장치에 제한되지 않는다는 것이 명백하다.

많은 수의 성분이 하나의 축체계 보다 세축에 내재되어 보다큰 잠재적 성분가격 절약을 할 수 있지만 발명의 원리는 어떤수의 자이로를 사용하는 체계에 성공적으로 적용된다.

제2도의 자이로스코우프는 낮은 복굴절 성분으로 제조된 부분(20)과 보다 비싼 PM 성분으로 형성된 부분(22)로 (19)에서 나뉘어진다. 두부분은 멀티플렉싱(multiplexing) 방향성 카플러(36,38과 40) 각각에 다기능 집적광학침(MIOC's)(30,32와 34)의 입력 피그테일(pigtail)을 연결하는 융합스플라이스(splice)(24,26과 28)(x로 표시됨)에서 연결된다. 카플러(36,38과 40)은 낮은 복굴절 광학섬유의 융합된 쌍으로 형성된 재래식 장치이고, 칩(30,32와 34)의 입력 피그테일은 PM 광학섬유를 구성한다.

MIOC's(또는 칩)(30,32와 34)는 잘알려진 장치이고 그 각각을 선호적으로 PM 도파관 Y-접점에서 나오는 역전파 비임쌍 사이에서 미리 결정된 위상 이동에 영향을 주도록 LiNbo₃같은 적절한 전기광학 물질의 기층을 구성한다. MIOC's(30,32와 34)로부터의 PM 광학 섬유 출력 피그테일은 여러쌍의 스플라이스(48,50과 52) 각각에 의해 PM 광학섬유의 감지코일(42,44와 46)에 연결된다. 대체방법으로 코일(42,44 와 46)이 MIOC's(30,32와 34)에 직접 피그테일될수 있어 스플라이스(48,50과 52)를 불필요하게하여 체계 가격을 낮춘다.

부분(20)으로 돌아와서 볼때 이것의 각각의 광학통로는 낮은 복굴절 섬유로 형성된다. 용어 낮은 복굴절 섬유는 상대적으로 작은 비등방성(anisotropy)를 말한다. 즉 그러한 섬유의 굴절의 가로 색인은 크게 다르지 않는다. 이것은 굴절(늦고 빠른 축과 관련된) 색인이 크게 다름 PM 섬유와 반대이다. 빛의 SOP를 보존하는 것은 그 능력의 핵심에 있는 PM 섬유의 위에 기술된 성질이다.

부분(20)은 광검출기(54,56,58과 60)(각각은 낮은 복굴절 카플러 피그테일에 스플라이스에서 연결된 낮은 복굴절 섬유의 관련된 프크테일을 가짐)을 포함하며 처음셋은 코일(42,44와 46)의 신호출력을 측정하는 역할을 한다. 그러한 코일 각각은 세직교 공간축중 하나에 관해 회전표시를 하도록 선호적으로 배열된다. 4번째 검출기(60)은 모니터 역할을 하여 넓은 밴드의 편광안된 섬유 소스(source)(62)의 출력을 측정하는 신호를 제공한다.(검출기(60)은 (60a,60b와 60c)에 표시된 장소중 하나에 다른 방법으로 위치될 수 있다.) 검출기(60)은 레이저 다이오드(64)를 조절하므로서 소스(62)의 출력을 조절하는 제어체계의 일부로 기능한다. 언급한 제어회로의 배열을 잘 알려져 있고 여기에 청구된 발명의 부분을 형성하지 않으므로 그러한 회로는 제1도에서 상세히 도시되지 않는다(도시된것처럼 레이저 다이오드(64)는 후방펌핑 모양이다. 이것은 차이로 감지기 코일에 흡수되지 않는 펌프 빛이 잠재적 전달을 크게 감소시키므로 유리하다. 빛의 그러한 원하지 않는 전달은 바이어스와 스케일 인자오차를 유도한다.)

넓은 밴드 섬유소스(62)는 신호적으로 낮은 복굴절 파장 구분 멀티플렉싱(WDM) 카플러(68)의 피그테일에 스플라이스(66)에서 연결된 에르비움(Erbium)으로 도우프(dope)된 섬유를 구성한다. 이 섬유의 단부(63)은 섬유 안으로 빛의 반사시키지 않도록 제조된다. 카플러(68)은 낮은 복굴절 카플러(72)에 스플라이스(70)에서 연결된다. 카플러(72)의 피그테일은 낮은 복굴절 방향성 카플러(78과 80) 각각의 피그테일에 스플라이스(74와 76)에서 연결된다. 스플라이스(82,84와 86)은 카플러(78과 80)과 이미 언급한 카플러(36,38과 40) 사이에서 광학적 통로를 마무리한다. 카플러(72,78과 80)은 전력 분리 카플러로 작동한다. 그러한 네트워크(network)는 예를 들어 3:1 또는 4:1의 분리율을 갖는 하나의 카플러로 교체될 수 있다.

레이저 다이오드로 펌프질된 Er으로 도우프된 낮은 복굴절 광학섬유 같은 넓은 밴드 섬유소스가 편광안된 빛을 방출하는 것은 잘알려져 있다. 편광된 광원을 사용하는 발명의 다른 실시예는 제3도에 도시되어 있다. 이 도면에서, 종래실시예의 요소에 상응하는 요소는 상응하는 변호로 표시된다. 언급된 것처럼 종래 실시예와 달리 제3도의 배열은 편광안된 광원을 사용하지 않는다. 제3도의 자이로는 낮은 간섭 레이저 다이오드 또는 초발광 다이오드 같은 빛의 편광된 소스(88)를 사용한다. 소스(88)은 스플라이스(90)에서 카플러(72)의 낮은 복굴절 피그테일에 연결된 관련된 PM 피크테일을 갖는다. 펌핑(pumping) 다이오드가 필요하지 않으므로 전체적 체계 설계는 제2도의 WDM(68)을 제거하므로서 약간 재구성된다.

리오트 편광소거기(120,122와 124)는 MIOC's(30,32와 34) 각각에 스플라스(24,26과 28)을 연결하는 PM 섬유부분 안으로 삽입된다. 리오트 편광소거기는 작동에 필요한 위상 늦춤의 조건을 만족시키도록 배열된 복굴절 물질층을 구성하거나 정확히 45도에서 PM 섬유 스플라이스로 구성된다. 리오트 편광소거기의 작동은 이미 인용된 번스와 에프워스 논문에 기술되어 있다. 섬유광학 세축 체계에 PM과 낮은 복굴절 성분을 일체시키는 종래기술 시도(즉 미국특허 제4,828,389)는 감지루우프안에 리오트 편광소거기를 놓도록 하나 본 발명에서는 편광기가 코일밖에 놓이고 편광된 광원에 사용되도록 제한된다.

제2도 또는 제3도(또는 유사한 하나의 축배열)에 따라 구성된 체계는 상대적으로 비싼 PM 섬유와 카플러를 배타적으로 사용하는 체계와 비견되는 성능을 갖는다. 이것은 부분적으로 배타적으로 낮은 복굴절 요소의 부분을 사용하므로서 체계의 분석과 설계는 간단화된다는 사실에 기인한다. 즉 자아로 체계의 낮은 복굴절 부분(20)은 바이어스 오차 분석을 위한 하나의 편광횡 연결점으로 처리된다. 그결과 (1) 낮은 복굴절 성분의 섬유 인입 길이는 편광비 상호성 오차 계산에 적당하지 않고 (2) 체계에서의 가능한 편광 비상호성 바이어스 오차항의 수는 상당히 감소된다. 낮은 복굴절과 PM 섬유에서 생성된 외류파의 내재적으로 다른 성질로부터 이것이 도출된다. 그러한 와류파는 섬유와 요소의 두형태에 편광 비상호성 오차를 주며 낮은 복굴절 섬유의 비등방성의 작은 정도는 얼마나 많은 횡연결이 낮은 복굴절 광학통로를 따라 일어나든간에 횡연결된 전력이 시종일관 되거나 상호관련되도록 한다. 따라서 불연속성과 낮은 복굴절 광학통로를 따라 횡연결을 일으키는 유사한 것에도 불구하고 4 이하의 분명한 파가 생성되고 (낮은 복굴절) 부분(20)에서 빛을 전달하는 낮은 복굴절 광학섬유의 어느것 위에서도 관찰된다. 이것은 PM 섬유와 요소와 다르며 빠른 축으로부터 늦은축까지 또는 그역으로의 각각의 횡연결은 발사하는 파에 관해 빠르게 상호관계가 없어지는(또는 앞뒤가 맞지 않게되는) 와류파를 만든다. 각각의 낮은 복굴절 광학통로에 존재하는 4 분명한 파는 광원으로 생성된 두 직교적으로 편광된 파(A와 B)를 포함한다.(소스가 편광이 안되면 A,B는 상호관계가 없다.) A에 관해 직교적으로 편광된 파와 B에 관한 직교적으로 편광된 파는 낮은 복굴절 통로를 따른 횡연결로부터 나온다. 마지막에 이름붙여진 파(A'과 B') 각각은 상응하는 생성파(A 또는 B)와 거의 완전히 상호 관련된다.

수학적으로 위에 인용된 상황을 대비할 수 있고 낮은 복굴절 광학통로당 4파만, PM 광학통로내에 생성된 2ⁿ개의 분명한 (상호 관련되지 않은)파를 분석적으로 다뤄야만하며 n은 횡연결의 수이고 순전히 PM 광학통로내의 와류파의 결과적인 론치(launch)이다. 그러한 카플링은 분명하거나(스플라이스, 피그테일, Y-접점과 카플러의 존재 때문에) 광학적 통로를 따라 LiNbo₃크리스탈 및/혹은 섬유내의 불규칙성의 존재때문에 연속적(분산된)일수 있어 분석 노력을 복잡하게 한다.

그리하여 물질의 가격을 감소시키는외에 어떤 PM 요소의 소거는 체계설계에 필요한 분석을 간단하게 한다. 따라서 경제적인 절약은 설계자가 낮은 복굴절 부분(20)을 PM부분(22)의 배열에서만 그의 주의를 집중하고(섬유길이, 요소분리와 유사한것) 분석을 위해 덩어리화된것으로 처리할때 실현된다. 또한 편광소거기와 연결된 편광소스 또는 편광안된 광원을 사용하므로서 편광소멸과 관련된 문제는 발명에서 최소화된다.

제4(a)도와 제4(b)도는 발명에 따른 하나의 축 자이로스코우프의 개략적 다이아그램이다. 제4(a)도의 자이로스코우프는 레이저 다이오드(94)로 펌프질된 Er으로 도우프된 섬유(92) 같은 넓은 밴드 광원을 사용한다. 이미 논의된 것처럼 그러한 배열은 편광안된 빛을 생성하는 것으로 알려져 있다. 제3(b)도에서 레이저 다이오드(96)은 편광된 빛을 방출한다. 일반적으로 제4(a)도와 제4(b)도의 배열은 제2도와 제3도 각각의 세축 배열에 상응한다.

제4(a)도를 다시 참조할때 하나의 축 자이로스코우프는 분리될 수 있는 부분으로 나뉘어지고 100의 왼쪽까지의 부분(98)은 낮은 복굴절요소를 구성하고 100의 오른쪽까지의 부분(102)는 PM 요소를 구성한다. 종래의 논의에서처럼 최적의 설계는 섬유길이 등등의 선택이 PM부분(102)의 배열에 초점을 맞추므로서 이루어지는 한 발명에 의해 간단해진다. 이전처럼, 부분(98)은 바이어스 오차 분석을 위해 하나의 편광횡 연결점과 같다.

낮은 복굴절 카플러(104와 106)의 사용으로 부분(98)에서 경제성이 있으며 카플러(104)는 펌핑 다이오드(94)로 하여금 도우프된 섬유(92)를 여기시키며 카플러(106)은 광다이오드(108)을 자아로 체계에 연결한다. 100의 왼쪽까지의 모든 스플라이스는 낮은 복굴절 섬유 피그테일을 상호 연결하며 스플라이스(110)은 MIOC(112)의 PM 입력 피그테일에 낮은 복굴절 카플러(106)의 피그테일을 연결한다. 칩(112)의 출력 피그테일은 한쌍의 스플라이스(116)에 의해 PM 섬유감지코일(114)에 연결된다. 이전에 언급된 것처럼, 이쌍의 스플라이스는 코일이 칩(112)에 직접 피그테일되면 필요치 않다.

본 발명의 장점과 특징을 갖는 제4(a)도의 하나의 축 자이로스코우프는 배타적인 PM의 하나의 축 자이로스코우프와 같이 성능을 발휘한다. 그러나 제4(a)도의 체계는 낮은 복굴절 카플러(104와 106)으로 한쌍의 PM 카플러를 교체하므로써 상당히 절약된다. 그러한 가격 절감은 정말로 본 발명에 따른 세축장치 (제2도의 장치는 7 PM 카플러를 낮은 복굴절 카운터파트로 대체한다)에서 실현된 것보다 덜 인상적이고 낮은 성분가격과 간단화된 전체적 설계에 관해 실현된 절약은 중요하다.

제4(b)도의 하나의 축 자이로스코우프는 제3도의 세축 자이로가 제2도의 그것과 다른 방법으로 제4(a)도의 그것과 다르다. 즉 소스(96)은 편광된 빛을 내보내며 리오트 편광소거기(118)은 세축형태에서 처럼 필요하며 편광소거기(118)은 PM부분(102)에 위치한다. 이미 언급한 것처럼, 빛비임의 편광걸러냄은 비임이 감지 루우프를 들어가기전에 그리고 각 모우드가 같은 광학통로(상호성의 원리)를 보는 한쌍의 역전파 비임 모우드를 보장하도록 루우프를 여기시킨 후 섬유광학 자이로스코우프내에서 일어나야 한다. 본 발명에서, 감지코일(114)와 MIOC의 출력 피그테일은 PM 섬유이다. 이것은 종래기술이 예를 들어 낮은 복굴절 감지코일을 사용하고 그러한 코일에 리오트 편광소거기를 삽입시켜야하는 위에 언급한 미국특허에 발표된 것같은 감지 루우프내에 낮은 복굴절 섬유와 PM을 혼합하려는 것과 다르다. 그것보다는 자이로의 회전 감지부분에 PM 섬유만을 사용한다.

이미 언급한 것처럼, 발명은 PM 섬유카플러와 PM 섬유의 배타적으로 형성된 훨씬 높은 가격체계로부터 거의 식별될 수 없는 성능의 수준을 이룬다. 제5(a)도는 표준 PM 카플러를 사용하는 하나의 축 0.8 마이크론 자이로스코우프의 온도의 함수로의 바이어스 불확실성 데이타 그래프이고 제5(b)도는 낮은 복굴절 카플러를 사용하고 발명에 따라 하나의 축 자이로스코우프로 얻어지는 결과의 그래프이다. 편광된 광원(초발광 다이오드)이 리오트 편광소거기와 관련하여 사용된다. 시간당 0.61도의 표준편차가 PM 자이로에서 관찰되며 시간당 1.07도의 약간큰 변형성만이 발명의 축자이로의 중력에 존재한다.

제6(a)(a)도와 제6(a)(b)도 (온도상수)와 제6(b)(a)와 제6(b)(b)도 2(온도변수)는 세낮은 복굴절 카플러와 넓은 밴드(편광안된) 섬유소스를 사용하는 1Km 자이로에 대한 시간에 걸친 자이로 스케일 인자 안정성을 표시하는 그래프쌍이다. 제6(a)(a)도의 스케일 인자 안정성 데이타가 제6(a)(b)도에 도시된 것처럼 카플러 온도가 거의 균일하게 유지될때 택해진다. 제6(b)(a)도의 데이타는 카플러 온도가 제6(b)(b)도에 도시된 것처럼 섭씨 15와 35도 사이에서 순환될때 택해진다. 제6(a)(a)도와 제6(b)(a)도의 많은 수의 스파이크(spike)는 실험적 측정을 위해 사용된 닫힌 루우프 전자장치에 기인한다. 약 90ppm의 표준편차는 제6(a)(a)도와 제6(b)(a)도의 그래프에서 관찰된다. 제6(b)(a)도의 데이타는 카플러 온도 프로파일(profile)에도 불구하고 제6(a)(a)도의 그것과 식별되지 않는다.

그리하여 도시된 것처럼 본 발명은 성능을 저하시키기 않고 경제성을 높은 섬유광학 자이로스코우프를 갖춘다. 본 발명의 특징을 사용하여 PM 섬유와 카플러를 배타적으로 사용하는 체계에서 얻을 수 있는 것과 비견되는 성능을 얻을 수 있다. 넓은 밴드 광원을 사용하고 발명에 따른 PM과 낮은 복굴절 성분의 적절한 분리에 의해 가능한 모델링(modeling) 또는 분석을 하므로서 스케일 인자 오차뿐 아니라 편광 비상호성(PMR) 바이어스 오차와 편광 소멸과 관련된 문제가 최소화되며 결과적인 장치는 훨씬 비싼 종래기술 장치 보다 내구성이 있다.

본 발명이 현재 선호되는 실시예를 참조로 발표되었지만 거기에 제한되지 않는다. 예를 들어 하나와 세축 실시예에 관해 도시되었지만 본 발명이 여기에 있는 특징에 기호한 직선적방법으로 4, 6과 다른 다중축 체계로 확장될 수 있는 것은 기술에 익숙한 사람에게 명백하다. 그리하여 특허청구범위로 정의 되는한 본 발명이 제한되고 그 범위내에서 그에 상응하는 모든 것을 포함한다.

Claims (18)

1. 광원, 최소한 하나의 광검출기, 광학섬유의 최소한 하나의 감지코일, Y-접점 도파관을 포함하는 최소한 하나의 다기능 집접(intergrated) 광학칩, 그리고 낮은 복굴절 섬유성분이 최소한 하나의 카플러(coupler)를 포함하는 형태의 광학섬유 자이로스코우프로서, a) 상기 자이로스코우프가 낮은 복굴절과 편광유지(PM)성분을 포함하고, b) 상기 감지코일이 PM 섬유성분을 가지며, c) 상기 광학칩의 입력과 출력 피그테일(pigtail)이 PM 섬유성분을 갖는 광학섬유 자이로스코우프에 있어서, 광원이 a) 편광안된 빛을 방출하며, b) 미리 결정된 도우판트(dopant)의 낮은 복굴절 섬유와 편광안된 빛이 방출되도록 마지막-지명(last-named) 섬유를 펌프질 하도록 배열된 레이저 다이오드로 구성됨을 특징으로 하는 광학섬유.
2. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 도우판트가 에르비움(Erbim)임을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
3. 광원, 최소한 하나의 광검출기, 광학섬유의 최소한 하나의 감지코일, Y-접점 도파관을 포함하는 최소한 하나의 도기능 집접 광학칩, 그리고 낮은 복굴절 섬유성분의 최소한 하나의 카플러(coupler)를 포함하는 형태의 광학섬유 자이로스코우프로서, a) 상기 자이로스코우프가 낮은 복굴절과 편광유지(PM) 성분을 포함하고, b) 상기 감지코일이 PM 섬유성분을 갖으며, c) 상기 광학칩의 입력과 출력 피그테일이 PM 섬유성분을 갖는 광학섬유 자이로스코우프에 있어서, 광원이 a) 편광된 빛을 방출하여, b) 낮은 임시적 간섭 레이저 다이오드로 구성됨을 특징으로 하는 광학 섬유 자이로스코우프.
4. 제3항에 있어서, 상기 광원이 초발광(superluminescent) 다이오드임을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
5. 제3항에 있어서, 리오트 편광소거기(Lyot deploarizer)를 더욱더 포함하는 광학섬유 자이로스코우프.
6. 제5항에 있어서, 상기 리오트 편광소거기가 광학칩의 입력 피그테일에 연결됨을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
7. 제1항에 있어서, 낮은 복굴절 섬유의 최소한 하나의 광학통로를 가지며 광원을 포함하는 제1 부분과 PM 섬유의 최소한 하나의 광학통로를 가지며 최한 하나의 감지기 코일을 포함하는 제2 부분으로 나뉘어질 때, 상기 제2 부분이 a) MIOC와 b) MIOC의 출력 피그테일에 연결된 감지기를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
8. 제7항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 7개의 낮은 복굴절 카플러와 편광안된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 세직교축에 대하여 회전율을 측정토록 배열된 세 개의 감지코일과 세 개의 광학칩을 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
9. 제7항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 5개의 낮은 복굴절 카플러를 포함하고, b) 상기 제2 부분이 세직교축에 대하여 회전율을 측정토록 배열된 세 개의 감지코일과 세 개의 광학 칩을 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
10. 제7항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 6개의 낮은 복굴절 카플러와 편광된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 세축에 대하여 회전율을 측정토록 배열된 세 개의 코일과 세 개의 광학칩을 포함하며, c) 세 개의 리오트 편광소거기가 제2 부분내에 위치하고, 상기 편광소거기 각각의 PM 섬유의 한 부분과 상기 광학칩의 입력 피그테일 중간에 위치토록 함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
11. 제7항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 두 개의 낮은 복굴절 카플러와 편광안된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 회전율을 측정토록 배열된 감지코일과 광학칩을 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
12. 제7항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 낮은 복굴절 카플러와 편광된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 회전율을 측정하토록 배열된 감지코일과 광학칩을 포함하며, c) 리오트 편광소거기가 제2 부분내에 위치하고 PM 섬유의 한 부분과 상기 광학칩의 입력 피그테일 중간에 위치하도록함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
13. 제7항에 있어서, 제2 부분이 a) 광학칩, b) 상기 광학칩의 출력 피그테일을 포함하는 연속적 광학섬유로 구성된 감지기코일을 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
14. 제13항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 7 개의 낮은 복굴절 카플러와 편광안된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 세직교축에 대하여 회전율을 측정하도록 배열된 세개의 감지코일과 세 개의 광학칩을 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
15. 제13항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 5 개의 낮은 복굴절 카플러를 포함하고, b) 상기 제2 부분이 세직교축에 대하여 회전율을 측정토록 배열된 세개의 감지코일과 세 개의 광학칩을 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
16. 제13항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 6 개의 낮은 복굴절 카플러와 편광된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 세직교축에 대하여 회전율을 측정토록 배열된 세개의 감지코일과 세 개의 광학칩을 포함하고, c) 세 개의 리오트 편광소거기가 제2 부분내에 위치하고, 상기 편광소거기 각각이 PM 섬유의 한부분과 상기 광학칩의 입력 피그테일 중간에 위치하도록 함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
17. 제13항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 두 개의 낮은 복굴절 카플러와 편광안된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 회전율을 측정토록 배열된 감지코일과의 광학칩을 포함함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.
18. 제13항에 있어서, a) 상기 제1 부분이 낮은 복굴절 카플러와 편광된 광원을 포함하고, b) 상기 제2 부분이 회전율을 측정토록 배열된 감지코일과 광학칩을 포함하며, c) 리오트 편광소거기가 제2 부분내에 위치하고, PM 섬유의 한부분과 상기 광학칩의 입력 피그테일 중간에 위치하도록 함을 특징으로 하는 광학섬유 자이로스코우프.