JP2011503623A - レーザ源を利用した低ノイズの光ファイバセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2007年11月15日に出願された米国仮出願第60/988,404号の優先権の利益を主張する。当該仮出願はその全体がここに引用により援用される。
発明の分野
本願は一般に光ファイバセンサに関し、より特定的には光ファイバジャイロスコープに関する。
光ファイバジャイロスコープ(FOG)の初期の実験的実証は、光源用にレーザを用いて得られた。たとえば、R.A.バーグ(Bergh)、H.C.ルフェーブル(Lefevre)、およびH.J.ショー(Shaw)、「全単一モード光ファイバジャイロスコープ」(All-single-mode fiberoptic gyroscope)、オプティクス・レターズ(Optics Letters)、第6巻第4号、198〜200頁(1981)を参照されたい。FOGに関する、ショットノイズが制限された感度が期待された(たとえば、H.C.ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」(The Fiber-Optic Gyroscope)、アーテックハウス社(Artech House Inc.)、ノーウッド(Norwood)、MA(1993)を参照されたい)が、その感度は光ファイバにおける後方散乱によって劇的に劣化したことが、実際に観察された(たとえば、C.C.カトラー(Cutler)、S.A.ニュートン(Newton)、およびH.J.ショー、「散乱による回転感知の制限」(Limitation of rotation sensing by scattering)、オプティクス・レターズ、第5巻第11号、488〜490頁(1980)を参照されたい)。レーザを超放射源(SFS)に置き換えること(たとえば、K.ボーム(Bohm)、P.マーテン(Marten)、K.ペーターマン(Petermann)、E.ワイデル(Weidel)、およびR.ウーリッチ(Ulrich)、「超放射ダイオードを用いた低ドリフトファイバジャイロ」(Low-drift fibre gyro using a superluminescent diode)、エレクトロニクス・レターズ(Electronics Letters)、第17巻第10号、352〜353頁(1981)を参照されたい)は、この後方散乱により誘導されたノイズの劇的な減少を、カー効果、偏光変動、およびファラデー効果による他のノイズ源の減少とともに、もたらした。
いくつかの実施例では、光ファイバセンサは、光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合された周波数変調されたレーザ源とを含む。源からの光は、コイルに沿って第1の方向に伝搬する第1の信号、およびコイルに沿って第1の方向とは反対の第2の方向に伝搬する第2の信号としてコイルに伝送される。第1の信号および第2の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第1の信号および第2の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第3の信号を生成する。
超放射源(SFS)などの広帯域源は、カー効果およびファラデー効果に関連する有害効果、偏光に関する非相反性、および、コヒーレント後方散乱から生じるノイズを減少させるために、光ファイバジャイロスコープ(FOG)などの光ファイバセンサ用によく使用されている。光源としてのSFSの使用がFOGの感度の注目すべき向上をもたらしたものの、感度は依然として、2つの主な欠点によって制限されている。特定の過剰ノイズ減少手法が使用されない限り、広帯域源の使用に関するノイズの1つの付加的な源は、検出器での広帯域源の異なるスペクトル成分間のビートによる過剰ノイズである。たとえば、R.P.メラー(Moeller)およびW.K.バーンズ(Burns)、「ノイズ減算を用いた1.06μm全ファイバジャイロスコープ」(1.06-μm all-fiber gyroscope with noise subtraction)、オプティクス・レターズ、第16巻第23号、1902〜1904頁(1991)、およびここにその全体が引用により援用される米国特許第5,530,545号を参照されたい。FOG用の光源としてのSFSの別の欠点は、SFSの広帯域出力の平均波長を安定化する際の困難である。これらの欠点は、FOGが、唯一の慣性航法機器としての航空機において使用されることを妨げる一因となっている。
いくつかの実施例では、周波数変調されたレーザ源40は、過剰ノイズの減少(ひいてはFOGについての、たとえば回転に対する感度の向上)を有利に提供し、いくつかの実施例では、後方散乱されたノイズの減少を提供する。図2は、ここに記載されたいくつかの実施例に従った、サニャック光ファイバセンサ10の光ファイバコイル20における位置zにある単一散乱体Sを概略的に示す。図2に概略的に示すコイル20は、以下により十分に説明されるような位相変調器130を含む。いくつかの実施例では、位相変調器130は、H.C.ルフェーブル、「光ファイバジャイロスコープ」、アーテックハウス社、ノーウッド、MA(1993)に記載されているように、干渉計に直角位相でバイアスをかける。図2のセンサ10は、たとえば3dBのファイバ結合器といった光学結合器によってそれ自体の上で閉鎖されたコイル20を含む標準的なサニャックループを含む光ファイバジャイロスコープの一例である。いくつかの実施例では、位相変調器130による位相変調の期間は、コイル20の飛行時間の2倍であり、この位相変調の周波数は、センサ100の適正周波数f0と呼ばれる。いくつかの実施例では、位相変調器130の変調周波数は、コイル20の適正周波数f0と等しい。周波数のこの選択は、上に引用したH.C.ルフェーブルにより記載されているように、回転に対するFOGの感度を最大にすることを含む数々の有利な利点を有する。この位相変調の別の有益な効果は、コイルが回転すると、この回転によってコイルの出力において生じる干渉信号が周波数f0を中心とする、ということである。
ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルファイバに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含む。レーザ源は、コイルファイバの長さよりも大きいコヒーレンス長を有するよう選択される。方法300はさらに、動作ブロック320において、源からの光を第1の信号および第2の信号としてコイルに伝送するステップを含む。第1の信号はコイルに沿って第1の方向に伝搬し、第2の信号はコイルに沿って第1の方向とは反対の第2の方向に伝搬する。第1の信号および第2の信号の光学経路は互いに実質的に相反している。方法300はさらに、動作ブロック330において、第1の信号および第2の信号を組合せて、第3の信号を生成するステップを含む。
Claims (30)
- 光ファイバコイルと、
コイルに光学的に結合された周波数変調されたレーザ源とを含み、源からの光は、コイルに沿って第1の方向に伝搬する第1の信号、およびコイルに沿って第1の方向とは反対の第2の方向に伝搬する第2の信号としてコイルに伝送され、第1の信号および第2の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第1の信号および第2の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第3の信号を生成する、光ファイバセンサ。 - センサはサニャックベースの光ファイバジャイロスコープであり、第3の信号はコイルの回転を示す、請求項1に記載のセンサ。
- コイルとレーザ源との間で、コイルおよびレーザ源に光学的に結合された少なくとも1つの光学結合器をさらに含む、請求項1に記載のセンサ。
- 少なくとも1つの光学結合器は、第1のポート、第2のポート、および第3のポートを含む第1の光学結合器を含み、第1のポートはレーザ源によって生成された光を受け、第2のポートはコイルの第1の端に光学的に結合され、第3のポートはコイルの第2の端に光学的に結合されている、請求項3に記載のセンサ。
- 第1の信号は、第2のポートによってコイルの第1の端に伝送されて、コイルに沿って第1の方向に伝搬し、コイルの第2の端および第3のポートによって第1のポートに伝送され、第2の信号は、第3のポートによってコイルの第2の端に伝送されて、コイルに沿って第2の方向に伝搬し、コイルの第1の端および第2のポートによって第1のポートに伝送される、請求項4に記載のセンサ。
- 第1の光学結合器は3dBの光学結合器を含む、請求項4に記載のセンサ。
- 少なくとも1つの光学結合器は、第1のポート、第2のポート、および第3のポートを含む第2の光学結合器をさらに含み、第1のポートはレーザ源によって生成された光を受け、第2のポートは第1の光学結合器の第1のポートに光学的に結合され、第3のポートは検出システムに光学的に結合されている、請求項4に記載のセンサ。
- 第2の光学結合器の第1のポートが受けたレーザ源からの光は、第2の光学結合器の第2のポートを通って第1の光学結合器の第1のポートに伝送され、第2の光学結合器の第2のポートが第1の光学結合器の第1のポートから受けた第3の信号は、第2の光学結合器の第3のポートを通って検出システムに伝送される、請求項7に記載のセンサ。
- 第2の光学結合器は光サーキュレータを含む、請求項7に記載のセンサ。
- 少なくとも1つの光学結合器と光ファイバコイルとの間で、少なくとも1つの光学結合器および光ファイバコイルに光学的に結合されている偏光制御器をさらに含む、請求項3に記載のセンサ。
- 少なくとも1つの光学結合器と光ファイバコイルとの間で、少なくとも1つの光学結合器および光ファイバコイルに光学的に結合されている位相変調器をさらに含む、請求項3に記載のセンサ。
- 関数発生器と検出システムとをさらに含み、検出システムは、
第3の信号を受けるよう構成された検出器と、
検出器からの出力を受けるよう構成されたロックイン増幅器とを含み、
位相変調器は関数発生器によって駆動され、ロックイン増幅器は関数発生器に結合されている、請求項11に記載のセンサ。 - 光ファイバコイルは空芯光バンドギャップファイバを含む、請求項1に記載のセンサ。
- レーザ源は、外部共振器半導体ダイオードレーザ、または分散帰還型ファイバレーザを含む、請求項1に記載のセンサ。
- レーザ源の周波数変調は、周期的な鋸歯波形形状を有する、請求項1に記載のセンサ。
- 第3の信号を受けるよう構成された検出システムをさらに含み、検出システムはフィルタ帯域幅を含み、第3の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、フィルタ帯域幅は後方散乱ノイズ部分をフィルタリングで除去するよう選択される、請求項1に記載のセンサ。
- センサは、コイルを含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープである、請求項1に記載のセンサ。
- 光ファイバセンサを動作させる方法であって、前記方法は、
光ファイバコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップと、
源からの光を第1の信号および第2の信号としてコイルに伝送するステップとを含み、第1の信号はコイルに沿って第1の方向に伝搬し、第2の信号はコイルに沿って第1の方向とは反対の第2の方向に伝搬し、第1の信号および第2の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、前記方法はさらに、
第1の信号および第2の信号を組合せて、第3の信号を生成するステップと、
第1の信号および第2の信号が周波数変調されるようにレーザ源の周波数を変調するステップとを含む、方法。 - 第3の信号は後方散乱ノイズ部分と残りの部分とを含み、レーザ源の周波数を変調するステップは、残りの部分の周波数とは異なるビート周波数になるよう、後方散乱ノイズ部分をシフトする、請求項18に記載の方法。
- ある長さを有する光ファイバのコイルと、
コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含み、レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有しており、源からの光は、コイルに沿って第1の方向に伝搬する第1の信号、およびコイルに沿って第1の方向とは反対の第2の方向に伝搬する第2の信号としてコイルに伝送され、第1の信号および第2の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、第1の信号および第2の信号は、コイルを通って伝搬した後で組合され、第3の信号を生成する、光ファイバセンサ。 - センサは、コイルを含む標準サニャックループを含む光ファイバジャイロスコープである、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が1よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が1.1よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が1.5よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が2よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が5よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が10よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が100よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- コイルファイバの長さに対するコヒーレント長の比が1000よりも大きい、請求項20に記載のセンサ。
- 光ファイバセンサを動作させる方法であって、前記方法は、
ある長さを有する光ファイバのコイルと、コイルに光学的に結合されたレーザ源とを含む光ファイバセンサを設けるステップを含み、レーザ源はコイルファイバの長さよりも長いコヒーレンス長を有しており、前記方法はさらに、
源からの光を第1の信号および第2の信号としてコイルに伝送するステップを含み、第1の信号はコイルに沿って第1の方向に伝搬し、第2の信号はコイルに沿って第1の方向とは反対の第2の方向に伝搬し、第1の信号および第2の信号の光学経路は互いに実質的に相反しており、前記方法はさらに、
第1の信号および第2の信号を組合せて、第3の信号を生成するステップを含む、方法。
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