JP2569009B2

JP2569009B2 - リング干渉計装置

Info

Publication number: JP2569009B2
Application number: JP61112443A
Authority: JP
Inventors: エルベ、アルディッティ; エルベ、ルフブル
Original assignee: トムソン−セーエスエフ
Priority date: 1985-05-30
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: EP0206866B1; US4842409A; FR2582800A1; DE3662311D1; JPS61277014A; FR2582800B1; US5009504A; EP0206866A1; CA1261448A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、単一モード光ファイバリング干渉計装置に
関するものである。

（従来の技術）リング干渉計、またはサグナック（Sagnac）干渉計に
おいては、２本のビームが同じ光路を互いに逆向きに伝
わって、その光路の出口において互いに干渉する。その
光路の擾乱が光の両方向の伝播に対して同じ特性を有
し、干渉計内での光の進む時間中に変化しない限りは、
２本の光ビームは同じ影響を受け、それらのビームの間
の相対的な位相は不変である。この種の擾乱は「相反的
（reciprocal）」と呼ばれる。干渉計内での光の進む時
間は一般に非常に短いから、その時間中の擾乱の変化
は、それが随意に導入されたものでなければ、一般に無
視できる。

しかし、２つの伝播方向における振幅が異なる「非相
反的」な擾乱が存在するが、それは、それの完全な向き
を定めることにより空間または媒質の対称性を損う物理
的効果の問題である。

２つの知られている物理的効果がこの特性を有する。

即ち、ファラデー効果または共直線磁気−光学効果、
つまり光学的物質の電子のスピンの向きが磁界により定
められる効果と、サグナック効果または相対慣性効果、
つまりガリレイ基準（Galilean reference）に関する干
渉計の回転が伝播時間の対称性を損う効果である。

慣性空間に関する回転を使用することにより光ファイ
バ・ジャイロメータすなわちレートメータが構成される
ことになり、磁界を使用することにより電流センサすな
わち磁力計が構成されることになる。

いわゆる相反的構造を使用することにより、非相反的
効果によりひき起される位相のずれ以外の位相のずれを
完全に打消すことができることが示されている。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、このやり方では、干渉計の単一モード入口ゲ
ートを戻る光を検出する必要がある。そのためには、出
力光の一部を光検出器へ送り、入口において光を結合さ
せる分離器を使用する必要がある。分離器が50−50型で
ある時に、光検出器に戻ってくる光は最適であるが、系
統的な損失（systematic loss）が6dB生じ、装置に部品
を付加する必要がある。光源により光が放射された時に
第１のスイッチング状態に置かれて、その光を装置の入
口へ送り、光が戻ってきた時に別のスイッチング状態に
置かれてその光を光検出器へ送るような高速スイッチを
分離器の代りに使用することが提案されている。それら
の装置において使用される光ファイバの長さは200m〜2k
mのオーダーであるから、光の伝播による遅れは１〜10
μ秒に達する。

そのような装置がフランス特許FR−Ｂ−2,409,518号
明細書に開示されている。その装置によりエネルギーの
平衡が改善されるが、本発明はその装置の構造を一層簡
単にすることを目的とする。

（問題点を解決するための手段）その目的を達成するために、本発明は分離器または高
速スイッチを無くした装置を提供するものである。

本発明に従って、リングを形成する単一モード光ファ
イバと、コヒーレントな光エネルギーを放射し、かつ受
ける手段と、単一モード光ファイバの両端部から出た放
射を再び組合せるために、放射されたコヒーレントな光
エネルギーの等しい部分を同時に単一モード光ファイバ
の２つの端部へ向けるためにその放射を分離および混合
する手段と、この分離および混合手段と光エネルギー放
射および受光手段の間に配置されるモードフィルタ手段
とを備え、前記光エネルギー放射および受光手段は、正
方向に分極された時に所定の波長の光を放出し、逆方向
に分極された時にそれと同じ波長の光を検出する半導体
ダイオードにより形成されるリング干渉計装置におい
て、前記ダイオードの光放出を制御するために前記ダイ
オードを順方向にバイアスする手段と、電気信号処理器
と、スイッチング手段と、前記半導体ダイオードと順方
向バイアス手段または電気信号処理器との間で電気的接
続を交互に行うように前記スイッチング手段を制御する
手段とを備えると共に、τをリングにより形成された光
路を波が伝わるのに要する時間として、1/2τの周波数
の周期的な信号により制御される少なくとも１つの正逆
効果位相変調器を備え、前記電気信号処理器は同じ周波
数で同期する検波器を備えるリング干渉計装置が得られ
る。

また、本発明に従って、リングを形成する単一モード
光ファイバと、コヒーレントな光エネルギーを放射し、
かつ受ける手段と、単一モード光ファイバの両端部から
出た放射を再び組合せるために、放射されたコヒーレン
トな光エネルギーの等しい部分を同時に単一モード光フ
ァイバの２つの端部へ向けるためその放射を分離および
混合する手段と、この分離および混合手段と光エネルギ
ー放射および受光手段の間に配置されるモードフィルタ
手段とを備え、前記光エネルギー放射および受光手段
は、コヒーレントな光を放出する半導体ダイオードを備
え、この半導体ダイオードの第１の面は前記モードフィ
ルタに光学的に結合され、前記半導体ダイオードの第２
の面はオプトエレクトロニック検出器に光学的に結合さ
れ、前記半導体ダイオードは、前記光エネルギー放射お
よび受光手段へ再び送られた光を検出の前に増幅する手
段を構成すると共に、τをリングにより形成された光路
を波が伝わるのに要する時間として、1/2τの周波数の
周期的な信号により制御され、相反的効果をもたらす少
なくとも１つの位相変調器を備え、前記電気信号処理器
は同じ周波数で同期する検波器を備えるリング干渉計装
置が得られる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

第１図にはリング干渉計が示されている。このリング
干渉計のリングは単一モード光ファイバ５により形成さ
れるが、それのコアは従来の光素子から形成される。モ
ードフィルタ３を付加することにより、その干渉計を厳
密に相反的とすることができる。

レーザ光源により発生された入射ビーム11がモードフ
ィルタ３を通り、半透明鏡４により２本のビームに分離
される。その一部のビーム12が導光器（レンズ）41を通
じて光ファイバに送りこまれる。

その導光器41はそのビームを光ファイバ５の一端部50
上に集束する。光ビームの他の部分13は導光器（レン
ズ）42を通じて同じ光ファイバ５に送られる。その導光
器42はその光ビーム13を光ファイバ５の他端部51上に集
束する。両方の光ビームは光ファイバに沿って互いに逆
向きに進み、半透明鏡４により干渉計のアーム内にとら
れる。それらの光ビームはモードフィルタ３を再び通
り、半透明鏡２により入射ビームから分離される。その
半透明鏡２は戻りビームの一部を出力アーム６へ送る。
その出力アームにおいては干渉信号が光検出器60により
検出される。

光路として単一モード光ファイバ５を使用することに
より、この光路の長さを十分に長くできる。実際には光
ファイバは通常は多数巻コイルを構成するように巻かれ
る。したがって、たとえば非常に高感度のジャイロスコ
ープを構成できる。

しかし、前記したように分離器のために損失が生ず
る。

したがって、個々の分離素子の代りに集積化した光学
素子を用いることが提案されている。そうすることによ
り光エネルギーの平衡が改善される。

第２図はこの種の装置を示すものである。

この装置はレーザ光源10を有する。このレーザ光源は
なるべく半導体レーザで構成する。第２図に示す装置は
電気光学的な物質で作られた基板20も有する。この基板
20の上に導光器200と201が形成される。そうすると、基
板20上に集積化された光接続部は、レーザ光源10により
放出された光を受ける第１の導光器200と、この第１の
導光器200とともに光結合器を構成する第２の導光器201
とである。導光器201の端部に光検出器60が結合され
る。導光器200と201の隣接する部分で構成された結合器
203は、導光器200の内部を通って、その導光器から出る
ようにする平行状態と、導光器200の中を導かれる光を
導光器201に結合させる交差状態とに置くことができ
る。そのために、電界発生用の２個の電極202と204が、
導光器200,201の２つの隣接する部分により形成された
平行な光路をカバーする。電界が存在しない時は、結合
器203は平行状態にあり、電界が存在する時は、結合器
は交差状態にある。電界は光が戻ってくる間に加えられ
る。

この装置は電気光学的な物質により構成された第２の
基板４も有する。この第２の基板４の上には、２つの導
光器40と41により形成された対称的なフォーク状導光器
が形成される。導光器41は導光器40により導かれる光の
半分を導く。干渉計のリングを構成する単一モード光フ
ァイバ５の２つの端部50と51は、中間の光学素子を用い
ることなしに、導光器41と42の２つの端部に直結され
る。

導光器200の基板20上の１つの端部は中間の単一モー
ド光ファイバ30の一端に結合される。光ファイバ30の他
方の端部はモードフィルタ３に結合される。

同様に、導光器40の一端が第２の中間の単一モード光
ファイバ31の一端に結合される。その光ファイバ30の他
端はモードフィルタ３に結合される。このモードフィル
タ３は集積光導波器により形成できる。

もちろん、モードフィルタ３と、導光器40または導光
器200との間で他の結合モードを採用することもでき
る。

この装置の主な要素がフランス特許FR−Ｂ−2,409,51
8号明細書に記載されている。

この装置は次のように動作する。光ファイバ中の光の
伝播時間より短い持続時間を有する光パルスを放出する
ようにレーザ光源は変調される。レーザ光源により放射
された光が導光器200の中を導かれるように、光パルス
の放出中は結合器は平行状態にある。光エネルギーは２
つの導光器の間で等しく分けられて光ファイバ５へ送ら
れる。その光ファイバ５においては、その光パルスは互
いに逆の向きに同時に伝わる。この装置が角速度ωで回
転しているとすると、２つの戻り光パルスが位相差△φ
で導光器42と41へ送られる。それから、電界を加えるこ
とにより光結合器は交差状態に置かれ、導光器200によ
り送られる光は導光器201へ送られて光検出器60により
検出される。

光エネルギーの平衡に関する限りは改良された装置が
得られるが、この装置は最適なものではなく、構造を簡
単にすることが実際に可能である。

第３図は本発明の装置の一実施例である。

第３図に示す装置においても、リングは単一モード光
ファイバ５と、２アーム集積分配器を持つ第２の基板４
と、中間の単一モード光ファイバ30,31およびモードフ
ィルタ３とで構成される。

本発明の一実施例の主な特徴に従って、100は光源と
しての半導体ダイオードであり、この半導体ダイオード
は、それに印加される電源の極性に応じて光を放出し、
または光を受けるように動作する。

いくつかの種類の半導体ダイオード、とくに「GaAlAs
/GaAs」（ガリウム−アルミニウム−ひ素／ガリウム−
ひ素）」ダイオード、「GaAlAs（ガリウム−アルミニウ
ム−ひ素）」ダイオード、「GaInAsP/InP（ガリウム−
インジウム−ひ素−りん／インジウム−りん）」ダイオ
ードをこの目的に使用できる。更に詳しくいえば、この
後者の場合には、「TJS（横方向接合）」という略語で
知られている構造のレーザダイオードが好適である。

一例として、そのような部品がフランス特許FR−Ｂ−
2,387,519号明細書に記載されている。

光放出状態においては、ダイオード100は順方向にバ
イアスされる。そのために、２つの位置ＩとIIを有する
スイッチ102がダイオード100を電源103に接続する（位
置Ｉ）。第３図に示す実施例においては、ダイオード10
0のカソードに、特定の用途に必要な光エネルギーを放
出するために十分な振幅の負電圧−Ｖ（順方向）が印加
される。放出時間は光が通る光路の長さに依存する。す
なわち、まず光ファイバ５の長さに依存する。先に述べ
たように、その長さは200m〜2kmである。放射された光
は、光ファイバの長さに応じて１〜10μ秒の時間が経過
した後で、光源のダイオード100へ戻ってくる。

ダイオード100と信号処理器104を接続するように、ス
イッチ102は制御回路101により位置IIに置かれる。その
信号処理器104は増幅器で構成できる。

実際には、スイッチ102は電子スイッチであって、そ
のスイッチング速度は用途に適するものである。

光検出器として用いられる時のダイオードの通過帯域
は非常に広いが、光放出モードから光検出モードへ切換
えられる時に励起される電子の緩和時間に問題が起き
る。それから、リング干渉計内での光の進行時間の２倍
に等しい周期を有する方形波で変調させねばならない。

リング干渉計における位相のずれに関連する信号は位
相変調法により検波される。この場合には、検波される
周波数は1/2τに等しい。τは光ファイバ中の光の伝播
時間である。

そのために、信号処理回路は直角型同期検波器を含
む。制御回路101により発生された周波数が1/2τの信号
Vcが、信号処理器104に含まれている同期検波器に与え
られる。

更に、少なくとも１つの相反的効果の位相変調器７が
変調リング５に挿入される。この光ファイバを構成する
単一モード光ファイバ５は前記信号Vcも受ける。

そのような構成がフランス特許出願FR−Ｂ−2,471,58
3号明細書に記載されている。

位相変調器７は相反的効果、たとえば光弾性効果また
は電気光学効果、の動きをもたらす。そのような位相変
調器の例が前記フランス特許明細書に記載されている。
その位相変調器を周期的に通る光の位相を変化させるよ
うに位相変調器は励振される。その周期は２τに等し
い。

その周期性のために、次式で定められる関係が成立す
る。

Φ（ｔ）＝Φ（ｔ＋２τ）（１） Φ（ｔ）は時間の関数として位相の変化を記述する関
数である。

リング内を互いに逆向きに進む２つの光ビームは、位
相変調器を通る時に移相される。この位相変調器がない
時の位相差△Φは次式で表される。

△Φ＝△Φ＋Φ（ｔ）−Φ（ｔ）−Φ（ｔ＋τ）（２） ψ（τ）を用いると次式が得られる。

ψ（ｔ）＝ψ（τ）−ψ（ｔ＋τ）（３） Φ（τ）の周期性のために、関数ψ（τ）は対称的で
ある。これは ψ（ｔ）＝−ψ（ｔ＋τ）（４）であることを意味する。これから、各分岐において検出
された光のパワーは、周波数の関数として検出された光
のパワーの成分を表す周波数スペクトルを有する。

このスペクトルは次の成分に分けることができる。

−連続成分、 −sin（△Φ）に比例する周波数1/2τの成分すなわち有
用な成分、 −cos（△Φ）に比例する周波数１〜τの成分、 −関数Φ（τ）の正確な形に依存する高調波の種々の成
分。

リング５を互いに逆向きに進む光の位相変調を表すこ
の後者の関数は任意の形とすることができる。しかし、
たとえば方形波信号または正弦波信号を表す関数はいく
つかの利点を有する。それらの利点は、そのような関数
を発生し、既知のスペクトルに従う高調波に分けること
が容易であること、またはそれらの信号に同期させるこ
とが容易なことである。

変更例（図示せず）においては、干渉形のリング５の
各端部に相反的効果の位相変調器を設けることができ
る。各変調器は、1/2τの周波数において、 Φ_１（ｔ）＝−Φ_２（ｔ）（５）という関係が得られるように、周期的な移相を行う。こ
こに、Φ_１（ｔ）は第１の位相変調器により与えられる
移相量、Φ_２（ｔ）は第２の位相変調器により与えられ
る移相量である。ｔの値とは無関係に（５）式がほぼ成
立するものとすると、対称性のためにこの特定の装置に
より安定度が一層高くなる。

検出モードにおいて光源のスイッチングに用いられる
変調周波数は1/2τ′である。ここに、τ′は光路全体
を光が伝わるのに要する時間である。すなわち、干渉計
のリング５における光路と、光源100と分離器４の間の
入射−戻り光路とを光が伝わるのに要する時間である。
リング５中の伝播時間がその入射−戻り光路を光が伝播
する時間よりはるかに長いとすると、それら２つの周波
数は互いに非常に接近し、検出帯において寄生うなりを
生ずることがある。これの理想的な解決法は、スイッチ
ング周波数を検出周波数の２倍に等しくすることであ
る。光の総伝播時間がコイル中の光の伝播時間の1.5倍
に等しければ、上記解決法は可能である。このことは、
光源と分離器の間に遅延線を使用することを意味する。
そのために、伝播遅延を行う別の光ファイバを用いる。
そのために必要な光ファイバの長さは、リングを構成す
る光ファイバ５の長さの４分の１である。

第４図は付加光ファイバを用いたこの変更例を示すも
のである。この図に示す装置は、第３図に示す装置に加
えて、光ファイバ30の代りに遅延用の光ファイバ32を用
いる。他の全ての構成も採用でき、光ファイバ31の代り
に光ファイバ32を使用できる。

本発明の第２の実施例においては、光源を、光ファイ
バを除く他のあらゆる光学素子を介することなしに、モ
ードフィルタ３に直結できる。その光源は光発生器およ
び光増幅器として用いられる。第５図はこの第２の実施
例を示す。光源1000は半導体レーザダイオードであっ
て、なるべく「GaAs（ガリウム−ひ素）」型またはいわ
ゆる「スーパールミネッセント」型のダイオードを用い
るようにする。このダイオードの前面すなわち光放出面
は、図示の実施例においては、中間単一モードファイバ
30に光学的に結合される。レーザダイオード1000の後面
1002は、たとえばPIN型ダイオードのような通常の光検
出素子600に結合される。

光源に戻ってきた光はレーザダイオード1000により増
幅されてから、光検出器600により通常のやり方で検出
される。

両方の実施例においては、高速スイッチ（第２図の2
0）または分離器（第１図の２）は省かれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の干渉計の一例の概略図、第２図は従来の
干渉計の別の実施例の概略図、第３図は本発明の干渉計
の第１の実施例の概略図、第４図は第３図に示す実施例
の変更例の概略図、第５図は本発明の干渉計の別の実施
例の概略図である。３……モードフィルタ、４……半透明鏡、5,30,31……
光ファイバ（リング）、40,41,42……導光器、60,600…
…光検出器、100,1000……光源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭51−83546（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−129592（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−94680（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−151336（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−70308（ＪＰ，Ａ) 米国特許4265541（ＵＳ，Ａ) 欧州特許31274（ＥＰ，Ａ１) ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．５，Ｐ．173−175 （1980)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】リングを形成する単一モード光ファイバ
と、コヒーレントな光エネルギーを放射しかつ受光する
光エネルギー放射・受光手段と、単一モード光ファイバ
の両端部から出た放射を再び組合せるために、放射され
たコヒーレントな光エネルギーの等しい部分を同時に単
一モード光ファイバの２つの端部へ向けるためにその放
射を分離および混合する分離・混合手段と、この分離・
混合手段と前記光エネルギー放射・受光手段との間に配
置されるモードフィルタ手段とをそなえ、前記光エネル
ギー放射・受光手段は、正方向に分極されたときに所定
波長の光を放射し、逆方向に分極されたときにそれと同
じ波長の光を検出する半導体ダイオードにより形成され
るリング干渉計装置において、前記ダイオードの光放出を制御するために前記ダイオー
ドを順方向にバイアスする順方向バイアス手段と、電気
信号処理器と、スイッチング手段と、前記半導体ダイオ
ードと前記順方向バイアス手段または前記電気信号処理
器との間で電気的に接続するように、前記リング干渉計
のリングはτをリングにより形成された光路を波が伝わ
るのに要する時間であるとして、1/2τの周波数の周期
的な信号により前記スイッチング手段を制御する手段と
をそなえるとともに、前記リング干渉計のリングは、前記1/2τの周波数の周
期的な信号により制御され、相反的効果をもたらす少な
くとも第１および第２の２つの位相変調器をそなえ、これら変調器の各々は、前記第１の変調器に周期的位相
シフトφ１（ｔ）を、前記第２の変調器に周期的位相シ
フトφ２（ｔ）［＝−φ１（ｔ）］を導入し、これらの
位相シフトは０゜および180゜とは異なるものであり、前記電気信号処理器は、前記1/2τの周波数の1/2に等し
い周波数で同期する検波器をそなえることを特徴とするリング干渉計装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、半導体ダイオードと、リングを形成する単一モード光フ
ァイバの長さの４分の１に等しい長さの前記分離・混合
手段の間に配置される付加単一モード光ファイバを更に
そなえ、この付加単一モード光ファイバは遅延線を形成
することを特徴とする装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、前記半導体ダイオードは、ガリウム−アルミニウム−ひ
素／ガリウム−ひ素型であることを特徴とする装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、前記半導体ダイオードは、ガリウム−インジウム−ひ素
−りん／インジウム−りん型であることを特徴とする装
置。
【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
て、前記半導体ダイオードは、ガリウム−アルミニウム−ひ
素型の横方向接合構造であることを特徴とする装置。