JP2010078581A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】分解能が高い光ファイバジャイロを提供する。
【解決手段】本発明の光ファイバジャイロは、周回光路１０を構成する光ファイバであって励起光の入力によって周回光路１０を互いに逆方向に進行するレーザ光Ｌ１およびＬ２を発振させる光アンプ部１１ａを少なくとも一部に含む光ファイバ１１と、励起光を出射する半導体レーザ素子１４と、周回光路１０に配置され励起光を光ファイバ１１に伝播するＷＤＭカプラ１２と、周回光路１０に配置されレーザ光Ｌ１およびＬ２の一部を周回光路１０から取り出す光カプラ１３と、周回光路１０から取り出されたレーザ光Ｌ１およびＬ２の周波数差を検出するためのフォトダイオード１８とを備える。レーザ光Ｌ１およびＬ２の波長λにおけるＷＤＭ１２カプラの挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）、および、波長λにおける光カプラ１３の挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）のいずれか一方が他方の０．５倍以上で２倍以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバジャイロに関する。

回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、リングレーザジャイロは精度が高いという特徴を有する。従来のリングレーザジャイロの一例では、多角環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出が行われる。このようなジャイロとして、希ガスレーザを用いたジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。このジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。しかし、希ガスレーザを用いたジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。また、光ファイバを用いた光ファイバジャイロも提案されている（たとえば特許文献２および３参照）。

特開平１１−３５１８８１号公報 特開平７−２１８２７１号公報 特開２００７−２１２２４７号公報

しかし、従来から、光ファイバジャイロでは、ロックイン現象や多モード発振によって分解能が低下することが問題となっていた。分解能が低いと、回転角速度が低い領域において角速度を求めることが難しくなる。

このような状況において、本発明は、分解能が高い光ファイバジャイロを提供することを目的の１つとする。

上記目的を達成するために検討した結果、本件発明者らは、周回光路の光学的な対称性を高めることによって、分解能を高めることができることを見出した。このような知見は従来全く知られておらず、本件発明はこの新たな知見に基づく発明である。

すなわち、本発明の第１の光ファイバジャイロは、周回光路を構成する光ファイバであって、励起光の入力によって前記周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発振させる光アンプ部を少なくとも一部に含む光ファイバと、前記励起光を出射する半導体レーザ素子と、前記周回光路に配置され、前記励起光を前記光ファイバに伝播させるＷＤＭカプラと、前記周回光路に配置され、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記周回光路から取り出す光カプラと、前記周回光路から取り出された前記第１のレーザ光の周波数と前記周回光路から取り出された第２のレーザ光の周波数との差を検出するための受光素子とを備える。そして、前記第１および第２のレーザ光の波長λにおける前記ＷＤＭカプラの挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）、および、前記波長λにおける前記光カプラの挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）のいずれか一方が他方の０．５倍以上で２倍以下である。

また、本発明の第２の光ファイバジャイロは、周回光路を構成する光ファイバであって、励起光の入力によって前記周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発振させる光アンプ部を含む光ファイバ（Ｆ）と、前記励起光を出射する半導体レーザ素子と、前記周回光路に配置され、前記励起光を前記光ファイバ（Ｆ）に伝播させる第１のＷＤＭカプラと、前記周回光路に配置され、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記周回光路から取り出す光カプラと、前記周回光路から取り出された前記第１のレーザ光の周波数と前記周回光路から取り出された第２のレーザ光の周波数との差を検出するための受光素子とを備える。前記光アンプ部は前記周回光路の一部のみを構成する。前記光ファイバ（Ｆ）は、前記光アンプ部、光ファイバ（Ｆ１）および光ファイバ（Ｆ２）を含む。前記光アンプ部の２つの端部のうちの一方の端部と前記光カプラとの間に前記光ファイバ（Ｆ１）が配置され、前記光アンプ部の他方の端部と前記光カプラとの間に前記光ファイバ（Ｆ２）が配置されている。

本発明によれば、分解能が高い光ファイバジャイロが得られる。分解能を高めることによって、回転角速度が低い領域においても角速度を求めることが容易になる。

以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。

［第１の光ファイバジャイロ］
本発明の第１の光ファイバジャイロは、周回光路（共振器）を構成する光ファイバ、半導体レーザ素子、ＷＤＭカプラ、光カプラ（以下、「光カプラ（Ｃ）」という場合がある）、および受光素子を備える。また、本発明の第１の光ファイバジャイロは、受光素子の出力信号を処理する演算処理装置を備えてもよい。

周回光路を構成する光ファイバは、励起光の入力によって周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発振させる光アンプ部（光ファイバアンプ）を少なくとも一部に含む。以下、第１のレーザ光および第２のレーザ光を、それぞれ、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２という場合がある。

光アンプ部には、たとえば、希土類元素のイオンがドープされた光ファイバを用いることができる。ドープされる希土類元素の例には、エルビウム、ツリウムおよびプラセオジムが含まれる。希土類元素のイオンのドープ量は、共振器全体の損失を考慮して決定してもよい。希土類元素のイオン（たとえばエルビウムイオン）のドープ量は、たとえば０．２５ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％の範囲としてもよい。エルビウムイオンがドープされたファイバを利得媒質とする光アンプ部（以下、「ＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）」という場合がある）を用いることによって、波長が１．５５μｍのレーザ光Ｌ１およびＬ２を励起できる。

周回光路に占める光アンプ部の割合に特に限定はなく、光アンプ部の長さは、第１および第２のレーザ光を発振させることができる長さであればよい。一例では、周回光路を構成する光ファイバのすべてが、光アンプ部（たとえば希土類がドープされた光ファイバ）であってもよい。光アンプ部以外の光ファイバには、レーザ光Ｌ１およびＬ２の発振波長における損失が少ない光ファイバ（たとえば一般的な光ファイバ）を用いることができる。光アンプ部を構成する光アンプファイバと、それ以外の部分を構成する光ファイバとは、たとえば融着によって結合できる。

半導体レーザ素子は、光アンプ部を励起するための励起光（レーザ光）を出射する。励起用のレーザ光の波長は、励起されるレーザ光Ｌ１およびＬ２の波長よりも短波長でなければならない。そのため、光アンプ部の種類に応じて半導体レーザ素子が選択される。光アンプ部がＥＤＦＡである場合、発振波長が９７０ｎｍ〜９８０ｎｍの範囲にある半導体レーザ素子や、発振波長が１４７０ｎｍ〜１４９０ｎｍの範囲にある半導体レーザ素子を用いてもよい。半導体レーザ素子の一例は、III−Ｖ族化合物半導体レーザ素子である。

ＷＤＭカプラ（Wavelength Division Multiplexing Coupler）は、半導体レーザ素子から出射された励起光を、周回光路を構成する光ファイバに伝播させる。ＷＤＭカプラとしては、励起光が周回光路に伝播する割合が高く、且つ、周回光路を周回するレーザ光Ｌ１およびＬ２が励起用の光路に伝播する割合が小さいカプラが用いられる。光カプラ（Ｃ）は、レーザ光Ｌ１およびＬ２の一部を周回光路から取り出す。

受光素子は、周回光路から取り出されたレーザ光Ｌ１の周波数と周回光路から取り出されたレーザ光Ｌ２の周波数との差を検出するための素子である。一例では、受光素子は、重ね合わされたレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とを受光する。その場合、本発明のジャイロは、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とを重ね合わせるための素子（たとえば合波用の光カプラ）をさらに備える。レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との差に基づくビート信号を受光素子の出力信号から検出でき、ビート信号からジャイロの回転角速度を求めることができる。

本発明の第１のジャイロでは、レーザ光Ｌ１およびＬ２の波長λにおけるＷＤＭカプラの挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）、および、波長λにおける光カプラ（Ｃ）の挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）のいずれか一方が他方の０．５倍以上で２倍以下である。この関係は、以下の式で表される。
０．５≦Ｐ₂／Ｐ₁≦２

なお、ジャイロが回転すると、レーザ光Ｌ１の波長とレーザ光Ｌ２の波長との間にずれが生じるが、そのずれはわずかである。そのため、カプラの挿入損失を考慮するにあたって、両者の波長をともにλとみなしても実質的に問題ない。すなわち、波長λは、ジャイロが回転していないときのレーザ光Ｌ１およびＬ２の波長であるとみなしても問題ない。

挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）および挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）は、以下のいずれかの式を満たしてもよい。また、挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）と挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）とは同じであってもよい。
３／４≦Ｐ₂／Ｐ₁≦４／３
４／５≦Ｐ₂／Ｐ₁≦５／４

挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）および挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）は、ともに１．０ｄＢ以下であることが好ましく、たとえば０．１ｄＢ以下である。

本発明の第１のジャイロでは、光アンプ部が周回光路の一部のみを構成していてもよい。

［実施形態１］
実施形態１では、本発明の第１の光ファイバジャイロの一例について説明する。実施形態１のジャイロ１００の構成を図１に模式的に示す。

ジャイロ１００は、光ファイバ１１、ＷＤＭカプラ１２、光カプラ１３、半導体レーザ素子１４、励起光用の光ファイバ１５、レーザ光取り出し用の光ファイバ１６、合波用の光カプラ１７、フォトダイオード１８、およびコントローラ１９を備える。

光ファイバ１１は、ＷＤＭカプラ１２および光カプラ１３とともに周回光路１０を構成する。光ファイバ１１は、光アンプ部１１ａと、シングルモードファイバ１１ｂとによって構成されている。光アンプ部１１ａの端部１１ａｘおよび１１ａｙの部分で、光アンプ部１１ａとシングルモードファイバ１１ｂとが結合している。シングルモードファイバ１１ｂは、偏波面保存シングルモードファイバであってもよい。図１では、光アンプ部１１ａの部分をグレーで表示している。光アンプ部１１ａの長さは、たとえば０．１３ｍ〜１５ｍの範囲にある。光ファイバ１１の全体の長さは、たとえば１〜５０ｍの範囲にあり、たとえば１ｍ、５ｍ、７ｍまたは１０ｍである。なお、光ファイバ１１は、コイル状に巻かれていてもよい。ＷＤＭカプラ１２および光カプラ１３は、シングルモードファイバ１１ｂの部分に配置されている。

半導体レーザ素子１４は、励起用のレーザ光ＬＥを出射する。半導体レーザ素子１４は、ペルチェ素子によって温度が安定化されている。励起用のレーザ光ＬＥは、光ファイバ１５およびＷＤＭカプラ１２を介して光ファイバ１１に伝播する。光ファイバ１５は、波長を安定化させるためのファイバ・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）を備える。

ＷＤＭカプラ１２において、周回光路で励起される第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２は、ほとんど光ファイバ１５に伝播しない。ＷＤＭカプラ１２には、そのような条件を満たすカプラが用いられる。一例では、レーザ光ＬＥの９０％以上（たとえば９０〜１００％）が光ファイバ１１に伝播し、レーザ光Ｌ１およびＬ２の５％以下（たとえば１〜５％）が光ファイバ１５に伝播するようなＷＤＭカプラ１２が用いられる。

励起用のレーザ光ＬＥが光アンプ部１１ａの部分に入射することによって、周回光路１０を時計回りに周回するレーザ光Ｌ１と、周回光路１０を反時計回りに周回するレーザ光Ｌ２とが励起される。レーザ光Ｌ１およびＬ２の波長λは、光アンプ部１１ａがＥＤＦＡである場合には、たとえば１．５５μｍである。レーザ光Ｌ１およびＬ２の一部は、光カプラ１３を介して光ファイバ１６に伝播する。一例では、周回光路１０を周回するレーザ光Ｌ１およびＬ２の１〜５０％（たとえば１〜５％）が、光カプラ１３を介して取り出される。

引き出されたレーザ光Ｌ１およびＬ２は、進行方向が揃えられ、光カプラ１７で重ね合わされる。光カプラ１７は、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２のたとえば５０％程度を他方の光ファイバ１６に伝播する。光ファイバ１６の一方の端には、ターミネータ２０が配置されている。ターミネータ２０は、レーザ光が光ファイバ１６の端面で反射されることを防止する。

重ね合わされたレーザ光Ｌ１およびＬ２は、フォトダイオード１８で検出される。フォトダイオード１８の出力信号は、コントローラ１９によって処理される。コントローラ１９は、半導体レーザ素子１４の駆動と、フォトダイオード１８からの出力信号の処理とを行う。

コントローラ１９は、演算処理装置（内部メモリを含んでもよい）を含み、必要に応じて外部メモリをさらに含んでもよい。メモリには、半導体レーザ素子１４を制御するためのプログラム、フォトダイオード１８からの出力信号に基づいて回転角速度を算出するための数式などが格納される。これらのプログラムには、公知のプログラムを用いることができる。

ジャイロ１００では、レーザ光Ｌ１およびＬ２の波長λにおけるＷＤＭカプラ１２の挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）、および、波長λにおける光カプラ１３の挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）のいずれか一方が他方の０．５倍以上で２倍以下である。挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）と挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）とが近くなることによって、周回光路における光学的な対称性が高まる。その結果、分解能が高いジャイロが得られる。

ジャイロ１００が回転すると、サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果によって、レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との間に差が生じる。その結果、フォトダイオード１８では、その周波数差に基づくビート信号が検出される。このビート信号から、ジャイロ１００の回転角速度が求められる。

図１に示すジャイロ１００について、周回光路１０の長さが異なる３種類のジャイロを実際に作製し、フォトダイオード１８の出力信号をスペクトラムアナライザで評価した。周回光路１０の長さ（リング長）は、５．６１ｍ、７．３７ｍ、または１５．６１ｍとした。いずれのジャイロにおいても、半導体レーザ素子１４には、発振波長が９７０〜９８０ｎｍである半導体レーザ素子、たとえば発振波長が９７４ｎｍである、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸を有する半導体レーザ素子を用いた。光アンプ部１１ａにはＥＤＦＡを用い、光アンプ部１１ａの長さは０．１３ｍとした。シングルモードファイバ１１ｂには、コア部にＧｅがドープされたＳｉＯ₂ファイバを用いた。ＷＤＭカプラ１２には、波長１．５５μｍにおける挿入損失が１．０３ｄＢであるカプラ（タツタ電線株式会社製、９８０／１５５０ＰＵＭＰ波長分岐カプラ）を用いた。光カプラ１３には、波長１．５５μｍにおける挿入損失が、０．２８、３．２８、６．２８または１０．２８ｄＢであるものを用いた。光カプラ１３には、周回光路１０を周回するレーザ光Ｌ１およびＬ２の５％が光ファイバ１６に伝播するものを用いた。

そして、波長１．５５μｍにおける光カプラ１３の挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）と波長１．５５μｍにおけるＷＤＭカプラ１２の挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）との比［Ｐ₂／Ｐ₁］を変化させて、サニャック効果によって生じたビート信号の半値全幅（ＦＷＨＭ）を調べた。結果を図２に示す。

図２に示すように、Ｐ₂／Ｐ₁≦２（Ｐ₁／Ｐ₂≦０．５）の場合には、いずれのジャイロでも半値全幅が大幅に低下した。半値全幅が小さいことは、ビート信号の線幅が狭くジャイロの分解能が高いことを示す。このように、挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）および挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）のいずれか一方が他方の０．５倍以上で２倍以下であるようにジャイロを設計することによって、測定精度が高いジャイロが得られる。

［第２の光ファイバジャイロ］
本発明の第２の光ファイバジャイロは、周回光路を構成する光ファイバ（Ｆ）、半導体レーザ素子、ＷＤＭカプラ（第１のＷＤＭカプラ）、光カプラ（光カプラ（Ｃ））、および受光素子を備える。また、本発明の第２のジャイロは、受光素子の出力信号を処理する演算処理装置を備えてもよい。

周回光路を構成する光ファイバは、周回光路の一部のみを構成する光アンプ部を含む。その光アンプ部は、励起光の入力によって周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２を発振させる。半導体レーザ素子は、光アンプ部を励起するための励起光を出射する。第１のＷＤＭカプラは、周回光路を構成する光ファイバに励起光を伝播させる。光カプラ（Ｃ）は、レーザ光Ｌ１およびＬ２の一部を周回光路から取り出す。受光素子は、周回光路から取り出されたレーザ光Ｌ１の周波数と周回光路から取り出されたレーザ光Ｌ２の周波数との差を検出するための素子である。

本発明の第２のジャイロは、以下の点を除き、本発明の第１のジャイロと同じ構成とすることができるため、重複する説明を省略する。

（ｉ）ＷＤＭカプラの挿入損失Ｐ₁と、光カプラ（Ｃ）の挿入損失Ｐ₂との間の関係に限定がないこと。

（ii）光アンプ部が周回光路の一部のみを構成しており、周回光路のすべてが光アンプ部で構成されることがないこと。

（iii）光ファイバ（Ｆ）が、光アンプ部、光ファイバ（Ｆ１）および光ファイバ（Ｆ２）を含み、光アンプ部の２つの端部のうちの一方の端部と光カプラ（Ｃ）との間に光ファイバ（Ｆ１）が配置され、光アンプ部の他方の端部と光カプラとの間に光ファイバ（Ｆ２）が配置されていること。光ファイバ（Ｆ１）および光ファイバ（Ｆ２）は光アンプ部ではなく、光増幅を生じない。光ファイバ（Ｆ１）および光ファイバ（Ｆ２）には、一般的な光ファイバを用いることができる。典型的な一例では、光ファイバ（Ｆ１）と光ファイバ（Ｆ２）とには、同じ光ファイバが用いられる。

本発明の第２のジャイロでは、ＷＤＭカプラの挿入損失Ｐ₁と、光カプラ（Ｃ）の挿入損失Ｐ₂との間の関係に限定がないが、それらは、第１のジャイロで説明した関係を満たすことが好ましい。また、実施形態１で説明したように、挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）および挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）は、ともに１．０ｄＢ以下であることが好ましく、たとえば０．１ｄＢ以下である。

第２の光ファイバジャイロは、第２のＷＤＭカプラをさらに備えてもよい。光ファイバ（Ｆ１）は、光アンプ部に接続された光ファイバ（Ｆ１Ａ）と光カプラに接続された光ファイバ（Ｆ１Ｂ）を含んでもよい。光ファイバ（Ｆ２）は、光アンプ部に接続された光ファイバ（Ｆ２Ａ）と光カプラに接続された光ファイバ（Ｆ２Ｂ）を含んでもよい。光ファイバ（Ｆ１Ａ）と光ファイバ（Ｆ１Ｂ）との間に第１のＷＤＭカプラが配置されていてもよい。光ファイバ（Ｆ２Ａ）と光ファイバ（Ｆ２Ｂ）との間に第２のＷＤＭカプラが配置されていてもよい。この構成において、第１および第２のＷＤＭカプラは共に、励起光を光ファイバ（Ｆ）に伝搬させるカプラであってもよい。

第２の光ファイバジャイロは、第１および第２のファラデー回転子を含んでもよい。そして、光ファイバ（Ｆ１Ａ）の途中に第１のファラデー回転子が配置されており、光ファイバ（Ｆ２Ａ）の途中に第２のファラデー回転子が配置されていてもよい。また、光ファイバ（Ｆ１Ｂ）の途中に第１のファラデー回転子が配置されており、光ファイバ（Ｆ２Ｂ）の途中に第２のファラデー回転子が配置されていてもよい。

［実施形態２］
実施形態２では、本発明の第２の光ファイバジャイロの一例について説明する。実施形態２のジャイロ３００の構成を図３に模式的に示す。なお、実施形態１のジャイロ１００と同様の部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。

図３のジャイロ３００は、光ファイバ３１０、ＷＤＭカプラ３２、ＷＤＭカプラ３２ｂ、光カプラ３３、半導体レーザ素子１４、励起光用の光ファイバ１５、レーザ光取り出し用の光ファイバ１６、合波用の光カプラ１７、フォトダイオード１８、コントローラ１９、および光フィルタを備える。

光ファイバ３１０は、ＷＤＭカプラ３２、ＷＤＭカプラ３２ｂおよび光カプラ３３とともに周回光路（共振器）１０を構成する。光ファイバ３１０は、光増幅を生じる光アンプ部３１１、光増幅を生じない光ファイバ３１２（光ファイバＦ１）および光ファイバ３１３（光ファイバＦ２）とによって構成されている。光ファイバ３１２は、光ファイバ３１２ａ（光ファイバＦ１Ａ）および光ファイバ３１２ｂ（光ファイバＦ１Ｂ）で構成されている。光ファイバ３１３は、光ファイバ３１３ａ（光ファイバＦ２Ａ）および光ファイバ３１３ｂ（光ファイバＦ２Ｂ）で構成されている。

ＷＤＭカプラ３２は、光ファイバ３１２の途中（光ファイバ３１２ａと光ファイバ３１２ｂとの間）に配置されている。ＷＤＭカプラ３２ｂは、光ファイバ３１３の途中（光ファイバ３１３ａと光ファイバ３１３ｂとの間）に配置されている。なお、ジャイロ３００において、ＷＤＭカプラ３２ｂを省略し、光ファイバ３１３を１本の光ファイバで構成してもよい。

光アンプ部３１１は、光アンプ部１１と同様の構成とすることができる。光ファイバ３１２および３１３は、それぞれ、シングルモードファイバ１１ｂと同じ構成とすることができる。光ファイバファイバ３１２および光ファイバ３１３は、偏波面保存シングルモードファイバであってもよい。

光アンプ部３１１の長さは、たとえば０．０５ｍ〜１５ｍの範囲あり、０．１ｍ〜０．１５ｍ（たとえば０．１３ｍ）の範囲にあってもよい。光ファイバ３１０の全体の長さは、たとえば１〜２００ｍの範囲にあり、７５ｍ〜１５０ｍの範囲にあってもよい。なお、光ファイバ３１０は、コイル状に巻かれていてもよい。

半導体レーザ素子１４は、ＡＣＣ制御されており、励起用のレーザ光ＬＥを出射する。半導体レーザ素子１４は、ペルチェ素子によって温度が安定化されている。励起用のレーザ光ＬＥは、光ファイバ１５およびＷＤＭカプラ３２を介して光ファイバ１１に伝播する。光ファイバ１５は、波長を安定化させるためのファイバ・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）を備える。ＷＤＭ３２ｂにも光ファイバ１５が接続されており、その端部にターミネータ２０が配置されている。

ＷＤＭカプラ３２および３２ｂにおいて、周回光路で励起される第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２は、ほとんど光ファイバ１５に伝播しない。ＷＤＭカプラ３２および３２ｂには、そのような条件を満たすカプラが用いられる。一例では、レーザ光ＬＥの９０％以上（たとえば９０〜１００％が光ファイバ３１１に伝播し、レーザ光Ｌ１およびＬ２の５％以下（たとえば１〜５％）が光ファイバ１５に伝播するようなＷＤＭカプラ３２が用いられる。

励起用のレーザ光ＬＥが光アンプ部３１１の部分に入射することによって、周回光路１０を時計回りに周回するレーザ光Ｌ１と、周回光路１０を反時計回りに周回するレーザ光Ｌ２とが励起される。レーザ光Ｌ１およびＬ２の波長λは、光アンプ部３１１がＥＤＦＡである場合には、たとえば１．５５μｍである。レーザ光Ｌ１およびＬ２の一部は、光カプラ３３を介して光ファイバ１６に伝播する。一例では、周回光路１０を周回するレーザ光Ｌ１およびＬ２の１〜５０％（たとえば１〜５％）が、光カプラ３３を介して光ファイバ１６に伝播する。

引き出されたレーザ光Ｌ１およびＬ２は、進行方向が揃えられ、光カプラ１７で重ね合わされる。光カプラ１７は、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２のたとえば５０％程度を他方の光ファイバ１６に伝播する。光ファイバ１６の一方の端には、ターミネータ２０が配置されている。ターミネータ２０は、レーザ光が光ファイバ１６の端面で反射されることを防止する。

重ね合わされたレーザ光Ｌ１およびＬ２は、フォトダイオード１８で検出される。なお、不要な波長の光は、光フィルタで除去される。フォトダイオード１８の出力信号は、コントローラ１９によって処理される。コントローラ１９は、半導体レーザ素子１４の駆動と、フォトダイオード１８からの出力信号の処理とを行う。

コントローラ１９は、演算処理装置（内部メモリを含んでもよい）を含み、必要に応じて外部メモリをさらに含んでもよい。メモリには、半導体レーザ素子１４を制御するためのプログラム、フォトダイオード１８からの出力信号に基づいて回転角速度を算出するための数式などが格納される。これらのプログラムには、公知のプログラムを用いることができる。

ジャイロ３００が回転すると、サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果によって、レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との間に差が生じる。その結果、フォトダイオード１８では、その周波数差に基づくビート信号が検出される。このビート信号から、ジャイロ３００の回転角速度が求められる。

ジャイロ３００では、波長λにおける光カプラ３３の挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）と、波長λにおけるＷＤＭカプラ３２の挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）との比［Ｐ₂／Ｐ₁］に特に限定はない。しかし、この比は、第１のジャイロで説明した範囲にあることが好ましく、Ｐ₂＝Ｐ₁であってもよい。

第２の光ファイバジャイロは、光カプラ３３の両端と光アンプ部３１１の両端とが、光ファイバ３１２および３１３によってつながれていることを特徴とする。換言すれば、第２の光ファイバジャイロでは、光アンプ部３１１と光カプラ３３とが直結されることがない。この構成によれば、周回光路の対称性を高めることができるため、分解能が高いジャイロが得られる。また、ジャイロ３００では、光ファイバ３１２および３１３のそれぞれの途中にＷＤＭカプラが配置されており、これによっても周回光路の対称性が高められている。

光ファイバ（Ｆ１）の長さと光ファイバ（Ｆ２）の長さとの差を小さくすることによって、系の対称性をより高めることができる。光ファイバ（Ｆ１）の長さＤ１と光ファイバ（Ｆ２）の長さＤ２とは、｜Ｄ１−Ｄ２｜／（Ｄ１＋Ｄ２）≦０．７５の関係を満たすことが好ましく、たとえば、｜Ｄ１−Ｄ２｜／（Ｄ１＋Ｄ２）≦０．５や、｜Ｄ１−Ｄ２｜／（Ｄ１＋Ｄ２）≦０．３や、｜Ｄ１−Ｄ２｜／（Ｄ１＋Ｄ２）≦０．１の関係を満たしてもよい。

光ファイバ（Ｆ１）の長さＤ１と光ファイバ（Ｆ２）の長さＤ２とを変えてビート信号を測定した結果を図４に示す。図４には、Ｄ１およびＤ２が共に２０ｍである場合（２０：２０）と、Ｄ１およびＤ２の一方が４０ｍで他方が０ｍである場合（４０：０）を示す。図４に示すように、光アンプ部と光カプラとが直結されていないジャイロ（２０：２０）は、それらが直結されているジャイロ（４０：０）に比べて、ビート信号の線幅が狭くなり、また、信号強度が１０倍以上となった。

また、Ｄ１とＤ２との差の絶対値ΔＤと、ビート信号の線幅との関係を図５に示す。図５において、Ｄ１とＤ２との合計は４０ｍである。ΔＤが３０ｍ、すなわち、（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１＋Ｄ２）＝０．７５のジャイロは、光アンプ部と光カプラとが直結されているジャイロ（ΔＤ＝４０）と比べて、ビート信号の線幅が半分以下になった。

周回光路（共振器）の全周を長くすることによって、共振器のＱ値を高めることができる。また、共振器内の対称性を高めることによって、分解能を高めることができる。周回光路の全周を１００ｍとしたときのビート信号を、図６に示す。図６には、Ｄ１およびＤ２が共に５０ｍであるジャイロ（５０：５０）のビート信号と、Ｄ１およびＤ２の一方が１００ｍで他方が０ｍであるジャイロ（１００：０）のビート信号とを示す。図６に示すように、対称性が高いジャイロ（５０：５０）のビート信号の強度は、対称性が低いジャイロ（１００：０）のビート信号の強度の１０倍以上であった。

［実施形態３］
実施形態３では、本発明の第２の光ファイバジャイロの他の一例について説明する。実施形態３のジャイロ４００の構成を図７に模式的に示す。なお、上述した実施形態のジャイロと同様の部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。

ジャイロ４００では、光ファイバ３１３が、光ファイバ３１３ａおよび光ファイバ３１３ｂによって構成されている。ジャイロ４００は、ジャイロ３００と比較して、ファラデー回転子４０１および４０２を備える点が異なる。なお、ジャイロ４００において、ＷＤＭカプラ３２ｂを省略してもよい。また、ジャイロ４００において、ファラデー回転子４０１および４０２を省略してもよい。

ファラデー回転子４０１および４０２を用いることによって、ビート信号の検出が容易になる。

ジャイロ４００において、系の対称性が維持されるようにファラデー回転子４０１とファラデー回転子４０２とを配置することが重要である。具体的には、図７に示すように、光カプラ３３とＷＤＭカプラ３２との間（光ファイバ３１２ｂの途中）にファラデー回転子４０１を配置し、光カプラ３３とＷＤＭカプラ３２ｂとの間（光ファイバ３１３ｂの途中）にファラデー回転子４０２を配置する。あるいは、光アンプ部３１１とＷＤＭカプラ３２との間（光ファイバ３１２ａの途中）にファラデー回転子４０１を配置し、光アンプ部３１１とＷＤＭカプラ３２ｂとの間（光ファイバ３１３ａの途中）にファラデー回転子４０２を配置してもよい。

ファラデー回転子の回転角に特に限定はなく、一例では、２２．５°や４５°である。ファラデー回転子４０１の回転角とファラデー回転子４０２の回転角とは同じであることが好ましい。

偏波面の回転角がβである１つのファラデー回転子を系に加えると、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との間に、α＝（β／π）・Δｆの周波数差が生じる。ここで、Δｆは、縦モード間隔である。レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の周波数差は、ジャイロの回転に由来する周波数差と、ファラデー回転子に由来する周波数差との合計になる。そのため、ジャイロの回転に由来する周波数差が小さい場合でも、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の周波数差を検出しやすくなり、分解能を高めることが可能となる。

実施形態３のジャイロにおいて、半導体レーザ素子１４から出力された励起光を、ＷＤＭカプラ３２とＷＤＭカプラ３２ｂの両方に入力してもよい。そのようなジャイロの構成の一例を、図８に示す。

図８の例では、半導体レーザ素子１４から出射された励起用のレーザ光ＬＥは、アイソレータを通ったのち、カプラで分岐されてＷＤＭカプラ３２およびＷＤＭカプラ３２ｂに入力される。

また、実施形態３のジャイロにおいて、２つの半導体レーザ素子１４を用い、それぞれの出力をＷＤＭカプラ３２とＷＤＭカプラ３２ｂとに入力してもよい。そのようなジャイロの一例を、図９に示す。

上述したように、本発明の第１および第２のジャイロにおいて、周回光路に存在する素子は、系の対称性を高めるように配置されることが好ましい。好ましい一例では、周回光路に配置される２つのＷＤＭカプラは同じＷＤＭカプラであり、周回光路に配置される２つのファラデー回転子は同じファラデー回転子である。また、好ましい一例では、周回光路に存在する素子間の距離は、系の対称性を高めるように設定される。

本発明の効果が得られる限り、第１および第２のジャイロの一方で説明した事項は、他方のジャイロに適用することが可能である。また、本発明の効果が得られる限り、実施形態のいずれかで説明した事項は、他の実施形態に適用することが可能である。

なお、本発明の第１および第２の光ファイバジャイロでは、レーザ光Ｌ１およびＬ２を単一モード化するための構成、および／または、レーザ光Ｌ１およびＬ２を単一偏波化するための構成をさらに備えてもよい。レーザ光Ｌ１およびＬ２を単一モード化するための方法としては、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）の導入や、エタロンの導入が挙げられる。レーザ光Ｌ１およびＬ２を単一偏波化するための方法としては、偏波面保存ファイバの導入や、偏光素子の導入が挙げられる。

以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。

本発明の光ファイバジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。

本発明の第１の光ファイバジャイロについて、構成を模式的に示す図である。 本発明の第１の光ファイバジャイロについて、光カプラの挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）とＷＤＭカプラの挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）との比［Ｐ₂／Ｐ₁］と、ビート信号の半値全幅との関係を示すグラフである。 本発明の第２の光ファイバジャイロについて、構成の一例を模式的に示す図である。 本発明の第２の光ファイバジャイロの効果を示すグラフである。 本発明の第２の光ファイバジャイロの効果を示す他のグラフである。 本発明の第２の光ファイバジャイロの効果を示すその他のグラフである。 本発明の第２の光ファイバジャイロについて、構成の他の一例を模式的に示す図である。 本発明の第２の光ファイバジャイロについて、構成のその他の一例を模式的に示す図である。 本発明の第２の光ファイバジャイロについて、構成のその他の一例を模式的に示す図である。

符号の説明

１１、１５、１６ 光ファイバ
１１ａ 光アンプ部
１１ａｘ、１１ａｙ 端部
１１ｂ シングルモードファイバ
１２、３２ ＷＤＭカプラ
１３、１７、３３ 光カプラ
１４ 半導体レーザ素子
１５、１６ 光ファイバ
１８ フォトダイオード
１９ コントローラ
１００、３００、４００ ジャイロ（光ファイバジャイロ）

Claims (6)

1. 周回光路を構成する光ファイバであって、励起光の入力によって前記周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発振させる光アンプ部を少なくとも一部に含む光ファイバと、
   前記励起光を出射する半導体レーザ素子と、
   前記周回光路に配置され、前記励起光を前記光ファイバに伝播させるＷＤＭカプラと、
   前記周回光路に配置され、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記周回光路から取り出す光カプラと、
   前記周回光路から取り出された前記第１のレーザ光の周波数と前記周回光路から取り出された第２のレーザ光の周波数との差を検出するための受光素子とを備え、
   前記第１および第２のレーザ光の波長λにおける前記ＷＤＭカプラの挿入損失Ｐ₁（ｄＢ）、および、前記波長λにおける前記光カプラの挿入損失Ｐ₂（ｄＢ）のいずれか一方が他方の０．５倍以上で２倍以下である、光ファイバジャイロ。
2. 周回光路を構成する光ファイバであって、励起光の入力によって前記周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発振させる光アンプ部を含む光ファイバ（Ｆ）と、
   前記励起光を出射する半導体レーザ素子と、
   前記周回光路に配置され、前記励起光を前記光ファイバ（Ｆ）に伝播させる第１のＷＤＭカプラと、
   前記周回光路に配置され、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記周回光路から取り出す光カプラと、
   前記周回光路から取り出された前記第１のレーザ光の周波数と前記周回光路から取り出された第２のレーザ光の周波数との差を検出するための受光素子とを備え、
   前記光アンプ部は前記周回光路の一部のみを構成し、
   前記光ファイバ（Ｆ）は、前記光アンプ部、光ファイバ（Ｆ１）および光ファイバ（Ｆ２）を含み、
   前記光アンプ部の２つの端部のうちの一方の端部と前記光カプラとの間に前記光ファイバ（Ｆ１）が配置され、前記光アンプ部の他方の端部と前記光カプラとの間に前記光ファイバ（Ｆ２）が配置されている、光ファイバジャイロ。
3. 前記光ファイバジャイロは、第２のＷＤＭカプラをさらに備え、
   前記光ファイバ（Ｆ１）は、前記光アンプ部に接続された光ファイバ（Ｆ１Ａ）と前記光カプラに接続された光ファイバ（Ｆ１Ｂ）を含み、
   前記光ファイバ（Ｆ２）は、前記光アンプ部に接続された光ファイバ（Ｆ２Ａ）と前記光カプラに接続された光ファイバ（Ｆ２Ｂ）を含み、
   前記光ファイバ（Ｆ１Ａ）と前記光ファイバ（Ｆ１Ｂ）との間に前記第１のＷＤＭカプラが配置されており、
   前記光ファイバ（Ｆ２Ａ）と前記光ファイバ（Ｆ２Ｂ）との間に前記第２のＷＤＭカプラが配置されている、請求項２に記載の光ファイバジャイロ。
4. 前記第１および第２のＷＤＭカプラは共に、前記励起光を前記光ファイバ（Ｆ）に伝搬させるカプラである、請求項３に記載の光ファイバジャイロ。
5. 第１および第２のファラデー回転子を含み、
   前記光ファイバ（Ｆ１Ａ）の途中に前記第１のファラデー回転子が配置されており、
   前記光ファイバ（Ｆ２Ａ）の途中に前記第２のファラデー回転子が配置されている、請求項３または４に記載の光ファイバジャイロ。
6. 第１および第２のファラデー回転子を含み、
   前記光ファイバ（Ｆ１Ｂ）の途中に前記第１のファラデー回転子が配置されており、
   前記光ファイバ（Ｆ２Ｂ）の途中に前記第２のファラデー回転子が配置されている、請求項３または４に記載の光ファイバジャイロ。

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