JPH076798B2 - 多モ−ドファイバ光学回転センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、ファイバ光学回転センサに関するもので、特
に、多モードファイバの検知ループを有するサグナック
（Sagnac）干渉計を用いたファイバ光学回転センサに関
するものである。

本特許出願は、“多モードファイバ光学回転センサ”と
いう名称で1981年11月６日に出願された同時係属中の我
々のアメリカ合衆国特許出願連続番号第318,813号の一
部継続出願である。

ファイバ光学回転センサは、通常、ファイバ光学物質の
ループを備えており、ループのまわりを互いに反対方向
に伝播する光波が、これに結合する。ループが回転する
と、周知の“サグナック効果”によって、ループの回転
速度に対応した量の位相差が、互いに反対方向に伝播す
る波の間に生ずる。この、互いに反対方向に伝播する波
は、再結合されると、干渉して強め合いや弱め合いが起
こり、ループの回転速度に応じた強度変化を有する、光
学的出力信号を発生する。この光学的出力信号を検出す
ることにより、回転の検知が行なわれる。

回転によって誘起されたサグナック位相差を正確に検出
するためには、このファイバの物理的性質（たとえば、
ファイバ複屈折）に起因して発生する、非回転的に誘起
される位相差を実質的に除去することが必要である。こ
れは、このような位相差はサグナック位相差と区別でき
ないからであり、したがって、光学的出力信号中に“位
相誤差”をもたらすからである。互いに反対方向に伝播
している波についての光路が、このループが静止してい
るときに、相等していならば、これらの非回転的に誘起
される位相差は除去されており、この干渉計は“相反的
（reciprocal）”と呼ばれる。一方、これらが等しくな
い場合には、この干渉計は“非相反的（nonreciproca
l）”と呼ばれる。

ファイバ光学干渉計回転センサにおける非相反性は、２
つの因子によって引き起こされる。その第１は、光学的
ファイバは、異なった伝播速度と位相速度をもつ、多く
の異なった基本モード、たとえばHE₁₁モードやTE₁₀モー
ドなどを保持できることである。（ここでの議論では、
１つのモードはファイバを通る１つの特定の光路として
見ることができる。）その第２は、光学ファイバの複屈
折は、ファイバに沿って一様ではなく、したがって、モ
ード間の光エネルギの結合が存在することである。これ
らの因子の双方が存在すると、互いに反対方向に進む波
のそれぞれが、ファバループのまわりの異なった光路を
進行するようになり、したがって、それらが再結合する
ときに、それらの間に位相差が存在してしまうことにな
る。この位相差は、サグナック位相差よりも数桁大きく
なり得るもので、回転的に誘起されたサグナック位相差
と区別できず、したがって、光学的出力信号において、
誤差として現われる。上に述べた２つ因子のいずれかが
個別に生ずるときには、相反性を崩すのに十分でないこ
とは、強調しておくべきことである。非相反性を生ずる
には、双方の因子がともに存在しなければならないので
ある。

単一モードファイバを利用することによって、相反性を
満足させようとする努力が、従来技術においてなされて
いる。この単一モードファイバは、ただ１つの基本伝播
モード、すなわちHE₁₁モードを有するものである。単一
モードファイバを使用すれば、前記第１の因子は理論的
には除去でき、したがって、相反性を得ることができ
る。しかし、実際問題としては、単一モードファイバ
は、ほとんど縮退した、すなわち、伝播位相速度が若干
異なった２つの直交偏波モードを有することが知られて
いる。伝播位相速度におけるこのような差は、それが非
常に小さいものであれ、単一モードファイバ回転センサ
に非相反的に動作を生じさせるに十分なものである。こ
の問題は従来技術において解決されており、たとえばこ
れは、Optics Letters,Vol.4 pp.152（1979年４月）
に記載されている、R.UlrichおよびM.Johnsonの“ファ
イバリング干渉計偏波解析”という題の、論文に記述さ
れているように、単一モードファイバの２つの偏波モー
ドのうちの１つをブロックするファイバ光学偏波器を利
用することによって解決される。

回転の検知において、多モードファイバを使用するとい
うことは、モード数が多く、また伝播速度が異なるため
に、仮に注意が払われたとしてもそれはほとんどないに
等しいものであった。ステップインデックス形多モード
ファイバに対するものとしてのグラッドインデックス形
多モードファイバを利用することによって、モード間の
伝播速度の差を減少させることはできるが、それでも、
ファイバのいずれのタイプにおいても、伝播速度におけ
る差は相当に大きいため、多モードファイバは、回転セ
ンサへの使用には不向きであると従来は考えられてき
た。さらに、次のような事実があるために、問題はさら
に込み入ってくる。すなわち、多モードファイバの基本
モードのそれぞれの中に、厳密には同じではないが、ほ
とんど等しい伝播速度をもつモードパターンの組が存在
するのである。ここでは、これを“一般化偏波モード
（generalized polarization modes）”と呼ぶことに
する。特定の基本モードの一般化偏波モード間の伝播速
度の差は、通常、グラッドインデックス形の多モードフ
ァイバの基本モード間の伝播速度の差と同程度である。
特定の場合には、何千にも及ぶ多くのモードが含まれ、
それらに伴う伝播速度があるために、単一の多モードフ
ァイバを利用したサグナック干渉回転センサにおいて、
相反的動作を行なわせることは、不可能ないしは少なく
とも非現実的であると、従来考えられてきた。

発明の概要 本発明に係る回転センサは、サグナック干渉計配列にお
いて、ループを形成する、多モード光学ファイバの単一
かつ連続的なストランド（strand）を備えている。ルー
プを閉じるために、ファイバ光学方向性結合器を使用
し、これは、互いに反対方向に伝播する光波のペアを結
合し、ループに導く。この結合器は、互いに反対方向に
伝播する光波を、このループを通過した後に再結合し
て、光学的出力信号とする。この信号は、光検出器に与
えられる。ループが回転すると、互いに反対方向に伝播
する光の間に位相差が誘起され、これは、光学的出力信
号の大きさを回転速度に応じて変化させる。光学的出力
信号を検出すれば、回転速度を直接に知ることができ
る。

互いに反対方向に伝播する波の間の位相差によって、非
回転的に誘起された、光学的出力信号中の位相誤差は、
次の方法で系統的に減少または除去することができる。
すなわち、（１）伝播モード間の光路の長さの差よりも
小さいコヒーレント長をもつ、光源からの光を利用する
こと、（２）十分に大きな検出器を利用し、実質的にす
べての光学的出力信号が検出器表面の上に与えられるよ
うにすること、および（３）伝播モードにおける電界の
振幅のそれぞれが、実質的に等しくなるように、光を多
モードファイバに結合すること、である。位相誤差をこ
のようにして除去し、または減少させることによって、
回転的に誘起されたサグナック位相差を検出することが
でき、実際的で使用可能な多モード回転センサとなる。

本発明の多モードファイバ回転センサは、非常に安定で
あり、温度や振動のような環境因子によって生ずる、フ
ァイバ複屈折における変化に比較的鈍感である。ファイ
バ複屈折のこのような変化によって生ずる、モード間の
位相変化や結合は、モード全体にわたって平均化される
傾向にあり、したがって、光学的出力信号に対する環境
因子の全体的効果は極めて小さい。光学的出力信号の安
定性は、モードの数の関数となっており、したがって、
多数のモードを保持できるファイバを用いることが望ま
しい。この点に関しては、本発明においてステップイン
デックス形多モードファイバを使うことが望ましい。そ
れは、ステップインデックス形ファイバは、同程度のサ
イズのグラッドインデックス形ファイバよりも、多くの
モードを保持できるからである。

本発明の多モードファイバ回転センサは、単一モードフ
ァイバ回転センサの現在の技術的状況を越えた、著しい
利点を有するものである。最も重要な利点の１つは、本
発明は、組立てに要する費用が非常に少ないことであ
る。これは、多モードファイバや、多モード用部品（た
とえば結合器）などが、単一モードファイバや部品に比
べて、安価かつ、使用も容易であるからである。さら
に、空間的にコヒーレントではない光を使うことができ
るため、この回転センサは、光源として、高価な、空間
的に高いコヒーレンス長をもつレーザではなく、安価な
発光ダイオード（LED）を利用できる。

他の利点は、多モードファイバ検知ループは、カー効果
に対する感受率がより低いことである。それは、本発明
においては、この効果は多数のモードにわたって、空間
的に平均化されるからである。感受率がこのように減少
する他の理由は、多モードファイバのコアの直径が大き
くなると、それに従って、ファイバにおける光強度が低
くなることである。さらに、多モードファイバは、外部
磁界によって誘起されるファラデー効果に対しても感受
性が低い。それは、ファイバのモード複屈折（modal b
irefrigence）が、ファラデー効果によって誘起される
複屈折よりも大きいからである。本質的に、多モードフ
ァイバの直線複屈折が、ファラデー効果によって誘起さ
れる回転複屈折を圧倒しているのである。最後に、多モ
ード回転センサは、単一のファイバ光学物質の連続的な
ストランドを用いることにより、対応する単一モードセ
ンサのように、全ファイバシステムとして構成すること
ができる。

本発明のこれらの性質および他の性質は、図面を参照す
るこによって完全に理解されよう。

第１図は本発明の回転センサの概要図であって、光源か
らの光が結合する、光学ファイバの単一の連続的なスト
ランドおよび、このような単一の連続的なストランドか
ら構成される、多モード検知ループを示す。また第１図
は、ファイバループを通って互いに反対方向へ伝播する
波の間の位相差を検出するための検出システムを示して
いる。

第２図は、ファイバループ16の概念的モデルを示す概要
図であって、モードのペアを例として、ファイバループ
を通る際の、互いに反対方向に伝播する波の電界成分を
示している。

第３図は、第２図の概念的モデルの概要を示す図であっ
て、ファイバループを通過した後の、互いに反対方向に
伝播する波の電界成分を示している。

第４図は、光学的出力信号のベクトル図であって、第３
図に示した電界成分から生ずる、“dc"項のベクトル和
を実軸に沿って示す。また、第３図に示した電界成分か
ら生ずる、干渉項のベクトル和を、フェーザの態様によ
って回転した、他のベクトルとして示す。さらに、
（１）回転的に誘起されたサグナック位相差、および
（２）非回転的に誘起された位相差によって生ずる位相
誤差、に対する干渉項を表現するベクトルの応答を示
す。

第５図は、第４図のベクトル図に対応した、サグナック
位相差と、検出器によって測定された光学強度との関係
を示すグラフであり、非回転的に誘起された位相誤差の
効果を示すものである。

第６図は、グループIIIの電界成分によって生ずる干渉
項のベクトル図である。

第７図は、第６図の２つのベクトルのベクトル和を表わ
す合成ベクトルを示すベクトル図であり、このような合
成ベクトル和に伴った位相誤差を示している。

第８図は、大きさを等しいと置いた、第６図のベクトル
を示すベクトル図である。

第９図は、第８図のベクトルのベクトル和を表わす合成
ベクトルのベクトル図であり、ベクトルの大きさを等し
いと置くことによって除去される位相誤差を示してい
る。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図に示す、好ましい実施例においては、単一の連続
的長さをもつか、またはストランドとされた多モード光
学ファイバ11に、CW光を導き入れるための光源10を備え
ている。ここで使われるような“多モードファイバ”と
は、使用される特定の光源からの光の複数の基本モード
を保持できるファイバを意味し、１つの基本モードのみ
を保持できる単一モードファイバに対するものである。
ファイバ11は第１の方向性結合器12の、ＡおよびＣの符
号を付けたポートを通り抜け、第２の方向性結合器14
の、ＡおよびＣの符号を付けたポートを通り抜ける。し
たがって、ファイバ11は、光源10から結合器12のポート
Ａへと延び、そして、結合器12のポートＣから、結合器
14のポートＡへと延びている。結合器14のポートＣから
延びたファイバ11の部分は、巻かれてループ16を形成す
る。特定の例においては、ループ16は1000回の巻きを備
えており、それぞれは、約150平方cmの面積を囲んでい
る。ファイバ16からのファイバ11の終端は、結合器14の
ＤおよびＢの符号を付けたポートを通り抜ける。ポート
Ｄはループ16に近い位置にある。ファイバ11の微小部分
17は、結合器14のポートＢから延びて、無反射開放端と
なって終わる。

第２のファイバ19は、方向性結合器12の、ＤおよびＢの
符号を付けたポートを通り抜ける。ポートＤから出たフ
ァイバ19は、無反射開放端となって終わる。しかし、結
合器12のポートＢから出たファイバ19の部分は、光学検
出器20に光学的に結合し、この検出器は、そこに入社す
る光の強度に比例した出力信号を発生する。

本発明はまた、ロック−イン増幅器24,信号発生器26お
よび位相変調器26を備えている、検出電子回路22を含ん
でいる。特定の例においては、この位相変調器28は、た
とえば約１ないし２インチの直径を持つPZTシリンダを
有しており、ファイバループ16の部分は、このまわり
に、たとえば４ないし10回巻かれている。このファイバ
は、適当な粘着物質によってPZTシリンダに取付けられ
ており、ファイバ11は、このシリンダ28の動径方向の広
がりに対して延びるようになっている。これに関して、
位相変調器28は、信号発生器26からライン30の上に与え
られる、たとえば10−100kHzの範囲にある周波数を有す
る、AC変調信号によって駆動される。検出電子回路22が
正しく動作するためには、この位相変調器28が、検知ル
ープ16の中央ではなく、ループ16の一端に、たとえば結
合器14のポートＤに近接して配置されていることが重要
である。発生器26からのAC変調信号はまた、ライン32上
から、ロック−イン増幅器24へ与えられる。この増幅器
は、増幅器24が、変調周波数における検出器出力信号を
同期的に検出できるように、発生器26からの変調信号を
基準信号として利用している。したがって、増幅器24
は、位相変調器28の基本周波数（すなわち、第１調和周
波数）における帯域通過フィルタを有効に与えるもので
あり、この周波数のすべての他の調和周波数をブロック
する。この技術に熟練した人達には、この検出器出力信
号の調和成分は、動作範囲にわたって、ループ16の回転
速度に比例することが理解されよう。増幅器24は、この
第１の調和成分に比例した信号を出力し、回転速度を直
接に指示する。

この検出器回路22のその他の詳細は、1982年10月14日に
WO82/03456号として発行された“ファイバ光学回転セン
サ”という名称の国際特許出願第PCT/US82/00400号に記
述されており、ここに援用して含める。この検出系はま
た、Optics Letters,Vol.6,No.10（1981年10月）pp.50
2−504にも記載されている。本発明に適当な他の検出シ
ステムが、SPIE,Vol.157,レーザ内部回転センサ（197
8）,pp.131−136において発行された、J.L.DavisとS.Ez
ekielの著作において記述されている。

ファイバ11に利用される多モードファイバのタイプは、
本発明の動作において、決定的なものではないものと信
じられている。したがって、グラッドインデックス形と
同様、ステップインデックス形の多モードファイバも使
用できる。しかしながら、温度や振動などのような環境
の影響に対する回転センサの動作は、モードの数に依存
するものと思われる。したがって、同程度のサイズをも
つグラッドインデックス形ファイバよりも多くのモード
を保持できる、ステップインデックス形ファイバの方が
望ましい。ここに示した実施例においては、ファイバ11
は、約50ミクロンのコア直径を有する、ステップインデ
ックス形ファイバを備えており、ファイバ19はファイバ
11と同一のものである。

結合器12および14として使用するに適当なファイバ光学
方向性接合器が、Suzakiに対して1979年１月30日に発行
された、アメリカ合衆国特許第4,136,929号において開
示されており、ここに援用して含める。この特許の第3a
図ないし第3c図において示されているように、この結合
器は、それぞれの多モードファイバが取付けられる、弓
形の溝を有するブロックのペアを備えている。このブロ
ックの表面は切断されて磨かれており、クラッドとコア
の一部分は、このファイバの１つの側から取り除かれて
いる。その後、ブロックの表面は、並べられたファイバ
のコアの部分を露出された状態で、面と面が向かい合う
関係に配置される。望ましくは、第１図の結合器12およ
び14のそれぞれは50％の結合比を有し、ポートＡから入
った光は、ポートＣとＤとに等分される。第１図の回転
センサもまた、結合器12,14の代わりにビームスプリッ
タを用いることによって、バルク光学要素から構成され
ることができる。

本発明に正しい動作をさせるためには、光源10が重要で
ある。特に、光源10は、強い非コヒーレント性をもつ光
を発生し、ファイバのモードのそれぞれにおける光の相
対的な位相が互いに、本質的に乱雑となる。光源10に対
するそのような制約は、光経路長間の差が光源10のコヒ
ーレンス長よりも小さいときに、対向して伝播する波の
干渉を妨げないであろうということに注目すべきであ
る。さらに、それぞれのモードの電界振幅の大きさが等
しくなるように、光が結合されてファイバに入る必要が
ある。後に議論するように、これらの要請の双方が満足
される程度にまで、非回転的に誘起された位相誤差の特
定のタイプが除去される。光源10として使用するに好ま
しい光源は、700ないし900nmのオーダの波長を有する、
表面発光形の発光ダイオード（LED）である。LEDは広が
りをもった光源であるため、それぞれのモードが同じ光
強度をもって放射される傾向にある。さらに、LEDによ
って生ずる光は、高い非コヒーレント性をもっている。
一般に、LEDは、レーザに比べて安価であるため、光源
として使用するに特に望ましいものである。

この代わりに、第１図の仮想線で示されているように、
光源10に接近した位相変調器40を用いることによって、
コヒーレント光源を利用して非コヒーレント光を発生さ
せることもできる。変調器40は、変調器28と同じタイ
プ、たとえば、まわりにファイバ11が巻かれているPZT
シリンダ、であってもよい。変調器40は、電子回路22の
検出バンド幅よりも高い、高周波信号または乱雑信号の
いずれかを発生する信号発生器（図示せず）によって駆
動される。しかしながら、この信号発生器の動作周波数
は、信号発生器26の周波数とは異なったものである必要
がある。さらに、この変調は、ループ16に到達する前に
行なわれておかねばならないということは重要なことで
ある。そうでないと、このような変調は、回転信号を平
均化してゼロにしようとするであろう。

非コヒーレント光を与えることに加えて、変調器40がモ
ードスクランブラ（mode scrambler）として機能し、
ファイバのモード中に光を均等に分布させてもよい。本
質的には、比較的小さな直径（例えば1/2−１インチ）
のPZTシリンダのまわりに、たとえば５−10回ほどファ
イバを巻き付けることにより、モード間の十分な結合が
得られ、モードの電界振幅を実質的に等しくする。

回転センサが正しい動作を行なうためには、光検出器20
もまた決定的な重要性を有する。特に、光検出器は、フ
ァイバ軸に垂直に置かれたときにファイバ19から出てく
る光のすべてを実質的に遮断するに足る、十分に大きな
表面積をもっている必要がある。光検出器20の直径は、
典型的には、２−10mmの範囲にあり、その厳密なサイズ
は、多モードファイバ19の直径ファイバ19の開口数（フ
ァイバ19から出るときの光の広がりを示すもの）およ
び、ファイバ19の終端と光検出器20との間の距離に依存
する。ここに示した実施例においては、光検出器20は、
直径10mmの通常のPINまたはアバランシ・シリコン光ダ
イオードである。

動作において、連続光波Wiが、光源10から入り、ファイ
バ11を通って伝播する。波Wiが、結合器12を通るとき、
光の一部分（たとえば50パーセント）が、ポートＤを通
して失われる。残りの光は、結合器12のポートＣから、
結合器14に向かい、ここで、この光は、２つの波W₁とW₂
とに等分され、これらはループ16のまわりを、互いに反
対方向に伝播する。ループ16を通り抜けた後、この波W₁
とW₂は、結合器14によって再結合され、光学的出力信号
W₀を形成する。再結合された波W₀の一部分は、結合器14
のポートＢを通じて失われ、一方、残りの部分は、結合
器14のポートＡから、結合器12のポートＣまで進行す
る。ここで、これは再び分離され、その一部分（たとえ
ば50％）は、ファイバ19へと転送される。ファイバ19の
終端を出るとすぐに、波W₀は、光検出器20の上に与えら
れ、この光検出器は、波W₀の光強度に比例した電気信号
を出力する。この光学的出力信号の強度は、波W₁とW₂と
の間の干渉のタイプ（すなわち、強め合いか、弱め合い
か）および干渉の量に比例して変化する。したがって、
この強度は、波W₁とW₂との間の位相差の関数となってい
る。ここで、ファイバ11が“理想的”（すなわち、ファ
イバの複屈折は、その長さ方向に沿って一様である）と
仮定すれば、光学的出力信号の強度を測定することによ
り、回転的に誘起されたサグナック位相差を、したがっ
て、ファイバループ16の回転速度を正確に知ることがで
きる。

前に指摘したように、現在の技術状態における多モード
ファイバは、（１）これらが複屈折的であり、（２）複
屈折は、ファイバの長さ方向に沿って一様ではない、と
いう点で“理想的”からはほど遠い。したがって、回転
的に誘起されたサグナック位相差と区別できない、非回
転的に誘起された位相差（すなわち、位相誤差）を生ず
ることになる。本発明においては、これらの位相誤差を
除去または減少させるために、３つの異なった手法を用
いている。すなわち、それは、（１）高い非コヒーレン
ト性をもつ光を発生する光源を用いることにより、ファ
イバのそれぞれのモードで放射された光の相対的な位相
を本質的に互いに乱雑にする、（２）それぞれのモード
にある光の電界振幅を等しくする、（３）実質的に、光
学的出力信号パワーのすべてをとらえることのできる、
比較的大きな表面積を持つ検出器を使用する、ことであ
る。これらの手法のそれぞれは、位相誤差の特定の組ま
たは群を対象としたものである。

このようにして、位相誤差を除去し、または減少させる
ことは、第２図を参照してより完全に理解できよう。第
２図では、完全直交モードの任意の組から選ばれた多モ
ードファイバの、２つの任意のモードの概念的モデルを
描いたものである。この完全直交モードは、このような
直交モードの組の電界の線形結合として、多モードファ
イバにおける任意の伝播電界パターンを記述することを
可能とするものである。それぞれのモードは、他のモー
ドとは異なった伝播速度をもつものと仮定する。さら
に、複屈折は、ファイバの長さ方向に沿って一様に分布
していないという事実を考慮して、モード間の光エネル
ギの結合があるものと仮定する。エネルギのこのような
結合を、ここでは、“クロス結合”と呼ぶことにする。

実際には多モードファイバは、たとえば、何千ものモー
ドを持つことができるものと認められるが、本発明の目
的のためには２つのモードのみを考え、後に数学的に示
すように、この２つのモードの場合をＮモードの場合に
拡張できるものと理解する。

第２図の概念的ファイバモデルは、検知ループ16（第１
図）を表現するために利用される。互いに反対方向に伝
播する波W₁,W₂は、結合器14によって、ループ16へ結合
するものとして、破線の矢印で概念的に示されている。
この多モード光学ファイバの、例示的に任意に選ばれた
２つのモードは、第２図において端子Ｃ′およびＤ′の
ペアを結ぶ第１の線と、端子Ｃ″およびＤ″の第２のペ
アを結ぶ、第１の線とは平行な第２の線とによって、概
念的に表現されている。第２図の左側にある端子Ｃ′お
よびＣ″は、結合器14のポートＣに対応し、また、第２
図の右側にある端子Ｄ′およびＤ″は、結合器14のポー
トＤに対応する。前述した、端子を結ぶ第１の第２の線
は、それぞれ、ファイバループ16の任意のモードｉおよ
びｊを表現するために用いられている。

モードｉとｊとの間のクロス結合は、“ブランチ1"およ
び“ブランチ2"の符号を付けた、線のペアでそれぞれ表
現される。ブランチ１は、端子Ｃ″とＤ′との間のクロ
ス結合を表現し、一方でブランチ２は、端子Ｃ′とＤ″
との間のクロス結合を表下する。２つのブランチ１およ
び２の間には、結合は存在しないものと理解されるが、
参照符号50によって示されたブランチ１とブランチ２の
と交差を“結合中心”と呼ぶことにする。結合中心50
は、ファイバループの中心から離れているものとして示
されており、ファイバ複屈折はその長さ方向に沿って一
様ではなく、したがって、ファイバループ16のまわり
に、対称的に分布しないことを示している。したがっ
て、クロス結合した光は、一方のモードが、他方よりも
より長い経路を進行し、このため、それらの間に非回転
的に誘起された位相差を生ずる。

第２図に示すように、波W₁は、ファイバループ16に結合
して、モードｉおよびｊは、それぞれ電界振幅▲Ｅ⁺ _i▼
および▲Ｅ⁺ _j▼を生ずる。同様に、W₂は、結合されてモ
ードｉおよびｊにそれぞれ電界振幅▲Ｅ^- _i▼および▲Ｅ
^- _j▼を生じさせる。添字プラス（＋）およびマイナス
（−）は、伝播の方向を示し、ループ16のまわりの時計
回り方向はプラス（＋）符号で、ループ16の周の反時計
回り方向はマイナス（−）符号で示される。

モードｉおよびｊのそれぞれの光が、ファイバループ16
を通過するとき、モード間のエネルギの結合が起こり、
それぞれの電界は２つの成分、すなわち添字“s"で示さ
れる“直進”成分と、添字“c"で示される“クロス結
合”成分とに分離される。したがって、▲Ｅ⁺ _i▼は、ル
ープ16を通過する間にモードｉのまま残る直進成分▲Ｅ
⁺ _is▼と、ループ16を通過する間にモードｊとクロス結
合するクロス結合成分▲Ｅ⁺ _jc▼とに分離される。同様
に、▲Ｅ^- _i▼は、成分▲Ｅ^- _is▼と▲Ｅ^- _jc▼とに分離さ
れ：▲Ｅ⁺ _j▼は、▲Ｅ⁺ _ic▼と▲Ｅ⁺ _js▼とに分離され；
また、▲Ｅ^- _j▼は、▲Ｅ^- _js▼と▲Ｅ^- _ic▼とに分離され
る。

光波がファイバループ16を通過した後は、第３図に示し
たように端子Ｃ′における光は、成分▲Ｅ^- _is▼と▲Ｅ^-
_ic▼とを備え；端子Ｃ″における光は、成分▲Ｅ^- _js▼
と▲Ｅ^- _jc▼とを備え、端子Ｄ′における光は、成分▲
Ｅ⁺ _is▼と▲Ｅ⁺ _ic▼とを備え；端子Ｄ″における光は、
成分▲Ｅ⁺ _js▼と▲Ｅ⁺ _jc▼とを備える。これら８個の電
界成分は結合器14によって結合され、光学的出力信号W₀
を与える。この技術に熟練した人達は、一般に、任意の
２つの電界成分、たとえば▲Ｅ⁺ _is▼および▲Ｅ⁺ _ic▼の
重ね合わせによって、検出器20によって測定される合成
強度（Ｉ）は、次のように定められることがわかるであ
ろう。

Ｉ＝｜▲Ｅ⁺ _is▼|²＋｜▲Ｅ⁺ _ic▼|²＋2|▲Ｅ⁺ _is▼||▲
Ｅ^- _ic▼|cosφ （１） 但し、この特定の例では、φは、電界成分▲Ｅ⁺ _is▼と
▲Ｅ⁺ _ic▼との間の位相差である。

第（１）式の最初の２つの項すなわち、｜▲Ｅ⁺ _is▼|²
および｜▲Ｅ⁺ _ic▼|²は、定常状態または“d.c."項であ
り、一方、最後の項は電界▲Ｅ⁺ _is▼と▲Ｅ⁺ _ic▼との間
の位相差φに依存する大きさをもった“干渉”項であ
る。一般に、上に述べた８個のすべての電界▲Ｅ
^- _is▼，▲Ｅ^- _ic▼，▲Ｅ^- _js▼，▲Ｅ^- _jc▼，▲Ｅ
⁺ _is▼，▲Ｅ⁺ _ic▼，▲Ｅ⁺ _js▼および▲Ｅ⁺ _jc▼は互いに
干渉して、位相に依存しない８個の“dc"項、および位
相に依存する28個の“干渉”項、からなる光学強度を検
出器20（第１図）に与える。位相依存項の組合わせの数
は、実際には、ｎ（ｎ−１）または56個の位相依存項で
ある。しかしながら、これらの項の半分は、単に、他の
半分の順序を入替えたものにすぎず、結局、28個の余分
な項がある。

８個のdc項は、第４図において符号Idcで示された単一
のベクトル和として示され、一方、28個の干渉項は、第
４図において符号Iiで示された単一のベクトルとして示
されている。これらのベクトルIdcおよびIiは、複素平
面において描かれている。ファイバループ（第１図）が
回転すると、この位相依存ベクトルIiがフェーザの態様
でサグナック効果による、回転的に減少された位相差φ
ｓに等しい角度だけ回転する。干渉ベクトルIiの、実軸
上への射影は、ベクトルIdcに加えられたとき、検出器2
0（第１図）で測定されるものとしての、光学的出力信
号W₀の全光学強度I_DETとなる。第５図において、この光
学強度I_DETは、サグナック位相差φｓの関数として描か
れ、曲線52に示されたようになる。

第２図を参照して前に説明したように、モードｉとｊと
の間の結合によって、ファイバループ16が非相反的とな
り、前述した、電界成分の間の非回転的に誘起された位
相差を生じ、また、回転的に誘起されたサグナック位相
差φｓと区別できない、蓄積された位相誤差φｅを生ず
ることになる。位相誤差φｅは、フェーザIiを回転さ
せ、たとえば、第４図の実線において示した位置から、
破線で示した位置へと移動させる。第５図の曲線52は、
量φｅだけ、たとえば、第５図の実線で示した位置から
破線で示した位置へと移動する。

蓄積された位相誤差φｅを除去または減少させるために
は、第２図を参照して議論した、８個の電界成分の重ね
合わせから生ずる、28個の干渉項を解析することが必要
である。最初に、電界成分▲Ｅ⁺ _is▼と▲Ｅ^- _is▼、およ
び▲Ｅ⁺ _js▼と▲Ｅ^- _js▼は、位相誤差に寄与しないと認
められる。それは、これらの成分によって表わされる光
は、クロス結合せず、これらのモードのうちの１つの単
一モードでループを通過するからである。しかしなが
ら、他の26個の干渉項は、蓄積位相誤差φｅに寄与でき
る。これらの26個の干渉項は、３つのグループ、すなわ
ち、以下に示すグループI,グループIIおよびグループII
Iに分類されることのできる、電界成分の26個のペアに
対応する。

グループＩ グループII ▲Ｅ⁺ _is▼および▲Ｅ⁺ _ic▼ ▲Ｅ⁺ _is▼および▲Ｅ^- _jc▼ ▲Ｅ⁺ _is▼および▲Ｅ^- _ic▼ ▲Ｅ⁺ _is▼および▲Ｅ^- _js▼ ▲Ｅ^- _is▼および▲Ｅ⁺ _ic▼ ▲Ｅ⁺ _is▼および▲Ｅ⁺ _jc▼ ▲Ｅ^- _is▼および▲Ｅ^- _ic▼ ▲Ｅ⁺ _is▼および▲Ｅ⁺ _js▼ ▲Ｅ⁺ _js▼および▲Ｅ⁺ _jc▼ ▲Ｅ⁺ _ic▼および▲Ｅ^- _js▼ ▲Ｅ⁺ _js▼および▲Ｅ^- _jc▼ ▲Ｅ⁺ _ic▼および▲Ｅ^- _js▼ ▲Ｅ^- _js▼および▲Ｅ⁺ _jc▼ ▲Ｅ⁺ _ic▼および▲Ｅ^- _jc▼ ▲Ｅ^- _js▼および▲Ｅ^- _jc▼ ▲Ｅ⁺ _ic▼および▲Ｅ⁺ _js▼ ▲Ｅ^- _ic▼および▲Ｅ^- _jc▼ ▲Ｅ^- _ic▼および▲Ｅ^- _js▼ ▲Ｅ^- _ic▼および▲Ｅ⁺ _jc▼ ▲Ｅ^- _ic▼および▲Ｅ⁺ _js▼ グループIII ▲Ｅ^- _is▼および▲Ｅ^- _jc▼ ▲Ｅ^- _is▼および▲Ｅ^- _js▼ ▲Ｅ⁺ _ic▼および▲Ｅ^- _ic▼ ▲Ｅ^- _is▼および▲Ｅ⁺ _jc▼ ▲Ｅ⁺ _jc▼および▲Ｅ^- _jc▼ ▲Ｅ^- _is▼および▲Ｅ⁺ _js▼ 干渉する電界成分のみを上に掲げ、干渉項そのものは記
載されていないが、上に掲げられた成分のペアのそれぞ
れに対する干渉項は、第（１）式を参照した例に従っ
て、容易に計算されるものと理解されよう。

グループＩは、異なったモードで出発するが、ループ16
を通過した後に同じモードで結合器14に到達するような
電界成分のペアを含んでいる。たとえば、グループＩに
おける成分のペアの最初のものは、モードｉで出発し、
ループ16を通過する間モードｉのまま残る直進成分▲Ｅ
⁺ _is▼、およびモードｊで出発し、ループ16を通過する
間に、モードｉとクロス結合する、クロス結合成分▲Ｅ
⁺ _ic▼を備えている。通常は、これらの成分は第（１）
式を参照して説明されるように、互いに干渉するもので
ある。

しかしながら、非コヒーレント光波の間の位相差は乱雑
であるため、非コヒーレント光波成分の干渉は、平均化
されて、検出器20においてゼロとなる。したがって、そ
れぞれのモードが非コヒーレントの光によって放射され
ること、すなわち他のモードにある光に対して乱雑であ
ることを保証することにより、グループＩの干渉項は除
去することができる。したがって、たとえば、モードｉ
が、モードｊにある光に対して非コヒーレントである光
によって放射されるならば、たとえば成分▲Ｅ⁺ _is▼と
▲Ｅ⁺ _ic▼との間の平均干渉はゼロとなる。それは、そ
れらの間の位相差は乱雑であり、したがって、平均化さ
れて検出器20においてゼロとなるからである。同様に、
残りの成分、たとえば▲Ｅ⁺ _is▼と▲Ｅ^- _ic▼；▲Ｅ^- _is
▼と▲Ｅ⁺ _ic▼；などの間の干渉は、平均化されてゼロ
となる。このため、前述したような非コヒーレント光源
10を利用することにより、グループＩに掲げられた成分
の間の干渉、したがって、このような干渉によって生ず
る位相誤差を減少または除去することができる。

グループＩの位相誤差を減少させるために必要とされ
る、非コヒーレンス性の程度は、モード間の光路長の差
の関数である。光源から光のコヒーレンス長が、２つの
与えられたモードの間の光路長の差より小さい範囲で
は、これらの２つのモードに対するグループＩの成分の
間の平均干渉、したがって位相誤差は減少する。Ｎモー
ドの場合には、光源のコヒーレンス長が最も長い光路
と、最も短い光路との間の差よりも小さいときに、位相
誤差の減少が生ずる。しかしながら、グループＩの誤差
を実質的に完全に除去するためには、コヒーレンス長は
モード間の最も短い光路長の差よりも小さくなければな
らない。

グループＩの項による、蓄積された位相誤差φｅ（Ｉ）
と、コヒーレンス長との間の関係は、コヒーレンス長が
光路長の差よりも大きな、モードのペアのすべての可能
な結合（基本モードのほか、一般化偏波モードも含む）
の数を確認することによって、近似的に得ることができ
る。この数を、“K"と呼ぶことにする。位相誤差φｅ
（Ｉ）は、したがって、 となる。但し、Ｎは基本モードと一般化偏波モードの双
方を含むモードの数である。

たとえば、Ｎ＝3000モードを有するファイバにおいて
は、経路長の組合わせの数はＮ（Ｎ−１）ないしは（30
00）^２となり、これは、9000000の可能な組合わせを生
じる。これらの経路の組合わせの１％が、光源のコヒー
レンス長よりも大きな経路長を有するものとすれば： となり、したがって、この例における、グループＩの誤
差による、誤差への寄与は、10^-2ラジアンにすぎない。
最も現実的な場合において、全位相誤差φｅは、オーダ
として、この値たとえば10^-2ラジアンを越えない量でな
ければならない。この値を第（２）式に代入すると次の
ようになる。

ｋ≦.01N² （４） したがって、光源10のコヒーレンス長は、第（４）式を
満足するように選ばねばならない。しかしながら、一般
に、コヒーレンス長が短くなると、それに従って、グル
ープＩの位相誤差は小さくなる。

この技術に熟練した人達には、ファイバモードの光路長
は、ファイバの製造によって与えられたモード分散デー
タを用いて、計算されまたは計測されることは理解され
よう。

グループIIは、ループ16を通過した後に、出発時のモー
ドがどうであったかにかかわらず、異なったモードとな
るような電界成分のペアを含んでいる。したがって、た
とえば、モードｉにある電界成分▲Ｅ⁺ _is▼が、モード
ｊにある成分▲Ｅ^- _jc▼とペアになる。このモード、た
とえばi,jは、直交しており、直交モードの電界は干渉
しないため、グループIIの間の干渉は起こらない。しか
しながら、グループIIの、ペアになった電界のフィール
ドパターンは、“全体的な”意味において直交している
にすぎないことを認識することが重要である。これは、
フィールドパターン全体がファイバ軸に直角な面にわた
って空間的に平均化され、干渉が除かれねばならないこ
とを意味する。もし、このような空間的な平均化が、フ
ィールドパターンの一部のみにおいて行なわれるのであ
れば、直交性は存在しないこととなろう。たとえば、モ
ードｉおよびｊの全体的なフィールドパターンが、実質
的に空間的な平均化を受けることを保証するために、本
発明は、前述したように、ファイバ19の終端から出る光
のすべてを実質的にとらえる程度に、十分に大きな表面
積をもった検出器20を利用している。

グループIIIに掲げられた電界成分のペアすなわち、成
分▲Ｅ⁺ _ic▼と▲Ｅ^- _ic▼との重ね合わせから生ずる干渉
項と、成分▲Ｅ⁺ _jc▼と▲Ｅ^- _jc▼との重ね合わせによっ
て生ずる他の干渉項によって、２個だけの干渉項が生ず
る。したがって、それぞれの干渉項が成分の１つのペア
から生じ、そのうちの１つは第１のモードから出発し、
ループ16を通過する間に第２のモードとクロス結合す
る。一方、同じ第１のモードから出発した他方のモード
は、同じ第２のモードへクロス結合するが、ループ16を
反対方向に進行している。これらの干渉項は、たった２
個ではあるが、環境に対する感受性が非常に高く、サグ
ナック位相差よりも大きなオーダをもち得るような量
の、位相誤差を生ずることが可能である。

▲Ｅ⁺ _ic▼と▲Ｅ^- _ic▼との間の干渉によって、位相に依
存する項； −1/4▲η² _ij▼|Ei|²cos〔φｓ＋φｐ−φｑ） （５） が得られる。

同様に、▲Ｅ⁺ _jc▼と▲Ｅ^- _jc▼との間の干渉によって、
位相に依存する項； −1/4▲η² _ij▼|Ei|²cos〔φｓ−（φｐ−φｑ）〕
（６） が得られる。但し、ηijは、モードｉとｊとの間に結合
された電界エネルギの部分であり，▲η² _ij▼は、モー
ドｉとｊとの間に結合された光学的強度の部分であり；
φｐは、端子Ｃ″とＤ′との間で、一方のモードから他
方のモードへとクロス結合された光に対する、全蓄積位
相であり、；φｑは、端子Ｃ′とＤ″との間で一方のモ
ードから他方のモードへとクロス結合される光に対する
全蓄積位相である。

これらの干渉項（５）および（６）に対応するベクトル
が、第６図の複素平面に、それぞれベクトル56および58
として描かれている。干渉項（５）と（６）とは、単に
それぞれベクトル56と58との実軸への射影にずきないこ
とは理解されよう。ベクトル56と58とはベクトル的に加
算されて、第７図に示す合成ベクトル60となる。図を簡
明にするために、第６図および第７図では、ザグナック
位相差はゼロであると仮定してある。第７図に示されて
いるように、ベクトル60は実軸から位相角φｅ（III）
だけ傾いており、これはグループIIIの成分の間の干渉
によって、非回転的に誘起された位相誤差を示してい
る。ベクトル60の、実軸上への射影は、単に、２の干渉
項（５）および（６）の代数和である： −1/4▲η² _ij▼｛|Ej|²cos（φｓ＋φｐ＋φｑ） ＋|Ei|²cos〔φｓ−（φｐ−φｑ）〕｝ （７） 検出器20は、実軸に沿ったベクトル60の成分のみを検知
しているものであるため、検出器20の出力は代数和
（７）に比例している。したがって、位相誤差φｅ（II
I）（第７図）は、対応する誤差を検出器20に生じさせ
ることがわかるであろう。

干渉項の代数和（７）は、次のように書換えられる： −1/4▲η⁺ _ij▼〔(|Ei|²＋|Ej|²)cos(φｐ−φｑ)cosφ
ｓ ＋(|Ei|²−|Ej|²sin(φｐ−φｑ)sinφｓ〕 （８） もし、|Ei|²および|Ej|²が等しいときには、この台数は
（８）は次のようになることに注意されたい： −1/2▲η² _ij▼|E|²cos（φｐ−φｑ）cosφｓ （９） この形では、量φｐ−φｑの変化による効果は、回転的
に誘起されたサグナック位相差φｓと区別可能である。
これは、第８図および第９図を参照するとより完全に理
解できるであろう。すなわち、これらの図は大きさの等
しいベクトル56および58を作ることによる、合成ベクト
ル60に対する効果を示している。量φｐ−φｑの値にか
かわらず、合成ベクトル60は常に、実軸に向っており、
したがって、ベクトル60の方向は量φｐ−φｑの変化と
無関係であることがわかるであろう。このような変化に
よって、ベクトル60はその大きさがゆらぐが、このよう
なゆらぎは検出器20の出力に実質的な影響を与えない。
それは、後に議論するように、これらの量的ゆらぎは、
多モードファイバの多くの他のモードからの、対応する
量的ゆらぎとともに平均化され、したがって、これらの
ゆらぎの全ての和はゼロになる傾向があるからである。

このため、それぞれのモードにある光の強度が、他のモ
ードのものと同じ強度を持つ光によって発生される範囲
において、グループIIIによる位相誤差は、除去される
ことになる。望ましくは、このモードにある光は、結合
器14に到達して、分離されて反対方向に伝播する波とな
る時刻までに、強度が等しくなる必要があり、これによ
ってグループIIIの干渉項が、検出器20における位相誤
差をキャンセルする、適当な大きさと位相角をもつよう
になる。さらに、モードのすべては、光が結合器14で分
離されるときまでに発生されていなければならない。そ
れは、モードがどのような光強度をも持っていなけれ
ば、そのモードの強度を等しくすることもなく、それに
よってグループIIIの位相誤差が生ずるからである。も
ちろん、すべてのモードが発生されていないような場合
でも、複数のモードのうちのいくつかが実質的に等しい
強度となっている限り、グループIIIの位相誤差はある
程度は減少する。上述したように、本発明は、発光ダイ
オード（LED）を利用して、ファイバモードのすべての
中に、光強度を分布させている。

上の解析は、多モードファイバの中におけるモードのペ
アのすべての組合せに対して適用でき、同じ結果すなわ
ち位相誤差の除去がなされるであろう。さらに、多くの
モードを利用すれば、検出された光信号の環境に対する
感受性が減少する傾向にある。この件については、第４
図および第５図を参照した議論から、検出器20によって
測定された全光学強度（I_DET）が次のようになることが
思い出されよう。

I_DET＝Idc＋Ii cosφｓ （10） モードが振幅の等しい電界（Ｅ）を有する光によって発
生されるものと仮定すると、Ｉは簡単に； となる。ここで、Ｎはファイバモードの数であり、基本
モードおよび一般化偏波モードの双方を含む。

さらに、それぞれのモードによる光が、他のすべてのモ
ードに対して非コヒーレントであり、検出器20が全体的
な直交性を保証する十分な表面積を有するものとすれ
ば、グループＩおよびグループIIの干渉項はゼロとな
り、第（10）式の干渉項Ii cosφは、次のように表わさ
れる： ここで；▲ｎ² _ku▼は、kthモードからuthモードへ、ま
たはuthモードからkthモードへの、いずれかの結合を受
けた、光学パワーの部分である。▲ξ² _k▼は、クロス結
合を起こさずに、与えられたモード、たとえばkthモー
ドのままとなっているような、光学パワーの結合してい
ない部分である。

さらに、φkuは、（１）１つのモードk,uで発生し、他
方のモードk,uにクロス結合して、ループ16をプラス
（＋）の方向に通過する光、および（２）同じ１つのモ
ードk,uで発生し、同じ他のモードk,uにクロス結合する
が、ループ16を他方の方向またはマイナス（−）方向に
通過する光の全蓄積位相差である。モードi,jに関連し
た、上記議論（第２図）においては、位相角φkuは、量
φｐ−φｑに等しい。

第（12）式の右辺の第１項は、単に“直進”光波成分
（たとえば▲Ｅ⁺ _is▼，▲Ｅ⁺ _js▼，▲Ｅ^- _is▼および▲
Ｅ^- _js▼）を伴なった干渉項の和から生ずる光学強度で
ある。これらの、上述した“直進”成分は、位相誤差を
生じないが、それにもかかわらず、これらは回転的に誘
起された“サグナック”位相差に応答して干渉する。第
（12）式の右辺の残りの項は、グループIIIの成分に伴
う干渉項の和から生ずる光学的強度である。（第（12）
式を、第（９）式と比較のこと。）すべてのモードが同
じ強度を持つ限り、このような干渉項が、位相誤差を生
ずることはないことを思い出すであろう。

第（12）式は次のように書換えられる； 但し、I_T＝N|E|²である。第（13）式から、“直進”干
渉項と、グループIIIの“クロス結合”干渉項との双方
が、Ｎモードにわたって足し合され、その後Ｎで割られ
ると、これらはＮモードにわたって平均化されたものと
みることが可能であることがわかるであろう。もし、多
くのモードがある場合には、ファイバの摂動によるξと
ηの変化が平均化され、より安定な信号となる。信号の
安定性は に比例する。

これに加えて、位相角φkuは、０から360゜の間の任意
の値をとることができ、この値は、正または負のいずれ
にもなり得るということは、注意しておくべきことであ
る。したがって、モードの数が増加すると、cosφku平
均値は、ゼロに向かい、このため、第（13）式は、次の
ようになる； 実際問題としては、 であり、また Idc1/2I_T （16） である。第（15）式を第（14）式へ代入し、第（14）式
と第（15）式を第（10）式に代入すると次のようにな
る。

I_DET＝1/2I_T（１＋1/2cosφｓ） （17） したがって、検波器20によって測定される光学的出力信
号W₀は、第５図の実線で描かれた曲線52によって示され
るように、回転的に誘起されたサグナック位相差φｓに
応答して変化することになる。グループI,IIおよびIII
の位相誤差を取除くことにより、全蓄積位相誤差φｅは
ゼロとなり、曲線52は、たとえば第５図のφｓ軸に沿っ
て移動しなくなるように、位相に関して安定になる。さ
らに、曲線52の振幅は、安定のままであるようになり、
環境因子によって発生する複屈折における変化に対して
実質的に鈍感となる。それは、残りの干渉項がファイバ
のＮモードにわたって平均化されるからである。曲線52
の振幅の安定性は に比例する。

本発明の回転センサはまた、ファイバループにおいて後
方散乱された光の効果をもさらに減少させる。この件に
ついては、現在の技術状態における光学ファイバは、光
学的に完全でなく、微小な量の光を散乱してしまう不完
全性を持っていることは気が付くであろう。この減少は
一般に、レイリー散乱と呼ばれている。このような散乱
によって、ある程度の光がファイバから失われるもの
の、このような損失の量は比較的小さく、したがって、
大きな関心事ではない。

レイリー散乱に伴なう主要な問題は、その最初の伝播方
向と反対の向きに、ファイバ中を伝播するように反射さ
れる光の部分に関係している。これは一般に、“後方散
乱”項と呼ばれる。このような後方散乱がループ16を同
じ向きに進行する光に対してコヒーレントである限り、
それは、強め合いまたは弱め合うように干渉し、それに
よって光検知器20によって測定された光学的検知出力W₀
の強度が変化する。本発明では、それぞれのモードが他
のモードと非コヒーレントな光によって発生される光源
10を用いることにより、このような干渉は減少する。し
たがって、たとえばモードｉから出発するが、他のモー
ドたとえばモードｊによって捉えられる後方散乱光は、
この点他方のモードたとえばモードｊと干渉しない。さ
らに、光波が結合器14において再結合されるとき、たと
えばモードｉにある光は、モードｉで出発し、他のモー
ドたとえばモードｊで捉えられた後方散乱光とは干渉し
ない。それは、これらのモードは直交しているからであ
る。したがって、干渉を生ずる、唯一の後方散乱光は、
特定のモードで出発し、ループ16を通過する間、同じモ
ードのままであるような、後方散乱光である。効果にお
いて、後方散乱光は、Ｎモードにわたって平均化され、
後方散乱光からの干渉の量は、モードの数に逆比例する
ことになる。このため、後方散乱を減らすには、多くの
モードを持ったファイバを使用することが望ましい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パブラス・ジヨ−ジ・エイ アメリカ合衆国91360カリフオルニア州サ ウザンド・オ−クス・カル・ケブラチヨ 3513

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多モード光学ファイバのループ（16）と、 光源（10）と、 第１の結合器（14）と、 検出器（20）と、 第２の結合器（12）と、 を備えた多モードファイバ光学回転センサであって、 前記多モード光学ファイバは、複数の光信号がそれぞれ
   を介して通過する複数の伝播モードを有し、 前記光源（10）は、（ｉ）光強度が前記多モード光学フ
   ァイバの伝播モード間で実質的に等しいように、かつ
   （ii）前記多モード光学ファイバの各伝播モードに、他
   の伝播モードに供給される光に対して部分的にコヒーレ
   ントである光が供給されるように、前記ループ（16）に
   結合され、 前記光源（10）はさらに、２つの伝播モード間における
   前記ループ（16）を介する最大の光路長差よりも小さい
   コヒーレント長を有し、 前記第１の結合器（14）は、 （ｉ） 前記光源により発生された光を受ける結合器ポ
   ートを有し、 （ii） 前記ループ（16）中を互いに反対方向に伝播す
   る２つの光波に光を分割し、 （iii） ２つの光波の各々についての光学的強度が前
   記多モード光学ファイバの伝播モード間で実質的に等し
   くなるように光を分割し、かつ （iv） 前記ループ（16）を介する伝播の後前記２つの
   光波を結合して、実質的に前記多モード光学ファイバの
   すべての伝播モードからの光からなる光学的出力信号を
   形成し、 前記検出器（20）は、（ｉ）前記ループ（16）を介する
   光の伝播の後前記結合器ポートからの光学的出力信号を
   検出し、かつ（ii）光学的出力信号を捕えかつ非回転的
   に誘起された位相誤差が取り除かれるように実質的にす
   べての伝播モードから光を検出するように配置され、か
   つ 前記第２の結合器（12）は、前記結合器ポートからの前
   記光学的出力信号を前記検出器に結合する、多モードフ
   ァイバ光学回転センサ。
2. 【請求項２】前記第１の結合器（14）はファイバ光学方
   向性結合器を含む、請求の範囲第１項記載の回転セン
   サ。
3. 【請求項３】前記モードにおけるそれぞれの光強度を等
   しくするためのモードスクランブラ（40）をさらに含
   む、請求の範囲第１項記載の回転センサ。
4. 【請求項４】前記光源（10）により発生される光の位相
   を変調するための位相変調器（40）をさらに含む、請求
   の範囲第１項記載の回転センサ。
5. 【請求項５】前記位相変調器（40）は信号によりランダ
   ムに駆動される、請求の範囲第４項記載の回転センサ。
6. 【請求項６】前記位相変調器（40）は前記検出器（20）
   の帯域幅外の周波数で駆動される、請求の範囲第４項記
   載の回転センサ。
7. 【請求項７】前記位相変調器（40）は前記光源（10）と
   前記結合器（14）との間に配置される、請求の範囲第４
   項記載の回転センサ。
8. 【請求項８】前記光源（10）は発光ダイオードを含む、
   請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の回転
   センサ。
9. 【請求項９】前記光源（10）により発生された光のコヒ
   ーレンス長はＫ≦0.01N²のようなものであり、Ｎは前記
   光源（10）により発生された光に対する前記多モードフ
   ァイバの伝播モードの数であり、Ｋは前記ループ（16）
   中の光路長の差が前記コヒーレンス長よりも小さいよう
   なモードのペアの数である、請求の範囲第１項ないし第
   ８項のいずれかに記載の回転センサ。
10. 【請求項１０】前記光源（10）は、前記ループ（16）中
    を伝播する間の前記光波について最も長い光路を有する
    モードと最も短い光路を有するモードとの間の光路長の
    差よりも小さいコヒーレンス長を有する光を発生する、
    請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の回転
    センサ。
11. 【請求項１１】前記光源（10）は、前記ループ（16）中
    の伝播の間の前記光波についてのモード間での最も小さ
    い光路長の差よりも小さいコヒーレンス長を有する光を
    発生する、請求の範囲第１項ないし第10項のいずれかに
    記載の回転センサ。
12. 【請求項１２】前記検出器（20）は実質的に全光学的出
    力信号を捕えるために十分大きい表面積を有する、請求
    の範囲第１項ないし第11項のいずれかに記載の回転セン
    サ。
13. 【請求項１３】モード間で実質的に等しい光強度を有す
    る部分的にコヒーレントな光を多モード光学ファイバの
    ループ（16）に導入し、前記ループ（16）中を反対方向
    に伝播する２つの光波に光を分割しかつ前記ループ（1
    6）中を伝播した後の光学的出力信号を検出する、サグ
    ナック干渉計を用いて回転を検出する方法において、 ２つの光波の各々についての光学的強度を前記多モード
    光学ファイバのモード間で実質的に等しく分割し、前記
    ループ（16）中を通過後の２つの光波を結合して実質的
    にすべてのモードからの光からなる光学的出力信号を発
    生し、光が導入された同じ経路に沿って前記ループ（1
    6）から光学的出力信号を出力し、前記ループ（16）か
    らの光学的出力信号を検出器に結合し、実質的にすべて
    のモードからの光を検出することを特徴とする、サグナ
    ック干渉計を用いて回転を検出する方法。
14. 【請求項１４】前記光は、前記ループ中の伝播の間の前
    記光波について前記ファイバの２つのモード間での光路
    長の差よりも小さいコヒーレンス長を有する、請求の範
    囲第13項記載の方法。
15. 【請求項１５】前記光のコヒーレンス長は、Ｋ≦0.01N²
    のようなものであり、Ｎは前記ファイバの伝播モードの
    数であり、Ｋは前記ループ中の光路長の差が前記コヒー
    レンス長よりも小さいモードのペアの数である、請求の
    範囲第13項記載の方法。
16. 【請求項１６】前記導入するステップは、前記多モード
    光学ファイバのモードの各々を前記多モード光学ファイ
    バの他のモードに放射された光に対して部分的にコヒー
    レントな光とともに放射する、請求の範囲第13項ないし
    第15項のいずれかに記載の方法。
17. 【請求項１７】前記検出するステップは、実質的に全光
    学的出力信号を捕えるために十分に大きい表面積を有す
    る検出器（20）を選択しかつ実質的に全出力信号を捕え
    るように前記検出器（20）を配置することを含む、請求
    の範囲第13項ないし第16項のいずれかに記載の方法。