JPH02234015A - 光ファイバ回転検出システム - 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） 本発明は光ファイバ回転検出方法及びそのシステムに係
り、更に詳しくはサーボルーブのフィードバック信号の
振動により生ずる閉ループ回転センサの出力のエラーを
低減し得る光ファイバ回転検出方法及びそのシステムに
関する。

（従来の技術） 光ファイバ伝播による干渉計には通常互いに反対方向に
移動する光波を伝送するループ状の光ファイバ材料が包
有される。互いに反対方向にループを移動した波は加算
的に又は減算的に結合され干渉して光信号を作る。光信
号の強さは反対方向に移動する波の相対位相によるこの
干渉の関数として変化する。

光ファイバ伝播による干渉計は特に回転の検出に有効で
あることが判明している。周知のサグナツク効果（Ｓａ
ｇｎａｃ　ｅｆｆｅｃｔ）により、ループ回転されると
互いに反対方向に移動する光波の位相に相対的に差が生
じる。位相差量はループの角速度の関数である。互いに
反対方向に移動する光波の干渉により生じる光信号の強
さはループの回転速度の関数として変化する。この光信
号を検出し処理して回転速度を決定することにより回転
速度の検出が実現される。慣性による航空分野において
良好に採用され得るように、回転センサのダイナミック
レンジは極めて広くとる必要がある。回転センサはまた
時間当たり最低０．０１度、且つ秒当たり最大１，　０
００度の回転速度を可能に構成することが要求される。

検出可能な回転速度の最大値と最小値との比は約１０１
程度にされる。

閉ループの回転センサはサグナツク位相偏位を示す信号
を、互いに反対方向に移動する光波の位相又は周波数を
調節する手段に送り、光波間の回転による位相差を零に
するように構成している。

サグナツク位相偏位を零にするために光波の周波数ある
いは位相の調整量は検出ループの回転速度を示すことに
なる。

概して位相変調器を用いサーボループを閉じる閉ループ
光ファイバ回転センサは位相変調器が集積された形態で
容易に得られるため極めて望ましい。この位相変調器は
位相変調量を所望のレベルにして所定のダイナミックレ
ンジ内で回転速度を測定するに極めて有用である。しか
しながら、上述に開示の従来の既存の位相変調器におい
ては回転速度に対してはサーボルーブが不安定になる問
題がある。特に零の回転速度に対してはサーボルーブが
不安定になる。不安定になる他の回転速度は回転センサ
の出力を処理する際に採用する変調／復調構成に起因す
ると言える。サーボルーブのフィードバック信号が振動
すると、回転センサからの出力が無効となる。

米国特許第４，　２９９，　４９０号明細書には、フィ
ードバックループに周波数偏移器を用いて位相を零にす
る光ファイバ回転センサが開示されている。周波数偏移
器は検出コイルの一端に配置され、互いに反対方向に移
動する２つの光波の周波数が偏移される。互いに反対方
向に移動する光波の周波数が偏移されると、検出コイル
の回転により反復しない位相変位を示す信号が生じる。

回転により生じた位相偏位を零にするための信号が処理
されて回転速度が決められる。

また米国特許第４．　３７２．　６８５号明細書には、
ファラデー効果を利用して検出コイル内を互いに反対方
向に移動する光波の位相を変調し検出コイルの回転によ
る位相偏位を零にする光ファイバ回転センサが開示され
る。

更に米国特許第４．　７１７，　２５６号明細書には検
出コイル内を互いに反対方向に移動する光波の位相を変
調する光信号回転センサが開示されている。この場合正
弦波の基準信号及びタイミング信号を同期的に信号処理
回路に送る発振器により、位相変調器が作動され、互い
に反対方向に移動する光波の干渉パターンを示す変調波
から回転情報が抽出される。変調波と基準正弦波信号と
の積は完全な基準サイクルの整数倍に対し積分される。

Ｈつまたこの積分された信号は慣性空間の人力角速度の
正弦と位相変調を表している１次ベツセル関数との積に
正比例する。この積分信号はサンプル／ホールド回路に
付与される。このときサンプリング周期は積分周期に相
当する。サンプル／ホールド回路の出力は平衡ドライバ
回路に加えられ入力角速度に正比例する回転速度信号を
出力するように構成されている。

米国特許第４，　７３５，　５０６号明細書には、周波
数偏移器及び互いに反対方向に移動する波を変調する位
相変調器を含む光ファイバ回転センサが開示されている
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上述の従来の位相変調器、周波数偏移器を
含む光ファイバ回転検出構成によってはサーボルーブの
不安定性を充分に満足できる程度に除去するには至って
いなかった。

またサーボループの不安定性の原因となる他のファクタ
としては位相変調器駆動信号回路とサグナツク位相偏位
を電気信号に変換するホトデイテクタ回路との間のクロ
ストークが挙げられ、これを抑制する必要がある。

しかして本発明の目的は閉ルーブ光ファイバ回転センサ
のサーボループの不安定性を除去する光ファイバ回転検
出方法及びそのシステムを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によればこの目的は、光ファイバ回転検出システ
ム内の光検出コイル内の互いに反対方向に移動する２つ
の光波の位相差を示す電気信号を処理して検出コイルの
回転速度を検出する方法において、基準信号で互いに反
対方向に伝播する光波を変調する工程と、互いに反対方
向に伝播する２つの光波の位相差を示す電気信号を基準
信号で復調する工程と、フィードバック回路を形成し復
調装置から変調装置へフィードバック信号を伝播させる
フィードバック工程とを包有してなり、フィードバック
工程には変調装置を発生器装置で作動して互いに反対方
向に伝播する２つの光波の位相差を零にする工程とフィ
ードバック信号を調整してシステムの不安定性を防止す
る工程と発生器装置から出力される信号を処理して検出
コイルの回転速度を決定する工程とが含まれてなる方法
により達成される。

（作用） 上述のように構成された本発明による光ファイバ回転検
出構成にあっては、特に変調装置を発生器装置で作動し
て互いに反対方向に伝播する２つの光波の位相差を零に
し、フィードバック信号を調整しつ＼発生器装置から出
力される信号を処理することにより、システムの不安定
性を有効に除去する作用を実現できる。

（実施例） 第１図を参照するに、本発明による光ファイｉ＜回転セ
ンサ２Ｇの構成が示されており、この光ファイバ回転セ
ンイ２０にはコヒレント（干渉性）の光信号を光ファイ
バ２４に入力するコヒレント先の光源２２が包有される
。光ファイバ２４は準一モードの電磁エネルギを伝播す
るよう構成されることが好ましい。光ファイバ２４に入
力された光は光カブラ２６へ伝播される。光カプラ２６
は第４図及び第５図に沿って詳述するような、一時的界
（　ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｆｉｅｌｄ）の光カプラを用
いることが好ましい。光カブラ２６は光ファイバ２４か
ら人力した光の一部を光ファイバ２８へ伝播する。

また光ファイバ２４に残留する光が光カプラ２６を経て
偏光器３０へ伝播される。偏光器３０は第４図、第５図
及び第６図に沿って詳述するような光ファイバ偏光器を
用いることが好ましい。

偏光器３０から送出される光信号は次に第２の光カブラ
３２に入力される。第２の光カブラ３２は光カブラ２６
と実質的に同一構成をとり得る。第２の光カプラ３２は
光源２２から光ファイバ２４を経て入力した光の一部を
光ファイバ３６へ伝播する。光ファイバ３６には単一モ
ード光ファイバを用いることが望ましい。

光ファイバ２４内にはサグナツク（　Ｓａｇｎａｃ）検
出コイル３４が形成される。１立相変調器３８は光ファ
イバ３６と光ファイバ２４との間に配置され、これによ
り光ファイバ２４を通過した光が先ずサグナツク検出コ
イル３４に伝播し、次に位相変調器３８へ達することに
なる。第１図から明らかなように、光ファイバ２４に残
留する光はサグナツク検出コイル３４内においては時計
方向に向かう光であり、一方第２の光カプラ３２から光
ファイバ３６内に伝播された光はサグナツク検出コイル
３４内において反時計方向に向かう光となる。位相変調
器３８を通過した時計方向の光は光ファイバ３６を経て
第２の光カプラ３２に達する。一方、反時計方向の光は
光ファイバ３６、位相変調器３８、サグナック検出コイ
ル３４及び光ファイバ２４を経て再び光ファイバ３６に
達する。

サグナック検出コイル３４を移動する間、時計方向の光
及び反時計方向の光には位相差が生じ、この位相差はサ
グナック検出コイル３４がその検出軸を中心に回転する
速度により決定される。第２の光カブラ３２は時計方向
の光の一部を光ファイバ３６から再び光ファイバ２４へ
入力させる。光ファイバ２４内に残留する反時計方向の
光の一部は再度光ファイバ２４に入力された時計方向の
光と結合されて干渉パターンが作られる。この干渉パタ
ーンにはサグナツク検出コイル３４の回転速度を決定す
るための情報が含まれている。次にこの結合光は再び光
ファイバ２４を経て偏光器３０へと伝播され、これによ
り回転速度を決定する光信号の偏光がサグナツク検出コ
イル３４に人力された光の偏光と確実に同期される。こ
れら偏光が同期されると、バイアスエラ若しくは倍率（
ｓｃａｌｅ　ｆａｃｔｏｒ）の変動が最小限に押さえら
れ得る。

偏光器３０の出力は更に光カプラ２６に達し、光フアイ
ハ２８内の光信号の一部と結合される。この結合信号は
光センサ４０に人力されて光干渉パターンが電気信号に
変換される。光センサ４０の出力は復調器４２に送られ
、ここで変調基準発生器４４から入力した基準信号によ
り復調され、復調器４２の出力は増幅器４６へ送られる
。記号ＡおよびＢはそれぞれ増幅器４６の入力および出
力を表している。

増幅器４６の出力Ｂは傾斜発生器４８に入力され、傾斜
発生器４８で発生された出力信号は回転速度を決定する
ためカウンタ５０へ送られる。また傾斜発生器４８から
は他の出力信号が加算回路５２へ付与される。加算回路
５２は傾斜発生器４８から入力した傾斜電圧と変調裁準
発生器４４から入力した出力信号との和をとる。加算回
路５２で得られた和信号は位相変調器３８の駆動電圧と
して使用される。

本発明による信号処理構成においては増幅器４６の入力
端子Ａあるいは出力端子Ｂに周期零平均（ｐｅｒｉｏｄ
ｉｃ　ｚｅｒｏ　ｍｅａｎｓ）信号が入力される。周期
信号発生器５４がカウンタ５０のゲートおよび端子Ａあ
るいはＢに出力する信号は周期信号である。周期信号の
振幅はサーボルーブの電圧が不安定を引き起こす範囲外
になるように設定される。周期信号の振幅は周期信号が
サーボルーブで増幅器４６の前段又は後段に入力される
かにより左右される。光ファイバ回転センサ２０には更
に周期信号発生器５４とフィードバックルーブの端子Ａ
およびＢとの間に接続されたハイパスフィルタ５６が包
有されており、これにより零平均信号が確実に得られる
。

周期信号発生器５４は零平均周期信号の各周期の終了時
に同期信号を発生する。この周期信号は確定的な、また
は疑似的な散乱信号にし得る。同期信号によりカウンタ
５０のゲートが制御され、カウンタ５Ｇは光ファイバ回
転センサ２０からの出力パルス数をカウントし、周期信
号発生器５４による過剰のパルス数が確実に且つ正確に
平均化され、光ファイバ回転センサ２０の回転によるパ
ルスのみが確実に且つ効果的にカウントされる。

上述の本発明において復調器４２が零不偏分散復調器で
なり、零平均周期信号が第１図の点ＡあるいはＢでサー
ボルーブ内に付与される．ように構成すれば、好適に機
能し得る。サグナック検出コイル３４が小さな回転速度
Ωで回転しているものとし、このとき理想的には傾斜発
生器４８の出力部において秒当たりの正味のカウント数
がＣｒとする。更に、回転速度Ωは十分に小さくサーボ
ルーブ信号が振動し、秒当たりの正味の出力カウント数
が零であるとする。第２図を参照するに、時間Ｔを関数
とじ■１と−■．との間で変化する矩形波がサーボルー
プの点Ｂに人力される。矩形波の振幅及び周期は固定値
とする必要はな《、回転速度の関数として好適に変化さ
せ、広いダイナミックレンジに亙りサーボループの安定
化を図ることにより、光ファイバ回転センサ２０の性能
が最適化され得る。

電圧■．が十分に太き《、サーボルーブ電流が不安定範
囲外にあると、矩形波の最初の半波の期間（即ち周期Ｔ
／２の間）の秒当たりの正味のカウント数Ｃ，が次の式
で表される。

Ｃ　ｒ　＝　Ｃ　ｖ　ｓ　＋　Ｃ　Ｑ　　　　　　　　
　　　　（　１）ここに、ＣｖｌＩは電圧■．によるカ
ウント速度である。矩形波の次波に対しては、秒当たり
の正味の？ウント数Ｃ，は次の式で表される。

Ｃ，＝Ｃ−■十ＣＱ　　　　　　　　　　　　（２）こ
こに、Ｃ−ｖｍは電圧−■１によるカウント数である。

また当業者にはサーボルーブ理論から次の関係式が成り
立つことは知られている。

Ｃ　ｖ．＝　Ｃ　−Ｖｌｌ　　　　　　　　　　　　　
　（３）式（２）に式（３）を代入すると、次の式が得
られる。

Ｃ　，＝　−　Ｃ　，．＋　ＣΩ　　　　　　　　　　
　（４）矩形波の１周期での秒当たりの正味のカウント
数Ｃは式（１）、（４）によるＣＩ及びＣ，の平均で表
され、従って次のようになる。

ｃ＝　（Ｃ．＋Ｃ，）／２　　　　　　　　　　（５）
一ｌ（Ｃｖ．＋ＣＱ）＋（−Ｃ，．＋ＣＱ）ｌ／２　　
　（６）２　Ｃ　Ｑ／　２　　　　　　　　　　　　　
　（７）＝　Ｃ　Ｑ　　　　　　　　　　　　　　　　
　（８）従って、光ファイバ回転センサ２０の出力は、
サーボルーブに不安定性が存在する場合でもサグナツク
検出コイル３４の回転速度を正確に表す。

本発明に用いる単一モードファイバに対し好適な方向性
カブラについては、■９８０年５月２８日出版、エレク
トロニクス中レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ）　（第１８巻第１８号）のページ２６Ｇ−
　２６１及び米国特許第４，　４９３，　５１８号明細
書に開示されている。

光カブラ２６、３２の双方ともに実質的に同一の構成に
し得、光ファイバ２４、２８及び３４に単一モードファ
イバを用いるとき光カブラ２６についての以下の説明は
光ファイバ回転センサ２０に含まれる他のの光カブラに
も同様に当てはまる。

光ファイバ回転センサ２０にマルチモードファイバが採
用される場合、好適なマルチモードカプラ（図示せず）
が当業者には周知である。例えば、米国特許第４．　７
３１１１．　５１１号明細書に開示されるマルチモード
用センサが好適に採用され、マルチモードカブラを採用
し得゛る。

光ファイバのコアとクラツドとの境界面は誘電体面であ
り、この面では電磁界成分が周知の所定の条件を満足す
るように選定される。この境界面に対し平行な電界成分
は連続体にされる。単一モード光ファイバはこの境界面
に対し垂直な電界成分を有する電磁エネルギを伝播する
。ファイバのコアの屈折率はファイバのクラツドの屈折
率より大きく、光は臨界角以下の角度でコアとクラツド
の境界面に当たるため、電界の実質的にすべてが境界面
での内部反射によりコア内に留どまる。連続性と内部反
射の両方の条件を満足させるため、クラツド内の電界の
半径方向の成分は指数関数的に迅速に減衰させる必要が
ある。指数関数的に減衰する電界をここでは消失（　ｅ
ｖａｎｅｓｃｅｎｔ）電界と呼ぶ。

第３図に示すように、光カブラ２６には、第１図の光フ
ァイバ２４、２８がそれぞれ１対の基板５Ｇ，　５２内
に配置せしめて設けられている。光ファイバ２４は基板
５０の光学的平坦而゛５８に形成された湾曲溝５４内に
配置され、同様に光ファイバ２８は基板５２の光学的平
坦面６０に形成された湾曲溝５６内に配置されている。

基板５０及び基板５０内に配置された光ファイバ２４は
カプラ半部６４をなしており、また基板５２及び基板５
２内に配置された光ファイバ２８は別のカブラ半部６２
をなしている。

湾曲溝５４及び湾曲溝５６の深さは基板５Ｇ，　５２の
中心部における最小値から基板５０、５２の縁部におけ
る最大値へ次第に変化する。このように湾曲溝の深さが
変化する構成をとることにより、湾曲溝５４、５６に光
ファイバ２４、２８が配設された場合、光ファイバ２４
、２８が夫々基板５０、５２の中心部に向かって次第に
収束し一方その縁部に向かって分散される。

上記湾曲溝５４、５６は断面が矩形にされているが、光
カブラ２６を構成する際これらの湾曲溝５４、５６をそ
の断面がＵ字状あるいはＶ字状をなすように設けること
もできる。

更に第３図を参照するに、基板５０、５２の中心部にお
いて湾曲溝５４、５６の深さは光ファイバ２４、２８の
直径より小さく設けられる。光ファイバ材料はラツピン
グ等の好適な方法により、光ファイバ２４、２８から除
去され、光ファイバ２４、２８に各々平面部６１、６３
が具備される。平面部６１，　６３は基板５０、５２．
の光学的平坦面５８、６０と対向する面である。また光
ファイバ２４、２８の弧状面は対向して並置せしめられ
、相互作用領域６６が形成される。相互作用領域６６で
は光ファイバ２４、２８を介し伝播された先の消失電界
が対向するファイバと相互作用する。

光は相互作用領域６６において消失電界結合により光フ
ァイバ２４、２８間で伝送される。光ファイバ２４には
中心コア６８と周囲の外層としてのクラツド層７０とが
包有される。光ファイバ２８のファ７２及びクラツド層
７４は夫々中心コア６８及びクラツド層７０と実質的に
同一である。中心コア６８の屈折率はクラッド層７０の
屈折率より大きく、中心コア６８の直径は中心コア６８
内を伝播する光がコアとクラツド層との境界面において
内部反射するよう選定される。光ファイバ２４を介し伝
送された光エネルギの大半は中心コア６８内に閉じ込め
られる。一方、光ファイバ２４の中心コア６８に対する
波動関数を解き、周知の境界条件を当てはめると、主に
中心コア６８内におけるエネルギ分布にはクラツド層内
に延び、光ファイバの中心部からの半径が増加するに応
じ指数関数的に減衰する部分が存在する。光ファイバ内
のエネルギ分布の指数関数的に減衰する部分は消失電界
と呼ばれている。光エネルギの、最初光ファイバ２４か
ら伝播される消失電界が光ファイバ２８内において十分
な深さまで延びると、エネルギは光ファイバ２４から光
ファイバ２８内へ伝送される。

消失電界はクラツド層内においても僅かの距離だけ延び
、振幅が光ファイバのコアの外側に沿って急速に減少す
る。従って、光ファイバ材料を十分に除去し、光ファイ
バ２４、２８により伝播される波の消失電界間が重なる
ことになる。光ファイバ材料の除去が不充分であれば、
コアが十分に閉鎖されず消失電界により伝送された光波
が好適に相互作用されず、このため結合が不十分となる
。

次に第４図、第５図及び第６図を参照するに、位相変調
器３８にはニオブ酸リチウム１０４と１対の電極ｔｏｏ
，　１０２とが包有され、電極１００、１０２はニオブ
酸リチウム基板１０４上に形成される。ニオブ酸リチウ
ム基板１０４上にチタンをストリップ状に（図示せず）
蒸着し、このチタンストリップを加熱してチタンを二オ
ブ酸リチウム基板１０４内に作用させることにより、二
オブ酸リチウム基板１０４内に導波管１０６が形成され
得る。電極１００、１０２は第４図、第５図及び第６図
に示すように導波管１０６の両側に対向して配置され得
、またはこれら電極の一方は導波管１０６上に直接形成
され、他方が導波管＋０６から巾方向にずらして配置可
能に設けられる。

特に第６図に示すように、電界は導波管１０６内におい
て主として水平である。導波管１０６の屈折率ｎ＝ｎ．
＋ｎ＋（Ｆ！）であり、ここに００は屈折率の′固定成
分であり、ｎ．（Ｅ）は印加された電界Ｅの関数である
。導波管１０６内の電界は第６図に示すように実質的に
水平方向に延びるため、電界の水平方向の成分のみが屈
折率に影響を与える。導波管１０６の屈折変化により導
波管１０６の有効光長が変化する。従って、電界を制御
することにより、光波が導波管１０６を移動するに要す
る移動時間が制御され得る。この移動時間の変化は光波
の位相変化として考えられる。位相変調器３８は導波管
１０８において非対象な水晶主軸に沿って偏光された信
号の位相を変調するので、導波管１０６の１つの主軸に
沿って偏光された光波のみが位相変調器３８に人力され
得る。

光ファイバ内を伝播する光波について説明するに、光波
の伝播方向に対し電界あるいは磁界の方向を説明する方
法をとることが容易であろう。電磁波の電界ベクトルの
方向は光波の偏光方向である。多くの光ファイバ回転検
出システムにあっては、一部の成分でなる出力が偏光に
左右されるので、所望の位置で既知の偏光状態を示す光
を生じさせることが望ましい。従って、この成分に対し
既知の偏光入力を与えるとエラーが最小限に押さえられ
る。偏光式光ファイバ回転検出システムにおいては、偏
光の変化によるドリフトエラーは偏光器の品質により決
まる。

且つ第１図の偏光器３Ｇは米国特許第４，　３８６．　
８２２号明細書に開示される偏光器と実質的に同一構成
をとり得る。本発明に使用される他の偏光器としては未
国特許第４，　７２５，　１１３号明細書に開示のもの
を使用し得る。

更に本発明に採用され得る他の偏光器としては、米国特
許第４，　７２９，　６２２号明細書に開示の光ファイ
バ偏光器を採用し得る。この偏光器の場合、偏光制御装
置にエラー信号がフィードバックされる。

この場合のシステムを以下に簡単に説明する。

第７図及び第８図を参照するに、偏光器３０には基板１
６２を有するハーフカブラ１６０が包有されており、基
板１６２は好まし《は石英で作られ、且つ基板１６２に
は曲線溝１６４が形成される。長手の光ファイバ２４は
曲線溝！６４に固定される。基板１６２の一部及び光フ
ァイバは研磨されて基板１６２及び光ファイバ２４の上
に位置する対峙而１６５、１７０が夫々形成される。研
磨作業により光ファイバ２４のクラツド層の一部が除去
され、相互作用領域１６６が形成される。上部に光学平
坦面１６７を有する複屈折水晶１６８がハーフカブラ１
６０の対峙面１７０に装着される。

相互作用領域１６６においては、光ファイバ２４ニおい
て伝播する光の消失電界が複屈折水晶１６８と相互作用
する。

光ファイバ２４が単一モードファイバである場合、伝ｌ
ｅｔされたモードのみであり、この場合電界あるいは磁
界の方向は光ファイバ２４を介して光波の伝播方向に対
しほぼ垂直になり。一方の偏ベクトルは対峙面１６５に
対し垂直になり、他方の偏光ベクトルは対峙而１６５の
平面内にある。

複屈折水晶１６８は、複屈折水晶１６８のインターフェ
ース（境界面）に対して垂直に偏光された光に対し、複
屈折水晶１６ｇの屈折率が光ファイバ２４の屈折率より
小さくなるよう構成される。従って、複屈折水晶１６ｇ
と光ファイバ２４とのインターフェースにおける全内部
反射のため、このインターフェースに垂直な偏光で光フ
ァイバ２４内を伝播する光が光ファイバ２４内に留めら
れる。インターフェースに対し平行な偏光の複屈折水晶
１６８の屈折率は光ファイバ２４の屈折率より大きくな
るよう選定され、従ってインターフェースに対し平行に
偏光された光は光ファイバ２４から出力された上複屈折
水晶１６８内に伝送される。

特に第７図を参照するに、左側からの光が入射されると
、光波の平行偏光成分の放射エネルギが複屈折水晶１６
８を移動する。放射エネルギの一部は光センサ１８０と
衝突し、光センサ１８０はその入射光の強さに応じた電
流を出力する。電子制御回路】８２は光センサ１８０の
出力電流を処理し制御信号を偏光制御システム１９０へ
送る。偏光制御システムｌ９０は偏光器３０へ入力され
る光波を調節し、制御信号を最小にする。従って偏光器
３０の光伝播時には一定の強さで実質的に単一の所定の
偏光が持たせられる。

偏光制御システム１９Ｇには電子制御回路１８２と接続
されるファイバスクイーザ１９２、１９３、１９４が包
有されることが好ましい。ファイバスクイーザｌ９２、
１９３、１９４の構成は相互に同一であることが望まし
い。好適なファイバスクイーザとしては米国特許第４．
　７５３．　５０７号明細書に開示のものが挙げられる
。ファイバスクイーザ１９Ｌ　１９３、１９４は各々、
電子制御回路１８２からの電圧に応答して予荷重により
光ファイバ２４にかかる圧縮力を変える圧電作動子（図
示せず）として設けることができる。且つファイバスク
イーザ１９２、１９４はそれらから生じた出力が互いに
平行となり且つ光ファイバ２４に対し垂直となるよ．う
配設されることが好ましい。

方ファイバスクイーザ１９３からの出力は光ファイバ２
４に対し垂直に与えられ、且つファイバスクイーザ１９
２、１９４からの出力に対し４５度をなすように設けら
れる。

光ファイバ２４は複屈折媒体である。換言するに、光フ
ァイバ２４の屈折率は偏光に左右される。ここでこの明
細書で用いる用語“複屈折量”とは光波を伝送する媒体
の２個の屈折率間の差を意味する。

複屈折量を制御することにより、長手の光ファイバ材料
からの光信号出力の偏光を制御し得る。長手の光ファイ
バ２４に対し光ファイバ２４を横断する軸に沿って圧縮
力を加えると、弾性効果により屈折率が変化せしめられ
、この結果複屈折量が減少される。

一般に、任意の偏光を所定の偏光に変換するために３個
のファイバスクイーザが必要である。長手の光ファイバ
２４内の隣接するファイバスクイーザ１９２、１９３、
１９４間に大きな複屈折がなければ、偏光器３０への入
力光の偏光を制御するに２個のファイバスクイーザのみ
で実現できる。

偏光器３０は光ファイバ２４内で反時計方向の光波に所
定の偏光を与えるような出力を発生できる。

混合された偏光が右側から偏光器３Ｇに当てられると、
光ファイバ２４から不都合な偏光が放出され、所望の偏
光が光ファイバ２４の内部に留どめられる。

第２の光センサ２００は放射された偏光の強さを表す電
気信号を発生する。第２の電子制御回路２０２は第２の
光センサ２００からの出力を処理し複数のファイバスス
イーザ２０４、２０５、２ロ６へ制御信号を与える。複
数のファイバススイーザ２０４、２０５、２０６は上述
したファイバスクイーザ１９２、１９３、１９４と実質
的に同一の構成である。偏光器３０は光ファイバ２４と
同一の領域において２個の反時計方向の光波からエラー
信号を発生するように設けられ、偏光器３０から送出さ
れる全ての光信号には同じ偏光及び強さが持たせられな
い。

更に本発明による他の実施例に採用される偏光器として
複屈折水晶１６ｇの代わりに１％−フカプラｌ６０に隣
接してバツファ誘電層を配置せしめ、メタル層をパツフ
ァ誘電層上に配置してもよい。この場合不都合な偏光は
光ファイバ２４からメタル層内へ伝達される。

位相変ＭＷ３８を代えて、反時計方向のに進む光波を変
調するため光周波数偏位器を光ファイバ回転センサ２ロ
に具備させてもよい。例えば、米国特許第４，　７２９
，　６２０号明細書に開示される光ファイｔ４周波数偏
位器を本発明に採用可能である。ＳＰＩＢ，第４７８光
ファイバ及びレーザセンサＩＩ、１９８４年、ページ９
　Ｆ”−　９　７、リスク（Ｒｉｓｋ）等による“複屈
折光ファイバの単側帯周波数偏位“に開示された音響光
学周波数偏位装置も本発明に採用できる。プラグ（　Ｂ
ｒａｇｇ）セルを用いた光周波数偏位も反時計方向に進
む光波を変調するために採用できる。

第１３図は、角周波数ｆで回転する半波プレート２６０
に円偏波光が入射された時の周波数の状態を示している
。入射光の角周波数はｆ０である。入射光は正の２方向
に移動し、Ｘ軸及びｙ軸に沿って等しい大きさの偏光ベ
クトルを有する。従って、偏光ベクトルは進行方向に向
かって見た場合時計方向に２軸を中心に角速度『。で回
転するように見える。半波プレート２６０は偏光ベクト
ルと同じ方向に回転するため、出力される光波は入力周
波数ｆ．からｆ。＋２１の周波数を有することになる。

第１４図は周波数偏位器からの出力周波数の状態を示し
ている。入力周波数がｆ０の場合、入力ビームの方向に
周波数ｆで半波プレートを回転すると、出力周波数がｒ
。＋２ｆとなる。入力波の偏光と反対の方向に周波数ｆ
で半波プレート２６０を回転すると、出力波の周波数は
ｆ．−　２ｒとなる。回転周波数ｆを制御することによ
り、１／４波プレートの出力周波数がｒ０±２ｆ．．．
の範囲となる。ここに『．１１は半波プレート２６Ｇの
最大回転周波数である。

再び第９図を参照するに、周波数偏移器２７Ｇにはブラ
ッグセル２７２が包有される。好適な周波数偏移器とし
ては、第１０図〜第１２図に示すセログイン周波数偏移
器あるいは第１５図〜第１６図に示す音響光学周波数偏
移器が挙げられる。

再び第９図を参照するに、ブラッグセル２７２には音響
変換器２７６により駆動されるガラススラブ２７４が包
有され、音響変換器２７６は音響波をガラススラブ２７
４内において発生する。周波数ω．の変調波を音響変換
器２７６に加えることにより、ガラススラブ２７４内の
音響波の周波数が制御される。゜ガラススラブ２７４内
の音響波の波頭は移動回折格子として機能し、入射ビー
ム光の第１のビーム部２７８は伝達され第２のビーム部
２８０は反射される。光信号の周波数がω。の場合、ブ
ラッグセル２７２から反射されたビームの第２のビーム
部２８０の周波数はω。十ω．となり、伝達されるビー
ム部は最初の周波数ω。である。代表的なブラッグセル
では、入射光エネルギのほぼ６０％〜７０％が反射され
周波数が偏移される。

このブラッグセルは、３倍軸を有する電子光学・的水晶
に光信号を通過させ、この水晶に回転電界を加えること
により光周波数偏移を達成する。周波数偏移させること
により光ビームは円偏光され、水晶の３倍軸に沿って向
けられることが望ましい。

電界が加えられない場合水晶は複屈折を示さず、発生し
たビームは影響されない。印加電界が好適な半波振幅を
有し３倍軸に対し垂直な平面内で回転すると、水晶は回
転半波プレートとして機能する。発生したビームの周波
数は偏移され、その極性も反転される。周波数偏移は印
加電界の回転速度の２倍に等しい。理論的には均一に回
転する電界が印加されると出力ビームの周波数は単一と
なるので、この回転電界周波数偏移器は単側帯波抑制搬
送波（　ＳＳＢＳＣ）変調器とも呼ばれることも多い。

また第９図に示されるように、ブラッグセル２７２は変
調信号を増幅する増幅器２８１から光人力信号を入力す
る。増幅２！ｉ２８１の出力は周波数ω１及びω，の電
気信号を発生する一対の発振器２８２、２８４により制
御される。発振器２８２、２８４からの出力信号はスイ
ッチ２８６へ送られ、スイッチ２８６は周波数ω１及び
ω，の信号の一方を選択して増幅器２８１へ入力する。

一方、セログイン周波数偏移器には傾斜信号で駆動され
る線形光移相器が包有される。この傾斜信号から時間と
共に位相が線形的に変化せしめられ、これは実質的には
傾斜中の周波数偏移に当たる。発生した光の周波数は傾
斜の時間的変化及び位相器の倍率により決定される。第
１０図には傾斜電圧がＫｖ／ｓの速度で時間と共に線形
的に増加する状態がグラフで示されている。

第１１図には第１０図の傾斜電圧により駆動された変調
器から出力される光信号の位相がグラフで示されている
。位相の時間に対する割合は周波数偏移である。第１１
図から明らかなように、周波数偏移はｄｌｌ（ｔ）＝　
１［Ｃであり、ここにＣは変調器の倍率である。セログ
イン周波数偏移を実施する一例を第１２図を参照して以
下に説明する。

第１２図にはセツログイン周波数偏位システム３１９の
１例が示される。第１図のレーザ光源２２からの光信号
は二オブ酸リチウムでなる電子光学的活性材料３２０に
入力される。電圧源３２２から電子光学的活性材料３２
０へ電圧を印加すると、電子光学的活性材料３２Ｇ内を
伝播する光信号の位相が変化される。位相変化量は、電
子光学的活性材料３２０に印加される電圧源３２２から
の電圧■を制御することにより調整できる。

第１５図及び第１６図を参照するに、本発明に採用可能
な周波数偏位器３５０の他の例が示される。周波数偏位
器３５０にはアルミニウムブロック３５２と石英ブロッ
ク３５４との間に保持される長手の光ファイバ３５１が
包有される。光ファイバ３５１は光周波数範囲内で単一
モードの電磁エネルギを伝播するよう構成されることが
好ましい。石英ブロック３５４は楔形に形成され、この
石英ブロック３５４の第１の面３５８は光ファイバ３５
１に当接させることが好ましい，，Ｈつ石英ブロック３
５４の第２の而３６０は光ファイバ３５１の長手方向に
対し所定の角度をなして配設される。アルミニウムブロ
ック３５２は所望の形状に構成できるが、作図上断面が
矩形のものとして示されている。例えばＣｒ−Ａｕから
なるメタル層３６２が第２の面３６Ｇ上に形成され、例
えばＰＺＴからなる変換器３６４がメタル層３６２上に
付設される。

変換器３６４の上面にはＣｒ−Ａｕのメタル層が石英ブ
ロック３５４の面から離間して対向される。変換器３６
４は好適な発振器により駆動され、音響波を光ファイバ
内に送出する。

単一モードの光ファイバにより単一伝播モードの２個の
直交する偏光が維持される。光ファイバはファイバ内の
電界の異なる方向に対する異なる屈折率を有する複屈折
ファイバであるので、２つの偏光が存在する。２つの偏
光は通常結合されないから、互いにエネルギの伝達は生
じない。光ファイバに加わる空間周期応力パターンによ
り２つの偏光間に結合が生じ、偏光間にエネルギの伝播
が行われる。エネルギ伝播は空間周期応力パターンが光
ファイバのビート長に等しいときのみ累積的となる。光
ファイバのビート長はＬ．−λ／Δｎｔ’あり、Δ１は
２つの偏光の屈折率の差でありλは光波長である。応力
が複屈折の主軸に対し４５度をなしているとき、応力パ
ターンによる２つの偏光の結合が最強になる。

音響変換器は移動中の音響波により光ファイバ内に移動
する応力パターンを発生する。応力パターンは光ファイ
バに沿って移動すると、一方の偏光から他方の偏光に結
合される光の周波数は、結合領域が移動するため移動応
力パターンの周波数に等しい量だけ偏移される。説明の
都合−し、一方の偏光を低速偏光と呼び、且つ他方の偏
光を高速偏光と呼ぶことにする。光波の速度は誘電体媒
体内では光の自由空間速度を誘電体の屈折率で割ったも
の、即ちｖ　＝　ｃ　／　ｎである。従って、複屈折媒
体内においては、屈折率の大きい方の偏光が低速偏光で
あり、屈折率の小さい方の偏光が高速偏光であることは
理解されよう。

更に特に第１５図を参照するに、線３６６は光ファイバ
に入射される光の波長λ．の音響波頭平面を表している
。音響波の進行方向のビート長！，ゎの成分が音響波の
波長λに等しい場合に位相マッチングが得られる。従っ
て、Ｌ．ｓｉｎθ一λ１が成り立つことは同図から理解
されよう。上述の式から音響波の波長を除去するため、
波の速度、周波数及び波長の間の周知な関係を用いると
き、音響波の周波数がｆ　＝　ｖ　／　（ＬＲｓ＋ｉｎ
θ）として表され、ここにＶは光ファイバ内の音響波速
度である。

（発明の効果） 上述のように構成された本発明による光ファイバ回転検
出方法及びそのシステムによればサーボループにおける
不安定性を極めて良好に除去することができる、等の顕
著な効果を達成する。

【図面の簡単な説明】

第１図は位相変調により閉ループ動作をする光ファイバ
回転検出システムのブロック図、第２図はサーボ回路に
印加して不安定性を防止する矩形変調電圧、第３図は第
１図の光ファイバ回転検出システムに採用可能な光ファ
イバカプラの断面図、第４図〜第６図は第１図の光ファ
イバ回転検出システムに採用可能な集積回路としての光
位相変調器の構造説明図、第７図及び第８図は第１図の
光ファイバ回転検出システムに採用可能な偏光器の１実
施例、第９図は本発明による光周波数を偏移するブラッ
グセルの簡略説明図、第１０図及び第１１図は本発明の
光ファイバ回転検出システムに採用されるセロダイン周
波数偏移構成を説明するグラフ、第１２図はセロダイン
周波数偏移構成を実施する装置、第１３図及び第１４図
は光波に対する周波数偏移器の作用を説明するための簡
略説明図、第１５図及び第１６図は本発明に採用可能な
周波数偏移器の他の実施例の簡略説明図である。 ２０・・・光ファイバ回転センサ、２２・・・光源、２
４−・・光ファイバ、２６・・・光カブラ、２８・・・
光ファイバ、３０・・・偏光器、３２・・・第２の光カ
ブラ、３４・・・サグナック検出コイル、３６・・・光
ファイバ、３８・・・位相変調器、４ｏ・・・光センサ
、４２・・・復調器、４４・・・変調基準発生器、４６
・・・増幅器、４８・・・傾斜発生器、５０・・・カウ
ンタ、５２・・・加算回路、５４・・・周期信号発生器
、５６・・・ハイパスフィルタ、５８、６０・・・平坦
面、６２、６４・・・カブラ半部、６６・・・相互作用
領域、６８・・・中心コア、７Ｇ・・・クラッド層、７
２・・・コア、７４・・・クラツド層，　１００、１０
２・・・電極、１０４・・・二オブ酸リチウム基板、１
０６・・・導波管、１６０・・・ハーフカプラ、１６２
・・・基板、１６４・・・曲線溝、１６５・・・対峙面
、１６６・・・相互作用領域、１６８・・・複屈折水晶
、１７０・・・対峙面、１８Ｇ・・・光センサ、１８２
・・・電子制御回路、１９０・・・偏光制御システム、
１９２、１９３、１９４・・・ファイバスクイーザ、２
００・・・光センサ、２０２・・・電子制御回路、２０
４、２０５、２０６・・・ファイバススイーザ、２６Ｇ
・・・半波プレート、２７Ｇ・・・周波数偏移器、２７
２・・・ブラッグセル、２７４・・・ガラススラ・ブ、
２７６・・・音響変換器、２７８、２８０・・・ビーム
部、２８１・・・増幅器、２８２、２８４・・・発振器
、２８６・・・スイッチ、３１９・・・セツロダイン周
波数偏位システム、３２０・・・電子光学的活性材料、
３２２・・・電圧源、３５０・・・周波数偏位器、３５
１・・・光ファイバ、３５２・・・アルミニウムブロッ
ク、３５４・・・石英フロック、３５ｇ、３６０・・・
面、３６２・・・メタル層、３６４・・・変換器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバ回転検出システム内の光検出コイル内
   の互いに反対方向に移動する２つの光波の位相差を示す
   電気信号を処理して検出コイルの回転速度を検出する方
   法において、基準信号で互いに反対方向に伝播する光波
   を変調する工程と、互いに反対方向に伝播する２つの光
   波の位相差を示す電気信号を基準信号で復調する工程と
   、フィードバック回路を形成し復調装置から変調装置へ
   フィードバック信号を伝播させるフィードバック工程と
   を包有してなり、フィードバック工程には変調装置を発
   生器装置で作動して互いに反対方向に伝播する２つの光
   波の位相差を零にする工程とフィードバック信号を調整
   してシステムの不安定性を防止する工程と発生器装置か
   ら出力される信号を処理して検出コイルの回転速度を決
   定する工程とが含まれてなる方法。
2. （２）光ファイバの光検出コイル内の互いに反対方向に
   伝播する２つの光波の位相差を示す電気信号を発生し検
   出コイルの回転速度を測定する光ファイバ回転検出シス
   テムにおいて、基準信号で反時計方向に伝播する光波を
   変調する変調装置と、２つの互いに反対方向に伝播する
   光波の位相差を示す電気信号を復調する復調装置と、フ
   ィードバック回路を形成し復調装置から変調装置へフィ
   ードバック信号を伝播させる装置とを備え、フィードバ
   ック回路には変調装置を作動して互いに反対方向に伝播
   する光波の位相差を零にする発生器装置とフィードバッ
   ク信号を調整してシステムの不安定性を防止する装置と
   発生器装置から出力される信号を処理し検出コイルの回
   転速度を決定する装置とが包有されてなるシステム。