JP3451230B2 - 共振型光ファイバジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光リング共振器を
慣性回転速度の検出要素とする共振型光ファイバジャイ
ロに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、船舶や航空機等の航走体
の慣性回転速度（角速度）を検出する手段としてジャイ
ロが用いられてる。従来広く知られたジャイロは、回転
するコマが一定姿勢を維持しようとする性質を利用した
ものであるが、近年、より高精度かつダイナミックレン
ジの広いジャイロとして、光リング共振器を用いた共振
型光ファイバジャイロが研究されている。この共振型光
ファイバジャイロは、例えば電子情報通信学会誌別冊
（Vol.73 No.2 pp.149-16 1990）等に周知技術として記
載されているように、サニャック効果（Sagnac effec
t）による光リング共振器の共振周波数の変化から航走
体の角速度を検出するものである。このサニャック効果
とは、回転座標系において回転方向に沿って光が１周す
る時間と逆方向に光が１周する時間とに差異が生じると
いうものである。

【０００３】共振型光ファイバジャイロでは、角速度の
検出軸に対してリング面が直交するように配置された光
リング共振器について、光周波数変調された所定波長の
レーザ光を検出軸に対して時計回り（ＣＷ：Clock Wis
e）方向から光リング共振器に入射させると共に検出軸
に対して反時計回り（ＣＣＷ：Counter Clock Wise）方
向からも同様に光周波数変調されたレーザ光を入射させ
る。この結果、光リング共振器の共振周波数に一致する
周波数のレーザ光部位は、共振によって他の周波数のレ
ーザ光部位よりも光強度が高くなる。このような光リン
グ共振器を検出軸周りに回転させた場合、上記ＣＷ方向
から入射されたレーザ光（ＣＷ光）及びＣＣＷ方向から
入射されたレーザ光（ＣＣＷ光）の共振周波数は、サニ
ャック効果によって変化する。

【０００４】共振型光ファイバジャイロは、このような
ＣＷ光及びＣＣＷ光を同期検波器を用いて検波すること
により、ＣＷ光及びＣＣＷ光の各々の共振周波数の変化
を検出する。例えば航走体が時計回りに回転した場合、
光リング共振器の当該時計回り方向の光路長は長くなる
のでＣＷ光の共振波長が長くなる（つまり共振周波数は
低くなる）と共に、反時計方向に光リング共振器内を伝
搬するＣＣＷ光の共振波長は短くなるので共振周波数は
高くなる。

【０００５】また、このような共振型光ファイバジャイ
ロでは、上記同期検波器の検波出力を所定の基準電圧と
比較することによって、レーザ光源から出力されるレー
ザ光の波長（光周波数）が光リング共振器の基準共振周
波数となるようにフィードバック制御されている。この
基準共振周波数は、光リング共振器が回転することなく
静止した状態、例えば航走体が静止した状態における光
リング共振器の共振周波数である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１は、上
記同期検波器の入出力特性を示す特性図である。この図
において、上段特性図は同期検波器の入力レベル（光強
度）の光周波数特性を示しており、下段特性図は同期検
波器の出力レベルの光周波数特性を示している。下段特
性図に示すように、同期検波器の出力レベルは、一般に
言うＳ字特性、すなわち光強度がＰ3以下となる光周波
数ｆ1から光周波数ｆ2に亘る検波領域では特性Ｔ0で示
すように光周波数に対して負から正のレベルにほぼ直線
的に変化し、例えば光周波数ｆ0（光強度Ｐ1）つまり光
リング共振器の共振周波数において「０」となり、この
検波領域を逸脱すると、つまり光強度がＰ3を越える領
域では特性Ｔ1，Ｔ2で示すように徐々に「０」に収束す
る。

【０００７】すなわち、同期検波器では、原理的に光周
波数ｆ0（基準共振周波数）と該基準共振周波数ｆ0とは
異なる光周波数ｆ3，ｆ4において出力レベルが「０」と
なるため、上記レーザ光源の光周波数のフィードバック
制御において、例えばレーザ光の周波数変調における周
波数偏移が上記検波領域を越えて光周波数ｆ3，ｆ4を包
含するような帯域に設定されていた場合、レーザ光の周
波数は、本来設定しようとする基準共振周波数ｆ0では
なく、光周波数ｆ3，ｆ4に設定されることがある。

【０００８】本発明は、上述する問題点に鑑みてなされ
たもので、以下の点を目的とするものである。 （１）共振型光ファイバジャイロの性能向上を図る。 （２）共振型光ファイバジャイロにおける光の光周波数
制御の信頼性を向上させる。 （３）共振型光ファイバジャイロにおける光の光周波数
を確実に基準共振周波数に設定する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の手段として、光リング共振器内を伝搬する光
のサニャック効果による共振周波数の変化から航走体の
慣性回転速度を検出する共振型光ファイバジャイロにお
いて、光リング共振器の出力光を同期検波して得られた
制御信号に基づいて光源部を制御することにより、光リ
ング共振器に入射させる光の光周波数を光リング共振器
が静止した状態における基準共振周波数に設定する定常
制御ループと、光リング共振器の出力光の基準共振周波
数における光強度とこれ以外の光周波数における光強度
との差異に基づいて前記光周波数の設定状態を判定し、
この判定結果に基づいて定常制御ループに補正信号を出
力する共振周波数ロック補正手段とを備える手段を採用
する。

【００１０】第２の手段として、上記第１の手段におい
て、光リング共振器の出力光の光強度を示す電気信号を
本来の同期検波範囲における光リング共振器の出力光の
光強度を示す基準電圧と比較し、その比較結果をロック
判定信号として出力する共振周波数ロック判定部と、こ
のロック判定信号に基づいてバイアス電圧を発生するバ
イアス発生部と、このバイアス電圧を補正信号として定
常制御ループに供給する比較器とから共振周波数ロック
補正手段を構成するという手段を採用する。

【００１１】第３の手段として、上記第１の手段におい
て、光リング共振器の出力光の光強度を示す電気信号を
光源部から出力される光の強度を示す電気信号との差を
取り、当該差を本来の同期検波範囲における光リング共
振器の出力光の光強度を示す基準電圧と比較し、その比
較結果をロック判定信号として出力する共振周波数ロッ
ク判定部と、このロック判定信号に基づいてバイアス電
圧を発生するバイアス発生部と、前記バイアス電圧を補
正信号として定常制御ループに供給する比較器とから共
振周波数ロック補正手段を構成するという手段を採用す
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
係わる共振型光ファイバジャイロの実施形態について説
明する。

【００１３】〔第１実施形態〕まず、図１を参照して、
本発明の第１実施形態について説明する。なお、この図
１は、本発明の要部である光周波数制御系の機能構成を
示すブロック図である。この図はにおいて、符号１，２
は比較器、３は共振周波数制御部、４は光源駆動部、５
は光源部、６は位相変調器、７はファイバ共振器（光リ
ング共振器）、８は受光部、９は同期検波器、１０は変
調部、１１は共振周波数ロック判定部、１２はバイアス
発生部である。

【００１４】比較器１は、外部から供給される目標値か
ら同期検波器９の出力値を減算して共振周波数制御部３
に出力するものである。この目標値は、光源部５から出
力されるレーザ光の周波数をファイバ共振器７が回転す
ることなく静止した状態におけるファイバ共振器７の共
振周波数（基準共振周波数）ｆ0に設定するためのもの
である。共振周波数制御部３は、上記比較器１の出力信
号に基づいて光源駆動部４を制御するものであり、例え
ば線形制御装置として周知のＰＩＤコントローラであ
る。比較器２は、上記共振周波数制御部３と光源駆動部
４との間に介挿され、共振周波数制御部３の出力信号と
バイアス発生部１２の出力信号とを加算して光源駆動部
４に出力するものである。

【００１５】光源駆動部４は、光源部５を駆動するため
の駆動信号を生成するものである。光源部５は、この駆
動信号に基づいて所定光周波数のレーザ光を発振して位
相変調器６に出力するものであり、例えば半導体レーザ
発振器である。位相変調器６は、光源部５から入射され
たレーザ光を変調部１０から供給された変調信号によっ
て光位相変調（周波数変調）してファイバ共振器７に供
給すものであり、例えばＰＺＴ光変調器である。ファイ
バ共振器７は、光ファイバを所定径のリング状に形成し
た光リング共振器であり、図示しない光カプラを介して
位相変調器６から出射されたレーザ光（周波数変調され
たレーザ光）を取り込むように構成されている。

【００１６】受光部８は、図示しない光カプラを介して
ファイバ共振器７から取り出されたレーザ光を光ダイオ
ードや光トランジスタ等を用いて光電変換することによ
り、レーザ光の光強度に応じたレベルの電気信号を同期
検波器９及び共振周波数ロック判定部１１に供給するも
のである。同期検波器９は、変調部１０から供給された
信号に基づいて上記電気信号を同期検波し、制御信号と
して前記比較器１に出力するものである。変調部１０
は、上述したように位相変調器６に変調信号を供給する
と共に、同期検波器９に電気信号の検波に必要な信号を
供給するものである。

【００１７】すなわち、本実施形態の光周波数制御系
は、光源部５におけるレーザ光の光周波数を同期検波器
９から出力される制御信号に基づいてフィードバック制
御する定常制御ループＬを構成しており、この定常制御
ループＬによってレーザ光の光周波数が上記目標値で規
定される基準共振周波数ｆ0に設定されるようになって
いる。

【００１８】本実施形態は、このような定常制御ループ
Ｌに以下に説明する共振周波数ロック補正手段を付加し
て構成されている。この共振周波数ロック補正手段は、
比較器２、共振周波数ロック判定部１１及びバイアス発
生部１２から構成されるものである。共振周波数ロック
判定部１１は、基準電圧発生部１１ａとコンパレータ１
１ｂとから構成されており、所定の基準電圧発生部１１
ａによって発生された基準電圧をコンパレータ１１ｂを
用いて上記電気信号と比較し、その比較結果をロック判
定信号としてバイアス発生部１２に出力するものであ
る。

【００１９】ここで、上記基準電圧は、図１に示した光
強度Ｐ3に該当するレベル、すなわち同期検波器９の本
来の同期検波範囲（ｆ1〜ｆ2）におけるファイバ共振器
７の出力光の光強度を示す値に設定されている。したが
って、共振周波数ロック判定部１１は、電気信号が光強
度Ｐ3を越えるレベルの場合に例えば「１」（ハイ電
圧）、また電気信号が光強度Ｐ3以下のレベルの場合に
は「０」（ロー電圧）となるロック判定信号を出力す
る。バイアス発生部１２は、このようなロック判定信号
に基づいて所定のバイアス電圧を発生して補正信号とし
て比較器２に出力するものであり、「１」（ハイ電圧）
のロック判定信号が入力された場合は所定のバイアス電
圧を比較器２に出力し、「０」（ロー電圧）のロック判
定信号が入力された場合には、バイアス電圧を出力しな
い。

【００２０】次に、このように構成された光周波数制御
系の動作について詳述する。まず、上記定常制御ループ
Ｌは、図１の下段特性図に示すように同期検波器９の出
力レベルが「０」となるように光源部５を制御する。す
なわち、定常制御ループＬは、光周波数ｆ0，ｆ3，ｆ4
のうち何れかの光周波数のレーザ光を出力するように光
源部５を制御するので、最終的に何れの光周波数にレー
ザ光が設定されるかは一義的に決めることができない。

【００２１】しかし、上記共振周波数ロック補正手段Ｈ
は、光周波数ｆ0，ｆ3，ｆ4における光強度の差異から
確実に本来設定すべき光周波数ｆ0（基準共振周波数）
のレーザ光を発振するように作用する。すなわち、図１
の上段特性図に示すように、光周波数ｆ3，ｆ4における
レーザ光の光強度は、上記基準電圧によって規定される
光強度Ｐ3よりも大きな光強度Ｐ3であり、よって同期検
波器９の本来の検波領域（光周波数ｆ1〜光周波数ｆ1ま
での光周波数領域）を逸脱する光周波数領域において、
共振周波数ロック判定部１１は、「１」（ハイ電圧）の
ロック判定信号をバイアス発生部１２に出力する。

【００２２】この結果、バイアス発生部１２は所定のバ
イアス電圧を比較器２に出力するので、当該バイアス電
圧の作用によって光源部５は上記検波領域内の光周波数
のレーザ光を発振するように制御される。そして、レー
ザ光の光周波数が検波領域内になると、共振周波数ロッ
ク判定部１１は、「０」（ロー電圧）のロック判定信号
をバイアス発生部１２に出力するので、定常制御ループ
Ｌの作用によって、レーザ光の光周波数は、最終的に同
期検波器９の出力レベルが「０」となる光周波数ｆ0つ
まり共振周波数に収束して安定する。

【００２３】このように本実施形態では、定常制御ルー
プＬに共振周波数ロック補正手段Ｈを付加することによ
り、レーザ光の光周波数が共振周波数以外の光周波数に
設定（ロック）されることを防ぎ、レーザ光の光周波数
をファイバ共振器７の基準共振周波数ｆ0に確実にロッ
クさせることができる。

【００２４】〔第２実施形態〕次に、本発明の第２実施
形態について、図３を参照して説明する。なお、本第２
実施形態は、上記第１実施形態の共振周波数ロック判定
部１１を異なる構成の共振周波数ロック判定部１１’と
したものであり、したがって上記共振周波数ロック補正
手段Ｈを共振周波数ロック補正手段Ｈ’に置き換えたも
のである。以下の説明では、第１実施形態と同一の構成
要素については同一符号を付して、その説明を省略す
る。

【００２５】図３に示すように、本実施形態の共振周波
数ロック判定部１１’は、基準電圧発生部１１ａ’コン
パレータ１１ｂ、光源モニタ用受光器１１ｃ及び差動増
幅器１１ｄから構成されている。このうち、光源モニタ
用受光器１１ｃは、光源部５から出力されるレーザ光を
光電変換し、その光強度を示す電気信号を差動増幅器１
１ｄに出力するものである。差動増幅器１１ｄは、この
電気信号と受光部８から出力される電気信号（ファイバ
共振器７の出力光の光強度を示す）との差を増幅してコ
ンパレータ１１ｂに出力するものである。本実施形態の
コンパレータ１１ｂは、この差動増幅器１１ｄの出力信
号と基準電圧発生部１１ａから入力される基準電圧を比
較し、その比較結果をバイアス発生部１２に出力する。

【００２６】上記第１実施形態では、受光部８の出力を
基準電圧と直接比較したが、本第２実施形態は、上記の
ように光源モニタ用受光器１１ｃと差動増幅器１１ｄを
付加することにより、光源部５から出力されるレーザ光
の光強度とファイバ共振器７の出力光の光強度との差を
取ることにより、光源部５のレーザ光の光強度の変動に
対してファイバ共振器７の出力光の光強度を補正するも
のである。このような構成を採用することにより、光源
部５のレーザ光の光強度の変動に対して正確な光周波数
のロック判定を実現することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる共
振型光ファイバジャイロは、以下のような効果を奏す
る。

【００２８】（１）請求項１記載の発明によれば、光リ
ング共振器の出力光の基準共振周波数における光強度と
これ以外の光周波数における光強度との差異に基づいて
前記光周波数の設定状態を判定し、この判定結果に基づ
いて定常制御ループに補正信号を出力する共振周波数ロ
ック判定部１１を備えているので、光源部が同期検波の
本来的な特性に起因して基準共振周波数以外の光周波数
に設定されることを防止し、光源部から出力される光の
光周波数を確実に基準共振周波数に設定することができ
る。したがって、共振型光ファイバジャイロにおける光
周波数制御の信頼性を向上させ、究極的に共振型光ファ
イバジャイロの性能向上を図ることができる。

【００２９】（２）請求項２記載の発明によれば、共振
周波数ロック補正手段が、光リング共振器の出力光の光
強度を示す電気信号を本来の同期検波範囲における光リ
ング共振器の出力光の光強度を示す基準電圧と比較し、
その比較結果をロック判定信号として出力する共振周波
数ロック判定部と、このロック判定信号に基づいてバイ
アス電圧を発生するバイアス発生部と、このバイアス電
圧を補正信号として定常制御ループに供給する比較器と
から構成されているので、光周波数を基準共振周波数に
確実に設定することができる。

【００３０】（３）さらに、請求項３記載の発明によれ
ば、共振周波数ロック補正手段が、光リング共振器の出
力光の光強度を示す電気信号を光源部から出力される光
の強度を示す電気信号との差を取り、当該差を本来の同
期検波範囲における光リング共振器の出力光の光強度を
示す基準電圧と比較し、その比較結果をロック判定信号
として出力する共振周波数ロック判定部と、このロック
判定信号に基づいてバイアス電圧を発生するバイアス発
生部と、前記バイアス電圧を補正信号として定常制御ル
ープに供給する比較器とから構成されているので、共振
周波数ロック補正手段は、光源部から出力される光の強
度変動に依存することなく、光周波数を基準共振周波数
に確実に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 共振型光ファイバジャイロに用いられる同期
検波器の特性を示す特性図である。

【図２】 本発明の第１実施形態の要部機能構成を示す
ブロック図である。

【図３】 本発明の第２実施形態の要部機能構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１，２……比較器 ３……共振周波数制御部 ４……光源駆動部 ５……光源部 ６……位相変調器 ７……ファイバ共振器（光リング共振器） ８……受光部 ９……同期検波器 １０……変調部 １１，１１’……共振周波数ロック判定部 １１ａ……基準電圧発生部 １１ｂ……コンパレータ １１ｃ……光源モニタ用受光器 １１ｄ……差動増幅器 １２……バイアス発生部 Ｌ……定常制御ループ Ｈ，Ｈ’……共振周波数ロック補正手段

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光リング共振器（７）内を伝搬する光の
   サニャック効果による共振周波数の変化から航走体の慣
   性回転速度を検出する共振型光ファイバジャイロであっ
   て、 光リング共振器（７）の出力光を同期検波して得られた
   制御信号に基づいて光源部（５）を制御することによ
   り、前記光リング共振器（７）に入射させる光の光周波
   数を光リング共振器（７）が静止した状態における基準
   共振周波数に設定する定常制御ループ（Ｌ）と、 光リング共振器（７）の出力光の基準共振周波数におけ
   る光強度とこれ以外の光周波数における光強度との差異
   に基づいて前記光周波数の設定状態を判定し、この判定
   結果に基づいて定常制御ループ（Ｌ）に補正信号を出力
   する共振周波数ロック補正手段（Ｈ，Ｈ’）と、 を備えることを特徴とする共振型光ファイバジャイロ。
2. 【請求項２】 共振周波数ロック補正手段（Ｈ）は、光
   リング共振器（７）の出力光の光強度を示す電気信号を
   本来の同期検波範囲における光リング共振器（７）の出
   力光の光強度を示す基準電圧と比較し、その比較結果を
   ロック判定信号として出力する共振周波数ロック判定部
   （１１）と、 このロック判定信号に基づいてバイアス
   電圧を発生するバイアス発生部（１２）と、前記バイア
   ス電圧を補正信号として定常制御ループ（Ｌ）に供給す
   る比較器（２）とからなることを特徴とする請求項１記
   載の共振型光ファイバジャイロ。
3. 【請求項３】 共振周波数ロック補正手段（Ｈ’）は、
   光リング共振器（７）の出力光の光強度を示す電気信号
   を光源部（５）から出力される光の強度を示す電気信号
   との差を取り、当該差を本来の同期検波範囲における光
   リング共振器（７）の出力光の光強度を示す基準電圧と
   比較し、その比較結果をロック判定信号として出力する
   共振周波数ロック判定部（１１’）と、このロック判定
   信号に基づいてバイアス電圧を発生するバイアス発生部
   （１２）と、前記バイアス電圧を補正信号として定常制
   御ループ（Ｌ）に供給する比較器（２）とからなること
   を特徴とする請求項１記載の共振型光ファイバジャイ
   ロ。