JPH04500725A - 偏波回転リング経路を有する受動リング共振器ジヤイロ - 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】 偏波回転リング経路を有する受動リング共振器ジャイロ発明の背景 本発明は、慣性回転を感知するために閉鎖リング共振経路に逆方向に注入される ！対の電磁波を利用するジャイロスコープＶＣ関する。波は何らかの形態の電磁 導波管によってリング経路を巡って伝搬するようになる。さらに詳細にいえば、 本発明は、リング経路の外部にあるエネルギー源から受動リング共振器経路に導 入される、２つの逆方向に伝搬する電磁波の共振振動数の差が回転速度に直線的 に比例するような受動リング共振器ジャイｔ＝に関する。

周知のＳａｇｎａｃ効果は、閉鎖リング経路を巡って逆方向に伝搬した後の２つ の電磁波の相対位相の差が存在することを定量的に表わす。Ｓａｇｎａｃ効果を ジャイロに適用する場合、位相の差はリング経路の平面に対し垂直な軸に関する 慣性回転速度に正比例する。リング経路は閉じ【いるので、波は複敷回にわたつ 【リングを巡って進むと思われる。導波管リング構造はいくつかの光学的振動数 で共振する。Ｓａｇｎａｃ位相差のために、慣性回転があるとき、逆方向に伝搬 してゆく波に関する共振振動数は、２つの逆方向に伝搬する波が進む有効閉ルー プ経路長に差がでることによって異なってくる。この振動数差は、逆方向に伝搬 している波の共振振動数の差を測定することｋより測定しうる慣性回転速度に正 比例する。さらに、ジャイロの振動数差と、回転に対する感度は閉鎖リング導波 管経路が規定している面積と、導波管経路の周囲と、導波管の有効屈折率及び導 波管内部の材料と、波の自由空間波長との関数である。

従来の受動リング共振器ジャイｐｆｊｔ術では、一般に、動作は各方向に単偏波 を利用し、はぼ例外なく両方向に同一の偏波を利用することＶＣ限定されていた 。通常、電磁導波管は起こりうム２つの偏波の伝搬波を維持することができ、最 も一般的な偏波は直線偏波された水平方向の波と、垂直方向の波であるが、シス テムによっては、１対の楕円偏波又は右円偏波と、左円偏波であっても良い。

同様に、そのような電磁導波管材料から構成されるリング共振器においては、リ ングを巡るそれぞれの方向に２つの偏波状態が存在する。それらの状態を一般に は共振偏波固有状態といい、それぞれの状態は真数の共振と関連している。偏波 固有状態は、本質的には、リングを一周又は何周かしだ後Ｋ、リングのどの箇所 でも偏波の状態を変えない偏波の状態である。偏波の固有状態は、Ｈ，ｄｅＬａ ｎｇによるｒＥｉｇｅｎｓｔａｔｅｓ　ｏｆ　Ｐｏ１ａｒｊｚａｔｉｏｎ　ｉｎ 　Ｌａ５ｅｒｓＪ　を表題とする刊行物（Ｐｈ１ｌｉｐｓ　Ｒ５５ｅａｒｅｈ　 Ｒｅｐｔｓ第１９巻、４２９〜４４０ページ、１９６４年）と；ｖ、Ｙａ、Ｍｏ １ｃｈａｎｏｖ及びＧ、Ｖ、　Ｓｋｒｏｔｇｋｉ　ｉ　Ｋよる［Ｍａｔｒｉｘ　 Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｃａ１ｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｏ ｌａｒｉｇａｔｉｏｎ　Ｅｉｇｅｎｓｔａｔｅｇ　ｏｆ　Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｊ ｅ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｒｅ５ｏｎａｔｏｒｓＪを表題とする刊行物（５ｏｖｉｅ ｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕｒｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第１巻第 ４号、３１５〜３３０ページ、１９７２年１〜２月）とに詳細に記載されている 。さらに、受動リング共振器ジャイロにおける偏波の固有状態は、Ｋ。

夏ｗａｔｓｕｋｉ、に、Ｈｏｔａｔｓ及びｕ、Ｈｉｇａｓｈｉｇｕｃｈｉによる ｒＥｉｇｅｎａｔａｔｅａｏｆ　Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　Ｆｉｂ ｅｒ　Ｒｉｎｇ　Ｒｅ５ｏｎａｔｏｒ　ａｎｄ　ＩｔｓＥｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ａ ｎ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐａ５ｓｉｖｅ　Ｒｌｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒ　Ｇｙｒｏ Ｊを表題とする刊行物（Ａｐｐｌ、Ｏｐｔ、２５ｊ５．２６０２〜１２（１９８ ６年））Ｋ論じられている。これらの参考文献は本明細書に参考として取入れら れている。

偏波の固有状態はけば水平の直線偏波及びほぼ垂直の直線偏波、楕円偏波などく ような複雑な行動を示すことができる。

従来の技術のリング共振器は、ごく水平に近い直線偏波固有状態と、ごく垂直に 近い直線偏波固有状態とを有する共振器である場合が多い。従来の技術のリング 共振器ジャイロでは、起こりうる双方の偏波の励起と、２つの異なる偏波につい て起こりうるはぼ同一の共振振動数とがジャイロの動作を阻止するか、又はその 性能を劣化させる可能性がある。この問題を軽減するためＫ、通常は各方向の２ つの偏波を何らかの手段、すなわち、外部源が他方の望ましくない偏波を励起し ないように４Ｉ殊な手段を設けることにより抑制する。望ましくない偏波の問題 を防止するための従来の方式は、４Ｉｋ、光波を慎重に偏光制御、厳しい構成要 素の許容差及び／又は２つの偏波固有状態の一方について高い偏波損失を導入す ることに依存している。これらの方式は一般に実現するのにコストがかかり、複 雑であり及び／又は他の誤差の原因を招きかねない。

本発明の目的は、ジャイロスコープを製造するため忙一方の偏波の波を抑制する 必要性をできる限り少な（することである。

本発明では、波の偏波をリング経路を巡って一周するごとに指定通りに回転させ る電磁導波管リング経路から受動リング共振Ｗｓ：）ヤイロを構成する。波の偏 波回転は導波管の伝搬の中心線軸を中心とするものである。本発明に従った偏波 回転はリング経路に沿ったいくつかの可能な位置のどこで導入されても良く、ま た、様々に異なる方法で実施されて良い。本発明は以下の実施例に限定されるも のではないが、本発明の一実施例として、リング経路のいずれかの箇所でスプラ イスを導入し、スプライスの両側で直線複屈折導波管（リングを構成している） はスプライスの他方の側の導波管に関して回転される。偏波回転の量は任意であ るが、３０度、４５度又は９０度などの特定の値はより有利であろう。

図面の簡単な説明 図１は、従来の技術の光フアイバリング共振器ジャイロの概略ブロック線図、図 ２ａは、従来の技術の共振器カップラ及びリング共振器の詳細を示す。

図２ｂは、図１のリング共振器に単一の偏波が注入されたときの理想の光検出器 出力と、入力光振動数との関係を示す。

図３３は、−次偏波光波と、二次偏波光波とがリング共振器に注入されたときの 偏波維持ファイバを利用する図２ａのリング共振器の振動数応答を示す。

図３ｂ〜図３ｃは、温度の変化に対する図３ａの振動数応答を示す。

図４８は、本発明に従ったリング共振器を示す。

図４ｂは、図４ａのリング共振器の理想の振動数応答を示す。

図４ｃは、温度の変化に対する図４１のリング共振器の振動数応答を示す。

図５は、偏波回転を達成するための複屈折性にすぐれた光ファイバの光フアイバ スプライスの１例の横断面を示す。

図６は１図４ａＫ示した本発明の別の実施例を示す。

図７＆は、本発明によるスプライスなしリング共振器の一実施例を示す。

図７ｂは１図７ａのスプライスなしリング共振器の構成における複屈折光ファイ バカップラについて９０度の偏波回転を達成するための１つの機構を示す。

図８１乃至図８ｃは、本発明のさもに別の実施例を示す。

発明の詳細な説明 ここでは、リング共振器という用語は、１つの領域を取囲み且つ注入された電磁 波がリングを巡る２つの方向のいずれへも導波管構造を巡って、又はそれに沿っ て、又はそれを通って１周又は何周かすることができる閉リング又は閉ループ電 磁導波管構造のあらゆるものを指す。そのよ５な導波管は、中でも、インチグレ イテッドオプティックス、ミラーを含むバック光学、光ファイバ、金属マイクロ 波導波管などを含む。さらＫ、これ以稜、波という用語は、中でも、マイクロ波 、光学的光波など、レーザービーム源から発生された波のような可視波又は非可 視波を含むあらゆる電磁波を指す。一般に、ここでいう電磁波は干渉性の波であ る。

さらに、以下の説明では、ビームという用語と波という用語は互換性をもつもの とする。一般Ｋ、ビームは電磁波がたどる光の方向と、経路とを論じるために使 用され、波は波長、振動数、偏波状態、干渉などに関連する議論に％に適してい る。

電磁波源としてレーザービームを利用する受動リング共振器光学ジャイロは当紋 技術で良く知られており、ＥｔｅｋｉｅｌＫ発行された米国特許第４　、１３５ ．８２２号に詳細に説明されている。

従来の受動共振リングレーザ−ジャイロは、２つの逆方向に伝搬する光波の伝搬 のために’）ング共振器を含む。リング共振器は、一般に１複数の反射面、すな わちミラー、あるいは光ファイバから構成されており、リング共振器により形成 される閉鎖リング経路に活性利得媒体はない。２つの逆方向に伝搬する光波はリ ング共振器の外部の′１つ又は２つのレーザー光発生源により供給される。２つ の光波は、通常、部分透過ミラー、あるいは光フアイバカップラを介してリング 共振器に結合される。リング共振器の内部で波を両方向に共振状ＩＩＫ確定する ために２つの光波のそれぞれの振動数、あるいはリング経路の長さ及び２つの光 波の一方の振動数を変化させる目的で、独立したサーボループを使用しても良い 。

従来の技術による受動リング共振器ジャイロの中には、リング共振器に互いに逆 の第１の方向と、第２の方向とに結合される１対のレーザービームを発生するた めに１つのレーザー源を使用するものがある。従来の技術のいくつかの実施例で は、１つのサーボループは、第１の方向に伝搬してゆく波に関するリング共振器 の共振振動数をリング共振器に第１の方向に結合される光波の振動数と等しくさ せるために、リング共振器の光路長を変調する。他方のレーザービームは、リン グ共振器に第２の方向に結合される光波を第２の方向に伝搬してゆく波に関する リング共振器の共振振動数にさせるために振動数シフトされる。一般に、注入さ れる２つの光波の振動数を回転があるときのリング共振器の共振振動数と整合さ せるためＫは、２つのサーボ制御ループが必要である。

光ファイバから構成されるリング経路は特に受動リング共振器ジャイロに適して いる。これは、光ファイバによって、光ファイバが多数回巻付けられたコイルか ら成るリング共振器を形成できるからである。その結果得られるリング共振器は 、コイルの巻き数、すなわちループ数×１つのファイバループが境界を規定して いる面積に比例する感度を有する。

一般ｋ、受動リング共振器光フアイバジャイロは、１つの直線偏波の光波を発生 し且つ発射するレーザービーム源を含む。発射された光波は今度は分割され、リ ング共振器に結合されて、リング共振器の導波管に沿って逆方向に伝搬する２つ の光波を発生する。リング共振器の少なくとも一部は、偏波維持ファイバである 光ファイバにより形成されている−すなわち、その光ファイバは複屈折性にすぐ れている。従って、以上説明したシステムは、リング内を逆方向に伝搬してゆく 波をそれぞれ単一の直線偏波光波にしようとするようなものである。

光フアイバ受動リング共振器ジャイロにおいて、実用性に富み且つ有用なジャイ ロ性能パラメータを実現する際の障害は、所期の如く起こりうる２つの偏波の一 方のみではなく、リング経路の各方向で２つの偏波光波が励起されてしまうこと に起因すると考えられる。通常、これは単一の直線偏波状態を有する電磁波が発 射された場合でも起こる。リング共振器は４つの異なる共振光波−２つの方向の それぞれに２つの偏波があり、その偏波ごとに１つの波−の同時で互いに独立し た伝搬を維持する。

リング共振器の行動を理解するＫは、まず、一方の方向への２つの偏波共振波の みを考えると有用である。特殊な状況は別として、リングを巡る一方向へのそれ ら２つの共振光波は、名目上、複屈折ファイバのＸ軸と、Ｙ軸とに沿って偏波さ れる。従って、光は複屈折ファイバのＸ軸と、Ｙ軸とに沿って異なる速度で進む ので、各方向に起こりうる２つの偏波について共振リングは異なる共振振動数を 有することになる。（定義の上では、複屈折ファイバのＸ偏波軸に沿った屈折率 と、Ｙ偏波軸に沿った屈折率とは異なる。）ファイバリングの光路長は各方向へ の偏波光波ごとの共振振動数を決定するので、環境条件、％に温度によって光路 長が変化すると、ジャイロの性能パラメータに大きな影響が出る。一般に、受動 リング共振器ジャイロでは、リング共振器の経路に沿って伝搬する波の振幅を検 出するために光検出器を利用する。検出器の出力は前述のサーボループに対する 制御入力となる。従って、光検出器は、実際には、少なくとも一部で双方の直線 偏波光波に応答する。そこで、リング共振器内部で共振状態で逆方向に伝搬する 光波を維持するジャイルサーボループも、双方の偏波の光の検出によって影響を 受ける。二次的な望ましくない偏波光波のこの意図しない励起と検出は、光フア イバリング共振器ジャイロにおける最大の誤差の１つを生じさせると考えられる 。

図１は、当該技術において知られている受動リング共振器光フアイバジャイロの 簡略化した概略図を示す。レーザー源１０はＢｅとして示されるレーザービーム な供給し、このレーザービームはビーム分割器２０によりビームＢｌ　と、ビー ムＢ２とに分割される。ビームＢｌは振動数シフタ２２を通過して、ビーム”Ｉ Ｉとして射出する。ビームＢ１□の一部はビーム分割器３０を通過して、７アイ バ４２に注入される、すなわち送り出される。同じように、ビームＢ、は振動数 シフタ２４を通過して、ビームＢ１２　として射出する。ビーム”１２は、光フ ァイバ４４へ送り出される前に、ビーム分割器３２を通過する。尚、ビーム分割 器３０及び３２は、リングから取出された戻りエネルギーを他のジャイロシステ ム構成要素に向かって再び導くために利用されるにすぎない。ビーム分割器の所 期の機能を、たとえば、光フアイバカップラなどの別の方式により実行させても 良い。

リング共振器５０は、方向性光カップラ６０に結合する第１のセグメント５３と 、第２のセグメント５４とを有する光ファイバ５２を含む。一般に従来の技術で は、リング共振器６０はスプライスを１つ使用した連続する光フッイノ２から構 成されており、ファイバ５２の一部が光カップラ６０を通っている。光フッイノ ；の全長を周知の方法により変化させるために、光ファイバ５２の一部は円筒形 の圧電（ＰＺＴ）素子７０に巻付けられているものとして図示しである。図示す る通り、光ファイバ４２及び４４もカップラ６０に結合している。

入力波をリングに結合し及び／又はリング経路に沿って進む波をリング部分から 取出すという所期の機能を実行するためＫ、カップラ６０を多種多様なバルク光 学技術、光フアイバ技術及びインテグレイテッドオプティクス技術により構成し て良いことを当業者は理解すべきである。カップラ６００１つの実際の実現形態 では、ファイバ４２及び４４は１本の連続するファイバの一部であり、ファイバ ５３及び５４も連続するファイバリング５０の一部である。この状況にお（・て は、ファイバリング５０は、周知のようにリング共振器経路に沿った何れかの適 切な場所に１つのスプライス（図示せず）を含む。

受動リング共振器構造の場合、カップラを介してリング共振器に結合されるエネ ルギーの量は、リング共振器に結合される入力波の振動数と、何らかのリング共 振器モードの共振振動数との差によって決まる。

に結合するように機能し、その結果、時計回り方向のビームＢｃｗと、反時計回 り方向のビームＢｃｃＷとが発生し、それらのビームはリング共振器５０の中を 互いに逆方向に伝搬する。ビームＢｃｗのエネルギーの大きさは、リング共振器 ５０に結合される入力ビームＢ□の振動数と、時計回り方向に進むビームに関す る共振器の共振振動数の１つとの差によって決まる。同様Ｋ、ビームＢｃｃＷ　 のエネルギーの大きさは、リング共振器５０に結合される入力ビームＢｓｚ　の 振動数と、反時計回り方向に進むビームに関する共振器の共振振動数の１つとの 差によって決まる。

図１は、リング共振器内を伝搬してゆく合成りｃｗ及びＢＣＣＶビームの共振の 状態を検出する素子をさらに含む。図１に関していえば、一方のリング共振器出 力はファイバ４４から射出する光のビームＢ０□により供給され、ビーム分割器 ３２から反射された後に光検出５８２に向かつて導かれる。同様Ｋ、他方のリン グ共振器出力はファイバ４２かも射出する光のビームＢ。、２により供給され、 ビーム分割器３０から反射された稜に光検出器８０に向かって導かれる。

出力ビーム！。、２は、ビームＢ１□のうち、カップラ６０を介してリング共振 器５０に結合されなかった部分のエネルギーを表わす。同様Ｋ、出力ビームＢ。

、□は、ビームＢＩＩのうち、カップラ６０を介してリング共振器５０に結合さ れなかった部分のエネルギーを表わす。

ビームＢ。８１を表わす光検出器８２の出力信号は位相感知復調器９２に供給さ れる。この位相感知復調器９２の出力は増幅−９５において振動数ｆｍを有する 交流変調源９３と加算される。増幅器９５の出力は、周知のように光ファイバ５ ２の長さを変化させるためのＰＺＴ素子素子７人０サーボ制御ループを構成する 。

ビームＢ。、□を表わす光検出器８ｏの出力信号は位相感知復調器９４に供給さ れる。この位相感知復調器９４の出力は電圧制御発振器（ｖｃｏ）９６に供給さ れ、電圧制御発振器の出力は光学的振動数シフタ２４に供給される。光学的振動 数シフタ２２及び２４は、たとえば、音響光学的振動数変調器であっても良い。

２つの位相感知復調器９２及び９４において、信号は基準振動数ｆｍで振動数復 調される。

次に、図１に示す受動リング共振器光ファイバの動作を説明する。振動数ｆ０の レーザー光Ｂｏは２つのビームＢ，及びＢ，に均等に分割され、各ビームは、リ ング共振器５０に結合される前に，異なる量だけ振動数シフ＋される。その結果 得られる共振器の時計回り方向のビームＢｃｗは振動数ｆＯ＋ｆ１−すなわち、 光学的振動数ｆｏのビームＢ，を周波数シフタ２２により振動数ｆ１だけシフト させたもの−を有する。その結果得られる共振器の反時計回り方向のビームＢｃ ｃｗは振動数ｆ。十ｆ２−すなわち、光学的振動数ｆ。のビームＢ２　を周波数 シフタ２４により振動数ｆ，たけシフトさせたものーを有する。

時計回り方向のビームの共振状態は、入射する光波の強さを検出する光検出器８ ２により感知される。共振は光検出器８２の出力信号における信号のくぼみによ り示される。これは、共振時にはビームＢ０　の大半がリング共振器５０に結合 され、共振器から取出されて、ビームＢ。１として現われる光はごく少なくなる ためである。共振器５０で時計回り（ＣＷ）方向に進む波の共振振動数は、光検 出器８２と、位相感知復調器９２と、加算／増幅器回路９５と、変調源９３と、 ＰＺＴ　７０とを含む一次すーポループーＰＺＴ素子７０を介して共振器のリン グ経路長を調整する−によって、振動数ｆａ＋ｆｌＶｃ固定される。このよ５Ｋ して、共振器の時計回りの共振振動数と入力ビームＢ□の振動数との差を取除く のである。共振からの逸脱を感知するための識別を実行するために、共振器の長 さを振動数ｆｍで変調させる変調振動数源９３を使用する。−次振動数サーボ制 御ループを構成するため、光検出器８２の出力信号は位相感知復調器９２により 振動数ｆｍで復調される。

同様のサーボ制御方式を利用して、「速度サーボ」とも呼ばれることがある第２ のサーボにより反時計回り方向のリング共振振動数を整合させるために平均反時 計回り方向ビーム振動数を調整する。速度サーボは光検出器８０と、位相感知復 調器９４と、電圧制御発振器９６と、周波数シフタ２４とを含む。位相感知復調 器９４の出力は電圧制御発振器９６を駆動して、ｆｏ＋ｆ２の値を有するビーム Ｂ８、２　の振動数を共振器５０の反時計回り方向共振振動数と等しくするよう に制御する。

閉ループ動作では、この場合、振動数差ｆｌ−ｆ．は慣性回転速度を表わす尺度 である。

要するに、−次サーボはリング共振器５００時計回り方向の共振振動数がｆ。

＋ｆ，となるようＫその光路長を調整する。この−次サーボ条件はリング共振器 ５００回転速度とは関わりなく得られる。同時に、リング共振器５０のあらゆる 回転速度について振動数ｆｏ＋ｆ，が共振器５０の反時計回り方向の波の共振振 動数に対応するように、速度サーボは振動数シフトｆ２を変化させる。このよう に、振動数差ｆ．−ｆ．　の絶対値はリング共振器５００回転速度と関連してい る。

図ＩＫ示す受動リング共振器ファイバジャイロに類似する設計の従来のジャイロ は単モード光ファイバを利用して、リング共振器の単モード導波管を構成する。

この場合、単モード導波管を使用するということは電磁波の単一横方向空間モー ドを指し、電磁波は導波管の長手方向軸に沿って一部ファイバの長さの方向に一 伝搬すると考えられる。このような横方向空間モードごとＫ、実際には関連する ２つの互いに独立した偏波モード、たとえば水平偏波と垂直偏波、あるいは右回 り円偏波と左回り円偏波が存在している。従来の技術では、一般に一方の偏波モ ード、すなわち固有状態のみを使用することを意図していた。他の意図しない偏 波を伴なって伝搬する光はいずれも、良いジャイロ性能、すなわち、慣性回転測 定に対しては有害であると考えられる。

以下の説明では、光ファイバ５２と、光ファイバ４２及び４４を含むカップラ６ ０とを含む共振器５０の詳細のみを示す。さらに、光ファイバ５２の注入される ビームの中の１本のみを示す。詳細にいえば、入力ビームＢ□と、その結果生じ る時計回り方向のビームＢｃｗと、検出されるビームＢ。８□のみを図示し且つ 論じるのである。逆方向に進むビームは同じように行動する。

次に、図２ａＫ関して説明すると、光ファイバ４２．４４及び５２が単モード光 ファイバである理想の状況が示されている。注入されたビームＢ８１　はカップ ラ６０を介して光フアイバリング５０′に時計回り方向に結合され、その結果、 時計回りのビームＢｃＷが発生する。最後に、カップラ６０からの出力ビームＢ 。８□が示されており、この出力ビームは図１に示すような光検出器８２へ導か れる。

図２ｂは、ビームＢ８□の光学的振動数が変化する間の光検出器８２からの出力 信号の理想の振動数応答を示す。図２ｂに示す特性は、リング共振器への注入波 であるビームＢｆｉｌ　の偏波がリング共振器の偏波固有状態と完全に整合して いる理想化した単モードファイバに関するものである。そこで、単一の偏波状態 のみを励起し、その偏波状態はリング共振器５０の中を伝搬してゆく。

しかしながら、実際には、問題は、入力波Ｂｓｌ　の偏波とリングの偏波固有状 態との整合を所要の程度まで達成するのが困難であるとい５点である。

リング共振器５０におけるビームの共振振動数ｆ１は、数学的には、’＊　＝　 ｑ（ｃ／ｎｔ） により表わされる。「ｑ」の数値はリング共振器５０の内部の共振時の経路を巡 る光の波長の積分数であり、ｎは伝搬経路の有効屈折率であり：Ｌはリング経路 の経路長であり；Ｃは真空中の光の速さである。

上記の式の係数「ｅ　／ｎ　Ｌ　Ｊはリング共振器の自由なスペクトル範囲と呼 ばれる。

自由なスペクトル範囲は共振器の２つの隣接する長手方向共振モードの振動数差 である。すなわち、それらの共振モードはほぼ同じ偏波特性を有するが、１つの 波長がリングを１周する際の光路長は互いに異なっている。

図３ａは、図２３の共振器について、そのファイバ５２が直線性の高い複屈折偏 波維持（ＰＭ）ファイバから構成されている場合の実際の状況における振動数応 答を示す。すなわち、ファイバ５２は単モード導波管であるばかりでなく、直交 するＸとＹの直線偏波軸をも有して（・る。単モード複屈折ファイバは、２つの 直線偏波をファイバに沿って伝搬するに際して、それらの偏波な互いに異なる屈 折率ｎＸ及びｎｙにより決定される異なる位相速度で励起することができる。

この種のファイバは、Ｄ、Ｎ、Ｐａｙｎｅ、Ａ、Ｊ、Ｂａｒｌｏｗ及びＪ、Ｊ、 Ｈａｎｓｅｎ　Ｋよる［Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｌｏｗ−ａｎｄ　Ｈｉ ｇｈ−Ｂｌｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ　ｏｐｔｔｅａｌ　ｆｉｂｅｒｓＪを表題と する刊行物（ＩＥＥＥ　Ｑ、Ｅ、第ＱＫ−ＩＳ巻第４号。

１９８２年４月）又は１．Ｐ、Ｋａｍｉｎｏｗ　ＫよるｒＰｏｌａｒｉｚａｔｉ ｏｎ　ｉｎ　０ｐｔｌｃａｌ　ＦＩｂｅｒｓＪを表題とする刊行物（夏ＥＥＥ　 Ｑ、Ｅ、第Ｑ　Ｅ−１７巻第１号、１９８１年１月）詳細に記載されている。こ れらの参考文献は参考として本明細書に取入れられている。

偏波維持ファイバを使用する共振器５０では、光検出器８２において見られる振 動数応答は図３８に示すようなものである。図３ａは、２つの直線直交偏波光波 のそれぞれＫついて異なる共振振動数が存在していることを示す。これは、ＰＭ ファイバに２つの異なる屈折率があるために、起こりうる２つの偏波のそれぞれ についてファイバを伝搬する速度と、光路長とに差が生じる結果になるからであ る。従って、ファイバの異なる軸のそれぞれに沿った異なる偏波モーどの共振振 動数は等しくない。このことは、Ｇ、Ａ、５ａｎｄｅｒｓ、Ｎ、Ｄｅｍｍａ、Ｇ 、Ｆ、Ｒｏｕｓｅ及びＲｌＢ、Ｓｍ１ｔｈＫよるｒＥｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ 　Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅ５ｏ ｎａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｒｏｔａｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　ＡｐｐＨｃａｔｉｏ ｎＪを表題とする刊行物（Ｐｒｏｃ、ｏｆ　Ｏｐｔ、Ｆｉｂｅｒ　５ｅｎｓｏｒ ＋５Ｃｏｎｆ　、４０８〜Ｉ　１ページ、ニューオーリンズ、１９８８年）Ｋ詳 細に記載されており、本明細書に参考として取入れられて（・る。

尚、図３ａ〜図３ｂＫは、偏波ごとにいくつかのピークが示されていることに注 意すべきである。これは、良く知られる通り、リング共振器が波長の積分数の励 起波を支持できるためである。同じようなくぼみ（又はピーク）の間の振動数間 隔は、それぞれの偏波モードについての自由なスペクトル範囲である。先の通り 、「ｑＪ数は、単に、リング共振器内で励起し且つ伝搬することができる異なる 共振波を識別するのに都合の良い手段であるＫすぎない。これは、共振を達成す るために（偏波ごとＫ）１周の中に「あてはめる」波長の積分数を示す。

図３ａ乃至図３ｃでは、リング共振器内を伝搬することが可能である２つの直線 （又はほぼ直線の）偏波をＸ偏波光波及びＹ偏波光波として示している。Ｘ偏波 光波は、図示する通り、異なる波長の積分数Ｃｉｌ　ｑ＋１等ｋについて共振振 動数ｆを有する。同様に、Ｙ偏波は、たとえばｑ　＋　１０００．ｑ　＋ｌ００ １等々の積分波長数で複数の共振振動数ｆｙを有する。（これは、Ｙ偏波光波が Ｘ偏波光波より低速で進み、従って、有効光路長が１０００波長分長くなると想 定されるためである。これを別の言いかたで表現すれば、２つの偏波は異なる自 由なスペクトル範囲を有するということＫなる。）このような状況では、サーボ ループは光学的振動数をＸ偏波又はＹ偏波の一連の共振振動数の共振のくぼみの 中の１つの中心に一貫して押しやらなければならないということが重要である。

図３８乃至図３ｃは、Ｘ偏波及びＹ偏波の一連の共振振動数に対する温度の影響 を示す。Ｘ偏波モードとＹ偏波モードとＫは大きな光路長の差−この例では１０ ００波長分−があり、この差は温度の影響を受けやすい。はぼ１メートルから１ ０メートルの長さの共振器の場合、リング経路の長さの差は実際には摂氏１度に つき約１波長ずつドリフトする。すなわち、サーボループが「ｘ」共振を追跡し ようとする場合、リング経路の温度が摂氏１度変化するごとに、所望のモード（ Ｘ）の主共振を通して小さな望ましくなし・共振モード（Ｙ）がドリフトする。

図３ｂは、ファイバ共振器への温度の影響に応答した振動数応答の線形状の大き なゆがみｔ詳細に示す。このゆがみはリング共振器の共振振動数のあらゆる測定 に不確かさと誤差を導入する。

本発明の実施例は、リング共振器を伝搬する波が１周するごとに偏波な回転させ ること忙より、第２の偏波の励起とは無関係に望ましくない共振の励起によるゆ がみと誤差を排除することを意図してのものである。

図４ａは、複屈折性にすぐれた単モード光ファイバ４００．すなわちＰＭファイ バによりリング共振器５００を構成した本発明の一実施例を示す。さらＫ、光フ ァイバ４００を切断し、２つの端部を４１０の箇所で接合しており、図５に詳細 に示すようＫ、主複屈折軸を９０°として示される選択された角度だけ回転させ る。

図５は、高い複屈折性を有するＰＭファイバ４００の横断面図と、接合部、すな わちスプライ４１０でファイバがどのように接合されるかを示す。さらに、図５ はファイバ４００の主複屈折軸Ｘ及びＹを示している。図５では、スプライス４ １００両側の主軸は互いに関して９０°回転されてし・る。９０°の角度は単な る例であり、他の回転角度値でも別の有用な実施例を得ることができる。

再び図４に関して説明すると、ＰＭ光ファイバ４２及び４４は光波をリング共振 器５００に結合し、また、リング共振器５００から光波を取出すことになる。光 が共振器の偏波固有状態の一方に結合されるだけである理想の状況では、図４ｂ Ｋ示すよ５に共振のくぼみは１つしか見られない。複屈折軸が回転している−こ こでは、偏波回転角という一リングについての偏波固有状態はもはや直線偏波の 状態ではないので、状態はｒＸＪとｒＹＪではなく、ｒａＪとｒｂＪとして表わ されることＫなる。すなわち、図４ｂは、一方の偏波状態に対応する共振落込み 及び共振振動数’ａ＠ｑ’示すだけである。

図４ｃは実際の、すなわち、はぼ直線偏波された入力波８．１の場合のように、 双方の共振器固有状態がリング共振器に結合された（又はリング共振器で励起さ れた）ときの共振器出力を示す。図４０の場合、偏波回転角は実質的に９０°　 に近い値に設定されている。この場合、２つの偏波モードの自由なスペクトル範 囲ｒｐｓＲａＪ　及び「ＦＳＲｂ」はほぼ等しい。さらに、２つの偏波固有状態 の共振振動数ｆ８及びｆｂは実質的にいずれか一方の自由なスペクトル範囲の二 分の−だけ離れている。また、共振振動数差は温度に伴なってほぼ一定である； すなわち、２つの偏波固有状態の間にある共振振動数の隔たりは一定のままであ り、集波回転角によって、図３ｂＫ示す共振ゆがみと、その結果としての誤差は 全く起こらない。実際上、９０°の偏波回転の役割はリングの異なる偏波固有状 １１（Ｘ及びＹ直線偏波ではない）を発生させることであり、この場合、各状態 はほぼ等しい量のＸ電磁界成分と、Ｙ電磁界成分から構成されるようになる。そ れらの固有状態は、等しいＸ成分とＹ成分の相対位相に応じて、円偏波、すなわ ち４５゜偏波、もしくはその他の楕円偏波であると示すことができる。従って、 双方の固有状態の波は有効に同じ屈折率、すなわち、ファイバのｎ工とｎｙ　の 平均な「見て」いる。この結果、共振固有状態の経路長は図３８乃至図３ｃＫ示 すような１０００波長ではなく、互いに二分の一波長の中にあることがわかる。

さらＫ。

２つの共振偏波固有状態の間に、図３８乃至図３Ｃに示す共振振動数交差を同じ ように阻止する共振振動数の隔たりを得ることができるという意味で、他のスプ ライス角度も重要である。

図６は、図４ａ及び図５に示した本発明の原理を取入れた本発明の別の実施例を 示す。図６は、複屈折性にすぐれたファイバ４２及び４４０代わりに単純な単モ ード導波管、非偏波維持ファイバ６４２及び６４４を使用している点を除いて、 はぼ図４８である。しかしながら、入力波ＢＩｌ、は、図４ａのスプライス４１ ０と同様の偏波軸回転スプライス６３０を含むＰＭファイバ６２０　に結合され る前に、まず、偏波調整装置６１０を通過する。偏波調整装置６１０は入力光の 偏波をリング共振器の唯一つの共振偏波固有モードにさらに良く結合させること ができる。この構造は、スプライス箇所カリング共振器のほぼ中間点にあるとき に最も安定している。

図７ａ〜図７ｂは、リング共振器を通って進む電磁波の偏波の状態を、リング共 振器経路内で電磁波を少なくとも一度回転させることにより変化させるという原 理を利用する本発明の別の実施例を示す。この場合、光は、光カップラ７２０を 構成する２つのファイバの複屈折軸の間で交さ結合される。これは、図７ｂＫ示 すようにカップラ内でファイバの主複屈折軸を回転させることにより達成される 。

その結果、リングのいずれかの箇所でスプライスを使用するととＫよらずに、カ ップラ内部で偏波が有効に回転するという効果が得られる。図７ａは、Ｌ、ｏｒ ｅｎＦ、５ｔｏｋｅｓ　他に発行されたｓｒ目１ｏｕｊｎ　Ｒｉｎｇ　Ｌａ＋ｓ ｅｒを名称とする米国特許第４，５３０，０９７号に詳細に説明され且つ図示さ れているよ５なスプライスなしファイバリング共振器の利用を特に示しており、 これは参考として本明細書に取入れられている。

図７ａ乃至図７ｂは、単一の連続するファイバのストランドを採用して、図４ａ のカップラ６０と同じ機能を果たすべき光カップラ７２０をいかＫして形成でき るか、また、それと同時に、「閉鎖スプライス」なしに共振リング経路７１０Ｂ ・かにして構成できるかを示す。光ファイバ７００は第１の端部セグメント７０ ２と、第２の端部セグメント７０４　との間にループを形成する。光カップラ７ ２０はループを光学的に閉鎖して、共振器ソゲ７１０を形成する。

図７ｂは、本発明に従った光カップラ７２０の詳細な横断面を示す。光ファイバ ７００は複屈折性にすぐれた偏波維持ファイバである。光カップラ７２０は、直 線偏波電磁波の方向をリング共振リング７１０を１回通過するごとに回転させる ように複屈折軸が互いに対して回転されるように人力ファイバ部分７２５が出力 ファイバ部分７３０に結合されるように構成される。本質的には、図７ａＫ示す ような結合手段７２０を伴なうスプライスなしファイバ共振器は、ファイバリン グ５００のスプライス４１０において偏波の回転が行われる図４ａＫ示す構造と ほぼ同じように動作する。

図８ａ乃至図８Ｃは、本発明の原理を採用するさらに別の代替実施例を示す。

図８ａには、２つの光カップラ８１０及び８２０が示されている。入力ビームＢ ８□は光ファイバ８１５に注入されて、共振リング８４０を形成する複屈折性に すぐれた偏波維持ファイバ８３０に結合する。共振リング８４０は、図４ａ及び 図５のスプライス４１０と同様の偏波回転スプライス８３１をさらに含む。光カ ップラ８２０はリング共振器８４０を巡って進む波のごく一部を検出器８５０に 入射させる。図８３の動作は、検出器８５０が入力ビームＢ□の振動数が共振し ているときのピーク出力を知るという点に関する限り、図４の動作とは異なる。

この場合も、スプライス８３１は図４ａのスプライス４１０と同じ所期の機能を 実行する。すなわち、スプライスの偏波回転角が９０°にほぼ等しいとき、　２ つの偏波状態の自由なスペクトル範囲はほぼ等しく、それらの共振は隔たってお り、温度に伴なって交差することはない。異なる偏波共振の間に隔たりを生じさ せるためＫは他の角度も重要である。

図８ｂは図８ａと似ているが、図７ａＫ既に示した共振器と同じように形成され たスプライスなしリング共振器が付は加えられている。カップラ８６０は、図７ ａのカップラ７２０と同様に偏波回転と結合の機能を実行する。カップラ８６２ は図８ａのカップラ８２０と同様の結合機能を実行する。検出器８ｓＯは出力信 号Ｂｏｕｔを検出する。共振時忙は、検出器８５０の出力は最大である。

図８ｃは、図７ａ及び図８ａ乃至図８ｂＫ示した原理を採用する別の代替実施例 である。図８ｃでは、カップラ８６１は図８ａのカップラ８１０と同じ所期の機 能を果たす。リング共振器は、筬に説明したように一部でカップラ・スプライス なしリング共振器を形成する出力カップラ８６３により形成される。

このよう忙、本発明の実施に際しては、受動リング共振器ジャイロに悪影響を与 える可能性があるリング共振器の望ましくない偏波を大幅に抑制する必要はなく 、場合によっては、そのような偏波が自由に伝搬していても良いのである。前述 のように、偏波の回転角を９０６にすれば、共振器における各方向への２つの偏 波の自由なスペクトル範囲はほぼ等しくなり、従って、温度に伴なって追跡する 結果となる。他のスプライス角度を選択しても、同様の有利な結果が得られるで あろう。

本発明では、リング経路を一周するごとに波の偏波の回転を取入れた電磁導波管 リング経路から受動リング共振器ジャイμを構成している。波の偏波回転は導波 管の伝搬の中心線軸を中心とするものである。本発明に従った偏波回転はリング 経路に沿ったいくつかの可能な位置のいずれか１つで導入されれば良く、また、 様々に異なる方法で実施でき、添付の図面に示した方法には限定されない。

光フアイバリング共振器によって本発明を特定して説明したが、複屈折特性を有 する所期のリング共振器を構成するどのような導波管構造、たとえば金属導波管 も本発明の範囲内に含まれて（・る。

”＠Ｑ　’１１８ｑ４１ ｆ翼　・　ｑ　ｆＩｌ　＠　９◆１ ｆ、・Ｑ　’ｏ＠ｑ◆１ Ｙ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 排他所有権、すなわち独占権が請求される発明の実施例を次の通りに規定する。 １．複数の複屈折の主軸を有する複屈折導波管部分を少なくとも一部に含み、前 記複屈折導波管に沿つた何れかの選択された箇所で、前記複屈折の主軸は前記導 波管の伝搬方向の軸に関して選択された角度だけ回転されるようなリング共振器 と； 前記リング共振器の外側で第１及び第２の電磁波を発生する第１の手段と；前記 第１の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結合して、前記導波管の前記伝 搬方向の軸に沿つて第１の方向に伝搬すると共に，前記第２の電磁波の第１の部 分を前記リング共振器に結合して、前記導波管の前記伝搬方向の軸に沿つて前記 第１の方向とは逆の第２の方向に伝搬する結合手段とを具備するリング共振器ジ ヤイロ。 ２．前記導波管は光フアイバから構成されている請求項１記載のジヤイロ。 ３．前記光フアイバは複屈折光フアイバであり且つ２つの光フアイバ端部の接合 部を含み、前記接合部において光フアイバの主軸は選択された角度だけ回転され る請求項２記載のジヤイロ。 ４．前記選択された角度は９０度である請求項３記載のジヤイロ。 ５．前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波のそれぞれの前記第１の部分の相対 エネルギーレベルを示す第１の出力信号と、第２の出力信号とを供給する手段と ； 前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号に応答して、前記第１の電磁波と、 前記第２の電磁波とを、前記第１の伝搬方向と、前記第２の伝搬方向とのそれぞ れにおける前記リング共振器の共振振動数とほぼ等しい振動数にさせるように動 作する手段と； 前記リング共振器における共振時の前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波との 振動数差を表わす出力信号を供給することにより、前記リング共振器の回転の指 示を実行する手段とをさらに具備する請求項１記載のジヤイロ。 ６．電磁偏波を維持する導波管部分を少なくとも一部に含み、前記導波管は、そ の伝搬方向の軸に対して垂直な第１及び第２の偏波軸を規定する直線複屈折特性 を有するようなリング共振器と； 前記リング共振器の外側で第１及び第２の電磁波を発生する第１の手段と；前記 第１の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結合して、前記リング共振器に 沿つて第１の方向に伝搬すると共に，前記第２の電磁波の第１の部分を前記リン グ共振器に結合して、前記リング共振器に沿つて前記第１の方向とは逆の第２の 方向に伝搬する結合手段とを具備し，前記リング共振器は， 前記第１の電磁波の前記第１の部分から発生した第１及び第２の偏波を、前記第 １の偏波と、前記第２の偏波とがほぼ等しい自由なスペクトル範囲を有する共振 振動数を有するように、前記リング共振器に沿つて第１の方向に伝搬する手段と ， 前記第２の電磁波の前記第１の部分から発生した第１及び第２の偏波を、前記第 ２の電磁波部分の前記第１の偏波と、前記第２の偏波とがほぼ等しい自由なスペ クトル範囲を有する共振振動数を有するように、前記リング共振器に沿つて第２ の方向に伝搬する手段とを含むリング共振器ジヤイロ。 ７．前記導波管は光フアイバから構成されている請求項６記載のジヤイロ。 ８．前記光フアイバは複屈折光フアイバであり且つ２つの光フアイバ端部の接合 部を含み、前記接合部において光フアイバの主軸は選択された角度だけ回転され る請求項７記載のジヤイロ。 ９．前記選択された角度は９０度である請求項８記載のジヤイロ。 １０．前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波のそれぞれの前記第１の部分の相 対エネルギーレベルを示す第１の出力信号と、第２の出力信号とを供給する手段 と； 前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号に応答して、前記第１の電磁波と、 前記第２の電磁波とを、前記第１の伝搬方向と、前記第２の伝搬方向とのそれぞ れにおける前記リング共振器の共振振動数とほぼ等しい振動数にさせるように動 作する手段と； 前記リング共振器における共振時の前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波との 振動数差を表わす出力信号を供給することにより、前記リング共振器の回転の指 示を実行する手段とをさらに具備する請求項６記載のジヤイロ。 １１．自身の伝搬方向に沿つて第１及び第２の偏波軸を規定する直線複屈折特性 を有する電磁偏波を維持する導波管部分を少なくとも一部に含むリング共振器と ；前記リング共振器の外側で第１及び第２の電磁波を発生する第１の手段と；前 記第１の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結合して、前記リング共振器 に沿つて第１の方向に伝搬すると共に、前記第２の電磁波の第１の部分を前記リ ング共振器に結合して、前記リング共振器に沿つて前記第１の方向とは逆の第２ の方向に伝搬する結合手段と；前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波の前記第 １の部分の直線偏波の方向を、前記リング共振器を一周するごとに、前記導波管 の伝搬方向に対して選択された角度だけ空間的に回転させる第２の手段とを具備 するリング共振器ジヤイロ。 １２．前記第１の手段は、前記第１の電磁波及び前記第２の電磁波を単一の直線 偏波モードを有するように発生することができる請求項１１記載のジヤイロ。 １３．前記導波管は光フアイバから構成されている請求項１１記載のジヤイロ。 １４．前記光フアイバは複屈折光フアイバであり且つ２つの光フアイバ端部の接 合部を含み、前記接合部において光フアイバの主軸は選択された角度だけ回転さ れる請求項１３記載のジヤイロ。 １５．前記選択された角度は９０度である請求項１４記載のジヤイロ。 １６．前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波のそれぞれの前記第１の部分の相 対エネルギーレベルを示す第１の出力信号と、第２の出力信号とを供給する手段 と； 前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号に応答して、前記第１の電磁波と、 前記第２の電磁波とを、前記第１の伝搬方向と、前記第２の伝搬方向とのそれぞ れにおける前記リング共振器の共振振動数とほぼ等しい振動数にさせるように動 作する手段と； 前記リング共振器における共振時の前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波との 周波数差を表わす出力信号を供給することにより、前記リング共振器の回転の指 示を実行する手段とをさらに具備する請求項６記載のジヤイロ。 １７．前記電磁導波管は第１の偏波軸と、第２の偏波軸とを有する光フアイバで あり、 前記光フアイバは１つのスプライスを含み、前記スプライスの接合部において前 記偏波伝搬軸は互いに対して選択された角度だけ回転され、それにより、前記第 ２の手段を構成する請求項１３記載のジヤイロ。 １８．前記偏波を維持する導波管はループと、第１の終端部と、第２の終端部と を有する単一の連続する光フアイバの一部であり；前記結合手段は前記単一の連 続する光フアイバの第１のセグメントと、第２のセグメントとを含み、前記結合 手段は、前記第１のセグメントが前記ループの一部に隣接するように構成されて おり、前記第１のセグメントと、前記ループの前記第１の偏波軸及び前記第２の 偏波軸の向きは互いに対して選択された角度だけ回転される請求項１１記載のジ ヤイロ。 １９．前記第１の共振器波及び前記第２の共振器波の一部を前記リング共振器か ら取出す結合手段と； 前記リング共振器から取出された前記波のエネルギーを検出する手段とをさらに 具備する請求項１１記載のジヤイロ。 ２０．前記結合手段は、前記リング共振器に結合されなかつた前記電磁波の部分 の伝搬を可能にする出力導波管手段をさらに含む請求項１１記載のジヤイロ。