JPH0827193B2 - 改善されたバイアス安定度と再現性を有する光ファイバジャイロスコープ及びその製造方法 - Google Patents

改善されたバイアス安定度と再現性を有する光ファイバジャイロスコープ及びその製造方法

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JPH0827193B2
JPH0827193B2 JP63507930A JP50793088A JPH0827193B2 JP H0827193 B2 JPH0827193 B2 JP H0827193B2 JP 63507930 A JP63507930 A JP 63507930A JP 50793088 A JP50793088 A JP 50793088A JP H0827193 B2 JPH0827193 B2 JP H0827193B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は回転センサに関し、詳しくは光ファイバ回転
センサに関する。さらに詳しくはバイアスが安定でかつ
再現性のある光ファイバ回転センサである。
光ファイバリング干渉計は注入された対向伝播光信号
を導く光ファイバループより構成されている。少なくと
も１個の閉ループを有し、あるいは多数の閉ループを有
してもよい。本明細書では単一ループの光ファイバ材料
として説明する。ループを通過した後、対向伝播信号は
結合し、建設的あるいは破壊的に互いに干渉して計数可
能な干渉縞をつくる。電気的カウンタによる計数値は装
置の出力電気信号を形成している。光信号の強度は対向
伝播信号の相対位置に依存する。
光信号が注入される光ファイバリング干渉計を用いて
光ファイバループの回転を検知している。ループに囲ま
れた検知軸のまわりのループの回転は対向伝播信号間に
位相差を生じさせる。位相差の量はループの角速度を測
定するための値である。対応伝播信号のビートによって
つくられる光学的干渉縞はループの回転速度を測定する
のに用いられる。
慣性航行に適するためには、回転センサは時間当たり
0.01度未満から毎秒当たり1000（すなわち103）度を超
える非常に広範な回転速度検知範囲を有する必要があ
る。時間当たり0.01度は毎秒当たり（2.77）（10-6）度
である。103と（2.77）（10-6）との比は（3.6）（1
08）であってダイナミックレンジは80dBを超える。
多くの光ファイバ角速度センサにおいて光信号は偏光
を受ける。あるセンサにおいては注入信号を故意に偏光
させる。
もし速度センサの光ファイバが完全であると（あるい
は少なくとも高品質であると）、抽出信号の偏光時性は
既知である。従って、光ファイバ回転検知システムの誤
差は、光信号の注入時に低品質のポラライザによって生
じた偏光の変化に一部依存している。
光信号の偏光と光ファイバ内の光信号の伝播に詳しく
なることは本発明の理解を促進することに留意された
い。
光ファイバは中央のコアとこれをとりまくクラッドよ
り構成される。クラッドの屈折率はコアのそれよりも小
さい。コアの直径は非常に小さいので、たったひとつの
空間モードの光しか通さない。
光信号は、その周波数に等しい周波数を有した直交す
る電界と磁界のベクトルよりなる時間的に変化する電磁
場によって表わせることは周知である。導波構造内を伝
播する電磁波は一連の電磁波伝播モードによって記述で
きる。各モードが異なった伝播速度を有した導波構造内
の電界と磁界の許容分布は、導波構造の正規モードの場
分布と呼ばれている。
回転センサのバイアスエラーは入力信号がない時に出
力される信号であり、この信号は光ファイバサグナック
リングを回転サンサとして使用する際の主たるエラー源
である。もしバイアスが既知の定数であると、出力信号
からこの値を引いて回転角度あるいは速度の正しい値を
得ることができるが、バイアスは時間および温度が変化
すると一定の値を維持しない。
光ファイバジャイロスコープのバイアスエラーの主た
る源は、不完全なポラライザと光ファイバ内の偏光の相
互結合である。
通常デジベルで測定されるポラライザの減衰率は、入
力信号の不要偏光信号に対する出力信号の不要偏光信号
の比である。このエラー源は、オプトレッタ（opt.Let
t.）第20巻第６号第154頁（1981）の中でキニトナによ
って初めて確認された。理想的なポラライザは無限の
（非常に大きい）減衰率を有すべきである。最大バイア
スエラーは、 φｅ＝２ε｜aB／aA||txy／txx｜ で表わすことができ、ここでφｅは最大位相バイアスエ
ラー、εはポラライザの場減衰率、aAとaBはポラライザ
の伝播軸に直交して平行な、光源からポラライザに入力
される場、txyはファイバループ内の偏光の相互結合、
そしてtxxはファイバループの偏光維持である。等式
（１）を光ファイバジャイロスコープ用に変形する。光
ファイバジャイロスコープでは入力信号は完全には偏光
されず、あるいは入力信号がジャイロスコープ内で脱偏
光されると、aBは伝播軸に直交しかつ伝播軸に位置合せ
した電界に対してコヒーレントな、ポラライザに送られ
る電界成分を表わし、そしてtxyは光ファイバループ内
のコヒーレント偏光の相互結合を表わす。
偏光した光信号で動作している光ファイバジャイロス
コープは、バイアスエラーを0.01度／時間未満に保つた
めには100dBを超える減衰率を有したポラライザが必要
である。偏光してない光信号を用いる光ファイバジャイ
ロスコープは、60〜100dBの範囲の減衰率を必要とし、
ジャイロスコープの全体をわたって高品質の偏光維持
（PM）ファイバを使用することが必要である。
光ファイバ回転センサの直線（リニア）偏光状態は、
ベルグの米国特許第4,386,822号に記載された光ファイ
バポラライザ等の直線ポラライザによって達成できる。
ベルグの開示した光ファイバポラライザは水晶内の曲線
状の溝に光ファイバのある長さが配設されている。基板
と光ファイバの領域は研磨され、ファイバからクラッド
のある部分を除去して相互作用領域を形成している。溝
内のファイバ部分は、研磨された表面の方向に向けて見
ると、凸状にカーブしている。光ファイバ材料のコア近
くの相互作用領域にわたって複屈折水晶が基板上に設け
られている。水晶は光ファイバ内を伝播する光信号の光
路の一部と交差するように配置されているので、微弱場
結合によって不要偏光の光信号が光ファイバから水晶に
結合される。
複屈折水晶は異なった偏光の信号に対して異なった信
号速度を有している。水晶内の波動速度が光ファイバ内
の波動速度未満である偏光があると、光ファイバに運ば
れる光信号は水晶中にバルク波動を励振し、このバルク
波動によって光信号は光ファイバから水晶中に逃れる。
水晶中の波動速度が光ファイバ中よりも大きい偏光に対
しては水晶中にバルク波動が励振されないので、そのよ
うな偏光を有した光は光ファイバ内に導かれた状態を保
つ。水晶の屈折率は以下のようになっている。すなわ
ち、水晶の主軸のひとつに沿った偏光を有する信号は水
晶中を光ファイバ中よりも遅く伝播し、第２の主軸に沿
った偏光を有する信号は水晶中を光ファイバ中よりも早
く伝播する。ポラライザに入力する偏光状態は任意であ
る。ポラライザは光ファイバからの不要偏光の光信号を
結合し、所定の望ましい偏光のみを有した光信号を光フ
ァイバ中に伝播させる。
自然に成長させた水晶を使用するポラライザは結晶構
造で決まる所定の屈折率のみを有し、これら屈折率は必
要なものでない場合がある。水晶は基板に適切に接着で
きないこともあり、また、通常、環境に対して安定でな
い。
慣性航行システムに使用するのに適した回転センサの
標準仕様によれば、非常に安定でなければならず、そし
て摂氏−55度から＋125度までの温度範囲で動作しなけ
ればならない。有効な水晶ポラライザは水晶の屈折率に
大きく依存している。残念なことに、複屈折水晶の屈折
率は温度に感応する程度が大きい。
もし伝播軸に直交するポラライザの入力光が伝播軸に
平行な光に対してコヒーレンスの度合が小さく、またフ
ァイバループが小さなコヒーレンス相互結合しか有して
いないと、ポラライザの減衰率に対する要求をかなり低
減させることができる。
ポラライザの軸に対する電界の入力成分のコヒーレン
ス、ならびにループのコヒーレンス相互結合は、偏光維
持ファイバと広帯域光源とを用いることによって減少で
きる。ファイバの主軸が正確にポラライザの軸に位置合
せされていないと、信号はやはりコヒーレントである。
主軸の位置合せおよび主軸を既知の配向に保つことはジ
ャイロスコープの製造中は困難であるので、ファイバの
軸とポラライザの軸の位置合せは困難である。
偏光維持ファイバの両軸にコヒーレントに送られた光
信号のコヒーレンスは0.3から1.0mの距離で１％減少す
る。ファイバの不完全性の故に、長いファイバはコヒー
レンスを１％未満に減少させない。２個の偏光の導波不
完全性と損失差、および他の影響ある工程はコヒーレン
スを保持する傾向にある。これら不完全性と損失は、製
造業者の制御範囲を超えているという意味で重要であ
る。２個の偏光間のコヒーレンスを減少させる唯一の実
際的な方法は偏光維持ファイバの複屈折を増加させるこ
とのように思われる。増加させた複屈折によって、異な
った偏光信号は短い距離でコヒーレンスを失い、影響を
与える工程が高いレベルに行きつくことを防ぐ。
複屈折をつくるには、ファイバは通常歪誘起された複
屈折あるいはだ円コアを有する。追加された歪誘起複屈
折はファイバをこわし、極端なだ円コアは許容できない
程大きな損失をもたらすだろう。
偏光間のコヒーレンスの程度を小さくする、ポラライ
ザ軸と導波主軸との正確な位置合せと増加させた複屈折
は、集積光回路技術を用いてループカプラとポラライザ
とをLiNbO3の基板上に形成することによって達成され
る。ファイバループと、スーパ発光ダイオード（SLD）
／光検出器とLiNbO3チップとの間に、高品質（すなわち
高減衰率）の偏光維持ファイバをジャイロスコープは使
用している。
光学的な損失はLiNbO3にやはり問題として存在する。
LiNbO3中の集積回路の長期安定性は重要な問題としてや
はり存在する。さらに、LiNbO3中の集積光回路の高散乱
損失（0.1〜0.5dB/cm）は、雑音、バイアスエラーおよ
びスケールファクタエラーをつくるので光ファイバジャ
イロスコープの性能を制限する。
発明の概要 本発明は、改善したバイアス安定性と再現性を有しポ
ラライザの減衰率を非常に減少させた光ファイバジャイ
ロスコープに関し、そのようなジャイロスコープを製造
する方法にも関する。
本発明の可能な実施例の光ファイバジャイロスコープ
は、たった20〜50dBの減衰率しか有さない少なくとも１
個のポラライザを使用する。
本発明の製造方法は、低損失、低散乱および非常に高
い複屈折を有し集積あるいはバルク光学素子を有しない
ファイバジャイロスコープの製造に用いることができ
る。この方法は連続ファイバおよびスプライスされた素
子を有した両タイプのジャイロスコープにも使用でき
る。
可逆ポラライザは双方向性の２ポートポラライザであ
る。すなわち、第１のポートに入る信号がポラライザの
所定の偏光を有している場合にのみ第２のポートから出
力される。同様に、第２のポートに入る信号がポラライ
ザの所定の偏光を有している場合にのみ第１のポートか
ら出力される。
本発明の光ファイバ回転センサは以下の要素から構成
されている。
1.好ましくは溶融シリカで形成された基板であって、第
１の光ファイバを、そのある長さの第１の領域を基板上
に設けて担持している。
2.第１の光ファイバの第１の領域の第１の部分に形成さ
れた第１のプレーナなクラッド表面。
3.ある長さの第２の領域を基板上に設けた第２の光ファ
イバ。
4.第２の光ファイバの第２の領域の第２の部分に形成さ
れた第２のプレーナなクラッド表面。
5.第１の光ファイバカプラが各々第１および第２の光フ
ァイバの第１と第２の領域の間に形成されている。
6.好ましくはSLD等のコヒーレントでないあるいは部分
的にコヒーレントでない光源手段は第１の光ファイバに
光信号を送るよう配置されている。
7.可逆ポラライザが第１の光ファイバのプレーナなクラ
ッド表面に形成されている。ポラライザの伝播軸は第１
の光ファイバの複屈折軸と位置合せされており、第１の
光ファイバと相互作用することによって、第１の光ファ
イバによって導かれる光信号から不要の直線偏光成分を
取除くとともに所望の直線偏光成分を減衰させることな
く第１の光ファイバに進行させる。
8.光ファイバの検知コイルが第１と第２の光ファイバ間
に光を導くよう構成され、第１と第２の光ファイバと光
カプラとは検知コイルに対向伝播信号を送るよう動作す
る。
本発明による光ファイバ回転センサはさらに以下の要
素を有する。
9.中央コアと周辺クラッドとを有し基板に設けられた第
３の光ファイバの第３の領域であって、この一部はクラ
ッドが取除かれ変形されて第３のプレーナなクラッド表
面を形成している。
10.第２の光カプラが各々第１と第３の光ファイバの第
１と第３の領域に形成されている。
11.光信号周波数定定化手段が、光信号源から受けて印
加された信号の周波数を検知して光信号源に周波数制御
信号を送るように接続されている。
フォーム複屈折ポラライザ、プラズモンポラライザ、
およびバルク水晶ポラライザ等の導波ポラライザはファ
イバ上に直接設けることができる。ファイバのクラッド
は部分的に取除かれ、ポラライザはファイバの微弱場内
の位置でファイバの残りの部分の研磨された表面に取付
けられる。ファイバは分離する必要はない。バルク水晶
ポラライザを本発明に使用できるが、ファイバに設けた
プラズモンポラライザかフォーム複屈折ポラライザを使
用するのが好ましいと考えられる。
クラッドの一部はファイバのある区間にわたって取除
かれる。取除かれる部分はコア領域内に延在してもよ
く、あるいはコアから少し離れていてもよい。
フォーム複屈折スタックは以下の４つの構成に設計調
整できる。すなわち（１）TEモードは減衰し、TMモード
は減衰しない、（２）両モードとも減衰しない、（３）
TMモードは減衰し、TEモードは減衰しない、あるいは
（４）両モードが減衰する。このようにスタックはポラ
ライザあるいはシンクとして使用される。
フォーム複屈折スタックは、処理する光信号の半波長
未満の周期を有した空間的周期的なスタックである。ス
タックは伝播モードの一方あるいは両方を放出するか、
あるいは、熱としてのエネルギを一方あるいは両方のモ
ードから吸収するに充分な厚みを有している。ファイバ
の微弱場にスタックを置くとファイバのエネルギはスタ
ックに結合される。
プラズモンスタックも使用できる。このようなスタッ
クは厚い金属片をスタックの外側に有した一対の誘電体
フィルムを有している。本発明の集積構造は２本のファ
イバとこれらに結合された第１のファイバを使用する。
２個のシンクが２個のカプラに取付けられ、装置から不
要な信号を排除している。好ましくはフォーム複屈折ポ
ラライザである導波ポラライザは、可逆ポラライザとし
て２個のカプラ間で第１のファイバに特殊な方法で取付
けられている。他の２個の導波ポラライザは第１のファ
イバに取付けられ、カプラは可逆性ポラライザと第２お
よび第３のポラライザとの間に配置されている。
本発明の光ファイバ回転センサはさらに以下の要素を
有する。
12.第１のドーム複屈折ポラライザが基板と第１のクラ
ッド表面とに形成され、第１の光カプラは第１のフォー
ム複屈折ポラライザと可逆性ポラライザとの間に位置し
ている。
13.第２のフォーム複屈折ポラライザを第１のクラッド
表面に形成して、第２の光カプラが第２のフォーム複屈
折ポラライザと可逆ポラライザとの間に位置させること
もできる。
14.可逆性ポラライザは、少なくともひとつの金属層を
有したプラズモンポラライザで構成しこの金属層を第１
のポレーナなクラッド表面に堆積して、ポラライザの伝
播軸を第１の光ファイバの複屈折軸に自己整合的に位置
合せすることもできる。
15.可逆性ポラライザはさらに異なった屈折率の複数の
誘電体層より構成できる。あるいは、これらの層は両方
ともあるいは一方が誘電体層あるいは金属層でもよい。
フォーム複屈折ポラライザにおいて、例えばシリカとチ
タニア等の２個の誘電体が通常使用され、一対のフィル
ムの全体の厚さが光信号の半波長未満の第１の空間周期
を形成する。例えば、ファイバのコアは５〜10ミクロン
の直径でクラッドは80ミクロン程度の直径としてもよ
い。クラッドの一方の半径からおそらく30ミクロンが切
りとられる。シリカとチタニアを交互に積層した複数の
フィルムから形成されたおそらく10ミクロン厚のフォー
ム複屈折スタックを切りとられたクラッドの研磨表面に
固着できる。
16.可逆性ポラライザを、 （ａ）すべてのクラッドと一部のコアを取除いた第１の
光ファイバの位置に形成されたコア表面、とそして （ｂ）コア表面に置かれたフォーム複屈折スタックとか
ら構成してもよい。
17.光ファイバプラズモンポラライザを、 （ａ）コア表面に形成した金属フィルムと、そして （ｂ）金属層とコア表面との間に置かれた誘電体層とか
ら構成してもよい。
光ファイバ回転センサをつくる本発明の方法は以下の
ステップより構成される。
好ましくは単一モードファイバを用いる。多モードフ
ァイバ以外の他のファイバを使用してもよい。
本発明で使用するファイバは単一モードファイバであ
る。多モードファイバは使用しなくてもよい。偏光維持
ファイバを使用してもよい。
第２と第３のファイバは離間して配置されたカプラに
よって第１のファイバに結合される。
３本のファイバの所定領域が研磨されポラライザとシ
ンクとを受容するほど平坦な面を有する。
３本のファイバとそれらのカプラは基板に固定して取
付けられる。ポラライザとシンクを取付ける領域はフォ
トレジスト材料で覆われ、現像されてこれら領域から接
着剤をエッチングして取除く。
クラッド部分をエッチングして取除くと、ファイバの
微弱場がポラライザとシンクとをさえぎることを確実に
する。
ポラライザとシンクのフィルムは、マスクと微弱場内
の所定の領域への選択的堆積とを用いて、研磨クラッド
表面に堆積される。
ポラライザとシンクがクラッド上の層として積上げられ
た後に、全体の装置はフィルム保護のために好ましくは
ポットに入れられる。
例えば集積光回路でみられる従来技術の複屈折は１未
満の程度である。本発明のスタックにみられる複屈折は
２程度であり、約0.10から0.17の複合屈折率を有してい
る。
このような高い複屈折は光ファイバジャイロのエラー
を低減する。
図面の簡単な説明 第１図はニオブ酸リチウムチップを有した従来の光フ
ァイバジャイロスコープを示す図、 第２図は光ファイバのコイルと、ジャケットを取除い
た裸の光ファイバの隣接して結合されるある一対の長さ
部分を示す図、 第３図は基板に取付けられた第２図に示す裸の光ファ
イバのある長さ部分を示す図、 第４図は第３図の基板の傾斜端部、裸ファイバの領
域、そして基板の端部で研磨表面より下に設けられたジ
ャケット付ファイバの領域を示す図、 第５図は第３図の線５−５に沿った断面図で基板上で
離間した裸のファイバを示す図、 第６図は第３図の線６−６に沿った断面図で裸のファ
イバの２本のある長さ部分の間に形成された光カプラの
中央領域を示す図、 第７図は誘電体の交互になった２層のスタックを示す
正面図、 第８図は第３図の基板の領域と基板に設けられた光フ
ァイバの一方の長さ部分の領域とをカバーするために形
成されたマスクを示す平面図、 第９図は第８図の基板に形成された誘電体のスタック
を示す平面図、 第10図は第８図の基板に形成された一対の誘電体スタ
ックとポラライザを示す平面図、 第11図は、第８図の基板とファイバの断面図であり、
異なった直径のファイバを基板に取付ける方法を示す
図、 第12図は第８図の基板とファイバとを取付けた本発明
の完結した光ファイバジャイロスコープの平面図、 第13図は第12図のシステムに含めることのできる位相
変調器の断面図、 第14図は第13図の位相変調器の断面図、 第15図は光入力信号と光出力信号を示した回転半波長
板周波数シフタの概略図、 第16図は第15図の周波数シフタが波動信号に及ぼす影
響を説明するグラフ、 第17図は光ファイバに入り込む音響波の前面を示す
図、 第18図は第12図の光ファイバジャイロスコープに含め
てもよい周波数シフタを示す図、 第19図は第12図の光ファイバジャイロスコープに含め
てもよい周波数シフタを制御する回路の回路図、 第20図と第21図は第19図の周波数シフタが光信号に及
ぼす影響を説明する波動周波数ベクトル図、 第22図は第12図のシステムに含む光信号源を安定化す
る周波数制御デバイスの概略説明図、 第23図は第22図の周波数制御デバイスに含めてもよい
偏光維持ファイバの断面図、 第24図は第23図の偏光維持ファイバを形成するのに使
用できる交互に設けた誘電体層のスタックの正面図、 第25A図と第25B図は、第12図のシステムに含む光信号
源を安定化するのに使用できるデバイスの概略説明図、 第26図は第12図のシステムに含む光信号源を安定化す
る熱的に補償した参照干渉計デバイスの概略説明図、 第27図は第26図の熱的に補償した参照干渉計の、入力
光の偏光に対する結晶配向を説明する概略図、 第28図は光ファイバジャイロスコープの光源として使
われる一例としてのスーパ発光ダイオードのスペクトル
を説明するグラフ、 第29図は第26図の熱的に補償した参照干渉計によって
つくられる干渉縞の規程を干渉計の光路差の関数として
説明するグラフ、 第30図は第１図の熱的に補償した参照干渉計の出力を
説明するグラフ、 第31図は第26図の熱的に補償した参照干渉計に含まれ
る水晶の長さの比の関数として摂氏１度当たりの部分位
相シフトを説明するグラフ、 第32図は本発明の可能な実施例の光源、安定化システ
ムに含むことのできる参照干渉計の出力のスロープ感度
を参照干渉計の光路差の関数として表わしたグラフ、 第33図は光ファイバ回転センサのスケールファクタの
安定化を参照干渉計の光路差に対して表わしたグラフ、 第34図は光ファイバ回転センサのスケールファクタの
シフトを光源のスペクトル分布の中心軌跡に対して説明
したグラフ、 第35図は第12図の光ファイバジャイロスコープに含め
ることのできるフォーム複屈折カットオフポラライザを
説明する図、 そして 第36図は第35図のフォーム複屈折カットオフポラライ
ザの断面図である。
好ましい実施例の説明 I.緒言 本発明が従来技術に対して有している利点を説明する
ために、第１図を参照して従来技術のオプティカルジャ
イロスコープ30の簡単な説明をする。スーパー発光ダイ
オード光源32は光ファイバ34に光を送る。光は双方向性
カプラ36に進みここで光ファイバ34からの光を光ファイ
バ38に結合する。ファイバ34に滞まる光源32からの光
は、カプラ36からニオブ酸リチウムで形成された基板37
に進む。カプラ36と基板37との間の長さのファイバ34は
時には空間フィルタと呼ばれる。Ｙ字状のカプラ40は周
知のドーピング技術で基板37に形成されている。ポララ
イザ42はカプラ40の第１の脚の上に上層として形成され
ている。光ファイバ48のループ46の端部50と52は、各
々、カプラ40の一対の脚54と56からの光を受けるように
接続され、ループ46は２個の対向光信号を導く。ループ
46を通過した後の対向信号は脚56と54に送られ、そこか
らファイバ34に再結合される。再結合された信号はカプ
ラ脚44内で合成され互いに干渉して、図面に垂直な軸の
まわりのループ46の回転を示す縞パターンを形成する。
カプラ36は干渉信号の一部をファイバ38に結合する。検
波器60はファイバ38からの信号を受けて、ループ46の回
転を示す電気信号を形成する。
本発明の装置を比較するために第12図を参照された
い。光ファイバジャイロスコープ70は光源72を有し、こ
の光源は好ましくは広帯域の光をつくるスーパー発光ダ
イオード（SLD）である。光ファイバジャイロスコープ7
0にSLDを使用するとカー効果の誤差が減少する。
光源72は光信号を光ファイバ74に送る。光ファイバ74
は好ましくは溶融シリカより成る基板76に載っている。
光信号は始めに基板76上のファイバ74近くに形成された
フォーム複屈折ポラライザ75を通過する。信号はファイ
バ74から光カプラ78に進み、ここで光ファイバ74と80の
光が結合する。光源72からの光の一部はファイバ80に入
り、基板76上に形成してもよい波長制御デバイス82を通
過する。
ファイバ74に滞まっている光源72からの光は基板76上
に形成された可逆ポラライザ86を進み第１の方向性光カ
プラ87に到達する。カプラ87を通る光はファイバ74の近
くで基板76上に形成されたフォーム複屈折ポラライザ91
を通過する。フォーム複屈折ポラライザ91近くのファイ
バ74の一部を通過した後、信号は好ましくは同様に基板
76上に形成された位相変調器88に入り込む。位相変調さ
れた信号は光ファイバ74に形成されたコイル90を時計方
向に進む。
CWと表示した矢印は時計方向の信号を示す。カプラ87
は左側からコイル90に入力する光の約50％を結合して反
時計方向の信号をつくる50/50信号スプリッタとして動
作することが好ましい。コイル90を通過した後、時計方
向信号は周波数シフタ92を通過して右側からカプラ87に
入り込む。
CCWと表示した矢印は反時計方向信号を示す。反時計
方向信号はコイル90に入る前に周波数シフタ92を通過す
る。
位相変調器88はコイル90を通過した後の反時計方向信
号を位相変調する。位相変調されたCCW信号は次に右側
からカプラ87に入り込む。反時計方向信号の半分はカプ
ラ87を通過して可逆ポラライザ86に向う。時計方向信号
の半分はカプラ87で結合されて可逆ポラライザ86に向
う。カプラ87を通過する時計方向信号の一部と、結合し
た反時計方向信号の一部は吸収パッド94に送られ、ここ
で信号がファイバ74から去ったりコイル90で反転して戻
されることを防いでいる。
２個の信号の一部はカプラ87で結合して干渉パターン
を形成する。合成信号は可逆ポラライザ86からカプラ78
に進み、ここで干渉信号の一部がファイバ80に結合され
る。干渉パターンの一部は検波器96に送られ、時計方向
信号と反時計方向信号の位相差の測定用の電気信号がつ
くられる。この位相差は検知軸のまわりのコイル回転速
度に関連している。
光ファイバジャイロスコープ70の部品、および部品を
基板76上に形成する方法を以下詳細に述べる。
II.光ファイバジャイロスコープの部品 A.光ファイバカプラ78 好ましくはカプラ78と87は実質的に同一であるので、
カプラ78のみについて詳述する。
第２図を参照するに、ある長さを有した２本の通常の
非偏光維持ファイバ102と104、すなわち光ファイバ74の
２区分は数cmにわたってそのジャケット106と107をはが
している。第４図は基板76の研磨面より下の端部108の
側面図である。第４図において、好ましくは、基板76の
端部は傾斜していて、ファイバジャケット106を基板76
の頂面より下のレベルにしている。第４図はジャケット
106のみしか示していないが、第４図で示す技術は基板7
6にファイバセグメント104を配置するのにも用いられ
る。ジャケット106と107は例えばエポキシレジン等の適
当な接着剤で基板76に接着される。
第３、５および６図を参照するに、ファイバ74は中央
コア110とそれを取囲むクラッド112を持つように形成さ
れている。第６図に示すように、ファイバセグメント10
2と104は集束してカプラ78で互いに結合し、研磨したフ
ァイバのクラッドセグメントは互いに近接して基板76上
に置かれる。方向性カプラ78は２本のファイバセクショ
ン102と104間に互いに溶融することによって形成されて
いる。クラッド112と基板76間の溶融接合113は第５図と
第６図に示されている。ファイバセクション102と104も
好ましくはカプラ78の近くで基板76に溶融されている。
ファイバの互いに近接したセグメントにエネルギを与え
てこれらを互いに溶融するとともに基板76にも溶融して
いる。ファイバセグメント102と104にエネルギを与える
好ましい方法はレーザ（図示せず）を用いてそれらの温
度を溶融点温度に上げてファイバを互いに溶融するとと
もに基板76にも溶融している。
さらに第６図を参照するに、並置された領域112Aと10
4Aとは相互作用領域115を形成し、ここで各ファイバセ
グメント102と104を進んだ微弱な光の場は他のファイバ
セグメントと相互に作用しあう。光は相互作用領域115
において微弱な光の場の結合によってファイバセグメン
ト間で伝播される。ファイバセグメント102は中央コア1
10Aとこの周囲のクラッド112Aより成る。ファイバセグ
メント104はコア110Bとクラッド112とより成り、これら
は各々コア110Aとクラッド112Aと実質的に同一である。
コア110Aの屈折率はクラッド112Aのそれよりも大きく、
コア110Aの直径は、内部を伝播する光がコアとクラッド
のインタフェースで内部的に全反射するようになってい
る。ファイバセグメント102に導かれる光エネルギの大
部分はコア110Aに限られる。しかし、ファイバセグメン
ト102と104の波動方程式を解き境界条件をあてはめる
と、主としてコア110内であるが、そのエネルギ分布
は、ファイバの中心からの半径が増加するに従って振幅
が指数関数的に減衰するクラッド112に延在する領域に
も及んでいる。クラッド112内の指数関数的にエネルギ
分布が減衰する領域は微弱場と一般に称されている。フ
ァイバセグメント102を伝播する光エネルギがファイバ
セグメント104内に充分な距離入り込むと、エネルギは
両者で結合される。
第２図においてカプラ78は78A、78B、78C、78Dと表示
した４個のポートを有する。カプラ78の各々右側と左側
のポート78Aと78Bはファイバセグメント102に対応す
る。同様にポート78Cと78Dはファイバセグメント104に
対応する。入力光信号はファイバ102を介してポート78
に印加されるものとする。ファイバ102と104間の結合量
に従って、光はカプラ78を通過してポート78Bと78Dの一
方のあるいは両方から出る。
“結合係数”を全出力量に対する結合量の比と定義す
る。上述の例では、係合計数はポート78Bと78Dでの全出
力量に対するポート78Dでの出力量の比である。この比
は通常％で表わされる。“結合効率”とも時には称され
ている。従っここで“結合係数”という用語を用いる時
は、対応する結合効率は結合係数の100倍に等しいもの
と理解されたい。カプラ78は零から１の所望の値の結合
係数に同調することができる。これは微弱場のオーバラ
ップ領域の寸法を特定することによって、特にコア110A
と110Bの離間度を制御することによって可能である。
カプラは大きな方向性を有し、一側に与えられたほぼ
すべての光量は他側のポートに到達する。ポート78Aと7
8Bの一方あるいは両方に送り込まれるほぼすべての信号
は、みるべき逆方向結合を行なわず、ポート78Bと78Dに
送られる。方向性の特徴は、ポート78Bと78Dの一方ある
いは両方に入る光もポート78Aと78Cに送られるという点
で双方向である。カプラ78は光の偏光を伝搬しこれを維
持する。
ファイバセグメント102と104の一方で結合された光は
π/2の位相シフトを受けるが、カプラ78を結合なしで通
過する光はその位相がシフトしない。例えば、もしカプ
ラ78の係合係数が0.5で光信号がポート78Aに送られる
と、ポート78Bと78Dの出力信号は等しい振幅である。し
かし、ポート78Dに送られた信号はポート78Bに送られた
信号よりもπ/2の位相シフトを受ける。
B.微弱場ポラライザ 第３図において、基板76とジャケットをはがしたファ
イバセグメント102と104とは、光源72（第12図）から受
ける光信号の1/4波長よりも良好に、光学的に平坦に磨
かれる。この研磨によってファイバセグメント102と104
の各々の表面114と116とが形成される。ファイバセグメ
ント102と104の微弱場をさえぎるには、表面はコアとク
ラッドの境界から約１ミクロン以下である。
複屈折ポラライザを形成する、人工誘電体と光ファイ
バに案内される光の微弱場との相互作用は、本発明の譲
受人リットンシステムインコーポレーテッド社に譲渡さ
れジョージ・エ・パブラスによって1984年３月16日に出
願された特許出願第589,977号で、1987年５月19日に特
許された米国特許第4,666,235号、名称“安定光ファイ
バポラライザ”に記載されている。
フォーム複屈折ポラライザは人工的に作られた複合周
期的格子構造を有し、２種以上の異なった材料の２種以
上の厚みを有し、各空間周期で異なった屈折率を有して
いる。連続的に重なりあったフィルムの多数の空間周期
は、ファイバの微弱場をさえぎるために、ファイバコア
上、内、あるいは近くに積層して配置されている。あた
かも同質の複屈折材料で形成されたように、このポララ
イザは光を偏光し濾波する。
第８〜10図および第12図において、フォーム複屈折ポ
ラライザ75は研磨したファイバセクション102に形成さ
れている。第７図に示すようにフォーム複屈折ポラライ
ザは、各々異なった誘電率n1とn2および異なった厚みt1
とt2を有した一対の誘電材料の交互の層120と122に形成
された複合格子構造として構成できる。このようなデバ
イスはあたかも同質の複屈折材料として作用する。誘電
体の２個の隣接する層が結合した厚みは、フォーム複屈
折ポラライザの周期Ｐと呼ばれる。この周期Ｐは従って
Ｐ＝t1＋t2である。入力光の波長の半分よりも短い周期
を有した格子は回折オーダをつくらない。サブミクロン
製造の現状の技術を使うことによって、光ファイバセン
サ技術で通常用いられるコヒーレント光の波長のほぼ半
分以下の期間を有したフォーム複屈折ポラライザをつく
ることが可能である。
第１の誘電体層の厚みを期間ｐに対する割合ｑとして
表わすと、第１の誘電体層120の厚みはqpで表わされる
ので便利である。例えば、期間ｐは1000オングストロー
ムで第２の誘電体層の厚みqpは100オングストロームで
ある。第１の誘電体層は二酸化シリコングラスで好便に
形成でき、第２の誘電体層は二酸化チタニウムグラスで
よい。層120と122の屈折率はクラッド112のそれと異な
らせる。クラッドは通常フッ素をドープしたシリカであ
る。
電磁スペクトラムの光領域においてフォーム複屈折ポ
ラライザの電磁特性を厳格に計算することは困難であ
る。この問題は、格子期間が光の波長よりもかなり短か
く、回折をさけるために反波長よりも短いと仮定する
と、非常に簡単になる。もし格子期間がファイバ中の光
の波長の半分以下であると回折オーダがなく、そしてフ
ォーム複屈折ポラライザは異方性媒質として作動する。
フォーム複屈折ポラライザは２個の等質な誘電体であ
るファイバクラッドとそしてとの間にサイドイッチされ
た周期的階層媒体として取扱うことができる。フォーム
複屈折ポラライザ75近くのクラッド112は充分薄い必要
があり、それによってファイバ74内を伝播する光エネル
ギの微弱場がフォーム複屈折ポラライザのスタックと相
互作用を及ぼして、ファイバ74からのエネルギの第１の
偏光モードをフォーム複屈折ポラライザに結合するとと
もにエネルギの第２の偏光モードがファイバ74内に滞ま
れるようにする。スタックの層に平行で垂直に偏光した
電界を有する光信号は異なった屈折率を受ける。ポララ
イザ75の実効誘電率は層120と122に平行な偏光の信号に
対してはある値をとり、層に垂直な偏光に対しては他の
値をとり、そしてこの異なった誘電率はスタックの形状
に依存する。従ってポラライザ75はフォーム複屈折であ
ると言われる。
C.カットオフ ポラライザ コア110の内部の光の場をのがれるために、第35図と
第36図に示すように、光ファイバジャイロスコープ70に
使用されるカットオフポラライザ150がコア110内部で研
磨して形成されている。カットオフポラライザ150は基
板76に設けられる光ファイバ74のセグメント152を含ん
でいる。フォーム複屈折ポラライザ75と同様に、フォー
ム複屈折スタック156は、光ファイバ74のセグメント152
のほどプレーナな相互作用領域158の近くに位置してい
る。
ここで用いる複屈折の量は、光信号を導く媒体の２個
の偏光依存屈折率の差を意味する。光ファイバ内の光速
はＶ＝c/nで、ここでｃは光の自由空間速度であり、ｎ
はファイバの屈折率である。ファイバ74が小さな屈折率
を有する偏光成分は大きな速度を有し、従って、他の偏
光成分よりもファイバ74内の伝播時間が短かい。ファイ
バ74は複屈折であり、２個の偏光成分はファイバ内を進
行するに従って位相シフトを受ける。
もしファイバ74が光エネルギの単一モードしか運ばな
いように設計されていると、コア110は直径約５ミクロ
ンの円断面を通常有する。クラッド112の屈折率がほゞ
均一でコアの屈折率より小さいと、ファイバ74に導かれ
る光エネルギの殆んどすべてはコア110に制限される。
しかし、ファイバセグメント152が非対称な屈折率分布
を有していると、コア110はカットオフ直径を有する。
コアの直径がカットオフ直径よりも小さいと、光エネル
ギをコア110に排他的に制限できない。カットオフポラ
ライザ150はカットオフ特性を用いて、相互作用領域158
に平行な偏光をファイバ74から除外する。
第36図において、偏光の混じりあった光が図面に入り
込む方向にポラライザ150に入力すると、相互作用領域
の屈折率の非対称は、相互作用領域158に平行な偏光成
分をファイバから放射させてしまう。通常の約定による
と伝播方向はｘ軸である。右手の座標系を仮定すると、
ｘ軸は第35図の面内に入り込み、ｙ軸はこの面に横たわ
ってｘ軸とｚ軸の両軸に直交する。相互作用領域に直交
する偏光の場合、フォーム複屈折スタック156の屈折率
はクラッドのそれとほとんど等しく、このようなエネル
ギはコアとクラッドの境界での内部反射によって導かれ
る。表面に直交する偏光成分はコアの実効断面積の減少
にあうので、導かれた信号の微弱場の領域が増加してカ
ットオッフに至る。
第36図の研磨された表面がコアの近くかあるいは内部
であるかによって、また、誘電体層の屈折率と厚みがど
れほどかによって、以下の状況が実現され得る。
1.複屈折をつくると、光信号の両偏光（即ち、スタック
の層に平行なものと直交するもの）はファイバに伝播す
るが、異なった速度である。
2.光信号の一方の偏光が伝播し、他方の偏光がカットオ
フされるがかなり減衰すると、光の２種類の偏光の速度
がまたもや異なる。このような複屈折は単一偏光ループ
のカプラーポラライザモジュールで起こる。
3.両方の光信号偏光がカットオフ（減衰）であると、そ
れらの速度は異なる。光エネルギは反射することなく減
衰し、このことはファイバジャイロスコープの第１およ
び第２の方向性カプラの終端で有用である。
D.位相変調器 第13図と第14図において、位相変調器88によって、光
信号等の電磁波キャリア信号に対して検出可能な位相シ
フトを加えることができる。位相シフトは検出器96に接
続された受信機によって復号化でき、復号化された情報
が抽出される。変調器88は、エポキシレジン層184ある
いは他の適切な接着剤によって基板76とファイバ102に
固定されたほゞペレーナなトランスジューサ183を有し
ている。トランスジューサ183は好ましくは、アルミニ
ウム等の適切な導電材料の上部電極192と下部電極194と
の間にサンドウィッチされた圧電材料層190で形成され
ている。変調器88に使うのに好ましい圧電材料はニオブ
酸リチウムである。
信号発生器（図示せず）からの交互に極性を変える電
圧が印加されると、圧電層190はトランスジューサ183の
プレーナ表面に直交する方向に伝播する音響信号を発生
する。層190の材料は、音響波エネルギの長手方向モー
ドあるいはシエアモードを発生させるためにファイバ74
に対して直交するか同一線上に振動を起こすようにポー
ルすることができる。
層190が振動すると、ファイバ74の光軸に直交する方
向に伝播する音響信号が発生する。このバルク音響波の
中心周波数の波長は圧電層190の厚みの半分に等しい。
電極192と194は真空蒸着あるいは同様の薄膜技術を用い
て所望の厚さにできる。
ブロック182内のファイバ74の領域、特に相互作用領
域220に近い領域を光信号が通過すると、この光は圧電
トランスジューサ183の振動によって励振されたバルク
音響波と相互に作用する。
下部電極194、接着層184および圧電層190の寸法と材
料は、合成音響インピーダンスかトランスジューサ183
に対向するファイバセグメント102の領域の音響インピ
ーダンスとマッチングするように選ばれる。位相変調器
88に加えられるエネルギに応じて、音響インピーダンス
のこのマッチングによって最大音響エネルギがファイバ
102のコア110に確実に送られる。位相変調器88の好まし
い実施例では、圧電材料層190はニオブ酸リチウム（LiN
603）結晶より成り、100ミクロン程度の厚さであり、ア
ルミニウム電極は2000オングストローム程度の厚さであ
る。
このようにデバイスの設計は層190の音響インピーダ
ンスに支配される。図示の簡明化のために、第13図と第
14図の相対寸法は異ならせている。伝播する音響信号と
ファイバセグメント102に導かれる光信号との相互作用
によってファイバコア110の材料のダイポールモーメン
トが再配列されて、伝播される信号に検出可能な位相シ
フトが生じる。位相シフトの大きさは、主として、光源
72から送られる光量と、トランスジューサ183近くのフ
ァイバセグメント102の長さの関数である。
トランスジューサ183によって励振された音響信号
は、ファイバ媒質の屈折率を所定量Δｎ変化させる。屈
折率のこの変化は、ファイバ内に発生した音響歪波の振
幅の直接関数である。音響信号のパワーＰは電圧源（図
示せず）によって送られたパワーの関数である。挿入損
は小さいので、音響波パワーは入力パワーよりもいくぶ
ん小さいだけである。
光ファイバセグメント102近くの圧電トランスジュー
サ183の制御された振動によって、音響波がファイバ内
に励振される。位相変調器88はファイバ102によって導
かれる光の位相シフトを与える。
E.周波数シフタ 第15図は角速度ｆで回転する半波長板230に入力する
円偏光を示す。入力光波は周波数f0を有するものとして
図示している。信号は正のｚ方向に伝播しており、同一
大きさで90度位相の異なるｘおよびｙ方向の２個の偏光
ベクトルを有している。従って、伝播方向に向かって見
た場合に偏光ベクトルは時計方向にｚ軸のまわりを角速
度f0で回転するようにみえる。半波長板230は偏光ベク
トルと同一方向に回転するので、出力信号は入力信号に
対してf0＋2fの周波数を持つように周波数シフトされ
る。
第16図は単側波帯抑圧キャリア位相シフタとして動作
する周波数シフタ91（第12図）から出力され得る周波数
を示すグラフである。入力周波数がf0であると、半波長
板を入力信号の偏光方向に周波数ｆで回転させるとf0＋
2fの出力がでる。円偏光された入力信号の偏光方向に逆
に周波数ｆで半波長板230を回転させるとf0−2fの出力
周波数がでる。回転周波数ｆを制御することによって、
半波長板の出力周波数を 〔f0（＋／−）2fmax〕の範囲にすることができる。こ
こでfmaxは半波長板230の最大回転周波数である。
周波数シフタ91の出力の振幅は、 φ（ｔ）＝Aexp〔ｉ（f0＋2f）ｔ〕＋Bexp〔ｉ（f
0t〕 …（５） 出力信号の強度は振幅の二乗であり、 Ｉ＝｜φ（ｔ）｜2 …（６） ＝A2＋B2＋2ABcos(2ft) …（７） として与えられる。
係数Ａは通常Ｂよりかなり大きいのでB2は無視でき
る。
光ファイバジャイロスコープ70に使用できる交流周波
数シフタを第18図に示す。周波数シフタ92は溶融水晶等
の材料で形成されブロック324に保持される長さ322の光
ファイバ74と、基板76とを有する。例えば２個の金属Cr
−Av層327と322間に設けられたPZT板で形成されるトラ
ンスジューサ330はブロック324に設けられる。トランス
ジューサ330は適切な発振器（図示せず）によって駆動
して角度θでファイバ内に音響信号を励振できる。
ファイバ74は単一伝播モードの２個の直交する偏光信
号をサポートする単一モードファイバである。ファイバ
は、複屈折であり、ファイバ内の電界の異なった方向に
異なった屈折率を有しているので、２個の偏光を有す
る。２個の偏光は通常結合しないので一方の信号から他
方の信号へのエネルギの伝播はない。ファイバに空間的
に周期的な歪パターンを加えるとこれらの２個の異なっ
た偏光信号間に結合が生じ両者の間でパワーの交換がな
される。歪パターンの空間周期がファイバのビート長と
同一のときのみパワーの伝達が蓄積的となる。第17図を
参照するに、光ファイバのビート長はLB＝λ／Δｎであ
り、ここでΔｎは２個の偏光の屈折率の差であり、λは
光の波長である。歪が複屈折の主軸に45度で向けられた
時に、２個の偏光が最っとも効率よく結合することが見
出された。
トランスジューサ330は進行音響信号を形成し、この
信号はファイバセグメント322内に移動する歪パターン
を生ぜさせる。結合領域が移動するのでファイバに沿っ
て移動する歪パターンは、一方から他方へ結合された信
号の周波数を移動する歪パターンの周波数に等しい量だ
けシストする。簡便のために信号の一方の偏光を“遅
い”と呼び他方の偏光を“早い”と呼ぶ。誘電体媒体中
の光信号の速度は光の自由空間速度を誘電体の屈折率で
割ったもので、Ｖ＝c/nである。従って複屈折媒体中に
おいて、屈折率の大きい偏光は遅い信号であり、屈折率
の小さい偏光は早い信号であることがわかる。
第17図において、波長λａの平面音響波の前面はファ
イバセグメント322に入力する。音響信号の伝播方向に
ビート長LB成分が音響信号波長に等しい時に位相マッチ
ングが起こる。従ってLBsinθ＝λａであることがわか
る。信号の速度と周波数と波長間の周知の関係を用いて
上述の等式から音波信号の波長を消去すると音響信号の
周波数はｆ＝V/（LBsinθ）として与えられ、ここでＶ
はファイバ内での音響信号速度である。
音響信号とファイバによって伝播する２個の偏光との
相互作用の特定の性質は、周波数−波数ダイアグラムも
用いて示すことができる。
第20図を参照するに、音響信号がファイバ74内の光と
同一方向に進むと、早いモードで偏光されある周波数を
有する光は遅いモードと結合してその結果周波数がω＋
ωａとなる。ここでωａは音響信号の周波数である。遅
いモードで進行する光は早いモードと結合して周波数が
ω−ωａにシフトする。
第21図に示すように、音響信号はファイバ74内の光信
号と反対方向に進むと、システムの周波数シフト特性は
逆転する。すなわち、早いモードで伝播する光が遅いモ
ードと結合すると周波数はω−ωａに変化し、遅いモー
ドで伝播する光が早いモードと結合すると周波数がω＋
ωａに変化する。
従って単一偏光の光のみが、周期的に移動する歪パタ
ーンを有するファイバ74のセグメントに入ると、周波数
シフタ320は単側波帯周波数シフタである。実際上、ジ
ャイロスコープに含まれるポラライザの有限減衰率と他
の要因によって、選択された偏光は、キャリア周波数と
そして逆の周波数シフトを有する側波帯の量が小さい。
第19図は周波数シフタ92の出力周波数を制御して不要
キャリア周波数成分を最小にするフィードバックシステ
ム285を示す。
電圧源300は電圧制御発振器302に電圧Ｖを供給し、電
圧制御発振器302はＶの関数である周波数ｆを有した振
動電圧をつくる。電圧制御発振器302の出力は可変利得
増幅器304によって増幅され制御信号がつくられ、この
制御信号は周波数シフタ92とダブラ206に与えられる。
ダブラ206は周波数2fを有した出力信号をロックイン増
幅器に与え、ロックイン増幅器298が等式（７）の第３
項の周波数2fを有した信号のみを増幅するようにさせ
る。
周波数シフタ92は光源72から周波数f0の光信号を入力
する。この入力信号は、光源90から周波数シフタ92を見
たときに時計方向の円偏光を有する。周波数シフタ92の
出力の増幅は等式（５）によって与えられる。Bexp〔ｉ
（f0t）〕の項は周波数シフタ92をチャネル通過するキ
ャリア信号の不要スペクトラムを表わす。周波数シフタ
92の出力信号は信号スプリッタ292に入力され、この信
号スプリッタは例えば入力光の約10％をポラライザに送
ることができる。
出力信号の不要部分は入力信号と同一の偏光を有して
おり、出力強度の必要部分は逆の偏光を有している。ポ
ラライザ294は各光信号の一部のみを伝達する。ポララ
イザ294の出力は光検出器296に入力され、この光検出器
296は等式（７）の第３項を示すエラー信号をつくる。
エラー信号はロックイン増幅器298に送られる。ロッ
クイン増幅器298の出力は、等式（７）の第３項2ABcos
（2ft）の係数2ABに比例した電圧である。ロックイン増
幅器298出力はフィルタ208を介して、接地入力をひとつ
有したコンパレータ310に進む。もしコンパレータ310に
送られた2ABに比例する電圧が零でないと、コンパレー
タ310は出力電圧を発生し、この電圧は可変利得増幅器3
04の利得制御端子に負帰還信号として送られ、周波数シ
フタ92に送られる制御信号の電圧を増加させるか減少さ
せる。負帰還信号は係数Ｂを減少させこれによってエラ
ー信号を減少させ、もって周波数シフタ92の出力が所望
の周波数を有することとなる。
F.光源波長の安定性 スケールファクタの安定性は高精度光ファイバジャイ
ロスコープの性能に対して臨界的である。センサの回転
速度をセグナック位相シフトに関連づけるスケールファ
クタは、ファイバ長の変化と光源の動作波長の変動に敏
感である。スーパ発光ダイオード（SLD）にとって、周
囲温度と駆動電流の変化はアクティヴ領域の温度変動を
起こし放出波長に変動をもたらす。典型的には、SLD放
出波長の温度依存性は摂氏１度に対して0.2ナノメータ
である。温度調整手段のみによって所要の波長安定性を
得るためには、SLDの温度を２−３ミリ度の範囲で一定
に保つ必要がある。SLDの放出スペクトルをモニタする
基準干渉計を用いることによって厳密な温度安定性の必
要性がなくなる。放出スペクトルの変化がエラー信号を
つくり、このエラー信号を処理してダイオードにフィー
ドバックすることにより波長を一定に保つ。
長いコヒーレンス長のレーザは、キャビティー長をロ
ックする温度安定化した走査ファブリーペロ干渉計を用
いることによって容易に安定化できる。しかし、SLDの
広いスペクトル帯域のために、ダイオードの放出波長を
モニタする光スペクトルアナライザを使用できない。SL
Dの典型的な10ナノメータ放出波長を分析するために
は、ファブリーペロ干渉計のミラーを約１ミクロンとい
う実際的ではない間隔で離さなければならない。
実際的な波長測定装置はジャイロの大きさよりも小さ
く設計してジャイロの枠体内に収める必要がある。波長
安定化デバイスは容積でたったの２〜３cm2の必要があ
る。
光検知システムはその光源として、例えばスーパ発光
ダイオード72のような広帯域光源、あるいは、例えば単
一モードあるいはマルチモードの半導体ダイオードレー
ザのような狭帯域光源（図示せず）を使用できる。光源
は、サグナックリング光ファイバ回転センサに適した周
波数安定性が必要である。
構造で分類すると少なくとも３種のレーザダイオード
がある。簡単なダイオードレーザは単一の半導体材料で
つくられているので単一構造レーザと呼ばれている。典
型的な一重多構造半導体レレーザはアルミニウム−ガリ
ウム−砒化物の層をひとつ余計に持ち、ガリウム−砒化
物のガリウム原子のあるものがアルミニウム原子に置換
されている。典型的な二重多構造半導体レーザはアルミ
ニウム−ガリウム−砒化物の二層で離間された三層のガ
リウム−砒化物を有している。第22図において、光信号
源72によって発生する波長を制御する光源コントローラ
システム800は、光カプラ78、ある長さの偏光維持ファ
イバ404、ポラライザ406、アナライザ408、光検出器41
0、増幅器412、バンドパスフィルタ414、同期検出器41
6、位相変調器418、ドライバ発振器420、そして光源ド
ライバ422を有している。
光源72からの光の一部はファイバ80に結合する。光信
号は次にポラライザ406に進み、ポラライザは45度に直
線偏光された信号をファイバ404の主軸に送りだす。フ
ァイバ404は後述する種々の技術で形成できる偏光維持
ファイバである。偏光維持ファイバ404は異なった偏光
に対して大きく変化する屈折率を有している。ファイバ
404に送られる光はファイバの両軸に沿った偏光成分を
有しているのでこれら両偏光は混合することなくファイ
バ404内を伝播する。
直交する早い波と遅い波が重なるので、ファイバ404
は送られた直線偏光信号をだ円偏光信号に変換する。あ
るタイプの偏光維持ファイバ（第23図）は層状コア450
とこれを囲むクラッド452とを有する。コア450は異なっ
た偏光の信号に対して異なった屈折率を有するのでコア
の伝播定数は偏光に依存する。クラッド452はコアのど
の屈折率よりも小さい屈折率を有している。大きな屈折
率を有した材料の方から２個の異なった誘電体の境界に
入力した光は、もし入射角が臨界角度よりも小さいと内
部で反射する。従って偏光維持ファイバは両方の偏光の
光を導く。コアの伝播定数は２個の偏光に対して異なっ
ていて非縮退であるので、両者のあいだでエネルギは容
易に結合しない。偏光維持ファイバ80によって伝播する
光は偏光の変化をうけない。
複屈折特性を有するコアは、層が特定の屈折率と厚み
を有するよう適切に材料を選択することによって合成で
きる。
第23図を参照するに、コア450は第１の材料の層453〜
455と、第１の材料と異なった屈折率を有する第２の材
料の層456と457とより構成されている。コア450は２種
類の材料の多数の層より構成できるが、図示および説明
の便宜のために５個の層453〜457しか示されていない。
大抵の光ファイバのようにコア450は断面が円形とし
て示されている。コア450とクラッド452を構成する材料
は、ｚ軸とｙ軸に沿った偏光のコアの屈折率がクラッド
の屈折率よりも大きくなるように選択される。従って、
フォーム複屈折ファイバ80に送られるｚ軸に沿った偏光
の信号はｚ軸で偏光された状態を維持する。
通常の光ファイバとは異なり、フォーム複屈折単一モ
ードファイバ404は、その中を伝播する信号の偏光状態
を維持する。２個の偏光の屈折率の差はファイバ404中
で充分に大きく、２個の直交する偏光を有した信号の伝
播定数にかなりの差がある。通常の条件では、伝播定数
の差によって偏光状態間の縮退がなくなり、一方の偏光
の信号が他方の偏光の信号と結合するのを防いでいる。
信号間のエネルギの結合は信号が本質的に同一速度であ
ることが必要である。もし速度が異なると、二つの状態
間をみるべき結合はない。
第24図に示すように、第22図の偏光維持ファイバ404
は、異なった屈折率を有した材料の交互の層464と468の
スタック466から形成できる。スタック466は加熱されて
本質的にモノリシックなブロックを形成する。このブロ
ックは一連のダイスを通して引抜き成型されるが、周知
の方法で引伸ばされて、その寸法をコア450として使用
に適する値まで減少させる。引抜きの前に、円断面を有
したコアをつくるために、ブロックを円筒状に形成する
ためにグラインドしてもよい。コア450の両屈折率より
も小さい屈折率を有したツラッドは、コアにバルク二酸
化シリコンSiO2を溶融したり、SiO2のチューブをコアに
押しつぶしたり、あるいは混合ガスからSiO2の反応性堆
積を用いたりする標準的な技術によって付加できる。
大きな屈折率のスタック466の素子としてGeO2を用い
ることができ、小さな屈折率のスタック466の素子とし
てSiO2を用いることができる。低い損失及び物理的な適
合性の故に、シリカとゲルマニウムの両者を用いる。
適切な各部の厚みをもって互いに非等質的に結合する
ことによって、溶融シリカでクラッドを形成しても充分
な両nzとnyを有したコア450が形成される。
純粋なバルクSiO2からSiO2板をつくるには、既存の良
好な光学的製造技術を用いることができるが、GeO2素子
を機械的製造技術で形成するには薄すすぎる。GeO2層は
SiO2基板にGeO2フィルムをスパッタするが、SiO2をGe層
でコーティングしてこれをチューブ炉内でGeO2に酸化す
ることによって形成できる。
偏光維持ファイバ404（第22図）として使用するに適
した他の高複屈折ファイバは以下の米国特許に開示され
ている。
1985年10月29日付のバガバチューラ等の特許第4,549,
781号、“偏光維持単一モードウェーブガイド”、 1985年７月16日付のプライベル等の特許第4,529,426
号、“高複屈折率ファイバの製造方法”、 1984年８月14日付のフェーバ等の特許第4,465,336
号、“ウェーブガイドとその製造方法”、および 1985年12月31日付のバークレーの特許第4,561,871
号、“偏光維持光ファイバの製造方法”。
もし圧電トランスジューサを駆動する参照信号が正弦
波であって、スクイーザ周波数と呼ばれる変調周波数が
ωｐであると、遅い信号と早い信号との遅延時間τは以
下のように表わされる τ＝τ0＋Δτcos ωｐｔ …（８） もしωτ＝２πｍであると、ここでｍは整数、遅延時
間は最大あるいは最小である。遅延時間の偏位は出力強
度を変える。第22図を参照するに、ファイバ80、素子7
8、406および29、および位相変調器418を通過した信号
はアナライザ408に入力する。アナライザ408に入力する
光信号はＩ＝（１＋cos ω）として表わせ、ここでωは
光周波数であり、τはファイバ80の長さ全体での早い偏
光と遅い偏光との間の遅延時間である。位相変調器418
は早い信号と遅い信号の相対位相を変調する。ドライバ
発振器420は位相変調器418を駆動する周波数ωｐを有し
た交流源である。
光変調器418が作動する時の検出器からの電気出力電
流は以下のように表わせる。
ｉ〜（１＋cos〔ωτ＋dpcos ωｔ〕） …（９） アナライザ408からの出力信号はダイオード410と増幅
器412を介してバンドパスフィルタ414に送られる。フィ
ルタ414はスクィーザ周波数ωｐの信号を周期検出器416
あるいはロックイン増幅器（図示せず）に送り、ここで
スクィーザドライバ420からの参照信号を受ける。
復調後の信号は S1sin ωτJ1（φｐ） …（10） ここでJ1は第１種の一次ベッセル関数である。この信
号は光源周波数をサーボ制御してS1を零に強制的にする
のに使われる。
第25Aと25B図は光源72の波長を安定化する互いに異な
ったシステム500を示す。第25A図において、光源72から
の光はファイバ80に送られ、カプラ78を介してポラライ
ザ502に送られる。ポラライザ502はどのようなタイプの
ポラライザデバイスでもよいが、好ましくは第12図の可
逆ポラライザ86と類似したものである。ポラライザ502
の軸は受光の偏光の方向に対して45度の角度に合わされ
ている。光は早い信号と遅い信号とのエネルギを50/50
に分波する第１の複屈折水晶504に送られる。光は早い
信号と遅い信号とのエネルギを同様に50/50に分波する
第２の複屈折水晶506に送られる。水晶506の出力信号は
だ円偏光信号である。水晶506からの信号は偏光波長ス
プリッタ508に送られ、その出力強度はI0（１＋cos
φ）とJ0（１−cos φ）となる。ここでαは水晶504と5
06によってつくられた複屈折位相シフトである。正確な
光源の周波数では偏光信号スプリッタ508から送られる
光信号の強度は等しい。すなわち、 I0（１＋cos φ）＝I0（１−cos φ） …（11） 偏光信号スプリッタ508からの２個の信号の振幅ある
いは強度は、２個の信号の強度差を示す信号で光源72の
駆動電流をサーボ制御することによって等しくされる。
強度I0（１＋cos φ）を有した信号は検出器510に入力
し、他方の信号は検出器512に入力する。検出器510と51
2は、各々、入力された信号の強度を示す信号i1とi2と
をつくる。これら信号i1とi2は作働増幅器514に送られ
て信号差の測定に用いる信号をつくる。増幅された差信
号は制御信号として電流源516に送られ、この電流源は
光源72に制御された注入電流を供給して出力波長を所望
の値に調整する。光源72より送られる光の周波数は、SL
D光源が電流源516から受ける注入電流に比例している。
第25B図はもうひとつの光源制御システム518を示す。
光源72からファイバ80に送られた光はさらにカプラ78を
介してマッハーツェンダー干渉計520に送られる。マッ
ハーツェンダー干渉計520は、カプラ524、ファイバ80、
光ファイバ526およびカプラ528とより成る。例えばマイ
ケルソン干渉計（図示せず）等の２信号干渉計のいかな
るタイプのものでもマッハーツェンダー干渉計520の代
わりに使用してもよい。
ファイバ80と526のカプラ524と528間の領域は光路差
ｃτを有し、ここでＣは光速でありτはファイバ80と52
6内でのカプラ524と528間の光の伝搬時間差である。干
渉計520が安定な参照値を与えるためには、光路差は温
度変化に対して不感であることが必要である。
カプラ528の出力端子は各々検出器530と532に接続さ
れている。検出器がつくる電気信号i1とi2は各々が検知
した光信号の強度を測定するためのものである。信号i1
とi2は差働増幅器534に送られ、増幅された差信号はロ
ーパスフィルタ536に送られる。フィルタ536の出力はV
LPとあらわされている。信号VLPは電圧−電流発生器538
に送られ、iF＝αVLPをつくる。電流iFはSLD光源72に印
加される注入電流を制御するサーボ電流である。
直交偏光された早い信号と遅い信号が重畳しているの
で、ファイバ80は入力された直線偏光信号をだ円偏光信
号に変換する。以下の例では検出器530と532の電流出力
は、 i1＝｛K1∫I0（ω）［１−cos ωτ］ｄω｝／（∫I0
（ω）ｄω） …（12） i2＝｛K2∫I0（ω）［１＋cos ωτ］ｄω｝／（I
0（ω）ｄω） …（13） である。
平衡した検出器構成では定数K1とK2はアンペアで表わ
され等しい。差働増幅器の出力は以下の如し。
VG＝Ｇ（i1−i2） ＝Ｇ（K2−K1）＋｛Ｇ（K2＋K1）∫I0（ω）cosωτ
ｄω｝／｛∫I0（ω）ｄω｝ …（14） K1＝K2であって光源のスペクトル幅が零に近ずく平衡
構成の理想的な場合には、 ωｃτ＝（Ｎ＋1/2）ｔ、Ｎ＝０、１、２、 …（15） の時に差働増幅器の出力VGは零となる。
等式（６）を用いると、干渉計の出力位相シフトは ωτ＝ω0τ＋ωτ−ｓτ であり、ここでωτは零出力動作点ωｃτに関する干渉
計の位相シフトであって、ｓτはフィードバック（サー
ボ）位相シフトとである。εを新しい周波数変数とする
と、等式（４）は以下のようになる。
VG＝Ｇ（K2−K1）＋Ｇ（K2＋K1） ＝｛∫I0（ε）cos〔ω＋1/2）π＋ετ−ｓτ〕ｄ
ε｝／ ｛∫I0（ε）ｄε｝ …（17） ＝Ｇ（K2−K1）＋Ｇ（K2＋K1）（−１）Ｎ〔Ａ
（τ）sin sτ −Ｂ（τ）cos sτ〕 …（18） ここでＡ（τ）＝｛∫I0（ε）cosε τ dε｝／｛∫I
0（ε）ｄε｝ …（19） Ｂ（τ）＝｛∫I0（ε）sinε τd ε｝／｛I
0（ε）ｄε｝ …（20） VG＝Ｇ（K2−K1）＋Ｇ（K2＋K1）（−１）Ｎ〔Ａ
2（τ）＋B2（τ）〕2/1 ×sin〔ｓτ−tan-1〔Ｂ（τ）/A（τ）〕…（21） である。
〔A2（τ）＋B2（τ）〕2/1という表現は干渉計の２
本の脚の光路差の視程関数であり、tan-1〔Ｂ（τ）/A
（τ）〕は等式（６）に与えられた始点に関する入力位
相シフトであり、ｓ τはフィードバック位相シフトで
ある。変数Ｖτ、θｉおよびθｆは以下のように定義さ
れる。
Ｖτ＝〔A2（τ）＋B2（τ）〕1/2 …（22） θｉ＝tan-1〔Ｂ（τ）/A（τ）〕 …（23） ＝tan-1｛〔∫I0（ε）sinε τd ε｝／ 〔∫I0（ε）cosε ε dε〕｝ …（24） θｆ＝s τ …（25） 等式（22）、（23）、（24）および（25）の表現はす
べて時間に対する関数である。これらの等式（21）に代
入すると以下の式が得られる。
VG（ｔ）＝Ｇ（K2−K1）＋Ｇ（K2＋K1）（−１）ＮＶ
τ（ｔ）× sin（θｆ（ｔ）−θｉ（ｔ）〕…（2
6） 第25B図のローパスフィルタ536の入力はVG（ｔ）であ
り、キャパシタＣの出力はVLP（ｔ）である。両電圧を
結合するノード等式は （1/R）〔VG（ｔ）−VLP（ｔ）〕＝Cd/dt〔V
LP（ｔ）〕 …（27） となる。電圧VLPは電圧−電流コンパレータ538の入力で
あり、このコンバータは以下の出力電流をつくる。
if＝−αVLP …（28） フィードバック電流に関して差働増幅器534の電圧出力
は、 VG（ｔ）＝−〔RC/α〕d/dt〔if（ｔ）〕−〔1/2〕if
（ｔ） …（29） となる。
フィードバック電流は、光源周波数のサーボ変化によ
って光源位相からのフィードバック位相シフトをつく
る。等式（24）と（25）からこの位相シフトは θｆ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＝βｉｆ（ｔ） …（30） となり差働増幅器の出力は VG（ｔ）＝〔RC/（αβ）〕d/dt〔θｆ（τ）〕−（1
/αβ）θｆ（ｔ） …（31） となる。
入力とフィードバック位相シフトに関する完結したサ
ーボ等式は等式（24）と（30）とから d/dtθｆ（ｔ）＋（1/RC）θｆ（ｔ）＝ （1/RC）（２βＧ）〔（K2−K1）＋Ｇ（K2＋K1）
（−１）ＮV τ（ｔ）sin（θｆ（ｔ）−θｉ（ｔ）〕
…（32） 等式（32）は非直線微分方程式である。より扱いやす
くするためにある近似を行う。視程関数Ｖτは、通常、
光源のスペクトル領域の変化に対して受ける影響は非常
に弱く一定とみなせる。サーボトラッキングが良好であ
ると、フィードバック位相シフトと入力位相シフトの差
θｆ−θｉは充分に小さく sin（θｆ（ｔ）−θｉ（ｔ））＝（θｆ（ｔ）−θｉ
（ｔ））である。
（−１）Ｎ項はサーボフィードバックに関する縞次数
の極性を示す。αあるいはＧの適切な極性を選ぶことに
よって、この項による不確実性を除去できる。等式（3
2）の直線化した形は以下のようになる。
d/dtθｆ（ｔ）＋〔（１＋ｘ）/T〕θｆ（ｔ）＝ 〔x/T〕〔θｆ（ｔ）−〔1/Vt〕〔K2−K1）／（K
2＋K1）〕 …（33） ここで θｉ（ｔ）＝tan＋｛〔∫I0（ε）sinε τ d ε｝
× 〔I0（ε）cosε τ d ε〕-1｝ …（34） θｆ（ｔ）＝ｓ（ｔ）τ …（35） Ｔ＝RC …（36） Ｘ＝αβＧ（K2＋K1）V τ …（37） 等式（33）の駆動項は一定値θｉ（ｔ）に対して得ら
れる。
等式（33）の定常解は一定値θｉ（ｔ）に対して得ら
れる。
θｆ＝〔X/（１＋ｘ）〕〔θｉ（ｔ）−｛（K2−K1）
／〔（K2＋K1）Ｖτ｝〕 …（38） 全体の利得が大きくなると、フィードバック位相シフ
トと、オフセットを引いた入力位相シフトは互いに近ず
き両者の差は非常に小さくなりサーボトラッキングが緻
密になる。
等式（33）のもうひとつの解は正弦波入力に対して得
られ θｆ（ｔ）＝φ0sinΩｔ …（39） となる。位相θｆは φｆ（ｔ）＝〔（Ωｔ）2＋（１＋λ）2〕1/2 × sin｛Ωｔ−tan-1〔Ωt/（１＋ｘ）〕− Ｘ（K2−K1）／〔Ｖτ（１＋ｘ）（K2＋
K1）〕 …（40） となる。高周波ではΩｔは全体の利得よりもずっと大き
く、ACフィードバック訂正は零に近づく。低周波ではＸ
はΩｔよりもずっと大きく、そして等式（38）に類似し
たφｆ（ｔ）の表現が得られる。
φｆ（ｔ）〔X/（１＋ｘ）〕｛φｃsinΩ（ｔ−T/
X）−（K2−K1）／ 〔Ｖτ（K2＋K1）〕｝ …（41） 全体の利得Ｘが１よりもっと大きくなるとθｉ（ｔ）
−φｉ（ｔ）は零に近づくことに留意されたい。
第26図と第27図において、光源72（第22図）を安定化
する温度補償された参照干渉計540は基台544上に以下の
素子を配設している。レンズ542は、光源72から光を受
ける光ファイバ80からの光を受ける。レンズ542は信号
を偏光ビームスプリッタ546上に焦点を合わせる。この
ビームスプリッタは好ましくはバルク光学デバイスであ
って光入力を光軸に対して45度偏光される。光軸は、フ
ァイバ80から受ける光信号と同一線上の軸として簡便に
定義する。
偏光ビームスプリッタ546を通過した光は第１の水晶5
48に送られる。水晶548を通過した信号は水晶548の近く
に配設された第２の水晶550に送られる。他の材料も使
うことができるが、水晶548は好ましくはニオブ酸リチ
ウムで形成され水晶550はタンタルリチウムで形成され
る。これら両水晶548と550は複屈折の電子光学的活性な
材料である。
他の水晶材料の対を使用することができるが、参照干
渉計540において電子光学的水晶は位相感応検出にとっ
て好ましい。電子光学的水晶548を通過した光信号の位
相を変調するために、交流電圧がリード552と554を介し
て発振器551から送られる。
水晶550を通過した光は第２の偏光ビームスプリッタ5
58に送られえる。偏光ビームスプリッタ558は入力光を
光軸に対して45度の線に沿って偏光する。偏光ビームス
プリッタ558を通過した光はレンズ560そして次に検出器
562に送られる。
一対のアブソーバ567と568は各々ポラライザ546と558
によって拒否された信号を受け、拒否された光が検出器
562に送られる信号に影響を及ぼすことを防いでいる。
基台544およびこれに配置されたすべての素子は好ま
しくは密閉容器570内に密閉される。
ニオブ酸リチウム水晶548とタンタルリチウム水晶550
の光軸に対して45度偏光された光信号に対して、２個の
直交偏光成分の位相差は Ｙ＝２πS/λ …（42） であり、ここにλは光源信号の波長である。水晶を伝播
する２個の異なった偏光信号の光路差Ｓは Ｓ＝L1B1＝L2B2 …（43） であり、ここにL1、L2とB1、B2は各々水晶の長さと複屈
折を表わす。
第27図を参照するに、e1に対して平行に偏光され複屈
折水晶548に入力する準単色光信号に対する電界Eiは Ei（x,t）＝e1E0cos（Kx−ｔ） …（47） となりここでＫ＝２π／λは波数、ωは信号の周波数数
ラジアン／秒、そしてｘとｔは各々変位と時間の座標で
ある。２個の水晶548と550の光軸は互いに平行で入力信
号の偏向に対して45度である。水晶550を出てレンズ560
に向う信号は、互いに位相がシフトした２個の直交偏光
成分である。正常および異常な２個の偏光信号の電界分
布は、各々、 E0＝Ecos（K01L1＋Ke2L2−ωｔ） …（48）と E0＝Ecos（Ke1L1＋K02L2−ωｔ） …（49） である。
L1とL2は各々水晶548と550の長さであり、KoとKeは水
晶中の正常と異常の信号の信号番号である。偏向ビーム
スプリッタ558は透過した信号の偏向がe1に平行となる
ように方向づけられている。透過あるいは反射されるパ
ワーの時間平均は Pt＝〔1/2〕｛P0〔１＋Vcos（Ｙ）〕｝ …（50）と Pr＝〔1/2〕｛P0〔１−Vcos（Ｙ）〕｝ …（51） である。P0は電界振幅E0の二乗である。SLD等の広帯域
の光源ては等式（50）と（51）の余弦関数は縞視程関数
Ｖが乗算される。第30図に示すように、10ナノメータの
スペクトル幅を有したSLDでは、視程関数は零光路差で
の最大値１から約60ミクロンでの零にまで単調減少す
る。干渉計の光路差を波長の整数信とすることによっ
て、干渉計540は最大パワーPt（等式（50）から）を送
りだし反射パワーPrを小さくする。第28図に示すように
中心波長820ナノメータのSLDにとっては、干渉計540の
光路差は8.2ミクロンである。
温度不感の参照干渉計にとっては、位相差の温度導関
数dY/dTは零でなければならない。
等式（42）を温度に関して微分してその結果を零に設
定すると、 L1／L2＝K2B2／K1B1 …（44） が与えられ、ここに Ki＝（1/Bi）dBi/dT＋（1/Li）dLi/dT …（45） は温度に対する複屈折の正規化変化率と各水晶の温度膨
張係数の合計である。ｉ＝１、２である。
干渉計540で良好な縞視程にとっては、２個の異なっ
た偏光信号間の光路差は光源のコヒーレンス長Xcohより
も小さい必要がある。等式（44）と、光路差が光源のコ
ヒーレンス長よりも小さいという要求を用いることによ
って、水晶548と550の絶対長の上限が得られる。水晶54
8の上限長さは、 L1＜Xcoh/〔B1（１−K1／K2）〕 …（46） となる。
第28図はSLDのスペクトルをプロットした一例を示
す。SLDは57ミクロンのコヒーレンス長と820ナノメータ
の中心波長を有する。従って、ニオブ酸リチウム水晶54
8の最大長は635ミクロンである。等式（44）から決まる
長さ比L1／L2＝1.092より、タンタルリチウム水晶550の
最大長は582ミクロンである。従って、干渉計540の２個
の水晶548と550の全最大長は1.217mmである。
第29図はSLDからの光によって干渉計540が送出する信
号をプロットした一例を示す。
第30図は光路差の関数としての干渉パターンの視程を
示すグラフである。
信号処理を容易にする最適信号対雑音比に対しては、
干渉計540の縞視程は１に近くなければならない。光路
差が8.2ミクロンで、零光路差から10番目の縞に固定す
るよう設計されている。２個の直交偏光信号の光路差を
波長の整数倍にすることによって、信号がポラライザ54
6と平行になされた時に第二のポラライザ558の信号が最
大となることを確実にしている。8.2ミクロンの光路差
では、２個の水晶548と550の長さは各々91ミクロンと8.
4ミクロンである。
第31図は長さ比L1／L2の関数としての１度Ｃ当たりの
部分位相シフト〔（dY/dT）/Y〕をプロットした図であ
る。長さ比１％の誤差は水晶548と550の絶対長の誤差
（＋／−）0.5ミクロンに対応し、この誤差において干
渉計540の１度Ｃ当たりの部分位相シフトは3.3ppm/度Ｃ
である。水晶温度を（＋／−）0.5度Ｃに制御すること
によって、干渉計540の位相シフトを3ppm以内に抑える
ことができ、これは波長を10ppm一定に抑える値であ
る。
SLDの波長シフトの位相感応検出用のエラー信号は、
ニオブ酸リチウム水晶548の位相減速を電子光学的に変
調することによって得られる。第26図に示すように、水
晶548はｘ軸でカットされ、電極100はｘ−ｚ軸に接着し
ていいる。電極100と同様の他の電極（図示せず）は他
側のｘ−ｚ面に設けられている。この構成において、水
晶548の所望の位相シフトを達成するのに必要な電圧を
少なくするために、大きなr42電子光学係数を用いられ
ている。n0＝2.2598、r42＝（32×10-12）メータ／ボル
ト、そしてr22＝（6.8×10-12）の許容された値を用い
ると、91ミクロン長のニオブ酸リチウム水晶20のスケー
ルファクタは0.1ラジアン−メータ／ボルトである。
必要な印加電圧を減少させるために、干渉計540内の
光信号は、干渉計長さの約５倍である。1.0ミリメータ
のレイリー範囲を有して18ミクロンの波長半径にゆるや
かに焦点合せをしている。この比較的大きなレイリー範
囲によって、175ミクロン長の干渉計の全長に亘ってほ
ゞプレーナな波動前面を確実にしている。水晶548と550
はｙ−ｚ面で250ミクロンの方形断面にカットされ、こ
の大きさはなんらみるべき回折効果もなく焦点合せした
光信号を受け入れるのに充分である。ニオブ酸リチウム
水晶のｘ−ｚ面の電極が250ミクロン離れていると、ス
ケールファクタは0.44ミリラジアン／ボルトである。
干渉計内の２個の異なった偏光信号の位相差は電子光
学水晶548に電界を加えることによって変化できる。振
幅Eyとある角周波数の正弦波電場は位相差を変調し、位
相感応検出用のエラー信号を与える。
等式（50）により偏光ビームスプリッタ558から送ら
れるパワー１コ Pt＝Po〔１＋Vcos（ｙ＋z cos ωｔ）〕 …（52） であり、ここでｙは水晶548に電界が加わらない時の干
渉計540の位相減速であり、ｚは電気的に誘導された位
相減速である。
SLDの放出スペクトルの波長シフトは、変調周波数の
基本周波数の信号として検出される。
光源安定化システム540が起動されると、水晶548と55
0によって起きる位相シフトＦは、SLDの放出波長のドリ
フトによって起こる位相シフト誤差ｙと対向する。従っ
て送られたパワーPtは Pt＝P0〔１＋Vcos（ｙ−Ｆ＋z cos ωｔ）〕…（53） となる。等式（11）を展開するとベッセル関数級数とな
る。
Pt＝P0＋P0〔J0（Ｚ）cos（ｙ−Ｆ）＋J1（Ｚ）sin
（ωｔ）sin（ｙ−Ｆ） ＋J2（Ｚ）cos（２ωｔ）cos（ｙ−Ｆ）＋・・・
・〕 …（54） サーボシステムはωのスペクトル近辺のすべての情報
を処理して他の項を無視する。等式（54）からサーボシ
ステムに入力される実効入力信号は Pt（eff）＝P0J1（ｚ）sin（ωｔ）sin（ｙ−Ｆ） …
（55） である。
実効入力信号（等式（55））は水晶548内で周波数ω
の局発信号と混合される。周波数ωの信号反応発振器55
1からミキサ564に送られ、光検出器562からの電気信号
と混合される。増幅器566は交流周波数成分を濾波して
ミキサ564からの信号を増幅する。増幅器566からのフィ
ールドバック信号はSLDの放出波長を安定化する。フィ
ールドバック信号は EB＝P0A sin（ｙ−Ｆ） …（56） で与えられ、ここにＡはフィールドバック増幅器566の
利得を表わす。信号FBは光源72に送られ放出光信号の周
波数を制御する。固体光源においては信号FBは注入電流
を制御する。本発明の種々の実施例による周波数安定化
装置はガス放電レーザ（図示せず）と用いられて放電が
起こる共振キャビティの長さを制御する。
フィールドバック信号の目的は位相シフトｙを打消す
位相シフトＦをつくることである。フィールドバック位
相シフトが光源の波長変化によって起こる位相シフトｙ
をトラッキングする能力は、増幅器566のフィールドバ
ックループ利得によって決まる。上述したサーボシステ
ムのループ利得は、好ましくは、ｙ−Ｆがつねに0.1ラ
ジアンよりも小さくなるように充分大きい（＞100）。
等式（54）のsin（Ｙ−Ｆ）項は無視できる誤差で（ｙ
−Ｆ）に近似できる。従ってサーボシステムは直線範囲
で動作し、波長安定化を与えるパラメータは以下のごと
し。
P0＝マイクロワット、 Ｇ＝ループ利得（ラジアン単位）＝200以上、 BW＝ループ帯域＝100Hz、 Ｙ＝ループ帯域＝100Hz、 Ｚ＝ピーク位相変調振幅＝0.1ラジアン、 ｄ＝サーボシステムダンピング係数＞0.5 波長安定化システム10は光源の波長安定化を10ppmよ
り良好に維持する。
光信号源の温度変化は出力波長を変化させる。この温
度を制御することによって光源の出力波長を制御でき
る。基台544は好ましくはペルティエ効果を呈する材料
で形成され、光源はこの基台と熱的に接触した状態で設
置される。水晶548と550によって起こる位相変化は温度
変化によって起こる位相変化と対向する。フィードバッ
ク信号は光源の電熱ヒータを制御し、ヒータは光源の波
長を制御する。
誘電体スタック125（第９図）を堆積する前に、好ま
しくは基板とファイバは第２図に示すようにマスクされ
る。マスク124は、誘電体スタックの層が可逆ポラライ
ザ86の位置する基板部分に堆積されるのを防ぐ。誘電体
スタックはマスク124の領域以外はファイバ74上のどの
領域にも堆積される。
フォーム複屈折スタック109（第９図）の堆積後に、
マスク124を取り除き、次にシリカ基板（第９図には参
照番号なし、第12図参照）を取り除く。次に、金属層、
一層あるいは多層の誘電体層（バッファ）、そして金属
層あるいは第２の誘電体スタックを基板上に堆積して
（第10図）ポラライザ86を形成する。マスク124が堆積
していた裸の研磨されたファイバ上の堆積領域のみがフ
ァイバの光信号の偏光を変える。最初の誘電体スタック
125（第９図）が約15ミクロンより大きい厚さを有して
いる時だけ可逆ポラライザ86は適切に機能する。もし誘
電体スタック125が充分に厚くないと、これをマスクし
て後続の堆積が研磨されたファイバの裸の領域に制限さ
れるようにし、基板上の他の素子との干渉を避けなけれ
ばならない。第10図は誘電体スタック125とポラライザ8
6の堆積後の基板を示す。最後に、堆積した誘電体ある
いは金属のスタックを窒化シリコン等の物質で覆って汚
染を防ぐ。
基板76に接着されるファイバ74（第11、12図）は均一
な直径の必要はない。上述したプロセスは双円錐のテー
パを有したファイバを使用できる。そのようなテーパ
は、微弱場をさらにポラライザスタック内に位置させる
ことによってポラライザ86の特性を最適化するのに使用
できる。例えば、不均一な直径が用いられると、コアと
クラッドの境界の上面の端部を第11図に示すのと同じレ
ベルあるいは他のレベルに配置するために余計な加工が
必要となる。そのような加工は鉄のミリングあるいはシ
リコンウエハーの異方性エッチングで行なえる。
III.発明の利点 本発明は従来技術に対して以下の利点を有している。
誘電体スタックによって生じるフォーム複屈折は、L1Nb
03の複屈折よりも大きい、非常に大きい値（Δｎ≧0.
1）にできる。大きな複屈折は短い脱偏光長となり、そ
して偏光の度合が小さい。小さい偏光度合によって、偏
光に必要とする長さが短くなるという相互的な効力があ
り、ジャイロの特性が改善される。
上述した装置と技術を用いることによって、ファイバ
は単一偏光信号を導くよう形成できる。単一偏光ファイ
バを使用すると非可逆光の量がさらに減少して、ジャイ
ロで用いられる可逆光との干渉が減る。
パイアスが減少し、特性がさらに改善され、ポラライ
ザの減衰比の要求が減少する。
研磨および堆積技術によって、基板76上のファイバ74
の被屈折軸が可逆ポラライザ86の伝播軸に自己整合的に
配置される。従来の研磨技術を用いることによって１個
あるいはそれ以下のアークセク（arc−sec）の自己整合
が実現でき、ジャイロスコープの可逆光と干渉できる非
可逆光の量が減少する。パイアス誤差とポラライザ減衰
比との要求もこの自己整合によって減少する。
誘電体スタックを用いて、制御された人工複屈折をつ
くる能力によって、ファイバの空間モードとポラライザ
スタックの空間モード間のマッチングが可能となり、フ
ァイバをコア内部まで研磨するかあるいはコア近くのみ
研磨するかに関係する減衰率が増加する。さらにポララ
イザスタックとファイバの屈折率の温度マッチングによ
って熱的に安定なポラライザを製造できる。
検知ループに使用するファイバは市販の単一モードフ
ァイバでよいのでコストが下がる。
アクティヴコントローラ、連続的ポラライザおよび個
別的デポラライザ、および偏光維持ファイバ等の従来の
偏光安定化デバイスをループ内あるいはモジュール70の
前に用いることができる。これらデバイスの目的は信号
強度の維持にある。本発明によって形成した光ファイバ
回転センサのバイアスをこれらデバイスはさらに減少さ
せることはない。簡単なアクティヴサーボ、低品質のデ
ポラライザ、あるいは品質の劣るPMファイバ（10dB以下
の減衰率）を使用することもでき、システムが簡素にな
る。ライフサイクルのコストが減少する。
このプロセスは集積光回路および電子回路の多くの技
術を用いているので、モジュールをバッチプロセスでつ
くることができコストと製造時間が減少する。
IV.動作方法 ジャイロスコープシステムとその種々な素子について
説明したので、光ファイバジャイロスコープの動作方法
を詳細に説明する（第12図参照）。
位相変調器を時間間隔ｔで通過する時計方向光信号
は、tmsin（ωｍｔ）の位相シフトを受ける。ここでfm
とωｍの位相変調器88によって送られる信号の、各々、
振幅と周波数である。周波数シフタ92は時計方向信号の
周波数をf0からf0＋Δｆにシフトし、時計方向信号の偏
光を早い信号から遅い信号に変える。時計方向信号は次
に双方向性カプラ87、ポラライザ86および双方向性カプ
ラ78を通過して光検出器96に送られる。光検出器に入力
する時計方向信号の全位相変化は fcw＝1/2fs＋fmsinωｍｔ＋２πf0T …（57） で与えられ、ここでf0は光源の周波数、Ｔはループの伝
播時間、そしてfsはサグナック位相シフトである。
周波数シフタを通過した後、反時計方向信号の周波数
はf0＋Δｆとなる。周波数シフタは反時計方向信号の偏
光をも早い信号から遅い信号に変える。反時計信号は位
相変調器を時間ｔ＋Ｔで伝播する。ここでＴは上記で定
義した値である。反時計方向信号は位相変調器でfm sin
〔ω（ｔ＋Ｔ）〕の位相シフトを受ける。反時計方向信
号は双方向性カプラ87、直線ポラライザ86および双方向
ポラライザ78を介して光検出器96に伝播する。反時計方
向信号の全位相変化は、 fccw＝-1/2fs＋fmsinωｍ（ｔ＋Ｔ）＋２π（f0＋Δ
ｔ） …（57A） で与えられ、ここでの変数は上記で定義した値である。
好ましくはホトダイオードであり時計方向と反時計方向
の両信号が入力する検出器からの光電流信号Ｓは Ｓ＝（1/2）S0〔１＋cos（fcw−fccw）〕 …（58） で与えられ、ここでＳは振幅定数である。
ωｍ＝π/Tをとりあげると等式（58）の信号は Ｓ＝（1/2）S0〔１＋cos（fs＋２πΔfT）＋2fm sin
ωｍｔ）〕 …（59） となる。
システムパラメータに関してサグナック位相シフトは ２πLDΩ／（λＣ）＝−２πΔfnL/C …（60） となるのでΩ＝−λｎΔf/Dである。ここでλは音源の
光の自由空間での波長、ｎは導波モードでの実効屈折
率、Ｄは検知ループの直径、Ωは検知ループの入力回転
比、そしてＣは光の自由空間速度である。
必須の動作上の特徴は、時計方向と反時計方向の信号
が同一偏光路を含む個別の光路を通り、かつ、時計方向
と反時計方向の信号が方向性カプラで再結晶する時にそ
れらの位相差を零にするように周波数シフトΔｆを調節
していることである。このため回転速度は、所望の位相
差零を得るのに必要な周波数シフト量によって決定でき
る。回転速度を見出するのに必要なものは、光源の波
長、ファイバの導波モードでの実効屈折率、そして検知
ループの直径がすべてである。
本発明を特定の実施例を参照して説明したが、これら
実施例は好ましい実施例の例示であり、以下の請求の範
囲で定義する本発明の可能な実施例の範囲から逸脱する
ことなく改変が可能であることを理解されたい。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−154709（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−47619（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−230024（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−82317（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｖｏｌｕ ｍｅ23，ｎｕｍｂｅｒ３，Ｍａｒｃｈ 1986，Ｐ．54〜Ｐ．60

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、 中央コアと周辺クラッドを有した第１の光ファイバであ
    って、第１の光ファイバの第１の長さ部分は前記クラッ
    ドを取り除いて第１のプレーナなクラッド表面を形成す
    る領域を有し、前記第１の光ファイバの第１の長さ部分
    は前記基板に配設され、 中央コアと周辺クラッドを有した第２の光ファイバであ
    って、第２の光ファイバの第２の長さ部分は前記クラッ
    ドを取り除いて第２のプレーナなクラッド表面を形成す
    る領域を有し、前記第２の光ファイバの第２の長手部分
    は前記基板に配設され、 前記第１と第２の光ファイバ間に形成された第１の光フ
    ァイバカプラと、 前記第１のファイバに光信号を導く手段と、 前記第１の光ファイバのプレーナなクラッド表面に形成
    された第１の導波可逆ポラライザであって、このポララ
    イザは、前記第１の光ファイバの複屈折軸に一致した伝
    播軸を有し、前記第１の光ファイバと相互に作用して第
    １の光ファイバによって導かれる光信号から第１の所定
    の直線偏光成分を除去するとともに第２の所定の直線偏
    光成分を第１の光ファイバ内を減衰させずに伝播させる
    ことができ、 中央コアと周辺クラッドを有した第３の光ファイバであ
    って、第３の光ファイバの第３の長さ部分は前記クラッ
    ドを取除いて第３のプレーナなクラッド表面を形成する
    領域を有し、前記第３の光ファイバの第３の長さ部分は
    前記基板に配設され、 前記第１と第３の光ファイバ間に形成された第２の光フ
    ァイバカプラと、そして 前記第１と第３の光ファイバ間の両方向に光信号を導く
    ように配設された光ファイバの角速度検知コイルであっ
    て、前記第１と第３の光ファイバおよび前記第２の光フ
    ァイバカプラとは協働して対向する光信号を前記検知コ
    イルに導く、光ファイバ回転センサ。
  2. 【請求項２】光信号を導く手段の光信号の周波数を安定
    化する手段をさらに有し、該手段は、光信号を受け、光
    信号の周波数と所定周波数の変位測定用のエラー信号を
    つくり、そしてこのエラー信号を光信号を導く手段に送
    るように接続されている、請求の範囲第１項の光ファイ
    バ回転センサ。
  3. 【請求項３】前記基板と第１のクラッド表面とに取付け
    られた第２の導波複屈折ポラライザであって、前記第１
    の光ファイバカプラは前記第２の導波複屈折ポラライザ
    と第１の導波可逆ポラライザとの間に位置し、そして 前記第２のクラッド表面に取付けられた第３の導波複屈
    折ポラライザであって、前記第２の光ファイバカプラは
    前記第３の導波複屈折ポラライザと第１の導波可逆ポラ
    ライザとの間に位置し、前記第２と第３の導波複屈折ポ
    ラライザをさらに有する請求の範囲第２項の光ファイバ
    回転センサ。
  4. 【請求項４】前記導波ポラライザの少なくともひとつは
    フォーム複屈折ポラライザである請求の範囲第３項の光
    ファイバ回転センサ。
  5. 【請求項５】前記導波ポラライザの少なくともひとつは
    プラズモン複屈折ポラライザである請求の範囲第３項の
    光ファイバ回転センサ。
  6. 【請求項６】前記導波ポラライザの少なくともひとつは
    バルク異方性水晶複屈折ポラライザである請求の範囲第
    ３項の光ファイバ回転センサ。
  7. 【請求項７】前記第１の光ファイバは偏光維持ファイバ
    である請求の範囲第３項の光ファイバ回転センサ。
  8. 【請求項８】前記導波可逆ポラライザは前記第１のプレ
    ーナなクラッド表面に堆積した少なくともひとつの材料
    層より成り、その偏光伝播軸は第１の光ファイバの複屈
    折軸に自己整合的に位置合せされている請求の範囲第１
    項の光ファイバ回転センサ。
  9. 【請求項９】前記可逆ポラライザは異なった屈折率の複
    数の層より成る請求の範囲第８項の光ファイバ回転セン
    サ。
  10. 【請求項１０】前記各ポラライザは、 前記第１の光ファイバの位置に形成されたコア表面であ
    って、前記クラッドの少なくとも一部がコア表面とコア
    の領域に向けて第１の光ファイバから取除かれ、そして 前記光ファイバの微弱場をさえぎるために前記コア表面
    に置かれたフォーム複屈折ポラライザとより成る請求の
    範囲第９項の光ファイバ回転センサ。
  11. 【請求項１１】前記ポラライザは、 前記第１の光ファイバの位置に形成されたコア表面であ
    って、前記クラッドの少なくとも一部がコア表面とコア
    の領域に向けて第１の光ファイバから取除かれ、そして 前記光ファイバの微弱場をさえぎるために前記コア表面
    に置かれた金属フィルムとより成る請求の範囲第８項の
    光ファイバ回転センサ。
  12. 【請求項１２】前記ポラライザは、さらに、前記金属層
    とコア表面との間に誘電体層を有する請求の範囲第11項
    の光ファイバ回転センサ。
  13. 【請求項１３】前記ポラライザは、 前記第１の光ファイバの位置に形成されたコア表面であ
    って、前記クラッドの少なくとも一部がコア表面とコア
    の領域に向けて第１の光ファイバから取除かれ、そして 前記光ファイバの微弱場をさえぎるために前記コア表面
    に置かれたバルク異方性水晶とより成る請求の範囲第８
    項の光ファイバ回転センサ。
  14. 【請求項１４】基板を形成し、 第２と第３の光ファイバを第１の光ファイバに結合する
    ２個の光ファイバカプラを形成し、 前記光ファイバの所定の領域においてファイバの微弱場
    内に対してクラッドの一部を除去し、 前記所定の領域に残っている表面を研磨し、 前記ファイバとカプラを基板に固着させ、そして 前記所定の領域の前記ファイバ上に光ファイバジャイロ
    素子を形成するステップより成る光ファイバ回転センサ
    の形成方法。
  15. 【請求項１５】前記所定の領域は、前記第１の光ファイ
    バの両端、前記第１の光ファイバのカプラ間、前記第２
    の光ファイバの両端、および前記第２の光ファイバの第
    １の端部に位置している請求の範囲第14項の方法。
  16. 【請求項１６】前記第１の光ファイバの前記所定の領域
    に導波複屈折ポラライザを形成し、前記第２の光ファイ
    バの第１の端部と前記第３の光ファイバの第１の端部の
    前記所定の領域内にエネルギを除去するシンクを形成
    し、そして前記第３の光ファイバの第２の端部の前記所
    定の領域に変調器を形成するステップをさらに有する請
    求の範囲第15項の方法。
  17. 【請求項１７】前記第１の光ファイバの第１の端部と第
    １の光ファイバのカプラ間との前記所定の領域に導波複
    屈折ポラライザを形成し、前記第２の光ファイバの第１
    の端部と前記第３の光ファイバの第１の端部の前記所定
    の領域内にエネルギを除去するシンクを形成し、前記第
    ３の光ファイバの第２の端部の前記所定の領域に導波複
    屈折ポラライザを形成し、そして前記第１の光ファイバ
    の第２の端部の前記所定の領域に変調器を形成するステ
    ップをさらに有する請求の範囲第15項の方法。
  18. 【請求項１８】前記光ファイバ、素子および基板を密封
    する保護カバーを形成するステップをさらに有する請求
    の範囲第14項の方法。
  19. 【請求項１９】前記光ファイバ、素子および基板を密封
    する保護カバーを形成するステップをさらに有する請求
    の範囲第15項の方法。
  20. 【請求項２０】前記光ファイバ、素子および基板を密封
    する保護カバーを形成するステップをさらに有する請求
    の範囲第16項の方法。
  21. 【請求項２１】前記光ファイバ、素子および基板を密封
    する保護カバーを形成するステップをさらに有する請求
    の範囲第17項の方法。
  22. 【請求項２２】前記カプラ間のポラライザは（１）フォ
    ーム複屈折可逆ポラライザ、（２）プラズモンポラライ
    ザ、あるいは（３）バルク異方性水晶ポラライザより成
    る群から選ばれ、他の２個のポラライザは（１）フォー
    ム複屈折可逆ポラライザ、（２）プラズモンポラライ
    ザ、あるいは（３）バルク異方性水晶ポラライザより成
    る群から選ばれ、前記シンクは（１）フォーム複屈折ポ
    ラライザあるいは（２）プラズモンポラライザより成る
    群より選ばれる請求の範囲第19項の方法。
  23. 【請求項２３】前記カプラ間のポラライザは（１）フォ
    ーム複屈折可逆ポラライザ、（２）プラズモンポラライ
    ザ、あるいは（３）バルク異方性水晶ポラライザより成
    る群から選ばれ、他の２個のポラライザは（１）フォー
    ム複屈折ポラライザ、（２）プラズモンポラライザ、あ
    るいは（３）バルク異方性水晶ポラライザより成る群か
    ら選ばれ、前記シンクは（１）フォーム複屈折ポラライ
    ザあるいは（２）プラズモンポラライザより成る群より
    選ばれる請求の範囲第20項の方法。
  24. 【請求項２４】前記カプラ間のポラライザは（１）フォ
    ーム複屈折可逆ポラライザ、（２）プラズモンポラライ
    ザ、あるいは（３）バルク異方性水晶ポラライザより成
    る群から選ばれ、他の２個のポラライザは（１）フォー
    ム複屈折ポラライザ、（２）プラズモンポラライザ、あ
    るいは（３）バルク異方性水晶ポラライザより成る群か
    ら選ばれ、前記シンクは（１）フォーム複屈折ポラライ
    ザあるいは（２）プラズモンポラライザより成る群より
    選ばれる請求の範囲第21項の方法。
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Families Citing this family (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5009480A (en) * 1989-08-11 1991-04-23 Japan Aviation Electronics Industry Limited Fiber optic gyro
GB8923932D0 (en) * 1989-10-24 1990-05-30 British Aerospace Fibre optic gyroscopes
US5026161A (en) * 1989-11-17 1991-06-25 Allied-Signal Inc. Fiber-optic gyroscope with reduced bias drift error caused by optical back reflections
DE69124820T2 (de) * 1990-04-26 1997-07-24 Hitachi Cable Optischer Faserkreisel
US9115993B1 (en) * 1990-08-30 2015-08-25 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Fused PM fiber single-polarization resonator
US5118932A (en) * 1990-11-13 1992-06-02 Hughes Aircraft Company Shaft rotation rate sensor with a diffraction grating producing a velocity-related beat frequency
US5130530A (en) * 1990-12-19 1992-07-14 The United States Of America As Represented By The Administrator, National Aeronautics And Space Administration Real time pre-detection dynamic range compression
US5137360A (en) * 1990-12-21 1992-08-11 Honeywell Inc. Fiber optic gyro with a source at a first wavelength and a fiber optic loop designed for single mode operation at a wavelength longer than the first wavelength
US5260768A (en) * 1991-11-25 1993-11-09 Litton Systems, Inc. Fiber optic gyro with low-birefringence and PM networks
JPH0712576A (ja) * 1992-08-11 1995-01-17 Fujitsu Ltd 光ファイバーリング干渉計
US5686990A (en) * 1992-12-08 1997-11-11 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Optical source isolator with polarization maintaining optical fiber and aspheric collimating and focusing lens
DE4344856A1 (de) * 1993-12-29 1995-07-06 Abb Research Ltd Faseroptischer Transmissionssensor mit Modulator
US5481914A (en) * 1994-03-28 1996-01-09 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Electronics for coriolis force and other sensors
US5475772A (en) * 1994-06-02 1995-12-12 Honeywell Inc. Spatial filter for improving polarization extinction ratio in a proton exchange wave guide device
WO1999027400A2 (en) * 1997-11-24 1999-06-03 Ionas A/S Temperature stabilization of optical waveguides
US6259089B1 (en) * 1998-05-15 2001-07-10 Rice Systems, Inc. Integrated optics rotation sensor
US6330105B1 (en) 1998-05-29 2001-12-11 Litton Systems, Inc. Double-pass fully isolated broadband optical signal source for fiber optic interferometric sensors
US6205265B1 (en) 1998-05-29 2001-03-20 Litton Systems, Inc. Apparatus and method for isolated photobleaching fiber optic rotation sensor coils
US6072922A (en) * 1998-06-19 2000-06-06 Science And Engineering Applications Company, Inc. Cryogenic fiber optic temperature sensor
US6211982B1 (en) * 1998-07-29 2001-04-03 Litton Systems, Inc. Remote sensor with waveguide optics telemetry
US6208798B1 (en) * 2000-03-03 2001-03-27 E-Tek Dynamics Variable optical attenuator with thermo-optic control
US6590707B1 (en) * 2000-03-31 2003-07-08 3M Innovative Properties Company Birefringent reflectors using isotropic materials and form birefringence
US6490390B1 (en) * 2001-01-05 2002-12-03 Phaethon Communications Grating writing systems based on an acousto-optic element
EP1384035A4 (en) * 2001-04-09 2006-07-26 Nextreme Thermal Solutions Inc THERMOELECTRIC HEATING AND COOLING THERMAL FILM DEVICES FOR GENOMIC AND PROTEOMIC DNA CHIPS, THERMO-OPTICAL SWITCHING CIRCUITS, AND IR MARKERS
WO2003021188A1 (fr) * 2001-08-28 2003-03-13 Seiko Epson Corporation Gyroscope optique et procede de construction associe
CA2372637A1 (en) * 2002-02-20 2003-08-20 Institut National D'optique Packaged optical sensors on the side of optical fibres
RU2398185C2 (ru) * 2005-01-11 2010-08-27 Фьючер Файбе Текнолоджиз Пти Лтд Устройство и способ использования встречно-распространяющегося сигнала для локализации событий
US7499176B2 (en) * 2007-02-13 2009-03-03 Future Fibre Technologies Pty Ltd Apparatus and method for using a counter-propagating signal method for locating events
FR2889587B1 (fr) * 2005-08-08 2008-02-22 Univ Grenoble 1 Spectrographie a onde contra-propagative
US8509582B2 (en) * 2005-08-30 2013-08-13 Rambus Delaware Llc Reducing light leakage and improving contrast ratio performance in FTIR display devices
GB0520590D0 (en) * 2005-10-11 2005-11-16 Qinetiq Ltd Fibre-optic package and method of making the same
US7348583B2 (en) * 2005-11-02 2008-03-25 Exalos Ag Wavelength stabilized light source
US7973938B2 (en) * 2008-09-24 2011-07-05 Honeywell International Inc. Bias-reduced fiber optic gyroscope with polarizing fibers
US9069135B2 (en) * 2012-03-21 2015-06-30 Jds Uniphase Corporation Optical depolarizer
WO2014121144A1 (en) * 2013-02-01 2014-08-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Coupled waveguides for slow light sensor applications
KR20140117988A (ko) * 2013-03-27 2014-10-08 한국전자통신연구원 편광 제어 장치 및 편광 제어 방법
US10030961B2 (en) 2015-11-27 2018-07-24 General Electric Company Gap measuring device
US10712180B2 (en) 2016-08-11 2020-07-14 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Segmented poled optical fiber for fiber optic sensor and phased array
US11320267B2 (en) * 2017-03-23 2022-05-03 Kvh Industries, Inc. Integrated optic wavemeter and method for fiber optic gyroscopes scale factor stabilization
KR102246017B1 (ko) * 2017-04-11 2021-04-30 한국전자통신연구원 편광 조절기
CA3073803A1 (en) 2017-09-15 2019-03-21 Kvh Industries, Inc. Method and apparatus for self-alignment connection of optical fiber to waveguide of photonic integrated circuit
JP2022504470A (ja) 2018-10-11 2022-01-13 ケーブイエイチ インダストリーズ インク フォトニック集積回路、光ファイバジャイロスコープ及びその製造方法
US11353655B2 (en) 2019-05-22 2022-06-07 Kvh Industries, Inc. Integrated optical polarizer and method of making same
US10921682B1 (en) 2019-08-16 2021-02-16 Kvh Industries, Inc. Integrated optical phase modulator and method of making same
CN111426337A (zh) * 2020-03-30 2020-07-17 重庆邮电大学 一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感***

Family Cites Families (53)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3102953A (en) * 1958-07-09 1963-09-03 Maxson Electronics Corp Electromagnetic wave gyroscopes or angular velocity measuring systems
US3395270A (en) * 1962-06-28 1968-07-30 Jack B. Speller Relativistic inertial reference device
US3411849A (en) * 1965-05-13 1968-11-19 Honeywell Inc Frequency stabilized laser
US3627422A (en) * 1965-06-21 1971-12-14 Varian Associates Means for avoiding locking in ring lasers
US3512890A (en) * 1965-07-27 1970-05-19 Donald J Mclaughlin Optical gyroscope having means for resolving ambiguities of velocity and direction
US3503005A (en) * 1967-10-17 1970-03-24 Honeywell Inc Ring laser which is biased to permit two equal intensity transition frequencies to be generated in opposite directions
DE1807247B2 (de) * 1968-11-06 1971-09-16 Anordnung zur messung von drehgeschwindigkeiten
US3697887A (en) * 1968-12-23 1972-10-10 Perkin Elmer Corp Laser frequency stabilization system and method
US3625589A (en) * 1969-08-19 1971-12-07 American Optical Corp Apparatus for controlling the propagation characteristics of coherent light within an optical fiber
US3645603A (en) * 1969-09-24 1972-02-29 Luther W Smith Light modulation in optic fiber
US3743969A (en) * 1969-11-12 1973-07-03 North American Rockwell Modulation servo control for frequency modulated ring laser gyro
US3854819A (en) * 1971-03-03 1974-12-17 K Andringa Laser gyroscope
JPS4881554A (ja) * 1972-02-01 1973-10-31
US3807866A (en) * 1972-04-21 1974-04-30 Rockwell International Corp Ring laser gyroscope having a constant output beat-frequency
US4013365A (en) * 1974-08-29 1977-03-22 The University Of Utah Laser gyroscope
US4039260A (en) * 1976-03-22 1977-08-02 Redman Charles M Rotational motion transducer
US4153331A (en) * 1977-05-24 1979-05-08 Westinghouse Electric Corp. Fiber optic interface junction assembly
FR2409518A1 (fr) * 1977-11-22 1979-06-15 Thomson Csf Gyrometre interferometrique a laser
US4299490A (en) * 1978-12-07 1981-11-10 Mcdonnell Douglas Corporation Phase nulling optical gyro
US4372685A (en) * 1979-01-15 1983-02-08 Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. Method and arrangement for the measurement of rotations
US4268116A (en) * 1979-10-26 1981-05-19 Optelecom Incorporated Method and apparatus for radiant energy modulation in optical fibers
FR2471595B1 (ja) * 1979-12-14 1982-12-31 Thomson Csf
US4461574A (en) * 1979-12-18 1984-07-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Environmentally independent fiber optic rotation sensor
US4493528A (en) * 1980-04-11 1985-01-15 Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fiber optic directional coupler
US4372646A (en) * 1980-07-31 1983-02-08 Rockwell International Corporation Birefringent electromagnetic transmission line that preserves the state of polarized radiation propagating therein
US4389090A (en) * 1980-09-04 1983-06-21 The Board Of Trustees Of Leland Stanford Jr. Univ. Fiber optic polarization controller
US4386822A (en) * 1980-10-10 1983-06-07 The Leland Stanford Junior University Polarizer and method
DE3049033A1 (de) * 1980-12-24 1982-07-22 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt "ringinterferometer"
US4410275A (en) * 1981-03-31 1983-10-18 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fiber optic rotation sensor
US4671658A (en) * 1981-09-30 1987-06-09 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fiber optic rotation sensor utilizing a magnetic shield and an optical isolator
IL65344A (en) * 1981-03-31 1987-08-31 Univ Leland Stanford Junior Single continuous optical fiber rotation sensor
US4529312A (en) * 1981-07-29 1985-07-16 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fiber optic rotation sensor utilizing unpolarized light
US4588296A (en) * 1981-10-07 1986-05-13 Mcdonnell Douglas Corporation Compact optical gyro
DE3140110A1 (de) * 1981-10-09 1983-04-28 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt "verfahren und anordnung zur messung absoluter drehungen"
US4473270A (en) * 1981-10-23 1984-09-25 Leland Stanford Junior University Splice-free fiber optic recirculating memory
US4456377A (en) * 1981-11-06 1984-06-26 The Board Of Trustees Of Leland Stanford Jr. Univ. Multimode fiber optic rotation sensor
US4575187A (en) * 1981-12-22 1986-03-11 At&T Bell Laboratories Optical fiber with embedded metal layer
GB2121532A (en) * 1982-05-25 1983-12-21 Standard Telephones Cables Ltd Fibre optic gyroscope
US4530097A (en) * 1982-09-29 1985-07-16 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Brillouin ring laser
US4469397A (en) * 1982-09-29 1984-09-04 Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fiber optic resonator
US4621925A (en) * 1982-11-11 1986-11-11 Fujitsu Limited Fiber-optic gyro
US4653917A (en) * 1983-03-24 1987-03-31 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fiber optic gyroscope operating with unpolarized light source
US4637722A (en) * 1983-04-25 1987-01-20 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fiber optical rotation sensor with extended dynamic range
US4552578A (en) * 1983-05-16 1985-11-12 At&T Bell Laboratories Optical fiber fabrication process comprising determining mode field radius and cut-off wavelength of single mode optical fibers
US4549781A (en) * 1983-06-01 1985-10-29 Corning Glass Works Polarization-retaining single-mode optical waveguide
US4529426A (en) * 1983-07-22 1985-07-16 At&T Bell Laboratories Method of fabricating high birefringence fibers
US4589728A (en) * 1983-08-26 1986-05-20 Andrew Corporation Optical fiber polarizer
US4494969A (en) * 1983-10-03 1985-01-22 Corning Glass Works Method of forming laminated single polarization fiber
US4561871A (en) * 1983-12-27 1985-12-31 Corning Glass Works Method of making polarization preserving optical fiber
US4557742A (en) * 1984-07-02 1985-12-10 Polaroid Corporation Polarized optical fiber and method of forming same
DE3426868A1 (de) * 1984-07-20 1986-01-30 LITEF Litton Technische Werke der Hellige GmbH, 7800 Freiburg Verfahren und einrichtung zur drehratenauslesung mittels eines passiven optischen resonators
US4725113A (en) * 1985-08-22 1988-02-16 Litton Systems, Inc. Form birefringent cutoff polarizer and method
US4717256A (en) * 1986-07-21 1988-01-05 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fiber optic rate sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ＩＥＥＥＳｐｅｃｔｒｕｍ，ｖｏｌｕｍｅ２３，ｎｕｍｂｅｒ３，Ｍａｒｃｈ１９８６，Ｐ．５４〜Ｐ．６０

Also Published As

Publication number Publication date
WO1989002060A1 (en) 1989-03-09
EP0379520B1 (en) 1991-11-13
CA1295828C (en) 1992-02-18
DE3866243D1 (de) 1991-12-19
EP0379520A1 (en) 1990-08-01
JPH03503927A (ja) 1991-08-29
US4915503A (en) 1990-04-10

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