(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源（１０２）と、
前記光源に接続された第１のスプリッタ（１０８）と、
光ファイバ感知ループ（１０４）と、
前記第１のスプリッタに接続された検出器（１２４）と、
前記第１のスプリッタを前記光ファイバ感知ループに結合させ、それによって前記光源からのビーム（１１０）を相反する方向に伝播する２つのビーム（１１１、１１２）に分割する波長感知光強度スプリッタ（１０６）と、
前記光ファイバ感知ループに接続された位相信号変調器（１１６）と、
前記位相信号変調器に結合されたバイアス変調周波数発生源（１１８）と、
前記検出器と前記バイアス変調周波数発生源とに接続された位相信号復調器（１２８）と、
前記光源に接続された光強度変調器（１３４）と、
前記光強度変調器に接続された光強度変調周波数発生源（１３８）と、
前記位相信号復調器と前記光強度変調周波数発生源とに接続され、前記２つのビームの強度の差に比例する出力信号（１４２）を発生することができる光強度信号復調器（１４０）と、
前記光源に接続された光源波長サーボ電子機構（１４４）であって、前記光強度信号復調器からの出力信号が前記光源波長サーボ電子機構によって光源波長制御信号に変換されて前記光源に伝播し、前記光源の波長を２つのビームの強度が等しくなるまで調整する光源波長サーボ電子機構（１４４）とを含む干渉光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記波長感知光強度スプリッタが、強度分割比を有し、前記光源からの光を前記ファイバ感知ループ内を相反する方向に回る２つの光線に分割し、光強度分割比が前記光源の波長に依存し、それによって、前記光源の波長を調整するにつれて２つの光線の強度が等しい大きさに近づき、
２つの光線が前記光ファイバ感知ループから出て、前記波長感知光強度スプリッタ内で結合され、前記第１のスプリッタと前記検出器とに伝播し、
前記検出器が２つの光線を検出してそれらを光検出器を介して対応する電気信号に変換し、これらの電気信号が前記位相信号復調器によって前記バイアス変調周波数発生源の第１の周波数を基準にして復調され、前記位相信号復調器からの出力信号が２つの光線間の位相関係を示し、前記位相関係がさらに前記光ファイバ感知ループの回転レートを示し、
前記位相信号復調器からの出力信号が前記光強度信号復調器によって前記光強度変調周波数発生源の第２の周波数を基準にして復調され、前記光強度信号復調器からの出力信号が２つの光線の強度を示すことを特徴とする請求項１に記載のジヤイロスコープ。
【請求項３】
前記位相信号復調器と前記位相信号変調器とに接続された位相信号サーボ電子機構をさらに備える請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項４】
前記波長感知光強度スプリッタが、強度分割比を有し、前記光源からの光を前記ファイバ感知ループ内を相反する方向に回る２つの光線に分割し、光強度分割比が前記光源の波長に依存し、それによって、前記光源の波長を調整するにつれて２つの光線の強度が等しい大きさに近づき、
２つの光線が前記光ファイバ感知ループから出て前記波長感知光強度スプリッタ内で結合し、前記第１のスプリッタと前記検出器に伝播し、
前記検出器が２つの光線を検出してそれらを光検出器を介して対応する電気信号に変換し、
これらの電気信号が前記位相信号復調器によって前記バイアス変調周波数発生源の第１の周波数を基準にして復調され、前記位相信号復調器からの出力信号が２つの光線間の位相関係を示し、
前記位相信号変調器からの出力信号が、前記位相信号サーボ電子機構によってある大きさを有する位相シフト信号に変換されて前記位相信号変調器に伝播し、２つの光線間の位相関係を調整し、それによって位相関係が２つの光線間の位相差の第１の値に近づくようにし、
前記位相シフト信号のある大きさが前記光ファイバ感知ループの回転レートを示し、
前記位相信号復調器からの出力信号が前記光強度信号復調器によって前記光強度変調周波数発生源の第２の周波数を基準にして復調され、前記光強度信号復調器からの出力信号が２つの光線の強度を示すことを特徴とする請求項３に記載のジャイロスコープ。
【請求項５】
２つの光線間の位相差の第１の値がゼロであることを特徴とする請求項４に記載のジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、カー効果低減機構を有する光ファイバ・システムに関し、具体的には、光ファイバ感知ループ内を相反する方向に伝播する電磁波の強度レベルを等化することによってカー効果低減に対処する構成に関する。
光ファイバ・ジャイロスコープは、そのようなジャイロスコープを支持する物体の回転を検知するための魅力的な手段である。そのようなジャイロスコープは、きわめて小型に製作することができ、激しい機械衝撃、温度変化、およびその他の過酷な環境条件に耐えるように構築することができる。光ジャイロスコープは可動部品がないため保守がほとんど必要なく、費用が経済的になる可能性を持っている。また、他の種類の光ジャイロスコープでは問題になることがある低い回転レートも検知することができる。
光ファイバ・ジャイロスコープは、それを巡る回転を検知するコアの軸を中心としてコア上に巻かれたコイル状光ファイバを有する。光ファイバの長さは典型的には１００〜２，０００メートル程度であり、閉じた光路の一部であって、その閉じた光路内には電磁波すなわち光波が導入されて１対の電磁波すなわち光波に分割され、コイルを相反する方向に伝播して両方とも最終的には光検出器に入射する。コアの検知軸すなわちコイル状光ファイバを中心とする回転によって、この２つの光波の一方について一方の回転方向で実効光路長が長くなり、他方の回転方向で光路長が短くなる。他方の回転方向ではこれと逆の結果が生じる。光波間のこのような光路長差によって、いずれの方向でもこの２つの光波の間に位相シフト、すなわちよく知られたサニャック効果が生じる。このジャイロスコープは、干渉光ファイバ・ジャイロ（ＩＦＯＧ）と呼ばれる。回転による位相差シフトの量、したがって出力信号は反対方向に伝播する２つの電磁波が通るコイルの光路全体の長さに依存するため、光ファイバが長ければ大きな位相差を得ることができるが、コイル状になっていることによりその長い光ファイバが占める体積が比較的小さくなるため、コイル状光ファイバの使用が望ましい。
相反する方向に伝播する電磁波がコイル状光ファイバを通過した後で光検出器システム・フォトダイオードに入射すると、それに応答する光検出器システム・フォトダイオードからの出力電流が二乗余弦関数に従う。すなわち、出力電流はその２つの電磁波の間の位相差の余弦に依存する。余弦関数は偶関数であるため、このような出力関数は位相差シフトの相対的方向に関する標識とはならず、したがって、コイル軸を中心とする回転の方向に関する標識とはならない。さらに、零相に近い余弦関数の変化率はきわめて小さく、そのためそのような出力関数は低い回転レートに対する感度がきわめて悪い。
このような不満足な特性のために、２つの相反する方向に伝播する電磁波間の位相差は、通常光位相変調器またはバイアス変調器と呼ばれることもある変調器をコイル状光ファイバの一方の側の光路に配置することによって変調される。回転検知感度を向上させるために、一般には、干渉計ループ内の相反する方向に伝播するビーム間の位相差を正弦変調することによってサニャック干渉計をバイアスさせる。その結果、それらの相反する方向に伝播する波のうちの一方の波がコイルに入る途中に変調器を通る一方、コイルを反対方向に伝播する他方の波はコイルを出るときに変調器を通る。
復調器システムの一部として機能する位相感知検出器を設けて、光検出器の出力電流を表す信号を受信する。位相変調器と位相感知検出器は両方とも、正弦信号発生器によっていわゆる「固有」周波数で動作させて変調器による振幅変調を少なくしたりまったくなくしたりすることができるが、同じ基本周波数の他の波形タイプを使用することもできる。周波数をより制御可能な値まで下げるために他の周波数を使用することもでき、実際にしばしば使用される。
その結果の位相感知検出器の信号出力は正弦関数に従う。すなわち、出力信号は、主として他の大きな望ましくない位相シフトが起こらない場合のコイルの軸を中心とした回転による位相シフトである、フォトダイオードに入射する２つの電磁波の間の位相差の正弦に依存する。正弦関数は、零相シフトで最大変化率を有する奇関数であり、したがって零相シフトの両側で代数符号を変化させる。したがって、位相感知検出器信号は、コイルの軸を中心とする回転がどちらの方向に発生しているかを示す標識となることができ、零回転レートに近い回転レートの関数としての信号値の最大変化率を示すことができる。すなわち、検出器は零に近い位相シフトに対する最大感度を有し、それによってその出力信号は低い回転レートに対する感度がきわめて高くなる。当然ながらこれが可能なのは、他の要因による位相シフト、すなわち誤差がきわめて小さい場合に限られる。さらに、これらの状況におけるこの出力信号は、比較的低い回転レートできわめて線形に近くなる。位相感知検出器の出力信号のこのような特性は、光位相変調のない光検出器の出力電流の特性に優る大幅な改良である。
従来技術のこのようなシステムの一例を第１図に示す。このシステムの光学部分には光路に沿っていくつかの機構が含まれ、それによってこのシステムが相互交換的であるように保証する。すなわち、後述するような非相互交換的位相差シフトの特定の導入を除き、相反する方向に伝播する電磁波のそれぞれについてほぼ同じ光路が生じるようにする。コイル状光ファイバ１０は、それを巡る回転を検知する軸を中心として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を中心としてコイル１０を形成する。単一モード・ファイバの使用によって、電磁波すなわち光波の経路を固有に確定することができ、さらに、そのように導かれた波の同位相波面も固有に確定することができる。これは、相互交換性を維持する大きな助けとなる。
さらに、光ファイバはいわゆる偏波保持ファイバとすることができる。偏波保持ファイバでは、ファイバ内できわめて大きな複屈折が形成され、その結果、避けられない機械応力、磁界におけるファラデー効果、またはその他の原因によって生じる偏波変動が比較的小さくなる。偏波変動があると、相反する方向に伝播する波の間の位相差シフトが変動する可能性がある。システム内の他の光学構成要素に応じて、屈折率の高い軸（すなわち伝播速度が遅い軸）かまたは屈折率が低い軸を、電磁波を伝播させるために選定する。
コイル１０を相反する方向に伝播する電磁波を、電磁波源すなわち第１図の光源１１から供給する。典型的にはこの光源は、８３０ナノメートル（ｎｍ）〜１５５０ｎｍの典型的な波長を有する典型的にはスペクトルの近赤外線部にある電磁波を出すレーザ・ダイオードなどの半導体光源である。コイル１０の散乱場所でのレイリーおよびフレネル散乱による２つの波の間の位相シフト差誤差を少なくするために、光源１１は放出光について短いコヒーレンス長を有していなければならない。コイル１０内の非線形カー効果のために、２つの相反する伝播波の強度が異なることによって、２つの波の間の位相シフトが異なる可能性がある。この状況は、適合する統計的特性を備えた光を放射する光源１１に短いコヒーレンス長を使用することによって克服することができる。
第１図には、レーザ・ダイオード１１と光ファイバ・コイル１０との間に、コイル１０を形成する光ファイバの両端を光路全体をいくつかの光路部分に分けるいくつかの光結合構成要素まで延長することによって形成された、光路配置構成が図示されている。光ファイバの一部は、レーザ・ダイオード１１からの発光が最適になる地点でレーザ・ダイオード１１に接して配置され、その地点から第１の光方向性結合器１２まで延びている。
光方向性結合器１２内には光伝送媒体があり、この光伝送媒体は媒体の各端部に２つずつある４つのポートから延びており、これは第１図の結合器１２の各端部に図示されている。これらのポートのうちの１つは、それに接して配置されたレーザ・ダイオード１１から延びる光ファイバを有する。光方向性結合器１２の検知端部にある他方のポートには、それに接して配置されたもう１本の光ファイバが図示されており、光検出システム１４に電気的に接続されたフォトダイオード１３に接して配置されるように延びている。
フォトダイオード１３は、それに接して配置された光ファイバの部分から入射する電磁波すなわち光波を検出し、信号成分選択手段３５に応答して光電流を出す。この光電流は、上記のように、２つのほぼコヒーレントな光波が入射する場合、光電流出力を出す際に余弦関数に従い、この光電流出力はそのような１対のほぼコヒーレントな光波の間の位相差の余弦に依存する。この光起電素子は、きわめて低いインピーダンスを生じさせ、入射する発光の一次関数である光電流を供給する。典型的にはｐ−ｉ−ｎフォトダイオードである。
光方向性結合器１２は、その偏光子１５へと延びる他方の端部にあるポートに接するもう１つの光ファイバを有する。結合器１２のそれと同じ側にある他方のポートには、無反射終端機構１６があり、光ファイバのもう一つの部分を含む。
光方向性結合器１２は、そのいずれかのポートで電磁波すなわち光を受け取ると、その光のほぼ半分が結合器１２の着信ポートのある端部とは反対側の端部にある結合器１２の２つのポートのそれぞれに現れるように光を伝搬する。一方、そのような電磁波または光は、結合器１２の着信光ポートと同じ端部にあるポートに伝搬される。
単一空間モード・ファイバの場合であっても、光はファイバを２つの偏光モードで伝播することができるため、偏光子１５を使用する。したがって、偏光子１５を設ける目的は、１つの偏光の伝播光を通過させ、それによって同じ偏光の時計回り（ｃｗ）の波と反時計回りの波（ｃｃｗ）とが感知ループ内に導かれ、ｃｗ波とｃｃｗ波について感知ループからの同じ偏光の光だけが検出器で干渉するようにすることである。しかし、偏光子１５は遮断しようとする１つの偏光状態の光を完全には遮断しない。これによっても、それを通過する２つの相反する方向に伝播する電磁波の間にわずかな非相互交換性が生じ、したがってその２つの電磁波の間にわずかな非相互交換的位相シフト差が生じ、その差は偏光子が配置されている環境条件と共に変化する可能性がある。なお、この場合も、前述のように、使用する光ファイバにおける高い複屈折率がこの結果の位相差を少なくするのに役立つ。
偏光子１５はその両端部にポートを有し、その間に配置された電磁波伝送媒体を含む。光方向性結合器１２に接続された端部の反対側の端部にあるポートに接して、もう１つの光ファイバ部分が配置され、結合器１２と同じ波伝播特性を持つ他の光双方向性結合器１７まで延びている。
偏光子１５に結合されている結合器１７のポートと同じ端部にある他のポートが、もう１つの光ファイバ部分を使用して無反射終端機構１８に接続されている。結合器１７の他方の端部にあるポートについて検討してみると、１つのポートがコイル１０内の光ファイバの一端からそこまで延びている光路の各部分にある他の光構成要素に接続されている。結合器１７の他方のポートは、光ファイバ１０の残りの端に直接結合されている。コイル１０と結合器１７の間の、コイル１０に直接接続されている側とは反対側に、光位相変調器１９が設けられている。光位相変調器１９は、第１図に図示されているように、光位相変調器１９の中に含まれている伝送媒体の両側に２つのポートを有する。コイル１０からの光ファイバは変調器１９のポートに接して配置されている。結合器１７から延びる光ファイバは、変調器１９の他方のポートに接して配置されている。
光変調器１９は電気信号を受信し、その中の１つまたは複数の伝送媒体の屈折率を変化させて光路長を変えることによって、変調器１９を伝播する電磁波に位相差を生じさせることができる。このような電気信号は、Ｃ1ｓｉｎ（ωgｔ）と等しくなるように意図された変調周波数ｆgで正弦電圧出力信号を発生するバイアス変調信号発生器２０によって、変調器１９に供給される（ただしωgは変調周波数ｆgのラジアン周波数に相当する）。その他の適合する周期波形も代用することができる。
以上で、発生源１１によって放射された電磁波すなわち光波がたどる光路に沿って形成された第１図のシステムの光部分の説明は終わる。このような電磁波は、その発生源から光ファイバ部分を通って光方向性結合器１２に結合される。発生源１１から結合器１２に入射するこの波の一部は、その反対側の端部にあるポートに結合された無反射終端機構１６によって失われるが、その波の残りは偏光子１５を通って光方向性結合器１７まで伝搬される。
結合器１７はビームスプリット装置として機能し、偏光子１５から受け取ってそのポートに入った電磁波は約半分ずつに分かれ、その一方の部分は結合器１７の両端部にある２つのポートのそれぞれを通って出る。電磁波が結合器１７の反対側の端部にある１つのポートから出て光ファイバ・コイル１０と変調器１９とを通って結合器１７に戻る。そこで、この戻り電磁波の一部が結合器１７の偏光子１５接続端部にある他方のポートに接続された無反射機構１８で失われるが、その電磁波の残りの部分は結合器１７の他方のポートを通って偏光子１５に至り、結合器１２に至って、そこでその一部がフォトダイオード１３まで伝搬される。偏光子１５からコイル１０まで通過した波の他方の部分は、結合器１７のコイル１０端部にある他方のポートを出て変調器１９を通り、光ファイバ・コイル１０を通って再び結合器１７に入り、やはりその一部が他方の部分と同じ経路をたどって最終的にフォトダイオード１３に入射する。
前述のように、フォトダイオード１３はそれに入射する２つの電磁波すなわち光波の強度に比例する出力光電流ｉPD13を出力する。したがって出力光電流ｉPD13はこのダイオードに入射する２つの波の位相差の余弦に従うと予測され、以下の式に従って求められる。
0003939350.tif 000002
これは、電流がフォトダイオード１３に入射する２つのほぼコヒーレントな波の結果の光強度に依存するためであり、この光強度は２つの波の間に強めあう干渉または弱めあう干渉がどれだけ発生するかに応じてピーク値Ｉ0からより小さな値まで変化することになる。軸を中心としてコイル１０を形成するコイル状光ファイバの回転によって２つの波の間に位相差シフトψＲが生じるため、この波の干渉はその回転と共に変化する。さらに、ｃｏｓ（ωgｔ）に比例して変化するように意図された振幅値ψｍを有する変調器１９によってこのフォトダイオード出力電流にもう１つの可変位相シフトが生じる。
光位相変調器１９は上述のような種類のものであり、前述のように余弦関数に従う光検出システム１４の出力信号を正弦関数に従う信号に変換する復調システムの一部としての位相感知検出器と組み合わせて使用される。このような正弦関数に従うことによって、前述のようにその出力信号で回転レートとコイル１０の軸を中心とする回転方向の両方に関する情報を提供する。
したがって、フォトダイオード１３を含む光検出システム１４からの出力信号は、電圧に変換され、その電圧を増幅する増幅器２１を介し、フィルタ２２を通してそのような位相感知検出器手段２３に供給される。光検出システムと、増幅器２１とフィルタ２２と、位相感知検出器２３とは、信号成分選択手段を構成する。位相復調システムの一部として機能する位相感知検出器２３は周知の装置である。このような位相感知検出器は、フィルタリングされたフォトダイオード・システム出力信号の基本振動すなわち変調信号発生器２０の基本周波数の振幅を抽出して、フォトダイオード１３に入射する電磁波の相対位相を示す標識を提供する。この情報は、位相感知検出器２３によって正弦関数に従う出力信号の形で提供される。すなわち、この出力信号はフォトダイオード１３に入射する２つの電磁波間の位相差の正弦に従う。
バイアス変調信号発生器２０は、前述の周波数ｆgで光路内の光を変調する際に、光検出システム１４内の再結合された電磁波によって高調波が発生されるようにする。フィルタ２２は、増幅器２１によって増幅された後の光検出器１４の出力信号の変調周波数成分すなわち基本振動を通過させる帯域フィルタである。
動作中、回転による光路内のコイル１０を通る２つの相反する方向に伝播する電磁波の位相差の変化は、変調器１９による位相差の変化と比較してゆっくりと変動する。回転、すなわちサニャック効果によるどのような位相差が生じても、２つの電磁波間の位相差が単にシフトするに過ぎない。フィルタ２２の出力に現れる光検出システム１４の出力信号の変調周波数成分の振幅倍率は、ａ）変調器１９と発生器２０とによるこれら２つの波の位相変調の振幅値と、ｂ）システム全体の様々な利得を表す定数の係数によってのみさらに修正される、この位相差の正弦によって設定されると予測される。次に、この信号成分における発生器２０と変調器１９によるこの正弦変調の周期的効果は、位相感知検出器２３を含むシステムにおける復調によって除去されて、その振幅倍率にのみ依存する復調器システム（検出器）出力信号が残ると予測される。
したがって、増幅器２１の出力における電圧は典型的には以下のようになる。
Ｖ21-out＝ｋ｛１＋ｃｏｓ［ψR＋ψmｃｏｓ（ωgｔ＋θ）］｝
定数ｋは増幅器２１の出力までのシステムの利得を表す。記号θは、発生器２０によって供給される信号の位相を基準にした増幅器２１の出力信号における付加的な位相遅延を表す。この位相シフトの一部は光検出システム１４で生じ、一部は、発生器２０によって供給された信号の位相と変調器１９がその中の媒体の屈折率またはその長さあるいはその両方をそれに応じて変化させる応答との間の、変調器１９両端間の位相シフトなどの他の原因によって生じる。上記の式で使用されているその他の記号は前掲の最初の式と同じ意味を持つ。
上記の式は、ベッセル級数展開式に展開して以下のように表すことができる。
Ｖ21-out＝ｋ［１＋Ｊ0（ψm）ｃｏｓψR］
−２ｋＪ1（ψm）ｓｉｎψRｃｏｓ（ωgｔ＋θ）
−２ｋＪ2（ψm）ｃｏｓψRｃｏｓ２（ωgｔ＋θ）
＋２ｋＪ3（ψm）ｓｉｎψRｃｏｓ３（ωgｔ＋θ）
0003939350.tif 000003
増幅器２１の出力におけるこの信号をフィルタ２２の入力に供給する。
フィルタ２２は、前述のように最後の等式のうちから第一に基本振動、すなわち変調周波数成分を通過させる。その結果、フィルタ２２の出力信号は以下のように書くことができる。
Ｖ22-out＝−２ｋＪ1（ψm）ｓｉｎψRｃｏｓ（ωgｔ＋θ＋ψ1）
さらに現れている位相遅延項Ψ1は、フィルタ２２を通過した結果として加えられた基本振動項における追加の位相シフトである。この追加された位相シフトは、ほぼ一定していると予測され、フィルタ２２の既知の特性である。
フィルタ２２からのこの信号は次に位相感知検出器２３に供給され、バイアス変調信号発生器２０からの信号も同様に供給される。後者はこの場合もＣ1ｓｉｎ（ωgｔ）と等しいものと意図され、ωgは変調周波数ｆgに相当するラジアン周波数である。位相感知検出器２３によってその基準信号にθ＋Ψ1に等しい位相シフトを加えることができると仮定すると、そのような信号発生器２０の出力信号でのこの検出器の出力は以下のようになる。
Ｖ23-out＝ｋ’Ｊ1（ψm）ｓｉｎψR
定数ｋ’は、位相感知検出器２３によるシステム利得である。
この式からわかるように、位相感知検出器２３の出力はバイアス変調発生器２０によって操作されたバイアス変調器１９によって供給される振幅Φｍに依存する。バイアス変調発生器２０を使用して、コイル１０の軸を中心とした所与の回転レートについて位相感知検出器２３の出力における信号の値を設定することができる。すなわち、その回転レートについて少なくとも可能な値の範囲内でジャイロスコープの倍率を設定することができる。
しかし、これらの予測結果は第１図のシステムでは得ることができない。予測結果を得ることができない１つの理由は、バイアス変調信号発生器２０が位相変調器１９を通して前述の周波数ｆgで光路内の光を変調する結果、再結合された電磁波によって光検出システム１４内で高調波成分が発生するだけでなく、発生器２０と変調器１９の両方で非線形性が生じるために変動する光路位相における何らかの高調波成分が直接供給されるためである。
すなわち、第１の可能性として、変調発生器２０によってその出力で供給される出力信号には、周波数ｆgの基本信号だけでなく、そのかなりの高調波も含まれる。そのような高調波のない信号を供給することができたとしても、位相変調器１９における非線形成分特性とヒステリシスの結果、それによって光路にもたらされる変動する位相に高調波が持ち込まれる。このような高調波によって、光ファイバ・ジャイロスコープの出力信号にかなりのレート・バイアス誤差が生じる。したがって、変調システムによるそのような誤差が低減または解消される干渉光ファイバ・ジャイロスコープが望ましい。
他方の波を変調させて一方の波を１８０度位相外れに変調させる周波数となるように「固有」周波数を選定する。２つの波の間に１８０度の位相差を生じさせるこの変調は、結果の光検出器信号の変調器による振幅変調をなくす効果がある。「固有」周波数の値は、光ファイバの長さとそれに相当する屈折率とから求めることができる。
位相感知復調器のその結果の信号出力は正弦関数に従う。すなわち、出力信号は、主としてコイルの軸を中心とする回転による位相シフトであるフォトダイオードに入射する２つの電磁波間の位相差の正弦に依存する。正弦関数は、ゼロでその最大変化率を有する奇関数であり、したがってゼロの両側で代数符号を変化させる。したがって、位相感知復調器信号は、コイルの軸を中心とする回転がどちらの方向に発生しているかを示す標識となることができるだけでなく、ゼロ回転レート付近の回転レートの関数としての信号値の最大変化率を示す。すなわち、零位相シフト付近でその最大感度を有し、その結果、その出力信号は低い回転レートに対する感度がきわめて高い。これは、当然、他の原因による位相シフト、すなわち誤差をきわめて小さくした場合にのみ可能である。さらに、これらの状況におけるこの出力信号は比較的低い回転レートできわめて線形に近くなる。位相感知復調器の出力信号のこのような特性は光検出器の出力電流の特性に対する大幅な向上である。
それにもかかわらず、位相感知復調器の出力は、正弦関数に従う結果、ゼロから離れた回転レートの出力は次第に線形でなくなる。正弦関数のピークの１つを超えるのに十分な振幅の回転レートの場合、周期的であることによる出力応答値はどの回転レートが発生しているかに関してあいまいになる。したがって、位相感知復調器の出力信号がゼロ回転レート値付近の線形領域内に留まるようにジャイロスコープを動作せることが強く望まれる。
これは、コイル状光ファイバを伝播する相反する方向の電磁波が光検出器に達するまで使用する光路部分のコイルの近くに、もう１つの位相変調器すなわち周波数シフト器を付加することによって実現することができる。この位相変調器すなわち周波数シフト器は、光検出器システムからの帰還ループで動作し、位相変調器による位相変化がコイル状光ファイバの軸を中心とする回転の結果生じる相反する方向に伝播する電磁波の間の位相シフト差を相殺するのにちょうど十分であるように、十分な負帰還を生じさせる。その結果、遷移回転レート変化を除けば、光検出器では位相シフト差はほとんど発生せず、位相感知復調器によって検知される位相シフトはほとんどなくなる。したがって、この位相感知復調器の出力信号は常にゼロ付近またはゼロである。位相感知復調器に接続され、回転による位相シフトを相殺するのに十分な特定の位相シフトを生じさせるように変調器に指示する信号を供給することによって、この追加の位相変調器を動作させる信号発生器からの信号は、その信号内または関連する信号内に回転レートの大きさと方向に関する情報を含む。
この追加の光位相変調器を動作させる帰還ループ内の位相感知復調器に接続された信号発生器からの出力信号にはいくつかの形態が提案されている。１つの一般的で適切な選択肢は、光位相変調器に鋸歯状信号を供給するセロダイン発生器を使用することである。鋸歯または鋸歯状信号を選定するのは、２π位相振幅の理想的な鋸歯信号が、単波側帯変調器に変調された電磁波の純粋な周波数変換をどれだけ与えるかを示すことができるためである。その結果、そのような鋸歯信号によって作動される位相変調器を通過する光は、鋸歯信号の周波数と等しい量だけ変換された周波数で変調器から出ることになる。理想からずれた鋸歯信号は純粋な周波数変換を生じさせず、その代わりに追加の高調波が発生する。この高調波は鋸歯形にきわめて近い波形を供給することと、変調器の適切な設計とによって小さく維持することができる。
このように動作させた光位相変調器をコイル状光ファイバの一方の側に配置することによって、一方の電磁波はコイルに入ると周波数が変換され、他方の電磁波はコイルを出るまで周波数が変換されない。したがって、一方の電磁波は他方の電磁波よりも高い周波数でループを伝播し（だたし、両方の電磁波は光検出器に達したときには同じ周波数を有する）、その結果、固定した変調器（またはセロダイン発生器）周波数の場合、光検出器において鋸歯の周波数と２πτΔｆのファイバの性質とによって設定された量で一方の電磁波が他方の電磁波に対して位相シフトを有することになる。ここで、Δｆは変調器または発生器の周波数であり、τはコイルを通る光波の遷移時間である。変調器が設けられた負帰還ループのため、この位相シフトは回転によって生じる光波間の位相シフトを打ち消す働きをする。したがって、鋸歯、または鋸歯状信号発生の出力器信号の周波数は、回転レートを示す標識となり、鋸歯の極性は回転の方向を示す。
これを第２図に示す。位相感知検出器２３からの信号は、第１図の回転レート表示器にではなく、第２図に組み込まれたサーボ電子機構２４に進む。この信号は、ビーム間の位相差の大きさと符号を示す。このような位相差に応答して、サーボ電子機構２４は位相ランプ信号２５を出力し、その信号が加算増幅器２７に送られ、加算増幅器２７は信号２８でバイアス変調信号もこの位相変調器に供給する。セロダイン変調の場合の鋸歯の周波数などのビームを同相に戻すのに必要な帰還信号は、感知ループ１０の回転レートを示す標識である。この閉じたループの場合、鋸歯または二重ランプ形三角波とすることができる所望の位相ランプ信号の必要な高周波成分に対応するために、選定する変調器は典型的には集積光チップ（ＩＯＣ）上の位相変調器である。回転を示す信号２５は次に回転レート表示器２６に供給される。回転レート表示器はループ１０の回転レートを示す好都合で容易に使用できる標識を表示する。
発明の概要
本発明は、光ファイバ・ジャイロスコープの感知ループにおいて相反する方向に伝播する光線の強度が等しくないことによってカー効果が生じ、それによって誤った回転レートが示される問題に対する解決策である。これらの相反する方向に伝播する光線の強度が等しい場合、ジャイロスコープにおけるカー効果の根本原因が実質的に解消される。本発明は、波長と共に分割比が変化する波長感知スプリッタと、ジャイロスコープの感知ループ内の相反する方向に伝播する光線の強度を等しくするように光波長を変えるために光源に信号を供給する帰還回路とを組み込む。
米国特許ＵＳ−Ａ−４７７３７５９号に、光源から放射された光を変調して所定の波長にすることによってカー効果を補償する干渉光ファイバ・ジャイロスコープが記載されている。しかし、この参照特許は、光が波長感知光強度スプリッタに入射する前に光の波長を修正して時計回りの光と反時計回りの光の比を変更し、それによって強度差をなくすことを提案していない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、関連技術の開ループ干渉光ファイバ・ジャイロスコープを示す図である。
第２図は、関連技術の閉ループ干渉光ファイバ・ジャイロスコープを示す図である。
第３図は、光ファイバ・ジャイロスコープにおける本発明の実施形態を示す図である。
実施形態の説明
第３図の光ファイバ・ジャイロスコープの構成１５０は、波長感知スプリッタ１０６と、感知ループ１０４内の相反する方向に伝播する光線１１１および１１２の強度をバランスさせる帰還回路とを有する。広帯域光源１０２が光線１１０を放射し、その光線がスプリッタ１０８を通り、その光線の一部がスプリッタ１０８の無反射終端機構１１４で失われる。光線１１０の残りの部分はスプリッタ１０６に入り、スプリッタ１０６は光線１１０を光線１１１と１１２に分割する。光線１１１はループ１０４を時計回りの方向に伝播し、光線１１２はループ１０４を反時計回りの方向に伝播する。光線１１２はループ１０４に入るときにバイアス位相変調され、光線１１１はループ１０４を出るときにバイアス位相変調される。光線１１１および１１２のバイアス位相変調は、発振器または変調器ドライバ１１８からの周波数ｆmを使用して位相変調器１１６によって行われる。戻った光線１１１と１１２はスプリッタ１０６に入って結合される。結合された光の１部はスプリッタ１０６の無反射終端機構１２０で失われる。光線１１１と１１２との組合せの残りの部分はスプリッタ１０８に入り、光線１１１と１１２との組合せの残りの一部はファイバ１２２に入る。ファイバ１２２は光線１１１と１１２の前記部分を光検出器１２４に伝搬する。光検出器はその光線を電気信号１２６に変換し、その信号１２６が復調器１２８に伝播する。
光線１１１と１１２は同相でループ１０４に入り、ループを相反する方向に伝播し、ループ内のそれぞれの光路の長さが等しければ、ループから同相で出る。ループの中心と交わる線によって表すことができ、ループを含む平面に対して垂直の、ループの軸を中心とするループの回転がある場合、光線１１１と１１２の光路はサニャック効果のために異なる。ループ１０４が静止している場合であっても光線１１１と１１２の光路の長さを異ならせる可能性のあるもう１つの点は、両光路間の屈折率の相違によるものである。光線は、異なる屈折率を有する媒体を異なる速度で伝播する。両方の光線の経路のファイバが同じ場合であっても、各光線の屈折率は、それぞれの光線の相対的な強度に部分的に依存する。光線１１１と１１２が２つの異なる強度レベルを有する場合、媒体は一般に一方の波について他方とは異なる伝搬定数を有することになる。以下の式によると、それぞれｃｗ方向とｃｃｗ方向のカー効果であるβK1とβK2による伝搬定数の変化は、それぞれｃｗの強度Ｉ1（ｚ，ｔ）とｃｃｗの強度Ｉ2（ｚ，ｔ）が異なるために等しくならない。
0003939350.tif 000004
上記の式は、強度と、したがって伝搬定数とが、ファイバ・ループを巡る位置と共に変化する可能性があり、振幅変調を加えた光源の場合、時間と共に変化する可能性があるという事実を反映している。変数ｚはループの長さに沿った部分を表し、ｃｗ波が結合器１０６の出力でループに入る位置によってｚ＝０が規定され、ｃｃｗ波が長さＬのループに入る位置でｚ＝Ｌが同様に規定される。
上記の式で、光の波長をλで与え、コイル媒体のインピーダンスをη、コイル・ファイバのカー計数をｎ2で与え、δはファイバの横断面全体の光の分布に関する係数を表す。上記の２つの式からわかるよりに、所与の時点でループ内の所与の地点でＩ1とＩ2が等しくない場合、βK1とβK2はその瞬間にファイバ内のその地点で異なる。一般に光源には振幅変調が加えられ、それによってＩ1（ｔ，ｚ）とＩ2（ｔ，ｚ）が時間と共に変化する。また、Ｉ1（ｔ，ｚ＝０）≠Ｉ2（ｔ，ｚ＝Ｌ）の場合、ループに入る２つの光波は異なる振幅を有し、それによってβK1とβK2との間に差が生じる。
式１で、βK1はそれ自体の強度Ｉ1（ｔ，ｚ）に依存し、反対方向に伝播する波の強度Ｉ2（ｔ，ｚ）に２倍依存することに留意されたい。すなわち、βK1が反対方向に伝播する波に依存する度合すなわち相互効果は、それ自体の強度に対する依存度すなわち自己効果の２倍の強さである。βK2についても同様である。２つの依存度が等しい場合は、βK1はβK2に等しくなるはずである。この関係のために、Ｉ1とＩ2との不均衡によって、一般にはループを巡る光位相シフトが等しくなくなる。したがって、各光線は、他方の光線とは異なる長さの光路を伝播することになる。そのような場合、ループ１０４が回転していなくても、光線１１１と１１２はループ１０４から互いに対して位相外れで出る。光線１１１と１１２が同相の場合は強め合う干渉があり、その結果、検出器１２４に対して最大のタイプの光信号が送られる。この光信号は、光線１１１と１１２が同相になることを示す対応する電気信号１２６を有し、したがってループ１０４が回転していないことを示す。しかし、光線１１１と１１２の強度が異なり位相外れである場合、検出器１２４からの電気信号１２６は、ループ１０４が実際には静止しているときにループ１０４の回転を誤って示す。この偽の表示は、光媒体の屈折率が媒体内を伝播する光線の強度から完全には独立していないことによって生じる光カー効果による誤差である。回転Ωeの偽の表示は以下の式によって求められる。
0003939350.tif 000005
上式で、Ｄは検知コイルの直径であり、Ｉ0（ｔ）はＩ1とＩ2とに分割されて検知コイルに入る時点ｔにおける光源強度であり、ｃは真空中の光の速度であり、Ｕはループ結合器の分割比であり、すなわちＩ2＝ＵＩ0およびＩ1＝（１−Ｕ）Ｉ0である。括弧＜＞はそれに囲われた数量の時間平均を示し、一般には時間に依存する。一定の強度＜Ｉ02（ｔ）＞＝＜Ｉ0（ｔ）＞2を有する単色光源の場合について、括弧［］内の項を−＜Ｉ0＞に等しくし、Ｕ≠０．５の場合の誤差に対処する。この場合、この状況では５０％のオン／オフ・デューティ・サイクルによる光源波強度Ｉ0の方形波変調を使用してこの効果をなくす。これによって、＜Ｉ02（ｔ）＞＝２＜Ｉ0（ｔ）＞2になり、したがって式３の括弧［］内の項はゼロになる。Ｕのすべての値についてこのカー効果の解消を行う。これは、自己効果が常に存在するのに対して、２つの光波が半分の時間しか重なり合わないため式１および２の相互効果の大きさを本質的に半分にすることによって実現される。この実施態様では、変調周波数ｆmはコイル遷移時間τの逆数より大きくなければならず、この誤差低減技法の利点を最大限に得るためには典型的には１／τの１０倍である。一般に、＜Ｉ02（ｔ）＞とＩ0（ｔ）＞2との関係は光源によって異なる。干渉光ファイバ・ジャイロスコープ用途では、感知ループ内の光の後方散乱と感知ループ内の偏光の望ましくない第２の状態の光の伝播とによるドリフトをなくす手段として、最初はスーパールミネセント・ダイオードなどの広帯域光源が求められた。広帯域光源の場合、＜Ｉ02（ｔ）＞と２＜Ｉ0（ｔ）＞2との関係は光源の付勢の仕方に依存し、一般に定振幅の単色光源の場合とは異なる。これらの相違は、広スペクトル源を含む独立した各発振器の瞬間的なうなりの結果生じる強度の変動によるものである。したがって、特定の広帯域光源と励起方法に応じて、広帯域光源を使用したジャイロのカー効果が違ってくる。解決策は、光線１１１と１１２の強度レベルを互いに実質的に等しくすることによって、カー効果がゼロになるようにすることである。このため、Ωeを以下のように表すことによって式（３）を簡略化することができる。
Ωe＝ｋ1（１−２Ｕ）＜Ｉo（ｔ）＞＝ｋ1（１−２Ｕ）Ｉo（ｔ）（４）
上式で、
0003939350.tif 000006
であり、式（４）の＜＞をやめて、ここからはＩ0（ｔ）はＩ0（ｔ）の平均値のみを指す。しかし、Ｉ0（ｔ）の平均値はここではゆっくりと、しかしｔよりははるかに長い時間枠で変動するものと考える。したがって、式３および式５の＜＞は、ｔよりかなり長い時間にわたる意図された平均であった。次に、光検出器／プリアンプの組合せ１２４からの出力信号１２６を以下の式で求める。
Ｖ126＝ｋ｛１＋ｃｏｓ［φR＋φe＋φm＋ｃｏｓ（ωgｔ＋Θ）］｝（６）
上式で、
0003939350.tif 000007
であり、上式のＬはループ長、Ｄは感知ループの直径、ｋは光源強度Ｉ0と光検出器の利得と光回路の損失とを含む定数である。
復調器１２８は信号１２６を受け取ってその信号を発振器または位相変調器１１８からの基準信号を基準にして周波数ｆmで復調する。以下の復調器１２８の出力信号１３２
Ｖ132＝ｋ’Ｊ1（φm）ｓｉｎ（φR＋φe）（８）
が位相信号サーボ電子機構１３５に送られる。上式でｋ’はｋと復調器利得を含む定数である。
ゼロから離れた回転レートで必要な出力の線形性を実現するため、すなわち、式８の正弦関数の線形部分を使用するために、ジャイロを閉ループ式に動作させる。信号１３２を使用して、波１１１と１１２との間の位相差を示すサーボ誤差信号を表す。位相信号サーボ電子機構１３３は、信号１３２を受け取るとセロダイン変調に従って鋸歯形の電圧ランプを発生し、それが増幅器１４８でバイアス変調で総和される。次に電圧ランプが集積光位相変調器に供給され、集積光位相変調器は感知ループ内で鋸歯位相ランプを生じさせる。この位相ランプはＶ132をナル条件に復元するために波１１１と１１２との間の別の光位相差Φfを生じさせる。位相ランプ信号１３３内には、回転レートの大きさと方向に関する情報が含まれることになる。したがって信号１３３は回転レート表示器１３１に供給され、回転情報を抽出してその結果を出力する。閉ループ動作では、新しい形の信号１３２が以下の式で与えられる。
Ｖ’132＝ｋ’Ｊ1（φm）ｓｉｎ（φR＋φe＋φf）
上式でΦR、Φe、およびΦfはそれぞれ回転とカー効果と印加された位相ランプによる光位相差である。
本発明は、光カー効果による誤った回転表示をなくす装置を提供する。光１１０は、変調器１３４によって強度変調され、光源１０２に変調信号１３６が供給される。変調信号１３６の周波数はｆkであり、これは発振器または変調器ドライバ１３８によって供給される。したがって、光波１１０の強度は以下のように表すことができる。
Ｉ0（ｔ）＝Ｉ00＋Ｉ01ｃｏｓωkｔ        （ωk＜＜１／τ）（９）
上式で、ωk＝２πｆkであり、Ｉ00は平均強度の定数部であり、Ｉ01は変調振幅である。光線１１１および１１２は光１１０から分離したため、この強度変調は光線１１１および１１２に固有のものでもある。スプリッタ１０６および１０８とファイバ１２２を介して光検出器に戻る光線１１１および１１２は、周波数ｆkの強度変調を持つ。ここで電気信号１２６は以下の式によって明示的に求められる。
0003939350.tif 000008
上式で、ｋ0は定数ｋを光源強度で割った商であり、これには光源から検出器までの光損失と、検出器１２４の伝達関数が含まれる。
信号１３２は光線１１および１１２の特性を伝え、復調器１２８を通る。復調器１２８はループ１０４内で周波数ｆmで位相変調器１１６によって行われた光の位相変調を基準にして信号を復調する。復調器１２８からの信号１３２は、光源１０２の周波数ｆkで強度変調器１３４によって行われた変調を依然として有している。ここで信号１３２は以下の式によって求められる。
0003939350.tif 000009
上式で、ｋ’0はｋ0と復調器利得とに比例した定数である。回転検知のためにｆkのＶ’132のＡＣ成分を位相信号サーボ電子機構１３５でフィルタして取り除き、ｆkの信号が位相ランプまたは信号１３３の合成に影響を与えないようにすることができる。この場合、ｆkはフィルタ処理を容易または最適にするように選定することができる。信号１３２は以下のように書き表すことができる。
0003939350.tif 000010
である。式１１で、Φe0で表されたカー効果誤差のＤＣ成分が本発明によって解消される誤差である。ΔΦeによって大きさが表されたＡＣまたは変調されたカー効果誤差を使用して、以下で概略を示すようにΦｅ0をなくす。
式１１は、ｆkの周波数成分に展開することができる。対象となる成分は、以下のように、Ｖ’132（ｄｃ）によって与えられるＤＣの成分とＶ’132（ｆk）によって与えられるｆkの成分である。
Ｖ’132（ｄｃ）＝−２ｋ’0Ｊ1（φm）
（Ｉ00ｓｉｎφ0Ｊ0（Δφe）＋Ｉ01ｃｏｓφ0Ｊ1（Δφe）］
（１５）
Ｖ’132（ｆk）＝−２Ｊ1（φm）ｋ’0ｃｏｓωkｔ
［２Ｉ00Ｊ1（Δφe）ｃｏｓφ0＋Ｉ01ｓｉｎφ0（Ｊ0（Δφe）＋Ｊ2（Δφe）］
（１６）
上式で、Ｊ0、Ｊ1、およびＪ2はベッセル関数である。
Ｖ’132（ｄｃ）は信号１３３での位相ランプの生成と回転レートの判断にとって重要である。ｎｆkでのＶ’132の信号成分（ただしｎ≧２）は対象外であり、フィルタアウトする。Ｖ’132（ｆk）によって求められるｆkのＶ’132を使用して、以下のようにしてカー効果をなくす。
信号１３２を、発振器または変調器ドライバ１３８からの周波数ｆkの光線１１１と１１２の強度変調を示す基準信号を基準にして復調する。復調器１４０からの信号１４２は、感知ループ内のカー効果によるバイアスの強度に比例する。すなわち、光波１１１と１１２の光強度の差に比例する。信号１４２は以下の式によって求められる。
Ｖ’142＝−２Ｊ1（φm）ｋ’0ｋ2
［２Ｉ00Ｊ1（Δφe）ｃｏｓφ0＋Ｉ01ｓｉｎφ0（Ｊ0（Δφe）＋Ｊ2（Δφe）］
（１７）
上式で、ｋ2は復調器１４０の利得を表し、ΔΦeとΦ0には光波強度の差に関する情報が含まれる。
光源波長サーボ１４４が信号１４２と、もしある場合には光線１１１と１１２の強度の差を表す情報とを受け取る。光線１１１と１１２の強度レベルに差がある場合、すなわち強度レベルが等しくない場合、光源波長サーボ１４４は光源１０２に対して信号１４６を出力し、光線１１０の波長を変える。この波長の変化は波長感知スプリッタ１０６に作用してスプリッタ１０６の分割比を変更し、それによって光線１１１および１１２の強度レベルを変える。光線１１１と１１２の強度レベルの差を示す帰還信号１４２は、光源１０２からの光線１１０の波長に作用するようになっており、それがスプリッタ１０６の分割比に作用して光線１１１と１１２の強度レベルの差が最小化またはゼロに向かって減少する。その結果、相反する方向に伝播する光線１１１と１１２はほぼ等しい強度を有するようになる。このサーボ操作は、位相ランプ回転サーボがＶ’132（ＤＣ）＝０を生じさせ、波長サーボがＶ142＝０を生じさせることに注目すればわかる。この２つの条件は、式１５と式１７から書き直すことができ、以下のようになる。
Ｉ00ｓｉｎφ0＝−Ｉ01Δφeｃｏｓφ0        （１８）
および
Δφe２Ｉ00ｃｏｓφ0＝−Ｉ01ｓｉｎφ0      （１９）
上式では、ΔΦe＜＜πであるため、Ｊ0（ΔΦe）≒１、Ｊ1（ΔΦe）≒ΔΦe、Ｊ2（ΔΦe）≒０であるものと仮定している。
この式１８と式１９の同時解は以下のようになる。
φ0＝０＝φR＋φf＋φe0＝φR＋φf＋β（１−２Ｕ）Ｉ00  （２０）
および
Δφe＝０＝β（１−２Ｕ）Ｉ01              （２１）
式２１から波長サーボによってＵ＝０．５が設定されることが明らかであり、したがって、式２０でΦe0＝０でありΦf＝−ΦRである。したがっって、Ｕ＝０．５にすることによってカー効果のＤＣ成分Φe0と変調された成分がゼロに設定される。したがって、光線１１１と１１２は等しい強度を有し、それぞれの光路で同じ屈折率を受け、その結果、光カー効果は生じない。
相反する方向に伝播する光線のバイアス位相変調に使用する位相変調器１１６は、信号１３３に光線１１１と１１２の位相関係をゼロに調整させるためにも使用することができる。したがって、加算増幅器１４８で信号１３３を発振器またはバイアス位相変調器ドライバ１１８からのバイアス位相変調のための信号と加算することができる。
感知ループ１０４内に配置されたＩＯＣ変調器１１６における異なる光強度によるカー効果は、式１ないし式２１で無視されたことに留意されたい。ＩＯＣ変調器長が典型的には合計ループ長の１０-4未満であり、カー効果の正確な強度をごくわずかしか変えないため、これは適切な近似計算（しかも有用な簡略化）である。本発明の意図は、一方の光波の強度を他方の強度と等しく設定することによってカー効果をゼロにすることであるため、本発明はこの結果をそれにもかかわらず達成することになる。実際に、集積光回路によるループ内に等しくない損失がある場合、本発明によって合計カー効果がゼロになり、それによって時計回り方向と反時計回り方向の２つの光波の実効平均強度が調整される。この一般的な事例では、Ｕは光線１１１と１１２の間の実効強度分割比と解釈される。サーボ・ループは合計カー効果をゼロにする役割を果たし、したがって２つの相反する方向に伝播する強度が実質的に等化される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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