JP2002054933A - Optical fiber gyro - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は光のサグナック効果
によって角速度を検出する光ファイバジャイロに関し、
特に、地磁気等の周囲の磁界に起因するバイアス磁気感
度を除去する技術に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber gyro for detecting an angular velocity by a Sagnac effect of light,
In particular, the present invention relates to a technique for removing bias magnetic sensitivity caused by a surrounding magnetic field such as geomagnetism.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光ファイバジャイロは光のサグナック効
果（サニャック効果）を利用して角速度を計測するよう
に構成されており、高い信頼性を有し、装置を小型化で
きる利点を有する。光ファイバジャイロには共振型、干
渉光型等がある。干渉光型の光ファイバジャイロは、光
ファイバを多数回巻いた光ファイバループよりなる1 本
の長い光路を互いに反対方向に光を伝播させ、この２つ
の光の位相差より角速度を求めるように構成されてい
る。2. Description of the Related Art An optical fiber gyro is configured to measure an angular velocity by utilizing a Sagnac effect (Sagnac effect) of light, and has an advantage that it has high reliability and can be downsized. Optical fiber gyros include a resonance type and an interference light type. The interference-type optical fiber gyro is configured so that light propagates in one long optical path consisting of an optical fiber loop in which an optical fiber is wound many times in opposite directions, and the angular velocity is obtained from the phase difference between the two lights. Have been.
【０００３】図５を参照して従来の干渉光型の光ファイ
バジャイロのうち位相変調方式の光ファイバジャイロの
例を説明する。本例の光ファイバジャイロは半導体レー
ザ、発光ダイオード等の光源１０１と入射光を電流に変
換する受光器１０２と1 本の光ファイバを複数回巻いて
形成された光ファイバループ１０３と偏光子１０４と光
ファイバを伝播する光を合成し又は分岐するカプラ１０
５とＹ分岐導波路１０６Ａを有する光集積回路１０６と
を有する。With reference to FIG. 5, an example of a phase modulation type optical fiber gyro among conventional interference light type optical fiber gyros will be described. The optical fiber gyro of this embodiment includes a light source 101 such as a semiconductor laser or a light emitting diode, a light receiver 102 for converting incident light into a current, an optical fiber loop 103 formed by winding one optical fiber a plurality of times, and a polarizer 104. Coupler 10 for combining or splitting light propagating through an optical fiber
5 and an optical integrated circuit 106 having a Y-branch waveguide 106A.
【０００４】光源１０１より出力された光はカプラ１０
５及び偏光子１０４を経由して光集積回路１０６に導か
れる。光集積回路１０６のＹ分岐１０６Ａによって光は
２つに分岐され、光ファイバループ１０３を互いに反対
方向に伝播する。The light output from the light source 101 is
5 and the optical integrated circuit 106 via the polarizer 104. The light is branched into two by the Y branch 106A of the optical integrated circuit 106, and propagates in the optical fiber loop 103 in opposite directions.
【０００５】光ファイバループ１０３を互いに反対方向
に伝播した光は光集積回路１０６のＹ分岐１０６Ａによ
って合成され、干渉光が生成される。干渉光は再び偏光
子１０４及びカプラ１０５を経由して受光器１０２に導
かれ、受光器１０２によって検出される。The lights that have propagated in the optical fiber loop 103 in opposite directions are combined by the Y-branch 106A of the optical integrated circuit 106 to generate interference light. The interference light is again guided to the light receiver 102 via the polarizer 104 and the coupler 105, and is detected by the light receiver 102.
【０００６】光ファイバループ１０３に角速度Ωが加わ
ると、サグナック効果によって、光ファイバループ１０
３を互いに反対方向に伝播する２つの光の間に位相差Δ
φが生ずる。この位相差Δφは角速度Ωに比例し、次の
式によって表される。When an angular velocity Ω is applied to the optical fiber loop 103, the optical fiber loop 10
3 between two lights propagating in opposite directions to each other.
φ occurs. This phase difference Δφ is proportional to the angular velocity Ω and is expressed by the following equation.
【０００７】[0007]
【数１】Δφ＝（４πＬＲ／λＣ）Ω## EQU1 ## Δφ = (4πLR / λC) Ω
【０００８】ここにΩは光ファイバループ１０３の中心
軸線周りの角速度、Ｒは光ファイバループ１０３のルー
プ半径、Ｌは光ファイバループ１０３の長さ、λは光源
１０１から出力される光の波長、Ｃは光速を表す。Here, Ω is the angular velocity about the central axis of the optical fiber loop 103, R is the loop radius of the optical fiber loop 103, L is the length of the optical fiber loop 103, λ is the wavelength of light output from the light source 101, C represents the speed of light.
【０００９】光ファイバジャイロは更に、電流電圧変換
器１０７、光集積回路１０６のＹ分岐の一方の分岐に沿
って設けられた位相変調器１０８、信号発生器１０９及
び同期検波器１１０を有する。受光器１０２より出力さ
れた電流は電流電圧変換器１０７に電圧に変換され、電
圧信号として出力される。The optical fiber gyro further includes a current-voltage converter 107, a phase modulator 108 provided along one of the Y branches of the optical integrated circuit 106, a signal generator 109, and a synchronous detector 110. The current output from the light receiver 102 is converted into a voltage by the current-voltage converter 107 and output as a voltage signal.
【００１０】位相変調器１０８によって光ファイバルー
プ１０３を互いに反対方向に伝播する光は位相変調され
る。光ファイバループ１０３を右回りに伝播する光は、
光ファイバループ１０３を右回りに伝播した後に位相変
調され、光ファイバループ１０３を左回りに伝播する光
は、位相変調された後に光ファイバループ１０３を左周
りに伝播する。位相変調器１０８は信号発生器１０９か
らの基準信号によって作動される。基準信号の角周波数
をωp とすれば、電流電圧変換器１０７の出力電圧Ｖは
次のようになる。Light propagating in the optical fiber loop 103 in opposite directions to each other is phase-modulated by the phase modulator 108. Light propagating clockwise through the optical fiber loop 103 is:
Light that is phase-modulated after propagating clockwise through the optical fiber loop 103 and propagates counterclockwise through the optical fiber loop 103 propagates counterclockwise through the optical fiber loop 103 after phase modulation. Phase modulator 108 is activated by a reference signal from signal generator 109. Assuming that the angular frequency of the reference signal is ωp, the output voltage V of the current-voltage converter 107 is as follows.
【００１１】[0011]
【数２】Ｖ＝Ｋ［１＋ｃｏｓΔφ・｛Ｊ0 （ｚ）−２Ｊ
2 （ｚ）ｃｏｓ２ωpt＋・・・｝−ｓｉｎΔφ・｛２Ｊ
1 （ｚ）ｃｏｓωpt−・・・｝］V = K [1 + cosΔφ · ｛J 0 (z) −2J
2 (z) cos2ωpt + ...｝ − sinΔφ · ｛2J
1 (z) cosωpt- ・ ・ ・｝]
【００１２】ここに、ｚは位相変調度、Ｊ0 、Ｊ1 、Ｊ
2 はベッセル関数、Ｋは光強度に比例する定数、ｔは時
間である。Where z is the phase modulation degree, J 0 , J 1 , J
2 is a Bessel function, K is a constant proportional to light intensity, and t is time.
【００１３】同期検波器１１０には信号発生器１０９か
ら角周波数をωp の基準信号が供給され、それによって
出力電圧Ｖに含まれる角周波数ｎωptの成分のうち、１
倍波成分ωptが同期検波される。従って同期検波器１１
０では、２ＫＪ1 （ｚ）ｓｉｎΔφが得られる。これよ
り位相差Δφを求め、数１の式より角速度Ωが求められ
る。A synchronous detector 110 is supplied with a reference signal having an angular frequency of ωp from a signal generator 109, whereby one of the components of the angular frequency nωpt included in the output voltage V is output.
The harmonic component ωpt is synchronously detected. Therefore, the synchronous detector 11
At 0, 2KJ 1 (z) sinΔφ is obtained. From this, the phase difference Δφ is obtained, and the angular velocity Ω is obtained from the equation (1).
【００１４】光ファイバジャイロの誤差として地磁気等
の周囲の磁界に起因した誤差がある。これはバイアス磁
気感度又はドリフト磁気感度とも言われ、光ファイバル
ープを伝播する光に作用する磁気光学ファラデー効果に
起因する。An error of the optical fiber gyro includes an error caused by a surrounding magnetic field such as geomagnetism. This is also called bias magnetic sensitivity or drift magnetic sensitivity, and is caused by a magneto-optical Faraday effect acting on light propagating through the optical fiber loop.
【００１５】図６を参照して磁気光学ファラデー効果を
説明する。図示のように、磁気光学ファラデー効果は、
磁界によって直線偏光の偏波面が回転する現象をいう。
偏波面の回転角ζ及び単位光路長当りの回転角即ちファ
ラデー回転角ζ0 は、次の式によって表される。The magneto-optical Faraday effect will be described with reference to FIG. As shown, the magneto-optical Faraday effect is
A phenomenon in which the plane of polarization of linearly polarized light is rotated by a magnetic field.
The rotation angle ζ of the polarization plane and the rotation angle per unit optical path length, that is, the Faraday rotation angle ζ 0 are represented by the following equations.
【００１６】[0016]
【数３】ζ＝ＶＨＬ ζ0 ＝ζ／Ｌ＝ＶＨΖ = VHL ζ 0 = ζ / L = VH
【００１７】Ｖはベルデ定数、Ｈは光軸方向の磁界の強
さ、Ｌは光路長である。図６の出射側の円内の実線の矢
印は入射光の偏波面の方向を示し、破線の矢印は出射光
の偏波面の方向を示す。偏波面の回転方向は図示のよう
に、磁界Ｈの方向とは無関係に、右ねじが光の伝播方向
に進むときの右ねじの回転方向に一致する。V is the Verdet constant, H is the strength of the magnetic field in the direction of the optical axis, and L is the optical path length. The solid arrow in the circle on the emission side in FIG. 6 indicates the direction of the plane of polarization of the incident light, and the broken arrow indicates the direction of the plane of polarization of the emitted light. As shown, the rotation direction of the polarization plane coincides with the rotation direction of the right-hand screw when the right-hand screw advances in the light propagation direction, regardless of the direction of the magnetic field H.
【００１８】図７を参照して光ファイバループに作用す
る磁界の影響について説明する。図示のように光ファイ
バループの中心軸線をＺ軸、それに垂直にＸ軸及びＹ軸
をとる。磁気光学ファラデー効果は上述のように、光軸
方向の磁界の強さに比例する。従って光ファイバループ
を伝播する光に生ずる磁気光学ファラデー効果は、光フ
ァイバループの中心軸線方向の磁界よりも光ファイバル
ープの接線方向の磁界に起因する。即ち、光ファイバル
ープを伝播する光に作用する磁気光学ファラデー効果
は、Ｚ軸方向の磁界よりもＸ軸及びＹ軸方向の磁界ＨX
、ＨY に起因する。The effect of the magnetic field acting on the optical fiber loop will be described with reference to FIG. As shown, the center axis of the optical fiber loop is the Z axis, and the X axis and the Y axis are perpendicular to it. As described above, the magneto-optical Faraday effect is proportional to the strength of the magnetic field in the direction of the optical axis. Therefore, the magneto-optical Faraday effect that occurs in light propagating through the optical fiber loop is caused by a magnetic field in the tangential direction of the optical fiber loop rather than in the central axis direction of the optical fiber loop. That is, the magneto-optical Faraday effect acting on the light propagating through the optical fiber loop is higher in the magnetic field HX in the X-axis and Y-axis directions than in the Z-axis direction.
, HY.
【００１９】光ファイバループがＸ軸及びＹ軸方向の磁
界の中に置かれると、磁気光学ファラデー効果によっ
て、光ファイバループを伝播する直線偏光の偏波面が回
転する。それによって光ファイバループを互いに反対方
向に伝播する光の間の相反性が崩れ、前記光の間に位相
差が生じる。この位相差がバイアス磁気感度である。When the optical fiber loop is placed in a magnetic field in the X-axis and Y-axis directions, the plane of polarization of linearly polarized light propagating through the optical fiber loop rotates due to the magneto-optical Faraday effect. This breaks the reciprocity between the lights propagating in opposite directions in the optical fiber loop, creating a phase difference between the lights. This phase difference is the bias magnetic sensitivity.
【００２０】磁気光学ファラデー効果によって位相差が
生ずるのは、光ファイバループに捩れが存在するためで
あることが知られている。捩れが一様であれば、光ファ
イバループを右周りに伝播する光に生ずる位相差と光フ
ァイバループを左周りに伝播する光に生ずる位相差は大
きさが同じで極性が反対となり、互いに相殺される。し
かしながら、捩れが２πＲの周期で変化している成分が
ある場合には、その部分にて生じた位相差はその部分と
直径方向反対側の部分によって生じる位相差の極性と同
一となり、バイアス磁気感度が生ずる。It is known that the phase difference is caused by the magneto-optical Faraday effect because the optical fiber loop is twisted. If the twist is uniform, the phase difference generated in the light propagating clockwise in the optical fiber loop and the phase difference generated in the light propagating counterclockwise in the optical fiber loop have the same magnitude and opposite polarities, canceling each other. Is done. However, when there is a component in which the torsion changes at a period of 2πR, the phase difference generated in that portion becomes the same as the polarity of the phase difference generated by that portion and the portion on the opposite side in the diameter direction, and the bias magnetic sensitivity Occurs.
【００２１】図８を参照して偏波面保持（複屈折）光フ
ァイバループに捩れが存在する場合の位相差について説
明する。外部磁界に起因して、光ファイバループを互い
に反対方向に伝播する光の間に生ずる位相差Δψｔは次
の式によって表される。Referring to FIG. 8, the phase difference when the polarization maintaining (birefringent) optical fiber loop has a twist will be described. The phase difference Δψt generated between light beams propagating in opposite directions through the optical fiber loop due to the external magnetic field is expressed by the following equation.
【００２２】[0022]
【数４】Δψｔ＝（４ζ0 Ｒ／Δβ）・∫ψｔ（θ）ｓ
ｉｎ（θ−θ0 ）ｄθΔ４t = (4ζ 0 R / Δβ) · ∫ψt (θ) s
in (θ−θ 0 ) dθ
【００２３】ζ0 は数３の式に示すようにファラデー回
転角（＝ＶＨ）、Ｒは光ファイバループのループ半径、
Δβは偏波面保持（複屈折）光ファイバの複屈折率、θ
0 は外部磁界の方位角、θは光ファイバループ上の点Ｐ
の方位角である。ψｔ（θ）は光ファイバループ上の点
Ｐにおける周期が２πＲモードの捩れ率である。数４の
式の右辺の積分は変数θ＝０〜２πｍ（ｍは光ファイバ
ループの巻き数）について行う。Ζ 0 is the Faraday rotation angle (= VH) as shown in equation 3, R is the loop radius of the optical fiber loop,
Δβ is the birefringence of the polarization-maintaining (birefringent) optical fiber, θ
0 is the azimuth of the external magnetic field, θ is the point P on the optical fiber loop
Azimuth angle. ψt (θ) is the torsional rate of the 2πR mode at the point P on the optical fiber loop. The integration on the right side of Expression 4 is performed for variables θ = 0 to 2πm (m is the number of turns of the optical fiber loop).
【００２４】図９を参照して説明する。図９に従来の光
ファイバジャイロのバイアス磁気感度の測定結果を示
す。測定は、光ファイバジャイロの入力軸が鉛直方向に
なるように設定されて、行われた。横軸は時間である
が、最初の２時間は外部磁界として地磁気（約０．５ガ
ウス）、次の２時間は外部磁界として３ガウスの磁界、
次の２時間は外部磁界として６ガウスの磁界、最後の２
時間は外部磁界として再度地磁気を印加したことを示
す。A description will be given with reference to FIG. FIG. 9 shows the measurement results of the bias magnetic sensitivity of the conventional optical fiber gyro. The measurement was performed with the input axis of the optical fiber gyro set to be vertical. The horizontal axis is time, the first two hours are geomagnetic (about 0.5 gauss) as an external magnetic field, the next two hours are 3 gauss as an external magnetic field,
For the next 2 hours, an external magnetic field of 6 gauss, the last 2
The time indicates that geomagnetism was applied again as an external magnetic field.
【００２５】最初と最後の２時間の測定結果より、地磁
気の影響を無視した場合、北緯３７度付近の地球の自転
角速度は約−９（°／時間）である。バイアス磁気感度
は地球の自転角速度に対する偏差である。３ガウス及び
６ガウスのＸ方向の磁界ＨXを印加すると、バイアス磁
気感度は約＋０．８及び＋１．５（°／時間）となる。
３ガウス及び６ガウスのＹ方向の磁界ＨY を印加する
と、バイアス磁気感度は約−０．５及び−０．８（°／
時間）となる。From the results of the first and last two hours, if the influence of geomagnetism is neglected, the rotation angular velocity of the earth around 37 degrees north latitude is about -9 (° / hour). Bias magnetic sensitivity is the deviation from the Earth's rotation angular velocity. When a magnetic field HX in the X direction of 3 Gauss and 6 Gauss is applied, the bias magnetic sensitivity is about +0.8 and +1.5 (° / hour).
When a magnetic field HY in the Y direction of 3 Gauss and 6 Gauss is applied, the bias magnetic sensitivity is about -0.5 and -0.8 (° /
Time).
【００２６】[0026]
【発明が解決しようとする課題】光ファイバジャイロに
おけるバイアス磁気感度の除去方法及び装置の従来例と
して例えば特願平６−１３９１３及び特願平７−２１４
４３９に記載されたものがある。特願平６−１３９１３
に記載された例では、光ファイバループに光ファイバよ
りなる補償器を接続し、光ファイバループの捩れに起因
する位相差を相殺するように、この補償器の光ファイバ
を捩じる。また特願平７−２１４４３９に記載された例
では、光ファイバループの捩れに起因する位相差を相殺
するように、光ファイバループの端部を捩じる。As a conventional example of a method and an apparatus for removing bias magnetic sensitivity in an optical fiber gyro, for example, Japanese Patent Application Nos. Hei 6-13913 and Hei 7-214.
439. Japanese Patent Application No. 6-13913
In the example described in (1), a compensator made of an optical fiber is connected to the optical fiber loop, and the optical fiber of the compensator is twisted so as to cancel the phase difference caused by the twist of the optical fiber loop. Further, in the example described in Japanese Patent Application No. 7-214439, the end of the optical fiber loop is twisted so as to cancel the phase difference caused by the twist of the optical fiber loop.
【００２７】しかしながら、従来の装置及び方法では、
３次元の外部磁界に起因する位相差を完全に相殺するの
は困難であった。また、補償器の光ファイバや光ファイ
バループの光ファイバ端を捩じることによって位相差を
相殺するため、その調節が困難である。However, in the conventional apparatus and method,
It has been difficult to completely cancel the phase difference caused by the three-dimensional external magnetic field. Further, since the phase difference is canceled by twisting the optical fiber of the compensator or the optical fiber end of the optical fiber loop, the adjustment is difficult.
【００２８】更に、従来の装置及び方法では、光ファイ
バジャイロの製造時にバイアス磁気感度がゼロであって
も、光ファイバループの捩れが経時的に変化した場合
に、位相差が生ずる。Further, in the conventional apparatus and method, even if the bias magnetic sensitivity is zero at the time of manufacturing the optical fiber gyro, a phase difference occurs when the twist of the optical fiber loop changes over time.
【００２９】従って本発明の目的は、簡単に構成によっ
て正確に外部磁界に対するバイアス磁気感度を除去する
ことを目的とする。Accordingly, it is an object of the present invention to remove bias magnetic sensitivity to an external magnetic field accurately by a simple configuration.
【００３０】本発明の目的は、光ファイバループの捩れ
が経時的に変化しても、バイアス磁気感度を除去するこ
とができることである。An object of the present invention is to eliminate bias magnetic sensitivity even when the twist of an optical fiber loop changes with time.
【００３１】[0031]
【課題を解決するための手段】本発明によると、光源
と、コイル状に巻かれた偏波面保持光ファイバよりなる
光ファイバループと、上記光源からの光を上記光ファイ
バループを右回りに伝播する右回り光と左回りに伝播す
る左回り光に分配し上記光ファイバループを伝播した右
回り光と左回り光を結合して干渉光を生成する光分波結
合器と、を有し、上記光源と上記光ファイバループの間
の光路を伝播する光を直線偏光に変換する偏光子機能を
備えた光ファイバジャイロにおいて、上記光分波結合器
の２本の光路と上記光ファイバループの両端の各々は、
一方の主軸が他方の主軸に対して４５度傾斜するよう
に、接続されている。According to the present invention, a light source, an optical fiber loop comprising a polarization maintaining optical fiber wound in a coil shape, and light from the light source propagating clockwise through the optical fiber loop. An optical demultiplexer that splits clockwise light and counterclockwise light that propagates counterclockwise and couples clockwise light and counterclockwise light that have propagated through the optical fiber loop to generate interference light, In an optical fiber gyro having a polarizer function of converting light propagating in an optical path between the light source and the optical fiber loop into linearly polarized light, two optical paths of the optical demultiplexer and both ends of the optical fiber loop Each of the
It is connected such that one main shaft is inclined at 45 degrees with respect to the other main shaft.
【００３２】光ファイバループを右周りに伝播する光及
び左周りに伝播する光はそれぞれ主軸を伝播する光と副
軸を伝播する光の２つに分かれる。主軸を伝播する光と
副軸を伝播する光は非干渉性であり、干渉光を生成しな
い。主軸を伝播する右回り光及び左周り光によって構成
されるセンシングループを第１のローカルジャイロと称
し、副軸を伝播する右回り光及び左周り光によって構成
されるセンシングループを第２のローカルジャイロと称
する。Light propagating clockwise and counterclockwise propagating through the optical fiber loop is divided into two lights, one propagating along the main axis and the other propagating along the sub-axis. The light propagating along the main axis and the light propagating along the sub-axis are incoherent and do not generate interfering light. A sensing loop formed by clockwise light and left-handed light propagating on the main axis is referred to as a first local gyro, and a sensing loop formed by clockwise light and left-handed light propagating on the sub-axis is expressed by a second local gyro. Called.
【００３３】光ファイバジャイロの出力は、第１のロー
カルジャイロの出力と第２のローカルジャイロの出力の
和である。本例では、光分波結合器の２本の光路と光フ
ァイバループの接続部にて主軸が互いに４５度傾斜して
接続されているから、第１のローカルジャイロの出力と
第２のローカルジャイロの出力は互いに等しい。第１の
ローカルジャイロのバイアス磁気感度と第２のローカル
ジャイロのバイアス磁気感度は大きさが等しく極性が反
対であるから、互いにキャンセルする。従って光ファイ
バジャイロの出力にバイアス磁気感度が生ずることはな
い。The output of the optical fiber gyro is the sum of the output of the first local gyro and the output of the second local gyro. In this example, the main axes are connected to each other at an angle of 45 degrees at the connection between the two optical paths of the optical demultiplexing coupler and the optical fiber loop. Are equal to each other. The bias magnetic sensitivities of the first local gyro and the second local gyro have the same magnitude and opposite polarities, and therefore cancel each other. Therefore, no bias magnetic sensitivity occurs in the output of the optical fiber gyro.
【００３４】更に本発明によると、上記光分波結合器は
光導波路によって構成された光集積回路のＹ分岐であ
る。上記偏光子機能は上記光集積回路の偏光子機能であ
る。Further, according to the present invention, the optical demultiplexing coupler is a Y-branch of an optical integrated circuit constituted by an optical waveguide. The polarizer function is a polarizer function of the optical integrated circuit.
【００３５】[0035]
【発明の実施の態様】図１を参照して本発明の光ファイ
バジャイロの例を説明する。本例の光ファイバジャイロ
はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、半導
体レーザ、発光ダイオード等の光源１０１と入射光を電
流に変換する受光器１０２と1 本の光ファイバを複数回
巻いて形成された光ファイバループ１０３と偏光子１０
４と光ファイバを伝播する光を合成し又は分岐するカプ
ラ１０５とＹ分岐導波路１０６Ａを有する光集積回路１
０６とを有する。光ファイバループ１０３は偏波面保持
（複屈折）光ファイバよりなる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An example of an optical fiber gyro according to the present invention will be described with reference to FIG. The optical fiber gyro of this embodiment is formed by winding a light source 101 such as a super luminescent diode (SLD), a semiconductor laser, a light emitting diode, etc., a light receiving device 102 for converting incident light into a current, and one optical fiber a plurality of times. Optical fiber loop 103 and polarizer 10
Integrated circuit 1 having coupler 105 and Y-branch waveguide 106A for combining or branching light propagating through optical fiber 4 and optical fiber
06. The optical fiber loop 103 is made of a polarization maintaining (birefringent) optical fiber.
【００３６】本例の光ファイバジャイロは図５に示した
従来の光ファイバジャイロと比較して、光集積回路１０
６からの２本の光ファイバ端１０６Ａ、１０６Ｂと光フ
ァイバループ１０３からの２本の光ファイバ端１０３
Ａ、１０３Ｂとの接続部Ａ、Ｂの構成が異なり、それ以
外の構成は同様であってよい。The optical fiber gyro of this embodiment is different from the conventional optical fiber gyro shown in FIG.
6, two optical fiber ends 106A, 106B and two optical fiber ends 103 from the optical fiber loop 103.
The configuration of the connection parts A and B with A and 103B is different, and the other configuration may be the same.
【００３７】図２を参照して接続部Ａ、Ｂを説明する。
図２には光集積回路１０６の２本の光ファイバ端１０６
Ａ、１０６Ｂの一方１０６Ａと光ファイバループ１０３
の２本の光ファイバ端１０３Ａ、１０３Ｂの一方１０３
Ａの接続部Ａを示す。他方の接続部Ｂの構造は同様であ
り、その説明は省略する。図示のように、光集積回路１
０６の光ファイバ端１０６Ａの主軸と光ファイバループ
１０３の光ファイバ端１０３Ａの主軸は互いに他に対し
て所定の角度αだけ傾斜している。この傾斜角αは約４
５度であってよい。The connection parts A and B will be described with reference to FIG.
FIG. 2 shows two optical fiber ends 106 of the optical integrated circuit 106.
A and 106B and the optical fiber loop 103
One of the two optical fiber ends 103A, 103B
A connection part A of A is shown. The structure of the other connecting portion B is the same, and the description is omitted. As shown, the optical integrated circuit 1
The main axis of the optical fiber end 106A of the optical fiber 06 and the main axis of the optical fiber end 103A of the optical fiber loop 103 are inclined with respect to each other by a predetermined angle α. This inclination angle α is about 4
It may be 5 degrees.
【００３８】光ファイバループを構成する偏波面保持
（複屈折）光ファイバは光軸方向の軸線に関して非軸対
称な構造を有し、その断面は互いに直交する２つの主軸
を有する。この２つの主軸では屈折率分布が異なり、従
って、光の伝播定数が異なる。ここでは、光の伝播定数
が大きい軸をＦＡＳＴ軸又は主軸と称し伝播定数が小さ
い軸をＳＬＯＷ軸又は副軸と称することとする。偏波面
保持（複屈折）光ファイバでは、主軸と副軸とでは、光
の伝播定数の差が大きく、両者を伝播する２つの光モー
ドの間にモード結合が生じない。即ち、入射端において
光ファイバの固有の偏波方向に一致する直線偏光を入射
させると出射端までその偏波状態が保持される。The polarization-maintaining (birefringent) optical fiber constituting the optical fiber loop has a structure that is non-axially symmetric with respect to the axis in the optical axis direction, and its cross section has two main axes orthogonal to each other. The two principal axes have different refractive index distributions, and therefore have different light propagation constants. Here, an axis having a large propagation constant of light is called a FAST axis or a main axis, and an axis having a small propagation constant is called an SLOW axis or a sub-axis. In a polarization-maintaining (birefringent) optical fiber, the difference in the propagation constant of light between the main axis and the sub-axis is large, and no mode coupling occurs between the two optical modes propagating in both. That is, when linearly polarized light that coincides with the unique polarization direction of the optical fiber is incident on the input end, the polarization state is maintained up to the output end.
【００３９】再び図１を参照する。接続部Ａ、Ｂを経由
した２つの光はそれぞれ主軸を伝播する光と副軸を伝播
する光の２つに分かれる。主軸を伝播する光と副軸を伝
播する光は非干渉性であり、干渉光を生成しない。主軸
を伝播する右回り光及び左周り光によって構成されるセ
ンシングループを第１のローカルジャイロと称し、副軸
を伝播する右回り光及び左周り光によって構成されるセ
ンシングループを第２のローカルジャイロと称する。Referring again to FIG. The two lights passing through the connecting portions A and B are divided into two lights, one propagating along the main axis and the other propagating along the sub-axis. The light propagating along the main axis and the light propagating along the sub-axis are incoherent and do not generate interfering light. A sensing loop formed by clockwise light and left-handed light propagating on the main axis is referred to as a first local gyro, and a sensing loop formed by clockwise light and left-handed light propagating on the sub-axis is expressed by a second local gyro. Called.
【００４０】光ファイバジャイロの出力は、第１のロー
カルジャイロの出力と第２のローカルジャイロの出力の
和である。本例では、接続部Ａ、Ｂにて主軸及び副軸が
互いに４５度傾斜して接続されているから、第１のロー
カルジャイロの出力と第２のローカルジャイロの出力は
互いに等しい。第１のローカルジャイロと第２のローカ
ルジャイロでは、バイアス磁気感度、即ち、外部磁界に
起因する位相差の大きさが等しく極性が反対である。従
って両者は互いにキャンセルする。従って光ファイバジ
ャイロの出力にバイアス磁気感度が生ずることはない。The output of the optical fiber gyro is the sum of the output of the first local gyro and the output of the second local gyro. In this example, since the main axis and the sub-axis are connected to each other at the connection portions A and B at an angle of 45 degrees, the output of the first local gyro and the output of the second local gyro are equal to each other. In the first local gyro and the second local gyro, the bias magnetic sensitivity, that is, the magnitude of the phase difference due to the external magnetic field is equal and the polarities are opposite. Therefore, they cancel each other. Therefore, no bias magnetic sensitivity occurs in the output of the optical fiber gyro.
【００４１】図３を参照して２つのローカルジャイロ間
のバイアス磁気感度について詳細に説明する。図３Ａ及
び図３Ｂは同一の偏波面保持（複屈折）光ファイバを同
一方向に伝播する２つの直線偏光の偏波面を示す。図３
Ａは、第１のローカルジャイロの偏波面（矢印が付され
た軸）が偏波面保持（複屈折）光ファイバの主軸（Ｆ
軸）に一致した状態を示し、図３Ｂは、第２のローカル
ジャイロの偏波面（矢印が付された軸）が偏波面保持
（複屈折）光ファイバの副軸（Ｓ軸）に一致した状態を
示す。主軸（Ｆ軸）と副軸（Ｓ軸）は９０度異なるた
め、２つの直線偏光の偏光面は互いに９０度異なる。The bias magnetic sensitivity between the two local gyros will be described in detail with reference to FIG. 3A and 3B show two linearly polarized planes of polarization propagating in the same direction through the same polarization-maintaining (birefringent) optical fiber. FIG.
A indicates that the polarization plane (the axis with an arrow) of the first local gyro is the main axis (F) of the polarization-maintaining (birefringent) optical fiber.
FIG. 3B shows a state in which the polarization plane (the axis with an arrow) of the second local gyro coincides with the sub-axis (S-axis) of the polarization-maintaining (birefringent) optical fiber. Is shown. Since the main axis (F axis) and the sub axis (S axis) differ by 90 degrees, the polarization planes of the two linearly polarized lights differ from each other by 90 degrees.
【００４２】捩じり誘起の主軸（ｔ−Ｆ軸）及び副軸
（ｔ−Ｓ軸）は偏波面保持（複屈折）光ファイバの主軸
（Ｆ軸）及び副軸（Ｓ軸）に対して、それぞれ所定の捩
じり角βＡ及びβＢだけ光軸周りに回転している。しか
しながら、２つの捩じり角は互いに等しいため、捩じり
誘起の主軸（ｔ−Ｆ軸）と副軸（ｔ−Ｓ軸）は互いに９
０度異なる。The principal axis (t-F axis) and sub-axis (t-S axis) induced by torsion are relative to the main axis (F-axis) and sub-axis (S-axis) of the polarization maintaining (birefringent) optical fiber. Are rotated around the optical axis by predetermined twist angles βA and βB, respectively. However, since the two torsion angles are equal to each other, the main axis (t-F axis) and the sub-axis (t-S axis) induced by the torsion are 9 degrees from each other.
0 degrees different.
【００４３】主軸と副軸における実効複屈折軸の変動の
態様は同一であるが、実効複屈折率の増減の極性のみが
反転している。光ファイバループの主軸を伝播する右回
り光と左周り光の間の生ずる位相差誤差は数４の式のΔ
ψｔによって表されるとすると、光ファイバループの副
軸を伝播する右回り光と左周り光の間の生ずる位相差誤
差は、数４の式のΔβの符号が反対となるため、−Δψ
ｔとなる。即ち２つのローカルジャイロの位相差誤差
は、互いに符号が反対で絶対値が等しい。従って、干渉
光では位相差誤差は相殺される。The mode of change of the effective birefringence axis in the main axis and the sub-axis is the same, but only the polarity of increase / decrease of the effective birefringence is inverted. The phase difference error between right-handed and left-handed light propagating along the main axis of the optical fiber loop is ΔΔ
If represented by ψt, the phase difference error that occurs between right-handed and left-handed light propagating along the minor axis of the optical fiber loop is -Δψ because the sign of Δβ in equation (4) is opposite.
t. That is, the phase difference errors of the two local gyros have opposite signs and the same absolute value. Therefore, the phase difference error is canceled by the interference light.
【００４４】本例では偏波面保持（複屈折）光ファイバ
からなる光ファイバループに２πＲ周期の捩れが存在し
ても、外部磁界に起因する位相差は現れない。In this embodiment, even if the optical fiber loop composed of the polarization maintaining (birefringent) optical fiber has a twist of 2πR, no phase difference due to the external magnetic field appears.
【００４５】上述の議論では、主軸の光伝播損失と副軸
の光伝播損失が同一であることを前提としている。しか
しながら、実際の光ファイバループでは、主軸の光伝播
損失と副軸の光伝播損失は同一ではない。しかしなが
ら、主軸と副軸の光伝播損失の差は測定可能である。主
軸の光伝播損失と副軸の光伝播損失を予め測定し、両者
の比の値より、接続部Ａ、Ｂにおける主軸の傾斜角αを
決めることができる。In the above discussion, it is assumed that the light propagation loss of the main axis is the same as the light propagation loss of the sub-axis. However, in an actual optical fiber loop, the light propagation loss of the main axis and the light propagation loss of the sub-axis are not the same. However, the difference in light propagation loss between the major axis and minor axis can be measured. The light propagation loss of the main shaft and the light propagation loss of the sub shaft are measured in advance, and the inclination angle α of the main shaft at the connection portions A and B can be determined from the ratio between the two.
【００４６】[0046]
【数５】√（ＦＬ／ＳＬ）＝ｔａｎα５ (FL / SL) = tanα
【００４７】ここに、ＦＬ及びＳＬはそれぞれ主軸及び
副軸の光伝播損失である。αは接続部Ａ、Ｂにおける主
軸の傾斜角である。Here, FL and SL are light propagation losses on the main axis and the sub axis, respectively. α is the inclination angle of the main shaft at the connection points A and B.
【００４８】図４に本発明の光ファイバジャイロのバイ
アス磁気感度の変化の例を示す。測定方法は図９の場合
と同様である。即ち、測定は、光ファイバジャイロの入
力軸が鉛直方向になるように設定されて、行われた。横
軸は時間であるが、最初の２時間は外部磁界として地磁
気、次の２時間は外部磁界として３ガウスの磁界、次の
２時間は外部磁界として６ガウスの磁界、最後の２時間
は外部磁界として再度地磁気を印加したことを示す。FIG. 4 shows an example of a change in the bias magnetic sensitivity of the optical fiber gyro of the present invention. The measuring method is the same as in FIG. That is, the measurement was performed with the input axis of the optical fiber gyro set to be vertical. The horizontal axis is time, the first two hours are geomagnetic as an external magnetic field, the next two hours are a magnetic field of 3 Gauss as an external magnetic field, the next two hours are a magnetic field of 6 Gauss as an external magnetic field, and the last two hours are external. This indicates that geomagnetism was applied again as a magnetic field.
【００４９】図４Ａに示す本発明の光ファイバジャイロ
のバイアス磁気感度の測定結果を説明する。最初及び最
後の２時間の測定結果より、地磁気の影響を無視した場
合、北緯３７度付近の地球の自転角速度は約−８．９１
（°／時間）である。バイアス磁気感度は地球の自転角
速度に対する偏差である。３ガウス及び６ガウスのＸ方
向の磁界ＨX を印加すると、バイアス磁気感度はそれぞ
れ約−０．１及び−０．１７（°／時間）となる。The measurement result of the bias magnetic sensitivity of the optical fiber gyro of the present invention shown in FIG. 4A will be described. From the results of the first and last two hours, if the influence of geomagnetism is ignored, the Earth's rotation angular velocity around 37 degrees north latitude is about -8.91.
(° / hour). Bias magnetic sensitivity is the deviation from the Earth's rotation angular velocity. When a magnetic field HX in the X direction of 3 Gauss and 6 Gauss is applied, the bias magnetic sensitivity is about -0.1 and -0.17 (° / hour), respectively.
【００５０】図４Ｂに示す本発明の光ファイバジャイロ
のバイアス磁気感度の測定結果を説明する。最初及び最
後の２時間の測定結果より、地磁気の影響を無視した場
合、北緯３７度付近の地球の自転角速度は約−８．９０
５（°／時間）である。３ガウス及び６ガウスのＹ方向
の磁界ＨY を印加すると、バイアス磁気感度はそれぞれ
約＋０．００２及び＋０．００５（°／時間）となる。The measurement result of the bias magnetic sensitivity of the optical fiber gyro of the present invention shown in FIG. 4B will be described. From the results of the first and last two hours, if the influence of geomagnetism is ignored, the rotation angular velocity of the earth around 37 degrees north latitude is about -8.90.
5 (° / hour). When a magnetic field HY in the Y direction of 3 Gauss and 6 Gauss is applied, the bias magnetic sensitivity is about +0.002 and +0.005 (° / hour), respectively.
【００５１】本発明の光ファイバジャイロのバイアス磁
気感度の測定結果を図９に示した従来の光ファイバジャ
イロのバイアス磁気感度の測定結果と比較して説明す
る。図９Ａと図４Ａを比較すると明らかなように、３ガ
ウス及び６ガウスのＸ方向の磁界ＨX を光ファイバルー
プに印加した場合、本発明では、従来例に比べて、バイ
アス磁気感度が１／７〜１／８に減少している。図９Ｂ
と図４Ｂを比較すると明らかなように、３ガウス及び６
ガウスのＹ方向の磁界ＨY を光ファイバループに印加し
た場合、本発明では、従来例に比べて、バイアス磁気感
度が１／１６０〜１／２５０に減少している。即ち、本
例の光ファイバジャイロでは従来の光ファイバジャイロ
に比べてバイアス磁気感度が著しく減少する。The measurement result of the bias magnetic sensitivity of the optical fiber gyro of the present invention will be described in comparison with the measurement result of the bias magnetic sensitivity of the conventional optical fiber gyro shown in FIG. 9A and FIG. 4A, when the magnetic field HX in the X direction of 3 Gauss and 6 Gauss is applied to the optical fiber loop, the bias magnetic sensitivity of the present invention is 1/7 that of the conventional example. It has been reduced to １ ／. FIG. 9B
4B and 3 Gauss and 6
When a Gaussian magnetic field HY in the Y direction is applied to the optical fiber loop, in the present invention, the bias magnetic sensitivity is reduced to 1/160 to 1/250 as compared with the conventional example. That is, the bias magnetic sensitivity of the optical fiber gyro of this embodiment is significantly reduced as compared with the conventional optical fiber gyro.
【００５２】以上本発明の例について説明したが、本発
明は上述の例に限定されることなく、特許請求の範囲に
記載された発明の範囲にて様々な変形、修正等が可能で
あることは当業者にとって理解されよう。Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and corrections can be made within the scope of the invention described in the appended claims. Will be understood by those skilled in the art.
【００５３】[0053]
【発明の効果】本発明によると、簡単な構成によって光
ファイバジャイロにおけるバイアス磁気感度を除去する
ことができる利点がある。According to the present invention, there is an advantage that the bias magnetic sensitivity in the optical fiber gyro can be eliminated with a simple structure.
【００５４】本発明によると、偏波面保持（複屈折）光
ファイバに誘起される捩れ複屈折率の対称性を利用する
ため、原理的には磁気バイアス感度を完全に除去するこ
とができる利点がある。According to the present invention, the symmetry of the torsional birefringence induced in the polarization-maintaining (birefringent) optical fiber is used, so that in principle, the magnetic bias sensitivity can be completely eliminated. is there.
【図１】本発明の光ファイバジャイロの例を説明するた
めの説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining an example of an optical fiber gyro according to the present invention.
【図２】本発明の光ファイバジャイロの主要部を説明す
るための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a main part of the optical fiber gyro of the present invention.
【図３】本発明の光ファイバジャイロにおけるバイアス
磁気感度を説明するための説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a bias magnetic sensitivity in the optical fiber gyro of the present invention.
【図４】本発明の光ファイバジャイロのバイアス磁気感
度の測定結果を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for describing a measurement result of a bias magnetic sensitivity of the optical fiber gyro of the present invention.
【図５】従来の光ファイバジャイロの例を説明するため
の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an example of a conventional optical fiber gyro.
【図６】磁気光学ファラデー効果を説明するための説明
図である。FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a magneto-optical Faraday effect.
【図７】光ファイバループに作用する周囲の磁界の影響
を説明するための説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the influence of a surrounding magnetic field acting on the optical fiber loop.
【図８】従来の光ファイバジャイロのバイアス磁気感度
を説明するための説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining bias magnetic sensitivity of a conventional optical fiber gyro.
【図９】従来の光ファイバジャイロのバイアス磁気感度
の測定結果を説明するための説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram for describing a measurement result of a bias magnetic sensitivity of a conventional optical fiber gyro.
１０１・・・ 光源、 １０２・・・ 受光器、 １０３・・・ 光
ファイバループ、 １０４・・・ 偏光子、 １０５・・・ カ
プラ、 １０６・・・ 光集積回路、 １０７・・・電流電圧
変換器、 １０９・・・ 信号発生器、 １１０・・・ 同期検
波器、DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Light source 102 ... Light receiver 103 ... Optical fiber loop 104 ... Polarizer 105 ... Coupler 106 ... Optical integrated circuit 107 ... Current-voltage converter , 109 ... signal generator, 110 ... synchronous detector,
Claims (3)
ファイバよりなる光ファイバループと、上記光源からの
光を上記光ファイバループを右回りに伝播する右回り光
と左回りに伝播する左回り光に分配し上記光ファイバル
ープを伝播した右回り光と左回り光を結合して干渉光を
生成する光分波結合器と、を有し、上記光源と上記光フ
ァイバループの間の光路を伝播する光を直線偏光に変換
する偏光子機能を備えた光ファイバジャイロにおいて、
上記光分波結合器の２本の光路と上記光ファイバループ
の両端の各々は、一方の主軸が他方の主軸に対して４５
度傾斜するように、接続されていることを特徴とする光
ファイバジャイロ。1. An optical fiber loop comprising a light source, a polarization maintaining optical fiber wound in a coil shape, and clockwise light and counterclockwise light propagating light from the light source clockwise through the optical fiber loop. A light demultiplexing coupler that generates interference light by combining clockwise light and counterclockwise light that are distributed to counterclockwise light and propagated through the optical fiber loop, between the light source and the optical fiber loop. In an optical fiber gyro having a polarizer function of converting light propagating in the optical path into linearly polarized light,
Each of the two optical paths of the optical demultiplexer and both ends of the optical fiber loop has one main axis at 45 degrees with respect to the other main axis.
An optical fiber gyro, which is connected so as to be inclined at an angle.
された光集積回路のＹ分岐であることを特徴とする請求
項１記載の光ファイバジャイロ。2. An optical fiber gyro according to claim 1, wherein said optical demultiplexing coupler is a Y branch of an optical integrated circuit constituted by an optical waveguide.
機能であることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ
ジャイロ。3. The optical fiber gyro according to claim 2, wherein the polarizer function is a polarizer function of the optical integrated circuit.
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