(57)【要約】  単一モード（ＳＭ）ファイバループに結合された偏光維持（ＰＭ）ファイバのほぼ同一の第１のファイバセグメントおよび第２のファイバセグメントを有する減偏光子を含む光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）。第１のＰＭファイバセグメントは、それが接続されるセクションの偏光の主軸間において、約３５°から５５°の角度を有するスプライスを介して１つに接続されたファイバのセクションを含む。同様に、第２のＰＭファイバセグメントは、それが接続されるセクションの偏光の主軸間において、約３５°から５５°の角度を有するスプライスを介して１つに接続されたファイバのセクションを含む。各ファイバセクションの長さは、ＳＭファイバループの熱的対称性および機械的対称性を維持するように選択される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部および第２の端部を有する単一モード光ファイバを含むループと、前記ループに結合された減偏光子領域とを備え、
前記減偏光子領域は、第１のスプライスを介して第２の光ファイバセクションに結合された第１の光ファイバセクション、および第３のスプライスを介して第４の光ファイバに結合された第３の光ファイバセクションを含み、前記第１の光ファイバセクションは、第２のスプライスを介して前記ループの前記第１の端部に結合され、前記第３のファイバセクションが、第４のスプライスを介して前記ループの前記第２の端部に結合され、前記第１のファイバセクション、前記第２のファイバセクション、前記第３のファイバセクション、および前記第４のファイバセクションが、偏光維持ファイバを備え、
前記第１のスプライスは、前記第１の光ファイバセクションの偏光の主軸と、前記第２の光ファイバセクションの偏光の主軸との間において、３５°と５５°との間の整列を有し、
前記第３のスプライスは、前記第３のファイバセクションの偏光の主軸と、前記第４のファイバセクションの偏光の主軸との間において、３５°と５５°との間の整列を有し、それにより、前記光ファイバセクションの各１つの光路長に対する熱的影響および機械的影響がほぼ同じになる、
光ファイバジャイロスコープ。
【請求項２】
前記第１の光ファイバセクションは長さｙを有し、前記第２の光ファイバセクションは長さｗを有し、前記第３の光ファイバセクションは長さｚを有し、前記第４の光ファイバセクションは長さｘを有し、ｘ＋ｚはｗ＋ｙに実質的に等しい、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】
ｗはｎ*ｘにほぼ等しく、ｎは整数である、請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項４】
ｎ＝２である、請求項３に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項５】
ｘ＋ｚは、６．５メートルと７．５メートルの間で測定される長さである、請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項６】
前記第１の光ファイバセクション、前記第２の光ファイバセクション、前記第３の光ファイバセクション、および前記第４の光ファイバセクションの各１つは、ビート長ＬBを提示し、ｗは２２００ＬBに実質的に等しく、ｘは１１００ＬBに実質的に等しく、ｙは８００ＬBに実質的に等しく、ｚは１９００ＬBにほぼ等しい、請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項７】
ｗ＞ｘおよびｚ＞ｙである、請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープ。
【請求項８】
光ファイバループに結合された偏光維持光ファイバの２つのセグメントを有する減偏光子を提供するステップと、前記２つのセグメントは実質的に等しい長さを有し、
２つの光ファイバセクションがスプライスを介して共に接続される状態で、各偏光維持光ファイバセグメントを提供するステップと、各スプライスは光ファイバセクションの対応する対の偏光の主軸間において約３５°から５５°の角度を有し、
光ファイバループの熱的対称性および／または機械的対称性を維持するように、各光ファイバセクションの長さを選択するステップと、
を備える光ファイバジャイロスコープにおいて時間微分誤差を最小限に抑える方法。
【請求項９】
前記減偏光子は集積光学チップおよび前記光ファイバループに結合される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記光ファイバループは単一モード光ファイバループである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
光ファイバジャイロスコープを含む慣性誘導システムであって、前記ジャイロスコープは、
短いコヒーレンス長を有する光源と、
前記光源に結合された集積光学チップと、
固定長を有するファイバループと、
２つの偏光維持ファイバセグメントを含む減偏光子とを備え、
前記ファイバセグメントのそれぞれが、１つまたは複数のスプライスを含み、かつ前記ファイバループのそれぞれの端部を前記集積光学チップに結合し、それにより、機械的対称性および／または熱的対称性が維持され、偏光誤差が抑制される、慣性誘導システム。
【請求項１２】
前記ファイバループは長さが約１０００メートルである対称に巻かれた単一モードファイバのコイルを備える、請求項１１に記載の慣性誘導システム。
【請求項１３】
前記集積光学チップは遮断軸ならびに透過軸、および入射光を分割ならびに変調するスプリッタを有する偏光子を備える、請求項１１に記載の慣性誘導システム。
【請求項１４】
前記ファイバセグメントの１つは第１のセクションおよび第２のセクションを含み、前記第１のセクションはスプライスを介して前記第２のセクションに結合される、請求項１１に記載の慣性誘導システム。
【請求項１５】
前記第１のセクションと前記第２のセクションとを結合する前記スプライスは、前記第１のセクションおよび前記第２のセクションの偏光の主軸間において、約３５°から５５°の角度を有する、請求項１４に記載の完成誘導システム。
【請求項１６】
前記ファイバセグメントの他方は第３のセクションおよび第４のセクションを含み、前記第３のセクションはスプライスを介して前記第４のセクションに結合される、請求項１４に記載の慣性誘導システム。
【請求項１７】
前記第３のセクションを前記第４のセクションに結合する前記スプライスは、前記第３のセクションおよび前記第４のセクションの偏光の主軸間において、約３５°から約５５°の角度を有する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１のセクションは長さｙを有し、前記第２の光ファイバセクションは長さｗを有し、前記第３の光ファイバセクションは長さｚを有し、前記第４の光ファイバセクションは長さｘを有し、ｘ＋ｚはｗ＋ｙに実質的に等しい、請求項１６に記載の慣性誘導システム。
【請求項１９】
ｗはｎ*ｘに実質的に等しく、ｎは整数である、請求項１８に記載の慣性誘導システム。
【請求項２０】
ｎ＝２である、請求項１９に記載の慣性誘導システム。
【請求項２１】
ｘ＋ｚは６．５メートルと７．５メートルとの間で測定される長さである、請求項２０に記載の慣性誘導システム。
【請求項２２】
前記第１の光ファイバセクション、前記第２の光ファイバセクション、前記第３の光ファイバセクション、および前記第４の光ファイバセクションの各１つは、ビート長ＬBを有し、ｗは２２００ＬBに実質的に等しく、ｘは１１００ＬBに実質的に等しく、ｙは８００ＬBに実質的に等しく、ｚは１９００ＬBに実質的に等しい、請求項１８に記載の慣性誘導システム。
【請求項２３】
前記集積光学チップは偏光子、およびポートに入射する光を分割して変調し、かつ前記ループからの反対に回転する光ビームを減偏光子を介して再び組み合わせるように構成されたスプリッタを備える、請求項１１に記載の慣性誘導システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光ファイバジャイロスコープに関する。具体的には、本発明は、偏光誤差を低減するための１対の熱的および機械的に対称な偏光維持（ＰＭ）ファイバセグメントを組み込んでいる光ファイバジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、外部ナビジェーションキューが最も基本的な形態で利用可能ではない、または実現可能ではない状況において、頑強性、コンパクト性、および非常に小さい回転を感知する能力のために、慣性誘導システムにおいてますます使用されるようになっている。光ファイバジャイロスコープシステムは、図１に示すような「最小限の相互構成」を備える。
【０００３】
簡単には、光源１１が、光ファイバカプラ１２、集積光学チップ（ＩＯＣ）１６、ループ１０、光検出器１４、増幅器２１、位相感知検出器（ＰＳＤ）２３、バイアス変調システム２０、および回転インジケータ２６と共に使用される。ＩＯＣ１６は、通常、偏光子１５、スプリッタコンバイナ１７、および位相変調器１９を組み込んでいる。代替として、偏光子、カプラ、および光学位相変調器などの個々の構成要素を、ＩＯＣ１６の代わりに使用することが可能である。
【０００４】
システムの光学的部分は、以下で記述するように、システムが、非相互性位相差シフトの特有の導入を除いて、相互性である、すなわち、対向進行電磁波のそれぞれがほぼ同一の光路を横断することを保証するために、いくつかの特徴を光路内に含む。ループ１０は、感知される回転軸の回りにコイル状になっている光ファイバの長いセグメントを備える。光ファイバは、通常、長さが５０メートルから２０００メートルであり、閉じた光路の一部である。光路では、電磁波または光波が導入されて、１対の波に分割され、この１対の波は、両方の波の部分が、最終的にはカプラ１２によって光検出器１４の上に偏向されるように、ループ１０を通って時計方向（ｃｗ）および反時計方向（ｃｃｗ）に伝播する。
【０００５】
ループ１０を形成するコイル状光ファイバは、単一モード（ＳＭ）ファイバ、偏光維持（ＰＭ）ファイバ、またはＳＭファイバとＰＭファイバとの組合わせとすることが可能である。ＳＭファイバにより、電磁波または光波の経路を位置に確定することが可能になり、さらに、そのような誘導波の位相面を一意に確定することも可能になる。対照的に、ＰＭファイバは、非常に著しい複屈折がファイバにおいて生成されるように構築される。その結果、磁界のファラデー効果による、または他の源からの不可避の機械的応力によって導入される偏光の揺らぎは、反対に伝播する波の間に変動する位相差シフトをもたらすことがあるが、比較的小さくなる。
【０００６】
したがって、高屈折率軸、すなわち、より緩慢な伝播軸または低屈折率軸が、システムの他の光学構成要素に応じて、電磁波を伝播させるために選択される。
ループ１０を通って反対方向に伝播する電磁波は、光源１１によって提供される。この源は、通常、広帯域光源であり、たとえば、約８３０ｎｍから１５５０ｎｍの波長の範囲にわたって、一般にスペクトルの近赤外線部分において電磁波を提供する半導体超ルミネセントダイオードまたは希土類ドープファイバ光源である。源１１は、ループ１０の散乱サイトにおけるローリー散乱およびフレネル散乱によるこれらの波の位相シフト差誤差を低減するために、放出光について短いコヒーレンス長を提示することが好ましい。広帯域源は、偏光の誤り状態における光の伝播によって生じる誤差を低減するようにも作用する。
【０００７】
光源１１と光ファイバループ１０との間に、光路構成が示されている。この光路構成は、ループ１０を形成する光ファイバの端部を、光路全体をいくつかの光路部分に分離するいくつかの光結合構成要素に延長することによって形成される。光ファイバの一部が、光源１１から、波コンバイナ／スプリッタとしても既知の光カプラ１２まで延びる。
【０００８】
光指向性カプラ１２は、内部に光透過媒体を有し、この光透過媒体は、カプラ１２の各端部に示されている４つのポートの間に延び、この４つのポートは、媒体の各端部に２つがある。これらのポートの１つは、光源１１から延びる光ファイバを受ける。カプラ１２の感知端部にある他のポートは、光検出器１４と接続される。光検出器１４は、ｐ−ｉ−ｎダイオードを使用することなどにより、上に当たる電磁波または光波を検出する。２つのほぼコヒーレントな光波の場合、この出力は、一般に、そのような１対のほぼコヒーレントな光波間の位相差の余弦に依存する。
【０００９】
光指向性カプラ１２は、他端のポートに結合される他の光ファイバを有し、この光ファイバは、ＩＯＣ１６内において提供される偏光子１５まで延びる。カプラ１２の同じ側にある他のポートは、通常、非反射性終端構成を備える。光指向性カプラ１２は、ポートのいずれかにおいて光ビームを受信するとすぐに、入射光のほぼ半分をカプラ１２の他の端部にある各ポートに透過させる。反対に、カプラ１２の同じ端部にあるポートには、光は、ほとんどまたは全く透過されない。
【００１０】
ＳＭファイバでは、光は、２つの偏光モードにおいて伝播することができる。したがって、ＩＯＣ１６内の偏光子１５は、１つの偏光状態で伝播する光を通過させるために提供され、それにより、同じ偏光の時計回り（ｃｗ）の波および反時計回り（ｃｃｗ）の波がループ１０に導入され、ｃｗ波およびｃｃｗ波の同じ偏光の光のみが、検出器１４において干渉する。
【００１１】
偏光子１５は、望ましくない偏光状態を有する光を完全には遮断しないので、反対に回転する光ビーム間に、軽度の非相互性が導入され、それにより、とりわけ環境条件のために変化することがある非相互性位相シフトが生じる。これに関して、使用される光ファイバにおける高複屈折または使用される光源の広帯域幅は、位相差をもたらすこの現象を低減するように再び作用する。
【００１２】
偏光子１５からの光は、入来信号の半分がループ１０の１つの端部に偏向され、他の半分がループ１０の他の端部に偏向されるように、ＩＯＣ１６内において提供されるスプリッタ／コンバイナ１７によって分割される。次いで、ＩＯＣ１６に戻る反対に伝播するビームは、スプリッタ／コンバイナ１７によって組み合わされ、偏光子１５およびカプラ１２を経て光検出器１４に送られる。
【００１３】
ＩＯＣ１６内において提供される光変調器１９は、電気信号を受信し、それにより、透過媒体の屈折率または物理的な長さを変更し、その結果、光路長を変化させることによって、光変調器を透過した電磁波に位相差を導入することができる。そのような電気信号は、通常、バイアス変調信号生成装置２０によって変調器１９に供給され、（１）ωbを変調周波数ｆbと等価なラジアン周波数、Ｃiを変調の振幅として、Ｃiｓｉｎ（ωbｔ）に等しいことを意図する変調周波数ｆbの正弦電圧出力信号；または（２）ｆbにおける方形波変調信号を提供する。他の適切は周期波形を使用することも可能である。
【００１４】
一般に、光ファイバジャイロスコープの動作は、サニャック効果に基づく。サニャック効果は、回転する経路の回りを反対方向に進行する光の２つのビームの振舞いを記述する。２つの光ビームのうち、ループの回転と同じ方向に進行するビームは、必然的に、反対方向に進行するビームより長い距離を進行する。経路長のこの差は、小さいが、必然的に、位相差を組み合わされたビームに導入する。カプラ１２を経て光検出器１４に偏向される結果としてのビームの部分を分析して、正確な回転率を得ることが可能である。より具体的には、ファイバループの回転によって導入される位相差は、以下によって与えられる
【００１５】
【数１】
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【００１６】
上式で、Δφは相対位相シフト、Ｌはファイバ長、Ｄはループの直径、λは真空における光源の波長、Ωは回転率、ｃは真空における光の速度である。このようにして、システムは、回転率を高精度で検出することが可能である。
【００１７】
光検出器１４に当たる出力光強度、したがって対向回転ビームに応答して光検出器システム光ダイオード（図示せず）から放出される電流は、増加余弦関数に従う。すなわち、出力電流は、これらの２つの波の位相差の余弦に依存する。
【００１８】
余弦関数は遇関数なので、そのような出力関数は、位相差シフトの相対方向に関する表示を与えない。したがって、出力関数自体は、ループ軸の回りの回転方向に関する表示を提供しない。さらに、ゼロ位相付近における余弦関数の変化率は非常に小さく、したがって、そのような出力関数は、低回転率について非常に低い感度を提供する。
【００１９】
上記で指摘したように、光検出器１４は、出力光電流ｉを提供し、これは、光検出器１４の上に当たる電磁波の強度に比例し、したがって、そのダイオードに当たるこれらの２つの波の位相差の余弦に従うことが予期される。
【００２０】
正弦バイアス変調では、光ダイオード信号は、以下の式によって与えられる。
ｉ＝（Ｉ0／２）η（１＋ｃｏｓ（φR＋φbｃｏｓωbｔ））
上式で、Ｉ0は、反時計方向の波に位相差がない場合の光検出器１４における光強度の大きさ、ηは、検出器応答度係数である。
【００２１】
したがって、電流は、光検出器１４内において提供される光ダイオードに入射する２つのほぼコヒーレントな波の結果的な光強度に依存する。強度は、２つの波の間にどの程度の強め合う干渉または弱め合う干渉が生じるかに応じて、Ｉ0のピーク値からより小さい値まで変化する。この波の干渉は、ループ１０を形成するコイル光ファイバが軸の回りに回転するのに伴って変化し、したがって、回転により、波の位相差シフトφRが導入される。さらに、振幅φbを有し、かつｃｏｓ（ωbｔ）として変化することを意図するこの光ダイオード出力電流に、変調器１９によって、追加の可変位相シフトが導入される。ωbは、バイアス変調システム２０によって供給される変調周波数ｆbと等価なラジアン周波数である。
【００２２】
したがって、光検出システム１４からの出力信号は、電圧に変換され、増幅器２１を経て増幅されて提供され、ＰＳＤ２３に渡される。光検出システム１４、増幅器２１、ＰＳＤ２３、および内部に含まれるあらゆるフィルタは、信号成分セレクタ３５を構成する。ＰＳＤ２３は、位相復調システムの一部として作用し、周知の装置である。ＰＳＤ２３は、検出器１４出力信号内において提供される光ダイオードの基本周波数ｆbの振幅、または変調信号生成装置２０の基本周波数により高い奇数の好調波を加えたものを抽出して、光ダイオードに当たる電磁波の相対位相表示を提供する。位相信号検出器および変調技法に関するさらなる詳細については、参照によって本明細書に組み込まれている、バーグ（Ｂｅｒｇｈ）らへの米国特許第５，６０２，６４２号明細書を参照されたい。
【００２３】
光ファイバジャイロスコープの設計において提示される１つの課題は、偏光誤差が存在することである。偏光誤差には、振幅タイプ偏光誤差および強度タイプ偏光誤差の２つの主要なクラスがある。振幅タイプ偏光誤差は、偏光子１５の遮断軸を通過した電磁波が、偏光子が不完全であるために、スプリッタ１７およびループ１０を経てなど、ループ光学構成要素のいずれかにおいて、偏光子１５の透過軸に沿って通過した波とコヒーレントに混合される場合に生じる誤差である。
【００２４】
強度タイプ位相誤差は、偏光子１５の透過軸に沿って通過した電磁波偏光成分が、これらの同じ光学構成要素のいずれかにおいて、遮断軸に沿って通過した偏光成分と結合され、その後、偏光子１５の遮断軸に到達して、同じ履歴を有する対向進行波と干渉する場合に生じる。さらに、反対方向の位相シフト誤差が、偏光子１５の遮断軸に沿って通過し、かつ透過軸に到達するように結合される波について生じる。
【００２５】
既知のシステムは、しばしば、１つまたは複数の減偏光子を使用することにより、これらの望ましくない位相シフト誤差を低減する。より具体的には、ここで図２を参照すると、ＰＭファイバ４０（ａ）および４０（ｂ）の２つのセグメントが、スプライス５２および５３を介して、ループ１０を備えるＳＭファイバに接合される。これらの偏光子により、偏光子１５の透過軸および遮断軸からの電磁波成分は、比較的に一様に混合される。信号のフェージングを回避するために、ＳＭファイバループの端部において使用される減偏光子の長さは、通常、異なる。
【００２６】
減偏光子４０（ａ）および４０（ｂ）は、入射波成分の一部を直交偏光状態に分割し、それにより、直交偏光状態は、減偏光子の他端において混合される。
ここで図３を参照すると、複屈折ファイバ４０Ａが、直交軸ｘおよびｙ、すなわちそれぞれＮxおよびＮyの間の屈折率の差を提示するように適切に設計される。複屈折は、図３に示すように、楕円コアを使用することにより、または応力ロッドを複屈折ファイバ４０Ａ内に埋め込むことによって、導入することが可能である。４５度スプライスを介してなど、４５度の角度でファイバに入る光のパルス３０４は、２つの成分に分割される：ΔＬoptの遅延によって分離される高速軸に沿ったＡx３０８および低速軸に沿ったＡy３０６。減偏光子４０Ａを使用することにより、高価なＰＭファイバ４０（ａ）および４０（ｂ）をループ１０に使用する必要性が回避されるので、コストが著しく抑えられる。
【００２７】
図２に示すような１つまたは複数の偏光子を使用することにより、偏光誤差を低減することが可能であるが、この構成は、いくつかの欠点を有する。たとえば、結果的なシステムは、温度の迅速な上昇または降下など、熱暴走のために生じる誤差を生じ易い。このタイプの誤差は、「Ｔドット」誤差と呼ばれることもある。この場合、ドットは、Ｔの時間変化率を表す。ファイバの特性、およびそうでない場合は光学ループに挿入された異なるタイプの減偏光子４０の存在に由来する誤差Δφは、以下によって与えられる。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
上式で、Δｔは、２つの反対に伝播する波が対象の点を通過するときの間の時間差、ｔは時間、Ｔは温度、ＯＰＬは光路長である。点が光学ループの中心から遠くなると、時間差Δｔは大きくなり、したがって感度も大きくなる。これは、ＩＯＣとループとの間に配置された減偏光子が、光学ループの最も敏感なセクションであることを意味する。
【００３０】
ループ１０を巻き付けることは、ループ上の正反対の点が、互いに近接して配置されるように、しばしば非常に慎重に行われる。このようにして、ループの一部によって経験されるあらゆる温度変化は、互いを消去する傾向がある熱膨張および／または熱収縮をもたらす。しかし、減偏光子４０がループにある場合、ＰＭファイバ４０（ａ）および４０（ｂ）に隣接する点がＳＭループ１０に沿って存在する。ＳＭファイバおよびＰＭファイバは、コアの直径、クラッディング、バッファなどに関して非常に異なる構造を有するので、ファイバの２つの隣接するセクションは、一般に、熱応力に対して異なる反応をする。すなわち、１つのタイプのファイバが、一般に、他のファイバに対して膨張または収縮し、その結果、反対に回転する光ビーム間の経路長は、小さいが有意に異なることになる。
【００３１】
偏光誤差に関する追加の背景情報は、光ファイバおよびレーザセンサに関するＥＵＲＯＰＴコンファランスＸＩＩＩ、１９９５年６月２０〜２１日、ドイツ、ミュンヘン、において提示され、Ｓｚａｆｒａｎｉｅｃらによって再度印刷された「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｇｙｒｏｓ（減偏光ファイバジャイロにおける性能改良）」という名称のプロシーディング、およびＢｌａｋｅらへの米国特許第５，３７７，２８３号明細書に見ることができる。両方とも、参照によって本明細書に組み込まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
上記を考慮すると、従来の技術のこれらおよび他の限定を克服するシステムおよび方法が必要である。具体的には、偏光誤差を最小限に抑え、一方、ファイバループの機械的対称性および熱的対称性を維持する精密な光ファイバジャイロスコープが、長期にわたり必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の態様によれば、光ファイバジャイロスコープは、ループ、減偏光領域、第１、第２、第３、ならびに第４の光学セクション、および第１、第２、第３、ならびに第４のスプライスを備える。ループは、第１の端部および第２の端部を有する単一モード光ファイバを含む。減偏光子領域は、ループに結合され、減偏光子領域は、第１のスプライスを介して第２の光ファイバセクションに結合された第１の光ファイバセクションを含み、第３の光ファイバセクションは、第３のスプライスを介して第４の光ファイバセクションに結合される。第１の光ファイバセクションは、第２のスプライスを介して、ループの第１の端部に結合され、第３のファイバセクションは、第４のスプライスを介して、ループの第２の端部に結合される。第１、第２、第３、および第４のファイバセクションは、偏光維持ファイバを備える。第１のスプライスは、第１の光ファイバセクションの偏光の主軸と、第２の光ファイバセクションの偏光の主軸との間において、３５°と５５°との間の整列を有し、第３のスプライスは、第３のファイバセクションの偏光の主軸と、第４のファイバセクションの偏光の主軸との間において、３５°と５５°との間の整列を有する。その結果、光ファイバセクションの各１つの光路長に対する熱的影響および機械的影響は、ほぼ同じになる。
【００３４】
本発明の他の態様では、光ファイバジャイロスコープの時間微分誤差を最小限に抑える方法は、以下を備える：光ファイバループに結合された偏光維持光ファイバの２つのセグメントを有する減偏光子を提供し、この場合、２つのセグメントは、ほぼ同じ長さを有する；スプライスを介して１つに接続された２つの光ファイバセクションを有する各偏光維持光ファイバを提供し、各スプライスは、光ファイバセクションの対応する対の偏光の主軸に間において、約３５°から５５°の角度を有する；光ファイバループの熱的対称性および／または機械的対称性を維持するように、各光ファイバセクションの長さを選択する。
【００３５】
本発明の他の態様によれば、慣性誘導システムが、光ファイバジャイロスコープを含む。光ファイバジャイロスコープは、短いコヒーレンス長を有する光源、光源に結合された集積光学チップ、固定長を有するファイバループ、および減偏光子を備える。減偏光子は、２つの偏光維持ファイバセグメントを含む。ファイバセグメントのそれぞれは、１つまたは複数のスプライスを含み、ファイバループのそれぞれの端部を集積光学チップに結合し、その結果、機械的対称性および／または熱的対称性が維持され、偏光誤差が抑制される。
【００３６】
これらおよび他の特徴および利点は、図面に関して取り入れるとき、本発明の詳細な考察からより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明による光ファイバジャイロスコープは、偏光誤差の抑制を提供し、一方、同時に、ファイバループの機械的対称性および／または熱的対称性を維持するように構成される減偏光子を含む。
【００３８】
ここで図４を参照すると、本発明の例示的な実施形態による光ファイバジャイロスコープは、集積光学チップ（ＩＯＣ）１６およびファイバループ１０に結合された減偏光子領域４２０を備える。一般に、減偏光子領域４２０は、実質的に同一の長さの１対のＰＭファイバセグメント４３０、４４０を含み、このセグメントは、スプライス４３３、４４３の位置をその内部に有する。ファイバ４６０の前端部セクションは、スプライス４６２を介してファイバセグメント４５８に接合され、ファイバセグメント４５８は、ＩＯＣ１６に結合される。
【００３９】
光源（図示せず）が、レーザダイオードシステムなど、半導体光源を含むことが可能である。そのようなシステムは、通常、約８３０ｎｍから１５５０ｎｍの近赤外線領域において動作する。本発明の光ファイバジャイロスコープと共に使用される光源は、短いコヒーレント長を有することが望ましく、それにより、ローリー散乱およびフレネル散乱によって導入される位相シフト誤差が低減される。しかし、あらゆる好都合なファイバ光源（ＦＬＳ）を使用することができる。
【００４０】
ファイバループ１０は、単一モード（ＳＭ）ファイバであることが好ましい光ファイバのループを備える。その長さは、様々な設計に応じて選択することが可能である。しかし、好ましい実施形態では、ファイバループ１０は、約１０００ｍの長さの対称に巻かれたＳＭファイバのコイルを備える。
【００４１】
ＩＯＣ１６は、偏光子１５およびスプリッタ１７を備える。スプリッタ１７は、入射光を２つのポート４５０、４５２に分割して、変調し、ファイバループ１０からこれらのポートに再び戻る光の反対に回転するビームを、減偏光子領域４２０を介して再び組み合わせる。上述したように、ＩＯＣ１６は、遮断軸および透過軸を有する偏光子１５をも含む。
【００４２】
集積光学チップの文脈において本発明を記述するが、従来のコイルカプラなどの他のアセンブリを使用することも可能である。したがって、用語ＩＯＣの使用は、一般性を失わずに、この出願を通して使用される。デンマークのＵＴＰによって製造されている４７ｍｍＩＯＣなど、多くの市販の集積光学チップが、本発明における使用に適している。
【００４３】
一般に、減偏光子４２０は、ファイバループ１０のそれぞれの端部４２４ならびに４２６に取り付けられた２つの偏光維持（ＰＭ）ファイバセグメント４３０ならびに４４０、および偏光誤差を抑制するように構成された１つまたは複数のスプライス４３３、４４３を備える。ファイバセグメント４３０および４４０は、様々な機械的特性および／または熱的特性に関して実質的な対称性を維持するように選択されることが好ましい。
【００４４】
ファイバセグメント４３０は、ファイバの２つのセクション、すなわちセクション４３２およびセクション４３４を備える。セクション４３２は、一端において、短いファイバセグメント４５４およびスプライス４３１を介してＩＯＣ１６に結合され、他端において、スプライス４３３を介してセクション４３４に結合されることが好ましい。セクション４３４は、次いで、スプライス４３５を介してファイバループ１０の端部４２４に結合される。
【００４５】
同様に、ファイバループ１０の対向端部４２６において、ファイバセグメント４４０が、ファイバの２つのセクション、すなわちセクション４３２および４３４を備える。セクション４４４は、一端において、スプライス４４５を介してファイバループ１０に結合され、他端において、スプライス４４３を介してセクション４４２に結合される。セクション４４２は、スプライス４４１および短いファイバセグメント４５６を介してＩＯＣ１６に結合されることが好ましい。
【００４６】
本発明は、減偏光子領域４２０およびファイバループ１０を含むループに関して、光学対称性を達成する。したがって、本発明の好ましい実施形態は、セグメント４３０および４４０について同じタイプのファイバを使用する。同様に、短いファイバセクション４５４および４５６は、同じタイプのファイバを使用して製造されることが好ましい。より具体的には、ファイバセグメント４３０および４４０は、ＰＭファイバを備え、ファイバセクション４５４および４５６は、ＰＭファイバを備えることが好ましい。その結果、ループ１０および減偏光子領域４２０が緊密コイル状アセンブリに形成されるとき、結果的なシステムは、熱的に対称であり、それにより、ループ１０または減偏光子領域４２０内のあらゆる点が、慎重に巻かれたとき、ループ１０または減偏光子４２０内の反対側の点と隣接する。ループ１０または減偏光子４２０は、この構成のために、同じタイプのファイバを備えることになる。このようにして、熱急上昇から生じる機械的応力の影響を排除または低減することができる。
【００４７】
スプライス４３３および４４３は、約３５°および５５°において、好ましくは４５°において適切に整列される。より具体的には、ファイバセクション４３２は、スプライス４３３を介してセクション４３４に接合され、それにより、約４５°の角度が、セクション４３２の偏光状態の主軸と、セクション４３４の偏光状態の主軸との間に形成される。
【００４８】
同様に、ファイバセクション４４２は、スプライス４４３を介してセクション４４４に接合され、それにより、約４５°の角度が、セクション４４２の偏光状態の主軸と、セクション４４４の偏光状態の主軸との間に形成される。
【００４９】
本発明の様々な実施形態の議論を容易にするために、寸法ｗ、ｘ、ｙ、およびｚは、図４に示すように、それぞれ、セクション４３４、４４４、４３２、および４４２に対応する。しかし、図４に示すスプライス４３３および４４３の特定の位置は、限定を意図していない。
【００５０】
減偏光子４２０は、機械的対称性および／または熱的対称性を提示しなければならない。セグメント４３０の長さ（すなわ、ｗ＋ｙ）は、セグメント４４０の長さ（すなわち、ｘ＋ｚ）の長さと同じ、またはほぼ同じでなければならない。本発明の一実施形態では、セグメント４３０および４４０の両方とも、長さが約７メートルであり、ファイバセクション４３４の長さは、セクション４４４の長さより長い。
【００５１】
特に好ましい実施形態では、セクション４３４の長さは、セクション４４４の長さの整数倍であり、したがって、ｗ＝ｎｘ、ｎはｎ＝２などの整数である。長さｓを有するＰＭファイバ４６０のセクションが、ＩＯＣ１６に対する「前端部」として使用されることが好ましく、この場合、セクション４６０は、ＩＯＣ１６に結合されたＳＭファイバのセグメント４５８に適切に接合される。
【００５２】
一般に、本発明は、既知のファイバ光学ジャイロスコープが、機械的対称性および偏光誤差の低減の両方に対処することができないということに関して、熱機械技法を使用して、光学的問題を解決する。これに関して、本発明は、多くの具体的な減偏光子構成を包含するが、ここで、測定およびこれらの測定を得ることが可能である例示的な技法を含めて、好ましい実施形態について詳細に記述する。
【００５３】
特に多くのＰＭファイバの特性は異なる可能性があるので、ファイバ長を「ビート長」（ＬB）について表すことが有利である。ＬB＝λ／ΔＮ、λは、ファイバにおける光の平均波長、ΔＮは、ＰＭファイバの高速軸と低速軸との群屈折率の差である。通常、一般的なＰＭファイバのＬBは、約１ｍｍから約３ｍｍの範囲である。しかし、ΔＮは、既知の経験的測定技法を使用して、特に多くのファイバについて決定することが可能である。
【００５４】
引続き図４を参照すると、本発明の好ましい実施形態は、以下の寸法を特徴とする。
ｘ＝１１００ＬB
ｙ＝８００ＬB
ｗ＝２ｘ＝２２００ＬB
ｚ＝１９００ＬB
ｓ＝４４００ＬB
ＳＭセクション４５８、４５４、および４５６の長さは、それぞれ約１００ＬBであり、ＩＯＣ１６の長さＬは、約４７ｍｍである。
【００５５】
以上の実施形態は、本発明の単なる１つの可能な実施形態である。他の解を、適切な最適化の技法を使用して導出することが可能である。たとえば、示した実施形態は、一般に、（１）ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、およびｓについてシステムにおいて生じすることがある偏光誤差のすべての組み合わせを定量化する、（２）減少して小さくなる可能性がある項を排除するように、式を代数学的に簡略化する、（３）偏光誤差を最小限に抑える結果的な設計領域内において最適解を決定する、ことによって導出された。
【００５６】
図５は、様々なファイバセグメントおよびスプライスが、最適化の過程において使用される変数で名称付けされている、図４の光学システムを示す。
より具体的には、ｔ２、ｔ０１、ｔ０４、ｔａ、ｔｂ、ｔ１、ｔ２、ｔ３、およびｔ４は、それぞれ、セクション４６０における複屈折誘起遅延、スプライス４６４からスプライス４５０までのＩＯＣ１６、スプライス４６４からスプライス４５２までのＩＯＣ１６、セクション４５４、セクション４５６、セクション４３２、セクション４３４、セクション４４４、およびセクション４４２を記述する。変数ｋｓ、ｋ０、ｋ１、ｋ４、ｋａ、およびｋｂは、それぞれ、スプライス４６２、４６４、４５０、４５２、４３１、および４４１において生じる小さい偏光交差結合を記述する。角度ΔΘ（「デルタシータ」または「ｄｔｈ」）およびΔΨ（「デルタプサイ」または「ｄｐｓｉ」）を使用して、スプライス４３３および４４３に存在する小さい誤整列をそれぞれ表す。
【００５７】
様々な振幅および強度誤差の式を、Ｋ０、ｋ１、ｔ２、ｔ０１など、適切な設計変数の観点で導出する。たとえば、ＥｐｓＥｒｒは、振幅タイプ誤差を指し、ＥｐｓＥｒｒ［ｔ０４−ｔ２］は、ｔ０４−ｔ２成分に関連する振幅タイプ誤差を記述する。この誤差は、ｄＰｏｗ「入射信号の偏光度」、ｄｔｈ、ｅｐｓ「消光率」、ｋ０、およびｋ４の関数である。さらに、これらの項のそれぞれは、以下で記述するコヒーレンス関数の関連値によって乗算される。
【００５８】
図４に示した光路に存在する多数のスプライスのために、様々な遅延順列によって生成される多数の振幅および強度の誤差項が存在することが理解されるであろう。したがって、計算の複雑さを低減する目的では、最適化に使用される誤差項の数を限定することが望ましい。
【００５９】
これは、有意な値となる可能性が高い項のみを考慮することによって行うことができ、無視できる可能性が高い項を必要としない。より具体的には、あるタイプの値の存在について各項を調査し、重みを各タイプの値に割り当て、次いで、組み合わされた重みがある適切な閾値を超える値を削除することが可能である。たとえば、１の重みをｋ０、ｋ４などのすべてのｋの値に与え、２の重みを消光率値（ｅｐｓ）に与える。次いで、結果的なＥｐｓＥｒｒの式を、これらの値のタイプの出現について調査し、式の全重みが４を超える場合、特定のＥｐｓＥｒｒが削除され、その後の計算には含まれない。たとえば、ＥｐｓＥｒｒ［ｔ０４−ｔ２］は、重み２の「ｅｐｓ」項、およびそれぞれが１の重みを有する２つの「ｋ」項を含む。式の組み合わされた重みは４であり、したがって、式は、維持される。いくつかの場合では、式の重みが閾値を超える場合でも、項を維持することが有利である可能性があり、この場合、項ｄｐｓｉまたはｄｔｈが式に出現する。
【００６０】
上述したように、ＥｐｓＥｒｒ項のそれぞれは、関連するコヒーレンス関数値を有し、この値によって乗算される。コヒーレンス関数または自動相関関数は、光源によって放出される電磁波に関係する。コヒーレンス関数の正確な形状は、特定の源に応じて変化する。
【００６１】
さらに、ループ１０に関連する遅延をコヒーレンス関数に組み込むことが、最適化の目的では有利である可能性がある。コヒーレンス関数のこれらおよび他の態様の詳細な議論については、たとえば、参照によって本明細書に組み込まれているブレーク（Ｂｌａｋｅ）らへの米国特許出願第５，３７７，２８３号明細書を参照されたい。使用される光源のタイプに関係なく、各遅延は、コヒーレンス関数の固有値に関連付けられる。
【００６２】
ガウスコヒーレンス関数によれば、コヒーレンス値は、ゼロ遅延において最大値１．０であり、特定の既知の値において０．０まで減少する。したがって、ガウス源におけるｔ０４−ｔ２の期間のコヒーレンス値は、ｔ０４＝ｔ０２において最大であり、２つの値の差が増大するにつれ、減少する。ジャイロスコープの最適化は、ｔ１、ｔ２、ｔ３などを設計変数に関して表し、次いで、すべてのＥｐｓＥｒｒ値の和が、対応するコヒーレンス関数を乗算した後、許容可能な程度に低い全誤差となる１組の値を見つけることからなる。たとえば、示した実施形態では、以下の値および制約が使用される。
【００６３】
Ｌｂ＝０．０１９（*ＬｉＮｂＯ３のビート長は、ｍｍで表され、複屈折誘起遅延は、Ｌ／Ｌｂとして表される*）
ｔｓ＝ｓ
ｔａ＝１００
ｔｂ＝１００
ｔ０１＝４７．０／Ｌｂ；（*４７ｍｍ−ＩＯＣチップの長さ*）
ｔ０４＝４７．０／Ｌｂ＋０．１２５／Ｌｂ
ｔ１＝ｙ
ｔ２＝２×（*より長い減偏光子セグメント*）
ｔ３＝×（*より短い減偏光子セグメント*）
ｔ４＝Ａｂｓ［ｙ］＋Ａｂｓ［ｘ］；（*同一長の制約*）
ｄｐｓｉ＝１．５／１８０Ｎ［Ｐｉ］（*４５°からの偏差*）
ｄｔｈ＝１．５／１８０Ｎ［Ｐｉ］
ｋ＝１０．０＾（−１．５）（*交差結合点*）
ｋａ＝１０．０＾（−１．５）
ｋｂ＝１０．０＾（−１．５）
ｋｓ＝１．０
ｋ０＝１０．０＾（−１．５）
ｋ１＝１０．０＾（−１．５）
ｋ４＝１０．０＾（−１．５）
ｅｐｓ＝１０．０＾（−３．０）（*６０ｄｂ偏光子*）
ｄＰｏｗ＝１０．０＾（−１．５）（*偏光度*）
したがって、変数ｔ１、ｔ２、ｔ３、およびｔ４は、ｘおよびｙについて表され、ｗ＝２ｘおよびｚ＝ｘ＋ｙである。ＥｐｓＥｒｒについて導出された関係によれば、偏光誤差の応答曲面グラフが、ｘ、ｙ、およびｓの異なる値について適切に生成される。次いで、偏光誤差が妥当な最小値にあるように、１組のパラメータ値を選択することが可能である。好ましい実施形態では、上述したように、ｘ＝１１００ＬB、ｙ＝８００ＬB、ｗ＝２ｘ＝２２００ＬB、ｚ＝１９００ＬB、およびｓ＝４４００ＬBの値は、適切な最適値を生成し、この場合、ＳＭセクション４５８、４５４、および４５６の長さは、それぞれ約１００ＬBであり、ＩＯＣ１６の長さＬは、約４７ｍｍである。
【００６４】
まとめると、偏光誤差の抑制を提供し、一方、同時に、ファイバループの機械的対称性を維持する減偏光ナビゲーショングレード光ファイバジャイロスコープについて記述した。
【００６５】
したがって、本発明の記述は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実施する最適モードを当業者に教示することを目的とする。本発明の精神から逸脱せずに、詳細を大きく変更することが可能であり、添付の請求項の範囲内にあるすべての修正の排他的使用が保持される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】従来の技術の最小減相互構成光ファイバジャイロスコープを示す図である。
【図２】減偏光子を組み込んでいる従来の技術の光ファイバジャイロスコープを示す図である。
【図３】複屈折ファイバの偏光機能を示す図である。
【図４】本発明による減偏光子領域を組み込んでいる光ファイバジャイロスコープを示す図である。
【図５】本発明による遅延変数および偏光最適化変数を組み込んでいる図４の光ファイバジャイロスコープを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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