JPH04106418A - 光フアイバジヤイロ - 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】

この発明は自動車、飛行機、船舶など運動体の回転角速
度を測定するための光ファイバジャイロに関する。特に
光路の全てを光ファイバで構成した位相変調方式の光フ
ァイバジャイロに関する。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　】光ファイバジ
ャイロはファイバコイルの中を左廻り右廻りに伝搬する
光の位相差がコイルの角速度に比例することを利用して
角速度を求めるものである。 位相変調方式というのは、ファイバコイルの一方の端近
くの光ファイバの一部を伸縮させてこの中を伝搬する光
の位相を変調するものである。干渉光の強度を受光素子
で検出するがこの中には変調周波数及びその高調波信号
がベッセル函数を係数とする展開式の形で含まれる。そ
こで変調周波数またはその整数倍の周波数のキャリヤ信
号を作り、受光素子出力をこれによって同期検波すれば
基本波成分または任意の窩洞波成分を得ることができる
。 奇数次の高調波（基本波を含む）は ２ＥＩ　　Ｅ２　　Ｊ２−＋１（ξ）ｓｉｎΔθ　　　
　　　（１）と書くことができる。ただしＥ、、Ｅ２は
左廻り右廻り光の振幅、Ｊ２□や、（ξ）は（２ｍ＋１
）次ベッセル函数、Δθは左廻り光、右廻り光の位相差
である。ξは変調の大きさを表し、 である。ｂは位相変調の振幅、Ωは位相変調角周波数、
Ｌはファイバフィルのファイバ長、ｎはファイバ屈折率
、Ｃは真空中の光速である。 偶数次の高調波は ２Ｅ１　Ｅ２　　Ｊ２．、（ξ）ｃｏｓΔθ　　　　　
　（３）と書くことができる。光の振幅と変調の大きさ
ξとが安定していれば基本波たけから位相差Δθを求め
ることができる。 変調の大きさξを一定にするためには、適当な偶数次高
調波が０になるように、位相変調器駆動回路を制御すれ
ばよい。するとＪ２．ｌ（ξ。）＝０となる２ｎ次ベッ
セル函数の零点にξが固定される。 光の振幅が変動するのであれば、基本波を４倍高調波で
割ってｔａｎΔθの形で位相差を求めれば良い。 位相変調方式の光ファイバジャイロについては、特願平
１−５７Ｅｉ３４〜３７、特願平１−２９１［ｉ２Ｂ〜
３１．１−２９５５００、特願平２−３８０９．２−１
００５５などの発明がなされている。 光ファイバジャイロは、左廻り光と右廻り光を干渉させ
るのであるから、偏波面が同一でなければならない。偏
波面が異なると干渉光は偏波面の挟角の余弦に比例する
値となるし、偏波面が直交すれば光は干渉しない。 そこで左廻り光右廻り光の偏波面を揃えなければならな
い。シングルモード光ファイバの場合は縮退した２つの
偏波面の光が同一の位相定数で伝搬するから、偏波面が
回転する。 そこでシングルモード光ファイバではなく偏波面保存光
ファイバによって光路の大部分を構成し、光が２つに分
割される前に偏光子を通して直線偏光にしておくという
工夫が考えられる。偏波面が直交２軸に対して保存され
る。偏波面回転が起こらないので、左廻り光右廻り光の
偏波面を揃えて両者を干渉させることができる。 しかし偏波面保存光ファイバは単なるシングルモード光
ファイバに比べ高価であるので極めて高額の光ファイバ
ジャイロになってしまう。 やはりファイバコイルや光路の大部分は単なるシングル
モード光ファイバによって製作したいものである。とこ
ろがシングルモード光ファイバにはいくつかの問題があ
る。 シングルモードといっても位相定数についてひとつのモ
ードしか立たないということであり、偏波面の直交する
２つのモードが実際には存在する。偏波面の異なるモー
ドは理想的には独立であるが、位相定数が巨視的には同
一であるから偏波面の回転が起こりうる。 異なる偏波面を持つモードは微視的な位相定数のゆらぎ
が異なるので、同じ距離だけ伝搬しても実効的な光路長
が同じということはない。 そこで偏波面の異なる２つのモードの伝搬を許すとする
と、光路長の異なる左廻り右廻りの光が干渉することに
なり、干渉光にオフセットが含まれる。ここでオフセッ
トというのは、コイルの角速度Ω。がＯであるのに位相
差ΔθがＯでない場合Δθの０からのずれをいう。実効
的な光路長が違うのであればこれは当然のことである。 左廻り光右廻り光が厳密に同じ経験をしなければならな
い。このためには左廻り光右廻り光に分ける前に偏光子
に通して偏波面を一方向に固定するのが有効である。こ
うするとシングルモードファイバの中にひとつの偏波面
のモードしか通らないので、光路長が同一になるのであ
る。ここまでは前述の偏波面保存光ファイバの場合と同
じである。 しかしシングルモード光ファイバでは偏波面の回転が起
こりうるので、これだけでは不十分である。偏光子を通
って直線偏光になってからファイバコイルを伝搬し、再
び偏光子を反対向きに通過する。この時偏波面が偏光子
の主軸と一致するとは限らない。主軸となす角をψとす
ると、偏光子を通り抜ける光量はＣＯＳψに比例して減
少する。 この角度が左廻り右廻り光によって同一とは限らないし
、温度によっても変動する。 そこでシングルモード光ファイバを用いるときには、偏
光子の他に、デボラライザ（ｄｅｐｏ　１ａｒ１ｚｅｒ
）を必要とする。これは任意の直線偏光を無偏光に変換
するものである。 例えば、 Ｋ、Ｂｉｊｈｍ　ｅｔ　ａｔ、：”Ｌｏｗ−Ｄｒｉｆｔ
　Ｆｉｂｅｒ　Ｇｙｒｏ　Ｕｓｉｎｇ　ａＳｕｐｅｒｌ
ｕｍｌｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ”、ＥＬＥＣＴＲＯ
ＮＩＣ５ＬＥＴＴＥｌ’ｌＳ。 ｖｏｌ、Ｉ７．Ｎｏ、ＩＯ，ｐ３５２（１９８１）にこ
のような光ファイバジャイロが提案されている。第２図
に構造を示す。 発光素子１から出射された光はレンズ２１、ビームスプ
リッタ２２、偏光子２３、レンズ２４を経て光ファイバ
２５の一端に入射する。これは光を集光させて小さいフ
ァイバコアに入射するものであるが偏光子２３があるの
で直線偏光になっている。つまりひとつの偏波面のモー
ドのみを通すようにしているのである。このファイバ２
５はカップラ２６により他のファイバ２７と結合してい
る。ここで左廻り光と右廻り光に分離される。右廻り光
はファイバ２５から一旦空間に出てレンズ２８、デポラ
ライザ２９、レンズ３０を経て再びファイバ３に入りフ
ァイバコイル４を右廻りに伝搬する。この後位相変調器
５を通る。 左廻り光はファイバ２７から位相変調器５を通すファイ
バコイル４を左廻りに伝搬する。この後デボラライザ２
９を通過する。デポラライザ２９は直線偏光を無偏光に
するもので、偏光子と逆の働きをする。これはＬｙｏｔ
　ｄｅｐｏｌａｒｌｚｅｒといい）複屈折性を持つ結晶
２枚を光学主軸が４５°捩じれたように貼り合わせたも
のである。その厚みは１：２になっている。しかも何れ
の結晶の厚みも、光の可干渉長（コヒーレントレングス
）より、異常光、常光線の光路差が長くなるようになっ
ている。薄いデポラライザを使おうとすると、可干渉長
の短い発光素子が必要である。 第２図のものはシングルモード光ファイバを使うもので
、偏光子、デボラライザを用いることにより偏波面回転
による出力変動の問題を解決している。 同じ（Ｂ６ｈｍ等は第３図に示す光ファイバジャイロを
も提案している。発光素子１から出射された光がシリン
ドリカルレンズ３３、レンズ３４．３５を経て絞られフ
ァイバ３６の一端に入射する。 このファイバ３６はカップラ３７により、受光素子３６
につながるファイバ３２に連結している。 ファイバ３６から出射した光はレンズ３８、偏光子３９
、レンズ４０を通って他のファイバ４１に入射する。カ
ップラ４２によりこの光が左廻り光と右廻り光に分岐さ
れる。 右廻り光は、ファイバ端４３から自由空間に出て、レン
ズ４５、デポラライザ４６、レンズ４７を通り光ファイ
バ３のコアに入射する。そしてファイバコイル４を右廻
りに通過し、位相変調器５を通りカップラ４２から偏光
子３９へと戻ってゆく。 左廻り光は、カップラ４２から位相変調器５を通り、フ
ァイバコイル４を左廻りに回って、デポラライザ４６を
反対向きに通過する。 第２図の装置も第３図の装置も先ず偏光子で偏波面をひ
とつに固定し、この後２つの光に分けてデポラライザを
通して無偏光にしている。左廻り光と右廻り光は位相変
調器５を通ることにより異なる時刻に位相変調を受ける
。受光素子出力は変調信号に同期してロックインアンプ
（図示せず）て増幅される。位相変調方式としての処理
は従来のものと同様である。 デボラライザを通るので無偏光になり、これが偏光子を
再び通る。それぞれの光成分は偏光子の主軸となす角の
余弦たけが通過することになる。 従って偏波面回転が起こっていたとしても偏光子を通過
することによる光量の変動、減退の問題を回避できる。

【発明が解決しようとする課題】

第２図、第３図に示すものは実験室で組み立てた装置で
あって実用機ではない。実用的な軽量小型のものにする
ためには偏光子やデポラライザをファイバ化する事が強
く望まれる。偏光子、デポラライザはこの実験ではバル
クの光学部品を使っておりファイバよりずっと大きい。 これらの部品に平面波として光を通すために、レンズを
前後に配置しなければならない。このため嵩ばった装置
になってしまう。 偏光子やデポラライザを光ファイバで作ることができる
。これは良（知られている。これらの部品を光ファイバ
化して初めて実用的なものになるまたプリズムよりなる
ビームスプリッタを使うのは同様に望ましくなく、これ
は光ファイバカップラに置き換えるべきである。すると
第３図のような構成になるが、このバルク光学部品であ
る偏光子、デポラライザを光ファイバで置き換えるとそ
れでよいかというとそうではない。 発光素子１から出射された光は直線偏光であるが、これ
が偏光子に至るまでの光ファイバにおいて偏波面回転す
る可能性がある。この部分の中継ファイバは短いもので
あるが、発光素子１の出射光の偏光方向と、ファイバ型
偏光子の偏光方向とを合致させることが難しい。もしこ
れが合致していないと、通過する光量が少なくなる。第
２図、第３図のようにバルク光学結晶の偏光子を用いる
場合は、受光素子に到達する光量が最大になるよう偏光
子を回転して調整できる。しかしファイバ型偏光子の場
合は、シングルモード光ファイバと融着結合して初めて
光が通るわけであるから、偏光子の偏波方向を調整する
ことはできない。 発光素子の方を回転して偏光方向を一致させることがで
きたとしても、シングルモード光ファイバであるので、
温度変化や応力によって偏波面が回転することがある。 するとやはり偏光子を通過する光量が減少し、スケール
ファクタが変動する偏光子よりもファイバコイルに近い
部分の光ファイバ中での偏波面回転の問題は、ファイバ
コイルの近傍にデポラライザを入れることにより解決で
きた。しかし偏光子よりも発光素子に近い方の光ファイ
バ中での偏波面回転の問題はいまなお解決ができていな
い。

【課題を解決するための手段］ 本発明の光ファイバジャイロは、偏光子、デボラライザを含む全ての光路を光ファイバ化したものである。そして発光素子から出射された光と偏光子の偏波の違いの問題を避けるために発光素子から出射された光を直接にファイバ型偏光子に入射する。勿論発光素子の直線偏光の方向とファイバ型偏光子の偏光方向とを合致させておく。 ファイバ型偏光子を通った光を分岐しファイバコイルの両端に入射し左廻り光右廻り光として伝搬させる点は変わらない。位相変調を掛は受光素子出力を変調周波数とその整数倍のキャリヤ信号で同期検波する点も従来のものと同じである。 ただし偏光子は偏波面保存光ファイバの曲げによる損失の波長特性の立ち上がりが、直交偏波間で分離することを原理とするファイバ型偏光子である。 【　　作　　用　　】

本発明の装置に於いては発光素子のすぐ後にファイバ型
偏光子を光学主軸が発光素子の偏光と一致するように設
け、発光素子の光が空間伝搬した後始めて結合される光
ファイバがファイバ型偏光子の偏波面保存光ファイバで
あるので、偏波面回転の問題が起こらない。 ファイバ型偏光子を通った光は直線偏光になりシングル
モードファイバの中を伝搬する。これは分岐素子を通っ
て右廻り光左廻り光になるがファイバコイルの近傍には
デポラライザを入れるので無偏光になりこれが前記のフ
ァイバ型偏光子を反対向きに通る。両廻り光ともに無偏
光であるからたとえ偏波面回転が起こったとしてもファ
イバ型偏光子を反対向きに通る光量は一定である。この
ためファイバに加えられた応力、温度変化によっても出
力光量が変動しない。 ファイバ型偏光子を通る光量が一定するからスケールフ
ァクタが変動しない。高精度の角速度測定を行うことが
できる。 ただし発光素子とファイバ型偏光子とを直接結合するの
で発光素子と受光素子とに光を分岐させる部分をファイ
バカップラとすることができずビームスプリッタを用い
なければならない。しかしこれは発光素子の光をファイ
バコアに入射させるための集光光学系の中に入れること
ができるのでこのために装置が大型になるということは
ない。

【　　実　　施　　例　　】

第１図は本発明の実施例を示す。これは光路が全て光フ
ァイバで構成されている。ただしシングルモード光ファ
イバを主としているが、偏波面保存光ファイバを一部に
用いている。 この光ファイバジャイロは、発光素子１、ビームスプリ
ッタ２、デボラライザ３、ファイバコイル４、位相変調
器５、受光素子６、ファイバカップラ７、ファイバ型偏
光子９、集光光学系１０などを含む。これらの部品が光
ファイバにより相互に連結されている。 発光素子１は単色光を出す光源である。レーザダイオー
ド、スーパールミネッセントダイオードが用いられる。 ただしコヒーレント長が短いものでなければならない。 本発明では発光素子１から出射した光を集光光学系１０
を通して空間伝搬させ、直接にファイバ型偏光子９に入
射する。直接にというのはシングルモード光ファイバを
通すことなくということである。ファイバ型偏光子９の
偏波面と発光素子の直線偏光の偏波面とが合致するよう
にする。これは受光素子の出力をモニタしながら発光素
子を回転するか、ファイバ型偏光子の偏波面保存光ファ
イバの端を回転して受光素子出力最大になる方向を捜す
ことによって容易になされる。ファイバ型偏光子と発光
素子の間にシングルモード光ファイバが介在しないので
偏波面回転の問題は起こりようがない。 ファイバ型偏光子９は偏波面保存光ファイバを円筒に巻
き付けたものである。偏波面保存光ファイバの曲げによ
る損失の波長特性の立ち上がりが直交偏波面間で分離す
ることを原理とするものである。簡単にいえば直交する
偏波面を持つ２つのモードの内、ひとつのモードが放射
モードとなって減衰するから残りのひとつのモードの光
だけがこの中を通過できる。だから偏光子と等価の働き
をする。 集光光学系１０をなすレンズの間にビームスプリッタ２
がある。これはファイバ型偏光子９を通ってきた左廻り
光右廻り光を反射して受光素子６に入射させるものであ
る。 デポラライザ３は直線偏光を無偏光にする素子である。 このデポラライザ３を入れることは第２図、第３図にも
現れており良く知られている。 デポラライザ３も光ファイバで作る。これは第４図で示
すように偏波面保存光ファイバ２本を、光学主軸が４５
″をなすように軸方向に接続したものである。そして２
つの偏波面を持つ光の光路差が発光素子のコヒーレント
長以上であるようにする。２つの光ファイバの長さは２
：１である。 ファイバコイル４はシングルモード光ファイバを多数回
巻き回したものである。位相変調器５は円筒形の圧電振
動子にファイバコイルの一端近くの光ファイバを巻き付
けたものである。圧電振動子に交流の励起電圧を与える
とこれが半径方向に膨縮するので光ファイバが伸縮しこ
の中を伝搬する光の位相が変化する。 受光素子６はｐｌｎホトダイオードなどであり、ファイ
バコイルを左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する。 ファイバカップラ７は２本の光ファイバの被覆を開離し
て接近させ融着して引き伸ばしたものである。コア間の
距離が小さいのでエバネッセント結合する。一方の端か
ら光を入れると、他方の端に半分ずつの光パワーが出て
くるように調整して作る。ビームスプリンタのように嵩
高くなくて小型の分岐素子である。 次にファイバで形成される光路について説明する。第１
ファイバ光路１１はファイバ型偏光子９とファイバカッ
プラ７の間を連絡する。シングルモード光ファイバであ
る。 第２ファイバ光路１２は自由端ををする短いファイバ光
路である。第１ファイバ光路１１と第２ファイバ光路１
２がファイバカップラ７の一端に接続されていいる。第
３ファイバ光路１３と第４ファイバ光路１４はファイバ
コイル４の両端部分で、いずれもファイバカップラ７の
他端に接続されている。 位相変調器５、デポラライザ３は、第３、第４ファイバ
光路１３．１４の何れかに設けられる。 この例では両者が異なる光路に配分されているが、同一
の光路にあっても差し支えない。 発光素子１より出射された光は直線偏光であるが、空間
伝搬した後主軸の一致したファイバ型偏光子９に入射す
る。この間直線偏光が維持されるこの後融着接続点２０
を経てシングルモード光ファイバである第１ファイバ光
路１１に入る。これがファイバカンブラフを通って２つ
の光に分離しファイバコイル４の中を左廻り光右廻り光
として伝搬する。途中で位相変調器５によって位相変調
を受ける。またデポラライザ３によって無偏光になる。 無偏光になった後ファイバカップラ７を反対方向に通っ
てファイバ型偏光子９に入り直線偏光になる。外力や温
度により光ファイバ中て偏波面が回転しても、無偏光な
のであるからファイバ型偏光子９を通過した光量には影
響がない。 これがビームスプリッタ２で反射され受光素子６に入る
。受光素子出力は増幅され同期検波される。基本波、高
調波の値からファイバコイルの回転角速度を求めること
ができる。

【　　発　　明　　の　　効　　果　　】発光素子から
出射された光を直接にファイバ型偏光子に入れているか
ら発光素子と偏光子の間での光の偏波面回転という問題
が全くない。このため温度変化、外部応力によって偏波
面回転し偏光子を通過する光量が変動することがない。 高精度で安定した角度測定が可能となる。全ての光路を
光ファイバによって構成したスケールファクタの安定し
た光ファイバジャイロを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの構
成図。 第２図は従来例に係る光ファイバジャイロの構成図。 第３図は他の従来例に係る光ファイバジャイロの構成図
。 第４図は偏波面保存光ファイバによるデポラライザの概
略図。 １　・　・　０　・　・　・発　　光　　素　　子２・
・・・・Φビームスプリッタ ３１１・書・・・デボラライザ ４・・・・・Φファイバコイル ５・・＠Φ・９位相変調器 ６　・　・　・　・　・　・受　　光　　素　　子９　
・　Φ １０　＠ １１　・ １２　・ １３　・ １４　・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ファイバコイルの中を左廻り右廻りに光を伝搬さ
   せ両廻り光の位相差からファイバコイルの回転角速度を
   求めることを原理とする光ファイバジャイロであって、
   単色光を生ずる発光素子と、シングルモード光ファイバ
   を多数回巻回したファイバコイルと、ファイバコイルの
   中を左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光の強度
   を検出する受光素子と、発光素子につながる第１ファイ
   バ光路と自由端を持つ第２ファイバ光路とを、ファイバ
   コイルの両端につながる第３ファイバ光路と第４ファイ
   バ光路とに結合するファイバカップラと、第１ファイバ
   光路の前端に設けられるファイバ型偏光子と、ファイバ
   コイルの一方の端近くに設けられ光ファイバ中を伝搬す
   る光の位相を変調する位相変調器と、発光素子で出射さ
   れた光を前記ファイバ型偏光子に入射させファイバ型偏
   光子から出射された光を受光素子に入射させるビームス
   プリッタとを含み、光路が全て光ファイバで構成されて
   おり、ファイバ型偏光子が偏波面保存光ファイバの曲げ
   による損失の波長特性の立ち上がりが直交偏波間で分離
   することを利用したものであり、発光素子から出射した
   光が空間伝搬した後初めて結合される光ファイバが前記
   ファイバ偏光子の偏波面保存光ファイバであることを特
   徴とする光ファイバジャイロ。