KR910000603B1 - 비편광 광선을 이용한 광학 섬유 회전 감지기 - Google Patents

Abstract

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Description

비편광 광선을 이용한 광학 섬유 회전 감지기

제1도는 본 발명의 구성부품을 도시한 개략도.

제2도는 본 발명에 사용하기 위한 양호한 형태의 결합기의 부분 단면의 정면도.

제3도는 광학섬유의 2개의 편광 모우드를 표시하는 것으로 X 및 Y 채널을 각각 도시하고 이 채널들 사이의 횡결합상태를 도시하며, 광학 섬유를 통해 역전달되는 파 W1, W2의 성분을 도시한, 루우프를 예로써 나타낸 단일 모우드 광학섬유의 개념적 모델의 개략도.

제4도는 파 W1, W2가 광학섬유를 통해 전달된 후 결합기(14)에서 결합되기 전의 파 W1, W2의 성분을 도시한, 제3도의 단일 모우드 광학섬유의 개략도.

제5도는 복소수 평면내에 결합파 W1, W2의 세기성분을 도시한 백터도.

제6도는 세기 성분이 비-간섭항을 나타내는 세기 성분들로부터 간섭항을 나타내는 세기 성분들을 분리시키도록 재배열된, 제5도의 벡터도와 유사한 벡터도.

제7도는 복소수 평면에, 루우프의 회전에 응답하여 위상기로서 회전하는 제6도의 간섭 세기 성분을 나타내는 벡터를 도시하고, 검출기에서의 결합파 W1, W2의 측정가능한 세기가 간섭 및 비-간섭 세기 성분을 나타내는 각각의 벡터 합성의 실축상의 투영과 동일한 것을 도시한 벡터도.

제8도는 제7도의 벡터도로부터 발생되는, 검출기에서의 측정 가능한 세기 대 루우프의 회전으로 인해 회전가능하게 유도된 위상 전이의 그래프도.

제9도는 제1도의 위상 전이기에 의해 도입된 비-상호 위상 전이의 결과로서 π/2각만큼 수평축을 따라 이동된 후의 제8도의 그래프를 도시한 도면.

제10도는 제9도의 그래프에 대응하는 제7도의 도면과 유사한 벡터도.

제11도는 주위환경 변화가 측정 가능한 세기의 진폭에 영향을 미치지만 이런 진폭은 루우프가 휴지상태에 있을 때 주위환경에 무관하게 안정하다는 것을 도시한, 제9도의 그래프를 도시한 도면.

제12도는 회전 감지기가 주위환경에 무관하게 안정한 동작점에서 동작할 수 있도록 회전적으로 유도된 위상 전이와 등가량만큼 검출기에서 측정된 세기에 응답하여 제9도의 세기곡선을 위상 바이어스시키기 위해 위상 전이기에 접속된 제어기를 도시한 본 발명의 회전 감지기의 개략도.

제13도의 비편광 광선이 2개의 역전달파 W1, W2로 분리되는 것으로 도시하고, 제14도와 결합하여, 이 결합기의 상호 동작을 도시한, 루우프에 인접한 제1도의 결합기의 개략도.

제14도는 2개의 역전달파 W1, W2가 검출기로 전달되기 위해 재결합되는 것으로 도시하고, 제14도와 결합하여 이 결합기의 상호 동작을 도시한 제13도의 결합기의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 비편광 발광 소오스 11 : 단일 모우드 광학섬유 가닥

12 : 제1방향성 결합기 14 : 제2방향성 결합기

16 : 광학 섬유 루우프 17 및 82 : 위상 전이기

18 : 편광 제어기 19 : 제2광학섬유 가닥

20 : 광검출기 26 및 27 : 레이저 소오스

28 및 29 : 렌즈 30 및 32 : 광학섬유

34 : 방향성 결합기 40 및 42 : 광학섬유 가닥

43a 및 43b : 블록 44 : 광학섬유 가닥 상호작용 영역

50 : 산란 중심부 52, 53 및 54 : 벡터

56 : 코싸인 함수 58 : 싸인 함수

60 : 동작점 70 : 제어기

76 : 기준 세기신호 발생기 84 : 전류 감지기

88 : 표시 판넬

본 발명은 자이로스코우프와 같은 회전 감지기에 관한 것으로, 특히 광학섬유 회전 감지기에 관한 것이다.

광학섬유 회전 감지기는 부품들을 이동시키지 않고서 동작하기 때문에 매우 안정하므로 특히 유리하다. 전형적으로, 회전 감지는 광학섬유의 코일에 의해 형성된 폐쇄 루우프 주위에서 반대 방향으로 전달되는 광파들 사이의, 일반적으로 "사그낙(Sagnac)위상 전이"라고 불리우는 회전적으로 유도된 위상 전이를 검출함으로써 이루어진다. 이 "사그낙"위상 전이는 다음의 공지된 관계식으로 표시된다.

여기서, A는 광학섬유의 루우프에 의해 제한된 지역이고, N은 지역 A 주위의 광학섬유의 권선수이며, 오메가(Ω)는 루우프의 평면에 수직인 축 주위의 루우프의 각 속도이고, 람다(λ) 및 C는 각각 루우프에 인가된 광선의 파장 및 파 속도의 자유공간 값이다.

광학섬유 회전 감지기의 기존 기술은 단일 모우드 광학섬유를 통하는 편광 광선을 사용한다. 이미 개발된 기술은 단일 모우드 광학섬유가 일반적으로 각각 서로 다른 속도로 광선을 전달하는 2개의 직교 편광 모우드를 갖는다는 사실에 따른 회전 감지기의 비-상호 동작을 특징으로 한다. 단일 모우드 섬유의 잔여 복굴절성은 이 편광 광선이 2개의 편광 모우드의 다른것에 횡결합되게 한다. 결과적으로, 2개의 편광 모우드내의 다른 전달 속도로 인해, 비-회전적으로 유도된 위상 전이가 도입되므로, 회전 감지기가 비-상호 동작을 하게 한다. 상호동작은 다른 편광 모우드에 횡결합된 광선을 차단시키도록 회전 감지기의 출력측에 편광기를 배치시킴으로써 달성될 수 있다는 것을 나중에 알게 되었다. 다른 해결 방법은 "광학 섬유 회전 감지기"란 명칭으로 1982년 3월 31일자 출원된 국제출원 제PCT/US82/00400호에 기술한 바와 같이 출력 편광기를 개별적으로 분리시키거나 결합시키는 편광 제어기를 사용하는 것을 포함한다.

본 발명은 비편광 광선을 사용하는 광학섬유 자이로스 코우프를 제공한다. 이 명세서에 사용된 "비편광 광선"이란 말은 2개의 직교 편광 상태에서 동일한 세기를 가진 광선, 즉 이 2개의 직교 편광 상태에서의 광선 성분이 시간에 따라 임의로 변하는 위상차를 가진 광선을 말한다. 본 발명자들은 놀랍게도, 비편광 광선을 사용함으로써, 2개의 편광 모우드 사이에 횡결합이 생기더라도, 출력 편광기 또는 다른 특정한 장치가 없이 단일 모우드 광학섬유를 사용하는 광학섬유 회전 감지기가 상호 동작을 하게 된다는 것을 알았다. 이러한 상호동작은, 최소한 부분적으로 발광 소오스가 비편광되기 때문에 2개의 직교 편광 모우드내에서 전달되는 광선이 비간섭성으로 된다는 사실에 기인한다. 그러므로, 광파의 비간섭 성분들 사이의 비-회전적으로 유도된 위상 전이는 검출기내에서 0(zero)로 평균화된다. 또한, 광선의 간섭 성분들 사이의 비-회전적으로 유도된 위상 전이는 이들 벡터의 비-상호 성분들이 서로 상쇄되도록 크기가 같고 위상각이 반대인 벡터로 변형된다는 것을 알았다. 그러므로, 비편광 광선을 사용하면, 역전달파들 사이의 비-회전적으로 유도된 위상 전이가 편광기 또는 다른 특정한 장치가 없이도 효율적으로 제거되고 상호동작을 제공하게 된다.

비편광 광선을 사용하는 것의 다른 중요한 장점은 역전달파들 사이의 위상차가 π/2의 홀수배일 때 회전 감지기가 주위환경 상태 변화에 의해 영향을 받지 않는다는 것이다. 그러므로, 이러한 역전달파의 위상차를 π/2(또는 이것의 홀수배)로 바이어스 시킴으로써, 시스템이 휴지상태에 있을 때, 회전 감지기는 안정 동작점을 갖게 된다. 즉, 중첩된 역전달 광파들의 평균세기의 크기가 일정하고, 광학섬유 복굴절성이 변하게 하는 온도와 같은 주위환경요소의 변화에 무관하게 된다.

본 발명의 다른 장점은 2개의 편광 모우드를 사용함으로써 발광 소오스로부터 광선의 큰 부분이 전송될 수 있게 하므로, 한 개의 편광 모우드를 차단시키도록 출력 편광기를 사용하는 것에 관련된 손실을 제거시킨다는 것이다.

이제부터, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이 장점 및 그외의 다른 장점에 대해서 상세하게 기술하겠다.

제1도에 도시한 양호한 실시예에서, 본 발명의 회전 감지기는 단일 모우드 광학섬유(11)의 연속 전장 또는 가닥속에 비편광 광선을 삽입시키기 위한 비편광 발광 소오스(10)을 포함한다. 광학섬유(11)은 제1방향성 결합기(12)의 포오트 A 및 B를 통과하고, 제2방향성 결합기(14)의 포오트 A 및 B를 통과한다. 그러므로, 광학섬유(11)은 발광 소오스(10)에서 결합기(12)의 포오트 A까지 연장되고, 결합기(12)의 포오트 B에서 결합기(14)의 포오트 A까지 연장된다. 결합기(14)의 포오트 B로부터 연장된 광학섬유(11)의 부분은 루우프(16)내에 감겨진다. 특정한 예에 의하면, 루우프(16)은 각각 약 1㎡의 영역을 정하는 150회선을 구성된다. 루우프(16)으로부터의 광학섬유(11)의 단부는 결합기(14)의 포오트 C 및 D를 통과하는데, 포오트 D는 루우프(16)에 인접해 있다. 광학섬유(11)의 소부분(11a)는 결합기(14)의 포오트 C로부터 연장되는 "NC"로 표시한 지점에서 비-반사적으로 종결된다. 양호하게는, 위상 전이기(17)은 루우프(16)내의 역전달파 사이의 상대 위상 전이를 π/2로 바이어스시키도록 루우프(16)내에 배치된다. 편광 제어기(18)은 파의 편광 상태를 제어하도록 루우프(16)내에 유리하게 배치된다.

광섬유(19)의 제2전장은 결합기(12)의 포오트 C 및 D를 통과한다. 포오트 D로부터 나온 광학섬유(19)의 부분은 "NC"로 표시한 지점에서 접속되지 않고 비-반사적으로 종결된다. 그러나, 결합기(12)의 포오트 C부터 나온 광학섬유(19)의 부분은 광 검출기(20)에 광학적으로 결합되는데, 이 광검출기(20)은 그 위에 표시된 무늬 형태의 세기에 비례하는 출력신호를 발생시킨다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, "비편광"광선은 편광 및 비편광 성분을 모두 가진 광선을 포함한다. 편광 광선의 비율은 자이로스 코우프의 정밀도를 결정하게 된다. 그러므로, 본 발명에 따라 구성된 자이로스 코우프 위상 오차(ø_e)는 다음의 식으로 된다.

여기서 p는 발광 소오스(10)의 편광도이고 ø_e는 래디안으로 측정된다.

특정한 소오스(10)은 자이로스 코우프의 정확도 요구에 의해 결정되는데, 발광 소오스가 유용하다. 이 기술의 현재 상태에서, 비편광 광선의 가장 유용한 레이저 소오스는 5% 정도의 편광도(P)를 갖는다. 특정한 예에 의하면, 소오스(10)는 캘리포니아주, 마운틴 뷰, 스텍트라 피직스사(Spectraphysics, Mountain View, California)에서 제조한 모델 155임의 편광 헤륨 네온(HeNe)레이저로 구성된다. 정확도를 더욱 크게하기 위해, 본 발명의 양호한 실시예는 편광 광선의 2개의 레이저 소오스(26, 27)을 결합시킴으로써 제1도에 도시한 방법으로 제공되는 낮은 편광비, 즉 0.1% 이하를 가진 발광 소오스(10)을 사용한다. 이 소오스(26, 27)은 각각 수평 및 수직 편광을 가진 선형 편광 광선을 발생시킨다. 이 소오스(26, 27)은 서로 독립적으로 동작하고 이것들의 각각의 출력은 비-간섭성이다. 소오스(26, 27)로부터의 광선은 각각 렌즈(28, 29)를 통해 각각 광학섬유(11)의 부분(30)과 별개의 광학섬유(32)에 제공된다. 이들 광학섬유(30, 32)는 방향성 결합기(34)의 포오트 A 및 B와 포오트 C 및 D를 각각 통과한다. 포오트 D로부터 나온 광학섬유(32)의 부분은 접속되지 않고서 비-반사적으로 종결된다. 소오스(26, 27)로부터의 광선은 포오트 A 및 C에 제공되고, 광학섬유(11)상에 전달하기 위해 포오트 B에 비편광 광선을 제공하도록 결합기(34)에 의해 혼합된다.

특정한 예에 의하면, 단일 모우드 광학섬유(11, 19 및 32)는 타입 T-110 단일 모우드 단계 인덱스 광학섬유로서 버지니아주, 로아노크, ITT사(International Telephone and Telegraph Corporation, Roanoke, Va.)의 전기-광학 제조 계열사(Electro-Optical Products Division)에서 시판한 형태로 될 수 있다.

본 발명의 회전 감지기 또는 자이로스 코우프내에 결합기(12, 14 및 34)로서 사용하기 위한 양호한 광학섬유 방향성 결합기는 제2도에 도시되어 있다. 이 결합기는 본 발명에 참고문헌으로 사용되는 1980년 3월 27일자 발행된 전자 공학지(Electronic Letters, 16권, 제7호)에 상세하게 기술되어 있다. 이 결합기는 광학섬유 가닥의 한측으로 부터 피복이 제거된 단일 모우드 광학섬유 물질로된 제2도의 2개의 광학섬유 가닥(40, 42)를 포함한다. 각각의 블록[43(a), 43(b)]상의 아아치형 슬로트내에 장착된 2개의 가닥(40, 42)는, 광선이 가닥의 코어 부분들 사이로 전달되게 하는 상호작용 영역(44)를 형성하도록, 피복물이 밀폐 관계로 제거된 가닥의 부분과 함께 있게 된다. 제거된 물질의 량은 각각의 가닥의 코어부분이 다른 것의 미소 지역내에 있도록 되어 있다. 결합기의 중심부에서의 가닥들 사이의 중심-대-중심 간격은 전형적으로 약 2 내지 3개 코어 직경 이하이다.

상호작용영역(44)에서 가닥(40, 42) 사이로 전달된 광선은 방향성이 있다. 즉, 입력 포오트 A에 제공된 광선은 포오트 C에 역-방향성 결합되지 않고, 출력 포오트 B 및 D에 모두 전달된다. 이하 마찬가지로, 입력 포오트 C에 제공된 광선은 거의 모두 출력 B 및 D로 전달된다. 또한, 이 방향성은 대칭적이다. 그러므로, 입력 포오트 B나 입력 포오트 D에 공급된 광선은 출력 포오트 A 및 C로 전달된다. 또한, 결합기는 본래 편광에 대하여 비-식별되므로, 결합된 광선의 편광을 보존한다. 그러므로, 예를 들어, 수직 편광을 가진 광선 비임(beam)은 포오트 A에 입력되고, 포오트 A에서 포오트 D까지 결합된 광선 뿐만 아니라 포오트 A에서 포오트 B로 곧바로 통과하는 광선은 수직 편광 상태로 유지된다.

상술한 설명으로부터, 결합기는 비임 분리기로서 작용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 결합기는 레이저 소오스(26, 27)로부터 비임을 결합시키거나 이미 분리된 비임을 재결합시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 1개의 비임이 포오트 B에 제공되고 다른 비임이 포오트 D에 제공되면, 이 2개의 비임은 상호작용영역(44)내에서 결합되고, 결합된 비임은 포오트 A 및 C에서 출력된다. 이와 마찬가지로, 1개의 비임이 포오트 A에 제공되고 다른 비임이 포오트 C에 제공되면, 이 2개의 비임은 결합되어 포오트 B 및 D에서 출력된다.

제1도를 참조하면, 발광 소오스(10)으로부터의 거의 비편광된 광선의 연속파는 광선의 일부가 포오트 D를 통해 손실되는 결합기(12)의 포오트 A로 광학섬유(11)을 통해 전달된다. 나머지 비편광 광선은 결합기(12)의 포오트 D에서 결합기(14)의 포오트 A로 전달되는데, 결합기(14)는 비편광 광선을 2개의 파 W1, W2로 분리시킨다. 파 W1은 결합기(14)의 포오트 B에서 결합기(14)의 포오트 D로 루우프(16) 주위에서 시계방향으로 이동한다. 파 W2는 결합기(14)의 포오트 D에서 결합기(14)의 포오트 B로 루우프(16)을 통해 반시계 방향으로 이동한다. 공지된 바와 같이, 역 전달과 W1, W2는 각각 결합기(14)의 포오트 D 및 B에 도달할 때 위상 전이될 수 있으므로, 이 파들은 결합기(14)에 의해 재결합될 때 광학 출력 신호를 발생시키도록 건설적으로나 파괴적으로 간섭할 수 있다. 이러한 간섭의 크기 및 형태는 위상 전이량에 좌우된다. 파 W1, W2가 결합기(14)에 의해 재결합될 때, 재결합 파의 일부는 포오트 C를 통해 손실되고, 나머지 재결합 파는 결합기(14)의 포오트 A에서 결합기(12)의 포오트 B로 이동하는데, 결합기(12)는 포오트 C에서 광학섬유(19)로 전달된 파의 일부를 다시 분리시킨다. 광학섬유(19)는 결합파 W1, W2가 광검출기(20)에 입사되도록 광검출기(20)에 광학적으로 결합된다. 응답시에, 검출기(20)는 결합파 W1, W2의 광학 세기에 비례하는 전기 신호를 출력시킨다.

이 광학 세기는 파 W1, W2사이의 간섭 형태 및 량에 비례하여 변하므로, 파 W1, W2의 광학 세기는 파 W1, W2 사이의 위상 전이의 함수로 된다. 위상 전이는 중앙축 근처에서의 루우프 회전을 나타내기 때문에(모든 위상 전이는 회전적으로 유도되고 사그낙 효과에 따른다고 가정함), 검출기 출력신호는 이러한 회전에 응답하여 변하게 된다.

다음에 상세히 설명하는 바와 같이, 본 발명의 회전 감지기는 안정하고 주위환경 변화에 민감하지 않고 최대 회전 감도를 제공하는 동작점에 위상 전이기(17)에 의해 바이어스될 수 있다.

본 발명의 다른 중요한 특징은 회전 감지기가 완전히 상호 동작을 하여, 비-회전적으로 유도된 위상전이가 비편광 광선을 사용함으로써 제거된다는 것이다. 이 상호 동작 및 안정동작점의 이유에 대해서는 다음에 더욱 상세하게 기술하겠다.

놀랍게도, 역전달파 W1, W2의 비-상호 성분들은 비편광 광선을 사용함으로써 벡터적으로나 검출기(20) 자체내에서 효과적으로 상쇄된다. 이것은 예를 들어, 제1도의 루우프(16)을 나타내는 제3도에 도시된 단일 모우드 광학섬유의 개념적 모델을 참조함으로써 가장 잘 이해할 수 있다. 단일 모우드 광학섬유의 2개의 편광 모우드는 각각 1쌍의 단자 X1-X2를 연결하는 선과 제2쌍의 단자 Y1-Y2를 연결하는 선으로 개략적으로 나타나 있다. 선들로 나타낸 2개의 모우드를 각각 "X채널" 및 "Y채널"이라고 하겠다. 2개의 편광 모우드가 다른 전달 계수를 갖기 때문에, 광선은 다른 채널에서 보다 한 채널에서 더 높은 속도로 전달된다. 설명하기 위해서, X-채널을 "신속"채널이라고 하고, Y-채널을 "저속"채널이라고 하겠다. 더욱이, 모든 유용한 광학섬유내의 복굴절성, 비간섭성이 채널들 사이의 횡결합을 야기시키기 때문에, 이 개념적 모델은 Y1과 Y2를 연결하는 선과 X1과 X2를 연결하는 다른 선을 포함한다. 이 2개의 횡결합선의 교차점을 "산란 중심부"(50)이라고 하겠다. 이 산란중심부(50)은 횡결합 광선의 다른 채널에서 보다 한 채널에서 더 긴 통로를 이동하는 것을 개념적으로 설명하기 위해 광학섬유의 중앙으로부터 편기된 것으로 도시되어 있다. 2개의 편광 모우드는 서로 다른 전달 계수를 갖기 때문에, 이 횡결합 광선은 전형적으로 광학섬유 루우프내의 비-상호 동작의 소오스이다.

이 모델은 광학섬유 루우프(16, 제1도)를 나타내기 때문에, 파 W1은 광학섬유의 한 단부에서 단자 X1 및 Y1으로 제공되고, 파 W2는 광학섬유의 다른 단부에서 X2 및 Y2로 제공된다. 파 W1은 성분 Xs₁, Ys₁, Xc₁및 Yc₁으로 분해될 수 있다. Xs₁은 Y채널에 횡결합되지 않고서 X1에서 X2까지 "직통(straight through)" 이동하는 X채널내의 파 W1의 부분을 나타낸다. 한편 Xc₁은 X1에서 Y2까지 Y채널에 횡결합되는 W1의 X채널 성분의 나머지 부분을 나타낸다. 이와 마찬가지로, Ys₁은 횡결합되지 않고서 Y1에서 Y2까지 "직통"통과하는 W1의 Y채널 성분을 나타내고, Yc₁은 Y1에서 X2까지 X채널에 횡결합되는 이 Y채널 광선의 부분을 나타낸다. 파 W2도 이와 마찬가지로 동일한 규정을 사용하여 대응 성분 Xs₂, Ys₂, Xc₂및 Yc₂로 분해될 수 있다. 이 모델은 광선이 광학섬유 루우프(16)을 통과할 때의 광선 동작을 설명하기 위한 것으로, 이러한 광선의 동작을 완전히 설명하려는 것이 아니다. 예를들어, 단일 횡결합이 모델로 도시되어 있으나, 이 분야에 숙련된 기술자들은 실제로, 다중 횡결합이 2개의 편광 모우드 사이에서 생길 수 있다는 것을 알 수 있다.

제4도는 파 W1, W2의 성분들이 반대 방향으로 루우프(16) 주위에서 전달된 후의 이 성분들을 도시한 것이다. 각각의 채널들은 각각의 단부에서 직통 성분과 횡결합 성분을 모두 포함한다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 예를들어, 단자 X1에서의 광선은 통로 X2-X1을 이동한 X채널 광선(Xs₂)와, 통로 Y2-X1을 이동한 Y채널 광선(Yc₂)을 포함한다. 이와 마찬가지로, 단자 Y1에서, 광선은 Y채널 직통 성분(Ys₂)와 X채널 횡결합 성분(Xc₂)를 포함한다. 이 동일한 관계는 X2 및 Y2 단자를 유지시키어, X2 단자는 Xs₁및 Yc₁성분을 포함하고 Y2 단자는 Ys₁및 Xc₁성분을 포함한다. 이 성분 성분들은 파 W1, W2가 제4도에 개략적으로 도시한 바와 같이 결합기(14)에 결합될 때 중첩된다.

광검출기(20, 제1도)에 이 8개의 성분들의 전계가 중첩되는 것의 효과를 실험할 때, 검출기(20)이 광선 세기에 비례하는 출력 신호를 발생시키는 "제곱 검출기"라는 것을 알아야 한다. 그러므로, 이러한 전계 중첩의 효과는 2개의 전계의 중첩의 관찰된 세기에 대한 다음의 공지된 식을 참조함으로써 알 수가 있다.

여기서, I_T는 2개의 전계의 중첩에 대한 모든 관찰된 세기, Ex는 1개의 전계의 크기, Ey는 다른 1개의 전계의 크기, ø는 2개의 전계를 발생시키는 광파들 사이의 위상전이이다.

본 명세서에 적용한 바와 같이, 식(1)의 위상전이 ø는 회전적으로 유도된 "사그낙"위상 전이 ø_s와 비-회전적으로 유도된 복굴절 의존 위상 전이 ø_B로 구성된다. 그러므로

로 된다.

그러나, 본 발명의 회전 감지기의 상호 동작을 이해하기 위해서, 루우프(16, 제1도)이 휴지상태에 있다고 가정하여, ø_s가 0와 동일하다고 가정한다. 따라서, 이 경우에, ø는 ø_B와 동일하다고 가정한다.

식(1)로부터, 모든 관찰된 세기는 중첩된 전계 Ex, Ey에 의해 생긴 각각의 세기와 2개의 전계 벡터의 스칼라곱의 함수이고, 위상전이 ø의 함수인 "간섭항"을 더한 합계와 동일하다는 것을 알 수 있다. 다음의 분석으로부터, 이 간섭항의 소정의 성분들 쌍 사이의 비-상호 동작의 소오스이나, 이 비-상호 동작은 모든 성분들이 중첩될 때 효과적으로 상쇄되므로, 회전 감지기의 전반적인 동작이 상호적으로 된다는 것을 알 수 있다. 또한, 다른 성분 쌍들 사이에서와 같이, 간섭항은 0으로 감소된다. 따라서, 식(1)은 단일 모우드 광학섬유의 설명에 관계가 있는 다음의 상태하에서 간단하게 될 수 있다.

A. 광파들은 비간섭성이다.

광파들이 비간섭성이면, 위상전이 ø는 임의로 균일하게 분배될 수 있는 복수함수에 의해 정해진다. 그러므로, 상기한 "간섭항"은 시간이 경과함에 따라 0으로 평균회 된다. 결국, 비간섭성 광선의 경우에, 식(1)은

로 감소된다. 전계에 의해 생긴 세기는 전계의 제곱에 비례하기 때문에, 식(3)은

로 된다. 여기서 Ix와 Iy는 각각 전계 Ex와 Ey에 의해 생긴 세기이다.

B. 전계들은 직교한다.

2개의 직교 전계들의 스칼라 곱은 0와 동일하다. 그러므로, 전계들이 직교하면 식(1)은

또는

로 감소된다.

C. 전계들은 평행하다.

전계들이 평행하면, 전계 벡터들의 스칼라 곱은 이것들의 산술 곱과 동일하게 된다. 그러므로, 이 상태하에서, 식(1)은

또는

로 감소된다. 여기서, ø는 루우프(16)이 휴지상태에 있는 것으로 가정되어 있기 때문에 복굴절 의존 위상 전이만을 나타낸다. 식(7)과 (8)이 "직통"형으로 된 2개의 중첩 광파 성분들(예, Xs₁, Xs₂, Ys₁및 Ys₂)의 세기를 정하는데 유효하면, 이 식들은 "횡결합"성분들(예, Xs₁및 Xs₂, 또는 Ys₁및 Ys₂)에 관련하여 이러한 세기를 정하기 위해 수정되어야 한다. 조운즈(Jones) 행렬을 이용하는 제3도와 제4도의 단일 모우드 광학섬유 모델의 수학적인 분석은 다음과 같이 횡결합 성분들에 대한 수정된 식을 발생시킨다.

또는

다음에 상세하게 기술하는 바와 같이, 값 "π-ø"는 제3도를 참조하여 설명한 "산란 중심부"(50)의 위치와 성분 Xc₁Xc₂와 Yc₁Yc₂의 전달 방향에 따라 정(+) 또는 부(-)로 된다.

제4도에 도시한 루우프(16)의 단일 모우드 섬유 모델에 전술한 식(3) 내지 (10)에 의해 정해진 관계를 적용시킴으로써, 역전달파 W1, W2의 성분들의 간섭항은 검출기(20)에서 상쇄되거나, 비-상호 동작을 제거시키는 방법으로 결합된다. 식(3) 내지 (10)의 이러한 적용에 대해서 상세하게 기술하겠다.

제1도를 다시 참조하면, 비편광 발광 소오스(10)은 서로 직교하는 편광을 갖고 있는 서로 비간섭성인 출력을 갖고 있는 2개의 독립적인 발광 소오스로 구성된다. 결국, 이 소오스들중의 한 소오스에 의해 생긴 광선(예, X채널 광선)은 다른 소오스에 의해 생긴 광선(예, Y채널 광선)에 대해서 비간섭성으로 된다. 그러므로, 제4도를 참조하여 상술한 단자 X1, Y1, X2 및 Y2에서의 X 및 Y채널 성분들은 서로 비간섭성으로 된다. 광선의 비간섭 성분들 사이의 위상전이는 임의로 균일하게 분배되기 때문에, 이 위상 전이는[식(3)과 (4)를 참조하여 상술한 바와 같이]검출기(20)에서 0으로 평균화되므로, Y채널 성분과 X채널 성분의 중첩으로 인해 생긴 세기는 식(4)에서 요구된 바와 같이 이러한 성분들의 각각의 세기를 합한 합계와 동일하게 된다. 예를 들어, 성분 Xs₁의 세기는 성분 Yc₁의 세기의 직접 추가되고, Ys₁의 세기는 Xc₁의 세기에 직접 추가된다.

더욱이, X채널과 Y채널에 대응하는 편광 모우드는 직교하기 때문에, Y채널 단자 Y1, Y2에서의 성분 Ys₁, Xc₁, Ys₂, Xc₂, Yc₂의 중첩에 의해 생긴 합성 세기는 식(6)에서 요구한 바와 같이 X채널 단자 X1, X2에서의 성분 Xs₁, Yc₁, Xs₂및 Yc₂의 중첩에 의해 생긴 합성 세기에 직접 추가된다. 그러므로, 단자 X1, Y1, X2, Y2에서의 모든 성분들이 중첩될 때, 세기가 직접 추가되지 않는 성분들은 다음과 같은 것들이 있다.

a) 성분 Xs₂와 성분 Xs₁

b) 성분 Ys₂와 성분 Ys₁

c) 성분 Xc₂와 성분 Xc₁

d) 성분 Yc₂와 성분 Yc₁

물론, 이 성분 쌍들은 위상이 비간섭성이 아니고 직교 전계를 갖지도 않기 때문에 세기가 직접 추가되지 않는다. 따라서, 이 세기들의 합계는 간섭항을 포함하게 된다.

예를들어, 성분 Xs₁과 Xs₂의 중첩은, 각각의 정미(net) 전계 벡터들이 평행하고 횡결합되지 않기 때문에, 식(8)에 의해 정해지는 관찰된 세기 Ixs를 발생시킨다. 그러므로,

로 된다.

그러나, Xs₁이나 Xs₂가 횡결합 성분이 아니기 때문에, 이 성분들 사이에는 복굴절 의존 위상 전이가 없게 된다. 그러므로, Xs₁과 Xs₂사이에서와 같이, ø는 0으로 되고, 식(11)은

로 감소된다.

이와 마찬가지로, Ys₁과 Ys₂도 횡결합되지 않기 때문에, 이 성분들의 중첩에 의해 생긴 세기 Iys는 다음과 같이 된다.

성분 Xc₁및 Xc₂와 성분 Yc₁및 Yc₂에 관련해서, 이 성분들은 횡결합 형태로 되어 있기 때문에, 식(8) 보다는 식(10)을 이용해야 한다. 그러므로, 성분 Xc₁와 Xc₂의 중첩에 의해 생긴 세기 Ixc는

로 된다.

이와 마찬가지로, 성분 Yc₁과 Yc₂의 중첩에 의해 생긴 세기 Iyc는

로 된다.

X채널 성분 Xc₁, Xc₂의 간섭항에 관련된 위상차(즉, π-ø)는 동일하고, Y채널 성분 Yc₁, Yc₂의 간섭항에 관련된 위상차[즉, -(π-ø)]와 반대이다. 이것은 제3도와 제4도를 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 성분 Xc₁이 역전달 성분 Yc₂와 동일한 통로로 이동되고, 성분 Xc₂가 역전달 성분 Yc₁과 동일한 통로로 이동되기 때문에 생긴다. X채널이 "신속"채널이고 Y채널이 "저속"채널이라는 것을 상기하고, 산란 중심부(50)으로 인해, 성분 Xc₁과 Yc₂의 통로가 주로 "저속"채널로 있고 성분 Xc₂와 Yc₁의 통로가 "신속"채널로 있다는 것을 상기하면, 성분 Yc₁의 위상은 성분 Xc₁의 위상이 성분 Xc₂에 대해서 지연되는 것과 동일한 량만큼 성분 Yc₂에 대해서 전진하게 된다. 그러므로 성분 Xc₁과 Xc₂에 관련된 간섭항은 위상차가 동일하게 되고 성분 Yc₁과 Yc₂에 관련된 간섭항의 위상차와 반대로 된다.

파 W1, W2의 모든 8개의 성분들이 중첩에 의해 생긴 전체 세기 I_T는 다음과 같이 정해질 수 있다.

식(16)은, 루우프(16)이 휴지상태(즉, ø_s=0)에 있을 때, 복소 평면에 도시된 4개의 세기 성분 Ixs, Iys, Ixc, Iyc에 각각 관련된 3개의 성분항을 나타내는 각각의 세기 벡터를 도시한, 제5도의 벡터도에 도시되어 있다. 그러나, 이 도면은 일정한 비율로 도시하지 않은 것이다. 전체적인 관찰 가능한 세기 I_T는 참조번호 [52(a) 내지 52(h)]로 각각 표시된 8개의 성분 Ixs₁, Ixs₂, Iys₁, Iys₂, Ixc₁, Ixc₂, Iyc₁, Iyc_s의 각각의 세기를 합한 합계를 나타내는 8개의 벡터와, 참조번호[53(a) 내지 53(d)]로 각각 표시된 성분들의 중첩 Xs₁과 Xs₂, Ys₁과 Ys₂, Xc₁과 Yc₂, 및 Yc₁과 Yc₂에 관련된 4개의 간섭항을 나타내는 4개의 벡터로 구성된다.

제5도의 성분 벡터들은 비-간섭세기항을 나타내는 벡터로부터 간섭 세기항을 나타내는 벡터들을 분리시키기 위해 제6도에 재배열되어 있다. 상세하게 말하자면, 8개의 벡터 [52(a) 내지 52(h)]는 비-간섭항을 나타내고, 나머지 4개의 벡터[53(a) 내지 52(d)]는 간섭항을 나타낸다. 세기 간섭항들에 관련된 벡터들의 합성 벡터를 Ii라 하고, 비-간섭항에 관련된 벡터들의 합성 벡터를 Ini라 하겠다.

모든 벡터들[52(a) 내지 52(h)와 53(a) 내지 53(d)]는 실측을 따라 배향된 동일방향을 가진 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이것은 루우프(16)이 가정되어 있는 바와 같이 휴지상태(ø_s=0)에 있을 때에만, 생기기 때문에, 간단하게 일치된다. 다음에 비-간섭항들을 포함한 벡터[52(a) 내지 52(h)]만이 실측을 따라 균일한 방향을 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 벡터[53(a) 내지 53(d)]는 루우프(16)의 회전에 응답하여 위 상기식으로 회전하나 이미 기술한 바와 같이 루우프(16)이 가정된 바와 같이 휴지상태에 있을 때 실측과 일치하는 "간섭 세기 벡터 축"으로서 본 명세서에서 참조한 축을 따라 향해 있다.

따라서, 제7도의 벡터도에 도시한 바와 같이, 루우프(16)이 회전되면, 이러한 회전에 의해 유도된 사그낙 위상 전이 ø_s는 간섭 세기 축이 각 ø_s를 통해 복소 평면에서 회전하게 한다. 벡터 Ii(간섭항을 나타냄)는 각 ø_s를 통해 이 축과 일치하여 회전하고, 벡터 Ini(비-간섭항을 나타냄)는 이러한 위상 전이 ø_s에 의해 영향을 받지 않고 실축을 따라 유지된다. 벡터 Ii와 Ini의 합성을 Ir이라고 하겠는데, 이것의 투영은 실축상에서 I_T와 동일하다.

제6도에 도시한 바와 같이 ø_s가 0와 동일한 정적상태로 다시 복귀하면, Xc₁과 Xc₂및 Yc₁과 Yc₂성분들의 중첩으로 인해 각각 생기는 2개의 세기 간섭항에 대응하는 벡터[53(c)와 53(d)]가 "간섭 세기 축"(제6도에서, 실측과 일치함)상의 각각의 [54(a) 및 54(b)]의 실제 투영으로 되는 것을 알 수 있다. 벡터[53(c)와 53(d)]는 식(14) 및 (15)를 참조하여 기술한 바와 같이 동일 및 반대 복굴절 의존 위상 각에 관련되어 있기 때문에, 벡터[54(a)와 54(b)]는 동일각 만큼 "간섭 세기 축"으로부터 반대방향으로 기울어지게 된다. 그러므로, 이 벡터들[54(a)와 54(b)]의 합성벡터는 항상 "간섭 세기 벡터 축"을 따라 배향되고, 이 축상의 투영[53(c)]와 53(d)]의 합계와 크기가 동일하게 된다. "간섭 세기 벡터 축"과 "실축"에 대한 벡터[54(a), 54(b)]의 각 관계에 대해서 상세하게 기술하겠다.

식(3)으로부터, 각 ø는 복굴절 의존 위상 전이 각 ø_B와 회전적으로 유도된 사그낙 위상 전이 각 ø_s의 합계와 동일하다는 것을 상기하겠다. 우선 제6도에서와 같이 루우프(16)이 휴지상태에 있고 ø_s가 0인 상태를 시험하면, 전술한 설명으로부터, ø_s가 0와 동일할 때, "간섭 세기 축"으로부터의 벡터[54(a) 및 54(b)]의 바람직한 기울기가 전적으로 복굴절 의존 위상 전이 ø_B로 인해 생긴다는 것을 알 수 있고, 각각의 기울기 각은 반대로 되고 ø_B와 동일하게 된다는 것을 알 수 있다. 결국, 2개의 간섭항 세기 벡터[54(a) 및 54(b)]에 관련된 복굴절 의존 위상 전이는 효과적으로 서로 상쇄되고, 이 벡터들의 투영[53(c)와 53(d)]는 실축을 따라 벡터[54(a) 및 54(b)]와 함께 배향된다. 그러므로, 루우프(16)이 휴지상태에 있으면, 모든 벡터들(52(a) 내지 52(h), 53(a), 53(b), 54(c), 및 54(b)]의 합성은 실축을 따라 방향이 균일하게 되므로, 이 합성 방향은 복굴절 유도 위상 전이와 무관하게 된다.

루우프(16)이 회전하고 ø_s가 0와 동일하지 않은 상태로 회전하면, 벡터[54(a) 및 54(b)]는, 이러한 회전에 응답하여, ø_B와 동일한 량만큼 위상 각이 전이되어, 벡터(54)중의 한 개는 제6도의 실축을 향해 회전하고 다른 벡터(54)는 이러한 실축으로부터 떨어져서 회전한다. 그러므로, 벡터[54(a) 및 54(b)]의 합성은 실축에 대해서 ø_s각 만큼, 회전하게 된다. 또한, 성분 Xs₁과 Xs₂및 Ys₁과 Ys₂의 중첩에 관련된 2개의 다른 세기 간섭 항을 나타내는 벡터[53(a) 및 53(b)]는 각각 량 ø_s만큼 실축에 대해서 회전하게 된다. 그러므로, 간섭 세기 성분을 나타내는 4개의 벡터[53(a), 53(b), 54(a), 54(b)]는 모두 루우프(16)의 회전에 응답하여, ø_s만큼 회전하게 된다. 효과적으로, 이것은 각 ø_s만큼 "간섭 세기 축"을 회전하므로 4개의 벡터[53(a), 53(b), 53(c), 및 54(d)]는 이러한 축을 따라 향해 있게 된다.

상술한 설명으로부터, 회전적으로 유도된 위상 전이(ø_s)는 벡터[53(a), 53(b), 54(a), 54(b)]가 실축에 대해 동일 방향으로 회전하게 하고, 복굴절 유도 위상 전이는 벡터[53(a), 53(b)]의 방향으로 영향을 미치지 않으나, 벡터[54(a), 54(b)]가 반대방향으로 간섭 세기 벡터 축에 관련해서 회전하게 한다. 그러므로, 복굴절 유도 위상 전이는 루우프가 회전하더라도 효과적으로 상쇄된다. 결국, 검출기(20)에서 측정된 것과 같은 결합세기항내의 중첩파 W1, W2의 동작은, 루우프(16)이 정지상태에 있거나 회전상태에 있든지 관계없이, 회전 감지기가 상호동작을 하게 된다.

제7도를 참조하면, 간섭한 세기 벡터들의 합성이 Ii이고, 비간섭항 세기 벡터의 합성 벡터는 Ini이며, 벡터 Ii, Ini의 합성 벡터는 Ir이다. 또한, 전체 세기 I_T는 실제 또는 관찰가능한 세기를 나타내기 때문에, I_T의 값은 실축에 따른 합성 벡터 Ir의 투영과 동일하게 된다.

이미 기술한 바와 같이, 간섭항과 비간섭항 사이를 구별하는 것은 중요하다. 왜냐하면 간섭항을 나타내는 벡터[53(a) 내지 53(d)]가 회전적으로 유도된 위상전이에 좌우되고, 비간섭항을 나타내는 벡터[52(a) 내지 52(h)]가 회전적으로 유도된 위상 전이와 무관하기 때문이다. 따라서, 제7도의 벡터도에 도시한 바와 같이, 루우프(16)이 회전하면, 이러한 회전에 의해 유도된 사그낙 위상 전이 ø_s는 벡터 Ii(간섭항을 나타냄)가 각 ø_s를 통해 위 상기식으로 회전하게 하고, 벡터 Ini(비간섭항을 나타냄)는 이러한 사그낙 위상 전이에 의한 영향을 받지 않게 된다. "실측"상의 벡터 Ii의 투영 크기와 벡터 Ini의 크기의 합계를 각 ø_s의 함수로써 도시하면, 검출기(20)에 부과된 광선의 관찰된 세기 I_T의 그래프가 생기게 된다. 전체적으로 관찰된 세기 I_T의 이러한 그래프는, 벡터 Ini의 크기와 동일한 평균세기, 벡터 Ini와 Ii의 크기 합계와 동일한 최대 세기, 및 벡터 Ini와 Ii의 크기의 차이와 동일한 최소 세기를 갖고 있는 코싸인 함수[참조 번호(56)으로 표시됨]로 되도록 제8도에 도시되어 있다. 그러므로, 광검출기(20, 제1도)에 부과된 세기 I_T는 회전적으로 유도된 위상 전이에 응답하여 코싸인 함수(56)으로서 변한다.

그러나, 제8도에 도시한 코싸인 함수(56)의 기울기는 회전 감지기에 전형적으로 생기는 작은 S값에 대해 비교적 평평하기 때문에, 검출기(20)에서의 결합파 W1, W2의 세기 I_T는 루우프(16)의 회전에 비교적 덜 민감하게 된다. 결국, 제8도의 코싸인 함수(56)을 π/2(또는 이것의 홀수배)만큼 바이어스시키어, 제9도에 도시한 바와 같이, 이 코싸인 함수(56)을 싸인 함수(58)로 변환시키는 것이 좋다. 역전달파들 사이의 상대 위상차를 π/2만큼 비-상호적으로 바이어싱시키는 것의 효과는 제10도에 도시한 위치로 벡터 Ii를 π/2만큼 회전시키는 것이다. 제9도와 제10도로부터, 위상 바이어스 루우프(16)이 휴지상태에 있으면, 시스템의 동작점이 지점(60)으로 된다는 것을 알 수 있다. 이 동작점(60)은 제9도에 가장 양호하게 도시된 바와 같이 최대 기울기를 갖고 있는 세기 곡선(58)의 일부분 위에 있기 때문에, 이러한 동작점(60)은 최대 회전 세기를 제공한다.

본 발명의 회전 감지기의 상술한 비-상호 바이어싱은 제1도를 참조하여 기술한 바와 같이 루우프(16)내에 비-상호 위상 전이기(17)을 배치시킴으로써 이루어질 수 있다.

루우프(16)이 휴지상태에 있을 때, 동작점(60)에서의 복굴절 변화 효과에 대해서 기술하겠다.

공지된 바와 같이, 광학섬유 복굴절성은 온도와 같은 주위환경 요소에 의해 영향을 받는다. 또한, 복굴절 제조과정의 변화는 상술한 바와 같은 복굴절 의존 위상각 ø_B의 변화에 대응한다. 그러나, 복굴절성 변화의 부수적인 효과는 θ라고 부를 제2복굴절 의존항에 관련된다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 항 θ는 편광 상태가 루우프(16)의 광학섬유(11)에 의해 회전되게 하는 각으로서 정해진다. 그러므로, 단일 모우드 광학섬유(11)의 모우드들 사이의 횡결합을 측정할 수도 있다.

θ변화의 효과는 X 및 Y 채널 사이에 횡결합된 광선량을 변화시키는 것이다. 그러므로, "직통"성분들에 관련된 벡터들의 크기는 횡결합 성분들에 관련된 벡터들의 크기와 반대로 변하게 된다. 제6도의 벡터(52, 53 및 54)에 적용한 바와 같이, 이것을 "역 벡터 크기 관계"라 하겠다.

제9도에 도시한 동작점(60)에서의 복굴절 효과를 시험할때에는, 이 동작점(60)의 안정도가 벡터[52(a) 내지 54(h), 제6도]로 구성된 벡터 Ini(제10도)의 크기와 방향의 안정도에 좌우된다는 것을 주지해야 한다. 위상각 ø_B의 복굴절 유도 변화에 대해서, 성분 벡터[52(a) 내지 52(h)]는 이 위상각 ø_B에 좌우되지 않으므로, 벡터 Ini의 방향은 복굴절 변화에 의해 영향을 받지 않게 된다. 그러나, 이 벡터[52(a) 내지 52(h)]는 각 θ에 관련된 "역 벡터 크기 관계"에 따라 크기가 변하게 된다. 왜냐하면 이 벡터[52(a) 내지 52(h)]의 각각의 크기가 X 및 Y 채널 사이의 횡결합도에 좌우되기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 에너지가 보존되어 있기 때문에, 이 벡터[52(a) 내지 52(h)]의 합계는 균일하게 유지되므로, 벡터 Ini의 크기는 복굴절 변화에 관계없이 안정하게 유지된다. 그러므로, 벡터 Ini의 크기 및 방향이 안정하게 유지되기 때문에, 동작점(60)은 복굴절 변화에 무관하게 θ와 ø_B의 값 변화에 무관하게 된다.

제9도에 도시한 동작점(60)은 복굴절 변화에도 불구하고 안정하게 유지되어 있으나, 세기 곡선(58)의 진폭은 일반적으로 복굴절에 좌우된다.

세기 곡선(58)의 진폭은 간섭항을 나타내는 각각의 성분 벡터[53(a) 내지 53(d), 제6도]로 구성된 회전 감지 벡터 Ii(제10도)의 크기에 의해 결정된다. 또한, 벡터[53(c) 및 53(d), 횡결합 간섭 성분을 나타냄]는 복굴절 의존 위상각 ø_B의 방향에 좌우되는 벡터[54(a)와 54(b)]의 간섭 세기 벡터 측상에 투영된다. 결국, 벡터[53(c)와 53(d)]의 크기는 위상각 ø_B에 좌우되므로, 이러한 각의 복굴절 유도 변화로 변하게 된다. 그러나, 벡터[53(c)와 53(d)]와는 달리, 벡터[53(c)와 53(d)]와는 달리, 벡터[53(a)와 53(b)]가 위상각 ø_B에 좌우되지 않기 때문에, 이 벡터들의 크기는 이 복굴절 의존 위상각 ø_B의 변화에 응답하여 변하지 않게 된다.

단지 벡터[53(c)와 53(d)]가 위상각 ø_B의 크기에 좌우되나, 벡터[53(a) 내지 53(d)와 54(a)와 54(b)]는 모두, 이 벡터들의 크기가 X 및 Y 채널 사이의 횡결합도에 좌우되기 때문에, "역 벡터 크기 관계"로 인해 θ의 변화로 변하게 된다. 그러나, 이 "역 벡터 크기 관계"는 벡터[53(c)와 53(d)]가 벡터[54(a)와 54(b)]의 간섭 세기 벡터 축상에만 투영되기 때문에 벡터[53(a), 53(b), 54(a) 및 54(b)]에만 직접 적용된다. 그러므로, "역 벡터 크기 관계"는, 이 투영들의 크기가 벡터[54(a)와 54(b)]의 크기의 확대 변화 함수로서 변하기 때문에, 벡터[53(c) 및 53(d)]에 간접적으로만 적용된다. 벡터[53(c)와 53(d)]는, 이 벡터들이 벡터[53(a)와 53(b)]와 함께 벡터 Ii(제10도)를 구성하기 때문에, 매우 중요한 것이다.

에너지를 보존하고 있기 때문에, 각각의 벡터[53(a), 53(b), 54(a) 및 54(b)]의 크기의 합계는 균일하게 된다. 그러나, 벡터[53(c)와 53(d)]가 벡터[54(a)와 54(b)]의 확대 함수이기 때문에, 벡터[53(a) 내지 53(h)]로 구성된 벡터(Ii, 제10도)의 크기는 균일하지 않게 되고, 위의 변화에 따라 변하게 된다. 그러므로, 위상기 Ii와 세기 곡선(58, 59)은 θ의 함수에 따라 진폭이 변하게 된다. 이것은 다수의 θ값에 대해 제9도의 세기 곡선(58)을 도시한 제11도에 도시되어 있다.

제11도로부터, θ가 동일할 때, 제9도의 세기 곡선(58)은 최대 진폭으로 있게 되므로, 이 θ값의 경우에, 벡터 Ii가 벡터 Ini와 동일한 크기를 갖는다는 것을 알 수 있다. 이것은 θ=0°일 때, 횡결합 간섭항을 나타내는 벡터[54(a)와 54(b)]가 0의 크기를 갖기 때문에 생긴다(모든 광선은 "직통"성분으로 된다). 이것은 벡터[54(a)와 54(b)]와 이에 관련된 투영[53(c)와 53(d)]가 복굴절 의존 위상각 ø_B에 따라 크기가 변하는 벡터들이기 때문에 중요하다. 그러므로, θ가 0일때의 이 복굴절 의존 벡터의 제거로, 본 발명의 회전 감지기의 동작은 복굴절 변화에 무관하게 된다.

정상적인 세기 I_T, 주위환경 요소 θ, 복굴절 의존 위상 전이 ø_B, 및 회전적으로 유도된 사그낙 위상 전이 ø_s사이의 일반적인 관계는 다음과 같이 표시될 수 있다. 항 "π/2"는 위상 전이기(17, 제1도)에 의해 도입된 비-상호 위상 바이어스로서 인지된다.

θ가 0와 동일하면, 식(17)은 다음과 같이 표시될 수 있다.

그러므로, 상기한 바와 같이, 편광 상태가 θ가 0와 동일해지도록 제어되면, 검출기(20, 제1도)에서 측정된 세기 I_T는 사그낙 위상 전이 ø_s의 함수로 되고, 변수 θ와 ø_B와 무관하게 된다.

편광상태의 이러한 제어는 제1도를 참조하여 기술한 편광 제어기(18)을 이용함으로써 공지된 방법으로 이루어질 수 있다. 그러나, 실제로는, 편광 상태를 정확하게 제어하기가 어려우므로, 이러한 제어기(18)을 사용하면 변수 θ와 ø_B상의 I_T의존성만이 감소하게 된다. 어떤 경우에든지, 루우프(16)이 휴지상태에 있을 때 안정한 동작점(60)을 제공함으로써, 본 발명의 회전 감지기는 안정한 동작점(0 이외의 것)을 갖지 않은 편광 광선 회전 감지기보다 회전 감지 정확도를 더 크게 할 수 있다.

변수 θ와 ø_B에 따른 의존성을 감소시키어 본 발명의 회전감지 정확도를 개량시키는 선택적인 방법은, 시스템이 안정하게 주위환경에 무관한 동작점(60)에서 동작하기 위해 연속적으로 바이어스되도록 역전달파들 사이의 상대 위상 전이를 비-상호적으로 가변 바이어스시키는 것이다. 요구된 이러한 비-상호 바이어싱량은 회전적으로 유도된 위상 전이 ø_S와 동일하기 때문에, 검출기 출력 신호는 이러한 위상 전이량을 가변 제어하도록 궤환 신호로써 이용될 수 있다. 이것은 선(72)를 통해 검출기(20)으로부터 제어기(70)으로 공급되는 [검출기(20)에 의해 측정된 세기 I_r를 나타내는] 검출기 출력 신호를 도시한 제12도를 참조함으로써 더욱 상세하게 이해할 수 있다. 제어기(70)은 선(72)상의 신호를, 기준 세기 신호 발생기(78)으로부터 선(76)를 통해 제어기(70)으로 발신되고, 곡선(58, 제9도)의 평균값을 나타내는 기준 세기 신호와 비교한다. 검출기 세기 신호와 기준 세기 신호 사이의 차이는 선(80)을 통해 위상 전이기(82)에 신호로써 발신되는데, 이 전이기는 선(80)상의 신호에 비례하는 루우프(16)속에 비-상호 위상 전이를 도입시킨다. 이 비-상호 위상 전이는 회전적으로 유도된 사그낙 위상 전이를 오프셋트시키므로, 시스템을 안정한 동작점(60, 제9도)으로 복귀시킨다. 통상적으로, 위상 전이기(82)는 예를 들어 루우프(16)의 일부분에 자계를 인가시키는 것을 포함한다. 위상 전이기(82)의 전류나 양단 전압은 이것에 의해 도입된 위상 전이의 측정값으로서 이용될 수 있다. 따라서, 선(80)상의 신호에 관련된 전류를 측정하기 위해 감지기(84)가 제공된다. 이 감지기(84)는 선(80)상의 전류에 비례하는 신호를 출력으로 내보내고 이러한 신호를 선(86)을 통해 제어기(70)으로 발신시킨다. 위상 전이 감지기(84)로부터의 신호에 응답하여, 제어기(70)은 이것에 관련된 회전을 계산하고 표시 판넬(88)상에 값을 표시한다.

그러므로, 제12도에 도시한 회로를 사용하면, 본 발명의 회전 감지기는 안정하게 주위환경에 무관한 동작 점(60)에서 동작하도록 바이어스될 수 있으므로, 회전 감지 정확도가 상당히 개량된다.

편광 제어기(18, 제1도)나 상술한 위상 전이기(82, 제12도)가 없더라도, 본 발명의 회전 감지기는 더욱 안정하게 되므로, 편광 광선을 이용한 경우보다 장기간 점차적으로 주위환경적으로 유도된 복굴절 변화에 덜 민감하게 된다. 이것은 검출기(20)에서 측정한 세기 I_T의 평균값의 표준편차를 시험함으로써 경험적으로 나타났다. 이러한 표준편차는 출력 편광기를 가진 편광 광선 회전 감지기의 경우보다, 본 발명의 비편광 광선 회전 감지기의 경우에 더 적다는 것을 알았다. 이 표준편차의 감소는 편광 θ의 상태 회전의 복굴절 유도 변화와 위상 전이 ø_B의 복굴절 유도 변화 사이의 오프셋트 효과로 인해 생긴다. 그러므로, 본 발명은 회전 신호의 안정도에 장점을 제공하여, 소정의 안정도를 얻는데 필요한 휠터링 및 궤환 레벨을 감소시키게 된다.

공지된 바와 같이, 제1도의 결합기(14)와 같은 결합기는 회전 감지기에 부수적인 복굴절을 도입시킬 수 있다. 또한, 이 복굴절은 주위환경의 요소의 변화에 따라 변하므로, 이것의 효과가 역전달파, W1, W2 사이에서와 같이 비-상호적으로 되면, 결합기는 부수적인 복굴절 의존 위상 전이를 도입시키게 된다.

결합기-유도 복굴절이 회전 감지기의 상호동작에 영향을 미치지 못하게 하기 위해서, 본 발명은 2개의 결합기(12, 14, 제1도)를 이용한다. 결합기(14)는 제13도와 제14도에 확대해서 개략적으로 도시되어 있다. 우선 제13도를 참조하면, 발광 소오스(10, 제1도)으로부터의 "UP"자가 붙은 화살표로 표시한 비편광 광선은 결합기(12, 제1도)를 통해 결합기(14)로 이동되어, 이 결합기(14)에서 2개의 역전달파 W1, W2로 분산된다. 그러나, 이 파들중의 한파 W2만은 결합기(14)의 포오트 A로부터 포오트 D로 횡결합되고, 다른파 W1은 결합기(14)의 포오트 A로부터 포오트 B로 직통 이동한다. 이러한 횡결합은 이 횡결합으로 인하여 파 W2가 약간 다른 통로로 이동하기 때문에, 파 W1, W2 사이에 결합기-유도 위상 전이를 도입시킨다. 그러나, 파 W1, W2가 루우프(16)을 횡단한 후에, 파 W1은 포오트 D로부터 포오트 A에 횡결합되고, 파 W2는 포오트 D로부터 포오트 A로 직통 이동한다. 그러므로, 파 W1, W2가 포오트 A에서 재결합되며, 파 W1, W2는 각각 한번 횡결합되므로, 이것들의 통로를 동일하게 만든다. 그러므로, 비임들이 분산될 때 파 W2에 관련된 결합기-유도 위상 전이는 파 W1, W2가 재결합될 때 파 W1에 관련된 결합기-유도 위상 전이에 의해 상쇄된다. 결국, 결합기(14)에 관련된 복굴절-유도 위상 전이는 파 W1, W2에 대해 상호적으로 되므로, 본 발명의 회전 감지기의 동작이 상호적으로 된다. 결합기(12, 제1도)의 목적은 단순히 재결합 파 W1, W2를 검출기(20, 제1도)으로 송신하기 위해 광학섬유(11)로부터 광학섬유(19, 제1도)로 이 파들을 이송하기 위한 것이다.

양호하게도, 결합기(14)의 결합계수는 0.5이다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 결합계수(C)는 이러한 광선 비임의 전체전력 또는 세기에 대한 결합되는 광선 비임 부분의 전력 또는 세기의 비이다. 그러므로, C=1에서 충분히 결합되고, C=0에서 결합되지 않는다.

결합계수 0.5는 파 W1, W2가 결합기(14)에 의해 재결합된 후에 이 파 W1, W2의 최대 세기를 제공하기 때문에 이롭다. 이것은 우선 비편광 광선을 결합기(14)에 의해 파 W1, W2로 분산시킨 후에 이 비편광 광선의 세기를 분석하고 그 다음 이 파들이 루우프(16)을 횡단하고 결합기(14)에 의해 재결합된 후에 이 파 W1, W2를 분석함으로써 더욱 상세하게 알 수 있다. 따라서, 결합기(14)로 들어가는 비편광 광선이 파 W1, W2로 분산되면, 파 W2를 나타내는 비편광 광선(UP)의 결합 부분은 C₁₄와 Iup의 곱과 동일한 세기를 갖게 된다. 여기서 Iup는 이러한 비편광 광선의 세기이고, C₁₄는 결합기(14)의 결합계수이다. 그러므로, 파 W1을 나타내는 비편광 광선의 비결합 부분은 (1-C₁₄)와 Iup의 곱과 동일한 세기를 갖게 된다. 파 W1, W2는 루우프(16)을 횡단한 후에, 결합기(14)에 의해서 각각 분산된다. 따라서 Iw₁이라고 부를 파 W1의 전력 및 대응 세기는 결합계수 C₁₄에 따라서 분산되므로, 이것의 부분 C₁₄Iw₁은 포오트 D로부터 포오트 A에 결합되고, 비결합 부분(1-C₁₄) Iw₁는 포오트 D로부터 포오트 C로 직접 통과한다. 이와 마찬가지로, Iw₂라고 부를 파 W2의 전력 및 대응 세기가 분산되므로, 부분 C₁₄Iw₂는 포오트 B로부터 포오트 C에 결합되고, 나머지 비결합부분(1-C₁₄)Iw₂는 포오트 B로부터 포오트 A로 직접 통과한다. 상술한 바와 같이, 포오트 A의 광선은 결합기-유도 복굴절에 무관하기 때문에, 이 광선만이 중요하다. 그러므로, 포오트 A에서의 결합파 W1, W2의 세기 Iw₁, W₂에 다른 결합 계수의 효과가 시험된다. 각각의 파 W₁, W₂는 결합기(14)를 2번 통과하나 단한번 결합되기 때문에, 포오트 A에서의 재결합 파 W1, W2의 세기 Iw₁, w₂는 다음과 같이 정해진다.

식(19)의 항 C₁₄(1-C₁₄)는 C₁₄=0.5일 때 최대로 되기 때문에, 세기 Iw₁, w₂는 결합기(14)의 결합계수가 0.5일 때 최대로 된다.

이 동일한 이유는 제1도의 결합기(12)에 적용된다. 예를 들어, 결합기(12)의 포오트 A에서의 소오스(10)으로부터의 비편광 광선의 세기가 Is라고 하면, 결합기(12)의 포오트 B에서의 Is의 세기는 (1-C₁₂) Is로 된다. 여기서 C₁₂는 결합기(12)의 결합계수이다. 또한, 결합기(12)의 포오트 B로부터의 이 광선이 루우프(16)을 횡단한후 결합파 W1, W2의 형태로 이 루우프에 복귀하면, 이 결합파들의 세기 Iw₁, w₂는 다음과 같이 표시된다.

여기서 f(ø_s, C₁₄)는 결합기(14)의 결합계수와 사그낙 위상 전이의 함수이다. Iw₁, w₂가 광학섬유(19, 제1도)를 통해 검출기(20, 제1도)으로 송신되기 위해 결합기(12, 제1도)에서 분산되면, 결합계수의 표현으로 검출기(20)에서의 세기 I_r는 다음과 같이 된다.

또는, 식(21)에 식(20)을 치환하면 다음과 같이 된다.

그러므로, 소정의 값 f(ø_s, C₁₄)에 대해, 세기 I_r는 결합기(12)의 결합계수가 0.5일 때 최대로 된다. 그러므로, 결합기(12, 14) 모두가 0.5의 결합계수를 갖는 것이 좋다.

또한, 이와 유사한 이유가 제1도의 결합기(34)에도 적용될 수 있다. 소오스(10)으로부터 광학섬유(11)을 통하는 광선 출력은 비편광 광선을 발생시키기 때문에 2개의 직교 편광 모우드에 대해 거의 동일한 세기를 갖게 되므로, 소오스(26, 27)이 동일한 세기로 된다면, 결합기(34)는 비편광 광선을 발생시키기 위해 0.5의 결합계수를 가져야 한다. 결합계수가 0.5이외의 것이라면, 발광 소오스들의 각각의 세기는 비편광될 출력에 대해 조정되어야 한다. 그러므로, 예를 들어, 결합계수가 0.6이면 소오스(26)은 소오스(26, 27)의 결합 세기의 60%를 제공하게 되고, 소오스(27)은 이러한 세기의 40%를 제공하게 된다. 일반적으로, 소오스[26, 광학섬유(11)과 포오트 B로 직접 전력을 제공함]은 결합계수와 동일한 세기부분을 제공하고, 소오스[27, 포오트 B에 결합하기 위해 광학섬유(32)속으로 전력을 제공함]은 1-결합계수와 동일한 세기 부분을 제공한다.

간단히 말하면, 본 발명은 비편광 광선을 이용함으로써, 편광기나 다른 특정한 장비를 사용하지 않고서 상호작용을 달성시킨다. 또한, π/2의 홀수배로 비-상호적으로 바이어스되면, 시스템은 휴지상태에서 안정한 동작점을 갖게 되어, 편광 θ 또는 복굴절 의존 위상 전이 ø_B의 상태의 회전 변화에 덜 민감하게 된다.

Claims (10)

1. 루우프(16)을 형성하고, 각각이 상이한 속도로 광선을 전달하는 복수의 직교 편광 모우드(X, Y)를 갖고 있는 광학섬유(11) ; 상기 루우프(16) 주변으로 역전달하는 한 쌍의 광파(W1, W2)를 제공하기 위해 상기 복수의 편광 모우드(X, Y)내로 광선을 삽입시키고, 또한 발광소오스(10) 및 상기 루우프(16)을 통해 전달한 후 상기 2개의 역전달파들을 결합하기 위해 상기 루우프에 광학적으로 결합된 결합기(14) ; 및 상기 결합된 광파를 검출하기 위해 상기 루우프로부터 광선으로 수신하도록 광학적으로 결합된 검출기(20)을 포함하되, 상기 발광 소오스(10)이 비편광된 광선을 발생시키도록 배열되고 상기 모우드(X, Y)내의 광선 세기가 복굴절 유도된 위상 오차를 제거하도록 상기 광파들(W1, W2)과 동일하게 하기 위해 상기 결합기(14)가 상기 루우프에 상기 광선을 결합하며, 상기 검출기(20)이 회전을 감지하기 위해 상기 파들(W1, W2) 모두에 대해 모든 상기 모우드들(X, Y) 모두로부터 광선을 검출하는 것을 특징으로 하는 광학섬유 회전 감지기.
2. 제1항에 있어서, 상기 광학섬유(11)이 2개의 직교 편광 모우드만을 갖고 있는 단일 모우드 광학섬유인 것을 특징으로 하는 광학섬유 회전 감지기.
3. 제1항에 있어서, 결합된 광파를 형성하는 광파들(W1, W2)가 상기 결합기(14)의 복굴절에 의해 유도되는 위상 오차들을 제거하기 위해 상기 결합기(14)를 통하는 동일한 광학 경로를 주행하고, 상기 광학섬유(11)로부터 상기 검출기(20)으로 상기 결합된 파를 결합하기 위한 제2결합기(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학섬유 회전 감지기.
4. 제1항에 있어서, 사그낙 효과에 의해 발생된 회전적으로 유도된 위상 전이를 오프셋 하기 위해 위상 전이 디바이스(82)를 구동하기 위한 검출기(20)에 의해 발생된 전기 신호에 응답하여 상기 위상 전이 디바이스(82)에 신호를 제공하도록 상기 루우프(16)내의 상기 위상 전이 디바이스(82) 및 상기 검출기(20)에 접속된 제어기(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학섬유 회전 감지기.
5. 제4항에 있어서, 상기 위상 전이 디바이스에 공급된 전류 또는 전류를 감지하기 위한 감지기(84)를 더 포함하되, 회전을 나타내기 위한 상기 제어기에 의해 사용되는 신호를 공급하도록 상기 감지기가 상기 제어기에 접속된 것을 특징으로 하는 광학섬유 회전 감지기.
6. 제1항에 있어서, 상기 발광 소오스(10)이 상기 광학섬유(11)에 대해 상호 직교 편광을 갖고 있는 광선을 제공하는 한쌍의 레이저 소오스(26, 27)을 포함하되, 상기 한쌍의 레이저 소오스(26, 27)중 하나로부터의 광선이 상기 한쌍의 레이저 소오스(26, 27)의 다른것으로부터의 광선에 대해 거의 비간섭성이고, 상기 직교 편광중의 다른 편광에서의 상기 광선의 세기와 거의 동일한 것을 특징으로 하는 광학섬유 회전 감지기.
7. 반대 방향으로 2개의 광파(W1, W2)를 전달하기 위해 2개의 편광 모우드를 갖고 있는 단일 모우드 광학섬유(11)로 형성된 광학섬유 루우프를 포함하는 광학섬유 감지기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 광파들(W1, W2) 모두에 대해 상기 모우드를 (X, Y) 각각에서의 광선 세기를 동일하게 하기 위해 상기 광파(W1, W2)들 각각의 세기가 상기 2개의 편광의 모우드(X, Y)사이에 균등하게 분포되도록 비편광된 광선 소오스(10)을 상기 루우프(16)에 결합하는 단계, 및 회전을 감지하기 위해 상기 광파들 모두에 대해 상기 2개의 모우드로부터 광선을 검출하도록 검출기를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 결합기(14)가 상기 소오스(10)으로부터 상기 루우프(16)으로 광선을 결합하기 위해 사용되고, 또한 상기 결합기를 통해 등가 광학 경로들을 주행하는 광선으로 이루어진 결합파를 형성하기 위해 상기 루우프(16)을 통해 전달한 후 상기 광파들(W1, W2)를 재결합하기 위해 사용되며, 제2결합기(12)가 상기 광학섬유(11)로부터 상기 검출기(20)으로 상기 결합파를 결합하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 직교 편광 모우들(X, Y)를 갖고 있는 광학섬유(11)의 루우프(16)을 포함하는 사그낙 회전 감지기를 동작시키는 방법에 있어서, 광파들(W1, W2) 각각의 세기가 상기 광학섬유 모우드들(X, Y)간에 동일하게 하도록 역전달 광파들(W1, W2)를 형성하기 위해 광 섬유 루우프(16)의 양 단부내로 비편광된 광선을 삽입시키는 단계, 및 상기 루우프(16)을 통해 상기 광파들(W1, W2)의 전달후 상기 광파들(W1, W2) 모두에 대해 상기 모우드들(X, Y) 모두로부터 광선을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 광학섬유(11)이 2개의 편광 모우드를 갖고 있는 단일 모우드 광학섬유인 것을 특징으로 하는 방법.

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