JP2526143B2 - 光ファイバ回転検出システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光フアイバ回転検出方法及びそのシステムに
係り、更に詳しくはサーボループのフイードバツク信号
の振動により生ずる閉ループ回転センサの出力のエラー
を低減し得る光フアイバ回転検出方法及びそのシステム
に関する。

（従来の技術） 光フアイバ伝播による干渉計には通常互いに反対方向
に移動する光波を伝送するループ状の光フアイバ材料が
包有される。互いに反対方向にループを移動した波は加
算的に又は減算的に結合され干渉して光信号を作る。光
信号の強さは反対方向に移動する波の相対位相によるこ
の干渉の関数として変化する。

光フアイバ伝播による干渉計は特に回転の検出に有効
であることが判明している。周知のサグナツク効果（Sa
gnac effect）により、ループ回転されると互いに反対
方向に移動する光波の位相に相対的に差が生じる。位相
差量はループの角速度の関数である。互いに反対方向に
移動する光波の干渉により生じる光信号の強さはループ
の回転速度の関数として変化する。この光信号を検出し
処理して回転速度を決定することにより回転速度の検出
が実現される。慣性による航空分野において良好に採用
され得るように、回転センサのダイナミツクレンジは極
めて広くとる必要がある。回転センサはまた時間当たり
最低0.01度、且つ秒当たり最大1,000度の回転速度を可
能に構成することが要求される。検出可能な回転速度の
最大値と最小値との比は約10⁹程度にされる。

閉ループの回転センサはサグナツク位相偏位を示す信
号を、互いに反対方向に移動する光波の位相又は周波数
を調節する手段に送り、光波間の回転による位相差を零
にするように構成している。サグナツク位相偏位を零に
するために光波の周波数あるいは位相の調整量は検出ル
ープの回転速度を示すことになる。

概して位相変調器を用いてサーボループを閉じる閉ル
ープ光フアイバ回転センサは位相変調器が集積された形
態で容易に得られるため極めて望ましい。この位相変調
器は位相変調量を所望のレベルにして所定のダイナミツ
クレンジ内で回転速度を測定するに極めて有用である。
しかしながら、上述に開示の従来の既存の位相変調器に
おいては回転速度に対してはサーボループが不安定にな
る問題がある。特に零の回転速度に対してはサーボルー
プが不安定になる。不安定になる他の回転速度は回転セ
ンサの出力を処理する際に採用する変調／復調構成に起
因すると言える。サーボループのフイードバツク信号が
振動すると、回転センサからの出力が無効となる。

米国特許第4,299,490号明細書には、フイードバツク
ループに周波数偏移器を用いて位相を零にする光フアイ
バ回転センサが開示されている。周波数偏移器は検出コ
イルの一端に配置され、互いに反対方向に移動する２つ
の光波の周波数が偏移される。互いに反対方向に移動す
る光波の周波数が偏移されると、検出コイルの回転によ
り反復しない位相変位を示す信号が生じる。回転により
生じた位相偏位を零にするための信号が処理されて回転
速度が決められる。

また米国特許第4,372,685号明細書には、フアラデー
効果を利用して検出コイル内を互いに反対方向に移動す
る光波の位相を変調し検出コイルの回転による位相偏位
を零にする光フアイバ回転センサが開示される。

更に米国特許第4,717,256号明細書には検出コイル内
を互いに反対方向に移動する光波の位相を変調する光信
号回転センサが開示されている。この場合正弦波の基準
信号及びタイミング信号を同期的に信号処理回路に送る
発振器により、位相変調器が作動され、互いに反対方向
に移動する光波の干渉パターンを示す変調波から回転情
報が抽出される。変調波と基準正弦波信号との積は完全
な基準サイクルの整数倍に対し積分される。且つまたこ
の積分された信号は慣性空間の入力角速度の正弦と位相
変調を表している１次ベツセル関数との積に正比例す
る。この積分信号はサンプル／ホールド回路に付与され
る。このときサンプリング周期は積分周期に相当する。
サンプル／ホールド回路の出力は平衡ドライバ回路に加
えられ入力角速度に正比例する回転速度信号を出力する
ように構成されている。

米国特許第4,735,506号明細書には、周波数偏移器及
び互いに反対方向に移動する波を変調する位相変調器を
含む光フアイバ回転センサが開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上述の従来の位相変調器、周波数偏移器
を含む光フアイバ回転検出構成によつてはサーボループ
の不安定性を充分に満足できる程度に除去するには至つ
ていなかつた。

またサーボループの不安定性の原因となる他のフアク
タとしては位相変調器駆動信号回路とサグナツク位相偏
位を電気信号に変換するホトデイテクタ回路との間のク
ロストークが挙げられ、これを抑制する必要がある。

しかして本発明の目的は閉ループ光フアイバ回転セン
サのサーボループの不安定性を除去する光フアイバ回転
検出方法及びそのシステムを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明にあつては、傾斜発生器48で、位相シフトを生
じさせ、且つ互いに反対方向の２つの光波間の位相差を
無くすべく復調器42から位相変調器38にフイードバツク
信号を送出するフイードバツク回路の一部をなすよう設
けられた傾斜信号を与え、加算回路52が変調基準発生器
44からの基準信号である一入力と傾斜発生器48からの傾
斜信号である他の入力とが付与され、位相変調器38に対
する動作電圧として出力信号を送出するよう構成され、
周期信号発生器54において傾斜発生器48の出力に対し平
均値が零の周期信号を供すると共に周期信号の大きさを
大にするようフイードバツク回路の電圧が安定の領域に
入るように設けられ、傾斜発生器48の出力に接続され且
つ周期信号発生器54に生じた周期信号によつて制御され
るゲートを有していて、周期信号発生器54からの周期信
号によつて付加的に生じるパルスが、検出コイル34の回
転により生じたパルスと平均化するようカウンタ50が動
作するように設けられていて、光フアイバの検出コイル
の回転速度を指示するよう検出コイルにおける互いに反
対方向の２つの光波の位相差を示す信号が生ぜしめられ
る構成により、上記の目的を実現し得る。

（作用） 上述の本発明にあつては特に、周期信号発生器54か
ら、傾斜発生器48からの傾斜信号に対し平均値が零の周
期信号が発生されてカウンタ50のゲートが制御せしめら
れ、且つまた周期信号発生器54からの周期信号の大きさ
が大にされて、２つの互いに反対方向の光波間の位相差
を無くすように寄与するフイードバツク信号を送出する
フイードバツク回路の電圧が不安定な領域外にされ、こ
れに伴い、前記のカウンタ50を介して周期信号発生器54
の周期信号により生じるパルスが、２つの、互いに反対
方向の光波を通過させる検出コイル34の回転により生じ
たパルスと平均化されることになる。

従つて本発明によれば広いダイナミツクレンジに亙
り、従来の光フアイバ回転検出システムでダイナミツク
レンジの一部に生じていた検出の不安定性を有効に除去
でき、回転体の回転速度を、従来品に比し、一層高精度
の検出が有用に実行され得る。

（実施例） 第１図を参照するに、本発明による光フアイバ回転セ
ンサ20の構成が示されており、この光フアイバ回転セン
サ20にはコヒレント（干渉性）の光信号を光フアイバ24
に入力するコヒレント光の光源22が包有される。光フア
イバ24は単一モードの電磁エネルギを伝播するよう構成
されることが好ましい。光フアイバ24に入力された光は
光カプラ26へ伝播される。光カプラ26は第４図及び第５
図に沿つて詳述するような、一時的界（evanescentfiel
d）の光カプラを用いることが好ましい。光カプラ26は
光フアイバ24から入力した光の一部を光フアイバ28へ伝
播する。

また光フアイバ24に残留する光が光カプラ26を経て偏
光器30へ伝播される。偏光器30は第４図、第５図及び第
６図に沿つて詳述するような光フアイバ偏光器を用いる
ことが好ましい。

偏光器30から送出される光信号は次に第２の光カプラ
32に入力される。第２の光カプラ32は光カプラ26と実質
的に同一構成をとり得る。第２の光カプラ32は光源22か
ら光フアイバ24を経て入力した光の一部を光フアイバ36
へ伝播する。光フアイバ36には単一モード光フアイバを
用いることが望ましい。

光フアイバ24内にはサグナツク（Sagnac）検出コイル
34が形成される。位相変調器38は光フアイバ36と光フア
イバ24との間に配置され、これにより光フアイバ24を通
過した光が先ずサグナツク検出コイル34に伝播し、次に
位相変調器38へ達することになる。第１図から明らかな
ように、光フアイバ24に残留する光はサグナツク検出コ
イル34内においては時計方向に向かう光であり、一方第
２の光カプラ32から光フアイバ36内に伝播された光はサ
グナツク検出コイル34内において反時計方向に向かう光
となる。位相変調器38を通過した時計方向の光は光フア
イバ36を経て第２の光カプラ32に達する。一方、反時計
方向の光は光フアイバ36、位相変調器38、サグナツク検
出コイル34及び光フアイバ24を経て再び光フアイバ36に
達する。

サグナツク検出コイル34を移動する間、時計方向の光
及び反時計方向の光には位相差が生じ、この位相差はサ
グナツク検出コイル34がその検出軸を中心に回転する速
度により決定される。第２の光カプラ32は時計方向の光
の一部を光フアイバ36から再び光フアイバ24へ入力させ
る。光フアイバ24内に残留する反時計方向の光の一部は
再度光フアイバ24に入力された時計方向の光と結合され
て干渉パターンが作られる。この干渉パターンにはサグ
ナツク検出コイル34の回転速度を決定するための情報が
含まれている。次にこの結合光は再び光フアイバ24を経
て偏光器30へと伝播され、これにより回転速度を決定す
る光信号の偏光がサグナツク検出コイル34に入力された
光の偏光と確実に同期される。これら偏光が同期される
と、バイアスエラ若しくは倍率（scale factor）の変動
が最小限に押さえられ得る。

偏光器30の出力は更に光カプラ26に達し、光フアイバ
28内の光信号の一部と結合される。この結合信号は光セ
ンサ40に入力されて光干渉パターンが電気信号に変換さ
れる。光センサ40の出力は復調器42に送られ、ここで変
調基準発生器44から入力した基準信号により復調され、
復調器42の出力は増幅器46へ送られる。記号ＡおよびＢ
はそれぞれ増幅器46の入力および出力を表している。

増幅器46の出力Ｂは傾斜発生器48に入力され、傾斜発
生器48で発生された出力信号は回転速度を決定するため
カウンタ50へ送られる。また傾斜発生器48からは他の出
力信号が加算回路52へ付与される。加算回路52は傾斜発
生器48から入力した傾斜電圧と変調基準発生器44から入
力した出力信号との和をとる。加算回路52で得られた和
信号は位相変調器38の駆動電圧として使用される。

本発明による信号処理構成においては増幅器46の入力
端子Ａあるいは出力端子Ｂに周期零平均（periodic zer
o means）信号が入力される。周期信号発生器54がカウ
ンタ50のゲートおよび端子ＡあるいはＢに出力する信号
は周期信号である。周期信号の振幅はサーボループの電
圧が不安定を引き起こす範囲外になるように設定され
る。周期信号の振幅は周期信号がサーボループで増幅器
46の前段又は後段に入力されるかにより左右される。光
フアイバ回転センサ20には更に周期信号発生器54とフイ
ードバツクループの端子ＡおよびＢとの間に接続された
ハイパスフイルタ56が包有されており、これにより零平
均信号が確実に得られる。

周期信号発生器54は零平均周期信号の各周期の終了時
に同期信号を発生する。この同期信号は確定的な、また
は疑似的な散乱信号にし得る。同期信号によりカウンタ
50のゲートが制御され、カウンタ50は光フアイバ回転セ
ンサ20からの出力パルス数をカウントし、周期信号発生
器54による過剰のパルス数が確実に且つ正確に平均化さ
れ、光フアイバ回転センサ20の回転によるパルスのみが
確実に且つ効果的にカウントされる。

上述の本発明において復調器42が零不偏分散復調器で
なり、零平均周期信号が第１図の点ＡあるいはＢでサー
ボループ内に付与されるように構成すれば、好適に機能
し得る。サグナツク検出コイル34が小さな回転速度Ωで
回転しているものとし、このとき理想的には傾斜発生器
48の出力部において秒当たりの正味のカウント数がC_rと
する。更に、回転速度Ωは十分に小さくサーボループ信
号が振動し、秒当たりの正味の出力カウント数が零であ
るとする。第２図を参照するに、時間Ｔを関数としV_sと
-V_sとの間で変化する矩形波がサーボループの点Ｂに入
力される。矩形波の振幅及び周期は固定値とする必要は
なく、回転速度の関数として好適に変化させ、広いダイ
ナミツクレンジに亙りサーボループの安定化を図ること
により、光フアイバ回転センサ20の性能が最適化され得
る。

電圧V_sが十分に大きく、サーボループ電流が不安定範
囲外にあると、矩形波の最初の半波の期間（即ち周期T/
2の間）の秒当たりの正味のカウント数C₁が次の式で表
される。

C₁＝C_vs＋ＣΩ （１） ここに、C_vsは電圧V_sによるカウント速度である。矩形
波の次波に対しては、秒当たりの正味のカウント数C₂は
次の式で表される。

C₂＝C_-vs＋ＣΩ （２） ここに、C_-vsは電圧-V_sによるカウント数である。また
当業者にはサーボループ理論から次の関係式が成り立つ
ことは知られている。

-C_vs＝C_-vs （３） 式（２）に式（３）を代入すると、次の式が得られる。

C₂＝-C_vs＋ＣΩ （４） 矩形波の１周期での秒当たりの正味のカウント数Ｃは式
（１）、（４）によるC₁及びC₂の平均で表され、従つて
次のようになる。

Ｃ＝（C₁＋C₂）/2 （５） ＝｛（C_vs＋ＣΩ）＋（-C_vs＋ＣΩ）｝/2 （６） ＝2CΩ/2 （７） ＝ＣΩ （８） 従つて、光フアイバ回転センサ20の出力は、サーボルー
プに不安定性が存在する場合でもサグナツク検出コイル
34の回転速度を正確に表す。

本発明に用いる単一モードフアイバに対し好適な方向
性カプラについては、1980年５月28日出版、エレクトロ
ニクス・レターズ（Electronics Letters）（第18巻第1
8号）のページ260-261及び米国特許第4,493,518号明細
書に開示されている。

光カプラ26、32の双方ともに実質的に同一の構成にし
得、光フアイバ24、28及び34に単一モードフアイバを用
いるとき光カプラ26についての以下の説明は光フアイバ
回転センサ20に含まれる他の光カプラにも同様に当ては
まる。

光フアイバ回転センサ20にマルチモードフアイバが採
用される場合、好適なマルチモードカプラ（図示せず）
が当業者には周知である。例えば、米国特許第4,738,51
1号明細書に開示されるマルチモード用センサが好適に
採用され、マルチモードカプラを採用し得る。

光フアイバのコアとクラツドとの境界面は誘電体面で
あり、この面では電磁界成分が周知の所定の条件を満足
するように選定される。この境界面に対し平行な電界成
分は連続体にされる。単一モード光フアイバはこの境界
面に対し垂直な電界成分を有する電磁エネルギを伝播す
る。フアイバのコアの屈曲率はフアイバのクラツドの屈
曲率より大きく、光は臨界角以下の角度でコアとクラツ
ドの境界面に当たるため、電界の実質的にすべてが境界
面での内部反射によりコア内に留どまる。連続性と内部
反射の両方の条件を満足させるため、クラツド内の電界
の半径方向の成分は指数関数的に迅速に減衰させる必要
がある。指数関数的に減衰する電界をここでは消失（ev
anescent）電界と呼ぶ。

第３図に示すように、光カプラ26には、第１図の光フ
アイバ24、28がそれぞれ１対の基板50、52内に配置せし
めて設けられている。光フアイバ24は基板50の光学的平
坦面58に形成された湾曲溝54内に配置され、同様に光フ
アイバ28は基板52の光学的平坦面60に形成された湾曲溝
56内に配置されている。基板50及び基板50内に配置され
た光フアイバ24はカプラ半部64をなしており、また基板
52及び基板52内に配置された光フアイバ28は別のカプラ
半部62をなしている。

湾曲溝54及び湾曲溝56の深さは基板50、52の中心部に
おける最小値から基板50、52の縁部における最大値へ次
第に変化する。このように湾曲溝の深さが変化する構成
をとることにより、湾曲溝54、56に光フアイバ24、28が
配設された場合、光フアイバ24、28が夫々基板50、52の
中心部に向かつて次第に収束し一方その縁部に向かつて
分散される。上記湾曲溝54、56は断面が矩形にされてい
るが、光カプラ26を構成する際これらの湾曲溝54、56を
その断面がＵ字状あるいはＶ字状をなすように設けるこ
ともできる。

更に第３図を参照するに、基板50、52の中心部におい
て湾曲溝54、56の深さは光フアイバ24、28の直径より小
さく設けられる。光フアイバ材料はラツピング等の好適
な方法により、光フアイバ24、28から除去され、光フア
イバ24、28に各々平面部61、63が具備される。平面部6
1、63は基板50、52の光学的平坦面58、60と対向する面
である。また光フアイバ24、28の弧状面は対向して並置
せしめられ、相互作用領域66が形成される。相互作用領
域66では光フアイバ24、28を介し伝播された光の消失電
界が対向するフアイバと相互作用する。

光は相互作用領域66において消失電界結合により光フ
アイバ24、28間で伝送される。光フアイバ24には中心コ
ア68と周囲の外層としてのクラツド層70とが包有され
る。光フアイバ28のコア72及びクラツド層74は夫々中心
コア68及びクラツド層70と実質的に同一である。中心コ
ア68の屈折率はクラツド層70の屈折率より大きく、中心
コア68の直径は中心コア68内を伝播する光がコアとクラ
ツド層との境界面において内部反射するよう選定され
る。光フアイバ24を介し伝送された光エネルギの大半は
中心コア68内に閉じ込められる。一方、光フアイバ24の
中心コア68内に対する波動関数を解き、周知の境界条件
を当てはめると、主に中心コア68内におけるエネルギ分
布にはクラツド層内に延び、光フアイバの中心部からの
半径が増加するに応じ指数関数的に減衰する部分が存在
する。光フアイバ内のエネルギ分布の指数関数的に減衰
する部分は消失電界と呼ばれている。光エネルギの、最
初光フアイバ24から伝播される消失電界が光フアイバ28
内において十分な深さまで延びると、エネルギは光フア
イバ24から光フアイバ28内へ伝送される。

消失電界はクラッド層内においても僅かの距離だけ延
び、振幅が光フアイバのコアの外側に沿つて急速に減少
する。従つて、光フアイバ材料を十分に除去し、光フア
イバ24、28により伝播される波の消失電界間が重なるこ
とになる。光フアイバ材料の除去が不充分であれば、コ
アが十分に閉鎖されず消失電界により伝送された光波が
好適に相互作用されず、このため結合が不十分となる。

次に第４図、第５図及び第６図を参照するに、位相変
調器38にはニオブ酸リチウム104と１対の電極100、102
とが包有され、電極100、102はニオブ酸リチウム基板10
4上に形成される。ニオブ酸リチウム基板104上にチタン
をストリツプ状に（図示せず）蒸着し、このチタンスト
リツプを加熱してチタンをニオブ酸リチウム基板104内
に作用させることにより、ニオブ酸リチウム基板104内
に導波管106が形成され得る。電極100、102は第４図、
第５図及び第６図に示すように導波管106の両側に対向
して配置され得、またはこれら電極の一方は導波管106
上に直接形成され、他方が導波管106から巾方向にずら
して配置可能に設けられる。

特に第６図に示すように、電界は導波管106内におい
て主として水平である。導波管106の屈折率ｎ＝n₀＋n₁
（Ｅ）であり、ここにn₀は屈折率の固定成分であり、n₁
（Ｅ）は印加された電界Ｅの関数である。導波管106内
の電界は第６図に示すように実質的に水平方向に延びる
ため、電界の水平方向の成分のみが屈折率に影響を与え
る。導波管106の屈折変化により導波管106の有効光長が
変化する。従つて、電界を制御することにより、光波が
導波管106を移動するに要する移動時間が制御され得
る。この移動時間の変化は光波の位相変化として考えら
れる。位相変調器38は導波管106において非対象な水晶
主軸に沿つて偏光された信号の位相を変調するので、導
波管106の１つの主軸に沿つて偏光された光波のみが位
相変調器38に入力され得る。

光フアイバ内を伝播する光波について説明するに、光
波の伝播方向に対して電界あるいは磁界の方向を説明す
る方法をとることが容易であろう。電磁波の電界ベクト
ルの方向は光波の偏光方向である。多くの光フアイバ回
転検出システムにあつては、一部の成分でなる出力が偏
光に左右されるので、所望の位置で既知の偏光状態を示
す光を生じさせることが望ましい。従つて、この成分に
対して既知の偏光入力を与えるとエラーが最小限に押さ
えられる。偏光式光フアイバ回転検出システムにおいて
は、偏光の変化によるドリフトエラーは偏光器の品質に
より決まる。

且つ第１図の偏光器30は米国特許第4,386,822号明細
書に開示される偏光器と実質的に同一構成をとり得る。
本発明に使用される他の偏光器としては米国特許第4,72
5,113号明細書に開示のものを使用し得る。

更に本発明に採用され得る他の偏光器としては、米国
特許第4,729,622号明細書に開示の光フアイバ偏光器を
採用し得る。この偏光器の場合、偏光制御装置にエラー
信号がフイードバツクされる。この場合のシステムを以
下に簡単に説明する。

第７図及び第８図を参照するに、偏光器30には基板16
2を有するハーフカプラ160が包有されており、基板162
は好ましくは石英で作られ、且つ基板162には曲線溝164
が形成される。長手の光フアイバ24は曲線溝164に固定
される。基板162の一部及び光フアイバは研磨されて基
板162及び光フアイバ24の上に位置する対峙面165、170
が夫々形成される。研磨作業により光フアイバ24のクラ
ツド層の一部が除去され、相互作用領域166が形成され
る。上部に光学平坦面167を有する複屈折水晶168がハー
フカプラ160の対峙面170に装着される。相互作用領域16
6においては、光フアイバ24において伝播する光の消失
電界が複屈折水晶168と相互作用する。

光フアイバ24が単一モードフアイバである場合、伝播
されたモードのみであり、この場合電界あるいは磁界の
方向は光フアイバ24を介して光波の伝播方向に対しほぼ
垂直になり。一方の偏ベクトルは対峙面165に対し垂直
になり、他方の偏光ベクトルは対峙面165の平面内にあ
る。

複屈折水晶168は、複屈折水晶168のインターフエース
（境界面）に対して垂直に偏光された光に対し、複屈折
水晶168の屈折率が光フアイバ24の屈折率より小さくな
るよう構成される。従つて、複屈折水晶168と光フアイ
バ24とのインターフエースにおける全内部反射のため、
このインターフエースに垂直な偏光で光フアイバ24内を
伝播する光が光フアイバ24内に留められる。インターフ
エースに対し平行な偏光の複屈折水晶168の屈折率は光
フアイバ24の屈折率より大きくなるよう選定され、従つ
てインターフエースに対し平行に偏光された光は光フア
イバ24から出力された上複屈折水晶168内に伝送され
る。

特に第７図を参照するに、左側からの光が入射される
と、光波の平行偏光成分の放射エネルギが複屈折水晶16
8を移動する。放射エネルギの一部は光センサ180と衝突
し、光センサ180はその入射光の強さに応じた電流を出
力する。電子制御回路182は光センサ180の出力電流を処
理し制御信号を偏光制御システム190へ送る。偏光制御
システム190は偏光器30へ入力される光波を調節し、制
御信号を最小にする。従つて偏光器30の光伝播時には一
定の強さで実質的に単一の所定の偏光が持たせられる。

偏光制御システム190には電子制御回路182と接続され
るフアイバスクイーザ192、193、194が包有されること
が好ましい。フアイバスクイーザ192、193、194の構成
は相互に同一であることが望ましい。好適なフアイバス
クイーザとしては米国特許第4,753,507号明細書に開示
のものが挙げられる。フアイバスクイーザ192、193、19
4は各々、電子制御回路182からの電圧に応答して予荷重
により光フアイバ24にかかる圧縮力を変える圧電作動子
（図示せず）として設けることができる。且つフアイバ
スクイーザ192、194はそれらから生じた出力が互いに平
行となり且つ光フアイバ24に対し垂直となるよう配設さ
れることが好ましい。一方フアイバスクイーザ193から
の出力は光フアイバ24に対し垂直に与えられ、且つフア
イバスクイーザ192、194からの出力に対し45度をなすよ
うに設けられる。

光フアイバ24は複屈折媒体である。換言するに、光フ
アイバ24の屈折率は偏光に左右される。ここでこの明細
書で用いる用語“複屈折量”とは光波を伝送する媒体の
２個の屈折率間の差を意味する。複屈折量を制御するこ
とにより、長手の光フアイバ材料からの光信号出力の偏
光を制御し得る。長手の光フアイバ24に対し光フアイバ
24を横断する軸に沿つて圧縮力を加えると、弾性効果に
より屈折率が変化せしめられ、この結果複屈折量が減少
される。

一般に、任意の偏光を所定の偏光に変換するために３
個のフアイバスクイーザが必要である。長手の光フアイ
バ24内の隣接するフアイバスクイーザ192、193、194間
に大きな複屈折がなければ、偏光器30への入力光の偏光
を制御するに２個のフアイバスクイーザのみで実現でき
る。

偏光器30は光フアイバ24内で反時計方向の光波に所定
の偏光を与えるような出力を発生できる。混合された偏
光が右側から偏光器30に当てられると、光フアイバ24か
ら不都合な偏光が放出され、所望の偏光が光フアイバ24
の内部に留どめられる。第２の光センサ200は放射され
た偏光の強さを表す電気信号を発生する。第２の電子制
御回路202は第２の光センサ200からの出力を処理し複数
のフアイバススイーザ204、205、206へ制御信号を与え
る。複数のフアイバススイーザ204、205、206は上述し
たフアイバスクイーザ192、193、194と実質的に同一の
構成である。偏光器30は光フアイバ24と同一の領域にお
いて２個の反時計方向の光波からエラー信号を発生する
ように設けられ、偏光器30から送出される全ての光信号
には同じ偏光及び強さが持たせられない。

更に本発明による他の実施例に採用される偏光器とし
ては複屈折水晶168の代わりにハーフカプラ160に隣接し
てバツフア誘電層を配置せしめ、メタル層をバツフア誘
電層上に配置してもよい。この場合不都合な偏光は光フ
アイバ24からメタル層内へ伝達される。

位相変調器38を代えて、反時計方向のに進む光波を変
調するため光周波数偏位器を光フアイバ回転センサ20に
具備させてもよい。例えば、米国特許第4,729,620号明
細書に開示される光フアイバ周波数偏位器を本発明に採
用可能である。SPIE、第478光フアイバ及びレーザセン
サII、1984年、ページ91-97、リスク（Risk）等による
“複屈折光フアイバの単側帯周波数偏位”に開示された
音響光学周波数偏位装置も本発明に採用できる。ブラグ
（Bragg）セルを用いた光周波数偏位も反時計方向に進
む光波を変調するために採用できる。

第13図は、角周波数ｆで回転する半波プレート260に
円偏波光が入射された時の周波数の状態を示している。
入射光の角周波数はf_oである。入射光は正のｚ方向に移
動し、ｘ軸及びｙ軸に沿つて等しい大きさの偏光ベクト
ルを有する。従つて、偏光ベクトルは進行方向に向かつ
て見た場合時計方向にｚ軸を中心に角速度f_oで回転する
ように見える。半波プレート260は偏光ベクトルと同じ
方向に回転するため、出力される光波は入力周波数f_oか
らf_o＋2fの周波数を有することになる。

第14図は周波数偏位器からの出力周波数の状態を示し
ている。入力周波数がf_oの場合、入力ビームの方向に周
波数ｆで半波プレートを回転すると、出力周波数がf_o＋
2fとなる。入力波の偏光と反対の方向に周波数ｆで半波
プレート260を回転すると、出力波の周波数はf_o‐2fと
なる。回転周波数ｆを制御することにより、1/4波プレ
ートの出力周波数がf_o±2f_maxの範囲となる。ここにf
_maxは半波プレート260の最大回転周波数である。

再び第９図を参照するに、周波数偏移器270にはブラ
ツグセル272が包有される。好適な周波数偏移器として
は、第10図〜第12図に示すセロダイン周波数偏移器ある
いは第15図〜第16図に示す音響光学周波数偏移器が挙げ
られる。

再び第９図を参照するに、ブラツグセル272には音響
変換器276により駆動されるガラススラブ274が包有さ
れ、音響変換器276は音響波をガラススラブ274内におい
て発生する。周波数ω_mの変調波を音響変換器276に加え
ることにより、ガラススラブ274内の音響波の周波数が
制御される。ガラススラブ274内の音響波の波頭は移動
回析格子として機能し、入射ビーム光の第１のビーム部
278は伝達され第２のビーム部280は反射される。光信号
の周波数がω_oの場合、ブラツグセル272から反射された
ビームの第２のビーム部280の周波数はω_o＋ω_mとな
り、伝達されるビーム部は最初の周波数がω_oである。
代表的なブラツグセルでは、入射光エネルギのほぼ60％
〜70％が反射され周波数が偏移される。

このブラツグセルは、３倍軸を有する電子光学的水晶
に光信号を通過させ、この水晶に回転電界を加えること
により光周波数偏移を達成する。周波数偏移させること
により光ビームは円偏光され、水晶の３倍軸に沿つて向
けられることが望ましい。電界が加えられない場合水晶
は複屈折を示さず、発生したビームは影響されない。印
加電界が好適な半波振幅を有し３倍軸に対し垂直な平面
内で回転すると、水晶は回転半波プレートとして機能す
る。発生したビームの周波数は偏移され、その極性も反
転される。周波数偏移は印加電界の回転速度の２倍に等
しい。理論的には均一に回転する電界が印加されると出
力ビームの周波数は単一となるので、この回転電界周波
数偏移器は単側帯波抑制搬送波（SSBSC）変調器とも呼
ばれることも多い。

また第９図に示されるように、ブラツグセル272は変
調信号を増幅する増幅器281から光入力信号を入力す
る。増幅器281の出力は周波数ω₁及びω₂の電気信号を
発生する一対の発振器282、284により制御される。発振
器282、284からの出力信号はスイツチ286へ送られ、ス
イツチ286は周波数ω₁及びω₂の信号の一方を選択して
増幅器281へ入力する。

一方、セロダイン周波数偏移器には傾斜信号で駆動さ
れる線形光移相器が包有される。この傾斜信号から時間
と共に位相が線形的に変化せしめられ、これは実質的に
は傾斜中の周波数偏移に当たる。発生した光の周波数は
傾斜の時間的変化及び位相器の倍率により決定される。
第10図には傾斜電圧がKv/sの速度で時間と共に線形的に
増加する状態がグラフで示されている。

第11図には第10図の傾斜電圧により駆動された変調器
から出力される光信号の位相がグラフで示されている。
位相の時間に対する割合は周波数偏移である。第11図か
ら明らかなように、周波数偏移はｄθ（ｔ）＝KCであ
り、ここにＣは変調器の倍率である。セロダイン周波数
偏移を実施する一例を第12図を参照して以下に説明す
る。

第12図にはセツロダイン周波数偏位システム319の１
例が示される。第１図のレーザ光源22からの光信号はニ
オブ酸リチウムでなる電子光学的活性材料320に入力さ
れる。電圧源322から電子光学的活性材料320へ電圧を印
加すると、電子光学的活性材料320内を伝播する光信号
の位相が変化される。位相変化量は、電子光学的活性材
料320に印加される電圧源322からの電圧Ｖを制御するこ
とにより調整できる。

第15図及び第16図を参照するに、本発明に採用可能な
周波数偏位器350の他の例が示される。周波数偏位器350
にはアルミニウムブロツク352と石英ブロツク354との間
に保持される長手の光フアイバ351が包有される。光フ
アイバ351は光周波数範囲内で単一モードの電磁エネル
ギを伝播するよう構成されることが好ましい。石英ブロ
ツク354は楔形に形成され、この石英ブロツク354の第１
の面358は光フアイバ351に当接させることが好ましい。
且つ石英ブロツク354の第２の面360は光フアイバ351の
長手方向に対し所定の角度をなして配設される。アルミ
ニウムブロツク352は所望の形状に構成できるが、作図
上断面が矩形のものとして示されている。例えばCr-Au
からなるメタル層362が第２の面360上に形成され、例え
ばPZTからなる変換器364がメタル層362上に付設され
る。変換器364の上面にはCr-Auのメタル層が石英ブロツ
ク354の面から離間して対向される。変換器364は好適な
発振器により駆動され、音響波を光フアイバ内に送出す
る。

単一モードの光フアイバにより単一伝播モードの２個
の直交する偏光が維持される。光フアイバはフアイバ内
の電界の異なる方向に対する異なる屈折率を有する複屈
折フアイバであるので、２つの偏光が存在する。２つの
偏光は通常結合されないから、互いにエネルギの伝達は
生じない。光フアイバに加わる空間周期応力パターンに
より２つの偏光間に結合が生じ、偏光間にエネルギの伝
播が行われる。エネルギ伝播は空間周期応力パターンが
光フアイバのビート長に等しいときのみ累積的となる。
光フアイバのビート長はL_B＝λ／Δｎであり、Δｎは２
つの偏光の屈折率の差でありλは光波長である。応力が
複屈折の主軸に対し45度をなしているとき、応力パター
ンによる２つの偏光の結合が最強になる。

音響変換器は移動中の音響波により光フアイバ内に移
動する応力パターンを発生する。応力パターンは光フア
イバに沿つて移動すると、一方の偏光から他方の偏光に
結合される光の周波数は、結合領域が移動するため移動
応力パターンの周波数に等しい量だけ偏移される。説明
の都合上、一方の偏光を低速偏光と呼び、且つ他方の偏
光を高速偏光と呼ぶことにする。光波の速度は誘電体媒
体内では光の自由空間速度を誘電体の屈折率で割つたも
の、即ちｖ＝c/nである。従つて、複屈折媒体内におい
ては、屈折率の大きい方の偏光が低速偏光であり、屈折
率の小さい方の偏光が高速偏光であることは理解されよ
う。

更に特に第15図を参照するに、線366は光フアイバに
入射される光の波長λ_aの音響波頭平面を表している。
音響波の進行方向のビート長L_Bの成分が音響波の波長λ
に等しい場合に位相マツチングが得られる。従つて、L_B
sinθ＝λ_aが成り立つことは同図から理解されよう。上
述の式から音響波の波長を除去するため、波の速度、周
波数及び波長の間の周知は関係を用いるとき、音響波の
周波数がｆ＝v/（L_Bsinθ）として表され、ここにｖは
光フアイバ内の音響波速度である。

（発明の効果） 上述のように構成された本発明による光フアイバ回転
検出方法及びそのシステムによればサーボループにおけ
る不安定性を極めて良好に除去することができる、等の
顕著な効果を達成する。

【図面の簡単な説明】

第１図は位相変調により閉ループ動作をする光フアイバ
回転検出システムのブロツク図、第２図はサーボ回路に
印加して不安定性を防止する矩形変調電圧、第３図は第
１図の光フアイバ回転検出システムに採用可能な光フア
イバカプラの断面図、第４図〜第６図は第１図の光フア
イバ回転検出システムに採用可能な集積回路としての光
位相変調器の構造説明図、第７図及び第８図は第１図の
光フアイバ回転検出システムに採用可能な偏光器の１実
施例、第９図は本発明による光周波数を偏光するブラツ
グセルの簡略説明図、第10図及び第11図は本発明の光フ
アイバ回転検出システムに採用されるセロダイン周波数
偏移構成を説明するグラフ、第12図はセロダイン周波数
偏移構成を実施する装置、第13図及び第14図は光波に対
する周波数偏移器の作用を説明するための簡略説明図、
第15図及び第16図は本発明に採用可能な周波数偏移器の
他の実施例の簡略説明図である。 20……光フアイバ回転センサ、22……光源、24……光フ
アイバ、26……光カプラ、28……光フアイバ、30……偏
光器、32……第２の光カプラ、34……サグナツク検出コ
イル、36……光フアイバ、38……位相変調器、40……光
センサ、42……復調器、44……変調基準発生器、46……
増幅器、48……傾斜発生器、50……カウンタ、52……加
算回路、54……周期信号発生器、56……ハイパスフイル
タ、58、60……平坦面、62、64……カプラ半部、66……
相互作用領域、68……中心コア、70……クラツド層、72
……コア、74……クラツド層、100、102……電極、104
……ニオブ酸リチウム基板、106……導波管、160……ハ
ーフカプラ、162……基板、164……曲線溝、165……対
峙面、166……相互作用領域、168……複屈折水晶、170
……対峙面、180……光センサ、182……電子制御回路、
190……偏光制御システム、192、193、194……フアイバ
スクイーザ、200……光センサ、202……電子制御回路、
204、205、206……フアイバススイーザ、260……半波プ
レート、270……周波数偏移器、272……ブラツグセル、
274……ガラススラブ、276……音響変換器、278、280…
…ビーム部、281……増幅器、282、284……発振器、286
……スイツチ、319……セツロダイン周波数偏位システ
ム、320……電子光学的活性材料、322……電圧源、350
……周波数偏位器、351……光フアイバ、352……アルミ
ニウムブロツク、354……石英ブロツク、358、360……
面、362……メタル層、364……変換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−228916（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−255613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−283812（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−35221（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−29715（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに反対方向に光波を伝播する位相変調
   器38と、基準信号を供給する変調基準発生器44と、検出
   コイル34からの光信号出力を受け且つ互いに反対方向の
   光波の位相差によつて定まる電気信号を生じる検出器40
   と、検出器40に接続され、且つ基準信号を用いて検出器
   40から送られる電気信号を復調する変調基準発生器44に
   接続された復調器42と、位相シフトを生じさせ、且つ互
   いに反対方向の２つの光波間の位相差を無くすべく復調
   器42から位相変調器38にフイードバツク信号を送出する
   フイードバツク回路の一部をなすよう設けられた傾斜信
   号を与える傾斜発生器48と、変調基準発生器44からの基
   準信号である一入力と傾斜発生器48からの傾斜信号であ
   る他の入力とが付与され、位相変調器38に対する動作電
   圧として出力信号を送出する加算回路52と、傾斜発生器
   48の出力に対し平均値が零の周期信号を供すると共に周
   期信号の大きさを大にするようフイードバツク回路の電
   圧を不安定の領域の外になす周期信号発生器54と、傾斜
   発生器48の出力に接続され且つ周期信号発生器54に生じ
   た周期信号によつて制御されるゲートを有していて、周
   期信号発生器54からの周期信号によつて付加的に生じる
   パルスが、検出コイル34の回転により生じたパルスと平
   均化するよう動作するカウンタ50とを備えてなる、光フ
   アイバの検出コイルの回転速度を指示するよう検出コイ
   ルにおける互いに反対方向の２つの光波の位相差を示す
   信号を生じる光フアイバ回転検出システム。
2. 【請求項２】周期信号発生器54と傾斜発生器48との間に
   接続されるハイパスフイルタを有することを特徴とする
   特許請求の範囲１の光フアイバ回転検出システム。