JPS61235719A - フアイバ−・干渉計 - Google Patents
フアイバ−・干渉計Info
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- JPS61235719A JPS61235719A JP60076491A JP7649185A JPS61235719A JP S61235719 A JPS61235719 A JP S61235719A JP 60076491 A JP60076491 A JP 60076491A JP 7649185 A JP7649185 A JP 7649185A JP S61235719 A JPS61235719 A JP S61235719A
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- JP
- Japan
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- fiber
- light
- laser
- optical
- signal
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明はファイバーを光路とし、光路に生ずる物理的な
変化が伝播光に位相差を生ぜしぬ、これを干渉光強度変
化として計測する光ファイバ・ジャイロ、温度、圧力、
流量あるいは水中音響等を測定する干渉型センサに関す
る。
変化が伝播光に位相差を生ぜしぬ、これを干渉光強度変
化として計測する光ファイバ・ジャイロ、温度、圧力、
流量あるいは水中音響等を測定する干渉型センサに関す
る。
ファイバを光路として干渉計を構成し、ファイバに与え
られる物理量の変化を干渉強度に換えて検出するファイ
バ・センサは例えば特開昭５５−９３０１０に示されて
いる。これらのセンサは各種の光学系構成が考えられ、
多様な検出対象がある。
られる物理量の変化を干渉強度に換えて検出するファイ
バ・センサは例えば特開昭５５−９３０１０に示されて
いる。これらのセンサは各種の光学系構成が考えられ、
多様な検出対象がある。
これらはいずれもレーザの入射光をハーフミラ−等を用
いて２つの光路に分け、これら２つの光路を伝搬する光
が受けるそれぞれ異なった物理量変化により、再度光が
合わせられたときに生じる位相差を検出する構成になっ
ている。このとき、位相差の差異は干渉光強度の変化と
して観測されるため、ファイバに入射するレーザ光強度
が変化すると、被測定物理量の変化がなくとも検出器の
指示は変化してしまうことになり、精度を損うという問
題があった。
いて２つの光路に分け、これら２つの光路を伝搬する光
が受けるそれぞれ異なった物理量変化により、再度光が
合わせられたときに生じる位相差を検出する構成になっ
ている。このとき、位相差の差異は干渉光強度の変化と
して観測されるため、ファイバに入射するレーザ光強度
が変化すると、被測定物理量の変化がなくとも検出器の
指示は変化してしまうことになり、精度を損うという問
題があった。
このようなレーザ光強度の変化の原因としては、（１）
温度等の変化により、レーザとファイバ間の光学的な結
合効率が変化してしまうこと、（２）光共振器であるレ
ーザが、レーザ出射後の光学系から受ける反射等により
、光が再度レーザに戻ることにより、いわゆる外部条件
による共振状態の変調がおこる結果、その共振状態を変
えてしまい、したがってその出力も変動してしまうこと
。
温度等の変化により、レーザとファイバ間の光学的な結
合効率が変化してしまうこと、（２）光共振器であるレ
ーザが、レーザ出射後の光学系から受ける反射等により
、光が再度レーザに戻ることにより、いわゆる外部条件
による共振状態の変調がおこる結果、その共振状態を変
えてしまい、したがってその出力も変動してしまうこと
。
などがあげられる。
本発明の目的は、上記したレーザ光源からの入射光の変
化をなくし、出力変動が小さく、高精度な計測が可能な
光フアイバー干渉計を提供することにある。
化をなくし、出力変動が小さく、高精度な計測が可能な
光フアイバー干渉計を提供することにある。
本発明は、上記の入射光強度変動の要因の一つである、
レーザへの戻り光による共振条件の変動を、レーザに供
給する電流に交流成分を与えることによってレーザ出射
光のスペクトル幅を広げ、わずかな共振条件の変動があ
っても抑えるようにし、また、さらに実際にファイバに
入射した光をファイバ・カップラを通して得られる光の
一部を検出することにより、その強度変化を知り、これ
によりレーザ共給電流全体を制御して安定化をはかるう
とするものである。
レーザへの戻り光による共振条件の変動を、レーザに供
給する電流に交流成分を与えることによってレーザ出射
光のスペクトル幅を広げ、わずかな共振条件の変動があ
っても抑えるようにし、また、さらに実際にファイバに
入射した光をファイバ・カップラを通して得られる光の
一部を検出することにより、その強度変化を知り、これ
によりレーザ共給電流全体を制御して安定化をはかるう
とするものである。
以下、本発明の実施例をファイバー干渉計の代表例とし
てファイバ・ジャイロ構成を用い、第２図を用いて説明
する。
てファイバ・ジャイロ構成を用い、第２図を用いて説明
する。
第２図において、レーザ光源１からの出射光はファイバ
２１に入射し、２１はファイバ・カップラ２の一分岐枝
である。レーザ光源は第３図に示す構成を有し、半導体
レーザダイオード４２からの出射光がレンズ４４を介し
てステンレス書４６につながるファイバ端部に集光する
ように構成されている。ファイバ・カップラ２は例えば
第４図に示す構成を持つ、すなわち、単一モードのファ
イバ５２．５４のクラッド層をエツチング、溶融、ある
いは研究等により薄くし、コア部からの漏れ光が得られ
るようにしたものを２本用意し、上記漏れ光により相互
の光結合を達成するようにしたものである。したがって
２１からの入射光は、分岐枝２２および２３に等分され
て出射する。２２に出射した光はもう一つのファイバ・
カップラ３の一分岐技、３１に入射し、３２．３３の分
岐枝に等配分されてファイバーループ４および光位相変
調器５の直列光路の両端に入射する。光ファイバ・ジャ
イロの構成では、ファイバーループ４を両方向から伝搬
する光が回転角速度変化の影響を受け、再びファイバ・
カップラ３に光位相差を持って戻ってくる。これらの光
は位相差のために干渉し１強度が変調される。この光は
ファイバ・カップラ２に入り、分岐枝２４に分岐して光
検出器７に入射する。ファイバーループ４と直列に接続
された光位相変調器は干渉光強度を連続的に変調して、
微弱々力の検出を容易にする。検出光強度は変調によっ
て交流電気信号として信号処理回路１２に入力され１位
相変調器５の駆動信号発生器１３の駆動信号で同期検波
して出力処理する。
２１に入射し、２１はファイバ・カップラ２の一分岐枝
である。レーザ光源は第３図に示す構成を有し、半導体
レーザダイオード４２からの出射光がレンズ４４を介し
てステンレス書４６につながるファイバ端部に集光する
ように構成されている。ファイバ・カップラ２は例えば
第４図に示す構成を持つ、すなわち、単一モードのファ
イバ５２．５４のクラッド層をエツチング、溶融、ある
いは研究等により薄くし、コア部からの漏れ光が得られ
るようにしたものを２本用意し、上記漏れ光により相互
の光結合を達成するようにしたものである。したがって
２１からの入射光は、分岐枝２２および２３に等分され
て出射する。２２に出射した光はもう一つのファイバ・
カップラ３の一分岐技、３１に入射し、３２．３３の分
岐枝に等配分されてファイバーループ４および光位相変
調器５の直列光路の両端に入射する。光ファイバ・ジャ
イロの構成では、ファイバーループ４を両方向から伝搬
する光が回転角速度変化の影響を受け、再びファイバ・
カップラ３に光位相差を持って戻ってくる。これらの光
は位相差のために干渉し１強度が変調される。この光は
ファイバ・カップラ２に入り、分岐枝２４に分岐して光
検出器７に入射する。ファイバーループ４と直列に接続
された光位相変調器は干渉光強度を連続的に変調して、
微弱々力の検出を容易にする。検出光強度は変調によっ
て交流電気信号として信号処理回路１２に入力され１位
相変調器５の駆動信号発生器１３の駆動信号で同期検波
して出力処理する。
上述の構成のみにおいてはレーザ光源７の入射光強度の
変化に対して対応できない、そこで、ファイバ・カップ
ラ２の一分岐枝２３に、他の光検出器６を設け、その光
検出々力を基準電圧減８の出力電圧と比較回路９で比較
する。その出力によりレーザ供給電流を制御回路１０で
制御し、レーザ光源の光強度を一定に制御する。これに
よりレーザ光の平均的な強度は一定に保たれるが、前述
のレーザ光の反射戻り光によるレーザ発振の不安定、そ
れに伴う出力強度の瞬時的な変動（モード・ホッピング
）を抑制できない、そこで１０とシリーズに交流電圧変
調器１１を設け、レーザに供給する電流に交流成分を重
畳させるようにした。レーザは交流電流を重畳すると共
振状態が変調されレーザ出射光のスペクトルが多モード
化する。第５図に交流重畳したときとスペクトルの変化
を示す、このようにスペクトルが広がると、外部共振条
件の影響が緩和され、前記したモード・ホッピングを除
くことができる。
変化に対して対応できない、そこで、ファイバ・カップ
ラ２の一分岐枝２３に、他の光検出器６を設け、その光
検出々力を基準電圧減８の出力電圧と比較回路９で比較
する。その出力によりレーザ供給電流を制御回路１０で
制御し、レーザ光源の光強度を一定に制御する。これに
よりレーザ光の平均的な強度は一定に保たれるが、前述
のレーザ光の反射戻り光によるレーザ発振の不安定、そ
れに伴う出力強度の瞬時的な変動（モード・ホッピング
）を抑制できない、そこで１０とシリーズに交流電圧変
調器１１を設け、レーザに供給する電流に交流成分を重
畳させるようにした。レーザは交流電流を重畳すると共
振状態が変調されレーザ出射光のスペクトルが多モード
化する。第５図に交流重畳したときとスペクトルの変化
を示す、このようにスペクトルが広がると、外部共振条
件の影響が緩和され、前記したモード・ホッピングを除
くことができる。
第２の実施例で、レーザ光源１からの光はいったんビー
ムスプリッタ３により分岐され、光フアイバーループ４
を時、針方向および反時計方向に回転し、再びビームス
プリッタ３により合流して光検出回路７に到達する。こ
の間、時計回りおよび反時計回りの両光波は位相変調器
３０により位相変調を受ける。
ムスプリッタ３により分岐され、光フアイバーループ４
を時、針方向および反時計方向に回転し、再びビームス
プリッタ３により合流して光検出回路７に到達する。こ
の間、時計回りおよび反時計回りの両光波は位相変調器
３０により位相変調を受ける。
光検出回路７への入射光の電界強度は、ビームスプリッ
タ２と３の分岐比を１対１、また簡単のため単一偏波の
みで考えると Ｅ、、＝Ａｃｏｓ （（１１ｔ＋Φ（１）＋ψａｙ）
−（１）Ｅｏ、＝Ａｃｏｓ （（１１ｔ＋Φ（ｔ
−ｖ ） 十ｔＰｃａｗ） −（２）と表わされる。こ
こで、Ｅ６Ｗｙ Ｆｉ：６（Ｉｌｌはそれぞれ時計回り
、および反時計回り光の電界である。Φ。
タ２と３の分岐比を１対１、また簡単のため単一偏波の
みで考えると Ｅ、、＝Ａｃｏｓ （（１１ｔ＋Φ（１）＋ψａｙ）
−（１）Ｅｏ、＝Ａｃｏｓ （（１１ｔ＋Φ（ｔ
−ｖ ） 十ｔＰｃａｗ） −（２）と表わされる。こ
こで、Ｅ６Ｗｙ Ｆｉ：６（Ｉｌｌはそれぞれ時計回り
、および反時計回り光の電界である。Φ。
は位相変調器による位相シフト量であり。
Φ、＝φｍ８１１（ｉ＞ｊｙ
φ、二位相変調度
ω、：変調角周波数 ・・・（３）
またτは光フアイバーループにおける伝搬遅延時間であ
り Ｌ τ＝□ ・・・（４）ｎ
：ファイバ屈折率 Ｌ：ファイバループ長 Ｃ：光速 と表わされる。
またτは光フアイバーループにおける伝搬遅延時間であ
り Ｌ τ＝□ ・・・（４）ｎ
：ファイバ屈折率 Ｌ：ファイバループ長 Ｃ：光速 と表わされる。
光検出回路７ではＥ。ｗ＊ Ｅａａｗによる干渉光のパ
ワーを検出し、干渉計としての出力ＰはＰ ＝（Ｅ ａ
−＋ Ｅ ｃａｗ） ”＝ Ａ” ［１＋−ｚｏｓ ２
（（１１ｔ＋Φ（ｔ） ＋’ｆａｗ）＋−ｃｏｓ２（
ωｔ＋Φ（を−τ）＋ψ。ＣＩ＋）＋ｃｏｓ（２ωｔ＋
Φ（１）＋Φ（を−τ）＋ Ｆ ａｗ ＋ ’ｆ’ Ｏ
ａｗ） ＋ ｃｏｓ （Φ（１）−Φ（を−τ）＋’ｌ”ｃ＋ｗ
−Ｔｏ。ｗ） ］ ＝（直流成分）＋（２ω成分） ＋（ω、およびω１の高調波成分）・・・（５）となる
０回転角速度情報は（５）式の（ω、およびω、の高調
波成分）中に含まれており、これを信号処理回路６０で
処理して角速度信号を得る。
ワーを検出し、干渉計としての出力ＰはＰ ＝（Ｅ ａ
−＋ Ｅ ｃａｗ） ”＝ Ａ” ［１＋−ｚｏｓ ２
（（１１ｔ＋Φ（ｔ） ＋’ｆａｗ）＋−ｃｏｓ２（
ωｔ＋Φ（を−τ）＋ψ。ＣＩ＋）＋ｃｏｓ（２ωｔ＋
Φ（１）＋Φ（を−τ）＋ Ｆ ａｗ ＋ ’ｆ’ Ｏ
ａｗ） ＋ ｃｏｓ （Φ（１）−Φ（を−τ）＋’ｌ”ｃ＋ｗ
−Ｔｏ。ｗ） ］ ＝（直流成分）＋（２ω成分） ＋（ω、およびω１の高調波成分）・・・（５）となる
０回転角速度情報は（５）式の（ω、およびω、の高調
波成分）中に含まれており、これを信号処理回路６０で
処理して角速度信号を得る。
（５）式において（２ω成分）は光周波数であり、実質
的には直流成分として検出される。このように干渉計出
力信号にはかなりの直流成分が含まれており、またＳ／
Ｎ比を改善するため光源の光強度を増すと、この直流分
もまた増加することがわかる。
的には直流成分として検出される。このように干渉計出
力信号にはかなりの直流成分が含まれており、またＳ／
Ｎ比を改善するため光源の光強度を増すと、この直流分
もまた増加することがわかる。
上の事実は干渉計出力信号を光電変換する際に障害とな
るものである。すなわち、光検出回路７ではホトダイオ
ードにより光信号を光電流として検出するが、これを電
流−電圧変換するための電卓回路が必要である。この際
、ホトダイオードによる光電流をそのまま電流−電圧変
換すると直流成分が優勢である場合、電流−電圧変換の
電子回路がダイナミックレンジを越え、飽和してしまう
ことが有るわけである。
るものである。すなわち、光検出回路７ではホトダイオ
ードにより光信号を光電流として検出するが、これを電
流−電圧変換するための電卓回路が必要である。この際
、ホトダイオードによる光電流をそのまま電流−電圧変
換すると直流成分が優勢である場合、電流−電圧変換の
電子回路がダイナミックレンジを越え、飽和してしまう
ことが有るわけである。
そこで実施例では第１図に示すように、光電変、 換回
路に周波数選択特性、特に直流ゲインを抑制した特性を
持たせた。以下、第１図の回路を詳細に説明する。
路に周波数選択特性、特に直流ゲインを抑制した特性を
持たせた。以下、第１図の回路を詳細に説明する。
ホトダイオード１００はバイアス電圧ｖＩｌにより送バ
イアスされており、これに光信号が入射すると、光信号
に対応した光電流を発生する。この光電流信号は演算増
幅器２００の反転入力端子に入力され、いわゆるトラン
スインピーダンス回路により、電流−電圧変換される。
イアスされており、これに光信号が入射すると、光信号
に対応した光電流を発生する。この光電流信号は演算増
幅器２００の反転入力端子に入力され、いわゆるトラン
スインピーダンス回路により、電流−電圧変換される。
ここで、コンデンサ３０１，３０５は位相変調角周波数
ω、に対して十分小さな値となるように設定してあり、
このため位相変調角周波成分は主として抵抗３０２を通
して、また直流信号は抵抗３０３，３０４を介して帰還
される。
ω、に対して十分小さな値となるように設定してあり、
このため位相変調角周波成分は主として抵抗３０２を通
して、また直流信号は抵抗３０３，３０４を介して帰還
される。
そこで、変調信号に対する帰還抵抗３０２を十分大きく
、また直流信号に対する帰還抵抗３０３゜３０４を十分
小さく設定すれば、光入力信号に多くの直流成分がある
場合にも、動作点はＯｖ付近に設定でき、変調信号を十
分なゲインで広いダイナミックレンジにわたり電流−電
圧変換することができる。
、また直流信号に対する帰還抵抗３０３゜３０４を十分
小さく設定すれば、光入力信号に多くの直流成分がある
場合にも、動作点はＯｖ付近に設定でき、変調信号を十
分なゲインで広いダイナミックレンジにわたり電流−電
圧変換することができる。
抵抗３０６，３０７は分圧帰還により変調信号に対し電
流−電圧変換ゲインを増大するものである。つまり抵抗
３０６，３０７の比の値が乗数として抵抗３０２に乗じ
られ、抵抗３０２の実効的な値を大きくするものである
。
流−電圧変換ゲインを増大するものである。つまり抵抗
３０６，３０７の比の値が乗数として抵抗３０２に乗じ
られ、抵抗３０２の実効的な値を大きくするものである
。
第６図はまた別の実施例であり、ホトダイオード１００
の光電流信号をひとまず抵抗３１０に流して電流−電圧
変換する０次いで演算増幅器２００とインピーダンス４
０１，４０２による反転増幅回路により増幅する。ここ
で、インピーダンス４０１．４０２は、直流ゲインを抑
制し、変調信号を強調するフィルタ特性を持たせたもの
である。
の光電流信号をひとまず抵抗３１０に流して電流−電圧
変換する０次いで演算増幅器２００とインピーダンス４
０１，４０２による反転増幅回路により増幅する。ここ
で、インピーダンス４０１．４０２は、直流ゲインを抑
制し、変調信号を強調するフィルタ特性を持たせたもの
である。
本実施例によれば、変調を加えた干渉型ファイバセンサ
の出力信号から、直流成分による飽和を未然に防ぎつつ
情報信号を検出できるので、センサの高ダイナミツクレ
ンジ化、Ｓ／Ｎ比向上に効果がある。
の出力信号から、直流成分による飽和を未然に防ぎつつ
情報信号を検出できるので、センサの高ダイナミツクレ
ンジ化、Ｓ／Ｎ比向上に効果がある。
本発明によればレーザ光のファイバ入射光強度ならびに
その瞬時的な変動を抑えることが可能であり、ファイバ
干渉計の精度、および安定性をいちじるしく向上させる
ことができる。実験例では検出器６によるフィードバッ
ク、交流重畳回路１１を付けない場合に比べて、出力ド
リフトを１／１００以下に低減することができた。
その瞬時的な変動を抑えることが可能であり、ファイバ
干渉計の精度、および安定性をいちじるしく向上させる
ことができる。実験例では検出器６によるフィードバッ
ク、交流重畳回路１１を付けない場合に比べて、出力ド
リフトを１／１００以下に低減することができた。
【図面の簡単な説明】
第１図は光フアイバ干渉計の検出回路を示す回路図、第
２図は本発明の実施例、第３図は本発明に用いたレーザ
光源、第４図はファイバ・カップラの各構成、第５図は
レーザ光源のスペクトル波形図、第Ｖａは検出回路の他
の実施例である。 １・・・レーザ・光源、２・・・ファイバ・カップラ（
２１，２２，２３，２４同分岐技）、３・・・ファイバ
・カップラ（３１，３２，３３，３４同分岐技）、４・
・・ファイバー・ループ、５・・・光位相変調器、６・
・・光検出器、７・・・光検出器、８・・・基準電圧源
、９・・・差動増幅器、１０・・・レーザ電流源、１１
・・・交流電流変調器、１２・・・同期検波回路、１３
・・・第 ２ 喝 活 ５ 口
２図は本発明の実施例、第３図は本発明に用いたレーザ
光源、第４図はファイバ・カップラの各構成、第５図は
レーザ光源のスペクトル波形図、第Ｖａは検出回路の他
の実施例である。 １・・・レーザ・光源、２・・・ファイバ・カップラ（
２１，２２，２３，２４同分岐技）、３・・・ファイバ
・カップラ（３１，３２，３３，３４同分岐技）、４・
・・ファイバー・ループ、５・・・光位相変調器、６・
・・光検出器、７・・・光検出器、８・・・基準電圧源
、９・・・差動増幅器、１０・・・レーザ電流源、１１
・・・交流電流変調器、１２・・・同期検波回路、１３
・・・第 ２ 喝 活 ５ 口
Claims (1)
- １、レーザー光源、該光源を導く光ファイバ、該ファイ
バ中を伝播する光をファイバのクラッド部を漏えいさせ
る構造を有するファイバ・カップラを備えるファイバー
・干渉計において、レーザ入射端に接続するファイバー
分岐枝を有するファイバ・カップラの、該分岐枝より入
射する光がファイバのクラッド部を通して分岐、伝播す
る分岐枝の出射端に光検出器を設け、該検出器の出力に
よりレーザ光源の供給電流を制御することを特徴とする
ファイバー・干渉計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60076491A JPS61235719A (ja) | 1985-04-12 | 1985-04-12 | フアイバ−・干渉計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60076491A JPS61235719A (ja) | 1985-04-12 | 1985-04-12 | フアイバ−・干渉計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61235719A true JPS61235719A (ja) | 1986-10-21 |
Family
ID=13606690
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60076491A Pending JPS61235719A (ja) | 1985-04-12 | 1985-04-12 | フアイバ−・干渉計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61235719A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5926275A (en) * | 1997-06-19 | 1999-07-20 | Honeywell Inc. | Vibration error reduction servo for a fiber optic gyroscope |
| US5953122A (en) * | 1997-07-16 | 1999-09-14 | Litef Gmbh | Method and apparatus for increasing the stability of a fiber optic gyroscope by controlling the phase and amplitude of the source modulating current |
-
1985
- 1985-04-12 JP JP60076491A patent/JPS61235719A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5926275A (en) * | 1997-06-19 | 1999-07-20 | Honeywell Inc. | Vibration error reduction servo for a fiber optic gyroscope |
| US5953122A (en) * | 1997-07-16 | 1999-09-14 | Litef Gmbh | Method and apparatus for increasing the stability of a fiber optic gyroscope by controlling the phase and amplitude of the source modulating current |
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