KR19980702046A - Optimum coupler configuration of a fiber optic speed gyroscope using a 3 × 3 coupler - Google Patents

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KR19980702046A
KR19980702046A KR1019970705441A KR19970705441A KR19980702046A KR 19980702046 A KR19980702046 A KR 19980702046A KR 1019970705441 A KR1019970705441 A KR 1019970705441A KR 19970705441 A KR19970705441 A KR 19970705441A KR 19980702046 A KR19980702046 A KR 19980702046A
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존 에프 프리이스트
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제임스 에프. 커크
리튼 시스템즈, 인크
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Abstract

제1, 제2 및 제3 광 도파관들로 구성된 3×3 광 커플러를 포함하는 광섬유 회전 센서가 개시되어 있다. 제1, 제2 및 제3 광 도파관들은 이들 중 어느 하나에서 다른 2개의 광 도파관으로 결합되는 광의 비율들이 온도 변화에 관계없이 일정하게 되는 결합비들을 갖도록 형성되어 있다. 광 신호원은 제1 광 도파관으로의 입력 광신호를 제공하도록 배열되어, 입력 광신호의 일부는 제1 광 도파관에서 제2 및 제3 광 도파관들 안으로 결합된다. 센싱 루프가 형성되어 있는 광섬유는 센싱 루프에서 역전파 광파를 형성하는 광 신호들을 수신하고 이 신호들이 센싱 루프를 횡단한 후에 역전파 광파들을 결합하도록 제2 및 제3 광 도파관들에 결합된 단부들을 구비하고 있다.An optical fiber rotation sensor comprising a 3x3 optical coupler composed of first, second and third optical waveguides is disclosed. The first, second and third optical waveguides are formed such that the ratios of the light coupled to the other two optical waveguides from any one of them are constant regardless of the temperature change. The optical signal source is arranged to provide an input optical signal to the first optical waveguide such that a portion of the input optical signal is coupled into the second and third optical waveguides in the first optical waveguide. The optical fiber in which the sensing loop is formed receives the optical signals forming the backpropagation optical wave in the sensing loop and the ends coupled to the second and third optical waveguides to couple the backpropagation optical waves after they cross the sensing loop Respectively.

Description

3×3 커플러를 사용하는 광섬유 속도 자이로스코프의 최적 커플러 구성Optimum coupler configuration of a fiber optic speed gyroscope using a 3 × 3 coupler

광섬유 회전 센서는 당해 분야에 공지되어 있다. 종래의 광섬유 회전 센서는 광섬유의 2 길이 간의 광을 결합하는 소실 필드 커플러를 갖추고 있다. 이어서, 3×3 개의 커플러를 사용하는 광섬유 회전 센서가 개발되었다. 광섬유 회전 센서에 3×3 커플러를 사용하여 얻을 수 있는 주요 장점은 전자 장치와의 인터페이스가 쉬워진다는 것이다.Optical fiber rotation sensors are known in the art. A conventional optical fiber rotation sensor is equipped with a missing field coupler that combines light between two lengths of optical fiber. Then, a fiber optic rotation sensor using 3 × 3 couplers was developed. The main advantage of using a 3x3 coupler on a fiber optic rotation sensor is that it is easier to interface with electronic devices.

미국 특허 제4,440,498호 및 4,479,715호는 3×3 커플러를 구비한 2 종류의 광섬유 회전 센서를 개시하고 있다. 미국 특허 제4,440,498호는 광섬유 센싱 루프와 입력 광섬유를 구비한 광섬유 회전 센서에 관한 것이다. 3×3 광 커플러는 입력 섬유와 광섬유 센싱 루프의 2 레그 간의 광을 분할한다.U.S. Patent Nos. 4,440,498 and 4,479,715 disclose two types of optical fiber rotation sensors with 3x3 couplers. U.S. Patent No. 4,440,498 relates to an optical fiber rotation sensor having an optical fiber sensing loop and an input optical fiber. The 3 × 3 optocoupler divides the light between the input fiber and the two legs of the fiber optic sensing loop.

미국 특허 제4,479,715호는 광섬유 센싱 루프의 단부들이 한 쌍의 광 도파관에 결합된 구조의 사그낙 효과 회전 센서를 개시하고 있다. 광은 센싱 루프 섬유의 단부들에 결합된 광 도파관들 사이에 위치한 중앙의 입력 도파관으로 입력된다. 3개의 광 도파관이 3×3 광 커플러를 형성하도록 배열되어 있다. 입력광은 중앙 입력 도파관에서, 광섬유 센싱 루플에서 역전파 광파를 생성하기 위해 광섬유 코일에 접속된 광 도파관들로 결합된다. 광파는 센싱 코일을 가로질러 커플러에서 결합된다. 결합된 광파는 검출되며, 결과된 전기 신호가 처리되어 회전 속도가 계산된다.U.S. Patent No. 4,479,715 discloses a Sagno-effect rotation sensor having a structure in which ends of an optical fiber sensing loop are coupled to a pair of optical waveguides. The light is input into a central input waveguide located between the optical waveguides coupled to the ends of the sensing loop fiber. And three optical waveguides are arranged so as to form a 3x3 optical coupler. The input light is coupled at the center input waveguide to optical waveguides connected to the optical fiber coil to generate a backpropagation light wave in the fiber optic sensing loop. The light waves are coupled at the coupler across the sensing coil. The combined light waves are detected and the resulting electrical signal is processed to calculate the rotational speed.

미국 특허 제4,944,590호는 광 신호를 광섬유 센싱 루프의 안팎으로 결합하기 위해 3×3 커플러를 사용하는 광섬유 자이로스코프를 개시하고 있다. 이 특허는 광섬유 센싱 루프 안으로 결합되지 않은 3×3 커플러로 입력된 광을 검출하도록 배열된 광 검출기를 개시하고 있다. 이러한 광을 검출하여 얻은 전기 신호는 입력광 세기 변화의 조절하기 위해 신호 처리 회로에서 사용된다.U.S. Patent No. 4,944,590 discloses an optical fiber gyroscope that uses a 3x3 coupler to couple an optical signal into and out of an optical fiber sensing loop. This patent discloses a photodetector arranged to detect light input into a 3x3 coupler that is not coupled into the fiber optic sensing loop. An electrical signal obtained by detecting such light is used in a signal processing circuit to control the intensity of input light.

이러한 광섬유 회전 센서는 0의 회전 속도에서 최대의 감도를 제공하는 직각 위상으로 구동될 수 있다. 불행하게도, 3×3 커플러를 구비한 종래의 광섬유 회전 센서는 온도 변화에 민감하다. 3×3 커플러의 결합비는 온도에 민감하여 일반적으로 시간당 1000도의 바이어스 에러가 관측된다. 이러한 크기의 에러는 대부분의 회전 센서 응용 분야에서 용납될 수 없는 것이다.Such a fiber optic rotation sensor can be driven in quadrature, providing maximum sensitivity at a rotational speed of zero. Unfortunately, conventional optical fiber rotation sensors with 3x3 couplers are sensitive to temperature variations. The coupling ratio of the 3 × 3 coupler is sensitive to temperature, and a bias error of 1000 degrees per hour is generally observed. This size of error is unacceptable in most rotating sensor applications.

발명의 요약SUMMARY OF THE INVENTION

본 발명의 목적은 최적 결합비를 가진 3×3 커플러를 사용하는 개량된 광섬유 회전 센서를 제공하는 데 있다. 결합비는 온도 변화 및 다른 기계적인 요인들에 의해 발생하는 2개의 역전파 광파로 결합된 광량의 변화를 방지하도록 선택된다. 또한, 선택된 결합비는 속도 광 검출기에 전달되는 광 출력을 최대화한다.It is an object of the present invention to provide an improved optical fiber rotation sensor using a 3x3 coupler with an optimal coupling ratio. The coupling ratio is selected to prevent changes in the amount of light coupled to the two backpropagated light waves caused by temperature changes and other mechanical factors. In addition, the selected coupling ratio maximizes the optical power delivered to the rate photodetector.

본 발명에 따른 광섬유 회전 센서는 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 구비한 3×3 광 커플러를 포함하는데, 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들은 이들 간에 광이 결합하는 상호 작용 길이를 갖도록 배열되며, 이 상호 작용 길이의 열적 변화에 관계없이 이들 중 어느 하나에서 다른 2개의 광 도파관으로 결합되는 광의 비율이 일정하도록 구성되어 있다. 광 신호원은 제1 광 도파관으로의 입력 광신호를 제공하도록 배열되어, 입력 광신호의 일부는 제1 광 도파관에서 제2 및 제3 광 도파관들 안으로 결합된다. 센싱 루프가 형성되어 있는 광섬유는 센싱 루프에서 역전파 광파를 형성하는 광 신호들을 수신하고 이 신호들이 센싱 루프를 횡단한 후에 역전파 광파들을 결합하도록 제2 및 제3 광 도파관들에 결합된 단부들을 구비하고 있다.The optical fiber rotation sensor according to the present invention comprises a 3x3 optocoupler having first, second and third optical waveguides, wherein the first, second and third optical waveguides have an interaction And the ratio of the light that is coupled to the other two optical waveguides in any one of them is constant regardless of the thermal change of the interaction length. The optical signal source is arranged to provide an input optical signal to the first optical waveguide such that a portion of the input optical signal is coupled into the second and third optical waveguides in the first optical waveguide. The optical fiber in which the sensing loop is formed receives the optical signals forming the backpropagation optical wave in the sensing loop and the ends coupled to the second and third optical waveguides to couple the backpropagation optical waves after they cross the sensing loop Respectively.

광 커플러는 제1, 제2 및 제3 광 도파관들 간의 광 분할비가 0.4108 : 0.1783 : 0.4108 이 되도록 형성되어, 광 세기 A2가 제1 도파관으로 입력되는 경우, 역전파 광파를 형성하도록 제2 및 제3 도파관들 각각에 의해 광섬유로 출력되는 광 세기는 0.4108A2이며, 제1 도파관에 의해 출력되는 광 세기는 0.1783A2이 된다.The optical coupler is formed such that the light splitting ratio between the first, second and third optical waveguides is 0.4108: 0.1783: 0.4108 so that when the light intensity A 2 is input to the first waveguide, The light intensity output to the optical fiber by each of the third waveguides is 0.4108A 2 and the light intensity output by the first waveguide is 0.1783A 2 .

본 발명의 목적의 이해, 및 그 구조 및 동작 방법에 대한 완전한 이해는 이하의 바람직한 실시예에 대한 설명 및 첨부된 도면들을 참조함으로써 얻어질 것이다.A better understanding of the objects of the present invention and its construction and method of operation will be obtained by reference to the following description of the preferred embodiments and the accompanying drawings.

본 발명은 사그낙(Sagnac) 효과 회전 센서에 관한 것으로서, 특히 센싱 루프에서 역전파하는 광파를 안내하여 센싱 루프면에 수직한 센싱 축에 대한 회전을 측정하는 광섬유 회전 센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 3×3 개의 커플러를 사용하여 센싱 루프에 광 신호를 제공하고 센싱 루프로부터 출력된 광 출력 신호를 이 광 출력 신호를 처리하여 회전 속도를 측정하는 전기 장치로 안내하는 광섬유 회전 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a Sagnac effect rotation sensor, and more particularly, to an optical fiber rotation sensor that guides a light wave propagating backward in a sensing loop and measures a rotation about a sensing axis perpendicular to a sensing loop plane. More specifically, the present invention provides an optical signal to the sensing loop using 3x3 couplers and guides the optical output signal output from the sensing loop to an electrical device that processes the optical output signal and measures the rotational speed To an optical fiber rotation sensor.

도 1은 3×3 소실 필드 광 커플러를 구비한 광섬유 회전 센서를 나타내는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a view of an optical fiber rotation sensor with a 3x3 loss field optocoupler.

도 2는 3×3 커플러를 나타내는 개략도.2 is a schematic diagram showing a 3x3 coupler;

도 3은 도 1의 광섬유 회전 센서에 의해 출력된 신호 세기의 결합 길이에 대한 도함수를 나타내는 도면.3 is a diagram showing a derivative of the combined length of signal strength output by the optical fiber rotation sensor of Fig.

바람직한 실시예Preferred Embodiment

도 1을 참조하면, 광섬유 회전 센서(10)는 3×3 광 커플러(12) 및 광섬유 센싱 코일(14)을 형성하도록 배열된 긴 광섬유(13)를 포함하고 있다. 광 커플러(12)는 기판(15) 상에 형성된 광 도파관들(1-3)을 포함하고 있다. 광섬유(13)는 단부들(16, 18)을 구비하고 있다. 섬유 단부들(16, 18)은 대응 광 도파관들(1, 2)의 단부들(20, 22)에 각각 접촉 결합되어 있다.Referring to FIG. 1, the optical fiber rotation sensor 10 includes a 3 × 3 optical coupler 12 and a long optical fiber 13 arranged to form an optical fiber sensing coil 14. The optical coupler 12 includes optical waveguides 1-3 formed on the substrate 15. The optical fiber 13 has end portions 16, 18. The fiber ends 16,18 are respectively in contact with the ends 20,22 of the corresponding optical waveguides 1,2.

한 쌍의 출력 광섬유(30, 32)가 광 도파관들(2, 3)의 단부들(34, 36)에 각각 접속되어 있다. 출력 광섬유(30)는 출력 광섬유(30)에 의해 전송된 광신호의 세기를 나타내는 전기 신호(S1)를 생성하는 제1 광 검출기(38)로 광선을 전송한다. 유사하게, 출력 광섬유(32)는 출력 광섬유(32)에 의해 전송된 광신호의 세기를 나타내는 전기 신호(S2)를 생성하는 제2 광 검출기(40)로 광선을 전송한다.A pair of output optical fibers 30 and 32 are connected to the ends 34 and 36 of the optical waveguides 2 and 3, respectively. The output optical fiber 30 transmits the light beam to the first optical detector 38 which produces an electrical signal S1 representative of the intensity of the optical signal transmitted by the output optical fiber 30. [ Similarly, the output optical fiber 32 transmits the light beam to a second photodetector 40 that generates an electrical signal S2 representative of the intensity of the optical signal transmitted by the output optical fiber 32. [

광 도파관(1)은 광 도파관들(2, 3) 사이의 기판(15)에 형성되어 있다. 광 도파관들(1-3)은 3×3 광 커플러(12)를 형성하도록 배열되어 있다. 3×3 광 커플러(12)는 바람직하게는 소실 필드(evanescent field) 커플러이다.The optical waveguide 1 is formed on the substrate 15 between the optical waveguides 2 and 3. The optical waveguides 1-3 are arranged to form a 3x3 optocoupler 12. The 3x3 optocoupler 12 is preferably an evanescent field coupler.

입력 광섬유(46)는 광원(50)으로부터 광을 수신하는 단부(48)를 구비하고 있다. 입력 광섬유(46)의 다른 단부는 광 도파관(1)의 단부(54)에 접촉 결합되어 있다. 출력 광섬유(56)는 중앙 광 도파관(3)의 단부(60)에 접촉 결합된 단부(58)를 구비하고 있다. 출력 광섬유(56)의 다른 단부(62)는 출력 광섬유(56)에 의해 전송된 광신호의 세기를 나타내는 전기 신호(S3)를 생성하는 제3 검출기(64)로 광선을 전송한다. 3×3 광 커플러(12)는 바람직하게는 광 도파관(1)과 광도파관들(2, 3) 사이에서 광신호들을 결합하는 소실 필드 커플러이다. 3×3 광 커플러(12)로 입력된 광의 일부는 광 도파관(1) 안에 잔류한다.The input optical fiber 46 has an end 48 for receiving light from the light source 50. The other end of the input optical fiber 46 is in contact with the end portion 54 of the optical waveguide 1. The output optical fiber 56 has an end 58 that is in contact with the end 60 of the central light pipe 3. The other end 62 of the output optical fiber 56 transmits the light beam to a third detector 64 which produces an electrical signal S3 representative of the intensity of the optical signal transmitted by the output optical fiber 56. The 3x3 optocoupler 12 is preferably a lossy field coupler that combines optical signals between the optical waveguide 1 and the optical waveguides 2,3. A part of the light input to the 3x3 optical coupler 12 remains in the optical waveguide 1.

도 3을 참조하면, 3×3 커플러는 광이 도파관들 사이에서 결합되도록 도파관들(1-3)에 의해 안내된 광파들의 소실 필드들이 상호 작용하는 결합 길이(L)를 갖고 있다. 도파관들(1-3) 사이에서 결합된 광의 세기는 결합 길이(L)의 함수이다. 광 커플러(12)의 온도는 요동하므로, 도파관들(1-3) 사이에서 결합된 광 세기도 요동한다.Referring to FIG. 3, the 3x3 coupler has a coupling length L in which the loss fields of the optical waves guided by the waveguides 1-3 cooperate so that light is coupled between the waveguides. The intensity of the light coupled between the waveguides 1-3 is a function of the coupling length L. Since the temperature of the optical coupler 12 fluctuates, the light intensity coupled between the waveguides 1-3 also fluctuates.

이상적인 환경에서, 3×3 광 커플러(12)의 3개의 결합비는 모두 1/3과 동일하다. 결합비들 모두가 1/3인 경우, 3개의 광 도파관들(1-3)로부터 출력된 광 세기는 동일하다. 그러나, 전술한 온도 감도 때문에, 3×3 커플러(12)의 결합비들이 원하는 특정 동작 온도에서 모두 1/3인 경우, 결합비를 변화시키는 불가피한 온도 요동으로 인해 허용 불가능한 큰 에러들이 발생한다. 본 발명은 바이어스 에러를 시간당 10도 내지 100도 정도로 최소화하도록 선택된 결합비를 가지며 온도 변화에 민감하지 않은 3×3 커플러를 사용하는 광섬유 회전 센서를 포함한다. 결합 길이(L)가 온도 변화에 응답하여 변화할 때 광 도파관들(1-3) 중 임의로 선택된 하나의 도파관 안으로 결합되는 광 비율이 일정하게 유지되는 결합비 세트가 존재한다는 것이 확인되었다.In an ideal environment, the three coupling ratios of the 3x3 optocoupler 12 are all equal to one third. When all the combining ratios are 1/3, the light intensity output from the three light waveguides 1-3 is the same. However, due to the temperature sensitivity described above, when the coupling ratios of the 3x3 coupler 12 are all 1/3 at the desired specific operating temperature, unacceptable large errors occur due to unavoidable temperature fluctuations that change the coupling ratio. The present invention includes a fiber optic rotation sensor that uses a 3x3 coupler that has a coupling ratio selected to minimize bias error from about 10 degrees to about 100 degrees per hour and is not sensitive to temperature variations. It has been verified that there exists a set of coupling ratios in which the ratio of light coupled into arbitrarily selected one of the optical waveguides 1-3 remains constant when the coupling length L changes in response to a temperature change.

3×3 커플러(12)의 최적 구성은 온도 변화에 민감하지 않으면서 종래 구성으로 얻을 수 있는 것보다 큰 속도 판별력을 제공한다. 도 2 및 3을 참조하여, 3×3 광 커플러(12)는 선형 미분 방정식들에 의해 설명될 것이다.The optimum configuration of the 3x3 coupler 12 is not sensitive to temperature variations and provides greater speed discrimination than can be achieved with conventional configurations. Referring to Figures 2 and 3, the 3x3 optocoupler 12 will be described by linear differential equations.

여기서, j=1, 2, 3,Here, j = 1, 2, 3,

j=j+3,j = j + 3,

aj는 도파관 j에서의 광 진폭이며,a j is the optical amplitude at waveguide j,

k는 3개의 광섬유(1-3) 중 임의의 2개 간의 결합비이다.k is the coupling ratio between any two of the three optical fibers 1-3.

예컨대, k12는 도파관들(1, 2) 간의 결합비이고, k23은 도파관들(2, 3) 간의 결합비이며, k31은 도파관들(3, 1) 간의 결합비이다. 광 결합기(12)는 바람직하게는 결합비들이 k12=k23=k31=k가 되도록 형성되어, 수학식 1에 대한 해가 다음의 수학식 2로 주어진다.For example, k 12 is the coupling ratio between the waveguides 1 and 2, k 23 is the coupling ratio between the waveguides 2 and 3, and k 31 is the coupling ratio between the waveguides 3 and 1. The optical coupler 12 is preferably formed such that the coupling ratios are k 12 = k 23 = k 31 = k, so that the solution to equation (1) is given by the following equation (2).

aj(z)=cjeikz+de-2kz a j (z) = c j e ikz + de- 2z

여기서, 수학식 2는 을 조건으로 하며, c 및 d는 상수이다. 3×3 광 결합기(12)로의 입력 광섬유(46)에 의해 광섬유 회전 센서(10)로 입력된 파워가 A2인 경우, z=0인 입력 단부에서 도파관들 내의 광의 진폭은 다음과 같이 주어진다:Here, Equation (2) , And c and d are constants. 3 × 3 when the input to the fiber optic rotation sensor 10 by the input optical fiber 46 to the optical coupler 12, power of A 2, the light amplitude in the wave guides in the z = 0 the input end is given by:

a1(0)=Aa 1 (0) = A

a2(0)=a3(0)=0a 2 (0) = a 3 (0) = 0

수학식 1에 수학식 3 및 수학식 4를 사용하여 수치값이 쉽게 확인될 수 있는 A에 의해 상수 c 및 d에 대한 표현식을 찾는데 사용할 수 있는 정보가 얻어진다.Information that can be used to find the expressions for the constants c and d is obtained by A, which can easily confirm the numerical value using Equation (3) and Equation (4) in Equation (1).

A=c1eik0+de-2kz A = c 1 e ik0 + de- 2

A=c1+dA = c 1 + d

c1=A-dc 1 = Name

0=c2eik0+de-2k0 0 = c 2 + e ik0 de -2k0

c2=-dc 2 = -d

0=c3eik0+de-2k0 0 = c 3 e ik0 + de -2 k0

c3=-dc 3 = -d

수학식 7, 9 및 11로부터 다음이 얻어진다:From Equations (7), (9) and (11):

c1+c2+c3=0c 1 + c 2 + c 3 = 0

A-d-d-d=0A-d-d-d = 0

따라서, 상수 c1, c2, c3및 d는 다음과 같이 주어진다:Thus, the constants c 1 , c 2 , c 3 and d are given by:

거리 z=L인 커플러의 다른 단부에서, 광 도파관(1)에 대한 해의 수학식은 다음과 같다:At the other end of the coupler with distance z = L, the solution for the optical waveguide 1 is:

광 도파관(1)에서의 광 세기를 얻기 위해 진폭을 제곱하면 다음과 같은 수학식이 주어진다:To obtain the light intensity at the light pipe 1, the square of the amplitude gives the following equation: < RTI ID = 0.0 >

거리 d=L인 커플러의 다른 단부에서, 광 도파관(2)에 대한 해의 수학식은 다음과 같이 주어진다:At the other end of the coupler with distance d = L, the equation for the solution for light pipe 2 is given by:

거리 z=L이고, a2=a3이기 때문에, 광 도파관(3)에 대한 해의 수학식은 다음과 같다:Since the distance z = L and a 2 = a 3 , the solution for the optical waveguide 3 is:

광 도파관들(2, 3)에서의 광 세기는 광섬유(12)의 단부들(16, 18)에서 광섬유 센싱 코일(14)로 입력된 광 세기이다. 따라서, 광섬유 자이로스코프의 레그들로의 입력은 수학식 29 및 30에 의해 주어진 |(a2(L)|2 |(a3(L)|2 이다. 이러한 광섬유 센싱 코일에 대한 입력들은 한정된 위상 관계를 가진다. 광섬유 센싱 코일(14)을 횡단한 후, 역전파하는 광파들 간에는 위상 시프트(φ)가 있게 된다. 역전파 광파들이 광섬유 센싱 코일(14)을 횡단한 후 광 커플러(12)로의 복귀 입력들은 다음과 같이 주어진다:The light intensity at the optical waveguides 2,3 is the light intensity input to the optical fiber sensing coil 14 at the ends 16,18 of the optical fiber 12. [ Thus, the input to the legs of the fiber optic gyroscope is given by Equations 29 and 30 | (A 2 (L) | 2 And | (A 3 (L) | 2 to be. The inputs to such an optical fiber sensing coil have a limited phase relationship. After traversing the optical fiber sensing coil 14, there is a phase shift (?) Between the back propagating optical waves. The return inputs to the optical coupler 12 after traversing the optical fiber sensing coil 14 are given by:

a1(0) = φa 1 (0) = φ

광섬유(12)의 루프 손실은 무시된다. 각도 φ는 광섬유 센싱 코일(14)면에 수직한 센싱 축에 대한 각속도 Ω로의 센싱 루프의 회전에 의해 발생하는 광선들 간의 사그낙 위상 시프트 각이다. 위상각 φ 및 각속도 Ω는 사그낙 방정식에 의해 다음과 같이 주어진다:The loop loss of the optical fiber 12 is ignored. The angle? Is a sagnosphase shift angle between the rays generated by the rotation of the sensing loop to the angular velocity? With respect to the sensing axis perpendicular to the surface of the optical fiber sensing coil 14. [ The phase angle? And the angular velocity? Are given by the Sagnac equation as follows:

여기서, l은 센싱 코일(14)의 섬유 길이이고, D는 센싱 코일(14)의 직경이며, λ는 광신호들의 파장이고, c는 광속이다.Where l is the fiber length of the sensing coil 14, D is the diameter of the sensing coil 14,? Is the wavelength of the optical signals, and c is the speed of light.

광 커플러(12)를 통해 커플러 길이(L)를 통과한 후, 광섬유 센싱 코일의 출력부로부터 출력된 광신호들은 다음과 같이 주어진다:After passing the coupler length L through the optical coupler 12, the optical signals output from the output of the optical fiber sensing coil are given by:

다음의 수학식에 의해 양 S1을 정의한다:We define the quantity S 1 by the following equation:

다음의 수학식에 의해 S2및 S3를 정의한다:S 2 and S 3 are defined by the following equations:

수학식 39를 참조하면, S2및 S3는 다음과 같이 주어진다:Referring to Equation 39, S 2 and S 3 are given by:

수학식 42에서, - 부호는 S2에 적용되며, + 부호는 S3에 적용된다.In Equation 42, the - sign is applied to S 2 , and the + sign is applied to S 3 .

광섬유 회전 센서(10)의 신호 출력은 S1, S2및 S3를 사용하여 다음과 같이 표현될 수 있다:The signal output of the optical fiber rotation sensor 10 can be expressed using S 1 , S 2 and S 3 as follows:

커플러 길이(L)가 변할 때도 변하지 않는 최적 결합비 세트가 존재하는지의 여부를 판정하기 위하여 수학식 44에서 삼각 함수들의 인수 3kL에 관한 수학식 44의 관계에서의 최대값 및 최소값을 찾는 것이 요구된다. 따라서, 3kL에 관하여 수학식 44의 도함수를 취하면 다음의 수학식이 주어진다:It is required to find the maximum value and the minimum value in the relation of the equation (44) with respect to the argument 3kL of the trigonometric functions in the equation (44) in order to judge whether or not there exists an optimum set of coupling ratio that does not change even when the coupler length L changes . Thus, taking the derivative of (44) with respect to 3kL, the following equation is given: < RTI ID = 0.0 >

수학식 45는 최대값 및 최소값에서 0의 기울기를 가진다. 따라서, 수학식 45의 최대값 및 최소값 근처에서, 광 결합기(12)는 온도 변화에 대한 최소의 감도를 가진다. 수학식 45에서 최대값 및 최소값을 찾기 위하여 도함수는 0으로 설정되어 다음과 같은 수학식이 주어진다:Equation 45 has a slope of zero at maximum and minimum values. Thus, near the maximum and minimum values of equation (45), the optical coupler 12 has a minimum sensitivity to temperature variations. In order to find the maximum and minimum values in the equation (45), the derivative is set to 0 and the following equation is given:

0 = -4cos33kL-10cos23kL+5cos3kL+90 = -4cos 3 3kL-10cos 2 3kL + 5cos3kL + 9

3kL에 대해 수학식 46을 풀면 다음과 같이 주어진다.Solving equation 46 for 3kL gives:

3kL = 148.061 rad3 kL = 148.061 rad

따라서, 양 kL은 다음과 같다:Thus, the quantity kL is:

kL = 49.354 radkL = 49.354 rad

도 2의 그래프를 참조하면, 3kL=148.061 rad일 때 출력이 최대값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 수학식 44에 수학식 48로부터 얻은 kL 값을 사용하면, 광섬유 회전 센서(10)의 신호 출력는 다음과 같이 주어진다:Referring to the graph of FIG. 2, it can be seen that the output has a maximum value when 3kL = 148.061 rad. Using the kL value obtained from the equation (48) in equation (44), the signal output of the optical fiber rotation sensor 10 is given by:

수학식 22, 29 및 30을 참조하면, 다음의 수학식을 얻을 수 있다:Referring to equations (22), (29) and (30), the following equation can be obtained:

따라서, 커플러 결합비는 0.4108 : 0.1783 : 0.4108 이다. 도 34를 참조하면, 광섬유 회전 센서에 대한 해의 수학식은 다음과 같다:Therefore, the coupler coupling ratio is 0.4108: 0.1783: 0.4108. Referring to Figure 34, the solution for the optical fiber rotation sensor is:

이러한 특정 결합비 세트에 대해, 광 결합기(12)는 일반적으로 시간 및 온도에 따라 발생하는 결합 길이의 변화에 민감하지 않다. 출력 레그들상의 신호들은 다른 결합비에서보다 상기 결합비 세트에서 더 높다.For this particular set of coupling ratios, the optical coupler 12 is generally not sensitive to changes in coupling length that occur with time and temperature. The signals on the output legs are higher in the combining ratio set than in the other combining ratio.

본원에 개시된 구조 및 방법들은 본 발명의 원리를 설명하고 있다. 본 발명은 본 발명의 사상 또는 기본 특성을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 실시될 수 있다. 설명된 실시예들은 모든 면에서 제한적인 것보다 예시적이고 설명적인 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 한정된다. 청구 범위의 균등한 의미 및 범위에 있는 전술한 실시예의 변형례들은 본 발명의 영역에 속한다.The structures and methods disclosed herein illustrate the principles of the present invention. The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. The described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and descriptive, and not as restrictive. Accordingly, the invention is defined by the appended claims rather than the foregoing description. Modifications of the above-described embodiments that are within the meaning and range of equivalency of the claims are intended to be within the scope of the present invention.

Claims (4)

광섬유의 센싱 루프면에 수직한 센싱 축에 대한 상기 센싱 루프의 회전을 감지하는 광섬유 회전 센서에 있어서,An optical fiber rotation sensor for detecting rotation of the sensing loop with respect to a sensing axis perpendicular to a sensing loop plane of an optical fiber, 기판에 형성된 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 포함하되, 상기 제1, 제2 및 제3 도파관들은 이들 중 어느 하나에서 다른 2개의 광 도파관으로 결합되는 광의 비율들이 온도 변화에 관계없이 일정하게 되는 결합비들을 갖도록 배열된 3×3 광 커플러;Second, and third waveguides formed on the substrate, wherein the first, second, and third waveguides are configured such that the ratios of light coupled from any one of the first, second, and third waveguides to the other two optical waveguides are constant A 3x3 optocoupler arranged to have coupling ratios that result in a < RTI ID = 0.0 > 그 일부가 상기 제1 광 도파관에서 상기 제2 및 제3 광 도파관들 안으로 결합되는 입력 광신호를, 상기 제1 광 도파관에 제공하도록 배열된 광 신호원; 및An optical signal source arranged to provide an input optical signal, a portion of which is coupled into the second and third optical waveguides in the first optical waveguide, to the first optical waveguide; And 상기 센싱 루프가 형성되어 있으며, 상기 센싱 루프에서 역전파하는 광파들을 형성하는 광신호들을 수신하고 상기 광신호들이 상기 센싱 루프를 횡단한 후에 상기 역전파하는 광파들을 결합시키도록 상기 제2 및 제3 광 도파관들에 결합된 단부들을 구비한 상기 광섬유Wherein the sensing loop is configured to receive the optical signals forming the back propagating optical waves in the sensing loop and to couple the back propagating optical waves after the optical signals traverse the sensing loop, The optical fiber having ends coupled to optical waveguides 를 포함하는 광섬유 회전 센서.The optical fiber rotation sensor comprising: 광섬유의 센싱 루프면에 수직한 센싱 축에 대한 상기 센싱 루프의 회전을 감지하는 광섬유 회전 센서에 있어서,An optical fiber rotation sensor for detecting rotation of the sensing loop with respect to a sensing axis perpendicular to a sensing loop plane of an optical fiber, 기판에 형성된 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 포함하되, 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들 중 어느 하나에서 다른 2개의 광 도파관으로 결합되는 광의 비율이 온도 변화에 관계없이 일정하게 되는 결합비들을 갖도록 배열된 3×3 광 커플러;Second, and third optical waveguides formed on the substrate, wherein the ratio of the light that is coupled to the other two optical waveguides from any one of the first, second, and third optical waveguides is constant A 3x3 optocoupler arranged to have coupling ratios that result in a < RTI ID = 0.0 > 그 일부가 상기 제1 광 도파관에서 상기 제2 및 제3 광 도파관 안으로 결합되는 입력 광신호를, 상기 제1 광 도파관에 제공하도록 배열된 광 신호원; 및An optical signal source arranged to provide an input optical signal, the portion of which is coupled into the second and third optical waveguides in the first optical waveguide, to the first optical waveguide; And 상기 센싱 루프가 형성되어 있으며, 상기 센싱 루프에서 역전파하는 광파들을 형성하는 광신호들을 수신하고 상기 광신호들이 상기 센싱 루프를 횡단한 후에 상기 역전파하는 광파들을 결합시키도록 상기 제2 및 제3 광 도파관들에 결합된 단부들을 구비한 상기 광섬유를 포함하되,Wherein the sensing loop is configured to receive the optical signals forming the back propagating optical waves in the sensing loop and to couple the back propagating optical waves after the optical signals traverse the sensing loop, Said optical fiber having ends coupled to optical waveguides, 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들은 광 분산비들이 0.4108 : 0.1783 : 0.4108 이 되도록 형성됨으로써, 상기 제1 광 도파관으로 광 세기 A2이 입력되는 경우, 상기 제2 및 제3 광 도파관들 각각에 의해 상기 광섬유로 출력되어 상기 역전파하는 광파들을 형성하는 광 세기는 0.4108A2이며, 상기 제1 광 도파관에 의해 출력되는 광 세기는 0.1783A2인 광섬유 회전 센서.The first, second and third optical waveguides are formed such that the optical dispersion ratios are 0.4108: 0.1783: 0.4108, so that when the optical intensity A 2 is input to the first optical waveguide, the second and third optical waveguides Wherein the light intensity output from the optical fiber by each of the optical fibers is 0.4108A 2 , and the optical intensity output by the first optical waveguide is 0.1783A 2 . 광섬유의 센싱 루프면에 수직한 센싱 축에 대한 상기 센싱 루프의 회전을 감지하는 광섬유 회전 센서로 회전수를 측정하기 위한 방법에 있어서,A method for measuring the number of revolutions with an optical fiber rotation sensor that senses rotation of the sensing loop with respect to a sensing axis perpendicular to a sensing loop surface of an optical fiber, 기판에 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 포함하는 3×3 광 커플러를 형성하는 단계;Forming a 3x3 optocoupler on the substrate including first, second and third optical waveguides; 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들 사이에서 광 결합이 이루어지는 상호 작용 길이를 갖도록 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 배열하는 단계;Arranging the first, second and third optical waveguides so as to have an interaction length in which optical coupling is made between the first, second and third optical waveguides; 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들 중 어느 하나에서 다른 2개의 광 도파관들로 결합되는 광의 비율이 상기 3×3 광 커플러에서의 온도 변화에 관계없이 일정하도록 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 형성하는 단계;Second, and third optical waveguides so that the ratio of the light coupled to the other two optical waveguides from any one of the first, second, and third optical waveguides is constant regardless of the temperature change in the 3x3 optical coupler. Forming third optical waveguides; 그 일부가 상기 3×3 광 커플러에 의해 상기 제1 광 도파관에서 상기 제2 및 제3 광 도파관들 안으로 결합되는 입력 광신호를, 상기 제1 광 도파관에 제공하도록 광 신호원을 배열하는 단계; 및Arranging an optical signal source to provide an input optical signal to the first optical waveguide, the input optical signal being partly coupled by the 3x3 optocoupler into the second and third optical waveguides in the first optical waveguide; And 상기 센싱 루프에서 역전파하는 광파들을 형성하는 광신호들을 수신하고 상기 광신호들이 상기 센싱 루프를 횡단한 후에 상기 역전파하는 광파들을 결합하도록, 상기 광섬유 센싱 루프가 형성된 상기 광섬유의 단부들을 상기 제2 및 제3 광 도파관들에 결합시키는 단계Receiving end portions of the optical fiber formed with the optical fiber sensing loop to receive the optical signals forming the back propagating optical waves in the sensing loop and to combine the back propagating optical waves after the optical signals traverse the sensing loop, And third optical waveguides 를 포함하는 회전수 측정 방법.Wherein the rotational speed of the motor is measured. 광섬유의 센싱 루프면에 수직한 센싱 축에 대한 상기 센싱 루프의 회전을 감지하는 광섬유 회전 센서로 회전수를 측정하기 위한 방법에 있어서,A method for measuring the number of revolutions with an optical fiber rotation sensor that senses rotation of the sensing loop with respect to a sensing axis perpendicular to a sensing loop surface of an optical fiber, 기판에 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 포함하는 3×3 광 커플러를 형성하는 단계;Forming a 3x3 optocoupler on the substrate including first, second and third optical waveguides; 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들 사이에서 광 결합이 이루어지는 상호 작용 길이를 갖도록 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 배열하는 단계;Arranging the first, second and third optical waveguides so as to have an interaction length in which optical coupling is made between the first, second and third optical waveguides; 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들 중 어느 하나에서 다른 2개의 광 도파관들로 결합되는 광의 비율이 상기 3×3 광 커플러에서의 온도 변화에 관계없이 일정하도록 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 형성하는 단계;Second, and third optical waveguides so that the ratio of the light coupled to the other two optical waveguides from any one of the first, second, and third optical waveguides is constant regardless of the temperature change in the 3x3 optical coupler. Forming third optical waveguides; 그 일부가 상기 제1 광 도파관에서 상기 제2 및 제3 광 도파관들 안으로 결합되는 입력 광신호를, 상기 제1 광 도파관에 제공하도록 광 신호원을 배열하는 단계;Arranging an optical signal source to provide an input optical signal to the first optical waveguide, the input optical signal being part of which is coupled into the second and third optical waveguides in the first optical waveguide; 상기 센싱 루프에서 역전파하는 광파들을 형성하는 광신호들을 수신하고 상기 광신호들이 상기 센싱 루프를 횡단한 후에 상기 역전파하는 광파들을 결합하도록, 상기 광섬유 센싱 루프가 형성된 상기 광섬유의 단부들을 상기 제2 및 제3 광 도파관들에 결합시키는 단계; 및Receiving end portions of the optical fiber formed with the optical fiber sensing loop to receive the optical signals forming the back propagating optical waves in the sensing loop and to combine the back propagating optical waves after the optical signals traverse the sensing loop, And third optical waveguides; And 광 분산비들이 0.4108 : 0.1783 : 0.4108 이 되도록 하여, 상기 제1 광 도파관으로 광 세기 A2이 입력되는 경우, 상기 제2 및 제3 광 도파관들 각각에 의해 상기 광섬유로 출력되어 상기 역전파하는 광파들을 형성하는 광 세기는 0.4108A2이며, 상기 제1 광 도파관에 의해 출력되는 광 세기는 0.1783A2이 되도록 상기 제1, 제2 및 제3 광 도파관들을 형성하는 단계When the light intensity A 2 is input to the first optical waveguide so that the optical dispersion ratios are 0.4108: 0.1783: 0.4108, the second optical waveguide is output to the optical fiber by the second optical waveguide and the third optical waveguide, light intensity for forming is 0.4108A 2, forming the first, second and third optical waveguide light intensity output by the first optical waveguide is to be 0.1783A 2 를 포함하는 회전수 측정 방법.Wherein the rotational speed of the motor is measured.
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