(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１（６８）、第２（８１）、第３（７１）、および第４（８６）のポートを有する第１結合器（６６）、
前記第１結合器（６６）の第１ポート（６８）に接続された光源（６１）、
前記第１結合器（６６）の第２ポート（８１）に接続された検出器（９３）、
前記第１結合器の第３ポート（７１）に接続された第１ポート（７２）と、第２検出器（６９）に接続された第２ポート（７９）と、第３（８０）および第４（７４）のポートとを有する第２結合器（６９）、
前記第２結合器（６７）の第３ポート（８０）に接続された第１ポートと、第２および第３のポートとを有する第１Ｙ接合部（３４）、
前記第２結合器（６７）の第４ポート（７４）に接続された第１ポートと、第２および第３のポートとを有する第２Ｙ接合部（３６）、
前記第１結合器（６６）の第４ポート（８０）に接続された第１ポートと、第２および第３のポートとを有する第３Ｙ接合部（５５）、
第１および第２の端子が前記第１Ｙ接合部（３４）の第２および第３のポートにそれぞれ接続された第１検出ループ（４５）、
第１および第２の端子が前記第２Ｙ接合部の第２および第３のポートにそれぞれ接続された第２検出ループ（４２）、ならびに
第１および第２の端子が前記第３Ｙ接合部（５５）の第２および第３のポートにそれぞれ接続された第３検出ループ（６０）
を含む３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記第１、第２、および第３のＹ接合部（３４、３６、５５）のそれぞれの少なくとも１つのポートの付近に位置する、第１、第２、および第３の変調器電極セット（５０、４４、６１）
をさらに含む請求項１に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項３】
前記第１検出ループの第１または第２の端子と前記第１Ｙ接合部（３４）の第２ポートとの間に接続された少なくとも１つの偏光解消器（４８、４９）と、
前記第２検出ループの第１または第２の端子と前記第２Ｙ接合部（３６）の第２ポートとの間に接続された少なくとも１つの偏光解消器（４１、４３）と、
前記第３検出ループの第１または第２の端子と前記第３Ｙ接合部（５５）の第２ポートとの間に接続された少なくとも１つの偏光解消器（５８、５９）と
をさらに含む請求項２に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記第１Ｙ接合部（３４）および第１の変調器電極セット（５０）が、第１光集積回路（６５）上に形成され、
前記第２Ｙ接合部（３６）および第２の変調器電極セット（４４）が、第２光集積回路（６５）上に形成され、
前記第３Ｙ接合部（５５）および第３の変調器電極セット（６１）が、第３光集積回路（６５）上に形成される、
請求項３に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項５】
前記第１、第２、および第３のＹ接合部と、前記第１、第２、および第３の変調器電極セットとが光集積回路上に形成される請求項３に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項６】
第１および第２の検出器に接続された入力を有する増幅器（１１７）、
前記増幅器の出力に接続された入力、および出力を有するアナログ・デジタル変換器（１１８）、
前記アナログ・デジタル変換器の出力に接続された入力を有する３軸ジャイロスコープのデジタル処理装置（１１５）、
前記３軸ジャイロスコープのデジタル処理装置の出力に接続された入力と、前記第１、第２、および第３の変調器電極セットにそれぞれ接続された出力とを有するデジタル・アナログ変換器（１３４）と
をさらに含む請求項５に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項７】
前記３軸ジャイロスコープのデジタル処理装置（１１５、１１６）が、前記デジタル・アナログ変換器の出力から前記第１、第２、および第３の変調器要素セットのそれぞれに送信されるその大きさが各検出ループの回転速度を示す信号によって、前記第１、第２、および第３の検出ループを互いに逆方向に伝播した光の位相差をゼロにする閉ループ・フィードバック・システムである請求項６に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項８】
前記３軸ジャイロスコープのデジタル処理装置（１１５）が、セロダイン閉ループ・フィードバック・システムである請求項６に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項９】
前記３軸ジャイロスコープのデジタル処理装置（１１６）が、デュアル・ランプ閉ループ・フィードバック・システムである請求項６に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記３軸ジャイロスコープのデジタル処理装置が、デジタル位相ステップ閉ループ・フィードバック・システムである請求項６に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１１】
前記第２結合器（６７）の第３ポート（８０）と前記第１Ｙ接合部の第１ポートとの間に接続された偏光解消器（４８）と、
前記第２結合器（６７）の第４ポート（７４）と前記第２Ｙ接合部の第１ポートとの間に接続された偏光解消器（４１）と、
前記第１結合器（６８）の第４ポート（８０）と前記第３Ｙ接合部の第１ポートとの間に接続された偏光解消器（５８）と
をさらに含む請求項３に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記第１、第２、および第３のＹ接合部が偏光接合部である請求項１１に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記第１、第２、および第３の検出ループが偏光非保持ファイバを有する請求項１２に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１４】
第１検出器（６９）、
第２検出器（９３）、
光源（６１）、
前記第２検出器（９３）に接続された第１ポート（８１）と、前記光源（６１）に接続された第２ポート（６８）と、第３（７１）および第４（８６）ポートとを有する第１結合器（６０）、
前記第１検出器（６９）に接続された第１ポート（７９）、および前記第１結合器（６６）の第３ポート（７１）に接続された第２ポート（７２）を有する第２結合器（６７）、
前記第２結合器（６７）の第３ポート（８０）に接続された第１偏光子（１４６）、
前記第２結合器（６８）の第４ポート（７４）に接続された第２偏光子（１４５）、
前記第１結合器（６６）の第４ポート（８０）に接続された第３偏光子（１４７）、
前記第１偏光子（１４６）に接続された第１ポートと、第２（４６）および第３（４７）のポートとを有する第３結合器（１４９）、
前記第２偏光子（１４５）に接続された第１ポートと、第２（３８）および第３（４０）のポートとを有する第４結合器（１４８）、
前記第３偏光子（１４７）に接続された第１ポートと、第２（５６）および第３（５７）のポートとを有する第５結合器（１５０）、
前記第３結合器（１４９）の第２ポート（４６）に接続された第１偏光解消器（４８）、
前記第４結合器（１４８）の第２ポート（３８）に接続された第２偏光解消器（４１）、
前記第５結合器（１５０）の第２ポート（５６）に接続された第３偏光解消器（５８）、
前記第１偏光解消器（４８）に接続された第１端、および前記第３結合器（１４９）の第３ポート（４７）に接続された第２端を有する第１偏光非保持光ファイバ検出ループ（４５）、
前記第２偏光解消器（４１）に接続された第１端、および前記第４結合器（１４８）の第３ポート（４０）に接続された第２端を有する第２偏光非保持光ファイバ検出ループ（４２）、
前記第３偏光解消器（５８）に接続された第１端、および前記第５結合器（１５０）の第３ポート（５７）に接続された第２端を有する第３偏光非保持光ファイバ検出ループ（６０）
を含む３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１５】
前記第３結合器（１４９）の第３ポート（４７）と前記第１光ファイバ検出ループ（４５）の第２端との間に接続された第４偏光解消器（４９）と、
前記第４結合器（１４８）の第３ポート（４０）と前記第２光ファイバ検出ループ（４２）の第２端との間に接続された第５偏光解消器（４３）と、
前記第５結合器（１５０）の第３ポート（５７）と前記第３光ファイバ検出ループ（６０）の第２端との間に接続された第６偏光解消器（５９）と
をさらに含む請求項１４に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１６】
前記第２結合器（６７）の第３ポート（８０）と前記第１偏光子（１４６）との間に接続された第４偏光解消器と、
前記第２結合器（６７）の第４ポート（７４）と前記第２偏光子（１４５）との間に接続された第５偏光解消器と、
前記第１結合器（６６）の第４ポート（８６）と前記第３偏光子（１４７）との間に接続された第６偏光解消器と
をさらに含む請求項１４に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１７】
前記第３結合器（１４９）の第３ポート（４７）と前記第１光ファイバ検出ループ（４５）の第２端との間に接続された第７偏光解消器（４９）と、
前記第４結合器（１４８）の第３ポート（４０）と前記第２光ファイバ検出ループ（４２）の第２端との間に接続された第８偏光解消器（４３）と、
前記第５結合器（１５０）の第３ポート（５７）と前記第３光ファイバ検出ループ（６０）の第２端との間に接続された第９偏光解消器（５９）と
をさらに含む請求項１６に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【請求項１８】
前記第１光ファイバ検出ループ（４５）の端子に接続された第１変調器（１５２）と、
前記第２光ファイバ検出ループ（４２）の端子に接続された第２変調器（１５１）と、
前記第３光ファイバ検出ループ（６０）の端子に接続された第３変調器（１５３）と
をさらに含む請求項１７に記載の３軸光ファイバ・ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
通常の慣性測定装置は３つのジャイロスコープを有する。光ファイバ慣性測定システムは、少なくとも３つの光ファイバ・ジャイロスコープを含む。３つの軸それぞれ用の別々のジャイロスコープは、重複した光回路および電子回路を含む。
発明の概要
本発明は、慣性測定装置に適した３軸光ファイバ・ジャイロスコープである。ジャイロスコープは３つの直交軸のそれぞれについての回転速度を測定する。本発明の３軸光ファイバ・ジャイロスコープで使用する光学構成要素および電子構成要素は少ないが、それでも十分な光パワーを光源から各ジャイロスコープを介して検出器に効率的に送ることができる。単一の光源、１つまたは２つの検出器、１つの前置増幅器、および２つの方向性結合器を３つの干渉計の外側で使用する。対照的に、同じタスクを当技術分野の標準的な手法で実行すると、３つの光源を必要とする３つの単軸ジャイロが使用される。ジャイロスコープの電子回路は開ループにも閉ループにもすることができる。セロダイン、デジタル位相ステップ、デュアル・ランプの電子回路は、閉ループ構成では任意選択である。３軸シスチームの各軸についての干渉計またはジャイロスコープは、単軸構成とほぼ同量のパワーを検出器に送ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、１つの偏光保持結合器および４つのＹ接合部を有する３軸ジャイロスコープの光学構成を示す図である。
第２図は、１つの偏光非保持結合器および４つのＹ接合部を有する３軸ジャイロスコープの光学構成を示す図である。
第３ａ図は、２つの偏光保持結合器および３つのＹ接合部を有する３軸ジャイロスコープを示す図である。
第３ｂ図は、２つの偏光保持結合器、および検出ループの３つの結合器を有する３軸ジャイロスコープを表す図である。
第４ａ図は、２つの偏光非保持結合器および３つのＹ接合部を有する３軸ジャイロスコープを示す図である。
第４ｂ図は、２つの偏光非保持結合器、および検出ループの３つの結合器を有する３軸ジャイロスコープを表す図である。
第５図は、閉ループ・セロダイン電子回路の１例を示す図である。
第６図は、デュアル・ランプ閉ループ電子回路の１例を示す図である。
第７図は、各軸について復調器を有するデュアル・ランプ閉ループ電子回路を示す図である。
第８図は、検出ループに偏光解消器のない、１つの偏光非保持結合器および４つのＹ接合部を有する３軸ジャイロスコープの光学構成を表す図である。
第９図は、検出ループに偏光解消器のない、２つの偏光保持結合器および３つのＹ接合部を有する３軸ジャイロスコープを示す図である。
好ましい実施形態の説明
第１図は、１つの偏光保持（ＰＭ）ファイバ結合器１２と、４つのＹ接合部３２、３４、３６、および５５を備えた光集積回路（ＩＯＣ）１４とを有する３軸光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）の光学構成１０を示す図である。結合器１２はＰＭファイバから製作した結合器である。光源１６は０．８３ミクロンを中間波長とする広帯域光を発する。光源１６はその他の波長になることもある。光はファイバまたはポート１８を介して結合器１２に進入し、結合器１２を通過するが、結合器１２中で光の損失がないものと仮定すると、その光の約半分はポートまたはファイバ２０から出、残り半分の光はポートまたはファイバ２２から出る。
この実施形態では、結合器１２は０．８３ミクロンの光用に設計されている。ファイバ２０は、スプライス１１を介して、スプライス１１および接続点３０で整列された軸を有する光集積回路（ＩＯＣ）１４の導波路２８のピグテール１３に接続される。ＩＯＣ１４はプロトン交換またはチタン非拡散のニオブ酸リチウム・デバイスにすることができる。また、ＩＯＣ１４はシリコン、タンタル、ポリマーなどその他の材料から製作することもできる。プロトン交換デバイスは偏光導波路２８、３８、４０、４６、４７、５３、５６、および５７を有する。ＩＯＣ１４は、チタン非拡散デバイスである場合には、その上に、また導波路を覆って導電シースを有し、それにより各導波路の偏光を引き起こす。
光はＹ接合部３２で５０対５０に分割され、接合部３２への光の半分が接合部３４に進み、接合部３２で分割された結果生じたもう一方の半分の光が接合部３６に進むようになっている。この光の比は、ＩＯＣ１４の接合部または導波路における光の損失がほとんど、あるいは全くないことを前提としている。接合部３６に進むもう一方の半分の光はさらに半分に分割され、光が光導波路３８および４０まで伝播するようになっている。導波路３８の光は、接続点６４、偏光解消器４１、およびループ４２を通り、偏光解消器４３、接続点６４を逆に通り、導波路４０まで伝播する。導波路４０を通過する光は変調器４４によって変調される。ループ４２に向かって導波路４０を伝播する光は、偏光解消器４３を通り、ループ４２を通り、ループ４２を逆に出て、偏光解消器４１を通り、ＩＯＣ１４の導波路３８まで進む。導波路３８および４０から戻った光線はＹ接合部３６で合成され、接合部３２に向かって進む。
偏光解消器４１および４３は様々な方法で構築することができる。例えば偏光解消器４１では、ＰＭファイバ１５４は、その複屈折軸を導波路３８の複屈折軸と整列させた状態で、点６４でＩＯＣ１４に取り付けられる。ファイバ１５４は、ＩＯＣ１４のピグテールにすることもできる。もう１つのＰＭファイバ１５６は、ファイバ１５４および１５６の複屈折軸を互いに４５°の角度をなすように整列させた状態で、点１５５でファイバ１５４に接合される。ファイバ１５６は、接続点１５７で、コイル４２の単一モード偏光非保持ファイバに接合される。ファイバ１５６は、通常はファイバ１５４の２倍を超える長さとなる。
これに対して、偏光解消器４１は、ピグテール６４で、導波路３８の軸に対して４５°の角度をなすように整列させた複屈折軸を有するただ１つのＰＭファイバ１５４しか有さないこともある。この場合、ファイバ１５４は接続点１５７でコイル４２に接合される。ファイバ１５４のビート長は導波路３８のビート長の２倍を超える。この偏光解消器の構成では、スプライス１５５およびファイバ１５６は不要となる。
偏光解消器４３を偏光解消器４１と共に使用することも、これを使用せず、コイル４２に対する偏光解消器を偏光解消器４１ただ１つにすることもある。ただし、偏光解消器４１および４３を両方とも使用すれば、ＦＯＧの性能はより良好になる。
偏光解消器４３を使用する場合、ファイバ１５８の長さがファイバ１５４の長さとわずかに異なる点、およびファイバ１５９がファイバ１５６の長さの２倍を超えることができるが、ファイバ１５９の長さはファイバ１５８の長さの４倍を超える点を除き、偏光解消器４１と同じ構造を有する。
導波路３８の軸と整列された軸を有する１つのＰＭファイバ１５４しか有さない偏光解消器４１の構成では、同様に構築された偏光解消器４３が組み込まれることも組み込まれないこともある。偏光解消器４３が組み込まれる場合、この偏光解消器の構造は、２つのＰＭファイバ１５８および１５９を有し、ファイバ１５９は、ファイバ１５４の軸が接続点６４で導波路の軸に対して４５°の角度をなすように整列させられている偏光解消器構成のファイバ１５４の２倍の長さのビート長を有する構造となる。いずれかの構成の偏光解消器４１と共に使用する偏光解消器４３は、ピグテール６４においてその複屈折軸を導波路４０の軸に対して４５°の角度をなすように整列させたファイバ１５８しか有さないこともある。スプライス１５５およびファイバ１５９のないこの構造のファイバ１５８は、導波路４０のビート長の２倍を超えるビート長を有し、あるいは、偏光解消器４１がこの偏光解消器４３と同種の構造を有する場合には導波路４０の４倍を超えるビート長を有することもある。
偏光解消器４８および４９はそれぞれ、偏光解消器４１および４３と同じ構造の組合せを有する。同様に、偏光解消器５８および５９もそれぞれ、偏光解消器４１および４３と同じ構造の組合せを有する。ここで述べた偏光解消器の構造は、偏光解消器４１、４３、４８、４９、５６、および５９を有する全ての図に適用することができる。
接合部３４からの光は分割され、光線は導波路４６および４７に伝播し、接続点６４と、それぞれ偏光解消器４８および４９を通り、ループ４５を通って互いに逆方向に伝播し、それぞれ偏光解消器４９および４８と、接続点６４とを通って戻る。いずれかの方向に導波路４７を通過する光は、変調器５０によって変調される。導波路４６および４７を介してループ４５から戻る光線は接合部３４で合成され、その結果生じた光は接合部３２に進み、接合部３６からの光と合成される。合成された光は導波路２８に進み、接続点３０を通って結合器１２のファイバまたはポート２０中に進む。
結合器１２中の光源１６からの光のもう一方の部分は、ファイバまたはポート２２を通り、スプライス１５および接続点５４で軸を整列させたスプライス１５、ピグテール１７、および接続点５４を介してＩＯＣ１４の導波路５３に進む。導波路５３を通過する光はＹ接合部５５で分割され、光の半分は導波路５６に進み、導波路５３からの光の残り半分は導波路５７に進む。導波路５６および５７からの光はそれぞれ、偏光解消器５８および５９を通過する。光波または光線はループ６０を互いに逆方向に伝播し、それぞれ偏光解消器５９および５８に戻り、導波路５７および５６を通過し、Ｙ接合部５５で合成される。導波路５７を伝播する光は変調器６１で変調することができる。合成された接合部５５からの光は導波路５３に伝播し、接続点５４を通って結合器１２のポートまたはファイバ２２中に伝播する。ポート２０からの光の約半分はポートまたはファイバ６２に進み、ポート２２からの光の半分はポート２０からの光と合成され、ポート６２に進み、検出器６３に入る。
ポート６２からの光は、ループ４２、４５、および６０の光線の対の干渉光となる。検出器６３は、光線およびそれらそれぞれの干渉光を、ループ４２、４５、および６０の回転速度情報に復号される電気信号に電気的に変換する。ＩＯＣ１４は０．８３ミクロンの波長の光源用に設計されている。ＰＭファイバで作成することができる偏光解消器はそれぞれＩＯＣ１４の導波路に対して、各ＰＭファイバの偏光軸とＩＯＣ１４の各導波路とが４５°の角度（＋／−２°）をなすように整列される。その結果生じる偏向解消器は０．８３ミクロンの光用に設計されている。
コイル４２、４５、および６０用のファイバは単一モード・ファイバ、すなわち偏光非保持ファイバであり、１．３ミクロンの波長の光用に設計されている。偏光解消器４８、４９、４１、４３、５８、および５９は、それぞれのループの単一モード・ファイバに接合される。
第２図は、１つの単一モード・ファイバ結合器１２と、３つのＹ接合部３４、３６、５５を有する光集積回路（ＩＯＣ）１４とを有する３軸光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）の構成９０を示す図である。結合器１２は、単一モード偏光非保持（ＳＭ）ファイバから製作した結合器である。レーザ・ダイオードである光源１６は、０．８３ミクロンを中間波長とする広帯域光を発する。この代わりに、光源１６を別の波長の光ファイバ光源にすることもできる。
点９５で結合器１２のポート１８に接合された偏光保持（ＰＭ）ファイバ９４が存在することもある。ＰＭファイバ９４の軸は、スプライス９７において、光源１６のＰＭピグテール９６に対して４５°の角度をなすように整列される。そうではなく、ファイバ９４は、光源１６自体において、偏光の軸に対して４５°の角度をなすように整列させることもできる。ファイバ９４および９６ならびにスプライス９７の組合せは、ＳＭ結合器１２での使用に必要というわけではないが、望ましい。ファイバ９４および９６ならびにスプライス９７の組合せは、光源１６が非偏光を発する非偏光ファイバ光源である場合には使用されない。
光はファイバまたはポート１８を介して結合器１２に進入し、結合器１２を通過するが、結合器１２で光の損失がないものと仮定すると、光の約半分はポートまたはファイバ２０を通過し、光の残り半分はポートまたはファイバ２２を通過する。ファイバ結合器１２は０．８３ミクロンの光用に設計されている。ファイバ２０は点９９で、一片のＰＭファイバ９８に接合される。ＰＭファイバ９８は、４５°の角度で軸が整列したスプライス２６で、ＰＭピグテール２４に接続される。ファイバ２４は、少なくともファイバ９８の長さの２倍の長さを有する。ファイバ・ピグテール２４は、点３０で、軸を整列させて導波路２８に取り付けられる。この代わりに、偏光解消器は、接続点３０で導波路２８と４５°の角度で軸を整列させたＰＭファイバ２４のみを含むこともできる。ファイバ２４のビート長は導波路２８のビート長の２分の１未満となる。光はＹ接合部３２で５０対５０に分割され、接合部３２への光の一方の半分が接合部３４に進み、接合部３２で分割された結果生じたもう一方の半分の光が接合部３６に進むようになっている。５０対５０という光の比は、ＩＯＣ１４の接合部または導波路における光の損失がほとんど、あるいは全くないことを前提としている。接合部３６に進入する光は半分に分割され、半分の各光がそれぞれ光導波路３８および４０まで伝播するようになっている。導波路３８の光は、接続点６４、偏光解消器４１、およびループ４２を通り、偏光解消器４３、接続点６４を逆に通り、導波路４０まで伝播する。導波路４０を通過する光は変調器４４によって変調される。
ループ４２に向かって導波路４０を伝播する光は、偏光解消器４３を通り、ループ４２を通り、ループ４２を逆に出て、偏光解消器４１を通り、ＩＯＣ１４の導波路３８まで進む。導波路３８および４０から戻った光線はＹ接合部３６で合成され、接合部３２に向かって進む。
接合部３４からの光は分割され、光線は導波路４６および４７に伝播し、それぞれ偏光解消器４８および４９を通り、ループ４５を通って互いに逆方向に伝播し、それぞれ偏光解消器４９および４８を通って戻る。いずれかの方向に導波路４７を通過する光は、変調器５０によって変調される。導波路４６および４７を介してループ４５から戻る光は接合部３４で合成され、その結果生じた光は接合部３２に進み、接合部３６からの光と合成される。
合成された光は導波路２８に進み、接続点３０、ＰＭピグテール・ファイバ２４、スプライス２６、ＰＭファイバ９８、スプライス９９それぞれ通る、あるいは４５°接続点３０およびＰＭファイバ２４のみを通って、結合器１２のファイバまたはポート２０中に進む。
光源１６からの光のもう一方の部分は、４５°の軸を有するスプライス５１でＰＭピグテールまたはファイバ５２に接続される一片のＰＭファイバ１０２に点１０１で接合されたファイバまたはポート２２を通過する。ファイバ５２の長さはファイバ１０２の長さの少なくとも２倍である。ファイバ５２は、点５４で、軸を整列させてＩＯＣ１４の導波路５３に接続される。この代わりに、偏光解消器は、接続点５４で導波路５３と４５°の角度で軸を整列させたＰＭファイバ５２のみを含むこともできる。ファイバ５２のビート長は導波路５３のビート長の２分の１未満となる。導波路５３を通過する光はＹ接合部５５で分割され、光の半分は導波路５６に進み、導波路５３からの光の残り半分は導波路５７に進む。導波路５６および５７からの光はそれぞれ、偏光解消器５８および５９を通過する。光波または光線はループ６０を互いに逆方向に伝播し、それぞれ偏光解消器５９および５８に戻り、導波路５７および５６を通過し、Ｙ接合部５５で合成される。導波路５７を伝播する光は変調器６１で変調することができる。合成された接合部５５からの光は導波路５３に伝播し、点５４、ピグテール５２、スプライス５１、ファイバ１０２、およびスプライス１０１を通る、あるいは４５°接続点５４およびＰＭファイバ５２のみを通って、結合器１２のポートまたはファイバ２２中に伝播する。ポート２０からの光の約半分はポートまたはファイバ６２に進み、ポート２２からの光の半分はポート２０からの光と合成され、ポート６２に進み、検出器６３に入る。ポート６２からの光は、ループ４２、４５、および６０の光線の対の干渉を構成する。検出器６３は、光線およびそれらそれぞれの干渉を、ループ４２、４５、および６０の回転速度情報に復号される電気信号に電気的に変換する。
ＩＯＣ１４は０．８３ミクロンの波長の光源用に設計されている。偏光解消器は、その偏光解消器のファイバの偏光軸とＩＯＣ１４の導波路とが４５°（＋／−２°）の角度をなすようにしてＩＯＣ１４の導波路と整列した、ＰＭファイバで作成することができる。偏向解消器は０．８３ミクロンの光用に設計されている。コイル４２、４５、および６０用のファイバは単一モード・ファイバ、すなわち偏光非保持ファイバであり、１．３ミクロンの波長の光用に設計されている。偏光解消器４８、４９、４１、４３、５８、および５９は、それぞれのループの単一モード・ファイバと、それぞれの導波路に続く点６４でＩＯＣ１４とに接合された０．８３ミクロンのＰＭファイバを有する。
第３ａ図の構成１００は、ＦＯＧループ４５、４２、および６０のそれぞれについての接合部３４、３６、および５５をそれぞれ有する３つの別個のＩＯＣに分離することができるＩＯＣ６５を含む。ＩＯＣ６５は、ＩＯＣ１４と同じ材料および機能の特性を有することができる。ＩＯＣ１４およびＩＯＣ６５は、偏光導波路を有することが好ましいが、これらの導波路は偏光保持型にも、偏光非保持型にもすることができる。
構成１００では、２つのＰＭ光ファイバ結合器６６および６７を使用する。ＩＯＣ６５には、構成１０のＩＯＣ１４のＹ接合部３２のようなＹ接合部スプリッタがない。光源１６はレーザ・ダイオードであり、ピグテール９１、スプライス９２、およびポート６８を介して結合器６６に進む０．８３ミクロンの広帯域光を発する。スプライス９２は任意選択である。各検出コイル４２、４５、および６０から等しい光パワーを検出するために、第１方向性結合器６６の分割比は適当に選択される。各方向性結合器６６および６７で損失が少なく、３つのコイル４２、４５、および６０それぞれの効率が等しい理想的な場合には、結合器６６で分割比を３３対６７とし、結合器６７で５０対５０とすると、各センサからの光パワーは等しくなる。結合器６６および６７で損失がある場合には、各結合領域をさらに通過する光はさらに減衰することになる。したがって、結合器６６での分割比を変化させ、この余分の損失を補償し、３つの軸組込みループ４２、４５、および６０のそれぞれについて検出器６９および９３のパワー・レベルを同じに保つ必要がある。この１例として、結合器６６で３３対６７ではなく３０対７０の分割比を使用し、結合器６６および６７で生じる損失を補償する。
第１ループ４２に向かう光は光源１６を出て結合器６６のポート６８を通過し、この光の約７０％は分割されてポート７１に入り、軸の整列したスプライス７３を介して結合器６７のポート７２に進む。ポート７２の光の５０％は、結合器６７のポート７４に進み、軸の整列した接続点７７を通って導波路７８に入る。この光は接合部３６を通過し、ループ４２を有するジャイロスコープの構成要素を通る。
光は、ループ４２を通って互いに逆方向に伝播した後で、導波路７８、接続点７７を通ってポートまたはファイバ７４中に戻る。ループ４２と関連する構成要素中をどのようにして光が移動したかについては、構成１０に関連して上記で説明した。結合器６７のポート７４を通って戻った光は５０対５０に分割され、この光の半分は、検出器６９にピグテールで接続されたポート７９に進み、それにより光は検出器６９によって光信号の電気的等価値に変換される。光は、ループ４２から戻って結合器６７のポート７４を通過し、この光のもう一方の部分はポートまたはファイバ７２を通過し、軸の整列したスプライス７３および結合器６６のポートまたはファイバ７１を通る。この光の一部分は、引き続き結合器６６を通ってポート８１に進み、ファイバ８１はファイバ７９と共に検出器６９に、あるいは第２検出器９３に接続されており、そこでそれを表す電気信号に変換される。
光源１６からループ４５に向かう光は、７０％で分割される結合器６６のポート６８を通過してポート７１に進む。ポート７１からの光は軸の整列したスプライス７３を通過し、結合器６７のポート７２を通る。ポート７２の光の半分はポート８０に進み、点８４でＩＯＣ６５に進む。点８４は、ポート８０と導波路８５の間の軸の整列した接続点であり、スプライス１９およびピグテール２１はあることもないこともある。同様に、結合器６７のポート７４および結合器６６のポート８６に出入りする光は、スプライス１９およびピグテール２１を通ることも通らないこともある。点８４からの光は導波路８５を通過し、Ｙ接合部３４で分割される。光は、構成１０に関して上記で説明したように、ループ４５に関連する構成要素１０を通って進行する。ループ４５中を互いに逆方向に伝播した後で、接合部３４からの光は導波路８５を通過し、点８４を通って光ファイバ結合器６７のポート８０に進む。ポート８０の光の一部分は、ポート７９に進み、検出器６９に進む。ポート８０の光のもう一方の部分は結合器６７を通過してポート７２に進み、スプライス７３およびポート７１を通過する。ポート７１の光の一部分は結合器６６のポート８１に進み、検出器６９または第２検出器９３に進む。検出器６９または第２検出器９３で受信された光は、やはり受信した光信号を表す電気信号に変換される。
ループ６０を組み込む第３の軸回転速度センサは、その３０％がポートまたはファイバ８６に進む結合器６６を通過する光源１６からの光を含む。ポート８６からの光は点５４を通過してＩＯＣ６５に進み、引き続き導波路５３を通る。ループ６０への光の伝播については、構成１０に関して上記で説明した。ループ６０を互いに逆方向に伝播した光は光接合部５５で合成され、導波路５３、点５４を通って結合器６６ポート８６に戻る。ポート８６に戻った光の７０％は結合器６６のポート８１に結合される。ポート８１の光は、ポート８１中の光信号を表す電気信号に光を変換する検出器６９に進む。
第３ｂ図は、第３ａ図の構成１００の変形形態を示す図である。Ｙ接合部３４、３６、および５５はそれぞれ、方向性結合器１４９、１４８、および１５０で置き換えられる。偏光子１４５、１４６、および１４７はそれぞれ、結合器６７および６８と結合器１４８、１４９、および１５０との間の光ファイバの光経路中に配置される。電子光学位相変調器４４、５０、および６１はそれぞれ、光ファイバ圧電位相変調器１５１、１５２、および１５３で置き換えられる。ＩＯＣ６５の導波路の光経路としての機能は、光ファイバの光経路で置き換えられる。
第４ａ図の構成１２０は、ＦＯＧループ４２、４５、および６０のそれぞれについての３つの別個のＩＯＣに分割することができるＩＯＣ６５を含む。この構成では、２つの単一モード偏光非保持（ＳＭ）光ファイバ結合器６６および６７を使用する。ＩＯＣ６５には、構成９０のＩＯＣ１４のＹ接合部３２のようなＹ接合部スプリッタがない。光源１６は、ポート６８を介して結合器６６に進む０．８３ミクロンの広帯域光を発するレーザ・ダイオードである。光源１６は、レーザ・ダイオードではなく、別の波長のファイバ光源にすることもできる。光源１６とポート６８の間には、接続点１０４でポート６８に接続され、４５°で整列した偏光または複屈折軸を有するＰＭピグテール１０５にスプライス１０６で接続された、一片の偏光保持（ＰＭ）ファイバ１０３がある。この代わりに、ファイバ１０３は、その軸を光源１６からの光の偏光方向に対して４５°の角度で整列させて、光源１６に直接結合されることもある。ファイバ１０３およびスプライス１０６は必要というわけではないが、レーザ・ダイオード光源の場合には好ましい。光源１６が非偏光を発するファイバ光源であるときには、ファイバ１０３およびスプライス１０６は使用されない。
各検出コイル４２、４５、および６０から等しい光パワーを検出するために、第１方向性結合器６６の分割比は適当に選択される。各方向性結合器６６および６７で損失が少なく、３つのコイル４２、４５、および６０それぞれの効率が等しい理想的な場合には、結合器６６で分割比を３３対６７とし、結合器６７で５０対５０とすると、各センサからの光パワーは等しくなる。結合器６６および６７で損失がある場合には、各結合領域をさらに通過する光はさらに減衰することになる。したがって、結合器６６での分割比を変化させ、この余分の損失を補償し、３つの軸組込み光ファイバ・ループ４２、４５、および６０のそれぞれについて検出器６９のパワー・レベルを同じに保つ必要がある。この１例として、結合器６６で３３対６７ではなく３０対７０の分割比を使用し、結合器６６および６７で生じる損失を補償する。
第１ループ４２に向かう光は光源１６を出て、ピグテール１０５、スプライス１０６、ファイバ１０３、スプライス１０４、および結合器６６のポート６８を通過する。ポート６８からの光の約７０％は分割されてポート７１に入り、スプライス７３を介して結合器６７のポート７２に進む。ポート７２の光の５０％は、結合器６７のポート７４に進み、接続点１０８でポート７４に接続された一片のＰＭファイバ１０７と、ファイバ１０７および７６の軸を４５°の角度で整列させてＰＭファイバ１０７をＰＭピグテール・ファイバ７６に接続するスプライス７５を通過する。ファイバ７６の長さはファイバ１０７の少なくとも２倍である。光はピグテール７６を通過し、接続点７７を通って導波路７８に入る。この代わりに、偏光解消器は、接続点７７で導波路７８と４５°の角度で軸を整列させたＰＭファイバ７６のみを含むこともできる。ファイバ７６のビート長は導波路７８のビート長の２分の１未満となる。光は接合部３６を通過し、ループ４２を有するジャイロスコープの構成要素を通る。光は、ループ４２を通って互いに逆方向に伝播した後で、導波路７８、接続点７７、ピグテール７６、スプライス７５、ファイバ１０７、スプライス１０８を通って、あるいは４５°接続点７７およびファイバ７６のみを通ってポートまたはファイバ７４中に戻る。ループ４２と関連する構成要素中をどのようにして光が移動したかについては、構成９０に関連して上記で説明した。
結合器６７のポート７４を通って戻った光は５０対５０に分割され、この光の半分は、光を光信号の電気的等価値に変換する検出器６９にピグテールで接続されたポート７９に進む。光は、ループ４２から戻って結合器６７のポート７４を通過し、この光のもう一方の部分はポートまたはファイバ７２を通過し、軸の整列したスプライス７３および結合器６６のポートまたはファイバ７１を通る。この光の一部分は引き続き結合器６６を通ってポート８１に進み、２入力（ポート８１および７９）検出器６９または第２検出器９３のいずれかに進み、それを表す電気信号に変換される。
光源１６からループ４５に向かう光は、ＰＭピグテール１０５、４５°スプライス１０６、ＰＭファイバ１０３、スプライス１０４、および７０％で分割されるＳＭ結合器６６のポート６８を通過して、ポート７１に進む。ポート７１からの光はスプライス７３を通過し、結合器６７のポート７２を通る。ポート７２の光の半分はポート８０、接続スプライス１１０でポート８０に接続された一片のＰＭファイバ１０９に進み、４５°スプライス８２を通り、点８４でＩＯＣ６５に接続されたＰＭピグテール８３を通る。スプライス８２はＰＭファイバ８３および１０９の複屈折軸を４５°で整列させる。ファイバ８３の長さはファイバ１０９の長さの少なくとも２倍である。この代わりに、偏光解消器は、接続点８４で導波路８５と４５°の角度で軸を整列させたＰＭファイバ８３のみを含むこともできる。ファイバ８３のビート長は導波路８５のビート長の２分の１未満となる。
接続点８４からの光は導波路８５を通過し、Ｙ接合部３４で分割される。光は、構成９０に関して上記で説明したように、ループ４５に関連する構成要素を通って進行する。ループ４５中を互いに逆方向に伝播した後で、接合部３４からの光は導波路８５を通過し、接続点８４、ピグテール・ファイバ８３、スプライス８２、ファイバ１０９を通る、あるいは４５°接続点８４およびファイバ８３のみを通り、スプライス１１０を通って光ファイバ結合器６７のポート８０に進む。ポート８０の光の一部分は、ポート７９に進み、検出器６９に進む。ポート８０の光のもう一方の部分は結合器６７を通過してポート７２に進み、スプライス７３およびポート７１を通過する。ポート７１の光の一部分は結合器６６のポート８１に進み、２ファイバ入力（ポート７９および８１）検出器６９または第２検出器９３に進む。検出器６９および検出器９３で受信された光は、この受信した光信号を表す電気信号に変換される。
ループ６０を組み込む第３の軸回転速度センサは、ピグテール１０５、スプライス１０６、ファイバ１０３、スプライス１０４、ポート６８、およびその３０％がポートまたはファイバ８６に進む結合器６６を通過する光源１６からの光を含む。ＰＭファイバの一片１１１はスプライス１１２でポート８６に接続される。ファイバ１１１は、ファイバ１１１およびピグテール５２の軸を互いに４５°の角度で整列させるスプライス５１で、ＰＭピグテール５２に接続される。ファイバ５２はファイバ１１１の長さの少なくとも２倍の長さを有する。ポート８６からの光はスプライス１１２、ファイバ１１１、およびスプライス５１を通過する。この代わりに、偏光解消器は、接続点５４で導波路５３と４５°の角度で軸を整列させたＰＭファイバ５２のみを含むこともできる。ファイバ５２のビート長は導波路５３のビート長の２分の１未満となる。
４５°スプライス５１を通り、接続点５４でＩＯＣ６５に接続されるピグテール５２に進んだ光は、引き続き導波路５３を通る。ループ６０への光の伝播については、構成１０に関して上記で説明した。ループ６０を互いに逆方向に伝播した光は導波路接合部５５で合成され、導波路５３、接続点５４、ピグテール５２、スプライス５１、ファイバ１１１を通る、あるいは４５°接続点５４およびファイバ５２のみを通り、スプライス１１２を通って結合器６６のポート８６に戻る。ポート８６に戻った光の７０％は結合器６６のポート８１に結合される。ポート８１の光は、ポート８１中の光信号を表す電気信号に光を変換する、２入力（ポート７９および８１）検出器６９の第２入力または第２検出器９３に進む。
第４ｂ図は、第４ａ図の構成１２０の変形形態を示す図である。Ｙ接合部３４、３６、および５５はそれぞれ、方向性結合器１４９、１４８、および１５０で置き換えられる。結合器１４９、１４８、および１５０はＰＭ結合器であることが好ましいが、ＦＯＧのパフォーマンス・ケイパビリティの低くなるＳＭ結合器にすることもできる。偏光子１４５、１４６、および１４７はそれぞれ、結合器６７および６６、光源１６と結合器１４８、１４９、および１５０との間の光ファイバの光経路中に配置される。電子光学位相変調器４４、５０、および６１はそれぞれ、光ファイバ圧電位相変調器１５１、１５２、および１５３で置き換えられる。ＩＯＣ６５の導波路の光経路としての機能は、光ファイバの光経路で置き換えられる。
第１図、第２図、第３図、および第４図の構成１０、９０、１００、および１２０はそれぞれ、ＦＯＧの処理電子回路１１３を有する。処理電子回路１１３は回転速度信号をインジケータ１１４に出力する。処理電子回路１１３は開ループ設計にも閉ループ設計にもすることができる。第５図および第６図は、閉ループ電子回路１１３の２つのバージョン、セロダイン１１５およびデュアル・ランプ、１１６をそれぞれ表す図である。第１図および第２図の検出器６３の出力は、２入力加算増幅器でなく１入力増幅器にすることもできる増幅器１１７の入力に進む。第３図および第４図の検出器６９および９３の出力は、第５図および第６図の加算増幅器１１７の２つの入力に進む。そうではなく、第７図に示すように任意の２検出器構成について、検出器６９および９３の出力を互いに接続し、１入力増幅器１１７に入力することもできる。増幅器１１７の出力は、各ループの回転速度を表す特定の位相関係を有する、各ループ４２、４５、および６０からの光信号を表すアナログ電気信号を接続する、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１１８に進む。Ａ／Ｄ変換器１１８の出力は、セロダイン回路１１５およびデュアル・ランプ回路１１６それぞれの、３軸ジャイロスコープのデジタル処理用の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のデジタル同期復調器１１９とバイアス周波数発生器および制御論理回路１２１とに進む。発振器１２２は、バイアス周波数発生器および制御論理回路１２１に周波数基準信号を与え、これが復調器１１９に周波数信号を出力し、バイアス変調信号およびイネーブル軸信号を、ｘ、ｙ、ｚの各軸について、ＡＳＩＣ１１５のセロダイン発生器１２３、１２４、および１２５に、またＡＳＩＣ１１６のデュアル・ランプおよびバイアス発生器１２６、１２７、および１２８に出力する。
第５図では、ｘ、ｙ、ｚ軸についての各セロダイン発生器１２３、１２４、１２５はそれぞれ出力信号を有し、これは、復調器１１９から各軸発生器について多重化され、セロダイン数値制御発振器１３０およびレート・クロック数値制御発振器１３１の入力に信号を出力する軸アキュムレータ１２９の入力に進む、処理された検出器６９、９３の信号である。発振器１３０および１３１の出力は、カウンタ１３２および論理回路１３３の入力に進む。論理回路１３３はアップおよびダウンのクロック信号を提供し、カウンタ１３２は、デジタル位相無効信号に依存した回転速度をトリプル・デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１３４の各軸チャネルに提供する。変換器１３４は、アナログ位相無効信号を、ｘ、ｙ、ｚ軸それぞれについてのドライバ増幅器１３５、１３６、１３７に出力する。増幅器１３５、１３６、および１３７からのセロダイン出力はそれぞれ、ループ４５、４２、および６０の変調器５０、４４、および６１に進み、各ループの回転によるサニャック効果によって生じるループを互いに逆方向に伝播した光線の位相差をゼロにする。セロダイン出力は回転速度を示し、回転速度インジケータおよび／またはプロセッサ１１４に入力される。
第６図で、閉ループＡＳＩＣ１１６の各デュアル・ランプおよびバイアス発生器１２６、１２７、および１２８は、各軸発生器について多重化された、処理された検出器６９、９３の信号である信号を復調器１１９からそれぞれ受信し、デュアル・ランプ・アキュムレータ１３９およびレート・クロック数値制御発振器１４０に信号を出力する、軸アキュムレータ１３８を有する。デュアル・ランプ・アキュムレータの出力は追加バイアス回路１４１に進み、発振器１４０の出力は論理回路１４２に進む。論理回路１４２はアップおよびダウンのクロック信号を提供し、追加バイアス回路１４１はデュアル・ランプ・デジタル位相無効信号を、トリプル・デジタル・アナログ変換器１３４の各軸チャネルに提供する。ＤＡＣ１３４は、デュアル・ランプ・アナログ位相無効信号を出力し、ｘ、ｙ、およびｚ軸それぞれについての増幅器１３５、１３６、および１３７を駆動する。増幅器１３５、１３６、および１３７からのデュアル・ランプ出力はそれぞれ、ループ４５、４２、および６０の変調器５０、４４、および６１に進み、各ループの回転によるサニャック効果によって生じるループを互いに逆方向に伝播した光線の位相差をゼロにする。デュアル・ランプ出力は回転速度を示し、回転速度インジケータおよび／またはプロセッサ１１４に入力される。
第７図は、１入力増幅器１１７を有する点以外に、デジタル同期復調器１１９を３つ有する、すなわち１つの復調器１１９が、処理された検出器６９、９３の信号をそれぞれｘ、ｙ、およびｚ軸の各デュアル・ランプおよびバイアス発生器１２６、１２７、１２８に与える点で第６図と異なる。各発生器がそれ自体の復調器１１９を有するので、発生器への処理された検出器の信号は多重化されない。第７図の構成は、第５図のセロダイン発生器構成にも適用することができる。
第８図は、偏光解消器４８、４９、４１、４３、５８、および５９、ならびに検出コイル４５、４２、および６０が存在しない点を除いて、第２図の構成９０と同様の構成１７０を示す図である。検出コイル１６１、１６２、および１６３は偏光保持ファイバから構成される。第９図は、偏光解消器４８、４９、４１、４３、５８、および５９、ならびに検出コイル４５、４２、および６０が存在しない点を除いて、第３ａ図の構成１００と同様の構成１８０を示す図である。検出コイル１６１、１６２、および１６３は偏光保持ファイバから構成される。コイル中に偏光解消器のない偏光保持検出コイル１６１、１６２、および１６３は、第１図、第３ｂ図、第４ａ図、および第４ｂ図の構成１０、１００、および１２０に同様に実装することができる。
本明細書に開示した実施形態以外にも、本発明のその他の変形形態を実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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