JP2751599B2 - Hikaribaiyairo - Google Patents

Hikaribaiyairo

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JP2751599B2
JP2751599B2 JP2225616A JP22561690A JP2751599B2 JP 2751599 B2 JP2751599 B2 JP 2751599B2 JP 2225616 A JP2225616 A JP 2225616A JP 22561690 A JP22561690 A JP 22561690A JP 2751599 B2 JP2751599 B2 JP 2751599B2
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fiber
light
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optical
polarization
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隆樹 岩下
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。
そこで変調波周波数またはその整数倍の周波数のキャリ
ア信号を作り、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調、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で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φと
すると、偏光子を通り抜ける光量はcosφ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 Sup
erluminescent Diode",ELECTRONICS LETTERS,vol.17,N
o.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
アを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。つまりひとつは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
zer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。しかも難れの結晶の厚みも、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26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, if a carrier signal having a modulation wave frequency or an integer multiple thereof is created and the output of the light receiving element is synchronously detected by this, a fundamental wave component or an arbitrary harmonic component can be obtained. 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 tone 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 2n0 ) = 0. If the amplitude of light fluctuates, the fundamental wave may be divided by the fourth harmonic to find the phase difference 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, the polarization-maintaining optical fiber is more expensive than a simple single-mode optical fiber, and is therefore 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 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 between the main axis and φ is φ, the amount of light passing through the polarizer decreases in proportion to cos φ. 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 Sup
erluminescent Diode ", ELECTRONICS LETTERS, vol.17, N
o.10, p352 (1981), has proposed such an optical fiber gyro. 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 enters a small fiber core, but is linearly polarized because of the presence of the polarizer 23. That is, only one mode of polarization plane is passed. This fiber 25 is connected to another fiber 27 by a coupler 26. Here, the light is separated into left-handed light and right-handed light. The right-handed light exits the space once from the fiber 25 and enters the lens 28, the depolarizer 29, and the lens 30.
, And again enters the fiber 3 and propagates the fiber coil 4 clockwise. 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 zer, which 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 the difficult 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 26 is connected to a fiber 32 connected to a 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パ
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にものになる。またプリズムによ
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、このパルク光
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
れは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、通過する光量は少なくなる。
第2図、第3図のようにパ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 parc 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 after they are converted to optical fibers. Also, it is equally undesirable to use a beam splitter consisting of a prism, which 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 Parc optical components, with an optical fiber. The light emitted from the light emitting element 1 is linearly polarized light, which may rotate in the plane of polarization in the optical fiber reaching 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.
In the case of using a polarizer made of a Parc optical crystal as shown in FIGS. 2 and 3, the polarizer can be adjusted by rotating the polarizer 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偏光子に至るシングルモード光ファ
イバ中にもうひとつデポラライザを追加する。このデポ
ラライザは発光素子と第1のカップラとの間に設けても
良いし、第1のカップラとファイバ型偏光子の間に設け
ても良い。 デポラライザとしては、2本の偏波面保存光ファイバ
を、光学主軸が約45゜捩じれた状態で軸方向に接続した
ものを用いる。その長さの比は1:1以上とする。短い方
の偏波面保存光ファイバの長さは、複屈折による光路差
が、発光素子のコヒーレント長より長くなるようにす
る。このようなデポラライザは公知である。
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, another depolarizer is added to the single mode optical fiber from the light emitting element to the polarizer. The depolarizer may be provided between the light emitting element and the first coupler, or may be provided between the first coupler and the fiber polarizer. As the depolarizer, a two-polarization preserving optical fiber in which the main optical axis is twisted by about 45 ° and connected in the axial direction is used. The length ratio shall be 1: 1 or more. The length of the shorter polarization maintaining fiber is set so that the optical path difference due to birefringence is longer than the coherent length of the light emitting element. Such depolarizers are known.

【作 用】[Operation]

本発明の装置に於いては発光素子とファイバ型偏光子
をつなぐシングルモード光ファイバの途中に新しくデポ
ラライザを入れているから、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 apparatus of the present invention, a depolarizer is newly inserted in the middle of the single mode optical fiber connecting the light emitting element and the fiber type polarizer, so that the light passing therethrough changes from linearly polarized light to non-polarized 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、デポラライ
ザ2、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2、3は直線偏光を無偏光にする素子で
ある。第2のデポラライザを入れることは第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
は第1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
であるから、短い方の光ファイバが前記の条件を満たさ
なければならない。偏波面がx方向、y方向である光の
屈折率をnx、ny、ファイバの長さをl、発光素子のコヒ
ーレント長をhとすると、 (nx-ny)l>h (4) ということである。このようなことは公知であるが、デ
ポラライザをファイバ化したものが広く使われている訳
ではないのでここに説明する。 第1の偏波面保存光ファイバの偏波面の主軸に対し
て、角ψをなす偏波面を有する光が入射したとする。こ
れは偏波面主軸がx方向の光とy方向の光に分けられ
る。これらの光の位相速度が違い実質的な屈折率が異な
る。そしてこの光ファイバを通り抜けたそれぞれの偏波
面の光はもはや干渉できない距離だけ離れている。これ
が(4)の条件である。 x方向の成分はcos ψ、y方向の成分はsin ψで示さ
れる。この光が2番目の偏波面保存光ファイバに入る。
これが1番目の偏波面保存光ファイバに対してΘだけ捩
じれているとする。2番目の偏波面保存光ファイバのx
成分はcos ψcos Θと−sin ψsin Θとから生ずる。こ
れらは光路長がコヒーレント長以上であるのでもはや干
渉しない。従ってx方向に偏波面を持つ光の強度PXは、 Px=(cos ψcos Θ)+(sin ψsin Θ) (5) と書くことができる。(4)がなりたつので(5)式右
辺に現れるべき交差項が消えてしまう。 同じくy成分はcos ψsin Θとsin ψcos Θとから生
じる。これらも互いに干渉しないのでy方向に偏波面を
持つ光の強度Pyは、 Py=(cos ψsin Θ)+(sin ψcos Θ) (6) となる。無偏光というのはxy平面の全ての方向に偏波面
を持つ光が平等に存在するということである。これはPx
=Pyということである。入射光の偏波面の方向ψがいか
なるものであっても、Px=PyとなるのはΘ=π/4(45
゜)の時のみである。こういう理由でデポラライザは偏
波面主軸が45゜異なるように2つの複屈折率物体を接続
するのである。偏波面保存光ファイバも複屈折性を持つ
から利用できる。 そして厚みを1:2にするのは、第1の偏波面保存光フ
ァイバによって光路差がコヒーレント長以上であったも
のが、第2の偏波面保存光ファイバを通ることにより再
び接近してしまうのを防ぐためである。もしも1:1の長
さであれば、前述のcos ψsin Θ、sin ψcos Θの光の
光路差が0になってしまい干渉することになる。 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
ア間の距離は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。
発光素子1とファイバ端の間には集光光学系10がある。
第2ファイバ光路12は第ファイバカップラ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と発光
素子6とを連絡する。第6ファイバ光路16はファイバカ
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が設けられる。位相
変調器5、第2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ている。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。 第1のデポラライザ2は第1ファイバ光路11の途中に
ある。この例ではそのようになっているが、(破線に示
すように)第2ファイバ光路12の、第1ファイバカップ
ラ7とファイバ型偏光子9の間に第1デポラライザ2を
設けても良い。ファイバ型偏光子9より前にあれば良い
のである。 発光素子1より出射された光は直線偏光であるが、第
1のデポラライザ2で無偏光になる。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
たん無偏光になるから、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, depolarizers 2, 3, a fiber coil 4, a phase modulator 5, a light receiving element 6, fiber couplers 7, 8, a fiber polarizer 9, and the like. Interconnected. The light emitting element 1 is a light source that emits monochromatic light. Laser diodes and pearlescent diodes are used.
However, the coherent length must be short. The depolarizers 2 and 3 are elements for converting linearly polarized light into non-polarized light. Introducing the second depolarizer is shown in FIG.
It also appears in the figure and is well known. However, in the present invention, a first depolarizer is added. This is new. The depolarizer is also made of optical fiber. As shown in FIG. 4, two polarization-maintaining optical fibers are connected in the axial direction such that the main optical axis forms 45 °. Then, the optical path difference of the light having two polarization planes is set to be equal to or longer than the coherent length of the light emitting element. The length of two optical fibers is 2: 1
Therefore, the shorter optical fiber must satisfy the above condition. Polarization plane x-direction, the refractive index of the optical n x a y-direction, n y, the length of the fiber l, when the coherence length of the light emitting element and h, (n x-ny) l> h (4) That's what it means. Although this is known, a fiberized depolarizer is not widely used and will be described here. It is assumed that light having a polarization plane that forms an angle 入射 with respect to the principal axis of the polarization plane of the first polarization-maintaining optical fiber is incident. This is divided into light whose main axis of polarization is in the x direction and light in the y direction. The phase velocities of these lights are different, and the substantial refractive indexes are different. The lights on the respective polarization planes passing through the optical fiber are separated by a distance that can no longer interfere with each other. This is the condition (4). The component in the x direction is represented by cosψ, and the component in the y direction is represented by sinψ. This light enters the second polarization-maintaining optical fiber.
It is assumed that this is twisted by Θ with respect to the first polarization maintaining fiber. X of the second polarization-maintaining optical fiber
The components come from cos {cos} and -sin {sin}. They no longer interfere because the optical path length is greater than the coherent length. Therefore, the intensity P X of light having a polarization plane in the x direction can be written as P x = (cosscosΘ) 2 + (sinψsinΘ) 2 (5). Since (4) has occurred, the cross term that should appear on the right side of equation (5) disappears. Similarly, the y component comes from cos {sin} and sin {cos}. Since they do not interfere with each other, the intensity P y of the light having the polarization plane in the y direction is P y = (cosψsinΘ) 2 + (sinψcosΘ) 2 (6). Non-polarized light means that light having polarization planes in all directions of the xy plane exists equally. This is P x
= Is that P y. Regardless of the direction ψ of the plane of polarization of the incident light, P x = P y is satisfied by Θ = π / 4 (45
Only at the time of ゜). For this reason, the depolarizer connects two birefringent objects such that the principal axes of polarization differ by 45 °. A polarization-maintaining optical fiber can also be used because it has birefringence. The reason why the thickness is set to 1: 2 is that the optical path difference caused by the first polarization-maintaining optical fiber is longer than the coherent length, and then approaches again by passing through the second polarization-maintaining optical fiber. It is to prevent. If the length is 1: 1, the optical path difference between the aforementioned cos {sin} and sin {cos} becomes zero, causing interference. 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. Since the distance between the cores is small, evanescent coupling occurs. 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.
There is a focusing optical system 10 between the light emitting element 1 and the fiber end.
The second fiber optical path 12 communicates between the second fiber coupler 7 and the second fiber coupler 8. Third fiber optical path 13
The fourth fiber optical path is 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 emitting element 6. The sixth fiber optical path 16 is a remainder of the fiber connected to the fiber coupler 8 and has a free end. The seventh fiber optical path 17 is connected to the first fiber coupler 7.
And the free end of the fiber leading to If the branching element is a fiber coupler, a surplus portion ending at the free end is inevitably generated. A fiber polarizer is provided in the second fiber optical path 12 between the first and second fiber couplers 7 and 8. The phase modulator 5 and the second 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 first depolarizer 2 is on the first fiber optical path 11. Although this is the case in this example, a first depolarizer 2 may be provided in the second fiber optical path 12 between the first fiber coupler 7 and the fiber polarizer 9 (as shown by the dashed line). It suffices if it is before the fiber polarizer 9. The light emitted from the light emitting element 1 is linearly polarized light, but becomes unpolarized by the first depolarizer 2. This reaches the fiber type polarizer 9 and becomes linearly polarized light in a certain direction. Once the light becomes 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 depolarizer is provided between the light-emitting element and the fiber polarizer, whereby the linearly polarized light is once depolarized and then passed through the fiber polarizer, so that the amount of light passing through the 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を用いたデポラライザの
概略図。 1……発光素子 2……第1デポラライザ 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 ... 1st depolarizer 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 Focusing 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

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−106519(JP,A) 特開 昭63−95312(JP,A) 特開 平4−106417(JP,A) 特開 平4−106420(JP,A) 特開 平3−233315(JP,A) 特開 平3−152416(JP,A) 特表 昭58−500458(JP,A) 米国特許4529313(US,A) Polarization and depolarization in the fiber−optic gy roscope,R.Ulrich, (Fiber−Optic Rotat ion Sensors and Re lated Technologie s,52−77,1982),Selected Papers on Fiber O ptic Gyroscopes P. 239−264,SPIE Milestoh e Series Volume MS 8Continuation of the front page (56) References JP-A-63-106519 (JP, A) JP-A-63-95312 (JP, A) JP-A-4-106417 (JP, A) JP-A-4-106420 (JP) JP-A-3-233315 (JP, A) JP-A-3-152416 (JP, A) JP-A-58-500458 (JP, A) U.S. Pat. No. 4,529,313 (US, A) Polarization and depolarization in the fiber -Optic gyroscope, R.C. Ulrich, (Fiber-Optical Rotation Sensors and Related Technologies, 52-77, 1982), Selected Papers on Fiber Optics Gyroscopes P. 239-264.

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持つ第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偏波面保存光ファイバを円筒状に
巻き直交する偏波面の2つのモードのうち一つを減衰さ
せ他方のモードを通過させ直線偏光を得るようにしたフ
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ファイバ光路の途中に設けられ直交偏波面を持つ光の
光路差が光源のコヒーレント長以上である偏波面保存フ
ァイバ2を光学主軸が45度をなすように軸方向に接続し
光の偏波面をランダムにする第1のデポラライザと、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
れ直交偏波面を持つ光の光路差が光源のコヒーレント長
以上である偏波面保存ファイバ2を光学主軸が45度をな
すように軸方向に接続し光の偏波面をランダムにする第
2のデポラライザとを含み、光路が全て光ファイバで構
成されており、発光素子から出射した光を第1のデポラ
ライザで無偏光にしてからファイバ型偏光子へ通すよう
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; and a polarization-maintaining optical fiber provided in the middle of the second fiber optical path, which is formed by winding a polarization-maintaining optical fiber into a cylindrical shape. A fiber polarizer that attenuates one of the two modes of the wavefront and passes the other mode to obtain linearly polarized light, and the phase of light propagating in the optical fiber provided near one end of the fiber coil A phase modulator that modulates light, and an optical path difference of light having an orthogonal polarization plane provided in the middle of a first fiber optical path connecting the light emitting element and the first fiber coupler. A first depolarizer for connecting the polarization preserving fiber 2 having a length equal to or longer than the optical fiber length in the axial direction so that the optical principal axis forms 45 degrees and randomizing the polarization plane of the light, and the both ends of the fiber coil and the second fiber coupler. The polarization preserving fiber 2 which is provided in the middle of the third fiber optical path or the fourth fiber optical path and has an orthogonal polarization plane and whose optical path difference is equal to or longer than the coherent length of the light source is axially oriented so that the optical principal axis is at 45 degrees. And a second depolarizer for connecting and randomizing the polarization plane of the light, wherein the optical path is entirely constituted by an optical fiber, and the light emitted from the light emitting element is depolarized by the first depolarizer, and then a fiber polarizer is provided. An optical fiber gyro, characterized in that it passes through the optical fiber gyro.
【請求項2】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持つ第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偏波面保存光ファイバを円筒状に
巻き直交する偏波面の2つのモードのうち一つを減衰さ
せ他方のモードを通過させ直線偏光を得るようにしたフ
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、第2ファイバ光路の第1ファイバカップラと
ファイバ型偏光子の中間に設けられ直交偏波面を持つ光
の光路差が光源のコヒーレント長以上である偏波面保存
ファイバ2本を光学主軸が45度をなすように軸方向に接
続し光の偏波面をランダムにする第1のデポラライザ
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
設けられ直交偏波面を持つ光の光路差が光源のコヒーレ
ント長以上である偏波面保存ファイバ2本を光学主軸が
45度をなすように軸方向に接続し光の偏波面をランダム
にする第2のデポラライザとを含み、光路が全て光ファ
イバで構成されており、発光素子から出射した光を第1
のデポラライザで無偏光にしてからファイバ型偏光子へ
通すようにしたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
2. An optical fiber gyro which is based on the principle that light is propagated left and right in a fiber coil and the rotational angular velocity of the fiber coil is determined from the phase difference between the two lights. 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; and a polarization-maintaining optical fiber provided in the middle of the second fiber optical path, which is formed by winding a polarization-maintaining optical fiber into a cylindrical shape. A fiber polarizer that attenuates one of the two modes of the wavefront and passes the other mode to obtain linearly polarized light, and the phase of light propagating in the optical fiber provided near one end of the fiber coil And a phase modulator that modulates the light, and an optical path difference between the light having the orthogonal polarization plane provided between the first fiber coupler and the fiber polarizer in the second fiber optical path. A first depolarizer for connecting two polarization-maintaining fibers having a coherence length or more in the axial direction so that the optical principal axis forms 45 degrees and randomizing the polarization plane of light, and both ends of a fiber coil and a second fiber coupler; The optical principal axis is connected to two polarization plane preserving fibers that are provided in the middle of the third fiber optical path or the fourth fiber optical path and that have orthogonal polarization planes and whose optical path difference is equal to or longer than the coherent length of the light source.
A second depolarizer that is connected in the axial direction so as to form an angle of 45 degrees and randomizes the plane of polarization of light, wherein the entire optical path is formed of an optical fiber;
An optical fiber gyro characterized in that the light is depolarized by a depolarizer and then passed through a fiber polarizer.
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