JPH01169315A - 光フアイバジヤイロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光ファイバジャイロスコープ、特に反射光
および散乱光の影響を低減したリング共振型の光ファイ
バジャイロスコープに関するものである。

［従来の技術］ 第２図は、例えば第５回光ファイバセンサワークショッ
プ講演論文集ＷＯＦＳ５−８　（１９８７年、６月）に
示された従来の光ファイバジャイロスコープの構成図で
ある０図において、（１）はレーザ光源、（２ａ　）、
（２ｂ　）は第１および第２のレンズ、　（３ａ　）、
（３ｂ　）、（３ｃ　）は第１．第２．第３のハーフミ
ラ−、（４ａ＞は第２のハーフミラ−（３ｂ）で導かれ
たレーザ光を検出する第１の光検出器。

（４ｂ）は第３のハーフミラ−（３Ｃ）で導かれたし−
ザ光を検出する第２の光検出器、（５ａ）は第１のロッ
クインアンプであって、第１の光検出器（４ａ）で電気
信号に変換した信号を第１の増幅器（１３ａ）で増幅し
て得られた入力信号と、第２の光検出器（４ｂ）で電気
信号に変換した信号を第２の増幅器（１３ｂ）で増幅し
て得られた入力信号との差を取ったのち、第１の発振器
（７ａ）の出力信号によって同期検波する。（５ｂ）は
第２のロックインアンプであって、第２の光検出器（４
ｂ）で電気信号に変換した信号を第２の増幅器（１３ｂ
）で増幅して得られた入力信号を第１の発振器（７ａ）
によって同期検波する。（６）は第２のロックインアン
プの出力信号によって共振長を制御する共振長コントロ
ーラ、（７ｂ）は第２の発振器、（８）は光ファイバカ
ップラであって、入射した光を二分し、一部はそのまま
出力するが１残りは光ファイバリング共振器内に導＜ｉ
９）は光ファイバ、（１０）は第１のロックインアンプ
（５ａ）と接続される記録計。

（１１）は光アイソレータ、（１２ａ）は光ファイバく
９〉が巻き付けられた円筒状の第１のピエゾ素子。

（１２ｂ）は第２の発振器（７ｂ）と接続された第２の
ピエゾ素子、（１３ｃ）は第３の増幅器であって。

共振器長コントローラ（６）および第１の発振器〈７ａ
）の出力信号を増幅して、第１のピエゾ素子（１２ａ＞
に増幅信号を加える。なお、上記光ファイバカップラ（
８）と光ファイバ（９）とで光ファイバリング共振器を
構成している。

従来の光ファイバジャイロスコープは上記のように構成
され、レーザ光源（１）からの出射光は。

光アイソレータ（１１）を経たのち、第１のハーフミラ
−（３ａ）で二分され、第１および第２のレンズ（２ａ
）、（２ｂ）によってそれぞれ光ファイバ（９）へ入射
される。光ファイバ（９）に両方向から入射した光は光
ファイバカップラ（８）を介して、リング状の光ファイ
バ（９）内を右回りおよび左回りに伝搬し、その出力光
はそれぞれ第３のハーフミラ−（３ｃ）および第２のハ
ーフミラ−（３ｂ）によって、第２の光検出器（４ｂ）
および第１の光検出器（４ａ）に導かれる。光ファイバ
カップラ（８）と光ファイバ（９）とで光ファイバリン
グ共振器を構成しており、レーザ光は、共振器長が下記
の式の条件を満足する時に共振する。

βＬ＝（２ｍ−（１／２）ｈｒ　　　　　　　　　　（
１）ここで、β−ｎω／Ｃは光ファイバの伝搬定数。

Ｌは共振器長２ｍは整数、ｎは光ファイバの実効屈折率
、ωは光の角周波数、Ｃは光速度である。

ジャイロスコープとして動作させるためには、レーザ光
の周波数、すなわち動作点を光ファイバリング共振器の
共振点に安定化しておく必要がある。

第２図では、共振器の右回り光を用いて安定化を行って
いる。すなわち、第１のピエゾ素子（１２ａ）を用いて
２リング共振器の共振器長りを角周波数ωつで変調し、
第２の光検出器（４ｂ）の出力を第２のロックインアン
プ（５ｂ）で検出する。動作点が共振点に安定化されて
いる時は、第２の光検出器（４ｂ）の出力には角周波数
ω、酸成分存在しないため、第２のロックインアンプ（
５ｂ）の出力は０となる。従って、第２のロックインア
ンプ（５ｂ）の出力が常に０となるように共振器長コン
トローラ（６）、第３の増幅器（１３ｃ）、第１のピエ
ゾ素子（１２ａ）を介して共振器長しにフィードバック
をかければ、動作点の安定化が達成される。

回転が生じた時は、右回り光に対しては動作点は共振点
に固定されているが、左回り光はサニヤック（Ｓａｇｎ
ａｃ）効果の分だけ動作点が共振点からずれ、第１の光
検出器（４ａ）の出力には角周波数ω、酸成分現れる。

従って、第１のロックインアンプ（５ａ）の出力より回
転方向と回転角速度に応じた回転検出信号出力を得るこ
とができる。

光ファイバジャイロスコープにおいては、光ファイバ（
９）の端面における反射光および光ファイバ（９）内に
おけるレイリー散乱光が、右回り光および左回り光と干
渉し、出力に大きなドリフトを生じるため、第２のピエ
ゾ素子（１２ｂ）を用い、左回り光の位相を角周波数ω
１で適当な振幅で変調している０反射光の影響により生
じる出力ドリフトは位相変調振幅をθ１とすると、０次
ベッセル関数を表わすＪＯ（θｌ）に比例して低減され
ることが分かっている。従って、θ１をＪＯ（θ、）が
０となる値に設定することにより９反射光の影響により
生じる出力ドリフトを低減できる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような従来の光ファイバジャイロスコープでは１
反射光の影響を低減するために加えている位相変調の振
幅を高精度で設定できず、出力にかなり大きなドリフト
を生じ、高い回転検出感度が得られないという問題点が
あった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので１位相変調振幅を高精度で設定し。

反射光および散乱光の影響を低減し、低ドリフト高感度
の光ファイバジャイロスコープを得ることを目的とする
。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る光ファイバジャイロスコープは。

レーザ光源と、このレーザ光源からの出射光を二分岐す
るための第１のハーフミラ−と、光ファイバカップラと
光ファイバとから成る光ファイバリング共振器と、この
光ファイバリング共振器外部の光路中に設けられた複数
の位相変調器と、前記光ファイバリング共振器内を右回
りおよび左回りに伝搬した光を２つの光検出器へ導くた
めの第２および第３のハーフミラ−と、この第２および
第３のハーフミラ−とで前記二分岐された光を干渉する
ように光路中に配置された第４のハーフミラ−と、レー
ザ光の角周波数成分を検出する複数のロックインアンプ
と、前記光ファイバリング共振器の動作点の共振点への
安定化のための第１の制御系と、前記二分岐された光の
位相差を安定化するための第２の制御系と、前記光の位
相変調振幅安定化のための第３の制御系とを備えたもの
である。

［作用］ この発明においては１位相コントローラは２つのレーザ
光間の平均的位相差を一定に保ち２位相変調振幅を制御
可能にし、また位相変調振幅コントローラは２反射光の
影響を低減するための位相変調の振幅θ１を、０次ベッ
セル関数ＪＯ（θ、）が０となる値に保ち、出力のドリ
フトを低減する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例による光ファイバジャイロ
スコープの構成を示す図である０図において、（１）、
（２ａ）、（２ｂ　）、（３ａ）〜（３ｃ　）、（４ａ
）、＜４ｂ）、（５ａ）、（５ｂ）、（６）、（７ａ）
、（７ｂ）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（
１２ａ’）、（１２ｂ）、　（１３ａ）〜（１３ｃ）は
従来のものと同様である。（３ｄ）は第４のハーフミラ
−、（４ｃ）は第３の光検出器であって、第４のハーフ
ミラ−（３ｄ）によって導かれた光を検出して電気信号
に変換する。（５ｃ）は第３のロックインアンプ、（５
ｄ）は第４のロックインアンプ、＜５ｅ）は第５のロッ
クインアンプ。

（７Ｃ）は第４のロックインアンプ（５ｄ）に出力され
る第３の発振器、（１２ｃ）は第３のピエゾ素子。

（１３ｄ）は第４の増幅器であって、第３の光検出器（
４Ｃ）からの出力信号を増幅して第３のロックインアン
プ（５Ｃ）および第５のロックインアンプ（５ｅ）に出
力する。（１４ａ）は第２のピエゾ素子（１２ｂ）上に
取り付けられた第１のミラー、（１４ｂ）は第３のピエ
ゾ素子（１２Ｃ）上に取り付けられた第２のミラー、（
１５）は位相コントローラであって、その入力側が第４
のロックインアンプ（５ｄ）と接続され、その出力信号
と第３の発振器（７Ｃ）の出力信号との加算信号が、第
３のピエゾ素子（１２ｃ）に加えられる。（１６）は位
相変調振幅コントローラであって、その入力側が第５の
口・ンクインアンプ（５ｅ）および第２の発振器（７ｂ
）と。

その出力側が第２のピエゾ素子（１２ｂ）とそれぞれ接
続されている。

上記のように構成された光ファイバジャイロスコープに
おいて１回転検出は第２図に示す従来例と全く同様にし
て行う、すなわち、角周波数ωりで光ファイバ（９）と
光ファイバカップラ（８）からなる光ファイバリング共
振器の共振器長を微少に変調し、この光ファイバリング
共振器を右回りに通過したレーザ光を第２の光検出器（
４ｂ）で検出する。さらに、レーザ光強度に含まれる角
周波数ω、酸成分第２のロックインアンプ（５ｂ）で検
出し、それが常に０となるように共振器長コントローラ
（６）を用いて共振器長にフィードバックし。

レーザ光の周波数、すなわち動作点をリング共振器の共
振点に安定化する０回転が加わった場合。

サニヤック効果のため左回り光については動作点が共振
点からずれるため第１の光検出器（４ａ）の出力には角
周波数ω、酸成分現れる。それを第１のロックインアン
プ（５ａ）で検出することにより。

回転方向と回転角速度に応じた出力を得ることができる
。

従来例においては１反射光の影響を低減するための位相
変調を、光ファイバ（９）の長さを第２のピエゾ素子（
１２ｂ）で変調することにより行っていたが、この実施
例においては、第２のピエゾ素子（１２ｂ）上に取り付
けた第１のミラー（１４ａ）を振動させることにより行
っている。この第２のピエゾ素子（１２ｂ）と第１のミ
ラー（１４ａ）により角周波数ω、、ｉ幅θ１で位相変
調されたレーザ光は、第３のハーフミラ−（３Ｃ）で分
岐され、−方は光ファイバリング共振器へ導かれるが、
他方は第４のハーフミラ−（３ｄ）を経て第３の光検出
器（４ｃ）へ入射する。一方、第１のハーフミラ−（３
ａ）で二分岐されたもう一方のレーザ光は第２のハーフ
ミラ−（３ｂ）で再び分岐され、一方は光ファイバリン
グ共振器へ導かれるが、他方は第３のピエゾ素子（１２
ｃ）と第２のミラー（１４ｂ）により角周波数ω２．振
幅θ２で位相変調された後。

第４のハーフミラ−（３ｄ）を透過して第３の光検出器
（４ｃ）へ入射する。この第３の光検出器（４Ｃ）上で
は２つの光が干渉し１次式で与えられる出力Ｓ　４ｃが
第３の光検出器（４Ｃ）の出力より得られる。

５４ｃ＝１＋ｃｏｓφＪ、（θ、）Ｊ、（θ２）＋２ｃ
ｏｓφ（Ｊｏ（θ１）ΣＪ２１（θ２）ｅｏｓ２ｎω２
を弓。（θ２）Σ　Ｊ　２１１（θ＋　）ｃｏｓ２ｎｉ
ｉ、　ｔ　÷２ΣＪ　２．（θ２）ｃｏｓ真：ｌ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　０１２ｎω２ＬΣ
、ｒｚ＋＋（θ１）ｃｏｓ２ｎｕ己＋ｔ＊１ （θ２）ｓｉｎ（２ｒ＋＋１）υ２１）＋２ｓｉｎφ（
ニーＪ、（θ２）ΣＪ３Ｔｈ４１（θ＋）ｓｉｎ（２ｎ
＋１）ｕ＋ｔ＋Ｊ０（θ、）ΣＪ２＋ｌ＋１（θ２）ｓ
ｉｎ（２ｎ÷１）ｇｚｔＪ２ｆｉ＊＋　（θｚ）ｓｉｎ
（２ｎ＋１）１１ｚｔ）　　　　　（２＞ここで、Ｊν
（θ、）（ｉ＝１．２）は、ν次のベッセル関数を表わ
す、また、φは第１のハーフミラ−（３ａ）で分岐され
たのち、第３のハーフミラ−（３ｄ）で合波されるまで
の両レーザ光間の平均的位相差である。

第３の光検出器（４ｃ）の出力Ｓ＜Ｃは、まず第２の発
振器（７ｂ）よりの角周波数ω１の信号を参照信号して
、第３のロックインアンプ（５ｃ）の出力Ｓｓｃは第（
２）式より次式で与えられる。

Ｓ、ｃ＝２Ｊ、（θ、）（２ｃｏｓφΣＪ２１１４＋（
θ２）ｓｉｎ（２ｎ＋１）ｍ２ｔ−ｓｉｎφ（Ｊｏ（θ
２） ＋２ΣＪ２−（θ２）ｃｏｓ２ｎωｔ））　　（３）員
；１ さらに、第３の発振器（７ｃ）よりの角周波数ω２の信
号を参照信号として第４のロックインアンプ（５ｄ）に
より、この出力Ｓｓｃに含まれる角周波数ω２成分を検
出する。第４のロックインアンプ（５ｄ）の出力Ｓｓａ
は次式で与えられる。

Ｓ　Ｓ、＝４Ｊ、　（θ、）Ｊｌ（θｚ）ｅｏｓφ　　
　　　　　　　〈４）第（４）式より、φが（π／２）
−α［α：微少量］である時と（π／２）＋αである時
、あるいは（３π／２）−αである時と（３π／２）＋
αである時で出力ＳＳａの符号が反転することがわかる
。従って、この出力Ｓ　ｓａを位相コントローラ（１５
）、第３のピエゾ素子（１２ｃ）、第２のミラー（１４
ｂ）を用いて位相差φにフィードバックし、この出力Ｓ
ｓａを常に０とすることにより位相差φはπ／２．ある
いは３π／２に固定される。

第３の光検出器（４Ｃ）の出力の内のもう一方は。

第５のロックインアンプ（５ｅ）により、角周波数ω２
が検出される。ここで、第５のロックインアンプ（５ｅ
）の時定数τを、τ）１／ω１とし、検出信号に含まれ
る角周波数０１以上の交流成分を除去する。その時、第
５のロックインアンプ（５ｅ）の出力Ｓ３．は第（２）
式より次式で与えられる。

ｓ　、、＝ｚＪ、（θｌ）Ｊ　ｌ（θ２）ｓｉｎφ　　
　　　　　　（５）φはπ／２．あるいは３π／２に固
定されており、またθ２も一定であるため、出力Ｓ５．
はθ１の変数となる。いま、Ｊｏ（θ、）が０となるθ
１の値をθ。とすると、θ１がθ。−α（α：微少量）
である時とθ。＋αである時とで出力Ｓ１．の符号が反
転することがわかる。

従って、出力Ｓ３．を位相変調振幅コントローラ（１６
）を通じて位相変調振幅θ１にフィードバックし、出力
Ｓ１．を常に０とすることにより、θ、は常にθ。に固
定され、Ｊｏ（θ、）を常に０とすることができる。

反射光の影響により生じる出力ドリフトは、Ｊｏ（θ、
）に比例する。従って、Ｊｏ〈θｌ）がＯに固定される
ことにより、出力ドリフトを大幅に低減することができ
る。

なお、上記実施例では第３のロックインアンプ（５ｃ　
）、第４のロックインアンプ（５ｄ）、第５のロックイ
ンアンプ（５ｅ）の参照信号としてそれぞれ角周波数ω
３．角周波数ω２．角周波数ω、の信号を用いたもめ示
したが、角周波数（２Ｍ、−１）ω１゜角周波数（２Ｍ
ｚ−１）ω２．角周波数（２Ｍｓ−１）ω２．あるいは
角周波数（２Ｍ、−１）ω０．角周波数２Ｍ２ω２゜角
周波数２Ｍ、ω２．あるいは角周波数２Ｍ、ω１．角周
波数（２Ｍ２−１）ω２．角周波数２Ｍ、ω２．あるい
は角周波数２Ｍ、ω３．角周波数２Ｍ、ω２．角周波数
（２Ｍ　、−１）ωｚ（Ｍｌ、Ｍ２．Ｍ３：任意の自然
数）をそれぞれ参照信号として用いてもよい。

また、上記実施例では第１のハーフミラ−（３ａ）によ
り分岐されたレーザ光を角周波数ω、と角周波数ω２で
それぞれ位相変調したのち第３の光検出器（４Ｃ）上で
干渉させているが２分岐されたレーザ光の一方のみを角
周波数ω１と角周波数ω２で位相変調し１位相変調して
いないレーザ光と第３の光検出器（４Ｃ）上で干渉させ
てもよい。

また、ハーフミラ−（３ａ）〜（３ｄ）の一部あるいは
全部を光ファイバカップラで置き換え、光路の一部ある
いは全部を光ファイバで置き換えてもよい。

また、上記実施例ではリング共振型光ファ身バジャイロ
スコープの場合について説明したが、干渉型光ファイバ
ジャイロスコープなど３位相変調振幅を高精度で設定す
る必要のある装置であってもよく、上記実施例と同様の
効果を奏する。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、レーザ光源と。

このレーザ光源からの出射光を二分岐するための第１の
ハーフミラ−と、光ファイバカップラと光ファイバとか
ら成る光ファイバリング共振器と。

この光ファイバリング共振器外部の光路中に設けられた
複数の位相変調器と、前記光ファイバリング共振器内を
右回りおよび左回りに伝搬した光を２つの光検出器へ導
くための第２および第３のハーフミラ−と、この第２お
よび第３のハーフミラ−とで前記二分岐された光を干渉
するように光路中に配置された第４のハーフミラ−と、
レーザ光の角周波数成分を検出する複数のロックインア
ンプと、前記光ファイバリング共振器の動作点の共振点
への安定化のための第１の制御系と、前記二分岐された
光の位相差を安定化するための第２の制御系と、前記光
の位相変調振幅安定化のための第３の制御系とを備え１
位相変調振幅コントローラにより位相変調振幅θ１をＯ
次ベッセル関数Ｊ０（θ１）が０となる値に設定できる
ようにしたので。

反射光や散乱光の影響を低減でき、低ドリフト。

高怒度の装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光ファイバジャイロ
スコープの構成図、第２図は従来の光ファイバジャイロ
スコープの構成図である。 図において、（１）・・・レーザ光源、（２ａ）・・・
第１のレンズ、（２ｂ）・・・第２のレンズ、（３ａ）
・・・第１のハーフミラ−、（３ｂ）・・・第２のハー
フミラ−、（３ｃ）・・・第３のハーフミラ−１（３ｄ
）・・・第４のハーフミラ−、（４ａ）・・・第１の光
検出器、（４ｂ）・・・第２の光検出器。 （４Ｃ）・・・第３の光検出器、（５ａ）・・・第１の
ロックインアンプ、（５ｂ）・・・第２のロックインア
ンプ、（５ｃ）・・・第３のロックインアンプ。 （５ｄ）・・・第４のロックインアンプ、（５ｅ）・・
・第５のロックインアンプ、（６）・・・共振器長コン
トローラ、（７ａ＞・・・第１の発振器、（７ｂ）・・
・第２の発振器、（７ｃ）・・・第３の発振器。 （８）・・・光ファイバカップラ、（９）・・・光ファ
イバ、（１０）・・・記録計、（１１）・・・光アイソ
レータ、　（１２ａ＞・−、第１のピエゾ素子、（１２
ｂ）・・・第２のピエゾ素子、（１２ｃ）・・・第３の
ピエゾ素子、（１３ａ）・・・第１の増幅器、（１３ｂ
）・・・第２の増幅器、（１３ｃ）・・・第３の増幅器
。 （１３ｄ）・・・第４の増幅器、（１４ａ）・・・第１
のミラー、（１４ｂ）・・・第２のミラー、（１５）・
・・位相コントローラ、（１６）・・・位相変調振幅コ
ントローラである。 なお、各図中同一符号は同−又は相当部分を示第２図 手続補正書 昭和６３年４月４日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源と、このレーザ光源からの出射光を二
   分岐するための第１のハーフミラーと、光ファイバカッ
   プラと光ファイバとから成る光ファイバリング共振器と
   、この光ファイバリング共振器外部の光路中に設けられ
   た複数の位相変調器と、前記光ファイバリング共振器内
   を右回りおよび左回りに伝搬した光を２つの光検出器へ
   導くための第２および第３のハーフミラーと、この第２
   および第３のハーフミラーとで前記二分岐された光を干
   渉するように前記光路中に配置された第４のハーフミラ
   ーと、レーザ光の角周波数成分を検出する複数のロック
   インアンプと、前記光ファイバリング共振器の動作点の
   共振点への安定化のための第１の制御系と、前記二分岐
   された光の位相差を安定化するための第２の制御系と、
   前記光の位相変調振幅安定化のための第３の制御系とを
   備えたことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
2. （２）位相変調器はピエゾ素子から成ることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光ファイバジャイロスコ
   ープ。