JPH07218271A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、損失によるＳ／Ｎ比の低下を
補償し、かつ検出角速度の零点ドリフトを低減する光フ
ァイバジャイロを提供する。 【構成】 光源１と、受光器９と、この光源及び受光器
を分岐とする第１のカプラ２と、第１のカプラの上記分
岐の反対側に接続される偏光子３と、この偏光子に接続
されると共に偏光子の反対側に分岐を有する第２のカプ
ラ４と、利得光ファイバからなり第２のカプラの分岐間
を閉じる光ファイバセンシングループ５と、この光ファ
イバセンシングループ５から光源１の間に接続されて利
得光ファイバのための励起光を注入する励起用光源７と
を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバをループ状
にして形成したセンシングループに左右回りの光を伝搬
させ、両光の干渉強度から角速度を検出する光ファイバ
ジャイロに係り、特に、簡単な構成で、損失によるＳ／
Ｎ比の低下を補償し、かつ検出角速度の零点ドリフトを
低減する光ファイバジャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４に従来の光ファイバジャイロの構成
を示す。この光ファイバジャイロは、光源１、第１のカ
プラ２、偏光子３、第２のカプラ４、センシングループ
５、位相変調器６、及び受光器９の光学部品から構成さ
れた、位相変調方式の開ループ型の光ファイバジャイロ
である。この構成にあっては、光源１の光を第１のカプ
ラ２、偏光子３に通して良好な直線偏光を形成する。そ
の光を第２のカプラ４を用いてセンシングループ５に左
回り光、右回り光として入射させる。両光はそれぞれセ
ンシングループ５を伝搬した後、第２のカプラ２で合成
され、互いに干渉する。その合成された光（干渉光）
は、偏光子３、第１のカプラ２を通り、受光器９で検出
される。このときセンシングループ５が回転している
と、その回転角速度に応じた干渉の強度が得られるの
で、受光器９で検出される光の強度から算出して回転角
速度を検出することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図４の光ファイバジャ
イロを構成するためには、各光学部品を接続する必要が
ある。図示されるように最低でも４か所の接続部が形成
される。接続部においては光が接続損失を受ける。図４
の構成にあっては、理論上でも９ｄＢの光の損失が生じ
るが、これに接続損失も加わって、通常の総合損失は１
３ｄＢ程度となる。このように総合損失が大きいと、受
光器９に到達する光は微弱なものとなる。このためＳ／
Ｎ比が低下すると共に検出角速度の零点ドリフトが大き
くなるという問題があった。

【０００４】Ｓ／Ｎ比を改善するには、受光器９に到達
する光が強ければよいので、例えば、光源１の光出力を
大きくすることが考えられる。しかし、光源１の光出力
を大きくすると、光源１の寿命が短くなったり、発熱が
大きくなったりする弊害が生じる。また、これらの問題
を解決するために、方式に改良を加えたリング共振型や
閉ループ型が提案されてはいるが、これらのものは図４
に比べて構成が非常に複雑になる。構成が非常に複雑に
なることはコストの上昇や信頼性の低下をもたらし、問
題である。

【０００５】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、簡単な構成で、損失によるＳ／Ｎ比の低下を補償
し、かつ検出角速度の零点ドリフトを低減する光ファイ
バジャイロを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光源と、受光器と、この光源及び受光器を
分岐とする第１のカプラと、第１のカプラの上記分岐の
反対側に接続される偏光子と、この偏光子に接続される
と共に偏光子の反対側に分岐を有する第２のカプラと、
利得光ファイバからなり第２のカプラの分岐間を閉じる
光ファイバセンシングループと、この光ファイバセンシ
ングループから光源の間に接続されて利得光ファイバの
ための励起光を注入する励起用光源とを備えたものであ
る。

【０００７】また、別の構成は、光源と、その背後に配
置される受光器と、光源の前方に接続される偏光子と、
この偏光子に接続されると共に偏光子の反対側に分岐を
有するカプラと、利得光ファイバからなり上記カプラの
分岐間を閉じる光ファイバセンシングループと、この光
ファイバセンシングループから光源の間に接続されて利
得光ファイバのための励起光を注入する励起用光源とを
備えたものである。

【０００８】上記光源の光を１．５５μｍ帯とし、上記
利得光ファイバをエルビウム添加光ファイバで構成し、
かつ、上記励起用光源の光を１．４８μｍ帯としてもよ
い。

【０００９】

【作用】上記構成により、光源の光は、第１のカプラ、
偏光子、第２のカプラを経由して光ファイバセンシング
ループに至り、左回り、右回りした後、第２のカプラ、
偏光子、第１のカプラを経由して干渉光として受光器に
受光される。このとき、利得光ファイバからなる光ファ
イバセンシングループに励起光が注入されることによ
り、左回り、右回りの光が同じ利得で増幅される。増幅
された光が受光器に受光されるので、Ｓ／Ｎ比の低下が
補償され、検出角速度の零点ドリフトが低減される。ま
た、この構成は、従来の構成に対し、光ファイバセンシ
ングループを利得光ファイバで置き換え、励起用光源を
付加したものであるから、構成が簡単となる。

【００１０】光源の背後に受光器が配置される構成にあ
っては、光源の光は、偏光子、カプラを経由して光ファ
イバセンシングループに至り、ここで上記と同様に増幅
されつつ左回り、右回りした後、カプラ、偏光子を経由
して干渉光として受光器に受光される。増幅された光が
受光器に受光されるので、Ｓ／Ｎ比の低下が補償され、
検出角速度の零点ドリフトが低減される。この場合、受
光器には光源から直接の光が入射するが、これは直流成
分として電気的にカットできる。さらにこの構成では、
第１のカプラを必要とせず、構成が簡単となる。

【００１１】利得光ファイバとして光ファイバ材料にエ
ルビウムを添加したエルビウム添加光ファイバを使用す
る。この場合、利得光ファイバに１．４８μｍ帯の励起
光を注入すると、エルビウムが１．５５μｍ帯の光を生
じるので、１．５５μｍ帯での増幅が可能である。そこ
で、光源光に１．５５μｍ帯の光を使用し、光ファイバ
センシングループでの増幅を利用して受光器に十分な強
度の光を受光させることができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００１３】図１に示されるように、光ファイバジャイ
ロは、光源１、第１のカプラ２、偏光子３、第２のカプ
ラ４、光ファイバセンシングループ（以下、センシング
ループという）５、位相変調器６、励起用光源７、狭帯
域フィルタ８及び受光器９の光学部品から構成されてい
る。

【００１４】光源１には発光ダイオードやレーザダイオ
ードを使用することができる。本実施例では、光源１
は、波長１．５５μｍの光源光を供給するレーザダイオ
ードであり、その光出力は約１ｍＷである。この光源１
には第１のカプラ２の分岐を構成する光ファイバのひと
つ（２ａ）が結合されている。第１のカプラ２及び後述
の第２のカプラ４は、共に光ファイバを用いた融着延伸
型のカプラであり、２本の光ファイバで構成された分岐
が両側に形成されている。第１のカプラ２は、波長１．
５５μｍで３ｄＢ動作するものであり、波長１．４８μ
ｍでの特性には制限はない。第１のカプラ２には、光源
１の反対側の分岐を構成する光ファイバのひとつ（４
ｃ）に偏光子３が接続されている。偏光子３は、楕円ジ
ャケット型偏波面保存光ファイバを用いた光ファイバ型
偏光子であり、波長１．５５μｍで動作するものであ
る。偏光子３には、第１のカプラ２の反対側に、第２の
カプラ４の分岐を構成する光ファイバのひとつ（４ａ）
が接続されている。第２のカプラ４は、少なくとも波長
１．５５μｍ及び波長１．４８μｍの両波長で３ｄＢ動
作することのできる波長無依存型のものである。このよ
うに、第２のカプラ４は、波長１．５５μｍの光源光と
波長１．４８μｍの励起光とに良好な伝搬特性を有する
ものが使用される。第２のカプラ４の反対側の分岐を構
成する２本の光ファイバ（４ｃ、４ｄ）には、分岐間を
閉じるようにセンシングループ５の両端が接続されてい
る。第２のカプラ４とセンシングループ５との接続に
は、コア拡大技術が用いられている。その接続損は、約
０．１ｄＢである。

【００１５】このセンシングループ５は、ループ半径を
５０ｍｍとして全長１５０ｍの光ファイバ１０をループ
状にして形成されている。この光ファイバ１０は、楕円
コア型偏波面保存光ファイバであり、コアとクラッドと
の比屈折率差は約１．３％、損失は波長１．５５μｍで
０．３５ｄＢ／Ｋｍ、消光比は１Ｋｍ当たり−３０ｄＢ
である。また、この光ファイバ１０には、エルビウムが
添加されている。エルビウムの添加量は約６０ｐｐｍと
通常より低濃度である。このエルビウム添加光ファイバ
は利得光ファイバとして作用させることができる。

【００１６】位相変調器６は、光ファイバを伝搬する光
を位相変調するものであり、センシングループ５を形成
する光ファイバ１０に挿入されている。

【００１７】励起用光源７は、第２のカプラ４の残りの
一端の光ファイバ（４ｂ）に結合されている。励起用光
源７は、波長１．４８μｍの励起光を供給するレーザダ
イオードであり、そのファイバ出力は約３３ｍＷであ
る。励起用光源７から波長１．４８μｍの励起光を注入
することにより、センシングループ５を励振して利得光
ファイバとして作用させると、センシングループ増幅器
を形成することができる。このセンシングループ増幅器
は、双方向に同じ増幅特性を有する双方向増幅方式にな
っており、その増幅特性は、小信号利得が約２８ｄＢ、
飽和光出力が１３ｄＢｍ、ノイズフィギュア（ＮＦ）が
７ｄＢである。なお、センシングループ５のジャイロと
してのスケールファクタは約０．２である。

【００１８】狭帯域フィルタ８は、第１のカプラ２の残
りの一端の光ファイバ（２ｂ）に結合されている。狭帯
域フィルタ８の反対側に受光器９が設けられており、狭
帯域フィルタ８が受光器９の直前に挿入されている構成
となっている。狭帯域フィルタ８は、センシングループ
５を介して戻ってくる光から、増幅された自然放出光雑
音を除くためのものである。

【００１９】各光学部品を接続する接続部（×印）は、
図示のように４か所形成されている。

【００２０】次に実施例の作用を述べる。

【００２１】光源１から発した波長１．５５μｍの光
は、第１のカプラ２、偏光子３、第２のカプラ４を経由
してセンシングループ５に至る。第２のカプラ４で分岐
された光は、センシングループ５を左回り及び右回りし
て第２のカプラ４に戻る。センシングループ５に回転角
速度が生じていると、両光はそれぞれ回転角速度の影響
を受ける。一方、励起用光源７から発した波長１．４８
μｍの光は、第２のカプラ４を経由してセンシングルー
プ５に注入され、センシングループ５を両端から励振す
る。センシングループ５が励振されることにより、波長
１．５５μｍの光が生じるため、上記左回り及び右回り
の光が増幅され、光の強度が増すことになる。双方向に
同じ増幅特性であるから、左回り光、右回り光は同じよ
うに増幅される。このようにして、回転角速度の影響を
受け、かつ増幅された両光は、第２のカプラ４、偏光子
３、第１のカプラ２、狭帯域フィルタ８を経由して干渉
光として受光器９に受光される。

【００２２】以上の動作において、光源光は各光学部品
を伝搬する際に、前記した各光学部品による損失を生じ
ると共に、それぞれの接続部（×印）において接続損失
を生じる。と同時に、利得光ファイバによるセンシング
ループ５において増幅される。その結果、受光器９は十
分な強度の光を受光することになる。これによって、Ｓ
／Ｎ比の低下が補償され、検出角速度の零点ドリフトが
低減される。

【００２３】図３に、本発明の光ファイバジャイロによ
る回転角速度の検出例と、従来の検出例とを示す。いず
れのグラフも、横軸に時間、縦軸にジャイロ出力＝回転
角速度をとったものである。図３（ｂ）の従来例は、正
方向の回転角速度が断続的に生じているときに検出され
たものであるが、零点が負側に徐々に大きくドリフト
し、その後、正側に転じている。このため目盛りから読
み取れる検出値は実際の回転角速度を正確に表しておら
ず、また、回転角速度が与えられていないときにも、若
干の検出値が生じている。これに対し、本発明の例は、
負方向と正方向とに１回ずつ回転角速度が生じたときに
検出されたものであるが、零点のドリフトが全くないの
で、目盛りから読み取れる検出値が実際の回転角速度を
正確に表し、回転角速度が与えられていないときには検
出値が正しく零を示している。

【００２４】このように、本発明の光ファイバジャイロ
は零点ドリフトを大幅に低減させた超高精度の光ファイ
バジャイロであり、しかも、その構成は、開ループの位
相変調方式による簡単な構成で実現されている。

【００２５】次に、他の実施例を説明する。

【００２６】図２に示される光ファイバジャイロは、光
源１、偏光子３、カプラ２１、センシングループ５、位
相変調器６、励起用光源７、及び受光器２２の光学部品
から構成されている。図１との比較で述べると、カプラ
２１は第２のカプラ４に相当し、第１のカプラ２及び狭
帯域フィルタ８が存在せず、かつ、偏光子３の側を光源
１の前方とすると、受光器２２が背後、即ち、偏光子３
の反対側に配置されている。この例では、受光器２２が
光源１と一体になっており、これは、通常、光源のレー
ザダイオード２３に付属して実装されているモニタ用の
ＰＤ（フォトダイオード）２４を回転角速度検出用の受
光器２２に流用したものである。光源１から直接にこの
受光器２２に入射する光の成分は、受光器２２の後段に
置かれる電気回路（図示せず）において、直流成分とし
て取り除くことができる。

【００２７】この構成においては、図１の構成と同じよ
うに、各光学部品及び接続部（×印）の損失をセンシン
グループ５の増幅によって打ち消している。これによっ
て、Ｓ／Ｎ比の低下が補償され、検出角速度の零点ドリ
フトが低減される。さらにこの構成では、第１のカプラ
２を必要としないため、損失が少なく、構成が簡単とな
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００２９】（１）零点ドリフトを大幅に低減させた超
高精度の光ファイバジャイロが得られる。

【００３０】（２）簡単な構成で実現できるので、コス
トの上昇や信頼性の低下をもたらすことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す光ファイバジャイロの
構成図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す光ファイバジャイロ
の構成図である。

【図３】（ａ）は本発明の、（ｂ）は従来例の、回転角
速度の検出出力の時間変化グラフである。

【図４】従来例を示す光ファイバジャイロの構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 第１のカプラ ３ 偏光子 ４ 第２のカプラ ５ 光ファイバセンシングループ（センシングループ） ７ 励起用光源 ９ 受光器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバセンシングループに左右回り
   の光を伝搬させ、両光の干渉強度から角速度を検出する
   光ファイバジャイロにおいて、光源と、受光器と、この
   光源及び受光器を分岐とする第１のカプラと、第１のカ
   プラの上記分岐の反対側に接続される偏光子と、この偏
   光子に接続されると共に偏光子の反対側に分岐を有する
   第２のカプラと、利得光ファイバからなり第２のカプラ
   の分岐間を閉じる光ファイバセンシングループと、この
   光ファイバセンシングループから光源の間に接続されて
   利得光ファイバのための励起光を注入する励起用光源と
   を備えたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
2. 【請求項２】 光ファイバセンシングループに左右回り
   の光を伝搬させ、両光の干渉強度から角速度を検出する
   光ファイバジャイロにおいて、光源と、その背後に配置
   される受光器と、光源の前方に接続される偏光子と、こ
   の偏光子に接続されると共に偏光子の反対側に分岐を有
   するカプラと、利得光ファイバからなり上記カプラの分
   岐間を閉じる光ファイバセンシングループと、この光フ
   ァイバセンシングループから光源の間に接続されて利得
   光ファイバのための励起光を注入する励起用光源とを備
   えたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
3. 【請求項３】 上記光源の光を１．５５μｍ帯とし、上
   記利得光ファイバをエルビウム添加光ファイバで構成
   し、かつ、上記励起光を１．４８μｍ帯とすることを特
   徴とする請求項１又は２記載の光ファイバジャイロ。