(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向伝搬光ビームが循環するように構成され、さらに前記対向伝搬光ビームから得られた出力光ビームを発生させるために構成される検知装置と、
第１、第２、第３、第４のポート（１１、１３、１５、１７）を持ち、前記第１のポート（１１）を経由で入力光ビームを受信するために構成され、さらに前記入力光ビームを前記第２のポート（１３）経由で前記検知装置へ供給するために構成され、前記対向伝搬ビームは前記入力光ビームから得られる、第１のカプラ（１６）と、
前記第１のカプラの前記第３のポート（１５）に結合された入力、および出力を備えた第１の光学デバイス（３２）と、第１のカプラはさらに前記出力光ビームの一部を前記第１の光学デバイスへ向けるように構成され、
前記第１の光学デバイスの前記出力に結合され且つ前記出力光ビームの前記一部から光ジャイロの回転レートを検出するために構成された第１の検出器（２２）と、
前記第１のカプラの前記第４のポート（１７）に結合された入力、および出力を備えた第２の光学デバイス（２０）と、前記第１のカプラはさらに前記入力光ビームを前記第２の光学デバイスへ向けるように構成され、
前記第２の光学デバイスの前記出力に結合され前記入力光ビームの一部のノイズを検出するために構成される、第２の検出器（２４）と、を備え、
前記第１と第２の光学デバイスは共に前記入力光ビームの前記一部と前記出力光ビームの前記一部とのスペクトルの不整合を低減させるように構成される、
光ジャイロ。
【請求項２】
前記出力光ビームの前記一部は第１のスペクトルを持ち、前記入力光ビームの前記一部は第２のスペクトルを持ち、前記第１と第２の光学デバイスは共に前記第１のスペクトルと前記第２のスペクトルを整合するように構成され、
前記第１と第２の光学デバイスはそれぞれ前記第１および第２のスペクトルの両者より狭い透過スペクトルを持ち、そして前記第１のスペクトルは前記第１の光学デバイスの前記透過スペクトルと重なり、前記第２のスペクトルは前記第２の光学デバイスの前記透過スペクトルと重なる、
請求項１に記載の光ジャイロ。
【請求項３】
検知コイル（１４）を通して対向伝搬方向に入力光ビームの第１の部分のビームを伝搬するステップと、
入力光ビームの第１の部分の伝搬ビームから出力光ビームを発生させるステップと、
前記出力光ビームの一部から光ジャイロの回転レートを検出するステップと、
前記入力光ビームの第２の部分からノイズを検出するステップと、
前記出力光ビームの一部と入力光ビームの第２の部分とのスペクトルの不整合を低減させるステップと、を含み、
前記スペクトルの不整合を低減させるステップは、
前記回転レートを検出するステップより前に第１のフィルタにより前記出力光ビームの前記一部をフィルタリングするステップと、
前記ノイズを検出するステップより前に第２のフィルタにより前記入力光ビームの前記第２の部分をフィルタリングするステップと、を含み、
前記出力光ビームの前記部分は第１の光スペクトルを有し、そして前記入力光ビームの前記第２の部分は第２の光スペクトルを有し、前記第１と第２のフィルタはそれぞれ前記第１と第２の光スペクトルより狭い透過スペクトルを持ち、前記第１の光スペクトルは前記第１の光学デバイスの前記透過スペクトルと重なり、前記第２の光スペクトルは前記第２の光学デバイスの前記透過スペクトルと重なる、
検知コイル（１４）を持つ光学ジャイロの回転レートを決定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は一般にジャイロスコープに関するものであり、特に光ファイバジャイロスコープのスペクトル平衡とノイズの低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは回転軸についての回転レートまたは角速度の変化の計測に用いられてきた。基本的な従来の光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は光源、ビームスプリッティングデバイス、ある領域を取り囲むビームスプリッティングデバイスに結合されたファイバ検知コイルを含む。ビームスプリッティングデバイスは、光源からの光を、ファイバ検知コイルを通って反対方向に伝搬するビームに分割する集積光学チップ（ＩＯＣ）でも良い。２つの対向して伝搬するビームは、回転する閉光路の周りを伝搬する間に異なる経路長を経験し、２つの経路長の相違は囲まれた領域に垂直な回転レートに比例する。
【０００３】
潜水艦航法および空間ベースの位置指示用途のために使用されるような高性能ＦＯＧは、典型的には非常に低い角度のランダムウォーク（ＡＲＷ）をもつジャイロを使用する。ＡＲＷはＦＯＧ出力のノイズ成分（例えばドリフト）に関連する。高性能ＦＯＧでは、ＡＲＷは回転検知のために使用される光のランダムな強度変動に由来する相対強度雑音（ＲＩＮ）によって支配的な影響を受ける。ＲＩＮ減法は、ＦＯＧに対しＲＩＮを低減するために使用される。例えば、光源からの光はカプラにおいて２つの経路に分割される。一方の経路は、２つのビームに光を分割するＩＯＣへ光源からの光を方向付け、２つのビームはファイバ検知コイルを通って対向して伝搬し、それからＩＯＣで再結合されレート検知のためのレート検出器へ光の一部を再び向けるカプラへ戻り伝搬する。他方の経路はＲＩＮ検出器へ光源からの光を向ける。理想的なジャイロでは、レートとＲＩＮ検出器でのＲＩＮは差し引くことができる共通のノイズである。実際にはレートとＲＩＮ検出器でのＲＩＮは部分的に相関がない。相関がないことの１つの原因は、差動スペクトルフィルタリングであり、レートとＲＩＮの光波が光回路の異なる経路に沿って伝わるために引き起こされたものである。レートとＲＩＮ検出器でのスペクトルの不整合は、レート信号からのＲＩＮの低減を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、低減された出力ノイズを持つ光ジャイロを提供することは望ましい。加えて、出力ノイズを低減した光ジャイロの回転レートを決定するための方法を提供することは望ましい。さらに、この発明の他の望ましい特徴と特性は、添付の図面及びこの発明の背景と共に、続くこの発明の詳細な説明と添付された特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
方法と装置は、光ジャイロのスペクトルの不整合を低減させるために提供される。好ましい実施形態において、光ジャイロは対向伝搬光ビームを循環させるために構成されさらに対向伝搬光ビームから得られる出力光ビームを発生させるために構成される検知装置と、複数のポートを持つカプラと、カプラの第３のポートに結合され出力光ビームの一部から光ジャイロの回転レートを検出するために構成された第１の検出器と、カプラの第４のポートに結合され入力光ビームの一部のノイズを検出するために構成された第２の検出器と、カプラのポートの１つと結合された光学デバイスとを有するものとして提供される。カプラは入力光ビームを受信するために構成されさらに入力光ビームを第２のポートを経由して検知装置に供給するために構成される。対向伝搬光ビームは入力光ビームから得られる。カプラはさらに出力光ビームの一部を第１の検出器へ向けるために構成される。第１のカプラはさらに入力光ビームの一部を第２の検出器に向けるために構成される。光学デバイスは入力光ビームの一部と出力光ビームの一部の間のスペクトルの不整合を低減させるために構成される。
【０００６】
別の好ましい実施形態において、光ジャイロは対向して伝わる光ビームを循環させるために構成されさらに対向して伝搬する光ビームから得られる出力光ビームを発生させるために構成される検知装置と、第１、第２、第３、第４のポートを持つカプラと、カプラの第３のポートに結合された入力部を持ち出力部を持つ第１の光学デバイスと、第１の光デバイスの出力部に結合され出力光ビームの一部から光ジャイロの回転レートを検出するために構成された第１の検出器と、カプラの前記第４のポートに結合された入力部を持ち出力部を持つ第２の光デバイスと、第２の光デバイスの出力部に結合され前記入力光ビームの一部のノイズを検出するために構成された第２の検出器とを有するものとして提供される。カプラは第１のポートを経由して入力光ビームを受信するために構成され、第２のポートを経由して入力光ビームを検知装置へ供給し、出力光ビームの一部を第１の光デバイスへ向け、入力光ビームの一部を第２の光デバイスへ向ける。対向して伝搬する光ビームは、入力光ビームから得られる。第１および第２の光デバイスは、共に出力光ビームの一部と入力光ビームの一部の間のスペクトルの不整合を低減させるために構成される。
【０００７】
別の好ましい実施形態において、光ジャイロの回転レートを決定するための方法は、対向伝搬方向に検知コイルを通った入力光ビームの第１の部分のビームを伝搬するステップと、入力光ビームの第１の部分の伝搬するビームから出力光ビームを発生させるステップと、出力光ビームの一部から回転レートを検出するステップと、入力光ビームの第２の部分からノイズを検出するステップと、出力光ビームの一部と入力光ビームの第２の部分の間のスペクトルの不整合を低減させるステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この発明の続く詳細な説明は、単に例示であり、この発明またはこの発明の用途または利用を制限するために意図するものではない。さらに、この発明の先に述べた背景技術またはこの発明の続く詳細な説明で述べられたいかなる理論によっても拘束する意図はない。
【０００９】
方法と装置は光ジャイロの出力ノイズを低減させるために提供される。好ましい実施形態において、レート検出器によって受信された光信号と相対強度雑音（ＲＩＮ）検出器によって受信された光信号の間に生ずるスペクトル不整合を低減させるために構成された光ジャイロが提供される。光源からの光はカプラによって次の２つの光路に分割される。これらの光路の１つは光を、ファイバ検知コイルを通って対向伝搬ビームに分割する（例えば集積光チップ（ＩＯＣ）またはそれに類するほかのものを経由して）検知装置へ向け、カプラに戻る出力光ビーム（例えば信号波）を発生させるために再結合される。信号波は光ジャイロの回転レートを決定するために使用される。もう１つの経路は光源からの光（例えば基準波）を、カプラを経由してＲＩＮ検出器に供給する。１つまたはそれ以上の光デバイスが、レート検出器によって受信された光信号とＲＩＮ検出器によって受信された光信号をスペクトル的に整合させるために１つまたは２つの光路の両方に含まれる。レート検出器によって受信された光信号とＲＩＮ検出器によって受信される光信号のスペクトルの整合が大きくなると、レート検出器によって受信される光信号に現れるであろうノイズの低減が大きくなる（例えば必ずしも限定する必要はないが、ＲＩＮ減法、光学的ＲＩＮ減法、ＲＩＮサーボまたはそれに類するものを含む各種ＲＩＮ低減方法を使用する）。
【００１０】
ここで図面について言及すると、図１はこの発明の好ましい実施形態に従ったスペクトルを整合させる光ジャイロ１０のブロック図である。光ジャイロ１０は入力光ビームを合成する光源１２（例えば広帯域ファイバ光源）と、光源１２と結合した第１のポートを持つ光カプラ１６と、カプラ１６の第２のポート１３に結合されたＩＯＣ１８と、ＩＯＣ１８に結合されたファイバ検知コイル１４と、カプラ１６の第３のポート１５に結合されたレート検出器２２と、カプラ１６の第４のポート１７に結合された入力部を持つフィルタ２０と、フィルタ２０の出力部に結合されたＲＩＮ検出器２４と、検出器２２、２４からの信号を処理するためのレート検出器２２及びＲＩＮ検出器２４に結合された種々の電子機器２６（例えばＲＩＮ低減および回転レート決定を実行する）とを有する。ＩＯＣ１８とファイバ検知コイル１４は共に検知装置を形成する。光ジャイロ１０は公知の光ジャイロに見られる、ミラー、ビームスプリッター、それに類する追加の光学部品（図示されていない）を含む。
【００１１】
光ジャイロ１０はＩＯＣ１８を含むが、ファイバ検知コイル１４を通して循環させるために適切な光ビームを生じ、ファイバ検知コイル１４を使用して光ジャイロ１０の回転レートを表示する出力光ビームを生じる、何らかの他の光ルーティングシステムが使用されても良い。光源１２からの光は光ファイバ１９に沿ってカプラ１６そしてＩＯＣ１８へ伝搬できる。さらに、別の光ファイバ２１はレート検出器２２をカプラ１６へ結合し、フィルタ２０をカプラ１６へ結合するために使用されている。
【００１２】
光源からの光はカプラ１６によって次の２つの光路（例えば信号路と基準路）に分割される。信号路では、光はカプラ１６によってＩＯＣ１８へ（例えば第１のポート１１から第２のポート１３へ）向けられる。ＩＯＣ１８はこの入力光ビームをファイバ検知コイル１４を通って循環する対向して伝搬する光ビームへ分割する。好ましい実施形態において、対向して伝わる光ビームはＩＯＣ１８で再結合され、出力光ビームを形成し、そして（例えば第２のポート１３を経由して）カプラ１６に戻る。この出力光ビームの一部は回転レート検知のためレート検出器へ向けられる。好ましい実施形態において、カプラ１６は出力光ビームを第２のポート１３から第３のポート１５へそしてレート検出器２２へ向ける。
【００１３】
基準路では、光源１２からの光の一部はカプラ１６によってフィルタ２０へ向けられる。好ましい実施形態において、カプラ１６は、光源１２から生じた光の一部を、第１のポート１１から第４のポート１７へそしてフィルタ２０へ向ける。この時点で、回転レート検知に関係した光ビーム（例えばレート検出器２２に向けられた光学ビーム）はノイズ検知に関係した光ビーム（例えばＲＩＮ検出器２４に向けられた光学ビーム）より、多くの光ジャイロ１０の光学部品を通って伝搬しており、光学ビームは部分的に相関がない場合がある。
【００１４】
この非相関を低減させるために、フィルタ２０（例えばＲＩＮ検出器２４のために用いられる予定である）によって受信される光の光スペクトルとレート検出器２２によって受信される光の光スペクトルをフィルタ２０はスペクトル的に整合させる。好ましい実施形態において、フィルタ２０はこの整合を達成する透過特性をもつ光学フィルタである。フィルタ２０は回転レート検知に関係するビームによって横切られる光学部品の組合わせ透過スペクトルの形に似た透過スペクトルの形を持つことが好ましい。フィルタ２０の例として、必ずしも限定される必要はないが、ファイバのコア形成された格子を持つ光ファイバ、ピグテールファイバを持つ微小光デバイス、１つあるいはそれ以上の微小光学コリメータ、薄膜光学フィルタ、またはその種の他のものが挙げられる。
【００１５】
別の好ましい実施形態において、すでに光ジャイロ１０で使用されているものであるが、追加の光デバイスがスペクトルを整合させるために使用される。この好ましい実施形態は単一の光学部品がフィルタ２０によって受信される光の光スペクトルとレート検出器２２によって受信された光の光スペクトルの間のスペクトルの不整合の大部分を引き起こしている場合に特に適したものである。例えば、フィルタ２０は別のカプラ（例えば別の光カプラ）によって置き換えることができる。光カプラはポートをクロスカップリングする（例えば第１のポート１１から第４のポート１７へまたは第２のポート１３から第３のポート１５へ）波と、クロスカップリングしない（例えば第１のポート１１から第２のポート１３へ）波の間に異なるスペクトルトランスミッションを持つ。図１で示されるように、回転レート検知に関係する波は、１回はクロスカップリングすることなく（例えば第１のポート１１から第２のポート１３へ）、１回はクロスカップリングし（例えば第２のポート１３から第３のポート１５へ）、カプラ１６を２回通過する。ノイズ検知に関係した波はカプラ１６をクロスカップリングのみして（例えば第１のポートから第４のポートへ）１回通過する。追加のカプラはカプラ１６と同型で基準ビームがクロスカップリングしないよう基準経路のＲＩＮ検出器２４の前に置かれることが好ましい。この好ましい実施形態において、検出器２２と２４によって受信される光ビームはそれぞれ、１回はクロスカップリングし１回はクロスカップリングすることなし、２回カプラを通って伝わるためスペクトルの整合はこのように達成される。フィルタまたはスペクトルの整合のために使用される他の光学デバイスの数、形式、そして位置は、回転レート検知の経路と前記ノイズ検知の経路に沿って配置された光学部品によって変化する。
【００１６】
図２はこの発明の別の好ましい実施形態に従ったスペクトルマッチング光ジャイロ３０のブロック図である。この好ましい実施形態において、光ジャイロ３０は図１で示された光ジャイロ１０の変形であり、２つのマッチングフィルタを使用するものの似た構成部品を有する。フィルタ２０に加えて、カプラ１６の第３のポート１５とレート検出器２２の間の回転レート検知の経路に第２のフィルタ３２が挿入される。例えば、フィルタ３２はカプラ１６の第３のポート１５に接続された入力部を持ち、レート検出器２２に接続された出力部を持つ。フィルタ２０と３２は好ましくは実質上同一であり、フィルタ２０と３２の透過スペクトルは有意に緩められ得る。好ましい実施形態において、フィルタ２０と３２はそれぞれＲＩＮ検出器２４に向かう光の光学スペクトル及びレート検出器２２に向かう光の光学スペクトルより狭い透過スペクトルを持つ。さらに、フィルタ２０と３２のそれぞれへ入力する光のスペクトルは好ましくは完全に対応するフィルタの透過スペクトルに重なり合っている。
【００１７】
図３はこの発明の別の好ましい実施形態に従ったスペクトルマッチング光ジャイロ４０のブロック図である。この好ましい実施形態において、光ジャイロ４０は図１で示された光ジャイロ１０の別の変形であり、同様な構成部品を有する。フィルタ２０（図１参照）が光ジャイロ４０から省略されフィルタ３４が光源１２とカプラ１６の間に結合されている。例えば、フィルタ３４は光源１２に結合された入力部とカプラ１６の第１のポート１１に結合された出力部を持つ。フィルタ３４はこのようにカプラ１６の前で回転レート検知とノイズ検知に関係したビームの両方が共通の経路を共有する場所に配置されている。フィルタ３４はむしろフィルタ３４とＲＩＮ検出器２４とレート検出器２２の間の光学部品の透過スペクトルより狭い透過スペクトルを持つ。さらに、この透過スペクトルは好ましくはフィルタ３４とＲＩＮ検出器２４とレート検出器２２の間の光学部品の透過スペクトルの範囲内にある。
【００１８】
図１と４を参照すると、図４はこの発明の好ましい実施形態に従った光ジャイロで回転レートを決定する方法１００のフロー図である。ステップ１０５で示すように、入力光ビームの第１の部分のビームは検知コイル（例えば、検知コイル１４）を通って対向伝搬方向に伝搬される。例えば、光源１２からの入力光ビームはカプラ１６によって２つの光路をたどるために分割され、入力光ビームの第１の部分はＩＯＣ１８へ向けられる。入力光ビームの第１の部分がＩＯＣ１８に導かれた後、入力光ビームの第１の部分は検知コイル１４を通って循環する対向伝搬ビームを発生させるために分割される。ステップ１１０で示すように、出力光ビームは入力光ビームの第１の部分の伝搬ビームから生成される。検知コイル１４を循環した後、光ビームは出力光ビームを形成するためＩＯＣ１８で再結合されるる。好ましい実施形態において、出力光ビームは、出力光ビームの一部を形成するためクロスカップルされる。例えば、出力光ビームはカプラ１６に戻り、出力光ビームの一部はカプラ１６を経由して（ファイバ１９からファイバ２１へ）クロスカップルされ、レート検出器２２に向けられる。ステップ１１５で示すように、光ジャイロの回転レートは出力光ビームの一部から検出される。ステップ１２０で示すように、ノイズは入力光ビームの第２の部分から検出される。例えば、カプラ１６によって入力光ビームが２つの経路に続くために分割された後、入力光ビームの第２の部分を形成するためにカプラ１６を経由して幾らかの入力光ビームは（例えばファイバ１９からファイバ２１へ）クロスカップルされる。入力光ビームの第２の部分はＲＩＮ検出器２４に向けられる。出力光ビームの一部と入力光ビームの第２のスペクトルの不整合はステップ１２５で低減される。レート検出器２２に向かう、出力光ビームの一部は第１の光スペクトルを持ち、ＲＩＮ検出器２４に向かう、入力光ビームの第２の部分は第２の光スペクトルを持つ。１つの好ましい実施形態において、第１の光スペクトルは第２の光スペクトルと整合する。
【００１９】
スペクトルの不整合は入力光ビームの第２の部分を光学フィルタ（例えば光学フィルタ２０）を通してフィルタリングすることによって低減させることができる。第２のカプラは、入力光ビームの第２の部分が第２のカプラをクロスカップリングすることなしに通過するようにスペクトルの不整合を低減させるためフィルタ２０に代えることができる。
【００２０】
スペクトルの不整合は、光ビームが検知コイルを通じて伝搬する前に入力光ビームをフィルタ（例えば図３で示されているフィルタ３４）を通してフィルタリングすることによっても低減させることができる。フィルタ３４はむしろフィルタ３４とＲＩＮ検出器２４とレート検出器２２の間の光学部品の透過スペクトルより狭い透過スペクトルを持つ。さらに、この透過スペクトルは好ましくはフィルタ３４とＲＩＮ検出器２４とレート検出器２２の間の光学部品の透過スペクトルの範囲内にある。
【００２１】
スペクトルの不整合は、回転レートを検出する前に出力光ビームの一部を第１のフィルタ（例えば図２で示されているフィルタ３２）により、ノイズを検出する前に入力光ビームの第２の部分を第２のフィルタ（例えば、フィルタ２０）によりフィルタリングすることによっても低減させることができる。第１と第２のフィルタはそれぞれ好ましくは第１と第２の光スペクトルより狭い透過スペクトルを持ち、第１の光スペクトルは第１のフィルタの透過スペクトルと重なり合い、第２の光スペクトルは第２のフィルタの透過スペクトルに重なり合う。好ましい実施形態において、第１と第２のフィルタは実質的に同一である。
【００２２】
上述したこの発明の詳細な説明において、少なくとも１つの好ましい実施形態が述べられてきたが、膨大な数の変形が存在することは理解されたい。好ましい実施形態は例示にすぎず、発明の範囲または適用可能性または構成を何らかの方法で制限するために意図されるものではないことを理解されたい。むしろ、上述した詳細な説明はこの発明の好ましい実施形態を実現するための便利な道筋を当業者に提供するであろう。添付の特許請求の範囲に記載された発明の範囲を逸脱することなしに、好ましい実施形態で説明された機能および要素の配置の様々な変更がされて良いことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の好ましい実施形態に従ったスペクトルマッチング光ジャイロのブロック図である。
【図２】この発明の別の好ましい実施形態に従ったスペクトルマッチング光ジャイロのブロック図である。
【図３】この発明の別の好ましい実施形態に従ったスペクトルマッチング光ジャイロのブロック図である。
【図４】この発明の好ましい実施形態に従った光ファイバジャイロのノイズを低減させるための方法のフロー図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  スペクトルマッチング光ジャイロ
１１  光カプラの第１のポート
１２  光源
１３  光カプラの第２のポート
１４  ファイバ検知コイル
１５  光カプラの第３のポート
１６  光カプラ
１７  光カプラの第４のポート
１８  ＩＯＣ
１９  第１の光ファイバ
２０  フィルタ
２１  第２の光ファイバ
２２  レート検出器
２４  ＲＩＮ検出器
２６  電子機器
３０  スペクトルマッチング光ジャイロ
３２  フィルタ
３４  フィルタ
４０  スペクトルマッチング光ジャイロ
【図１】
0005448335.tif 000002
【図２】
0005448335.tif 000003
【図３】
0005448335.tif 000004
【図４】
0005448335.tif 000005