JPS61277014A - リング干渉計装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、単一モード光ファイバリング干渉計装置に関
するものである。

（従来の技術） リング干渉計、またはサグナック（Ｓａｔ）ｎａＣ）干
渉計においては、２本のビームが同じ光路を互いに逆向
きに伝わって、その光路の出口において互いに干渉する
。その光路の擾乱が光の両方向の伝播に対して同じ特性
を有し、干渉針内での光の進む、時間中に変化しない限
りは、２本の光ビームは同じ影響を受け、それらのビー
ムの間の相対的な位相は不変である。この種の擾乱は［
相反的（ｒｅｃｉｐｒｏｃａ　ｌ　）　Ｊと呼ばれる。

干渉計内での光の進む時間は一般に非常に短いから、そ
の時間中の擾乱の変化は、それが随意に導入されたもの
でなければ、一般に無視できる。

しかし、２つの伝播方内における振幅が異なる「非相反
的」な擾乱が存在するが、それは、それの完全な向きを
定めることにより空間または媒質の対称性を損う物理的
効果の問題である。

２つの知られている物理的効果がこの特性を有する。

即ら、ファラデー効果または共直線磁気−光学効果、つ
ま、り光学的物質の電子のスピンの向きが磁界により定
められる効果と、サグナック効果または相対慣性効果、
つまりガリレイ基準（Ｇａｌｉｌｅａｎ　ｒｅｆｅｎｃ
ｅ）に関する干渉計の回転が伝播時間の対称性を損う効
果である。

慣性空間に関する回転を使用することにより光ファイバ
・ジャイロメータすなわちレートメータが構成されるこ
とになり、磁界を使用することにより電流センナすなわ
ち磁力計が構成されることになる。

いわゆる相反的椛造を使用することにより、非相反的効
果によりひき起される位相のずれ以外の位相のずれを完
全に打消すことができることが示されている。

（発明が解決しようどする問題点） しかし、このやり方では、干渉計の単−七−ド入口ゲー
トを戻る光を検出する必要がある。そのためには、出力
光の一部を光検出器へ送り、入口において光を結合させ
る分＋ｍｚを使用する必要がある。分離器が５０〜５０
型である時に、光検出器に戻ってくる光は最適であるが
、系統的な損失（ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　１ｏｓｓ）が
６ｄＢ生じ、装置に部品を付加する必要がある。光源に
より光が放射された時に第１のスイッチング状態に置か
れて、その光を装置の入口へ送り、光が戻ってきた時に
別のスイッチング状態に置かれてその光を光検出器へ送
るような高速スイッチを分１ｌＩｌ器の代りに使用する
ことが提案されている。それらの装置において使用され
る光ファイバの長さは２００ｍ〜２ＫＩｉのオーダーで
あるから、光の伝播による遅れは１〜１０μ秒に達する
。

そのような装置がフランス特許ＦＲ−８−２，４０９，
５１８号明細書に開示されている。

その装置によりエネルギーの平衡が改善されるが、本発
明はその装置の構造を一層簡単にすることを目的とする
。

（問題点を解決するための手段） その目的を達成するために、本発明は分離器または高速
スイッチを無くした装置を提供Ｊるものである。

本発明に従って、リングを形成する単一モード光ファイ
バと、コヒーレントな光エネルギーを放射し、かつ受け
る手段と、単一モード光ファイバの両端部から出た放射
を再び組合けるために、放射されたコヒーレントな光エ
ネルギーの等しい部分を同時に単一モード光ファイバの
２つの端部へ向けるためにその放射を分ｍおよび混合す
る手段と、この分離および混合手段と光エネルギー放射
および受光手段の間に配置されるモードフィルタ手段と
を備え、前記光エネルギー放射および受光手段は、正方
向に分極された時に所定の波長の光を放出し、逆方向に
分極された時にそれと同じ波長の光を検出する半導体ダ
イオードにより形成されるリング干渉計装置において、
前記ダイオードの光放出を制御するために前記ダイオー
ドを順方向にバイアスする手段と、電気信号処理器と、
スイッチング手段と、前記半導体ダイオードと順方向バ
イアス手段または電気信号処理器との間で電気的接続を
交互に行うように前記スイッチング手段を制御する手段
とを更に備えるリング干渉計装置が得られる。

また、本発明に従って、リングを形成する単一モード光
ファイバと、コヒーレントな光エネルギーを放射し、か
つ受ける手段と、単一モード光ファイバの両端部から出
た放射を再び組合けるために、放射されたコヒーレント
な光エネルギーの等しい部分を同時に単一モード光ファ
イバの２つの端部へ向けるためその放射を分離および混
合する手段と、この分離および混合手段と光エネルギー
放射および受光手段の間に配置されるモードフィルタ手
段とを備え、前記光エネルギー放射および受光手段は、
コヒーレントな光を放出する半導体ダイオードを備え、
この半導体ダイオードの第１の而は前記モードフィルタ
に光学的に結合され、前記半導体ダイオードの第２の面
はオプトエレクトロニック検出器に光学的に結合され、
前記半導体ダイオードは、前記光エネルギー放射および
受光手段へ再び送られた光を検出の前に増幅するリング
干渉計装置が得られる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図にはリング干渉４が示されている。このリング干
渉計のリングは単一モード光ファイバ５により形成され
るが、それのコアは従来の光素子から形成される。モー
ドフィルタ３を付加することにより、その干渉計を厳密
に相反的とすることができる。

レーデ光源により発生された入射ビーム１１がモードフ
ィルタ３を通り、半透明鏡４により２本のビームに分離
される。そのビームの一部１２がレンズ４１を通じて光
ファイバに送りこまれる。

そのレンズ４１はそのビームを光ファイバ５の入力部５
０上に集束する。光ビームの他の部分１３はレンズ４２
を通じて同じ光ファイバ５に送られる。そのレンズ４２
はその光ビーム１３を光ファイバ５の入力部５１上に集
束する。両方の光ビームは光ファイバに沿って互いに逆
向きに進み、半透明１１４により干渉計のアーム内にと
られる。それらの光ビームはモードフィルタ３を再び通
り、半透明鏡２により入射ビームから分離される。その
半透明Ｒ２は戻りビームの一部を出力アーム６へ送る。

その出力アームにおいては干渉信号が光検出器６０によ
り検出される。

光路として単一モード光ファイバ５を使用することによ
り、この光路の長さを十分に長くできる。

実際には光ファイバは通常は多数巻コイルを構成するよ
うに巻かれる。したがって、たとえば非常に高感度のジ
レイロスコープを構成できる。

しかし、前記したように分離器のために損失が生ずる。

したがって、個々の分離素子の代りに集積化した光学素
子を用いることが提案されている。そうすることにより
光エネルギーの平衡が改善される。

第２図はこの種の装置を示すものである。

この装置はレーザ光源１０を有する。このレーザ光源は
なるべく半導体レー１１で構成する。第２図に示す装置
は電気光学的な物質で作られた基板２０も有する。この
基板２０の上に導光器２００と２０１が形成される。そ
うすると、基板２０上に集積化された光接続部は、レー
デ光源１０により放出された光を受ける第１の導光器２
００と、この第１の導光器２００とともに光結合器を構
成する第２の導光器２０１とである。導光器２０１の端
部に光検出器６０が結合される。導光器２００と２０１
の隣接する部分で構成された結合器２０３は、導光器２
００の内部を通って、その導光器から出るようにする平
行状態と、導光器２００の中を導かれる光を導光器２０
１に結合させる交差状態とに置くことがぐきる。そのた
めに、電界発生用の２個の電極２０２と２０４が、導光
器２００．２０１の２つの隣接する部分により形成され
た平行な光路をカバーする。電界が存在しない時は、結
合器２０３は平行状態にあり、電界が存在する時は、結
合器は交差状態にある。電界は光が戻ってくる間に加え
られる。

この装置は電気光学的な物質により構成された第２の基
板４も有する。この第２の基板４の上には、２つの導光
器４０と４１により形成された対称的なフォーク状導光
器が形成される。導光器４１は導光器４０により導かれ
る光の半分を導く。

干渉計のリングを構成する単一モード光ファイバ５の２
つの端部５０と５１は、中間の光学素子を用いることな
しに、導光器４１と４２の２つの端部に直結される。

導光器２００の基板２０上の１つの端部は中間の単一モ
ード光ファイバ３０の一端に結合される。

光ファイバ３０の他方の端部はモードフィルタ３に結合
される。

同様に、導光器４０の一端が第２の中間の単一モード光
ファイバ３１の一端に結合される。その光ファイバ３０
の他端はモードフィルタ３に結合される。このモードフ
ィルタ３は集積先導波器により形成できる。

もちろん、モードフィルタ３と、導光器４０または導光
器２００との間で他の結合モードを採用することらでき
る。

この装置の主な要素がフランス特許ＦＲ−Ｂ−２，４０
９，５１８号明細占に記載されている。

この装置は次のように動作する。光フアイバ中の光の伝
播時間より短い持続時間を有する光パルスを放出するよ
うにレーザ光源は変調される。レーザ光源により放射さ
れた光が導光器２００の中を導かれるように、光パルス
の放出中は結合器は平行状態にある。光エネルギーは２
つの導光器の間で等しく分番プられて光ファイバ５へ送
られる。

その光ファイバ５においては、その光パルスは互いに逆
の向きに同時に伝わる。この装置が角速度ωで回転して
いるとすると、２つの戻り光パルスが位相差△φで導光
器４２と４１へ送られる。それから、電界を加えること
により光結合器は交差状態に置かれ、導光器２００によ
り送られる光は導光器２０１へ送られて光検出器６０に
より検出される。

光エネルギーの平衡に関する限りは改良された装置が得
られるが、この装置は最適なものではなく、構造を簡単
にすることが実際に可能ぐある。

第３図は本発明の装置の一実施例である。

第３図に示す装置においても、リングは単一モード光フ
ァイバ５と、２ア一ム集積分配器４と、中間の単一モー
ド光ファイバ３０．３１およびモードフィルタ３とで構
成される。

本発明の一実施例の主な特徴に従って、光源１００は半
導体ダイオードであり、この半導体ダイオードは、それ
に印加される電源の極性に応じて光を放出し、または光
を受けるように動作する。

いくつかの種類の半導体ダイオード、とくにｒＧａＡＩ
Ａｓ／ＧａＡｓＪ　　（ガリウム−アルミニウム−ひ素
／ガリウム−ひ素）」ダイオード、ｒＧａＡＩＡｓ（ガ
リウム−アルミニウム−ひ素）」ダイオード、ｒＧａ　
ＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ（ガリウム−インジウム−ひ素−り
ん／インジウム−りん）」ダイオードをこの目的に使用
Ｃきる。

更に詳しくいえば、この後者の場合には、ｒＴＪＳ（横
方向接合）」という略語で知られている構造のレーザダ
イＡ−ドが好適ｒある。

−例として、そのような部品がフランス特許１Ｒ−Ｂ−
２，３８７，５１９号明細書に記載されている。

光放出状態においては、ダイＡ−ド１００は順方向にバ
イアスされる。そのために、２つの位置Ｉと■を有する
スイッチ１０２がダイオード１００を電ｍ１０３に接続
する（位置ｌ）。第３図に示す実施例においては、ダイ
オード１００のカソードに、特定の用途に必要な光エネ
ルギーを放出するために十分な撮幅の負電圧−■（順方
向）が印加される。放出時間は光が通る光路の長さに依
存する。すなわち、まず光ファイバ５の長さに依存する
。先に述べたように、その長さは２００ｍ〜２触である
。放射された光は、光ファイバの長さに応じて１〜１０
μ秒のｉ間が経過した後で、光源のダイオード１００へ
戻ってくる。

ダイオード１００と信号処理器１０４を接続するように
、スイッチ１０２は制御回路１０１により位置■に置か
れる。その信号処理器１０４は増幅器で構成できる。

実際には、スイッチ１０２は電子スイッチであって、そ
のスイッチング速度は用途に適するものである。

光検出器として用いられる時のダイオードの通過帯域は
非常に広いが、光放出モードから光検出モードへ切換え
られる時に励起される電子の緩和時間に問題が起きる。

それから、リング干渉計内での光の進行時間の２倍に等
しい周期を有する方形波で変調させねばならない。

リング干渉計におする位相のずれに関連する信号は位相
変調法により検波される。この場合には検波される周波
数は１／２τに等しい。τは光フアイバ中の光の伝播時
間である。

そのために、信号処理回路は直角型同期検波器を含む。

制御器１０１により発生された周波数が１／２τの信号
Ｖｃが、信号処理回路１０４に含まれている同期検波器
に与えられる。

更に、少なくとも１つの相反的効果の位相変調器７が変
調リング５に挿入される。この変調リング５は前記信号
ＶＣも受ける。

そのような構成がフランス特許出願トｒ（−Ｂ−２，４
７１，５８３号明細書に記載されている。

位相変調器７は相反的効果、たとえば光弾性効果または
゛電気光学効果、を行う。そのような位相変調器の例が
前記フランス特許明＠書に記載されている。その位相変
調器を周期的に通る光の位相を変化させるように位相変
調器は助成される。その周期は２τに等しい。

そのｌｉａ期性のために、次式で定められる関係が成立
する。

Φ（ｔ）＝Φ（ｔ＋２τ）（１） の（１＞は時間の関数として位相の変化を記述する関数
である。

リング内を互いに逆向きに進む２つの光ビームは、位相
変調器を通る時に移相される。この位相変調器がない時
の位相差ΔΦは次式で表される。

へ〇＝ΔΦ十Φ（１）−Φ（１） 一Φ（を十τ）（２） ψ（τ）を用いると次式が得られる。

ψ（ｔ）＝ψ（τ）−ψ（ｔ＋τ）（３）Φ（τ）の周
期性のために、関数φ（τ）は対称的Ｃある。これは ψ（ｔ）−一Φ（を十τ）（４） であることを意味づ゛る。これから、各分岐において検
出された光のパワーは、周波数の関数として検出された
光のパワーの成分を表す周波数スペクトルを有する。

このスペクトルは次の成分に分けることができる。

一連続成分、 一５ｉｎ（ΔΦ）に比例する周波数１／２τの成分すな
わち有用な成分、 −ＣＯＳ（ΔΦ）に比例する周波数１〜τの成分、−関
数の（τ）の正確な形に依存する高調波の種々の成分。

リング５を互いに逆向きに進む光の位相変調を表すこの
後者の関数は任意の形とすることができる。しかし、た
とえば方形波信号または正弦波信号を表す関数はいくつ
かの利点を有する。それらの利点は、そのような関数を
発生し、既知のスペクトルに従う高調波に分けることが
容易であること、またはそれらの信号に同期さぼること
が容易なことである。

変更例（図示せず）においては、干渉計のリング５の各
端部に相反的効果の位相変調器を設けることができる。

各変調器は、１／２τの周波数において、 Φ　（ｔ）−一Φ２　（ｔ）　　　　　　　　（５）と
いう関係が得られるように、周期的な移相を（Ｊう。、
ここに、Φ１　（ｔ）は第１の位相変調器により与えら
れる移相量、Φ２　（ｔ）は第２の位相変調器により与
えられる移相量である。ｔの値とは無関係に（５）式が
ほぼ成立するものとづると、対称性のためにこの特定の
装置により安定度が一層高くなる。

検出モードにおいて光源のスイッチングに用いられる変
調周波数は１／２τ′　Ｃある。ここに、τ′は光路全
体を光が伝わるのに要する時間である。すなわち、干渉
計のリング５にお番プる光路と、光１Ｉ２１００と分離
器４の間の入射−戻り光路とを光が伝わるのに要する時
間である。リング５中の伝播時間がその入射−戻り光路
を光が伝播する時間よりはるかに長いとすると、それら
２つの周波数は互いに非常に接近し、検出帯におい′Ｃ
寄生うなりを生ずることがある。これの理想的な解決法
は、スイッチング周波数を検出周波数の２倍に等しくす
ることである。光の総伝播時間がコイル中の光の伝播時
間の１．５倍に等しければ、上記解決法は可能である。

このことは、光源と分離器の間に遅延線を使用すること
を意味り°る。そのために、伝播遅延を行う別の光ファ
イバを用いる。そのために必要な光ファイバの長さは、
リングを構成する光ファイバ５の長さの４分の１である
。

第４図は付加光ファイバを用いたこの変更例を示すもの
である。この図に示す装置は、第３図に示す装置に加え
て、光ファイバ３０の代りに「紙用の光ファイバ３２を
用いる。他の全ての構成も採用でき、光ファイバ３１の
代りに光ファイバ３２を使用できる。

本発明の第２の実施例においては、光源を、光ファイバ
を除く他のあらゆる光学素子を介することなしに、モー
ドフィルタ３に直結できる。その光源は光発生器および
光増幅器として用いられる。

第４図はこの第２の実施例を示す。光源１０００は半導
体レーザダイオードであって、なるべくｒＧａＡｓ　（
ガリウム−ひ素）」型またはいわゆる「スーパールミネ
ッセント」型のダイオードを用いるようにする。このダ
イオードの前面すなわち光放出面は、図示の実施例にお
いては、中間光ファイバ３０に光学的に結合される。レ
ーザダイオード１０００の後面１００２は、たとえばＰ
ＩＮ型ダイオード、のような通常の光検出素子６００に
結合される。

光源に戻ってきた光はレーザダイオード１０００により
増幅されてから、光検出器６００により通常のやり方で
検出される。

両方の実施例においては、高速スイッチ（第２図の２０
）または分離器（第１図の２）は省かれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の干渉５１の一例の概略図、第２図は従来
の干渉計の別の実施例の概略図、第３図は本発明の干渉
計の第１の実施例の概略図、第４図は第３図に承り実施
例の変更例の概略図、第５図は本発明の干渉ａ１の別の
実施例の概略図である・３・・・−Ｅ−ドフィルタ、４
・・・半透明鏡、５．３０．３１・・・光ファイバ（リ
ング）、４０．４１．４２・・・導光器、６０．６００
・・・光検出器、１００．１０００・・・光源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、リングを形成する単一モード光ファイバと、コヒー
   レントな光エネルギーを放射し、かつ受ける手段と、単
   一モード光ファイバの両端部から出た放射を再び組合わ
   せるために、放射されたコヒーレントな光エネルギーの
   等しい部分を同時に単一モード光ファイバの２つの端部
   へ向けるためにその放射を分離および混合する手段と、
   この分離および混合手段と光エネルギー放射および受光
   手段の間に配置されるモードフィルタ手段とを備え、前
   記光エネルギー放射および受光手段は、正方向に分極さ
   れた時に所定波長の光を放出し、逆方向に分極された時
   にそれと同じ波長の光を検出する半導体ダイオードによ
   り形成されるリング干渉計装置において、前記ダイオー
   ドの光放出を制御するために前記ダイオードを順方向に
   バイアスする手段と、電気信号処理器と、スイッチング
   手段と、前記半導体ダイオードと順方向バイアス手段ま
   たは電気信号処理器との間で電気的接続を交互に行うよ
   うに前記スイッチング手段を制御する手段とを更に備え
   ることを特徴とするリング干渉計装置。 ２、特許請求の範囲１項記載の装置であっ て、τをリングにより形成された光路を波が伝わるのに
   要する時間として、１／２τの周波数の周期的な信号に
   より制御される少なくとも１つの正逆効果位相変調器を
   備え、前記電気信号処理器は同じ周波数で同期する検波
   器を備えることを特徴とする装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の装置であって、半導体
   ダイオードと、リングを形成する単一モード光ファイバ
   の長さの４分の１に等しい長さの前記分離および混合手
   段の間に配置される付加単一モード光ファイバを更に備
   え、この付加単一モード光ファイバは遅延線を形成する
   ことを特徴とする装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の装置であって、前記半
   導体ダイオードは「ガリウム−アルミニウム−ひ素／ガ
   リウム−ひ素」型であることを特徴とする装置。 ５、特許請求の範囲第１項記載の装置であって、前記半
   導体ダイオードは「ガリウム−インジウム−ひ素−りん
   ／インジウム−りん」型であることを特徴とする装置。 ６、特許請求の範囲第１項記載の装置であって、前記半
   導体ダイオードは「ガリウム−アルミニウム−ひ素」型
   の横方向接合構造であることを特徴とする装置。 ７、リングを形成する単一モード光ファイバと、コヒー
   レントな光エネルギーを放射し、かつ受ける手段と、単
   一モード光ファイバの両端部から出た放射を再び組合せ
   るために、放射されたコヒーレントな光エネルギーの等
   しい部分を同時に単一モード光ファイバの２つの端部へ
   向けるためにその放射を分離および混合する手段と、こ
   の分離および混合手段と光エネルギー放射および受光手
   段の間に配置されるモードフィルタ手段とを備え、前記
   光エネルギー放射および受光手段は、コヒーレントな光
   を放出する半導体ダイオードを備え、この半導体ダイオ
   ードの第１の面は前記モードフィルタに光学的に結合さ
   れ、前記半導体ダイオードの第２の面はオプトエレクト
   ロニック検出器に光学的に結合され、前記半導体ダイオ
   ードは、前記光エネルギー放射および受光手段へ再び送
   られた光を検出の前に増幅することを特徴とするリング
   干渉計装置。 ８、特許請求の範囲第７項記載の装置であって、前記オ
   プトエレクトロニック検出器は「ＰＩＮ」型ダイオード
   により形成されることを特徴とする装置。 ９、特許請求の範囲第７項記載の装置であって、前記半
   導体ダイオードは「ガリウム−ひ素」型のレーザダイオ
   ードであることを特徴とする装置。 １０、特許請求の範囲第７項記載の装置であって、前記
   半導体ダイオードはスーパールミネッセントダイオード
   であることを特徴とする装置。