JP5034026B2 - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバジャイロに関する。

回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。従来の光ジャイロの一例では、多角環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出が行われる。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。

このような課題を解決するジャイロとして、光ファイバと半導体レーザとを用いた光ファイバジャイロが提案されている（たとえば特許文献２参照）。光ファイバジャイロでは、リング状の光ファイバを互いに逆方向に進行する２つのレーザ光のビート周波数から回転角速度を求める。
特開平１１−３５１８８１号公報 特開平７−１４６１５０号公報

しかし、従来の光ファイバジャイロでは、回転の方向を識別することが難しかった。

このような状況において、本発明の目的の１つは、簡単な構成で回転角速度と回転方向とを求めることができる光ファイバジャイロを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の光ファイバジャイロは、環状に配置された光ファイバと、前記光ファイバの両端に結合され、前記光ファイバ内を互いに逆方向に進行するレーザ光Ｌ₁およびＬ₂を発生させるレーザ光励起手段と、前記光ファイバから、前記レーザ光Ｌ₁の一部および前記レーザ光Ｌ₂の一部を引き出す結合手段と、引き出された前記レーザ光Ｌ₁をレーザ光Ｌ₁₁とレーザ光Ｌ₁₂とに分岐する第１の分岐器と、引き出された前記レーザ光Ｌ₂をレーザ光Ｌ₂₁とレーザ光Ｌ₂₂とに分岐する第２の分岐器と、前記レーザ光Ｌ₁₁と前記レーザ光Ｌ₂₁とを結合する第１の結合器と、前記レーザ光Ｌ₁₂と前記レーザ光Ｌ₂₂とを結合する第２の結合器と、結合された前記レーザ光Ｌ₁₁と前記レーザ光Ｌ₂₁とを検波する第１の光検出器と、結合された前記レーザ光Ｌ₁₂と前記レーザ光Ｌ₂₂とを検波する第２の光検出器とを備え、前記第１の光検出器で検出される第１の信号の位相と、前記第２の光検出器で検出される第２の信号の位相との差が、１０°〜１７０°または−１０°〜−１７０°の範囲にある。

本発明の光ファイバジャイロによれば、回転角速度と回転方向とを、簡単な構成で求めることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。

［光ファイバジャイロ］
本発明の光ファイバジャイロは、光ファイバ、レーザ光励起手段、結合手段、第１および第２の分岐器、第１および第２の結合器、ならびに、第１および第２の光検出器を備える。

光ファイバは、環状に配置されている。環状に配置された光ファイバは、円環状に配置された光ファイバであってもよいし、コイル状に巻かれた光ファイバであってもよい。

レーザ光励起手段は、環状の光ファイバの両端に結合されている。レーザ光励起手段は、光ファイバ内を互いに逆方向に進行するレーザ光Ｌ₁およびＬ₂を発生させる。レーザ光励起手段には、半導体光増幅器（ＳＯＡ）として知られている素子を用いることができる。半導体光増幅器には、たとえば、直線状のキャビティーを有する半導体レーザ素子と同じ構造を有する素子を用いることができる。半導体光増幅器の好ましい一例は、多重量子井戸構造を有する活性層を備える。

結合手段は、環状に配置された光ファイバから、レーザ光Ｌ₁の一部およびレーザ光Ｌ₂の一部を引き出す。結合手段は、１つの結合器で構成されてもよいし、２つの結合器で構成されてもよい。

第１の分岐器は、引き出されたレーザ光Ｌ₁をレーザ光Ｌ₁₁とレーザ光Ｌ₁₂とに分岐する。第２の分岐器は、引き出されたレーザ光Ｌ₂をレーザ光Ｌ₂₁とレーザ光Ｌ₂₂とに分岐する。第１の結合器は、レーザ光Ｌ₁₁とレーザ光Ｌ₂₁とを結合する。第２の結合器は、レーザ光Ｌ₁₂と前記レーザ光Ｌ₂₂とを結合する。

第１の光検出器は、結合されたレーザ光Ｌ₁₁とレーザ光Ｌ₂₁とを検波（２乗検波）する。レーザ光Ｌ₁₁の発振周波数とレーザ光Ｌ₂₁の発振周波数とが異なる場合、第１の光検出器では、ビート信号が検出される。第１の光検出器には、フォトダイオードなどの受光素子を用いることができる。

第２の光検出器は、結合されたレーザ光Ｌ₁₂とレーザ光Ｌ₂₂とを検波（２乗検波）する。レーザ光Ｌ₁₂の発振周波数とレーザ光Ｌ₂₂の発振周波数とが異なる場合、第２の光検出器では、ビート信号が検出される。第２の光検出器には、フォトダイオードなどの受光素子を用いることができる。

レーザ光Ｌ₁₁の発振周波数とレーザ光Ｌ₁₂の発振周波数とは同じであり、レーザ光Ｌ₂₁の発振周波数とレーザ光Ｌ₂₂の発振周波数とは同じである。そのため、第１の光検出器で観測されるビート周波数と、第２の光検出器で観測されるビート周波数とは、実質的に同じである。ただし、第１の光検出器で観測される信号の位相と、第２光検出器で観測される信号の位相とは、任意にずらすことが可能である。

本発明の光ファイバジャイロでは、第１の光検出器で検出される第１の信号の位相と、第２の光検出器で検出される第２の信号の位相とのずれが、０°および１８０°ではない。具体的には、第１の信号の位相と第２の信号の位相との差は、１０°〜１７０°または−１０°〜−１７０°の範囲にある。すなわち、第１の光検出器で検出される第１のビート信号の位相と第２の光検出器で検出される第２のビート信号の位相との差が１０°〜１７０°または−１０°〜−１７０°の範囲になるように、本発明の光ファイバジャイロは設計されている。

第１の光検出器で検出される第１の信号の位相と、第２の光検出器で検出される第２の信号の位相との差は、４５°〜１３５°または−４５°〜−１３５°の範囲にあることが好ましく、８０°〜１００°または−８０°〜−１００°の範囲にあることがより好ましい。第１の信号の位相と第２の信号の位相との差が９０°または−９０°に近いほど、測定精度を向上できる。

本発明の光ファイバジャイロは、第１の分岐器と第１の結合器との間の光路、第１の分岐器と第２の結合器との間の光路、第２の分岐器と第１の結合器との間の光路、および第２の分岐器と第２の結合器との間の光路から選ばれる少なくとも１つの光路に、第１の信号の位相と第２の信号の位相との差を制御するための位相制御手段を備えてもよい。位相制御手段には、たとえば、可変位相器を用いることができる。

本発明の光ファイバジャイロは、第１の信号の位相と第２の信号の位相との差を制御するために屈折率が変化させられた領域を、第１の分岐器と第１の結合器との間の光路、第１の分岐器と第２の結合器との間の光路、第２の分岐器と第１の結合器との間の光路、および第２の分岐器と第２の結合器との間の光路から選ばれる少なくとも１つの光路に備えてもよい。

本発明の光ファイバジャイロでは、第１の分岐器と第１の結合器との間の光路、第１の分岐器と第２の結合器との間の光路、第２の分岐器と第１の結合器との間の光路、および第２の分岐器と第２の結合器との間の光路が光導波路で形成されていてもよい。この場合、４つの光導波路の光路長は、第１の信号の位相と第２の信号の位相との差が所定の値となるように調整されていてもよい。４つの光導波路の光路長を制御する方法の一例については後述する。

［光ファイバジャイロの一例］
本発明の光ファイバジャイロの一例の構成を、図１に模式的に示す。図１の光ファイバジャイロは、環状の光ファイバ１１と、光ファイバ１１の両端に結合された半導体光増幅器１２と、結合器１３と、光ファイバ１４〜２０と、分岐器２１および２２と、可変位相器２３と、結合器２４および２５と、フォトダイオード２６および２７とを備える。

環状の光ファイバ１１および半導体光増幅器１２は、リング共振器３０を構成する。なお、光ファイバ１１は、コイル状に巻かれていてもよい。半導体光増幅器１２は、リング共振器３０内を時計回りに伝搬するレーザ光Ｌ₁と、反時計回りに伝搬するレーザ光Ｌ₂とを発生させる。それらのレーザ光の一部は、結合器１３を介して光ファイバ１４に伝搬する。

光ファイバ１４に伝搬したレーザ光Ｌ₁は、分岐器２１によってレーザ光Ｌ₁₁とレーザ光Ｌ₁₂とに分岐される。光ファイバ１４に伝搬したレーザ光Ｌ₂は、分岐器２２によってレーザ光Ｌ₂₁とレーザ光Ｌ₂₂とに分岐される。レーザ光Ｌ₁₁、Ｌ₁₂、Ｌ₂₁およびＬ₂₂は、それぞれ、光ファイバ１５、１７、１６および１８内を伝搬する。レーザ光Ｌ₁₁およびＬ₂₁は、結合器２４で結合されて光ファイバ１９内を伝搬し、フォトダイオード２６で検波される。レーザ光Ｌ₁₂およびＬ₂₂は、結合器２５で結合されて光ファイバ２０内を伝搬し、フォトダイオード２７で検波される。

フォトダイオード２６の出力電流ｉ₁を基準としたときのフォトダイオード２７の出力電流ｉ₂は、以下の式（１）で表される。
ｉ₂＝Ｉ₀ｃｏｓ（ｋΔＰ＋２πΔｆｔ＋φ）・・・（１）

式（１）中、Ｉ₀は、振幅を表す。ｋは、波数を表す。ΔＰは、光路長の差を表す。結合器１３〜分岐器２１〜フォトダイオード２６までの光路長をＰ₁₁とし、結合器１３〜分岐器２１〜フォトダイオード２７までの光路長をＰ₁₂とし、結合器１３〜分岐器２２〜フォトダイオード２６までの光路長をＰ₂₁とし、結合器１３〜分岐器２２〜フォトダイオード２７までの光路長をＰ₂₂としたときに、ΔＰ＝（Ｐ₁₂−Ｐ₂₂）−（Ｐ₁₁−Ｐ₂₁）で表される。Δｆは、レーザ光Ｌ₁とレーザ光Ｌ₂との周波数差であり、符号を含む。ｔは、時間を表す。φは固定の初期位相差である。［ｋΔＰ＋φ］は、フォトダイオード２６で検出される信号の位相と、フォトダイオード２７で検出される信号の位相との差を示している。

ｋΔＰ＋φ＝９０°であるときには、式（１）は以下の式で表される。
ｉ₂＝−Ｉ₀ｓｉｎ（２πΔｆｔ）

また、ｋΔＰ＋φ＝−９０°であるときには、式（１）は以下の式で表される。
ｉ₂＝Ｉ₀ｓｉｎ（２πΔｆｔ）

このとき、Δｆの符号に応じて、ｉ₁を基準とするｉ₂の符号が変化する。そのため、［ｋΔＰ＋φ］＝±９０°の場合、フォトダイオード２６の出力とフォトダイオード２７の出力とを検波することによって、Δｆの符号が正であるか負であるかを判断できる。そのΔｆの符号から、回転方向を判断できる。

なお、［ｋΔＰ＋φ］は、±９０°であることが好ましいが、±９０°以外であっても、０°および１８０°でなければ、回転方向を判断することが可能である。［ｋΔＰ＋φ］の値は、可変位相器２３によって光路長Ｐ₂₂を変化させることによって制御できる。

２つのフォトダイオードで検出される信号の位相差を制御することによってΔｆの符号を判断できるかどうかを、実験によって確認した。まず、図２に示す実験装置を作製した。この装置では、リング共振器３０の代わりに、コントローラ３１からレーザ光Ｌ₁およびＬ₂を伝搬させる。コントローラ３１は、レーザ光Ｌ₁およびＬ₂の発信周波数差を変化させることができる。

可変位相器２３の制御電圧を変化させたときの、ｉ₁を基準としたｉ₂の位相特性を図３に示す。ここで、レーザ光Ｌ₁およびＬ₂の発信周波数差Δｆを、±２０ＭＨｚとした。Ａ点では、Δｆが＋２０ＭＨｚの時のｉ₂の位相は、ｉ₁の位相に比べて約−９０°であった。また、Ａ点では、Δｆが−２０ＭＨｚの時のｉ₂の位相は、ｉ₁の位相に比べて約＋９０°であった。Ｂ点では、Δｆが＋２０ＭＨｚの時のｉ₂の位相は、ｉ₁の位相に比べて約＋９０°であった。また、Ｂ点では、Δｆが−２０ＭＨｚの時のｉ₂の位相は、ｉ₁の位相に比べて約−９０°であった。このように、Ａ点およびＢ点では、Δｆが＋２０ＭＨｚの時の位相とΔｆが−２０ＭＨｚの時の位相との差は、最大の１８０°となった。一方、Ｃ点では、両者の位相差は０°であった。

次に、Ａ点、Ｂ点およびＣ点の制御電圧を印加した状態で、発信周波数差Δｆを変化させ、ｉ₁を基準としたｉ₂の位相特性を測定した。測定結果を、図４に示す。Ａ点およびＢ点の制御電圧を印加した状態では、Δｆの符号に応じて、ｉ₁を基準としたｉ₂の位相の符号が変化した。一方、Ｃ点では、ｉ₁を基準としたｉ₂の位相の符号の変化を検出することは困難であった。このように、光路長Ｐ₂₂を適切な値とすることによって、発信周波数差Δｆの符号を検出することができた。Δｆの符号は、回転方向に応じて変化する。したがって、本発明によれば、回転角速度とともに回転方向を求めることが可能である。

なお、回転角速度は、フォトダイオード２６およびフォトダイオード２７の少なくとも一方の信号のビート周波数から求めることができる。一方、回転方向は、フォトダイオード２６およびフォトダイオード２７の両方の信号を比較することによって求められる。フォトダイオード２６および２７は信号処理装置（図示せず）に接続されており、フォトダイオード２６および２７の出力信号は、信号処理装置で処理される。信号処理装置は、演算処理装置とメモリとを備え、入力された信号に基づいて、光ファイバジャイロの回転角速度および回転方向を求める。

上記一例では、光路長Ｐ₂₂を変化させることによって、フォトダイオード２６の信号の位相とフォトダイオード２７の信号の位相との差を制御する例について説明した。しかし、本発明は、フォトダイオード２６で検出される信号の位相と、フォトダイオード２７で検出される第２の信号の位相との差が、所定の角度となる限り、Ｐ₁₁、Ｐ₁₂、Ｐ₂₁およびＰ₂₂から選ばれるいずれの光路長を制御してもよい。

また、上記一例では、可変位相器を用いて位相差を制御する例について説明したが、他の方法によって位相を制御してもよい。たとえば、光路の一部の屈折率を変化させることによって信号の位相差を制御してもよい。光路の一部の屈折率を変化させる方法としては、たとえば、光や電子線を当てると屈折率が変化する材料を用いて導波路の一部または全部を形成し、そのうちの一部の屈折率を変化させる方法が挙げられる。たとえば、光導波路をＧｅドープ石英系ガラスで作製し、その一部にレーザ光を照射することによってその部分の屈折率を増加させることができる（たとえば特開２０００−２４９８５９号公報参照）。また、ガラスに電子線を照射することによって、ガラスの屈折率を増加させることも可能である。屈折率が変化する材料は、無機材料であってもよいし、有機材料であってもよい。屈折率が変化する材料としては、たとえば、Ｇｅ・ＢドープＳｉＯ₂や、Ｂ₂Ｏ₃や、カルコゲナイド系材料が挙げられる。

なお、電気光学制御を用いる場合などで偏波依存性がある場合には、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）などを用いて光路を形成すればよい。一方、電気光学制御を用いる場合でもプラーナ電極を用いたもののように偏波依存性がない場合には、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）などを用いて光路を形成すればよい。

また、上記一例では、第１および第２の分岐器から第１および第２の結合器までの光路に光ファイバを用いる場合について説明したが、光ファイバの代わりに光導波路を用いてもよい。そのような場合の光路の一例を、図５（ａ）に模式的に示す。

図５（ａ）の光導波路は、たとえば、立方体状の石英ガラス５１中に形成される。光導波路５２には、レーザ光Ｌ₁が入力される。光導波路５３には、レーザ光Ｌ₂が入力される。光導波路５２は光導波路５４および５５に分岐され、光導波路５３は光導波路５６および５７に分岐される。４つの光導波路５４〜５７は、石英ガラス５１の一面５１ａで反射されるように形成されている。光導波路５４と光導波路５６とは光導波路５８に結合され、光導波路５５と光導波路５７とは光導波路５９に結合される。光導波路５８および５９を伝搬するレーザ光は、それぞれ、フォトダイオードに入力される。４つの光導波路５４〜５７のそれぞれの光路長は、石英ガラス５１の一面５１ａを研磨することによって調整できる。たとえば、図５（ｂ）に示すように、一面５１ａの全体を斜めに研磨してもよい。光導波路の幅はたとえば１０μｍ程度であり、研磨する深さはたとえば１μｍ未満であるため、一面５１ａを研磨しても、光導波路の機能を維持することが可能である。

以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。

本発明の光ファイバジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。

本発明の光ファイバジャイロの一例の構成を模式的に示す図である。 実験で用いた装置の構成を模式的に示す図である。 実験結果を示すグラフの一例である。 実験結果を示すグラフの他の一例である。 本発明の光ファイバジャイロの他の一例の一部の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ 光ファイバジャイロ
１１、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０ 光ファイバ
１２ 半導体光増幅器
１３、２４、２５ 結合器
２１、２２ 分岐器
２６、２７ フォトダイオード
５２〜５９ 光導波路
Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₁₁、Ｌ₁₂、Ｌ₂₁、Ｌ₂₂ レーザ光

Claims (4)

1. 環状に配置された光ファイバと、
   前記光ファイバの両端に結合され、前記光ファイバ内を互いに逆方向に進行するレーザ光Ｌ₁およびＬ₂を発生させるレーザ光励起手段と、
   前記光ファイバから、前記レーザ光Ｌ₁の一部および前記レーザ光Ｌ₂の一部を引き出す結合手段と、
   引き出された前記レーザ光Ｌ₁をレーザ光Ｌ₁₁とレーザ光Ｌ₁₂とに分岐する第１の分岐器と、
   引き出された前記レーザ光Ｌ₂をレーザ光Ｌ₂₁とレーザ光Ｌ₂₂とに分岐する第２の分岐器と、
   前記レーザ光Ｌ₁₁と前記レーザ光Ｌ₂₁とを結合する第１の結合器と、
   前記レーザ光Ｌ₁₂と前記レーザ光Ｌ₂₂とを結合する第２の結合器と、
   結合された前記レーザ光Ｌ₁₁と前記レーザ光Ｌ₂₁とを検波する第１の光検出器と、
   結合された前記レーザ光Ｌ₁₂と前記レーザ光Ｌ₂₂とを検波する第２の光検出器とを備え、
   前記第１の光検出器で検出される第１の信号の位相と、前記第２の光検出器で検出される第２の信号の位相との差が、１０°〜１７０°または−１０°〜−１７０°の範囲にある光ファイバジャイロ。
2. 前記第１の信号の位相と前記第２の信号の位相との差が、４５°〜１３５°または−４５°〜−１３５°の範囲にある請求項１に記載の光ファイバジャイロ。
3. 前記第１の分岐器と前記第１の結合器との間の光路、前記第１の分岐器と前記第２の結合器との間の光路、前記第２の分岐器と前記第１の結合器との間の光路、および前記第２の分岐器と前記第２の結合器との間の光路から選ばれる少なくとも１つの光路に、可変位相器を備える請求項１または２に記載の光ファイバジャイロ。
4. 前記第１の信号の位相と前記第２の信号の位相との差を制御するために屈折率が変化させられた領域を、前記第１の分岐器と前記第１の結合器との間の光路、前記第１の分岐器と前記第２の結合器との間の光路、前記第２の分岐器と前記第１の結合器との間の光路、および前記第２の分岐器と前記第２の結合器との間の光路から選ばれる少なくとも１つの光路に備える請求項１または２に記載の光ファイバジャイロ。

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