JP2741592B2 - シングルモード光ファイバを用いたループ状相反型干渉装置 - Google Patents
シングルモード光ファイバを用いたループ状相反型干渉装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明はシングルモード光ファイバを用いたループ状
相反型干渉計に関するものである。 従来の技術 ループ状干渉計、すなわちサニャック（SAGNAC）干渉
計においては、２本のビームが同一の光路内を伝搬し
て、該光路の出口で互いに干渉する。この光路に対する
擾乱が伝搬の両方向に対して同じ性質をもち、ビームが
該光路内を伝搬中にこの擾乱が変化しない限りは、２本
のビームは全く同じように擾乱を受けるので相対的な位
相は変化しない。このタイプの擾乱は「相反的」と呼ば
れている。干渉計内の伝搬時間は一般に極めて短いた
め、この間の擾乱の変化は一般に無視できるぐらい小さ
い。ただし擾乱が人為的にもたらされた場合は別であ
る。 上記の擾乱の他に「非相反的」擾乱が存在している。
この擾乱は伝搬の２方向で振幅が異なる。非相反的擾乱
には、その方向がはっきりと決まると、空間および媒質
の対称性を破るという物理的効果がある。 ２つの効果がこのような性質をもつことが知られてい
る。 ひとつはファラデー効果、すなわち透過光の磁気光効
果である。磁場が印加されると、この効果により光学物
質内の電子のスピンがある特定の方向を向きやすくな
る。 もうひとつはサニャック効果、すなわち相対論的慣性
効果である。慣性座標系に対して干渉計が回転すると伝
搬時間の対称性が破れる。 慣性座標系に対する回転により光ファイバジャイロを
構成することができる。また、磁場を用いることで電流
センサや磁力計を構成することができる。 いわゆる相反的配置という特別な配置にすることで、
非相反的効果により誘起される位相のずれ以外のすべて
の位相のずれを解消することができる。 発明が解決しようとする課題 この配置ではしかし、干渉計のシングルモード入力ゲ
ートから戻ってくる光を検出する必要がある。これは、
出射光の一部を検出器に供給するとともにこの出射光を
入射光とカップルさせることのできるセパレータを必要
とすることを意味する。検出器に戻る信号は、セパレー
タが50−50タイプのときに最適値となる。 実際には第２のセパレータが必要となる。なぜなら、
ループ状の干渉計は、互いに逆方向に回転する光を入射
し、該ループを光が伝搬した後に２つの光を再結合させ
るセパレータ、すなわちビームスプリッタをループの入
口に備えている必要があるからである。 従来の光学機器の他に光を伝搬させるのに用いる素
子、例えば光集積回路や全ファイバ素子を用いることが
提案されている。 セパレータは一般に、光集積回路を特に用いて構成さ
れる。ところで２つのセパレータは同じ役割をもつわけ
ではない。第１のセパレータは少なくとも３つのシング
ルモードゲートを有する必要がある。これは、シングル
モード入出力フィルタおよびループを形成しているシン
グルモードファイバコイルの両端に効果的にカップルさ
せるためである。これに対し第２のセパレータは２つの
シングルモードゲートを有するだけでよい。すなわち、
光源つまりファイバの始端部とシングルモード入力出フ
ィルタにカップルさせるためである。検出器に向かって
開いているゲートは、干渉計がシングルモードでなけれ
ばシングルモードである必要はない。 そこで、本発明の目的は、ループ状相反型干渉計の構
成を簡単にすることである。 課題を解決するための手段 本発明によるならば、ループを形成するシングルモー
ド光ファイバと、所定の波長のコヒーレント光を放射す
る光放射手段と、該コヒーレント光のエネルギーを同時
にかつ等分に上記シングルモード光ファイバの両端に供
給し、該シングルモード光ファイバの該両端部から再び
放射される光エネルギーを再結合する分割混合手段と、
コアとクラッドを有し、上記分割混合手段と上記光放射
手段との間に設置されてモードフィルタを構成するシン
グルモード光ファイバの部分片と、上記シングルモード
光ファイバの上記両端部から放射される上記光のエネル
ギーの半分のエネルギーを有しつつ、該部分片から放射
される光ビームを、所定の平均伝搬方向に生じさせる方
向性損失を生み出す分岐手段と、該光ビームを検出する
光電検出手段とを備えるループ状相反型干渉装置におい
て、上記分岐手段は、 所定の厚さのクラッドのみを残すように該クラッドの
表面部を研磨して得られた平面部を有する、上記部分片
の一部と、 上記部分片の上記一部を支持し、上記平面部と水平に
なる平面部を有する支持台と、 上記部分片のコアの屈折率より大きな屈折率を有する
ブロックで形成され、上記平面部に当接する第１の平面
と上記光電検出手段が配置される第２の平面とを有し、
対称軸が上記平面部に対して所定の角度傾いた円柱部材
と から構成されており、上記光ビームは、モードフィルタ
を構成する上記部分片の上記一部から放射されて上記円
柱部材の壁面で反射され、上記円柱部材は、円柱レンズ
として機能して、該反射ビームを上記第２の平面上の光
電検出手段上に収束させることを特徴とする干渉装置が
提供される。 更に、本発明によるならば、ループを形成するシング
ルモード光ファイバと、所定の波長のコヒーレント光を
放射する光放射手段と、該コヒーレント光のエネルギー
を同時にかつ等分に上記シングルモード光ファイバの両
端に供給し、該シングルモード光ファイバの該両端部か
ら再び放射される光エネルギーを再結合する分割混合手
段と、コアとクラッドを有し、上記分割混合手段と上記
光放射手段との間に設置されてモードフィルタを構成す
るシングルモード光ファイバの部分片と、上記シングル
モード光ファイバの上記両端部から放射される上記光の
エネルギーの半分のエネルギーを有しつつ、該部分片か
ら放射される光ビームを、所定の平均伝搬方向に生じさ
せる方向性損失を生み出す分岐手段と、該光ビームを検
出する光電検出手段とを備えるループ状相反型干渉装置
において、上記分岐手段は、 上記部分片の所定の長さの細くなった部分と、 上記放射光に対して透明で、上記方向性損失を生み出
すコアの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質からな
り、上記細くなった部分を取り囲むスリーブと から構成され、上記光電検出手段は上記部分片を中心部
にはめ込んだ中央チャネルを備えるフォトダイオードに
より構成され、上記細くなった部分から放射されるビー
ムを捕えることを特徴とする干渉装置が提供される。 発明の実施の形態 添付の図面を参照した以下の説明により、本発明がよ
りよく理解できるようになるとともに本発明の特徴およ
び利点が明らかになろう。 まず最初に完全に相反的な光ファイバジャイロの主な
特徴について復習しておくことは有効であろう。 第１図は、従来のループ状相反型干渉計の一例の概略
図である。 この第１図においては、ループの部分はシングルモー
ド光ファイバ５で構成されているが、その他の部分には
従来通りの光学機器が用いられている。モードフィルタ
３が設けてあることでこの干渉計が完全に相反的になっ
ている。 光源10からの入射ビーム11はモードフィルタ３を通過
した後ハーフミラー４により２つに分岐される。一方の
ビーム12はレンズ41を介して光ファイバ５に入射させ
る。このレンズ41はビーム12の焦点を光ファイバ５の入
口50に合わせるためのものである。他方のビーム13はや
はりレンズ42を介して同じ光ファイバ５に入射させる。
レンズ42はビーム13の焦点を光ファイバ５の入口51に合
わせるためのものである。２つのビームは光ファイバ内
を互いに逆方向に伝搬して再びハーフミラー４のところ
へ戻ってくる。２つのビームは共にモードフィルタ３を
通過した後、ハーフミラー２により入射ビームと分離さ
れる。このハーフミラー２ではビームが一部反射されて
出力部６に供給される。出力部６に設置してある光検出
器60により干渉信号が検出される。 光路としてシングルモード光ファイバ５を用いたこと
で光路長がきわめて長くなっている。もっとも光ファイ
バは、一般に巻いてコイル状にして用いる。従って、超
高感度ジャイロを実現することができる。 エネルギー効率を改善するため、ディスクリート光学
素子を光集積回路で置換することが提案されている。 モードフィルタ３も光集積回路、あるいはもっと簡単
にシングルモード光ファイバで置換することが考えられ
る。実際、シングルモード光ファイバが数10cmあるだけ
でほぼ完璧なモードフィルタを構成することができる。 第２図は、簡単化されたこのタイプの干渉計の理論的
構成を示す図である。 この図では再統合した光を引き出して検出する手段は
わざと除いてある。 シングルモード光ファイバ５で構成されるループは、
その両端部が光分割兼再結合の機能を有する光集積回路
８に接続している。 この光集積回路８は、第１図のモードフィルタ３の役
割をもつシングルモード光ファイバ部７を介して光源10
と光学的に接続されている。 この図の装置は完全にシングルモードであるが、この
ままでは動作しない。なぜなら、戻ってくる光の一部を
取り出して検出しなければならないからである。 この目的で、第３図には3dBの分岐器が光集積回路８
と光源10の間に設置されている。この分岐器は、第３図
中で参照番号９が付されている。この分岐器は、シング
ルモード光ファイバの第１の断面70で光源に接続され、
光集積回路８に第２の断面71で接続されている。分岐器
９はさらに光学検出器60にも光学的に接続している。 本発明によれば、光源10と分岐器９の間の接続路およ
び分岐器９と光集積回路８の間の接続路のみがシングル
モードとなっている。分岐器９と光電検出器60の間の光
学的接続は簡単であってもよい。 分岐器９を構成するにはいろいろな方法がある。 第４図は分岐器９の第１の実施の形態を示す図であ
る。分岐器は、シングルモード光ファイバ７の曲線部と
その曲線部を固定する支持台90とから構成されている。
この実施の形態では、第２図に示した装置と同様、光源
10と集積回路８の間に接続される光ファイバは一本だけ
である。この光ファイバ７の所定位置に曲線部が設けら
れている。 曲率半径ｒを調節して、その曲線部を支持台90に固定
することにより特定方向のロスを生じさせることができ
る。このロスは50％に調整する。この値に調整するには
連続的にテストおよび測定を行う。 光集積回路８からの入射光は、入射時の半分のエネル
ギーをもつ光として伝搬する。残りのエネルギーは光フ
ァイバ７から放射されて、支持台90に取りつけられた光
電検出器60に伝達される。 光ファイバ７は本来その光ファイバの周囲を包囲して
いるクラッドよりも大きな屈折率をもつ媒体内に埋め込
まれている。この媒体としては、プラスチックケース内
の液体や使用している波長の光に対しては透明で、紫外
光を照射すると硬化する接合剤が可能である。 例えば波長が0.8ミクロンでシングルモード光ファイ
バのコア径が５ミクロンだと必要な曲率半径は1mmのオ
ーダーである。 第２の実施の形態では、分岐器９は、シングルモード
光ファイバ７のわずかに曲げられた部分と、後述する支
持台91と、同様に後述するブロック92とから構成されて
いる。シングルモード光ファイバ７のわずかに曲げられ
た部分の表面はエッチング後研磨してある。エッチング
はクラッドＧに対してのみ行う。光ファイバ７は支持台
91に固定されている。 研磨された領域の上にコアＣより大きな屈折率を有す
る直方体のブロック92が載せられる。例えば光ファイバ
がシリカ製の場合は、このブロックはガラスとすること
ができる。研磨部の平らな部分は支持台91の一方の面と
水平になっている。図ではこの面が上面となっている。
ロスが起こると、ブロック92の一方の面に対向した位置
に設置した光電検出器60により検知される。第５図では
光は左から右に伝搬することを仮定としているので、光
電検出器60はブロック92上右方向に設置されている。 支持台91は例えば硬化性の接合剤で製作することがで
きる。この支持台91の上面にはブロック92と光電検出器
60が設置されている。ロスの程度は、ブロック92の内面
とシングルモード光ファイバ７のコアＣの間に挟まれた
クラッドの厚さｅに依存する。 ロスは方向性をもつ。 方向性のあるロスのために、放射される光の平均角度
が比較的大きいという別の利点がある。 この現象を第６図を参照して説明する。 ブロック92の中央とクラッドＧの間の相互作用領域の
始端と終端で光線R1とR2を考える。相互作用領域の長さ
がａであるとすると以下の関係式が成り立つ。 nF×ａ＝nm×ｂ ・・（１） ここにnFは光ファイバの屈折率、 nmはブロック92の中央部の屈折率、 ａは相互作用領域の長さ、 ｂは光ファイバからの光線R1の出口と光線R2の出口を
通る位相平面PPの間を光線R1が伝搬する場合の光学距離
である。 位相条件を考慮すると、以下の関係式が満たされる必
要がある。 あるいは、 ここにθｍは光線R1がクラッドの表面、すなわち研磨
された表面となす角である。 値が１より小さくなると角度な急速に大きくなる。シ
リカに対してはnFは1.46である。従って各θｍは16度に
等しい。 本発明はさらに別の利点がある。 相互作用領域は比較的長くすることができる。例えば
光ファイバ７の曲率半径を３〜10cmにすると相互作用領
域の長さａは1mmのオーダーになる。この長さは相互作
用領域の縦方向の長さに依存する。 第７図に示すように、光ファイバの曲線部の研磨され
た表面領域、すなわち相互作用領域は楕円形である。 相互作用領域の最大幅はｂに等しい。先に示した曲率
半径と相互作用領域の長さだとｂは一般に数ミクロンの
オーダーとなる。 ブロック92の中央部と相互作用してロスを生み出す研
磨領域はコーヒーレントなエネルギー放射源として振舞
う。また、研磨領域Ｓに垂直な縦方向の平面内での回折
は10-3ラジアンのオーダーで極めて小さい。これに対し
研磨領域と角θｍをなす平面内の回折角αは比較的大き
い。この回折角αは通常10〜20度である。 最後に、先に述べたように、ブロック92の屈折率は光
ファイバ７のコアＣの屈折率よりも大きくなくてはなら
ない。しかしこの条件は特に厳密な調整をしなくても多
数の物質が満たすことのできるものである。 第８図はロス（単位はdB）をブロック92の屈折率の関
数として表わしたグラフである。このグラフからわかる
ように、光ファイバのコアの屈折率の値の直後のピーク
を過ぎると曲線はゆるやかに変化するだけである。２本
の曲線がクラッドの厚さの任意の２つの値e1とe2につい
て描いてある。 上記の実施の形態では、コアは屈折率が1.46のシリカ
製であり、ブロック92は屈折率が1.52のガラス製である
と仮定した。 実際には徐々に研磨を行い、所定の物質からなるブロ
ック92に対してロスができるだけ3dBに近くなるように
することができる。 本実施例の形態においてはガラスの場合クラッドの厚
さｅとして厚さe2が必要であると仮定する。 例えば外径が100ミクロンでコア径が５ミクロンの光
ファイバについて上記の数値を仮定すると厚さｅが２〜
５ミクロンのときに3dBというロスが得られる。 上記第２の実施の形態はさらに改良することが可能で
ある。 実際、光は光ファイバ７内を両方向にガイドされて伝
搬する。すなわち、光源から放射される光とループの出
口で再結合される光である。後者の光のみが問題であっ
て、この光が検出される。 これに対しロスは両方向の伝搬に関係する。 ブロック92の代わりに、鏡の役割を果たすとともに必
要な光を時定の方向に透過させる面を備える素子を配置
する。 第９図はこの配置状態を示す図である。 第９図に一本の光線Ｒ′で示されたビームは、光源か
ら放射されてループに伝達される間にロスとなる光に対
応する。このビームは除去する、さらに詳しくは必要な
ビームと干渉する危険性がない方向に伝搬させる必要が
ある。必要な光は光線Ｒで示してある。この光線Ｒは再
度結合して再び光源の方向に伝搬する光に対応する。 第９図に示した実施の形態では光線Ｒは鏡Ｍを構成し
ている面で反射される。従って、光ファイバ７の上方に
光検出器を設置することができる。 実施例 第９図に示した第２の実施の形態は、実際第10図に示
すように、光ファイバ上方の設置される素子は円柱形の
部材93から構成される。この円柱部材は平らな面を２つ
備えている。これら平らな面はそれぞれ互いに平行な平
面p1およびp2に含まれる。このため出力平面である下平
面p2は光ファイバ７の研磨領域と平行となる。 しかし、交差面は円柱部材の対称軸線Δに垂直ではな
い。 光電検出器60を上平面p1上に設置することができる。
この光電検出器は例えば従来からあるTO5タイプのケー
スとすることが可能である。このケース内には光電検出
器が、入力窓が平面p1と光学的に接続するように収納さ
れている。 必要なビームＲは円柱部材93の壁面で反射される。先
に述べた場合と同様、円柱部材を構成する物質の屈折率
は光ファイバ７のコアＣの屈折率よりも大きくなくては
ならない。 不要なビームＲ′は、ビームＲとは異なり円柱部材93
の壁面で屈折して、相互作用領域を形成する平面とほぼ
平行な方向に伝搬していく。 円柱部材93の軸線Δと相互作用領域の平面p2がなす角
度γおよびこの相互作用領域の平面p2と光電検出器60と
の距離ｈをともに正しく調整して、反射されたビームを
光電検出器の中央部に収束させることができる。 実際、円柱部材93は鏡としての役割の他に円柱レンズ
の役割をもつ。先に述べたように、相互作用領域をなす
平面と角θｍをなす平面内での回折角は大きい。ビーム
Ｒは従ってこの平面内で発散する。 円柱部材93は、壁面で反射した後のビームＲを再び収
束させる。もし先に述べた条件が満たされる場合にはさ
らに、反射後のビームを平面p1内の一点あるいはこの平
面近傍の一点に集めることができる。さらに詳しく説明
すると、ビームの焦点は、光電検出器60の能動面上に合
っていなくてはならない。 一般に、円柱部材93の壁面でほぼ完全に反射が起こる
ことに注意する必要がある。このため円柱部材の外面を
メッキしなくてもよい。 同様に、円柱部材93により構成される光学装置は高性
能である必要はない。従って、光ファイバのクラッドＧ
を研磨することは重要でない。実際、円柱部材93と同じ
屈折率を有する部材を固定するのに紫外線で硬化する接
合剤を用いると、研磨による欠陥がかなりの程度減少す
る。これは接合剤が、存在している凹凸を埋めるからで
ある。 円柱部材93の底面は研磨領域の全面を覆っている必要
がある。 例えば、角γは一般に60度ぐらいである。高さｈは、
円柱部材93の横断面の直径の約3/4である。例えば直径
が2mmだと高さｈは1.5mmである。 これまで説明してきた装置は実現が容易で、重要なパ
ラメータをもたないことに注目されたい。 さらに、考えられる応用、すなわちジャイオが用いら
れる場合の問題点のひとつは温度変化によるドリフトで
あることを思い起こされたい。 第８図に示される曲線からわかるように、傾斜がゆる
やかな、温度に対して安定な領域がある。 さらに、ロスの最適値は3dBであって、これは光の50
％が捕えられ、50％が逃げていくことに対応している。 この値は臨界的な意味をもたない。なぜなら、50％−
50％のときに積は0.25であるが、40％−60％あるいは60
％−40％のときに積は0.24だからである。 従って、ロスを50％に調整することは重要ではない。 第11図は本発明の装置の第３の実施の形態を具体化し
た実施例示す図である。 光ファイバ７は細くなった部分を有する。これは引き
伸ばしにより可能である。 光ファイバ７は、コアＣの屈折率より大きい屈折率を
もつ物質からなるスリーブ94に取り囲まれている。 この場合もロスは方向性をもっており、検出器により
そのロスが検出される。この目的で、第11図に示すよう
に、光ファイバがスリーブ94の上方の環状検出器60内に
はめ込まれている。この環状検出器60は支持台600と光
ファイバ７から放射された光を受信する能動領域601を
備えている。 環状検出器60は円盤状の従来のフォトダイオードのよ
うな光検出器から簡単に構成することができる。円盤の
中央チャネル602は従来から知られている適当な任意の
方法、例えば化学的エッチングにより形成する。 発明の効果 以上説明した本発明による装置はすべて簡単で温度に
対する安定性がすばらしいという特徴をもつ。さらに、
屈折率差が小さくて調整が難しいとか、位置決めに高い
精度を要するといったことがない。 この装置はまた、いわゆる干渉計の部分は完全にシン
グルモードの性質を保っている。 本発明は上記の実施例のみに限られるものではなく、
当業者が容易に実施可能な変更はすべて本発明に含まれ
る。
相反型干渉計に関するものである。 従来の技術 ループ状干渉計、すなわちサニャック（SAGNAC）干渉
計においては、２本のビームが同一の光路内を伝搬し
て、該光路の出口で互いに干渉する。この光路に対する
擾乱が伝搬の両方向に対して同じ性質をもち、ビームが
該光路内を伝搬中にこの擾乱が変化しない限りは、２本
のビームは全く同じように擾乱を受けるので相対的な位
相は変化しない。このタイプの擾乱は「相反的」と呼ば
れている。干渉計内の伝搬時間は一般に極めて短いた
め、この間の擾乱の変化は一般に無視できるぐらい小さ
い。ただし擾乱が人為的にもたらされた場合は別であ
る。 上記の擾乱の他に「非相反的」擾乱が存在している。
この擾乱は伝搬の２方向で振幅が異なる。非相反的擾乱
には、その方向がはっきりと決まると、空間および媒質
の対称性を破るという物理的効果がある。 ２つの効果がこのような性質をもつことが知られてい
る。 ひとつはファラデー効果、すなわち透過光の磁気光効
果である。磁場が印加されると、この効果により光学物
質内の電子のスピンがある特定の方向を向きやすくな
る。 もうひとつはサニャック効果、すなわち相対論的慣性
効果である。慣性座標系に対して干渉計が回転すると伝
搬時間の対称性が破れる。 慣性座標系に対する回転により光ファイバジャイロを
構成することができる。また、磁場を用いることで電流
センサや磁力計を構成することができる。 いわゆる相反的配置という特別な配置にすることで、
非相反的効果により誘起される位相のずれ以外のすべて
の位相のずれを解消することができる。 発明が解決しようとする課題 この配置ではしかし、干渉計のシングルモード入力ゲ
ートから戻ってくる光を検出する必要がある。これは、
出射光の一部を検出器に供給するとともにこの出射光を
入射光とカップルさせることのできるセパレータを必要
とすることを意味する。検出器に戻る信号は、セパレー
タが50−50タイプのときに最適値となる。 実際には第２のセパレータが必要となる。なぜなら、
ループ状の干渉計は、互いに逆方向に回転する光を入射
し、該ループを光が伝搬した後に２つの光を再結合させ
るセパレータ、すなわちビームスプリッタをループの入
口に備えている必要があるからである。 従来の光学機器の他に光を伝搬させるのに用いる素
子、例えば光集積回路や全ファイバ素子を用いることが
提案されている。 セパレータは一般に、光集積回路を特に用いて構成さ
れる。ところで２つのセパレータは同じ役割をもつわけ
ではない。第１のセパレータは少なくとも３つのシング
ルモードゲートを有する必要がある。これは、シングル
モード入出力フィルタおよびループを形成しているシン
グルモードファイバコイルの両端に効果的にカップルさ
せるためである。これに対し第２のセパレータは２つの
シングルモードゲートを有するだけでよい。すなわち、
光源つまりファイバの始端部とシングルモード入力出フ
ィルタにカップルさせるためである。検出器に向かって
開いているゲートは、干渉計がシングルモードでなけれ
ばシングルモードである必要はない。 そこで、本発明の目的は、ループ状相反型干渉計の構
成を簡単にすることである。 課題を解決するための手段 本発明によるならば、ループを形成するシングルモー
ド光ファイバと、所定の波長のコヒーレント光を放射す
る光放射手段と、該コヒーレント光のエネルギーを同時
にかつ等分に上記シングルモード光ファイバの両端に供
給し、該シングルモード光ファイバの該両端部から再び
放射される光エネルギーを再結合する分割混合手段と、
コアとクラッドを有し、上記分割混合手段と上記光放射
手段との間に設置されてモードフィルタを構成するシン
グルモード光ファイバの部分片と、上記シングルモード
光ファイバの上記両端部から放射される上記光のエネル
ギーの半分のエネルギーを有しつつ、該部分片から放射
される光ビームを、所定の平均伝搬方向に生じさせる方
向性損失を生み出す分岐手段と、該光ビームを検出する
光電検出手段とを備えるループ状相反型干渉装置におい
て、上記分岐手段は、 所定の厚さのクラッドのみを残すように該クラッドの
表面部を研磨して得られた平面部を有する、上記部分片
の一部と、 上記部分片の上記一部を支持し、上記平面部と水平に
なる平面部を有する支持台と、 上記部分片のコアの屈折率より大きな屈折率を有する
ブロックで形成され、上記平面部に当接する第１の平面
と上記光電検出手段が配置される第２の平面とを有し、
対称軸が上記平面部に対して所定の角度傾いた円柱部材
と から構成されており、上記光ビームは、モードフィルタ
を構成する上記部分片の上記一部から放射されて上記円
柱部材の壁面で反射され、上記円柱部材は、円柱レンズ
として機能して、該反射ビームを上記第２の平面上の光
電検出手段上に収束させることを特徴とする干渉装置が
提供される。 更に、本発明によるならば、ループを形成するシング
ルモード光ファイバと、所定の波長のコヒーレント光を
放射する光放射手段と、該コヒーレント光のエネルギー
を同時にかつ等分に上記シングルモード光ファイバの両
端に供給し、該シングルモード光ファイバの該両端部か
ら再び放射される光エネルギーを再結合する分割混合手
段と、コアとクラッドを有し、上記分割混合手段と上記
光放射手段との間に設置されてモードフィルタを構成す
るシングルモード光ファイバの部分片と、上記シングル
モード光ファイバの上記両端部から放射される上記光の
エネルギーの半分のエネルギーを有しつつ、該部分片か
ら放射される光ビームを、所定の平均伝搬方向に生じさ
せる方向性損失を生み出す分岐手段と、該光ビームを検
出する光電検出手段とを備えるループ状相反型干渉装置
において、上記分岐手段は、 上記部分片の所定の長さの細くなった部分と、 上記放射光に対して透明で、上記方向性損失を生み出
すコアの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質からな
り、上記細くなった部分を取り囲むスリーブと から構成され、上記光電検出手段は上記部分片を中心部
にはめ込んだ中央チャネルを備えるフォトダイオードに
より構成され、上記細くなった部分から放射されるビー
ムを捕えることを特徴とする干渉装置が提供される。 発明の実施の形態 添付の図面を参照した以下の説明により、本発明がよ
りよく理解できるようになるとともに本発明の特徴およ
び利点が明らかになろう。 まず最初に完全に相反的な光ファイバジャイロの主な
特徴について復習しておくことは有効であろう。 第１図は、従来のループ状相反型干渉計の一例の概略
図である。 この第１図においては、ループの部分はシングルモー
ド光ファイバ５で構成されているが、その他の部分には
従来通りの光学機器が用いられている。モードフィルタ
３が設けてあることでこの干渉計が完全に相反的になっ
ている。 光源10からの入射ビーム11はモードフィルタ３を通過
した後ハーフミラー４により２つに分岐される。一方の
ビーム12はレンズ41を介して光ファイバ５に入射させ
る。このレンズ41はビーム12の焦点を光ファイバ５の入
口50に合わせるためのものである。他方のビーム13はや
はりレンズ42を介して同じ光ファイバ５に入射させる。
レンズ42はビーム13の焦点を光ファイバ５の入口51に合
わせるためのものである。２つのビームは光ファイバ内
を互いに逆方向に伝搬して再びハーフミラー４のところ
へ戻ってくる。２つのビームは共にモードフィルタ３を
通過した後、ハーフミラー２により入射ビームと分離さ
れる。このハーフミラー２ではビームが一部反射されて
出力部６に供給される。出力部６に設置してある光検出
器60により干渉信号が検出される。 光路としてシングルモード光ファイバ５を用いたこと
で光路長がきわめて長くなっている。もっとも光ファイ
バは、一般に巻いてコイル状にして用いる。従って、超
高感度ジャイロを実現することができる。 エネルギー効率を改善するため、ディスクリート光学
素子を光集積回路で置換することが提案されている。 モードフィルタ３も光集積回路、あるいはもっと簡単
にシングルモード光ファイバで置換することが考えられ
る。実際、シングルモード光ファイバが数10cmあるだけ
でほぼ完璧なモードフィルタを構成することができる。 第２図は、簡単化されたこのタイプの干渉計の理論的
構成を示す図である。 この図では再統合した光を引き出して検出する手段は
わざと除いてある。 シングルモード光ファイバ５で構成されるループは、
その両端部が光分割兼再結合の機能を有する光集積回路
８に接続している。 この光集積回路８は、第１図のモードフィルタ３の役
割をもつシングルモード光ファイバ部７を介して光源10
と光学的に接続されている。 この図の装置は完全にシングルモードであるが、この
ままでは動作しない。なぜなら、戻ってくる光の一部を
取り出して検出しなければならないからである。 この目的で、第３図には3dBの分岐器が光集積回路８
と光源10の間に設置されている。この分岐器は、第３図
中で参照番号９が付されている。この分岐器は、シング
ルモード光ファイバの第１の断面70で光源に接続され、
光集積回路８に第２の断面71で接続されている。分岐器
９はさらに光学検出器60にも光学的に接続している。 本発明によれば、光源10と分岐器９の間の接続路およ
び分岐器９と光集積回路８の間の接続路のみがシングル
モードとなっている。分岐器９と光電検出器60の間の光
学的接続は簡単であってもよい。 分岐器９を構成するにはいろいろな方法がある。 第４図は分岐器９の第１の実施の形態を示す図であ
る。分岐器は、シングルモード光ファイバ７の曲線部と
その曲線部を固定する支持台90とから構成されている。
この実施の形態では、第２図に示した装置と同様、光源
10と集積回路８の間に接続される光ファイバは一本だけ
である。この光ファイバ７の所定位置に曲線部が設けら
れている。 曲率半径ｒを調節して、その曲線部を支持台90に固定
することにより特定方向のロスを生じさせることができ
る。このロスは50％に調整する。この値に調整するには
連続的にテストおよび測定を行う。 光集積回路８からの入射光は、入射時の半分のエネル
ギーをもつ光として伝搬する。残りのエネルギーは光フ
ァイバ７から放射されて、支持台90に取りつけられた光
電検出器60に伝達される。 光ファイバ７は本来その光ファイバの周囲を包囲して
いるクラッドよりも大きな屈折率をもつ媒体内に埋め込
まれている。この媒体としては、プラスチックケース内
の液体や使用している波長の光に対しては透明で、紫外
光を照射すると硬化する接合剤が可能である。 例えば波長が0.8ミクロンでシングルモード光ファイ
バのコア径が５ミクロンだと必要な曲率半径は1mmのオ
ーダーである。 第２の実施の形態では、分岐器９は、シングルモード
光ファイバ７のわずかに曲げられた部分と、後述する支
持台91と、同様に後述するブロック92とから構成されて
いる。シングルモード光ファイバ７のわずかに曲げられ
た部分の表面はエッチング後研磨してある。エッチング
はクラッドＧに対してのみ行う。光ファイバ７は支持台
91に固定されている。 研磨された領域の上にコアＣより大きな屈折率を有す
る直方体のブロック92が載せられる。例えば光ファイバ
がシリカ製の場合は、このブロックはガラスとすること
ができる。研磨部の平らな部分は支持台91の一方の面と
水平になっている。図ではこの面が上面となっている。
ロスが起こると、ブロック92の一方の面に対向した位置
に設置した光電検出器60により検知される。第５図では
光は左から右に伝搬することを仮定としているので、光
電検出器60はブロック92上右方向に設置されている。 支持台91は例えば硬化性の接合剤で製作することがで
きる。この支持台91の上面にはブロック92と光電検出器
60が設置されている。ロスの程度は、ブロック92の内面
とシングルモード光ファイバ７のコアＣの間に挟まれた
クラッドの厚さｅに依存する。 ロスは方向性をもつ。 方向性のあるロスのために、放射される光の平均角度
が比較的大きいという別の利点がある。 この現象を第６図を参照して説明する。 ブロック92の中央とクラッドＧの間の相互作用領域の
始端と終端で光線R1とR2を考える。相互作用領域の長さ
がａであるとすると以下の関係式が成り立つ。 nF×ａ＝nm×ｂ ・・（１） ここにnFは光ファイバの屈折率、 nmはブロック92の中央部の屈折率、 ａは相互作用領域の長さ、 ｂは光ファイバからの光線R1の出口と光線R2の出口を
通る位相平面PPの間を光線R1が伝搬する場合の光学距離
である。 位相条件を考慮すると、以下の関係式が満たされる必
要がある。 あるいは、 ここにθｍは光線R1がクラッドの表面、すなわち研磨
された表面となす角である。 値が１より小さくなると角度な急速に大きくなる。シ
リカに対してはnFは1.46である。従って各θｍは16度に
等しい。 本発明はさらに別の利点がある。 相互作用領域は比較的長くすることができる。例えば
光ファイバ７の曲率半径を３〜10cmにすると相互作用領
域の長さａは1mmのオーダーになる。この長さは相互作
用領域の縦方向の長さに依存する。 第７図に示すように、光ファイバの曲線部の研磨され
た表面領域、すなわち相互作用領域は楕円形である。 相互作用領域の最大幅はｂに等しい。先に示した曲率
半径と相互作用領域の長さだとｂは一般に数ミクロンの
オーダーとなる。 ブロック92の中央部と相互作用してロスを生み出す研
磨領域はコーヒーレントなエネルギー放射源として振舞
う。また、研磨領域Ｓに垂直な縦方向の平面内での回折
は10-3ラジアンのオーダーで極めて小さい。これに対し
研磨領域と角θｍをなす平面内の回折角αは比較的大き
い。この回折角αは通常10〜20度である。 最後に、先に述べたように、ブロック92の屈折率は光
ファイバ７のコアＣの屈折率よりも大きくなくてはなら
ない。しかしこの条件は特に厳密な調整をしなくても多
数の物質が満たすことのできるものである。 第８図はロス（単位はdB）をブロック92の屈折率の関
数として表わしたグラフである。このグラフからわかる
ように、光ファイバのコアの屈折率の値の直後のピーク
を過ぎると曲線はゆるやかに変化するだけである。２本
の曲線がクラッドの厚さの任意の２つの値e1とe2につい
て描いてある。 上記の実施の形態では、コアは屈折率が1.46のシリカ
製であり、ブロック92は屈折率が1.52のガラス製である
と仮定した。 実際には徐々に研磨を行い、所定の物質からなるブロ
ック92に対してロスができるだけ3dBに近くなるように
することができる。 本実施例の形態においてはガラスの場合クラッドの厚
さｅとして厚さe2が必要であると仮定する。 例えば外径が100ミクロンでコア径が５ミクロンの光
ファイバについて上記の数値を仮定すると厚さｅが２〜
５ミクロンのときに3dBというロスが得られる。 上記第２の実施の形態はさらに改良することが可能で
ある。 実際、光は光ファイバ７内を両方向にガイドされて伝
搬する。すなわち、光源から放射される光とループの出
口で再結合される光である。後者の光のみが問題であっ
て、この光が検出される。 これに対しロスは両方向の伝搬に関係する。 ブロック92の代わりに、鏡の役割を果たすとともに必
要な光を時定の方向に透過させる面を備える素子を配置
する。 第９図はこの配置状態を示す図である。 第９図に一本の光線Ｒ′で示されたビームは、光源か
ら放射されてループに伝達される間にロスとなる光に対
応する。このビームは除去する、さらに詳しくは必要な
ビームと干渉する危険性がない方向に伝搬させる必要が
ある。必要な光は光線Ｒで示してある。この光線Ｒは再
度結合して再び光源の方向に伝搬する光に対応する。 第９図に示した実施の形態では光線Ｒは鏡Ｍを構成し
ている面で反射される。従って、光ファイバ７の上方に
光検出器を設置することができる。 実施例 第９図に示した第２の実施の形態は、実際第10図に示
すように、光ファイバ上方の設置される素子は円柱形の
部材93から構成される。この円柱部材は平らな面を２つ
備えている。これら平らな面はそれぞれ互いに平行な平
面p1およびp2に含まれる。このため出力平面である下平
面p2は光ファイバ７の研磨領域と平行となる。 しかし、交差面は円柱部材の対称軸線Δに垂直ではな
い。 光電検出器60を上平面p1上に設置することができる。
この光電検出器は例えば従来からあるTO5タイプのケー
スとすることが可能である。このケース内には光電検出
器が、入力窓が平面p1と光学的に接続するように収納さ
れている。 必要なビームＲは円柱部材93の壁面で反射される。先
に述べた場合と同様、円柱部材を構成する物質の屈折率
は光ファイバ７のコアＣの屈折率よりも大きくなくては
ならない。 不要なビームＲ′は、ビームＲとは異なり円柱部材93
の壁面で屈折して、相互作用領域を形成する平面とほぼ
平行な方向に伝搬していく。 円柱部材93の軸線Δと相互作用領域の平面p2がなす角
度γおよびこの相互作用領域の平面p2と光電検出器60と
の距離ｈをともに正しく調整して、反射されたビームを
光電検出器の中央部に収束させることができる。 実際、円柱部材93は鏡としての役割の他に円柱レンズ
の役割をもつ。先に述べたように、相互作用領域をなす
平面と角θｍをなす平面内での回折角は大きい。ビーム
Ｒは従ってこの平面内で発散する。 円柱部材93は、壁面で反射した後のビームＲを再び収
束させる。もし先に述べた条件が満たされる場合にはさ
らに、反射後のビームを平面p1内の一点あるいはこの平
面近傍の一点に集めることができる。さらに詳しく説明
すると、ビームの焦点は、光電検出器60の能動面上に合
っていなくてはならない。 一般に、円柱部材93の壁面でほぼ完全に反射が起こる
ことに注意する必要がある。このため円柱部材の外面を
メッキしなくてもよい。 同様に、円柱部材93により構成される光学装置は高性
能である必要はない。従って、光ファイバのクラッドＧ
を研磨することは重要でない。実際、円柱部材93と同じ
屈折率を有する部材を固定するのに紫外線で硬化する接
合剤を用いると、研磨による欠陥がかなりの程度減少す
る。これは接合剤が、存在している凹凸を埋めるからで
ある。 円柱部材93の底面は研磨領域の全面を覆っている必要
がある。 例えば、角γは一般に60度ぐらいである。高さｈは、
円柱部材93の横断面の直径の約3/4である。例えば直径
が2mmだと高さｈは1.5mmである。 これまで説明してきた装置は実現が容易で、重要なパ
ラメータをもたないことに注目されたい。 さらに、考えられる応用、すなわちジャイオが用いら
れる場合の問題点のひとつは温度変化によるドリフトで
あることを思い起こされたい。 第８図に示される曲線からわかるように、傾斜がゆる
やかな、温度に対して安定な領域がある。 さらに、ロスの最適値は3dBであって、これは光の50
％が捕えられ、50％が逃げていくことに対応している。 この値は臨界的な意味をもたない。なぜなら、50％−
50％のときに積は0.25であるが、40％−60％あるいは60
％−40％のときに積は0.24だからである。 従って、ロスを50％に調整することは重要ではない。 第11図は本発明の装置の第３の実施の形態を具体化し
た実施例示す図である。 光ファイバ７は細くなった部分を有する。これは引き
伸ばしにより可能である。 光ファイバ７は、コアＣの屈折率より大きい屈折率を
もつ物質からなるスリーブ94に取り囲まれている。 この場合もロスは方向性をもっており、検出器により
そのロスが検出される。この目的で、第11図に示すよう
に、光ファイバがスリーブ94の上方の環状検出器60内に
はめ込まれている。この環状検出器60は支持台600と光
ファイバ７から放射された光を受信する能動領域601を
備えている。 環状検出器60は円盤状の従来のフォトダイオードのよ
うな光検出器から簡単に構成することができる。円盤の
中央チャネル602は従来から知られている適当な任意の
方法、例えば化学的エッチングにより形成する。 発明の効果 以上説明した本発明による装置はすべて簡単で温度に
対する安定性がすばらしいという特徴をもつ。さらに、
屈折率差が小さくて調整が難しいとか、位置決めに高い
精度を要するといったことがない。 この装置はまた、いわゆる干渉計の部分は完全にシン
グルモードの性質を保っている。 本発明は上記の実施例のみに限られるものではなく、
当業者が容易に実施可能な変更はすべて本発明に含まれ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の干渉計の概略図であり、
第２図および第３図は、本発明の干渉計の概略図であ
り、 第４図は、本発明による装置の第１の実施の形態を示す
図であり、 第５図から第９図は、本発明による装置の第２の実施の
形態を示す図であり、 第10図は、本発明による装置の第２の実施の形態を具体
化した１つの実施例を示す図であり、 第11図は、本発明による装置の第３の実施の形態を具体
化した１つの実施例を示す図である。 （主な参照番号） 2,4……ハーフミラー、 ３……モードフィルタ、 5,7……光ファイバ、６……出力部、 ８……光集積回路、９……分岐器、 11……入射ビーム、12,13……ビーム、 41,42……レンズ、 60……光電検出器，環状検出器、 90,91,600……支持台、92……ブロック、93……円柱部
材、 94……スリーブ、 601……能動領域、602……中央チャネル
り、 第４図は、本発明による装置の第１の実施の形態を示す
図であり、 第５図から第９図は、本発明による装置の第２の実施の
形態を示す図であり、 第10図は、本発明による装置の第２の実施の形態を具体
化した１つの実施例を示す図であり、 第11図は、本発明による装置の第３の実施の形態を具体
化した１つの実施例を示す図である。 （主な参照番号） 2,4……ハーフミラー、 ３……モードフィルタ、 5,7……光ファイバ、６……出力部、 ８……光集積回路、９……分岐器、 11……入射ビーム、12,13……ビーム、 41,42……レンズ、 60……光電検出器，環状検出器、 90,91,600……支持台、92……ブロック、93……円柱部
材、 94……スリーブ、 601……能動領域、602……中央チャネル
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭52−63349（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−123808（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−218020（ＪＰ，Ａ)
特開 昭54−78145（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−83512（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−235719（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．ループを形成するシングルモード光ファイバ（５）
と、 所定の波長のコヒーレント光を放射する光放射手段（1
0）と、 該コヒーレント光のエネルギーを同時にかつ等分に上記
シングルモード光ファイバの両端（50、51）に供給し、
該シングルモード光ファイバの該両端部から再び放射さ
れる光エネルギーを再結合する分割混合手段（８）と、 コア（Ｃ）とクラッド（Ｇ）を有し、上記分割混合手段
と上記光放射手段との間に設置されてモードフィルタを
構成するシングルモード光ファイバの部分片（７）と、 上記シングルモード光ファイバの上記両端部から放射さ
れる上記光のエネルギーの半分のエネルギーを有しつ
つ、該部分片から放射される光ビームを、所定の平均伝
搬方向に生じさせる方向性損失を生み出す分岐手段
（９）と、 該光ビームを検出する光電検出手段（60）と を備えるループ状相反型干渉装置において、上記分岐手
段（９）は、 所定の厚さのクラッドのみを残すように該クラッドの表
面部を研磨して得られた平面部を有する、上記部分片
（７）の一部と、 上記部分片（７）の上記一部を支持し、上記平面部と水
平になる平面部を有する支持台（91）と、 上記部分片のコアの屈折率より大きな屈折率を有するブ
ロックで形成され、上記平面部に当接する第１の平面と
上記光電検出手段が配置される第２の平面とを有し、対
称軸が上記平面部に対して所定の角度（γ）傾いた円柱
部材（93）と から構成されており、上記光ビームは、モードフィルタ
を構成する上記部分片の上記一部から放射されて上記円
柱部材の壁面で反射され、上記円柱部材は、円柱レンズ
として機能して、該反射ビームを上記第２の平面上の光
電検出手段上に収束させることを特徴とする干渉装置。 ２．上記部分片はシリカを主体としており、上記円柱部
材は該部分片のコアの屈折率より屈折率の大きな物質は
ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の干渉装
置。 ３．上記部分片のコアの屈折率より大きな屈折率を有す
る物質は、紫外線照射により硬化する接合剤を主体とす
ることを特徴とする請求項１に記載の干渉装置。 ４．ループを形成するシングルモード光ファイバ（５）
と、 所定の波長のコヒーレント光を放射する光放射手段（1
0）と、 該コヒーレント光のエネルギーを同時にかつ等分に上記
シングルモード光ファイバの両端（50、51）に供給し、
該シングルモード光ファイバの該両端部から再び放射さ
れる光エネルギーを再結合する分割混合手段（８）と、 コア（Ｃ）とクラッド（Ｇ）を有し、上記分割混合手段
と上記光放射手段との間に設置されてモードフィルタを
構成するシングルモード光ファイバの部分片（７）と、 上記シングルモード光ファイバの上記両端部から放射さ
れる上記光のエネルギーの半分のエネルギーを有しつ
つ、該部分片から放射される光ビームを、所定の平均伝
搬方向に生じさせる方向性損失を生み出す分岐手段
（９）と、 該光ビームを検出する光電検出手段（60）と を備えるループ状相反型干渉装置において、上記分岐手
段（９）は、 上記部分片の所定の長さ（ａ）の細くなった部分と、 上記放射光に対して透明で、上記方向性損失を生み出す
コアの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質からな
り、上記細くなった部分を取り囲むスリーブ（94）と から構成され、上記光電検出手段は上記部分片を中心部
にはめ込んだ中央チャネル（602）を備えるフォトダイ
オードにより構成され、上記細くなった部分から放射さ
れるビームを捕えることを特徴とする干渉装置。 ５．上記部分片はシリカを主体としており、上記スリー
ブは該部分片のコアの屈折率より屈折率の大きな物質は
ガラスであることを特徴とする請求項４に記載の干渉装
置。 ６．上記部分片のコアの屈折率より大きな屈折率を有す
る物質は、紫外線照射により硬化する接合剤を主体とす
ることを特徴とする請求項４に記載の干渉装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8516600A FR2590015B1 (fr) | 1985-11-08 | 1985-11-08 | Dispositif interferometrique en anneau reciproque a fibre optique monomode |
| FR8516600 | 1985-11-08 |
Publications (2)
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