JP2007071614A - Optical gyro and gyro system using it - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、回転体の回転角速度を検出可能な光ジャイロおよびそれを用いたジャイロシステムに関するものである。 The present invention relates to an optical gyro capable of detecting the rotational angular velocity of a rotating body and a gyro system using the same.
ジャイロは、慣性空間に対する回転を測ることができるセンサであり、絶対回転を測定可能なセンサである。そして、このようなジャイロとして、機械式ジャイロと光ジャイロとがある。 The gyro is a sensor that can measure rotation with respect to inertial space, and is a sensor that can measure absolute rotation. As such gyros, there are mechanical gyros and optical gyros.
機械式ジャイロは、回転体の回転軸が慣性空間に対して常に一定方向を向き続ける性質を用いたジャイロである。しかし、機械式ジャイロは、保守が必要であり、高価であり、振動および加速度に弱い等の理由によって、その適用範囲は、航空機、船舶、ロケットおよび人工衛星等に制限されている。 The mechanical gyro is a gyro that uses the property that the rotating shaft of the rotating body always keeps a fixed direction with respect to the inertial space. However, mechanical gyroscopes require maintenance, are expensive, and are weak in vibration and acceleration, so that their application range is limited to aircraft, ships, rockets, artificial satellites, and the like.
これに対し、最近、サニャック効果を用いた光ジャイロが実用化されている。この光ジャイロは、時計回りの光と反時計回りの光とを光路中で伝搬させ、回転体が回転したことに起因して生じる2つの光(時計回りの光および反時計回りの光)の周波数差が回転角速度に比例することを利用したジャイロである。 On the other hand, an optical gyro using the Sagnac effect has recently been put into practical use. This optical gyro propagates clockwise light and counterclockwise light in the optical path, and generates two light (clockwise light and counterclockwise light) caused by the rotation of the rotating body. This is a gyro using the fact that the frequency difference is proportional to the rotational angular velocity.
そして、光ジャイロは、光ファイバジャイロおよびリングレーザジャイロに大別され、光ファイバジャイロには、干渉式光ファイバジャイロ、共振方式光ファイバジャイロおよびブリルアン光ファイバジャイロの3種類がある(非特許文献1)。
しかし、従来のブリルアン光ファイバジャイロにおいては、光ファイバ中を時計回りおよび反時計回りに伝搬するレーザ光を増幅するために、多くの結合器を設ける必要があり、複雑な構造になるという問題があった。 However, in the conventional Brillouin optical fiber gyroscope, in order to amplify the laser light propagating clockwise and counterclockwise in the optical fiber, it is necessary to provide many couplers, resulting in a complicated structure. there were.
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、構造が簡単な光ジャイロを提供することである。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide an optical gyro having a simple structure.
また、この発明の別の目的は、構造が簡単な光ジャイロを備えたジャイロシステムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a gyro system having an optical gyro with a simple structure.
この発明によれば、ジャイロは、レーザ光源と、第1および第2の光ファイバと、第1および第2の結合器と、検出手段とを備える。レーザ光源は、第1および第2のレーザ光を発振するとともに、その発振した第1および第2のレーザ光を増幅する。第1の光ファイバは、第1のレーザ光を時計回りに回転させ、第2のレーザ光を反時計回りに回転させる。第1の結合器は、第1の光ファイバ中の第1および第2のレーザ光の一部を第2の光ファイバへ導く。第2の結合器は、第2の光ファイバ中の第1および第2のレーザ光を重ね合わせた重ね合わせ光を出射する。検出手段は、レーザ光源および第1の光ファイバが所定の平面内で回転しているときの重ね合わせ光の周波数に基づいてレーザ光源および第1の光ファイバの回転角速度を検出する。 According to this invention, the gyro includes a laser light source, first and second optical fibers, first and second couplers, and detection means. The laser light source oscillates the first and second laser beams and amplifies the oscillated first and second laser beams. The first optical fiber rotates the first laser beam clockwise, and rotates the second laser beam counterclockwise. The first coupler guides a part of the first and second laser beams in the first optical fiber to the second optical fiber. The second coupler emits superposed light obtained by superposing the first and second laser lights in the second optical fiber. The detecting means detects the rotational angular velocities of the laser light source and the first optical fiber based on the frequency of the superimposed light when the laser light source and the first optical fiber are rotating in a predetermined plane.
好ましくは、レーザ光源は、第1の端面と、第1の端面に対向する第2の端面とを有するとともに、第1および第2のレーザ光を発振して第1および第2の端面からそれぞれ第1および第2のレーザ光を第1の光ファイバへ出射する半導体レーザからなる。第1の光ファイバは、第1の端面から出射された第1のレーザ光を時計回りに回転させて第2の端面から半導体レーザに導くとともに、第2の端面から出射された第2のレーザ光を反時計回りに回転させて第1の端面から半導体レーザへ導く。 Preferably, the laser light source has a first end face and a second end face facing the first end face, and oscillates the first and second laser beams from the first and second end faces, respectively. It consists of a semiconductor laser that emits first and second laser beams to a first optical fiber. The first optical fiber rotates the first laser light emitted from the first end face clockwise to guide it to the semiconductor laser from the second end face, and also emits the second laser emitted from the second end face. The light is rotated counterclockwise and guided from the first end face to the semiconductor laser.
好ましくは、半導体レーザの活性層は、第1および第2の端面と斜めに接する。 Preferably, the active layer of the semiconductor laser is in contact with the first and second end faces obliquely.
好ましくは、第1のレーザ光の波長は、第2のレーザ光の波長と異なる。 Preferably, the wavelength of the first laser light is different from the wavelength of the second laser light.
また、この発明によれば、ジャイロシステムは、光ジャイロと、送信装置と、受信装置とを備える。光ジャイロは、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光ジャイロからなる。送信手段は、光ジャイロの検出手段によって検出された回転角速度を無線信号に変換して送信する。受信装置は、送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して回転角速度を取得する。
According to the invention, the gyro system includes the optical gyro, the transmission device, and the reception device. The optical gyro is the optical gyro according to any one of
この発明においては、レーザ光を発振するとともに、その発振したレーザ光を増幅するレーザ光源と、2個の光ファイバと、2個の結合器とを用いて時計回りに回転する第1のレーザ光と反時計回りに回転する第2のレーザ光との周波数差を発生させるリングレーザが構成される。 In the present invention, a first laser beam that rotates clockwise using a laser light source that oscillates a laser beam and amplifies the oscillated laser beam, two optical fibers, and two couplers. And a ring laser that generates a frequency difference between the second laser beam that rotates counterclockwise.
したがって、結合器を介して増幅光によってレーザ光を増幅する従来の光ファイバジャイロに比べ、構造を簡単にできる。 Therefore, the structure can be simplified as compared with the conventional optical fiber gyro that amplifies the laser light by the amplified light through the coupler.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図1は、この発明の実施の形態による光ジャイロの構成を示す概略図である。図1を参照して、この発明の実施の形態による光ジャイロ10は、半導体光アンプ(SOA:Semiconductor Optic Amplifier)1と、光ファイバ2,4,6と、結合器3,5と、光検出器7と、スペクトルアナライザ8と、検出器9とを備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an optical gyro according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, an
半導体光アンプ1は、インジウムガリウム砒素(InGaAs)からなる活性層を有する。そして、半導体光アンプ1は、例えば、1579nmの波長を有するレーザ光を発振するとともに、その発振したレーザ光を時計回りのレーザ光CWと反時計回りのレーザ光CCWとしてそれぞれ端面1A,1Bから光ファイバ2中へ出射する。また、半導体光アンプ1は、光ファイバ2中を1周したレーザ光CW,CCWを誘導放出によって増幅し、その増幅したレーザ光CW,CCWをそれぞれ端面1A,1Bから光ファイバ2へ出射する。
The semiconductor
光ファイバ2は、半導体光アンプ1の両端にループ状に連結され、例えば、3.03mの長さおよび1.444の屈折率(コアの屈折率)を有する。そして、光ファイバ2は、半導体光アンプ1の端面1Aから出射されたレーザ光CWを時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光CWを端面1Bから半導体光アンプ1中へ導くとともに、半導体光アンプ1の端面1Bから出射されたレーザ光CCWを反時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光CCWを端面1Aから半導体光アンプ1中へ導く。
The
結合器3は、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CW,CCWが99%であり、光ファイバ4中を伝搬するレーザ光CW,CCWが1%となるように、光ファイバ2を光ファイバ4と結合する。
In the
光ファイバ4は、結合器3によって光ファイバ2と結合され、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CW,CCWの一部(1%)のレーザ光CW,CCWを結合器5に導く。結合器5は、光ファイバ4中を伝搬する2つのレーザ光CW,CCWを50%:50%で重ね合わせて光ファイバ6へ導く。
The optical fiber 4 is coupled to the
光ファイバ6は、結合器5によって重ね合わされた重ね合わせ光を光検出器7へ導く。光検出器7は、光ファイバ6中の重ね合わせ光を2乗検波し、レーザ光CWの発振周波数とレーザ光CCWの発振周波数との差に起因して生じるビート信号を生成する。
The
レーザ光CWおよびレーザ光CCWの電界成分をそれぞれECW,ECCWとすると、
ECW=aCWcos(2πfCWt+φCW)・・・(1)
ECCW=aCCWcos(2πfCCWt+φCCW)・・・(2)
となる。ここで、aCW,aCCWは、それぞれ、レーザ光CW,CCWの振幅であり、fCW,fCCWは、半導体光アンプ1および光ファイバ2が回転しているときのそれぞれレーザ光CW,CCWの発振周波数であり、φCW,φCCWは、それぞれ、レーザ光CW,CCWの位相である。
When the electric field components of the laser beam CW and the laser beam CCW are respectively E CW and E CCW ,
E CW = a CW cos (2πf CW t + φ CW ) (1)
E CCW = a CCW cos (2πf CCW t + φ CCW ) (2)
It becomes. Here, a CW and a CCW are the amplitudes of the laser beams CW and CCW, respectively, and f CW and f CCW are the laser beams CW and CCW when the semiconductor
2つのレーザ光CW,CCWを重ね合わせると、検出される光強度Iは、電界成分の2乗に等しくなるので、次のようになる。 When the two laser beams CW and CCW are overlapped, the detected light intensity I becomes equal to the square of the electric field component, so that the following is obtained.
I=<|ECW+ECCW|2>
=(a2 CW+a2 CCW)/2+2aCWaCCWcos{2π(fCW−fCCW)t+(φCW−φCCW)}
=(a2 CW+a2 CCW)/2+2aCWaCCWcos{2πfBt+Δ}・・・(3)
なお、fB=fCW−fCCWであり、Δ=φCW−φCCWである。また、<>は、時間平均を表す。
I = <| E CW + E CCW | 2 >
= (A 2 CW + a 2 CCW ) / 2 + 2a CW a CCW cos {2π (f CW −f CCW ) t + (φ CW −φ CCW )}
= (A 2 CW + a 2 CCW ) / 2 + 2a CW a CCW cos {2πf B t + Δ} (3)
Note that f B = f CW −f CCW and Δ = φ CW −φ CCW . <> Represents a time average.
レーザ光CW,CCWを重ね合わせた重ね合わせ光の直流成分は、(a2 CW+a2 CCW)/2であり、交流成分は、2aCWaCCWcos{2πfBt+Δ}である。そして、この交流成分がビート信号であり、fB=fCW−fCCWがビート信号の周波数である。 The DC component of the superimposed light obtained by superimposing the laser beams CW and CCW is (a 2 CW + a 2 CCW ) / 2, and the AC component is 2a CW a CCW cos {2πf B t + Δ}. This AC component is the beat signal, and f B = f CW −f CCW is the frequency of the beat signal.
従って、光検出器7は、レーザ光CW,CCWを重ね合わせた重ね合わせ光の2乗検波を行なうことにより、式(3)に示す光強度Iを生成し、ビート信号(=式(3)の交流成分)を検出してスペクトルアナライザ8へ出力する。 Therefore, the photodetector 7 generates the light intensity I shown in the equation (3) by performing the square detection of the superimposed light obtained by superimposing the laser beams CW and CCW, and the beat signal (= the equation (3)). Are detected and output to the spectrum analyzer 8.
スペクトルアナライザ8は、光検出器7によって検出されたビート信号の周波数fBを検出し、その検出した周波数fBを検出器9へ出力する。 The spectrum analyzer 8 detects the frequency f B of the beat signal detected by the photodetector 7 and outputs the detected frequency f B to the detector 9.
検出器9は、スペクトルアナライザ8から周波数fBを受け、その受けた周波数fBに基づいて、後述する方法によって、回転体の回転角速度を検出する。 The detector 9 receives the frequency f B from the spectrum analyzer 8 and detects the rotational angular velocity of the rotating body based on the received frequency f B by a method described later.
光ジャイロ10における周波数fBと回転角速度との関係を調べる実験を行なう場合、光ジャイロ10は、テーブル20上に載せられる。そして、テーブル20は、サーボ機構30によって各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転される。コントローラ40は、テーブル20を各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転させるようにサーボ機構30を制御する。
When an experiment for examining the relationship between the frequency f B and the rotational angular velocity in the
図2は、図1に示す半導体光アンプ1の平面図である。図2を参照して、半導体光アンプ1は、活性層11と、光閉込層12,13と、反射防止膜14,15とを含む。活性層11は、光閉込層12,13によって挟まれ、端面1A,1Bと斜めに接する。
FIG. 2 is a plan view of the semiconductor
光閉込層12,13は、バリア層およびクラッド層等からなり、活性層11に接して活性層11の両側に設けられる。反射防止膜14,15は、それぞれ、端面1A,1Bに接して形成される。
The optical confinement layers 12 and 13 are formed of a barrier layer, a cladding layer, and the like, and are provided on both sides of the
図2に示すように、活性層11が端面1A,1Bに対して斜めに配置された構造は、活性層11および光閉込層12,13等を積層した積層体を形成し、その形成した積層体を活性層11が斜めに配置されるようにカッティングすることによって作製される。
As shown in FIG. 2, the structure in which the
電流を活性層11に注入してレーザ発振させると、レーザ光は、光閉込層12,13によって閉じ込められ、活性層11を端面1A,1B方向へ伝搬する。そして、レーザ光は、レーザ光CWとして端面1Aから出射するとともに、レーザ光CCWとして端面1Bから出射する。
When a current is injected into the
レーザ光CWは、光ファイバ2中を時計回りに1周して反射防止膜15を介して端面1Bから活性層11中へ導入される。そして、活性層11中へ導入されたレーザ光CWは、誘導放出によって増幅され、再び、端面1Aから出射される。
The laser light CW goes around the
また、レーザCCWは、光ファイバ2中を反時計回りに1周して反射防止膜14を介して端面1Aから活性層11中へ導入される。そして、活性層11中へ導入されたレーザ光CCWは、誘導放出によって増幅され、再び、端面1Bから出射される。
Further, the laser CCW goes around the
このように、半導体光アンプ1は、レーザ光CW,CCWを発振して光ファイバ2中へ出射するとともに、光ファイバ2中を伝搬したレーザ光CW,CCWを誘導放出によって増幅して、再び、光ファイバ2中へ出射する。
Thus, the semiconductor
従って、レーザ光CW,CCWは、端面1A,1Bを何回も通過する必要があり、レーザ光CW,CCWの強度を保持するために端面1A,1Bにおけるレーザ光CW,CCWの反射率は、10−5以下に設定されている。 Therefore, the laser beams CW and CCW need to pass through the end faces 1A and 1B many times. In order to maintain the intensity of the laser beams CW and CCW, the reflectance of the laser beams CW and CCW at the end faces 1A and 1B is It is set to 10 −5 or less.
このように、端面1A,1Bにおける反射率を低く抑えるために、活性層11を端面1A,1Bに対して斜めに配置するとともに、端面1A,1Bに反射防止膜14,15を形成する。
Thus, in order to keep the reflectance at the end faces 1A and 1B low, the
なお、光ファイバ2は、活性層11からのレーザ光CW,CCWがコアに入射するように、半導体光アンプ1の反射防止膜14,15に連結される。
The
図3は、図1に示す結合器3の構成を示す概略図である。図3を参照して、結合器3は、ガイド31,32を有する。ガイド31,32は、相互に接した2つの光ファイバを挟み込むことにより、2つの光ファイバを結合する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the
光ファイバ4を光ファイバ2に結合する場合、光ファイバ4を光ファイバ2に接するようにガイド31,32間に配置する。この場合、光ファイバ2のコア21は、光ファイバ4のコア41に近接して配置される。
When the optical fiber 4 is coupled to the
光ファイバ2中を時計回りに伝搬するレーザ光CWは、コア21とコア41との近接部において1%がコア21からコア41へ漏れる。そして、コア41へ漏れた1%のレーザ光CWは、光ファイバ4中を伝搬する。
1% of the laser light CW propagating clockwise in the
また、光ファイバ2中を反時計回りに伝搬するレーザ光CCWは、コア21とコア41との近接部において1%がコア21からコア41へ漏れる。そして、コア41へ漏れた1%のレーザ光CCWは、光ファイバ4中を伝搬する。
Further, 1% of the laser light CCW propagating counterclockwise in the
このように、光ファイバ4中を伝搬するレーザ光CW,CCWは、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CW,CCWの一部(1%)である。
Thus, the laser beams CW and CCW propagating in the optical fiber 4 are part (1%) of the laser beams CW and CCW propagating in the
なお、結合器5による光ファイバ4,6の結合も図3に示す方法と同じ方法によって行なわれる。
The
光ジャイロ10をテーブル20上に載せ、サーボ機構30およびコントローラ40によってテーブル20の回転角速度を変化させてレーザ光CW,CCWを重ね合わせたときのビート信号の周波数fBを検出した実験結果について説明する。なお、実験においては、しきい値電流の1.03倍の電流(60mA)を注入して半導体光アンプ1を発振させ、レーザ光CW,CCWを生成した。
An experimental result of detecting the frequency f B of the beat signal when the
図4は、ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図であり、図5は、ビート信号の周波数およびパワーと回転角速度との関係を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the power and frequency of the beat signal, and FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the frequency and power of the beat signal and the rotational angular velocity.
図4において、横軸は、ビート信号の周波数を表し、縦軸は、ビート信号のパワーを表す。また、図5において、横軸は、回転角速度を表し、縦軸は、ビート信号の周波数およびパワーを表す。 In FIG. 4, the horizontal axis represents the frequency of the beat signal, and the vertical axis represents the power of the beat signal. In FIG. 5, the horizontal axis represents the rotation angular velocity, and the vertical axis represents the frequency and power of the beat signal.
図4を参照して、90度/s、180度/s、270度/sおよび360度/sの各回転角速度においてビート信号のピーク値が観測され、回転角速度を90度/s、180度/s、270度/sおよび360度/sと変化させた場合、ビート信号のピーク値が高周波数側へシフトする。 Referring to FIG. 4, the peak value of the beat signal is observed at each of the rotation angular velocities of 90 degrees / s, 180 degrees / s, 270 degrees / s, and 360 degrees / s, and the rotational angular velocities are 90 degrees / s, 180 degrees. / S, 270 degrees / s, and 360 degrees / s, the peak value of the beat signal shifts to the high frequency side.
従って、光ジャイロ10においては、レーザ光CW,CCWを重ね合わせたときのビート信号を観測でき、その周波数が回転角速度によって変化することが解った。
Therefore, in the
図5を参照して、直線k1は、周波数と回転角速度との関係を示し、曲線k2は、パワーと回転角速度との関係を示す。ビート信号の周波数は、回転角速度に対して直線的に変化する。より具体的には、ビート信号の周波数は、回転角速度が負である領域においては、回転角速度に対して直線的に低下し、回転角速度が正である領域においては、回転角速度に対して直線的に高くなる(直線k1参照)。そして、直線k1における比例係数(スケールファクター)は、4.014(kHz・sec/deg)である。一方、ビート信号のパワーは、回転角速度の変化に対して振動し、その振動幅は、3dBと比較的安定である(曲線k2参照)。 Referring to FIG. 5, a straight line k1 indicates the relationship between the frequency and the rotational angular velocity, and a curve k2 indicates the relationship between the power and the rotational angular velocity. The frequency of the beat signal changes linearly with respect to the rotational angular velocity. More specifically, the frequency of the beat signal decreases linearly with respect to the rotational angular velocity in a region where the rotational angular velocity is negative, and linear with respect to the rotational angular velocity in a region where the rotational angular velocity is positive. (See the straight line k1). The proportionality coefficient (scale factor) in the straight line k1 is 4.014 (kHz · sec / deg). On the other hand, the power of the beat signal vibrates with respect to the change in the rotational angular velocity, and the vibration width is relatively stable at 3 dB (see curve k2).
従って、ビート信号の周波数を検出することによって回転角速度を検出できる。なお、直線k1においては、−100deg/sec〜+100deg/secの範囲においてビート信号の周波数が観測されていないが、これは、1/f雑音に埋もれているためである。 Therefore, the rotational angular velocity can be detected by detecting the frequency of the beat signal. On the straight line k1, the frequency of the beat signal is not observed in the range of −100 deg / sec to +100 deg / sec, because this is buried in 1 / f noise.
ビート信号の周波数fBは、理論的に次式によって表される。 The frequency f B of the beat signal is theoretically expressed by the following equation.
fB=(4A/(nλP))Ω・・・(4)
但し、Aは、光ファイバ2によって囲まれる領域の面積であり、nは、光ファイバ2の屈折率であり、λは、レーザ光CW,CCWの波長であり、Pは、レーザ光CW,CCWのパス長であり、Ωは、回転角速度である。
f B = (4A / (nλP)) Ω (4)
Where A is the area of the region surrounded by the
そして、図4および図5に示す実験においては、A=0.3998m2、n=1.444、λ=1579nm、およびP=3.03mに設定された。これらの値を式(4)に代入して比例係数を計算すると、4.039(kHz・sec/deg)の比例係数が得られる。 In the experiments shown in FIGS. 4 and 5, A = 0.998 m 2 , n = 1.444, λ = 1579 nm, and P = 3.03 m. By substituting these values into equation (4) and calculating the proportionality coefficient, a proportionality coefficient of 4.039 (kHz · sec / deg) is obtained.
従って、実験的に得られた比例係数(4.012)と、理論的に得られた比例係数(4.039)との誤差は、0.62%であり、光ジャイロ10は、サニャック効果を利用した光ジャイロであることが解った。
Therefore, the error between the experimentally obtained proportionality coefficient (4.012) and the theoretically obtained proportionality coefficient (4.039) is 0.62%, and the
検出器9は、スペクトルアナライザ8からビート信号を受けると、その受けたビート信号の周波数fBを検出するとともに、その検出した周波数fBに対応する回転角速度を直線k1を参照して検出する。 When the detector 9 receives the beat signal from the spectrum analyzer 8, the detector 9 detects the frequency f B of the received beat signal and detects the rotational angular velocity corresponding to the detected frequency f B with reference to the straight line k1.
これによって、光ジャイロ10において、回転角速度を検出できる。
Thus, the rotational angular velocity can be detected in the
図6は、図1に示す光ジャイロ10を用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。図6を参照して、ジャイロシステム100は、光検出器9に代えて無線装置60を用いて光ジャイロ10を構成し、その構成した光ジャイロ10にリモートコントローラ70を追加した構成からなる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a gyro system using the
無線装置60は、デジタイザ61、コントローラ62およびアンテナ63からなる。また、リモートコントローラ70は、パーソナルコンピュータ71と、アンテナ72とからなる。
The
デジタイザ61は、スペクトルアナライザ8からビート信号を受け、その受けたビート信号をコントローラ62へ出力する。コントローラ62は、ビート信号から周波数fBを検出し、その検出した周波数fBに基づいて、上述した方法によって回転角速度を検出する。そして、コントローラ62は、その検出した回転角速度を所定の方式に変調してアンテナ63を介して送信する。
Digitizer 61 receives the beat signal from spectrum analyzer 8 and outputs the received beat signal to
アンテナ72は、無線装置60からの電波を受信し、その受信した電波をパーソナルコンピュータ71へ出力する。パーソナルコンピュータ71は、アンテナ72からの電波を復調等して光ジャイロ10において検出された回転角速度を得る。
The antenna 72 receives radio waves from the
このように、ジャイロシステム100においては、光ジャイロ10は、検出した回転角速度を無線信号によって送信する無線装置60と、無線装置60からの電波を受信し、光ジャイロ10で検出された回転角速度を取得するリモートコントローラ70とを備えるので、光ジャイロ10がテーブル20上で高速に回転しても、光ジャイロ10によって検出された回転角速度を静止しているリモートコントローラ70において取得できる。
As described above, in the
なお、上述した光ジャイロ10においては、−100deg/sec〜+100deg/secの範囲においてビート信号の周波数fBが検出できない。この範囲において周波数fBが検出できない原因がロックイン現象である場合、光ジャイロ10においては、半導体光アンプ1を波長が異なる2つのレーザ光を発振する半導体光アンプに代えてもよい。これによって、ロックイン現象に起因して−100deg/sec〜+100deg/secの回転角速度の範囲において周波数fBを検出できないという問題を解決できる。
In the
図7は、光ジャイロにおける回転角速度と、2つのレーザ光の周波数差との関係を示す図である。図7の(a),(b),(c)の各々において、縦軸は、2つのレーザ光の周波数差Δωを表し、横軸は、回転角速度Ωを表す。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the rotational angular velocity in the optical gyro and the frequency difference between the two laser beams. In each of (a), (b), and (c) of FIG. 7, the vertical axis represents the frequency difference Δω between the two laser beams, and the horizontal axis represents the rotational angular velocity Ω.
光ジャイロにおいては、通常、同じ周波数の光を光ファイバ2内で時計回りと反時計回りとに伝搬させておく。この場合、光ジャイロに回転角速度が与えられると、時計回りの光と反時計回りの光との間に周波数差が発生する。そして、加えられる回転角速度Ωと光の周波数差Δωとの間には、比例関係が成立する。
In an optical gyro, light of the same frequency is normally propagated clockwise and counterclockwise in the
しかし、時計回りの光と反時計回りの光は、同じ光路内に存在するため、回転角速度Ωが小さい領域では、光路内で結合し、周波数差Δωが発生しないロックイン現象が生じる(図7の(a)参照)。 However, since the clockwise light and the counterclockwise light exist in the same optical path, in a region where the rotational angular velocity Ω is small, a lock-in phenomenon occurs where the light is coupled in the optical path and the frequency difference Δω does not occur (FIG. 7). (See (a)).
そこで、従来、ディザー機構を用いて回転角速度Ωが小さい領域においても2つの光の周波数差Δωが得られるようにしている(非特許文献2)。このディザー機構とは、回転角速度Ωにオフセットを与える方法である。即ち、機械的に、常時、一定の角速度を加えておく。この一定の角速度は、同じ周波数の2つの光が結合しない程度に十分に大きい周波数差を発生する角速度ΔΩである。 Therefore, conventionally, a dither mechanism is used to obtain a frequency difference Δω between two lights even in a region where the rotational angular velocity Ω is small (Non-patent Document 2). This dither mechanism is a method of giving an offset to the rotational angular velocity Ω. That is, a constant angular velocity is applied mechanically at all times. This constant angular velocity is an angular velocity ΔΩ that generates a sufficiently large frequency difference that two lights having the same frequency are not coupled.
そうすると、従来では、2つの光が結合してしまう小さな回転角速度(図7の(a)に示す領域REG1における角速度)が加えられた場合でも、光ジャイロに発生する回転角速度Ωは、ΔΩ±Ωになり、回転角速度ΔΩに起因した2つの光の周波数差Δωを検出できる(図7の(b)参照)。 Then, conventionally, even when a small rotational angular velocity (angular velocity in the region REG1 shown in FIG. 7A) that couples two lights is added, the rotational angular velocity Ω generated in the optical gyro is ΔΩ ± Ω. Thus, the frequency difference Δω between the two lights caused by the rotational angular velocity ΔΩ can be detected (see FIG. 7B).
一方、波長が異なる2つのレーザ光を発振する半導体光アンプを用いた光ジャイロでは、光ファイバ2内に周波数差Δkが発生する。そして、回転角速度Ωによって発生する2つのレーザ光間の周波数差をΔω1とすると、回転角速度Ωが加えられたときの2つのレーザ光間の周波数差Δωは、Δk±Δω1となる。
On the other hand, in an optical gyro using a semiconductor optical amplifier that oscillates two laser beams having different wavelengths, a frequency difference Δk is generated in the
この周波数差Δω=Δk±Δω1は、2つのレーザ光の結合を回避する十分な差である。従って、波長が相互に異なる2つのレーザ光を発振させることによってロックイン現象を回避できる。 This frequency difference Δω = Δk ± Δω1 is a sufficient difference to avoid the coupling of the two laser beams. Therefore, the lock-in phenomenon can be avoided by oscillating two laser beams having different wavelengths.
その結果、図7の(c)に示すように、回転角速度Ωが小さい領域においても、周波数差Δωを検出でき、光ジャイロ10の精度を向上できる。
As a result, as shown in FIG. 7C, the frequency difference Δω can be detected even in the region where the rotational angular velocity Ω is small, and the accuracy of the
なお、図7の(c)においては、周波数差Δωが零である回転角速度Ωの範囲が存在するが、この範囲は、半導体光アンプの全体の寸法を制御することによって、光ジャイロが通常検出する回転角速度の範囲外へシフトさせることができるので、この発明による光ジャイロは、実用上、問題はない。 In FIG. 7C, there is a rotational angular velocity Ω range in which the frequency difference Δω is zero. This range is normally detected by the optical gyro by controlling the overall dimensions of the semiconductor optical amplifier. Therefore, the optical gyro according to the present invention has no problem in practical use.
この発明においては、無線装置60は、「送信装置」を構成する。
In the present invention, the
また、リモートコントローラ70は、「受信装置」を構成する。
Further, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
この発明は、構造が簡単な光ジャイロに適用される。また、この発明は、構造が簡単な光ジャイロを備えたジャイロシステムに適用される。 The present invention is applied to an optical gyro having a simple structure. The present invention is also applied to a gyro system having an optical gyro with a simple structure.
1 半導体光アンプ、1A,1B 端面、2,4,6 光ファイバ、3,5 結合器、7 光検出器、8 スペクトルアナライザ、9 検出器、10 光ジャイロ、11 活性層、12,13 光閉込層、14,15 反射防止膜、20 テーブル、30 サーボ機構、31,32 ガイド、40,62 コントローラ、21,41 コア、60 無線装置、61 デジタイザ、63,72 アンテナ、70 リモートコントローラ、100 ジャイロシステム。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1のレーザ光を時計回りに回転させ、前記第2のレーザ光を反時計回りに回転させる第1の光ファイバと、
第2の光ファイバと、
前記第1の光ファイバ中の前記第1および第2のレーザ光の一部を前記第2の光ファイバへ導く第1の結合器と、
前記第2の光ファイバ中の前記第1および第2のレーザ光を重ね合わせた重ね合わせ光を出射する第2の結合器と、
前記レーザ光源および前記第1の光ファイバが所定の平面内で回転しているときの前記重ね合わせ光の周波数に基づいて前記レーザ光源および前記第1の光ファイバの回転角速度を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。 A laser light source that oscillates the first and second laser beams and amplifies the oscillated first and second laser beams;
A first optical fiber that rotates the first laser light clockwise and rotates the second laser light counterclockwise;
A second optical fiber;
A first coupler for guiding a portion of the first and second laser light in the first optical fiber to the second optical fiber;
A second coupler for emitting superposed light obtained by superposing the first and second laser lights in the second optical fiber;
Detecting means for detecting rotational angular velocities of the laser light source and the first optical fiber based on a frequency of the superimposed light when the laser light source and the first optical fiber are rotating in a predetermined plane; Optical gyro with
前記第1の光ファイバは、前記第1の端面から出射された前記第1のレーザ光を前記時計回りに回転させて前記第2の端面から前記半導体レーザに導くとともに、前記第2の端面から出射された前記第2のレーザ光を前記反時計回りに回転させて前記第1の端面から前記半導体レーザへ導く、請求項1に記載の光ジャイロ。 The laser light source has a first end face and a second end face opposite to the first end face, and oscillates the first and second laser beams from the first and second end faces. Each comprising a semiconductor laser emitting the first and second laser beams to the first optical fiber;
The first optical fiber rotates the first laser beam emitted from the first end face clockwise to guide the semiconductor laser from the second end face, and from the second end face. The optical gyro according to claim 1, wherein the emitted second laser light is rotated counterclockwise and guided from the first end surface to the semiconductor laser.
前記検出手段によって検出された前記回転角速度を無線信号に変換して送信する送信装置と、
前記送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して前記回転角速度を取得する受信装置とを備えるジャイロシステム。 An optical gyro according to any one of claims 1 to 4,
A transmission device that converts the rotational angular velocity detected by the detection means into a radio signal and transmits the radio signal;
A gyro system comprising: a receiving device that receives a radio signal transmitted from the transmitting device, decodes the received radio signal, and acquires the rotational angular velocity.
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