JP2005172651A - Optical gyroscope - Google Patents

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Masaya Suzuki
賢哉 鈴木
Koichi Takiguchi
浩一 瀧口
Yoshinori Hibino
善典 日比野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an optical gyroscope allowing for detection of gyration and its direction without the use of members by special design. <P>SOLUTION: A polarizing prism 3 separates low coherence light generated in a broadband luminous source 7 into p-polarized light and s-polarized light. After the p-polarized light propagated clockwise while the s-polarized light propagates counterclockwise in a sensing loop 4, both the lights multiplex again in the sensing loop 4 and the multiplexed light wave is injected into a photodetector 8 via transmitting through a polarizer 6. The sensing loop 4 has birefringence with π/2 of phase difference between the both polarized lights between the terminals of 4a and 4b, and the polarizer 6 is arranged such as its transmission axis has a angle of 45° to the plane of a substrate 1. The electric signals corresponding with intensity of the light wave received in the photodetector 8 can function as an optical gyroscope because of its variation responding to gyration of the whole system. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、移動体の自律航法を可能とする光ジャイロにかかるものである。   The present invention relates to an optical gyro that enables autonomous navigation of a moving body.

近年の自動制御の急速な進展にともない、移動体の制御精度に関する要求は年々大きなものとなっている。自律航法技術は、グローバルポジショニングシステム(Global Positioning System:GPS)と慣性航法(Inertial Navigation System:INS)に分けられる。従来、航空機や船舶の航法にはGPSとINSを併用したシステムが適用されていたが、民生用途のシステム、たとえばカーナビゲーションなどには、おもにGPSのみのシステムが適用されていた。これは、INSを構成する装置が高価で、その小型化及びメンテナンスが容易ではなかったことに起因する。   With the rapid development of automatic control in recent years, the demand for control accuracy of moving bodies has been increasing year by year. Autonomous navigation technology is divided into a global positioning system (GPS) and an inertial navigation system (INS). Conventionally, a system using both GPS and INS has been applied to navigation of aircraft and ships, but a GPS-only system has been mainly applied to systems for consumer use such as car navigation. This is because the device constituting the INS is expensive, and its downsizing and maintenance are not easy.

INSに不可欠なデバイスのひとつに光ジャイロがある。これは、光の非相反原理のひとつであるサニャック効果を利用した回転角速度センサである。光ジャイロは従来の機械式ジャイロに比べて、小型で、メンテナンスフリーといった利点を有するが、上述の民生用のシステムに導入するには未だ障壁が存在した。すなわち、光ジャイロ実現に必要な光部品自体が高価であり、本質的に低コスト化が困難であったことに起因する。   One of the indispensable devices for INS is an optical gyro. This is a rotational angular velocity sensor that uses the Sagnac effect, which is one of the nonreciprocal principles of light. The optical gyro has advantages such as small size and maintenance-free as compared with the conventional mechanical gyro, but there is still a barrier for introduction into the above-mentioned consumer system. In other words, the optical parts necessary for realizing the optical gyro are expensive, and it is essentially difficult to reduce the cost.

ところが、最近になって光導波路を用いた低コスト化が可能な光ジャイロ(以下導波路型光ジャイロ)が複数の研究機関から提案されるようになった[非特許文献1:P.Mottier and P.Pouteau 「Solid state optical gyrometer integrated on Silicon. ELECTRONICS LETTERS Vol.33 No.23 P.1975〜1977(1997)]。すなわち、通信用に開発され、ファイバトゥザホーム(Fiber to the Home:FTTH)などの民生用途への導入が精力的に進められている光導波路を用いて構成することで、低価格な光ジャイロが実現できる見通しが得られてきた。光導波路の中でも、石英系材料を用いた石英系平面光波回路(sliica Planar Lightwave Circuit:PLC)は経時変化に対する安定性や量産性、光学特性の点において優れ、精力的に研究開発が進められている。   However, recently, an optical gyro using an optical waveguide capable of reducing the cost (hereinafter referred to as a waveguide type optical gyro) has been proposed by a plurality of research institutions [Non-patent Document 1: P. Mottier and P.Pouteau “Solid state optical gyrometer integrated on Silicon. ELECTRONICS LETTERS Vol.33 No.23 P.1975-1977 (1997)]. The prospect of realizing a low-cost optical gyro has been obtained by using an optical waveguide that has been energetically introduced into consumer applications, among which quartz-based materials are used. Quartz-based planar lightwave circuits (PLCs) are excellent in terms of stability over time, mass productivity, and optical characteristics, and are actively researched and developed.

図3は非特許文献1に示される従来の石英系光導波路を用いた導波路型光ジャイロの概略を示す図である。図3のジャイロの動作は以下の通りである。   FIG. 3 is a diagram showing an outline of a waveguide-type optical gyro using the conventional silica-based optical waveguide disclosed in Non-Patent Document 1. The operation of the gyro in FIG. 3 is as follows.

広帯域光源101から出力された低コヒーレンス光は光ファイバ102を介してジャイロ基板103上の入力光導波路104へと入射される。入力光導波路104は3×3光カプラ105へと接続されており、入力された低コヒーレンス光は分岐されてセンシングループ106の両端子106a,106bからセンシングループ106に入力される。センシングループ106を時計、反時計回り、両向きに伝搬した低コヒーレンス光は、再び3×3光カプラ105へと入射する。3×3光カプラ105からの低コヒーレンス光は出力光導波路107及び出力光導波路108を介して光ファイバ109及び光ファイバ110へと伝搬し、最終的に受光器111及び112において電気信号に変換される。   The low coherence light output from the broadband light source 101 enters the input optical waveguide 104 on the gyro substrate 103 via the optical fiber 102. The input optical waveguide 104 is connected to the 3 × 3 optical coupler 105, and the input low-coherence light is branched and input to the sensing loop 106 from both terminals 106 a and 106 b of the sensing loop 106. The low coherence light propagating in the clockwise and counterclockwise directions in the sensing loop 106 enters the 3 × 3 optical coupler 105 again. The low coherence light from the 3 × 3 optical coupler 105 propagates to the optical fiber 109 and the optical fiber 110 via the output optical waveguide 107 and the output optical waveguide 108, and is finally converted into an electrical signal in the light receivers 111 and 112. The

ここで、系全体が回転するとサニャック効果により、センシングループ106を伝搬する低コヒーレンス光には、時計回り、反時計回りで異なる位相変化をうける。系全体の回転角速度をΩとすると、受光器111及び受光器112で受光される光強度の差ΔIは、式(1)であらわされる。ここで、Kは3×3の光カプラ105の特性により決まる定数である。   Here, when the entire system rotates, the low coherence light propagating through the sensing loop 106 is subjected to different phase changes clockwise and counterclockwise due to the Sagnac effect. When the rotational angular velocity of the entire system is Ω, the difference ΔI in the light intensity received by the light receiver 111 and the light receiver 112 is expressed by Expression (1). Here, K is a constant determined by the characteristics of the 3 × 3 optical coupler 105.

Figure 2005172651
Figure 2005172651

図4は、図3に示された従来の構成の光ジャイロにおいて、回転角速度を検出した結果である。センシングループ106のセンシングループ長は80cmであり、センシングループ106の直径は3cmである。−900°/sec から900°/sec まで線形性良く回転検出されていることが分かる。   FIG. 4 shows the result of detecting the rotational angular velocity in the optical gyro having the conventional configuration shown in FIG. The sensing loop 106 has a sensing loop length of 80 cm, and the sensing loop 106 has a diameter of 3 cm. It can be seen that rotation is detected from −900 ° / sec to 900 ° / sec with good linearity.

すなわち、この従来例では通常の干渉方式光ファイバジャイロとは異なり、センシングループ106の入出力に非対称な出力を有する3×3光カプラ105を用いることで、系全体の回転に対する応答をサイン関数とし、回転検出感度の向上及び回転方向の検出を可能としている。   That is, in this conventional example, unlike a normal interference type optical fiber gyro, by using a 3 × 3 optical coupler 105 having an asymmetric output at the input / output of the sensing loop 106, the response to the rotation of the entire system is made a sine function. The rotation detection sensitivity can be improved and the rotation direction can be detected.

P.Mottier and P.Pouteau 「Solid state optical gyrometer integrated on Silicon. ELECTRONICS LETTERS Vol.33 No.23 P.1975〜1977(1997)P.Mottier and P.Pouteau "Solid state optical gyrometer integrated on Silicon. ELECTRONICS LETTERS Vol.33 No.23 P.1975-1977 (1997)

上述のように、従来の導波路型光ジャイロでは、良好な回転角速度検出が出来ている。しかしながら、式(1)から明らかなように、センシング情報をあらわす2つの受光器111,112の受光強度の差ΔIは、3×3光カプラ105の製造誤差によりその感度は変動するうえ、非対称な出力を有する3×3光カプラ105の製造は特殊な設計技術を必要とするためその実現が困難であった。   As described above, the conventional waveguide-type optical gyro is capable of detecting a good rotational angular velocity. However, as is apparent from the equation (1), the difference ΔI between the light receiving intensities of the two light receivers 111 and 112 representing the sensing information varies depending on the manufacturing error of the 3 × 3 optical coupler 105, and the sensitivity is asymmetric. The manufacture of the 3 × 3 optical coupler 105 having an output is difficult to realize because it requires a special design technique.

また、図3に示されるように、従来の方式では受光器を2つ必要とし、部材代の低減が困難であるうえ、2つの受光器の感度補正が必要であった。   Further, as shown in FIG. 3, the conventional method requires two light receivers, and it is difficult to reduce the cost of the members, and sensitivity correction of the two light receivers is necessary.

本発明において開示される光ジャイロの概要を説明すれば以下となる。
すなわち、上記課題を解決する本発明は、入力端子と出力端子と第1の接続端子と第2の接続端子を有しており、前記入力端子から低コヒーレンス光が入力されるとp偏光とs偏光に分離してp偏光とs偏光を個別に第1の接続端子と第2の接続端子から出力すると共に、第1の接続端子と第2の接続端子から個別にs偏光とp偏光が入力されると両偏光を合波し合波した光波を出力端子から出力する偏光プリズムと、
一方の端子が前記偏光プリズムの第1の接続端子に接続され、他方の端子が前記偏光プリズムの第2の接続端子に接続され、一方の端子から他方の端子まで伝搬するp偏光と他方の端子から一方の端子まで伝搬するs偏光との間の位相差がπ/2となる複屈折を有するセンシングループと、
前記偏光プリズムの入力端子に接続されており、低コヒーレンス光を前記偏光プリズムに導入する入力光伝送手段と、
前記偏光プリズムの出力端子に接続されており、偏光プリズムにて合波された光波を導出する出力光伝送手段と、
前記出力光伝送手段の途中に介装されており、この出力光伝送手段により伝搬される光波のp偏光偏波面またはs偏光偏波面に対して、透過軸が45度の角度に設定されつつ配置された偏光子と、
を有することを特徴とする。
The outline of the optical gyro disclosed in the present invention will be described below.
That is, the present invention for solving the above-described problems has an input terminal, an output terminal, a first connection terminal, and a second connection terminal. When low-coherence light is input from the input terminal, p-polarized light and s Separated into polarized light, p-polarized light and s-polarized light are individually output from the first connection terminal and the second connection terminal, and s-polarized light and p-polarized light are individually input from the first connection terminal and the second connection terminal. A polarizing prism that combines the two polarized lights and outputs the combined light wave from the output terminal;
One terminal is connected to the first connection terminal of the polarizing prism, the other terminal is connected to the second connection terminal of the polarizing prism, and the p-polarized light and the other terminal propagate from one terminal to the other terminal. A sensing loop having birefringence with a phase difference of π / 2 between the s-polarized light propagating from the terminal to one terminal;
Input light transmission means connected to the input terminal of the polarizing prism, for introducing low coherence light into the polarizing prism;
An output light transmission means connected to the output terminal of the polarizing prism and for deriving the light wave combined by the polarizing prism;
It is interposed in the middle of the output light transmission means, and is arranged with its transmission axis set at an angle of 45 degrees with respect to the p-polarization polarization plane or s-polarization polarization plane of the light wave propagated by this output light transmission means. A polarizer,
It is characterized by having.

この場合、本発明は、前記入力光伝送手段と前記出力光伝送手段は、複屈折がゼロになっていたり、
低コヒーレンス光を発生してこの低コヒーレンス光を前記入力光伝送手段に送る光源と、前記出力光伝送手段から出力された光波を受光する受光器とを、更に有することを特徴とする。
In this case, according to the present invention, the input light transmission means and the output light transmission means have a birefringence of zero,
It further has a light source that generates low-coherence light and transmits the low-coherence light to the input light transmission means, and a light receiver that receives the light wave output from the output light transmission means.

また本発明は、前記偏光プリズムと、前記センシングループと、前記入力光伝送手段と、前記出力光伝送手段が、基板の上に形成された光導波路構造により形成されていることを特徴とする。
この場合、本発明では、前記偏光子は、その透過軸が前記基板の面に対して45度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする。
The present invention is also characterized in that the polarizing prism, the sensing loop, the input light transmission means, and the output light transmission means are formed by an optical waveguide structure formed on a substrate.
In this case, the present invention is characterized in that the polarizer is arranged with its transmission axis set at an angle of 45 degrees with respect to the surface of the substrate.

また本発明は、前記出力光伝送手段は、偏波保持光ファイバにより構成されており、
前記偏光子は、その透過軸が、前記偏波保持光ファイバの速軸に対して45度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする。
In the present invention, the output light transmission means is constituted by a polarization maintaining optical fiber,
The polarizer is arranged such that its transmission axis is set at an angle of 45 degrees with respect to the fast axis of the polarization maintaining optical fiber.

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば次のとおりである。
本発明によれば、従来の導波路型光ジャイロに用いられていた製造誤差に敏感で特殊な設計を必要とする3×3光カプラを用いることなく、回転方向の検出、及び高感度な回転検出を可能とする光ジャイロが実現できる。
また、従来の方式では2つの受光器が必要であったが、本発明の光ジャイロでは、1つの受光器のみで、上述の回転方向の検出及び高感度化が可能である。
すなわち、本発明によれば、より簡単な構成で従来の導波路型光ジャイロと同等の性能を有する光ジャイロが実現可能である。
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
According to the present invention, it is possible to detect the rotation direction and perform high-sensitivity rotation without using a 3 × 3 optical coupler that is sensitive to manufacturing errors and requires a special design, which has been used in conventional waveguide-type optical gyros. An optical gyro capable of detection can be realized.
Further, in the conventional method, two light receivers are necessary. However, in the optical gyro according to the present invention, it is possible to detect the rotation direction and increase the sensitivity with only one light receiver.
That is, according to the present invention, it is possible to realize an optical gyro having a performance equivalent to that of a conventional waveguide optical gyro with a simpler configuration.

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail based on examples.

図1は本発明の実施例1に係る導波路型光ジャイロ20を示す構成である。同図に示すように、導波路型ジャイロ基板1上には、コアとクラッドを有する光導波路構造により、入力光導波路2と、偏光プリズム3と、センシングループ4と、出力光導波路5が形成されている。   FIG. 1 shows a configuration of a waveguide type optical gyroscope 20 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in the figure, an input optical waveguide 2, a polarizing prism 3, a sensing loop 4, and an output optical waveguide 5 are formed on a waveguide type gyro substrate 1 by an optical waveguide structure having a core and a cladding. ing.

光導波路構造の偏光プリズム3は、入力端子3aと、第1の接続端子3bと、第2の接続端子3cと、出力端子3dを有している。この偏光プリズム3は、入力端子3aから低コヒーレンス光が入力されると、この低コヒーレンス光をp偏光とs偏光に分離し、p偏光を第1の接続端子3bから出力し、s偏光を第2の接続端子3cから出力する光特性を有している。また、接続端子3b,3cからs偏光とp偏光が個別に入力されると、両偏光を合波し、合波した光波を、出力端子3cから出力する。   The polarizing prism 3 having an optical waveguide structure has an input terminal 3a, a first connection terminal 3b, a second connection terminal 3c, and an output terminal 3d. When the low-coherence light is input from the input terminal 3a, the polarizing prism 3 separates the low-coherence light into p-polarized light and s-polarized light, and outputs the p-polarized light from the first connection terminal 3b. The optical characteristics are output from the two connection terminals 3c. When s-polarized light and p-polarized light are individually input from the connection terminals 3b and 3c, both polarized lights are combined, and the combined light wave is output from the output terminal 3c.

光導波路構造の入力光導波路2は、複屈折がゼロの光導波路であり、偏光プリズム3の入力端子3aに接続されている。また、光導波路構造の出力光導波路5は、複屈折がゼロの光導波路であり、偏光プリズム3の出力端子3dに接続されている。   The input optical waveguide 2 having an optical waveguide structure is an optical waveguide having zero birefringence, and is connected to the input terminal 3 a of the polarizing prism 3. The output optical waveguide 5 having an optical waveguide structure is an optical waveguide having zero birefringence, and is connected to the output terminal 3 d of the polarizing prism 3.

光導波路構造のセンシングループ4は、その一方の端子4aが、偏光プリズム3の第1の接続端子3bに接続されており、その他方の端子4bが、偏光プリズム3の第2の接続端子3cに接続されている。後述するように、センシングループ4には、p偏光が時計回りに伝搬し、s偏光が反時計回りに伝搬するが、このセンシングループ4の端子4a(又は4b)から端子4b(又は4a)までの伝搬において、センシングループ4に入力されて伝搬するp偏光とs偏光との間の位相差がπ/2となるにように、センシングループ4の複屈折が設定されている。   The sensing loop 4 having the optical waveguide structure has one terminal 4 a connected to the first connection terminal 3 b of the polarizing prism 3, and the other terminal 4 b connected to the second connection terminal 3 c of the polarizing prism 3. It is connected. As will be described later, in the sensing loop 4, p-polarized light propagates clockwise and s-polarized light propagates counterclockwise. From the terminal 4a (or 4b) to the terminal 4b (or 4a) of the sensing loop 4 , The birefringence of the sensing loop 4 is set so that the phase difference between the p-polarized light and the s-polarized light that is input to the sensing loop 4 and propagates is π / 2.

出力光導波路5には、透過軸が導波路型ジャイロ基板1の面に対して斜め45度の角度に設定された偏光子6が配置(介装)されている。つまり、出力導波路5は途中で切断されており、この切断部分に偏光子6が挿入されている。この結果、出力導波路5中を伝搬する光波は、偏光子6を通過することにより偏光されることになる。   In the output optical waveguide 5, a polarizer 6 whose transmission axis is set at an oblique angle of 45 degrees with respect to the surface of the waveguide type gyro substrate 1 is disposed (intervened). That is, the output waveguide 5 is cut halfway, and the polarizer 6 is inserted into this cut portion. As a result, the light wave propagating through the output waveguide 5 is polarized by passing through the polarizer 6.

導波路型ジャイロ基板1の外側には、低コヒーレンス光を出力する広帯域光源7と、受光器8が配置されている。広帯域光源7は、光ファイバ9を介して入力光導波路2に接続されており、受光器8は、光ファイバ10を介して出力光導波路5に接続されている。なお、低コヒーレンス光を出力する広帯域光源7としては、例えば、1550nm±15nmの発光帯域をもつスーパルミネッセントダイオードを用いることができる。   A broadband light source 7 that outputs low coherence light and a light receiver 8 are disposed outside the waveguide gyro substrate 1. The broadband light source 7 is connected to the input optical waveguide 2 via an optical fiber 9, and the light receiver 8 is connected to the output optical waveguide 5 via an optical fiber 10. As the broadband light source 7 that outputs low coherence light, for example, a superluminescent diode having an emission band of 1550 nm ± 15 nm can be used.

上記構成となっている導波路型光ジャイロ20では、広帯域光源7から出力された低コヒーレンス光(波長が例えば1550nm±15nm)は、光ファイバ9を介して入力光導波路2に入射される。入力光導波路2は、偏光プリズム3の入力端子3aに接続されており、低コヒーレンス光は偏光プリズム3によりp偏光とs偏光に分離される。   In the waveguide type optical gyro 20 having the above-described configuration, the low coherence light (wavelength is, for example, 1550 nm ± 15 nm) output from the broadband light source 7 is incident on the input optical waveguide 2 through the optical fiber 9. The input optical waveguide 2 is connected to the input terminal 3 a of the polarizing prism 3, and the low coherence light is separated into p-polarized light and s-polarized light by the polarizing prism 3.

この偏光プリズム3にて分離されたp偏光とs偏光は、第1の接続端子3b及び第2の接続端子3cからセンシングループ4へと伝搬する。このとき、第1の接続端子3bから出射したp偏光はセンシングループ4を時計回りに伝搬し、第2の接続端子3cから出射したs偏光はセンシングループ4を反時計回りに伝搬する。時計、反時計回りに伝搬したp偏光及びs偏光は、再び偏光プリズム3へと入射し、偏光プリズム3にて合波され、合波された光波は、出力端子3cから出力光導波路5へ出力される。   The p-polarized light and the s-polarized light separated by the polarizing prism 3 propagate from the first connection terminal 3b and the second connection terminal 3c to the sensing loop 4. At this time, p-polarized light emitted from the first connection terminal 3b propagates clockwise in the sensing loop 4, and s-polarized light emitted from the second connection terminal 3c propagates counterclockwise in the sensing loop 4. The p-polarized light and the s-polarized light propagated in the clockwise and counterclockwise directions again enter the polarizing prism 3 and are combined by the polarizing prism 3, and the combined light wave is output from the output terminal 3c to the output optical waveguide 5. Is done.

合波された光波は、出力光導波路5にて伝搬され偏光子6を通過する際に偏光され、更に光ファイバ10にて伝搬され受光器8にて受光される。受光器8では、受光した光波を光・電気変換して、光波の強度に応じた値となっている電気信号を出力する。   The combined light wave is propagated in the output optical waveguide 5 and polarized when passing through the polarizer 6, further propagated in the optical fiber 10 and received by the light receiver 8. The light receiver 8 optically / electrically converts the received light wave and outputs an electric signal having a value corresponding to the intensity of the light wave.

系全体(導波路型光ジャイロ20全体)が慣性空間に対して角速度Ωで回転すると、センシングループ4を伝搬中に受ける位相変化は、p偏光及びs偏光に対してそれぞれ、式(2)で表される。ここで、βp及びβsはp偏光s偏光に対する伝搬定数、Lはセンシングループ4の長さ、kは光の波数、Sはセンシングループ4が囲む面積、cは真空中の高速である。また、φはサニャック効果による位相変化を表す。   When the entire system (the entire waveguide-type optical gyro 20) rotates at an angular velocity Ω with respect to the inertial space, the phase change received during propagation through the sensing loop 4 is expressed by Equation (2) for p-polarized light and s-polarized light, respectively. expressed. Here, βp and βs are propagation constants for p-polarized light and s-polarized light, L is the length of the sensing loop 4, k is the wave number of light, S is the area surrounded by the sensing loop 4, and c is high speed in vacuum. Φ represents a phase change due to the Sagnac effect.

Figure 2005172651
Figure 2005172651

一方、時計回り光、反時計回り光の、広帯域光源7から受光器8までの伝達関数Tは、βpL及びβsLを用いて、式(3)で表される。ここで、θは偏光子6の透過軸と導波路型ジャイロ基板1の面のなす角である。   On the other hand, the transfer function T of the clockwise light and the counterclockwise light from the broadband light source 7 to the light receiver 8 is expressed by Expression (3) using βpL and βsL. Here, θ is an angle formed by the transmission axis of the polarizer 6 and the surface of the waveguide type gyro substrate 1.

Figure 2005172651
Figure 2005172651

広帯域光源7からの光波がp偏光、s偏光ともに等強度であり、そのジョーンズベクトルがE=(1/21/2,1/21/2)で表されるとき、θ=45°として、受光器8で受光される光波の強度Iは、式(4)で表される。 When the light wave from the broadband light source 7 has the same intensity for both p-polarized light and s-polarized light, and its Jones vector is expressed by E = (1/2 1/2 , 1/2 1/2 ), θ = 45 ° The intensity I of the light wave received by the light receiver 8 is expressed by equation (4).

Figure 2005172651
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さらに、系全体が静止している場合、すなわち、サニャック効果による位相変化がゼロの場合、p偏光、s偏光に対する位相変化の差をπ/2と設定することで、すなわち、式(5)とすることで、式(4)は式(2)を用いて、式(6)のように変形できる。   Further, when the entire system is stationary, that is, when the phase change due to the Sagnac effect is zero, by setting the difference in phase change for p-polarized light and s-polarized light to π / 2, that is, Thus, equation (4) can be transformed into equation (6) using equation (2).

Figure 2005172651
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Figure 2005172651
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ここで、mは整数であり、式(5)で表される位相量が低コヒーレンス光源のコヒーレンス長に収まる値である。式(6)から明らかなように、受光器8の出力は系の回転角速度Ωに対してサイン関数で応答し、高感度な回転検出及び回転方向の検出が可能となる。   Here, m is an integer, and is a value within which the phase amount represented by Equation (5) falls within the coherence length of the low coherence light source. As is apparent from the equation (6), the output of the light receiver 8 responds to the rotational angular velocity Ω of the system with a sine function, which enables highly sensitive rotation detection and rotation direction detection.

図2は本実施例の導波路型光ジャイロ20を構成し、回転角速度の検出を行った実験例である。導波路型ジャイロ基板1は火炎堆積法と反応性イオンエッチングによる石英系光導波路技術を用いて作製した。センシングループ4のセンシングループ長及び直径は、従来例と同じくそれぞれ80cm及び3cmとした。また、低コヒーレンス光源としては、1550nm±15nmの発光帯域をもつスーパルミネッセントダイオードを用いた。図2から分かるように、−1000°/sec から1000°/sec まで線形性良く回転検出をすることができる。   FIG. 2 shows an experimental example in which the waveguide type optical gyroscope 20 of this embodiment is configured and the rotational angular velocity is detected. The waveguide type gyro substrate 1 was manufactured using a quartz optical waveguide technique by flame deposition and reactive ion etching. The sensing loop length and diameter of the sensing loop 4 were 80 cm and 3 cm, respectively, as in the conventional example. As the low coherence light source, a superluminescent diode having an emission band of 1550 nm ± 15 nm was used. As can be seen from FIG. 2, rotation can be detected with good linearity from −1000 ° / sec to 1000 ° / sec.

本実施例では、偏光プリズム3として導波路型の偏光プリズムを用いたが、結晶型の偏光プリズムたとえばグラントムソンプリズムやグランテーラープリズムを実装することによっても実現が可能である。また、光導波路として石英系光導波路を用いたが、InPなどの半導体光導波路やポリマー光導波路などを用いても実現可能である。   In this embodiment, a waveguide-type polarizing prism is used as the polarizing prism 3, but it can also be realized by mounting a crystal-type polarizing prism such as a Glan-Thompson prism or a Grand Taylor prism. Further, although the silica-based optical waveguide is used as the optical waveguide, it can be realized by using a semiconductor optical waveguide such as InP or a polymer optical waveguide.

図1に示す実施例1では、入力光伝送手段である入力光導波路2と、偏光プリズム3と、センシングループ4と、出力光伝送手段である出力光導波路5を、光導波路構造により形成しているが、入力光伝送手段及び出力光伝送手段を偏波保持光ファイバで構成し、偏波プリズムとして結晶型のものを採用し、センシングループとして光ファイバで構成したものを採用して、光ジャイロを構成することもできる。かかる構成のものを実施例2とする。   In the first embodiment shown in FIG. 1, an input optical waveguide 2 that is input light transmission means, a polarizing prism 3, a sensing loop 4, and an output optical waveguide 5 that is output light transmission means are formed by an optical waveguide structure. However, the input light transmission means and the output light transmission means are composed of polarization-maintaining optical fibers, the polarization prism is a crystal type, and the sensing loop is an optical fiber. Can also be configured. This configuration is referred to as Example 2.

実施例2でも実施例1と同様に、出力光伝送手段である偏波保持光ファイバに偏光子を介装するが、このとき、偏光子の透過軸が、偏波保持光ファイバの速軸(偏波保持光ファイバの2つの応力付与部を結ぶラインに沿う軸)に対して45度の角度に設定されるように、偏光子を配置する。即ち、出力光伝送手段により伝搬される光波のp偏光偏波面またはs偏光偏波面に対して、偏光子の透過軸が45度の角度に設定されるように偏光子を配置する。
他の部分の構成、例えば広帯域光源、受光器、光ファイバの構成は、実施例1と同様とする。
In the second embodiment, similarly to the first embodiment, a polarizer is interposed in the polarization maintaining optical fiber as the output light transmission means. At this time, the transmission axis of the polarizer is the fast axis of the polarization maintaining optical fiber ( The polarizer is arranged so as to be set at an angle of 45 degrees with respect to the axis along the line connecting the two stress applying portions of the polarization maintaining optical fiber. That is, the polarizer is arranged so that the transmission axis of the polarizer is set at an angle of 45 degrees with respect to the p-polarization polarization plane or the s-polarization polarization plane of the light wave propagated by the output light transmission means.
The configuration of other parts, for example, the configuration of the broadband light source, the light receiver, and the optical fiber is the same as in the first embodiment.

本発明の実施例1に係る導波路型光ジャイロの構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the waveguide type optical gyro which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る導波路型ジャイロの回転検出特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the rotation detection characteristic of the waveguide type gyro which concerns on Example 1 of this invention. 従来の導波路型光ジャイロの構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the conventional waveguide type optical gyro. 従来の導波路型光ジャイロの回転検出特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the rotation detection characteristic of the conventional waveguide type optical gyro.

符号の説明Explanation of symbols

1 導波路型光ジャイロ
2 入力光導波路
3 偏光プリズム
4 センシングループ
4a,4b 端子
5 出力光導波路
6 偏光子
7 広帯域光源
8 受光器
9,10 光ファイバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Waveguide-type optical gyro 2 Input optical waveguide 3 Polarizing prism 4 Sensing loop 4a, 4b Terminal 5 Output optical waveguide 6 Polarizer 7 Broadband light source 8 Light receiver 9, 10 Optical fiber

Claims (6)

入力端子と出力端子と第1の接続端子と第2の接続端子を有しており、前記入力端子から低コヒーレンス光が入力されるとp偏光とs偏光に分離してp偏光とs偏光を個別に第1の接続端子と第2の接続端子から出力すると共に、第1の接続端子と第2の接続端子から個別にs偏光とp偏光が入力されると両偏光を合波し合波した光波を出力端子から出力する偏光プリズムと、
一方の端子が前記偏光プリズムの第1の接続端子に接続され、他方の端子が前記偏光プリズムの第2の接続端子に接続され、一方の端子から他方の端子まで伝搬するp偏光と他方の端子から一方の端子まで伝搬するs偏光との間の位相差がπ/2となる複屈折を有するセンシングループと、
前記偏光プリズムの入力端子に接続されており、低コヒーレンス光を前記偏光プリズムに導入する入力光伝送手段と、
前記偏光プリズムの出力端子に接続されており、偏光プリズムにて合波された光波を導出する出力光伝送手段と、
前記出力光伝送手段の途中に介装されており、この出力光伝送手段により伝搬される光波のp偏光偏波面またはs偏光偏波面に対して、透過軸が45度の角度に設定されつつ配置された偏光子と、
を有することを特徴とする光ジャイロ。
It has an input terminal, an output terminal, a first connection terminal, and a second connection terminal. When low coherence light is input from the input terminal, it is separated into p-polarized light and s-polarized light, and p-polarized light and s-polarized light are separated. When the s-polarized light and the p-polarized light are individually input from the first connection terminal and the second connection terminal, the two polarized lights are combined and combined. A polarizing prism that outputs the output light wave from the output terminal;
One terminal is connected to the first connection terminal of the polarizing prism, the other terminal is connected to the second connection terminal of the polarizing prism, and the p-polarized light and the other terminal propagate from one terminal to the other terminal. A sensing loop having birefringence with a phase difference of π / 2 between the s-polarized light propagating from the terminal to one terminal;
Input light transmission means connected to the input terminal of the polarizing prism, for introducing low coherence light into the polarizing prism;
An output light transmission means connected to the output terminal of the polarizing prism and for deriving the light wave combined by the polarizing prism;
It is interposed in the middle of the output light transmission means, and is arranged with its transmission axis set at an angle of 45 degrees with respect to the p-polarization polarization plane or s-polarization polarization plane of the light wave propagated by this output light transmission means. A polarizer,
An optical gyro characterized by comprising:
請求項1の光ジャイロにおいて、
前記入力光伝送手段と前記出力光伝送手段は、複屈折がゼロになっていることを特徴とする光ジャイロ。
The optical gyro of claim 1,
An optical gyro characterized in that the input light transmission means and the output light transmission means have zero birefringence.
請求項1または請求項2の光ジャイロにおいて、
低コヒーレンス光を発生してこの低コヒーレンス光を前記入力光伝送手段に送る光源と、
前記出力光伝送手段から出力された光波を受光する受光器とを、更に有することを特徴とする光ジャイロ。
In the optical gyro of Claim 1 or Claim 2,
A light source that generates low coherence light and sends the low coherence light to the input light transmission means;
An optical gyro further comprising a light receiver that receives the light wave output from the output light transmission means.
請求項1または請求項2または請求項3において、
前記偏光プリズムと、前記センシングループと、前記入力光伝送手段と、前記出力光伝送手段が、基板の上に形成された光導波路構造により形成されていることを特徴とする光ジャイロ。
In claim 1 or claim 2 or claim 3,
The optical gyro, wherein the polarizing prism, the sensing loop, the input light transmission means, and the output light transmission means are formed by an optical waveguide structure formed on a substrate.
請求項4において、前記偏光子は、その透過軸が前記基板の面に対して45度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする光ジャイロ。   5. The optical gyro according to claim 4, wherein the polarizer is arranged with its transmission axis set at an angle of 45 degrees with respect to the surface of the substrate. 請求項1または請求項2または請求項3において、
前記出力光伝送手段は、偏波保持光ファイバにより構成されており、
前記偏光子は、その透過軸が、前記偏波保持光ファイバの速軸に対して45度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする光ジャイロ。
In claim 1 or claim 2 or claim 3,
The output light transmission means is composed of a polarization maintaining optical fiber,
The optical gyro is characterized in that the polarizer is arranged with its transmission axis set at an angle of 45 degrees with respect to the fast axis of the polarization maintaining optical fiber.
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WO2021229969A1 (en) 2020-05-11 2021-11-18 国立大学法人東京工業大学 Vertical line deviation estimation device

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