JPH0447214A - 光ファイバジャイロスコープ - 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） 本発明はファブリベロー共振器を用いた光フアイバジャ
イロスコープに関する。

（従来の技術） 光フアイバループの回転により生ずる、いわゆるサニヤ
ック効果を利−用し、測定対象の回転角速度を検出する
光フアイバジャイロは機械式のジャイロにはない数多く
の特長を有することから航空器航法装置３回転角速度測
定システム等への積極的導入が図られている。

従来は、ファブリベロー共振器の共振特性の微分特性を
弁別曲線として用いた光フアイバジャイロがあった。

第６図はその一例を示すもので、リング型ファブリベロ
ー共振器を用い左右両回り方向の共振器の共振周波数の
ずれを測定するものである（特願昭６０−１９５４１、
発明の名称　超高感度光フアイバジャイロスコープ）。

半導体レーザ６１を出射した光はレンズ６２゜アイソレ
ータ６３を通り、ビームスブリフタロ４で２分岐される
。２分岐された光はそれぞれレンズ６５．６６を通り、
光ファイバ６７．６８に導かれ、光分岐器６９に入射す
る。光ファイバ７０゜７１、光分岐器６９および７２で
構成されるリング型ファブリベロー共振器では光分岐器
６９より入射した光は右回りと左回りでループ内を伝播
する。ループ内では右回り入射光と左回り入射光はそれ
ぞれ光分岐器６９と７２との間で反射を繰り返し、右回
りと左回り方向のリング共振を生じ、２つの透過光が光
分岐器７２より出射される。

光分岐器７２より出射された２つの光は光ファイバ７３
．７４を伝播し、レンズ７５．７６を通ってそれぞれ光
検波器７７．７８に導かれる。

光検波器７７．７８の検波出力はロックインアンプ７９
．８０に入力する。

ロックインアンプ７９．８０は発振器８１の出力を周波
数基準としており、ロックインアンプ７９の出力は周波
数制御回路８２に入力し、ロックインアンプ７９の出力
に応じた制御信号が周波数制御回路８２より出力され、
周波数制御回路８２の出力と発振器８１の発振周波数と
が加算され、レーザ６１の駆動電流を制御するように構
成されている。そのため、光検波器出力は周波数ｆｍで
同期検波され、ロックインアンプ７９．８０の出力は第
６図（ｂ）に示すような共振特性の微分特性である弁別
曲線となる。

リング型ファブリベロー共振器は被測定系に固定されて
おり、系が回転すると光ジヤイロの検出原理であるサニ
ヤック効果により両回りの共振器に共振周波数のずれが
第６図ＴＣ）に示すように生じる。この共振器の周波数
のずれ（シｌ−シｒ）が記録部８４より取り出されジャ
イロ出力を得ることができる。

この光フアイバジャイロスコープは安定にジャイロ出力
を得るために一方の出力（右回り）を半導体レーザの駆
動電流に負帰還をかけ共振点の固定制御を行い、すなわ
ち出力を常にＯとしてもう一方の出力（左回り）よりジ
ャイロ出力を測定する構成を採用している。

（発明が解決しようとする課題） さて、この従来のファブリベロー共振器を光フアイバジ
ャイロのように共振周波数のずれの測定に用いる場合に
は次の問題があった。

■弁別曲線である共振微分特性を得るために同期検波の
手法を用いているので、 （イ）光源の光周波数やファブリベロー共振器の長さを
変調するための手段が別に必要となる。

（ロ）電気回路が多くなり、電気回路の小型化に適して
いない。

（ハ）共振点の固定制御を行う際の制御帯域が狭い。

■ジャイロ出力に発光素子の周波数雑音が影響する。

■共振点の固定制御を行う際、外乱により発光素子の周
波数がファブリベロー共振器の１自由スペクトル（Ｃ／
ｎＬ、Ｃは光速度、ｎはファイバの屈折率、Ｌは共振器
長）以上変化した場合、復帰できなくなる。すなわち、
共振周波数復帰特性が良好でない。

本発明の目的は上記諸問題を解決するもので、偏光素子
を挿入したリング型ファブリベロー共振器の２つの方向
性結合器からそれぞれ出射される２つの反射出力光をそ
れぞれ差動回路部で処理する構成を採用することにより
、同期検波の手法を用いることにより生ずるファブリベ
ロー共振器の長さ等を変調する別手段の必要をなくし電
気回路の小型化を図り共振点の固定制御の制御帯域を広
げるとともに発光素子の周波数雑音の出力への影響を抑
圧した共振周波数の復帰特性の良好な光フアイバジャイ
ロスコープを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による光フアイバジャ
イロスコープは発光素子と、光ファイバにより光リング
ループを形成し、前記光リングループ中に偏光面を９０
°回転させる偏光素子および前記発光素子からの２分岐
された光を互いに逆回りに伝播するように入射させる第
１および第２の方向性結合器を挿入してなる被測定系に
固定されたリング型ファブリベロー共振器と、前記リン
グ型ファブリベロー共振器の第１の方向性結合器より出
射する偏波面が異なる２つの反射出力光の一方に光路差
を与え、この２つの反射出力光の偏波面が合う成分ごと
に干渉させ異なる方向に２つの干渉光を取出し、この２
つの干渉光の光電変換出力の差動出力を得る第１の差動
回路部と、前記リング型ファブリベロー共振器の第２の
方向性結合器より出射する偏波面が異なる２つの反射出
力光の一方に光路差を与え、この２つの反射出力光の偏
波面が合う成分ごとに干渉させ異なる方向に２つの干渉
光を取出し、この２つの干渉光の光電変換出力の差動出
力を得る第２の差動回路部と、前記差動回路部の少なく
とも一方の出力がＯになるように前記共振器に入射する
光の周波数を共振点に固定化するため前記光周波数を制
御する信号を出力する共振点固定制御回路と、前記第１
もしくは第２の差動回路部出力によりジャイロ出力を電
圧値として取り出すか、または前記共振点固定制御回路
からの信号によって制御された光周波数の差をジャイロ
出力として取り出す回路とから構成しである。

このような構成によれば、上述の問題はすべて解決され
る。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１図は本発明による光フアイバジャイロスコープの実
施例を示す概略ブロック図である。

発光素子２０の光出力は図示しないアイソレータを介し
て光ファイバ２２に導かれる。

光フアイバ２２中を伝播する光は方向性結合器２１によ
って２分岐されリング型ファブリベロー共振器１内に入
射する。

リング型ファブリベロー共振器１は光フアイバループ、
方向性結合器３．４および光フアイバループに挿入した
偏光素子２より構成されており、図示しない被測定系に
固定されている。

２分岐された光は方向性結合器３および４よりそれぞれ
互いに逆回りするように光フアイバループ内に入射させ
られる。

偏光素子２は入射光が共振器を−回りしたときその偏波
面が９０°回転するように配置されている。

そのため、ファブリベロー共振器１の方向性結合５３．
４よりそれぞれ出力される反射出力光は偏波状態が直交
した異なる２つの光（反射モードと透過モード）となる
。

なお、上記光フアイバループに偏波面保存光ファイバを
用いる場合は、偏光素子の代わりにファイバを９０°回
転させた融着接続部構成とすることができる。

方向性結合器３より出力された２つの反射出力光は光フ
ァイバを出射してレンズ５を通過し平行光にされた後、
１／４波長板６に導かれる。

１／４波長板６は直交した偏波面の２つの光の間にπ／
２の光路差を生じさせる。

１／４波長板６で光路差を与えられた直交した偏波面の
２つの光は偏光ビームスプリンタフに入射する。偏光ビ
ームスプリンタ７は１／４波長板６のＦＡＳＴ軸に対し
偏波軸が４５°ずれており、光の偏波面が一致する成分
ごと干渉するように作用する。

そのため、位相が１８０°異なる２つの干渉光が作られ
、受光素子８および９にそれぞれ導かれる。

受光素子８および９の出力は差動回路１０の正入力端子
および反転入力端子に接続されており、差動出力が取り
出される。

受光素子１４および１５の出力は位相が１８０゜ずれて
いるので、差動回路１０から通常の出力の２倍の出力が
得られる。

差動回路部１７は上記１／４波長板６．偏光ビームスプ
リッタ７、受光素子８，９および差動回路１０より構成
されており、同様に差動回路部１８は１／４波長板１２
．偏光ビームスプリンタ１３゜受光素子１４．１５およ
び差動回路１６よりなる回路部とから構成されている。

差動回路部１８は方向性結合器４より出力される２つの
反射出力光をレンズ１１を介して受光し、差動回路部１
７と同様な動作をする。

差動回路１０および１６の出力端は第５図に示すような
共振特性の分散曲線である光周波数弁別曲線となる。

差動回路１０の出力は共振点固定制御回路１９に入力さ
れ、さらに共振点固定制御回路１９の出力は発光素子２
０に接続され、発光素子２０の駆動電流に負帰還がかけ
られている。

そのため、第５図に示す差動回路１０の光周波数弁別曲
線の中心周波数は弁別曲線のＯに固定され、周波数揺ら
ぎが抑圧される。

差動回路１０および１６の出力は差動回路２５の正入力
および負入力端子に入力され、差動回路２５の出力より
ジャイロ出力を得るように構成されている。

被測定系に回転角速度が発生してなければ、差動回路１
０および１６の差電圧は生しないので、ジャイロ出力は
０である。

被測定系に回転が生じると、サニヤック効果により左右
両回り方向のリング型ファブリベロー共振器の共振周波
数のずれを生じ、差動回路１０および１６の差動出力か
ら電圧の差として差動回路２５よりジャイロ出力を得る
。

安定にジャイロ出力を得るために、上述のように一方の
出力を半導体レーザの駆動電流に負帰還させて発光素子
の光周波数を共振点に固定しているので、一方の差動回
路１６の出力をジャイロ出力としてもよい。また、共振
点に固定する制御を広い帯域で行えば、さらに安定なジ
ャイロ出力が得られる。

本願発明は分散曲線を光フアイバジャイロに利用し、同
期検波の手法を用いることなく分散曲線を弁別曲線とす
ることができるので、発光素子の光周波数やリング型フ
ァブリベロー共振器の長さを変調するための手段が必要
なくなり、電気回路の小型化が容易となる。また、共振
点の固定制御を行う際の制御帯域は数桁以上波がる。

さらにジャイロ出力は左右両回り光の出力の差をとれば
良いので、発光素子の周波数雑音の影響が抑圧される。

さらには第５図から明らかなように２自由スペクトル域
分の広い復帰範囲を持つことが理解できる。

第２図は本発明の第２の実施例を示す概略ブロック図で
ある。

この実施例が第１図と異なる点は、発光素子への制御信
号が２つの差動回路出力を加算したものになっているこ
とである。他の構成は第１図と同様、同じ機能を果たす
構成要素には同符号を付しである。

差動回路１０および１６の出力は加算回路２６に入力さ
れ、加算回路２６の出力は共振点固定制御回路１９に入
力されている。

この実施例では第１図に比較し、直線性の向上が期待で
きる。

また、第１図と同様、広い帯域で制御を行えば、さらに
安定なジャイロ出力を得ることができる。

第３図は本発明の第３の実施例を示す概略ブロック図で
ある。

この実施例が第１図と異なる点は、ジャイロ出力を電圧
差として取り出す差動回路の代わりに差周波数として取
り出せるように光周波数制御部３２および差周波数測定
器４１を設けた点である。

発光素子３３から出射した光はビームスプリッタ３４に
おいて２分岐され、それぞれＡＯモジュレータ３５．３
８に入射される。ＡＯモジュレータ３５．３８より出射
される光はレンズ３６，３９で収束されてリング型ファ
ブリベロー共振器１の光ファイバ２３．２４にそれぞれ
導かれる。

共振点固定制御回路３０．３１の制御信号は発振器３７
．４０に接続されており、差動回路１０゜１６の出力電
圧に対応した周波数に発振器３７゜４０を制御する。発
振器３７．４０の発振出力はＡＯモジュール３５．３８
にそれぞれ入力される。

ＡＯモジュレータ３５．３８は音響光学変換素子で、発
振器３７．４０の発振出力に応してビームスプリンタ３
４からの光の周波数を変化させる。

被測定系が回転していないとき、差動回路１０゜１６の
出力差が０になるように（共振器の共振周波数と一致す
るように）ＡＯモジュール３５．３８の周波数に負帰還
がかけられており、発振器３７．４０の発振周波数は一
致している。

被測定系が回転すると、サニヤック効果により左右両回
り方向の共振器の共振周波数のずれが生じるので、その
周波数のずれは発振器３７．４０の発振周波数の差とし
て差周波数測定器４１によって測定される。

第４図は本発明の第４の実施例を示す概略ブロックであ
る。

この実施例も第３の実施例と同様、光周波数制御部４５
および受光素子を含む周波数測定器４４を設け、ジャイ
ロ出力を周波数差として求めるようにしたものである。

発光素子４６．４８を出射した光は光ファイバ２３．２
４を伝播してそれぞれ方向性結合器３４よりリング型フ
ァブリベロー共振器１の光ループに互いに逆方向になる
ように入射する。一方、発光素子４６．４８の光はそれ
ぞれ光ファイバ４９．５０にも伝播し、２つの光が干渉
用光学系４７において合成される。

合成された光は光ファイバ４９をさらに伝播して受光素
子を含む周波数測定器４４に入力する。

被測定系が回転していないときは差動回路１０゜１６の
出力差がＯになるように（共振器の共振周波数と一致す
るように）発光素子４６．４８の周波数に負帰還がかけ
られている。

被測定系が回転すると、サニヤック効果により左右両回
り方向の共振器の共振周波数にずれを生じるので、発光
素子４６．４８の光周波数にずれが生じ、干渉用光学系
４７で合成された干渉波にビート周波数が生じる。この
ビート周波数は周波数測定器４４において受光素子で電
気変換された後、測定できる。

発光素子が半導体レーザの場合、分散曲線を利用して駆
動電流に負帰還をかけているので、広帯域に線幅を抑圧
すると高感度にビート周波数を測定できる。

第３および第４の実施例は第１図と同じ機能を果たす構
成部分は同じ符号を付しである。

（発明の効果） 以上、説明したように本発明はリング型ファブリベロー
共振器を１．光リングループ中に偏光面を９０°回転さ
せる偏光素子および前記光分岐器で分岐された光を互い
に逆回りに伝播するように入射させる第１および第２の
方向性結合器を挿入して構成し、この第１および第２の
方向性結合器より出射する２つの反射光をそれぞれ第１
とＷＳ２の差動回路部に入力し、差動回路部出力に基づ
き光周波数を制御することにより弁別曲線を得、ジャイ
ロ出力を得るように構成されているので、光源の光周波
数やファブリベロー共振器の長さを変調するための手段
が必要でなく、電気回路の小型化が容易になる。また、
共振点の固定制御を行う際の制御帯域が広く、発光素子
の周波数雑音の出力への影響が抑圧され、共振周波数復
帰特性が良好な高感度の光フアイバジャイロの作成が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光フアイバジャイロスコープの実
施例を示す概略ブロック図、第２図、第３図および第４
図は本発明の第２．第３および第４の実施例を示す概略
ブロック図、第５図は実施例の分散曲線の特性を示す図
である。第６図は従来の光フアイバジャイロスコープの
構成を説明するための図で、同図（ａ）は回路ブロック
図、同図Ｃｂ）（Ｃ）は動作特性を示す図である。 １・・・リング型ファブリベロー共振器２・・・偏光素
子 ３．４．２１・・・方向性結合器 ５．１１．３６．３９・・・レンズ ６．１２・−・１／４波長板 ７．１３・・・偏光ビームスプリンタ ９．１４．１５・・・受光素子 ０，１６，２５．２７・・・差動回路 ７．１８・・・差動回路部 ９．３０．３１・・・共振点固定制御回路０．３３，４
６．４８・・・発光素子 ２．２３，２４，４９．５０・−・光ファイバ６・・・
加算回路 ２．４５・・・光周波数制御部 ４・・・ビームスブリフタ ５．３８・・・ＡＯモジュレータ ７．４０・・・発振器 ■・・・差周波数測定器 ４・・・受光素子および周波数測定器 ７・・・干渉用光学系 特許出願人　　　東京航空計器株式会社代理人　　弁理
士　井　ノ　ロ　　　溝築 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　発光素子と、光ファイバにより光リングループを形成
   し、前記光リングループ中に偏光面を９０゜回転させる
   偏光素子および前記発光素子からの２分岐された光を互
   いに逆回りに伝播するように入射させる第１および第２
   の方向性結合器を挿入してなる被測定系に固定されたリ
   ング型ファブリベロー共振器と、前記リング型ファブリ
   ベロー共振器の第１の方向性結合器より出射する偏波面
   が異なる２つの反射出力光の一方に光路差を与え、この
   ２つの反射出力光の偏波面が合う成分ごとに干渉させ異
   なる方向に２つの干渉光を取出し、この２つの干渉光の
   光電変換出力の差動出力を得る第１の差動回路部と、前
   記リング型ファブリベロー共振器の第２の方向性結合器
   より出射する偏波面が異なる２つの反射出力光の一方に
   光路差を与え、この２つの反射出力光の偏波面が合う成
   分ごとに干渉させ異なる方向に２つの干渉光を取出し、
   この２つの干渉光の光電変換出力の差動出力を得る第２
   の差動回路部と、前記差動回路部の少なくとも一方の出
   力が０になるように前記共振器に入射する光の周波数を
   共振点に固定化するため前記光周波数を制御する信号を
   出力する共振点固定制御回路と、前記第１もしくは第２
   の差動回路部出力によりジャイロ出力を電圧値として取
   り出すか、または前記共振点固定制御回路からの信号に
   よって制御された光周波数の差をジャイロ出力として取
   り出す回路とから構成した光ファイバジャイロスコープ
   。