KR19990007435A - 낮은 슈프 바이어스의 광섬유 회전 센서 코일 - Google Patents

Abstract

광섬유 리본은 샤낙 효과 광섬유 회전 센서(Sagnac effect fiber optic rotation sensor)에 사용될 수 있는 감지 코일을 형성하는데 사용된다. 상기 광섬유 리본은 코일 와인더의 감김당 단일 방사층을 제공하고 4극 나선 감김 분포를 가질 수 있게 된다.

Description

낮은 슈프 바이어스의 광섬유 회전 센서 코일

본 발명은 일반적으로 광섬유 회전 센서에 관한 것으로, 특히 열유도 비상반성의 효과를 감소시키기 위해 이러한 센서에 사용되는 감지 코일을 형성하기 위한 기술에 관한 것이다. 본 발명은 특히 광섬유 회전 센서용 감지 코일을 형성하기 위하여 광섬유 리본을 사용하는 것에 관한 것이다.

광섬유 회전 센서의 이론적인 분석에 의하면, 이 센서는 0.01°/h 이상인 회전율을 측정할 수 있다는 결론에 이른다. 이 분석은 링 간섭계에서의 한계 잡음이 광검출기에서 산탄 잡음이라고 가정한다. 이 감도의 범위는 광섬유 회전 센서가 레이저 자이로 및 종래의 스피닝-매스(spinning-mass) 자이로와 대등한 네비게이션-그레이드 자이로(navigation-grade gyro)로서 사용되게 한다.

실험 결과는 감도가 광섬유 감지 코일 및 다른 부분의 광 통로에서 산탄 잡음이 아닌 비상반성 잡음(즉, 천천히 변하는 바이어스)에 의해 한정된다는 것을 보여준다. 이 비상반성 잡음은 간섭계가 단일-모드 이중굴절 섬유의 단편파면 상태의 사용 만을 보장함으로써 크게 감소될 수 있다. 그러나, 편파면의 단일 모드 및 단일 상태가 사용될 때도, 광섬유 회전 센서의 정확성은 섬유 코일에서의 열유도 비상반성으로 한정될 수 있다. 이 열유도 비상반성은 슈프 효과(Shupe effect)로 공지되어 있고 슈프에 의한 문헌 「광섬유 간섭계에서 열유도 비상반성」Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer, Applied Optics, Vol. 19(5), 654-655(1980)에 기술되어 있다.

광섬유 회전 센서에서의 슈프 효과는 열유도 시변 광 통로 길이의 비대칭에 의해 발생된다. 슈프 효과는 코일 중앙으로부터 등거리인 섬유의 대응하는 세그먼트가 다른 열 속도 및 응력 변화 속도 환경을 가질 때 일어난다. 열유도 비상반성은 섬유를 따라 시간-의존성 온도 기울기가 있으면 발생할 수 있다. 서로 반대로 회전하는 두개의 빔(예를 들면, 동시에 코일로 진입하지만 서로 다른 방향인 광의 펄스)의 대응하는 파면이 다른 시간에서 동일한 섬유 영역을 횡단할 때 비상반성이 일어난다. 섬유의 전달 상수가 섬유를 따라 다른 속도로 변하면, 서로 반대로 회전하는 두 빔의 대응하는 파면은 약간 다른 유효한 광통로를 횡단한다. 이는 회전으로 인한 위상 쉬프트와 구별되지 않는 비상반성 위상 쉬프트를 생성한다.

슈프 효과를 경감하는 4극 코일 권선 기술이 N. J. Frigo에 의한 문헌 「사냑 간섭계에서 비상반성의 선형 소스의 보상」 Compensation of Linear Sources of Non-reciprocity in Sagnac Interferometers, Fiber Optic and Laser Sensors I, Proc. SPIE Vol. 412, pp. 268-271(1983)에 기술되어 있다. 4극 코일 권선은 상호 방사형으로 인접한 코일 중앙으로부터 등거리인 섬유의 모든 세그먼트에 놓인다. 4극 코일 권선은 만족할 만한 결과를 실현하기 위하여 코일 권선 오퍼레이터로부터 고도의 기술을 요구한다. 가장 숙련된 오퍼레이터에 의해서도, 전형적인 4극-권선의 슈프 바이어스 성능을 저하시키는 다수의 잘못 놓인 감김이 대체로 알려져 왔다.

본 발명은 감지 코일을 형성하기 위한 광섬유 리본을 제공하므로써 권선 결함의 가능성을 감소시킨다. 광섬유 리본은 코일 와인더의 감김당 단일 방사층을 제공하고 이전의 4극 권선과 유사한 4극 공간 감김 분포를 가질 수 있게 된다.

광섬유 회전 센서용 광섬유의 감지 코일을 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법은 복수의 광섬유(1, 2, ..., N)를 평탄한 어레이로 상호 평행하도록 정렬시키는 단계; 상호 평행 관계를 유지하기 위해 상기 복수의 광섬유를 신축성 재료로 포장하여 한 쌍의 리본단을 갖는 상기 광섬유의 리본을 형성하는 단계; 상기 리본을 나선으로 감는 단계; 상기 리본의 단을 접촉시키는 단계; 및 시계 방향의 입력 리드 및 반시계 방향의 입력 리드를 갖는 광섬유 코일을 형성하기 위하여, 선택된 섬유단들 간에 버트 스플라이스(butt splices)를 형성하는 단계를 구비한다. 상기 리본은 나선으로 감기고,상기 리본의 단은 접촉된다. 상기 리본에서 상기 섬유단의 인접한 단은 시계 방향의 입력 리드 및 반시계 방향의 입력 리드를 갖는 광섬유 코일을 형성하도록 함께 버트 스플라이스된다.

이러한 개념의 매우 간단한 구현에 있어, 바람직하게 스플라이스될 섬유단은 하나의 단이 다른 단에 대하여 측면으로 변위되도록 구성된다. 더 바람직한 구현으로, 바람직하게 스플라이스될 상기 섬유단의 스플라이싱 순서는 상기 코일의 축 방향을 따라 4극 분포를 제공하도록 변경된다. 상기 스플라이싱 순서는 상기 시계 방향 입력 리드로부터 입력된 광이 상기 코일의 선택된 제1 나선의 내부로 전달하고 상기 시계 방향 리드로부터 입력된 광이 상기 선택된 코일에 인접한 나선의 외부로 전달한다.

본 발명의 목적 및 그 구조와 동작의 방법은 바람직한 실시예의 다음 설명과 첨부한 도면을 참조하므로써 보다 완벽하게 이해될 수 있다.

도 1은 섬유 리본의 단면도.

도 2는 섬유 리본으로 형성된 본 발명에 따른 코일의 투시도.

도 3은 섬유 리본으로 형성된 4극형 코일에서의 광 신호의 전달 방향을 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 섬유 리본

14 : 신축성 플라스틱 재료

16 : 시계 방향 프리단

18 : 반시계 방향 프리단

20 : 스플라이스

도 1에 도시된 바와 같이, 섬유 리본(10)은 N개의 평행한 광 섬유(12A, 12B, ..., 12N)의 평탄한 어레이로 정렬된다. 광 섬유(12A, 12B, ..., 12N)는 바람직하게 광 섬유(12A, 12B, ..., 12N)를 포장하는 신축성 플라스틱 재료(14)에 의해 결합된다. 섬유 리본(10)은 섬유 리본의 기본 구조를 설명하기 위해서 8개의 섬유 만을 갖는 것으로 도시된다. 섬유 리본은 경제적이고 정확하게 생성될 수 있고 현재 근거리 통신망에 사용된다.

간단한 섬유 리본 코일(15)의 형성은 리본(10)을 다층의 나선에 감는 것을 포함한다. 그 다음, 간단한 구현인 경우, 리본(10)의 외부단은 내부단에 대하여 하나의 섬유에 의해 잘못 놓인 내부단과 접촉된다. 도 2는 단일 층 코일에 대한 프로세스를 도시한다. 이 단계는 하나의 시계 방향(CW) 프리단(16), 하나의 반시계 방향(CCW) 프리단(18) 및 N-1 스플라이스(20 내지 26)를 형성시킨다. 스플라이스(20 내지 26)는 여러쌍의 교차선으로 도 2에 표시된다.

코일에서의 M개층의 권선은 M*N 감김을 생성한다. 이 설계에 대하여 CW 전달 광파는 제1 나선을 통해 외부로 나선을 이룬 다음, 간단한 변환으로 다시 외부로 나선을 이루는 내부 반경에 되돌려진다.

상술된 간단한 스플라이싱 기술은 CW 및 CCW 감김인 경우 동일한 방사 분포를 제공한다. 그러나, 축 방향으로의 CW 섬유 세그먼트는 한 단, 예를 들면 바닥 상에 있고, CCW 세그먼트는 최상부 상에 있는데, 축의 온도 기울기가 존재하면 슈프 바이어스를 일으킨다. 이러한 문제를 해결하고자, 축 방향을 따라 단순히 진행하는 순서를 축 방향을 따라 4극 나선 분포를 제공하는 순서로 변경하는 것이 필요하다. frigo의 가르침에 따르면, 4극 코일에서의 광은 외부의 두 나선 1 및 4에서는 CCW를 전달하고 내부의 두 나선 2 및 3에서는 CW를 전달한다. 이를 행하기 위해서는, 광섬유 회전 센서의 CW 리드로부터의 광은 최상부 나선, 즉 나선 1을 통해 외부로 CCW를 전달하는 것이 허용된다고 가정한다. 그 다음, 광섬유 회전 센서의 CCW 리드로부터의 광은 다른 방향(CW)으로 나선 2에 주입될 것이고 인접한 나선을 통해 내부로 전달하고, 다시 다음의 인접한 나선 3을 통해 내부로 전달한다. 그 다음, 도 3에 도시된 바와 같이 나선 1로부터 나온 CW 리드광은 나선 4로 주입될 것이고 외부로 전달한다. 이는 하나의 4극 주기를 완료한다. 스플라이싱 방향을 상호 교환하는 이러한 프로세스는 리본의 바닥측이 도 3에 도시된 바와 같이 12개의 섬유 또는 3개의 4극에 도달될 때까지 계속 진행한다. 따라서, 4극 권선은 축 방향을 따라 생성된다.

리본에서의 섬유수는 공평하게 4등분되어야 한다. 이는 현재의 방사 4극 권선 코일만큼 대략 높은 슈프 바이어스 면역성을 제공한다. 감지 코일을 형성하기 위한 리본 섬유의 사용은 코일 권선의 수고를 덜어주고 감김 분포의 정확성을 개선하는 장점을 갖는다. 일반적으로 어떠한 스플라이스도 광섬유 회전 센서 코일 중앙의 소스 코히어런스 길이 내에는 없어야 한다. 따라서, 여분의 리드 길이는 공칭 중앙 스플라이스에 배치되는 것이 요구될 것이다. 이는 코일에서의 리드 트리밍 에러(lead trimming error)로 인해 적은 슈프 바이어스를 발생시키고 일반적인 소스가 약 밀리미터인 코히어런스 길이를 가지므로 중요하지 않다. 따라서, 수 ㎜의 리드 불균형 만이 필요하게 된다.

여기에 개시된 구조 및 방법은 본 발명의 원리를 기술한다. 본 발명은 그 사상 또는 중요한 특성에서 벗어나지 않고 다른 특정 형식으로 실시될 수 있다. 기술된 실시예는 모든 면에서 한정하기 보다는 예시적이고 설명적으로 고려된다. 따라서, 전술한 설명 이외의 첨부된 청구범위는 본 발명의 범위를 한정한다. 청구범위의 의미와 범위 내에 속하는 여기에 기술된 실시예의 모든 수정은 본 발명의 범위 내에 내포된다.

Claims (5)

1. 광섬유 회전 센서(fiber optic rotation sensor)용 광섬유의 감지 코일을 형성하기 위한 방법에 있어서,

   복수의 광섬유(1, 2, ..., N)를 평탄한 어레이로 상호 평행하도록 정렬시키는 단계;

   상호 평행 관계를 유지하기 위해 상기 복수의 광섬유를 신축성 재료로 포장하여 한 쌍의 리본단을 갖는 상기 광섬유의 리본을 형성하는 단계;

   상기 리본을 나선으로 감는 단계;

   상기 리본의 단을 접촉시키는 단계; 및

   시계 방향의 입력 리드 및 반시계 방향의 입력 리드를 갖는 광섬유 코일을 형성하기 위하여, 선택된 섬유단들 간에 버트 스플라이스(butt splices)를 형성하는 단계

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   한 단이 다른 단에 대하여 하나의 섬유에 의해 측면으로 변위되도록 상기 리본을 정렬시킴으로써 스플라이스될 상기 선택된 섬유단을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 스플라이스될 섬유단을 선택하는 단계는 상기 코일의 축 방향을 따라 4극 분포를 제공하기 위하여 상기 스플라이싱 순서를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 시계 방향의 입력 리드로부터 입력된 광이 상기 코일의 선택된 제1 나선의 내부로 전파하고 상기 시계 방향의 리드로부터 입력된 광이 상기 선택된 코일에 인접한 나선의 외부로 전파하도록 상기 스플라이싱 순서를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 광섬유 코일에 있어서,

   평탄한 어레이로 상호 평행하게 정렬된 복수의 광섬유(1, 2, ..., N);

   상호 평행 관계를 유지하기 위하여 상기 복수의 섬유를 포장하여 한 쌍의 리본단을 갖는 광섬유의 리본을 형성하도록 형성되는 신축성 재료;

   상기 광섬유의 리본에 형성되는 나선(spiral); 및

   시계 방향의 입력 리드 및 반시계 방향의 입력 리드를 갖는 광섬유 코일을 형성하기 위하여 상기 섬유 리본의 선택된 섬유단들 간에 형성되는 복수의 버트 스플라이스(butt splices)

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 코일.