JP2540255B2 - Optical fiber rotation sensor - Google Patents

Optical fiber rotation sensor

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JP2540255B2
JP2540255B2 JP3237696A JP23769691A JP2540255B2 JP 2540255 B2 JP2540255 B2 JP 2540255B2 JP 3237696 A JP3237696 A JP 3237696A JP 23769691 A JP23769691 A JP 23769691A JP 2540255 B2 JP2540255 B2 JP 2540255B2
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レフィーバ,エルベイ・シー
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の背景】この発明は、ジャイロスコープにおいて
用いられるような回転センサ、特に光ファイバ回転セン
サに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION This invention relates to rotation sensors, such as those used in gyroscopes, and more particularly to fiber optic rotation sensors.

【0002】通常、光ファイバ回転センサは、光波がル
ープの周囲を反対方向に伝播するように結合される、光
ファイバ材料のループを備える。このループの回転は、
回転速度に対応する位相差の量により、周知のSagnac効
果に基づき、反対方向に伝播する波間に相対的な位相差
を生み出す。再結合されると、この逆方向に伝播する波
はループの回転速度に応じて強度が変化する光出力信号
を与えるように、強め合いまたは弱め合い干渉する。通
常、回転検出は、この光出力信号の検出によりなされ
る。
Fiber optic rotation sensors typically comprise a loop of fiber optic material in which light waves are coupled to propagate in opposite directions around the loop. The rotation of this loop is
The amount of the phase difference corresponding to the rotation speed produces a relative phase difference between the waves propagating in opposite directions based on the well-known Sagnac effect. When recombined, the counter-propagating waves constructively or destructively interfere to provide an optical output signal whose intensity varies with the rotational speed of the loop. Usually, rotation detection is performed by detecting this optical output signal.

【0003】従来のこの種の装置は、検出ループに入力
される光を発生しかつ導くための巨大な光学的構成要素
を用いていた。これらの装置は、他の形式の回転センサ
をかなり改善するものであったが、ある種の限界とその
他の欠点を有する。たとえば、様々な装置構成要素は、
装置が正しく動作するように、極めて小さな許容誤差範
囲内で相互に整列されていなければならない。この微妙
な整列配置を達成しかつ維持することはしばしば困難で
あり、特に、この装置が機械的な振動、熱の変動および
他の物理的な障害にさらされている場合には特に困難で
ある。
Prior art devices of this type used large optical components to generate and direct the light entering the detection loop. While these devices have been a significant improvement over other types of rotation sensors, they have certain limitations and other drawbacks. For example, various device components
In order for the devices to work properly, they must be aligned with each other within very small tolerances. Achieving and maintaining this delicate alignment is often difficult, especially when the device is exposed to mechanical vibrations, thermal fluctuations and other physical obstacles. .

【0004】回転検出のためにSagnac効果を利用する回
転センサは、動作の安定性を与えるための補償装置を必
要とする。補償装置の一例は、(オプティクスレターズ
1980年5月号第5巻No.5)「低ドリフトの光ファイ
バ回転検出(Fiber Optic Rotation Sensing with Low
drift)」と題されるウルリッヒ(Ulrich) による論文に
開示されている。この方法は、逆方向に伝播する光波を
変調しかつこの変調周波数において光出力波を検出する
ことを含む。しかしながら、変調器に欠陥があるため、
このような変調は逆方向に伝播する波したがって光出力
信号において振幅変調を生じがちである。この振幅変調
は変調器により直接引起こされるかもしれず、あるいは
ファイバへの変調器の機械的な作用により引起こされる
偏光変調の発現であるかもしれない。いずれの場合にお
いても、このような振幅変調は、光出力信号を歪ませ、
したがって回転センサの精度を低下させるものであるた
め、不都合なものである。
A rotation sensor that utilizes the Sagnac effect for rotation detection requires a compensator to provide operational stability. An example of the compensator is (Optics Letters, May 1980, Vol. 5, No. 5) "Fiber Optic Rotation Sensing with Low Drift.
drift) ”in a paper by Ulrich. The method involves modulating a counter-propagating light wave and detecting an optical output wave at this modulation frequency. However, because of the defect in the modulator,
Such modulation is prone to amplitude modulation in the counter-propagating wave and thus the optical output signal. This amplitude modulation may be caused directly by the modulator, or it may be the manifestation of polarization modulation caused by the mechanical action of the modulator on the fiber. In either case, such amplitude modulation distorts the optical output signal,
Therefore, the accuracy of the rotation sensor is reduced, which is inconvenient.

【0005】[0005]

【発明の概要】この発明は、検出ループおよび光を案内
しかつ処理するための構成要素が、光ファイバ材料から
なる連続的なとぎれていないストランドに沿って配置さ
れかつ構成されている、すべての光ファイバ回転センサ
を与えることにより、従来技術のこれらの問題点および
他の問題点を解消する。それによって整列配置の問題は
低下されあるいは克服され、それゆえに、この発明の回
転センサは巨大な光学的構成要素を利用する従来のセン
サに比べて、かなり機械的な衝撃に対して強くかつ影響
されない。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides all sensing loops and light guiding and processing components disposed and configured along a continuous, uninterrupted strand of fiber optic material. By providing an optical fiber rotation sensor, these and other problems of the prior art are overcome. Alignment problems are thereby reduced or overcome, and therefore the rotation sensor of the present invention is significantly more mechanically and less susceptible to mechanical shock than conventional sensors that utilize large optical components. .

【0006】この回転センサは、光ファイバからなる方
向性結合器のようなすべての光ファイバ構成要素を備
え、この光ファイバ方向性結合器は、(a)光源からの
光を、検出ループの周囲を逆方向に伝播する2個の波に
分離し、かつ(b)逆方向に伝播する波を結合して光出
力信号を与える。入力された光、逆方向に伝播する波お
よび光出力信号の正しい偏光は、光ファイバ偏光子およ
び光ファイバ偏光制御器により確立され、制御されかつ
維持される。第2の光ファイバ結合器が、連続したスト
ランドからの光出力信号を、出力信号強度に比例する電
気信号を出力する光検出器に結合するために設けられ
る。
The rotation sensor comprises all optical fiber components, such as directional couplers consisting of optical fibers, which (a) direct light from a light source around a detection loop. Is separated into two waves propagating in the opposite direction, and (b) waves propagating in the opposite direction are combined to give an optical output signal. The correct polarization of the input light, the counter-propagating waves and the optical output signal is established, controlled and maintained by the fiber optic polarizer and fiber optic polarization controller. A second fiber optic coupler is provided for coupling the optical output signal from the continuous strand to a photodetector that outputs an electrical signal proportional to the output signal strength.

【0007】回転センサの動作安定性および感度は、逆
方向に伝播する波の位相変調により、および光出力信号
の第1調波を測定するための同期検出装置を用いること
により改善される。開示する検出装置では、この第1調
波の大きさは、ループの回転速度に比例しており、した
がってこのような第1調波の測定がループの回転速度を
直接表示する。
The operational stability and sensitivity of the rotation sensor is improved by phase modulation of the counter-propagating wave and by using a synchronous detection device for measuring the first harmonic of the optical output signal. In the disclosed detection device, the magnitude of this first harmonic is proportional to the speed of rotation of the loop, and thus the measurement of such first harmonic directly represents the speed of rotation of the loop.

【0008】(偏光変調により直接的あるいは間接的
に)位相変調器により引起こされる光出力信号の奇数調
波における振幅変調は、或る特定の周波数における位相
変調を行なうことにより解消され得ることがわかった。
用いた検出装置が、(たとえば第1調波のような)或る
奇数調波のみを検出するので、振幅変調を引起こす位相
変調器の作用は、このような周波数における動作により
除去され得る。このことは、回転検出における誤差の大
きな発生源を除去し、それによって回転センサの精度を
向上させる。
Amplitude modulation in the odd harmonics of the optical output signal caused by the phase modulator (either directly or indirectly by polarization modulation) can be eliminated by performing phase modulation at a particular frequency. all right.
Since the detector used only detects some odd harmonics (such as the first harmonic), the effect of the phase modulator causing the amplitude modulation can be eliminated by operation at such frequencies. This eliminates sources of error in rotation detection, thereby improving the accuracy of the rotation sensor.

【0009】この発明において用いる検出装置は回転検
出精度を大きく改善するが、回転検出における他の誤差
発生源がこの検出装置の有効性を制限し得ることもわか
った。このような誤差源の1つは、地磁気による磁場の
ような周囲の磁場により引起こされる。これらの周囲の
磁場は、ファラデ効果により、逆方向に伝播する波間に
位相差を生じさせ、このファラデ効果は光出力信号の強
度に影響する。この発明では、周囲の磁場から回転セン
サを有効にシールドするために、比較的大きな透磁性を
有する材料からなるハウジング内に回転センサを配置す
ることにより、周囲の磁場の影響が減少されあるいは除
去される。
Although the detection system used in this invention greatly improves the accuracy of rotation detection, it has also been found that other sources of error in rotation detection can limit the effectiveness of this detection system. One such source of error is caused by a surrounding magnetic field, such as the magnetic field due to geomagnetism. The magnetic field around these causes a phase difference between the waves propagating in the opposite direction due to the Farade effect, and the Farade effect affects the intensity of the optical output signal. According to the present invention, in order to effectively shield the rotation sensor from the surrounding magnetic field, by placing the rotation sensor inside the housing made of a material having a relatively large magnetic permeability, the influence of the surrounding magnetic field is reduced or eliminated. It

【0010】この発明は、光学的分離装置を用いて、光
出力信号が光源に戻ることを防止する。好ましくは、こ
の光学的分離装置を用いることにより、連続的なファイ
バストランドからの光出力信号を結合するための結合器
の必要性を解消する。この結合器の除去は、装置による
損失を大きく減少させ、それによって検出器における光
出力信号の強度を増加させる。
The present invention uses an optical isolation device to prevent the optical output signal from returning to the light source. Preferably, the use of this optical decoupling device eliminates the need for a combiner to combine the optical output signals from the continuous fiber strands. Elimination of this coupler greatly reduces the losses through the device, thereby increasing the intensity of the optical output signal at the detector.

【0011】ここに開示した実施例では、戻り散乱の影
響が、戻り散乱光と逆方向に伝播する波との間のコヒー
レンスを減少するために、ファイバへの入力光を変調す
るための第2の位相変調器を用いることにより減少され
る。代わりに、このような戻り散乱の影響を、比較的短
かなコヒーレンス長を有する光源を用いることにより減
少してもよい。
In the disclosed embodiment, the effect of backscattering is a second for modulating the input light into the fiber to reduce the coherence between the backscattered light and the counter-propagating wave. Is reduced by using a phase modulator of. Alternatively, the effect of such backscattering may be reduced by using a light source with a relatively short coherence length.

【0012】[0012]

【実施例】図1に示すように、この発明の回転センサ
は、連続的な長さの光ファイバストランド12へ光を導
くために、光源10を備え、このストランド12の一部
は検出ループ14に巻回されている。この明細書で使用
するとき、参照番号12は、連続的な光ファイバストラ
ンド全体を示すものであり、他方補助的文字(A,B,
Cなど)を伴う参照番号12は、光ファイバ12の部分
を示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT As shown in FIG. 1, a rotation sensor of the present invention comprises a light source 10 for directing light to a continuous length of fiber optic strand 12, a portion of which is a detection loop 14. It is wound around. As used herein, reference numeral 12 designates the entire continuous fiber optic strand while the supplementary letters (A, B,
Reference number 12 with (such as C) indicates a portion of optical fiber 12.

【0013】図示した実施例では、光源10は、0.8
2ミクロンの大きさの波長を有する光を発生するガリウ
ム砒素(GaAs)レーザを備える。特定の実施例によ
れば、光源10は、モデルGO−DIPレーザダイオー
ドを備えており、これはニュージャージー州、サウスプ
レインフィールド、ハードレイRd.3005のジェネ
ラルオプトロニクスコーポレーション(General Optron
ics Corp..) から入手可能である。ストランド12のよ
うな光ファイバストランドは、好ましくは、たとえば外
径が80ミクロン、コア部の径が4ミクロンの単一モー
ドファイバである。ループ14は、スプールまたは他の
適切な支持部(図示せず)の周囲に巻回された複数の巻
回数を有するファイバ12を備える。特定の実施例で
は、このループ14は、14センチメートルの径のもの
の周囲に約1000回巻回されたファイバを有する。
In the illustrated embodiment, the light source 10 comprises 0.8
It includes a gallium arsenide (GaAs) laser that produces light having a wavelength of 2 microns. According to a particular embodiment, the light source 10 comprises a model GO-DIP laser diode, which is a Hardlay Rd., South Plainfield, NJ. 3005 General Optronix Corporation
ics Corp ..). An optical fiber strand, such as strand 12, is preferably a single mode fiber having, for example, an outer diameter of 80 microns and a core diameter of 4 microns. The loop 14 comprises a fiber 12 having multiple turns wrapped around a spool or other suitable support (not shown). In a particular embodiment, this loop 14 has a fiber wound about 1000 turns around a 14 centimeter diameter.

【0014】好ましくは、ループ14は、中心から始ま
り対称的に巻回されており、そのためループ14の対称
点が近接している。特に、このファイバはスプールの周
囲に巻回されており、そのためループ14の中央部分の
巻回部は、スプールに隣接する最も内側に位置してお
り、ループの端部の方での巻回部はファイバループ14
の両端部が中心の巻回部に対して対称に配置されており
かつループ14の両端部が中心巻回部に関して対称に配
置されループ14の外側では自由に動き得るように、ル
ープの両端部の方向での巻回部分がスプールの最も外側
に配置されている。このことは、このような対称性が逆
方向に伝播する波の双方へ同様の影響を与えるために経
時的に変化する温度勾配および圧力勾配を引起こすの
で、回転センサの環境への感度を減少させることがわか
る。
Preferably, the loop 14 is symmetrically wound starting from the center so that the points of symmetry of the loop 14 are close together. In particular, this fiber is wound around the spool so that the winding of the central portion of the loop 14 is located on the innermost side adjacent to the spool and is wound toward the end of the loop. Is the fiber loop 14
Both ends of the loop are symmetrically arranged with respect to the central winding and both ends of the loop 14 are arranged symmetrically with respect to the central winding so that they can move freely outside the loop. The winding part in the direction of is arranged on the outermost side of the spool. This reduces the rotational sensor's sensitivity to the environment, as such symmetry causes temperature and pressure gradients that change over time due to similar effects on both counter-propagating waves. I understand that

【0015】光源10からの光は、光源10に対してフ
ァイバ12を突きあわせることにより、ファイバ12の
一方端部に光学的に結合される。この光を導きかつ処理
するための様々な構成要素が、連続的なストランド12
に沿って様々な位置に配置されすなわち形成される。こ
れらの構成要素の相対的な位置を述べるために、連続的
なファイバ12がそれぞれ12Aないし12Gで示され
た7個の部分に分けられて述べられるであろう。この部
分12Aないし12Eは光源10に結合されたループ1
4の一方側に存在し、かつ部分12Fおよび12Gはル
ープ14の他方側に存在する。
Light from light source 10 is optically coupled to one end of fiber 12 by abutting fiber 12 against light source 10. The various components for guiding and processing this light are continuous strands 12
Are located or formed at various locations along the. In order to describe the relative positions of these components, the continuous fiber 12 will be described divided into seven sections, labeled 12A-12G, respectively. This part 12A to 12E is a loop 1 connected to the light source 10.
4 on one side and portions 12F and 12G on the other side of loop 14.

【0016】部分12Aおよび12B間には偏光制御器
24が光源10に隣接して設けられている。制御器24
として用いるための偏光制御器の好ましい形式は、19
80年9月25日に発行されたエレクトロニクスレター
(第16巻第25)に述べられている。しかしながら、
偏光制御器24についての記述が次に与えられ、それに
よってこの制御器24が入力された光の偏光の状態およ
び方向の双方の調整を許容し得ることが今や理解される
であろう。
A polarization controller 24 is provided adjacent the light source 10 between the portions 12A and 12B. Controller 24
A preferred form of polarization controller for use as
It is described in the Electronics Letter (Vol. 16, No. 25) published on September 25, 1980. However,
It will now be appreciated that a description of the polarization controller 24 will be given, which allows the controller 24 to adjust both the state and direction of polarization of the input light.

【0017】次に、結合器26のポートC,Dを通過す
るファイバ28の第2のストランドに光出力を結合する
ために、ファイバ12がファイバの部分12B,12C
間に配置される方向性結合器26のポートA,Bを通っ
ており、このポートCはポートAと結合器の同一の側に
存在し、ポートDはポートBと結合器の同一の側に存在
する。ポートDから延びるファイバ28の端部は、点N
C(接続されていないことを示す)において非反射性で
終了しており、他方ポートCから延びるファイバ28の
端部は、光検出器30に光学的に結合されている。特定
の実施例によれば、光検出器30は、標準的な逆バイア
スされたシリコンPINタイプのフォトダイオードであ
る。この発明において用いるのに好ましい結合器は、1
980年5月27日に発行されたエレクトロニクスレタ
ー(第16巻第7号)において詳細に述べられている。
The fiber 12 is then coupled to the second strand of fiber 28 through ports C and D of the coupler 26 so that the fiber 12 is coupled to the fiber portions 12B and 12C.
It goes through the ports A and B of the directional coupler 26 arranged in between, the port C being on the same side of the coupler as port A and the port D being on the same side of the coupler as port B. Exists. The end of fiber 28 extending from port D is
The end of fiber 28, which terminates non-reflectively at C (indicating no connection), while extending from port C, is optically coupled to photodetector 30. According to a particular embodiment, the photodetector 30 is a standard reverse biased silicon PIN type photodiode. The preferred coupler for use in this invention is 1
It is described in detail in the Electronics Letter, Vol. 16, No. 7, issued May 27, 980.

【0018】結合器26のポートBから延びるファイバ
部分12Cは、部分12C,12D間に配置された偏光
子32を通る。この偏光子32は、ファイバ12の或る
偏光モードで光が通過することを許容し、他方他の偏光
モードで光が通過することを防止する。好ましくは、偏
光制御器24が、入力光の偏光を調整するのに用いら
れ、そのためこのような偏光は偏光子32により通過さ
れたものと実質的に同一である。これによって、入力光
が偏光子を介して伝播するとき光出力の損失が減少す
る。この発明において用いるのに好ましい形式の偏光子
は、1980年11月に発行されたオプティクスレター
(第5巻第11号)において記載されている。
The fiber portion 12C extending from port B of coupler 26 passes through a polarizer 32 located between portions 12C and 12D. This polarizer 32 allows light to pass in one polarization mode of the fiber 12 while preventing light from passing in other polarization modes. Preferably, polarization controller 24 is used to adjust the polarization of the input light so that such polarization is substantially the same as that passed by polarizer 32. This reduces the loss of light output as the input light propagates through the polarizer. A preferred type of polarizer for use in this invention is described in the Optics Letter (Vol. 5, No. 11), published November 1980.

【0019】偏光子32を通過した後、ファイバ12は
ファイバ部分12D,12E間に配置される方向性結合
器34のポートA,Bを通過する。好ましくは、この結
合器34は結合器26に関して上述したのと同一の形式
のものが用いられる。ファイバ12は、次に、ループ1
4に巻回され、偏光制御器36はループ14とファイバ
部分12Eとの間に配置される。この偏光制御器36
は、制御器24に関して議論した形式のものであっても
よく、かつループ14を介して逆方向に伝播する波の偏
光を調整するのに用いられ、そのためこれらの波の重ね
合わせにより形成される光出力信号は最小の光出力損失
を維持しつつ偏光子32により有効に通過される偏光を
有する。このように、双方の偏光制御器24,36を用
いることにより、ファイバ12を伝播する光の偏光は、
最大限の光出力を得るために調整され得る。
After passing through the polarizer 32, the fiber 12 passes through ports A and B of a directional coupler 34 located between the fiber sections 12D and 12E. Preferably, this combiner 34 is of the same type as described above for combiner 26. Fiber 12 is then loop 1
4 and the polarization controller 36 is located between the loop 14 and the fiber portion 12E. This polarization controller 36
May be of the type discussed with respect to controller 24 and is used to adjust the polarization of the waves propagating in the opposite direction through loop 14 and is thus formed by the superposition of these waves. The light output signal has a polarization that is effectively passed by the polarizer 32 while maintaining minimal light output loss. Thus, by using both polarization controllers 24 and 36, the polarization of the light propagating in the fiber 12 is
It can be adjusted for maximum light output.

【0020】AC発電機40により駆動されかつライン
39によりそれに接続される変調器38は、ファイバ1
2上で、ループ14とファイバ部分12Fとの間に取付
けられる。この変調器38は、PZTシリンダを備えて
おり、この周囲にはファイバ12が巻回されている。フ
ァイバ12はこのシリンダに接続されており、そのため
発電機40からの変調信号に応じてシリンダが半径方向
に拡がるとき、ファイバ12を引き延ばす。この発明に
用いるのにの好ましい代わりの形式の変調器(図示せ
ず)は、シリンダの端部において短い毛細管チュブに結
合されたファイバ12の4個の部分を長手方向に引き延
ばすPZTシリンダを備える。当業者は、この代替の形
式の変調器が変調器38よりも伝播する光信号に対して
より小さな偏光変調を与えるかもしれないことを認識す
るであろうが、次に、変調器38は偏光変調の好ましく
ない影響を除去する周波数で動作され得ることを理解す
るであろう。このように、いずれの形式の変調器も、こ
の発明に使用するのに好ましいものである。
A modulator 38, driven by an AC generator 40 and connected to it by a line 39, comprises a fiber 1
2 mounted between the loop 14 and the fiber portion 12F. The modulator 38 comprises a PZT cylinder around which the fiber 12 is wound. Fiber 12 is connected to this cylinder so that fiber 12 is stretched as the cylinder radially expands in response to a modulation signal from generator 40. A preferred alternative form of modulator (not shown) for use with the present invention comprises a PZT cylinder that longitudinally extends four sections of fiber 12 coupled to a short capillary tube at the end of the cylinder. One of ordinary skill in the art will recognize that this alternative form of modulator may provide less polarization modulation for the propagating optical signal than modulator 38. It will be appreciated that it can be operated at frequencies that eliminate the unwanted effects of modulation. Thus, either type of modulator is preferred for use in the present invention.

【0021】次に、ファイバ12は、結合器34のポー
トC,Dを通り、このファイバ部分12FはポートDか
ら延びており、ファイバ部分12GはポートCから延び
ている。ファイバ部分12Gは、点「NC」(接続され
ていないことを意味する)において非反射性で終了して
いる。AC発電機40からの出力信号が、ライン44で
ロックイン増幅器46に与えられ、このロックイン増幅
器46もまたライン48により、光検出器30の出力を
受入れるために接続されている。この増幅器46への信
号は、変調周波数で増幅器46が検出出力信号を同期検
出し得るために基準信号を与える。したがって、この増
幅器46は、変調器38の基本周波数(すなわち第1調
波)におけるバンドパスフィルタを与え、この周波数以
外の他のすべての周波数を遮断する。以下においては、
検出器出力信号の第1調波成分の大きさが操作範囲全体
にわたり、ループ14の回転速度に比例することが理解
されるであろう。増幅器46は、第1調波成分に比例す
る信号を出力し、したがって回転速度を直接表示し、こ
の回転速度はライン49によりディスプレイ47へ増幅
器の出力信号を与えることよりディスプレイパネル47
で視覚的にディスプレイされる。
Fiber 12 then passes through ports C and D of coupler 34, with fiber portion 12F extending from port D and fiber portion 12G extending from port C. The fiber portion 12G terminates non-reflective at point "NC" (meaning not connected). The output signal from AC generator 40 is provided on line 44 to lock-in amplifier 46, which is also connected by line 48 to receive the output of photodetector 30. The signal to this amplifier 46 provides a reference signal for the amplifier 46 to synchronously detect the detected output signal at the modulation frequency. Therefore, the amplifier 46 provides a bandpass filter at the fundamental frequency (ie, the first harmonic) of the modulator 38 and blocks all other frequencies than this frequency. In the following,
It will be appreciated that the magnitude of the first harmonic component of the detector output signal is proportional to the rotational speed of the loop 14 over the operating range. The amplifier 46 outputs a signal proportional to the first harmonic component, and thus directly displays the rotation speed, which is provided by the line 49 to the display 47 to the display panel 47.
Is displayed visually.

【0022】結合器26,34 この発明の回転センサすなわちジャイロスコープにおい
て結合器26,34として用いるための好ましい光ファ
イバ方向性結合器は、第2図に示される。この結合器
は、それぞれ直方体の基部すなわちブロック53A,5
3Bの光学的に平坦な対向表面内に形成された長手方向
に延びる弧状の溝52A,52B内に取付けられた単一
モード光ファイバ材料からなる2本のストランド50
A,50Bを含む。ブロック53Aと溝52A内に取付
けられたストランド50Aは、この結合器の半体51A
として示され、ブロック53Bとこの溝52B内に取付
けられたストランド50Bとは結合器半体51Bとして
参照される。
Couplers 26,34 A preferred fiber optic directional coupler for use as couplers 26,34 in the rotation sensor or gyroscope of the present invention is shown in FIG. Each of the couplers has a rectangular parallelepiped base, that is, blocks 53A and 5A.
Two strands 50 of single mode optical fiber material mounted in longitudinally extending arcuate grooves 52A, 52B formed in optically flat opposing surfaces of 3B.
Including A and 50B. Strands 50A mounted in blocks 53A and grooves 52A are the halves 51A of this coupler.
The block 53B and the strand 50B mounted in this groove 52B are referred to as the coupler half 51B.

【0023】弧状の溝52A,52Bは、ファイバ50
の径に比べて比較的大きな曲率半径を有しており、かつ
その内部に取付けられたときファイバ50が溝52の底
壁により規定される経路に適合することを可能とするフ
ァイバ径よりもやや大きな幅を有している。この溝52
A,52Bの深さは、それぞれブロック53A,53B
の中心での最小の深さから、それぞれブロック53A,
53Bの端縁における最大深さにまで変化する。このこ
とは、光ファイバストランド50A,50Bが溝52
A,52B内に取付けられた場合、中心に向かって次第
に狭まりかつブロック53A,53Bの両端に向かって
次第に拡がることを可能とし、それによってモードの変
動を介して出力損失を引起こし得るファイバ50のすべ
ての方向の鋭い曲がりあるいは急な変化を除去する。示
された実施例では、溝52は断面長方形であるが、U字
状断面あるいはV字状断面のようなファイバ50に適合
する他の適切な断面形状を代わりに用い得ることが理解
されるであろう。
The arcuate grooves 52A and 52B are formed in the fiber 50.
Has a relatively large radius of curvature compared to the diameter of the fiber and allows it to fit within the path defined by the bottom wall of the groove 52 when mounted therein. It has a large width. This groove 52
The depths of A and 52B are the blocks 53A and 53B, respectively.
From the minimum depth at the center of the block 53A,
Vary up to the maximum depth at the edge of 53B. This means that the optical fiber strands 50A and 50B have grooves 52
When mounted in A, 52B, it allows the taper of fiber 50 to narrow gradually toward the center and gradually widen towards the ends of blocks 53A, 53B, which can cause output loss through mode variations. Eliminate sharp bends or sharp changes in all directions. In the illustrated embodiment, the groove 52 is rectangular in cross-section, but it will be understood that other suitable cross-sectional shapes compatible with the fiber 50, such as a U-shaped or V-shaped cross-section, could be used instead. Ah

【0024】示した実施例では、ブロック53の中心に
は、ストランド50を取付ける溝52の深さがストラン
ド50の径よりも小さく、他方ブロック53の両端縁で
は、溝52の深さはストランド50の径と少なくとも等
しい大きさである。光ファイバ材料は各ストランド50
A,50Bからたとえばラッピングにより、それぞれ楕
円形状の平坦な表面を形成するように除去され、この平
面はブロック53A,53Bの対向表面と同一平面であ
る。光ファイバ材料が除去されたところのこれらの楕円
表面は、この明細書中ではファイバの「対向表面」とし
て示される。したがって、除去された光ファイバ材料の
量は、ブロック53の両端縁の方で0から、ブロック5
3の中心に向かって最大に次第に増加する。光ファイバ
材料のこの偏った除去は、ファイバが次第に狭まりかつ
拡がることを可能とし、これは逆向きの反射および光エ
ネルギの過剰な損失を避けるためには有利である。
In the embodiment shown, the depth of the groove 52 in which the strand 50 is mounted is smaller than the diameter of the strand 50 in the center of the block 53, while the depth of the groove 52 is the strand 50 at both ends of the block 53. Is at least equal to the diameter of. Optical fiber material is 50 for each strand
A and 50B are removed by lapping, for example, so as to form an elliptical flat surface, and this plane is flush with the opposing surfaces of the blocks 53A and 53B. These elliptical surfaces from which the fiber optic material has been removed are referred to herein as the "opposing surfaces" of the fibers. Therefore, the amount of the removed optical fiber material is from 0 toward the both ends of the block 53, and
The maximum gradually increases toward the center of 3. This biased removal of the fiber optic material allows the fiber to gradually narrow and widen, which is advantageous to avoid backward reflection and excessive loss of light energy.

【0025】示した実施例では、結合器半体51A,5
1Bは同一でありかつともにブロック53A,53Bの
対向表面を位置決めすることにより組立てられ、そのた
めストランド50A,50Bの対向表面は対向関係にあ
る。
In the embodiment shown, the coupler halves 51A, 5
1B are identical and are both assembled by positioning the opposing surfaces of blocks 53A, 53B so that the opposing surfaces of strands 50A, 50B are in opposing relationship.

【0026】屈折率整合オイルのような屈折率整合物質
(図示せず)が、ブロック53の対向表面間に設けられ
る。この物質は、クラッド部の屈折率にほぼ等しい屈折
率を有しており、かつ光学的に平坦な表面が永久に固定
され得ることを防止する。このオイルは、毛細管作用に
より、ブロック53間にも導入される。
An index matching material (not shown), such as index matching oil, is provided between the opposing surfaces of block 53. This material has a refractive index that is approximately equal to the refractive index of the cladding and prevents the optically flat surface from being permanently fixed. This oil is also introduced between the blocks 53 by the capillary action.

【0027】相互作用領域54が、ストランド50の接
合部に形成されており、ここで光がエバネセントフィー
ルド結合によりストランド間に伝送される。エバネセン
トフィールド結合を確実に確保するために、ファイバ5
0から除去された材料の量は、注意深く制御されねばな
らず、そのためストランド50のコア部間のスペースは
所定の「クリティカル領域」内にあることがわかる。エ
バネセントフィールドは、クラッド部内に延び、かつ各
コア部の外側の距離に応じて迅速に減少する。このよう
に、各コア部が他方のエバネセントフィールド内で実質
的に位置決めされることを可能とするのに充分な量の材
料が除去される。除去される材料が少なすぎれば、コア
部はエバネセントフィールドが所望の案内モードの相互
作用を引起こすことを可能とするほど充分に近接せず、
したがって不充分な結合がもたらされる。逆に、除去さ
れる材料が多すぎれば、ファイバの伝播特性は変化し、
モードの変動に基づく光エネルギの損失をもたらす。し
かしながら、ストランド50のコア部間のスペースがク
リティカル領域内にあれば、各ストランドは、他のスト
ランドからのエバネセントフィールドエネルギのかなり
の部分を受入れ、良好な結合が大きなエネルギ損失なし
に達成される。このクリティカル領域は、ファイバ50
A、50Bのエバネセントフィールド結合を与えるのに
充分な強度を有して重なり合うことすなわち各コア部が
他方のエバネセントフィールド内に存在することを確保
する領域を含む。しかしながら、先に示したように、モ
ードの変動は、コア部が近接しすぎた場合に発生する。
たとえば、単一モード光ファイバにおけるHE11モード
のような弱い案内モードについては、コア部を露出する
ためにファイバ50から充分な量の材料が除去されたと
きにこのようなモードの変動が発生する。このように、
クリティカル領域は、かなりのモードの変動により引起
こされるパワーの損失なく結合を生じるために、充分な
強度でエバネセントフィールドが重なり合う領域と定義
される。
An interaction region 54 is formed at the juncture of the strands 50, where light is transmitted between the strands by evanescent field coupling. To ensure the evanescent field coupling, the fiber 5
It can be seen that the amount of material removed from zero must be carefully controlled so that the space between the cores of strands 50 is within a given "critical area". The evanescent field extends into the cladding and decreases rapidly with the distance outside each core. In this way, a sufficient amount of material is removed to allow each core to be substantially positioned within the other evanescent field. If too little material is removed, the core will not be close enough to allow the evanescent field to cause the desired guided mode interaction,
Therefore, insufficient binding results. Conversely, if too much material is removed, the fiber's propagation characteristics will change,
It results in a loss of light energy due to mode variations. However, if the space between the core portions of the strands 50 is within the critical region, each strand will accept a significant portion of the evanescent field energy from the other strands and good coupling will be achieved without significant energy loss. This critical area is the fiber 50
A, 50B, including areas that ensure that they overlap with each other with sufficient strength to provide the evanescent field coupling, ie, that each core portion resides within the other evanescent field. However, as described above, the mode variation occurs when the core portions are too close to each other.
For weak guiding modes, such as the HE 11 mode in single mode optical fibers, such mode variations occur when sufficient amount of material is removed from the fiber 50 to expose the core. . in this way,
The critical region is defined as the region where the evanescent fields overlap with sufficient strength to produce coupling without loss of power caused by significant mode variations.

【0028】或る特定の結合器についてのクリティカル
領域の面積は、ファイバ自身のパラメータおよび結合器
の幾何的形状のような多数の相関要素に依存する。さら
に、ステップインデックス特性を有する単一モードファ
イバについては、クリティカル領域は極めて狭い。示し
た形式の単一モード光ファイバでは、結合器の中心にお
けるストランド50間の中心−中心間距離は、コア部の
径の数倍(たとえば2ないし3倍)以下であることが要
求される。
The area of the critical region for a particular coupler depends on many correlation factors such as the parameters of the fiber itself and the geometry of the coupler. Moreover, for single mode fibers with step index properties, the critical region is extremely narrow. A single mode optical fiber of the type shown requires that the center-to-center distance between the strands 50 at the center of the coupler is no more than a few times (e.g., 2-3 times) the diameter of the core.

【0029】好ましくは、ストランド50A,50B
は、(1)相互に同一であり、(2)相互作用領域54
において同一の曲率半径を有し、かつ(3)各対向表面
を形成するためにそこから除去された光ファイバ材料の
量に等しい。このように、ファイバ50がその対向表面
の平面内で相互作用領域54を介して対称であり、その
ため対向表面は重ね合わされたとき同一の拡がりを有す
る。このことは、2本のファイバ50A,50Bが相互
作用領域54において同一の伝播特性を有し、それによ
って異なる伝播特性に関連される結合の減衰を避ける。
Preferably, the strands 50A, 50B
Are (1) mutually identical and (2) the interaction region 54
At the same radius of curvature, and (3) equal to the amount of fiber optic material removed therefrom to form each opposing surface. Thus, the fiber 50 is symmetrical in the plane of its facing surface via the interaction region 54, so that the facing surfaces have the same extent when superposed. This means that the two fibers 50A, 50B have identical propagation characteristics in the interaction region 54, thereby avoiding coupling attenuation associated with different propagation characteristics.

【0030】ブロックすなわち基部53は、すべての好
ましい剛性材料により製造され得る。或る好ましい実施
例では、基部53は、ほぼ長さ1インチ(2.54セン
チメートル)、幅1インチ(2.54センチメートル)
および厚み0.4インチ(1.16センチメートル)の
大きさの溶融石英ガラスからなる略直方体ブロックから
なる。この実施例では、光ファイバストランド50は、
エポキシ接着剤のような適切な接着剤により溝52内に
固定される。溶融石英ブロック53の1つの効果は、ガ
ラスファイバと類似した熱膨張係数を有することであ
り、この効果は、ブロック53およびファイバ50が製
造工程の間いずれかの熱処理にさらされる場合、極めて
重要である。ブロック53についての他の適切な材料は
シリコンであり、これもまたこの用途についての優れた
熱的特性を有する。
The block or base 53 can be made of any suitable rigid material. In one preferred embodiment, the base 53 is approximately 1 inch (2.54 centimeters) long and 1 inch (2.54 centimeters) wide.
And a substantially rectangular parallelepiped block made of fused silica glass having a thickness of 0.4 inch (1.16 cm). In this example, the fiber optic strand 50 comprises:
It is fixed in the groove 52 by a suitable adhesive such as an epoxy adhesive. One effect of fused silica block 53 is to have a coefficient of thermal expansion similar to that of glass fiber, which effect is very important if block 53 and fiber 50 are subjected to any heat treatment during the manufacturing process. is there. Another suitable material for block 53 is silicon, which also has excellent thermal properties for this application.

【0031】この結合器は、図2に示すように、4個の
ポートA,B,C,Dを備える。図2の斜視図から観察
したとき、それぞれストランド50A,50Bに対応す
るポートA,Cは、結合器の左側にあり、他方ストラン
ド50A,50Bにそれぞれ対応するポートB,Dは結
合器の右側に存在する。議論のために、入力光がポート
Aに与えられると仮定する。この光は結合器を通り、ポ
ートBおよび/またはポートDで出力され、ストランド
50間に結合される出力の量に依存する。この点に関
し、用語「標準化された結合力」は、結合された出力の
総出力に対する比率として定義される。上述の例では、
標準化された結合出力は、ポートDにおける出力のポー
トBおよびポートDにおける出力の合計に対する比率に
等しい。この比率もまた「結合効率」として示され、そ
のように用いられるときには通常パーセントで表示され
る。したがって、用語「標準化された結合出力」がこの
明細書中で用いられるとき、対応する結合効率は標準化
された結合出力の100倍であることがわかる。この点
について、実験は、図2に示した形式の結合器が100
パーセントまでの結合効率を有することを示した。しか
しながら、この結合器は、ブロック53の対向表面をオ
フセットすることにより、結合効率を0と最大値との間
の任意の所望の値に調整するためにチューニングされ得
る。このようなチューニングは、好ましくは、ブロック
53を相互に相対的に横方向に摺動させることにより達
成され得る。
This coupler has four ports A, B, C and D as shown in FIG. When viewed from the perspective view of FIG. 2, the ports A and C respectively corresponding to the strands 50A and 50B are on the left side of the coupler, and the ports B and D respectively corresponding to the other strands 50A and 50B are on the right side of the coupler. Exists. For discussion purposes, assume that input light is provided at port A. This light passes through the coupler and is output at port B and / or port D, depending on the amount of output coupled between the strands 50. In this regard, the term "standardized cohesive strength" is defined as the ratio of combined output to total output. In the example above,
The standardized combined output is equal to the ratio of the output at port D to the sum of the outputs at port B and port D. This ratio is also referred to as "coupling efficiency" and is usually expressed as a percentage when used as such. Thus, when the term "standardized combined power" is used in this specification, it can be seen that the corresponding coupling efficiency is 100 times the standardized combined power. In this regard, experiments have shown that a coupler of the type shown in FIG.
It was shown to have a coupling efficiency of up to a percentage. However, the coupler can be tuned to adjust the coupling efficiency to any desired value between 0 and the maximum by offsetting the opposing surfaces of the block 53. Such tuning may preferably be achieved by sliding the blocks 53 laterally relative to each other.

【0032】この結合器は、高度の方向性を有してお
り、結合器の一方側に加えられる実質的にすべての出力
がこの結合器の他方側に伝えられる。すなわち、入力ポ
ートAに与えられる実質的にすべての光が、ポートCに
対する逆方向の結合を生じることなく、出力ポートB,
Dに伝えられる。同様に、入力ポートCに与えられる実
質的にすべての光が、出力ポートB,Dに与えられる。
さらに、この方向性は対称性を有する。このように、入
力ポートBまたは入力ポートDのいずれかに入力された
光は、出力ポートA,Cに伝えられる。さらに、この結
合器は、偏光に関してほとんど選択性を有せず、したが
って結合された光の偏光を保持する。このように、たと
えば垂直方向の偏光を有する光線がポートAに入力され
ると、ポートAからポートBまで直線的に通過した光と
同様に、ポートAからポートDに結合された光も垂直偏
光を維持するであろう。
The combiner is highly directional so that substantially all the output applied to one side of the combiner is transferred to the other side of the combiner. That is, substantially all of the light provided to input port A will not couple in the opposite direction to port C, and will be output port B,
Informed to D. Similarly, substantially all light provided to input port C is provided to output ports B and D.
Furthermore, this directionality is symmetrical. In this way, the light input to either the input port B or the input port D is transmitted to the output ports A and C. Moreover, this combiner has little selectivity with respect to polarization, and thus preserves the polarization of the combined light. Thus, for example, when a light beam having vertical polarization is input to port A, the light coupled from port A to port D as well as the light linearly passing from port A to port B is vertically polarized. Will maintain.

【0033】前述の説明から明らかなように、この結合
器は、入力光を2個の逆方向に伝播する波W1,W2
(図1を参照)に分離するように機能することがわか
る。さらに、この結合器は反対方向に伝播する波がルー
プ14(図1)を横切ると、これを再結合するようにも
機能する。
As is apparent from the above description, this coupler has two counter-propagating waves W1 and W2.
It can be seen that it functions to separate (see FIG. 1). In addition, the coupler also functions to recombine counter-propagating waves as they traverse loop 14 (FIG. 1).

【0034】示した実施例では、各結合器26,34は
この結合効率の選択が光検出器30(図1)における最
大光出力を与えるので、50パーセントの結合効率を有
する。この明細書で用いるとき、用語「結合効率」と
は、結合された出力の総出力に対する比率であり、パー
セントで表わされるものを示すものとして定義される。
たとえば、図2を参照して、光がポートAに入力される
と、結合効率はポートDにおける出力のポートBおよび
ポートDにおける出力の合計に対する比に等しいである
だろう。さらに、結合器34についての結合効率が50
パーセントであれば、反対方向に伝播する波W1,W2
は量的に等しいことが確保される。
In the illustrated embodiment, each coupler 26, 34 has a coupling efficiency of 50 percent because the selection of this coupling efficiency provides the maximum light output at photodetector 30 (FIG. 1). As used herein, the term "coupling efficiency" is defined as the ratio of combined output to total output, which is expressed as a percentage.
For example, referring to FIG. 2, when light is input to port A, the coupling efficiency will be equal to the ratio of the output at port D to the sum of the outputs at port B and port D. Furthermore, the coupling efficiency for the coupler 34 is 50
If it is a percentage, waves W1 and W2 propagating in opposite directions
Are guaranteed to be quantitatively equal.

【0035】偏光子32 図1の回転センサにおいて用いるのに好ましい偏光子
は、図3に示される。この偏光子は複屈折結晶60を含
み、この複屈折結晶60はファイバ12により伝達され
る光のエバネセントフィールド内に位置決めされてい
る。このファイバ12は、スロット62内に取付けられ
ており、このスロット62は略直方体石英ブロック64
の上部表面63に開口している。スロット62は、弧状
の曲面状底部壁を有しており、ファイバはこの底部壁に
沿うようにスロット62内に取付けられている。ブロッ
ク64の上部表面63は、領域67内でファイバ12か
ら一部のクラッド部を除去するようにラップされる。こ
の結晶60は、ブロック64内に取付けられており、結
晶の下方表面68は結晶60をファイバ12のエバネセ
ントフィールド内に位置決めするために、ブロック64
の上部表面63に対向している。
Polarizer 32 A preferred polarizer for use in the rotation sensor of FIG. 1 is shown in FIG. The polarizer includes a birefringent crystal 60, which is positioned within the evanescent field of light transmitted by the fiber 12. The fiber 12 is mounted in a slot 62, which is a substantially rectangular parallelepiped quartz block 64.
Has an opening on the upper surface 63 thereof. The slot 62 has an arcuate curved bottom wall, and the fiber is mounted in the slot 62 along the bottom wall. The upper surface 63 of block 64 is wrapped to remove some cladding from fiber 12 in region 67. The crystal 60 is mounted within a block 64 and the lower surface 68 of the crystal is positioned in the block 64 to position the crystal 60 within the evanescent field of the fiber 12.
Facing the upper surface 63 of the.

【0036】ファイバ12と複屈折材料60の相対屈折
率は、所望の偏光モードの波の速度がファイバ12内で
よりも複屈折結晶60内でより大きく、他方好ましくな
い偏光モードの波の速度が複屈折結晶60内よりもファ
イバ12内で大きいように、選ばれている。好ましくな
い偏光モードの光がファイバ12から複屈折結晶60ま
で結合されるのに対して、好ましい偏光モードの光はフ
ァイバ12のコア部により案内され続ける。このよう
に、偏光子32は、光が或る偏光モードで通過し、他方
他の偏光モードでは通過することを防止されるように動
作する。先に示したように、偏光制御器24,36(図
1)が、入力光の偏光および光学的出力信号を調整する
のに用いられ、そのため偏光子を介しての出力損失は最
小にされる。
The relative index of refraction of the fiber 12 and the birefringent material 60 is such that the wave velocity of the desired polarization mode is greater in the birefringent crystal 60 than in the fiber 12, while the wave velocity of the undesired polarization mode is greater. It is chosen to be larger in fiber 12 than in birefringent crystal 60. Light in the undesired polarization mode is coupled from the fiber 12 to the birefringent crystal 60, while light in the preferred polarization mode continues to be guided by the core of the fiber 12. In this way, the polarizer 32 operates such that light is prevented from passing in one polarization mode and in the other polarization mode. As indicated above, polarization controllers 24, 36 (FIG. 1) are used to adjust the polarization of the input light and the optical output signal, so output loss through the polarizer is minimized. .

【0037】偏光制御器24,36 図1の回転センサに用いるのに好ましい偏光制御器の一
例は、図4に示される。この制御器は、その内部に複数
個の直立ブロック72Aないし72Dが取付けられてい
る基部70を含む。ブロック72の一方側に隣接する部
分間には、スプール74Aないし74Cが、それぞれシ
ャフト76Aないし76Cに接線方向に取付けられてい
る。シャフト76は、相互に軸方向に整列されており、
かつブロック72間で回転可能に取付けられている。ス
プール74は、一般的には円筒形状を有しており、かつ
シャフト76の軸に垂直なスプール74の軸により、シ
ャフト76に対して接線方向に位置決めされている。ス
トランド12は、シャフト76内の軸方向の孔を介して
延びており、かつ3個のコイル78Aないし78Cを形
成するように、スプール74のそれぞれの周囲に巻回さ
れている。コイル78の半径は、ファイバ12が各コイ
ル78内で複屈折媒体を形成するために引張られている
ように選ばれる。3個のコイル78Aないし78Cは、
ファイバ12の複屈折を調整するために、それぞれシャ
フト74ないし74Cの軸のまわりに相互に独立に回転
可能にされており、したがってファイバ12を通過する
光の偏光を制御する。
Polarization Controllers 24,36 An example of a preferred polarization controller for use with the rotation sensor of FIG. 1 is shown in FIG. The controller includes a base 70 having a plurality of upright blocks 72A-72D mounted therein. Between parts adjacent to one side of the block 72, spools 74A to 74C are tangentially attached to the shafts 76A to 76C, respectively. The shafts 76 are axially aligned with each other,
Moreover, it is rotatably mounted between the blocks 72. The spool 74 has a generally cylindrical shape, and is positioned tangentially to the shaft 76 by the axis of the spool 74 perpendicular to the axis of the shaft 76. Strands 12 extend through axial holes in shaft 76 and are wound around each spool 74 to form three coils 78A-78C. The radii of the coils 78 are chosen such that the fiber 12 is drawn within each coil 78 to form a birefringent medium. The three coils 78A to 78C are
To adjust the birefringence of the fiber 12, they are each independently rotatable about the axis of the shafts 74-74C and thus control the polarization of the light passing through the fiber 12.

【0038】コイル78内の巻回部分の径と数とは、外
側のコイル78A,78Cが4分の1波長の空間的遅延
を与え、他方中心コイル78Dが2分の1波長の空間遅
延を与えるようにされている。4分の1波長コイル78
A,78Cは、偏光の楕円性を制御し、2分の1波長コ
イル78Bは偏光の方向を制御する。このことは、ファ
イバ12を通過する光の全範囲の偏光調整を可能とす
る。しかしながら、(中心コイル78Bにより与えられ
るのではなく)偏光の方向が2個の4分の1波長コイル
78A,78Cにより偏光の楕円性を正しく調整するこ
とを介して間接的に制御され得るので、偏光制御器が単
に2個の4分の1波長コイル78A,78Cのみを備え
るように変形されてもよいことがわかる。したがって、
偏光制御器24,36は、4分の1波長コイル78A,
78Cのみを含むように図1に示されている。この配置
は、制御器24,36の全体の大きさを小さくするもの
であるため、大きさに制限のあるこの発明の或る種の用
途において有利であるかもしれない。このように、偏光
制御器24,36は、入力光および反対方向に伝播する
波の双方の偏光の確立、維持および制御のための手段を
与える。
The diameter and number of windings in the coil 78 are such that the outer coils 78A and 78C provide a quarter wavelength spatial delay, while the center coil 78D provides a half wavelength spatial delay. Is supposed to give. Quarter-wave coil 78
A and 78C control the ellipticity of polarization, and the half-wave coil 78B controls the direction of polarization. This allows polarization adjustment of the entire range of light passing through the fiber 12. However, since the direction of polarization (as opposed to being provided by the center coil 78B) can be indirectly controlled via the correct adjustment of the ellipticity of the polarization by the two quarter wave coils 78A, 78C, It will be appreciated that the polarization controller may be modified to include only two quarter wave coils 78A, 78C. Therefore,
The polarization controllers 24 and 36 are quarter-wave coils 78A,
It is shown in FIG. 1 to include only 78C. This arrangement reduces the overall size of the controllers 24, 36 and may be advantageous in certain size limited applications of the invention. Thus, the polarization controllers 24, 36 provide a means for establishing, maintaining and controlling the polarization of both the input light and the counter-propagating waves.

【0039】位相変調あるいは偏光制御を伴わない動作 偏光子32(図1)および位相変調器38の機能と重要
性をより一層理解するために、回転センサの動作が、ま
ず、これらの構成要素がこの装置から除去されているよ
うに説明される。したがって、図5は、図1の回転セン
サから変調器38、偏光子32およびこれに関連する構
成要素が除去された回転センサを略図的に示す。
To better understand the function and importance of operating polarizer 32 (FIG. 1) and phase modulator 38 without phase modulation or polarization control, the operation of the rotation sensor must first be such that these components It is described as being removed from this device. Accordingly, FIG. 5 schematically illustrates the rotation sensor of FIG. 1 with the modulator 38, polarizer 32 and associated components removed.

【0040】光は、レーザ光源10からファイバを伝播
するためにファイバ12まで結合される。光が結合器2
6のポートAに入り、そこでは一部の光がポートDによ
り失われる。残りの光は、結合器34のポートAからポ
ートBまで伝播し、この結合器34では2個の反対方向
に伝播する等しい大きさの波W1,W2に分離される。
波W1は、ループ14の周囲を反時計方向にポートBか
ら伝播し、他方波W2はループ14の周囲を反時計方向
にポートDから伝播する。波W1,W2がループ14を
横切った後、これらの波は光出力信号を形成するために
結合器34により再結合され、この光出力信号は結合器
34のポートAから結合器26のポートBまで伝播す
る。一部の光出力信号は、光検出器30までファイバ2
8に沿って伝播するために、結合器26のポートBから
ポートCまで結合される。この光検出器30は、光出力
信号によりその上に印加された光強度に比例する電気信
号を出力する。
Light is coupled from laser source 10 to fiber 12 for propagation through the fiber. Light is a coupler 2
6 enters port A, where some light is lost by port D. The remaining light propagates from port A to port B of combiner 34 where it is separated into two oppositely propagating waves W1 and W2.
Wave W1 propagates around port 14 in the counterclockwise direction from port B, while wave W2 propagates around port 14 in the counterclockwise direction from port D. After the waves W1, W2 have traversed the loop 14, these waves are recombined by a combiner 34 to form an optical output signal, which is output from port A of combiner 34 to port B of combiner 26. Propagate to. Some optical output signals are sent to the fiber 2 through the photodetector 30.
8 is coupled from port B to port C of combiner 26 for propagation along 8. The photodetector 30 outputs an electrical signal proportional to the light intensity applied thereon by the optical output signal.

【0041】この出力信号の強度は、波W1,W2が結
合器34で再結合されすなわち重ね合わされたときに、
波W1,W2間の干渉の量および形式(すなわち強め合
いあるいは弱め合い)により変化するであろう。このと
き、ファイバの複屈折の影響を無視すれば、波W1,W
2はループ14の周囲の同一の光学的経路を通過する。
このように、ループ14が静止していると仮定すれば、
波W1,W2が結合器34で再結合されるとき、波W
1,W2は位相差を発生せずに強め合い、かつ光出力信
号強度は最大となるであろう。しかしながら、ループ1
4が回転されるとき、逆方向に伝播する波W1,W2
は、Sagnac効果により同位相でシフトし、そのため結合
器34で重ね合わされたとき光出力信号の強度を弱める
ように干渉し合うであろう。ループ14の回転により引
起こされる、波W1,W2間のこのようなSagnac位相差
は、次の関係式により定義される。
The strength of this output signal is such that when the waves W1, W2 are recombined or superposed in the combiner 34,
It will vary depending on the amount and type (ie constructive or destructive) of the interference between the waves W1, W2. At this time, if the influence of the birefringence of the fiber is ignored, the waves W1, W
2 pass the same optical path around the loop 14.
Thus, assuming loop 14 is stationary,
When the waves W1 and W2 are recombined in the combiner 34, the wave W
1, W2 will be strengthened without generating a phase difference, and the optical output signal strength will be maximum. However, loop 1
When W4 is rotated, waves W1 and W2 propagating in opposite directions
Will shift in phase due to the Sagnac effect, and will therefore interfere to weaken the optical output signals when combined in combiner 34. Such a Sagnac phase difference between the waves W1 and W2 caused by the rotation of the loop 14 is defined by the following relational expression.

【0042】[0042]

【数1】 [Equation 1]

【0043】式中、Aは光ファイバのループ14により
結合される領域を、Nは領域Aの周囲の光ファイバの巻
回数を、Ωはループの平面に垂直な軸のまわりのループ
の角速度、ならびにλおよびcはループに与えられる光
の波長および角速度をそれぞれ示す。
Where A is the area coupled by the loop 14 of the optical fiber, N is the number of turns of the optical fiber around the area A, Ω is the angular velocity of the loop about an axis perpendicular to the plane of the loop, And λ and c respectively indicate the wavelength and angular velocity of the light provided to the loop.

【0044】光出力信号(IT )の強度は、波W1,W
2間のSagnac位相差(φWS)の関数であり、次の式によ
り定義される。
The intensity of the optical output signal ( IT ) is determined by the waves W1, W
It is a function of the Sagnac phase difference (φ WS ) between the two and is defined by the following equation.

【0045】[0045]

【数2】 [Equation 2]

【0046】式中I1 およびI2 はそれぞれ、波W1,
W2の個々の強度を示す。
Where I 1 and I 2 are the waves W1,
The individual intensities of W2 are shown.

【0047】式(1)および(2)から、光出力信号強
度が回転速度(Ω)の関数であることがわかる。このよ
うに、この回転速度の数値は、検出器30を用いて、光
出力信号強度を測定することにより得られ得る。
From equations (1) and (2), it can be seen that the optical output signal strength is a function of the rotation speed (Ω). Thus, this numerical value of the rotational speed can be obtained by measuring the optical output signal intensity using the detector 30.

【0048】図6は、曲線80を示し、これは光出力信
号(IT )の強度と、半体方向に伝播する波W1,W2
間のSagnac位相差(φWS)との間の関係を表わす。この
曲線80は、コサイン曲線を示し、光出力信号強度はSa
gnac位相差(φWS)が0であるときに最大となる。
[0048] Figure 6 shows a curve 80, which is the intensity of the optical output signal (I T), the waves W1, W2 which propagate in the half direction
Represents the relationship between the Sagnac phase difference (φ WS ). This curve 80 shows a cosine curve, and the optical output signal strength is Sa
It becomes maximum when the gnac phase difference (φ WS ) is zero.

【0049】反対方向に伝播する波W1,W2間の位相
差源のみが、ループ14の回転であると仮定すれば、こ
の曲線80は垂直まわりに対称に変化するであろう。し
かしながら、現実には、反対方向に伝播する波W1,W
2間の位相差はループ14の回転によるだけでなく、光
ファイバ12の残留複屈折によっても引起こされ得る。
ファイバの複屈折が単一モードファイバ12の2個の偏
光モードのそれぞれが異なる速度で光を伝播させるの
で、複屈折により誘起させる位相差が生じる。これは、
非可逆的にかつ非回転性で誘起された位相差を波W1,
W2間に発生し、これは、たとえば想像線で示す曲線8
2により表わされるように、図6の波80を歪ませすな
わちシフトするように波W1,W2を干渉させる。この
ような複屈折により誘起された非可逆性の位相差は、回
転性を有するように誘起されたSagnac位相差と見分けが
つかず、かつ温度および圧力のようなファイバの複屈折
を変化させる環境要素に依存する。したがって、ファイ
バの複屈折は、光ファイバ回転センサの誤差の主要な原
因となる。
Assuming that the only source of phase difference between the counter-propagating waves W1, W2 is the rotation of the loop 14, this curve 80 will change symmetrically about the vertical. However, in reality, the waves W1 and W propagating in opposite directions
The phase difference between the two can be caused not only by the rotation of the loop 14 but also by the residual birefringence of the optical fiber 12.
Since the birefringence of the fiber causes light to propagate at different speeds in each of the two polarization modes of the single mode fiber 12, a phase difference induced by the birefringence occurs. this is,
The phase difference induced irreversibly and non-rotatably by the wave W1,
It occurs between W2 and this is, for example, the curve 8 shown by an imaginary line.
As represented by 2, the waves W1, W2 are interfered to distort or shift the wave 80 of FIG. The non-reciprocal retardation induced by such birefringence is indistinguishable from the rotationally induced Sagnac retardation and is an environment that changes the birefringence of the fiber such as temperature and pressure. Depends on the element. Therefore, fiber birefringence is a major source of error in fiber optic rotation sensors.

【0050】偏光子32による動作 ファイバの複屈折に基づく非可逆性動作の問題は、単一
の偏光モードのみの利用を許容し得る上述したような
(図1の)偏光子32により、この発明の回転センサで
解決される。このように、偏光子32がこの装置に導入
されると、図5の参照番号84により示される点では、
偏光子32を介して入力される光が所望の偏光モードで
ループ14内を伝播する。さらに、逆方向に伝播する波
が、光出力信号を形成するために再結合されると、光出
力信号が結合器34のポートAから結合器26のポート
Bまで伝播するとき光出力信号が偏光子32をも通過す
るので、ループに入力された光と異なる偏光のすべての
光は光検出器30に達することを防止される。このよう
に、光出力信号が検出器30に達すると、この光出力信
号はループに入力される光と同一の偏光を正確に有する
であろう。それゆえに、同一の偏光子32を介して入力
光と出力光信号とを通過させることにより、単に1個の
光学的経路のみが用いられ、それによって複屈折により
誘起される位相差の問題を解消し得る。さらに、偏光制
御器24,36(図1)は、偏光子32における光出力
損失を減少させるためにしたがって検出器30における
信号強度を最大とするために、それぞれ、入力光の偏光
および光出力信号を調整するのに用いられ得ることがわ
かる。
The problem of non-reciprocal operation due to the birefringence of the working fiber by the polarizer 32 is due to the invention of the polarizer 32 (of FIG. 1) as described above, which allows the use of only a single polarization mode. It is solved by the rotation sensor of. Thus, when the polarizer 32 is introduced into the device, at the point indicated by reference numeral 84 in FIG.
Light input through the polarizer 32 propagates in the loop 14 in the desired polarization mode. Further, when the counter-propagating waves are recombined to form an optical output signal, the optical output signal is polarized as it propagates from port A of coupler 34 to port B of coupler 26. Since it also passes through the child 32, all light of a different polarization than the light entering the loop is prevented from reaching the photodetector 30. Thus, when the light output signal reaches the detector 30, it will have exactly the same polarization as the light entering the loop. Therefore, by passing the input light and the output optical signal through the same polarizer 32, only one optical path is used, thereby eliminating the problem of birefringence-induced phase difference. You can In addition, the polarization controllers 24, 36 (FIG. 1) respectively adjust the polarization of the input light and the optical output signal to maximize the signal strength at the detector 30 in order to reduce the optical output loss at the polarizer 32. It can be used to adjust

【0051】位相変調器38における動作 図6を再度参照して、曲線80はコサインの関数である
ため、光出力信号は波W1,W2間の小さな位相差(φ
WS)に対して非線形であることがわかる。さらに、光出
力信号強度は、φWS の小さな値に対して、位相差にお
ける変化に相対的に反応しない。この非線形性および無
反応性は、検出器30により測定された光強度(IT
をループ14の回転速度の信号表示Ω(式1)への変換
を困難なものとする。
Operation of Phase Modulator 38 Referring again to FIG. 6, since the curve 80 is a function of cosine, the optical output signal has a small phase difference (φ) between the waves W1, W2.
It can be seen that it is nonlinear with respect to WS ). Moreover, the optical output signal strength is relatively insensitive to changes in phase difference for small values of φ WS . This non-linearity and non-responsiveness is due to the light intensity ( IT ) measured by the detector 30.
Makes it difficult to convert the rotation speed of the loop 14 into a signal display Ω (Equation 1).

【0052】さらに、上述のように、偏光子32を用い
ることにより、波W1,W2間の複屈折により誘起され
た位相差が除去されるが、ファイバの複屈折により引起
こされる偏光モード間の交差結合は、このような交差結
合光が偏光子32により検出器30に達することを防止
するため、光出力信号の光学的強度を減少させる。この
ように、ファイバの複屈折における変化は、図6の曲線
80の大きさを、たとえば曲線84に示すように変化さ
せる。図6の曲線80,82,84は拡大して描かれて
いないことが理解されるであろう。
Further, as described above, by using the polarizer 32, the phase difference induced by the birefringence between the waves W1 and W2 is eliminated, but between the polarization modes caused by the birefringence of the fiber. Cross-coupling prevents such cross-coupled light from reaching the detector 30 by the polarizer 32, thus reducing the optical intensity of the optical output signal. Thus, changes in fiber birefringence cause the magnitude of curve 80 in FIG. 6 to change, as shown, for example, by curve 84. It will be appreciated that the curves 80, 82, 84 of FIG. 6 are not drawn to scale.

【0053】前述の問題点は、位相変調器38、信号発
生器40および図1に示すロックイン増幅器46を利用
する同期検出装置によりこの発明の回転センサにおいて
解決される。図7を参照して、位相変調器38は、信号
発生器40の或る周波数において伝播する波W1,W2
のそれぞれの位相を変調する。しかしながら、図1から
明らかなように、位相変調器38は、ループ14の一方
端部に配置されている。このように、波W1の変調は波
W2の変調と同位相であることは必ずしも必要ではな
い。実際、波W1,W2の変調は同位相でないことが、
この同期検出装置の正しい動作において必要である。図
7を参照して、曲線90により表わされる波W1の変調
が曲線92により表わされる波W2の変調と位相におい
て180度ずれていることが好ましい。波W1の波W2
の変調に対するこのような180度の位相差を与える変
調周波数を用いることは、検出器30により測定される
光出力信号における変調器により誘起された振幅変調を
除去する点において特に効果的である。この変調周波数
(fm)は、次の式により計算される。
The above-mentioned problems are solved in the rotation sensor of the present invention by the synchronization detecting device utilizing the phase modulator 38, the signal generator 40 and the lock-in amplifier 46 shown in FIG. Referring to FIG. 7, the phase modulator 38 includes waves W1 and W2 propagating at a certain frequency of the signal generator 40.
Modulate each phase of. However, as is apparent from FIG. 1, the phase modulator 38 is arranged at one end of the loop 14. Thus, the modulation of the wave W1 does not necessarily have to be in phase with the modulation of the wave W2. In fact, the modulation of the waves W1, W2 is not in phase,
This is necessary for the correct operation of this sync detector. Referring to FIG. 7, the modulation of wave W1 represented by curve 90 is preferably 180 degrees out of phase with the modulation of wave W2 represented by curve 92. Wave W1 Wave W2
Using a modulation frequency that provides such a 180 degree phase difference for the modulation of 1 is particularly effective in eliminating modulator-induced amplitude modulation in the optical output signal measured by detector 30. This modulation frequency (fm) is calculated by the following formula.

【0054】[0054]

【数3】 式中、Lは逆方向に伝播する波W1,W2についての結
合器34と変調器38との間のファイバ長の差(すなわ
ち、ループ14の他方側での変調器38と対称点の間に
おけるファイバに沿って測定された距離)であり、neg
は単一モードファイバ12についての透過屈折率であ
り、ならびにcはループ14に入力される光の自由空間
速度を示す。
(Equation 3) Where L is the difference in fiber length between the coupler 34 and the modulator 38 for the counter-propagating waves W1, W2 (ie, between the modulator 38 and the point of symmetry on the other side of the loop 14). Distance measured along the fiber) and neg
Is the transmitted index of refraction for the single mode fiber 12 and c is the free space velocity of the light entering the loop 14.

【0055】この変調周波数(fm)では、曲線90,
92による波W1,W2の位相変調に基づく、相互に逆
方向に伝播する波W1,W2間の位相差が、図7の曲線
94により表わされる。波W1,W2間の位相差のこの
変調は、このような位相差φWmが回転により誘起された
Sagnac位相差φWSと見分けがつかないため、図6の曲線
80による光出力信号強度(IT ) を変調するであろ
う。
At this modulation frequency (fm), the curves 90,
The phase difference between the waves W1, W2 propagating in opposite directions, based on the phase modulation of the waves W1, W2 by 92, is represented by the curve 94 in FIG. This modulation of the phase difference between the waves W1 and W2 is due to such a phase difference φ Wm being induced by rotation.
Since it is indistinguishable from the Sagnac phase difference φ WS , it will modulate the optical output signal strength ( IT ) according to curve 80 in FIG.

【0056】前述の説明は、図8および図9を参照する
ことによりより一層明確に理解され得るが、この図8お
よび図9は、図7の曲線94により定義される位相変調
φWmの効果と、図6の曲線80により表わされる光出力
信号の強度(IT )に基づくSagnac位相差φWSの効果を
グラフで表わすものである。しかしながら、図7および
図8の議論に先立ち、まず変調された光出力信号が波W
1,W2間の総位相差の関数であることを理解すべきで
ある。さらに、このような総位相差は、回転により誘起
されたSagnac位相差φWSおよび時間により変化する変調
により誘起された位相差φWmとからなる。このように、
波W1,W2間の総位相差φW は、次の式で表現され得
る。
The above description can be understood more clearly with reference to FIGS. 8 and 9, which show the effect of the phase modulation φ Wm defined by the curve 94 of FIG. When, it is representative of the effect of the Sagnac phase difference phi WS based on the intensity of the optical output signal represented by curve 80 in FIG. 6 (I T) graphically. However, prior to the discussion of FIGS. 7 and 8, first the modulated optical output signal is wave W.
It should be understood that it is a function of the total phase difference between 1 and W2. Furthermore, such a total phase difference consists of the rotation-induced Sagnac phase difference φ WS and the time-dependent modulation-induced phase difference φ Wm . in this way,
The total phase difference φ W between the waves W1 and W2 can be expressed by the following equation.

【0057】[0057]

【数4】 [Equation 4]

【0058】したがって、回転により誘起された位相差
φWSと同様に変調により誘起された位相差φWmの効果が
図8および図9に関連して考慮されるので、曲線80に
ついての水平軸は、図6に示すように総位相差が単に回
転により誘起された位相差よりも考慮されることを示す
ために、φW として表示されている。
[0058] Thus, the effect of the induced modulation like the phase difference phi WS induced by rotational phase difference phi Wm is considered in connection with FIGS. 8 and 9, the horizontal axis for the curve 80 , Φ W , to show that the total phase difference is taken into account rather than simply the phase difference induced by rotation, as shown in FIG.

【0059】今図8を参照して、出力信号(曲線80)
の強度IT に基づく位相変調φWm(曲線94)の効果が
議論されるであろう。図8では、ループ14が静止して
いると仮定され、したがって光信号はSagnac効果により
影響されない。特に、変調により誘起された位相差曲線
94はその垂直軸に対称に曲線80による光出力信号を
変化させ、そのため検出器30により測定される光学的
強度は曲線96により示すように、変調周波数の第2次
調波に等しい周波数で定期的に変化することがわかる。
上で議論したように、ロックイン増幅器46が変調器3
8の変調周波数(すなわち第1次調波)において検出器
の出力信号を同期検出するために信号発生器40(図
1)により能動化されるので、ならびに検出器出力信号
が曲線96により示されるように変調周波数の第2次調
波であるので、増幅器の出力信号は0であり、かつディ
スプレイ47は回転速度が0であることを表示するであ
ろう。たとえ複屈折により誘起された振幅変動が図6の
曲線84に関して議論したように、光出力信号中に発生
したとしても、図8の曲線96は第2次調波周波数を維
持し続けるであろうことが理解されるべきである。この
ように、この複屈折により誘起された振幅変動は、増幅
器46の出力信号に影響しないであろう。それゆえに、
この発明の検出装置は、実質的に安定な動作点を与える
ものであり、特にループ14が静止しているとき複屈折
の変化に変動されない。
Now referring to FIG. 8, the output signal (curve 80).
The effect of the phase modulation φ Wm (curve 94) based on the intensity I T of will be discussed. In FIG. 8, it is assumed that the loop 14 is stationary, so the optical signal is unaffected by the Sagnac effect. In particular, the phase difference curve 94 induced by the modulation causes the optical output signal according to the curve 80 to change symmetrically about its vertical axis, so that the optical intensity measured by the detector 30 is of the modulation frequency as shown by the curve 96. It can be seen that the frequency changes periodically at a frequency equal to the second harmonic.
As discussed above, the lock-in amplifier 46 causes the modulator 3
The detector output signal is shown by curve 96, as activated by the signal generator 40 (FIG. 1) to synchronously detect the detector output signal at a modulation frequency of 8 (ie, the first harmonic). Since it is the second harmonic of the modulation frequency, the output signal of the amplifier will be zero and the display 47 will indicate that the rotational speed is zero. Even if birefringence-induced amplitude variations occur in the optical output signal, as discussed with respect to curve 84 of FIG. 6, curve 96 of FIG. 8 will continue to maintain the second harmonic frequency. It should be understood. Thus, the amplitude variation induced by this birefringence will not affect the output signal of amplifier 46. Hence,
The detection device of the present invention provides a substantially stable operating point and is not subject to changes in birefringence, especially when the loop 14 is stationary.

【0060】ループ14が回転されるときには、先に議
論したように、逆方向に伝播する波W1,W2はSagnac
効果に従い同位相でシフトされる。Sagnac効果は、変調
器38により生み出される位相差φWmに加えて位相差φ
WSを与え、そのため曲線94全体が図9に示す位置に等
しい量だけ、図8に示す位置から同位相で移動される。
このことは、光出力信号が器80により非対称的に変化
することを引起こし、それによって図9の曲線96に示
すようにこの信号を調波的に歪ませ、結果、曲線98に
より想像線で示されるように、変調器38の基本(すな
わち第1次調波)周波数で或る成分を含む。この曲線9
8のRMS値が回転により誘起されたSagnac位相差φWS
のサインに比例することがわかるであろう。増幅器46
は変調器38の基本周波数を有する信号を検出するの
で、増幅器46は、ループの回転速度を表示するための
曲線98のRMS値に比例するディスプレイ47への或
る信号を出力するであろう。
When the loop 14 is rotated, the counter-propagating waves W1 and W2 are, as discussed above, Sagnac.
It is shifted in phase according to the effect. In addition to the phase difference φ Wm produced by the modulator 38, the Sagnac effect has a phase difference φ
WS , so that the entire curve 94 is displaced in phase from the position shown in FIG. 8 by an amount equal to the position shown in FIG.
This causes the optical output signal to change asymmetrically by the device 80, thereby causing this signal to be harmonically distorted, as shown by curve 96 in FIG. As shown, it contains a component at the fundamental (ie first harmonic) frequency of modulator 38. This curve 9
8 RMS value induced by rotation Sagnac phase difference φ WS
You will find that it is proportional to the sign of. Amplifier 46
Detects a signal having the fundamental frequency of the modulator 38, the amplifier 46 will output a signal to the display 47 which is proportional to the RMS value of the curve 98 for displaying the rotational speed of the loop.

【0061】図9は、ループ14の(たとえば時計方向
の)回転の一方方向についての光出力信号の強度を表わ
す。しかしながら、ループ14が等しい速さで(たとえ
ば反時計方向に)逆方向に回転されるならば、光出力信
号の強度波形96は、曲線98が図9に示される位置か
ら180度シフトされるように移動されることを除いて
は、図9に示すものとほぼ同一であることが理解される
であろう。ロックイン増幅器46は、信号発生器40よ
りの基準信号の位相と曲線98についてのこの180度
の位相差とを比較することにより、曲線98についての
180度位相差を検出して、ループの回転が時計方向で
あるか反時計方向であるかを決定する。回転方向に依存
して、増幅器46は、ディスプレイ47に対して正また
は負のいずれかの信号を出力する。しかしながら、回転
の方向とは無関係に、信号の大きさはループ14の回転
速度に等しい。
FIG. 9 represents the intensity of the optical output signal for one direction of rotation of the loop 14 (eg clockwise). However, if the loop 14 is rotated in the opposite direction at the same rate (eg, counterclockwise), the intensity waveform 96 of the optical output signal is such that the curve 98 is shifted 180 degrees from the position shown in FIG. It will be appreciated that it is almost identical to that shown in FIG. 9 except that it has been moved to. The lock-in amplifier 46 detects the 180 degree phase difference for the curve 98 by comparing the phase of the reference signal from the signal generator 40 with this 180 degree phase difference for the curve 98 to rotate the loop. Is clockwise or counterclockwise. Depending on the direction of rotation, amplifier 46 outputs either a positive or negative signal to display 47. However, regardless of the direction of rotation, the magnitude of the signal is equal to the rotational speed of loop 14.

【0062】増幅器の出力信号の波形は、曲線100の
ように図10で示される。この曲線100は曲がりくね
っており、かつループ14の回転が時計方向あるいは反
時計方向であるかに依存して回転速度0から正または負
の方向に変動することがわかる。さらに、曲線100
は、原点に関して対称的に変動しかつ回転を測定するた
めの相対的に幅の広い動作範囲を与える、或る実質的に
線形の部分102を有する。また、曲線100の傾斜
は、その全線形動作範囲102にわたり優れた感度を与
える。
The waveform of the output signal of the amplifier is shown in FIG. 10 as curve 100. It can be seen that this curve 100 is tortuous and that the rotational speed varies from zero to positive or negative depending on whether the rotation of the loop 14 is clockwise or counterclockwise. Furthermore, the curve 100
Has a substantially linear portion 102 that varies symmetrically with respect to the origin and provides a relatively wide range of motion for measuring rotation. Also, the slope of curve 100 provides excellent sensitivity over its entire linear operating range 102.

【0063】このように、同期検出装置を用いることに
より、非線形性の問題、感応しない問題ならびに複屈折
により誘起される振幅変動の問題が減少されすなわち除
去される。
Thus, by using the synchronism detector, the problems of non-linearity, insensitivity and birefringence-induced amplitude fluctuations are reduced or eliminated.

【0064】この検出装置のさらに他の効果は、変調器
38のような人工の位相変調器の状態が、偏光変調を通
じて直接的にあるいは間接的に光出力信号における振幅
変調を引起こすという事実に関する。しかしながら、式
3に関しての議論から思い起こされるように、波W1お
よびW2の変調間の位相差が180度である特定の周波
数で動作させることにより、波が光出力信号を形成する
ように重ね合わされるとき、変調器38により逆方向に
伝播する波W1,W2のそれぞれにより誘起される振幅
変調の奇数調波周波数成分が相互に相殺される。このよ
うに、上述の検出装置は、光出力信号の偶数調波(すな
わち基本周波数)のみを検出するものであるため、振幅
変調による影響は除去される。それゆえに、式3により
定義される特定の周波数で動作させることにより、なら
びに光出力信号の偶数調波のみを検出することにより、
この発明の回転センサは、変調器により誘起される振幅
偏光変調とは独立に動作し得る。
Yet another advantage of this detector is related to the fact that the state of an artificial phase modulator, such as modulator 38, causes amplitude modulation in the optical output signal, either directly or indirectly through polarization modulation. .. However, as recalled from the discussion regarding Equation 3, by operating at a particular frequency where the phase difference between the modulation of waves W1 and W2 is 180 degrees, the waves are superposed to form an optical output signal. At this time, the odd-numbered harmonic frequency components of the amplitude modulation induced by the waves W1 and W2 propagating in the opposite directions by the modulator 38 cancel each other out. As described above, since the above-described detection device detects only the even harmonics (that is, the fundamental frequencies) of the optical output signal, the influence of the amplitude modulation is removed. Therefore, by operating at a particular frequency defined by Equation 3, as well as detecting only the even harmonics of the optical output signal,
The rotation sensor of the present invention can operate independently of the modulator-induced amplitude polarization modulation.

【0065】特定の周波数で動作するさらに他の利益
は、波W1,W2が光出力信号を形成するために重ね合
わされたとき、この逆方向に伝播する波W1,W2のそ
れぞれにおいて変調器38により誘起された位相変調の
偶数調波が相殺することにある。これらの偶数調波はこ
の検出装置により検出され得る光出力信号にスプリアス
偶数調波を生み出すので、この除去は回転検出の精度を
向上させる。
A further advantage of operating at a particular frequency is that the modulators 38 in each of these counter-propagating waves W1, W2, when the waves W1, W2 are superposed to form the optical output signal. The even harmonics of the induced phase modulation are in cancellation. This elimination improves the accuracy of rotation detection, because these even harmonics produce spurious even harmonics in the optical output signal that can be detected by the detector.

【0066】式3で定義される周波数で位相変調器38
を動作することに加えて、位相変調量を調整し、光出力
信号強度の検出された第1次調波量を最大にすることが
好ましい。なぜならば、これにより回転検出感度および
精度を改善し得るからである。図7,図8および図9に
おいてZで示された大きさにより表わされる波W1,W
2間の変調器により誘起された位相差の量が1.84ラ
ジアンであるとき、光出力信号強度の第1次調波は最大
となることがわかる。これは、2個の重ね合わされた波
間の位相差φW と、それぞれ独立の強度I1 ,I2 を有
する重ね合わされた波の総強度(IT )についての次の
式に関しより一層理解され得るであろう。
Phase modulator 38 at the frequency defined by equation 3
It is preferable to adjust the phase modulation amount to maximize the detected first-order harmonic amount of the optical output signal intensity in addition to the above operation. This is because this can improve the rotation detection sensitivity and accuracy. Waves W1, W represented by the magnitude indicated by Z in FIGS. 7, 8 and 9
It can be seen that the first harmonic of the optical output signal strength is maximum when the amount of phase difference induced by the modulator between the two is 1.84 radians. This can be better understood with respect to the following formula for the phase difference φ W between the two superposed waves and the total intensity ( IT ) of the superposed waves with independent intensities I 1 , I 2. Will.

【0067】[0067]

【数5】 (Equation 5)

【0068】式中Jn (Z)はZのn次ベッセル関数で
あり、Zは波W1,W2間の変調器により誘起された位
相差のピークの大きさを示す。それゆえに、IT の第1
次調波のみを検出すれば、
In the equation, J n (Z) is the n-th order Bessel function of Z, and Z represents the magnitude of the peak of the phase difference induced by the modulator between the waves W1 and W2. Therefore, the first of I T
If you detect only the next harmonic,

【0069】[0069]

【数6】 (Equation 6)

【0070】このように、光出力信号強度の第1次調波
は、第1次ベッセル関数J1 (Z)の値に依存する。Z
が1.84ラジアンに等しいときJ1 (Z)が最大であ
るので、位相変調の大きさは、好ましくは、波W1,W
2間の変調器により誘起された位相差(Z)の大きさが
1.84ラジアンとなるように選択される。
As described above, the first-order harmonic of the optical output signal intensity depends on the value of the first-order Bessel function J 1 (Z). Z
Since J 1 (Z) is maximum when is equal to 1.84 radians, the magnitude of the phase modulation is preferably such that the waves W1, W
The magnitude of the phase difference (Z) induced by the modulator between the two is chosen to be 1.84 radians.

【0071】戻り散乱の影響の低減 周知のように、光ファイバ技術の現状は光学的に完全な
ものではなく、少量の光の散乱を引起こす欠点を有す
る。この減少は、レイリー散乱としてよく知られてい
る。このような散乱は光の一部がファイバから失われる
ことを引起こすけれども、このような損失の量は比較的
小さく、それゆえに、大きな問題ではない。レイリー散
乱に関する主な問題は、失われる散乱光ではなく、むし
ろもとの伝播方向と半体方向にファイバを電するように
光が反射されることにある。これは、通常戻り散乱光と
して知られている。このような戻り散乱光は逆方向に伝
播する波W1,W2を備える光とコヒーレントであるた
め、伝播する波と強め合いの干渉あるいは弱め合いの干
渉を生じ、それによって装置内にノイズを発生しすなわ
ち検出器30により測定されるように、光出力信号強度
におけるスプリアス変動をもたらす。
Reducing the Effect of Return Scattering As is well known, the current state of the art of fiber optic technology is not optically perfect and has the drawback of causing a small amount of light scattering. This reduction is well known as Rayleigh scattering. Although such scattering causes some of the light to be lost from the fiber, the amount of such loss is relatively small and therefore not a major issue. The main problem with Rayleigh scattering is that it is not the scattered light that is lost, but rather that the light is reflected to charge the fiber in its original direction of propagation and in the half-direction. This is commonly known as backscattered light. Since such backscattered light is coherent with the light having the waves W1 and W2 propagating in the opposite directions, it causes constructive interference or destructive interference with the propagating wave, thereby generating noise in the device. That is, it causes spurious variations in the optical output signal strength as measured by detector 30.

【0072】逆方向に伝播する波とコヒーレントな或る
波からの戻り散乱光の一部は、ループ14の中心のコヒ
ーレントの長さ内で散乱されるものである。このよう
に、光源のコヒーレンス長を減少させることにより、戻
り散乱光と逆方向に伝播する波との間のコヒーレンスは
減少される。戻り散乱光の残りの部分は、逆方向に伝播
する波とコヒーレントではなく、したがってそれらの間
の干渉はランダムに変化し、平均化される。それゆえ
に、この戻り散乱光のコヒーレントでない部分は実質的
に一定の強度を有し、結果、光出力信号強度に大きな変
動を引起こさない。したがって、この発明では、戻り散
乱光の影響は、たとえば1メートル内外の比較的短なコ
ヒーレンス長を有するレーザを光源10として用いるこ
とにより減少される。特定の実施例によれば、光源10
は上述のようにジェネラルオプトロニクスコーポレーシ
ョンから商業的に入手し得るようなモデルGO−DIP
レーザダイオードであってよい。
A portion of the backscattered light from a wave that is coherent with the counterpropagating wave will be scattered within the coherent length of the center of the loop 14. Thus, by reducing the coherence length of the light source, the coherence between the return scattered light and the counter-propagating wave is reduced. The rest of the backscattered light is not coherent with the counterpropagating waves, so the interference between them varies randomly and is averaged. Therefore, the non-coherent portion of this return scattered light has a substantially constant intensity and, as a result, does not cause large variations in the optical output signal intensity. Therefore, in the present invention, the effect of the backscattered light is reduced by using as the light source 10 a laser having a relatively short coherence length, for example within 1 meter or outside. According to a particular embodiment, the light source 10
Is a model GO-DIP as commercially available from General Optronics Corporation as described above.
It may be a laser diode.

【0073】戻り散乱光と逆方向に伝播する波との間の
強め合い干渉あるいは弱め合い干渉を防止する代わりの
方法は、ループ14の中心にこの装置に付加的な位相変
調器(図示せず)を設けることを含む。この位相変調器
は、変調器38と同期されていない。
An alternative method of preventing constructive or destructive interference between the backscattered light and the counter-propagating wave is to add an additional phase modulator (not shown) to the device at the center of loop 14. ) Is provided. This phase modulator is not synchronized with modulator 38.

【0074】伝播する波は、ループの周囲を通過する際
この付加的な位相変調器を一度だけ通過するであろう。
波が付加的な位相変調器に達する前に、伝播する波から
発生する戻り散乱については、光源から伝播する波およ
び戻り散乱光のいずれもが付加的な変調器を通過しない
ので、戻り散乱はこの付加的な変調器により変調された
位相を有するものではないであろう。
The propagating wave will pass through this additional phase modulator only once as it passes around the loop.
For the backscatter generated from the propagating wave before the wave reaches the additional phase modulator, the return scatter is because neither the propagating wave from the source nor the backscattered light passes through the additional modulator. It would not have the phase modulated by this additional modulator.

【0075】他方、波がこの付加的な位相変調器を通過
した後に、伝播する波から発生する戻り散乱について
は、伝播する波が付加的な位相変調器を通過したとき
と、戻り散乱光が付加的な位相変調器を通過したときと
の2度、効果的に位相変調されるであろう。
On the other hand, regarding the backscatter generated from the propagating wave after the wave has passed through this additional phase modulator, when the propagating wave passes through the additional phase modulator, the return scattered light is It will effectively be phase modulated twice, once it has passed through the additional phase modulator.

【0076】このように、付加的な位相変調器が位相シ
フトφ(t)を導入するならば、ループ14の中心以外
のすべての点に由来する戻り散乱波は、0または2φ
(t)のいずれかの位相シフトを有し、そのいずれかは
伝播する波についてのφ(t)位相シフトに関して変化
する時間である。この干渉を変化させる時間は、平均化
し、戻り散乱光の影響を有効に除去する。
Thus, if the additional phase modulator introduces a phase shift φ (t), the backscattered waves originating from all points except the center of loop 14 will be 0 or 2φ.
Having any phase shift of (t), any of which is the time varying with respect to the φ (t) phase shift for the propagating wave. The time to change this interference is averaged to effectively eliminate the effect of the backscattered light.

【0077】戻り散乱光からの強め合い干渉または弱め
合い干渉を防止する他の代わりの方法では、変調器38
と同期されていない付加的な位相変調器は、光源10の
出力側に導入され得る。
Another alternative method of preventing constructive or destructive interference from the backscattered light is modulator 38.
An additional phase modulator not synchronized with can be introduced at the output of the light source 10.

【0078】この場合、ループ14の中心以外のすべて
の点で発生する戻り散乱は、戻り散乱光が発生する伝播
する波よりも、光源10から検出器30までの様々な光
学的経路長を有するであろう。
In this case, the backscatter generated at all points except the center of the loop 14 has various optical path lengths from the light source 10 to the detector 30 rather than the propagating wave generated by the backscattered light. Will.

【0079】このように、伝播する波はループ14を1
度通過し、他方戻り散乱波およびそれが由来する伝播す
る波はループ14の一部を2度通過する。この部分がル
ープの2分の1であるならば、経路長は異なる。
In this way, the propagating wave passes through loop 14 by 1
The backscattered wave and the propagating wave it originates from will pass through part of loop 14 twice. If this part is half of the loop, the path length is different.

【0080】経路長が異なるので、検出器30に達する
伝播する波は、同時に検出器30に達する戻り散乱波よ
りも異なる回数だけ光源10で発生されねばならない。
Due to the different path lengths, the propagating wave reaching the detector 30 must be generated at the light source 10 a different number of times than the returning scattered wave reaching the detector 30 at the same time.

【0081】光源10において付加的な位相変調器によ
り投入される位相差は、伝播する波に対して位相差φ
(t)を導入するが、散乱光に対してはφ(t+k)を
投入し、このここではKは、波がループ14を通過する
間の時間差を示す。φ(t+k)がφ(t)に関して時
間により変化するので、戻り散乱干渉は、時間的に平均
化され、戻り散乱の影響を有効に除去する。
The phase difference introduced by the additional phase modulator in the light source 10 is the phase difference φ with respect to the propagating wave.
Introducing (t), but introducing φ (t + k) for scattered light, where K represents the time difference during which the wave passes through the loop 14. As φ (t + k) changes with time with respect to φ (t), the backscatter interference is averaged over time, effectively eliminating the effect of backscatter.

【0082】周囲の磁場の影響の低減 地磁気による磁場のような周囲の磁場は、逆方向に伝播
する波W1,W2間の位相差を導入することにより、こ
の発明の回転検出精度に制限を与えることがわかってい
る。このような磁場は、逆方向に伝播する波W1,W2
のいずれかの位相を、相互に相対的に反対方向にシフト
させ、一方を導き他方を遅延させる。
Reduction of Influence of Surrounding Magnetic Field A surrounding magnetic field such as a magnetic field due to geomagnetism introduces a phase difference between waves W1 and W2 propagating in opposite directions, thereby limiting the rotation detection accuracy of the present invention. I know that. Such a magnetic field is generated by waves W1 and W2 propagating in opposite directions.
Of one of the two are shifted in opposite directions relative to each other, leading one and delaying the other.

【0083】波W1,W2のこの位相シフトは、波W
1,W2の伝播方向に平行なB場を有する周囲の磁場の
成分に基づくものである。この磁場成分は、ファラデー
効果としてよく知られている現象を生じ、このファラデ
ー効果は、各波についての偏光方向を回転させる。これ
は、この明細書においてファラデー回転として示され
る。光波の偏光を各偏光モードで伝播する逆方向回転す
る2個の円偏光成分の合成として表現すれば、この磁場
は、或る偏光モードでの光の伝播速度を減少させ、他方
他のモードでの光の伝播速度を増加させることにより、
このようなファラデー効果を導くものと考えられ得る。
This phase shift of the waves W1, W2 is
1, based on the components of the surrounding magnetic field having a B field parallel to the propagation direction of W2. This magnetic field component causes a phenomenon known as the Faraday effect, which rotates the polarization direction for each wave. This is referred to herein as the Faraday rotation. Expressing the polarization of a light wave as the composition of two counter-rotating circularly polarized components propagating in each polarization mode, this magnetic field reduces the propagation velocity of light in one polarization mode, while in the other. By increasing the light propagation speed of
It can be considered that this leads to the Faraday effect.

【0084】光波の偏光は、その楕円の程度により特徴
付けられ得る。楕円性が0であるならば、偏光は通常
「直線」として示される。この状態では、等しい量の光
が各モードに存在する。同様に、楕円度が1であるなら
ば、この偏光は円偏光として示され、すべての光が単一
のモードとなるであろう。さらに、楕円度が0と1との
間にあるとき、この偏光は楕円偏光として示され、かつ
このモードは光の量と等しくはない。
The polarization of a light wave can be characterized by its degree of ellipse. If the ellipticity is zero, then the polarization is usually shown as a "straight line". In this state, there is an equal amount of light in each mode. Similarly, if the ellipticity is 1, this polarization will be shown as circularly polarized and all light will be in a single mode. Furthermore, when the ellipticity lies between 0 and 1, this polarization is shown as elliptically polarized, and this mode is not equal to the amount of light.

【0085】波の偏光が直線であるとき、ファラデー効
果に基づく偏光モードの伝播速度における差の変化は、
波の位相には何ら影響しない。しかしながら、波の偏光
が直線以外の場合(すなわち楕円あるいは円偏光)、伝
播速度における差の変化は、波の位相のシフトを引起こ
し、このような位相シフト量は偏光の楕円度に依存す
る。偏光が円偏光または楕円偏光であるとき、上述のよ
うに、2個の偏光モードのそれぞれにおいて等しくない
量の光が存在するので、一方のモードの伝播速度が増大
するならば、他方は減少し、合計の効果は波の伝播速度
を増加または減少させ、それによって波の位相をシフト
させる。たとえば、ファラデー効果が1次モードについ
ての伝播速度を増大させ、かつ2次モードについての速
度を減少させると仮定すれば、さらに1次モードの光が
2次モードの光よりもより拡がりを有するものと仮定す
れば、このファラデ効果は位相シフトをもたらすであろ
う。他方、2次モードにおける光が1次モードよりもよ
り拡がっていると仮定すれば、ファラデー効果は遅延層
をもたらすであろう。
When the polarization of the wave is linear, the change in the difference in the propagation velocity of the polarization modes due to the Faraday effect is
It has no effect on the phase of the waves. However, if the polarization of the wave is other than linear (ie elliptically or circularly polarized) then the change in the difference in propagation velocity causes a shift in the phase of the wave, such an amount of phase shift depending on the ellipticity of the polarization. When the polarization is circular or elliptically polarized, there is an unequal amount of light in each of the two polarization modes, as described above, so if the propagation velocity of one mode increases, the other decreases. , The total effect increases or decreases the propagation velocity of the wave, thereby shifting the phase of the wave. For example, if it is assumed that the Faraday effect increases the propagation velocity for the first-order mode and decreases the velocity for the second-order mode, then the light of the first-order mode has more spread than the light of the second-order mode. This Farade effect would result in a phase shift. On the other hand, assuming the light in the second mode is more divergent than in the first mode, the Faraday effect will result in a delay layer.

【0086】上で示したように、ファラデ効果から得ら
れる位相シフトは、波W1,W2がループ14を介して
逆方向に伝播するとき、波W1,W2についての直線偏
光を維持することにより除去され得る。残念ながら、し
かしながら、現在入手し得る光ファイバは、ファイバを
波W1,W2を通過するとき偏光の各状態を変化させる
残留複屈折を有するものであるため、これを実現するこ
とは困難である。たとえば、波W1,W2がループ14
に導入されたとき直線偏光であるならば、波がループ1
4を通過するとき、このような残留複屈折がこの偏光を
たとえば楕円のように変化させるであろう。したがっ
て、各波W1,W2がループ14を出て行くときファラ
デ効果に基づく位相シフトを示す。さらに、図1の実施
例では、これらの位相シフトは半体方向であり、したが
って波W1,W2間の位相差を生み出す。
As indicated above, the phase shift resulting from the Faraday effect is eliminated by maintaining linear polarization for the waves W1 and W2 as the waves W1 and W2 propagate backwards through the loop 14. Can be done. Unfortunately, however, this is difficult to achieve because currently available optical fibers have residual birefringence that changes the states of polarization as they pass through the waves W1, W2. For example, waves W1 and W2 are loops 14
If it is linearly polarized when introduced into
As it passes through 4, such residual birefringence will change this polarization, for example elliptical. Therefore, each wave W1, W2 exhibits a phase shift due to the Farade effect as it exits the loop 14. Moreover, in the embodiment of FIG. 1, these phase shifts are in the half direction, thus creating a phase difference between the waves W1, W2.

【0087】前述の説明は、実施例を参照することによ
りより一層理解され得る。この議論を単純化するため
に、多巻回ループよりもむしろ単一巻回ループであるよ
うに示されている図1の回転センサのループ部分を、図
11に示す。さらに、ファイバの残留複屈折は、参照番
号117で示される点において、ループ14の中心に集
中して存在すると考えられる。また、地磁気の磁場(B
場)は、矢印118により示される方向にループの平面
内に存在すると考えられ、そのためこのB場は図11で
観察されるように、ループの上部および底部に存在する
ファイバにほぼ平行である。図1の議論から思い起こさ
れるように、波W1,W2は、ループ14内に入るとき
直線偏光でありかつ偏光制御器36はこのファイバの複
屈折を補償するように調整されており、そのため波W
1,W2がループ14から出て行くとき、波W1,W2
の偏光もまた直線である。さらに、ファイバの複屈折が
ループ14の周囲に対称に分散されている限り、図11
の場合のように、そのように調整された制御器36とと
もに波W1,W2の偏光は、ループ14の任意の点の場
合と同様であるだろう。この実施例では、ループ117
の中心における複屈折が、4分の1波長だけ各波の位相
を変化させると考えられ、そのため曲線偏光の光は円偏
光に変換され、かつ逆の場合も同様となる。このよう
に、位相を等しい量だけすなわち4分の1波長だけシフ
トさせることにより、制御器36がこの位相の変化を補
償するように調整される。
The above description may be better understood with reference to the examples. To simplify this discussion, the loop portion of the rotation sensor of FIG. 1, shown as being a single-turn loop rather than a multi-turn loop, is shown in FIG. Further, the residual birefringence of the fiber is believed to be concentrated at the center of loop 14, at the point indicated by reference numeral 117. In addition, the geomagnetic field (B
Field) is believed to exist in the plane of the loop in the direction indicated by arrow 118, so this B field is approximately parallel to the fibers present at the top and bottom of the loop, as observed in FIG. As will be recalled from the discussion of FIG. 1, the waves W1, W2 are linearly polarized as they enter the loop 14 and the polarization controller 36 is tuned to compensate for the birefringence of this fiber, so that the wave W
When W1 and W2 leave the loop 14, waves W1 and W2
The polarization of is also linear. Furthermore, as long as the fiber birefringence is symmetrically distributed around the loop 14, FIG.
, The polarization of the waves W1, W2 with the controller 36 so adjusted will be similar to that of any point of the loop 14. In this example, loop 117
It is believed that the birefringence at the center of changes the phase of each wave by a quarter wavelength, so that curvilinearly polarized light is converted to circularly polarized light, and vice versa. Thus, by shifting the phase by an equal amount, or a quarter wavelength, the controller 36 is adjusted to compensate for this phase change.

【0088】直線偏光波W1がループ14を横切り始め
るとき、制御器36の複屈折は、その偏光状態をたとえ
ば右手円偏光に変換させる。この波W1がループ14の
上部部分を通過するとき、その位相はファラデー効果に
より、場118の存在に基づきシフトされるであろう。
ループ14の中心117において残留複屈折に達する
と、波W1の円偏光は直線偏光に変換されるであろう。
波W1の偏光がループ14の底部部分全体を通じて直線
であり続けるので、場118は波W1に何ら影響を与え
ないであろう。同様に、ループの下方部分を最初に横切
る波W2はこの下方部分で場118により影響されな
い。なぜならばその偏光は点117における複屈折に達
するまで直線であり続けるであろうからである。この点
117において、波W2の偏光はたとえば右手円偏光に
変換されしたがって波W2がループの上部部分を横切る
と、その位相はファラデー効果により、場118の存在
に基づきシフトされるであろう。しかしながら、波W
1,W2がループ14の上部部分を同一の偏光で反対方
向に伝播するが、場118が同一方向であり続けるた
め、場118により誘起される波W1,W2の各位相シ
フトは反対方向となるであろう。このように、波W1,
W2がファラデー効果により結合器34に到達すると
き、波W1,W2間には位相差が存在するであろう。そ
れゆえに、周囲の磁場は光ファイバ回転センサにおける
非可逆性挙動の原因となることがわかる。
When the linearly polarized wave W1 begins to traverse the loop 14, the birefringence of the controller 36 transforms its polarization state into, for example, right-handed circular polarization. When this wave W1 passes through the upper part of the loop 14, its phase will be shifted due to the presence of the field 118 due to the Faraday effect.
When the residual birefringence is reached at the center 117 of the loop 14, the circular polarization of the wave W1 will be converted to linear polarization.
The field 118 will have no effect on the wave W1 as the polarization of the wave W1 remains straight throughout the bottom portion of the loop 14. Similarly, the wave W2 that first crosses the lower part of the loop is not affected by the field 118 in this lower part. Because its polarization will continue to be linear until it reaches the birefringence at point 117. At this point 117, the polarization of the wave W2 is converted to, for example, right-handed circular polarization, so that when the wave W2 crosses the upper part of the loop, its phase will be shifted due to the Faraday effect due to the presence of the field 118. However, the wave W
1 and W2 propagate in the opposite direction with the same polarization in the upper part of the loop 14, but the field 118 induced waves W1 and W2 have opposite phase shifts because the field 118 remains in the same direction. Will. Thus, the wave W1,
When W2 reaches the combiner 34 due to the Faraday effect, there will be a phase difference between the waves W1, W2. Therefore, it can be seen that the surrounding magnetic field causes the non-reciprocal behavior in the fiber optic rotation sensor.

【0089】ファラデ効果による周囲の磁場により引起
こされる回転検出誤差を除去するために、この発明は、
図12に示す、回転センサをシールドしあるいは分離す
るための、特にこのような周囲の磁場からループ14と
結合器34とをシールドしすなわち分離するためのハウ
ジング110を含む。示した実施例では、ハウジング1
10は、周囲の磁気的環境から回転センサを有効にシー
ルドするのに充分な透磁性を有するμメタルからなる円
筒状チューブを備える。ハウジング110の大きさは、
この回転センサの構造的な大きさと周囲の磁場のホステ
ィリティとを適合するように選ばれる。特定の実施例に
よれば。μメタルのシールドは、直径7インチ、長さ1
8インチおよび厚み16分の1インチである。いずれの
場合でも、用いる大きさおよび材料は、好ましくは、回
転センサの検出精度と等しい量だけ、ファイバへ悪影響
を与える磁場を減少すべきである。すなわち、磁場強度
の減少は、回転検出精度がこのような磁場により生じた
ファラデー効果によって制限されないようなものである
べきである。周囲の磁場が、すべて、地磁気による磁場
(すなわち約0.5ガウスの磁場)に基づくものである
と仮定すれば、上述のシールドの例は、磁場を約100
ないし0.005のファクタだけ減少させ、これは約
0.1度/時間の長期間の安定性を達成するのに必要な
ものである。
In order to eliminate the rotation detection error caused by the surrounding magnetic field due to the Farade effect, the present invention provides
12 includes a housing 110 for shielding or isolating the rotation sensor, and in particular for shielding or isolating the loop 14 and coupler 34 from such ambient magnetic fields. In the embodiment shown, the housing 1
10 comprises a cylindrical tube made of mu-metal having sufficient permeability to effectively shield the rotation sensor from the surrounding magnetic environment. The size of the housing 110 is
It is chosen to match the structural size of this rotation sensor with the hostility of the surrounding magnetic field. According to a particular embodiment. μ metal shield has a diameter of 7 inches and a length of 1
8 inches and a thickness of 1/16 inch. In any case, the size and material used should preferably reduce the magnetic field adversely affecting the fiber by an amount equal to the detection accuracy of the rotation sensor. That is, the reduction in magnetic field strength should be such that rotation detection accuracy is not limited by the Faraday effect caused by such magnetic fields. Assuming that the surrounding magnetic field is all based on the magnetic field due to geomagnetism (ie, a magnetic field of about 0.5 Gauss), the shield example above would have a magnetic field of about 100.
To a factor of 0.005, which is necessary to achieve long term stability of about 0.1 degree / hour.

【0090】ループ14を含む回転センサの光ファイバ
構成要素が、ハウジング110内に取付けられた基部プ
レート112上に取付けられ得る。ハウジングの両端部
は、μメタルキャップ114により閉じられており、そ
の一方は増幅器ライン48および変調器ライン39の通
過のための適切な開口116を有する(図1)。
The fiber optic components of the rotation sensor, including the loop 14, may be mounted on a base plate 112 mounted within the housing 110. Both ends of the housing are closed by μ metal caps 114, one of which has suitable openings 116 for passage of amplifier line 48 and modulator line 39 (FIG. 1).

【0091】光出力信号からの光源10の分離 図1に関しての議論から想起されるように、光源10か
らの入力光の一部が結合器26により、ファイバ28に
結合され、ここでは「NC」で印された非反射性末端で
失われる。さらに、波W1,W2がループ14から戻
り、かつ光出力信号を形成するために結合されるとき、
この信号の一部が結合器34のポートCを介して失われ
る。出力信号の残りの部分は光源10の方向に戻るよう
に伝播し、光源では光出力信号の一部が結合器26によ
り光検出器30への伝播のために、ファイバ12からフ
ァイバ28まで結合される。光出力信号の残りの結合さ
れていない部分は、レーザ光源10にファイバ12を介
して伝播するが、失われる。結合器26,34が50%
の結合効率を有すると仮定すれば、結合器26,34か
ら生じるこの装置の損失は87.5%である。結合器2
6単独では、光出力におけるこの損失は67.5%とな
る。
Separation of Light Source 10 from Optical Output Signal As recalled from the discussion with respect to FIG. 1, a portion of the input light from light source 10 is coupled by coupler 26 into fiber 28, here "NC". Lost at non-reflective ends marked with. Furthermore, when the waves W1, W2 return from loop 14 and are combined to form an optical output signal,
Some of this signal is lost through port C of combiner 34. The remaining portion of the output signal propagates back towards the light source 10, where a portion of the optical output signal is coupled from fiber 12 to fiber 28 for propagation by coupler 26 to photodetector 30. It The remaining uncoupled portion of the optical output signal propagates to the laser source 10 via fiber 12 but is lost. 50% of the couplers 26 and 34
Assuming that they have a coupling efficiency of, the loss of this device from the couplers 26, 34 is 87.5%. Combiner 2
With 6 alone, this loss in light output is 67.5%.

【0092】これらの装置の損失を減少するために、こ
の発明は、図13に示すように、光源10と偏光制御器
24との間に配置された光ファイバからなる分離器12
0を含む。この分離器120は、偏光子122と、磁気
回転子すなわちファラデ回転子124とを備える。この
実施例では、結合器26(図1)の必要性が、偏光子1
22により遮断される光の強度を測定するために検出器
30を配置することにより除去される。この光は、レン
ズ126により光検出器30上に焦点が合わされる。
In order to reduce the loss of these devices, the present invention, as shown in FIG. 13, consists of an optical fiber separator 12 disposed between a light source 10 and a polarization controller 24.
Contains 0. The separator 120 comprises a polarizer 122 and a magnetic rotator or Faraday rotator 124. In this embodiment, the need for coupler 26 (FIG. 1) is
It is eliminated by placing a detector 30 to measure the intensity of the light blocked by 22. This light is focused on the photodetector 30 by the lens 126.

【0093】光ファイバ分離器の動作は、図14および
図15を参照して、より一層明確に理解され得る。まず
図14を参照して、偏光子122により通過される光の
偏光は、光源10により生み出された光と整合されその
ためファイバ12に導入されるすべての光が偏光子12
2を通過し、磁気回転子124に至る。しかしながら、
この偏光整合は制御器24,36に関して上で議論した
形式の偏光制御器により達成され得ることが理解される
であろう。この議論のために、光源10により発生した
光を垂直方向の直線偏光と仮定し、かつ偏光子122は
この方向の偏光を通過させ、他方他の方向の偏光を遮断
すると仮定する。この直線偏光は、図14において矢印
WSで表わされている。
The operation of the optical fiber separator can be understood more clearly with reference to FIGS. Referring first to FIG. 14, the polarization of the light passed by the polarizer 122 is aligned with the light produced by the light source 10 so that all light introduced into the fiber 12 is polarized 12.
2 to reach the magnetic rotor 124. However,
It will be appreciated that this polarization matching can be achieved with a polarization controller of the type discussed above with respect to the controllers 24,36. For the purposes of this discussion, assume that the light generated by the light source 10 is linearly polarized in the vertical direction, and that the polarizer 122 passes polarized light in this direction while blocking polarized light in the other directions. This linearly polarized light is represented by arrow WS in FIG.

【0094】図14から明らかなように、光源10によ
り発生した光源光WSは、偏光子122を通過する際の
偏光を変化されない。しかしながら、この光が回転子1
24を通過するとき、その偏光方向は45度だけ回転さ
れる。図13に戻り、次に、この光WSは偏光制御器2
4を介して伝播し、この偏光制御器24ではその偏光は
前に議論したように、偏光子32を介してより効果的に
通過するために調製される。たとえば、偏光子32が直
線で垂直方向の偏光を有する光を通過するように設計さ
れているならば、制御器24は、回転子124により発
生されたものと反対方向に、45度だけ偏光の方向を回
転するように調製されており、そのためこの光は再度垂
直に変更される。次に、この光はループ14の周囲を伝
播させるために、結合器34により逆方向に伝播する波
W1,W2に分離される。ループ14を横切った後、波
W1,W2は結合器34により再結合され、偏光子32
を介して逆に伝播する光出力信号を形成する。偏光制御
器36が、逆方向に伝播する波の偏光を調製するのに用
いられ、そのため光出力信号がたとえば直線の垂直方向
の偏光で、偏光子32を有効に通過することを思い起こ
すであろう。可逆装置である、偏光制御器24は、次
に、光出力信号の偏光の方向を45度だけ回転し、その
ため、制御器24から出ていくとき、制御器24に入っ
たときの光源光と同一の偏光を有する。したがって、図
15に示すように、光出力信号WOが、観察者から見
て、分離器120を出ていく光源光WS(図14)の偏
光と同一の偏光で分離器120に入るように示されてい
る。光出力信号WOが回転子124を通過するとき、偏
光の方向はさらに45度だけ回転される。偏光の方向が
光の伝播方向と無関係に同一であることが回転子124
の独特の特徴である。このように、光源の光の最初の4
5度の回転と、光出力信号の第2の45度の回転とが、
光出力信号WOが回転子124を離れるとき水平方向の
偏光を有するように加わる。偏光子122が通過する偏
光に垂直な偏光を遮断するので、光出力信号WOは、偏
光子122を介して光源10まで伝播することを防止さ
れる。偏光子122はファイバ12からの光を結合し、
その結果信号WOが方向性をもって分散する光の中で偏
光子122から発せられる。好ましくは、偏光子122
は、偏光子32に関して上で議論したものと同一の形式
のものである。この形式の偏光子により遮断された光は
相対的に小さな入射角(たとえば20度)を有する直線
的な光線でそこから発せられ、したがって検出器30の
感光性表面は、特別に大きくあるいは独特の形状を有す
る必要はない。示した実施例では、この感光性表面は約
1ミリの径を有する。
As is apparent from FIG. 14, the light source light WS generated by the light source 10 does not change the polarization when passing through the polarizer 122. However, this light
As it passes through 24, its polarization direction is rotated by 45 degrees. Returning to FIG. 13, next, this light WS is transmitted to the polarization controller 2
4 and its polarization is adjusted in this polarization controller 24 to more effectively pass through the polarizer 32, as previously discussed. For example, if the polarizer 32 is designed to pass light having a linear and vertical polarization, the controller 24 will polarize the light by 45 degrees in the opposite direction to that generated by the rotator 124. It is arranged to rotate the direction, so that this light is redirected to vertical again. This light is then separated by coupler 34 into counter-propagating waves W1, W2 for propagation around loop 14. After traversing the loop 14, the waves W1, W2 are recombined by the combiner 34 and the polarizer 32
Forming an optical output signal that propagates back through. It will be recalled that the polarization controller 36 is used to adjust the polarization of the counter-propagating waves so that the light output signal effectively passes through the polarizer 32, for example with a linear vertical polarization. . The polarization controller 24, which is a reversible device, then rotates the direction of polarization of the optical output signal by 45 degrees, so that when it exits the controller 24 and with the source light as it enters the controller 24. Have the same polarization. Therefore, as shown in FIG. 15, the optical output signal WO is shown to enter the separator 120 with the same polarization as that of the source light WS (FIG. 14) exiting the separator 120 as seen by the observer. Has been done. As the optical output signal WO passes through the rotator 124, the direction of polarization is rotated an additional 45 degrees. The rotor 124 has the same polarization direction regardless of the light propagation direction.
Is a unique feature of. Thus, the first four of the light from the light source
The 5 degree rotation and the second 45 degree rotation of the optical output signal
When the light output signal WO leaves the rotator 124, it is added to have a horizontal polarization. The light output signal WO is prevented from propagating through the polarizer 122 to the light source 10 because it blocks the polarization perpendicular to the polarization that it passes through. Polarizer 122 couples the light from fiber 12 and
As a result, the signal WO is emitted from the polarizer 122 in the directionally dispersed light. Preferably, the polarizer 122
Is of the same type as discussed above for polarizer 32. The light blocked by this type of polarizer is emitted from it by a linear light beam having a relatively small angle of incidence (eg 20 degrees), so that the photosensitive surface of the detector 30 is specially large or unique. It need not have a shape. In the example shown, this photosensitive surface has a diameter of about 1 mm.

【0095】この光は、上で述べたようにレンズ126
を用いて検出器30上に焦点を合わすことにより、検出
器30上に投射される。代わりに、たとえば500ミク
ロンのコア径を有する光ファイバ(図示せず)を検出器
30へ光を導くために用いることができ、このファイバ
の一方端部を偏光子の真近に位置決めすることにより、
偏光子により遮断された光をファイバに導入することが
でき、かつファイバの他方端部を位置決めすることによ
り、ファイバからの光を検出器30に入射させることが
できる。たとえ偏光子122により遮断されたすべての
光がたとえば焦点レンズあるいは案内ファイバのアライ
ンメントの若干のずれに基づき、検出器30の感光性表
面上に投射されないとしても、結合器26(図1)の除
去により生じる光出力信号の強度の増加によりより以上
にこれは補償されることがわかる。
This light is reflected by the lens 126 as described above.
Is projected onto the detector 30 by focusing on the detector 30 with. Alternatively, an optical fiber (not shown) having a core diameter of 500 microns, for example, can be used to direct the light to the detector 30, by positioning one end of this fiber in the immediate vicinity of the polarizer. ,
The light blocked by the polarizer can be introduced into the fiber and the light from the fiber can be incident on the detector 30 by positioning the other end of the fiber. Removal of coupler 26 (FIG. 1) even though not all light blocked by polarizer 122 is projected onto the photosensitive surface of detector 30, due to slight misalignment of the focusing lens or guiding fiber, for example. It can be seen that this is more than compensated for by the increase in the intensity of the optical output signal caused by.

【0096】さらに、光がこの偏光子により遮断された
とき、偏光子122から発せられた上述の直線光の方向
は、他の伝播方向よりも或る伝播方向から異なるもので
あるだろう。すなわち、或る方向での伝播については、
光は偏光子122の一方側で発せられ、他方他の方向で
の伝播については、光は偏光子の他方側に発せられる。
それゆえに、たとえ光源光の偏光が偏光子を通過した光
と正確に同一でない場合であっても、すべての偏光子に
より遮断された光源光は検出器の方向を向かず、したが
って光出力信号強度の測定に干渉を与えない。
Furthermore, when light is blocked by this polarizer, the direction of the above-mentioned linear light emitted from the polarizer 122 will be different from one propagation direction than another. That is, for propagation in one direction,
Light is emitted on one side of the polarizer 122 and, for propagation in the other direction, light is emitted on the other side of the polarizer.
Therefore, even if the polarization of the source light is not exactly the same as the light passed through the polarizer, the source light blocked by all the polarizers will not be directed towards the detector and therefore the optical output signal strength. Does not interfere with the measurement of.

【0097】図16に示すように、磁気光学回転子は、
曲線部分と直線部分とを有する一連のファイバループを
与えるように、軸170に巻回されたファイバ132を
備える。軸170はアルミニウムのような非磁性材料か
らなり、断面四角形の中央バー部分170を備える。1
対の円筒状部分174,176は、中心部分172の両
端部に形成されており、それらに対して垂直である。こ
の円筒部分174,176は、相互に直角をなすように
配向されている。図16において観察されるように、円
筒状部分174は中央部分172の各平行側面から突出
する、右端部175(a)および左端部175(b)を
有する。同様に、円筒状部分176は、中央部分172
の各平行側面から突出する、上端部177(a)および
下端部177(b)を有する。さらに、円筒部分17
4,176は、中心部分172の側面と等しく、あるい
はこれよりも大きい径を有する。
As shown in FIG. 16, the magneto-optical rotator is
A fiber 132 wound around an axis 170 is provided to provide a series of fiber loops having a curved portion and a straight portion. The shaft 170 is made of a non-magnetic material such as aluminum and has a central bar portion 170 with a square cross section. 1
A pair of cylindrical portions 174, 176 are formed at opposite ends of the central portion 172 and are perpendicular to them. The cylindrical portions 174, 176 are oriented at right angles to each other. As can be seen in FIG. 16, the cylindrical portion 174 has a right end 175 (a) and a left end 175 (b) protruding from each parallel side of the central portion 172. Similarly, the cylindrical portion 176 has a central portion 172.
Has an upper end portion 177 (a) and a lower end portion 177 (b) protruding from each of the parallel side surfaces. Further, the cylindrical portion 17
4, 176 have a diameter equal to or larger than the side surface of the central portion 172.

【0098】ファイバ132は、まず円筒部分176の
上端部177(a)の周囲に巻回されて、2個の直線部
分180,182に結合する曲線状ファイバ部分178
を形成する。次に、このファイバは水平方向円筒部分1
74の左端部175(b)の周囲に巻回されて、直線部
分184と直線部分182とを接続する曲線部分183
を形成する。この巻回は、曲線部分184を直線部分1
88に接続するために、垂直方向の円筒部分176の下
端部177(b)の周囲に他の曲線部分186を形成す
ることにより続く。最後に、他の曲線部分190が、直
線部分188を直線部分192と接続するために水平部
分174の右端部175(b)の周囲にファイバ132
を巻回することにより形成される。この巻回は、直線部
分180,182,184,188,192が相互に平
行であるようになされることが理解され得る。さらに、
ファイバを前述のように巻回することにより、曲線部分
178,186が水平方向平面内に存在し、曲線部分1
83,190が垂直平面内に存在する。
The fiber 132 is first wound around the upper end 177 (a) of the cylindrical portion 176 and joined to the two straight portions 180, 182 with a curved fiber portion 178.
To form. Next, this fiber is
A curved portion 183 that is wound around the left end portion 175 (b) of 74 and connects the straight portion 184 and the straight portion 182.
To form. This winding changes the curved portion 184 into the straight portion 1
Followed by forming another curved portion 186 around the lower end 177 (b) of the vertical cylindrical portion 176 to connect to 88. Finally, another curved section 190 connects the fiber 132 around the right end 175 (b) of the horizontal section 174 to connect the straight section 188 with the straight section 192.
Is formed by winding. It can be seen that this winding is such that the straight sections 180, 182, 184, 188, 192 are parallel to each other. further,
By winding the fiber as described above, curved portions 178, 186 are present in the horizontal plane and curved portion 1
83 and 190 lie in the vertical plane.

【0099】説明を明確にするために、単に4個の巻回
部(曲線部分)のみが図16のファイバ132に設けら
れているが、ファイバ132はさらに多くの巻回部を与
えるように同一の方法で巻回されていてもよい。さら
に、以下の記載から理解され得るように、曲線部分は2
分の1回転を備えるように示されているが、これらはN
+1/2回転(nは整数)を備え、さらに図16に示す
ように直線部分が位置決めされることを許容する。
For clarity of explanation, only four turns (curved portions) are provided in the fiber 132 of FIG. 16, but the fiber 132 is identical to provide more turns. It may be wound by the method of. Further, as can be seen from the description below, the curved portion is 2
Although shown as having one-half turn, these are N
It provides +1/2 rotations (n is an integer) and further allows the linear portion to be positioned as shown in FIG.

【0100】軸170を図17に示すように磁石200
の極間に位置決めすることにより磁場がファイバ132
に与えられ、そのためこの磁石のB場はファイバ132
の直線部分に平行である。磁石200はいずれの形式す
なわち形状を有するのであってもよい。たとえば、電磁
石あるいは永久磁石のいずれであってもよい。さらに、
この磁石は、たとえばトロイド形状をしていてもよく、
または馬蹄形のものであってもよい。
The shaft 170 is connected to the magnet 200 as shown in FIG.
By positioning between the poles of the
B field of this magnet is therefore given to the fiber 132
Is parallel to the straight line part of. The magnet 200 may have any form or shape. For example, it may be either an electromagnet or a permanent magnet. further,
This magnet may have a toroidal shape, for example,
Alternatively, it may have a horseshoe shape.

【0101】光が直線部分180,182,184,1
88,192を介して伝播するとき、その偏光方向はフ
ァラデー効果より磁場により回転される。図16に示す
ようにファイバ132が巻回されると、ファイバ132
を伝播する光は或る直線部分から他の直線部分へ通過す
る際その偏光の方向を逆転する。したがって、光はたと
えば直線部分180,184,192を介してB場と同
一の方向に伝播するが、たとえば直線部分182,18
8を介してB場から半体方向に伝播するであろう。それ
ゆえに、磁場はファラデ効果によりその偏光を回転し、
そのため固定の(すなわち静止した)観察者の視点から
は、いずれかの2個の隣接する直線部分180,18
2,184,188,192におけるファラデー回転が
同一方向であるように見えるであろう。しかしながら、
たとえこれらの回転が同一の方向であったとしても、こ
れらは通常、相互に加わるわけではない。なぜならば、
曲線部分178,183,186,190の周囲に伝播
することにより、或る直線部分での(静止した観察者か
ら見た)偏光の方向が逆転され、隣接する直線部分の光
と鏡像をなし、したがっていずれかの2個の直線部分に
おけるファラデー効果による回転が相殺し、合計0の回
転を与えるからである。図16の磁気光学回転子は、曲
線部分178,183,186,190を形成すること
により、(すなわち円筒状部分174,176の直径
と、ファイバ132の巻回数とを選択することにより)
この問題を解消し、そのためこれらの曲線部分は、2分
の1波長の偏光モードすなわち180度の位相差の光間
に空間的な分離を与えるのに充分な直線複屈折をそれぞ
れ生み出す。このことは、より有利には、観察者から見
た偏光方向が各直線部分180,182,184,18
8,192のいずれかにおいて同一であるようにし、そ
のためファラデ回転は相互に相殺するよりも相互に加わ
り合う。したがって、一連の直線部分を設けることによ
り、たとえ1個の直線部分についてのファラデ回転が比
較的小さいものであっても、大きなファラデ回転が得ら
れる。
The light is linear portions 180, 182, 184, 1
As it propagates through 88,192, its polarization direction is rotated by the magnetic field due to the Faraday effect. When the fiber 132 is wound as shown in FIG.
The light propagating through reverses the direction of its polarization as it passes from one straight section to another. Thus, light propagates in the same direction as the B field, eg, via straight sections 180, 184, 192, while, for example, straight sections 182, 18
Propagation in half direction from the B field via 8. Therefore, the magnetic field rotates its polarization by the Farade effect,
Thus, from the perspective of a fixed (ie, stationary) observer, any two adjacent straight line portions 180, 18
The Faraday rotations at 2,184,188,192 would appear to be in the same direction. However,
Even if these rotations are in the same direction, they usually do not add to each other. because,
Propagation around the curved sections 178, 183, 186, 190 reverses the direction of polarization (as seen by a stationary observer) in a linear section, mirroring the light of the adjacent linear section, Therefore, the rotations due to the Faraday effect in any two straight line portions cancel each other out to give a total rotation of 0. The magneto-optic rotator of FIG. 16 forms the curved sections 178, 183, 186, 190 (ie, by selecting the diameter of the cylindrical sections 174, 176 and the number of turns of the fiber 132).
Each of these curved sections eliminates this problem, so that each of them produces a linear birefringence sufficient to provide spatial separation between the half-wavelength polarization modes, i.e., 180 degree phase difference light. This is more advantageous in that the polarization direction seen by the observer is in each of the linear portions 180, 182, 184, 18
8 and 192, so that the Farade rotations add to each other rather than cancel each other out. Therefore, by providing a series of straight line portions, a large Farade rotation can be obtained even if the Farade rotation for one straight line portion is relatively small.

【0102】ファイバ132に与えられる磁場(B場)
の強度がほぼ1000ガウスであるならば、以下に記載
される特性により巻回されたファイバが、いずれの方向
でもファイバを伝播する光に対して45度の総ファラデ
ー回転を与えるであろう。このように、光波が或る方向
でファイバ132を伝播するならば、ならびに他の方向
でファイバを戻るならば、合計のファラデー回転は90
度となるであろう。このファラデ回転の量は、図14お
よび図15に関して議論したように、光学的分離器とし
てこの磁気光学回転子を用いることを許容する。
Magnetic field applied to fiber 132 (B field)
If the intensity of is approximately 1000 Gauss, a fiber wound according to the properties described below will provide a total Faraday rotation of 45 degrees for light propagating through the fiber in either direction. Thus, if the light wave propagates through fiber 132 in one direction, as well as back in the other direction, the total Faraday rotation is 90.
It will be a degree. This amount of Farade rotation allows using the magneto-optical rotator as an optical separator, as discussed with respect to FIGS. 14 and 15.

【0103】たとえば、或る実施例では、合計32の巻
回部が用いられる。この実施例の特性は以下のとおりで
ある。
For example, in one embodiment, a total of 32 turns are used. The characteristics of this example are as follows.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の回転センサの略図であり、光ファイ
バ材料からなる連続的なとぎれていないストランドに沿
って配置された光ファイバ構成要素を示し、かつ信号発
生器、光検出器、ロックイン増幅器およびこの検出装置
に関連するディスプレイをさらに示す。
1 is a schematic diagram of a rotation sensor of the present invention showing fiber optic components arranged along a continuous, uninterrupted strand of fiber optic material, and including a signal generator, a photodetector, and a lock-in. Further shown is an amplifier and a display associated with this detection device.

【図2】図1の回転センサに用いるための光ファイバ方
向性結合器の一実施例についての断面図である。
2 is a cross-sectional view of one embodiment of an optical fiber directional coupler for use in the rotation sensor of FIG.

【図3】図1の回転センサに用いる光ファイバ偏光子の
一例を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of an optical fiber polarizer used in the rotation sensor of FIG.

【図4】図1の回転センサに用いるための光ファイバ偏
光制御器の一例を示す斜視図である。
4 is a perspective view showing an example of an optical fiber polarization controller for use in the rotation sensor of FIG.

【図5】偏光子、偏光制御器およびそこから除去された
位相変調器とともに、図1の回転センサを略図的に示す
図である。
5 is a schematic diagram of the rotation sensor of FIG. 1 with a polarizer, a polarization controller and a phase modulator removed therefrom.

【図6】光検出器により測定された、回転により誘起さ
れたSagnac位相差の関数として、光出力信号の強度を表
わしたグラフであり、複屈折により誘起された位相差お
よび振幅の変動の効果を表わす。
FIG. 6 is a graph showing the intensity of the optical output signal as a function of rotation-induced Sagnac phase difference measured by a photodetector, the effect of birefringence-induced phase difference and amplitude variations. Represents

【図7】各逆方向に伝播する波の位相変調および逆方向
に伝播する波間の位相差を示す、時間の関数としての位
相差を表わすグラフである。
FIG. 7 is a graph showing phase modulation as a function of time showing the phase modulation of each counter-propagating wave and the phase difference between counter-propagating waves.

【図8】ループが載置しているときの、光検出器により
測定された、光出力信号強度上での位相変調の影響を表
わす略図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the effect of phase modulation on the optical output signal strength as measured by the photodetector when the loop is mounted.

【図9】ループか回転している場合の検出器により測定
された光出力信号強度への位相変調の影響を示す略図で
ある。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the effect of phase modulation on the optical output signal strength measured by the detector when the loop is rotating.

【図10】回転により誘起されたSagnac位相差の関数と
してのアンプの出力信号を示すグラフであり、図1の回
転センサについての動作範囲を表わす。
10 is a graph showing the output signal of an amplifier as a function of rotation-induced Sagnac phase difference, representing the operating range for the rotation sensor of FIG.

【図11】逆方向に伝播する波への地磁気の影響を表わ
すために、図1の回転センサのループ部分を単純化した
略図である。
11 is a simplified schematic of the loop portion of the rotation sensor of FIG. 1 to show the effect of geomagnetism on the counter-propagating wave.

【図12】検出ループを周囲の磁場からシールドするた
めに、検出ループを囲繞するためのハウジングを示す略
図である。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a housing for surrounding a detection loop to shield the detection loop from the surrounding magnetic field.

【図13】光出力信号が光源に達するのを防止するため
に設けられた光学的分離装置とともに、図1の回転セン
サを示す略図であり、かつ連続的なファイバストランド
から光出力信号を引出すのに結合器が必要でないよう
に、この分離装置により拒絶された光を検出するように
配置された光検出器を示す。
13 is a schematic diagram showing the rotation sensor of FIG. 1 with an optical isolation device provided to prevent the light output signal from reaching the light source, and drawing the light output signal from a continuous fiber strand. Shows a photodetector arranged to detect the light rejected by this demultiplexer so that no coupler is required.

【図14】光源から検出ループの方向へ伝播する光への
分離装置の影響を示す、光源と光学的分離装置との略図
である。
FIG. 14 is a schematic diagram of a light source and an optical demultiplexer showing the effect of the demultiplexer on the light propagating in the direction of the detection loop from the light source.

【図15】図14に相当する図であり、光出力信号がル
ープから戻り光源の方向に伝播するときの、光出力信号
への光学的分離装置の影響を示す斜視図である。
FIG. 15 is a perspective view corresponding to FIG. 14, showing the effect of the optical demultiplexer on the optical output signal as it propagates from the loop towards the return light source.

【図16】磁気光学回転子を形成するために、光ファイ
バを巻回する好ましい方法を示す斜視図である。
FIG. 16 is a perspective view showing a preferred method of winding an optical fiber to form a magneto-optical rotator.

【図17】図13に示した光学的分離装置において用い
るための磁気光学回転子の一例を示す略図である。
FIG. 17 is a schematic diagram showing an example of a magneto-optical rotator for use in the optical separation device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

曲線部分の数: 32 直線部分の数: 33 1個の直線部分の長さ:12cm 軸上円筒部分の径: 2.5cm 各曲線部分の巻回数: 1.5 ファイバの外径: 110ミクロン 光の波長: 0.633ミクロン ファイバの全長: 4メートル すべて概略値である。 Number of curved parts: 32 Number of linear parts: 33 Length of one linear part: 12 cm Diameter of axial cylindrical part: 2.5 cm Number of turns of each curved part: 1.5 Fiber outer diameter: 110 μm Wavelength of: 0.633 micron Total length of fiber: 4 meters All are approximate values.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ショウ,ハーバート・ジョン アメリカ合衆国、94305 カリフォルニ ア州、スタンフォード、アルバレィド ウ・ロウ、719 (72)発明者 レフィーバ,エルベイ・シー アメリカ合衆国、94303 カリフォルニ ア州、パロ・アルト、モレノ・アベニ ュ、992 (72)発明者 バーグ,ラルフ・アラン アメリカ合衆国、94303 カリフォルニ ア州、パロ・アルト、モレノ・アベニ ュ、992 (56)参考文献 特開 昭55−93010(JP,A) 特開 昭56−94680(JP,A) 英国特許20505598(GB,A) ”ALL−SINGLE−MODE FIBER−OPTIC GYROSC OPE”,OPTICS LETTER S/VOL.6,NO.4/P.198− 200/APRIL 1981 ”SINGLE−MODE FIBE R OPTIC DIRECTIONA L COUPLER”,ELECTRO NICS LETTERS/VOL. 16,NO.7/P.260−261/MARC H 1980 ”SINGLE−MODE FIBE R OPTIC POLARIZE R”,OPTICS LETTERS /VOL.5,NO.11/P.479−481 /NOVEMBER 1980 ”POLARIZATION EFF ECTS ON SINGLE−MOD E OPTICAL FIBER SE NSORS”,APPLIED PHY SICS LETTERS/VOL. 35,NO.12/P.914−917/DECE MBER 1979 ”FIBER−OPTIC ROTA TION SENSING WITH LOW DRIFT”,OPTICS LETTERS/VOL.5,NO.5 /P.173−175/MAY 1980 ”SINGLE−MODE FIBE R FRACTIONAL WAVE DEVICES AND POLARI ZATION CONTROLLER S”,ELECTRONICS LET TERS/VOL.16,NO.20/P. 778−780/SEPTEMBER 1980 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Shaw, Herbert John United States, 94305 California, Stamford, Alberto Row, 719 (72) Inventor Refiva, Elbay Sea United States, 94303 Palo, California・ Alto, Moreno Avenue, 992 (72) Inventor Berg, Ralph Alan United States, 94303 California, Palo Alto, Moreno Avenue, 992 (56) References Japanese Patent Laid-Open No. 55-93010 (JP, A) JP 56-94680 (JP, A) British patent 20505598 (GB, A) "ALL-SINGLE-MODE FIBER-OPTIC GYROSC OPE", OPTICS LETTER S / VOL. 6, NO. 4 / P. 198-200 / APRIL 1981 "SINGLE-MODE FIBER R OPTIC DIRECTIONA L COUPLER", ELECTRO NICS LETTERS / VOL. 16, NO. 7 / P. 260-261 / MARC H 1980 "SINGLE-MODE FIBE R OPTIC POLARIZER", OPTICS LETTERS / VOL. 5, NO. 11 / P. 479-481 / NOVEMBER 1980 "POLARIZATION EFF ECTS ON SINGLE-MOD E OPTICAL FIBER SE NSORS", APPLIED PHY SICS LETTERS / VOL. 35, NO. 12 / P. 914-917 / DECE MBER 1979 "FIBER-OPTIC ROTA TION SENSING WITH LOW DRIVE", OPTICS LETTERS / VOL. 5, NO. 5 / P. 173-175 / MAY 1980 "SINGLE-MODE FIBER R FRACTIONAL WAVE DEVICES AND POLARIZATION CONTROLLER S", ELECTRONICS LET TERS / VOL. 16, NO. 20 / P. 778-780 / SEPTEMBER 1980

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光波を生成する光源(10);光ファイ
バループ(14);該光源と該ループとの間の光ファイ
バ(12)であって、該光源が該光ファイバに光学的に
結合されて該光波が該光ファイバを通って該ループへと
伝播するようにしている光ファイバ(12);該光源と
該ループ間に接続された第1の結合器(34)であっ
て、該光波を該ループへ結合して該ループを互いに反対
方向に伝播する1対の光波を与えそして該ループを伝播
してきた該1対の光波を結合して該ループの回転速度を
示す光学的出力信号を生成する第1の光ファイバ方向性
結合器(34);該光ファイバからの該光学的出力信号
を第2の光ファイバ(28)へと結合する第2の光ファ
イバ方向性結合器(26);該第2の光ファイバからの
該光学的出力信号を受信するよう配置され該ループの回
転速度を決定するために該光学的出力信号を検出してい
る検出器(30);該第1と第2の方向性結合器との間
の光学的偏光子(32)であって、該ループにおいて伝
播している光波と該ループから伝播してきた光学的出力
信号とが同じ所定の直線偏光されるよう共通の入・出力
路を有する偏光子(32);該光ファイバループの一部
がその囲りに巻かれているPZTシリンダからなる該光
波の位相を特定の変調周波数で変調するための該ループ
内の位相変調器であって、該PZTシリンダは駆動信号
に応答してその半径方向に拡がり該ループの長さを変化
させ、それによって該互いに反対方向に伝播する1対の
光波が該ループを通過する際に該1対の光波を位相変調
している位相変調器(38);及び該変調周波数の基本
周波数成分のみを測定することにより該ループの回転速
度を検出する検出装置であって、該位相変調器(38)
に同期したロックイン増幅器(46)を含む検出装置と
からなり、該偏光子(32)及び該第1と第2の方向性
結合器は、該光ファイバが該光源と該ループとの間で中
断がないよう該光ファイバの一部から構成されている光
回転センサ。
1. A light source (10) for producing a light wave; an optical fiber loop (14); an optical fiber (12) between the light source and the loop, the light source being optically coupled to the optical fiber. An optical fiber (12) that is adapted to propagate the light wave through the optical fiber to the loop; a first coupler (34) connected between the light source and the loop, An optical output signal that couples lightwaves to the loop to provide a pair of lightwaves propagating in opposite directions through the loop and couples the pair of lightwaves propagating through the loop to indicate the rotational speed of the loop. a first optical fiber directional coupler which generates a (34); a second light coupled with the optical output signal from the optical fiber to a second optical fiber (28) file
IVA directional coupler (26); detector arranged to receive the optical output signal from the second optical fiber and detecting the optical output signal to determine the rotational speed of the loop. (30); An optical polarizer (32) between the first and second directional couplers, the optical wave propagating in the loop and the optical output signal propagating from the loop. A polarizer (32) having a common input / output path so that the light beams are polarized in the same predetermined linear direction; a part of the optical fiber loop
Is a phase modulator in the loop for modulating the phase of the light wave at a particular modulation frequency consisting of a PZT cylinder wound around it, the PZT cylinder being a drive signal.
In response to a change in the radial length of the loop
A pair of oppositely propagating
Phase modulates the pair of light waves as they pass through the loop
A phase modulator (38), and a detector for detecting the rotational speed of the loop by measuring only the fundamental frequency component of the modulation frequency, the phase modulator (38)
A detector including a lock-in amplifier (46) synchronized with the polarizer (32) and the first and second directional couplers, the optical fiber between the light source and the loop. An optical rotation sensor constructed from a portion of the optical fiber so as to be uninterrupted.
【請求項2】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該光ファイバ(12)、該ループ(14)、該第1
と第2の方向性結合器(34、26)及び該偏光子は全
て単一モード光ファイバから構成されている光回転セン
サ。
2. The optical rotation sensor according to claim 1, wherein the optical fiber (12), the loop (14) and the first optical fiber (12).
And an optical rotation sensor in which the second directional coupler (34, 26) and the polarizer are all composed of a single mode optical fiber.
【請求項3】 請求項2に記載の光回転センサにおい
て、該光ファイバは単一の連続した中断のない光ファイ
バ(12A、12B、12C、12D)から成る光回転
センサ。
3. The optical rotation sensor of claim 2, wherein the optical fiber comprises a single continuous uninterrupted optical fiber (12A, 12B, 12C, 12D).
【請求項4】 請求項3に記載の光回転センサにおい
て、該単一の連続した中断のない光ファイバは第2と第
3の楕円面を形成するよう該ループの両端で該光ファイ
バの一方の側からクラッドの一部が除去された部分を有
し、該第2と第3の楕円面が並置されて該第1の方向性
結合器を形成している光回転センサ。
4. The optical rotation sensor of claim 3, wherein the single continuous uninterrupted optical fiber is one of the optical fibers at both ends of the loop to form second and third elliptical surfaces. An optical rotation sensor having a part where a part of the clad is removed from the side, and the second and third elliptical surfaces are juxtaposed to form the first directional coupler.
【請求項5】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該光ファイバは第1の楕円面を形成するようその一
方の側からクラッドの一部が除去された部分を有し、該
第1の楕円面が複屈折材料に対して並置されて該偏光子
(32)を形成し該光ファイバ中を伝播する光が直線偏
光されるようになっている光回転センサ。
5. The optical rotation sensor according to claim 1, wherein the optical fiber has a portion in which a part of the clad is removed from one side thereof so as to form a first elliptical surface, An optical rotation sensor in which the elliptical surfaces of are aligned with a birefringent material to form the polarizer (32) such that the light propagating in the optical fiber is linearly polarized.
【請求項6】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該光ファイバの一部が該ループを伝播する光の偏光
を制御する偏向制御器を形成するように用いられている
光回転センサ。
6. The optical rotation sensor of claim 1, wherein a portion of the optical fiber is used to form a deflection controller that controls the polarization of light propagating through the loop.
【請求項7】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該ループは支持体上の周りの複数の巻回からなり、
該巻回の中央部は該支持体に接して内側にそして該巻回
の両端は該支持体の外側に位置するようなっており該ル
ープを形成する光ファイバの両端が該中央部に関し対称
となりそして該ループの外から自由にアクセスできるよ
うに構成されている光回転センサ。
7. The optical rotation sensor of claim 1, wherein the loop comprises a plurality of turns around a support,
The central part of the winding is located inside the support and the opposite ends of the winding are located outside the support so that the ends of the optical fiber forming the loop are symmetrical with respect to the central part. And an optical rotation sensor configured to be freely accessible from outside the loop.
【請求項8】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該検出装置のロックイン増幅器は該変調周波数を中
心とする狭帯域フィルタ特性を与える増幅器(46)か
らなるものである光回転センサ。
8. The optical rotation sensor according to claim 1, wherein the lock-in amplifier of the detection device comprises an amplifier (46) providing a narrow band filter characteristic centered on the modulation frequency.
【請求項9】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該ループを逆方向に伝播する2つの光波に対する該
位相変調器による変調間の位相差が180°である光回
転センサ。
9. The optical rotation sensor according to claim 1, wherein a phase difference between modulations by the phase modulator for two light waves propagating in the loop in opposite directions is 180 °.
【請求項10】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、周囲の磁場から該ループを遮蔽して該ループ中を伝
播する光波上への磁場の影響を軽減する遮蔽(110)
を含む光回転センサ。
10. The optical rotation sensor according to claim 1, wherein a shield is provided to shield the loop from a surrounding magnetic field to reduce the influence of the magnetic field on a light wave propagating in the loop.
Optical rotation sensor including.
【請求項11】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該遮蔽は高透磁率材料の該ループのためのハウジン
グからなる光回転センサ。
11. The optical rotation sensor of claim 1, wherein the shield comprises a housing for the loop of high permeability material.
【請求項12】 請求項1に記載の光回転センサにおい
て、該ループの一部は複数巻回のコイルとなっており、
該コイルの直径は該光ファイバにストレスを与えて複屈
折性を生じさせることで該ループを伝播する光波の偏光
を制御する偏光制御器を形成している光回転センサ。
12. The optical rotation sensor according to claim 1, wherein a part of the loop is a coil having a plurality of turns,
An optical rotation sensor forming a polarization controller that controls the polarization of a light wave propagating through the loop by applying a stress to the optical fiber to cause birefringence in the diameter of the coil.
JP3237696A 1981-03-31 1991-09-18 Optical fiber rotation sensor Expired - Lifetime JP2540255B2 (en)

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US06/249,714 US4410275A (en) 1981-03-31 1981-03-31 Fiber optic rotation sensor
US30709581A 1981-09-30 1981-09-30
US307095 1981-09-30
US249714 1981-09-30

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JPH0611351A JPH0611351A (en) 1994-01-21
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"ALL−SINGLE−MODEFIBER−OPTICGYROSCOPE",OPTICSLETTERS/VOL.6,NO.4/P.198−200/APRIL1981
"FIBER−OPTICROTATIONSENSINGWITHLOWDRIFT",OPTICSLETTERS/VOL.5,NO.5/P.173−175/MAY1980
"POLARIZATIONEFFECTSONSINGLE−MODEOPTICALFIBERSENSORS",APPLIEDPHYSICSLETTERS/VOL.35,NO.12/P.914−917/DECEMBER1979
"SINGLE−MODEFIBERFRACTIONALWAVEDEVICESANDPOLARIZATIONCONTROLLERS",ELECTRONICSLETTERS/VOL.16,NO.20/P.778−780/SEPTEMBER1980
"SINGLE−MODEFIBEROPTICDIRECTIONALCOUPLER",ELECTRONICSLETTERS/VOL.16,NO.7/P.260−261/MARCH1980
"SINGLE−MODEFIBEROPTICPOLARIZER",OPTICSLETTERS/VOL.5,NO.11/P.479−481/NOVEMBER1980

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