(57)【要約】従来のレーザ・ダイオード光源のレイジング領域を使用しつつスペクトル線幅および安定性を改善するシステムおよび方法が提供される。本発明のシステムおよび方法は、レーザ・ダイオード光源の駆動電流を変化させるディザリング信号を生成する。駆動電流を変化させることによって、従来のレーザ・ダイオード光源のスペクトル線幅および安定性が著しく改善される。具体的には、光源回路（３１）からのディザリングされた駆動信号から電力を供給される従来のレーザ・ダイオード光源（１１）によって、光ファイバ・ジャイロスコープ（１０）を駆動することができる。
2005515401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルと、
コイル用の光ファイバ入力と、
出力が前記光ファイバ入力に印加されるレーザ・ダイオードと、
前記レーザ・ダイオードが前記光ファイバ入力に安定した広帯域光信号を供給するよう前記レーザ・ダイオードへの駆動電流を変化させるために、ディザリング信号を供給する手段を備える前記レーザ・ダイオード用駆動回路と、
を備える光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記駆動回路が、
前記プロセッサに応答してディザリング信号を生成するプロセスまたは手段と、
ディザリングされた信号電圧を前記レーザ・ダイオードに印加する手段と、
を含む、請求項１に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項３】
前記駆動回路が、ＤＣ電圧源に接続された１つの入力と、ディザリング信号を生成するために関数発生器に接続された第２の入力と、を有する加算器回路を含む、請求項１に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記駆動回路が、デジタル関数信号を生成するためのデジタル信号プロセッサと、前記デジタル関数信号をアナログ・ディザリング信号に変換するためのデジタル・アナログ変換器とを含む、請求項１に記載の光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項５】
レーザ・ダイオードのスペクトルの安定性および線幅を改善する方法であって、レーザ・ダイオードの駆動電流を変化させるディザリング信号を印加するステップを含む方法。
【請求項６】
ディザリング信号の少なくとも１つの特性を調整するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの特性が、振幅、周波数、および位相から成る群から選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
印加ステップが、
アナログ関数信号を生成するステップと、
アナログ関数信号とレーザ・ダイオード駆動回路から受け取った信号を加えるステップと
を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
アナログ関数信号の波形が、方形、正弦、三角形、およびそれらの組合せから成る群から選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
アナログ関数信号が、擬似ランダム雑音および／または白色雑音を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
印加ステップが、
デジタル関数信号を生成するステップと、
デジタル・アナログ変換器を使用してデジタル関数信号をディザリング信号に変換するステップと、
を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
デジタル関数信号の波形が、方形、正弦、三角形、およびそれらの組合せから選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
レーザ・ダイオードのスペクトルの安定性および線幅を改善するシステムであって、
ディザリング信号を生成する手段と、
レーザ・ダイオードの駆動信号にディザリング信号を加える手段と、
組み合わされたディザリング信号と駆動信号をレーザ・ダイオードに供給してレーザ・ダイオードの駆動電流を変化させる手段と、
を備えるシステム。
【請求項１４】
ディザリング信号の少なくとも１つの特性を調整する手段と、
をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
少なくとも１つの特性が、振幅、周波数、および位相から成る群から選択される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
ディザリング信号がアナログ信号である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
生成手段が、
アナログ関数信号を生成するアナログ関数発生器と、
アナログ関数信号とレーザ・ダイオード駆動回路から受け取った信号を加えてディザリング信号を生成するように構成された加算器とを備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
アナログ関数発生器が、方形、正弦、三角形、およびそれらの組合せから成る群からアナログ関数信号の波形を供給する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
アナログ関数信号が、擬似ランダム雑音および／または白色雑音を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
生成手段が、
デジタル関数信号を生成するデジタル信号プロセッサと、
デジタル関数信号をディザリング信号に変換するように構成されたデジタル・アナログ変換器とを備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２１】
デジタル信号プロセッサが、方形、正弦、三角形、およびそれらの組合せからデジタル関数信号の波形を選択する手段を含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
生成されたディザリング信号を増幅する手段をさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２３】
レーザ・ダイオードからの光を光ファイバ・ジャイロに当てる方法であって、レーザ・ダイオード用の駆動回路にディザリング信号を印加するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、レーザ・ダイオード光源のスペクトル線幅および安定性を改善するシステムおよび方法に関し、具体的には、レーザ・ダイオードを含む光ファイバ・ジャイロスコープに関する。
【０００２】
発明の背景
一般に、従来のレーザ・ダイオード光源は経済的であり、容易に市場で入手可能である。従来のレーザ・ダイオード光源は通信業界で広く使用されており、広い温度範囲にわたって有効である。たとえば、従来のレーザ・ダイオード光源は−３０℃〜７５℃の温度範囲にわたって有効である。しかし、従来のレーザ・ダイオード光源は一般に、スペクトル線幅が狭く光スペクトル特性が不安定であるために、光ファイバ・ジャイロスコープ用途には応用可能ではない。これらの特性によって光ファイバ・ジャイロスコープにサブ干渉計効果が起こり、そのため動作時バイアス安定性およびスケール・ファクタ安定性が不十分になる。
【０００３】
従来、光ファイバ・ジャイロスコープ用の光源として専用広帯域レーザを使用することが提案されている。しかし、このようなレーザは非常に高価であり、現在通信用に利用可能なタイプのレーザ・ダイオードの数倍のコストがかかる。しかし、上記で指摘したように、これらのダイオードは、利用可能で廉価であるが、鋭く、または狭い帯域幅を有しているため、光ファイバ・ジャイロスコープなど広い帯域幅を必要とする応用分野に使用可能であることは証明されていない。
【０００４】
サブ干渉計効果を軽減するための１つの提案では、従来のレーザ・ダイオードの非レイジング動作領域のみが、光ファイバ・ジャイロスコープを動作させる動作光源として使用される。この提案の欠点は、従来のレーザ・ダイオードの非レイジング動作領域の電力レベルが非常に低いことである。したがって、光ファイバ・ジャイロスコープの角酔歩（ａｎｇｌｅ  ｒａｎｄｏｍ  ｗａｌｋ）特性は望ましくない傾向がある。スーパー・ルミネセンス・ダイオード（ＳＬＤ）やポンプ光源のような他の従来の光源は、能動的な温度制御を必要とし、動作コストが非常に高い。
【０００５】
したがって、従来のレーザ・ダイオード光源のレイジング領域を使用するが、光源のスペクトル線幅を安定させるシステムおよび方法が必要である。具体的には、従来のレーザ・ダイオードからのレーザ光で動作できる光ファイバ・ジャイロスコープが必要である。
【０００６】
発明の概要
本発明は、従来のレーザ・ダイオード光源のレイジング領域を使用しつつスペクトル線幅および安定性を改善するシステムおよび方法を提供する。本発明のシステムおよび方法は、レーザ・ダイオード光源の駆動電流を変化させる特殊変化信号を供給する。駆動電流を変化させることによって、従来のレーザ・ダイオード光源のスペクトル線幅および安定性が著しく向上することが分かった。
【０００７】
テレビジョン放送などの通信で使用される技術と同様に、この特殊変化信号をディザリング信号と呼び、このディザリング信号は、ピクチャのグレー・スケール全体を２つのレベル（「白」および「黒」）の一方のみを有するピクチャ要素で表し、この場合、マルチレベル入力画像信号が、位置に依存する１組のしきい値と比較され、画像入力信号がしきい値を超えた場合にのみピクチャ要素が「白」に設定される。
【０００８】
本発明の一実施形態では、アナログ・ディザリング信号を生成するアナログ・ディザリング・システムが提供される。本発明の他の実施形態では、デジタル・ディザリング信号を生成するデジタル・ディザリング・システムが提供される。アナログ・ディザリング信号およびデジタル・ディザリング信号は、光ファイバ・ジャイロスコープなど、光源の駆動電流の変動が認められる複数の用途で使用することができる。
【０００９】
光ファイバ・ジャイロスコープを動作させるのに用いられる光源のレーザ・ダイオード駆動電流を、ディザリング信号を供給して変化させると、ジャイロスコープの動作時バイアス安定性およびスケール・ファクタ安定性が著しく向上する。さらに、本発明のシステムおよび方法では、たとえば−３０℃から７５℃の温度範囲で動作できる超低コストの光源が実現され、電力消費量が非常に少ない。
【００１０】
好ましい実施形態の詳細な説明
次に図１を参照すると、光源１１、すなわち従来の廉価なレーザ・ダイオードによって駆動できる光ファイバ・ジャイロ１０を備える、本発明の１つの特定の例示的な実施形態が示されている。既知のように、ジャイロ１０は、ファイバ・コイル１３と、偏波器１５を含む集積光学チップ１４とを含む。光源１１は、レーザ・ビームをジャイロ１０に送るために光源１１に接続されるカプラ１９をさらに含む電力制御ループ１７に組み込まれており、該カプラ１９はジャイロ１０から返された光線を受け取る光ダイオード２０にさらに接続されている。光ダイオード２０は、トランスインピーダンス増幅器２１、可変増幅器／フィルタ２２、アナログ・デジタル変換器を通して、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ２４に接続されている。
【００１１】
本発明によれば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ２４は、デジタル信号プロセッサ２６によりデジタル信号プロセッサ２６の制御の下で生成されるディザ・パターンを作成する。ディザ信号は、アレイ２４の出力２９上に現われ、デジタル・アナログ変換器３０を通過した後、光源駆動回路３１を通して光源１１に印加される。
【００１２】
所望の電力レベルＰについて、リード線２９上に現れる制御信号Ｘ〜（ｎ）（係る記号はＸに〜が上付していることを表す）は以下の数式によって与えられる。
【００１３】
【数１】
2005515401.tif 000003
【００１４】
ここでαおよびβは定数であり、Ｘ（ｎ−１）はサイクルｎ−１で測定された電力レベルであり、Ｘ（ｎ）−Ｐはサイクルｎでの電力レベル誤差である。したがって、本発明によれば、図１に示すように、アレイ２４は、ディザ信号と制御信号を付加し、変換器３０およびドライバ３１を含む利得制御ループを通して光源を変調する。さらに、本発明によれば、制御ループは、光ファイバ・ジャイロスコープがレーザ・ダイオードのレイジング領域を使用して、変調光スペクトル帯域幅を安定させることを可能にする様々な動作条件の下で、光源を維持する。この結果、本発明の図１の実施形態に示す駆動回路を有するジャイロスコープは、動作バイアス安定性および角酔歩がかなり改善されている。さらに、本発明では、広い温度範囲で動作でき、電力消費が非常に少ない超低コストの光源が実現される。
【００１５】
図１の実施形態に示す本発明による従来のレーザ・ダイオードと、本発明を有さない従来のレーザ・ダイオードとの出力の顕著な差を理解するために、このような従来のダイオード・レーザ光源により、本発明のディザ信号駆動なしで生成された代表的なスペクトルを示す図２をまず参照されたい。
【００１６】
従来のレーザ・ダイオード光源から放出される光子の量は、レーザ・ダイオード光源に注入される駆動電流に依存する。レイジングしきい値を超えると、レーザ・ダイオード光源によって放出される光パワーは、飽和に達するまでは、供給される駆動電流にほぼ線形に比例する。
【００１７】
図２は、標準駆動電流が印加される従来のレーザ・ダイオードに関して電力（ｕＷ）と波長（ｕｍ）の関数としてスペクトルをプロットした図である。スペクトルはスペクトル分析器を用いて４つのスナップ・ショットによって得られていることに留意されたい。１つのスナップ・ショットから次のスナップ・ショットへのスペクトル変動は容易に観測することができる。レーザ・ダイオードから放出される光子の量は、レーザ・ダイオード光源に注入されるデバイス電流に依存する。レイジングしきい値を超えると、レーザ・ダイオードによって放出される光パワーは、飽和に達するまで、供給される電流にほぼ線形に比例する。そのようなレーザ・ダイオードによって生成された代表的なスペクトルを図２に示す。
【００１８】
図２に示すスペクトルの波長中心（［ΣＰｏｗｅｒ（Ｉ）×λ（Ｉ）］／Ｐ）の標準偏差を数学的に測定した結果を表Ｉに示す。パラメータＰｏｗｅｒ（Ｉ）は、λ（Ｉ）で測定された電力レベルであり、この場合、λ（Ｉ）はｉ番目のスペクトル・ビームの波長を表す。Ｐはレーザ・ダイオード光源から放出された総電力を表す。光ファイバ・ジャイロスコープ用途で従来のレーザ・ダイオード光源を使用した場合、図２に示すスペクトルの変動および不安定性が顕著な誤差源になることに留意されたい。
【００１９】
【表１】
2005515401.tif 000004
【００２０】
推定波長変動係数は標準偏差と平均の比である。この比は、ｐｐｍ単位で表され、スケール・ファクタの安定性を示す。
【００２１】
図１の実施形態に示すディザリング信号と同様にレーザ・ダイオード駆動電流を変化させることにより、レーザ・ダイオード・スペクトルの安定性が著しく向上することが分かった。図３を参照すると、本発明によってディザリングが行われる従来のレーザ・ダイオード光源のスペクトルを示すチャートが示されている。図２と同様に、図３のチャートは、スペクトルを電力（ｕＷ）と波長（ｕｍ）の関数として示している。図３のスペクトルが、スペクトル分析器を用いて４つのスナップ・ショットによって得られたスペクトルであることに留意されたい。
【００２２】
レーザ・ダイオード駆動電流を変化させ、すなわち、本発明のディザリング方法を実行すると、レーザ・ダイオード・スペクトルの安定性および線幅が著しく向上することを、図３から容易に理解することができる。ディザリングを行わないときの図２から明白な不安定性に対して、供給される可変駆動信号をディザリング信号と呼ぶ。
【００２３】
図３に示すスペクトルの波長中心（［ΣＰｏｗｅｒ（Ｉ）×λ（Ｉ）］／Ｐ）の標準偏差を数学的に測定した結果を表ＩＩに示す。
【００２４】
【表２】
2005515401.tif 000005
【００２５】
表Ｉと表ＩＩを比較すると、表ＩＩに示す推定波長偏差が表Ｉに示す推定波長偏差の２３％であることが分かる。言い換えれば、本発明のディザリング方法をレーザ・ダイオードの駆動電流に適用することによって、スケール・ファクタ安定性が少なくとも４．４倍に向上する。
【００２６】
ディザリング信号の振幅および周波数は、可変光源に対するディザリング方法の効果に影響を与える。したがって、特定の特性を有するディザリング信号は、特定の光源のレーザ・ダイオード・スペクトルの線幅を最適に安定させ向上させるるために有利に供給される。
【００２７】
ディザリング信号の波形は、本発明のディザリング方法の効果に影響を与えないことが分かっている。したがって、ディザリング信号の波形は、擬似ランダム雑音、白色雑音、方形、正弦、三角形、およびそれらの組合せを含む、任意の形状であってよい。
【００２８】
本発明のディザリング方法は、アナログ・システムまたはデジタル・システムを使用してディザリング信号を生成することによって効率的に実施することができる。これらのシステムを使用して、振幅、周波数、位相、および波形のような、生成されたディザリング信号のいくつかの特性を調整することができる。レーザ・ダイオードを駆動するディザ信号を生成する１つの特定の技術を、図１の特定の例示的な実施形態で示したが、以下に図４および図５に示す実施形態を参照して論じるように、アナログかデジタルかの、他のディザ信号駆動システムも使用することができる。
【００２９】
図４は、光ファイバ・ジャイロスコープ用の本発明によるディザリング信号を生成するアナログ・システムのブロック図である。アナログ・システムは、全体的に参照符号３００によって示されており、関数発生器３０２、レーザ・ダイオード・デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）３０４と、レーザ・ダイオード駆動回路３０６と、加算器３０８と、増幅器３１０とを含んでいる。レーザ・ダイオードに必要なＤＣレベル信号を生成するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３１２も含まれている。ＤＣレベル信号は、レーザ・ダイオードから放出される電力を制御する。
【００３０】
関数発生器３０２は、方形、正弦、三角形のようないくつかの異なる波形を生成することができる。関数発生器３０２は、上述の波形の組合せである波形を有する信号を生成することもできると考えられる。関数発生器３０２は、擬似ランダム雑音および／または白色雑音のような、雑音を有する信号を生成することもできる。
【００３１】
アナログ・システム３００の動作時に、関数発生器３０２がオンにされ、特定の波形タイプまたは信号タイプ、たとえば、擬似ランダム雑音および／または白色雑音を有する信号が、制御ノブ、ボタン、および／またはスイッチを使用して選択される。したがって、関数発生器３０２は、選択された波形タイプまたは信号タイプを有するアナログ関数信号を生成する。アナログ関数信号は加算器３０８に送られる。
【００３２】
動作時には、ＤＡＣ３０４もオンにされ、ＤＳＰ３１２から受け取ったＤＣレベル信号がアナログ信号に変換される。アナログ信号がレーザ・ダイオード駆動回路３０６に送られ、レーザ・ダイオード駆動回路３０６が電流駆動信号を生成する。レーザ・ダイオード駆動回路３０６の機能は、入力電圧レベルを、レーザ・ダイオードによって必要とされる電流レベルに変換することである。さらに、レーザ・ダイオード駆動回路３０６にインピーダンス整合及び増幅回路を含めることができる。電流駆動信号は加算器３０８に送られる。
【００３３】
したがって、加算器３０８はアナログ関数信号、すなわち、関数発生器３０２によって生成された信号と、電流駆動信号、すなわち、レーザ・ダイオード駆動回路３０６によって生成された信号を加算して、アナログ・ディザリング信号を生成する。アナログ・ディザリング信号は増幅器３１０に送られ、増幅器３１０は、ディザリング信号によって起こる変動を含むアナログ駆動信号を増幅し、その後、ディザリングされたアナログ駆動信号を光ファイバ・ジャイロのレーザ・ダイオード光源に送る。
【００３４】
アナログ関数信号の振幅、周波数、および／または位相は、関数発生器３０２上の制御ノブ、ボタン、およびスイッチを使用して、生成されるディザリング信号の振幅、周波数、および／または位相を、レーザ・ダイオード光源の最小コヒーレンス長が得られるように調整することによって、システム３００の動作の間に調整することができる。アナログ関数信号の振幅、周波数、および／または位相を自動的に調整するように、１組の命令を用いて関数発生器３０２をプログラムすることが考えられる。
【００３５】
図５を参照すると、本発明の他の例示的な実施形態によって使用されるディザリング信号を生成するデジタル・システムのブロック図が示されている。このデジタル・システムは、全体的に参照符号４００によって示されており、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４０２と、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）４０４と、増幅器４０６とを含んでいる。
【００３６】
デジタル・システム４００の動作時には、ＤＳＰ４００がオンにされ、特定の波形が自動的にまたは制御パネルを介して手動で選択される。波形は、少なくとも方形、正弦、三角形、およびそれらの組合せを含む群から選択することができる。したがって、ＤＳＰ４０２は、選択された波形を有するデジタル関数信号を生成する。
【００３７】
デジタル関数信号はＤＡＣ４０４に送られ、ＤＡＣ４０４はデジタル関数信号をアナログ・ディザリング信号に変換する。次いで、アナログ・ディザリング信号は、レーザ・ダイオード光源に送られる前に増幅器４０６によって増幅される。
【００３８】
デジタル・システム４００のＤＳＰ４０２は、生成されるデジタル関数信号の特性を自動的に制御するように、１組の命令によってプログラムすることができる。すなわち、生成されるデジタル関数信号の振幅、周波数、および／または位相を自動的に調整することができ、それにより、最小コヒーレンス長のレーザ・ダイオード光源が得られるようにディザリング信号の振幅、周波数、および／または位相が調整される。生成されるデジタル関数信号の特性を調整するように、ＤＳＰ４０２を制御パネルを介して手動で制御できることも考えられる。
【００３９】
図４のアナログ・システム３００および図５のデジタル・システム４００は、振幅が約４Ｖで周波数が約４０ｋＨｚであるディザリングされた駆動信号を供給することが好ましい。
【００４０】
したがって、本発明は、従来のレーザ・ダイオード光源のレイジング領域を使用しつつスペクトル線幅および安定性を改善するシステムおよび方法を提供し、具体的には、従来のレーザ・ダイオードを光源として使用する改良された光ファイバ・ジャイロスコープを提供する。上述の本発明のシステムおよび方法は、レーザ・ダイオード光源の駆動電流を変化させるディザリング信号を提供する。ディザリング信号の厳密な波形はスペクトルの安定性にそれほど影響を与えないが、擬似ランダム雑音、方形波、および正弦波のような、一般に使用されているいくつかの利用可能な信号パターンは、ジャイロスコープと共に使用すると有用であると共に実際的であることがわかっている。本発明によれば、ディザ信号によって駆動電流を変化させることにより、従来のレーザ・ダイオード光源のスペクトル線幅および安定性が著しく改善され、したがって、従来のレーザ・ダイオードを光ファイバ・ジャイロスコープ用の光源として使用することができる。
【００４１】
本発明について特定の実施形態を参照して詳しく説明したが、これらの実施形態は例示的な応用例に過ぎない。したがって、当業者により、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および趣旨内で、多数の変形が可能であることを明確に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の例示的な一実施形態の概略図である。
【図２】
従来のレーザ・ダイオード光源の代表的なスペクトルを示すチャートである。
【図３】
本発明によってディザリングが行われる従来のレーザ・ダイオード光源のスペクトルを示すチャートである。
【図４】
本発明の他の特定の実施形態を示す光ファイバ・ジャイロスコープ用のディザリング信号を生成するアナログ・システムのブロック図である。
【図５】
本発明の他の特定の実施形態を示す光ファイバ・ジャイロスコープ用のディザリング信号を生成するデジタル・システムのブロック図である。
【図１】
2005515401.tif 000006
【図２】
2005515401.tif 000007
【図３】
2005515401.tif 000008
【図４】
2005515401.tif 000009
【図５】
2005515401.tif 000010
【国際調査報告】
2005515401.tif 000011