JPS622121A

JPS622121A - 光フアイバジヤイロスコ−プ

Info

Publication number: JPS622121A
Application number: JP14174285A
Authority: JP
Inventors: Michio Kondo; 道雄近藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1985-06-28
Publication date: 1987-01-08

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、光学的に回転角速度等の測定を行う光ファイ
バジャイロスコープに関する。

〔従来の技術〕

船舶、航空機等においては、その航行時、方位測定等の
ためにジャイロスコープが使用されている。これには従
来、高速回転体の慣性を利用したものが専ら使用されて
いたが、その回転体の回転を維持する装置や回転体の回
転軸の方向を検出する装置等積々の複雑な機構を必要と
し、小型化および高精度化に限界があった。

一方、レーザ発振器の実用化に伴って、レーザ応用技術
の一環として、リングレーザと呼ばれるジャイロが開発
された。

これは、第４図に示すように、レーザ発振器１から出力
されるレーザ光１１．１２をミラー２、〜２４　を用い
て左回りと右回りの双方向に伝播させ、ハーフミラ−２
，からこの光をとり出してミラー２５〜２７　により両
者を同一光路３に導く構造のものである。この光学系が
、例えば点４を中心に矢印５の方向に角速度ωで回転す
ると、それと同方向に進む光と逆方向に進む光とで光路
長に差を生じる。これによって両レーザ光１１　　と１
□の共振周波数に差が生じるから、光路３上に設けた光
検出器６によってこれらの干渉光を検出する。

この干渉光の周波数が光学系の回転角速度ωに比例する
ので、周波数測定器７で周波数をカウントし、光学系の
回転角速度を測定できる。

このような原理で動作するリングレーザは、駆動部分が
無いことから取扱いが容易で、従来のジャイロスコープ
に代わるものとして既に実用化されている。ところが、
このレーザ発振器は一般にその寿命が一方時間程度であ
るのに対し、近９年光通信等で多様されている半導体レ
ーザは、１００万時間を越える長寿命のものもある。そ
こで、この半導体レーデと光ファイバとによって構成さ
れた光ファイバジャイロスコープが開発されその実用化
が進められている。

これは、光ファイバによって形成したループ中に右回り
と左回りの光とを伝播させるものである。

この光ファイバジャイロスコープにもリング型のものが
ありこれは、パッシブリング方式と呼ばれている。この
方式では光ブアイバによりリング共振器を形成してその
中を伝播する右回り光と左回り光との共振周波数の差を
検出し回転角速度を求めるようにす′る。

また、このほかに、非リング型のものがある。

これは、ループ状に巻回した光ファイバの両端から互い
に他端に向けて光を伝播させて、回転によって生じた両
方向の伝播光の位相差から回転角速度を求めようとする
ものである。この非リング型のものにおいて、伝播光の
位相差を検出するために、位相変調方式、周波数変調方
式、位相バイアス方式およびヘテロゲイン方式等の種々
の方式が開発されている。

第５図は、このような光ファイバジャイロスコープのう
ち周波数変調方式を採用したものの一例を示すブロック
図で、これは、１９８５年２月１３日に開催された０Ｆ
Ｓ（オプティカル・ファイバ・コンファランス）の講演
資料ＷＢＢ４第１２０頁に紹介されたものである。

この装置には、半導体レーザ等から成る光源１１と、こ
れから出力されるレーザ光を所定の経路に導く光導入部
１２と、両端をこの光導入部１２に接続しループ状に巻
回された光ファイバループ１３と、光導入部から出力さ
れるレーザ光を検出する光検出器１４とが設けられてい
る。また光導入部１２には、光源１１から出力されるレ
ーザ光を矢印１６．．１６２で示した２方向に分配する
Ｙ分岐１７．　　と、光ファイバループ１３内を通過し
た後この矢印１６．．１６２と反対方向に伝播されＹ分
岐１７１で集合された光を、導波路１８、を通じて光検
出器１４まで導くためのＹ分岐１７２とが設けられてい
る。これらのＹ分岐　５１７、．１７２は、例えば第３
図ａに示すように、単一モード光ファイバ１０を７字状
に熱融着して形成される。この２つのＹ分岐１７．．１
７□の間には偏光器１９が挿入されている。

ここで、図の矢印１６、方向の伝播光を第１の伝播光と
呼び、矢印１６□方向の伝播光を第２の伝播光と呼ぶこ
とにする。この第１の伝播光を光ファイバループ１３に
導くための導波路１８２中には、２つの変調素子２１．
２２が挿入されている。いずれの変調素子も、例えばレ
ーデ光が通過する圧電体結晶に電界を加えいわゆる電気
光学効果を利用してその変調を行うものである。この一
方の変調素子２１には、第１の伝播光に周波数偏移を生
じさせる周波数変調器２３が接続され、この周波数変調
器２３からはいわゆるのこぎり波が出力される。また、
他方の変調素子２２には、第１の伝播光の位相をシフト
させる位相変調器２４が接続され、この位相変調器２４
からは一定の周波数の正弦波が出力される。例えば伝播
光の波長を０．８５ミクロンメータ〔μｍ〕としたとき
、周波数変調器２３はこれに０〜１００キロヘルツＣＫ
Ｈｚ）程度の任意の周波数偏移を生じさせることができ
、また位相変調器２４はその位相のシフト量を例えば０
〜２πの範囲で一定の周期で変化させるものである。

また、上記周波数変調器２３には、光検出器１４で光電
変換された検出信号１４１が入力するよう結線され、か
つこの周波数変調器２３の出力するのこぎり波の周波数
を時間を追って監視する監視装置２５が設けられている
。

このような光ファイバジャイロスコープは次のように動
作する。

まず、光源１１から出力されるレーザ光は、導波路１８
３から偏光器１９およびＹ分岐１７□を経て２つの導波
路１８□、１８４へ分配され、光ファイバループ１３を
右回りと左回りとに伝播して再びＹ分岐１７．で集合さ
れ、偏光器１９、Ｙ分岐１７□、導波路１８１を経て光
検出器１４に入力する。この光ファイバジャイロスコー
プ、が、光ファイバループ１３の中央にある点４を中心
として矢印５方向に回転すると、右回りの第１の伝播光
と左回りの第２の伝播光との間に位相差が生じ、導波路
１８１からは第１の伝播光と第２の伝播光の外に所定の
干渉光が出力される。光検出器１４はこの光を光電変換
して検出信号１４．　　とし、これを周波数変調器２３
に送り込む。周波数変調器２３はこの検出信号１４．を
もとにして、第１の伝播光と第２の伝播光との位相が一
致するよう第１の伝播光に必要な周波数偏移をかける。

光ファイバジャイロスコープの回転角速度が変化すれば
、第１の伝播光に加えるべき周波数偏移量がこれに伴っ
て変化する。監視装置２５は周波数変調器２３の発振周
波数の変化から光ファイバジャイロスコープの回転角速
度の時間変化を求め、これを記録したり他の装置に向け
て出力する。

ここで、位相変調器２４は、第１の伝播光と第２の伝播
光の位相が正確に一致した状態の検出を容易にするため
に設けられている。

すなわち、位相変調器２４によって、一定の周波数で第
１の伝播光に位相変調をかける。第１の伝播光と第２の
伝播光との位相が完全に一致しているときは、位相変調
をかけると、その変調周波数の倍の周波数の誤差信号が
光検出器１４から出力される。ところが、第１の伝播光
の位相が第２の伝播光のそれに対していずれか一方にず
れていると、位相変調周波数と同一の周波数の誤差信号
が光検出器１４から出力される。位相がこれと反対の方
向にずれていれば、同様の信号であって位相の逆転した
誤差信号が出力される。従って、光検出器１４から常に
、位相変調周波数と同一の周波数の誤差信号が出力され
ないように第１の伝播光の周波数偏移量をトラッキング
する。

このようにして、きわめて高い精度で回転角速度の時間
変化を求めることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて、このような光ファイバジャイロスコープにおいて
、伝播光の周波数偏移量は、周波数変調器の出力するの
こぎり波の周波数に比例する。ところが、その比例係数
は、のこぎり波の振幅や変調素子の入力電圧−屈折率変
化の特性に依存する。

従って、これらに例えば経時的な変動があれば、回転角
速度の検出誤差が生じてしまう。

本発明は以上の点を解決するためになされたもので、よ
り高い精度で回転角速度の検出を行うことのできる光フ
ァイバジャイロスコープを提供することを目的とするも
のである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光ファイバジャイロスコープは、光源と、光フ
ァイバループと、上記光源の出力光を第１の伝播光と第
２の伝播光とに分配して両者を上記光ファイバループに
それぞれ互に逆方向に伝播させる光導入部と、上記光フ
ァイバループを伝播した第１の伝播光と第２の伝播光と
を同一の導波路に導いた後これを検百する光検出器と、
上記第１の伝播光または第２の伝播光に周波数偏移を生
じさせる周波数変調器とを有し、上記光検出器によって
上記第１の伝播光と第一２の伝播光との位相の一致を検
出して、そのときの周波数偏移量から回転角速度を求め
るものＪこおいて、上記周波数偏移の生じる前の伝播光
と周波数偏移の生じた伝播光とを同一の導波路に導くモ
ニタラインと、このモニタラインに接続されこれから出
力される干渉光の周波数から上記周波数偏移量を測定す
る周波数測定器とを設けたことを特徴とするものである
。

ここで、上記光導入部に上記第１の伝播光を伝播させる
導光部と上記第２の伝播光を伝播させる導光部とを設け
、その双方にそれぞれ上記の周波数変調器を設けて、さ
らに、各周波数変調器に入力する伝播光とこれから出力
する伝播光とを同一の導波路に導くモニタラインを設け
、かつそのモニタラインごとに上記周波数測定器を接続
するようにしてもよい。

〔作用〕

このような光ファイバジャイロスコープにおいて、これ
が回転運動をして第１の伝播光と第２の伝播光との間に
位相差が生じたときは、周波数変調器を用いて、第１の
伝播光または第２の伝播光に周波数偏移を生じさせ、両
者の位相差を打ち消すようにする。その位相の一致点は
光検出器、を用いて検出する。こうして位相が一致した
とき、周波数偏移を生じる前の伝播光と周波数偏移の生
じた後の伝播光とをモニタラインからとり出して干渉光
の周波数を測定する。この干渉光の周波数は即ち、その
伝播光の正味の周波数偏移量に相当する。これによって
、周波数変調器の特性や変調素子の特性等に影響される
ことなく、高い精度で回転角速度の検出を行うことがで
きる。

〔実施例〕

（第１の実施例）第１図は本発明の光ファイバジャイロスコープの実施例
を示すブロック図である。ここで、第５図と同一部分に
は同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

この実施例の光ファイバジャイロスコープは、第５図の
ものと次の点が相違している。まず、周波数変調器２３
にその発振周波数を読み取る監視装置がとりつけられて
いない。また、２つの変調素子２１と２２の中間部分と
、導波路１８．とにそれぞれ矢印１６□、１６２方向の
伝播光を分岐させるＹ分岐１７．．１７．が設けられて
いる。

そして、この分岐された伝播光は、Ｙ分岐１７５で１本
の導波路１８５に導かれ、光検出器３０に入力するよう
構成されている。本発明において、この３つのＹ分岐１
７３〜１７．と導波路１８゜で構成される部分をモニタ
ライン２９と呼ぶことにする。この光検出器３０も、光
検出器１４と同様の光電変換素子を用いたもので、その
検出出力信号３０．が、周波数測定器３１に入力され、
この測定値を監視装置３２が読み取る構成となっている
。

レーザ光は、光源１１から発せられて、導波路１８３、
Ｙ分岐１７１偏光器１９、Ｙ分岐１７２を経て第１の伝
播光と第２の伝播光とに分配される。第１の伝播光は、
矢印１６．方向に、導波路１８２、変調素子２１、Ｙ分
岐１７３を通り、ここで再び２分配されて、一方は光フ
ァイバループ１３へ向けて、他方は光検出器３０に向け
て伝播する。一方、第２の伝播光は、矢印１６□方向に
導波路１８．からＹ分岐１７．を通り、ここで２分配さ
れて、一方は光ファイバループ１３へ向けて、他方は光
検出器３０に向けて伝播する。

光ファイバループ１３を右回りに伝播した第１の伝播光
は導波路１８４を経てＹ分岐１７２に達し、また、光フ
ァイバループ１３を左回りに伝播した第２の伝播光は導
波路１８２を経てＹ分岐１７２に達する。ここで第１の
伝播光と第２の伝播光とが合流して導波路１８．を通り
光検出器１４に入力する。

ここで、周波数変調器２３は、第１の伝播光に対して、
第１の伝播光と第２の伝播光の位相が一致するよう周波
数偏移をかける。そして、位相変調器２４が、第１の伝
播光を一定の周波数で位相変調し、これによって光検出
器１４から出力される誤差信号１４．をもとに、周波数
変調器２３は、第１の伝播光と第２の伝播光の位相を正
確に一致させるようトラッキングを行う。この動作も先
に第５図を用いて説明したのと同様である。このとき、
モニタライン２９には、周波数偏移をかけられた第１の
伝播光と、Ｙ分岐１７２とＹ分岐点１７４を経て直接こ
こに達する第２の伝播光とが導入され、両者の干渉光が
光検出器３０に入力する。Ｙ分岐１７□で矢印１６．．
１６２方向に分配された第１の伝播光と第２の伝播光と
は全く同位相であるから、結局、この光検出器３０には
モニタライン２９を通じて、周波数変調器２３に入力す
る前の第１の伝播光と周波数偏移を生じてこれから出力
する第１の伝播光とが入力したのと同様の結果となる。

すなわち、その干渉光の周波数は第１の伝播光の正味の
周波数偏移量に相当する。

従って、光ファイバループ１３を伝播する第１の伝播光
と第２の伝播光の位相が完全に一致したとき、周波数測
定器３１が光検出器３０に入力した干渉光の周波数をカ
ウントし、その周波数を監視装置３２が読み取って回転
角速度を求める。このようにして、第５図によって説明
したものと同様に、回転角速度の検出を行うことができ
る。しかも、この光ファイバジャイロスコープは、周波
数偏移を生じる前の第１の伝播光と周波数偏移を生じた
後の第１の伝播光とを直接取り出して周波数偏移量を測
定するので、高い精度での測定が可能である。

（第２の実施例）第２図は本発明の光ファイバジャイロスコープの他の実
施例を示すブロック図である。

この実施例のものは、このジャイロ全体が軸４を中心と
して矢印５のように左右いずれに回転する場合でも、回
転角速度の検出を可能にしたものである。これは例えば
、航空機の自動運行記録装置等に使用するのに適してい
る。

この図の実施例で、第１図のものと相違する点は、周波
数変調器２３．．２３□と、位相変調器２４、．２４□
とが、それぞれ第１の伝播光用と第２の伝播光用とに１
組づつ設けられ、さらに、モニタライン２９．．２９゜
や光検出器３０１．３０２および周波数測定器３１□、
３１□　もこれに応じて増設されているところである。

また、光ファイバループ１３に、第１の伝播光および第
２の伝播光を導入するために双方向のカプラ２７を使用
している。これには、例えば、第３図すに示すように、
基板３５上に形成され、導波路３６をＸ字状に形成した
既知の先導波素子を用いる。

この実施例の光ファイバジャイロスコープは次のように
動作する。

まず、これが軸４を中心として一方向に回転すると、そ
の回転方向に応じて、いずれか一方の伝播光の変調用と
して用意された周波数変調器および位相変調器のみが動
作する。

例えばここで、導波路１８２を変調素子２１．１２２□
の順に伝播する第１の伝播光に周波数偏移がかけられる
ものとする。このとき第１の伝播光は、変調素子２１、
を通過するとき、周波数変調器２３．　　により変調を
受け、変調素子２２１を通過するとき位相変調器２４１
　により変調をうける。

この第１の伝播光が変調素子２１．に入力する直前と直
後とに、Ｙ分岐１７ｓ、１７−ｓが設けられて、Ｙ分岐
１７７と合せて、先に説明したと同様のモニタライン２
９．を構成している。このモニタライン２９．の出力す
る干渉光を光検出器３０゜が光電変換し、周波数測定器
３１．　　によってこれを測定する。以下光に説明した
と同様の動作で回転角速度の検出が行われる。また、こ
の光ファイバジャイロスコープがこれと逆方向に回転し
たときは、導波路１８１を変調素子２１□、２２□の順
に伝播する第２の伝播光に周波数偏移がかけられる。こ
の周波数偏移量はモニタライン２９゜で測定する。この
モニタライン２９□はＹ分岐１７８．１７、．１７．。

で構成されるが、以下の動作説明は同様であって重複す
るので省略する。このようにして、監視装置３２は、２
つの周波数測定器３１□、あるいは３１□の測定データ
を読み取ることによって、回転方向と回転角速度とを検
出することができる。

〔変形例〕

本発明の光ファイバジャイロスコープは以上の実施例に
限定されない。

光源には、半導体レーザのほか、ガスレーザ固体レーザ
等、光ファイバループから干渉光をとり出すことのでき
る種々の発光体を用いることができる。

また、光ファイバループに第１の伝播光と第２の伝播光
とを導く光導入部は、第３図ａに示したもののほか、基
板３５上に光導波路３６を形成したもの（同図ｃ）、あ
るいは光を分岐させる構造の結晶３７や、ミラー３８等
を用いたもの（同図ｄ、ｅ）であってもさしつかえない
。

また、光ファイバループとしては、単一モードファイバ
や偏波面保存ファイバ等、モード分散の少ない干渉性の
良い光を伝播させることのできる種々のファイバを使用
することができる。周波数変調器、光検出器、周波数測
定器の構成も、既知の種々のデバイスに置き換えてさし
つかえない。

さらに、光導入部は、モニタラインを含めてその全体を
、第３図す、ｃに示したような一つの基板３５上に所定
の導波路３６を組合せて形成した一体構成のものとして
もよい。こうすればこの部分の小型化を図ることができ
、かつその信頼性を高めることもできる。また、この光
導入部で、の光路の構成や分岐位置、分岐方向等は、必
ずしも上記実施例どおりである必要はない。すなわち、
周波数変調器の取り付は位置は第１の伝播光あるいは第
２の伝播光を個別に変調できる箇所であればどこでもよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明の光ファイバジャイロスコープは光
ファイバループ内を互に逆方向に伝播される第１の伝播
光と第２の伝播光について、その一方に周波数偏移を与
える゛ことによって両者の位相が一致したとき、周波数
偏移を生じる前と後の伝播光を直接とり出してその干渉
光の周波数を測定するようにしたので、周波数偏移量を
きわめて、正確に検出することができる。また、これに
よって、より高い精度で回転角速度の検出を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバジャイロスコープの実施例
を示すブロック図、第２図は本発明の光ファイバジャイ
ロスコープの他の実施例を示すブロック図、第３図ａか
らｅはこれに使用するＹ分岐等の実施例を示す斜視図あ
るいは平面図、第４図は従来のリングレーザ式ジャイロ
スコープの概念図、第５図は従来の光ファイバジャイロ
スコープを示すブロック図である。１１・・・・・・光源、１２・・・・・・光導入部、１
３・・・・・・光ファイバループ、１４．３０・・・・・・光検出器、２３・・・・・・周波数変調器、２４・・・・・・位相
変調器、２９・・・・・・モニタライン、３１・・・・・・周波数測定器。第３　図

Claims

【特許請求の範囲】１、光源と、光ファイバループと、前記光源の出力光を
第１の伝播光と第２の伝播光とに分配して両者を前記光
ファイバループにそれぞれ互に逆方向に伝播させる光導
入部と、前記光ファイバループを伝播した第１の伝播光
と第２の伝播光とを同一の導波路に導いた後これを検出
する光検出器と、前記第１の伝播光または第２の伝播光
に周波数偏移を生じさせる周波数変調器とを有し、前記
光検出器によって前記第１の伝播光と第２の伝播光との
位相の一致を検出して、そのときの周波数偏移量から回
転角速度を求めるものにおいて、前記周波数偏移の生じ
る前の伝播光と周波数偏移の生じた後の伝播光とを同一
の導波路に導くモニタラインと、このモニタラインに接
続されこれから出力される干渉光の周波数から前記周波
数偏移量を測定する周波数測定器とを設けたことを特徴
とする光ファイバジャイロスコープ。２、前記光導入部に、前記第１の伝播光を伝播させる導
波路と前記第２の伝播光を伝播させる導波路とを設け、
その双方にそれぞれ前記周波数変調器を設けて、各周波
数変調器に入力する伝播光とこれから出力する伝播光と
を同一の導波路に導くモニタラインを設け、かつそのモ
ニタラインごとに前記周波数測定器を接続したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の光ファイバジャイ
ロスコープ。