JPH02136806A - 光方向性結合器及びそれを用いた回転角速度センサ - 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】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、偏光分解機能を有する先方向性結き器及びそ
れを用いた低コストの光ファイバ回転角速度センサに関
するものである、 ［従来の技術］ 第９図に位相変調方式の回転角速度センサ（米■特許４
４１０２７５　）を示す、光方向性結合器３３を用いて
、光源３１からの光をＳＰ（単一偏波）光ファイバルー
プ３４の左右両回り光に分岐し、再び合成し１、受光器
３２により干渉計の出力を変調周波数及びその高調波で
同期検波検出する。ｓｐ光ファイバループ３４の一端に
設けた光位相変調器３５は、左右両回り光に等価的にπ
／２の位相差を与えて、回転角速度検出の高精度化を図
るものである。

この回転角速度センサで使用される光方向性結合器３の
１例を、第１１図（ａ）　（ｂ）に示す。楕円ジャケッ
ト型の閣波面保存光ファイバ（ＳＰ光ファイバ）ｌを用
いた研磨型光方向性結合器であり、同図に示すように、
偏波面保存光ファイバ１２石英基板２．その光ファイバ
１を固定する樹脂より成っており、消光比の点からファ
ースト軸が平行になるように結合されている。

第１０図にＳＰ（単一偏波）光ファイバ直交偏波方式の
回転角速度センサを示す、ここでは、偏光ビームスプリ
ッタ３７．３８をビームスプリッタ３６の前後に計２つ
使用して、光源３１からの光を直交偏波で抽出し５てい
る。ＳＰ光ファイバループ３４の左右両回り光を、検光
子４２を通し、て受光器４２により検出し１、装置の回
転角速度を測定する。この場合、ｌ、／４波長板４１で
９０°位相バイアスをかけ検出感度の最適化を図る。

上記の偏光ビームスプリッタ３７．３８は、その構造か
らして通常数關角の大きさを有するため、光ファイバ計
測システムに用いる場合には、光ファイバの出射光をコ
リメートして偏光ビームスプリッタに入射し１、その出
射光を再び光ファイバにレンズ結合部３９．４０にて結
合する必要がある。

［発明が解決し、ようとする課題］ 上記ＳＰファイバ直交閤波方式（第１０図）は、位相変
調器を用いる代わりに左右両回り光を直交偏波で抽出す
るため、信号検出部にロックインアンプ（同期検波）を
必要としないので５位相変調器式に比較すると処理回路
の簡略化が可能であるが、その構成上、次のような欠点
がある。

い）光ファイバ結合部にコストがかかり、且つそのサイ
ズが大きくなる。

（２）光ファイバルーズ両端の結合部に空間伝撮部があ
るため、温度変化で光路長が変化し１、零点オフセット
の問題がある。従って、光計測システムの全光ファイバ
化が出来ない。

また、位相変調方式は、ロックインアンプが必要で、サ
イズ、コスト的に問題である。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、小
形且つ低コス１−で全光ファイバ化が可能な偏光分離形
の光方向性結合器及びそれを用いた回転角度センサを提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光方向性結合器は、互いに結合する２つの光導
波路をその固有偏光軸が直交し、た状態でエバネッセン
ト波結合させ、前記光導波路とし、てその直交偏波モー
ドの曲げ損失に差があるものを用い、光導波路の出射側
の一部に所定の曲げを与えて単一偏波動作とし、た構成
のものである。

合する複屈折率形の２つの光導波路をその固有偏光軸が
直交した状態でエバネッセント波結合させ、その出射側
の２つの光導波路をそれぞれ単一偏波形光導波路と接続
した構成とすることもできる。

また、光方向性結合器を用いた回転角速度センサとして
は、固有偏光軸が直交し、た状態で２つの光導波路をエ
バネッセント波結合させた光方向性結合器の出力端に、
それぞれ固有偏光軸が整合された状態で、閣波面保存型
光ファイバセンシングループの両端を接続すると共に、
光方向性結合器の一方の入射端側に固有偏光軸と４５°
の方位をなす直線面光を入射する手段を設け、他方の入
射端側に該他方の入射端側から出力される光の位相変化
を観測する光計測系を設けた構成とする。

二の場合、前記光方向性結合器とセンシングループの間
に光ファイバ形鋼光子を設けるのがよい９また、上記光
計測系は、９０°リターデーション生成用光ファイバと
偏光子と受光器とで構成する二とが好まし、い。

「作用」 光導波路どして単一１間波型を用い、かつ、光結合部（
＝おいて２本の光導波路の固有偏光軸を直交させるとい
う簡単な構成で、直交偏波が直接に抽出される。この光
方向性結合器の層光分離機能と、単一面波型光導波路の
もつ単一制波モードのみ伝撮り″る機能とにより、光方
向性結合器の入射端側から、・１５゛方位の直線開光を
入射するど、２１）の出射端側に光が分岐される。入射
端側にスロー軸モードを入射すると一方の出射端側に出
射し、ファースト軸モードを入射すると他方の出射端側
に出射される９同様に、」二記一方の入射端からはスロ
ー軸モードのみが入射され、２つの入射端側にそれぞれ
スロー軸モード、ファースト軸モー・ドが分だして出射
さノする。

光方向性結合器の出射側を単一１積波形光導波路と接続
した構成とする５−とにより、その単一１１Ｎ波形尤導
波路に曲げ易い光ファイバが使用でき、その製造が容易
となる。

回転角速境センザは、］−記の償波分離形光方向性結合
射により、幇右両回り光を直交１揚波の形で抽出す−る
上うにしたものであり、小形且つ低コストの装置が横築
され、ドリフトが低減される８この場合、センシングル
ープとの間に面光子を挿入ジーることで精度を向上させ
ることができる。また。

この場合の光計測系は、９０°リターデーション生成用
光ファイバと１日光子と受光器とで構成することにより
、全光ファイバ化が達成され、大幅Ｃ・こドリフ１へが
低減さノ］る、９ ［一実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明づる。

第１図に示す方向性結合器１０には、２つの特徴がある
。その第１は、２つの単一偏波（ＳＰ）光ファイバ１を
、その固有偏光軸を直交させた状暦でエバネッセント波
結合させている点である。

第２は、単一偏波光ファイバ（ＳＰ光ファイバ）１とし
て直交面波モードの曲げ損失に差のある面波面保存光フ
ァイバを用い、その出射側の一部に５コイル部７ａ、７
ｂとｌ−て示すように、所定の曲げをす・えて絶対単一
偏波（ＡＳＰ）動作とし、ている点である。

詳述するに、まず光結合部、即ちエバネッセン１−波結
合をなす石英基板２の部分の構成を、第２図ｆａ）（＋
１）に示す、第１１図と同様に、石英基板２１目波面保
存光ファイバ１．その光ファイバ１を固定する樹脂、［
り成るが、閾波面保存尤ファイバ１の固有偏光軸か直交
している点で、第１１図と異な−）ている、２ 光結合部のｌｌｔ’ｊ　３６方法は以下の通りである。

（１）まず石英基板２に設けた溝の中に、埋め込み部分
の被覆を除去した面波面保存尤ファイバ１を、そのス１
７−軸、即ち応力付与部たる楕円ジャゲント５の長軸が
、基板１表面に対し、て垂直になるよう（こ、工４ボキ
シ樹脂で固定する。

＋２）　Ｉｆｆ脂硬生硬化後ファイバ１をコア付近まで
′＠磨板と共に研磨する。

（３）同様に、スロー軸が基板２の表面に対して上行に
なるように固定し研磨しまたものを作成し、：れと密着
させ、分岐比を測定しながら、２つの基板２の相対位置
関係を訊１整するにとで、ｉ＝光軸の調整は、（ば光顕
微鏡を用いてマニアル作業で行った。

次に、ＳＰ光ファイバ１とし、では、その直交ｆｉｉｌ
波モードに曲げ損失差のあるらのを用いる。この様な光
ファイバは、所定の曲げを加えることで実効的に絶対単
一偏波（Ａ、　Ｓ　Ｐ　）動作とできるので、以下、ｒ
ＡｓＰ光ファイバ」と呼ぶ。

第３図［ａ）（ｔｉ（ｃ）に、ここで使用し、たＡＳＰ
光ファイバ１の断面Ｗｉｎど屈折率分布を示ず。３は；
Ｊγ、４はクラッド、５は楕円ジャケット、４はザボー
トである。中心からの半径距ＡＨｒの屈折率ｎ　（ｒ）
は第３図（ｂ）（Ｃ）で示すごとく表され１．二の屈折
率分布を設計することによって、Ｙｌ−波が高曲げ損失
、Ｘ　ＩＩ波が低曲げ損失となる。ここでは楕円ジャケ
ット５の部分をデイプ１／ス）・型とし、カットオフ波
長を適性に設定！−で、コイル部７ａ。

７ｂとして示す如くコイル化することにより、ＡＳ　Ｐ
ファイバ化１−ている０本実施例では、コイル部７ａ、
７ｂのコイル外径を８０ｉｎとし、た。

次に、上記光方向性結合器の動作機能を説明する。

ＡＳＰファイバは長軸（スロー軸）モードのみが伝搬で
きるので、光方向性結合器の端子１１から、４５°方位
の直線開光を入射すると、端子１３．１４に光が分岐さ
れる。端子１１にスロー軸モードを入射すると端子１３
に出射し、ファースト軸モードを入射すると端子１４に
出射される。

同様に、端子１３からはスロー軸モードのみが入射され
て、１１．１２端子にそれぞれスロー軸モード３フアー
スト軸モードが分離して出射される。

上記のように、第１［！ｌの光方向性結合器は開光分離
機能がある。

尚、上記の光導波路たる単一偏波光ファイバとしては、
ストレス付加形や非円コア形の偏波面保存光ファイバも
含むものである。また、光方向性結合器としては、融着
延伸形も含むものである。

第４図は、光方向性結合器の別の実施例を示す。

二の光方向性結合器１０の特徴は、研磨型方向性結合器
に使用する単一偏波光ファイバとして直交偏波モードが
伝搬可能ないわゆる複屈折率光ファイバ８を用い、その
出射側において、直交漏波モードに曲げ損失差のある光
ファイバ（ＡＳＰ光ファイバ）１と、その固有偏光軸が
整合するように接続点りにおいてスズライスした点にあ
る。

第１図のようにスプライスを含まずに全てＡｓＰ光ファ
イバ１で構成し、た場合には、その構成が簡単であると
いうメリットがあるものの、一般に曲げ特性が悪く、実
装に気を付ける必要がある。

第４図の光方向性結合器は、かかる不都合がない９第５
図は、上記第４図の光方向性結合器を応用した回転角速
度センサの実施例である９１０は本発明の開光分離形光
方向性結合器、１５は光源、１６は光ファイバ形鋼光子
、１７ａ。

１７ｂは上記コイル部７ａ、７ｂに相当する光ファイバ
型偏光子、２０はセンシングコイルとし、てのＳＰ光フ
ァイバループ、２１はリターデーション測定系を示す。

光源１５からの出射光は、光ファイバ形鋼光子１６に結
合される。この偏光子１６を構成する光ファイバとして
は、直交漏波モードの曲げ損失差を利用したＡＳＰ光フ
ァイバ１、即ち楕円ジャケット型複屈折率光ファイバを
用いている。偏光子１６は、その固有偏光軸が、光方向
性結合器１０の一方の入射側光ファイバの固有偏光軸と
互いに４５＃をなすように、スプライスされている。

１８はその接続点を示す、光方向性結合器１０は、既に
第２図ｆｂ）で述べたように、２本の光ファイバ８の固
有偏光軸が互いに直交させエバネγセント波結合が生じ
るようにした研磨型方向性結合器である９ 光方向性結合器１０の出射側光ファイバ８は、光ファイ
バ型面光子１７ａ、１７ｂのＡＳＰ光ファイバ１と、接
続点９においてスプライスされている。この接続は、出
射側光ファイバ８のスロー軸（楕円の長軸）方向に偏波
したモードが、光ファイバ型偏光子１７ａ、１７ｂの透
過モードの偏光軸に整合するように、スプライスされる
。また偏光子１７ａ、１７ｂの他側の端子は、接続点１
９において、それぞれＳＰ光ファイバループ２０の両端
に固有閤波軸が整合された状態で、接続されている。

二のような光学系では、ＳＰ光ファイバループ２０を両
方向に伝搬し、た光は、光方向性結合器１０で再び両回
り光が直交偏波モードとし、て合波され、光計測系たる
リターデーション測定部２１に結合される。

リターデーション測定部２１の構成は、第６図に示すよ
うなセナルモンの方法、又は、第７図に示すように偏光
ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いた直交調波モード分
離演算方法を用いた９第６図のセナルモンの方法では、
サグナックの位相差δが、１／４波長板の出射直線開光
の１、／２δの回転とし、て検出されるので、検光子２
２で検出可能である。

第７図の直交偏波モード分離演算方法では５閤光ビーム
スプリツタ２３の２つの出力Ｐａ、Ｐｂより、（Ｐａ−
Ｐｂ）、／　（Ｐａ十Ｐｂ）を計算することによって、
ｓｉｎδに比例した信号が検出可能である。

第８図は、リターデーション測定部２１の部分を全光フ
ァイバ化したものである。２４は９０゜リターデーショ
ン生成用ＳＰファイバで、と−ト長が４０ｍｍの１波面
保存光ファイバをＸＯＩＴＩｍ用い、１．／４波長板と
して代用したものである。

２５は光ファイバ形偏光子であり、９０°リターデーシ
ョン生成用ＳＰファイバ２２と受光器２６との間に設け
である、 −１−記の回転角速度センサは、従来の光ファイバジャ
イロに比べて変調器かない分だけ、サイズが小さく低コ
ストならのとなる１、また、信号処理方式も簡単、な四
則演算、で済む、このため、従来のロンフィン方式に比
較して大幅な小形、低コス１〜化が可能であり、比較的
低精度用回転角速度セ〉・すとして自動車用等に搭載す
るのに適する。

回転角速度センサの構成形態は、上記実施例に限られる
しのではない９例えば、第５図のりタープ−ジョン測定
部２１の部分とし、て、第６図の検光子２２を常に出力
が“０”になるように回転させ、零位法によって検出す
る方式も考えられる３まな、第５図がら偏光子１７ａ、
１７ｂを削除し、精度を落として低コスト化することも
できる。

その場合、リターデーション測定部２１として光フγイ
″型偏光ビームスプリッタを用いたり、センシングコイ
ルや、光力グラをＡＳＰ光ファイバで構成したりするこ
とができる。

［発明の効果］ 本発明は、Ｊ二記のように構成さねているので、以１ｚ
の効果を奏する。

請求項１．２の光方向性結合は、光ファイバの種類とそ
の光結合部の構成を工夫したものであるので、サイズの
小形化や、組み立て工数の低減から低コスト化、量産化
を図ることができる。

また、この光方向性結合を用いると、全光ファイバ形の
光計測システムの実現が可能となるので、種贅のセンサ
に適用した場合、その温度特性が改善され光計測器の機
能向上が図れる、 特に、回転角速度センサにあっては、従来の光位相変調
器がない分だけ小ザイズ化、低コスト化が可能となるだ
けでなく、ｆＳ号処理方式も簡単な四則演算で済むため
、従来のロックイン方式に比較して大幅な小形、低コス
ト化が可能であり、比較的低精ｊ炙用四転角速度センサ
として自動車用等へ適用し、移動体の運動制御システム
の高性能化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の研磨型光方向性結合器を応用した１閏
光ビームスプリツタの原理構成図、第２図（ａ）（ｂ）
は本発明の光方向性結合器の一実施例を２トす縦断面図
、第３図はＡＳＰ光ファイバとして用いる光ファイバの
ｍ３ｆ！及び屈折率分布を示す図、第４図は光ファイバ
形偏光子を備え偏光分離形とし、た光方向性結合器の原
理構成図、第５図は本発明の回転角速度センサの一実施
例を示す光学系の構成図、第６図及び第７図はそれぞれ
第５図のりタープ−ジョン測定部の実施例を示す図、第
８図は本発明の回転角速度センサの他の実施例を示す光
学系の構成図、第９図は従来の位相変調方式回転角速度
センサの基本構成図、第１０図は従来のＳＰ光ファイバ
直交閾波方式の回転角速度センサの基本構成図、第１１
図（ａ）（ｂ）は従来方式の光ファイバ方向性結合器の
縦断面図である。 図中、１はＳＰ光ファイバ、２は石英基板、３はコア、
４はクラツト、５は楕円ジャゲット、６はザボー１へ、
７ａ、７ｂはコイル部、８はＡ　Ｓ　Ｉ”光ファイバ、
９．１８．１９は接続点、１ｏは光方向性結合器、１５
は光源、１６．１７ａ。 １７１）は光ファイバ形偏光子、２０はＳＰファイバル
ーア、２１はりタープ−ジョン測定部、２４は９０゛リ
ターンデーシゴン生成用Ｓ　［）７γイバ２５は光ファ
イバ膨面光子、２６は受光器を示す７特許出願人　　日
立電線株式会社 代理人弁理士　　絹　谷　信　雄 （ｂ） ６；２ボート ２７；ノターブーシ１ン５刑之系 ＋裁 第６図 第 図 （ａ） （ｂ） 第１１ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、互いに結合する２つの光導波路をその固有偏光軸が
   直交した状態でエバネッセント波結合させ、前記光導波
   路としてその直交偏波モードの曲げ損失に差があるもの
   を用い、光導波路の出射側の一部に所定の曲げを与えて
   単一偏波動作としたことを特徴とする光方向性結合器。 ２、互いに結合する複屈折率形の２つの光導波路をその
   固有偏光軸が直交した状態でエバネッセント波結合させ
   、その出射側の２つの光導波路をそれぞれ単一偏波形光
   導波路と接続したことを特徴とする光方向性結合器。 ３、固有偏光軸が直交した状態で２つの光導波路をエバ
   ネッセント波結合させた光方向性結合器の出力端に、そ
   れぞれ固有偏光軸が整合された状態で、偏波面保存型光
   ファイバセンシングループの両端を接続すると共に、光
   方向性結合器の一方の入射端側に固有偏光軸と４５°の
   方位をなす直線偏光を入射する手段を設け、他方の入射
   端側に該他方の入射端側から出力される光の位相変化を
   観測する光計測系を設けたことを特徴とする回転角速度
   センサ。 ４、前記光方向性結合器とセンシングループの間に光フ
   ァイバ形偏光子を設けたことを特徴とする請求項３記載
   の回転角速度センサ。 ５、上記光計測系を９０°リターデーション生成用光フ
   ァイバと偏光子と受光器とで構成したことを特徴とする
   請求項３記載の回転角速度センサ。