JPH0571971A

JPH0571971A - 計測値用センサ

Info

Publication number: JPH0571971A
Application number: JP4050354A
Authority: JP
Inventors: Walter Bernard; ベルナルトヴアルター; Goetz Geister; ガイスターゲツツ; Michael Raab; ラープミヒヤエル
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1993-03-23
Also published as: EP0503452A3; DE4107915A1; DE4107915C2; US5305087A; EP0503452A2

Abstract

(57)【要約】【目的】リング共振器中の非相反性効果のためのセン
サ。【構成】第１の循環方向をもって循環する光波および
第２の循環方向をもって循環する光波の発生のために、
光の第１および第２の循環方向を有する光学的リング共
振器と半導体レーザとを結合する。【効果】レーザ光波の側波帯がリング共振器と共振
し、半導体レーザを直接的に制御して半導体レーザの周
波数を変調し、第１および第２の循環方向をもって循環
する光波の差異に応答し、計測値を再生する信号を発生
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、計測値用センサに関す
る。

【０００２】殊に本発明は、計測値が非相反性効果をリ
ング共振器を用いて惹起することからなるようなセンサ
に関する。このような非相反性効果とは、例えばサニャ
ック効果またはファラデー効果である。サニャック効果
は、例えばレーザジャイロの製造のために利用されてい
る。

【０００３】

【従来の技術】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３７１
２８１５号明細書または（本質的に同一内容の）欧州特
許第０２９０７２３号明細書の記載により、リング共振
器およびレーザを有し、サニャック効果を利用した回転
速度の測定装置は、公知である。この場合、リング共振
器はレーザの共振空隙の一部を形成している。これによ
り、光アイソレータをレーザとリング共振器との間に設
置するための事前の措置は不要である。レーザとして
は、半導体レーザが使用される。前記明細書中には、ミ
ラー、組合わされた光学素子および光ファイバを備えた
リング共振器の種々の実施形が記載されている。レーザ
の位相変調がリング共振器を有する光路の周期的変動に
よって行われる。光路は、レーザ光の周波数がリング共
振器の共振周波数と光の循環方向に一致するように調整
される。別の循環方向で循環する位相後の光の強度を導
き出すこと、実際には、変調された光の相互の流れ成分
により、回転速度の１つの尺度が生じる。また、ドイツ
連邦共和国特許出願公開３７１２８１５号明細書の記載
には、レーザを直接的にレーザの注入流の制御手段によ
り変調することが提案されている。しかしこの場合実際
には、レーザの変調可能性は、外部発振器からの光の再
結合によって低減されるという困難が生じている。

【０００４】“ＳＰＩＥ第７１９巻ＦｉｂｅｒＯｐｔ
ｉｃＧｙｒｏｓ：第１０回記念会議（１９８６）”１
６９〜１７７頁の中のＣａｒｒｏｌｌ、Ｃｏｃｃｏｌ
ｉ、ＣａｒｄａｒｅｌｌｉおよびＣｏａｔｅの論文“Ｔ
ｈｅＰａｓｓｉｖｅＲｅｓｏｎａｔｏｒＦｉｂｅ
ｒＯｐｔｉｃＧｙｒｏａｎｄＣｏｍｐａｒｉｓ
ｏｎｔｏｔｈｅＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
ＦｉｂｅｒＧｙｒｏ”には、受動型リング共振器を有
するファイバージャイロが記載されている。レーザ光
は、位相変調器によって側波帯を発生させるために変調
され、２つのファイバ分枝中に導入される。この２つの
ファイバ分枝のいずれかの中に、音響光学的周波数シフ
タがある。この２つのファイバ分枝から、互いに対向す
る循環方向を有する光はファイバリング中に結合して入
射する。１つの循環方向またはもう１つの循環方向を有
するファイバリングを通過する光は、カプラーによって
結合して出射され、光電型検出器中に導入される。検出
器信号は、信号処理装置に接続されている。この検出器
信号は、一面でレーザ周波数を制御し、他面で周波数シ
フタの１つを制御する。これによって、回転速度の発生
の際にレーザ光の周波数は、ファイバリングによって形
成されたリング共振器の循環方向との共振の場合に維持
され、他方、別の循環方向の場合に相応する周波数シフ
トが行われる。

【０００５】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３（１
９８８），９４４〜９４６頁のＨｏｌｌｂｅｒｇおよび
Ｏｈｔｓｕの論文“Ｍｏｄｕｌａｔａｂｌｅｎａｒｒ
ｏｗ‐ｌｉｎｅｗｉｄｔｈｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒｌａｓｅｒｓ”の記載により、半導体レーザの周波
数帯域幅を、外部共振空隙の光学的再結合により改善す
ることは公知である。また、この論文中には、かかる光
学的再結合によってレーザの変調可能性が低減されるこ
とも記載されている。また、この論文中には、光学的に
安定化された半導体レーザの周波数変調特性に著しく影
響を及ぼすような一定の変調周波数が存在することも記
載されている。一定の変調状態の場合には、共振空隙を
有する若干またはすべての変調側波帯は、共振の支持体
を有しているかまたは有していなくてもよい。前記の場
合には、この側波帯は、半導体レーザへ再結合し、半導
体レーザの光学的安定化を強化する。殊にこのことは、
共振空隙の自由スペクトル間隔またはその調和したもの
が該当する。前記の方法では、高い変調指数を有するレ
ーザ流を変調し、多数の側波帯を発生させることが可能
であり、この場合には、周波数の安定化および光学的再
結合によって得られるスペクトル幅の狭隘化を損なうこ
とはない。

【０００６】“ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍ
Ｅｄｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”第２５巻（１９８９）１１
３１〜１１４２頁の中のＬａｕｒｅｎｔ、Ｃｌａｉｒｏ
ｎおよびＢｒｅａｎｔの論文“ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＮ
ｏｉｓｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＯｐｔｉｃａｌｌｙ
Ｓｅｌｆ‐ＬｏｃｋｅｄＤｉｏｄｅＬａｓｅｒ
ｓ”には、光学的に再結合した半導体レーザの周波数
は、「支障のない」半導体レーザの周波数に依存して変
化し、かつ変調能力の著しい低減を示すことが記載され
ている。

【０００７】“ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＡ”
第３０巻（１９８４）２９８７〜２８８９頁の中のＤｅ
ＶｏｅおよびＢｒｅｗｅｒの論文“Ｌａｓｅｒ‐ｆｒｅ
ｑｉｅｎｃｙｄｉｖｉｓｉｏｎａｎｄｓｔａｂｉ
ｌｉｚａｔｉｏｎ”には、レーザが制御回路によって、
参照空隙のより高い秩序に同調されるような配置が記載
されている。この参照空隙は、第２の制御回路によって
高い周波数に同調される。このことにより、レーザは高
い周波数を用いて安定化することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明には、リング共
振器中の非相反性効果のために改善されたセンサを得る
という課題が課された。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記課
題は以下の特徴を有するセンサによって解決される：（ａ）光の第１および第２の循環方向を有する光学的リ
ング共振器、この場合、リング共振器の光学的路長は、
光の第１および第２の循環方向のためにリング共振器中
で非相反性効果によって計測値に依存して種々変動し、
（ｂ）リング共振器と、第１の循環方向をもって循環す
る光波および第２の循環方向をもって循環する光波の発
生のために結合している半導体レーザ、この場合、リン
グ共振器は、半導体レーザの共振空隙の一部を形成し、
（ｃ）周波数変調されたレーザ光波の側波帯がリング共
振器と共振しているように、半導体レーザの直接的な制
御によって、半導体レーザの周波数を変調するための装
置および（ｄ）記載した計測値を再生する信号を発生さ
せるために、第１および第２の循環方向をもって循環す
る光波の差異に応答する検出装置。

【００１０】本発明によれば、組合わされたセンサが得
られる。半導体レーザは、外部共振空隙によって安定化
される。光学的再結合によって、この半導体レーザは狭
い帯域になる。こうして光学的に再結合された半導体レ
ーザは、簡単な方法で高周波数に変調される。

【００１１】この場合、このセンサの構成部材の数は、
最小限に抑えられる。各構成部材は、複数の機能を充足
している。この半導体レーザは、光源ばかりでなく、セ
ンサの一部を形成し、このセンサの挙動は計測値と一緒
に定められる。半導体レーザの周波数を定めるリング共
振器は、本明細書中では、同時に、例えば回転速度の発
生の際のサニャック効果のような非相反性効果のための
センサ要素である。この半導体レーザは、光源であるだ
けでなく、同時に変調器であり、この変調器は、周波数
変調のため直接的に制御される。

【００１２】本発明の場合、例えばドイツ連邦共和国特
許出願公開第３７１２８１５号明細書の記載の場合のよ
うに、リング共振器は、リング共振器の外部に存在する
半導体レーザとの再結合の際に運転される。このことに
よって、半導体レーザは、著しく狭い帯域になる。半導
体レーザとリング共振器とのあいだの光学的絶縁体は、
不要である。他方で、半導体レーザは反射防止されてい
る必要はない。側波帯の共振的再結合によって、低減し
た周波数変調可能性の問題は解決される。このことによ
って、半導体レーザを、より低い変調指数を用いて変調
することは可能である。これはまた、支障のある振幅変
調割合の減少をもたらす。半導体レーザの狭い帯域性
は、変調によって悪化されない。それというのも、この
半導体レーザの周波数スペクトルは、主要部分で最適に
再結合され続けるからである。高周波領域（電波領域）
での変調周波数によって、センサはベースバンド外およ
び１／ｆの雑音を超えて働き、それによって、より大き
な感度を達成する。

【００１３】本発明の実施例は、添付図面に関して、以
下詳説される。

【００１４】

【実施例】図１中に、半導体レーザ（レーザダイオー
ド）は、符号１０によって示されている。この半導体レ
ーザ１０は、高周波源１２の高周波ｆ_mod（電波）を有
する注入電流を介して周波数変調可能である。このレー
ザ光は、光学素子１４を介して、光導波性のファイバ１
６上に導入される。この光導波性のファイバは、位相調
整素子１８および減衰素子２０を有している。ファイバ
１６中のレーザ光は、１回、ファイバリング２４の図１
中の「上の」部分への通路２２に沿って導入される。カ
プラ２６を介して、レーザ光は、図１の時計回りの方向
の際にファイバリング２４の中へ結合して入射される。
カプラ２８を介して、ファイバ１６中で導かれたレーザ
光の一部は、ファイバ３０中へ結合して入射される。こ
の後で、このレーザ光は、カプラ２６に向き合っている
もう１つのカプラ３２を介して、図１の時計回りの方向
と逆に、ファイバリング２４の中へ結合して入射され
る。ファイバ２２は、更に第１の光電検出器３４へ導い
ている。ファイバ３０は、更に第２の光電検出器３６へ
導いている。カプラ２６および３２の間のファイバリン
グ２４の１区間中で、もう１つの位相調整素子３８が接
続している。

【００１５】また、この配置は、組合わせた光学素子中
で、支持体中に設置された相応する導波体を一緒に構成
していてもよい。また、ドイツ連邦共和国特許出願公開
第３７１２８１５号明細書に記載されているのと同様
に、完全に反射するミラーまたは部分的に透過するミラ
ーを有する配置を構成することも可能である。

【００１６】光導波性のファイバは、外部リング共振器
４０を形成している。半導体レーザ１０は、リング共振
器４０と一緒に光学的再結合の際に運転される。半導体
レーザ１０から放射されるレーザ光の一部は、リング共
振器４０の通過後に時間的に遅速になり、半導体レーザ
１０中に再導入される。半導体レーザ１０は、前記の理
由から、リング共振器４０に比べて、受動型リング共振
器を有する大抵の系の場合と同様に、「光ダイオード」
によっては絶縁されていない。このような運転状態のた
めに、半導体レーザ１０が唯一の周波数ｆ_o上で安定に
働いているような作業点が使用することができる。前記
作業点は、伝搬率周波数および外部リング共振器の品
質、光学的再結合の振幅および位相位置、再結合されて
いない半導体レーザ１０の出力に対する電流もしくは波
長に対する電流特性曲線によって並びに供給導波路の長
さＺ₁、Ｚ₂およびＺ₃並びにファイバリング２４の部分
長の部分長ｌ₁およびｌ₂の一定の割合によって定められ
ている。小さな再結合振幅のために、半導体レーザ１０
の安定領域は、「プラトー」４２、４４、４６の形で、
図２中に点線で記載されたダイヤグラム４８中に生じて
いる。

【００１７】非相反性効果の測定の際、例えばドイツ連
邦共和国特許出願公開第３７１２８１５号明細書に記載
されているように、サニャック効果を用いる回転速度の
測定の際に、半導体レーザ１０の周波数は、リング共振
器４０の共振周波数へ相対的に変調されなければならな
い。しかしながら、光学的再結合は、半導体レーザ１０
の変調可能性を阻止している。光学的再結合は、レーザ
をリング共振器４０の共振周波数上で安定化しようとし
ている。従って殊に、低い周波数の領域において、周波
数変調特性曲線の急勾配の減少が生じている。

【００１８】ところで、変調周波数ｆ_modが合理的割合
において、リング共振器の自由スペクトル間隔ＦＳＲ、
即ち、リング共振器の基本共振ｑ₀と隣接した固有共振
との間の間隔にある場合には、周波数変調特性曲線の急
勾配が増大することが判明した。この場合、変調周波数
はｆ_mod＝ｊ／ｋ＊ＦＳＲであり、但し、ｊおよびｋは
整数である。これは、リング共振器によって伝送される
光の強さが共振的に増大することによって認められる。

【００１９】通常、リング共振器の光学的再結合を用い
た半導体レーザの変調の際に、半導体レーザは本質的に
リング共振器の共振周波数ｑ₀に相応する周波数を有す
る光だけを放射する。半導体レーザの直接的制御による
周波数変調の試験の際に、極めて微弱な側波帯だけが生
じる。これは、微弱な周波数変調に相応する。ところ
で、搬送波周波数ｆ_oばかりでなく、側波帯の少なくと
も１つがリング共振器の共振個所と共振している場合に
は、これはまた、搬送波周波数および共振している側波
帯の間に存在している側波帯にも影響を及ぼしている。
前記の側波帯は、スペクトルの中で同様にしてより強力
に発生している。このことは、第３図の下方部分に図示
されている。第３図の上方部分には、リング共振器の共
振個所ｑ₀およびｑ_0-1並びにｑ₀₊₁を図示している。共
振個所ｑ_0-1およびｑ₀₊₁は、間隔ＦＳＲ、共振個所ｑ₀
の自由スペクトル間隔中に存在する。

【００２０】ところで、半導体レーザ１０は、搬送波周
波数ｆ_oが共振個所ｑ₀と一緒になって減衰し、同時に第
５の側波帯が、搬送波周波数の全ての面の上で、リング
共振器４０の共振個所ｑ_0-1およびｑ₀₊₁と一緒になって
減衰するように制御されている。共振によって、第５の
側波帯ばかりでなく、その間に存在する側波帯もより強
力になることが判明した。しかし、このことはっ光学的
に再結合した半導体レーザの通常の場合と比べて改善さ
れた変調可能性を意味している。この場合、レーザ周波
数の安定化は維持され続けている。

【００２１】一般に、ｋの側波帯は、このような効果を
得るために、リング共振器４０のｊの共振個所と一緒に
なって減衰してよい。ｆ_mod＝ｊ／ｋ＊ｃ／（ｌ₁＋
ｌ₂）が、リング共振器に該当し、この場合、ｌ₁および
ｌ₂は、カプラ２６「右回り」と３２「左回り」との間
のファイバリング２４の光学的路長である。

【００２２】非相反性効果の測定のため、例えばサニャ
ック効果を用いる回転速度の測定のために、搬送波周波
数および側波帯の少なくとも１つは、リング共振器との
共振させられる。半導体レーザ１０（図１）から出発
し、ファイバ１６および２２を介して検出器３４へ達す
るかもしくはファイバ１６および３０を介して検出器３
６へ達する光によって、リング共振器の共振周波数ｑ₀
とリング共振器４０の共振した側波帯ｑ_0-1およびｑ₀₊₁
とは、特に強力にリング共振器４０の上に導かれる。そ
の他の周波数は、ほとんど支障なく検出器３４および３
６へ達する。制御回路は、搬送波周波数ｆ_oと側波帯ｆ_o
＋／−ｊＦＳＲとが、ちょうど「共振の谷」（ｄｉｐ
ｓ）に存在するようにしている。

【００２３】リング共振器４０中で非相反性効果の発生
の場合に、リング共振器４０の共振機能はレーザ光の反
対方向の循環のために分岐している。このことは、図４
中に図示されている。分岐Δｆは、非相反性効果に比例
している。サニャック効果に該当する：

【００２４】

【数１】

【００２５】リング共振器４０の伝搬率の最大値は、変
位した周波数ｆ_Lもしくはｆ_Rの場合に存在する。また、
位相変位は、図４の下方部分に図示されているように、
振幅変位と一緒に生じている。右回りに伸びるレーザ光
と左回りに伸びるレーザ光との間の共振領域中に位相差
Δψが発生している。これとは異なり、共振領域には存
在しない周波数、例えば図４中の周波数ｆ_kは、リング
共振器４０中で右回りおよび左回り循環する光の間に位
相差を生じない。

【００２６】検出器３４および３６の信号の差異を形成
し、記載したようにレーザ光の周波数を変調する場合、
信号の成分は変調周波数と一緒に生じる。この成分は、
測定すべき非相反性効果、即ち例えばファイバリングの
水平面に対して垂直の軸を回る回転速度の際にサニャッ
ク効果によって光学的路長の変動のための尺度である。

【００２７】定義された微弱な再結合の達成のために、
反射防止されていないレーザダイオードが使用できる。
また、減衰素子２０が、「光ダイオード」の形で設置さ
れていてもよい。この場合、このような光ダイオードの
絶縁に関する要件は、例えば通信光学における場合と比
べて明らかに低い。２０ｄＢ（往復値（Ｒｏｕｎｄｔｒ
ｉｐｗｅｒｔ））の絶縁は、この目的にとって有用な値
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ファイバ光学およびリング共振器を用いて構成
され、サニャック効果のような非相反性効果に反応する
センサの略図。

【図２】測定すべき非相反性効果を有していない場合お
よび有している場合の自由に回転する系の周波数に依存
する光学的に再結合した系の周波数の依存性を示すダイ
ヤグラム。

【図３】リング共振器の固有の共振のスペクトルに関連
して、光学的に再結合した半導体レーザの変調スペクト
ル図。

【図４】リング共振器の伝搬率および結合して出射した
光の位相、非相反性効果の発生の際の右回りおよび左回
りに回転するレーザ光の周波数に依存する位相を示す略
図。

【符号の説明】

１０半導体レーザ、１２高周波源、１４光学
素子、１６光導波性のファイバ、１８位相調整
素子、２０減衰素子、２４ファイバリング、
２２通路路、２４ファイバリング、２６カプ
ラ、２８カプラ、３０ファイバ、３２カプ
ラ、３４光電検出器、３６光電検出器、３８
位相調整素子、４０外部リング共振器、４２、
４４、４６プラトー、４８ダイヤグラム、 Δψ
右回りおよび左回りの搬送波ｆの位相差ｆ_mod 変調
周波数、ｆ_o 搬送波周波数、ＦＳＲリング共振
器の自由スペクトル間隔、ｌ₁、ｌ₂ ファイバリング
２４の部分長、ｍｘｆ＝０の搬送波の位相、ｑ₀
基本共振、ｑ₀、ｑ_0-1、ｑ₀₊₁ リング共振器の共
振個所Ｚ₁、Ｚ₂、Ｚ₃ 供給導波路の長さ、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ゲツツガイスタードイツ連邦共和国ザーレム−ミメンハウゼンバーンホーフシユトラーセ 88 (72)発明者ミヒヤエルラープドイツ連邦共和国ザーレム１ヴアイルドルフアーハルト９

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測値用センサにおいて：（ａ）光の第１および第２の循環方向を有する光学的リ
ング共振器、この場合、リング共振器の光学的路長は、
光の第１および第２の循環方向のためにリング共振器中
で非相反性効果によって計測値に依存して種々変動し、（ｂ）リング共振器と、第１の循環方向をもって循環す
る光波および第２の循環方向をもって循環する光波の発
生のために結合している半導体レーザ、この場合、リン
グ共振器は、半導体レーザの共振空隙の一部を形成し、（ｃ）周波数変調されたレーザ光波の側波帯がリング共
振器と共振しているように、半導体レーザの直接的な制
御によって、半導体レーザの周波数を変調するための装
置および（ｄ）記載した計測値を再生する信号を発生させるため
に、第１および第２の循環方向をもって循環する光波の
差異に応答する検出装置を備えていることを特徴とする計測値用センサ。