JP2571870B2 - Hikaribaiyairo - Google Patents

Hikaribaiyairo

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JP2571870B2
JP2571870B2 JP2225618A JP22561890A JP2571870B2 JP 2571870 B2 JP2571870 B2 JP 2571870B2 JP 2225618 A JP2225618 A JP 2225618A JP 22561890 A JP22561890 A JP 22561890A JP 2571870 B2 JP2571870 B2 JP 2571870B2
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JP
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fiber
light
optical path
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optical
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洋三 西浦
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【産業上の利用分野】[Industrial applications]

この発明は自動車、飛行機、船舶など運動体の回転角
速度を測定するための光ファイバジャイロに関する。特
に光路の全てを光ファイバで構成した位相変調方式の光
ファイバジャイロに関する。
The present invention relates to an optical fiber gyro for measuring a rotational angular velocity of a moving body such as an automobile, an airplane, and a ship. In particular, the present invention relates to a phase modulation type optical fiber gyro in which the entire optical path is constituted by optical fibers.

【従来の技術】[Prior art]

光ファイバジャイロはファイバコイルの中を左廻り右
廻りに伝搬する光の位相差がコイルの角速度に比例する
ことを利用して角速度を求めるものである。 位相変調方式というのは、ファイバコイルの一方の端
近くの光ファイバの一部を伸縮させてこの中を伝搬する
光の位相を変調するものである。干渉光の強度を受光素
子で検出するがこの中には変調周波数及びその高調波信
号がベッセル函数を係数とする展開式の形で含まれる。
そこで変調周波数またはその整数倍の周波数のキャリヤ
信号を作り、受光素子出力をこれによって同期検波すれ
ば基本波成分または任意の高調波成分を得ることができ
る。 奇数次の高調波(基本波を含む)は 2E1E2J2m+1(ξ)sinΔθ (1) と書くことができる。ただしE1、E2は左廻り右廻り光の
振幅、J2m+1(ξ)は(2m+1)次ベッセル函数、Δθ
は左廻り光、右廻り光の位相差である。ξは変調の大き
さを表し、 である。bは位相変調の振幅、Ωは位相変調角周波数、
Lはファイバコイルのファイバ長、nはファイバ屈折
率、cは真空中の光速である。 偶数次の高調波は 2E1E2J2n(ξ)cosΔθ (3) と書くことができる。光の振幅と変調の大きさξとが安
定していれば基本波だけから位相差Δθを求めることが
できる。 変調の大きさξを一定にするためには、適当な偶数次
高調波が0になるように、位相変調器駆動回路を制御す
ればよい。するとJ2n(ξ)=0となる2n次ベッセル
函数の零点にξが固定される。 光の振幅が変動するのであれば、基本波を4倍高調波
で割ってtanΔθの形で位相差を求めれば良い。 位相変調方式の光ファイバジャイロについては、特願
平1−57634〜37、特願平1−291628〜31、1−29550
0、特願平2−3809、2−10055などの発明がなされてい
る。 光ファイバジャイロは、左廻り光と右廻り光を干渉さ
せるのであるから、偏波面が同一でなければならない。
偏波面が異なると干渉光は偏波面の挟角の余弦に比例す
る値となるし、偏波面が直交すれば光は干渉しない。 そこで左廻り光右廻り光の偏波面を揃えなければなら
ない。シングルモード光ファイバの場合は縮退した2つ
の偏波面の光が同一の位相定数で伝搬するから、偏波面
が回転する。 そこでシングルモード光ファイバではなく偏波面保存
光ファイバによって光路の大部分を構成し、光が2つに
分割される前に偏光子を通して直線偏光にしておくとい
う工夫が考えられる。偏波面が直交2軸に対して保存さ
れる。偏波面回転が起こらないので、左廻り光右廻り光
の偏波面を揃えて両者を干渉させることができる。 しかし偏波面保存光ファイバは単なるシングルモード
光ファイバに比べ高価であるので極めて高額の光ファイ
バジャイロになってしまう。 やはりファイバコイルや光路の大部分は単なるシング
ルモード光ファイバによって製作したいものである。と
ころがシングルモード光ファイバにはいくつかの問題が
ある。 シングルモードといっても位相定数についてひとつの
モードしか立たないということであり、偏波面の直交す
る2つのモードが実際には存在する。偏波面の異なるモ
ードは理想的には独立であるが、位相定数が巨視的には
同一であるから偏波面の回転が起こりうる。 異なる偏波面を持つモードは微視的な位相定数のゆら
ぎが異なるので、同じ距離だけ伝搬しても実効的な光路
長が同じということはない。 そこで偏波面の異なる2つのモードの伝搬を許すとす
ると、光路長の異なる左廻り右廻りの光が干渉すること
になり、干渉光にオフセットが含まれる。ここでオフセ
ットというのは、コイルの角速度Ωが0であるのに位
相差Δθが0でない場合Δθの0からのずれをいう。実
効的な光路長が違うのであればこれは当然のことであ
る。 左廻り光右廻り光が厳密に同じ経験をしなければなら
ない。このためには左廻り光右廻り光に分ける前に偏光
子に通して偏波面を一方向に固定するのが有効である。
こうするとシングルモードファイバの中にひとつの偏波
面のモードしか通らないので、光路長が同一になるので
ある。ここまでは前述の偏波面保存光ファイバの場合と
同じである。 しかしシングルモード光ファイバでは偏波面の回転が
起こりうるので、これだけでは不十分である。偏光子を
通って直線偏光になってからファイバコイルを伝搬し、
再び偏光子を反対向きに通過する。この時偏波面が偏光
子の主軸と一致するとは限らない。主軸となす角をψと
すると、偏光子を通り抜ける光量はcosψに比例して減
少する。この角度が左廻り右廻り光によって同一とは限
らないし、温度によっても変動する。 そこでシングルモード光ファイバを用いるときには、
偏光子の他に、デポラライザ(depolarizer)を必要と
する。これは任意の直線偏光を無偏光に変換するもので
ある。 例えば、 K.Bhm et al.:“Low−Drift Fiber Gyro Using a S
uperluminescent Diode",ELECTRONICS LETTERS,vol.17,
No.10,p352(1981), にこのような光ファイバジャイロが提案されている。第
2図に構造を示す。 発光素子1から出射された光はレンズ21、ビームスプ
リッタ22、偏光子23、レンズ24を経て光ファイバ25の一
端に入射する。これは光を集光させて小さいファイバコ
アに入射するものであるが偏光子23があるので直線偏光
になっている。つまりひとつの偏波面のモードのみを通
すようにしているのである。このファイバ25はカップラ
26により他のファイバ27と結合している。ここで左廻り
光と右廻り光に分離される。右廻り光はファイバ25から
一旦空間に出てレンズ28、デポラライザ29、レンズ30を
経て再びファイバ3に入りファイバコイル4を右廻りに
伝搬する。この後位相変調器5を通る。 左廻り光はファイバ27から位相変調器5を通りファイ
バコイル4を左廻りに伝搬する。この後デポラライザ29
を通過する。デポラライザ29は直線偏光を無偏光にする
もので、偏光子と逆の働きをする。これはLyot depolar
izerといい、複屈折性を持つ結晶2枚を光学主軸が45゜
捩じれたように貼り合わせたものである。その厚みは1:
2になっている。しかも何れの結晶の厚みも、光の可干
渉長(コヒーレントレングス)より、異常光、常光線の
光路差が長くなるようになっている。薄いデポラライザ
を使おうとすると、可干渉長の短い発光素子が必要であ
る。 第2図のものはシングルモード光ファイバを使うもの
で、偏光子、デポラライザを用いることにより偏波面回
転による出力変動の問題を解決している。 同じくBhm等は第3図に示す光ファイバジャイロを
も提案している。発光素子1から出射された光がシリン
ドリカルレンズ33、レンズ34、35を経て絞られファイバ
36の一端に入射する。このファイバ36はカップラ37によ
り、受光素子36につながるファイバ32に連結している。
ファイバ36から出射した光はレンズ38、偏光子39、レン
ズ40を通って他のファイバ41に入射する。カップラ42に
よりこの光が左廻り光と右廻り光に分岐される。 右廻り光は、ファイバ端43から自由空間に出て、レン
ズ45、デポラライザ46、レンズ47を通り光ファイバ3の
コアに入射する。そしてファイバコイル4を右廻りに通
過し、位相変調器5を通りカップラ42から偏光子39へと
戻ってゆく。 左廻り光は、カップラ42から位相変調器5を通り、フ
ァイバコイル4を左廻りに回って、デポラライザ46を反
対向きに通過する。 第2図の装置も第3図の装置も先ず偏光子で偏波面を
ひとつに固定し、この後2つの光に分けてデポラライザ
を通して無偏光にしている。左廻り光と右廻り光は位相
変調器5を通ることにより異なる時刻に位相変調を受け
る。受光素子出力は変調信号に同期してロックインアン
プ(図示せず)で増幅される。位相変調方式としての処
理は従来のものと同様である。 デポラライザを通るので無偏光になり、これが偏光子
を再び通る。それぞれの光成分は偏光子の主軸となす角
の余弦だけが通過することになる。従って偏波面回転が
起こっていたとしても偏光子を通過することによる光量
の変動、減退の問題を回避できる。
The optical fiber gyro obtains the angular velocity by utilizing that the phase difference of light propagating left and right in the fiber coil is proportional to the angular velocity of the coil. The phase modulation method modulates the phase of light propagating in a part of an optical fiber near one end of a fiber coil by expanding and contracting the optical fiber. The intensity of the interference light is detected by the light receiving element, and the modulation frequency and its higher harmonic signal are included in the form of an expansion formula using the Bessel function as a coefficient.
Therefore, a carrier signal having a modulation frequency or a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency is generated, and a fundamental wave component or any harmonic component can be obtained by synchronously detecting the output of the light receiving element. Odd-order harmonics (including the fundamental) can be written as 2E 1 E 2 J 2m + 1 (ξ) sinΔθ (1). Where E 1 and E 2 are the left-handed and right-handed light amplitudes, J 2m + 1 (ξ) is the (2m + 1) -order Bessel function, Δθ
Is the phase difference between left-handed light and right-handed light. ξ represents the magnitude of the modulation, It is. b is the phase modulation amplitude, Ω is the phase modulation angular frequency,
L is the fiber length of the fiber coil, n is the fiber refractive index, and c is the speed of light in vacuum. Even order harmonics can be written as 2E 1 E 2 J 2n (ξ) cosΔθ (3). If the amplitude of light and the magnitude of modulation ξ are stable, the phase difference Δθ can be obtained from only the fundamental wave. In order to keep the modulation magnitude 一定 constant, the phase modulator driving circuit may be controlled so that the appropriate even-order harmonic becomes zero. Then, ξ is fixed to the zero of the 2n-order Bessel function such that J 2n ( o o ) = 0. If the amplitude of the light fluctuates, the fundamental wave may be divided by the fourth harmonic to obtain the phase difference in the form of tan Δθ. Regarding the optical fiber gyro of the phase modulation method, Japanese Patent Application Nos. 1-57634-37, 1-2291628-31 and 1-295550.
0, inventions such as Japanese Patent Application Nos. 2-3809 and 2-10055 have been made. Since the optical fiber gyro causes left-handed light and right-handed light to interfere with each other, the polarization planes must be the same.
If the polarization planes are different, the interference light has a value proportional to the cosine of the included angle of the polarization plane. If the polarization planes are orthogonal, the light does not interfere. Therefore, the planes of polarization of left-handed light and right-handed light must be aligned. In the case of a single-mode optical fiber, the light on the two degenerated polarization planes propagates with the same phase constant, so that the polarization planes rotate. Therefore, it is conceivable to construct a large part of the optical path by using a polarization-maintaining optical fiber instead of a single-mode optical fiber, and to make the light linearly polarized through a polarizer before the light is split into two. The plane of polarization is preserved for two orthogonal axes. Since the rotation of the polarization plane does not occur, the polarization planes of the left-handed light and the right-handed light can be aligned to interfere with each other. However, since the polarization maintaining optical fiber is more expensive than a simple single mode optical fiber, it becomes an extremely expensive optical fiber gyro. Again, most of the fiber coils and optical paths are to be made with simple single mode optical fibers. However, single mode optical fibers have several problems. The single mode means that only one mode is established for the phase constant, and there are actually two modes whose polarization planes are orthogonal to each other. Modes with different polarization planes are ideally independent, but rotation of the polarization plane can occur because the phase constants are macroscopically the same. Modes having different polarization planes have different microscopic phase constant fluctuations, so that even if they propagate for the same distance, they do not have the same effective optical path length. Therefore, if propagation of two modes having different polarization planes is allowed, left-handed and right-handed lights having different optical path lengths interfere with each other, and the interference light includes an offset. Here, the offset refers to a deviation of Δθ from 0 when the phase difference Δθ is not 0 although the angular velocity Ω c of the coil is 0. This is natural if the effective optical path lengths are different. Left-handed light Right-handed light must have exactly the same experience. For this purpose, it is effective to fix the plane of polarization in one direction by passing through a polarizer before splitting into left-handed light and right-handed light.
In this case, since only one mode of the polarization plane passes through the single mode fiber, the optical path length becomes the same. Up to this point, the operation is the same as that of the polarization-maintaining optical fiber described above. However, in a single-mode optical fiber, the rotation of the plane of polarization can occur, so this is not sufficient. After being linearly polarized through the polarizer, it propagates through the fiber coil,
Again it passes through the polarizer in the opposite direction. At this time, the plane of polarization does not always coincide with the main axis of the polarizer. Assuming that the angle with the main axis is ψ, the amount of light passing through the polarizer decreases in proportion to cosψ. This angle is not always the same for left-handed and right-handed light, and varies with temperature. Therefore, when using a single mode optical fiber,
In addition to the polarizer, a depolarizer is required. This converts arbitrary linearly polarized light into non-polarized light. For example, K. Bhm et al .: “Low-Drift Fiber Gyro Using a S
uperluminescent Diode ", ELECTRONICS LETTERS, vol.17,
No. 10, p352 (1981), such an optical fiber gyro is proposed. FIG. 2 shows the structure. Light emitted from the light emitting element 1 is incident on one end of an optical fiber 25 via a lens 21, a beam splitter 22, a polarizer 23, and a lens 24. This condenses light and makes it incident on a small fiber core. However, the light is linearly polarized due to the presence of the polarizer 23. That is, only the mode of one polarization plane is passed. This fiber 25 is a coupler
26 couples with another fiber 27. Here, the light is separated into left-handed light and right-handed light. The clockwise light once exits the space from the fiber 25, passes through the lens 28, the depolarizer 29, and the lens 30, enters the fiber 3 again, and propagates clockwise through the fiber coil 4. Thereafter, the light passes through the phase modulator 5. The counterclockwise light propagates from the fiber 27 through the phase modulator 5 to the fiber coil 4 counterclockwise. After this depolarizer 29
Pass through. The depolarizer 29 converts the linearly polarized light into non-polarized light, and has a function opposite to that of the polarizer. This is Lyot depolar
It is called an “izer” and is made by bonding two birefringent crystals so that the optical principal axis is twisted by 45 °. Its thickness is 1:
Has become 2. In addition, the thickness of each crystal is such that the optical path difference between extraordinary light and ordinary light is longer than the coherent length of light. In order to use a thin depolarizer, a light emitting element having a short coherence length is required. FIG. 2 uses a single mode optical fiber, and solves the problem of output fluctuation due to polarization plane rotation by using a polarizer and a depolarizer. Bhm et al. Also proposed an optical fiber gyro shown in FIG. The light emitted from the light emitting element 1 is squeezed through the cylindrical lens 33, the lenses 34 and 35, and
It is incident on one end of 36. The fiber 36 is connected to the fiber 32 connected to the light receiving element 36 by a coupler 37.
The light emitted from the fiber 36 enters another fiber 41 through a lens 38, a polarizer 39, and a lens 40. This light is split by the coupler 42 into left-handed light and right-handed light. The clockwise light exits from the fiber end 43 into free space, passes through the lens 45, the depolarizer 46, and the lens 47, and enters the core of the optical fiber 3. Then, the light passes through the fiber coil 4 clockwise, passes through the phase modulator 5, and returns from the coupler 42 to the polarizer 39. The counterclockwise light passes through the phase modulator 5 from the coupler 42, turns the fiber coil 4 counterclockwise, and passes through the depolarizer 46 in the opposite direction. Both the device shown in FIG. 2 and the device shown in FIG. 3 fix the polarization plane to one with a polarizer, and then split the light into two lights and make them unpolarized through a depolarizer. The left-handed light and the right-handed light pass through the phase modulator 5 and undergo phase modulation at different times. The output of the light receiving element is amplified by a lock-in amplifier (not shown) in synchronization with the modulation signal. The processing as the phase modulation method is the same as the conventional one. As it passes through the depolarizer, it becomes unpolarized, which passes through the polarizer again. Each light component passes through only the cosine of the angle formed by the main axis of the polarizer. Therefore, even if the rotation of the polarization plane occurs, it is possible to avoid the problem of the fluctuation and decrease of the light amount due to passing through the polarizer.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

第2図、第3図に示すものは実験室で組み立てた装置
であって実用機ではない。実用的な軽量小型のものにす
るためには偏光子やデポラライザをファイバ化する事が
強く望まれる。偏光子,デポラライザはこの実験ではバ
ルクの光学部品を使っておりファイバよりずっと大き
い。これらの部品に平面波として光を通すために、レン
ズを前後に配置しなければならない。このため嵩ばった
装置になってしまう。 偏光子やデポラライザを光ファイバで作ることができ
る。これは良く知られている。これらの部品を光ファイ
バ化して初めて実用的なものになる。またプリズムより
なるビームスプリッタを使うのは同様に望ましくなく、
これは光ファイバカップラに置き換えるべきである。す
ると第3図のような構成になるが、このバルク光学部品
である偏光子、デポラライザを光ファイバで置き換える
とそれでよいかというとそうではない。 発光素子1から出射された光は直線偏光であるが、こ
れが偏光子に至るまでの光ファイバにおいて偏波面回転
する可能性がある。この部分の中継ファイバは短いもの
であるが、発光素子1の出射光の偏光方向と、ファイバ
型偏光子の偏光方向とを合致させることが難しい。もし
これが合致していないと、通過する光量が少なくなる。
第2図、第3図のようにバルク光学結晶の偏光子を用い
る場合は、受光素子に到達する光量が最大になるよう偏
光子を回転して調整できる。しかしファイバ型偏光子の
場合は、シングルモード光ファイバと融着結合して初め
て光が通るわけであるから、偏光子の偏波方向を調整す
ることはできない。 発光素子の方を回転して偏光方向を一致させることが
できたとしても、シングルモード光ファイバであるの
で、温度変化や応力によって偏波面が回転することがあ
る。するとやはり偏光子を通過する光量が減少し、スケ
ールファクタが変動する。偏光子よりもファイバコイル
に近い部分の光ファイバ中での偏波面回転の問題は、フ
ァイバコイルの近傍にデポラライザを入れることにより
解決できた。しかし偏光子よりも発光素子に近い方の光
ファイバ中での偏波面回転の問題はいまなお解決ができ
ていない。
The apparatus shown in FIGS. 2 and 3 is an apparatus assembled in a laboratory and is not a practical machine. It is strongly desired that a polarizer or a depolarizer be made into a fiber in order to make it practical and lightweight. The polarizer and depolarizer use bulk optics in this experiment and are much larger than the fiber. To pass light as a plane wave through these components, lenses must be placed in front and behind. This results in a bulky device. Polarizers and depolarizers can be made of optical fibers. This is well known. These components become practical only when they are converted to optical fibers. It is also undesirable to use a beam splitter consisting of prisms,
This should be replaced by a fiber optic coupler. Then, the structure as shown in FIG. 3 is obtained, but it is not so if it is sufficient to replace the polarizer and the depolarizer, which are the bulk optical components, with an optical fiber. Although the light emitted from the light emitting element 1 is linearly polarized light, there is a possibility that the light is rotated in the plane of polarization in the optical fiber up to the polarizer. Although the relay fiber in this portion is short, it is difficult to match the polarization direction of the light emitted from the light emitting element 1 with the polarization direction of the fiber polarizer. If they do not match, the amount of light passing through will be small.
When a bulk optical crystal polarizer is used as shown in FIGS. 2 and 3, the polarizer can be rotated and adjusted so that the amount of light reaching the light receiving element is maximized. However, in the case of a fiber-type polarizer, the light is transmitted only after fusion bonding with the single mode optical fiber, so that the polarization direction of the polarizer cannot be adjusted. Even if the polarization direction can be matched by rotating the light emitting element, the plane of polarization may be rotated due to a temperature change or stress due to the single mode optical fiber. Then, the amount of light passing through the polarizer also decreases, and the scale factor varies. The problem of polarization plane rotation in the optical fiber nearer to the fiber coil than the polarizer could be solved by inserting a depolarizer near the fiber coil. However, the problem of polarization plane rotation in the optical fiber closer to the light emitting element than the polarizer has not been solved yet.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本発明の光ファイバジャイロは、偏光子、デポラライ
ザを含む光路の主要部を光ファイバ化したものである。
そして発光素子から出射された光を無偏光にするための
実質的なデポラライザを追加する。このデポラライザは
発光素子から出射された光が直線偏光であることを利用
するもので、複屈折性の結晶を光学主軸が直線偏光に対
して約45゜傾いたように配置する。この複屈折性結晶は
発光素子とこの光が入射するシングルモード光ファイバ
の間に設けられたものである。発光素子と複屈折性結晶
が組合わされて実質的にデポラライザとなる。 但し複屈折性結晶の長さには次の条件が課される。す
なわち複屈折性結晶の複屈折性による直交偏波間の時間
遅れが発光素子の可干渉時間以上となる長さでなければ
ならない。こうであって初めて直交偏波間の干渉がなく
なり無偏光になるのである。 複屈折性結晶というのは直交する偏波を持つ光の間で
屈折率に差があるものである。
In the optical fiber gyro of the present invention, a main part of an optical path including a polarizer and a depolarizer is formed into an optical fiber.
Then, a substantial depolarizer for making the light emitted from the light emitting element unpolarized is added. This depolarizer utilizes the fact that the light emitted from the light emitting element is linearly polarized light, and arranges a birefringent crystal so that the optical principal axis is inclined by about 45 ° with respect to the linearly polarized light. The birefringent crystal is provided between the light emitting element and the single mode optical fiber on which the light is incident. The light emitting element and the birefringent crystal are combined to substantially form a depolarizer. However, the following conditions are imposed on the length of the birefringent crystal. That is, the time delay between the orthogonal polarizations due to the birefringence of the birefringent crystal must be longer than the coherence time of the light emitting element. Only in this way does the interference between the orthogonal polarizations disappear and the polarization becomes non-polarized. A birefringent crystal has a difference in refractive index between lights having orthogonal polarizations.

【作 用】[Operation]

本発明の装置に於いては発光素子のすぐ後に光学主軸
が発光素子の直接偏光と45゜をなすように新しく複屈折
性結晶を入れているから実質的にデポラライザとして働
き、ここを通る光が直線偏光から無偏光になる。無偏光
になってからファイバ型偏光子へ入射し直線偏光に変え
られるのであるから、ファイバ型偏光子の出力に現れる
光量は一定である。 偏波面回転が起こっても、これは全ての偏波面を持つ
光に対して起こっているのであるから、無偏光であるこ
とに変わりがない。ファイバ型偏光子の出力に現れる光
量が一定であるので、ファイバと発光素子、ファイバ型
偏光子の軸合わせ、調整といったことは不要になる。ま
たファイバに加えられた応力、温度変化によっても出力
光量が変動しない。 ファイバ型偏光子を通る光量が一定するからスケール
ファクタが変動しない。高精度の角速度測定を行うこと
ができる。
In the device of the present invention, a new birefringent crystal is placed immediately after the light emitting element so that the optical principal axis is at 45 ° to the direct polarization of the light emitting element, so that the light passing through the crystal substantially acts as a depolarizer. From linearly polarized light to unpolarized light. Since the light becomes non-polarized light and then enters the fiber-type polarizer and is changed to linearly-polarized light, the amount of light appearing at the output of the fiber-type polarizer is constant. Even if the rotation of the polarization plane occurs, it is unpolarized because it occurs for light having all the polarization planes. Since the amount of light appearing at the output of the fiber-type polarizer is constant, it is not necessary to adjust the axes of the fiber, the light-emitting element, and the fiber-type polarizer. Also, the output light quantity does not fluctuate due to a stress applied to the fiber or a change in temperature. Since the amount of light passing through the fiber polarizer is constant, the scale factor does not change. Highly accurate angular velocity measurement can be performed.

【実 施 例】【Example】

第1図は本発明の実施例を示す。これは光路が全て光
ファイバで構成されている。ただしシングルモード光フ
ァイバを主としているが、偏波面保存光ファイバを一部
に用いている。 この光ファイバジャイロは、発光素子1、複屈折性結
晶2、デポラライザ3、ファイバコイル4、位相変調器
5、受光素子6、ファイバカップラ7、8、ファイバ型
偏光子9、集光光学系10などを含む。これらの部品が光
ファイバにより相互に連結されている。 発光素子1は単色光を出す光源である。レーザダイオ
ード、スーパールミネッセントダイオードが用いられ
る。ただしコヒーレント長が短いものでなければならな
い。 デポラライザ3は直線偏光を無偏光にする素子であ
る。このデポラライザ3を入れることは第2図、第3図
にも現れており良く知られている。ところが本発明で
は、光学主軸が発光素子の偏光に対して45゜傾いた複屈
折性結晶よりなる実質的なもうひとつのデポラライザを
追加している。これが新規である。 デポラライザ3も光ファイバで作る。これは第4図で
示すように偏波面保存光ファイバ2本を、光学主軸が45
゜をなすように軸方向に接続したものである。そして2
つの偏波面を持つ光の光路差が発光素子のコヒーレント
長以上であるようにする。2つの光ファイバの長さは2:
1である。 本発明では複屈折性結晶2を発光素子の直後に入れて
実質的なデポラライザとしている。これの長さをl、光
の屈折率をnx、ny、発光素子のコヒーレント長をhとす
ると、 (nx−ny)l>h (4) でなければならない。そうでなければ無偏光にならない
からである。 複屈折性結晶と発光素子の偏光が45゜をなすのでx方
向の光の振幅はcos45゜、y方向の光の振幅がsin45゜と
なり強度はこれを2乗平均したものになり、1/2ずつと
なる。以後任意の偏波面を持つ光の振幅が等しくなる。 ファイバコイル4はシングルモード光ファイバを多数
回巻き回したものである。位相変調器5は円筒形の圧電
振動子にファイバコイルの一端近くの光ファイバを巻き
付けたものである。圧電振動子に交流の励起電圧を与え
るとこれが半径方向に膨縮するので光ファイバが伸縮し
この中を伝搬する光の位相が変化する。 受光素子6はpinホトダイオードなどであり、ファイ
バコイルを左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する。 ファイバカップラ7、8は2本の光ファイバの被覆を
剥離して接近させ融着して引き伸ばしたものである。コ
ア間の距離が小さいのでエバネッセント結合する。一方
の端から光を入れると、他方の2本の端に半分ずつの光
パワーが出てくるように調整して作る。ビームスプリッ
タのように嵩高くなくて小型の分岐素子である。 ファイバ型偏光子9は偏波面保存光ファイバを円筒に
巻き付けたものである。直交する偏波面を持つ二つのモ
ードの内ひとつのモードが放射モードとなって減衰する
から残りのひとつのモードの光だけがこの中を通過でき
る。だから偏光子と等価の働きをする。 次にファイバで形成される光路について説明する。第
1ファイバ光路11は発光素子1と第1ファイバカップラ
7の間を連絡する。シングルモード光ファイバである。
このシングルモード光ファイバの先端と発光素子の間に
集光光学系10があり、前記の複屈折性結晶2はレンズ2
枚の中に挟まれている。 第2ファイバ光路12は第1ファイバカップラ7と第2
ファイバカップラ8との間を連絡する。第3ファイバ光
路13と第4ファイバ光路はファイバコイル4の両端部分
でいずれも第2ファイバカップラ8の一端に接続されて
いる。 第5ファイバ光路15は第1ファイバカップラ7と受光
素子6とを連絡する。第6ファイバ光路16は第2ファイ
バカップラ8につながるファイバの余りであり自由端を
持っている。第7ファイバ光路17は第1ファイバカップ
ラ7につながるファイバの余りであり自由端を持つ。 分岐素子をファイバカップラにするとこのように自由
端で終わる余りの部分がやむを得ず発生する。 第1、第2ファイバカップラ7、8の間の第2ファイ
バ光路12の途中に、ファイバ型偏光子9が設けられる。
位相変調器5、デポラライザ3は、第3、第4ファイバ
光路13、14の何れかに設けられる。この例では両者が異
なる光路に配分されているが、同一の光路にあっても差
し支えない。 発光素子1より出射された光は直線偏光であるが、光
学主軸が偏光に対して45゜をなす複屈折性結晶2を通る
ことにより無偏光になる。これがファイバ型偏光子9に
達しここである方向の直線偏光になる。いったん無偏光
にするから、偏光子9で直線偏光になった時の光の振幅
は、発光素子の方位には無関係で一定となる。これが重
要な点である。発光素子やファイバ型偏光子の軸合わせ
をする必要がない。また外力や温度により光ファイバ中
で偏波面が回転しても、無偏光なのであるから影響がな
い。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In this, the optical path is entirely constituted by optical fibers. However, although a single mode optical fiber is mainly used, a polarization maintaining optical fiber is partially used. The optical fiber gyro includes a light emitting element 1, a birefringent crystal 2, a depolarizer 3, a fiber coil 4, a phase modulator 5, a light receiving element 6, fiber couplers 7, 8, a fiber polarizer 9, a condensing optical system 10, and the like. including. These components are interconnected by an optical fiber. The light emitting element 1 is a light source that emits monochromatic light. Laser diodes and super luminescent diodes are used. However, the coherent length must be short. The depolarizer 3 is an element for converting linearly polarized light to non-polarized light. The insertion of the depolarizer 3 also appears in FIGS. 2 and 3 and is well known. However, in the present invention, another substantially depolarizer made of a birefringent crystal whose main optical axis is inclined by 45 ° with respect to the polarization of the light emitting element is added. This is new. The depolarizer 3 is also made of an optical fiber. In this case, as shown in FIG.
These are connected in the axial direction so as to form ゜. And 2
The optical path difference of light having two polarization planes is equal to or longer than the coherent length of the light emitting element. The length of the two optical fibers is 2:
Is one. In the present invention, the birefringent crystal 2 is inserted immediately after the light emitting element to form a substantial depolarizer. The length of this l, the refractive index of the optical n x, n y, if the coherence length of the light emitting element is is h, should be (n x -n y) l> h (4). Otherwise, it will not be unpolarized. Since the polarization of the birefringent crystal and the light-emitting element forms 45 °, the amplitude of the light in the x direction is cos 45 °, and the amplitude of the light in the y direction is sin 45 °, and the intensity is the mean square of this. Each time. Thereafter, the amplitude of light having an arbitrary polarization plane becomes equal. The fiber coil 4 is formed by winding a single mode optical fiber many times. The phase modulator 5 is formed by winding an optical fiber near one end of a fiber coil around a cylindrical piezoelectric vibrator. When an AC excitation voltage is applied to the piezoelectric vibrator, it expands and contracts in the radial direction, so that the optical fiber expands and contracts, and the phase of light propagating in the optical fiber changes. The light receiving element 6 is a pin photodiode or the like, and makes the light propagating counterclockwise and counterclockwise through the fiber coil interfere to detect the intensity of the interference light. The fiber couplers 7 and 8 are obtained by peeling the coatings of the two optical fibers, approaching each other, fusing them, and stretching them. Evanescent coupling occurs because the distance between the cores is small. It is made by adjusting so that when light enters from one end, half the optical power comes out to the other two ends. It is a small branching element that is not bulky like a beam splitter. The fiber type polarizer 9 is obtained by winding a polarization maintaining optical fiber around a cylinder. One of the two modes having orthogonal polarization planes is a radiation mode and is attenuated, so that only the light of the remaining one mode can pass therethrough. Therefore, it works equivalent to a polarizer. Next, an optical path formed by a fiber will be described. The first fiber optical path 11 communicates between the light emitting element 1 and the first fiber coupler 7. It is a single mode optical fiber.
A condensing optical system 10 is provided between the tip of the single mode optical fiber and the light emitting element.
It is sandwiched between pieces. The second fiber optical path 12 is connected to the first fiber coupler 7 and the second fiber
It communicates with the fiber coupler 8. The third fiber optical path 13 and the fourth fiber optical path are both connected to one end of the second fiber coupler 8 at both ends of the fiber coil 4. The fifth fiber optical path 15 connects the first fiber coupler 7 and the light receiving element 6. The sixth fiber optical path 16 is a remainder of the fiber connected to the second fiber coupler 8 and has a free end. The seventh fiber optical path 17 is a remainder of the fiber connected to the first fiber coupler 7 and has a free end. If the branching element is a fiber coupler, a surplus portion ending at the free end is inevitably generated. A fiber polarizer 9 is provided in the middle of the second fiber optical path 12 between the first and second fiber couplers 7 and 8.
The phase modulator 5 and the depolarizer 3 are provided in any of the third and fourth fiber optical paths 13 and 14. In this example, both are allocated to different optical paths, but they may be in the same optical path. The light emitted from the light emitting element 1 is linearly polarized light, but becomes non-polarized light by passing through the birefringent crystal 2 whose optical main axis forms 45 ° with respect to the polarized light. This reaches the fiber type polarizer 9 and becomes linearly polarized light in a certain direction. Since the light is once non-polarized, the amplitude of the light when it becomes linearly polarized by the polarizer 9 is constant regardless of the orientation of the light emitting element. This is an important point. There is no need to align the axes of the light emitting element and the fiber polarizer. Also, even if the plane of polarization rotates in the optical fiber due to external force or temperature, there is no effect because it is non-polarized.

【発明の効果】【The invention's effect】

発光素子とファイバ型偏光子との間に複屈折性結晶よ
りなる実質的なデポラライザを入れており、これによっ
て直線偏光をいったん無偏光にしてからファイバ型偏光
子を通すから偏光子を通過する光量が一定する。 偏光子、デポラライザなどを含む全ての光路を光ファ
イバによって構成したスケールファクタの安定した光フ
ァイバジャイロを提供することができる。
A substantial depolarizer made of a birefringent crystal is inserted between the light-emitting element and the fiber-type polarizer. Is constant. An optical fiber gyro having a stable scale factor in which all optical paths including a polarizer, a depolarizer, and the like are configured by optical fibers can be provided.

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

第1図は本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの構
成図。 第2図は従来例に係る光ファイバジャイロの構成図。 第3図は他の従来例に係る光ファイバジャイロの構成
図。 第4図は偏波面保存光ファイバによるデポラライザの概
略図。 1……発光素子 2……複屈折性結晶 3……第2デポラライザ 4……ファイバコイル 5……位相変調器 6……受光素子 7……第1ファイバカップラ 8……第2ファイバカップラ 9……ファイバ型偏光子 10……集光光学系 11……第1ファイバ光路 12……第2ファイバ光路 13……第3ファイバ光路 14……第4ファイバ光路 15……第5ファイバ光路
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical fiber gyro according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram of an optical fiber gyro according to a conventional example. FIG. 3 is a configuration diagram of an optical fiber gyro according to another conventional example. FIG. 4 is a schematic diagram of a depolarizer using a polarization-maintaining optical fiber. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emitting element 2 ... Birefringent crystal 3 ... 2nd depolarizer 4 ... Fiber coil 5 ... Phase modulator 6 ... Light receiving element 7 ... 1st fiber coupler 8 ... 2nd fiber coupler 9 ... ... Fiber-type polarizer 10 ... Condensing optical system 11 ... First fiber optical path 12 ... Second fiber optical path 13 ... Third fiber optical path 14 ... Fourth fiber optical path 15 ... Fifth fiber optical path

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ファイバコイルの中を左廻り右廻りに光を
伝搬させ両廻り光の位相差からファイバコイルの回転角
速度を求めることを原理とする光ファイバジャイロであ
って、単色光を生ずる発光素子と、シングルモード光フ
ァイバを多数回巻回したファイバコイルと、ファイバコ
イルの中を左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する受光素子と、発光素子につながる第1
ファイバ光路と受光素子につながる第5ファイバ光路と
を、第2ファイバ光路と自由端をもつ第7ファイバ光路
とに結合する第1ファイバカップラと、ファイバコイル
の両端につながる第3ファイバ光路と第4ファイバ光路
とを、第2ファイバ光路と自由端を持つ第6ファイバ光
路とに結合する第2ファイバカップラと、第2ファイバ
光路の途中に設けられるファイバ型偏光子と、ファイバ
コイルの一方の端近くに設けられ光ファイバ中を伝搬す
る光の位相を変調する位相変調器と、発光素子と第1フ
ァイバカップラをつなぐ第1ファイバ光路の中間にあっ
て発光素子の直線偏光に対して光学主軸が約45゜傾いた
複屈折性結晶と、ファイバコイルの両端と第2ファイバ
カップラとをつなぐ第3ファイバ光路又は第4ファイバ
光路の途中に設けらるデポラライザとを含む、発光素子
から出射した光を複屈折性結晶によって無偏光にしてか
らファイバ型偏光子に通し直線偏光とし、第2ファイバ
カップラによって2つの光に分け一方の光はデポラライ
ザによって無偏光にしてからファイバコイルをある回転
方向に伝搬させ他方の光は,ファイバコイルを反対方向
に伝搬させデポラライザによって無偏光にし、第2ファ
イバカップラによって両廻り光を合体させファイバ型偏
光子によって直線偏光にし、偏波面を揃えて受光素子に
入射させ同一偏波の光を干渉させ干渉光の強度を検出す
るようにしたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
An optical fiber gyro based on the principle that light is propagated left and right in a fiber coil to determine the rotational angular velocity of the fiber coil from the phase difference between the two lights, which emits monochromatic light. An element, a fiber coil in which a single mode optical fiber is wound many times, a light receiving element for detecting the intensity of the interference light by interfering light propagating left and right in the fiber coil, and a first light emitting element connected to the light emitting element.
A first fiber coupler coupling the fiber optical path and a fifth fiber optical path connected to the light receiving element to a second fiber optical path and a seventh fiber optical path having a free end; a third fiber optical path connected to both ends of a fiber coil; A second fiber coupler that couples the fiber optical path to the second fiber optical path and a sixth fiber optical path having a free end; a fiber polarizer provided in the middle of the second fiber optical path; A phase modulator that modulates the phase of light propagating in the optical fiber, and a first optical path between the light emitting element and the first fiber coupler, the optical axis of which is approximately 45 with respect to the linear polarization of the light emitting element.設 け Provided in the middle of the third or fourth fiber optical path connecting the inclined birefringent crystal and both ends of the fiber coil and the second fiber coupler. And a depolarizer, the light emitted from the light emitting element is depolarized by a birefringent crystal and then passed through a fiber type polarizer to become linearly polarized light. After being polarized, the fiber coil is propagated in a certain rotation direction and the other light is propagated in the opposite direction to the fiber coil to be depolarized by a depolarizer. An optical fiber gyro characterized in that the polarization planes are aligned and made incident on a light receiving element to interfere with light of the same polarization to detect the intensity of the interference light.
【請求項2】複屈折性結晶の複屈折性によって生ずる直
交偏波間の時間遅れが、発光素子の可干渉時間以上とな
る長さであることを特徴とする請求項(1)に記載の光
ファイバジャイロ。
2. The light according to claim 1, wherein the time delay between the orthogonal polarizations caused by the birefringence of the birefringent crystal is longer than the coherence time of the light emitting element. Fiber gyro.
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