(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザから出力される光学ビームを、狭いライン幅および低い周波数ノイズ揺らぎとするための中空コア光ファイバフィルタを提供する。【解決手段】中空コア光ファイバフィルタ１００は、第１端部面１１２および反対側の第２端部面１１４を備える中空コア光ファイバ１１０を含む。また、中空コア光ファイバフィルタ１００は、第１端部面１１２に位置決めされる第１反射端部キャップ４０と、第２端部面１１４に位置決めされる第２反射端部キャップ４１と、を含む。【選択図】図１Ａ
2012252001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空コア光ファイバフィルタ（１００）であって、
第１端部面（１１２）および反対側の第２端部面（１１４）を備える中空コア光ファイバ（１１０）を有し、前記第１端部面および前記第２端部面はファイバ長（Ｌ）を設定し、
前記中空コア光ファイバフィルタ（１００）はさらに、前記第１端部面に位置決めされる第１反射端部キャップ（４０）と、
前記第２端部面に位置決めされる第２反射端部キャップ（４１）と、を有し、
レーザー（２０１）からの光学ビーム（３００）は、前記第１端部面または前記第２端部面の一方に結合され、反対の端部面から出力される光学ビーム（３１０）は、狭いライン幅および低い周波数ノイズ揺らぎを備え、前記第１反射端部キャップ（４０）は第１反射表面（８１）を含み、前記第２反射端部キャップ（４１）は第２反射表面（８２）を含み、前記レーザー（２０１）からの前記光学ビーム（３００）が前記第１端部面（１１２）または前記第２端部面（１１４）の一方に結合されるとき、前記第１反射表面と前記第２反射表面との間に共振キャビティが形成される、中空コア光ファイバフィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載のフィルタ（１０１）であって、前記第１反射端部キャップ（４２）は、
第１反射率（Ｒ１）を備える第１反射表面（８７）と、
前記第１反射表面の反対側の抗反射表面（８３）と、を有し、
前記第２反射端部キャップ（４３）は、
第２反射率（Ｒ２）を備える第２反射表面（８５）と、
前記第２反射表面の反対側の第２抗反射表面（８４）と、を有し、
前記レーザー（２０１）からの前記光学ビーム（３００）が前記第１端部面または前記第２端部面の一方に結合するとき、前記第１反射表面と前記第２反射表面との間に共振キャビティが形成される、フィルタ。
【請求項３】
請求項１に記載の中空コア光ファイバフィルタ（１００）を用いる共振器光ファイバジャイロスコープシステムで用いるための、少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビーム（３１０）を生成する方法であって、前記方法は、
少なくとも１つのスレーブレーザー（１２１）をマスターレーザー（２００）に位相ロックするステップと、
前記少なくとも１つのスレーブレーザーから放射される光学ビーム（３０７）を、前記少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタ（１０２）のそれぞれの第１端部面に結合させるステップと、を有し、それぞれの少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビーム（３１０−１）は、前記少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタ（１０５）の第２端部面（１１４）から出力され、
前記方法はさらに、前記少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタの前記第２端部面から出力される前記少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームを、ファイバ共振器コイル（２４０）の２つのコイル端部面（２４１）の少なくとも１つに結合される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空コア光ファイバフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、回転により生じる共振器キャビティ内でのサニャック効果の測定による信号対ノイズ比を増強するために、ファイバリング共振器キャビティを用いる回転速度測定装置である。ＲＦＯＧ動作の基本原理は、ファイバリング共振器キャビティの回転が共振器軸における非ゼロの成分を備えるときに、時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）の有効共振器経路長が異なるということである。回転によるサニャック効果に比例するＣＷおよびＣＣＷ共振周波数の差を測定することで、ＲＦＯＧは、回転速度を正確に測定することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
レーザーは、ファイバリング共振器にコヒーレント光を提供し、その共振周波数を同定する。半導体レーザーは、レーザー源の低コストの選択肢である。しかし、半導体レーザーは、典型的には、ＲＦＯＧの性能の劣化を導き得る有意な位相ノイズを持つ。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、中空コア光ファイバフィルタに関する。中空コア光ファイバフィルタは、第１端部面および対向する第２端部面を備える中空コア光ファイバを含む。第１端部面および第２端部面は、ファイバ長さを設定する。また、中空コア光ファイバフィルタは、第１端部面に位置決めされる第１反射端部キャップ、および、第２端部面に位置決めされる第２反射端部キャップを含む。レーザーからの光学ビームが第１端部面または第２端部面の一方内に結合されると、対向する端部面からの光学出力は、狭いライン幅であり小さい周波数ノイズゆらぎを備える。
【０００５】
特許請求される発明の様々な実施形態の詳細が添付図面とともに以下で説明される。他の特徴および利点は以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】本発明による中空コア光ファイバフィルタの実施形態のブロック図である。
【図１Ｂ】本発明による中空コア光ファイバフィルタの実施形態のブロック図である。
【図２】本発明による中空コア光ファイバフィルタの実施形態のブロック図である。
【図３】本発明による中空コア光ファイバフィルタの実施形態のブロック図である。
【図４】本発明による、中空コア光ファイバフィルタを含む共振器光ファイバジャイロスコープシステムの一実施形態のブロック図である。
【図５】本発明による、ピグテール強度モジュレータに連結される中空コア光ファイバフィルタの一実施形態のブロック図である。
【図６】本発明による、共振器光ファイバジャイロスコープシステムで使用するための、少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームを生成するための方法の一実施形態のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
性能劣化なしにレーザーを共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）で使用できるようにするために、レーザーの位相ノイズを低減する必要がある。本稿で説明される共振器光ファイバジャイロスコープの実施形態は、周波数安定化参照レーザーを含み、ＲＦＯＧシステムのために低位相ノイズの参照光学ビームを提供する。検出共振器の共振周波数を測定するのに用いられるレーザー（スレーブ）は、参照（マスター）レーザーへのサーボで位相ロックされ、サーボバンド幅内でマスターレーザーの低位相ノイズがスレーブレーザーに伝達される。マスターレーザーは、マスターレーザーの位相／周波数のゆらぎを制御する負のフィードバックループにおいて周波数弁別器を使用することで、周波数安定化される。したがって、スレーブレーザーは、電子光学サーボのバンド幅内で低ノイズを備える。
【０００８】
本稿で説明される共振器光ファイバジャイロスコープの実施形態は、各スレーブレーザーからの出力を受け取るために連結され中空コア光ファイバフィルタを含む。中空コア光ファイバフィルタは、各レーザーの残りの位相ノイズを低減させ、すなわち、サーボバンド幅よりもより高い周波数における位相揺らぎを低減する。中空コア光ファイバフィルタからの出力は、ファイバ共振コイル（ジャイロ検出コイル）の共振をプローブするために用いられる。中空コア光ファイバフィルタは、ＲＦＯＧによる高性能回転測定に必要とされる望ましい特徴を備える。これらの望ましい特徴は、非常に狭いバンド幅、小さいサイズ、高いパワーハンドリング能力、低スプリアスバック反射、製造性、調整性、および低コストへの潜在性を含む。本稿で説明される、中空コア光ファイバフィルタは、非常に精巧であり、狭いライン幅であり、低コストのフィルターである。
【０００９】
図１Ａ−３は、本発明による中空コア光ファイバフィルタの実施形態のブロック図である。図１Ａは、レーザー２０１に連結される中空コア光ファイバフィルタ１００のブロック図である。中空コア光ファイバフィルタ１００は、第１端部面１１２および対向する第２端部面１１４、第１端部面１１２において位置決めされる（接触する）第１反射端部キャップ４０、および第２端部面１１４において位置決めされる（接触する）第２反射端部キャップ４１を備える、中空コア光ファイバ１１０を含む。第１反射端部キャップ４０は、「第１傾斜端部キャップ４０」とも称される。第２端部キャップ４１は、「第２傾斜端部キャップ４１」とも称される。
【００１０】
第１端部面１１２は、中空コア光ファイバ１１０の第１端部において環状表面を含み、環状表面により囲まれる平面を含む。第２端部面１１４は、中空コア光ファイバ１１０の第２端部において環状表面を含み、環状表面に囲まれる平面を含む。本稿で定義されるように、第１端部面１１２および第２端部面１１４へ結合される光またはそこから出力される光は、環状表面に囲まれる平面内または外へ結合され、いくつかの場合、中空コア光ファイバ１１０の環状表面の中または外へ結合される。本稿で使用される「結合」との語は、「光学結合」であり、光源（レーザーまたは光ファイバ）から放射（出力）された光の少なくとも一部（結合効率に依存する）が、受信光ファイバ内に結合される。結合は、光源から受信光ファイバへ直接的に提供することができ（たとえば、バット結合）、または、結合は、光源から光学ビーム出力を整合および案内するために、光源と受信光ファイバとの間に位置決めされる光学素子により提供することができる。結合された光は、受信光ファイバ内を伝播する。結合効率は、光源と受信ファイバとの開口数が一致したときに最大化される。この実施形態の一実施例において、レンズ（図１Ａ−３には図示されていない）は、光源と受信光ファイバとの間に位置決めされ、結合を最適化する。中空コア光ファイバ１１０は、ここでは「ファイバ１１０」とも称される。
【００１１】
図１Ａに示される実施形態において、第１反射端部キャップ４０および第２反射端部キャップ４１は、（ガラスのような）透明材料の傾斜プレート７０であり、その上に反射コーティングがなされる。透明材料の傾斜プレート７０は、ここでは「プリズム７０」とも称される。図１ｉに示されるプリズム７０は、第１表面５５および第２表面５６を備える。
【００１２】
第１傾斜端部キャップ４０は、第１表面５５を含み、これは、反射コーティング８１に基づいて第１反射率Ｒ１を備え、また、第２表面５６を含む。第１傾斜端部キャップ４０の第１表面５５および第２表面５６は、第１鋭角γ１（図１ｉ参照）で交わる平面内にある。第２傾斜端部キャップ４１は、第１表面５５を含み、これは反射コーティング８２に基づいて反射率Ｒ２を備え、また第２表面５６を含む。反射率Ｒ１およびＲ２は、それぞれ、表面へ入射する光の強度に対する（表面から）反射される光の強度の比を示している。第２傾斜端部キャップ４１の第１表面５５および第２表面５６は、第２鋭角γ２で交わる平面内にある。レーザー２０１からの光学ビーム３００は、第１端部面１１２または第２端部面１１４の一方上に結合され、第１傾斜端部キャップ４０の第１表面５５と第２傾斜端部キャップ４１の第１表面５５との間に共振キャビティが形成される。この実施形態の一実施例において、第１鋭角γ１および第２鋭角γ２は等しい。
【００１３】
レーザー２０１からの光学ビーム３００が第１端部面１１２または第２端部面１１４に結合される場合、反対の端部面から出力される光学ビーム３１０（すなわち、それぞれ第２端部面１１４または第１端部面１１２）は、狭いライン幅を備え、低い周波数ノイズ揺らぎを備える。出力光学ビーム３１０の発散は、角度θで示される。反射コーティング８２を通って反対の第２端部面１１４から出力される光学ビーム３１０は、狭いライン幅および低い周波数ノイズ揺らぎを備える。たとえば、光学ビーム３１０は、サーボバンド幅の外側で数Hz/√Hzより実質的に低い周波数ノイズレベルを備えることができる。
【００１４】
また、第１反射コーティング８１は、ここでは第１反射表面８１とも称される。プリズム７０の第１表面５５上の第１反射コーティング８１は、薄いフィルム層９７、９８を含む。プリズム７０の第１表面５５上の薄いフィルム層（たとえば、薄いフィルム層９７、９８）の厚さおよび屈折率は、ともに、ほぼ垂直入射（たとえば、５度内の入射）における光学ビーム３００の波長における光の高反射表面を形成する。薄いフィルム層９７、９８は、低損失で望まれる透過および反射のために設計される複数の誘電体層の例示である。薄いフィルム層９７、９８は、少量の透過である、低損失、高反射率のミラーを提供し、入力端部面１１２または出力端部面１１４に入射する中空コア光ファイバ１１０内を伝播する光は、共振器を生成するようにほとんど全てが中空コア光ファイバ１１０に反射されて戻る。わずかな透過係数により、光の少量がファイバ共振器１００の中および外に結合される。
【００１５】
この実施形態の一実施例において、薄いフィルム層９７または９８の一方だけが、プリズム７０の第１表面５５上に堆積されてコートされ、第１反射表面８１を形成する。
第１反射端部キャップ４０は、中空コア光ファイバ１１０の第１端部面１１２において位置決めされ、第１反射表面８１が第１端部面１１２に隣接する。第１反射端部キャップ４０は、プリズム７０内を伝播する光学ビーム３００のモードフィールドがプリズム７０内で無視できる広がり（発散）を備えるように、中空コア光ファイバ１１０の第１端部面１１２において位置決めされる。
【００１６】
第２反射コーティング８２は、ここでは第２反射表面８２とも称される。プリズム７０の第１表面５５上の第２反射コーティング８２（薄いフィルム層７８、７９）の厚さおよび屈折率は、ほぼ垂直入射（たとえば５度以内の入射）の光学ビーム３００の波長において高い反射率の第２反射表面８２を形成する。第２反射表面８２は、第２反射率Ｒ２を備える。この実施形態の一実施例において、第１反射表面８１および第２反射表面８２は、プリズム７０上の同じ屈折率を備える同一の薄いフィルム層から形成される。この場合、第１反射表面８１および第２反射表面８２は、同一の反射率を備える（すなわち、Ｒ１とＲ２とは等しい）。
【００１７】
第２反射端部キャップ４１は、中空コア光ファイバ１１０の第２端部面１１４において位置決めされ、第２反射表面８２が第２端部面１１４に隣接する。第２反射端部キャップ４１は、中空コア光ファイバ１１０の第２端部面１１４において位置決めされ、プリズム７０内を伝播する光学ビーム３１０のモード場が第２端部面１１４を越えて無視できる広がりを備える。
【００１８】
図１ｉに示されるように、第２表面５６から反射される入射光学ビーム３００の部分は、破線矢印３００´´で示されている。第２表面５６を通過した光学ビーム３００の部分は、矢印３００´で示されている。第１反射表面８１を通過し、中空コア光ファイバに結合される光学ビーム３００´の部分は矢印３０５で示される。
【００１９】
図１に示されるように、光学ビーム３０５は、中空コア光ファイバ１１０を通って伝播し、第２反射表面８２に入射する。第２反射表面８２により反射される光学ビーム３０５の部分（すなわちＲ２）は、矢印３０５´で示されている。光学ビーム３０５´は、中空コア光ファイバ１１０内を伝播し、第１反射表面８１に入射する。図１ｉに示されるように、第１反射表面８１で反射された光学ビームは、矢印３０５´´で示される。光学ビーム３００の波長は、光学ビーム３００´、３００´´、３０５、３０５´、３０５´´、３１０と同じである。
【００２０】
この手法において、レーザー２０１からの光学ビーム３００は、第１端部面１１２内に結合し、第１反射表面８１と第２反射表面８２との間に共振キャビティが形成される。第１鋭角γ１は、中空コア光ファイバ１１０を通って伝播してプリズム７０に入る光学ビーム３０５´の部分（すなわち１−Ｒ１）が、第２表面５６で反射されて中空コア光ファイバ１１０に戻らないことを確保するように選択される。同様に、第１表面５５と第２表面５６との間の第１鋭角γ１は、第１反射表面８１から反射されてプリズム７０に戻る光学ビーム３００´の部分（すなわちＲ１）が、第２表面５６で再反射されて中空コア光ファイバ１１０に戻らないことを確保するように選択される。第２鋭角γ２は、同様の機能となるように選択される。
【００２１】
この実施形態の一実施例において、第１反射率Ｒ１および第２反射率Ｒ２は、０．９０より大きい。この実施形態の他の実施例において、第１反射率Ｒ１および第２反射率Ｒ２は０．９７より大きい。
【００２２】
中空コア光ファイバフィルタ１００は双方向であり、レーザー２０１から放射された光学ビーム３００は、第１端部面１１２または第２端部面１１４に結合され、反対側の端部面から光学ビーム出力３１０は、狭いライン幅および低い周波数ノイズ揺らぎを備える。
【００２３】
中空コア光ファイバフィルタ１００において、ファイバの長さＬ、第１および第２の反射表面８１、８２における反射率Ｒ１およびＲ２、モード場サイズ、およびファイバの開口数（ＮＡ）は、１）誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）および他の非線形効果の可能性を低減するように、２）望ましいパワースループットを可能にし、３）望ましいフィルタライン幅を達成し、４）望ましいパッキング曲げ直径を可能にするように、選択される。光学ビーム３１０の発散角θおよび中空コア光ファイバの屈折率ｎは、開口数ＮＡを計算するのに用いられ、ＮＡ＝ｎｓｉｎθで計算でき、ここで、ｎは中空コア光ファイバ１１０の外側媒体の屈折率である。
【００２４】
図１Ｂは、中空コア光ファイバフィルタ１０３のブロック図であり、これは図１Ａの中空コア光ファイバフィルタ１００、第１取付固定部９０および第２取付固定部９１を含む。第１取付固定部９０は、第１反射端部キャップ４０を中空コア光ファイバフィルタ１１０の端部面１１２に隣接するように保持し、また、第２取付固定部９１は、第２反射端部キャップ４１を中空コア光ファイバフィルタ１１０の第２端部面１１４に隣接するように保持するように構成される。第１取付固定部９０および第２取付固定部９１は、当業界で公知の、コンポーネントを他のコンポーネントに緊密に保持するための様々なタイプの取付固定部の例示である。第１反射端部キャップ４０および第２反射端部キャップ４１をそれぞれ中空コア光ファイバフィルタ１１０の第１および第２の端部面１１２、１１４に隣接するように保持するのに、他のタイプの取付部（接着取り付けなど）を用いることができることを理解されたい。
【００２５】
図２は、レーザー２０１に連結される中空コア光ファイバフィルタ１０１のブロック図である。中空コア光ファイバフィルタ１０１は、図１Ａおよび図１Ｂに示される中空コア光ファイバ１１０の構造および機能に類似する中空コア光ファイバ１１０を含む。第１反射端部キャップ４２は第１端部面１１２において位置決めされ、第２反射端部キャップ４３は第２端部面１１４において位置決めされる。第１反射端部キャップ４２および第２反射キャップ４３は、図１Ａおよび図１Ｂの第１反射端部キャップ４０および第２反射端部キャップ４１と構造が異なるが、類似の機能である。中空コア光ファイバフィルタ１０１の機能は、図１Ａおよび図１Ｂに関して説明した中空コア光ファイバフィルタ１００の機能と同一である。
【００２６】
図２ｉに示されるように、第１反射端部キャップ４２は、プレート７１、第１反射率Ｒ１を備える第１反射表面８７（本稿では「第１反射コーティング８７」とも称される）、および第１反射表面８７の反対側の第１抗反射表面８３（本稿では「第１抗反射コーティング８３」とも称される）を含む。第２反射端部キャップ４３は、プレート７１、第２反射率Ｒ２を備える第２反射表面８５（本稿では「第２反射コーティング８５」とも称される）、および第２反射表面８５の反対側の第２抗反射表面８４（ここでは「第２抗反射コーティング８４」とも称される）を含む。レーザー２０１からの光学ビーム３００は、中空コア光ファイバ１１０の第１端部面１１２または第２端部面１１４の一方に結合され、第１反射表面８７と第２反射表面８５との間に共振キャビティが形成される。
【００２７】
図２ｉに示されるように、プレート７１は、第１表面４６および第２表面４７を備える。プレート７１の第１表面４６および第２表面４７は互いにほぼ並行である。プレート７１が形成される透明材料は、光学ビーム３００の波長に対して透明である。
【００２８】
第１反射コーティング８７は、第１反射端部キャップ４２の第１表面４６上に堆積される。第１反射コーティング８７は、図２ｉに示されるように、薄いフィルム層９４、９５、９６を含む。プレート７１の第１表面４６上に堆積される薄いフィルム層（たとえば薄いフィルム層９４、９５、９６）の厚さおよび屈折率は、共に、ほぼ垂直入射（たとえば５度以内の入射）の光学ビーム３００の波長の光に対する高反射表面を形成する。薄いフィルム層９４、９５、９６は、所望の低損失の透過および反射のために設計される複数の誘電体層の例示である。薄いフィルム層９４、９５、９６は、低損失、少量の透過の高反射率のミラーを提供し、入力端部面１１２または出力端部面１１４に入射する中空コア光ファイバ１１０内を伝播する光が、ほとんど反射されて中空コア光ファイバ１１０に戻り、共振器を形成する。透過の小さな係数により、いくらかの光がファイバ共振器１０１内におよび外へ結合される。
【００２９】
第１抗反射コーティング８３は、第１反射端部キャップ４２のプレート７１の第２表面４７上に堆積される。図２ｉに示されるように、第１抗反射表面８３は、プレート７１の第２表面４７上に堆積される薄いフィルム層９２、９３を含む。プレート７１上の薄いフィルム層９２、９３の厚さおよび屈折率は、共に、光学ビーム３００の波長における抗反射性の表面を形成する。薄いフィルム層９２、９３は、所望の透過および反射のために設計される複数の誘電体層の例示である。薄いフィルム層９２、９３は、低損失であり、高い透過の係数を提供し、第１抗反射コーティング８３に入射する光はほとんど透過する。
【００３０】
第１抗反射コーティング８３は、第１反射率Ｒ１よりも非常に小さい反射率を備える。この実施形態の一実施例において、第１抗反射コーティング８３の反射率は０．０００１のオーダーである。
【００３１】
第２反射コーティング８５は、第２反射端部キャップ４３のプレート７１の第１表面４６上に堆積される。第２反射コーティング８５は、１つまたはそれ以上の薄いフィルム層を含む。プレート７１の第１表面４６上に堆積される薄いフィルムの厚さおよび屈折率は、共に、ほぼ垂直入射（たとえば５度以内の入射）する光学ビーム３００の波長における光への高反射表面を形成する。第２反射コーティング８５を形成する薄いフィルム層は、低損失の、少量を透過させる高反射率ミラーを提供し、出力端部面１１４上に入射する光がほとんど反射されて中空コア光ファイバ１１０に戻り、共振器を生成する。透過の小さな係数により、いくらかの光がファイバ共振器１０１の中へおよび外へ結合される。
【００３２】
第２抗反射コーティング８４は、第２反射端部キャップ４３を形成するプレート７１の第２表面４７上に堆積される。第２抗反射表面８４は、第２反射端部キャップ４３を形成するプレート７１の第２表面４７上に堆積される薄いフィルム層を含む。プレート７１は、薄いフィルム層の厚さおよび屈折率は、共に、光学ビーム３００の波長における抗反射性の表面を形成する。第２抗反射表面８４を形成する１つまたは複数の薄いフィルム層は、典型的には、誘電体スタックであり、これは、低損失で高い透過の係数を提供し、第２抗反射コーティング８４に入射する光は、ほとんどプレート７１の外へ透過する。第２抗反射コーティング８４は、第２反射率Ｒ２よりも非常に小さい反射率を備える。この実施形態の一実施例において、第２抗反射コーティング８４の反射率は０．０００１のオーダーである。
【００３３】
第１反射端部キャップ４２は、中空コア光ファイバ１１０の第１端部面１１２において第１端部面１１２に隣接するように位置決めされる。第１反射端部キャップ４２は、中空コア光ファイバ１１０の第１端部面１１２において位置決めされ、プレート７１内を伝播する光学ビーム３００のモード場が、プレート７１内で無視できる拡張を備えるように位置決めされる。
【００３４】
この実施形態の一実施例において、第１反射率Ｒ１は第２反射率Ｒ２と等しい。第１反射率Ｒ１および第２反射率Ｒ２は、０．９０より大きい。この実施形態の一実施例において、第１反射率Ｒ１および第２反射率Ｒ２は、０．９７より大きい。
【００３５】
図３は、スレーブレーザー１２０を介してマスターレーザー２００に結合される、中空コア光ファイバフィルタ１０２のブロック図である。中空コア光ファイバフィルタ１０２の機能は、図１Ａおよび図１Ｂを参照して上述した中空コア光ファイバフィルタ１００の機能と同一である。中空コア光ファイバフィルタ１０２は、中空コア光ファイバ１１０を含み、中空コア光ファイバ１１０は、第１端部面１１２および反対側の第２端部面１１４、第１端部面１１２において位置決めされる第１反射端部キャップ４４、および第２端部面１１４において位置決めされる第２反射端部キャップ４５を備える。
【００３６】
第１反射端部キャップ４４は、図１Ａの第１反射端部キャップ４０に類似しており、また、プリズム７０の第２表面５６上に第１抗反射表面８６（ここでは第１抗反射コーティング８６とも称される）。図３ｉに示されるように、第１抗反射コーティング８６は薄いフィルム層８８、８９を含む。
【００３７】
第２反射端部キャップ４５は図１Ａの第２反射端部キャップ４１に類似しており、また、プリズム７０の第２表面５６上に第２抗反射表面７５（ここでは第２抗反射コーティングとも称する）を含む。第１抗反射コーティング８６および第２抗反射コーティングの追加は、光が第２表面５６から中空コア光ファイバ１１０へ反射して戻る可能性を低減させる。
【００３８】
図３に示されるように、マスターレーザー２００は矢印３０８で示される光学ビームを放射する。この実施形態の一実施例において、マスターレーザー２００は、低位相ノイズを備える参照光学ビーム３０８を出力する周波数が安定化されたマスターレーザーである。たとえば、光学ビーム３０８は、サーボバンド幅内で数Hz/√Hzよりも実質的に小さな周波数ノイズを備えることができるが、周波数領域でサーボバンド幅よりも高いノイズレベルを備えるものとすることもできる。マスターレーザー２００から出力される光学ビーム３０８は、スレーブレーザー１２０の位相をロックするために用いられる。スレーブレーザー１２０は、出力端面１７２から光学ビーム３０７を放射する。光学ビーム３０７は、中空コア光ファイバフィルタ１０２内に結合される。結合された光学ビーム３０５は、第１反射コーティング８１と第２反射コーティング８２との間で中空コア光ファイバ１１０内に形成される共振キャビティ内を複数回伝播する。反対側の第２端部面１１４から出力され反射コーティング８２を通る光学ビーム３１０は、狭いライン幅、および低い周波数ノイズ揺らぎを備える。たとえば、光学ビーム３１０は、サーボバンド幅の外の数Hz/√Hzよりも実質的に低い周波数ノイズレベルを備えることができる。
【００３９】
図１Ａ−３に示される中空コア光ファイバフィルタ１００−１０３の実施形態において、共振器の往復経路長２Ｌは、第１ファイバ端部面１１２から中空コア光ファイバ１１０を通って第２ファイバ端部面１１４までの、また、中空コア光ファイバ１１０を通って第１ファイバ端部面１１２までの経路長として一意に定義される。この実施例は、中空コア光ファイバフィルタ１００−１０３の最大の安定性を提供する。光ファイバが長くなると、出力光学ビームのライン幅が狭く（小さく）なる。高いフィネスおよび狭いライン幅は、低いカットオフ周波数を備える光ファイバフィルタ（ローパスフィルタ）を提供するのに望ましい条件である。フィルタのカットオフ周波数が低くなると、レーザー周波数ノイズは小さくなる。概略すると、フィネスが高くなり、線幅が狭くなると、コーナー周波数が低くなり、より有効な中空コア光ファイバフィルタがレーザーの周波数ノイズを低減する。通過周波数ノイズ揺らぎの伝達関数は、ローパス電気フィルタに類似し、フィルタは、コーナー周波数より下に周波数を低下させず、ロールオフし、または、コーナー周波数を越えて徐々に漸進的に減衰する。コーナー周波数は、ライン幅に比例する。
【００４０】
中空コア光ファイバフィルタ１１０は、相対的に長い経路長を備え、高周波数ノイズをフィルタリングするための長い光学遅延時間を提供する。共振光学ビームが中空コア光ファイバフィルタ１１０内で非線形効果を励起しないことを確保するために、中空コア光ファイバフィルタ１０１−１０３の注意深い設計が必要とされる。カー効果および誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）のようなこれらの非線形効果は、中空コア光ファイバフィルタ１１０の安定性を低下させ、出力ビーム３１０の有用性を低下させる。光学共振器において、中空コア光ファイバフィルタ１１０内を循環するパワーは、出力のパワーよりも大きい。循環するパワーが中空コア光ファイバフィルタ１１０内で大きすぎる場合、誘導ブリュアン散乱が生成される。誘導ブリュアン散乱は、大きな強度揺らぎを発生させ、中空コア光ファイバフィルタの出力を悪くする。ＳＢＳパワー閾値が、中実コアファイバのものよりも数段高くすることができるので、中空コアファイバが選択される。ファイバ長Ｌ、第１端部面１１２上の反射コーティング８１または８７、第２端部面１１４上の反射コーティング８２または８５、中空コア光ファイバ１１０のモード場サイズ、および中空コア光ファイバ１１０の開口数ＮＡは、中空コア光ファイバ１１０が光学共振器として機能するときに、中空コア光ファイバ１１０内の非線形効果の発生を防止するように選択される。
【００４１】
非線形効果の発生を防止するように設計される例示的な中空コア光ファイバフィルタ１００が説明される。中空コア光ファイバフィルタ１００中の例示的な中空コア光ファイバ１１０は、２０５ｐｐｍ／メートル（１dB/Km）の損失を備え、１０．６μのモード場直径を備える。中空コアファイバの屈折率は、共振器の特性の計算のために、波長λ＝１．５４４μｍにおいてｎ＝１．００１であると見積もられる。ＳＢＳが開始するパワー閾値（ＰcritBrill）は、ファイバコアの物理面積Ａ（ｍ２）、ファイバ損失α（ｍ−１）、ガイド媒体の利得係数ＧＢ（ｍ／ワット）、およびファイバ長（ｍ）に関連する。具体的には、ＰcritBrillは以下の式に基づいて計算される。Pcrit Brill = 21 * [(a*Aeff)/(r * gB*(1-e-(aL))]。ここで、「*」は、掛け算を表す。公称６メートルの中空コア光ファイバ１１０、損失αが１．０ｄＢ／ｋｍ（〜２０５ｐｐｍ／メートル）、中空コア光ファイバのパワーの端数rが公称０．００１から０．０１、ＳＢＳゲインＧＢが５×１０−１１メートル／ワット（シリカ）、ファイバモード場面積が８．８×１０−１１ｍ２の場合、ＳＢＳのパワー閾値ＰcritBrillは７４０ワットである。
【００４２】
表１は、エアリー関数のピーク２００ｋＨｚの最大半値幅（ＦＷＨＭ）の２００ＫＨｚ中空コア光ファイバフィルタ１００に関して中空コア光ファイバ１１０の長さＬの関数としての、フィネス（finesse）、出力パワー、循環パワー、ＳＢＳオンセットパワーを示す。また、表１は反射コーティングの透過率（Ｔ）を示す。ＳＢＳ開始におけるパワー閾値は、ρ＝０．００８３で計算された。計算パワー列は、入力に関する共振フィルタ内のパワー循環をリストし、循環パワー（Ｗ）列はワットで循環パワーを与え、これは、２Ｗの入力に基づいてブリュアン閾値を見積もるのに好都合である。
【００４３】
２ワットレーザービームが、上述の例示的な中空コア光ファイバフィルタ１００内に結合される場合、循環パワーは、表１に示されるファイバ長のブリュアン閾値を越えない（たとえば８メートル未満）。表１に示される出力および循環パワーは、一定の入力パワーで標準化されている。ワットの循環パワーは、２Ｗの入力パワーを仮定している。
【００４４】
【表１】
2012252001.tif 000003
【００４５】
図４は、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）システム１０の一実施形態のブロック図であり、本発明による中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７を含む。ＲＦＯＧシステム１０は、ここではＲＦＯＧ１０とも称される。ＲＦＯＧシステム１０は、高性能ジャイロスコープシステムである。ＲＦＯＧ１０は、周波数安定化マスターレーザー２００、３つのスレーブレーザー（ＳＬ）１２１、１２２、１２３、３つのそれぞれの中空コア光ファイバフィルタ（ＯＦＦ）１０５、１０６、１０７、３つのそれぞれの強度モジュレータ（ＩＭ）３２０−１、３２０−１、３２０−３、およびファイバ共振器コイル２４０を含む。ファイバ共振器コイル２４０は、光ファイバリング共振器であり、ジャイロスコープ内にファイバリング共振器キャビティを形成する。ファイバ共振器コイル２４０は、ここでは「ファイバループ２４０」、「検出共振器２４０」とも称される。ファイバループ２４０は、少なくとも２つの光学ビームが対向して伝播する光ファイバである。ファイバループ２４０の出力は、ＲＦＯＧ１０の回転速度を決定するのに用いられる。この実施形態の一実施例において、ＲＦＯＧ内に２つの光ファイバフィルタ１０５、１０６および２つのそれぞれのスレーブレーザー１２１、１２２だけがある。中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７は、それぞれ図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３に示される例示的な光ファイバフィルタ１００、１０３、１０１、１０２とすることができる。この実施形態の他の実施例において、マスターレーザー２００および３つのスレーブレーザー（ＳＬ）１２１、１２２、１２３は、半導体レーザーダイオードである。各レーザーの周波数ノイズは、中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７の使用により低減される。
【００４６】
周波数安定化マスターレーザー２００は、参照光学ビーム３０８を放射する。参照光学ビーム３０８は、低位相ノイズを備える（たとえばHz/√Hz未満）。光学ビーム３０８は、マスターレーザーとスレーブレーザーとの間でラジオ周波数（ＲＦ）ビート信号を生成するのに用いられ、これは、共振トラッキングサーボ２５１により決定される周波数分離で、スレーブレーザー１２１、１２２、１２３をマスターレーザー２００にロックするために、位相ロックループ（ＰＬＬ）２５０（ここでは「多レーザー周波数制御２５０」とも称される）により用いられる。これらのビート信号は、多レーザー周波数制御２５０に用いられ、これは、共振トラッキングサーボ２５１からフィードバックを受け取り、スレーブレーザー１２１、１２２、１２３の光学ビームの周波数を正確に制御する。
【００４７】
スレーブレーザー１２１、１２２、１２３は、図２に示されるスレーブレーザー１２０と類似の構造および機能を備える。図４に示されるように、スレーブレーザー１２１は、参照光学ビーム３０８−１にロックされ、スレーブレーザー１２１は、第１周波数ｆ１＝ｆ＋Δｆ−ＦＳＲの光を放射する。ここでｆはマスターレーザー２００の中心周波数であり、Δｆは中心周波数ｆからの周波数オフセットであり、ＦＳＲは検出共振器２４０の自由スペクトル範囲である。自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）は、検出共振器２４０の隣接する共振ピーク間の周波数分離である。スレーブレーザー１２２は、参照光学ビーム３８０−２にロックされ、スレーブレーザー１２２は、第２周波数ｆ２＝ｆ＋Δｆの光を放射する。スレーブレーザー１２３は、参照光学ビーム３０８−３にロックされ、スレーブレーザー１２３は第３周波数ｆ３＝ｆ＋Δｆ＋ＦＳＲの光を放射する。
【００４８】
中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７は、スレーブレーザー１２１、１２２、１２３から放射されるそれぞれの出力光学ビーム３０７−１、３０７−２、３０７−３が、それぞれの光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７に結合されるように構成される。中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７は、それぞれ、低ノイズ、コヒーレントな光学ビーム３１０−１、３１０−２、３１０−３を出力する。低ノイズ、コヒーレントな光学ビーム３１０−１、３１０−２、３１０−３は、それぞれ強度モジュレータ３２０−１、３２０−２、３２０−３に結合される。当業界で知られているように、光学ビームの周波数ノイズが減少すると、光学ビームのコヒーレンスは上昇する。
【００４９】
ファイバ共振器コイル２４０（ファイバループ２４０）は、全体として符号２４１で表される第１コイル端部面、全体として符号２４２で表される第２コイル端部面を備える光ファイバである。中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０７から出力される低ノイズ、コヒーレントな光学ビーム３１０−１、３１０−３は、それぞれの強度モジュレータ３２０−１、３２０−３を介してファイバ共振器コイル２４０の第１コイル端部面２４１に結合される。中空コア光ファイバフィルタ１０６から出力される低ノイズ、コヒーレントな光学ビーム３１０−２は、強度モジュレータ３２０−２を介してファイバ共振器コイル２４０の第２コイル端部面２４２に結合される。
【００５０】
中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７は、それぞれ、第１端部面１１２および反対側の第２端部面１１４を備える中空コア光ファイバ１１０を有する。第１端部面１１２および第２端部面１１４は、それぞれ反射コーティング８１、８２に接触している。
【００５１】
第１スレーブレーザー１２１から放射される光学ビーム３０７−１は、第１光ファイバフィルタ１０５の第１端部面１１２に結合される。第１の低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−１は、第１光ファイバフィルタ１０５の第２端部面１１４から出力され、（強度モジュレータ３２０−１、およびビームスプリッタ２７１、２７２（１−２）およびレンズ２７０−１を含む光学素子を介して）ファイバ共振器コイル２４０の第１コイル端部面２４１に結合される。当業者に理解されるように光学素子の他の結合構成も可能である。第１コイル端部面２４１においてファイバ共振器コイル２４０に結合される光学ビーム３１０−１の部分は、ファイバ共振器コイル２４２０を通って反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝播する。
【００５２】
第２スレーブレーザー１２２から放射される光学ビーム３０７−２は、第２光ファイバフィルタ１０６の第１端部面１１２に結合される。第２の低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−２は、第２光ファイバフィルタ１０６の第２端部面１１４から出力され、（強度モジュレータ３２０−２、およびビームスプリッタ２７２（３−４）およびレンズ２７０−２を含む光学素子を介して）ファイバ共振器コイル２４０の第２コイル端部面２４２に結合される。第２コイル端部面２４２においてファイバ共振器コイル２４０に結合される光学ビーム３１０−２の部分は、ファイバ共振器コイル２４０を通って時計回り（ＣＷ）方向に伝播する。
【００５３】
第３スレーブレーザー１３１から放射される光学ビーム３０７−３は、第３光ファイバフィルタ１０７の第１端部面１１２に結合される。第３の低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−３は、第３光ファイバフィルタ１０７の第２端部面１１４から出力され、（強度モジュレータ３２０−３、およびビームスプリッタ２７２（１−２）およびレンズ２７０−１を含む光学素子を介して）ファイバ共振器コイル２４０の第１コイル端部面２４１に結合される。第１コイル端部面２４１においてファイバ共振器コイル２４０に結合される光学ビーム３１０−３の部分は、ファイバ共振器コイル２４０を通って反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝播する。この実施形態の一実施例において、レンズ２７０（１−２）はボールレンズである。
【００５４】
ファイバ共振器コイル２４０に結合される光は、レンズ２７０−１、２７０−２、およびビームスプリッタ２７２−２、２７２−５、２７２−４の通過により、ファイバ共振器コイル２４０内を複数回循環する。時計回り（ＣＷ）方向に伝播する光の一部（たとえば１％から２０％）は、ビームスプリッタ２７２−５に反射されて検出器（ＰＤ１ｃｗ）２６１に入る。反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝播する光の一部（たとえば１％から２０％）は、ビームスプリッタ２７２−５により反射されて検出器（ＰＤｃｃｗ）２６２に入る。検出器２６１、２６２において検出される光学パワーの量を示す情報は、共振器トラッキングサーボ２５１およびＤＣパワーサーボ２５４へ信号として送られる。共振トラッキングサーボ２５１は、複数レーザー周波数制御２５０に信号を送り、これは、必要に応じてスレーブレーザー１２１、１２２、１２３の光学ビームの周波数を、出共振器２４０の共振ピークに調整する。ＤＣパワーサーボ２５４は、積分回路（Σ）２８１へ信号を送り、強度モジュレータ３２０−２を介して中空コア光ファイバフィルタ１０６から出力される光学ビーム３１０−２のパワーを調整する。この調整は、ＣＷ方向およびＣＣＷ方向におけるパワーをバランスさせるために行われ、カー効果に誘導されるキャビティ長差を最小化する。
【００５５】
また、図４に示される例示的なＲＦＯＧ１０は、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）検出器（ＰＤ３）２６２を含み、これは、ビームスプリッタ２５８を介して強度モジュレータ３２０−３から光学ビーム３１０−３の一部（たとえば１％から１０％）を受け取る。ＲＩＮ検出器２６２は、ファイバ共振器コイル２４０の第１コイル端部面２４１への入力となる光学ビーム３１０−３の強度ノイズを測定する（光学ビーム３１０−１と組み合わせられる前に）。ＲＩＮ検出器２６２からのＲＩＮ信号は、ＲＩＮサーボ電子機器システム２５２への信号フィードバックを提供する。電子信号、ＲＩＮサーボ電子機器システム２５２から強度モジュレータ３２０−３へ送られる電子信号は、強度モジュレータ３２０−３を通る入力光学ビーム３１０−３の全体の光強度を調整し、ＲＩＮによる望ましくない強度の揺らぎを除去し、または実質的に減少させる。このようにして、ＲＩＮサーボループは、強度モジュレータ３２０−３を通過した入力光学ビーム３１０−３の強度ノイズ、または、望まれない強度または振幅の変動を減少させるために用いられる。
【００５６】
また、図４に示される例示的なＲＦＯＧは、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）検出器（ＰＤ４）２５７を含み、これは強度モジュレータ３２０−１からの光学ビーム３１０−１の一部（たとえば１％から１０％）を受け取る。ＲＩＮ検出器２５７は、ファイバ共振器コイル２４０の第１コイル端部面２４１への入力である光学ビーム３１０−１の強度ノイズを測定する（ビーム３１０−３と組み合わせられる前に）。ＲＩＮ検出器２５７からのＲＩＮ信号は、ＲＩＮサーボ電子機器システム２５４への信号フィードバックを提供する。ＲＩＮサーボ電子機器システム２５４から強度モジュレータ３２０−１へ送られる電子信号は、強度モジュレータ３２０−１を通る入力光学ビーム３１０−１の全体の光強度を調整し、望まれないＲＩＮによる強度の揺らぎが除去され、または実質的に減少される。このようにして、ＲＩＮサーボループは、強度モジュレータ３２０−１を通る入力光学ビーム３１０−１の強度ノイズ、または、または望まれない強度または振幅の変動を減少させるために用いられる。
【００５７】
また、図４に示される例示的なＲＦＯＧ１０はＲＩＮ検出器（ＰＤ０）２６０を含み、これは、強度モジュレータ３２０−２からの光学ビーム３１０−２の一部（たとえば１％から１０％）を受け取る。ＲＩＮ検出器２６０からのＲＩＮ信号は、ＲＩＮサーボ電子機器システム２５３へ信号フィードバックを提供する。ＲＩＮサーボ電子機器システム２５３から強度モジュレータ３２０−２へ送られる電子信号は、強度モジュレータ３２０−２を通る入力光学ビーム３１０−２の全体の光強度を調整し、ＲＩＮによる望まれない強度の揺らぎを除去し、または実質的に減少させる。このようにして、ＲＩＮサーボループは、強度モジュレータ３２０−２を通る入力光学ビーム３１０−２の強度ノイズ、または、望まれない強度または振幅の変動を減少させるために用いられる。
【００５８】
また、図４に示される例示的なＲＦＯＧ１０は、シリコン光学ベンチ（ＳｉＯＢ）１５０を含む。シリコン光学ベンチ１５０は、第１ファイバコイル端部面２４１と第２コイル端部面２４２を互いに光学的に整合させるために、シリコン光学ベンチ１５０の表面にエッチングされた溝２９５、２９６を含む。また、シリコン光学ベンチ１５０は、光学ビーム３１０−１、３１０−３をファイバ端部面２４１へ、ビーム３１０−２をファイバ端部面２４２へ整合および案内するために用いられる光学素子を位置決めするための特徴（たとえば、レンズ、ビームスプリッタ、および／またはミラーなど）を含む。ファイバ共振器コイル２４０の第１ファイバコイル端部面２４１は、シリコン光学ベンチ１５０の第１溝２９５内に位置決めされる。ファイバ共振器コイル２４０の第２コイル端部面２４２は、シリコン光学ベンチ１５０の第２溝２９６内に位置決めされる。溝２９５、２９６は、第２コイル端部面２４１および第２コイル端部面２４２が溝２９５、２９６に内に位置決めされたときに、ファイバ共振器コイル２４０の光ファイバのコアの中心が正確に光学ビーム３１０（１−３）に整合するような深さにエッチングされる。同様に、溝２９５、２９６は、第１コイル端部面２４１および第２コイル端部面２４２が互いに整合し、ファイバリング共振器キャビティを形成するような深さにエッチングされる。
【００５９】
図５は、本発明による、ピグテール強度モジュレータ３２０−１（図４）に結合される、中空コア光ファイバフィルタ１０５の一実施形態のブロック図である。この実施形態において、端部面５０５を備えるファイバピグテール５０３は、入力ビーム３１０−１を強度モジュレータ３２０−１へ結合させるために連結される。ファイバピグテール５０３の端部面５０５は、シリコン基板１５１の溝１５２内に位置決めされる。第１ボールレンズ１６１および第２ボールレンズ１６２は、シリコン基板１５１のエッチング領域１５５内に位置決めされる。（反射端部キャップ４０を含む）中空コア光ファイバフィルタ１０５の出力端は、シリコン基板１５１のエッチング領域１５３（第１エッチング領域１５３とも称される）内に位置決めされる。２つのボールレンズ１６１、１６２は、中空コア光ファイバフィルタ１０５の光学ビーム３１０−１の出力を、強度モジュレータ３２０−１のファイバピグテール５０３の端部面５０５へ結合させる。
【００６０】
図５に示されるように、第１ボールレンズ１６１および第２ボールレンズ１６２は、それらの間を伝播する低ノイズ、コヒーレントな光学ビームをコリメートするように位置決めされる。この例示的な構成において、中空コア光ファイバフィルタ１０５から出力される光学ビーム３１０−１は、第１ボールレンズ１６１に結合し、コリメートされた光学ビーム３１０−１´として第１ボールレンズ１６１から出る。コリメートされた光学ビーム３１０−１´は、第２ボールレンズ１６２に入射する。第２ボールレンズ１６２は、強度モジュレータ３２０−１のファイバピグテール５０３の端部面５０５上に光学ビーム３１０−１´´として集光させる。この実施形態の一実施例において、光学素子（ビームスプリッタ２７２（１−２）など）は、コリメートされた光学ビーム３１０−１´内に位置決めされ、第１ボールレンズ１６１と第２ボールレンズ１６２との間に光３１０−１´を導く。そのような実施形態において、光を案内する素子を保持するための溝（シリコン光学ベンチ１５１には図示されていない）を備えるようにしてもよい。同様に、強度モジュレータ３２０−１の出力ファイバピグテール（図示せず）を、溝２９７（図４）内に配置し、シリコン光学ベンチ１５０（図４）上に配置されるビームスプリッタ２７１、２７２（１−２）およびレンズ２７０−１を介して入力ビーム３１０−１を共振器ファイバ端部面２４１に結合させることで、強度モジュレータ３２０−１からの出力をシリコン光学ベンチ１５０に結合することができる。
【００６１】
シリコン基板（図示せず）を介して、中空コア光ファイバフィルタ１０６、１０７から出力される光学ビーム３１０−２、３１０−３をそれぞれ強度モジュレータ３２０−２、３２０−３のファイバピグテールに結合させるために、類似の構成が可能である。たとえば、第３ボールレンズ（図示せず）および第４ボールレンズ（図示せず）は、その間を伝播する、低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−２をコリメートするように構成することができる。この実施形態の一実施例において、中空コア光ファイバフィルタ１０５、１０６、１０７からの光学ビーム出力を強度モジュレータ３２０−１、３２０−２、３２０−３にそれぞれ整合させるように、また、強度モジュレータ３２０−１、３２０−２、３２０−３の出力をファイバ共振器コイル２４０に整合させるように、一体的なシリコン光学ベンチを用いることができる。
【００６２】
この実施形態の他の実施例において、第２端部面１１４および中空コア光ファイバフィルタ１０５の第２反射端部キャップ４１は、シリコン光学ベンチ１５０内のエッチング領域内に位置決めされる。第２端部面１１４および中空コア光ファイバフィルタ１０６の第２反射端部キャップ４１は、シリコン光学ベンチ１５０内のエッチング領域２９８内に位置決めされる。第２端部面１１４および中空コア光ファイバフィルタ１０７の第２反射端部キャップ４１は、シリコン光学ベンチ１５０内のエッチング領域２９９内に位置決めされる。シリコン光学ベンチ１５０内に形成されたエッチング領域２９７、２９８、２９９は、第２端部面１１４および第２反射端部キャップ４１を安定的に保持するように形状付けられる。この場合、強度モジュレータ３２０−１、３２０−２、３２０−３は、シリコン光学ベンチ上に取り付けられ、光学ビーム３１０−１、３１０−２、３１０−３は、シリコン光学ベンチ１５０内のエッチング領域２９７、２９８、２９９に配置されるフィルタ端部キャップ４１（図１参照）を出た後に、強度モジュレータ３２０−１、３２０−２、３２０−３に導入される。この後者の構成のいくつかの実施形態において、シリコン光学ベンチ１５０内のエッチング領域２９９に位置決めされる第３中空コア光ファイバフィルタ１０７は存在しない。
【００６３】
シリコン光学ベンチ１５１および／または１５０は、光学素子（たとえば、第１ボールレンズ１６１、第２ボールレンズ１６２、ビームスプリッタ２７１、２７２（１−５）、および／またはレンズ２７０（１−２））を位置決めするための溝（たとえば溝２９７−２９９、１５２、および／またはエッチング領域１５５）を含み、少なくとも２つの中空コア光ファイバフィルタ（たとえば１０５−１０７）から出力される少なくとも２つの低ノイズ、コヒーレント光学ビーム（たとえば３１０（１−３））を、第１コイル端部面２４１および第２コイル端部面２４２へ、および、第１コイル端部面２４１と第２コイル端部面２４２との間に、整合させて案内する。シリコン光学ベンチ１５０上でファイバ共振器コイル２４０を収容することは、ＲＦＯＧ１０の低コストの実装を提供する。
【００６４】
図６は、本発明による、共振光ファイバジャイロスコープシステム１０での使用のために、少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームを生成するための方法６００の一実施形態のフロー図である。方法６００は、図１Ａおよび図４を参照して説明される。しかし、他の結合構成のＲＦＯＧを使用できることを理解されたい。
【００６５】
ブロック６０２において、マスターレーザー２００から放射された光学ビーム３０８は、少なくとも１つのスレーブレーザー１２１を制御するために用いられる。少なくとも１つのスレーブレーザー１２１は、マスターレーザー２００に位相ロックされる。３つのスレーブレーザー１２１、１２２、１２３は、共振トラッキングサーボ２５１により決定される周波数分離で、マスターレーザー２００に位相ロックされる。図４に示されるように、第１スレーブレーザー１２１は、第１周波数ｆ１＝ｆ＋Δｆ−ＦＳＲにロックされる。第２スレーブレーザー１２２は、第２周波数ｆ２＝ｆ＋Δｆにロックされる。第３スレーブレーザー１２２は第３周波数ｆ３＝ｆ＋Δｆ＋ＦＳＲでモードにロックされる。
【００６６】
ブロック６０４において、少なくとも１つのスレーブレーザー１２１から放射された光学ビーム３０７は、それぞれ少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタ１０２に結合される。図４に示されるように、第１スレーブレーザー１２１から（第１周波数ｆ１＝ｆ＋Δｆ−ＦＳＲで）放射される光学ビーム３０７−１は、第１中空コア光ファイバフィルタ１０５の第１端部面１１２に結合される。第２スレーブレーザー１２２から（第２周波数ｆ２＝ｆ＋Δｆで）放射される光学ビーム３０７−２は、第２中空コア光ファイバフィルタ１０６の第１端部面１１２に結合される。第３スレーブ１２３から（第３周波数ｆ３＝ｆ＋Δｆ＋ＦＳＲ）放射される光学ビーム３０７−３は、第３中空コア光ファイバフィルタ１０７の第１端部面１１２に結合される。
【００６７】
ブロック６０６において、少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレントビーム３１０は、それぞれ少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタ１０５から出力される。図４に示されるように、低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−１は、第１中空コア光ファイバフィルタ１０５の第２端部面１１４から出力される。低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−２は、第２中空コア光ファイバフィルタ１０６の第２端部面１１４から出力される。低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−３は、第３中空コア光ファイバフィルタ１０７の第２端部面１１４から出力される。
【００６８】
ブロック６０８において、少なくとも１つの中空コア光学フィルタ１０５の第２端部面１１４から出力される少なくとも１つの低ノイズコヒーレント光学ビーム３１０−１は、回転速度に感度のある共振周波数を備えるファイバ共振器コイル２４０の２つのコイル端部面（第１コイル端部面２４１および第２コイル端部面２４２など）の少なくとも一方に結合される。図４に示されるように、第１中空コア光ファイバ１０５の第２端部面１１４から出力される低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−１は、強度モジュレータ３２０−１、および低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−１の出力を第１コイル端部面２４１に整合させて案内するように位置決めされる他の光学素子を介して、ファイバ共振器コイル２４０の第１コイル端部面２４１に結合される。
【００６９】
同様に、図４は、第２中空コア光ファイバフィルタ１０６の第２端部面１１４から出力される低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−２が、強度モジュレータ３２０−２、および低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−２の出力が第２コイル端部面２４２に整合し案内されるように位置決めされる他の光学素子を介して、ファイバ共振器コイル２４０の第２端部面１１４に結合されることを示している。
【００７０】
同様に、図４は、第３中空コア光ファイバフィルタ１０７の第２端部面１１４から出力される低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−３が、強度モジュレータ３２０−３、および低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−３の出力が第１コイル端部面２４１に整合し案内されるように位置決めされる他の光学素子を介して、ファイバ共振器コイル２４０の第１コイル端部面２４１に結合されることを示している。この実施形態の一実施例において、第３スレーブレーザー１２３はなく、また、ＲＦＯＧシステム１０において中空コア光ファイバフィルタ１０７はない。
【００７１】
この実施形態の一実施例において、第１コイル端部面２４１は、シリコン光学ベンチ１５０内の第１溝２９５内に位置決めされ、第２コイル端部面２４２は、シリコン光学ベンチ１５０内の第２溝２９５内に位置決めされる。
【００７２】
この実施形態の他の実施例において、第１低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−１は、シリコン光学ベンチ１５０の第１エッチング領域１５５（図５）内に位置決めされる少なくとも１つのボールレンズ１６１を介して、シリコン光学ベンチ１５０内の第１溝２９５内に位置決めされる第１コイル端部面２４１に結合される。第２低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−２は、シリコン光学ベンチ１５０内の第２エッチング領域（たとえば図４にしめされるエッチング領域２９８）内に位置決めされる少なくとも１つのボールレンズ１６１を介して、シリコン光学ベンチ１５０内の第２溝２９６内に位置決めされる第２コイル端部面２４２に結合される。第３低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−３は、シリコン光学ベンチ１５０の第３エッチング領域（たとえば図４に示されるエッチング領域２９９）内に位置決めされる少なくとも１つのボールレンズ１６１を介して、シリコン光学ベンチ１５０内の第１溝２９５内に位置決めされる第１コイル端部面２４１に結合される。後者の構成のいくつかの実施形態において、第３低ノイズ、コヒーレント光学ビーム３１０−３はなく、また、第３エッチング領域２９９内に位置決めされるボールレンズ１６１はない。
【００７３】
このようにして、高価でないＲＦＯＧシステムは、低コストの半導体レーザーダイオードを使用し、光学フィルタリングを改善し（中空コア光ファイバフィルタの使用により）、レーザーダイオードの位相ノイズを低減し、低コストＲＦＯＧシステムは改良された性能を備える。この実施形態の一実施例において、中空コア光ファイバフィルタ１００−１０７は、単一レーザーおよび周波数シフタを含むシステムで用いられる。
【００７４】
例示的な実施形態
例１は、第１端部面および反対側の第２端部面を備える中空コア光ファイバを有する中空コア光ファイバフィルタを含む。第１端部面および第２端部面はファイバ長を設定する。中空コア光ファイバフィルタは、第１端部面に位置決めされる第１反射端部キャップと、第２端部面に位置決めされる第２反射端部キャップを含む。レーザーからの光学ビームが、第１端部または第２端部の一方に結合されると、反対側の端部から出力される光学ビームは、狭いライン幅および低周波数ノイズ揺らぎを備える。
【００７５】
例２は、例１のフィルタを含む。第１反射端部キャップは第１反射表面を含み、第２反射端部キャップは第２反射表面を含む。レーザーからの光学ビームが第１端部面または第２端部面の一方に結合されると、第１反射表面と第２反射表面との間に共振キャビティが形成される。
【００７６】
例３は例１−２の任意のフィルタを含む。第１反射端部キャップは第１反射率を備える第１反射表面と、第１反射面の反対側の第１抗反射表面とを含む。第２反射端部キャップは、第２反射率を備える第２反射表面と、第２反射表面の反対側の第２抗反射表面とを含む。レーザーからの光学ビームが第１端部面または第２端部面の一方に結合されると、第１反射表面と第２反射表面との間に共振キャビティが形成される。
【００７７】
例４は例１のフィルタを含む。第１反射端部キャップは第１傾斜端部キャップであり、第１反射率を備える第１表面と第２表面とを含む。第１傾斜端部キャップの第２表面および第２表面は第１鋭角で交差する平面内にある。第２反射端部キャップは第２傾斜端部キャップであり、第２反射率を備える第１表面と第２表面とを含む。第２傾斜端部キャップの第１表面および第２表面は、第２鋭角で交差する平面内にある。レーザーからの光学ビームが第１端部面または第２端部面の一方に結合されると、第１傾斜端部キャップの第１表面と、第２傾斜端部キャップの第１表面との間に共振キャビティが形成される。
【００７８】
例５は、例４のフィルタを含む。第１傾斜端部キャップの第２表面は、抗反射コーティングでコートされ、第２傾斜端部キャップの第２表面は抗反射コーティングでコーティングされる。
【００７９】
例６は、例１−５の任意のフィルタを含む。ファイバ長、第１反射端部キャップの第１反射率、第２反射端部キャップの第２反射率、中空コア光ファイバフィルタのモード場サイズ、および中空コア光ファイバの開口数は、中空コア光ファイバフィルタ内の非線形効果の生成を防止するように選択される。
【００８０】
例７は、共振器光ファイバジャイロスコープシステムで使用するための、少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームを生成する方法を含む。この方法は、少なくとも１つのスレーブレーザーをマスターレーザーに位相ロックすること、少なくとも１つのスレーブレーザーから放射される光学ビームをそれぞれ少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合させること、を含む。それぞれの少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される。この方法は、少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される低ノイズ、コヒーレント光学ビームを、ファイバ共振器コイルｔの２つのコイル端部面の少なくとも一方に結合させることを含む。
【００８１】
例８は、共振器光ファイバジャイロスコープシステムで使用するための、少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームを生成する方法を含む。この方法は、少なくとも１つのスレーブレーザーをマスターレーザーに位相ロックすること、少なくとも１つのスレーブレーザーから放射される光学ビームを、それぞれの少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合させること、を含む。少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタは例１−６により構成される。それぞれの少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される。この方法は、少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される少なくとも１つの低ノイズ、コヒーレント光学ビームを、ファイバ共振器コイルの２つのコイル端部面の少なくとも一方に結合させる。
【００８２】
例９は、例７−８の任意の方法を含む。少なくとも１つのスレーブレーザーは、第１スレーブレーザーおよび第２スレーブレーザーを含み、少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタは、第１中空コア光ファイバフィルタを含む。第１端部面は、第１反射端部キャップ上の反射コーティングに接触し、第２端部面は第２反射端部キャップ上の反射コーティングに接触する。少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタは、第２中空コア光ファイバフィルタを含み、第１端部面は第３反射端部キャップ上の反射コーティングに接触し、第２端部面は、第４反射端部キャップ上の反射コーティングに接触する。この方法はさらに、第１スレーブレーザーから出力される光学ビームを第１中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合させることを含み、第１低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、第１中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される。この方法はさらに、第２スレーブレーザーから出力される光学ビームを、第２中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合させることを含み、第２低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、第２中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される。
【００８３】
例１０は、例９の方法を含む。少なくとも１つのスレーブレーザーはさらに、第３スレーブレーザーを含み、少なくとも１つの中空コア光ファイバフィルタはさらに、第３中空コア光ファイバフィルタを含む。第３中空コア光ファイバフィルタの第１端部面は、第５反射端部キャップの反射コーティングに接触し、第３中空コア光ファイバフィルタの第２端部面は、第６反射端部キャップ上の反射コーティングに接触する。この方法はさらに、第３スレーブレーザーから出力される光学ビームを、第３中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合させることを含み、第３低ノイズ、コヒーレント光学ビームは第３中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される。この方法はさらに、第３低ノイズ、コヒーレント光学ビームをファイバ共振器コイルの第１コイル端部面に結合させることを含む。
【００８４】
例１１は、例７−１０の任意の方法を含み、さらに、第１低ノイズ、コヒーレント光学ビームをファイバ共振器コイルの第１コイル端部面に結合させることを含み、また、第２低ノイズ、コヒーレント光学ビームをファイバ共振器コイルの第２コイル端部面に結合させることを含む。
【００８５】
例１２は、例１１の方法を含み、さらに、第１コイル端部面を、シリコン光学ベンチ内の第１溝内に位置決めすることを含み、また、第２コイル端部面を、シリコン光学ベンチの第２溝内に位置決めすることを含む。
【００８６】
例１３は、例１１−１２の任意の方法を含み、さらに、第１中空コア光ファイバフィルタの第２端部面および第２反射端部キャップを、シリコン光学ベンチの第１エッチング領域内に位置決めすることを含み、また、第２中空コア光ファイバフィルタの第２端部面および第４反射端部キャップを、シリコン光学ベンチの第２エッチング領域内に位置決めすることを含む。
【００８７】
例１４は、例１１−１３の方法を含む。第１低ノイズ、コヒーレント光学ビームをファイバ共振器コイルの第１コイル端部面に結合させることは、第１低ノイズ、コヒーレント光学ビームを、シリコン光学ベンチの第１エッチング領域に位置決めされた少なくとも１つのボールレンズを介して、シリコン光学ベンチの第１溝内に位置決めされた第１コイル端部面に結合させることを含む。第２低ノイズ、コヒーレント光学ビームをファイバ共振器コイルの第２端部面に結合することは、第２低ノイズ、コヒーレント光学ビームを、シリコン光学ベンチの第２エッチング領域内に位置決めされた少なくとも１つのボールレンズを介して、シリコン光学ベンチの第２溝内に位置決めされた第２コイル端部面に結合させることを含む。
【００８８】
例１５は、例１４の方法を含む。シリコン光学ベンチの第１エッチング領域内に位置決めされた少なくとも１つのボールレンズは、第１ボールレンズおよび第２ボールレンズを含む。また、シリコン光学ベンチの第２エッチング領域内に位置決めされた少なくとも１つのボールレンズは、第３ボールレンズおよび第４ボールレンズを含む。この方法はさらに、第１ボールレンズおよび第２ボールレンズを、その間を伝播する低ノイズ、コヒーレント光学ビームをコリメートするように位置決めすることを含み、また、第３ボールレンズおよび第４ボールレンズを、その間を伝播する低ノイズ、コヒーレント光学ビームをコリメートするように位置決めすることを含む。
【００８９】
例１６は、共振器光ファイバジャイロスコープを含み、低位相ノイズを備える参照光学ビームを放射する周波数安定化マスターレーザー、少なくとも２つのスレーブレーザーを含み、参照光学ビームが少なくとも２つのスレーブレーザーのそれぞれを制御するように構成される。共振器光ファイバジャイロスコープはさらに、少なくとも２つの中空コア光ファイバフィルタを含み、少なくとも２つのスレーブレーザーから放射される光学ビームがそれぞれの中空コア光ファイバフィルタに結合されるように構成される。低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、それぞれの中空コア光ファイバフィルタから出力される。共振器光ファイバジャイロスコープは、第１コイル端部面および第２コイル端部面を備えるファイバ共振器コイルを含む。少なくとも２つの中空コア光ファイバフィルタの１つから出力される光学ビームは、ファイバ共振器コイルの第１コイル端部面に結合され、少なくとも２つの中空コア光ファイバフィルタの他の１つから出力される光学ビームは、ファイバ共振器コイルの第２コイル端部面に結合される。
【００９０】
例１７は、例１６の共振器光ファイバジャイロスコープを含む。少なくとも２つの中空コア光ファイバフィルタはそれぞれ、第１端部面および反対側の第２端部面を備える中空コア光ファイバを有し、第１端部面および第２端部面はファイバ長を設定し、第１端部面は、第１反射端部キャップ上の第１反射コーティングに接触し、第２端部面は、第２反射端部キャップ上の第２反射コーティングに接触する。ファイバ長、第１反射端部キャップ上の第１反射コーティング、第２反射端部キャップ上の第２反射コーティング、中空コア光ファイバのモード場サイズ、および中空コア光ファイバの開口数は、少なくとも２つの中空コア光ファイバフィルタの中空コア光ファイバ内の非線形効果の発生を防止するように選択される。
【００９１】
例１８は、例１６−１７の任意の共振器光ファイバジャイロスコープを含む。第１スレーブレーザーから出力される光学ビームは、第１中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合される。第１中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される第１低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、ファイバ共振器コイルの第１コイル端部面に結合される。第２スレーブレーザーから放射される光学ビームは、第２中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合される。第２中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される第２低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、ファイバ共振器コイルの第２コイル端部面に結合される。
【００９２】
例１９は、例１６−１８の任意の共振に光ファイバジャイロスコープを含む。第３スレーブレーザーから放射される光学ビームは、第３中空コア光ファイバフィルタの第１端部面に結合される。第３中空コア光ファイバフィルタの第２端部面から出力される第３低ノイズ、コヒーレント光学ビームは、ファイバ共振器コイルの第１コイル端部面に結合される。
【００９３】
例２０は、例１６−１９の任意の共振器光ファイバジャイロスコープを含み、さらに、少なくとも２つの中空コア光ファイバフィルタから出力される低ノイズ、コヒーレント光学ビームを、第１コイル端部面および第２コイル端部面に整合させ、案内するように構成される光学素子を位置決めするための溝を含むシリコン光学ベンチを有する。
【００９４】
例２１は、例２０の共振器光ファイバジャイロスコープを含む。光学素子は、シリコン光学ベンチの少なくとも１つのエッチング領域に位置決めされる少なくとも１つの光学的に透明なボールレンズを含む。
【００９５】
添付の特許請求の範囲により画定される本発明の多数の実施形態が説明された。しかし、特許請求される発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態を様々な修正することができることを理解されたい。したがって、他の実施形態は添付の特許請求の範囲に包含される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
2012252001.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012252001.tif 000009
【図６】
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【外国語明細書】
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