(57)【要約】  エルビウム・ファイバの周波数応答を利用することによって、光ファイバ・ジャイロスコープの相対強度雑音を抑制するシステムおよび方法が提供される。動作時、エルビウム・ファイバによって提供される利得は、最高で約２５０ｋＨｚの安定なループ性能に備えるために、フィードバックループの他の構成要素の利得に追加される。約３ｋＨｚのエルビウム・ファイバの周波数応答は、オクターブあたり６ｄｂのロールオフをも提供し、これは、ジャイロスコープ光源に流れる電流を制御する負のフィードバック制御ループにおいて使用される。これは、高性能ジャイロスコープの応用分野において使用することが可能である３ｋＨｚよりはるかに大きい帯域幅を有する相対強度雑音制御を見込む。
2005515410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ・ジャイロスコープの相対過剰雑音を抑制するシステムであって、該システムは、
光出力を生成するエルビウム・ドープ広帯域光源であって、前記エルビウム・ドープ広帯域光源は、ポンプレーザおよびファイバ・アセンブリを備え、前記ポンプレーザは、前記光出力の強度を制御するために、ポンプレーザ信号を前記ファイバ・アセンブリに提供するように構成される、エルビウム・ドープ広帯域光源と、
前記光出力を受光する変調器であって、前記光源から放出された光を変調することによって強度変調光を生成する変調器と、
前記光出力を受光し、その一部をサンプリングして、第１サンプリング信号を提供し、かつ前記前記強度変調光を受光し、その一部をサンプリングして、第２サンプリング信号を提供するタップカプラと、
前記第１サンプリング信号を感知し、その強度を検出して、前記第１サンプリング信号を、前記第１サンプリング信号の強度に比例する電圧を有する第１検出信号に変換する第１光検出器と、
前記第２サンプリング信号を感知して、前記第２サンプリング信号の強度の揺らぎを検出する第２光検出器と、
制御信号を前記ポンプレーザに提供するポンプ注入電流ドライバと、
前記第１検出信号に応答するサーボ制御であって、前記サーボの論理は、誤差信号を生成して、これにより、前記ポンプ注入電流ドライバが、注入電流信号を前記ポンプレーザに提供して、前記ファイバ・アセンブリに提供される前記ポンプレーザ信号が変更され、それにより、前記光源が、前記第２光検出器における前記光出力の強度の揺らぎを消去させ、それにより、前記相対強度雑音が抑制される、サーボ制御と、
を備え、
前記タップカプラ、前記第１検出器、前記ポンプ注入電流ドライバ、前記ポンプレーザ、および前記サーボ制御は、負のフィードバックを使用して前記強度の揺らぎを制御するフィードバックループを備え、前記サーボ制御は、前記フィードバックループの開ループ利得が、前記エルビウム・ドープ広帯域光源によって提供される利得に応答するような特性を有する電圧増幅器を備える、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１光検出器および前記第２光検出器の少なくとも一方は、光ダイオードとトランスインピーダンス増幅器とを備える、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記サーボ制御の論理は、少なくとも２００ｋＨｚの帯域幅を有する、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、前記ファイバ・アセンブリは、偏光子を備える、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記サーボ制御は、少なくとも１つの２次フィードバック制御論理をさらに含む、システム。
【請求項６】
光ファイバ・ジャイロスコープの相対強度雑音を抑制するシステムであって、
光出力を生成し、前記光出力の光の揺らぎを制御するように構成されるエルビウム・ドープ広帯域光源と、
前記光出力を受光し、その一部をサンプリングして、サンプリング信号を提供するタップカプラと、
前記第１サンプリング信号を感知し、その強度の揺らぎを検出して、前記サンプリング信号を、前記第１サンプリング信号の強度に比例する電圧を有する検出信号に変換する光検出器と、
前記検出信号に応答するサーボ制御であって、サーボ制御は、誤差信号を生成して、これにより、前記エルビウム・ドープ光源が、前記光出力の強度を偏光させ、それにより、前記光源が、前記光出力の強度の揺らぎを消去させる、サーボ制御と、
を備え、
前記タップカプラ、前記光検出器、前記エルビウム・ドープ光源、および前記サーボ制御は、負のフィードバックを使用して前記強度の揺らぎを制御するフィードバックループを備え、前記サーボ制御は、前記フィードバックループの開ループ利得が前記エルビウム・ドープ光源によって提供される利得に応答するような特性を有する、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１光検出器および前記第２光検出器の少なくとも一方は、光ダイオードとトランスインピーダンス増幅器とを備える、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、前記サーボ制御の論理は、少なくとも２００ｋＨｚの帯域幅を有する、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、前記ファイバ・アセンブリは、偏光子を備える、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、前記サーボ制御は、少なくとも１つの２次フィードバック制御論理をさらに含む、システム。
【請求項１１】
光ファイバ・ジャイロスコープの相対強度雑音を抑制する方法であって、
エルビウム・ドープ光源から光出力を受光し、前記光の一部をサンプリングして、第１サンプリング信号を提供するステップと、
前記第１サンプリング信号を感知して、前記光出力の強度を表す制御信号を提供するステップと、
前記制御信号に応答して前記光源から受光した前記光の強度を変更するステップであって、前記光の強度の揺らぎを消去して、それにより、前記相対強度雑音を抑制するステップと、
前記制御信号を増幅して、誤差信号を生成するステップと、
を備え、
前記光の前記強度を変更する前記ステップは、前記光源から受光される前記光の強度が、前記誤差信号に従って変化するように、前記エルビウム・ドープ光源に提供されるポンプ電力信号を制御するステップを含み、前記光の前記強度は、前記エルビウム・ドープ光源によって提供される前記利得に応答する率で変調される、方法。
【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、および光ファイバ・ジャイロスコープを作成および動作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ・ジャイロスコープは、光ファイバ技術が通信システムにもたらした利点の多くを測定システムにもたらす有力なクラスのセンサに含まれる。たとえば、光ファイバ・ジャイロスコープにおいて使用される光ファイバの非常に広い帯域幅により、光ファイバ・ジャイロスコープは、大量の測定情報を単一ファイバを経て伝達することが可能になる。さらに、光ファイバは、誘電体なので、感知環境に存在する可能性がある電磁波からの干渉の影響を受けない。さらに、光ファイバ・ジャイロスコープは、温度ならびに圧力の劣悪な条件下において、および迅速に金属を腐食することが一般的である毒性または腐食性の環境において、通常、機能することができる。
【０００３】
しかし、多くの従来の光ファイバ・ジャイロスコープに固有の問題は、低回転速度において、過剰雑音妨害に敏感なことがあることである。たとえば、周知のレーリ散乱（Ｒａｌｅｉｇｈ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）（すなわち、サイズが波長より小さい材料密度の不均質性による光の散乱）、偏光雑音（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｎｏｉｓｅ）（すなわち、電圧の揺らぎにより観測される偏光の揺らぎ）、およびカー効果（Ｋｅｒｒ  ｅｆｆｅｃｔ）によるゼロ回転ドリフト（ｚｅｒｏ  ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｄｆｉｆｔ）（すなわち、等方性透明物質が電場に配置されたときの複屈折の進展）は、一般的な問題であり、回転速度の感知に誤差を導入することにより、光ジャイロスコープ出力の精度がしばしば低減される。
【０００４】
過剰雑音妨害に由来する回転速度感知の誤差を最小限に抑えるために、光ファイバ・ジャイロスコープ・システムの設計者は、通常、ジャイロスコープ・システムの構築に広帯域光源を使用する。より具体的には、光ファイバ・ジャイロスコープの設計者は、通常、たとえばスーパー・ルミネッセント・ダイオード（ＳＬＤ、ｓｕｐｅｒ  ｌｕｍｉｎｅｃｅｎｔ  ｄｉｏｄｅ）またはスーパー・ルミネッセント・ファイバ源（ＳＬＳ、ｓｕｐｅｒ  ｌｕｍｉｎｅｃｅｎｔ  ｆｉｖｅｒ  ｓｏｕｒｃｅ）など、安定なスペクトルを有する広帯域光源を使用する。しかし、これらのソースを使用する欠点は、帯域幅が有限であるために、これらの広帯域源は、追加の過剰雑音項をジャイロ出力に導入することである。これにより、光ファイバ・ジャイロスコープ・システムの性能および満足度が低下する。したがって、最適なジャイロスコープの性能を達成するために、広帯域源によってジャイロ出力に導入される過剰雑音成分を排除することが望ましい。
【０００５】
残念ながら、ＳＬＤが光ファイバ・ジャイロスコープにおいて実施される場合、光ファイバ・ジャイロスコープは、一般に、温度に対する高い波長感度、単一モードファイバへの非効率的な結合、および光学フィードバックに対する耐性の欠如により悪影響を受ける。したがって、近年では、光ファイバ・ジャイロスコープの設計者は、ＳＬＤを使用する光ファイバ・ジャイロスコープ・システムより、ＳＬＤに固有の問題のほとんどを通常提示しないスーパー・ルミネッセント・ファイバ源（ＳＬＳ）を対象としている。
【０００６】
たとえば、ＳＬＳを使用する場合、光ファイバ・ジャイロスコープは、ＳＬＳスペクトル内の温度範囲にわたって、より安定な応答を有する。すなわち、ＳＬＳスペクトルの温度安定性、具体的には中心波長は、ＳＬＤの安定性よりはるかに優れており、放出波長は、通常、約０．０５ｎｍ／ｄｅｇＣだけ変化する。さらに、ＳＬＳで設計することによって、光ファイバ・ジャイロスコープの設計者は、ＳＬＳにおいて利用可能であるより多くの電力をＳＬＳにおいて生成することができる。たとえば、通常のＳＬＤでは、利用可能な電力は、約３０ｍＷであり、おそらくはそのせいぜい数ミリワットを単一モードファイバに結合することができる。一方、通常のＳＬＳを使用する場合、光ファイバ・ジャイロスコープの設計者は、約４０ｍＷから２００ｍＷの電力を生成することができる。それでも依然として、実際のシステムでは、源／システム境界からの望ましくない擬似反射が、システムのファイバに結合することができる電力を大きく低減することがある。これらの反射は、源とシステムファイバとを融合ガラス−ガラス接合で接合することによって、ＳＬＳファイバ装置では最小限に抑えることができるが、これは、ＳＬＤでは通常実現することができない。最後に、ＳＬＳファイバ源の高い変換効率、およびそのポンプ帯域の広い特性により、ＳＬＳは、多くのコンパクトなレーザダイオードポンプ構成にとって、ＳＬＤより有益な選択肢となる。
【０００７】
スーパー・ルミネッセント・ファイバ源（ＳＬＳ）は、通常、ルーセントテクノロジー（Ｌｕｃｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、ミズーリ州チェスターフィールド在）のモデルＨＧ９８０などの３価イオン希土類元素がドープされたコアを有する単一モードファイバ、およびＪＤＳユニフェーズ（ＪＤＳ  Ｕｎｉｐｈａｓｅ、コネチカット州ブルームフィールド在）のモデルＷＳ１４１５−ＬＷなどの波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）からなる。ＳＬＳは、当技術分野では周知であり、具体的には通信分野において、広帯域（たとえば、１０〜３０ナノメートルの大きさ）レーザ様（高度に誘電性）光ビームを多くの応用分野に提供するために有利に使用されてきた。例示的なスーパー・ルミネッセント・ファイバ源を記述するために、参照によって本明細書に組み込まれている「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．５、１９８９年５月においてＩＥＥＥによって発行されたデスブリエ（Ｅｍｍａｎｕｅｌ  Ｄｅｓｕｖｒｉｅ）およびシンプソン（Ｊ．Ｒ．Ｓｉｍｐｓｏｎ）による「Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の文献を参照されたい。
【０００８】
留意したように、ＳＬＳは、通常、３価イオン希土類元素がドープされたコアを有する、ある長さの単一モードファイバを含む。たとえば、ネオジウム（Ｎｄ３＋）およびエルビウム（Ｅｒ３＋）は、コアがレーザ媒体として作用するように、単一モードファイバのコアにドープするために使用することが可能な希土類元素である。動作中、ファイバは、ポンプレーザによって提供されるポンプ入力信号を一端において受け取る。ポンプ入力信号は、通常、特有の波長λｐを有するレーザ信号である。ファイバコア内のイオンは、波長λｐの入力レーザ放射を吸収し、その結果、これらのイオンの外郭の電子は、イオンのより高いエネルギー状態に励起される。十分なポンプ電力がファイバの端部に入力されたとき、ポピュレーション反転が創出され（すなわち、コア内のより多くの電子が、基底状態より励起状態にある）、著しい量の蛍光が、ファイバの両方向に沿って生成される。周知であるように、蛍光（すなわち、異なる波長λｓにおける光子の放出）は、電子が励起状態から基底状態に自発的に戻るためであり、その結果、波長λｓの光子が、励起状態から基底状態に遷移する際に放出される。ファイバから波長λｓにおいて放出される光は、従来のレーザ光のように、高度に指向性の光である。しかし、従来のレーザ（すなわち、光共振器を組み込むレーザ）とは異なるこの放出の１つの主な特性は、スーパー・ルミネッセント・ファイバ源から放出される光のスペクトル内容が、一般に非常に広い（１ナノメートルと３０ナノメートルとの間）ことである。したがって、ファイバによって出力される光信号は、通常、波長λｐ＋約−１５ナノメートルにある。
【０００９】
従来の光ファイバ・ジャイロスコープの構築および動作は、周知であり、したがって、本明細書ではさらに議論しない。光ファイバ・ジャイロスコープの通常の議論は、１９９５年１１月７日にストランドジョルド（Ｓｔｒａｎｄｊｏｒｄ）らに発行され、かつ参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第５，４６５，１４９号明細書に見ることが可能である。例示のために、図１は、従来の技術において見ることが可能である例示的な光ファイバ・ジャイロスコープ・システムを示す。一般に、システム１００の光学部分は、このシステムが相互性であることを保証するように、光路に沿っていくつかの特徴を含む。すなわち、システムを考慮するとき、以下で記述するように、非相互性位相差シフトの特有の導入を除いて、ほぼ同一の光路が、反対方向に伝播する電磁波のそれぞれについて生じることを理解されたい。一般に、光路に沿った特徴には、光ファイバ光源１１２、ファイバカプラ１１６、多機能処理チップ（たとえば、集積回路チップ）１２０、および光ファイバコイル１１０が含まれる。これらは、すべて、光ファイバ部分１１４、１１８、１２４、および１２６によって多様に接続される。
【００１０】
コイル状光ファイバは、周囲の回転が感知される軸の回りに巻かれた単一モード光ファイバを使用して、コアまたはスプールの回りにコイル１１０を形成する。単一モードファイバを使用することにより、電磁波または光波の経路を一意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。これは、相互性の維持に大きく役立つ。
【００１１】
光源１１２は、光ファイバシステム１００を経て電磁波を伝播させる任意の広帯域光源とすることが可能である。この源１１２は、通常、半導体スーパー・ルミネッセント・ダイオードまたは希土類ドープファイバ光源であり、８３０ナノメートル（ｎｍ）と１５５０ｎｍとの間の通常の波長の範囲にわたって、スペクトルの赤外部分に近い電磁波を提供する。一般に、源１１２は、コイル１１０の散乱サイトにおけるレーリ散乱およびフレネル散乱によるこれらの波の間における位相シフト差の誤差を低減するように、放出光について短いコヒーレンス長を有する。
【００１２】
光源１１２と光ファイバコイル１１０との間に、光ファイバ形成コイル１１０の端部を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路構成が示されている。光結合構成要素は、全光路をいくつかの光路部分に分割する。図示したように、光ファイバ部分１１４が、光源１１２からの最適な光放出点において光源１１２に接して配置され、さらに、第１光指向性カプラ（光学光ビームカプラまたは波長コンバイナおよびスプリッタとも呼ばれる）１１６まで延びる。この場合、光ファイバ部分１１４は、光源１１２とカプラ１１６とが、常に接続されることを保証する。
【００１３】
カプラ１１６は、光透過性媒体を内部に有し、光透過性媒体は、カプラ１１６の各端部に示されている４つのポートａ、ｂ、ｃ、およびｄの間に延びる。図からわかるように、ポートａは、それに接して配置された光ファイバ１１４を介して光源１１２に接続される。ポートｂでは、光指向性カプラ１１６の感知端部に、光検出器１３８に接して配置されるように延びる他の光ファイバ１３６が示されている。
【００１４】
光検出器１３８は、それに接して配置された光ファイバ部分１３６から上に当たる電磁波または光波を検出し、信号成分選択手段（図示せず）に応答して光電流を提供する。この光電流は、上記で指摘したように、上に当たる２つのほぼコヒーレントな光波の場合、そのような１対のほぼコヒーレントな光波間における位相差の余弦に依存する光電流出力の提供について、かさ上げ余弦関数に従う。この光検出器装置は、非常に低いインピーダンスにおいて動作して、衝突放射の線形関数であり、かつ、通常、ｐ−ｉ−ｎ光ダイオードとすることが可能である光電流を提供する。
【００１５】
また、カプラ１１６に接して、光ファイバ１３４が配置される。この光ファイバ１３４は、通常、ジャイロスコープの動作には使用されない可能性がある。カプラ１１６のポートｃに接して、多機能集積光学チップ１２０まで延びる他の光ファイバ１１８がある。多機能集積光学チップ１２０は、位相変調器１２８、およびｙ接合部１３２を形成する集積光学機器導波路１２２ならびに１３０を含む。多機能処理チップ１２０から、光ファイバ１２４および１２６が延び、それぞれ、導波路１２２および１３０を介してファイバコイル１１０に接続される。
【００１６】
ファイバカプラ１１６のポートｂとジャイロスコープ出力との間には、ファイバコイル１１０の回転速度に対応する出力を感知および生成するように設計された様々な光感知および電気構成要素がある。具体的には、光検出器１３８、アナログ信号調整装置１４０、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）変換器１４２、デジタル復調器１４４、および方形波バイアス変調器１４６が含まれ、各要素は、光ファイバ・ジャイロスコープ・システム出力の処置中、電気接続されて維持される。上述した要素のそれぞれの機能は、当技術分野では周知であることに留意されたい。したがって、光ファイバ・ジャイロスコープ・システム１００の動作の理解を補助するために、要素について簡潔にのみ以下において議論する。
【００１７】
光指向性カプラ（たとえば、ファイバカプラ）１１６は、その任意のポートにおいて電磁波または光の受光に際して、透過光の約半分が、入りポートを有する端部とは反対側の端部にあるカプラ１１６の２つのポートのそれぞれにおいて出現するように、そのような光を透過させる。一方、そのような波または光は、入射光ポートとカプラ１１２の同じ端部にあるポートには透過されない。たとえば、ポートａにおいて受容された光は、ポートｃおよびｄには透過されるが、ポートｂには透過されない。同様に、ポートｃにおいて受容された光は、ポートａおよびｂには透過されるが、ポートｄには透過されない、などである。
【００１８】
したがって、動作中、光源１１２は、広帯域光波を、光ファイバ１１４を介してカプラ１１６のポートに透過させる。ファイバカプラ１１６は、透過光を分割して、光をポートｃおよびｄに提供する。この場合、ポートｄに提供された光は、通常、ジャイロスコープによって使用されない可能性がある。しかし、ポートｃに提供された光は、光ファイバ１１８を介して多機能集積光学チップ１２０にさらに透過され、そこで、光波は、ｙ接合部１３２においてさらに分割されて、導波路１２２および１３０に提供される。
【００１９】
導波路１２２に提供された光は、光ファイバ１２４を介してファイバコイル１１０に透過され、そこで、ファイバコイル１１０の全長の回りを時計方向に伝播する（これ以後、「ｃｗ波」）。同様に、導波路１３０の光波は、光ファイバ１２６を介してファイバコイル１１０に提供され、そこで、光波は、ファイバコイル１１０の全長の回りを半時計回りに伝播する（これ以後、「ｃｃｗ波」）。
【００２０】
それぞれ光ファイバ１２４および１２６を介してファイバコイル１１０から多機能集積光学チップ１２０に透過された後、ｃｃｗ波およびｃｗ波は、ｙ接合部１３２において組み合わされ、その後、光ファイバ１１８を介して光ファイバ１１６のポートｃにさらに提供される。上記で留意したように、２つの光波がポートｃに提供された後、次いで、波は、ポートａおよびｂに提供されるが、ポートｄには提供されない。
【００２１】
ポートｂは、光ファイバ１３６を介して光検出器１３８にさらに接続され、それにより、ｃｃｗ波およびｃｗ波は、光検出器１３８において検出され、光検出器１３８は、出力光電流ｉをアナログ信号調整ユニット１４０に提供する。光電流ｉの値は、上に当たる２つの電磁波または光波の強度に比例する。したがって、光電流ｉは、検出器１３８に当たる２つの波の位相差の余弦に従うことが予期される。
【００２２】
記述した従来の技術の構成では、光検出器１３８からの出力信号は、アナログ信号調整ユニット１４０（ＡＳＣ）において、電圧に変換して、増幅することが可能である。次いで、出力電圧信号は、アナログデジタル変換器１４２にさらに提供することが可能であり、そこで、デジタル信号に変換され、その後、ＰＳＤ／デジタル復調器１４４に渡される。ＰＳＤ／デジタル復調器１４４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。そのようなＰＳＤ／デジタル復調器１４４は、光検出器１３８の出力信号から基本周波数ｆｂ、または復調信号生成装置１４６の基本周波数により高次の高調波を加えたものの振幅を抽出して、光検出器１３８に当たる電磁波の相対位相の表示を提供する。この情報は、ジャイロスコープの出力として、ＰＳＤ／デジタル復調器１４４によって提供される。
【００２３】
通常、過剰雑音（たとえば、「相対強度雑音」）を最小限に抑えることを要求するジャイロスコープの設計者は、信号測定の作業点が、回転率の変化につき、最大測定信号変化の特徴的な範囲に常にあるように、ファイバコイル内を反対に伝播する光を位相変調することを要求する技法を使用する。すなわち、角度回転の感知に対するジャイロスコープの感度を最大にすることを要求する設計者は、ジャイロスコープの感度を最大にするために、特定のジャイロスコープの構成について生じることがある最大変調を考慮しなければならない。様々な従来の相対強度雑音または過剰雑音の抑制技法は、参照によって本明細書に完全に組み込まれている、ストランドジョルド（Ｓｔｒａｎｄｊｏｒｄ）らに２００１年３月２０日に発行された米国特許第６，２０４，５２１号明細書に記載されている。
【００２４】
従来の技術に見られる過剰雑音低減技法の１つのタイプは、「減算」技法と呼ばれ、これを図２を参照して示す。図２では、図１と同じ参照符合は、同様の動作の同様の構成要素を示す。図１に示したものとは異なり、カプラ１１６のポートｄを向けられる光源１１２の部分が使用される。すなわち、光ファイバ部分１３４に向けられる光信号は、第２光検出器２５０にさらに提供され、そこで、信号は、第２光電流に変換される。光検出器２５０によって生成された第２光電流は、可変利得増幅器２５１にさらに提供され、そこで、増幅され、その後、アナログアダー２５３に提供される。
【００２５】
同様にして、カプラ１１６は、光信号を、ポートｂおよび光ファイバのファイバ部分１３６を介して第１光検出器１３８に提供する。次いで、第１光検出器１３８は、信号を第１光電流に変換し、第１光電流は、次いで、アナログアダー２５３に提供される。アナログアダー２５３は、アナログ信号を組み合わせるための任意の変換アダーとすることが可能であることを理解されたい。したがって、アナログアダー２５３において、第１光電流および第２光電流は加算されて、ＡＳＣ１１６に提供される加算光電流を生成する。
【００２６】
理想的な光学構成要素では、第１光検出器１３８および第２光検出器２５０において観測される過剰雑音は、相関される。すなわち、コイル固有周波数においてバイアス変調で動作する光ファイバ・ジャイロスコープでは、奇数高調波を含む固有周波数において生じる光検出器１３８における過剰雑音は、同じ周波数において生じる光検出器２５０における雑音とは、位相が１８０度ずれている。したがって、光検出器２５０からの適切に利得調整された信号を、光検出器１３８からの信号に追加することによって、過剰雑音に関連するアダー２５３の出力における雑音は、理想的な構成要素を使用するジャイロの固有周波数および奇数高調波においてゼロに低減される。しかし、偏光クロストークなど、実際の光学構成要素の不完全性により、過剰雑音が実際に低減される程度は限定される。
【００２７】
「減算」技法の追加の利点は、高レベルの過剰雑音低減を有するために、光検出器２５０からの信号の振幅調整は、比較的精確でなければならないことである。具体的には、振幅調整の量は、光検出器１３８および２５０の応答性、増幅器２５１の利得、バイアス変調振幅、およびファイバカプラ１１６から多機能チップ１２２ならびにファイバコイル１１０を経て再びファイバカプラ１１６を経て光検出器１３８ならびに２５０に伝播する光波の光損失など、多くのシステムパラメータに依存する。さらに、システムパラメータが、ジャイロの老朽化に伴い、時間と共に変化する際に、振幅調整におけるこれらのシステムの誤差が増大することに留意することが重要である。
【００２８】
システムパラメータの変化は、たとえば放射に暴露される宇宙応用分野、または時間の経過に伴い光損失を増大させるコイルファイバの老朽化機構に遭遇する潜水艦ナビゲーション応用分野など、高性能光ファイバ・ジャイロスコープを使用するシステムにおいて、よりいっそう顕著になる（この老朽化機構は、現時点ではよく理解されていない）。これらのシステムでは、検出器２５０からの信号に対して行われる振幅調整は、留意したシステムパラメータに関してしばしば容易に生じるドリフトを追跡するために、通常、更新されなければならない。したがって、パラメータの更新は、通常、可変利得増幅器を使用することによって実施され、この場合、利得制御２５２は、光検出器１３８および２５０において検出される光のレシオメトリック測定に基づいて調整される。レシオメトリック測定を実施するために使用される可変利得増幅器および回路は、望ましくない複雑さをジャイロスコープの設計および動作に追加することを理解されたい。
【００２９】
しかし、「減算」技法に固有の欠点は、過剰雑音サーボを実施することによって、通常、克服することが可能であることに留意されたい。一般に、過剰雑音サーボの使用は、超蛍光ファイバ光源の一部をサーボに提供することを通常含み、サーボは、提供された光を使用して、光源ポンプ電流（たとえば、負のフィードバック）を制御する。このようにして、超蛍光ファイバ光源の光出力強度は、ポンプ電流の関数となり、それにより、光出力の強度のランダムな揺らぎは、ポンプ電流レベルの適切な変化を加えることによって、消去することが可能である。
【００３０】
しかし、高性能光ファイバ・ジャイロスコープがエルビウム・ファイバを使用した場合、サーボ制御と共に減算技法を使用することは、実現不可能であると見なされたことにさらに留意されたい。すなわち、従来の高性能光ファイバ・ジャイロスコープの通常のバイアス変調周波数ｆｂは、約２０ｋＨｚから５０ｋＨｚとすることが可能であることを理解されたい。さらに、当業者なら、従来の高性能光ファイバ・ジャイロスコープの基本復調周波数は、バイアス変調周波数と同じとすることが可能であることを理解するであろう。以下で式（１）によって示すように、復調器の出力雑音は、基本周波数および奇数高調波における入力雑音に依存する。したがって、式（１）を慎重に調査することにより、角度ランダムウォークに対する過剰雑音の影響を低減するために、過剰雑音は、通常、復調周波数の基本波、３次高調波、および５次高調波において低減されることが明らかになる。
【００３１】
【数１】
2005515410.tif 000003
【００３２】
しかし、高性能エルビウム・ファイバ光学ジャイロスコープでは、復調の基本波、３次高調波、および５次高調波において、ジャイロスコープ・システムの過剰雑音を低減することは、エルビウム・ファイバ（たとえば、エルビウム原子）の上準位（ｕｐｐｅｒ  ｓｔａｔｅ）寿命が、どの程度迅速に出力光を制御することができるかを限定するので、実現不可能であると考えられていた。すなわち、これまで、光ファイバ・ジャイロスコープの設計者は、約１００ヘルツの後では、エルビウム・ファイバの周波数応答は、ポンプ電流を介したジャイロスコープの過剰雑音出力の制御には無効であると考えていた。さらに、エルビウム・ファイバ光源の光出力は、２０ｋＨｚから５０ｋＨｚの範囲の強度の変化を管理するように十分迅速に制御することができないと考えられていた。さらに、設計者は、過剰雑音サーボが、エルビウム・ドープ光ファイバを使用するシステムにおいて動作することができる帯域幅は、１００Ｈｚ未満に限定されると考えていた。
【００３３】
しかし、エルビウム・ファイバの周波数応答に関する最近の実験は、予測されていなかった異なる結果をもたらした。すなわち、カットオフ周波数後のエルビウム・ファイバの周波数応答の調査は、カットオフ周波数後のロールオフ（ｒｏｌｌｏｆｆ）により、相対強度雑音サーボの制御を強化することが可能であるという点で、光ファイバ・ジャイロスコープ技術における使用に適していることが判明した。たとえば、エルビウム・ファイバのカットオフ周波数後、１５５０ｎｍのエルビウム・ファイバ強度に提供される約１４８０ｎｍのポンプ強度は、３ｋＨｚ周波数応答を有し、かつ３ｋＨｚのカットオフ周波数後、ポンプエルビウム・ファイバの組み合わせの強度ロールオフは、管理し易い６ｄｂ／オクターブであることが判明した。したがって、エルビウム・ファイバの予測されていなかった特性により、少なくとも１００ＫＨｚから５００ｋＨｚの帯域幅を有する相対強度雑音サーボの構築が可能となることが判明した。これにより、光ファイバ・ジャイロスコープ復調器の出力において、４のファクタの雑音低減が実現される。
【００３４】
これまで、エルビウム原子の比較的長い上準位寿命が、光強度のあらゆる制御を１ｋＨｚよりかなり低く限定するという誤った考えのために、エルビウム・ファイバの特性を使用して、光ファイバシステムの利得を向上させることは、試行されていなかった。それを調査する（リー、この主張を支持する記述原典を引用されたい）。
【００３５】
したがって、復調の基本波、３次高調波、および５次高調波におけるジャイロスコープ・システムの過剰雑音の低減に使用されるシステムが必要であり、このシステムにより、エルビウム・ファイバによってジャイロスコープに提供される利得を利用することによって、角度ランダムウォークおよび相対強度雑音をさらに制御することが可能になる。エルビウムを使用して過剰雑音ジャイロスコープを制御する現在機知の制御方法は、具体的には、過剰雑音を限定し、かつ低周波数においてポンプ電流制御を提供する能力について、依然として不十分である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００３６】
（発明の実施形態の概要）
従来の技術の欠点の多くに対処する、高性能光ファイバ・ジャイロスコープの相対強度雑音を低減する方法およびシステムの様々な実施形態を提供する。より具体的には、エルビウム・ドープ・ファイバの利得特性に起因する利得に応答してエルビウム・ドープ光源によって提供される光の強度を維持することによって、エルビウム・ドープ光ファイバ・ジャイロスコープに存在する過剰雑音を低減する様々な方法およびシステムを本明細書において提供する。
【００３７】
様々な態様によれば、光ファイバ・ジャイロスコープの相対強度雑音を抑制するシステムが提供される。該システムは、エルビウム・ファイバの周波数応答を利用して、ポンプ電流の変化を制御し、したがって、ジャイロスコープ光源の揺らぎを制御する。具体的には、様々な実施形態は、ポンプ電流を制御する安定な制御ループフィードバック設計を容易にするために、エルビウム・ファイバ周波数応答を使用する。より具体的には、本発明は、３ｋＨｚより大きいエルビウム・ファイバの周波数応答が、３ｋＨｚよりはるかに大きい帯域幅を有する相対強度雑音制御ループを見込む６ｄＢ／オクターブのロールオフを有する積分器を厳密に模倣するという最近の発見を利用する。このタイプの周波数応答により、２０ｋＨｚから２００ｋＨｚまたはそれより高い周波数範囲において高い正の利得を有する安定なループが提供される。
【００３８】
１つの例示的な態様によれば、エルビウム・ファイバ光源の一部（たとえば、「光信号」）が、エルビウム光源の光強度の揺らぎを検出するために、光検出器に提供される。光検出器は、信号を増幅する前に、光信号を電気信号に変換する。一定直流（ｄｃ）信号が、増幅信号に印加され、次いで、組み合わせ信号は、ポンプ注入電流ドライバの電流制御入力にさらに提供される。ドライバの出力は、注入電流であり、これは、ポンプレーザに供給されて、光電力に変換される。次いで、光電力は、エルビウム・ファイバ光源に提供され、この光源により、エルビウム・ファイバは、公称強度レベルを表す波長の光を放出する。
【００３９】
本発明の他の態様によれば、過剰雑音または相対強度雑音の存在によって生じる光強度の揺らぎは、制御ループを介して低減され、この場合、低減の量は、制御ループの開ループ利得の関数である。制御ループの開ループ利得は、エルビウム・ファイバによりループに提供される追加の利得によって改善される。
【００４０】
本発明の他の態様によれば、エルビームドープ光源に起因するシステム全体に対する利得に応答して、エルビウム・ドープ光源の強度の揺らぎの制御を容易にするために、サーボ制御が提供される。
【００４１】
なお、本発明のより完全な理解は、同じ符合が同じ要素を表す添付の図面の図と関連して記述される本発明の様々な例示的な実施形態を参照することによって、得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明は、機能ブロック構成要素および様々な処理工程の観点で本明細書において記述することが可能である。そのような機能ブロックは、特定の機能を実施するように構成される任意の数のハードウエアおよび／またはソフトウエア構成要素によって実現することが可能であることを理解されたい。たとえば、本発明は、１つまたは複数のマイクロプロセッサもしくは他の制御装置の制御下において様々な機能を実施することが可能であるメモリ要素、処理要素、論理要素、ルックアップ表などの様々な集積回路または光学構成要素を使用することが可能である。同様に、本発明の要素が、ソフトウエアプログラミングまたはソフトウエア要素を使用して実施される場合、本発明は、Ｃ、Ｃ＋＋、ジャバ、アセンブラなどの任意のプログラミング言語またはスクリプト言語で実施することが可能であり、様々なアルゴリズムは、データ構造、オブジェクト、プロセス、ルーチン、または他のプログラミング要素の任意の組み合わせで実施される。さらに、本発明は、電子工学構成、光学構成、信号処理および／または制御、データ処理などについて、任意の数の従来の技法を使用することができることに留意されたい。
【００４３】
本明細書において示し、記述する具体的な実施態様は、本発明の例示であり、本発明の範囲を限定することを全く意図しないことをさらに理解されたい。実際、簡略化のために、従来の電子機器、制御システム、光学機器、ソフトウエア開発、およびシステム（ならびにシステムの個々の動作構成要素の構成要素）の他の機能的な態様は、本明細書において詳細には記述しない可能性がある。さらに、本明細書に含まれる様々な図の接続線またはコネクタは、様々な要素間の例示的な機能上の関係および／または物理的もしくは論理的な結合を表すことを意図する。多くの代替または追加の機能的な関係、物理的な接続または論理的な接続が、実際のセンサ装置に存在する可能性があることに留意されたい。さらに、要素が、本明細書において「不可欠」または「必須」であると具体的に記述されていない限り、項目または構成要素は、本発明の実施に不可欠ではない。
【００４４】
さらに、本発明は、高性能ジャイロスコープの観点で本明細書において記述されるが、本発明は、そのように限定されないことを理解されたい。たとえば、本発明の理解を容易にするために、温度センサ、歪みセンサ、および／または磁気計、もしくはエルビウム・ファイバを使用する同様のセンサなど、様々な従来の光ファイバシステムの観点で、本発明を記述することが可能である。本発明から利益を得ることが可能である通常のジャイロスコープ・システムの技術には、たとえば、１９９８年６月１６日にストランドジョルド（Ｓｔｒａｎｄｊｏｒｄ）に発行された米国特許第５，７６７，９６８号明細書、１９９８年７月１４日にストランドジョルド（Ｓｔｒａｎｄｊｏｒｄ）らに発行された米国特許第５，７８１，３００号明細書、１９９９年１２月７日にサンダーズ（Ｓａｎｄｅｒｓ）らに発行された米国特許第５，９９９，３０４号明細書（これらは、すべて、参照によって本明細書に組み込まれている）に記載されたジャイロスコープが含まれる。これらは、すべて、十分に本発明の範囲内にあると見なされる。
【００４５】
本発明の様々な例示的な実施形態によれば、光ファイバセンサ（および関連する動作方法）が生成され、高度に相互性の光路がジャイロスコープの２つ以上の光ビームに提供される。実際、センサの光学部分を通って伝播する様々なビームが取る経路は、ビーム間の変調を含む光学回路の部分を除いて、同一とすることが可能である。干渉センサ（干渉光ファイバ・ジャイロスコープなど）と関連して使用されてきた様々な従来の技法（製造技法、変調技法、および信号処理技法など）のいずれかを、本発明と共に使用することが可能であることが理解されるであろう。さらに、様々な代替実施形態において本明細書で記述する構成要素の代わりに、大型の光学機器構成要素（カプラなど）を代用することが可能である。
【００４６】
さらに、本明細書では、様々な増幅器、およびより高い利得ならびにより鋭敏な周波数応答を実施する様々な回路に関して、例示的な実施形態を記述するが、そのような回路は、フィードバック回路において使用される任意の適切な制御を備えることが可能であることを理解されたい。
【００４７】
光ファイバ・ジャイロスコープの過剰雑音または相対強度雑音を制御するためにサーボを使用することに関して、ポンプ電力の変化に対する周波数応答によって決定されるサーボの帯域幅は、光源１１２に含まれるエルビウム・ドープ光ファイバの存在のために、約３ｋＨｚに限定されると考えられていたことに留意されたい。しかし、以下でより完全に記述するように、図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂは、１００Ｈｚを超えるエルビウム周波数応答のより精確な記述を示す。すなわち、図からわかるように、エルビウム原子の上準位寿命は、ジャイロスコープの設計者によって以前に考えられていたものとは大きく異なる応答を有する。最近発見されたエルビウム周波数応答の利益を完全に理解することを補助するために、エルビウムを使用し、かつ光の揺らぎを制御するためにフィードバックループを使用する例示的な光ファイバ・ジャイロスコープについて、多様に含まれている図を参照して、以下で記述する。
【００４８】
図３は、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ、ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃ）の例示的な実施形態のブロック図であり、光ファイバ・ジャイロスコープ・システム３００は、ポンプ注入装置電流ドライバ３７５を介したポンプレーザ３７７への負のフィードバックを含む。「負のフィードバック」を使用する技法は、通常、光ファイバ・ジャイロスコープによって生成されている信号の一部がフィードバックされ、光源１１２によって生成される信号と比較されることを通常必要とする。このようにして、光ファイバ・ジャイロスコープに導入される歪みは、通常、事前訂正して、ほぼ排除することが可能である。その結果、光ファイバ・ジャイロスコープ・システムは、電源の揺らぎおよび電子構成要素の性能にもかかわらず、ほとんど歪みのないようにすることが可能である。
【００４９】
図３に関して、負のフィードバック３００を使用する例示的な光ファイバ・ジャイロスコープには、光源１１２、光ファイバカプラ１１６、多機能集積光学チップ１２０、ファイバコイル１１０、第１光検出器回路１３８および第２光検出器回路２５０、ならびにサーボ制御７２０が含まれる。サーボ制御７２０には、周波数フィルタ３７１、ｄｃ基準電圧３７２、アダー（たとえば、加算器）３７３、およびポンプ注入電流ドライバ３７５がさらに含まれる。図からわかるように、光源１１２には、ポンプレーザ３７７、およびエルビウム・ファイバ・アセンブリ３７８がさらに含まれる。
【００５０】
図１、２、および３に関して記述された要素と同じ要素は、同様の構造および／または動作を有することに留意されたい。さらに、光検出器１３８は、図１および２に関して記述したシステムなど、ジャイロ出力信号を提供するための任意の適切なシステムに接続することが可能であり、様々なＡＳＣ、Ａ／Ｄ変換器、変調器、復調器などを含むことが可能である。さらに、光源１１２は、ファイバカプラ１１６に適切に結合することが可能であり、ファイバカプラ１１６は、図１および２に関して記述したのと同様の方式で、光検出器１３８および２５０に適切に結合することが可能である。さらに、ファイバカプラ１１６は、図１および２においても示したように、光ファイバ１１８を介して、ｙ接合部１３２を含む多機能集積チップ、およびジャイロスコープコイル１１０に結合することが可能である。
【００５１】
光ファイバ・ジャイロスコープ・システム１００の様々な構成要素を相互接続する光ファイバ（ファイバ１１４、１１８、１２４、１２６、１３４、および１３６など）は、構成要素間で光を向けることができる任意の種類の光ファイバとすることが可能であることに留意されたい。様々な実施形態において、光ファイバは、単一光モードを向けることができる単一モードファイバであり、それにより、所望の信号処理モードを分離するために、光ファイバ・ジャイロスコープ・システム３００において様々なフィルタを必要とすることはない。光ファイバは、具体的には光学回路に偏光子を含まない実施形態では（図３に示した実施形態など）、偏光維持ファイバとすることも可能である。偏光維持光ファイバを使用しない場合、様々な代替実施形態は、集積光学チップ１２０において、またはカプラ１１６と光学チップ１２０との間など、光学回路のあらゆる場所に光学偏光子を含むことが可能である。
【００５２】
カプラ１１６は、別々のファイバを伝播する光信号を接合することができる任意の結合装置とすることが可能である。例示的なカプラは、グールドエレクトロニクス（Ｇｏｕｌｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、メリーランド州ミラーズビル在）からＭｏｄｅｌ  ＰＭ−１００５５−０５２ＵＶ０１として入手可能な従来の２×２カプラを含む。代替として、ファイバ１１４ならびに１３６、および／または１１８ならびに１３４は、カプラを形成するように接合することが可能である。カプラは、カプラの適切な位置において各ファイバのクラッディングをはぎ取り、２つのファイバのコアを共に配置して、熱および光学張力を加えることにより、コアを１つに融合することによって形成される。
【００５３】
多機能集積光学チップ（ＩＯＣ、ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃｓ  ｃｈｉｐ）１２０は、ｙ接合部１３２および少なくとも１つの変調器１２８を含むことが適切である。様々な実施形態において、多機能集積光学チップ１２０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、または印加された電圧に応答して光速に影響を与える他の材料から形成される。代替として、多機能集積光学チップ１２０は、ＪＤＳユニフェーズコーポレーション（ＪＤＳ  Ｕｎｉｐｈａｓｅ  ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  、コネチカット州ブルームフィールド在）から入手可能なモデル１００２２２５０など、任意の従来の光学スプリッタ／変調器組み合わせとすることが可能である。多機能集積光学チップ１２０は、源１１２からチップを経て光を誘導する導波路（集積光学チップ１２０において実線で示す）を含むことが適切である。経路は、カプラ１１６からの光を２つの経路１２２および１３０に分割するｙ接合部１３２を含むことが可能である。ｙ接合部１３２は、また、経路１２２および１３０において受光された光を、適宜、再び組み合わせる。１つまたは複数の光学位相変調器１２８（経路１２２および／または１３０の付近で、多機能集積光学チップ１２０において電極として実施することも可能である）も提供され、位相変調器１２８によって生成される変調信号に応答して、経路１２２および１３０をそれぞれ通過する光に位相シフトを生成する。様々な代替実施形態では、以下でより完全に記述するように、多機能集積光学チップ１２０を、カプラ、スプリッタ、変調器（圧電変調器など）など、異なるが等価な構成要素と置き換えることが可能である。
【００５４】
光検出器２５０は、ポンプレーザ誤差信号を光ファイバ３７６を介して光源１１２に提供するために、負のフィードバックループ３０２にさらに接続される。１つの例示的な実施形態では、フィードバックループ３０２は、光検出器２５０に電気的に結合された高域通過増幅器３７１、ｄｃ基準電圧３７２、高域通過増幅器３７１ならびにｄｃ基準電圧３７２に電気的に結合されたアダー３７３、およびアダー３７３ならびに光源１１２に電気的に結合されたポンプ注入電流ドライバ３７５を含むことが適切である。様々な実施形態によれば、光源１１２は、図１に関して記述した同様の要素と同様の構造および動作を有することが可能であり、この場合、光源には、エルビウム・ファイバ・アセンブリ３７８およびポンプレーザ３７７が含まれる。
【００５５】
様々な実施形態によれば、高域増幅器３７１は、入力キャパシタ／抵抗並列組み合わせ、およびフィードバック抵抗を有する演算増幅器とすることが可能である。ＤＣ基準電圧３７２は、高域通過増幅器３７１の出力を加えるのに適切な基準電圧（たとえば、２．５Ｖ）を提供することができる任意の源とすることが可能である。たとえば、ｄｃ基準電圧３７２は、ＩＣディップ・パッケージ（ｄｉｐ  ｐａｃｋａｇｅ）にある基準電圧の一部として得ることが可能である（リー、ｄｃ基準電圧をこのシステムに提供するのに適している特有の構造を提供されたい）。さらに、アダー３７３は、少なくとも２つの電気信号を組み合わせて、加算電気信号を提供することができる任意の要素とすることが可能である。たとえば、アダー３７３は、たとえば演算増幅器の加算接合部への共通の接続を有する２つの抵抗など、デジタルまたはアナログの加算器とすることが可能である。さらに、ポンプ注入電流ドライバ３７５は、電流信号をポンプレーザ３７７に提供することができる任意の電流ドライバとすることが可能である。様々な実施形態と共に使用される通常のポンプ注入電流ドライバは、通常、演算増幅器、いくつかの抵抗およびキャパシタを有する電力トランジスタからなることが可能である。通常のポンプ注入電流ドライバの構造は、当技術分野では周知であるので、本明細書では詳細には議論しない。
【００５６】
光源１１２は、光源１１２によって放出される光の強度を制御するために、エルビウム・ドープ・ファイバ・アセンブリ３７８およびポンプレーザ３７７を使用する任意の通常の光源とすることが可能である。様々な実施形態と共に使用される通常の源は、参照によって本明細書に組み込まれている「Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」（ジョン・ウィリー＆サンズインク、ニューヨーク在）１９９４に記載されている。
【００５７】
１つの例示的な実施形態では、フィードバックループ３０２は、光検出器２５０の出力を受け取り、光源１１２に提供されるフィードバック信号を計算することができる任意の処理回路を適切に含むことが可能である。たとえば、フィードバックループ３０２は、光ファイバ出力およびフィードバック信号の計算に適している、任意の従来のマイクロプロセッサ、マイクロ制御装置、デジタル信号プロセッサ、プログラムアレイ論理（ＰＡＬ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、任意の適切な信号濾波システム、加算器または注入ドライバなどを含むことが可能である。
【００５８】
他の例示的な実施形態では、負のフィードバックループ３０２は、電気コネクタ３７０を介して光検出器２５０に結合され、かつコネクタ３０４を介してアダー３７３に結合された高域通過濾波システム３７１をさらに含む。アダー３７３は、コネクタ７０６を介してｄｃ基準電圧３７２を提供するシステムにさらに接続され、かつコネクタ７０８を介してポンプ注入電流ドライバ３７５にさらに接続される。さらに、ポンプ注入電流ドライバ３７５は、コネクタ３７６を介して光源１１２のポンプレーザ３７７にさらに接続される。
【００５９】
光検出器１３８および２５０は、ファイバ１３６および１３４から放出される光の強度（すなわち、振幅）を検出することができる任意の回路とすることが可能である。様々な実施形態では、光検出器回路１３８および２５０は、入射光の強度に応答して電気電流を伝達する光ダイオードを含むことが適切である。光検出器回路１３８および２５０は、ＡＳＣ１３８、増幅器２５１などのいずれかに適宜提供されるデジタル信号またはアナログ信号を生成する回路または他の構成要素をも含むことが可能である。多くの従来の光検出器回路１３８および２５０が、センサ１００に適用することが可能である光ファイバ・ジャイロスコープまたは他のセンサと共に使用するために開発されてきた。様々な実施形態では、光検出器１３８および２５０は、ＦＥＴトランジスタ、演算増幅器、抵抗ならびにキャパシタ、および光ダイオードからなることが可能である。本発明と共に使用することが可能である光ダイオードの例には、ＪＤＳユニフェーズ（ニュージャージー州ウエストトレントン在）から入手可能なモデルＥＸＴ３００Ｔがある。光検出器１３８および２５０の応答は、入射光の波長に依存する可能性がある。したがって、光検出器１３８および２５０は、光ファイバ・ジャイロスコープ・システム３００を経て伝播する光の波長に対応するように選択することが可能である。
【００６０】
信号のフィードバックおよび濾波の様々な実施形態について、様々な光ファイバ・ジャイロスコープ装置と関連して開示してきたが、あらゆる光ファイバ・ジャイロスコープ電子機器は、センサ３００において使用するように容易に適合させることができることにさらに留意されたい。たとえば、システム３００は、調整出力信号を生成するように、信号の濾波および処理を光検出器２５０に適切に組み込むことが可能である。図３に示した実施形態は、フィードバック駆動構成または「閉ループ」構成、ならびに光検出器２５０の出力に関係なく変調信号を生成する「開ループ」（すなわち、無フィードバック）構成において動作することが可能であることを理解されたい。
【００６１】
動作中、光検出器２５０は、光検出器２５０に当たる光の強度を表す電気信号を高域通過増幅器３７１に提供する。高域通過増幅器３７１は、電気信号を１単位から１００の利得で増幅し、その後、信号をアダー３７３に提供する。利得の量は、カプラ１１６の結合比、ポンプ電流ドライバ３７５の電圧対電流利得、および光源１１２の効率など、様々なファクタに依存する。ＤＣ基準電圧要素３７２は、約２．５Ｖのｄｃ基準電圧をアダー３７３にさらに提供する。アダー３７３は、高域通過増幅器３７１およびｄｃ基準電圧要素３７２によって提供された信号を、電流制御入力３７９を介してポンプ注入電流ドライバ３７５に提供される加算信号にさらに加算する。ポンプ注入電流ドライバ３７５は、通常、加算信号を、光源１１２のポンプレーザを制御するように使用される電気信号に変換することが可能である。
【００６２】
加算信号は、ポンプ注入電流ドライバ３７５の電流制御入力３７９にさらに提供され、そこで、光源１１２のポンプレーザ３７７にさらに提供される。ポンプレーザ３７７は、光電力を生成し、この光電力は、エルビウム・ファイバ・アセンブリ３７８のエルビウム・ファイバに提供（たとえば、「注入」）される。ポンプレーザ３７７からのこの光により、エルビウム・ファイバは、ポンプ光の波長とは異なる波長の光を放出する。すなわち、エルビウム・ファイバは、波長が１５５０ｎｍの光を放出する。
【００６３】
検出器２５０における光強度の揺らぎは、高域通過増幅器３７１、アダー３７３、ポンプ注入電流ドライバ３７５、光源アセンブリ１１２、ファイバカプラ１１６、および検出器２５０によって形成される制御ループの利得によって低減されることを理解されたい。さらに、通常の実施形態では、低減される量は、制御ループの開ループ利得に部分的に依存することが適切である。すなわち、特定の周波数における開ループ利得が大きくなると、その周波数において低減される強度の揺らぎの量が大きくなる。これは、一部には、より高いループ利得が、低周波数回転に対する実施形態の感度を増大させ、それにより、わずかな信号の揺らぎでジャイロスコープの回転を適切に評価することが可能であるからである。
【００６４】
追加の開ループ利得、したがって、追加の雑音低減は、２次の負のフィードバックループを使用することによって実現することができることに留意されたい。図６Ａは、ポンプ注入電流ドライバ３７５を介したポンプレーザ３７７への負のフィードバックを使用する光ファイバ・ジャイロスコープの他の例示的な実施形態のブロック図であり、２次の負のフィードバックループが使用される。図からわかるように、図６Ａに示した回路は、図３に示した回路とほぼ同じであり、したがって、図３および図６Ａの同じ要素は、ほぼ同様の動作および性能を有する。しかし、図６Ａは、高域通過増幅器３７１とアダー３７３との間に配置することが可能である進み遅れ（ｌｅａｄ−ｌａｇ）回路６１０を含むことに留意されたい。
【００６５】
進み遅れ回路６１０は、より高いループ利得を有する安定なフィードバックループを可能にする任意の従来の構成とすることが可能であり、これにより、図３に示した回路より雑音は大きく低減される。図６Ｂは、図６Ａと共に使用される例示的な進み遅れ回路を示すが、他の適切な回路を使用することが可能である。１つの特定の実施形態では、進み遅れ回路６１０は、キャパシタ６０３と並列に接続された抵抗６０２、および演算増幅器６０４の負の端子６０５に接続された付加抵抗を含むことが可能である。キャパシタ６０３および抵抗６０２の値は、回路６１０の時定数を制御するのに適切な値とすることが可能である。たとえば、キャパシタ６０３および抵抗６０２の値は、回路６１０の周波数応答を適切に制御するように選択することが可能である（たとえば、時定数＝抵抗×キャパシタ）。
【００６６】
進み遅れ回路の構造および動作は、周知である。したがって、進み遅れ回路６１０の構造および動作について、本明細書では詳細には議論しない。進み遅れ回路６１０は、離散要素を使用して記述されているが、回路６１０は、たとえば、任意の集積回路、ソフトウエアの実施態様など、任意の適切な進み遅れ回路を使用して実施することが可能であることに留意されたい。
【００６７】
以前に記述したように、ジャイロスコープの設計者は、ループの全利得を一単位よりはるかに大きい周波数に増大させることによって、３ｋＨｚを超えてサーボの帯域幅を増大させることを試行した。しかし、使用される電流ポンプの電流限界を超えて利得を増大させることは、ポンプを電流雑音で飽和させると考えられていたので、エルビウム・ファイバを使用するシステムにおけるサーボの帯域幅は、約１００Ｈｚに限定されるとさらに考えられていた。しかし、図４Ａ〜Ｂおよび５Ａ〜Ｂに示すように、エルビウム・ファイバの周波数応答は、ポンプを飽和させず、代わりに、サーボの帯域幅が１００Ｈｚを超えるように、利得をフィードバック・システムに追加する。これは、３ｋＨｚより高い周波数における開ループ利得のレベルの増大に備える。すなわち、エルビウム周波数応答を利用することによって、高性能ジャイロスコープの設計者は、フィードバック・システム全体の利得を増大させることが可能であり、したがって、過剰雑音または相対強度雑音に対するより優れた回路応答を見込む。
【００６８】
図４Ａ〜４Ｂには、図３および６Ａ〜Ｂに示したような、簡単な過剰雑音サーボの開ループ利得を示す通常のボーデ・プロット（Ｂｏｄｅ  ｐｌｏｔ）が示されている。具体的には、図４Ａは、制御ループの様々な段階中に生じる利得を示す。たとえば、曲線４６０は、本発明において使用される高域通過フィルタ３７１の利得の通常のボーデ・プロットであり、これは、より低いカットオフ周波数ｆ１およびより高いカットオフ周波数ｆ４を有し、ｆ１は、約１Ｈｚから１００Ｈｚとすることが可能であり、ｆ４は、数１０メガヘルツより大きいとすることが可能である。さらに、曲線４６１は、光検出器２５０の利得の通常のボーデ・プロットであり、これは、通常、数メガヘルツより通常大きい低域通過カットオフ周波数ｆ３を有することが可能である。さらに、曲線４６２は、エルビウム・ファイバ光源の例示的な利得のボーデ・プロットであり、これは、通常約１ｋＨｚから３ｋＨｚである低域通過カットオフ周波数ｆ２を有する。
【００６９】
上記で留意したように、エルビウム・ファイバの周波数応答は、エルビウム原子の上準位寿命の関数であり、さらに、曲線４６２によって示すように、エルビウム・ファイバの周波数応答は、高域通過フィルタ３７１および検出器２５０の周波数応答と組み合わされたとき、ポンプレーザが雑音電流で飽和されないようなものである。すなわち、図３の簡単過剰雑音制御ループの正味（たとえば、加算合計）の開ループ利得を表す図４Ｂの曲線４６３によってわかるように、エルビウム・ファイバの周波数応答は、単位ループ利得の領域において、約６ｄＢ／オクターブのループ利得ロールオフを可能にすることが適切である。したがって、エルビウム・ファイバに起因する利得を含むことによって、ループの周波数応答は安定する。さらに、光源の強度を制御するために負のフィードバックを使用する通常のジャイロスコープの設計では、ループ利得は、単位利得周波数が、光検出器２５０のカットオフ周波数ｆ３より小さくなるように、通常、限定することが可能である。すなわち、光検出器２５０は、通常、約ｆ３において周波数ロールオフを提示するので、フィードバックループの他の電子構成要素（たとえば、アダーポンプ注入電流ドライバ、広域通過フィルタなど）に対する光検出器２５０の周波数応答は、通常、どの程度の雑音低減が実現されるかを限定する。
【００７０】
図５Ａ〜Ｂに関して、ボーデ・プロットは、図６Ａ〜Ｂに示した２次フィードバックループの開ループ利得を示す。具体的には、図５Ａは、図６Ａ〜Ｂの制御ループの様々な段階の利得を示し、したがって、曲線５６０は、本発明において使用される高域通過フィルタ３７１の利得の通常のボーデ・プロットであり、下限カットオフ周波数ｆ１（たとえば、約１Ｈｚから１００Ｈｚまで）および上限カットオフ周波数ｆ４（たとえば、約数十メガヘルツ以上）を有する。さらに、曲線５６１は、光検出器２５０の利得の通常のボーデ・プロットであり、これは、通常、低域通過カットオフ周波数ｆ３（たとえば、約数メガヘルツ以上）を有することが可能である。さらに、曲線９６２は、エルビウム・ファイバ光源の利得のボーデ・プロットを表し、これは、低域通過カットオフ周波数ｆ２（たとえば、約１ｋＨｚから３ｋＨｚまで）を有する。さらに、曲線５２０は、図６Ａ〜Ｂに示した進み遅れ回路６１０の周波数応答の利得の通常のボーデ・プロットである。さらに、図５Ｂの曲線５２１は、図６Ａの２次制御ループの利得全体の通常のボーデ・プロットである。
【００７１】
進み遅れ回路６１０を導入することによって、光検出器２５０のカットオフ周波数ｆ３未満において、より高い利得を得ることが可能である。フィードバックループの周波数応答は２次なので、進み遅れ回路は、より低い周波数においてより高い利得を与えるが、ｆ６より大きい平坦周波数応答を有する。ｆ６が適切に選択される限り、平坦周波数応答は、制御ループが依然として安定であることを保証する。進み遅れ回路は、ｆ６とｆ３との間では利得を増大させないが、ｆ６未満では、利得を増大させる。さらに、進み遅れ回路を導入することによって、ｆ６より低い周波数（たとえば、約１００ｋＨｚから１ＭＨｚ）では、利得がより迅速に増大する（１２ｄＢ／オクターブ）。当業者なら、周波数ｆ６は、ロールオフ進み遅れ回路が停止する周波数を表し、かつ、図６Ａの抵抗６０２の値およびキャパシタ６０３の値によって決定されることを理解するであろう。この抵抗値およびキャパシタ値は、図６Ｂの進み遅れ回路の時定数を提供する（たとえば、時定数＝Ｒ×Ｃ）。すなわち、周波数ｆ６の後、および単位利得周波数にわたって、開ループロールオフは、６ｄＢ／オクターブであり、したがって、安定なループを見込む。
【００７２】
光ファイバ・ジャイロスコープについて、様々な例示的な実施形態を参照して上記で記述した。しかし、当業者なら、本発明の範囲から逸脱せずに、例示的な実施形態に対し、変更および修正を実施することが可能であることを理解するであろう。たとえば、様々な動作工程、ならびに動作工程を実施する構成要素は、具体的な応用分野および／または光源の偏光状態（たとえば、偏光または減偏光）に応じて、もしくはシステムの動作に関連する任意の数のコスト関数を考慮して、実施することが可能である。たとえば、適切な高域通過周波数応答を有する検出器、または適切な高域通過進み遅れ応答を有する周波数フィルタユニットを提供するなど、様々な構成要素を排除する、修正する、または他の構成要素と組み合わせることが可能である。
【００７３】
さらに、光源が偏光されている場合、本発明は、そのような偏光を支持するのに必要な構造と共に、光ファイバ・ジャイロスコープ・システムに含むことが可能である。
【００７４】
さらに、上述した相対強度雑音抑制システムは、光ファイバ・ジャイロスコープの過剰雑音の抑制に適しているが、システムは、あらゆるシステムにおいて使用することも可能であることに留意されたい。システムでは、たとえば、電流、磁場、歪み、および圧力を測定する他の光ファイバセンサなど、エルビウム・ファイバによって提供される利得を含むことによって、システム全体のループ利得を増大させることが有益である。
【００７５】
さらに、「開ループ」ジャイロ構成において本発明のジャイロスコープ・システムを記述したが、本発明は、そのように限定されないことを理解されたい。たとえば、検出器１３８における信号を回転信号に変換するのに必要な電子機器を追加することにより、本明細書のシステムを、閉ループ構成において記述することが可能である。そのような電子機器は、検出器１３８における信号を調整し、次いで、検出器１３８における信号と加算されるように、フィードバック信号を多機能チップ１２０に提供する従来の方法を含むことが可能である。提供されるフィードバックの量は、ジャイロの回転率の関数とすることが可能である。開ループジャイロスコープ・システムから閉ループシステムへの変換は、よく理解されており、したがって、本発明の範囲内にあると見なされるが、変換の委細については、簡潔にするために、本明細書では議論しない。
【００７６】
これらおよび他の変更または修正は、以下の請求項において述べられるように、本発明の範囲内に含まれることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】デジタル復調器を使用する従来の技術の光ファイバ・ジャイロスコープの概略的なブロック図である。
【図２】過剰雑音を低減するために「減算技法」を使用する従来の技術の光ファイバ・ジャイロスコープの概略的なブロック図である。
【図３】光源の強度を制御するために、ポンプレーザへの負のフィードバックを使用することを示す概略的なブロック図である。
【図４】図４Ａは、過剰雑音制御ループを作成する主な構成要素の周波数に対する開ループ利得を示すボーデ・プロットである。図４Ｂは、過剰雑音制御ループを作成する主な構成要素の周波数に対する開ループ利得を示すボーデ・プロットである。
【図５】図５Ａは、進み遅れ回路を使用して過剰雑音制御ループを作成する主な構成要素の周波数に対する開ループ利得を示すボーデ・プロットである。図５Ｂは、進み遅れ回路を使用して過剰雑音制御ループを作成する主な構成要素の周波数に対する開ループ利得を示すボーデ・プロットである。
【図６】図６Ａは、進み遅れ回路を使用する過剰雑音制御ループの代替方法の概略的図である。図６Ｂは、進み遅れ回路を使用する過剰雑音制御ループの代替方法の概略的図である。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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