JP2722005B2 - 偏波回転リング経路を有する受動リング共振器ジヤイロ - Google Patents
偏波回転リング経路を有する受動リング共振器ジヤイロInfo
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- G01C19/727—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers using a passive ring resonator
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、慣性回転を感知するために閉鎖リング共振
経路に逆方向に注入される１対の電磁波を利用するジヤ
イロスコープに関する。波は何らかの形態の電磁導波管
によつてリング経路を巡つて伝搬するようになる。さら
に詳細にいえば、本発明は、リング経路の外部にあるエ
ネルギー源から受動リング共振器経路に導入される、２
つの逆方向に伝搬する電磁波の共振振動数の差が回転速
度に直線的に比例するような受動リング共振器ジヤイロ
に関する。
経路に逆方向に注入される１対の電磁波を利用するジヤ
イロスコープに関する。波は何らかの形態の電磁導波管
によつてリング経路を巡つて伝搬するようになる。さら
に詳細にいえば、本発明は、リング経路の外部にあるエ
ネルギー源から受動リング共振器経路に導入される、２
つの逆方向に伝搬する電磁波の共振振動数の差が回転速
度に直線的に比例するような受動リング共振器ジヤイロ
に関する。
周知のsagnac効果は、閉鎖リング経路を巡つて逆方向
に伝搬した後の２つの電磁波の相対位相の差が存在する
ことを定量的に表わす。Sagnac効果をジヤイロに適用す
る場合、位相の差はリング経路の平面に対し垂直な軸に
関する慣性回転速度に正比例する。リング経路は閉じて
いるので、波は複数回にわたつてリングを巡つて進むと
思われる。導波管リング構造はいくつかの光学的振動数
で共振する。Sagnac位相差のために、慣性回転があると
き、逆方向に伝搬してゆく波に関する共振振動数は、２
つの逆方向に伝搬する波が進む有効閉ループ経路長に差
がでることによつて異なつてくる。この振動数差は、逆
方向に伝搬している波の共振振動数の差を測定すること
により測定しうる慣性回転速度に正比例する。さらに、
ジヤイロの振動数差と、回転に対する感度は閉鎖リング
導波管経路が規定している面積と、導波管経路の周囲
と、導波管の有効屈折率及び導波管内部の材料と、波の
自由空間波長との関数である。
に伝搬した後の２つの電磁波の相対位相の差が存在する
ことを定量的に表わす。Sagnac効果をジヤイロに適用す
る場合、位相の差はリング経路の平面に対し垂直な軸に
関する慣性回転速度に正比例する。リング経路は閉じて
いるので、波は複数回にわたつてリングを巡つて進むと
思われる。導波管リング構造はいくつかの光学的振動数
で共振する。Sagnac位相差のために、慣性回転があると
き、逆方向に伝搬してゆく波に関する共振振動数は、２
つの逆方向に伝搬する波が進む有効閉ループ経路長に差
がでることによつて異なつてくる。この振動数差は、逆
方向に伝搬している波の共振振動数の差を測定すること
により測定しうる慣性回転速度に正比例する。さらに、
ジヤイロの振動数差と、回転に対する感度は閉鎖リング
導波管経路が規定している面積と、導波管経路の周囲
と、導波管の有効屈折率及び導波管内部の材料と、波の
自由空間波長との関数である。
従来の受動リング共振器ジヤイロ技術では、一般に、
動作は各方向に単偏波を利用し、ほぼ例外なく両方向に
同一の偏波を利用することに限定されていた。通常、電
磁導波管は起こりうる２つの偏波の伝搬波を維持するこ
とができ、最も一般的な偏波は直線偏波された水平方向
の波と、垂直方向の波であるが、システムによつては、
１対の楕円偏波又は右円偏波と、左円偏波であつても良
い。
動作は各方向に単偏波を利用し、ほぼ例外なく両方向に
同一の偏波を利用することに限定されていた。通常、電
磁導波管は起こりうる２つの偏波の伝搬波を維持するこ
とができ、最も一般的な偏波は直線偏波された水平方向
の波と、垂直方向の波であるが、システムによつては、
１対の楕円偏波又は右円偏波と、左円偏波であつても良
い。
同様に、そのような電磁導波管材料から構成されるリ
ング共振器においては、リングを巡るそれぞれの方向に
２つの偏波状態が存在する。それらの状態を一般には共
振偏波固有状態といい、それぞれの状態は複数の共振と
関連している。偏波固有状態は、本質的には、リングを
一周又は何周かした後に、リングのどの箇所でも偏波の
状態を変えない偏波の状態である。偏波の固有状態は、
H.de Langによる「Eigenstates of Polarization in La
sers」を表題とする刊行物（Philips Research Repts第
19巻、429〜440ページ、1964年）と;V.Ya.Molchanov及
びG.V.Skrotskiiによる「Matrix Method for the Calcu
lation of the Polarization Eigenstates of Anisotro
pic Optical Resonators」を表題とする刊行物（Soviet
Journal of Quantum Electronics第１巻第４号、315〜
330ページ、1972年１〜２月）とに詳細に記載されてい
る。さらに、受動リング共振器ジヤイロにおける偏波の
固有状態は、K.Iwatsuki、K.Hotate及びM.Higashiguchi
による「Eigenstates of Polarization in a Fiber Rin
g Resonator and its Effect in an Optical Passive R
ingresonator Gyro」を表題とする刊行物（Appl.Opt.2
5,15,2602〜12（1986年））に論じられている。これら
の参考文献は本明細書に参考として取入れられている。
ング共振器においては、リングを巡るそれぞれの方向に
２つの偏波状態が存在する。それらの状態を一般には共
振偏波固有状態といい、それぞれの状態は複数の共振と
関連している。偏波固有状態は、本質的には、リングを
一周又は何周かした後に、リングのどの箇所でも偏波の
状態を変えない偏波の状態である。偏波の固有状態は、
H.de Langによる「Eigenstates of Polarization in La
sers」を表題とする刊行物（Philips Research Repts第
19巻、429〜440ページ、1964年）と;V.Ya.Molchanov及
びG.V.Skrotskiiによる「Matrix Method for the Calcu
lation of the Polarization Eigenstates of Anisotro
pic Optical Resonators」を表題とする刊行物（Soviet
Journal of Quantum Electronics第１巻第４号、315〜
330ページ、1972年１〜２月）とに詳細に記載されてい
る。さらに、受動リング共振器ジヤイロにおける偏波の
固有状態は、K.Iwatsuki、K.Hotate及びM.Higashiguchi
による「Eigenstates of Polarization in a Fiber Rin
g Resonator and its Effect in an Optical Passive R
ingresonator Gyro」を表題とする刊行物（Appl.Opt.2
5,15,2602〜12（1986年））に論じられている。これら
の参考文献は本明細書に参考として取入れられている。
偏波の固有状態はほぼ水平の直線偏波及びほぼ垂直の
直線偏波、楕円偏波などの単純なものであつても良く、
あるいは、偏波が共振器の箇所ごとに変化してゆくよう
な複雑な行動を示すことができる。
直線偏波、楕円偏波などの単純なものであつても良く、
あるいは、偏波が共振器の箇所ごとに変化してゆくよう
な複雑な行動を示すことができる。
従来の技術のリング共振器は、ごく水平に近い直線偏
波固有状態と、ごく垂直に近い直線偏波固有状態とを有
する共振器である場合が多い。従来の技術のリング共振
器ジヤイロでは、起こりうる双方の偏波の励起と、２つ
の異なる偏波について起こりうるほぼ同一の共振振動数
とがジヤイロの動作を阻止するか、又はその性能を劣化
させる可能性がある。この問題を軽減するために、通常
は各方向の２つの偏波を何らかの手段、すなわち、外部
源が他方の望ましくない偏波を励起しないように特殊な
手段を設けることにより抑制する。望ましくない偏波の
問題を防止するための従来の方式は、特に、光波を慎重
に偏光制御、厳しい構成要素の許容差及び／又は２つの
偏波固有状態の一方について高い偏波損失を導入するこ
とに依存している。これらの方式は一般に実現するのに
コストがかかり、複雑であり及び／又は他の誤差の原因
を招きかねない。
波固有状態と、ごく垂直に近い直線偏波固有状態とを有
する共振器である場合が多い。従来の技術のリング共振
器ジヤイロでは、起こりうる双方の偏波の励起と、２つ
の異なる偏波について起こりうるほぼ同一の共振振動数
とがジヤイロの動作を阻止するか、又はその性能を劣化
させる可能性がある。この問題を軽減するために、通常
は各方向の２つの偏波を何らかの手段、すなわち、外部
源が他方の望ましくない偏波を励起しないように特殊な
手段を設けることにより抑制する。望ましくない偏波の
問題を防止するための従来の方式は、特に、光波を慎重
に偏光制御、厳しい構成要素の許容差及び／又は２つの
偏波固有状態の一方について高い偏波損失を導入するこ
とに依存している。これらの方式は一般に実現するのに
コストがかかり、複雑であり及び／又は他の誤差の原因
を招きかねない。
発明の簡単な説明 本発明の目的は、ジヤイロスコープを製造するために
一方の偏波の波を抑制する必要性をできる限り少なくす
ることである。
一方の偏波の波を抑制する必要性をできる限り少なくす
ることである。
本発明では、波の偏波をリング経路を巡つて一周する
ごとに指定通りに回転させる電磁導波管リング経路から
受動リング共振器ジヤイロを構成する。波の偏波回転は
導波管の伝搬の中心線軸を中心とするものである。本発
明に従つた偏波回転はリング経路に沿つたいくつかの可
能な位置のどこで導入されても良く、また、様々に異な
る方法で実施されて良い。本発明は以下の実施例に限定
されるものではないが、本発明の一実施例として、リン
グ経路のいずれかの箇所でスプライスを導入し、スプラ
イスの両側で直線複屈折導波管（リングを構成してい
る）はスプライスの他方の側の導波管に関して回転され
る。偏波回転の量は任意であるが、30度、45度又は90度
などの特定の値はより有利であろう。
ごとに指定通りに回転させる電磁導波管リング経路から
受動リング共振器ジヤイロを構成する。波の偏波回転は
導波管の伝搬の中心線軸を中心とするものである。本発
明に従つた偏波回転はリング経路に沿つたいくつかの可
能な位置のどこで導入されても良く、また、様々に異な
る方法で実施されて良い。本発明は以下の実施例に限定
されるものではないが、本発明の一実施例として、リン
グ経路のいずれかの箇所でスプライスを導入し、スプラ
イスの両側で直線複屈折導波管（リングを構成してい
る）はスプライスの他方の側の導波管に関して回転され
る。偏波回転の量は任意であるが、30度、45度又は90度
などの特定の値はより有利であろう。
図面の簡単な説明 図１は、従来の技術の光フアイバリング共振器ジヤイ
ロの概略ブロツク線図、 図2aは、従来の技術の共振器カツプラ及びリング共振
器の詳細を示す。
ロの概略ブロツク線図、 図2aは、従来の技術の共振器カツプラ及びリング共振
器の詳細を示す。
図2bは、図１のリング共振器に単一の偏波が注入され
たときの理想の光検出器出力と、入力光振動数との関係
を示す。
たときの理想の光検出器出力と、入力光振動数との関係
を示す。
図3aは、一次偏波光波と、二次偏波光波とがリング共
振器に注入されたときの偏波維持フアイバを利用する図
2aのリング共振器の振動数応答を示す。
振器に注入されたときの偏波維持フアイバを利用する図
2aのリング共振器の振動数応答を示す。
図3b〜図3cは、温度の変化に対する図3aの振動数応答
を示す。
を示す。
図4aは、本発明に従つたリング共振器を示す。
図4bは、図4aのリング共振器の理想の振動数応答を示
す。
す。
図4cは、温度の変化に対する図4aのリング共振器の振
動数応答を示す。
動数応答を示す。
図５は、偏波回転を達成するための複屈折性にすぐれ
た光フアイバの光フアイバスプライスの１例の横断面を
示す。
た光フアイバの光フアイバスプライスの１例の横断面を
示す。
図６は、図4aに示した本発明の別の実施例を示す。
図7aは、本発明によるスプライスなしリング共振器の
一実施例を示す。
一実施例を示す。
図7bは、図7aのスプライスなしリング共振器の構成に
おける複屈折光フアイバカツプラについて90度の偏波回
転を達成するための１つの機構を示す。
おける複屈折光フアイバカツプラについて90度の偏波回
転を達成するための１つの機構を示す。
図8a乃至図8cは、本発明のさらに別の実施例を示す。
発明の詳細な説明 ここでは、リング共振器という用語は、１つの領域を
取囲み且つ注入された電磁波がリングを巡る２つの方向
のいずれへも導波管構造を巡つて、又はそれに沿つて、
又はそれを通つて１周又は何周かすることができる閉リ
ング又は閉ループ電磁導波管構造のあらゆるものを指
す。そのような導波管は、中でも、インテグレイテツド
オプテイツクス、ミラーを含むバツク光学，光フアイ
バ，金属マイクロ波導波管などを含む。さらに、これ以
後、波という用語は、中でも、マイクロ波、光学的光波
など、レーザービーム源から発生された波のような可視
波又は非可視波を含むあらゆる電磁波を指す。一般に、
ここでいう電磁波は干渉性の波である。
取囲み且つ注入された電磁波がリングを巡る２つの方向
のいずれへも導波管構造を巡つて、又はそれに沿つて、
又はそれを通つて１周又は何周かすることができる閉リ
ング又は閉ループ電磁導波管構造のあらゆるものを指
す。そのような導波管は、中でも、インテグレイテツド
オプテイツクス、ミラーを含むバツク光学，光フアイ
バ，金属マイクロ波導波管などを含む。さらに、これ以
後、波という用語は、中でも、マイクロ波、光学的光波
など、レーザービーム源から発生された波のような可視
波又は非可視波を含むあらゆる電磁波を指す。一般に、
ここでいう電磁波は干渉性の波である。
さらに、以下の説明では、ビームという用語と波とい
う用語は互換性をもつものとする。一般に、ビームは電
磁波がたどる光の方向と、経路とを論じるために使用さ
れ、波は波長、振動数、偏波状態、干渉などに関連する
議論に特に適している。
う用語は互換性をもつものとする。一般に、ビームは電
磁波がたどる光の方向と、経路とを論じるために使用さ
れ、波は波長、振動数、偏波状態、干渉などに関連する
議論に特に適している。
電磁波源としてレーザービームを利用する受動リング
共振器光学ジヤイロは当該技術で良く知られており、Ez
ekielに発行された米国特許第4,135,822号に詳細に説明
されている。
共振器光学ジヤイロは当該技術で良く知られており、Ez
ekielに発行された米国特許第4,135,822号に詳細に説明
されている。
従来の受動共振リングレーザージヤイロは、２つの逆
方向に伝搬する光波の伝搬のためにリング共振器を含
む。リング共振器は、一般に、複数の反射面、すなわち
ミラー、あるいは光フアイバから構成されており、リン
グ共振器により形成される閉鎖リング経路に活性利得媒
体はない。２つの逆方向に伝搬する光波はリング共振器
の外部の１つ又は２つのレーザー光発生源により供給さ
れる。２つの光波は、通常、部分透過ミラー、あるいは
光フアイバカツプラを介してリング共振器に結合され
る。リング共振器の内部で波を両方向に共振状態に確定
するために２つの光波のそれぞれの振動数、あるいはリ
ング経路の長さ及び２つの光波の一方の振動数を変化さ
せる目的で、独立したサーボループを使用しても良い。
方向に伝搬する光波の伝搬のためにリング共振器を含
む。リング共振器は、一般に、複数の反射面、すなわち
ミラー、あるいは光フアイバから構成されており、リン
グ共振器により形成される閉鎖リング経路に活性利得媒
体はない。２つの逆方向に伝搬する光波はリング共振器
の外部の１つ又は２つのレーザー光発生源により供給さ
れる。２つの光波は、通常、部分透過ミラー、あるいは
光フアイバカツプラを介してリング共振器に結合され
る。リング共振器の内部で波を両方向に共振状態に確定
するために２つの光波のそれぞれの振動数、あるいはリ
ング経路の長さ及び２つの光波の一方の振動数を変化さ
せる目的で、独立したサーボループを使用しても良い。
従来の技術による受動リング共振器ジヤイロの中に
は、リング共振器に互いに逆の第１の方向と、第２の方
向とに結合される１対のレーザービームを発生するため
に１つのレーザー源を使用するものがある。従来の技術
のいくつかの実施例では、１つのサーボループは、第１
の方向に伝搬してゆく波に関するリング共振器の共振振
動数をリング共振器に第１の方向に結合される光波の振
動数と等しくさせるために、リング共振器の光路長を変
調する。他方のレーザービームは、リング共振器に第２
の方向に結合される光波を第２の方向に伝搬してゆく波
に関するリング共振器の共振振動数にさせるために振動
数シフトされる。一般に、注入される２つの光波の振動
数を回転があるときのリング共振器の共振振動数と整合
させるためには、２つのサーボ制御ループが必要であ
る。
は、リング共振器に互いに逆の第１の方向と、第２の方
向とに結合される１対のレーザービームを発生するため
に１つのレーザー源を使用するものがある。従来の技術
のいくつかの実施例では、１つのサーボループは、第１
の方向に伝搬してゆく波に関するリング共振器の共振振
動数をリング共振器に第１の方向に結合される光波の振
動数と等しくさせるために、リング共振器の光路長を変
調する。他方のレーザービームは、リング共振器に第２
の方向に結合される光波を第２の方向に伝搬してゆく波
に関するリング共振器の共振振動数にさせるために振動
数シフトされる。一般に、注入される２つの光波の振動
数を回転があるときのリング共振器の共振振動数と整合
させるためには、２つのサーボ制御ループが必要であ
る。
光フアイバから構成されるリング経路は特に受動リン
グ共振器ジヤイロに適している。これは、光フアイバに
よつて、光フアイバが多数回巻付けられたコイルから成
るリング共振器を形成できるからである。その結果得ら
れるリング共振器は、コイルの巻き数、すなわちループ
数×１つのフアイバループが境界を規定している面積に
比例する感度を有する。
グ共振器ジヤイロに適している。これは、光フアイバに
よつて、光フアイバが多数回巻付けられたコイルから成
るリング共振器を形成できるからである。その結果得ら
れるリング共振器は、コイルの巻き数、すなわちループ
数×１つのフアイバループが境界を規定している面積に
比例する感度を有する。
一般に、受動リング共振器光フアイバジヤイロは、１
つの直線偏波の光波を発生し且つ発射するレーザービー
ム源を含む。発射された光波は今度は分割され、リング
共振器に結合されて、リング共振器の導波管に沿つて逆
方向に伝搬する２つの光波を発生する。リング共振器の
少なくとも一部は、偏波維持フアイバである光フアイバ
により形成されている−すなわち、その光フアイバは複
屈折性にすぐれている。従つて、以上説明したシステム
は、リング内を逆方向に伝搬してゆく波をそれぞれ単一
の直線偏波光波にしようとするようなものである。
つの直線偏波の光波を発生し且つ発射するレーザービー
ム源を含む。発射された光波は今度は分割され、リング
共振器に結合されて、リング共振器の導波管に沿つて逆
方向に伝搬する２つの光波を発生する。リング共振器の
少なくとも一部は、偏波維持フアイバである光フアイバ
により形成されている−すなわち、その光フアイバは複
屈折性にすぐれている。従つて、以上説明したシステム
は、リング内を逆方向に伝搬してゆく波をそれぞれ単一
の直線偏波光波にしようとするようなものである。
光フアイバ受動リング共振器ジヤイロにおいて、実用
性に富み且つ有用なジヤイロ性能パラメータを実現する
際の障害は、所期の如く起こりうる２つの偏波の一方の
みではなく、リング経路の各方向で２つの偏波光波が励
起されてしまうことに起因すると考えられる。通常、こ
れは単一の直線偏波状態を有する電磁波が発射された場
合でも起こる。リング共振器は４つの異なる共振光波−
２つの方向のそれぞれに２つの偏波があり、その偏波ご
とに１つの波−の同時で互いに独立した伝搬を維持す
る。
性に富み且つ有用なジヤイロ性能パラメータを実現する
際の障害は、所期の如く起こりうる２つの偏波の一方の
みではなく、リング経路の各方向で２つの偏波光波が励
起されてしまうことに起因すると考えられる。通常、こ
れは単一の直線偏波状態を有する電磁波が発射された場
合でも起こる。リング共振器は４つの異なる共振光波−
２つの方向のそれぞれに２つの偏波があり、その偏波ご
とに１つの波−の同時で互いに独立した伝搬を維持す
る。
リング共振器の行動を理解するには、まず、一方の方
向への２つの偏波共振波のみを考えると有用である。特
殊な状況は別として、リングを巡る一方向へのそれら２
つの共振光波は、名目上、複屈折フアイバのＸ軸と、Ｙ
軸とに沿つて偏波される。従つて、光は複屈折フアイバ
のＸ軸と、Ｙ軸とに沿つて異なる速度で進むので、各方
向に起こりうる２つの偏波について共振リングは異なる
共振振動数を有することになる。（定義の上では、複屈
折フアイバのＸ偏波軸に沿つた屈折率と、Ｙ偏波軸に沿
つた屈折率とは異なる。） フアイバリングの光路長は各方向への偏波光波ごとの
共振振動数を決定するので、環境条件、特に温度によつ
て光路長が変化すると、ジヤイロの性能パラメータに大
きな影響が出る。一般に、受動リング共振器ジヤイロで
は、リング共振器の経路に沿つて伝搬する波の振幅を検
出するために光検出器を利用する。検出器の出力は前述
のサーボループに対する制御入力となる。従つて、光検
出器は、実際には、少なくとも一部で双方の直線偏波光
波に応答する。そこで、リング共振器内部で共振状態で
逆方向に伝搬する光波を維持するジヤイロサーボループ
も、双方の偏波の光の検出によつて影響を受ける。二次
的な望ましくない偏波光波のこの意図しない励起と検出
は、光フアイバリング共振器ジヤイロにおける最大の誤
差の１つを生じさせると考えられる。
向への２つの偏波共振波のみを考えると有用である。特
殊な状況は別として、リングを巡る一方向へのそれら２
つの共振光波は、名目上、複屈折フアイバのＸ軸と、Ｙ
軸とに沿つて偏波される。従つて、光は複屈折フアイバ
のＸ軸と、Ｙ軸とに沿つて異なる速度で進むので、各方
向に起こりうる２つの偏波について共振リングは異なる
共振振動数を有することになる。（定義の上では、複屈
折フアイバのＸ偏波軸に沿つた屈折率と、Ｙ偏波軸に沿
つた屈折率とは異なる。） フアイバリングの光路長は各方向への偏波光波ごとの
共振振動数を決定するので、環境条件、特に温度によつ
て光路長が変化すると、ジヤイロの性能パラメータに大
きな影響が出る。一般に、受動リング共振器ジヤイロで
は、リング共振器の経路に沿つて伝搬する波の振幅を検
出するために光検出器を利用する。検出器の出力は前述
のサーボループに対する制御入力となる。従つて、光検
出器は、実際には、少なくとも一部で双方の直線偏波光
波に応答する。そこで、リング共振器内部で共振状態で
逆方向に伝搬する光波を維持するジヤイロサーボループ
も、双方の偏波の光の検出によつて影響を受ける。二次
的な望ましくない偏波光波のこの意図しない励起と検出
は、光フアイバリング共振器ジヤイロにおける最大の誤
差の１つを生じさせると考えられる。
図１は、当該技術において知られている受動リング共
振器光フアイバジヤイロの簡略化した概略図を示す。レ
ーザー源10はB0として示されるレーザービームを供給
し、このレーザービームはビーム分割器20によりビーム
B1と、ビームB2とに分割される。ビームB1は振動数シフ
タ22を通過して、ビームBS1として射出する。ビームBS1
の一部はビーム分割器30を通過して、フアイバ42に注入
される、すなわち送り出される。同じように、ビームB2
は振動数シフタ24を通過して、ビームBS2として射出す
る。ビームBS2は、光フアイバ44へ送り出される前に、
ビーム分割器32を通過する。尚、ビーム分割器30及び32
は、リングから取出された戻りエネルギーを他のジヤイ
ロシステム構成要素に向かつて再び導くために利用され
るにすぎない。ビーム分割器の所期の機能を、たとえ
ば、光フアイバカツプラなどの別の方式により実行させ
ても良い。
振器光フアイバジヤイロの簡略化した概略図を示す。レ
ーザー源10はB0として示されるレーザービームを供給
し、このレーザービームはビーム分割器20によりビーム
B1と、ビームB2とに分割される。ビームB1は振動数シフ
タ22を通過して、ビームBS1として射出する。ビームBS1
の一部はビーム分割器30を通過して、フアイバ42に注入
される、すなわち送り出される。同じように、ビームB2
は振動数シフタ24を通過して、ビームBS2として射出す
る。ビームBS2は、光フアイバ44へ送り出される前に、
ビーム分割器32を通過する。尚、ビーム分割器30及び32
は、リングから取出された戻りエネルギーを他のジヤイ
ロシステム構成要素に向かつて再び導くために利用され
るにすぎない。ビーム分割器の所期の機能を、たとえ
ば、光フアイバカツプラなどの別の方式により実行させ
ても良い。
リング共振器50は、方向性光カツプラ60に結合する第
１のセグメント53と、第２のセグメント54とを有する光
フアイバ52を含む。一般に従来の技術では、リング共振
器60はスプライスを１つ使用した連続する光フアイバか
ら構成されており、フアイバ52の一部が光カツプラ60を
通つている。光フアイバの全長を周知の方法により変化
させるために、光フアイバ52の一部は円筒形の圧電（PZ
T）素子70に巻付けられているものとして図示してあ
る。図示する通り、光フアイバ42及び44もカツプラ60に
結合している。
１のセグメント53と、第２のセグメント54とを有する光
フアイバ52を含む。一般に従来の技術では、リング共振
器60はスプライスを１つ使用した連続する光フアイバか
ら構成されており、フアイバ52の一部が光カツプラ60を
通つている。光フアイバの全長を周知の方法により変化
させるために、光フアイバ52の一部は円筒形の圧電（PZ
T）素子70に巻付けられているものとして図示してあ
る。図示する通り、光フアイバ42及び44もカツプラ60に
結合している。
入力波をリングに結合し及び／又はリング経路に沿つ
て進む波をリング部分から取出すという所期の機能を実
行するために、カツプラ60を多種多様なバルク光学技
術、光フアイバ技術及びインテグレイテツドオプテイク
ス技術により構成して良いことを当業者は理解すべきで
ある。カツプラ60の１つの実際の実現形態では、フアイ
バ42及び44は１本の連続するフアイバの一部であり、フ
アイバ53及び54も連続するフアイバリング50の一部であ
る。この状況においては、フアイバリング50は、周知の
ようにリング共振器経路に沿つた何れかの適切な場所に
１つのスプライス（図示せず）を含む。
て進む波をリング部分から取出すという所期の機能を実
行するために、カツプラ60を多種多様なバルク光学技
術、光フアイバ技術及びインテグレイテツドオプテイク
ス技術により構成して良いことを当業者は理解すべきで
ある。カツプラ60の１つの実際の実現形態では、フアイ
バ42及び44は１本の連続するフアイバの一部であり、フ
アイバ53及び54も連続するフアイバリング50の一部であ
る。この状況においては、フアイバリング50は、周知の
ようにリング共振器経路に沿つた何れかの適切な場所に
１つのスプライス（図示せず）を含む。
受動リング共振器構造の場合、カツプラを介してリン
グ共振器に結合されるエネルギーの量は、リング共振器
に結合される入力波の振動数と、何らかのリング共振器
モードの共振振動数との差によつて決まる。
グ共振器に結合されるエネルギーの量は、リング共振器
に結合される入力波の振動数と、何らかのリング共振器
モードの共振振動数との差によつて決まる。
図１では、カツプラ60はビームBS1及びBS2の一部ずつ
をフアイバ52に結合するように機能し、その結果、時計
回り方向のビームBCWと、反時計回り方向のビームBCCW
とが発生し、それらのビームはリング共振器50の中を互
いに逆方向に伝搬する。ビームBCWのエネルギーの大き
さは、リング共振器50に結合される入力ビームBS1の振
動数と、時計回り方向に進むビームに関する共振器の共
振振動数の１つとの差によつて決まる。同様に、ビーム
BCCWのエネルギーの大きさは、リング共振器50に結合さ
れる入力ビームBS2の振動数と、反時計回り方向に進む
ビームに関する共振器の共振振動数の１つとの差によつ
て決まる。
をフアイバ52に結合するように機能し、その結果、時計
回り方向のビームBCWと、反時計回り方向のビームBCCW
とが発生し、それらのビームはリング共振器50の中を互
いに逆方向に伝搬する。ビームBCWのエネルギーの大き
さは、リング共振器50に結合される入力ビームBS1の振
動数と、時計回り方向に進むビームに関する共振器の共
振振動数の１つとの差によつて決まる。同様に、ビーム
BCCWのエネルギーの大きさは、リング共振器50に結合さ
れる入力ビームBS2の振動数と、反時計回り方向に進む
ビームに関する共振器の共振振動数の１つとの差によつ
て決まる。
図１は、リング共振器内を伝搬してゆく合成BCW及びB
CCWビームの共振の状態を検出する素子をさらに含む。
図１に関していえば、一方のリング共振器出力はフアイ
バ44から射出する光のビームB0S1により供給され、ビー
ム分割器32から反射された後に光検出器82に向かつて導
かれる。同様に、他方のリング共振器出力はフアイバ42
から射出する光のビームB0S2により供給され、ビーム分
割器30から反射された後に光検出器80に向かつて導かれ
る。
CCWビームの共振の状態を検出する素子をさらに含む。
図１に関していえば、一方のリング共振器出力はフアイ
バ44から射出する光のビームB0S1により供給され、ビー
ム分割器32から反射された後に光検出器82に向かつて導
かれる。同様に、他方のリング共振器出力はフアイバ42
から射出する光のビームB0S2により供給され、ビーム分
割器30から反射された後に光検出器80に向かつて導かれ
る。
出力ビームB0S2は、ビームBS2のうち、カツプラ60を
介してリング共振器50に結合されなかつた部分のエネル
ギーを表わす。同様に、出力ビームB0S1は、ビームBS1
のうち、カツプラ60を介してリング共振器50に結合され
なかつた部分のエネルギーを表わす。
介してリング共振器50に結合されなかつた部分のエネル
ギーを表わす。同様に、出力ビームB0S1は、ビームBS1
のうち、カツプラ60を介してリング共振器50に結合され
なかつた部分のエネルギーを表わす。
ビームB0S1を表わす光検出器82の出力信号は位相感知
復調器92に供給される。この位相感知復調器92の出力は
増幅器95において振動数fmを有する交流変調源93と加算
される。増幅器95の出力は、周知のように光フアイバ52
の長さを変化させるためのPZT素子70の入力端子に供給
される。これは一次サーボ制御ループを構成する。
復調器92に供給される。この位相感知復調器92の出力は
増幅器95において振動数fmを有する交流変調源93と加算
される。増幅器95の出力は、周知のように光フアイバ52
の長さを変化させるためのPZT素子70の入力端子に供給
される。これは一次サーボ制御ループを構成する。
ビームB0S2を表わす光検出器80の出力信号は位相感知
復調器94に供給される。この位相感知復調器94の出力は
電圧制御発振器（VCO）96に供給され、電圧制御発振器
の出力は光学的振動数シフタ24に供給される。光学的振
動数シフタ22及び24は、たとえば、音響光学的振動数変
調器であつても良い。２つの位相感知復調器92及び04に
おいて、信号は基準振動数fmで振動数復調される。
復調器94に供給される。この位相感知復調器94の出力は
電圧制御発振器（VCO）96に供給され、電圧制御発振器
の出力は光学的振動数シフタ24に供給される。光学的振
動数シフタ22及び24は、たとえば、音響光学的振動数変
調器であつても良い。２つの位相感知復調器92及び04に
おいて、信号は基準振動数fmで振動数復調される。
次に、図１に示す受動リング共振器光フアイバの動作
を説明する。振動数f0のレーザー光B0は２つのビームB1
及びB2に均等に分割され、各ビームは、リング共振器50
に結合される前に、異なる量だけ振動数シフトされる。
その結果得られる共振器の時計回り方向のビームBCWは
振動数f0＋f1−すなわち、光学的振動数f0のビームB1を
周波数シフタ22により振動数f1だけシフトさせたもの−
を有する。その結果得られる共振器の反時計回り方向の
ビームBCCWは振動数f0＋f2−すなわち、光学的振動数f0
のビームB2を周波数シフタ24により振動数f2だけシフト
させたもの−を有する。
を説明する。振動数f0のレーザー光B0は２つのビームB1
及びB2に均等に分割され、各ビームは、リング共振器50
に結合される前に、異なる量だけ振動数シフトされる。
その結果得られる共振器の時計回り方向のビームBCWは
振動数f0＋f1−すなわち、光学的振動数f0のビームB1を
周波数シフタ22により振動数f1だけシフトさせたもの−
を有する。その結果得られる共振器の反時計回り方向の
ビームBCCWは振動数f0＋f2−すなわち、光学的振動数f0
のビームB2を周波数シフタ24により振動数f2だけシフト
させたもの−を有する。
時計回り方向のビームの共振状態は、入射する光波の
強さを検出する光検出器82により感知される。共振は光
検出器82の出力信号における信号のくぼみにより示され
る。これは、共振時にはビームBS1の大半がリング共振
器50に結合され、共振器から取出されて、ビームB0S1と
して現われる光はごく少なくなるためである。共振器50
で時計回り（CW）方向に進む波の共振振動数は、光検出
器82と、位相感知復調器92と、加算／増幅器回路95と、
変調源93と、PZT70とを含む一次サーボループ−PZT素子
70を介して共振器のリング経路長を調整する−によつ
て、振動数f0＋f1に固定される。このようにして、共振
器の時計回りの共振振動数と入力ビームBS1の振動数と
の差を取除くのである。共振からの逸脱を感知するため
の識別を実行するために、共振器の長さを振動数fmで変
調させる変調振動数源93を使用する。一次振動数サーボ
制御ループを構成するため、光検出器82の出力信号は位
相感知復調器92により振動数fmで復調される。
強さを検出する光検出器82により感知される。共振は光
検出器82の出力信号における信号のくぼみにより示され
る。これは、共振時にはビームBS1の大半がリング共振
器50に結合され、共振器から取出されて、ビームB0S1と
して現われる光はごく少なくなるためである。共振器50
で時計回り（CW）方向に進む波の共振振動数は、光検出
器82と、位相感知復調器92と、加算／増幅器回路95と、
変調源93と、PZT70とを含む一次サーボループ−PZT素子
70を介して共振器のリング経路長を調整する−によつ
て、振動数f0＋f1に固定される。このようにして、共振
器の時計回りの共振振動数と入力ビームBS1の振動数と
の差を取除くのである。共振からの逸脱を感知するため
の識別を実行するために、共振器の長さを振動数fmで変
調させる変調振動数源93を使用する。一次振動数サーボ
制御ループを構成するため、光検出器82の出力信号は位
相感知復調器92により振動数fmで復調される。
同様のサーボ制御方式を利用して、「速度サーボ」と
も呼ばれることがある第２のサーボにより反時計回り方
向のリング共振振動数を整合させるために平均反時計回
り方向ビーム振動数を調整する。速度サーボは光検出器
80と、位相感知復調器94と、電圧制御発振器96と、周波
数シフタ24とを含む。位相感知復調器94の出力は電圧制
御発振器96を駆動して、f0＋f2の値を有するビームBS2
の振動数を共振器50の反時計回り方向共振振動数と等し
くするように制御する。
も呼ばれることがある第２のサーボにより反時計回り方
向のリング共振振動数を整合させるために平均反時計回
り方向ビーム振動数を調整する。速度サーボは光検出器
80と、位相感知復調器94と、電圧制御発振器96と、周波
数シフタ24とを含む。位相感知復調器94の出力は電圧制
御発振器96を駆動して、f0＋f2の値を有するビームBS2
の振動数を共振器50の反時計回り方向共振振動数と等し
くするように制御する。
閉ループ動作では、この場合、振動数差f1−f2は慣性
回転速度を表わす尺度である。
回転速度を表わす尺度である。
要するに、一次サーボはリング共振器50の時計回り方
向の共振振動数がf0＋f1となるようにその光路長を調整
する。この一次サーボ条件はリング共振器50の回転速度
とは関わりなく得られる。同時に、リング共振器50のあ
らゆる回転速度について振動数f0＋f2が共振器50の反時
計回り方向の波の共振振動数に対応するように、速度サ
ーボは振動数シフトf2を変化させる。このように、振動
数差f2−f1の絶対値はリング共振器50の回転速度と関連
している。
向の共振振動数がf0＋f1となるようにその光路長を調整
する。この一次サーボ条件はリング共振器50の回転速度
とは関わりなく得られる。同時に、リング共振器50のあ
らゆる回転速度について振動数f0＋f2が共振器50の反時
計回り方向の波の共振振動数に対応するように、速度サ
ーボは振動数シフトf2を変化させる。このように、振動
数差f2−f1の絶対値はリング共振器50の回転速度と関連
している。
図１に示す受動リング共振器フアイバジヤイロに類似
する設計の従来のジヤイロは単モード光フアイバを利用
して、リング共振器の単モード導波管を構成する。この
場合、単モード導波管を使用するということは電磁波の
単一横方向空間モードを指し、電磁波は導波管の長手方
向軸に沿つて−光フアイバの長さの方向に−伝搬すると
考えられる。このような横方向空間モードごとに、実際
には関連する２つの互いに独立した偏波モード、たとえ
ば水平偏波と垂直偏波、あるいは右回り円偏波と左回り
円偏波が存在している。従来の技術では、一般に一方の
偏波モード、すなわち固有状態のみを使用することを意
図していた。他の意図しない偏波を伴なつて伝搬する光
はいずれも、良いジヤイロ性能、すなわち、慢性回転測
定に対しては有害であると考えられる。
する設計の従来のジヤイロは単モード光フアイバを利用
して、リング共振器の単モード導波管を構成する。この
場合、単モード導波管を使用するということは電磁波の
単一横方向空間モードを指し、電磁波は導波管の長手方
向軸に沿つて−光フアイバの長さの方向に−伝搬すると
考えられる。このような横方向空間モードごとに、実際
には関連する２つの互いに独立した偏波モード、たとえ
ば水平偏波と垂直偏波、あるいは右回り円偏波と左回り
円偏波が存在している。従来の技術では、一般に一方の
偏波モード、すなわち固有状態のみを使用することを意
図していた。他の意図しない偏波を伴なつて伝搬する光
はいずれも、良いジヤイロ性能、すなわち、慢性回転測
定に対しては有害であると考えられる。
以下の説明では、光フアイバ52と、光フアイバ42及び
44を含むカツプラ60とを含む共振器50の詳細のみを示
す。さらに、光フアイバ52の注入されるビームの中の１
本のみを示す。詳細にいえば、入力ビームBS1と、その
結果生じる時計回り方向のビームBCWと、検出されるビ
ームB0S1のみを図示し且つ論じるのである。逆方向に進
むビームは同じように行動する。
44を含むカツプラ60とを含む共振器50の詳細のみを示
す。さらに、光フアイバ52の注入されるビームの中の１
本のみを示す。詳細にいえば、入力ビームBS1と、その
結果生じる時計回り方向のビームBCWと、検出されるビ
ームB0S1のみを図示し且つ論じるのである。逆方向に進
むビームは同じように行動する。
次に、図2aに関して説明すると、光フアイバ42,44及
び52が単モード光フアイバである理想の状況が示されて
いる。注入されたビームBS1はカツプラ60を介して光フ
アイバリング50に時計回り方向に結合され、その結果、
時計回りのビームBCWが発生する。最後に、カツプラ60
からの出力ビームB0S1が示されており、この出力ビーム
は図１に示すような光検出器82へ導かれる。
び52が単モード光フアイバである理想の状況が示されて
いる。注入されたビームBS1はカツプラ60を介して光フ
アイバリング50に時計回り方向に結合され、その結果、
時計回りのビームBCWが発生する。最後に、カツプラ60
からの出力ビームB0S1が示されており、この出力ビーム
は図１に示すような光検出器82へ導かれる。
図2bは、ビームBS1の光学的振動数が変化する間の光
検出器82からの出力信号の理想の振動数応答を示す。図
2bに示す特性は、リング共振器への注入波であるビーム
BS1の偏波がリング共振器の偏波固有状態と完全に整合
している理想化した単モードフアイバに関するものであ
る。そこで、単一の偏波状態のみを励起し、その偏波状
態はリング共振器50の中を伝搬してゆく。
検出器82からの出力信号の理想の振動数応答を示す。図
2bに示す特性は、リング共振器への注入波であるビーム
BS1の偏波がリング共振器の偏波固有状態と完全に整合
している理想化した単モードフアイバに関するものであ
る。そこで、単一の偏波状態のみを励起し、その偏波状
態はリング共振器50の中を伝搬してゆく。
しかしながら、実際には、問題は、入力波BS1の偏波
とリングの偏波固有状態との整合を所要の程度まで達成
するのが困難であるという点である。
とリングの偏波固有状態との整合を所要の程度まで達成
するのが困難であるという点である。
リング共振器50におけるビームの共振振動数fRは、数
学的には、 fR＝ｑ（c/nL） により表わされる。「ｑ」の数値はリング共振器50の内
部の共振時の経路を巡る光の波長の積分数であり、ｎは
伝搬経路の有効屈折率であり;Lはリング経路の経路長で
あり;cは真空中の光の速さである。
学的には、 fR＝ｑ（c/nL） により表わされる。「ｑ」の数値はリング共振器50の内
部の共振時の経路を巡る光の波長の積分数であり、ｎは
伝搬経路の有効屈折率であり;Lはリング経路の経路長で
あり;cは真空中の光の速さである。
上記の式の係数「c/nL」はリング共振器の自由なスペ
クトル範囲と呼ばれる。自由なスペクトル範囲は共振器
の２つの隣接する長手方向共振モードの振動数差であ
る。すなわち、それらの共振モードはほぼ同じ偏波特性
を有するが、１つの波長がリングを１周する際の光路長
は互いに異なつている。
クトル範囲と呼ばれる。自由なスペクトル範囲は共振器
の２つの隣接する長手方向共振モードの振動数差であ
る。すなわち、それらの共振モードはほぼ同じ偏波特性
を有するが、１つの波長がリングを１周する際の光路長
は互いに異なつている。
図3aは、図2aの共振器について、そのフアイバ52が直
線性の高い複屈折偏波維持（PM）フアイバから構成され
ている場合の実際の状況における振動数応答を示す。す
なわち、フアイバ52は単モード導波管であるばかりでな
く、直交するＸとＹの直線偏波軸をも有している。単モ
ード複屈折フアイバは、２つの直線偏波をフアイバに沿
つて伝搬するに際して、それらの偏波を互いに異なる屈
折率nx及びnyにより決定される異なる位相速度で励起す
ることができる。この種のフアイバは、D.N.Payne,A.J.
Barlow及びJ.J.Hansenによる「Development of Low−an
d High−Birefringence optical fibers」を表題とする
刊行物（IEEE Q.E.第QE−18巻第４号,1982年４月）又は
I.P.Kaminowによる「Polarization in Optical Fiber
s」を表題とする刊行物（IEEE Q.E.第QE−17巻第１号,1
981年１月）詳細に記載されている。これらの参考文献
は参考として本明細書に取入れられている。
線性の高い複屈折偏波維持（PM）フアイバから構成され
ている場合の実際の状況における振動数応答を示す。す
なわち、フアイバ52は単モード導波管であるばかりでな
く、直交するＸとＹの直線偏波軸をも有している。単モ
ード複屈折フアイバは、２つの直線偏波をフアイバに沿
つて伝搬するに際して、それらの偏波を互いに異なる屈
折率nx及びnyにより決定される異なる位相速度で励起す
ることができる。この種のフアイバは、D.N.Payne,A.J.
Barlow及びJ.J.Hansenによる「Development of Low−an
d High−Birefringence optical fibers」を表題とする
刊行物（IEEE Q.E.第QE−18巻第４号,1982年４月）又は
I.P.Kaminowによる「Polarization in Optical Fiber
s」を表題とする刊行物（IEEE Q.E.第QE−17巻第１号,1
981年１月）詳細に記載されている。これらの参考文献
は参考として本明細書に取入れられている。
偏波維持フアイバを使用する共振器50では、光検出器
82において見られる振動数応答は図3aに示すようなもの
である。図3aは、２つの直線直交偏波光波のそれぞれに
ついて異なる共振振動数が存在していることを示す。こ
れは、PMフアイバに２つの異なる屈折率があるために、
起こりうる２つの偏波のそれぞれについてフアイバを伝
搬する速度と、光路長とに差が生じる結果になるからで
ある。従つて、フアイバの異なる軸のそれぞれに沿つた
異なる偏波モードの共振振動数は等しくない。このこと
は、G.A.Sanders,N,Demma,G.F.Rouse及びR.B.Smithによ
る「Evaluation of Polarization Maintaining Fiber R
esonator for Rotation Sensing Application」を表題
とする刊行物（Proc.of Opt.Fiber Sensors Conf,408〜
11ページ，ニユーオーリンズ,1988年）に詳細に記載さ
れており、本明細書に参考として取入れられている。
82において見られる振動数応答は図3aに示すようなもの
である。図3aは、２つの直線直交偏波光波のそれぞれに
ついて異なる共振振動数が存在していることを示す。こ
れは、PMフアイバに２つの異なる屈折率があるために、
起こりうる２つの偏波のそれぞれについてフアイバを伝
搬する速度と、光路長とに差が生じる結果になるからで
ある。従つて、フアイバの異なる軸のそれぞれに沿つた
異なる偏波モードの共振振動数は等しくない。このこと
は、G.A.Sanders,N,Demma,G.F.Rouse及びR.B.Smithによ
る「Evaluation of Polarization Maintaining Fiber R
esonator for Rotation Sensing Application」を表題
とする刊行物（Proc.of Opt.Fiber Sensors Conf,408〜
11ページ，ニユーオーリンズ,1988年）に詳細に記載さ
れており、本明細書に参考として取入れられている。
尚、図3a〜図3bには、偏波ごとにいくつかのピークが
示されていることに注意すべきである。これは、良く知
られる通り、リング共振器が波長の積分数の励起波を支
持できるためである。同じようなくぼみ（又はピーク）
の間の振動数間隔は、それぞれの偏波モードについての
自由なスペクトル範囲である。先の通り、「ｑ」数は、
単に、リング共振器内で励起し且つ伝搬することができ
る異なる共振波を識別するのに都合の良い手段であるに
すぎない。これは、共振を達成するために（偏波ごと
に）１周の中に「あてはめる」波長の積分数を示す。
示されていることに注意すべきである。これは、良く知
られる通り、リング共振器が波長の積分数の励起波を支
持できるためである。同じようなくぼみ（又はピーク）
の間の振動数間隔は、それぞれの偏波モードについての
自由なスペクトル範囲である。先の通り、「ｑ」数は、
単に、リング共振器内で励起し且つ伝搬することができ
る異なる共振波を識別するのに都合の良い手段であるに
すぎない。これは、共振を達成するために（偏波ごと
に）１周の中に「あてはめる」波長の積分数を示す。
図3a乃至図3cでは、リング共振器内を伝搬することが
可能である２つの直線（又はほぼ直線の）偏波をＸ偏波
光波及びＹ偏波光波として示している。Ｘ偏波光波は、
図示する通り、異なる波長の積分数q,q＋１等々につい
て共振振動数ｆを有する。同様に、Ｙ偏波は、たとえば
ｑ＋1000,＋1001等々の積分波長数で複数の共振振動数f
yを有する。（これは、Ｙ偏波光波がＸ偏波光波より低
速で進み、従つて、有効光路長が1000波長分長くなると
想定されるためである。これを別の言いかたで表現すれ
ば、２つの偏波は異なる自由なスペクトル範囲を有する
ということになる。）このような状況では、サーボルー
プは光学的振動数をＸ偏波又はＹ偏波の一連の共振振動
数の共振のくぼみの中の１つの中心に一貫して押しやら
なければならないということが重要である。
可能である２つの直線（又はほぼ直線の）偏波をＸ偏波
光波及びＹ偏波光波として示している。Ｘ偏波光波は、
図示する通り、異なる波長の積分数q,q＋１等々につい
て共振振動数ｆを有する。同様に、Ｙ偏波は、たとえば
ｑ＋1000,＋1001等々の積分波長数で複数の共振振動数f
yを有する。（これは、Ｙ偏波光波がＸ偏波光波より低
速で進み、従つて、有効光路長が1000波長分長くなると
想定されるためである。これを別の言いかたで表現すれ
ば、２つの偏波は異なる自由なスペクトル範囲を有する
ということになる。）このような状況では、サーボルー
プは光学的振動数をＸ偏波又はＹ偏波の一連の共振振動
数の共振のくぼみの中の１つの中心に一貫して押しやら
なければならないということが重要である。
図3a乃至図3cは、Ｘ偏波及びＹ偏波の一連の共振振動
数に対する温度の影響を示す。Ｘ偏波モードとＹ偏波モ
ードとには大きな光路長の差−この例では1000波長分−
があり、この差は温度の影響を受けやすい。ほぼ１メー
トルから10メートルの長さの共振器の場合、リング経路
の長さの差は実際には摂氏１度につき約１波長ずつドリ
フトする。すなわち、サーボループが「Ｘ」共振を追跡
しようとする場合、リング経路の温度が摂氏１度変化す
るごとに、所望のモード（Ｘ）の主共振を通して小さな
望ましくない共振モード（Ｙ）がドリフトする。図3b
は、フアイバ共振器への温度の影響に応答した振動数応
答の線形状の大きなゆがみを詳細に示す。このゆがみは
リング共振器の共振振動数のあらゆる測定に不確かさと
誤差を導入する。
数に対する温度の影響を示す。Ｘ偏波モードとＹ偏波モ
ードとには大きな光路長の差−この例では1000波長分−
があり、この差は温度の影響を受けやすい。ほぼ１メー
トルから10メートルの長さの共振器の場合、リング経路
の長さの差は実際には摂氏１度につき約１波長ずつドリ
フトする。すなわち、サーボループが「Ｘ」共振を追跡
しようとする場合、リング経路の温度が摂氏１度変化す
るごとに、所望のモード（Ｘ）の主共振を通して小さな
望ましくない共振モード（Ｙ）がドリフトする。図3b
は、フアイバ共振器への温度の影響に応答した振動数応
答の線形状の大きなゆがみを詳細に示す。このゆがみは
リング共振器の共振振動数のあらゆる測定に不確かさと
誤差を導入する。
本発明の実施例は、リング共振器を伝搬する波が１周
するごとに偏波を回転させることにより、第２の偏波の
励起とは無関係に望ましくない共振の励起によるゆがみ
と誤差を排除することを意図してのものである。
するごとに偏波を回転させることにより、第２の偏波の
励起とは無関係に望ましくない共振の励起によるゆがみ
と誤差を排除することを意図してのものである。
図4aは、複屈折性にすぐれた単モード光フアイバ400,
すなわちPMフアイバによりリング共振器500を構成した
本発明の一実施例を示す。さらに、光フアイバ400を切
断し、２つの端部を410の箇所で接合しており、図５に
詳細に示すように、主複屈折軸を90°として示される選
択された角度だけ回転させる。図５は、高い複屈折性を
有するPMフアイバ400の横断面図と、接合部、すなわち
スプライ410でフアイバがどのように接合されるかを示
す。さらに、図５はフアイバ400の主複屈折軸Ｘ及びＹ
を示している。図５では、スプライス410の両側の主軸
は互いに関して90°回転されている。90°の角度は単な
る例であり、他の回転角度値でも別の有用な実施例を得
ることができる。
すなわちPMフアイバによりリング共振器500を構成した
本発明の一実施例を示す。さらに、光フアイバ400を切
断し、２つの端部を410の箇所で接合しており、図５に
詳細に示すように、主複屈折軸を90°として示される選
択された角度だけ回転させる。図５は、高い複屈折性を
有するPMフアイバ400の横断面図と、接合部、すなわち
スプライ410でフアイバがどのように接合されるかを示
す。さらに、図５はフアイバ400の主複屈折軸Ｘ及びＹ
を示している。図５では、スプライス410の両側の主軸
は互いに関して90°回転されている。90°の角度は単な
る例であり、他の回転角度値でも別の有用な実施例を得
ることができる。
再び図４に関して説明すると、PM光フアイバ42及び44
は光波をリング共振器500に結合し、また、リング共振
器500から光波を取出すことになる。光が共振器の偏波
固有状態の一方に結合されるだけである理想の状況で
は、図4bに示すように共振のくぼみは１つしか見られな
い。複屈折軸が回転している−ここでは、偏波回転角と
いう−リングについての偏波固有状態はもはや直線偏波
の状態ではないので、状態は「Ｘ」と「Ｙ」ではなく、
「ａ」と「ｂ」として表わされることになる。すなわ
ち、図4bは、一方の偏波状態に対応する共振落込み及び
共振振動数ｆａ＠ｑを示すだけである。
は光波をリング共振器500に結合し、また、リング共振
器500から光波を取出すことになる。光が共振器の偏波
固有状態の一方に結合されるだけである理想の状況で
は、図4bに示すように共振のくぼみは１つしか見られな
い。複屈折軸が回転している−ここでは、偏波回転角と
いう−リングについての偏波固有状態はもはや直線偏波
の状態ではないので、状態は「Ｘ」と「Ｙ」ではなく、
「ａ」と「ｂ」として表わされることになる。すなわ
ち、図4bは、一方の偏波状態に対応する共振落込み及び
共振振動数ｆａ＠ｑを示すだけである。
図4cは実際の、すなわち、ほぼ直線偏波された入力波
BS1の場合のように、双方の共振器固有状態がリング共
振器に結合された（又はリング共振器で励起された）と
きの共振器出力を示す。図4cの場合、偏波回転角は実質
的に90°に近い値に設定されている。この場合、２つの
偏波モードの自由なスペクトル範囲「FSRa」及び「FS
Rb」はほぼ等しい。さらに、２つの偏波固有状態の共振
振動数fa及びfbは実質的にいずれか一方の自由なスペク
トル範囲の二分の一だけ離れている。また、共振振動数
差は温度に伴なつてほぼ一定である；すなわち、２つの
偏波固有状態の間にある共振振動数の隔たりは一定のま
まであり、共振は（図3a乃至図3cの場合のように）交差
しない。従つて、90°に近い偏波回転角によつて、図3b
に示す共振ゆがみと、その結果としての誤差は全く起こ
らない。実際上、90°の偏波回転の役割はリングの異な
る偏波固有状態（Ｘ及びＹ直線偏波ではない）を発生さ
せることであり、この場合、各状態はほぼ等しい量のＸ
電磁界成分と、Ｙ電磁界成分から構成されるようにな
る。それらの固有状態は、等しいＸ成分とＹ成分の相対
位相に応じて、円偏波、すなわち45°偏波、もしくはそ
の他の楕円偏波であると示すことができる。従つて、双
方の固有状態の波は有効に同じ屈折率、すなわち、フア
イバのnxとnyの平均を「見て」いる。この結果、共振固
有状態の経路長は図3a乃至図3cに示すような1000波長で
はない、互いに二分の一波長の中にあることがわかる。
さらに、２つの共振偏波固有状態の間に、図3a乃至図3c
に示す共振振動数交差を同じように阻止する共振振動数
の隔たりを得ることができるという意味で、他のスプラ
イス角度も重要である。
BS1の場合のように、双方の共振器固有状態がリング共
振器に結合された（又はリング共振器で励起された）と
きの共振器出力を示す。図4cの場合、偏波回転角は実質
的に90°に近い値に設定されている。この場合、２つの
偏波モードの自由なスペクトル範囲「FSRa」及び「FS
Rb」はほぼ等しい。さらに、２つの偏波固有状態の共振
振動数fa及びfbは実質的にいずれか一方の自由なスペク
トル範囲の二分の一だけ離れている。また、共振振動数
差は温度に伴なつてほぼ一定である；すなわち、２つの
偏波固有状態の間にある共振振動数の隔たりは一定のま
まであり、共振は（図3a乃至図3cの場合のように）交差
しない。従つて、90°に近い偏波回転角によつて、図3b
に示す共振ゆがみと、その結果としての誤差は全く起こ
らない。実際上、90°の偏波回転の役割はリングの異な
る偏波固有状態（Ｘ及びＹ直線偏波ではない）を発生さ
せることであり、この場合、各状態はほぼ等しい量のＸ
電磁界成分と、Ｙ電磁界成分から構成されるようにな
る。それらの固有状態は、等しいＸ成分とＹ成分の相対
位相に応じて、円偏波、すなわち45°偏波、もしくはそ
の他の楕円偏波であると示すことができる。従つて、双
方の固有状態の波は有効に同じ屈折率、すなわち、フア
イバのnxとnyの平均を「見て」いる。この結果、共振固
有状態の経路長は図3a乃至図3cに示すような1000波長で
はない、互いに二分の一波長の中にあることがわかる。
さらに、２つの共振偏波固有状態の間に、図3a乃至図3c
に示す共振振動数交差を同じように阻止する共振振動数
の隔たりを得ることができるという意味で、他のスプラ
イス角度も重要である。
図６は、図4a及び図５に示した本発明の原理を取入れ
た本発明の別の実施例を示す。図６は、複屈折性にすぐ
れたフアイバ42及び44の代わりに単純な単モード導波
管、非偏波維持フアイバ642及び644を使用している点を
除いて、ほぼ図4aである。しかしながら、入力波B
S1は、図4aのスプライス410と同様の偏波軸回転スプラ
イス630を含むPMフアイバ620に結合される前に、まず、
偏波調整装置610を通過する。偏波調整装置610は入力光
の偏波をリング共振器の唯一つの共振偏波固有モードに
さらに良く結合させることができる。この構造は、スプ
ライス箇所がリング共振器のほぼ中間点にあるときに最
も安定している。
た本発明の別の実施例を示す。図６は、複屈折性にすぐ
れたフアイバ42及び44の代わりに単純な単モード導波
管、非偏波維持フアイバ642及び644を使用している点を
除いて、ほぼ図4aである。しかしながら、入力波B
S1は、図4aのスプライス410と同様の偏波軸回転スプラ
イス630を含むPMフアイバ620に結合される前に、まず、
偏波調整装置610を通過する。偏波調整装置610は入力光
の偏波をリング共振器の唯一つの共振偏波固有モードに
さらに良く結合させることができる。この構造は、スプ
ライス箇所がリング共振器のほぼ中間点にあるときに最
も安定している。
図7a〜図7bは、リング共振器を通つて進む電磁波の偏
波の状態を、リング共振器経路内で電磁波を少なくとも
一度回転させることにより変化させるという原理を利用
する本発明の別の実施例を示す。この場合、光は、光カ
ツプラ720を構成する２つのフアイバの複屈折軸の間で
交さ結合される。これは、図7bに示すようにカツプラ内
でフアイバの主複屈折軸を回転させることにより達成さ
れる。その結果、リングのいずれかの箇所でスプライス
を使用することによらずに、カツプラ内部で偏波が有効
に回転するという効果が得られる。図7aは、Loren F.St
okes他に発行されたBrillouin Ring Laserを名称とする
米国特許第4,530,097号に詳細に説明され且つ図示され
ているようなスプライスなしフアイバリング共振器の利
用を特に示しており、これは参考として本明細書に取入
れられている。
波の状態を、リング共振器経路内で電磁波を少なくとも
一度回転させることにより変化させるという原理を利用
する本発明の別の実施例を示す。この場合、光は、光カ
ツプラ720を構成する２つのフアイバの複屈折軸の間で
交さ結合される。これは、図7bに示すようにカツプラ内
でフアイバの主複屈折軸を回転させることにより達成さ
れる。その結果、リングのいずれかの箇所でスプライス
を使用することによらずに、カツプラ内部で偏波が有効
に回転するという効果が得られる。図7aは、Loren F.St
okes他に発行されたBrillouin Ring Laserを名称とする
米国特許第4,530,097号に詳細に説明され且つ図示され
ているようなスプライスなしフアイバリング共振器の利
用を特に示しており、これは参考として本明細書に取入
れられている。
図7a乃至図7bは、単一の連続するフアイバのストラン
ドを採用して、図4aのカツプラ60と同じ機能を果たすべ
き光カツプラ720をいかにして形成できるか、また、そ
れと同時に、「閉鎖スプライス」なしに共振リング経路
710をいかにして構成できるかを示す。光フアイバ700は
第１の端部セグメント702と、第２の端部セグメント704
との間にループを形成する。光カツプラ720はループを
光学的に閉鎖して、共振リング710を形成する。
ドを採用して、図4aのカツプラ60と同じ機能を果たすべ
き光カツプラ720をいかにして形成できるか、また、そ
れと同時に、「閉鎖スプライス」なしに共振リング経路
710をいかにして構成できるかを示す。光フアイバ700は
第１の端部セグメント702と、第２の端部セグメント704
との間にループを形成する。光カツプラ720はループを
光学的に閉鎖して、共振リング710を形成する。
図7bは、本発明に従つた光カツプラ720の詳細な横断
面を示す。光フアイバ700は複屈折性にすぐれた偏波維
持フアイバである。光カツプラ720は、直線偏波電磁波
の方向をリング共振リング710を１回通過するごとに回
転させるように複屈折軸が互いに対して回転されるよう
に入力フアイバ部分725が出力フアイバ部分730に結合さ
れるように構成される。本質的には、図7aに示すような
結合手段720を伴なうスプライスなしフアイバ共振器
は、フアイバリング500のスプライス410において偏波の
回転が行われる図4aに示す構成とほぼ同じように動作す
る。
面を示す。光フアイバ700は複屈折性にすぐれた偏波維
持フアイバである。光カツプラ720は、直線偏波電磁波
の方向をリング共振リング710を１回通過するごとに回
転させるように複屈折軸が互いに対して回転されるよう
に入力フアイバ部分725が出力フアイバ部分730に結合さ
れるように構成される。本質的には、図7aに示すような
結合手段720を伴なうスプライスなしフアイバ共振器
は、フアイバリング500のスプライス410において偏波の
回転が行われる図4aに示す構成とほぼ同じように動作す
る。
図8a乃至図8cは、本発明の原理を採用するさらに別の
代替実施例を示す。図8aには、２つの光カツプラ810及
び820が示されている。入力ビールBS1は光フアイバ815
に注入されて、共振リング840を形成する複屈折性にす
ぐれた偏波維持フアイバ830に結合する。共振リング840
は、図4a及び図５のスプライス410と同様の偏波回転ス
プライス831をさらに含む。光カツプラ820はリング共振
器840を巡つて進む波のごく一部を検出器850に入射させ
る。図8aの動作は、検出器850が入力ビームBS1の振動数
が共振しているときのピーク出力を知るという点に関す
る限り、図４の動作とは異なる。この場合も、スプライ
ス831は図4aのスプライス410と同じ所期の機能を実行す
る。すなわち、スプライスの偏波回転角が90°にほぼ等
しいとき、２つの偏波状態の自由なスペクトル範囲はほ
ぼ等しく、それらの共振は隔たつており、温度に伴なつ
て交差することはない。異なる偏波共振の間に隔たりを
生じさせるためには他の角度も重要である。
代替実施例を示す。図8aには、２つの光カツプラ810及
び820が示されている。入力ビールBS1は光フアイバ815
に注入されて、共振リング840を形成する複屈折性にす
ぐれた偏波維持フアイバ830に結合する。共振リング840
は、図4a及び図５のスプライス410と同様の偏波回転ス
プライス831をさらに含む。光カツプラ820はリング共振
器840を巡つて進む波のごく一部を検出器850に入射させ
る。図8aの動作は、検出器850が入力ビームBS1の振動数
が共振しているときのピーク出力を知るという点に関す
る限り、図４の動作とは異なる。この場合も、スプライ
ス831は図4aのスプライス410と同じ所期の機能を実行す
る。すなわち、スプライスの偏波回転角が90°にほぼ等
しいとき、２つの偏波状態の自由なスペクトル範囲はほ
ぼ等しく、それらの共振は隔たつており、温度に伴なつ
て交差することはない。異なる偏波共振の間に隔たりを
生じさせるためには他の角度も重要である。
図8bは図8aと似ているが、図7aに既に示した共振器と
同じように形成されたスプライスなしリング共振器が付
け加えられている。カツプラ860は、図7aのカツプラ720
と同様に偏波回転と結合の機能を実行する。カツプラ86
2は図8aのカツプラ820と同様の結合機能を実行する。検
出器850は出力信号Boutを検出する。共振時には、検出
器850の出力は最大である。
同じように形成されたスプライスなしリング共振器が付
け加えられている。カツプラ860は、図7aのカツプラ720
と同様に偏波回転と結合の機能を実行する。カツプラ86
2は図8aのカツプラ820と同様の結合機能を実行する。検
出器850は出力信号Boutを検出する。共振時には、検出
器850の出力は最大である。
図8cは、図7a及び図8a乃至図8bに示した原理を採用す
る別の代替実施例である。図8cでは、カツプラ861は図8
aのカツプラ810と同じ所期の機能を果たす。リング共振
器は、既に説明したように一部でカツプラ・スプライス
なしリング共振器を形成する出力カツプラ863により形
成される。
る別の代替実施例である。図8cでは、カツプラ861は図8
aのカツプラ810と同じ所期の機能を果たす。リング共振
器は、既に説明したように一部でカツプラ・スプライス
なしリング共振器を形成する出力カツプラ863により形
成される。
このように、本発明の実施に際しては、受動リング共
振器ジヤイロに悪影響を与える可能性があるリング共振
器の望ましくない偏波を大幅に抑制する必要はなく、場
合によつては、そのような偏波が自由に伝搬していても
良いのである。前述のように、偏波の回転角を90°にす
れば、共振器における各方向への２つの偏波の自由なス
ペクトル範囲はほぼ等しくなり、従つて、温度に伴なつ
て追跡する結果となる。他のスプライス角度を選択して
も、同様の有利な結果が得られるであろう。
振器ジヤイロに悪影響を与える可能性があるリング共振
器の望ましくない偏波を大幅に抑制する必要はなく、場
合によつては、そのような偏波が自由に伝搬していても
良いのである。前述のように、偏波の回転角を90°にす
れば、共振器における各方向への２つの偏波の自由なス
ペクトル範囲はほぼ等しくなり、従つて、温度に伴なつ
て追跡する結果となる。他のスプライス角度を選択して
も、同様の有利な結果が得られるであろう。
本発明では、リング経路を一周するごとに波の偏波の
回転を取入れた電磁導波管リング経路から受動リング共
振器ジヤイロを構成している。波の偏波回転は導波管の
伝搬の中心線軸を中心とするものである。本発明に従つ
た偏波回転はリング経路に沿つたいくつかの可能な位置
のいずれか１つで導入されれば良く、また、様々に異な
る方法で実施でき、添付の図面に示した方法には限定さ
れない。
回転を取入れた電磁導波管リング経路から受動リング共
振器ジヤイロを構成している。波の偏波回転は導波管の
伝搬の中心線軸を中心とするものである。本発明に従つ
た偏波回転はリング経路に沿つたいくつかの可能な位置
のいずれか１つで導入されれば良く、また、様々に異な
る方法で実施でき、添付の図面に示した方法には限定さ
れない。
光フアイバリング共振器によつて本発明を特定して説
明したが、複屈折特性を有する所期のリング共振器を構
成するどのような導波管構造、たとえば金属導波管も本
発明の範囲内に含まれている。
明したが、複屈折特性を有する所期のリング共振器を構
成するどのような導波管構造、たとえば金属導波管も本
発明の範囲内に含まれている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロウズ，ゴードン・エフ アメリカ合衆国 55112 ミネソタ州・ アーデン ヒルズ・レーク ジヨハンナ ブーレバード・3337 (56)参考文献 特開 昭59−134887（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−37212（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−299412（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−256007（ＪＰ，Ａ)
Claims (7)
- 【請求項１】複数の複屈折の主軸を有する複屈折導波管
部分を少なくとも一部に含み、前記複屈折導波管に沿つ
た何れかの選択された箇所で、前記複屈折の主軸は前記
導波管の伝搬方向の軸に関して選択された角度だけ回転
されるようなリング共振器と； 前記リング共振器の外側で第１及び第２の電磁波を発生
する第１の手段と； 前記第１の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結
合して、前記導波管の前記伝搬方向の軸に沿つて第１の
方向に伝搬すると共に， 前記第２の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結
合して、前記導波管の前記伝搬方向の軸に沿つて前記第
１の方向とは逆の第２の方向に伝搬する結合手段とを具
備するリング共振器ジヤイロ。 - 【請求項２】前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波の
それぞれの前記第１の部分の相対エネルギーレベルを示
す第１の出力信号と、第２の出力信号とを供給する手段
と； 前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号に応答し
て、前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを、前記
第１の伝搬方向と、前記第２の伝搬方向とのそれぞれに
おける前記リング共振器の共振振動数とほぼ等しい振動
数にさせるように動作する手段と； 前記リング共振器における共振時の前記第１の電磁波
と、前記第２の電磁波との振動数差を表わす出力信号を
供給することにより、前記リング共振器の回転の指示を
実行する手段とをさらに具備する請求項１記載のジヤイ
ロ。 - 【請求項３】電磁偏波を維持する導波管部分を少なくと
も一部に含み、前記導波管は、その伝搬方向の軸に対し
て垂直な第１及び第２の偏波軸を規定する直線複屈折特
性を有するようなリング共振器と； 前記リング共振器の外側で第１及び第２の電磁波を発生
する第１の手段と； 前記第１の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結
合して、前記リング共振器に沿つて第１の方向に伝搬す
ると共に， 前記第２の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結
合して、前記リング共振器に沿つて前記第１の方向とは
逆の第２の方向に伝搬する結合手段とを具備し，前記リ
ング共振器は， 前記第１の電磁波の前記第１の部分から発生した第１及
び第２の偏波を、前記第１の偏波と、前記第２の偏波と
がほぼ等しい自由なスペクトル範囲を有する共振振動数
を有するように、前記リング共振器に沿つて第１の方向
に伝搬する手段と， 前記第２の電磁波の前記第１の部分から発生した第１及
び第２の偏波を、前記第２の電磁波部分の前記第１の偏
波と、前記第２の偏波とがほぼ等しい自由なスペクトル
範囲を有する共振振動数を有するように、前記リング共
振器に沿つて第２の方向に伝搬する手段とを含むリング
共振器ジヤイロ。 - 【請求項４】前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波の
それぞれの前記第１の部分の相対エネルギーレベルを示
す第１の出力信号と、第２の出力信号とを供給する手段
と； 前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号に応答し
て、前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを、前記
第１の伝搬方向と、前記第２の伝搬方向とのそれぞれに
おける前記リング共振器の共振振動数とほぼ等しい振動
数にさせるように動作する手段と； 前記リング共振器における共振時の前記第１の電磁波
と、前記第２の電磁波との振動数差を表わす出力信号を
供給することにより、前記リング共振器の回転の指示を
実行する手段とをさらに具備する請求項３記載のジヤイ
ロ。 - 【請求項５】自身の伝搬方向に沿つて第１及び第２の偏
波軸を規定する直線複屈折特性を有する電磁偏波を維持
する導波管部分を少なくとも一部に含むリング共振器
と； 前記リング共振器の外側で第１及び第２の電磁波を発生
する第１の手段と； 前記第１の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結
合して、前記リング共振器に沿つて第１の方向に伝搬す
ると共に、 前記第２の電磁波の第１の部分を前記リング共振器に結
合して、前記リング共振器に沿つて前記第１の方向とは
逆の第２の方向に伝搬する結合手段と； 前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波の前記第１の部
分の直線偏波の方向を、前記リング共振器を一周するご
とに、前記導波管の伝搬方向に対して選択された角度だ
け空間的に回転させる第２の手段とを具備するリング共
振器ジヤイロ。 - 【請求項６】前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波の
それぞれの前記第１の部分の相対エネルギーレベルを示
す第１の出力信号と、第２の出力信号とを供給する手段
と； 前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号に応答し
て、前記第１の電磁波と、前記第２の電磁波とを、前記
第１の伝搬方向と、前記第２の伝搬方向とのそれぞれに
おける前記リング共振器の共振振動数とほぼ等しい振動
数にさせるように動作する手段と； 前記リング共振器における共振時の前記第１の電磁波
と、前記第２の電磁波との周波数差を表わす出力信号を
供給することにより、前記リング共振器の回転の指示を
実行する手段とをさらに具備する請求項３記載のジヤイ
ロ。 - 【請求項７】前記第１の共振器波及び前記第２の共振器
波の一部を前記リング共振器から取出す結合手段と； 前記リング共振器から取出された前記波のエネルギーを
検出する手段とをさらに具備する請求項５記載のジヤイ
ロ。
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