JPH01269010A - 光フアイバジヤイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）技術分野 この発明は、航空機、自動車、船舶など移動体の回転角
速度を測定するための光フアイバジャイロに関する。

回転角速度は従来、メカニカルなジャイロによって測定
されている。光フアイバジャイロは、光ファイバコイル
の中に右廻り、左廻りに光を伝搬させ、その位相差から
回転角速度を求める。

このため、光フアイバジャイロは、可動部がなく、小型
化する事ができ、どのような環境に置いても作動する、
という利点がある。

（イ）従来技術 第３図によって光フアイバジャイロの原理を説明する。

光源Ｑは、単色光を出す。この光がカップラにとコイル
Ｃを有するシングルモード光ファイバＦに入る。カップ
ラＫからｄ点を経て右廻りにファイバコイルＣを通過す
る光と、６点を経て左廻りにファイバコイルＣを通過す
る光とが存在する。

右廻り光も、左廻り光も、カップラにで合一して、受光
素子ＳＫ入る。ファイバコイルＣが静止していると、同
一位相で受光素子Ｓに入る。同一の光路を同一の時間で
伝搬するからである。

ところが、ファイバコイルＣが角速度Ωで回転している
と、左廻り光、右廻り光の進む光路長に差がでる。この
ために、干渉させた２つの光の位相がずれてくる。

位相の差をΔθとすると、これはファイバコイルの角速
度Ωに比例する。比例関係は で与えられる。Ｌはファイバコイルのファイバ全長、ａ
はファイバコイル半径、Ｃは真空中での光速、λは真空
中での光の波長である。

ところが、実際には右廻り光と左廻り光の光路が同一で
はない。このため静止時（Ω＝０）に於ても、位相差Δ
θが生じる。これはオフセットである。

オフセットがあっても、一定値であれば、これを補償す
る事ができる。しかし、位相差Δθは不安定であり、変
動しやすい。受光素子出力のドリフトが著しく、精密な
測定ができない。

このように左廻り光と右廻り光の位相差ΔθがΩ＝Ｏの
時にも存在する。

これは、モードの違い、偏光の違い、カップラの透過率
、結合率の違いなどにより、両廻り光の光路が同一でな
い事に起因する。

シングルモード光ファイバを使うのであるが、シングル
モードといっても偏波面の方向がふたつある。これが独
立ではなく、偏波面が回転する事もある。

偏波面が違うとカップラに於ける透過結合も異なる。こ
のようなわけで、厳密に光路を同一とする事ができない
。

そこで、第２図に示すような光フアイバジャイロが提案
されている。

光源Ｑ１受光素子ＳとファイバコイルＣの両端ｄ、ｅと
を直接にひとつのカップラでつなぐのではない。

光源Ｑ１受光素子Ｓとを第１カップラに１でつなぐ、カ
ップラに１の他端ｈ１１のうち、ｉはこれで終りである
。ｈの方はモードフィルタＭ、　偏光子Ｐがつながれて
いる。

ファイバコイルＣの両端は第２カップラに２でつながれ
ている。他端ｇ１　ｊのうちｊはこれが終端である。ｇ
が偏光子Ｐにつながっている。

これらの光ファイバは単にシングルモード光ファイバで
あるのではなく、偏波面保存シングルモード光ファイバ
を使う。

偏波面保存光ファイバというのは、クラッド断面に於て
、楕円形状の応力部材を入れたり、直径方向に応力部材
を入れたものである。これによりｘ、Ｘ方向の偏光が独
立になる。Ｘ方向の偏光は保存される。Ｘ方向の偏光も
保存される。このため偏波面保存というのである。

偏波面がｘ、Ｘ方向でなく中間的な場合は直線偏光であ
っても偏波面が保存されない。

そこで、このファイバには、偏光主軸Ｘ％　ｙ）ζ偏波
面が一致するようにして直線偏光を入射させなければな
らない。

このために偏光子Ｐが介装されている。これによって光
源Ｑからの光を、偏光主軸”％　ｙに偏波面が合致する
ような直線偏光にするのである。

すると、偏光子Ｐを出た光はカップラに２で２つに分か
れて、ファイバコイルＣを右廻りと左廻りに透過するが
、これは偏波面保存光ファイバであるので、偏波面を一
定に保ちながらｇ点に戻る。

従って、ファイバコイルＣを右廻り、左廻りに伝搬する
にあたって、光路の差の生ずる余地がない。

モードフィルタＭは偏波面保存光ファイバを円筒に巻き
つけたものである。彎曲する事により、偏波面が彎曲方
向にあるモードは放射モードになる。これは散逸してし
まう。結局、円筒主軸と平行な方向に偏波面を持つモー
ドのみが透過できる。

それでモードフィルタという。

光源Ｑから出た光は、単色光であればよい。円偏光、直
線偏光、楕円偏光であってよい。これが、モードフィル
タＭを通る時に、一定方向の偏波面をもつモードの光に
なる。さらに偏光子Ｐを通してファイバ端ｇの固有偏光
方向に偏光した光にする。カップリングに２を経て、フ
ァイバコイルＣの両端ｄ、ｅに入る。これが偏波面を維
持しながら、ファイバコイルＣの中を右廻り光、左廻り
光として伝搬する。

両廻り光はカップラに２で合体し、偏光子Ｐを反対向き
に通る。偏光方向が合致しているので、この時のエネル
ギーロスは比較的少ない。

さらに、モードフィルタＭを通し、偏波面の回転が起ら
ないようにして、第１カップラに１を通し受光素子Ｓへ
導く。

位相差をΔθとすると、受光素子の出力ＩはＩ＝Ｅ？Ｊ
（１＋涙Δθ）（２） となる。Ｅｏは右廻り光、左廻り光の電場の振幅である
。

出力！はΔθの函数であるから、■からΔθを知る事が
できる。

（ロ）　発明が解決すべき問題点 第２図の構成には次の欠点があった。

右廻り光と左廻り光の経験を同一にするために、光源Ｑ
から出た光を第１カップラに１に通して光を２分する必
要がある。

２分した光のｉ端に出るものは不要のものとして捨てて
いた。これは光源の光エネルギーの半分を捨てるという
事である。全光エネルギーの半分しか利用しておらず、
Ｓ／Ｎ比などの観点からは効率が悪い構成であった。

光源の持つ全エネルギーを利用すれば、より強い信号が
得られ、ＳｌＮ比も向上するはずである。

に）構　成 本発明に於ては、モードフィルタ、偏光子、カップラ、
ファイバコイルよりなる検出系を２組用いる。これを第
１カップラの両端ｈ１１にそれぞれつなぐ事にする。そ
うすると、信号の強さが２倍になる。第１図は本発明の
光フアイバジャイロの構成図である。

第１ファイバコイルＣＩの両端ｄ、　　ａは第２カップ
ラに２によって結合される。他端ｊはこれで終りである
。

他端ｇは第１偏光子Ｐ１につながっている。第１偏光子
Ｐ１の他端に第１モードフィルタＭｌがつながっている
。第１モードフィルタＭ１は第１．カップラに１の分枝
りに連続している。

これらをつなぐ光ファイバは、偏波面保存型のシングル
モード光ファイバである。モードフィルタＭ１は、既に
述べたように、円筒にこの光ファイバを巻きつけたもの
で、彎曲した方向に偏波面を持つ光を放射モードとして
除去する。

これは第１の検出系であるが、これと等価な第２の検出
系がさらに設けられる。

それは、第２モードフィルタＭ２、第２偏光子Ｐ２、第
３カップラに３、第２ファイバコイルＣ２よりなる検出
系である。

第２ファイバコイルＣ２の両端Ｕ、　Ｗは第３カップラ
に３によって結合される。Ｋ３の他端Ｘは自由端でこれ
で終りである。

他の端ｎは第２偏光子Ｐ２につながっている。第２偏光
子Ｐ２の他端は第２モードフィルタＭ２につながる。第
２モードフィルタＭ２は、第１カップラＫｌの分枝ｉに
連続している。

第１ファイバコイルＣ１と第２ファイバコイルＣ２とは
、同じ巻数同じ直径の等価なコイルである。

第４図に示すように回転検出軸に軸芯が合致するように
設ける。

ふたつのコイルは同一の角速度Ωで回転する。

巻数、直径が同一であるので、（１）式に従い同じ位相
差Δθを与える事になる。

本発明に於ては、２つの等価な検出系を用いている。そ
れぞれの検出系で、角速度Ωに比例する位相差Δθの函
数としての光強度を得ることができる。

受光素子Ｓで受ける信号は、これらの重ね合わせになる
ので信号強度が約２倍になる。

ただし、第１、第２の検出系へ入る光のもとは同一であ
る。これらの光が受光素子Ｓの上で干渉してはならない
。

これら第１、第２検出系の光が互に干渉すると、角速度
Ωにもとすかない位相差が現われ、これにより干渉光の
強度が変動する。

そこで、第１の検出系、第２の検出系の実効的全光路長
をＺｌ、Ｚ２とし、この差が、光源の可干渉長Ｌｃより
大きくなるようにする。

全光路長というのは、光がたどる光路に屈折率ｎを乗じ
たものである。つまりファイバコイルの全長と、第１カ
ップラに１から、カップラに２、Ｋ３に至る光路の２倍
（２回通るから）との和に屈折率を乗じたものである。

すなわち ｌ　ＺＩ　　Ｚ２１　＞　Ｌｃ　　　　　　　　（３）
とするのである。たとえばモードフィルタＭ１、Ｍ２の
部分で必要な差を与える事ができる。

光源は有限の可干渉長Ｌｃを持つものでなければならな
い。可干渉長の長い気体レーザなとは不適である。光源
としてスーパールミネッセントダイオードや半導体レー
ザを用いる。

可干渉長は、半導体レーザの場合、スペクトル幅をΔλ
、発振波長をλとすると、概略によって与えられる。

（６）作　用 光源Ｑは単色光を出す。これが第１カップラに１で２つ
に分かれる。それぞれの光は偏波面保存シングルモード
光ファイバによって導かれる。

シングルモードであるから、基本モードしか通らない。

しかし、偏波面は２方向あるので、モードフィルタＭ１
、Ｍ２で偏波面の方向をひとつにする。さらして偏光子
Ｐ１、Ｐ２で偏波面保存光ファイバの固有偏光方向に合
った直線偏光とする。

直線偏光となった光は、ファイバコイル０１１Ｃ２を右
廻り、左廻りに通過する、ファイバコイルが回転してい
れば、回転に比例した位相差Δθが生ずる。ファイバコ
イルＣ１、Ｃ２が等価であるから、Δθは共通である。

第１の検出系に於て、右廻り光、左廻り光の、受光素子
Ｓでの電場をＤ（ｔ）、Ｅ　（ｔ）で表わすと、Δθ Ｄ（ｔ）　＝　Ｅｌ　ｓｉｎ　（ｗｔ　＋　　　）　　
　　　　　　（５）Δθ Ｅ（ｔ）　＝　　Ｅｌ　ｓｉｎ　（ｖｒｔ　−）　　　
　　　　　（６）と書くことができる。Ｅｌは振幅であ
る。

第２の検出系に於て、右廻り光、左廻り光の受光素子Ｓ
での電場をＵ（ｔ）、Ｗ（ｔ）とすると、振幅をＥ２と
して、 Δθ Ｕ（ｔ）　＝　Ｅ２　ｓｉｎ　（ｗｔ　＋　ｒ’　＋　
　　）　　　　（７）Δθ Ｗ（ｔ）　＝　Ｅ２　ｓｉｎ　（Ｗｔ　＋　ｒ’　　　
　）　　　　（８）と書くことができる。但し、「は第
１、第２の検出系のファイバ光路長の差に基づく位相差
であって によって求める事ができる。

受光素子Ｓでの出力を５（ｔ）とすると５（ｔ）　＝　
Ｉ　Ｄ（ｔ）　＋　Ｅ（ｔ）　＋　Ｕ（ｔ）　＋　Ｗ（
ｔ）　＋２　　００である。００式に（５）〜（８）式
を代入し、展開して表われる項のうち、 ｌ　ｓｉｎ　（ｗｔ　＋　１’±−”　）　ｓｉｎ　（
ｗｔ±＝］　　（１０の項は、「が可干渉長より長い距
離による位相差である事から消えてしまう。またｓｉｎ
　ｗｔや、この高調波は、受光素子が応答しないので消
えてしまう。

結局 ５（ｔ）　＝　Ｅ２１（１＋　ｃｏｓΔθ）　＋　Ｅ２
２（１＋　ｃｏｓΔθ）となる。これは、２つの検出系
の信号の和が得られるという事である。

２つの検出系が同等であって、Ｉｉ：１＝Ｅ２＝Ｅ。

であるとすると。

５（ｔ）　＝　２　Ｅｏ　（１＋　ｃｏｓΔθ）　　　
　　　Ｃ２となる。つまり、第２図のものに比べて２倍
の信号出力が得られる。

（２）　その他の応用 本発明は、モードフィルタ、偏光子を有する光フアイバ
ジャイロに於て、第１カップラの両端に出る光を有効に
利用し、２倍の感度を得るものでる。

第１図は基本形であって、ファイバの中に変調器を設け
ていない。しかし、位相変調、周波数変調、零位法など
を本発明の光フアイバジャイロに適用する事は容易であ
る。

そのようにすれば、ＣＯ５ΔθのかわりにｓｉｎΔθの
形で、あるいはΔθにリニヤな形で出力を得る事ができ
る。

（→効　果 受光素子に到達する信号光の強度が２倍になる。

このため感度が２倍に向上する。

従って、検出可能な最小角速度Ω閣のレベルが約半分に
なる。つまり、ジャイロとしての性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光フアイバジャイロの構成図。 第２図はモードフィルタ、偏光子を用％ｚる従来例に係
る光フアイバジャイロの構成図。 第３図は光フアイバジャイロの原理図０第４図は第１フ
ァイバコイル、第２フアイノ々コイルの位置関係を示す
斜視図。 Ｑ・・・・・・光　源 Ｓ・・・・・・受光素子 Ｍｌ、Ｍ２・・・モードフィルタ Ｃ１、Ｃ２・・・ファイバコイル Ｐｌ、Ｐ２・・・偏光子 に１、Ｋ２、Ｋ３・・・カップラ 発　　明　者　　　　岡　　　本　　　賢　　　司特許
出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単色光を生ずる光源Ｑと、光を受けてこれを電気信号に
   変換する受光素子Ｓと、光源Ｑと受光素子Ｓとが一方に
   つながり他方に分枝ｉ、ｈがあり光源Ｑから出た光を２
   分して分枝ｈ、ｉへ出力し分枝ｈ、ｉから来た光を合一
   して受光素子Ｓへ入力する第１カップラＫ＿１と、第１
   カップラＫ＿１の一方の分枝れにつながる第１モードフ
   ィルタＭ＿１と、これに続く第１偏光子Ｐ＿１と、偏波
   面保存シングルモード光ファイバを多数回コイル状に巻
   回した第１ファイバコイルＣ＿１と、第１ファイバコイ
   ルＣ＿１の両端ｄ、ｅを結合し第１偏光子Ｐ＿１に接続
   する第２カップラＫ＿２と、第１カップラＫ＿１の他方
   の分枝ｉにつながる第２モードフィルタＭ＿２と、これ
   に続く第２偏光子Ｐ＿２と、偏波面保存シングルモード
   光ファイバを多数回コイル状に巻回わし第１ファイバコ
   イルＣ＿１と同等で同軸に結合されている第２ファイバ
   コイルＣ＿２と、第２ファイバコイルＣ＿２の両端ｕ、
   ｗを結合し第２偏光子Ｐ＿２に接続する第３カップラＫ
   ＿３とよりなり、光源Ｑから出た光が第１カップラＫ＿
   １で２本の光に分けられ、一方の光は第１モードフィル
   タＭ＿１、第１偏光子Ｐ＿１、第２カップラＫ＿２を経
   て第１ファイバコイルＣ＿１を右廻り光及び左廻り光と
   して伝搬し第２カップラＫ＿２で合一して第１偏光子Ｐ
   ＿１、第１モードフィルタＭ＿１、第１カップラＫ＿１
   を通つて受光素子Ｓに入射して干渉光の強度が検出され
   、第１カップラＫ＿１で分けられた他方の光は第２モー
   ドフィルタＭ＿２、第２偏光子Ｐ＿２、第３カップラＫ
   ＿３を経て第２ファイバコイルＣ＿２を右廻り光及び左
   廻り光として伝搬し第３カップラＫ＿３で合一して第２
   偏光子Ｐ＿２、第２モードフィルタＭ＿２、第１カップ
   ラに１を通つて受光素子Ｓに入射して干渉光の強度が検
   出されるようになつており、第１カップラＫ＿１で分か
   れたふたつの光がたどる全光路長の差が光源Ｑが生ずる
   光の可干渉長Ｌｃより大きい事を特徴とする光ファイバ
   ジャイロ。