JP4306843B2 - 共振点追従システムおよびこのシステムを用いたリング共振方式光ファイバジャイロ - Google Patents
共振点追従システムおよびこのシステムを用いたリング共振方式光ファイバジャイロ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、光ファイバリング共振器を用いたセンサに関し、特に光ファイバリング共振器内を対向伝搬する２光波間の、回転により生じた共振周波数差を測定する光ファイバジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転により生ずるサニャック効果を利用し、測定対象の回転速度を検出する光ファイバジャイロの１つにリング共振方式光ファイバジャイロがある。このリング共振方式光ファイバジャイロに用いられる光ファイバリング共振器には反射形と透過形がある。
通常、反射形は図８（ａ）のようにセンシングループ（光ファイバループ）１２０と、１台の光ファイバカップラ１２１により構成される。レーザ光をポート１から入射させ、その出射光強度をポート２で観測し、入射光の周波数に対する特性を取得すると図９（ａ）に示すような反射形の共振特性が得られる。
【０００３】
また、透過形は図８（ｂ）のようにセンシングループ（光ファイバループ）１２３と、２台の光ファイバカップラ１２４、１２５により構成される。レーザ光をポート１から入射させ、その出射光強度をポート２で観測し、入射光の周波数に対する特性を取得すると図９（ｂ）に示すような透過形の共振特性が得られる。共振特性はとびとびの周波数で最小値をとり、この点を共振点という。この最小値の間隔νFSR は自由スペクトル域と呼ばれ、
νFSR ＝ｃ／ｎＬ ……（１）
で与えられる。ここでｃは光速であり、ｎは光ファイバの屈性率、Ｌはセンシングループ長である。
【０００４】
共振点付近では鋭い共振特性を持ち、この鋭さを表わすパラメータとしてフィネスがあり、（２）式で定義される。
フィネス＝νFSR ／Δν＝π（αＲ）1/2 ／（１−αＲ）… （２）
ここでΔνは図９に示した共振特性の半値全幅であり、Ｒは光ファイバカップラの分岐比、αは光ファイバループ中の損失である。フィネスは、光ファイバ中を光波が何回周回できるかを表わしており、フィネスが大きいほどジャイロの分解能は高い。
【０００５】
以降、反射形の光ファイバリング共振器を例に説明する。
光ファイバリング共振器が静止しているときは、図１０（ａ）（ｂ）の実線1)に示すように左回りの光波と右回りの光波の共振周波数は等しくなる。光ファイバリング共振器が角速度Ωで回転すると、右回りと左回りの共振器の光路長にサニャック効果によるみかけ上の差が生じる。これは非相反的効果であり、共振周波数に差を生じさせ、図１０（ａ）（ｂ）の一点鎖線2)に示すように左右にずれた共振特性となる。この周波数差は（３）式のように表される。
ΔνS ＝（４Ｓ／λＬ）Ω ……（３）
ここで、Ｓは光ファイバリング共振器が囲む面積で、λはレーザの発振波長である。角速度Ωはこの共振周波数差を測定することにより得られ、一方の光波の共振点を基準とし、他方の光波の共振点を観測することによりジャイロの出力が得られる。
【０００６】
ところで、温度の変化が共振器長を変化させ、共振周波数を大きく変動させる。しかしこれは左右の光波に対して同じ移動量を与える相反的な効果であるため、これを補償するために、左右２光波のうち片方の光信号をもとにレーザ光源の周波数に帰還させる方法が採用されている。または、レーザの周波数には帰還せずに、光ファイバリング共振器に取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）により共振器長をちょうど共振点に一致するように制御してもよい。
【０００７】
図１１は、特開平０３−１７００１６（米国特許５２３７３８７）号や米国特許５２９６９１２号等で開示された、リング共振方式光ファイバジャイロの一例を示す概略図である。光ファイバリング共振器を用いて左右を周回する光波の共振周波数のずれを測定するものである。
レーザ光源を出射した光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）で２分岐される。２分岐された光はそれぞれレンズ（Ｌ１）、（Ｌ２）を通り、光ファイバに導かれ、光カップラ（Ｃ１）に入射する。光カップラ（Ｃ１）によりリング共振器に入射した光は右回りと左回りでループ内を伝播する。ファイバループ内で定在波となるような光の周波数は共振を生じ、光はリング共振器内に閉じ込められて出てくることができない。この様子は右回り光については受光器（Ｄ１）で、左回り光については受光器（Ｄ２）でそれぞれ観測される。ここで静止時は、左右の光波の共振周波数は等しいが、角速度が入力されるとサニャック効果により、右回りの光と左回りの光で光路長に差が生じ、その結果、共振周波数に差が生じる。
この共振周波数の差をジャイロ出力として利用することができる。透過形の光ファイバリング共振器を用いても同様に構成できるのは勿論のことである。
【０００８】
共振点を検出するために左右両光波には、リング共振器に入射する前に、それぞれ圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）、（ＰＺＴ１）により、周波数ｆn とｆm の正弦波による変調が加えられる。周波数ｆn とｆm は、同一の周波数でも良いが、好ましくは異なる周波数が用いられる。この正弦波による変調は共振周波数のずれを、正弦波の周波数成分を持つ誤差信号として与える。右回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ１）で、左回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ２）でそれぞれ同期検波され、共振周波数のずれが検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１）の出力は、レーザ周波数制御回路に入力され、レーザの周波数（ｆ0 ）が右回りの光を基準に、ある１つの共振点に一致するように制御される。ロックインアンプ（ＬＩＡ２）の出力は、左右２光波の共振点のずれが電圧値として求められる。これをジャイロ出力とすれば開ループ出力となる。
【０００９】
検出範囲を広くするためには、セロダイン波を用いて閉ループにする必要がある。セロダイン波は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値とし、セロダイン波の周波数分だけ光波の周波数を変化させる働きをする。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）導波路上に電気光学変調器を配置した導波路形変調器は使用できる周波数帯域が広く、セロダイン波による変調が可能である。ロックインアンプ（ＬＩＡ２）の出力をＶＣＯに入力し、セロダイン波発生器2)により生成されるセロダイン波の周波数ｆ2 を変化させる。セロダイン波は導波路形位相変調器（ＰＭ２）に入力され、左回りの光波が共振点に一致するように制御される。この周波数はｆ0 ＋ｆ2 である。セロダイン波の周波数をカウントすることによりジャイロ出力が得られるが、分解能を高めるためには、静止時にセロダイン波がある程度の周波数を持っていた方が良い。そこで導波路形位相変調器（ＰＭ１）を用いてセロダイン波発生器1)より固定の周波数ｆ1 をもつセロダイン波が右回りの光に入力される。右回りの光の周波数はｆ0 ＋ｆ1 となる。２つの周波数差ｆ2 −ｆ1 は、ジャイロの閉ループ出力となる。
【００１０】
従来のセロダイン波はアナログ的に生成されたセロダイン波であった。アナログのセロダイン波は、歪みなく生成することが難しく、またフライバック時間があるという問題があった。そのためこれらの問題を克服するためにディジタル的に生成したディジタルセロダイン波を用いた方式が提案されている。
「デジタルセロダイン方式共振型光ファイバジャイロ（春本道子、保立和夫 信学技報１９９６年５月）」は、閉ループを構成する場合のセロダイン波を、従来はアナログのセロダイン波であったものを、図１２に示すような光波が光ファイバループを１周伝搬する時間（τ）を横幅にもつ、ディジタルで生成した階段状のセロダイン波とすることにより、受光器上の光強度が理想的なアナログセロダイン波と等しくなることを示した。また、共振点を検出するために、圧電素子形位相変調器により左右２光波にそれぞれ周波数ｆn とｆm の正弦波による変調を加える代わりに、左右２光波にそれぞれ１つの導波路形変調器を用いて、それぞれに周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段が示されている。
【００１１】
ディジタルセロダイン波による閉ループは図１３に示すようなディジタル制御回路により実現することができる。このディジタル制御回路の１フレームは、光波が光ファイバループを１周伝搬する時間（τ）である。ロックインアンプ（ＬＩＡ）の出力（ｖ１）は、ＡＤコンバータ（ＡＤ）でディジタル値に変換され、そのディジタル値（ｖ２）は第１の加算器（ＡＤＤ１）に入力される。第１の加算器は、ＡＤコンバータの出力（ｖ２）と第１の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ３）を第２の加算器（ＡＤＤ２）に入力する。
第２の加算器は、第１の加算器の出力（ｖ３）と第２の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ４）をＤＡコンバータ（ＤＡ）に出力する。ＤＡコンバータの出力は、パワーアンプ（Ａ）を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ）に入力される。第１の加算器は、ディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを決定するための符号付きディジタル積分器である。
【００１２】
ＡＤコンバータからＤＡコンバータまでのビット数および入出力のビット対応関係は、制御の応答性と１ビット当たりの分解能を考慮して決定される。
一般にＡＤコンバータのビット数は、第１の加算器のビット数よりも小さく、この間の入出力は最下位ビット（ＬＳＢ）を揃えて行われる。一般に第１の加算器のビット数は第２の加算器のビット数よりも大きく、この間のビット対応関係は、第２の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）が、第１の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）か、またはそれより下位のビットとなるように対応させる。第２の加算器とＤＡコンバータ間の入出力は最上位ビット（ＭＳＢ）を揃えて行われ、フルスケールは位相差２πに対応する量である。第２の加算器のビット数をＭとすると、２πは２M に対応しており、２M 以上の加算結果に対してはオーバーフローとなる。第２の加算器において、一定のステップ値で加算され増大していくセロダイン波は、２π以上では超過分を起点とし、再度、増大を始める性質を持つディジタルセロダイン波となり、これが位相変調器（ＰＭ）に入力される。
【００１３】
図９に示した周波数に対する共振特性は、位相の面から図１４に示すようにリング共振器内での伝搬回数が１周異なる光波の位相差に対して同様に表すことができる。ここで、Ｎは整数であり、伝搬回数の１周異なる光波の位相差が２πの整数倍となる所が共振点である。位相の面からディジタルのセロダイン波がアナログのセロダイン波と同様に機能することを示す。位相変調器への入射角周波数をωとすると、角周波数Δωに相当する周波数シフトにより、共振器一周の位相回転はφ＝ωτ−２ｎπ（０≦φ＜２π）からφ＋Δφ（Δφ＝Δωτ）になる。ここで、φ＋Δφは、光が共振器を一周伝搬する間の位相回転であるが、これは受光器に到達した光のうち共振器における伝搬回数が一周異なる２つの光波間の位相差である。
【００１４】
位相変調器にアナログセロダイン波による変調がかけられた場合は、位相変調器を通った時間がτ異なるｍ回周回光と（ｍ＋１）回周回光がそれぞれ受ける位相回転は図１５（ａ）のようになる。２つの光の位相回転の差は図１５（ｂ）のようにΔφあるいはΔφ−２πとなるので、同時に受光器に到達した光で共振器の伝搬回数が一周異なる光の位相差は、φ＋Δφかφ＋Δφ−２πのいずれかとなる。
位相変調器にディジタルセロダイン波による変調がかけれらた場合は、階段の横幅の長さが光波のファイバループ伝搬時間（τ）に等しければ、位相変調器を通った時間がτ異なるｍ回周回光と（ｍ＋１）回周回光がそれぞれ受ける位相回転は図１６（ａ）のようになる。２つの光の位相回転の差は図１６（ｂ）のようにΔφあるいはΔφ−２πとなるので、同時に受光器に到達した光のうち、ファイバ共振器の伝搬回数が一周異なる２つの光は、φ＋Δφかφ＋Δφ−２πのいずれかの位相差を持ち、アナログセロダイン波でもディジタルセロダイン波でもΔωの角周波数に相当する周波数シフトを与えたときと等しい受光器出力を与える。
【００１５】
φ＋Δφ−２πの位相差は、波形のリセット時に生じるが、セロダイン波の振幅が２πであれば不整合を生じない。セロダイン波の振幅が２πからずれていれば、セロダイン波の周期で誤差信号が現れる。この振幅誤差はセロダイン波の周期で同期検波することにより補正が可能である。
いずれにしても従来のリング共振方式光ファイバジャイロにおいては、相反的効果である温度による共振点の移動は、レーザ周波数または光ファイバリング共振器に取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）に帰還することにより追従するという方式を採用していた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、温度による相反的効果は、回転による非相反的効果に対して極めて大きい。温度による共振点の移動は１℃当り数ＧＨｚであり、これは自由スペクトル域の数百倍に相当する。それに対してレーザ周波数またはＰＺＴで補償できる量は、両者を併用した場合でも約２０ＧＨｚほどでしかない。したがって温度に対して約１０℃ほどの範囲でしか対応できない。そのため、１０℃以上環境温度が変化した場合には、同一の共振点に追従し続けることは不可能であった。
【００１７】
つぎに、共振周波数は、図９に示すように、自由スペクトル域νFSR おきの間隔で存在している。そこで、例えば、レーザの発振周波数またはファイバループに取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）に帰還する従来のリング共振方式光ファイバジャイロは、上記間隔で存在する、ある共振点に追従しているとき、フィードバック制御量が不足してきた場合には、より少ない制御量で追従が可能な領域にある共振点に、追従の対象を瞬時に移行すれば、ジャイロ機能として継続させることができる。しかしながら、制御の連続性を失うことなく追従対象とする共振点を移行することは困難が伴っていた。このようなことから、リング共振方式光ファイバジャイロは常に、当初において追従対象とした共振点に光波の周波数を一致させることを前提としなければならず、上記一定以上の大きな温度変化に対応することができなかった。
【００１８】
本発明の目的は、リング共振器から出射されるレーザ光をディジタルセロダイン波を用いて変調手段に帰還させることにより、追従対象とする共振点を制御の連続性を失うことなく順次隣の共振点に移行させて共振点の継続的な追従を可能にし温度環境の大きな変動に対応できる共振点追従システムを提供することである。
本発明の他の目的は、上記共振点追従システムを用いた光ファイバジャイロを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明による共振点追従システムは、所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を位相変調する第１の位相変調手段と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を所定周波数の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段、または前記レーザ光源を周波数変調する周波数変調手段と、前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、前記光ファイバリング共振器から出射されるレーザ光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力と前記変調信号を入力して、前記光検出器の出力中の前記変調信号の周波数成分を同期検波するロックインアンプと、前記ロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させたディジタルセロダイン波を出力し、該ディジタルセロダイン波を前記第１の位相変調手段の変調入力とする制御手段とを備え、前記光ファイバリング共振器中を伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記ディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差を与え、ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するように構成してある。
上記構成において、前記第１の位相変調手段に所定周波数の変調信号を加えることにより前記第１の位相変調手段に前記第２の位相変調手段の機能を兼用させることができる。
【００２０】
前記他の目的を達成するために本発明による光ファイバジャイロは、所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ位相変調する第１および第３の位相変調手段と、前記分岐手段により分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ所定周波数の第１および第２の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段および第４の位相変調手段と、前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を右回りになるように、前記第３と第４の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を左回りになるようにそれぞれ導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、前記光ファイバリング共振器から出射される右回りのレーザ光を検出する第１の光検出器と、前記光ファイバリング共振器から出射される左回りのレーザ光を検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力と前記第１の変調信号を入力して、前記第１の光検出器の出力中の前記第１の変調信号の周波数成分を同期検波する第１のロックインアンプと、前記第１のロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させた第１のディジタルセロダイン波を出力し、これを前記第１の位相変調手段の変調入力に帰還することにより、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、この位相変化に追従するように制御する第１の制御手段と、前記第２の光検出器の出力と前記第２の変調信号を入力して、前記第２の光検出器の出力中の前記第２の変調信号の周波数成分を同期検波する第２のロックインアンプと、前記第２のロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させた第２のディジタルセロダイン波を出力し、これを前記第３の位相変調手段の変調入力に帰還することにより、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、位相変化に追従するように制御する第２の制御手段とを備え、前記光ファイバリング共振器中を右回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波および左回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、右回りおよび左回りの伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記第１および第２のディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差をそれぞれ与え、ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するようにし、前記第１のディジタルセロダイン波のステップ１段の高さと、前記第２のディジタルセロダイン波のステップ１段の高さの差をとることにより左回り光と右回り光の非相反的な共振点の移動を計測しジャイロ出力とするように構成してある。
【００２１】
また、前記他の目的を達成するために本発明による光ファイバジャイロは、所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ位相変調する第１および第３の位相変調手段と、前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ所定周波数の第１および第２の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段および第４の位相変調手段と、前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を右回りになるように、前記第３と第４の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を左回りになるようにそれぞれ導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、前記光ファイバリング共振器から出射される右回りのレーザ光を検出する第１の光検出器と、前記光ファイバリング共振器から出射される左回りのレーザ光を検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力と前記第１の変調信号を入力して、前記第１の光検出器の出力中の前記第１の変調信号の周波数成分を同期検波する第１のロックインアンプと、前記第１のロックインアンプの出力を入力し、積分してディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを生成するディジタル積分器である第１のステップ値発生器と、前記第１のステップ値発生器の出力と第２のステップ値発生器の出力を加算する加算器と、前記加算器の出力を入力して２πに対応させた第１のディジタルセロダイン波を発生し、前記第１の位相変調手段の変調入力に帰還する第１のディジタルセロダイン波発生器とからなり、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、この位相変化に追従するように制御する第１の制御手段と、前記２の光検出器の出力と前記第２の変調信号を入力して、前記第２の光検出器の出力中の前記第２の変調信号の周波数成分を同期検波する第２のロックインアンプと、前記第２のロックインアンプの出力を入力し、積分してディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを生成するディジタル積分器である前記第２のステップ値発生器と、前記第２のステップ値発生器の出力を入力して２πに対応させた第２のディジタルセロダイン波を発生し、前記第３の位相変調手段の変調入力に帰還する第２のディジタルセロダイン波発生器とからなり、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、位相変化に追従するように制御する第２の制御手段とを備え、前記光ファイバリング共振器中を右回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波および左回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、右回りおよび左回りの伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記第１および第２のディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差をそれぞれ与え、ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するようにし、前記第１のステップ値発生器の出力を、左回り光と右回り光の非相反的な共振点の移動に対応したジャイロ出力とするように構成してある。
上記構成において、前記第１および第３の位相変調手段にそれぞれ所定周波数の変調信号を加えることにより前記第１および第３の位相変調手段にそれぞれ前記第２および第４の位相変調手段の機能を兼用させることができる。
【００２２】
【作用】
上記構成によれば、温度変化で共振器長が大きく変化し、その結果、共振周波数がレーザ周波数、圧電素子（ＰＺＴ）による共振器長への帰還で補償できる範囲以上に移動したとしても、制御の連続性を失うことなく共振点を継続的に追従し、ジャイロとして機能させることが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３用いて本発明の実施の形態を詳しく説明する。
ディジタルセロダイン波による閉ループは図１３に示すようなディジタル制御回路により実現することができる。このディジタル制御回路の１フレームは、光波が光ファイバループを１周伝搬する時間（τ）である。
ロックインアンプ（ＬＩＡ）の出力（ｖ１）は、ＡＤコンバータ（ＡＤ）でディジタル値に変換され、そのディジタル値（ｖ２）は第１の加算器（ＡＤＤ１）に入力される。第１の加算器は、ＡＤコンバータの出力（ｖ２）と第１の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ３）を第２の加算器（ＡＤＤ２）に入力する。第２の加算器は、第１の加算器の出力（ｖ３）と第２の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ４）をＤＡコンバータ（ＤＡ）に出力する。ＤＡコンバータの出力は、パワーアンプ（Ａ）を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ）に入力される。第１の加算器は、ディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを決定するための符号付きディジタル積分器である。
【００２４】
ＡＤコンバータからＤＡコンバータまでのビット数および入出力のビット対応関係は、制御の応答性と１ビット当たりの分解能を考慮して決定される。
一般にＡＤコンバータのビット数は、第１の加算器のビット数よりも小さく、この間の入出力は最下位ビット（ＬＳＢ）を揃えて行われる。一般に第１の加算器のビット数は第２の加算器のビット数よりも大きく、この間のビット対応関係は、第２の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）が、第１の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）か、またはそれより下位のビットとなるように対応させる。第２の加算器とＤＡコンバータ間の入出力は最上位ビット（ＭＳＢ）を揃えて行われ、フルスケールは位相差２πに対応する量である。第２の加算器のビット数をＭとすると、２πは２M に対応しており、２M 以上の加算結果に対してはオーバーフローとなる。第２の加算器において、一定のステップ値で加算され増大していくセロダイン波は、２π以上では超過分を起点とし、再度、増大を始める性質を持つディジタルセロダイン波となり、これが位相変調器（ＰＭ）に入力される。
【００２５】
第１の加算器は、伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、それに対し相殺する位相差を生成するための積分器であり、第１の加算器の出力（ｖ３）は増大または減少し、ちょうど相殺する位相差で一定値となり、これがディジタルセロダイン波のステップ値となる。
伝搬回数の１周異なる２光波間に大きな位相差が生じた場合は、これを相殺するために、第１の加算器は大きなステップ値を生成しなければならない。しかし第２の加算器のフルスケールが位相差２πに相当するため、２π以上のステップ値を第２の加算器に入力することはできない。第２の加算器のビット数がＭであるため、２M 以上のステップ値に対しては２M −１以下の値にリセットされる。第１の加算器の最上位ビットを符号ビットとして扱うと、リセットされたステップ値は、当初、ある共振点に対して追従させ、閉ループとするために生成したステップ値に対して、２πの整数倍異なる、−π以上、π以下の値となる。ステップ値が０以上、π以下のときデジタルセロダイン波は上昇形である。ステップ値が−π以上、０以下のときデジタルセロダイン波は下降形である。ステップ値がπであることと、−πであることは同じであり、同一の波形すなわち矩形波となる。ステップ値がπのときを境に、デジタルセロダイン波の波形が上昇形から下降形、または下降形から上昇形に変化する。
【００２６】
これは、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して波形の変化を規則的に繰り返す性質を持つことを示している。
この性質を利用すれば、ステップ値がΔφのディジタルセロダイン波は伝搬回数の１周異なる２光波にΔφあるいはΔφ−2 πの位相差を与えること、および、共振点は伝搬回数が１周異なる２光波の位相差に対して２πおきに存在していることにより、共振点が２π以上に大きく移動しても共振点の追従が継続されることを以下に説明する。
【００２７】
ステップ１段の高さがΔφのディジタルセロダイン波は、伝搬回数の１周異なる２光波にΔφあるいはΔφ−2 πの位相差を与える。温度等の外乱あるいは角速度入力により、伝搬回数の１周異なる光波に正の方向の位相差ΔφX が生じた場合、これに対し零位法を行い閉ループとするためにステップ１段の高さをΔφX とする増大していく上昇形のディジタルセロダイン波を用いて、同量の位相差を負帰還し共振点に追従させる。伝搬回数の１周異なる光波に、負の方向の位相差−ΔφX が生じた場合、これを相殺し閉ループとするためにステップ一段の高さを−ΔφX とし、減少していく下降形のディジタルセロダイン波を用いて、同量の位相差を負帰還し、共振点に追従させる。
【００２８】
伝搬回数の１周異なる２光波に大きな位相差が加わっていくと、ディジタルセロダイン波のステップ数は小さくなり、少ないステップ数で振幅２πを超えたとき、ディジタル的にリセットされる。伝搬回数の１周異なる２光波にさらに大きなπ以上の位相差が加わった場合、これまで上昇形であったディジタルセロダイン波は下降形に変化する。これはステップ１段の高さがΔφX −２πとなることを意味している。上昇形の波形と下降形の波形の境は振幅がπである矩形波形となる。ステップ１段の高さがπであることと、−πであることは同じであり、同一の波形である。さらに伝搬回数の１周異なる光波の位相差が増大していけば、下降形の波形が、上昇形の波形になり、ステップ１段の高さがπを超えたときに、再度下降形となる。
【００２９】
このように伝搬回数の１周異なる光波の位相差に対し零位法を行い、閉ループとするステップ１段の高さは、図１に示すようになる。これはアナログセロダイン波が継続的に周波数を上げていく、すなわち変調される光波の位相回転を継続的に増大させるのに対して、ディジタルセロダイン波による光波の位相回転は−２π以上、２π以下に制限され、その値はアナログセロダイン波によるものに対して２πの整数倍だけ異なっている。これはアナログセロダイン波が、当初追従していた共振点を、永続的に追従の対象とするのに対して、ディジタルセロダイン波は最も近い共振点に追従することを示している。
【００３０】
つぎに、ステップ１段の高さがΔφの上昇形のディジタルセロダイン波を用いた場合、伝搬回数の１周異なる光波に与える位相差は、ΔφとΔφ−２πのいずれかである。ステップ１段の高さが、−Δφの下降形のディジタルセロダイン波の場合、伝搬回数の１周異なる光波に与える位相差は、−Δφと−Δφ＋２πのいずれかである。２値の時間配分は、上昇形ではΔφの位相差を与える時間が、（（ステップ数）−１）×（光ファイバループ伝搬時間（τ））であり、Δφ−２πの位相差を与える時間が、光ファイバループ伝搬時間（τ）である。そして下降形で−Δφの位相差を与える時間が、（（ステップ数）−１）×（光ファイバループ伝搬時間（τ））であり、−Δφ＋２πの位相差を与える時間が、光ファイバループ伝搬時間（τ）である。以上の関係をまとめると、ディジタルセロダイン波によって発生する位相差と、それらの位相差の発生頻度は、伝搬回数の１周異なる光波の位相差に対して図２に示す関係を満たすこととなる。
【００３１】
図２は、伝搬回数の１周異なる２光波に位相差は生じた場合、それに対し零位法を行い、閉ループとするためのディジタルセロダイン波により発生する位相差を説明するための図である。
ディジタルセロダイン波により発生する位相差はどの共振点に追従しているかを示している。図２のＡの領域は、２Ｎπの共振点と２（Ｎ＋１）πの共振点のいずれかに追従する領域であり、Ｂの領域は、２（Ｎ＋１）πの共振点と２（Ｎ＋２）πの共振点のいずれかに追従する領域である。Ｃの領域は、２Ｎπの共振点と２（Ｎ−１）πの共振点のいずれかに追従する領域であり、Ｄの領域は、２（Ｎ−１）πの共振点と２（Ｎ−２）πの共振点のいずれかに追従する領域である。追従する共振点がどれであるかは位相差の発生頻度に応じて順次移行する。
【００３２】
図３は、伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、ディジタルセロダイン波により追従している共振点の比率を表す図である。
追従している共振点とそれらの時間的比率を図示すると図３のようになる。この関係は、ディジタルセロダイン波の振幅２πのリセットにより常に２つの共振点に追従しており、伝搬回数の１周異なる２光波に大きな位相差が生じても、図１３に示したようなディジタル制御回路を用いて、制御の連続性を保ったまま、追従対象の共振点を移行し、追従を継続できることを示している。
追従を継続するためには、図１３の第１の加算器（ＡＤＤ１）と第２の加算器（ＡＤＤ２）間のビット対応関係は、最上位ビット（ＭＳＢ）を揃え、第１の加算器はそれより上位のビットを設ける必要はないが、さらに上位のビットを設ければ、当初追従していた共振点の移動量を広い範囲にわたって計測することができる。
【００３３】
この方法を用いてリング共振器の共振点に追従させれば、温度により共振器長が大きく変化したとしても、光波の周波数が変動する共振器長に合うように、レーザの周波数、あるいは光ファイバリング共振器に取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）に帰還させる必要はなく、ディジタルセロダイン波のみで共振点に追従することが可能となる。また、この方法を用いてディジタルセロダイン波のみで左右２光波それぞれの共振点に追従させれば、光ファイバリング共振器に角速度の入力がない場合、温度による共振点の移動に対してのみ追従する。これは左右２光波に等しい位相回転を与える相反的効果である。したがって、左回りの光が追従する２つの共振点と、右回りの光が追従する２つの共振点は常に同じ共振点である。このとき左回りの光を追従させるために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値と、右回りの光を追従するために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値は同一である。
【００３４】
光ファイバリング共振器に角速度の入力がある場合は、共振点の移動量は、サニャック効果による非相反的な成分と温度による成分の両方が加わった量となるが、温度による成分は相反的な効果であるため、このとき左回りの光を追従するために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値と、右回りの光を追従するために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値の差は、サニャック効果による非相反的な成分であり、これをジャイロ出力とすることができる。
【００３５】
【実施例】
図４は、本発明による共振点追従システムの実施例を示す概略ブロック図である。請求項１および２に対応するものである。
レーザ光源１を出射した所定周波数のレーザ光は、レンズ（Ｌ）２を通り、光ファイバに導かれ、第１の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ）３、第２の位相変調手段である圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）４を介して光カップラ（Ｃ）６に入射する。
【００３６】
光カップラ（Ｃ）６により入射した光は、光ファイバリング共振器７のループ内を伝播する。リング共振器の出射光は受光器（Ｄ）８で観測される。
共振点を検出するために入射光には、光ファイバリング共振器７に入射する前に、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）４により、発振器１９からの周波数ｆm の正弦波による位相変調が加えられる。共振点を検出するためには、正弦波による変調ではなく、導波路形変調器３のみを使用して、周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段を用いてもよい。また、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）４は導波路形位相変調器（ＰＭ）３の入力側に接続することもできる。
【００３７】
光波はロックインアンプ（ＬＩＡ）９で同期検波され共振点からのずれが検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ）９出力は、図１３と同等の機能をもつ制御回路（ＣＣ）１８に入力される。
制御回路（ＣＣ）１８内のステップ値発生器１１の出力（ＳＴ）は、それをステップ値としてディジタルセロダイン波発生器１２に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波は、ＤＡコンバータ（ＤＡ）１５、パワーアンプ（Ａ）１６を経て導波路形位相変調器（ＰＭ）３に入力され、光波が共振点に追従するように制御される。
【００３８】
導波路形位相変調器（ＰＭ）３に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ）は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器１１の出力はステップ値／周波数変換手段１７に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ' ）１３に入力される。ロックインアンプ（ＬＩＡ' ）１３は、光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ' ）１３で同期検波された振幅誤差信号は積分器１４で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）１５の基準電圧に帰還される。この結果、ディジタルセロダイン波（Ｓ）の振幅は２πとなるように制御される。
【００３９】
図５は、本発明による共振点追従システムを適用した光ファイバジャイロの実施例を示す概略ブロック図である。請求項３および５に対応するものである。
レーザ光源２１を出射した所定周波数のレーザ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）２２で２分岐される。２分岐されたレーザ光はそれぞれレンズ（Ｌ２）２３、（Ｌ１）２８を通り、光ファイバに導かれ、第１の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ２）２４、第３の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ１）２９、第２の位相変調手段である圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）２５、第４の位相変調手段である（ＰＺＴ１）３０を経て、光カップラ（Ｃ１）３２に入射する。ビームスプリッタ２２から２つの導波路形変調器２４，２９までは、好ましくは多機能光集積チップを用いるのが良い。
【００４０】
光カップラ（Ｃ１）３２により入射した光は、右回りと左回りで光ファイバリング共振器３３のループ内を伝播する。右回り光については受光器（Ｄ１）３４で、左回り光については受光器（Ｄ２）３５でそれぞれ観測される。
共振点を検出するために左右２光波には、光ファイバリング共振器３３に入射する前に、それぞれ圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）２５、（ＰＺＴ１）３０により、発振器からの周波数ｆn とｆm の正弦波による位相変調が加えられる。共振点を検出するためには、左右２光波に正弦波による変調ではなく、導波路形変調器２４、２９のみを使用して、それぞれ周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段を用いてもよい。周波数ｆn とｆm は、同一の周波数でも良いが、好ましくは異なる周波数が用いられる。また、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）２５および（ＰＺＴ１）３０は導波路形位相変調器（ＰＭ２）２４および（ＰＭ１）２９の入力側にそれぞれ接続することもできる。
【００４１】
右回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ１）４５で同期検波され共振点からのずれが、左回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ２）３６で同期検波され共振点からのずれがそれぞれ検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１）４５とロックインアンプ（ＬＩＡ２）３６の出力は、それぞれ図１３と同等の機能をもつ制御回路（ＣＣ１）５５、（ＣＣ２）５４に入力される。
制御回路（ＣＣ１）５５内のステップ値発生器（１）４７の出力（ＳＴ１）は、それをステップ値としてディジタルセロダイン波発生器（１）４８に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、ＤＡコンバータ（ＤＡ）５１、パワーアンプ（Ａ１）５２を経て導波路形位相変調器（ＰＭ１）２９に入力され、右回りの光波が共振点に追従するように制御される。
【００４２】
一方、制御回路（ＣＣ２）５４内のステップ値発生器３８の出力（ＳＴ２）は、それをステップ値として、ディジタルセロダイン波発生器（２）３９に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ２）はＤＡコンバータ（ＤＡ）４２、パワーアンプ（Ａ２）４３を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ２）２４に入力され、左回りの光波が共振点に追従するように制御される。
ステップ値発生器（１）４７の出力（ＳＴ１）とステップ値発生器（２）３８の出力（ＳＴ２）の差は回転により生じた位相差に零位法を行って閉ループとするのに必要な成分であり、ジャイロ出力となる。
【００４３】
導波路形位相変調器（ＰＭ１）２９に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器（１）４７の出力（ＳＴ１）はステップ値／周波数変換手段（１）５３に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）４９に入力される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）４９は、右回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）４９で同期検波された振幅誤差信号は積分器（１）５０で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）５１の基準電圧に帰還される。この結果、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅は２πとなるように制御される。
【００４４】
一方、導波路形位相変調器（ＰＭ２）２４に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ２）も、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器（２）３８の出力（ＳＴ２）はステップ値／周波数変換手段（２）４４に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）４０に入力する。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）４０は、左回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）４０で同期検出された振幅誤差信号は積分器（２）４１で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）４２の基準電圧に帰還される。この結果、（Ｓ１）と同様、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅が２πとなるように制御される。
【００４５】
図６は、本発明による共振点追従システムに適用した光ファイバジャイロの他の実施例を示す概略ブロック図であり、２つの制御回路で相反的効果による成分と非相反的効果による成分を分担するように構成したものである。請求項４および５に対応するものである。
レーザ光源６１を出射した所定周波数のレーザ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）６２で２分岐される。２分岐されたレーザ光はそれぞれレンズ（Ｌ２）６３、（Ｌ１）６８を通り、光ファイバに導かれ、第１の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ２）６４、第３の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ１）６９、第２の位相変調手段てある圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）６５、第４の位相変調手段である圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ１）７０を経て、光カップラ（Ｃ１）７２に入射する。
ビームスプリッタ６２から２つの導波路形変調器６４、６９までは、好ましくは多機能光集積チップを用いるのが良い。
【００４６】
光カップラ（Ｃ１）７２により入射した光は、右回りと左回りで光ファイバリング共振器７３のループ内を伝播する。右回り光については受光器（Ｄ１）７６で、左回り光については受光器（Ｄ２）７７でそれぞれ観測される。
共振点を検出するために左右２光波には、光ファイバリング共振器７３に入射する前に、それぞれ圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）６５、（ＰＺＴ１）７０により、発振器からの周波数ｆn とｆm の正弦波による位相変調が加えられる。共振点を検出するためには、左右２光波に正弦波による変調ではなく、導波路形変調器６４、６９のみを使用して、それぞれ周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段を用いてもよい。周波数ｆn とｆm は、同一の周波数でも良いが、好ましくは異なる周波数が用いられる。また、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）６５および（ＰＺＴ１）７０は導波路形位相変調器（ＰＭ２）６４および（ＰＭ１）６９の入力側にそれぞれ接続することもできる。
【００４７】
右回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ１）８７で同期検波された共振点からのずれが、左回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ２）７８で同期検波された共振点からのずれがそれぞれ検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１）８７とロックインアンプ（ＬＩＡ２）７８の出力は、それぞれ図１３と同等の機能をもつ制御回路（ＣＣ１）９８、（ＣＣ２）９７に入力される。制御回路（ＣＣ２）９７内のステップ値発生器（２）８０の出力（ＳＴ２）と、制御回路（ＣＣ１）９８内のステップ値発生器（１）８９の出力（ＳＴ１）は、加算器９０で加算される。そして、その結果（ＳＴ３）をステップ値としてディジタルセロダイン波発生器（１）９１に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、ＤＡコンバータ（ＤＡ）９４、パワーアンプ（Ａ１）９５を経て導波路形位相変調器（ＰＭ１）６９に入力され、右回りの光波が共振点に追従するように制御される。
【００４８】
一方、制御回路（ＣＣ２）９７内のステップ値発生器８０の出力ＳＴ２は、それをステップ値として、ディジタルセロダイン波発生器（２）８１に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ２）はＤＡコンバータ（ＤＡ）８４、パワーアンプ（Ａ２）８５を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ２）６４に入力され、左回りの光波が共振点に追従するように制御される。
【００４９】
制御回路（ＣＣ２）９７は左右２光波に共通するステップ値を生成する。したがって、これは温度による相反的な共振点の移動に追従するのに必要な成分である。制御回路（ＣＣ１）９８は、非相反的な効果と相反的な効果の両方による共振点の移動に追従するのに必要なステップ値を生成する。これらの差であるステップ値発生器（１）８９の出力（ＳＴ１）は回転により生じた位相差に零位法を行って閉ループとするのに必要な成分であり、ジャイロ出力となる。
光ファイバループに取り付けた圧電素子形変調器（ＰＺＴ３）７４は、発振器７５により低周波で駆動され、ディジタルセロダイン波が特定の波形に偏らないようにならすためのものである。
【００５０】
導波路形位相変調器（ＰＭ１）６９に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、加算器９０の出力（ＳＴ３）はステップ値／周波数変換手段（１）９６に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）９２に入力される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）９２は、右回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）９２で同期検波された振幅誤差信号は積分器（１）９３で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）９４の基準電圧に帰還される。この結果、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅は２πとなるように制御される。
【００５１】
一方、導波路形位相変調器（ＰＭ２）６４に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ２）も、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器（２）８０の出力（ＳＴ２）はステップ値／周波数変換手段（２）８６に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）８２に入力する。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）８２は、左回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）８２で同期検出された振幅誤差信号は積分器（２）８３で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）８４の基準電圧に帰還される。この結果、（Ｓ１）と同様、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅が２πとなるように制御される。
【００５２】
図７は、本発明による共振点追従システムの他の実施例を示す概略ブロック図である。請求項１に対応するものである。
図４の実施例と異なるところは、共振点を検出するために圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）を導波路形変調器１０３の出力側に挿入するものではなく、代わりにレーザ光源１０１のレーザ光を発振器１１８からの周波数ｆm の変調信号により周波数変調するようにしたものである。
１０２から１１７までの各部分は、図４の２から１８にそれぞれ対応する各部分の構成および動作と同じである。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は、温度の変化による共振点の移動を、レーザ周波数への帰還量または圧電素子（ＰＺＴ）の共振器長変化量により追従することが不可能であった領域まで、追従対象とする共振点を、制御の連続性を失うことなく移行することにより、継続的に追従することを可能にした。したがって、従来、狭い温度範囲でしか機能できなかったリング共振方式光ファイバジャイロを実用的な温度範囲において機能させることができる。
また、追従のためにレーザの周波数を制御する構成ではないので、半導体レーザを使用することができる。さらに単一光源で複数軸のジャイロを構成できるという耐温度特性以外の利点も有し、航空機などに搭載可能なリング共振方式光ファイバジャイロの実用化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、それに対し零位法を行い、閉ループとするためのステップ１段の高さを表す図である。
【図２】伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、それに対し零位法を行い、閉ループとするためのディジタルセロダイン波により発生する位相差を説明するための図である。
【図３】伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、ディジタルセロダイン波により追従している共振点の比率を表す図である。
【図４】本発明による共振点追従システムの実施例を示す概略ブロック図である。
【図５】本発明による共振点追従システムを適用した光ファイバジャイロの実施例を示す概略ブロック図である。
【図６】本発明による共振点追従システムを適用した光ファイバジャイロの他の実施例を示す概略ブロック図である。
【図７】本発明による共振点追従システムの他の実施例を示す概略ブロック図である。
【図８】光ファイバリング共振器の構成図で、（ａ）は反射形、（ｂ）は透過形をそれぞれ示している。
【図９】反射形および透過形の光ファイバリング共振器の共振特性で、入射する光の周波数に対する共振器出力を表す図である。
【図１０】リング共振方式光ファイバジャイロの角速度検出原理を説明するための図である。
【図１１】従来のリング共振方式光ファイバジャイロの構成を表す図である。
【図１２】ディジタルセロダイン波を表す図である。
【図１３】ディジタルセロダイン波を発生し、閉ループを構成するための制御回路を表す図である。
【図１４】光ファイバリング共振器の共振特性で、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対する共振器出力を表す図である。
【図１５】アナログセロダイン波により生じる、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差を表す図である。
【図１６】ディジタルセロダイン波により生じる、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差を表す図である。
【符号の説明】
１、２１、６１、１０１…レーザ光源
２２、６２…ビームスプリッタ
２、２３、６３、６８、１０２… レンズ
３、２４、６４，６９、１０３…導波路形変調器
４、２５、６５、７０、７４…圧電素子形位相変調器
６、３２、７２、１０５…光カップラ
７、３３、７３、１０６…光ファイバリング共振器
８、３４、３５、７６、７７、１０７…受光器
９、１３、３６、４０、４５、４９、７８、８２、８７、９２、１０８、１１２…ロックインアンプ
１０、３７、４６、７９、８８、１０９…ＡＤ変換器
１１、３８、４７、８０、８９、１１０…ステップ値発生器
１２、３９、４８、８１、９１、１１１…ディジタルセロダイン波発生器
１４、４１、５０、８３、９３、１１３…積分器
１５、４２、５１、８４、９４、１１４…ＤＡコンバータ
１６、４３、５２、８５、９５、１１５…パワーアンプ
１７、４４、５３、８６、９６、１１６…ステップ値／周波数変換手段
９０…加算器
１８、５４、５５、９７、９８、１１７…制御回路
１９、７５、１１８…発振器
２６…光ファイバ
５６…差分器
１１５…アンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、光ファイバリング共振器を用いたセンサに関し、特に光ファイバリング共振器内を対向伝搬する２光波間の、回転により生じた共振周波数差を測定する光ファイバジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転により生ずるサニャック効果を利用し、測定対象の回転速度を検出する光ファイバジャイロの１つにリング共振方式光ファイバジャイロがある。このリング共振方式光ファイバジャイロに用いられる光ファイバリング共振器には反射形と透過形がある。
通常、反射形は図８（ａ）のようにセンシングループ（光ファイバループ）１２０と、１台の光ファイバカップラ１２１により構成される。レーザ光をポート１から入射させ、その出射光強度をポート２で観測し、入射光の周波数に対する特性を取得すると図９（ａ）に示すような反射形の共振特性が得られる。
【０００３】
また、透過形は図８（ｂ）のようにセンシングループ（光ファイバループ）１２３と、２台の光ファイバカップラ１２４、１２５により構成される。レーザ光をポート１から入射させ、その出射光強度をポート２で観測し、入射光の周波数に対する特性を取得すると図９（ｂ）に示すような透過形の共振特性が得られる。共振特性はとびとびの周波数で最小値をとり、この点を共振点という。この最小値の間隔νFSR は自由スペクトル域と呼ばれ、
νFSR ＝ｃ／ｎＬ ……（１）
で与えられる。ここでｃは光速であり、ｎは光ファイバの屈性率、Ｌはセンシングループ長である。
【０００４】
共振点付近では鋭い共振特性を持ち、この鋭さを表わすパラメータとしてフィネスがあり、（２）式で定義される。
フィネス＝νFSR ／Δν＝π（αＲ）1/2 ／（１−αＲ）… （２）
ここでΔνは図９に示した共振特性の半値全幅であり、Ｒは光ファイバカップラの分岐比、αは光ファイバループ中の損失である。フィネスは、光ファイバ中を光波が何回周回できるかを表わしており、フィネスが大きいほどジャイロの分解能は高い。
【０００５】
以降、反射形の光ファイバリング共振器を例に説明する。
光ファイバリング共振器が静止しているときは、図１０（ａ）（ｂ）の実線1)に示すように左回りの光波と右回りの光波の共振周波数は等しくなる。光ファイバリング共振器が角速度Ωで回転すると、右回りと左回りの共振器の光路長にサニャック効果によるみかけ上の差が生じる。これは非相反的効果であり、共振周波数に差を生じさせ、図１０（ａ）（ｂ）の一点鎖線2)に示すように左右にずれた共振特性となる。この周波数差は（３）式のように表される。
ΔνS ＝（４Ｓ／λＬ）Ω ……（３）
ここで、Ｓは光ファイバリング共振器が囲む面積で、λはレーザの発振波長である。角速度Ωはこの共振周波数差を測定することにより得られ、一方の光波の共振点を基準とし、他方の光波の共振点を観測することによりジャイロの出力が得られる。
【０００６】
ところで、温度の変化が共振器長を変化させ、共振周波数を大きく変動させる。しかしこれは左右の光波に対して同じ移動量を与える相反的な効果であるため、これを補償するために、左右２光波のうち片方の光信号をもとにレーザ光源の周波数に帰還させる方法が採用されている。または、レーザの周波数には帰還せずに、光ファイバリング共振器に取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）により共振器長をちょうど共振点に一致するように制御してもよい。
【０００７】
図１１は、特開平０３−１７００１６（米国特許５２３７３８７）号や米国特許５２９６９１２号等で開示された、リング共振方式光ファイバジャイロの一例を示す概略図である。光ファイバリング共振器を用いて左右を周回する光波の共振周波数のずれを測定するものである。
レーザ光源を出射した光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）で２分岐される。２分岐された光はそれぞれレンズ（Ｌ１）、（Ｌ２）を通り、光ファイバに導かれ、光カップラ（Ｃ１）に入射する。光カップラ（Ｃ１）によりリング共振器に入射した光は右回りと左回りでループ内を伝播する。ファイバループ内で定在波となるような光の周波数は共振を生じ、光はリング共振器内に閉じ込められて出てくることができない。この様子は右回り光については受光器（Ｄ１）で、左回り光については受光器（Ｄ２）でそれぞれ観測される。ここで静止時は、左右の光波の共振周波数は等しいが、角速度が入力されるとサニャック効果により、右回りの光と左回りの光で光路長に差が生じ、その結果、共振周波数に差が生じる。
この共振周波数の差をジャイロ出力として利用することができる。透過形の光ファイバリング共振器を用いても同様に構成できるのは勿論のことである。
【０００８】
共振点を検出するために左右両光波には、リング共振器に入射する前に、それぞれ圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）、（ＰＺＴ１）により、周波数ｆn とｆm の正弦波による変調が加えられる。周波数ｆn とｆm は、同一の周波数でも良いが、好ましくは異なる周波数が用いられる。この正弦波による変調は共振周波数のずれを、正弦波の周波数成分を持つ誤差信号として与える。右回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ１）で、左回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ２）でそれぞれ同期検波され、共振周波数のずれが検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１）の出力は、レーザ周波数制御回路に入力され、レーザの周波数（ｆ0 ）が右回りの光を基準に、ある１つの共振点に一致するように制御される。ロックインアンプ（ＬＩＡ２）の出力は、左右２光波の共振点のずれが電圧値として求められる。これをジャイロ出力とすれば開ループ出力となる。
【０００９】
検出範囲を広くするためには、セロダイン波を用いて閉ループにする必要がある。セロダイン波は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値とし、セロダイン波の周波数分だけ光波の周波数を変化させる働きをする。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）導波路上に電気光学変調器を配置した導波路形変調器は使用できる周波数帯域が広く、セロダイン波による変調が可能である。ロックインアンプ（ＬＩＡ２）の出力をＶＣＯに入力し、セロダイン波発生器2)により生成されるセロダイン波の周波数ｆ2 を変化させる。セロダイン波は導波路形位相変調器（ＰＭ２）に入力され、左回りの光波が共振点に一致するように制御される。この周波数はｆ0 ＋ｆ2 である。セロダイン波の周波数をカウントすることによりジャイロ出力が得られるが、分解能を高めるためには、静止時にセロダイン波がある程度の周波数を持っていた方が良い。そこで導波路形位相変調器（ＰＭ１）を用いてセロダイン波発生器1)より固定の周波数ｆ1 をもつセロダイン波が右回りの光に入力される。右回りの光の周波数はｆ0 ＋ｆ1 となる。２つの周波数差ｆ2 −ｆ1 は、ジャイロの閉ループ出力となる。
【００１０】
従来のセロダイン波はアナログ的に生成されたセロダイン波であった。アナログのセロダイン波は、歪みなく生成することが難しく、またフライバック時間があるという問題があった。そのためこれらの問題を克服するためにディジタル的に生成したディジタルセロダイン波を用いた方式が提案されている。
「デジタルセロダイン方式共振型光ファイバジャイロ（春本道子、保立和夫 信学技報１９９６年５月）」は、閉ループを構成する場合のセロダイン波を、従来はアナログのセロダイン波であったものを、図１２に示すような光波が光ファイバループを１周伝搬する時間（τ）を横幅にもつ、ディジタルで生成した階段状のセロダイン波とすることにより、受光器上の光強度が理想的なアナログセロダイン波と等しくなることを示した。また、共振点を検出するために、圧電素子形位相変調器により左右２光波にそれぞれ周波数ｆn とｆm の正弦波による変調を加える代わりに、左右２光波にそれぞれ１つの導波路形変調器を用いて、それぞれに周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段が示されている。
【００１１】
ディジタルセロダイン波による閉ループは図１３に示すようなディジタル制御回路により実現することができる。このディジタル制御回路の１フレームは、光波が光ファイバループを１周伝搬する時間（τ）である。ロックインアンプ（ＬＩＡ）の出力（ｖ１）は、ＡＤコンバータ（ＡＤ）でディジタル値に変換され、そのディジタル値（ｖ２）は第１の加算器（ＡＤＤ１）に入力される。第１の加算器は、ＡＤコンバータの出力（ｖ２）と第１の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ３）を第２の加算器（ＡＤＤ２）に入力する。
第２の加算器は、第１の加算器の出力（ｖ３）と第２の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ４）をＤＡコンバータ（ＤＡ）に出力する。ＤＡコンバータの出力は、パワーアンプ（Ａ）を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ）に入力される。第１の加算器は、ディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを決定するための符号付きディジタル積分器である。
【００１２】
ＡＤコンバータからＤＡコンバータまでのビット数および入出力のビット対応関係は、制御の応答性と１ビット当たりの分解能を考慮して決定される。
一般にＡＤコンバータのビット数は、第１の加算器のビット数よりも小さく、この間の入出力は最下位ビット（ＬＳＢ）を揃えて行われる。一般に第１の加算器のビット数は第２の加算器のビット数よりも大きく、この間のビット対応関係は、第２の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）が、第１の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）か、またはそれより下位のビットとなるように対応させる。第２の加算器とＤＡコンバータ間の入出力は最上位ビット（ＭＳＢ）を揃えて行われ、フルスケールは位相差２πに対応する量である。第２の加算器のビット数をＭとすると、２πは２M に対応しており、２M 以上の加算結果に対してはオーバーフローとなる。第２の加算器において、一定のステップ値で加算され増大していくセロダイン波は、２π以上では超過分を起点とし、再度、増大を始める性質を持つディジタルセロダイン波となり、これが位相変調器（ＰＭ）に入力される。
【００１３】
図９に示した周波数に対する共振特性は、位相の面から図１４に示すようにリング共振器内での伝搬回数が１周異なる光波の位相差に対して同様に表すことができる。ここで、Ｎは整数であり、伝搬回数の１周異なる光波の位相差が２πの整数倍となる所が共振点である。位相の面からディジタルのセロダイン波がアナログのセロダイン波と同様に機能することを示す。位相変調器への入射角周波数をωとすると、角周波数Δωに相当する周波数シフトにより、共振器一周の位相回転はφ＝ωτ−２ｎπ（０≦φ＜２π）からφ＋Δφ（Δφ＝Δωτ）になる。ここで、φ＋Δφは、光が共振器を一周伝搬する間の位相回転であるが、これは受光器に到達した光のうち共振器における伝搬回数が一周異なる２つの光波間の位相差である。
【００１４】
位相変調器にアナログセロダイン波による変調がかけられた場合は、位相変調器を通った時間がτ異なるｍ回周回光と（ｍ＋１）回周回光がそれぞれ受ける位相回転は図１５（ａ）のようになる。２つの光の位相回転の差は図１５（ｂ）のようにΔφあるいはΔφ−２πとなるので、同時に受光器に到達した光で共振器の伝搬回数が一周異なる光の位相差は、φ＋Δφかφ＋Δφ−２πのいずれかとなる。
位相変調器にディジタルセロダイン波による変調がかけれらた場合は、階段の横幅の長さが光波のファイバループ伝搬時間（τ）に等しければ、位相変調器を通った時間がτ異なるｍ回周回光と（ｍ＋１）回周回光がそれぞれ受ける位相回転は図１６（ａ）のようになる。２つの光の位相回転の差は図１６（ｂ）のようにΔφあるいはΔφ−２πとなるので、同時に受光器に到達した光のうち、ファイバ共振器の伝搬回数が一周異なる２つの光は、φ＋Δφかφ＋Δφ−２πのいずれかの位相差を持ち、アナログセロダイン波でもディジタルセロダイン波でもΔωの角周波数に相当する周波数シフトを与えたときと等しい受光器出力を与える。
【００１５】
φ＋Δφ−２πの位相差は、波形のリセット時に生じるが、セロダイン波の振幅が２πであれば不整合を生じない。セロダイン波の振幅が２πからずれていれば、セロダイン波の周期で誤差信号が現れる。この振幅誤差はセロダイン波の周期で同期検波することにより補正が可能である。
いずれにしても従来のリング共振方式光ファイバジャイロにおいては、相反的効果である温度による共振点の移動は、レーザ周波数または光ファイバリング共振器に取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）に帰還することにより追従するという方式を採用していた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、温度による相反的効果は、回転による非相反的効果に対して極めて大きい。温度による共振点の移動は１℃当り数ＧＨｚであり、これは自由スペクトル域の数百倍に相当する。それに対してレーザ周波数またはＰＺＴで補償できる量は、両者を併用した場合でも約２０ＧＨｚほどでしかない。したがって温度に対して約１０℃ほどの範囲でしか対応できない。そのため、１０℃以上環境温度が変化した場合には、同一の共振点に追従し続けることは不可能であった。
【００１７】
つぎに、共振周波数は、図９に示すように、自由スペクトル域νFSR おきの間隔で存在している。そこで、例えば、レーザの発振周波数またはファイバループに取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）に帰還する従来のリング共振方式光ファイバジャイロは、上記間隔で存在する、ある共振点に追従しているとき、フィードバック制御量が不足してきた場合には、より少ない制御量で追従が可能な領域にある共振点に、追従の対象を瞬時に移行すれば、ジャイロ機能として継続させることができる。しかしながら、制御の連続性を失うことなく追従対象とする共振点を移行することは困難が伴っていた。このようなことから、リング共振方式光ファイバジャイロは常に、当初において追従対象とした共振点に光波の周波数を一致させることを前提としなければならず、上記一定以上の大きな温度変化に対応することができなかった。
【００１８】
本発明の目的は、リング共振器から出射されるレーザ光をディジタルセロダイン波を用いて変調手段に帰還させることにより、追従対象とする共振点を制御の連続性を失うことなく順次隣の共振点に移行させて共振点の継続的な追従を可能にし温度環境の大きな変動に対応できる共振点追従システムを提供することである。
本発明の他の目的は、上記共振点追従システムを用いた光ファイバジャイロを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明による共振点追従システムは、所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を位相変調する第１の位相変調手段と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を所定周波数の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段、または前記レーザ光源を周波数変調する周波数変調手段と、前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、前記光ファイバリング共振器から出射されるレーザ光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力と前記変調信号を入力して、前記光検出器の出力中の前記変調信号の周波数成分を同期検波するロックインアンプと、前記ロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させたディジタルセロダイン波を出力し、該ディジタルセロダイン波を前記第１の位相変調手段の変調入力とする制御手段とを備え、前記光ファイバリング共振器中を伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記ディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差を与え、ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するように構成してある。
上記構成において、前記第１の位相変調手段に所定周波数の変調信号を加えることにより前記第１の位相変調手段に前記第２の位相変調手段の機能を兼用させることができる。
【００２０】
前記他の目的を達成するために本発明による光ファイバジャイロは、所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ位相変調する第１および第３の位相変調手段と、前記分岐手段により分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ所定周波数の第１および第２の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段および第４の位相変調手段と、前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を右回りになるように、前記第３と第４の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を左回りになるようにそれぞれ導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、前記光ファイバリング共振器から出射される右回りのレーザ光を検出する第１の光検出器と、前記光ファイバリング共振器から出射される左回りのレーザ光を検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力と前記第１の変調信号を入力して、前記第１の光検出器の出力中の前記第１の変調信号の周波数成分を同期検波する第１のロックインアンプと、前記第１のロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させた第１のディジタルセロダイン波を出力し、これを前記第１の位相変調手段の変調入力に帰還することにより、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、この位相変化に追従するように制御する第１の制御手段と、前記第２の光検出器の出力と前記第２の変調信号を入力して、前記第２の光検出器の出力中の前記第２の変調信号の周波数成分を同期検波する第２のロックインアンプと、前記第２のロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させた第２のディジタルセロダイン波を出力し、これを前記第３の位相変調手段の変調入力に帰還することにより、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、位相変化に追従するように制御する第２の制御手段とを備え、前記光ファイバリング共振器中を右回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波および左回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、右回りおよび左回りの伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記第１および第２のディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差をそれぞれ与え、ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するようにし、前記第１のディジタルセロダイン波のステップ１段の高さと、前記第２のディジタルセロダイン波のステップ１段の高さの差をとることにより左回り光と右回り光の非相反的な共振点の移動を計測しジャイロ出力とするように構成してある。
【００２１】
また、前記他の目的を達成するために本発明による光ファイバジャイロは、所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ位相変調する第１および第３の位相変調手段と、前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ所定周波数の第１および第２の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段および第４の位相変調手段と、前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を右回りになるように、前記第３と第４の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を左回りになるようにそれぞれ導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、前記光ファイバリング共振器から出射される右回りのレーザ光を検出する第１の光検出器と、前記光ファイバリング共振器から出射される左回りのレーザ光を検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力と前記第１の変調信号を入力して、前記第１の光検出器の出力中の前記第１の変調信号の周波数成分を同期検波する第１のロックインアンプと、前記第１のロックインアンプの出力を入力し、積分してディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを生成するディジタル積分器である第１のステップ値発生器と、前記第１のステップ値発生器の出力と第２のステップ値発生器の出力を加算する加算器と、前記加算器の出力を入力して２πに対応させた第１のディジタルセロダイン波を発生し、前記第１の位相変調手段の変調入力に帰還する第１のディジタルセロダイン波発生器とからなり、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、この位相変化に追従するように制御する第１の制御手段と、前記２の光検出器の出力と前記第２の変調信号を入力して、前記第２の光検出器の出力中の前記第２の変調信号の周波数成分を同期検波する第２のロックインアンプと、前記第２のロックインアンプの出力を入力し、積分してディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを生成するディジタル積分器である前記第２のステップ値発生器と、前記第２のステップ値発生器の出力を入力して２πに対応させた第２のディジタルセロダイン波を発生し、前記第３の位相変調手段の変調入力に帰還する第２のディジタルセロダイン波発生器とからなり、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、位相変化に追従するように制御する第２の制御手段とを備え、前記光ファイバリング共振器中を右回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波および左回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、右回りおよび左回りの伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記第１および第２のディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差をそれぞれ与え、ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するようにし、前記第１のステップ値発生器の出力を、左回り光と右回り光の非相反的な共振点の移動に対応したジャイロ出力とするように構成してある。
上記構成において、前記第１および第３の位相変調手段にそれぞれ所定周波数の変調信号を加えることにより前記第１および第３の位相変調手段にそれぞれ前記第２および第４の位相変調手段の機能を兼用させることができる。
【００２２】
【作用】
上記構成によれば、温度変化で共振器長が大きく変化し、その結果、共振周波数がレーザ周波数、圧電素子（ＰＺＴ）による共振器長への帰還で補償できる範囲以上に移動したとしても、制御の連続性を失うことなく共振点を継続的に追従し、ジャイロとして機能させることが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３用いて本発明の実施の形態を詳しく説明する。
ディジタルセロダイン波による閉ループは図１３に示すようなディジタル制御回路により実現することができる。このディジタル制御回路の１フレームは、光波が光ファイバループを１周伝搬する時間（τ）である。
ロックインアンプ（ＬＩＡ）の出力（ｖ１）は、ＡＤコンバータ（ＡＤ）でディジタル値に変換され、そのディジタル値（ｖ２）は第１の加算器（ＡＤＤ１）に入力される。第１の加算器は、ＡＤコンバータの出力（ｖ２）と第１の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ３）を第２の加算器（ＡＤＤ２）に入力する。第２の加算器は、第１の加算器の出力（ｖ３）と第２の加算器の前回値を加算し、その結果（ｖ４）をＤＡコンバータ（ＤＡ）に出力する。ＤＡコンバータの出力は、パワーアンプ（Ａ）を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ）に入力される。第１の加算器は、ディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを決定するための符号付きディジタル積分器である。
【００２４】
ＡＤコンバータからＤＡコンバータまでのビット数および入出力のビット対応関係は、制御の応答性と１ビット当たりの分解能を考慮して決定される。
一般にＡＤコンバータのビット数は、第１の加算器のビット数よりも小さく、この間の入出力は最下位ビット（ＬＳＢ）を揃えて行われる。一般に第１の加算器のビット数は第２の加算器のビット数よりも大きく、この間のビット対応関係は、第２の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）が、第１の加算器の最上位ビット（ＭＳＢ）か、またはそれより下位のビットとなるように対応させる。第２の加算器とＤＡコンバータ間の入出力は最上位ビット（ＭＳＢ）を揃えて行われ、フルスケールは位相差２πに対応する量である。第２の加算器のビット数をＭとすると、２πは２M に対応しており、２M 以上の加算結果に対してはオーバーフローとなる。第２の加算器において、一定のステップ値で加算され増大していくセロダイン波は、２π以上では超過分を起点とし、再度、増大を始める性質を持つディジタルセロダイン波となり、これが位相変調器（ＰＭ）に入力される。
【００２５】
第１の加算器は、伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、それに対し相殺する位相差を生成するための積分器であり、第１の加算器の出力（ｖ３）は増大または減少し、ちょうど相殺する位相差で一定値となり、これがディジタルセロダイン波のステップ値となる。
伝搬回数の１周異なる２光波間に大きな位相差が生じた場合は、これを相殺するために、第１の加算器は大きなステップ値を生成しなければならない。しかし第２の加算器のフルスケールが位相差２πに相当するため、２π以上のステップ値を第２の加算器に入力することはできない。第２の加算器のビット数がＭであるため、２M 以上のステップ値に対しては２M −１以下の値にリセットされる。第１の加算器の最上位ビットを符号ビットとして扱うと、リセットされたステップ値は、当初、ある共振点に対して追従させ、閉ループとするために生成したステップ値に対して、２πの整数倍異なる、−π以上、π以下の値となる。ステップ値が０以上、π以下のときデジタルセロダイン波は上昇形である。ステップ値が−π以上、０以下のときデジタルセロダイン波は下降形である。ステップ値がπであることと、−πであることは同じであり、同一の波形すなわち矩形波となる。ステップ値がπのときを境に、デジタルセロダイン波の波形が上昇形から下降形、または下降形から上昇形に変化する。
【００２６】
これは、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して波形の変化を規則的に繰り返す性質を持つことを示している。
この性質を利用すれば、ステップ値がΔφのディジタルセロダイン波は伝搬回数の１周異なる２光波にΔφあるいはΔφ−2 πの位相差を与えること、および、共振点は伝搬回数が１周異なる２光波の位相差に対して２πおきに存在していることにより、共振点が２π以上に大きく移動しても共振点の追従が継続されることを以下に説明する。
【００２７】
ステップ１段の高さがΔφのディジタルセロダイン波は、伝搬回数の１周異なる２光波にΔφあるいはΔφ−2 πの位相差を与える。温度等の外乱あるいは角速度入力により、伝搬回数の１周異なる光波に正の方向の位相差ΔφX が生じた場合、これに対し零位法を行い閉ループとするためにステップ１段の高さをΔφX とする増大していく上昇形のディジタルセロダイン波を用いて、同量の位相差を負帰還し共振点に追従させる。伝搬回数の１周異なる光波に、負の方向の位相差−ΔφX が生じた場合、これを相殺し閉ループとするためにステップ一段の高さを−ΔφX とし、減少していく下降形のディジタルセロダイン波を用いて、同量の位相差を負帰還し、共振点に追従させる。
【００２８】
伝搬回数の１周異なる２光波に大きな位相差が加わっていくと、ディジタルセロダイン波のステップ数は小さくなり、少ないステップ数で振幅２πを超えたとき、ディジタル的にリセットされる。伝搬回数の１周異なる２光波にさらに大きなπ以上の位相差が加わった場合、これまで上昇形であったディジタルセロダイン波は下降形に変化する。これはステップ１段の高さがΔφX −２πとなることを意味している。上昇形の波形と下降形の波形の境は振幅がπである矩形波形となる。ステップ１段の高さがπであることと、−πであることは同じであり、同一の波形である。さらに伝搬回数の１周異なる光波の位相差が増大していけば、下降形の波形が、上昇形の波形になり、ステップ１段の高さがπを超えたときに、再度下降形となる。
【００２９】
このように伝搬回数の１周異なる光波の位相差に対し零位法を行い、閉ループとするステップ１段の高さは、図１に示すようになる。これはアナログセロダイン波が継続的に周波数を上げていく、すなわち変調される光波の位相回転を継続的に増大させるのに対して、ディジタルセロダイン波による光波の位相回転は−２π以上、２π以下に制限され、その値はアナログセロダイン波によるものに対して２πの整数倍だけ異なっている。これはアナログセロダイン波が、当初追従していた共振点を、永続的に追従の対象とするのに対して、ディジタルセロダイン波は最も近い共振点に追従することを示している。
【００３０】
つぎに、ステップ１段の高さがΔφの上昇形のディジタルセロダイン波を用いた場合、伝搬回数の１周異なる光波に与える位相差は、ΔφとΔφ−２πのいずれかである。ステップ１段の高さが、−Δφの下降形のディジタルセロダイン波の場合、伝搬回数の１周異なる光波に与える位相差は、−Δφと−Δφ＋２πのいずれかである。２値の時間配分は、上昇形ではΔφの位相差を与える時間が、（（ステップ数）−１）×（光ファイバループ伝搬時間（τ））であり、Δφ−２πの位相差を与える時間が、光ファイバループ伝搬時間（τ）である。そして下降形で−Δφの位相差を与える時間が、（（ステップ数）−１）×（光ファイバループ伝搬時間（τ））であり、−Δφ＋２πの位相差を与える時間が、光ファイバループ伝搬時間（τ）である。以上の関係をまとめると、ディジタルセロダイン波によって発生する位相差と、それらの位相差の発生頻度は、伝搬回数の１周異なる光波の位相差に対して図２に示す関係を満たすこととなる。
【００３１】
図２は、伝搬回数の１周異なる２光波に位相差は生じた場合、それに対し零位法を行い、閉ループとするためのディジタルセロダイン波により発生する位相差を説明するための図である。
ディジタルセロダイン波により発生する位相差はどの共振点に追従しているかを示している。図２のＡの領域は、２Ｎπの共振点と２（Ｎ＋１）πの共振点のいずれかに追従する領域であり、Ｂの領域は、２（Ｎ＋１）πの共振点と２（Ｎ＋２）πの共振点のいずれかに追従する領域である。Ｃの領域は、２Ｎπの共振点と２（Ｎ−１）πの共振点のいずれかに追従する領域であり、Ｄの領域は、２（Ｎ−１）πの共振点と２（Ｎ−２）πの共振点のいずれかに追従する領域である。追従する共振点がどれであるかは位相差の発生頻度に応じて順次移行する。
【００３２】
図３は、伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、ディジタルセロダイン波により追従している共振点の比率を表す図である。
追従している共振点とそれらの時間的比率を図示すると図３のようになる。この関係は、ディジタルセロダイン波の振幅２πのリセットにより常に２つの共振点に追従しており、伝搬回数の１周異なる２光波に大きな位相差が生じても、図１３に示したようなディジタル制御回路を用いて、制御の連続性を保ったまま、追従対象の共振点を移行し、追従を継続できることを示している。
追従を継続するためには、図１３の第１の加算器（ＡＤＤ１）と第２の加算器（ＡＤＤ２）間のビット対応関係は、最上位ビット（ＭＳＢ）を揃え、第１の加算器はそれより上位のビットを設ける必要はないが、さらに上位のビットを設ければ、当初追従していた共振点の移動量を広い範囲にわたって計測することができる。
【００３３】
この方法を用いてリング共振器の共振点に追従させれば、温度により共振器長が大きく変化したとしても、光波の周波数が変動する共振器長に合うように、レーザの周波数、あるいは光ファイバリング共振器に取り付けた圧電素子（ＰＺＴ）に帰還させる必要はなく、ディジタルセロダイン波のみで共振点に追従することが可能となる。また、この方法を用いてディジタルセロダイン波のみで左右２光波それぞれの共振点に追従させれば、光ファイバリング共振器に角速度の入力がない場合、温度による共振点の移動に対してのみ追従する。これは左右２光波に等しい位相回転を与える相反的効果である。したがって、左回りの光が追従する２つの共振点と、右回りの光が追従する２つの共振点は常に同じ共振点である。このとき左回りの光を追従させるために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値と、右回りの光を追従するために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値は同一である。
【００３４】
光ファイバリング共振器に角速度の入力がある場合は、共振点の移動量は、サニャック効果による非相反的な成分と温度による成分の両方が加わった量となるが、温度による成分は相反的な効果であるため、このとき左回りの光を追従するために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値と、右回りの光を追従するために生成されたディジタルセロダイン波のステップ値の差は、サニャック効果による非相反的な成分であり、これをジャイロ出力とすることができる。
【００３５】
【実施例】
図４は、本発明による共振点追従システムの実施例を示す概略ブロック図である。請求項１および２に対応するものである。
レーザ光源１を出射した所定周波数のレーザ光は、レンズ（Ｌ）２を通り、光ファイバに導かれ、第１の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ）３、第２の位相変調手段である圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）４を介して光カップラ（Ｃ）６に入射する。
【００３６】
光カップラ（Ｃ）６により入射した光は、光ファイバリング共振器７のループ内を伝播する。リング共振器の出射光は受光器（Ｄ）８で観測される。
共振点を検出するために入射光には、光ファイバリング共振器７に入射する前に、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）４により、発振器１９からの周波数ｆm の正弦波による位相変調が加えられる。共振点を検出するためには、正弦波による変調ではなく、導波路形変調器３のみを使用して、周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段を用いてもよい。また、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）４は導波路形位相変調器（ＰＭ）３の入力側に接続することもできる。
【００３７】
光波はロックインアンプ（ＬＩＡ）９で同期検波され共振点からのずれが検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ）９出力は、図１３と同等の機能をもつ制御回路（ＣＣ）１８に入力される。
制御回路（ＣＣ）１８内のステップ値発生器１１の出力（ＳＴ）は、それをステップ値としてディジタルセロダイン波発生器１２に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波は、ＤＡコンバータ（ＤＡ）１５、パワーアンプ（Ａ）１６を経て導波路形位相変調器（ＰＭ）３に入力され、光波が共振点に追従するように制御される。
【００３８】
導波路形位相変調器（ＰＭ）３に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ）は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器１１の出力はステップ値／周波数変換手段１７に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ' ）１３に入力される。ロックインアンプ（ＬＩＡ' ）１３は、光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ' ）１３で同期検波された振幅誤差信号は積分器１４で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）１５の基準電圧に帰還される。この結果、ディジタルセロダイン波（Ｓ）の振幅は２πとなるように制御される。
【００３９】
図５は、本発明による共振点追従システムを適用した光ファイバジャイロの実施例を示す概略ブロック図である。請求項３および５に対応するものである。
レーザ光源２１を出射した所定周波数のレーザ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）２２で２分岐される。２分岐されたレーザ光はそれぞれレンズ（Ｌ２）２３、（Ｌ１）２８を通り、光ファイバに導かれ、第１の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ２）２４、第３の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ１）２９、第２の位相変調手段である圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）２５、第４の位相変調手段である（ＰＺＴ１）３０を経て、光カップラ（Ｃ１）３２に入射する。ビームスプリッタ２２から２つの導波路形変調器２４，２９までは、好ましくは多機能光集積チップを用いるのが良い。
【００４０】
光カップラ（Ｃ１）３２により入射した光は、右回りと左回りで光ファイバリング共振器３３のループ内を伝播する。右回り光については受光器（Ｄ１）３４で、左回り光については受光器（Ｄ２）３５でそれぞれ観測される。
共振点を検出するために左右２光波には、光ファイバリング共振器３３に入射する前に、それぞれ圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）２５、（ＰＺＴ１）３０により、発振器からの周波数ｆn とｆm の正弦波による位相変調が加えられる。共振点を検出するためには、左右２光波に正弦波による変調ではなく、導波路形変調器２４、２９のみを使用して、それぞれ周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段を用いてもよい。周波数ｆn とｆm は、同一の周波数でも良いが、好ましくは異なる周波数が用いられる。また、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）２５および（ＰＺＴ１）３０は導波路形位相変調器（ＰＭ２）２４および（ＰＭ１）２９の入力側にそれぞれ接続することもできる。
【００４１】
右回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ１）４５で同期検波され共振点からのずれが、左回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ２）３６で同期検波され共振点からのずれがそれぞれ検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１）４５とロックインアンプ（ＬＩＡ２）３６の出力は、それぞれ図１３と同等の機能をもつ制御回路（ＣＣ１）５５、（ＣＣ２）５４に入力される。
制御回路（ＣＣ１）５５内のステップ値発生器（１）４７の出力（ＳＴ１）は、それをステップ値としてディジタルセロダイン波発生器（１）４８に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、ＤＡコンバータ（ＤＡ）５１、パワーアンプ（Ａ１）５２を経て導波路形位相変調器（ＰＭ１）２９に入力され、右回りの光波が共振点に追従するように制御される。
【００４２】
一方、制御回路（ＣＣ２）５４内のステップ値発生器３８の出力（ＳＴ２）は、それをステップ値として、ディジタルセロダイン波発生器（２）３９に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ２）はＤＡコンバータ（ＤＡ）４２、パワーアンプ（Ａ２）４３を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ２）２４に入力され、左回りの光波が共振点に追従するように制御される。
ステップ値発生器（１）４７の出力（ＳＴ１）とステップ値発生器（２）３８の出力（ＳＴ２）の差は回転により生じた位相差に零位法を行って閉ループとするのに必要な成分であり、ジャイロ出力となる。
【００４３】
導波路形位相変調器（ＰＭ１）２９に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器（１）４７の出力（ＳＴ１）はステップ値／周波数変換手段（１）５３に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）４９に入力される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）４９は、右回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）４９で同期検波された振幅誤差信号は積分器（１）５０で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）５１の基準電圧に帰還される。この結果、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅は２πとなるように制御される。
【００４４】
一方、導波路形位相変調器（ＰＭ２）２４に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ２）も、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器（２）３８の出力（ＳＴ２）はステップ値／周波数変換手段（２）４４に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）４０に入力する。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）４０は、左回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）４０で同期検出された振幅誤差信号は積分器（２）４１で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）４２の基準電圧に帰還される。この結果、（Ｓ１）と同様、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅が２πとなるように制御される。
【００４５】
図６は、本発明による共振点追従システムに適用した光ファイバジャイロの他の実施例を示す概略ブロック図であり、２つの制御回路で相反的効果による成分と非相反的効果による成分を分担するように構成したものである。請求項４および５に対応するものである。
レーザ光源６１を出射した所定周波数のレーザ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）６２で２分岐される。２分岐されたレーザ光はそれぞれレンズ（Ｌ２）６３、（Ｌ１）６８を通り、光ファイバに導かれ、第１の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ２）６４、第３の位相変調手段である導波路形変調器（ＰＭ１）６９、第２の位相変調手段てある圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）６５、第４の位相変調手段である圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ１）７０を経て、光カップラ（Ｃ１）７２に入射する。
ビームスプリッタ６２から２つの導波路形変調器６４、６９までは、好ましくは多機能光集積チップを用いるのが良い。
【００４６】
光カップラ（Ｃ１）７２により入射した光は、右回りと左回りで光ファイバリング共振器７３のループ内を伝播する。右回り光については受光器（Ｄ１）７６で、左回り光については受光器（Ｄ２）７７でそれぞれ観測される。
共振点を検出するために左右２光波には、光ファイバリング共振器７３に入射する前に、それぞれ圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）６５、（ＰＺＴ１）７０により、発振器からの周波数ｆn とｆm の正弦波による位相変調が加えられる。共振点を検出するためには、左右２光波に正弦波による変調ではなく、導波路形変調器６４、６９のみを使用して、それぞれ周波数の異なる２つのセロダイン波を交替周波数で切り替える変調とする手段を用いてもよい。周波数ｆn とｆm は、同一の周波数でも良いが、好ましくは異なる周波数が用いられる。また、圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ２）６５および（ＰＺＴ１）７０は導波路形位相変調器（ＰＭ２）６４および（ＰＭ１）６９の入力側にそれぞれ接続することもできる。
【００４７】
右回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ１）８７で同期検波された共振点からのずれが、左回りの光波についてはロックインアンプ（ＬＩＡ２）７８で同期検波された共振点からのずれがそれぞれ検出される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１）８７とロックインアンプ（ＬＩＡ２）７８の出力は、それぞれ図１３と同等の機能をもつ制御回路（ＣＣ１）９８、（ＣＣ２）９７に入力される。制御回路（ＣＣ２）９７内のステップ値発生器（２）８０の出力（ＳＴ２）と、制御回路（ＣＣ１）９８内のステップ値発生器（１）８９の出力（ＳＴ１）は、加算器９０で加算される。そして、その結果（ＳＴ３）をステップ値としてディジタルセロダイン波発生器（１）９１に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、ＤＡコンバータ（ＤＡ）９４、パワーアンプ（Ａ１）９５を経て導波路形位相変調器（ＰＭ１）６９に入力され、右回りの光波が共振点に追従するように制御される。
【００４８】
一方、制御回路（ＣＣ２）９７内のステップ値発生器８０の出力ＳＴ２は、それをステップ値として、ディジタルセロダイン波発生器（２）８１に入力され、ディジタルセロダイン波が生成される。このディジタルセロダイン波（Ｓ２）はＤＡコンバータ（ＤＡ）８４、パワーアンプ（Ａ２）８５を経て、導波路形位相変調器（ＰＭ２）６４に入力され、左回りの光波が共振点に追従するように制御される。
【００４９】
制御回路（ＣＣ２）９７は左右２光波に共通するステップ値を生成する。したがって、これは温度による相反的な共振点の移動に追従するのに必要な成分である。制御回路（ＣＣ１）９８は、非相反的な効果と相反的な効果の両方による共振点の移動に追従するのに必要なステップ値を生成する。これらの差であるステップ値発生器（１）８９の出力（ＳＴ１）は回転により生じた位相差に零位法を行って閉ループとするのに必要な成分であり、ジャイロ出力となる。
光ファイバループに取り付けた圧電素子形変調器（ＰＺＴ３）７４は、発振器７５により低周波で駆動され、ディジタルセロダイン波が特定の波形に偏らないようにならすためのものである。
【００５０】
導波路形位相変調器（ＰＭ１）６９に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ１）は、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、加算器９０の出力（ＳＴ３）はステップ値／周波数変換手段（１）９６に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）９２に入力される。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）９２は、右回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ１' ）９２で同期検波された振幅誤差信号は積分器（１）９３で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）９４の基準電圧に帰還される。この結果、ディジタルセロダイン波（Ｓ１）の振幅は２πとなるように制御される。
【００５１】
一方、導波路形位相変調器（ＰＭ２）６４に入力されるディジタルセロダイン波（Ｓ２）も、その振幅を光波に２πの位相回転を与える電圧値に保たなければならない。そのため、ステップ値発生器（２）８０の出力（ＳＴ２）はステップ値／周波数変換手段（２）８６に入力され、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）に等しい周波数を発生させ、ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）８２に入力する。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）８２は、左回り光に含まれるディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅誤差信号を同期検出することとなる。ロックインアンプ（ＬＩＡ２' ）８２で同期検出された振幅誤差信号は積分器（２）８３で積分されＤＡコンバータ（ＤＡ）８４の基準電圧に帰還される。この結果、（Ｓ１）と同様、ディジタルセロダイン波（Ｓ２）の振幅が２πとなるように制御される。
【００５２】
図７は、本発明による共振点追従システムの他の実施例を示す概略ブロック図である。請求項１に対応するものである。
図４の実施例と異なるところは、共振点を検出するために圧電素子形位相変調器（ＰＺＴ）を導波路形変調器１０３の出力側に挿入するものではなく、代わりにレーザ光源１０１のレーザ光を発振器１１８からの周波数ｆm の変調信号により周波数変調するようにしたものである。
１０２から１１７までの各部分は、図４の２から１８にそれぞれ対応する各部分の構成および動作と同じである。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は、温度の変化による共振点の移動を、レーザ周波数への帰還量または圧電素子（ＰＺＴ）の共振器長変化量により追従することが不可能であった領域まで、追従対象とする共振点を、制御の連続性を失うことなく移行することにより、継続的に追従することを可能にした。したがって、従来、狭い温度範囲でしか機能できなかったリング共振方式光ファイバジャイロを実用的な温度範囲において機能させることができる。
また、追従のためにレーザの周波数を制御する構成ではないので、半導体レーザを使用することができる。さらに単一光源で複数軸のジャイロを構成できるという耐温度特性以外の利点も有し、航空機などに搭載可能なリング共振方式光ファイバジャイロの実用化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、それに対し零位法を行い、閉ループとするためのステップ１段の高さを表す図である。
【図２】伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、それに対し零位法を行い、閉ループとするためのディジタルセロダイン波により発生する位相差を説明するための図である。
【図３】伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が生じた場合、ディジタルセロダイン波により追従している共振点の比率を表す図である。
【図４】本発明による共振点追従システムの実施例を示す概略ブロック図である。
【図５】本発明による共振点追従システムを適用した光ファイバジャイロの実施例を示す概略ブロック図である。
【図６】本発明による共振点追従システムを適用した光ファイバジャイロの他の実施例を示す概略ブロック図である。
【図７】本発明による共振点追従システムの他の実施例を示す概略ブロック図である。
【図８】光ファイバリング共振器の構成図で、（ａ）は反射形、（ｂ）は透過形をそれぞれ示している。
【図９】反射形および透過形の光ファイバリング共振器の共振特性で、入射する光の周波数に対する共振器出力を表す図である。
【図１０】リング共振方式光ファイバジャイロの角速度検出原理を説明するための図である。
【図１１】従来のリング共振方式光ファイバジャイロの構成を表す図である。
【図１２】ディジタルセロダイン波を表す図である。
【図１３】ディジタルセロダイン波を発生し、閉ループを構成するための制御回路を表す図である。
【図１４】光ファイバリング共振器の共振特性で、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対する共振器出力を表す図である。
【図１５】アナログセロダイン波により生じる、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差を表す図である。
【図１６】ディジタルセロダイン波により生じる、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差を表す図である。
【符号の説明】
１、２１、６１、１０１…レーザ光源
２２、６２…ビームスプリッタ
２、２３、６３、６８、１０２… レンズ
３、２４、６４，６９、１０３…導波路形変調器
４、２５、６５、７０、７４…圧電素子形位相変調器
６、３２、７２、１０５…光カップラ
７、３３、７３、１０６…光ファイバリング共振器
８、３４、３５、７６、７７、１０７…受光器
９、１３、３６、４０、４５、４９、７８、８２、８７、９２、１０８、１１２…ロックインアンプ
１０、３７、４６、７９、８８、１０９…ＡＤ変換器
１１、３８、４７、８０、８９、１１０…ステップ値発生器
１２、３９、４８、８１、９１、１１１…ディジタルセロダイン波発生器
１４、４１、５０、８３、９３、１１３…積分器
１５、４２、５１、８４、９４、１１４…ＤＡコンバータ
１６、４３、５２、８５、９５、１１５…パワーアンプ
１７、４４、５３、８６、９６、１１６…ステップ値／周波数変換手段
９０…加算器
１８、５４、５５、９７、９８、１１７…制御回路
１９、７５、１１８…発振器
２６…光ファイバ
５６…差分器
１１５…アンプ
Claims (5)
- 所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるレーザ光を位相変調する第１の位相変調手段と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を所定周波数の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段、または前記レーザ光源を周波数変調する周波数変調手段と、
前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、
前記光ファイバリング共振器から出射されるレーザ光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力と前記変調信号を入力して、前記光検出器の出力中の前記変調信号の周波数成分を同期検波するロックインアンプと、
前記ロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させたディジタルセロダイン波を出力し、該ディジタルセロダイン波を前記第１の位相変調手段の変調入力とする制御手段とを備え、
前記光ファイバリング共振器中を伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記ディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差を与え、
ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するように構成したことを特徴とする共振点追従システム。 - 前記第１の位相変調手段に所定周波数の変調信号を加えることにより前記第１の位相変調手段に前記第２の位相変調手段の機能を兼用させることを特徴とする請求項１記載の共振点追従システム。
- 所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐する分岐手段と、
前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ位相変調する第１および第３の位相変調手段と、
前記分岐手段により分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ所定周波数の第１および第２の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段および第４の位相変調手段と、
前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を右回りになるように、前記第３と第４の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を左回りになるようにそれぞれ導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、
前記光ファイバリング共振器から出射される右回りのレーザ光を検出する第１の光検出器と、
前記光ファイバリング共振器から出射される左回りのレーザ光を検出する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力と前記第１の変調信号を入力して、前記第１の光検出器の出力中の前記第１の変調信号の周波数成分を同期検波する第１のロックインアンプと、
前記第１のロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させた第１のディジタルセロダイン波を出力し、これを前記第１の位相変調手段の変調入力に帰還することにより、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、この位相変化に追従するように制御する第１の制御手段と、
前記第２の光検出器の出力と前記第２の変調信号を入力して、前記第２の光検出器の出力中の前記第２の変調信号の周波数成分を同期検波する第２のロックインアンプと、
前記第２のロックインアンプの出力を入力し、積分してステップ値を発生し、２πに対応させた第２のディジタルセロダイン波を出力し、これを前記第３の位相変調手段の変調入力に帰還することにより、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、位相変化に追従するように制御する第２の制御手段とを備え、
前記光ファイバリング共振器中を右回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波および左回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、右回りおよび左回りの伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記第１および第２のディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差をそれぞれ与え、
ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するようにし、前記第１のディジタルセロダイン波のステップ１段の高さと、前記第２のディジタルセロダイン波のステップ１段の高さの差をとることにより左回り光と右回り光の非相反的な共振点の移動を計測しジャイロ出力とすることを特徴とする光ファイバジャイロ。 - 所定周波数のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐する分岐手段と、
前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ位相変調する第１および第３の位相変調手段と、
前記分岐手段で分岐された第１および第２の光路のレーザ光をそれぞれ所定周波数の第１および第２の変調信号によって位相変調する第２の位相変調手段および第４の位相変調手段と、
前記第１と第２の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を右回りになるように、前記第３と第４の位相変調手段で位相変調されたレーザ光を左回りになるようにそれぞれ導入して伝搬させる光ファイバリング共振器と、
前記光ファイバリング共振器から出射される右回りのレーザ光を検出する第１の光検出器と、
前記光ファイバリング共振器から出射される左回りのレーザ光を検出する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力と前記第１の変調信号を入力して、前記第１の光検出器の出力中の前記第１の変調信号の周波数成分を同期検波する第１のロックインアンプと、
前記第１のロックインアンプの出力を入力し、積分してディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを生成するディジタル積分器である第１のステップ値発生器と、前記第１のステップ値発生器の出力と第２のステップ値発生器の出力を加算する加算器と、前記加算器の出力を入力して２πに対応させた第１のディジタルセロダイン波を発生し、前記第１の位相変調手段の変調入力に帰還する第１のディジタルセロダイン波発生器とからなり、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、この位相変化に追従するように制御する第１の制御手段と、
前記２の光検出器の出力と前記第２の変調信号を入力して、前記第２の光検出器の出力中の前記第２の変調信号の周波数成分を同期検波する第２のロックインアンプと、前記第２のロックインアンプの出力を入力し、積分してディジタルセロダイン波のステップ１段の高さを生成するディジタル積分器である前記第２のステップ値発生器と、前記第２のステップ値発生器の出力を入力して２πに対応させた第２のディジタルセロダイン波を発生し、前記第３の位相変調手段の変調入力に帰還する第２のディジタルセロダイン波発生器とからなり、前記光ファイバリング共振器に角速度が与えられたとき、または、温度変化により光ファイバリング共振器の光路長が変動した場合、位相変化に追従するように制御する第２の制御手段とを備え、
前記光ファイバリング共振器中を右回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波および左回りに伝搬する伝搬回数の１周異なる２光波に位相差が発生した場合、右回りおよび左回りの伝搬回数の１周異なる２光波に対し、前記第１および第２のディジタルセロダイン波により共振点の移動に対して閉ループとなる位相差をそれぞれ与え、
ディジタルセロダイン波が、波形の変化を規則的に繰り返すようにし、伝搬回数の１周異なる２光波の位相差に対して、２π異なる２値の位相差を与え、それら２値の位相差の発生頻度に応じて、制御の連続性を保ったまま、追従対称の共振点を移行し、２πおきに存在する共振点のうち、前後の２つの共振点のいずれかに追従するようにし、前記第１のステップ値発生器の出力を、左回り光と右回り光の非相反的な共振点の移動に対応したジャイロ出力とすることを特徴とする光ファイバジャイロ。 - 前記第１および第３の位相変調手段にそれぞれ所定周波数の変調信号を加えることにより前記第１および第３の位相変調手段にそれぞれ前記第２および第４の位相変調手段の機能を兼用させることを特徴とする請求項３または４記載の光ファイバジャイロ。
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