JP2571871B2

JP2571871B2 - 光フアイバジヤイロ

Info

Publication number: JP2571871B2
Application number: JP2225619A
Authority: JP
Inventors: 洋三西浦
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: JPH04106418A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

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
に光路の主要部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。

【従来の技術】

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 2E₁E₂J_2m+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、J_2m+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 2E₁E₂J_2n（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J_2n（ξ_ｏ）＝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_ｃ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。

【発明が解決しようとする課題】

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。

【課題を解決するための手段】

本発明の光ファイバジャイロは、偏光子、デポラライ
ザを含む全ての光路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と偏光子の偏波の違いの
問題を避けるために発光素子から出射された光を直接に
ファイバ型偏光子に入射する。勿論発光素子の直線偏光
の方向とファイバ型偏光子の偏光方向とを合致させてお
く。ファイバ型偏光子を通った光を分岐しファイバコイル
の両端に入射し左廻り光右廻り光として伝搬させる点は
変わらない。位相変調を掛け受光素子出力を変調周波数
とその整数倍のキャリヤ信号で同期検波する点も従来の
ものと同じである。例えば偏光子は偏波面保存光ファイバの曲げによる損
失の波長特性の立ち上がりが、直交偏波間で分離するこ
とを原理とするファイバ型偏光子である。

【作用】

本発明の装置に於いては発光素子のすぐ後にファイバ
型偏光子を光学主軸が発光素子の偏光と一致するように
設け、発光素子の光が空間伝搬した後始めて結合される
光ファイバがファイバ型偏光子の偏波面保存光ファイバ
であるので、偏波面回転の問題が起こらない。ファイバ型偏光子を通った光は直線偏光になりシング
ルモードファイバの中を伝搬する。これは分岐素子を通
って右廻り光左廻り光になるがファイバコイルの近傍に
はデポラライザを入れるので無偏光になりこれが前記の
ファイバ型偏光子を反対向きに通る。両廻り光ともに無
偏光であるからたとえ偏波面回転が起こったとしてもフ
ァイバ型偏光子を反対向きに通る光量は一定である。こ
のため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。ただし発光素子とファイバ型偏光子とを直接結合する
ので発光素子と受光素子とに光を分岐させる部分をファ
イバカップラとすることができずビームスプリッタを用
いなければならない。しかしこれは発光素子の光をファ
イバコアに入射させるための集光光学系の中に入れるこ
とができるのでこのために装置が大型になるということ
はない。

【実施例】

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、ビームスプ
リッタ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、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。本発明では発光素子１から出射した光を集光光学系10
を通して空間伝搬させ、直接にファイバ型偏光子９に入
射する。直接にというのはシングルモード光ファイバを
通すことなくということである。ファイバ型偏光子９の
偏波面と発光素子の直線偏光の偏波面とが合致するよう
にする。これは受光素子の出力をモニタしながら発光素
子を回転するか、ファイバ型偏光子の偏波面保存光ファ
イバの端を回転して受光素子出力最大になる方向を捜す
ことによって容易になされる。ファイバ型偏光子と発光
素子の間にシングルモード光ファイバが介在しないので
偏波面回転の問題は起こりようがない。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。偏波面保存光ファイバの曲げに
よる損失の波長特性の立ち上がりが直交偏波面間で分離
することを原理とするものである。簡単にいえば直交す
る偏波面を持つ２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。集光光学系10をなすレンズの間にビームスプリッタ２
がある。これはファイバ型偏光子９を通ってきた左廻り
光右廻り光を反射して受光素子６に入射させるものであ
る。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。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。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。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はファイバ型偏光子９とファイバカッ
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。第２ファイバ光路12は自由端を有する短いファイバ光
路である。第１ファイバ光路11と第２ファイバ光路12が
ファイバカップラ７の一端に接続されていいる。第３フ
ァイバ光路13と第４ファイバ光路14はファイバコイル４
の両端部分で、いずれもファイバカップラ７の他端に接
続されている。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、空
間伝搬した後主軸の一致したファイバ型偏光子９に入射
する。この間直線偏光が維持される。この後融着接続点
20を経てシングルモード光ファイバである第１ファイバ
光路11に入る。これがファイバカップラ７を通って２つ
の光に分離しファイバコイル４の中を左廻り光右廻り光
として伝搬する。途中で位相変調器５によって位相変調
を受ける。またデポラライザ３によって無偏光になる。
無偏光になった後ファイバカップラ７を反対方向に通っ
てファイバ型偏光子９に入り直線偏光になる。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
のであるからファイバ型偏光子９を通過した光量には影
響がない。これがビームスプリッタ２で反射され受光素子６に入
る。受光素子出力は増幅され同期検波される。基本波、
高調波の値からファイバコイルの回転角速度を求めるこ
とができる。

【発明の効果】発光素子から出射された光を直接にファイバ型偏光子
に入れているから発光素子と偏光子の間での光の偏波面
回転という問題が全くない。このため温度変化、外部応
力によって偏波面回転し偏光子を通過する光量が変動す
ることがない。高精度で安定した角度測定が可能とな
る。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。

【図面の簡単な説明】

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……ビームスプリッタ３……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……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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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、単色の直線偏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ファイバ光路と自由端を持つ第２ファイバ光路
とを、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ファイバ光路とに結合するファイバカップラ
と、第１ファイバ光路の前端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、
発光素子で出射された光を前記ファイバ型偏光子に入射
させファイバ型偏光子から出射された光を受光素子に入
射させるビームスプリッタとを含み、発光素子直線偏光
の方向と偏光子の主軸が合致するように配置され、発光
素子から出射した直線偏光が空間伝搬し直接に前記ファ
イバ型偏光子に入射するようになっていることを特徴と
する光ファイバジャイロ。