KR900008876B1 - 광섬유 회전 감지기 - Google Patents

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내용 없음.

Description

광섬유 회전 감지기

제1도는 연속 비-중단 광섬유 물질 가닥(strand)을 따라 배치된 광섬유 구성 부품을 도시하고, 검출시스템에 관련된 신호 발생기, 광검출기, 로크-인(lock-in)증폭기 및 표시장치를 도시한 본 발명의 회전 감지기의 개략도.

제2도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광섬유 지향성 결합기의 한 실시예의 단면도.

제3도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광섬유 편광기의 한 실시예의 단면도.

제4도는 제1도의 회전 감지기에 사용하기 위한 광섬유 편광 제어기의 한 실시예의 사시도.

제5도는 편광기, 편광 제어기, 및 제거된 위상 변조기를 가진 제1도의 회전 감지기의 개략도.

제6도는 복굴절 유도 위상차와 복굴절 유도 진폭 변동의 효과를 설명하기 위해 회전가능하게 유도된 사그낙(SAGNAC)위상차의 함수로서 광검출기에 의해 측정된 바와 같은 광출력 신호의 세기를 도시한 그래프.

제7도는 각각의 역 전달파들의 위상 변조와 역 전달파들사이의 위상차를 시간 함수로서 도시한 위상차의 그래프.

제8도는 루프가 휴지 상태에 있을때 검출기에 의해 측정된 바와 같은 광출력 신호의 세기에 따른 위상변조의 효과를 도시한 개략도.

제9도는 루프가 회전할때 검출기에 의해 측정된 바와 같은 광출력 신호의 세기에 따른 위상 변조의 효과를 도시한 개략도.

제10도는 제1도의 회전 감지기의 동작 범위를 설명하기 위해 회전가능하게 유도된 사그낙 위상차의 함수로서 증폭기 출력 신호를 도시한 그래프.

제11도는 역 전달파의 지자계(earth's magnetic field) 효과를 설명하기 위해 제1도의 회전 감지기의 루프 부분을 간단하게 도시한 개략도.

제12도는 주변 자계로부터 감지 루프를 차폐시키도록 감지 루프를 둘러 쌓기 위한 하우징을 도시한 개략도.

제13도는 광출력 신호가 발광 소오스에 도달하지 못하게 하기 위해 포함된 광분리기를 가진 제1도의 회전 감지기를 도시하고, 연속적인 광섬유 가닥으로부터 광출력 신호를 추출하는데 결합기가 필요하지 않도록 분리기에 의해 저지된 광선을 검출하도록 배치된 광 검출기를 도시한 개략도.

제14도는 소오스로부터 감지 루프를 향해 광선이 전달될 때의 분리기의 효과를 도시한 발광 소오스와 광학분리기의 개략도.

제15도는 광출력 신호가 루프로부터 복귀되고 소오스를 향해 전달될 때의 광출력 신호상의 광 분리기의 효과를 도시한, 제14도와 유사한 개략도.

제16도는 자기-광학 회전기를 형성하도록 광섬유를 감는 양호한 방법을 도시한 사시도.

제17도는 제13도의 도시한 광분리기에 사용하기 위한 자기-광학 회전기의 한 실시예의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 발광 소오스 12 : 광섬유

14 : 감지 루프 24 및 36 : 편광 제어기

26 및 34 : 쌍방향 결합기 28 : 제2 광섬유 가닥

30 : 광검출기 32 : 편광기

38 : 변조기 39, 44, 48 및 49 : 도선

40 : AC 발생기 46 : 로크-인 증폭기

47 : 표시판넬

본 발명은 자이로스코프에 사용하기 위한 회전 감지기에 관한 것으로, 특히 광섬유 회전 감지기에 관한 것이다.

광섬유 회전 감지기는 전형적으로 광파가 반대방향으로 루프 주위에서 전달되도록 결합되는 광섬유 물질의 루프로 구성된다. 루프가 회전하면 회전 속도에 대응하는 위상차의 양으로, 공지된 "사그낙 효과"에 따라서, 역 전달파들 사이에 상대 위상차를 발생시키게 된다. 역 전달파들은 재결합 할 때, 루프의 회전 비에 따라서 세기가 변하는 광출력 신호를 발생시키도록 건설적으로 또는 파괴적으로 간섭한다. 회전 감지는 통상적으로 이 광출력 신호를 검출함으로써 이루어진다.

이 형태의 시스템은 지금까지 감지 루프에 인가된 광선을 처리하고 보내기 위한 벌크(bulk)광부품을 사용하였다. 이 정치들은 다른 형태의 회전 감지기보다 더 개량되었지만, 소정의 제한과 다른 단점들이 있다. 예를 들어, 다수의 시스템 구성 부품들은 시스템이 적당하게 작용하도록 매우 근사한 공차로 서로 일렬로 배열되어야 한다. 이 임의의 배열은 특히 시스템이 기계진동, 온도변화, 및 그외의 물리적인 방해를 받는 경우에 설정 및 유지하기가 어렵다.

회전을 감지하기 위해 사그낙 효과를 이용하는 회전 감지기는 전형적으로 동작 안정도를 제공하기 위한 보상 시스템을 필요로 한다. 보상 시스템의 한 형태는 알. 울리치(R. Ulrich)가 "저 편차 광섬유 회전 감지방법"이란 제목으로 쓴 논문(광 문헌, 1980년 5월, 제5권, 제5호)에 기술되어 있다. 이 방법은 역 전달 광파를 변조하는 단계와 변조 주파수에서 광출력파를 검출하는 단계를 포함한다. 그러나, 이러한 변조는 변조기의 불완전성으로 인해 역잔달파와 광출력 신호에 진폭 변조가 생기게 한다. 이 진폭 변조는 변조 장치에 의해 직접 생길 수도 있으나, 광섬유상의 변조장치의 기계 작용에 의해 생긴 수정된 편광 변조로 될 수도 있다. 어느 경우에든지, 이러한 진폭 변조는 광출력 신호를 찌그러뜨려 회전 감지기의 정확도를 감소시키기 때문에 좋지 않다.

본 발명은 광선을 안내하고 처리하기 위한 구성 부품과 감지 루프가 연속, 비-중단 광섬유 물질 가닥을 따라 배치되거나 형성되어 있는 광섬유 회전 감지기를 제공함으로써 종래 기술의 이 단점 및 그외의 다른 단점들을 해결한다. 이렇게 함으로써 배열 단점이 감소되거나 제거되므로, 본 발명의 회전 감지기는 벌크 광 부품을 이용하는 종래 기술의 감지기 보다 비교적 튼튼하고 기계적인 충격에 덜 민감하다.

회전 감지기는, (1) 반대 방향으로 감지 루프 주위에서 전달되는 2개의 파로 소오스로부터의 광선을 분산시키고, (2) 광출력 신호를 제공하도록 역 전달파를 결합하는, 광섬유 지향성 결합기와 같은 광섬유 부품으로 구성된다. 인가된 광선의 적당한 편광, 역 전달파, 및 광출력 신호는 광섬유 편광기와 광섬유 편광 제어기에 의해서 설정되고 제어되며 유지된다. 광신호의 세기에 비례하는 전기신호를 내보내는 광검출기에 연속적인 가닥으로부터의 광출력 신호를 결합하기 위해 제2광섬유 결합기가 제공되어 있다.

회전 감지기의 개량된 동작 안정도 및 민감도는 역 전달파를 위상 변조하고 광출력 신호 세기의 제1고조파를 측정하도록 동기 검출 장치를 이용함으로써 달성된다. 이 검출장치에서, 이 제1고조파의 진폭은 루프의 회전 비에 비례하므로, 이러한 제1고조파를 측정하면 루프의 회전 비가 직접 나타나게 된다.

위상 변조기에 의해 (편광 변조를 통해 직접 또는 간접으로)생긴 광출력 신호의 기수 고조파내의 진폭 변조는 특정한 주파수에서 위상 변조기를 동작시킴으로써 제거될 수 있다. 이용한 검출 시스템은 기수 고조파 (예, 제1고조파)만을 검출하기 때문에, 위상 변조가 유도되는 진폭변조의 효과는 이러한 주파수에서 동작함으로써 제거될 수 있다. 이것은 회전 감지시에 상당한 오차 소오스를 제거시키므로, 회전 감지기의 정확도를 증가시킨다.

본 발명에 사용한 검출 시스템은 회전감지 정확도를 크게 개량시키거나, 회전 감지시의 다른 오차 소오스는 검출 시스템의 효율을 제한시킨다. 이러한 오차 소오스중의 하나는 지자계와 같은 주변 자계에 의해 생긴다. 이 주변 자계들은 파라데이 효과를 통해, 역 전달파들사이에 위상차를 유발시키어, 광 출력 신호의 세기에 악 영향을 미치게 된다. 본 발명에서, 주변 자계의 효과는 자석 주위로부터 회전 감지기를 효과적으로 차폐시키기 위해, 비교적 높은 자기 투과도를 갖고 있는 물질로 구성된, 하우징내에 회전 감지기를 배치함으로써 감소되거나 제거된다.

본 발명은 광출력 신호가 발광 소오스로 복귀하지 못하게 하기 위해서 광분리기를 이용한다. 유리하게도, 이 광분리기를 사용하면 연속적인 광섬유 가닥으로부터 광출력 신호를 결합하기 위한 결합기가 필요없게 된다. 이 결합기가 제거되면 시스템 손실이 상당히 감소되므로, 검출기에서의 광출력 신호의 세기가 증가하게 된다.

상술한 실시예에서, 후방산란 효과는 후방산란 광선과 역 전달파 사이의 간접성을 감소시키기 위해 광섬유에 인가된 광선을 변조시키도록 제2위상 변조기를 사용함으로써 감소된다. 선택적으로, 이러한 후방 산란효과는 비교적 짧은 간섭 길이를 갖고 있는 발광 소오스를 사용함으로써 감소될 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이 장점 및 그외의 다른 장점들에 대해서 기술하겠다.

제1도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 회전 감지기는 일부가 감지 루프(14)에 감긴 광섬유(12)의 가닥 또는 연속 길이 속으로 광선을 삽입시키기 위한 발광 소오스(10)을 포함한다. 참조번호(12)는 광섬유 전체의 연속 가닥을 나타내고, A,B,C등이 첨가된 참조번호(12)는 광섬유(12)의 부분들은 나타낸다.

도시한 실시예에서, 발광 소오스(10)는 0.82미크론 정도의 파장을 갖고 있는 광선을 발생시키는 비소화 칼륨(GaAs) 레이저로 구성된다. 특정한 예로서, 발광 소오스(10)는 뉴저지, 사우스 프레인휠드, 하드레이로드, 3005(3005, Hadley Rd., South Plainfield, New Jersey)에 소재한 제너럴 옵트로닉스 코포레이션(General Optronics Corp.)이 제작하여 시판하는 모델 GO-DIP 레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 가닥(12)와 같은 광섬유 가닥은, 예를 들어 외부직경이 80미크론이고 코어 직경이 4미크론인 단열 코드 광섬유이다. 루프(14)는 스풀(spool) 및 그외의 다른 적당한 지지대(도시하지 않음) 주위에 감긴 다수의 광섬유(12)의 권선으로 구성된다. 특정한 예로서, 루프(14)는 직경이 14센티메터인 형태(form)로 감긴 약 1000개의 광섬유 권선을 가질 수 있다.

양호하게도, 루프(14)는 중심에서부터 시작하여 대칭으로 감겨 있으므로, 루프(14)내의 대칭점은 근접해 있다. 특히 광섬유는 루프(14)의 중심부의 권선이 수풀에 가장 내향 인접하게 배치되고 루프의 단부를 향한 권선이 수풀로부터 멀리 떨어져서 가장 외향으로 배치되어 광섬유 루프(14)의 양단부가 중심 권선 주위에 대칭으로 배치되고 루프(14)의 외측에서 자유롭게 접근할 수 있도록 수풀 주위에 감겨져 있다. 이러한 대칭은 시간 변화 온도 및 압력 경도가 2개의 역 전달파 상에서 유사한 효과를 갖게하기 때문에, 이것은 회전감지기의 주변 감도를 감소시킨다.

소오스(10)으로부터의 광선은 발광 소오스(10)을 향해 광섬유(12)를 밀어냄으로써 광섬유(12)의 한 단부에 광학적으로 결합된다. 광선을 안내하고 처리하기 위한 다수의 구성 부품은 연속 가닥(12)를 따르는 다수의 위치에 배치되거나 형성된다. 이 구성 부품들의 상대 위치를 설명하기 위해서, 연속 가닥(12)를 7부분(12A 내지 12G)로 나누어서 설명하겠다. 부분(12A 내지 12E)는 소오스(10)에 결합된 루프(14)의 측면에 있고, 부분(12F와 12G)는 루프(14)의 반대 측면에 있다.

발광 소오스(10) 부근의 광 섬유 부분(12A와 12B)사이에는 편광 제어기(24)가 있다. 제어기(24)로서 사용하기에 적당한 형태의 편광 제어기는 1980년 9월 25일에 발행된 전자 논문(Electronics Letters, 제16권, 제20호)에 기술되어 있다. 편광 제어기(24)에 대해서는 다음에 기술하겠지만, 이 제어기(24)는 인가된 광선의 편광 상태 및 방향을 조정할 수 있다는 것을 알아야 한다.

그다음 광섬유(12)는 결합기(26)의 포트(C 및 D)를 통과하는 광섬유(28)의 제2가닥에 광전력을 결합시키기 위해 광섬유 부분(12B와 12C)사이에 배치된 지향성 결합기(26)의 포트(A 및 B)를 통과한다. 포트(C)는 포트(A)와 동일한 결합기의 측면상에 있고 포트(D)는 포트(B)와 동일한 결합기의 측면상에 있다. 포트(D)로부터 연장된 광섬유(28)의 단부는 "NC"("비접속")지점에서 무반사적으로 종료되고 포트(C)로부터 연장된 광섬유(28)의 단부는 광 검출기(30)에 광학적으로 결합된다. 특정한 예로서, 광 검출기(30)은 표준, 역바이어스, 실리콘, PIN-형, 광다이오드로 구성될 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적당한 결합기는 1980년 3월 27일에 발행된 전자 논문(제16권, 제7호)에 상세하게 기술되어 있다.

결합기(26)의 포트(B)로부터 연장된 광섬유 부분(12C)는 부분(12C와 12D) 사이에 배치된 편광기(32)를 통과한다. 편광기(32)는 광섬유(12)의 편광 모드중의 한 모드에서 광선을 통과하게하고, 다른 편광모드에서는 광선이 통과하지 못하게 한다. 양호하게도, 편광제어기(24)는 이러한 편광이 편광기(32)에 의해 통과된 것과 거의 동일하도록 인가된 광선의 편광을 조정하는데 이용된다. 이것은 인가된광선이 편광기를 통해 전달될때 광 전력이 손실되는 것을 감소시킨다. 본 발명에 사용하기 위한 편광기의 적당한 형태는 1980년 11월에 발행된 광학 논문(Optics Letters, 제5권, 제11호)에 기술되어 있다.

편광기(32)를 통과한 후에 광섬유(12)는 광섬유 부분(12D 및 12E)사이에 배치된 지향성 결합기(34)의 포트(A 및 B)를 통과한다. 이 결합기(34)는 결합기(26)을 참조하여 상술한 형태와 동일한 형태로 되어 있다. 이때 광섬유(12)는 루프(14)속에 감기고, 편광 제어기(36)은 루프(14)와 괌섬유 부분(12F)사이에 배치된다. 이 편광 제어기(36)은 제어기(24)를 참조하여 상술한 형태로도 될 수 있고, 역 전달파들을 중첨시킴으로써 형성된 광출력신호가 편광기(32)에 의해 효율적으로 통과되어 광 전력 손실이 최소로되게 하는 편광을 갖도록 루프(14)를 통해 역 전달되는 파들의 편광을 조정하는데 이용된다. 그러므로, 편광 제어기(24 및 36)을 이용함으로써, 광섬유(12)를 통해 전달되는 광선의 편광이 최대 광전력용으로 조정될 수 있다.

AC 발생기(40)에 의해 구동되고 선(39)에 의해 이 발생기에 접속된 변조기(38)은 루프(14)와 광섬유 부분(12F) 사이의 광섬유(12)위에 장착되어 있다. 이 변조기(38)은 주위에 광섬유(12)가 감겨있는 PZT 실린더를 포함한다. 광섬유(12)는 발생기(40)으로부터의 변조 신호에 응답하여 방사상으로 연장될 때 신장되도록 실린더에 접합되어 있다. 본 발명에 사용하기에 적당한 변조기의 선택적인 형태(도시하지 않음)는, 실린더의 단부에서 짧은 길이의 모세관 형태에 접합된 광섬유(12)의 4개의 세그먼트를 종방향으로 신장시키는 PZT 실린더를 포함한다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 이 선택적인 형태의 변조기가 변조기(38)보다는 적은 편광 변조도를 전달 광 신호에 부과한다는 것을 알 수 있고, 변조기(38)은 원하지 않는 편광 변조 효과를 제거하는 주파수로 동작될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이 2형태의 변조기중 어는 한 변조기라도 본 발명에 사용할 수가 있다.

그다음, 광섬유(12)는 결합기(34)의 포트(C 및 D)를 통과하여, 광섬유 부분(12F)는 포트(D)로부터 연장되며, 광 섬유부분(12G)는 포트(C)로부터 연장된다. 광섬유부분(12G)는 지점 "NC"(비접속)에서 무반사적으로 종료된다. AC 발생기(40)으로부터의 출력신호는, 선(48)에 의해 광검출기(30)의 출력을 수신하도록 접속되는 로크-인 증폭기(46)에 선(44)를 통해 공급된다. 증폭기(46)의 이 신호는 증폭기(46)이 변조 주파수에서 검출기 출력 신호를 동시에 검출하도록 기준 신호를 제공한다. 그러므로, 증폭기(46)은 변조기(38)의 기본 주파수(즉, 제1고조파)에서 대력통과 휠터를 효과적으로 제공하여, 이 주파수의 다른 모든 고조파들을 차단시킨다. 검출기 출력 신호의 이 제1고조파 성분의 크기는 동작 범위에 걸쳐서 루프(14)의 회전비에 비례한다. 증폭기(46)은 이 제1고조파 성분에 비례하는 신호를 내보내므로, 회전 비를 직접 나타낼 수 있게 하는데, 이것은 선(49)를 통해 표시장치(47)로 증폭기 출력신호를 공급함으로써 표시 판넬(47)상에 가시적으로 표시될 수 있다.

[결합기(26 및 34)]

본 발명의 회전 감지기 또는 자이로스코프내에 결합기(26 및 34)로서 사용하기 위한 양호한 광섬유 지향성 결합기는 제2도에 도시되어 있다. 이 결합기는 장방향 기부 또는 블록(53A 및 53B)의 광학적으로 평평한 대향 표면내에 각각 형성된 종방향 아아치형 홈(52A 및 52B)에 각각 장착된 2개의 단일 모드 광섬유 물질 가닥(50A 및 50B)를 포함한다. 가닥(50A)가 홈(52A)에 장착된 블록(53A)를 결합기 절반부(51A)라고 하고, 가닥(50B)가 홈(52B)에 장착된 블록(53B)를 결합기 절반부(51B)라고 하겠다.

아아치형 홈(52A 및 52B)는 광섬유(50)의 직경보다 매우 큰 민곡반경을 갖고 있고, 광섬유(50)이 이 홈내에 장착될 때 홈(52)의 저부벽에 의해 정해진 통로를 따르게 하도록 광 섬유 직경보다 약간 더 큰 폭을 갖고 있다. 홈(52A 및 52B)의 깊이는 블록(53A 및 53B)의 중심부에서의 최소치로부터 블록(53A 및 53B)의 연부에서의 최대치로 변한다. 이것은 유리하게도 광섬유 가닥(50A 및 50B)가 홈(52A 및 52B)내에 각각 장착될 때 블록(53A 및 53B)의 연부를 향해 분기되고 중심부를 향해 점점 집중되게 하므로, 모드 섭동을 통해 전력 손실을 야기 시킬 수 있는 광섬유(50)방향의 예리만 만곡(sharp ben)도는 갑작스런 변화를 제거시킨다. 도시한 실시예에서, 홈(52)는 장방형 단면으로 도시되어 있으나, 광섬유(50)을 수용하는 U형 단면이나 V형 단면과 다른 형태로 될 수도 있다.

도시한 실시예에서, 블록(53)의 중심부에서의 가닥(50)을 장착하는 홈(52)의 깊이는 가닥(50)의 직경보다 작고, 블록(53)의 연부에서의 홈(52)의 깊이는 최소한 가닥(50)의 직경과 같이 크게 되어 있다. 광 섬유 물질은 블록(53A 및 53B)의 대향 표면과 동일 평면상에 있는 각각의 타원형 평면을 형성하도록, 예를 들어, 래핑(lapping)에 의해서 각각의 가닥(50A 및 50B)로부터 제거되었다. 광섬유 물질이 제거된 이 타원형 표면 광섬유 "접촉표면"이라고 하겠다. 그러므로, 제거된 광섬유 물질의 양은 블록(53)의 연부를 향한 0으로부터 블록(53)의 중심부를 향해 최대로 점점 증가한다. 이 테이퍼식 광섬유 물질 제거는 광섬유가 점점 집중 및 분기되게 하여, 후방 반사 및 발광 에너지의 과대 손실을 방지시킨다.

도시한 실시예에서, 결합기 절반부 (51A 및 51B)는 동일하고 블록(53A 및 53B)의 대향 표면을 함께 배치함으로써 조절되므로, 가닥(50A 및 50B)의 접촉 표면이 접촉관계로 있게 된다.

인덱스 정합 오일과 같은 인덱스 정합 물질(도시하지 않음)은 블록(53)의 대향 표면들 사이에 제공된다. 이 물질은 피복 굴절률과 거의 같은 굴절률을 갖고 있고, 광학적 평면(14)가 함께 영구적으로 고착되지 못하도록 작용한다. 오일은 모세관 작용에 의해 블록(53)들 사이로 삽입된다.

상호 작용 영역(54)는 가닥(50)의 접합부에 형성되고, 이 접합부에서 광선은 에버네슨트계(evanescent field) 결합에 의해 가닥들 사이로 이송된다. 적당한 에버네슨트계 결합을 하게 하기 위해, 광섬유(50)으로부터 제거된 물질의 양은 가닥(50)의 코어부분들 사이의 공간이 선정된 "임계지역"내에 있도록 조심스럽게 조정되어야 한다. 에버네슨트계는 피복물(cladding) 속으로 연장되고 각각의 코어 외측면으로 소정의 거리로 방사상으로 감소된다. 그러므로, 각각의 코어가 다른 에버네슨트계 내에 배치될 수 있도록 충분한 물질이 제거되어야 한다. 너무 적은 물질이 제거되면, 코어는 에버네슨트계가 안내된 모드의 원하는 상호 작용을 야기시킬 만큼 충분히 밀접되지 못하므로, 불충분한 결합을 하게 된다. 반대로, 너무 많은 물질이 제거되면, 광섬유의 전달 특성이 변경되므로, 모드 섭동으로 인해 발광 에너지가 손실된다. 그러나, 가닥(50)의 코어들 사이의 공간이 임계지역내에 있으면, 각각의 가닥은 다른 가닥으로부터 에버네슨트계 에너지의 상당한 부분을 수신하고, 에너지가 손실되지 않는 양호한 결합이 이루어진다. 임계지역은 광섬유(50A 및 50B)의 에버네슨트계가 결합하기에 충분한 세기로 중첩되는, 즉 각각의 코어가 다른 것의 에버네슨트계 내에 있는 지역을 포함한다. 그러나, 이미 기술한 바와 같이, 모드 섭동은 코어들이 함께 너무 밀접해 있을 때 생긴다. 예를 들어, 단일 모드 광섬유의 HE11 모드와 같은 약하게 안내된 모드의 경우에, 이러한 모드 섭동은 충분한 물질이 코어를 노출시키도록 광섬유(50)으로부터 제거될 때 생기기 시작한다. 그러므로, 임계 지역은 에버네슨트계가 상당한 모드 섭동-유도 전력 손실이 없이 결합하기에 충분한 세기로 중첩되는 지역으로 정해진다.

특정한 결합기용의 임계 지역을 연장하는 것은 광섬유 자체의 파라메터와 결합기의 기하학적 구조와 같은 상호 관련된 다수의 요소에 따라 변한다. 또한, 계단식 인덱스 단면을 갖고 있는 단일 모드 광섬유의 경우에, 임계 지역은 매우 좁게될 수 있다. 도시한 형태의 단일 모드 광섬유 결합기에서, 결합기의 중심부에서의 가닥(50)들 사이의 필요한 중심부-대-중심부 공간은 전형적으로 서너개(예, 2-3개)의 코어 직경보다 작다.

양호하게도, 가닥(50A 및 50B)는, (1) 서로 동일하다 (2) 상호작용지역(54)에서 동일한 만곡 반경을 가지며, (3) 각각의 접촉 표면을 형성하도록 제거된 동일량의 광섬유 물질을 갖고 있다. 그러므로, 광섬유(50)은 상호작용 영역(54)를 통해 이것들의 접촉표면의 평면에 대칭되게 되므로, 이 접촉표면들은 중첩된 경우에 동일하게 연장된다. 이것은 2개의 광섬유(50A 및 50B)가 상호작용 영역(54)에서 동일한 전달 특성을 갖게 하므로, 다른 전달 특성에 관련된 결합 감쇠를 방지시켜 준다.

블록 또는 기부(53)은 적당한 강성 물질로 제조될 수 있다. 본 발명의 한 양호한 실시예에서, 기부(53)은 길이와 폭이 약 1인치(2.54cm)이고 두께가 0.4인치(1.0cm)인 장방형 응용 석영유리 블록으로 구성된다. 이 실시예에서 광섬유 가닥(50)은 에폭시 접착제와 같은 적당한 접착제에 의해 슬롯트(52)내에 고착된다. 응용 석영 블록(53)의 장점은 유리 섬유와 비슷한 열팽창 계수를 갖고 있다는 것으로, 이 장점은 블록(53)과 광학 섬유(50)이 제조과정중에 열처리 되는 경우에 매우 중요하다. 블록(53)용의 다른 적당한 물질은 이용응의 경우에 우수한 열특성을 갖고 있는 실리콘이다.

결합기는 제2도에 A,B,C 및 D자가 붙은 4개의 포트를 포함한다. 제2도를 참조하면, 가닥(50A 및 50B)에 각각 대응하는 포트(A 및 C)는 결합기의 좌측에 있고, 가닥(50A 및 50B)에 각각 대응하는 포트(B 및 D)는 결합기의 우측에 있다. 설명을 하기 위해서, 입력 광선이 포트(A)에 인가된다고 가정한다. 이 광선은 결합기를 통과하여, 가닥(50)들 사이에 결합되는 전력량에 따라서 포트(B) 및 포트(D)로 나온다. "표준 결합 전력"이란 말은 결합된 전력-대-전체 출력 전력의 비로 정의된다. 상기예에서, 표준 결합 전력은 포트(D)에서의 전력-대-포트(B 및 D)에서의 출력 전력의 합계의 비와 같게된다. 이 비를 "결합 효율"이라고 하고, 이렇게 사용될 때 전형적으로 백분율로 나타난다. 그러므로, "표준 결합 전력"이 사용되면, 대응결합 효율은 표준 결합 전력을 100배한 것과 같다. 이에 관련해서 시험결과, 제2도에 도시한 형태의 결합기가 100%까지의 결합효율을 갖는 것으로 나타났다. 그러나, 결합기는 블록(53)의 접촉표면을 편기시킴으로써 0과 최대 사이의 바람직한 값으로 결합 효율을 조절하도록 "동조"될 수 있다. 이러한 동조는 서로 관련해서 측방향으로 블록(53)을 경사지게 함으로써 양호하게 이루어진다.

결합기는 지향성이 높으므로, 결합기의 한 측면에 인가된 전력의 거의 대부분은 이 결합기의 다른 측면으로 전달된다. 즉, 입력 포트(A)에 인가된 광선의 거의 대부분은 포트(C)로 역 방향 결합하지 않고 출력 포트(B 및 D)로 전달된다. 이와 마찬가지로, 입력 포트(C)에 인가된 광선의 거의 대부분은 출력 포트(B 및 D)로 전달된다. 또한, 이 지향성은 대칭이다. 그러므로, 입력 포트(B)나 입력 포트(D)에 공급된 광선은 출력 포트(A 및 C)로 전달된다. 또한 결합기는 편광에 대해서 무분별하므로, 결합된 광선의 편광을 유지한다. 그러므로, 예를 들어, 수직 편광을 갖고 있는 광선 비임 포트(A)로 입력되면, 포트(A)로부터 포트(D)로 결합된 광선과 포트(A)로부터 포트(B)로 통과하는 광선을 수직으로 편광된 상태로 유지한다.

상술한 설명으로부터, 결합기는 인가된 광선을 2개의 역 전달파(W1 및 W2, 제1도)로 나누기 위한 비임-분할기로 작용한다는 것을 알 수 있다. 또한, 결합기는 루프(14, 제1도)를 횡단한 후에 역 전달파를 재결합하도록 부수적으로 작용한다.

도시한 실시예에서, 각각의 결합기(26 및 34)는 50%의 결합 효율을 갖고 있는데, 이 결합 효율을 선택하면 광 검출기(30, 제1도)에서 최대 광전력이 제공된다. "결합 효율"이란 단어는 백분율로 표시된 결합된 전력-대-전체 출력 전력의 전력비로 정의된다. 예를 들어, 제2도를 참조하면, 광선이 포트(A)로 인가된 경우에, 결합 효율은 포트(D)에서의 전력과 포트(B 및 D)에서의 전력 출력의 합계의 비와 같게 된다. 또한, 결합기(34)에 대한 결합효율 50%는 역전달파(W1 및 W2)의 크기가 같게한다.

[편광기(32)]

제1도의 회전 감지기에 사용하기에 양호한 편광기는 제3도에 도시되어 있다. 이 편광기는 광섬유(12)에 의해 이송된 광선의 에버네슨트계 내에 배치된 복굴절성 결정체(60)을 포함한다. 광섬유(12)는 장방형 석영블럭(64)의 상부면(63)으로 개방되는 슬롯트(62)내에 장착되어 있다. 슬롯트(62)는 아치형으로 구부러진 저부벽을 갖고 있고, 광섬유는 이 저부벽의 외형을 따르도록 슬롯트(62)내에 장착되어 있다. 블록(64)의 상부면(63)은 영역(67)내의 광섬유(12)로부터 피복물의 일부를 제거하도록 중첩되어 있다. 결정체(60)은 블록(64)위에 장착되고, 결정체의 저부면(68)은 광섬유(12)의 에버네슨트계내에 결정체(60)을 배치시키기 위해 블록(64)의 상부면(63)과 접촉해 있다.

광섬유(12)와 복굴절성 물질(60)의 상대 굴절율은 원하는 편광 모드의 파속(wave velocity)이 광섬유(12)내에서 보다는 복굴절성 결정체(60)내에서 더 크고, 원하지 않는 편광 모드의 파속이 복굴절성 물질(60)내에서 보다는 광섬유(12)내에서 더 크도록 선택된다. 원하는 편광 모드의 광선은 광섬유(12)의 코어부분에 의해 안내된 상태로 유지되고, 원하지 않는 편광 모드의 광선은 광섬유(12)로부터 복굴절성 결정체(60)에 결합된다. 그러므로, 편광기(32)는 한 편광 모드에서 광선이 통과하게 하고, 다른 편광 모드에서 광선이 통과하지 못하게 한다. 이미 기술한 바와 같이, 편광기를 통하는 광전력 손실이 최소로 되도록 인가된 광선 및 광출력 신호의 편광을 각각 조정하기 위해서 편광 제어기(24 및 36, 제1도)를 사용할 수 있다.

[편광 제어기(24, 36)]

제1도의 회전 감지기에 사용하기에 적당한 편광 제어기의 한 형태는 제4도에 도시되어 있다. 이 제어기는 다수의 상향 블록(72A 내지 72D)가 위에 장착된 기부(70)을 포함한다. 블록(72)의 인접한 것들 사이에는, 스풀(74A 내지 74C)가 축(76A 내지 76C)상에 접선적으로 각각 장착되어 있다. 축(76)은 서로 축 방향으로 일렬로 배치되고, 블록(72)들 사이에 회전 가능하게 장착되어 있다. 스풀(74)는 원통형으로 되어 있고 축(76)에 접선적으로 배치되며, 스풀(74)의 축은 축(76)의 축에 수직으로 된다. 가닥(12)는 축(76)내의 축구멍을 통해 연장되고 3개의 코일(78A 내지 78C)를 형성하도록 각각의 스풀(74) 주위에 감겨 있다. 코일(78)의 반경은 광섬유(12)가 각각의 코일(78)내에 복굴절성 매체를 형성하기 위해 응력을 받도록 되어 있다. 3개의 코일(78A 내지 78C)는 광섬유(12)의 복굴절을 조정하여 광섬유(12)를 통과하는 광선의 편광을 제어하도록 축(74A 내지 74C)의 각각의 축 주위에서 서로 독립적으로 회전될 수 있다.

코일(78)내의 권선 직경과 권선수는 외부 코일(78A 및 78C)가 1/4파장의 공간 지연을 제공하고 중심 코일(78B)가 1/2파장의 공간 지연을 제공하도록 되어 있다. 1/4파장 코일(78A 및 78C)는 편광의 타원율을 제어하고, 1/2파장 코일(78B)는 편광의 방향을 제어한다. 이것은 광섬유(12)를 통해 전달되는 광선의 편광의 전체 조정 범위를 제공한다. 그러나, 편광방향 [중심코일(78B)에 의해 제공됨]이 2개의 1/4파 코일(78A 및 78C)에 의해 편광 타원율을 적당히 조정함으로써 간접적으로 제어될 수 있기 때문에, 편광 제어기는 단지 2개의 1/4코일(87A 및 78C)를 갖추도록 수정될 수도 있다. 따라서, 편광 제어기(24 및 36)은 2개의 1/4파 코일(78A 및 78C)만을 포함하는 것으로 제1도에 도시되어 있다. 이 형태는 제어기(24 및 36)의 전반적인 크기를 감소시키므로, 공간 제한을 포함하는 본 발명의 소정의 응용에 매우 유리하다.

그러므로, 편광 제어기(24 및 36)은 인가된 광선과 역 전달파의 편광을 설정, 유지 및 제어하는 장치를 제공한다.

[위상 변조 또는 편광 제어가 없는 동작]

편광기(32, 제1도)와 위상 변조기(38)의 기능 및 중요성을 완전히 이해하기 위해서, 우선 이 부품들이 시스템에서 완전히 제거된 경우의 회전 감지기의 동작에 대해서 기술하겠다. 따라서, 제5도는 변조기(38), 편광기(32) 및 이에 관련된 부품들을 제거하여 제1도의 회전 감지기를 개략 계통도로 도시한 것이다.

광선은 레이저 소오스(10)으로부터 광섬유(12)를 통해 전달되기 위해 광섬유(12)에 결합된다. 광선은 결합기(26)의 포트(A)로 들어가고, 이 광선의 일부는 포트(D)를 통해 손실된다. 광선의 나머지 부분은 결합기(34)의 포트(B)로부터 포트(A)로 전달되고, 여기서 이 광선은 동일한 크기의 2개의 역 전달파로 나누어진다. 파(W1)은 루프(14)주위에서 시계 방향으로 포트(B)로부터 전달되고, 파(W2)는 루프(14)주위에서 시계 반대 방향으로 포트(D)로부터 전달된다. 파(W1 및 W2)가 루프(14)를 횡단한 후에, 이 파들은 결합기(34)의 포트(A)로부터 결합기(26)의 포트(B)로 전달되는 광출력 신호를 형성하도록 결합기(34)에 의해 재결합 된다. 광출력 신호의 일부는 광검출기(30)으로 광섬유(28)을 따라 전달되기 위해 결합기(26)의 포트(B)로부터 포트(C)에 결합된다. 이 광 검출기(30)은 광출력 신호에 의해 부과된 광선의 세기에 비례하는 전기 신호를 내보낸다.

광출력 신호의 세기는 결하기(34)에서 재결합되거나 중첩될 때 파(W1과 W2) 사이의 (건설적 또는 파괴적) 간섭량 및 간섭형태에 따라서 변한다. 잠시 동안 광섬유 복굴절 효과를 무시하면, 파(W1 및 W2)는 루프(14) 주위에서 동일한 광통로를 주행한다. 그러므로, 루프(14)가 휴지 상태에 있다고 가정하면, 파(W1 및 W2)가 결합기(34)에서 재결합될 때, 이 파들은 위상차가 없이 건설적으로 간섭하고, 광출력 신호의 세기는 최대로 된다. 그러나, 루프(14)를 회전하면, 역 전달파(W1 및 W2)가 사그낙 효과에 따라서 위상 전이되므로, 이 파들이 결합기(34)에서 중첩될 때, 이 파들은 광출력 신호의 세기를 감소시키도록 파괴적으로 간섭한다. 루프(14)의 회전으로 인해 생긴 파(W1 및 W2)사이의 사그낙 위상차는 다음의 관계에 의해 정해진다.

여기서 A는 광학 섬유의 루프(14)에 의해 정해진 지역이고, N은 지역 A주위의 광섬유의 권선수이며, Ω은 루프의 평면에 수직인 축 주위에서의 루프의 각 속도이고, λ 및 c는 루프에 인가된 광선의 파장 및 파속의 자유광간 값이다.

광학 출력 신호(IT)의 세기는 파(W1 및 W2) 사이의 사그낙 위상차(øws)의 함수로서, 다음 식에 의해 정재한다.

여기서 I₁및 I₂는 파 W1 및 W2의 각각의 세기이다.

식(1) 및 (2)로부터, 광출력 신호의 세기가 회전속도(Ω)의 함수라는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이러한 회전속도는 검출기(30)을 이용하여 광출력 신호의 세기를 측정함으로써 표시될 수 있다.

제6도는 광출력 신호(I_T)의 세기와 역 전달파(W1 및 W2) 사이의 사그낙 위상차(ø_ws) 사이의 이 관계를 나타내는 곡선(80)을 도시한 것이다. 곡선(80)은 코사인 곡선 형태로 되어 있고, 광출력 신호의 세기는 사그낙 위상차(ø_ws)가 0일 때 최대로 된다.

역 전달파(W1과 W2) 사이의 위상차의 원인이 루프(14)의 회전에만 있다고 가정하면, 곡선(80)은 수직축 주위에서 대칭으로 변한다. 그러나, 실제로, 역전달파(W1과 W2) 사이의 위상차는 루프(14)의 회전뿐만 아니라 광섬유(12)의 전여 복굴절성에 의해서도 생긴다. 복굴절성-유도 위상차는 광섬유 복굴절성이 단일 모드 광섬유(12)의 2개의 편광 모드가 각각 다른 속도로 광선을 전달하게 하기 때문에 생긴다. 이것은, 예를 들어 가상선으로 도시한 곡선(82)으로 나타난 바와 같이 파(W1과 W2) 사이의 비-반전, 비-회전 유도 위상차를 발생시키어, 파(W1 및 W2)가 제6도의 곡선(80)을 찌그러뜨리거나 전이시키는 식으로 간섭하게 한다. 이러한 복굴절성-유도, 비-반전 위상차는 회전-유도 사그낙 위상차와 분별할 수가 없고, 온도 및 압력과 같은 광섬유 복굴절성을 변화시키는 주변 요소에 따라 변한다. 그러므로, 광섬유 복굴절성은 광섬유 회전 감지기의 주요 오차 소오스로 된다.

[편광기(32)와의 동작]

광섬유 복굴절성으로 인한 비-반전 동작의 단점은, 상술한 바와 같이, 단일 편광 모드만을 이용하게 하는 편광기(32, 제1도)에 의해서 본 발명의 회전 감지기에서 해결된다. 그러므로, 편광기(32)가 제5도의 지점(84)에서 시스템 속으로 삽입되면, 편광기(32)를 통해 입력되는 광선은 원하는 편광 모드에서 루프(14)로 전달된다. 또한, 역 전달파가 광출력 신호를 형성하도록 재결합되면, 루프에 인가된 광선과 동일한 편광으로 있지 않은 소정의 광선은 광 검출기(30)에 도달하지 못하게 된다. 왜냐하면 광출력 신호가 결합기(34)의 포트(A)로부터 결합기(26)의 포트(B)로 주행될 때 편광기(32)를 통과하기 때문이다. 그러므로, 광출력 신호는, 검출기(30)에 도달할 때, 루프에 인가된 광선과 동일한 편광을 정확하게 갖게된다.

그러므로, 동일한 편광기(32)를 통해 입력 광선과 광출력 신호를 통과시킴으로써, 단일 광학 통로만이 이용되므로, 복굴절성-유도 위상차의 문제를 제거시키게 된다. 또한, 편광 제어기(24 및 36, 제1도)은 편광기(32)에서의 광전력 손실을 감소시키어 검출기(30)에서의 신호 세기를 최대화 시키기 위해서 인가된 광선과 광학 출력 신호의 편광을 각각 조정하는데 사용될 수도 있다.

[위상 변조기(38)과의 동작]

제6도를 다시 참조하면, 곡선(80)은 코사인 함수이기 때문에, 광학 출력 신호의 세기는 파(W1과 W2)사이의 작은 위상차(ø_ws)에 대해 비선형으로 된다. 또한, 광출력 신호 세기는 작은 값 ø_ws에 대해 위상차를 변화시키는데 비교적 덜 민감하다. 이러한 비선형 및 불감도는 검출기(30)에 의해 측정된 광학 세기(I_T)를 루프(14)의 회전비(Ω, 식1)를 나타나는 신호로 변형시키기가 어렵게 한다.

또한, 파(W1과 W2) 사이의 복굴절성 유도 위상차가 편광기(32)를 사용함으로써 상술한 바와 같이 제거되지만, 광섬유 복굴절성에 의해 생긴 편광 모드들 사이의 횡결합은 광출력 신호의 광세기를 감소시킨다. 왜냐하면 이러한 횡결합 광선은 편광기(32)에 의해 광 검출기(30)에 도달하지 못하기 때문이다. 그러므로, 광학 섬유 복굴절성이 변하면, 제6도의 곡선(80)의 진폭이, 예를들어 곡선(84)로 도시한 바와 같이 변하게 된다. 제6도의 곡선(80, 82 및 84)는 제 크기로 정확하게 도시한 것이 아니다.

상술한 단점들은 제1도에 도시한 위상 변조기(38), 신호 발생기(40) 및 로크-인 증폭기(46)을 이용하는 동기 검출 시스템에 의해 본 발명의 회전 감지기 내에서 해결된다. 제7도를 참조하면, 위상 변조기(38)은 신호 발생기(40)의 주파수에서 각각의 전달파(W1과 W2)의 위상을 변조시킨다.

그러나, 제1도로부터 알 수 있는 바와 같이, 위상 변조기(38)은 루프(14)의 한 단부에 배치되어 있다. 그러므로, 파(W1)의 변조는 파(W2)의 변조와 동상으로 되지 않는다. 실제로는, 파(W1 및 W2)의 변조가 이상으로 되도록 이 동기 검출 시스템을 적당히 동작시켜야 한다.

제7도를 참조하면, 정현파 곡선(90)으로 표시된 파(W1)의 변조는 곡선(92)로 표시된 파(W2)의 변조와 180°이상되어 있다. 파(W1)의 변조와 파(W2)의 변조 사이에 이러한 180°위상차를 제공하는 변조 주파수를 사용하면, 검출기(30)에 의해 측정된 광출력 신호내의 변조기 유도 진폭 변조를 양호하게 제거시키게 된다. 이 변조 주파수(f_m)은 다음식을 사용하여 계산될 수 있다.

여기서 L은 역 전달파(W1 및 W2)의 경우에 결합기(34)와 변조기(38) 사이의 차동 광섬유 길이[즉, 루프(14)의 다른 측면상의 대칭점과 변조기(38) 사이의 광학 섬유를 따라 측정된 거리]이고, n_eq는 단일 모드 광학 섬유(12)의 등가 굴절율이며, c는 루프(14)에 인가된 광선의 자유공간 속도이다.

이 변조 주파수(f_m)에서, 역 전달파(W1과 W2) 사이의 위상차(ø_wm)은, 곡선(90 및 92)에 따른 이 파들의 위상 변조로 인해, 제7도에 정현파 곡선(94)로 도시되어 있다. 파(W1과 W2) 사이의 위상차의 이 변조는, 이러한 위상 변조(ø_wm)이 회전유도 사그낙 위상차(ø_wm)와 구별될 수 없기 때문에, 제6도의 곡선(80)에 따라서 광출력 신호의 세기(I_T)를 변조하게 된다.

상술한 내용들은, (a) 제7도의 곡선(94)로 정해진 위상 변조(ø_wm)과, (b) 제6도에 곡선(80)으로 나타낸 광출력 신호의 세기(I_T)에 따른 사그낙 위상차 ø_ws의 효과를 도시한 제8도와 제9도를 참조함으로써 더욱 잘 알 수가 있다. 그러나, 제7도와 제8도를 설명하기 전에, 우선 변조된 광학 출력 신호의 세기(I_T)과 파(W1과 W2) 사이의 전체 위상차의 함수라른 것을 알아야 한다. 또한, 이러한 전체 위상차는 회전유도 사그낙 위상차(ø_ws)와 시간 변화 변조 유도 위상차(ø_wm)으로 구성된다. 그러므로, 파(W1과 W2) 사이의 전체 위상차(ø_w)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

ø_w=ø_wm+ø_wm(4)

따라서, 변조 유도 위상차(ø_wm)과 회전 유도 위상차(ø_ws)의 효과가 제8도와 제9도를 참조하여 고려되기 때문에, 곡선(80)의 수평축은 제6도에 도시한 바와 같은 회전 유도 위상차만이 아니라 전체 위상차가 고려되는 것을 나타내기 위해 (ø_w)로 다시 표시하였다.

제8도를 참조하여, 광출력 신호(곡선 80)의 세기(I_T)에 위상 변호(ø_wm, 곡선 94)의 효과에 대해서 기술하겠다. 제8도에서, 루프(14)는 휴지 상태에 있으므로 광신호가 사그낙 효과에 의한 영향을 받지 않는다고 가정한다. 특히, 변조 유도 위상차 곡선(94)는 이것의 수직 축 주위에서 대칭으로 곡선(80)에 따라서 광출력 신호를 변화시키므로, 검출기(30)에 의해 측정된 광학 세기는 곡선(96)으로 도시한 바와 같이 변조 주파수의 제2고조파와 동일한 주파수에서 주기적으로 변한다. 상술한 바와 같이, 로크-인 증폭(46)이 변조기(38)의 변조 주파수(즉, 제1고조파)에서 검출기 출력 신호를 동시에 검출하도록 신호 발생기(40, 제1도)에 의해 동작하게 되고, 검출기 출력 신호가 곡선(96)으로 도시한 바와 같이 변조 주파수의 제2고조파로 있기 때문에, 증폭기 출력 신호는 0으로 되고 표시 장치(47)은 회전비 0을 표시하게 된다. 복굴절성 유도진폭 변동이 제6도의 곡선(84)를 참조하여 기술한 바와 같이 광출력 신호에서 생기더라도, 제8도의 곡선(96)을 제2고조파 주파수로 유지된다.

그러므로, 이러한 복굴절성 유도 진폭 변동은 증폭기(46)의 출력 신호에 영향을 미치지 않는다. 그러므로, 본 발명의 검출 시스템은 특히 루프(14)가 휴지 상태에 있을 때 복굴절성이 변화하는데 덜 민감한 안정한 동작을 제공한다.

루프(14)가 회전되면, 역전달파(W1 및 W2)는 사그낙 효과에 따라서 상술한 바와 같이 동상 전이된다. 사그낙 위상 전이는 변조기(38)에 의해 생긴 위상차(ø_wm)에 가산되는 위상차 (ø_ws)를 제공하므로, 곡선(94) 전체는 제9도에 도시한 위치로 (ø_ws)와 같은 양만큼 제8도에 도시한 위치로부터 동상 전이된다. 이것은 광출력 신호가 곡선(80)에 따라서 비대칭적으로 변하게 하여, 제9도에 곡선(96)으로 도시한 바와 같이 이신호를 조화있게 찌그러뜨리므로, 정현파 곡선(98)로 가상으로 도시한 바와 같이 변조기(38)의 기본(즉, 제1고조파) 주파수에서의 성분을 포함한다. 이 정현파 곡선(98)이 RMS값은 회전 유도 사그낙 위상차(ø_ws)의 정현파에 비례한다. 증폭기(46)은 변조기(38)의 기본 주파수를 갖고 있는 신호들을 동시에 검출하기 때문에, 증폭기(46)은 루프의 회전 비를 표시하도록 곡선(98)의 RMS값에 비례하는 신호를 표시장치(47)에 내보내게 된다.

제9도는 루프(14)의 한 회전방향(예, 시계방향)의 광출력 신호의 세기 파형을 도시한 것이다. 그러나, 루프(14)가 동일 속도로 반대 방향(예, 시계 반대 방향)으로 회전되는 경우에, 광출력 신호의 세기 파형(96)은, 곡선(98)이 제9도에 도시한 위치로부터 180°전이되도록 변환된 것을 제외하면, 제9도에 도시한 것과 같이 동일하게 된다. 로크-인 증폭기(46)은 루프의 회전이 시계 방향으로 되는지 아니면 시계 반대방향으로 되는지를 결정하도록, 신호 발생기(40)으로부터의 기준 신호의 위상에 이것의 위상을 비교함으로써, 곡선(98)의 이 180°위상차를 검출한다. 회전 방향에 따라서, 증폭기(46)은 표시 장치(47)에 정 또는 부 신호를 내보낸다. 그러나, 회전 방향에 관계없이, 신호의 크기는 루프(14)의 회전 비가 동일한 경우에 동일하게 된다.

증폭기 출력 신호의 파형은 제10도에 곡선(100)으로 도시되어 있다. 이 곡선(100)은 정현파이고, 루프(14)의 회전이 시계방향으로 되는지 아니면 시계 반대방향으로 되는지에 따라서 0회전 비로부터 정 또는 부로 변한다. 또한, 곡선(100)은 원점 주위에서 대칭으로 변하고 회전을 측정하기 위해 비교적 넓은 동작 범위를 제공하는 선형부분(102)를 갖고 있다. 또한, 곡선(100)의 기울기는 이것의 선형 동작 범위(102)에 걸쳐서 우수한 감도를 제공한다.

그러므로, 동기 검출 시스템을 이용함으로써, 상술한 비-선형, 불감도, 및 복굴절성 유도 진폭 변동 문제가 감소되거나 제거된다.

이 검출 시스템의 다른 장점은 변조기(38)과 같은 본 분야의 위상 변조기의 상태가 직접 또는 편광 변조를 통해 간접으로 광출력 신호내의 진폭 변조를 유도한다는 사실에 관련된다. 그러나, 식 3을 참조하여 기술한 내용을 참조하면, 파(W1과 W2)의 변조 사이의 위상차가 180°인 특정한 주파수에서 동작함으로써, 변조기(38)에 의해 각각 역전달파(W1 및 W2)에서 유도되는 진폭 변조의 기수 고조파 주파수 성분은 광출력 신호를 형성하도록 이 파들이 중첩될 때 서로 상쇄된다는 것을 알 수 있다.

그러므로, 상술한 검출 시스템이 광출력 신호의 기수 고조파(즉, 기본 주파수)만을 검출하기 때문에, 진폭 변조의 효과가 제거된다. 그러므로, 식(3)에 의해 정해진 특정한 주파수로 동작시키고, 광출력 신호의 기수 고조파만을 검출함으로써, 본 발명의 회전 감지기는 변조기의 유도 진폭 및 편광 변조와 무관하게 동작할 수 있다.

특정한 주파수에서 동작하는 다른 잇점은 각각의 역 전달 위상파(W1 및 W2)내의 변조기(38)에 의해 유도된 위상 변조의 우수 고조파가 광출력 신호를 형성하도록 중첩될 때 상쇄된다는 것이다. 이 우수 고조파들은 검출 시스템에 의해 검출될 수 있는 광출력 신호내의 가상 기수 고조파를 발생시키기 때문에, 이것들을 제외하면 회전 감지기의 정확도가 개량된다.

식 3에 의해 정해진 주파수에서 위상 변조기(38)을 동작시키는 것 이외에도, 광출력 신호 세기의 검출된 제1고조파의 진폭이 최대로 되도록 위상 변조의 크기를 조정하는 것도 좋다. 왜냐하면 이것은 개량된 회전감지 민감도 및 정확도를 제공하기 때문이다. 광학 출력 신호 세기의 제1고조파는, 제7도, 제8도 및 제9도에 Z자를 줄여 크기가 표시된 파(W1 및 W2) 사이의 변조기 유도 위상차의 진폭이 1.84 래디안일때, 소정의 회전비에 대해 최대로 된다. 이것은 세기(I₁및 I₂)와 그 사이의 위상차(ø_w)를 갖고 있는 2개의 중첩된 파의 전체 세기(I_T)의 다음의 방정식을 참조하면 더욱 쉽게 할 수 있다.

여기서, ø_w=ø_ws+ø_wm(6)

ø_wm=z sin(2πf_mt)

그러므로,

ø_w=ø_ws=z sin(2πf_mt) (8)

cosine ø_w의 푸리에(Fourier)전개는

(9)

여기서 Jn(z)는 변수 z의 n번째 베셀(Bessel) 함수이고, z는 파(W1과 W2) 사이의 변조기 유도 위상차의 피이크 진폭이다.

그러므로, I_T의 제1고조파만을 검출하는 것은 다음과 같이 계산된다.

I_T(1)=4I₁I₂sinø_wssin(2πf_mt) (10)

그러므로, 광출력 신호 세기의 제1고조파의 진폭은 제1베셀 함수 J₁(z)의 값에 따라 변한다. J₁(z)은 z가 1.84 래디안과 동일할 때 최대로 되기 때문에, 위상 변조의 진폭은 파(W1과 W2) 사이의 변조기 유도 위상차(z)의 크기가 1.84 래디안으로 되도록 선택되어야 한다.

[후방 산란 효과의 감소]

공지되어 있는 바와 같이, 본 분야의 광섬유의 기존 상태는 광학적으로 완전하지 않고, 소량의 광선을 산란시키는 경함을 갖고 있다. 이 현상은 통상적으로 레일레이(rayleigh)산란이라고 불리운다. 이러한 산란은 약간의 광선이 광섬유로부터 손실되게 하지만, 이러한 손실량은 비교적 적으므로, 중요하지가 않다. 레일레이 산란에 관련된 문제는 산란된 광선이 손실되는 것에 있는 것이 아니라, 원래의 전달 방향과 반대 방향으로 광학 섬유를 통해 전달되도록 광선이 반사되는 것에 있다. 이것은 통상적으로 "후방 산란" 광선이라고 불리운다. 이러한 후방 산란 광선은 역 전달파(W1 및 W2)를 포함하고 있는 광선을 간섭하기 때문에, 이러한 전달파를 건설적으로나 파괴적으로 간섭할 수 있으므로, 시스템내에 "잡음"이 생기게 한다. 즉, 검출기(30)에 의해 측정된 바와 같이, 광학 출력 신호의 세기가 가상적으로 변하게 한다.

역 전달파를 간섭하는 한 파로부터의 후방 산란 광선 부분은 루프(14)의 중심부의 간섭 길이내에 산란되는 것이다. 그러므로, 소오스의 간섭 길이를 감소시킴으로써, 후방 산란 광선과 역 전달파 간의 간섭이 감소된다. 후방 산란 광선의 나머지 부분은 역 전달파를 간섭하지 않으므로, 그 사이의 간섭은 평준화되도록 거의 변하지 않게 된다.

그러므로, 후방 산란 광선의 이 비간섭 부분은 거의 일정한 세기로 되므로, 결국, 광학 출력 신호의 세기가 크게 변하지 않게 한다. 따라서, 본 발명에서, 후방 산란 광선의 효과는, 예를 들어 1m 이하의 비교적 짧은 간섭 길이를 갖고 있는 레이저를 발광 소오스(10)으로 사용함으로써 감소된다. 특정한 예로서, 발광 소오스(10)은 상기에 언급한 바와 같은 제너럴 옵트로닉스 코포레이션에서 시판하고 있는 모델 GO-DIP 레이저 다이오드로 구성될 수 있다.

후방 산란파와 전달파 사이의 건설적이나 파괴적인 간섭을 금지시키는 선택적인 방법은 광학 섬유 루프(14)의 중심부에서 시스템내에 부수적인 위상 변조기(도시하지 않음)를 포함하는 것을 포함한다. 이 위상 변조기는 변조기(38)과 동기로 되지 않는다.

전달파는 루프 주위에서 주행할 때 이 부수적인 위상 변조기를 한번만 통과한다. 파가 부수적인 변조기에 도달하기 전에 전달파로부터 생기는 후방 산란의 경우에, 소오스 전달파나 후방 산란 자체가 부수적인 변조기를 통과하지 않기 때문에, 후방 산란은 이 부수적인 변조기에 의해 위상 변조되지 않게 된다.

한편, 파가 이 부수적인 펄스 변조기를 통과한 후에 전달로부터 생기는 후방 산란의 경우에, 후방 산란은 전달파가 부수적인 위상 변조기를 통과했을 때와 후방 산란이 부수적인 변조기를 통과했을 때 각각 한번씩 효율적으로 2번 위상 변조된다.

그러므로, 부수적인 위상 변조기가 위상전이[Φ(t)]를 도입하면, 루프(14)의 중심부를 제외한 지점에서 생기는 후방 산란파는, 전달파의 위상전이[Φ(t)]에 관련해서 시간 변화하는 0 또는 2Φ(t)의 위상전이를 하게된다. 이 시간 변화 간섭은 소정의 시간에 걸쳐 평준화되어, 후방 산란 광선의 효과를 효율적으로 제거 시킨다.

후방 산란 광선으로부터의 건설적이거나 파괴적인 간섭을 금지시키는 다른 방법에서, 변조기(38)과 동기 되지 않는 부수적인 위상 변조기는 발광 소오스(10) 출력에서 삽입될 수 있다.

이 경우에, 루프(14)의 중심부 이외의 지점에서 생기는 후방 산란은 후방 산란 광선이 발생되게 하는 전달파와는 다른, 발광 소오스(10)으로부터 검출기(30)까지의 광통로 길이를 갖게 된다.

그러므로, 전달파는 루프(14)를 한번 주행하게 되고, 후방 산란파와 이 산란파가 생기게 하는 전달파는 루프(14)의 일부를 2번 주행하게 된다. 이 부분이 루프의 1/2이 아니면, 통로 길이는 다르게 된다.

통로 길이가 다르기 때문에, 검출기(30)에 도달하는 전달파는, 동시에 검출기(30)에 도달하는 후방 산란파의 다른 시간에 소오스(10)에서 발생되어야 한다.

소오스(10)에서 부수적인 위상 변조기에 의해 생긴 위상 전이는 후방 산란파의 위상전이[Φ(t+k)]가 아니라 전달파의 위상전이[Φ(t)]를 도입한다. 여기서 k는 루프(14)를 통과하는 파들간의 시간차이다. [Φ(t+k)는 [Φ(t)]에 관련해서 시간변화되기 때문에, 후방 산란 간섭은 소정의 시간에 걸쳐 평준화되어, 후방산란 효과를 효율적으로 제거시킨다.

[주변자계 효과의 감소]

지자계와 같은 주변자계는 역 전달파(W1과 W2) 사이에 위상차가 생기게 함으로써 본 발명의 회전 감지정확도를 제한시킬 수 있다. 이러한 자계는 2개의 역 전달파(W1 및 W2)의 각각의 위상이 서로 반대 방향으로 전이되게 하여 한 파는 전진하고 한 파는 지연되게 함으로써 이 위상차를 유도한다.

파(W1 및 W2)의 이 위상전이는 파(W1 및 W2)의 전달 방향에 평행한 "자계"를 갖고 있는 주변자계의 이 성분들로 인해 생긴다. 자계 성분은 통상적으로 파라데이 효과라고 알려진 현상을 발생시키어, 각각의 파의 편광 방향이 회전되게 한다. 이것을 "파라데이 회전"이라고 하겠다. 광파의 편광이 각각의 편광 모드에서 전달되는 2개의 원형 편광, 역-회전 성분의 최종 합계라고 하면, 한 편광 모드에서 광선의 전달 속도를 지연시키고 동일량 만큼 다른 모드를 전진시킴으로써 자계가 이러한 파라데이 회전을 유도한다고 생각할 수 있다.

광파의 편광은 타원율에 의해 특정지어질 수 있다. 이 타원율이 0이면, 편광은 통상적으로 "선형"이라고 불리운다. 이 상태에서는, 각각의 모드의 광선량이 동일하게 된다. 이와 마찬가지로, 타원율이 1이면, 편광은 "원형"이라고 불리우고, 모든 광선은 한 모드로 있게 된다. 또한, 타원율이 0과 1사이에 있으면, 편광은 "타원형"이라고 불리우고, 모드는 동일하지 않은 광선량을 갖게 된다.

파의 편광이 선형이면, 파라데이 효과로 인해 생기는, 편광 모드의 전달 속도의 상이한 변화는, 파의 위상에 아무 영향도 주지 않게 된다. 그러나, 파의 편광이 선형이 아니면(즉, 타원형 또는 원형이면), 전달속도의 상이한 변화는 파의 위상의 전이되게 하는데, 이러한 위상전이의 량은 편광의 타원율에 따라서 변한다. 이것은 편광이 원형이거나 타원형일때, 상기에 언급한 바와 같이 2개의 편광 모드 각각에서의 광선량이 같지 않기 때문에 생기므로, 한 모드의 전달 속도가 전진하고 다른 모드가 지연되면, 순효율이 파의 전달속도를 증가시키거나 감소시키게 되므로, 파의 위상이 전이된다.

예를들어, 파라데이 효과가 제1모드의 전달 속도를 증가시키고 제2모드의 전달 속도를 감소시킨다고 가정하고, 제1모드내의 광선이 제2모드의 광선보다 더 큰 진폭을 갖고 있다고 가정하면, 파라데이 효과는 전진 위상 전이하게 된다. 반대로, 제2모드내의 광선이 제1모드의 광선보다 진폭이 더 크면, 파라데이 효과는 지연 위상 전이하게 된다.

상술한 바와 같이, 파라데이 효과로 인해 생기는 위상 전이는 파(W1 및 W2)가 루프(14)를 통해 역 전달될 때 이 파들의 선형 편광을 유지시킴으로써 제거될 수 있다. 그러나, 불행하게도, 현재 시판되고 있는 광섬유는 잔여 선형 복굴절성을 갖고 있어, 파(W1 및 W2)가 광섬유를 통해 전달될 때 이 파들의 각각의 편광 상태를 변화시키기 때문에, 이것을 이루기가 어렵다. 예를들면, 파(W1 및 W2)가 루프(14)속으로 유입될 때 선형 편광 파로 되면, 이러한 잔여 선형 복굴절성은, 파가 루프(14)를 횡단할 때 이것들의 편광을, 예를들어 타원형으로 변화시킨다. 그러므로, 각각의 파(W1 및 W2)는 루프(14)에서 나올때 파라데이 효과로 인해 위상전이를 나타낸다. 또한, 제1도의 실시예에서, 이 위상전이들은 반대 방향으로 되므로, 이 전이들은 파(W1과 W2) 사이에 위상차가 생기게 한다.

상술한 내용들은 예를 참조함으로써 쉽게 알 수가 있다. 따라서, 제11도에는 이 내용을 간단히 하기 위해 다중 권선 루프가 아니고 단일 권선 루프로 되는 것으로 도시한 제1도의 회전 감지기의 루프 부분이 도시되어 있다. 또한, 광학 섬유의 잔여 선형 복굴절성은 참조번호(117)로 표시한 루프(14)의 중심부에 집중되는 것으로 가정한다. 또한, 지자계(B자계)는 화살표(118)로 표시한 방향으로 루프의 면에 있으므로, 이 B자계가 제11도에 도시한 바와 같이 루프의 상부 및 저부에서의 광섬유에 평행하도록 되어 있다고 가정한다.

제1도를 참조하여 기술한 내용으로부터, 파(W1 및 W2)가 루프(14)로 들어갈 때 선형 편광되고, 이 파(W1 및 W2)가 루프(14)에서 나올 때 이 파들의 편광의 선형으로 되도록 편광 제어기(36)의 광학 섬유 복굴절성을 보상하도록 조정된다는 것을 알 수 있다. 또한 광섬유 복굴절성이 제11도의 경우와 같이 루프(14) 주위에서 대칭으로 분산되는 것을 연장시키기 위해, 파(W1 및 W2)의 편광은, 제어기(36)을 이렇게 조정함으로써, 루프(14)상의 소정의 지점에서 동일하게 된다. 이 예에서, 루프(17)의 중심부에서의 복굴절성은 1/4파장 만큼 각각의 파의 위상을 변화시키어, 선형 편광 광선이 원형 편광 광선으로 변형되고 반대로 원형 편광 광선은 선형 편광 광선으로 변형된다고 가정한다. 그러므로, 제어기(36)은 동일량, 즉 1/4파장만큼 위상을 전이시킴으로써 이 위상 변화를 보상하도록 조정된다.

선형 편광 파(W1)이 루프(14)를 횡단하기 시작하면, 제어기(36)의 복굴절성은 이것의 편광 상태를, 예를들어 우측 원형으로 변화시킨다. 이 파(W1)이 루프(14)의 상부를 통해 전달되면, 이것은 위상은 자계(118)의 존재로 인해, 파라데이 효과에 따라서 전이된다. 루프(14)의 중심부(117)에 잔여 복굴절성이 도달할 때, 파(W1)의 원형 편광은 선형 편광으로 변형된다. 파(W1)의 편광이 루프(114)의 저부를 통하여 선형을 유지하기 때문에, 자계(118)은 파(W1)상의 더 이상의 다른 효과를 갖지 않게 된다.

이와 마찬가지로, 루프의 저부를 최초로 횡단하는 파(W2)는, 지점(117)에 복굴절성이 도달할 때까지 이것의 편광이 선형으로 유지되기 때문에, 이 저부에서 자계(118)에 의해 영향을 받지 않는다. 지점(117)에서 파(W2)가 루프의 상부를 횡단할 때, 이것의 위상은 자계(118)의 존재로 인해, 파라데이 효과에 따라서 전이된다. 그러나, 파(W1 및 W2)가 루프(14)의 상부를 통해 동일한 편광으로 반대 방향으로 전달되나, 자계(118)이 동일한 방향으로 유지되기 때문에, 자계(118)에 의해 유도된 파(W1 및 W2)가 결합기(34)에 도달하면 파라데이 효과로 인해 이 파들사이에 위상차가 있게 된다. 그러므로, 주변자계는 광섬유 회전 감지기의 비-반전 동작의 소오스로 된다. 파라데이 효과를 통한 주변자계에 의해 생긴 회전 감지 오차를 제거하기 위해서, 본 발명은 이러한 주변자계로부터 회전 감지기, 특히 루프(14)와 결합기(34)를 차폐시키거나 분리시키기 위해 제12도에 도시한 하우징(110)을 포함한다.

도시한 실시예에서, 하우징(110)은 자석 주위로부터 회전 감지기를 효율적으로 차폐시키기에 충분히 높은 자기 투과도를 갖고 있는 μ-금속의 원통형 관으로 구성된다. 하우징(110)의 크기는 자석 주위의 적대작용과 회전 감지기의 구조 크기를 조정하도록 선택될 수 있다. 특정한 예로서, μ-금속 차폐부는 직경이 7인치이고, 길이가 18인치이며, 두께가 1/16인치이다. 어느 경우에든지, 이용된 크기와 물질은 회전 감지기의 감지 정확도에 알맞는 양만큼 광섬유에 충동하는 자계를 양호하게 감소시켜야 한다.

즉, 자계 세기는 회전 감지 정확도가 이러한 자계에 의해 생긴 파라데이 효과에 의해 제한되지 않도록 충분히 감소되어야 한다. 자석 주위가 지자계(즉, 약 0.5가우스)에만 인한 것이라고 가정하면, 차폐부의 상술한 실시예는, 약 0.1도/시간의 장시간 안정도를 이루는데 필요한 약 0.005가우스도 약 100배만큼 자계를 감소시킨다.

루프(14)를 포함하고 있는 회전 감지기의 광섬유 부품은 하우징(110)내에 장착된 기판(112)상에 장착될 수 있다. 하우징의 단부는 μ-금속 캡(114)에 의해 덮혀질 수 있다. 이 캡 중의 한개는 증폭기 선(48)과 변조기 선(39, 제1도)을 통과하기에 적당한 개구(116)을 갖고 있다.

[광출력 신호로부터 소오스(10)의 분리]

제1도를 참조하여 기술한 설명으로부터, 소오스(10)으로부터의 입력 광선의 일부가 결합기(26)에 의해서 광섬유(28)에 결합된다는 것을 알 수 있다. 이 신호는 이 광섬유의 무반사 종단부 "NC"에서 손실된다. 또한, 파(W1 및 W2)가 루프(14)로부터 복귀되어, 광출력 신호를 형성하도록 결합되면, 이 신호의 일부분은 결합기(24)의 포트(C)를 통해 손실된다.

출력신호의 나머지 부분은, 광출력 신호의 일부가 결합되는 경우에, 광 검출기(30)으로 전달하기 위해 결합기(26)에 의해 광섬유(12)로부터 광섬유(28)로 레이저 소오스(10)으로 전달되는 광출력 신호의 나머지 비결합 부분은 손실된다. 결합기(26 및 34)가 50%의 결합 효율을 갖고 있다고 가정하면, 결합기 (26 및 34)로부터 생기는 시스템 손실은 87.5%로 된다. 결합기(26)은 광학 전력내의 이 손실을 혼자서 67.5% 책임진다.

이 시스템 손실을 감소시키기 위해서, 본 발명은 제13도에 도시한 바와 같이 소오스(10)과 편광 제어기(24)사이에 배치된 광섬유 분리기(120)을 포함한다. 이 분리기(120)은 편광기(122)와 자기-광학 또는 파라데이 회전기(124)를 포함한다. 이 실시예에서는, 편광기(122)에 의해 저지된 광선의 세기를 측정하기 위해 검출기(30)을 배치시킴으로써 결합기(26, 제1도)의 필요성이 제거된다. 이 광선은 렌즈(126)에 의해 광 검출기(30)에 접속될 수 있다.

광섬유 분리기의 동작에 대해서 제14도와 제15도를 참조하여 상세하게 기술하겠다. 우선 제14도를 참조하면, 편광기(122)에 의해 통과된 광선의 편광은 발광 소오스(10)에 의해 발생된 편광과 접합되므로, 광섬유(12)속으로 유입된 소오스 광선은 모두 편광기(122)를 통해 자기-광학 회전기(124)로 가게 된다. 그러나, 이 편광 정합은 제어기(24 및 36)을 참조하여 상술한 형태의 편광 제어기에 의해 이루어질 수 있다. 이것을 설명하기 위해서, 소오스(10)에 의해 발생된 광선이 수직 방향으로 선형 편광되어 있고, 편광기(122)가 이 편광을 통과시키며 다른 편광을 저지한다고 가정한다. 이 선형 편광 광선은 화살표(WS)로 제14도에 나타나 있다.

제14도로부터 알수 있는 바와같이, 소오스(10)에 의해 발생된 소오스 광선(WS)는 편광기(122)를 통해 전달될때 편광이 변하지 않는다. 그러나, 광선이 회전기(124)를 통과하면, 이것의 편광 방향이 45°회전된다. 제13도를 다시 참조하면, 이때 광선(WS)는 편광 제어기(24)를 통해 전달된다. 이 제어기에서 이것의 편광은 상술한 바와같이 편광기(32)를 효율적으로 통과하도록 조정된다. 예를 들어, 편광기(32)가 선형, 수직 편광을 갖고 있는 광선을 통과시키도록 설계되어 있으면, 제어기(24)는 회전기(124)에 의해 발생된 것과 반대 방향으로 편광 방향을 45°회전시키도록 조정되므로, 광선은 다시 수직으로 편광된다. 이때 광선은 루프(14) 주위로 전달되기 위해서 결합기(34)에 의해 전달파(W1 및 W2)로 분산된다. 루프(14)를 횡단한 후에, 파(W1 및 W2)는 편광기(32)를 통해 다시 전달되는 광출력 신호를 형성하도록 결합기(34)에 의해 재결합된다.

편광 제어기(36)은 광출력 신호가 편광기(32)를 효율적으로 통과시키도록 역 전달파의 편광을, 예를들어 선형, 수직 편광으로 조정하는데 이용될 수 있다. 이때 상반 장치로 되는 편광 제어기(24)는, 광출력 신호가 제어기(24)로 들어갈 때의 소오스 광선의 편광과 동일한 편광을 제어기(24)로부터 나올때 갖도록, 광출력 신호의 편광 방향을 45°회전시킨다. 따라서, 제15도에 도시한 바와같이, 광출력 신호(WO)는 관찰자가 보는 지점으로부터 분리기(120)에서 나오는 소오스 광선(WS, 제14도)의 편광과 동일한 편광으로 분리기(120)으로 들어가는 것으로 도시되어 있다.

광학 출력 신호(WO)가 회전기(124)를 통과하면, 편광 방향이 다시한번 45°회전된다. 회전 방향이 광선의 전달 방향에 관계없이 동일하다는 것이 회전기(124)의 특유한 특징이다. 그러므로, 소오스 광선의 제1의 45°회전과 광출력신호의 제2의 45°회전은 광학 출력 신호(WO)가 회전기(124)를 지나갈 때 수평 편광 방향을 갖도록 가산된다. 편광기(122)는 이것을 통과하는 편광에 직각인 편광을 저지하기 때문에, 광출력 신호(WO)는 편광기(122)를 통해 발광 소오스(10)으로 전달되지 못하게 된다. 편광기(122)는 광섬유(12)로부터의 광선을 결합시키므로, 신호(WO)는 방향 분기 비임으로 편광기(122)로부터 방출된다. 양호하게도, 편광기(122)는 편광기(32)를 참조하여 상술한 것과 동일한 형태로 되어 있다. 이 형태의 편광기에 의해 저지된 광선은 비교적 낮은 분기 각(예를들면, 20°)를 갖고 있는 방향 광선으로 이 편광기로부터 방출되므로, 검출기(30)의 광-감지 표면은 매우 크거나 독특한 형태로 될 필요가 없다. 도시한 실시예에서, 이 광-감지 표면은 직경이 약 1mm이다.

광선은 상술한 바와 같이 렌즈(126)을 이용하여 검출기(30)에 접속시킴으로써 이 검출기에 부과될 수 있다. 선택적으로 예를 들어 50미크론의 코어 직경을 갖고 있는 광학 섬유(도시하지 않음)가, 편광기에 의해 저지된 광선이 광섬유 속으로 유입되도록 편광기에 바로 인접하게 광학 섬유의 일단을 배치시키고, 광학 섬유로부터의 광선이 검출기(30)에 부과되도록 광섬유의 타단을 배치시킴으로써, 검출기(30)에 광선을 안내하도록 이용될 수 있다. 편광기(122)에 의해 저지된 광선들이 모두, 예를들어, 집속 렌즈 또는 안내 광섬유의 약간의 배열 실수로 인해, 검출기(30)의 광 검지 표면에 부과되지 않더라도, 이것은 결합기(26, 제1도)을 제거시킨 결과로 생긴 광출력 신호의 세기의 증가에 의해 보상된 것 이상으로 부가된다.

또한, 광선이 편광기에 의해 저지되면, 편광기(122)로부터 방출된 상술한 원하는 지향 광선의 배향은 다른 경우와 전달 방향이 다르게 된다. 즉, 한 방향으로 전달되기 위해, 광선은 편광기(122)의 한 측면상에 방출되고, 다른 방향으로 전달되기 위해, 광선은 편광기의 반대 측면상에 방출된다. 그러므로, 소오스 광선 편광이 편광기에 의해 통과된 것과 정확히 동일하지 않더라도, 편광기에 의해 저지된 소오스 광선은 검출기를 향하여 보내지지 않게 되므로, 광출력 신호 세기를 측정하는 것을 간섭하지 않는다.

제16도에 도시한 바와같이, 자기-광학 회전기는 만곡 부분과 직선 부분을 갖고 있는 일련의 광섬유 루프를 제공하도록 맨드릴(170)상에 감긴 광섬유(132)를 포함한다. 맨드릴(170)은 알루미늄과 같은 비철 물질로 제조되고, 구형 단면의 중심 바(bar)부분(172)를 포함한다. 한쌍의 원통부분(174 및 176)은 중심 부분(172)의 각각의 단부에 수직으로 형성된다. 원통 부분(174 및 176)은 서로 수직으로 되도록 배향된다. 제16도에 도시한 바와 같이, 원통 부분(174)는 중심 부분(172)의 각각의 평행측면으로부터 돌출한 우측단부[175(a)]와 좌측단부[175(b)]를 갖고 있다. 이와 마찬가지로, 원통부분(176)은 중심부분(172)의 각각의 평행 측면으로부터 돌출한 상단부[177(a)]와 하단부[177(b)]를 갖고 있다. 또한, 원통 부분(174 및 176)은 중심 부분(172)의 측면들보다 크거나 같은 직경을 갖고 있다.

광섬유(132)는 우선 2개의 직선 부분(180 및 182)에 연결된 만곡 광섬유 부분(178)을 형성하도록 원통 부분(176)의 상단부[177(a)]주위에 감긴다. 다음에, 광섬유는 직선 부분(184)와 직선 부분(182)를 연결하는 만곡 부분(183)을 형성하도록 수평 원통 부분(174)의 좌측단부[175(b)]주위에 감긴다. 감기 동작은 직선 부분(188)에 직선 부분(184)를 연결하도록 수직 원통 부분(176)의 하단부[177(b)]주위에 다른 만곡 부분(186)을 형성함으로써 계속된다. 끝으로, 다른 만곡 부분(190)이 직선 부분(192)와 직선 부분(188)을 연결하도록 수평 부분(174)의 우측 단부[175(b)]주위에 광섬유(132)를 감으므로써 형성된다. 감기는 직선 부분(180, 182, 184, 188 및 192)가 서로 평행하도록 행해진다. 또한, 상술한 방법으로 광섬유를 감으므로써, 만곡부분(178 및 186)은 수평면에 있게되고, 만곡부분(183 및 190)은 수직면에 있게된다.

도면을 간단히 하기 위해서, 제16도의 광섬유(132)내에는 4개의 권선(만곡 부분)만이 제공되어 있으나, 이 광학 섬유(132)는 부수적인 권선을 제공하도록 동일한 방법으로 감길 수도 있다. 또한, 만곡 부분이 1/2권선을 포함하도록 도시되어 있으나, 이 만곡 부분들은 N+1/2권선(N은 정수임)을 포함할 수 있고 직선부분들이 제16도에 도시한 바와같이 배치될 수 있게 된다.

자계는 제17도에 도시한 바와 같이 자석(200)이 극들사이에 맨드릴(170)을 배치시킴으로써 광섬유(132)에 인가되므로, 이 자석의 B자계는 광섬유(132)의 직선 부분과 평행하게 된다. 자석(200)은 적당한 다른 형태로도 될 수 있다. 예를 들어, 이것은 전기 자석 또는 영구자석으로 될 수도 있다. 또한, 자석은 예를 들어 토로이드(toroid)형이나 말굽형으로될 수도 있다.

광선이 이 직선 부분(80, 82, 84, 88 및 92)를 통해 전달될 때, 이것의 편광 방향은 파라데이 효과에 따라서 자계에 의해 회전된다. 제16도에 도시한 방법으로 감긴 광섬유(132)로 인해, 광섬유(132)를 통해 전달되는 광선은 한 직선 부분으로부터 다른 직선부분으로 주행할 때 이것의 전달방향을 반전시킨다. 그러므로, 이 광선은 B자계와 동일 방향으로, 예를 들어 직선 부분(180, 184 및 192)를 통해 전달되고, 예를 들어 직선 부분(182 및 188)을 통해 B자계와 반대 방향으로 전달된다. 그러므로 자계가 파라데이 효과에 따라 편광을 회전시키므로, 고정된 관찰자가 관찰할 때, 2개의 인접한 직선 부분(178, 183, 186 및 190)내의 파라데이 회전은 동일 방향으로 있더라도, 이것들은 서로 가산되지 않는다. 왜냐하면, 만곡 부분(178, 183, 186 및 190)주위로의 전달로 인해, 한 직선 부분으로의 편광 방향(고정관찰자가 본 방향)이 인접한 직선 부분내의 광선의 거울상으로 되므로, 2개의 인접한 직선 부분내의 파라데이 효과로 인한 회전이 상쇄되어 0순회전을 만들도록 반전되기 때문이다. 제16도의 자기-광학 회전기는, 만곡 부분(178, 183, 186 및 190)이 1/2파장의 편광모드내의 광선들 사이를 분리시키는데에, 즉 180°위상차를 만들기에 충분한 선형 복굴절성을 각각 발생시키도록 이 만곡 부분들을 형성함으로써 [즉, 원통 부분(174 및 176)의 직경과 광섬유(132)의 권선수를 선택함으로써] 이 문제를 해결한다. 이것은 유리하게도 관찰자가 본 편광방향이 직선 부분(180, 182, 184, 188 및 192)에서 각각 동일하게 하므로, 파라데이 회전이 서로 상쇄되지 않고 서로 가산되게 한다. 그러므로, 일련의 직선 부분들을 제공함으로써, 한 직선 부분의 파라데이 회전이 비교적 작게 되더라도 커다란 파라데이 회전이 얻어질 수 있다.

광섬유(132)에 인가된 자계(B자계)의 세기가 약 1,000가우스이면, 다음의 특정한 시방서에 따라 감긴 광섬유는 어는 한 방향으로 광섬유를 통해 전달되는 광선에 대해 45°의 전체 파라데이 회전을 제공하게 된다. 그러므로, 광파가 한 방향으로 광섬유(132)를 통해 전달되고 다른 방향으로 이 광섬유를 통해 복귀되면, 전체 파라데이 회전은 90°로 된다. 이 파라데이 회전량은 자기-광학 회전기가 제14도와 제15도를 참조하여 기술한 방법으로 광분리기로서 이용될 수 있게 한다.

예를 들어, 구성된 한 실시예에서는, 모두 32권선이 이용된다. 이 실시예의 시방서는 다음과 같다.

만곡부분의 수 : 32

직선부분의 수 : 33

한 직선부분의 길이 : 12cm

맨드릴 원통부분의 직경 : 2.5cm

각각의 만곡부분의 권선수 : 1.5

광섬유의 외경 : 110미크론

광선의 파장 : 0.633미크론

광섬유의 전장 : 약 4m

Claims (20)

1. 팡파를 발생시키기 위한 발광 소오스(10), 직선 부분(12A) 및 루프 부분(14)을 형성하는 광섬유 도파관(12), 상기 발광 소오스(10)과 상기 루프 부분(14) 사이에 접속된 제1에버네이슨트계 광섬유 지향성 결합기(34), 루프 부분(14)내로 전달되는 광선의 편광 상태를 제어하기 위해 편광 제어기(36)을 형성하는 일부분의 상기 광섬유 도파관(12), 미리 선택된 편광 상태로 편광될 상기 광섬유 도파관(12)를 통해 광선이 전달되게 하는 편광기(32), 상기 루프 부분(14)의 회전비를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위해 다른 직선 부분(12C)로부터 광선(26, 120)을 결합시키기 위한 수단, 특정 주파수에서 루프 부분(14)내의 광선의 위상을 변조하기 위한 위상 변조기(38), 및 상기 루프 부분(14)의 회전비를 결정하도록 상기 출력 신호를 검출하기 위해 상기 결합 수단(26, 120)으로부터 상기 출력 신호를 수신하도록 배치된 검출기(19)로 구성되고, 상기 발광 소오스(10)이 상기 직선 부분(12A)를 통해 상기 루프 부분(14)로 상기 광파를 전달하기 위해 상기 직선 부분(12A)에 광학적으로 결합되고, 상기 제1결합기(34)가 상기 루프 부분(14)에 근접하고 상기 루프 부분(14)와 상기 직선 부분(12A)를 결합하며, 상기 편광기(32)가 상기 지향성 결합기(34)에 의해 상기 루프부분(14)로부터 상기 다른 직선 부분(12C)에 결합된 상기 광선 부분만을 통과시키고, 상기 광선 부분이 상기 루프 부분(14)를 통해 상기 결합수단(26, 120)으로 동일한 광통로를 주행하므로, 상기 출력 신호내의 비회전적으로 유도된 위상차가 제거되는 것을 포함하는 광섬유 회전 감지기에 있어서, 상기 광섬유 도파관(12)가 광섬유(12A, 12B, 12C, 12D, 14)의 단일, 연속, 비중단 광섬유 가닥을 포함하는데; 광섬유(12)의 상기 단일, 연속, 비중단 광섬유 가닥이 제1타원형 표면을 형성하기 위해 한 측으로부터 제거된 피복물 부분을 갖고 있고, 상기 편광기(32)가 직선으로 편광될 상기 가닥(12)를 통해 광선이 전달되게 하도록 상기 제1타원형 표면과 나란히 배치된 복굴절성 결정체를 포함하며, 상기 위상 변조기가 루프 부분(14)를 통해 또한 전달되는 광선내의 진폭 변조 상태를 유도하는데; 상기 특정한 주파수가 진폭 변조에 의해 야기된 출력 신호의 에러를 제거하도록 선택되고, 상기 광학회전 감지기가 출력 신호의 기수 고조파만을 검출하기 위한 검출 시스템을 더 포함하고, 상기 특정 주파수가 진폭 변조의 기수 고조파 주파수 성분을 소거시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 회전 감지기.
2. 제1항에 있어서, 광섬유(12)의 상기 단일, 연속, 비중단 가닥이 상기 지향성 결합기(34)를 형성하도록 상기 루프 부분(14)와 나란히 배치되고 광학적으로 근접한 제2 및 제3타원형 표면을 형성하기 위해 상기 루프 부분(14)의 단부에서 상기 광섬유의 한 측으로부터 제거된 피복물 부분을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합 수단이 광분리기(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합 수단이 제2에버네슨트계 광섬유 지향성 결합기(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
5. 제1항에 있어서, 상기 결합 수단(26, 120)으로 부터의 상기 출력 신호를 상기 검출기(30)으로 안내하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
6. 제5항에 있어서, 상기 안내 수단이 렌즈(126)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
7. 제5항에 있어서, 상기 안내 수단이 광섬유(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
8. 제1항에 있어서, 루프 부분(14)가 상기 지지대 주위에서 다수의 권선으로 싸여 있고, 중심 권선이 지지대에 가장 내향 인접하게 배치되며, 루프 부분(14)의 단부를 향하는 권선이, 루프(14)를 형성하는 가닥의 양단부 부분들이 중심 권선 주위에서 대칭으로 배치되고, 루프 부분(14)의 외측에서 자유롭게 접근할 수 있도록 지지대로부터 가장 멀리 외향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
9. 제1항에 있어서, 상기 특정한 주파수가 C/2nL(여기서, L은 위상 변조기(38)과 루프 부분(14)의 한단부 사이 및 위상 변조기(38)과 루프 부분의 다른 단부사이의 광섬유를 따라 측정된 차동 길이이고, C는 광선의 자유 공간 속도이며, n은 상기 광섬유 등가 굴절 율임)과 등가관계인 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
10. 제1항에 있어서, 상기 진폭 변조가 상기 위상 변조기(38)에 의해 바로 발생되는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
11. 제1항에 있어서, 상기 진폭 변조가 상기 위상 변조기(38)에 의해 유도된 편광 변조에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
12. 제1항에 있어서, 상기 검출 시스템이 상기 출력 신호의 기본 주파수만을 검출하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
13. 제1항에 있어서, 상기 검출 시스템이 특정 주파수에서 협대역 통과 휠터 특성을 제공하기 위한 증폭기(46)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
14. 제13항에 있어서, 상기 검출 시스템이 상기 위상 변조기(38)에 동기된 로크-인 증폭기(46)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
15. 제9항에 있어서, 상기 특정 주파수가 상기 루프 부분(14)를 통해 전달되는 광파들 사이에 180°의 변조 위상차를 제공하기 위해 상기 길이 L에 기준을 두고 선택되는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
16. 제1항에 있어서, 루프 부분(14)를 통해 전달되는 광선의 자계 효과를 감소시키도록 주변 자계로부터 광섬유 물질의 루프 부분(14)를 차폐하기 위해 차폐 수단(110)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
17. 제16항에 있어서, 상기 차폐 수단(110)이 루프 부분(14)용의 하우징(110)을 포함하는데, 이 하우징(110)이 높은 자계 투과성을 갖고 있는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
18. 제1항에 있어서, 상기 루프 부분(14)의 일부분이 다수의 코일로 형성되는데, 상기 코일의 직경이 상기 루프 부분(14)내로 전달되는 광선의 편광 상태를 제어하기 위한 상기 편광 제어기(36)을 형성하도록 복굴절성 매체를 제공하기 위해 상기 광섬유에 응력을 가하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 회전 감지기.
19. 광섬유 도파관(12)를 제공하는 단계, 제1에버네슨트계 광섬유 지향성 결합기(34)를 제공하는 단계, 최소한 3개의 결합 영역을 제공하도록 상기 광섬유 도파관(12)를 따라 최소한 3개의 위치에서 상기 광섬유 도파관으로부터 피복물의 일부분을 제거하는 단계, 상기 광섬유 도파관(12)내에 폐쇄 루프(14)를 형성하도록 상기 결합 영역들중 2개의 결합 영역을 나란히 배치시키는 단계, 상기 루프(14)주위에서 역전달되는 한쌍의 피를 형성하기 위해서 상기 루프(14)에 광선을 전달하기 위해 상기 광섬유 도파관(12)에 발광 소오스(10)을 결합하는 단계, 상기 루프(14) 주위에서 역전달되는 한 쌍의 파의 편광을 제어하기 위해 루프내의 편광 제어기(36)을 삽입하는 단계, 미리 선택된 편광으로 편광될 상기 광섬유 도파관(12)를 통해 광선이 전달되도록 편광기(32)를 제공하는 단계, 특정 주파수에서 루프 부분(14)내의 광선의 위상을 변조시키기 위한 위상 변조기(38)을 제공하는 단계, 및 상기 루프(14) 주위에서 동일한 광통로 길이를 주행하는 상기 역전달파 부분들 사이에서만 위상차를 검출하고, 상기 루프(14)의 회전비를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위한 검출기(30)을 배치하는 단계를 포함하는 회전 감지기를 제조하는 방법에 있어서, 광섬유 도파관(12)를 제공하는 단계가 단일, 연속, 비중단 광섬유 가닥을 제공하는 단계를 포함하고, 편광기(32)를 제공하는 단계가 직선으로 편광될 상기 가닥을 통해 광선이 전달되게 하도록 상기 결합 영역들중 제3 결합 영역과 복굴절 결정체를 나란히 배치하는 단계를 포함하며, 위상 변조기(38)을 제공하는 단계가 상기 위상 변조기(38)에 의해 유도된 진폭 변조에 의해 야기된 출력 신호내의 에러를 제거하기 위해 특정 주파수를 선택하는 단계를 포함하고, 검출기(30)을 제공하는 단계가 출력 신호의 기수 고조파만을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 편광 제어기(36)을 삽입하는 단계가 상기 역전달파의 편광을 제어하기 위해 응력 유도된 복굴절을 발생시키기에 충분히 작은 직경을 가진 상기 연속 광섬유 가닥(12)내에 복수 코일을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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