JPH0257845B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は音響光学素子を利用した光フアイバ
ジヤイロ装置に関し、特に安定に動作する光フア
イバジヤイロ装置を提供しようとするものであ
る。

〈従来技術〉 第１図に音響光学素子を利用した従来の光フア
イバジヤイロ装置の構造を示す。図中１は例えば
レーザ光のような光を出射する光源、２は光分配
結合器、３，３′は例えばモリブデン酸鉛
（PbMoO₄）のような材料で作られた音響光学素
子、４，４′は超音波トランスジユーサ、５，
５′は集光器、６は光フアイバである。光フアイ
バ６は光フアイバ６が作る面に垂直な軸まわりに
角速度が与えられると光フアイバ６を通過する光
の位相が変化するように一面内においてループを
描くように配置される。

６′，６″は光フアイバ６の端面、７は光検出
器、８は同期検波器、９は積分器、１０，１０′
はVCO、１１〜１５は光、１６はフエイズデイ
ザ用発振器を示す。

〈第１図の動作説明〉 光源１から出た光１１は光分配結合器２によつ
て一部は反射され、他の一部は透過し二つの光１
２と１３に分配される。分配された二つの分配光
１２と１３を音響光学素子３及び３′に入射させ
る。音響光学素子３及び３′には超音波トランス
デユーサ４及び４′が取付けられ、音響光学素子
３及び３′をVCO１０と１０′の自走周波数f₁とf₂
で励振している。この励振周波数f₁及びf₂は例え
ば80MHz程度に選定される。VCO１０′にはフエ
イズデイザ用発振器１６から正弦波が与えられ、
励振周波数f₂を中心に周波数f_Rで周波数変調が掛
けられているものとする。

超音波トランスデユーサ４及び４′の励振によ
り音響光学素子３及び３′を透過する光１２及び
１３はブラツグ条件を満すときに回折され、第２
図に示すように光１２及び１３そのものの周波数
f₀を持つ０次光１２₀，１３₀と、超音波の周波数
f₁及びf₂だけ周波数偏移した一次回折光１２₁及び
１３₁と、超音波の２倍の周波数2f₁及び2f₂だけ周
波数偏移した二次回折光１２₂，１３₂と、……、
超音波のｎ倍の周波数nf₁及びnf₂だけ周波数偏移
したｎ次光１２ｎ及び１３ｎとに分光される。こ
こでは超音波の周波数だけ周波数偏移した一次回
折光１２₁及び１３₁だけを光フアイバ６の各一端
６′及び６″に入射させる。

光フアイバ６の各端面に入射した一次回折光１
２₁及び１３₁はそれぞれ反時計方向と時計方向に
廻り、端面６″と６′から出射される。各端面６″
及び６′から出射された一次回折光１２₁及び１３
_１は音響光学素子３′及び３を通過する。音響光学
素子３′及び３を通過するとき光１２₁及び１３₁
は再度回折され、ここでも一次回折光１４及び１
５が取出される。この一次回折光１４と１５の周
波数は双方共にf₀＋f₁＋f₂となる。

一次回折光１４及び１５は光分配結合器２によ
り結合され、光検出器７に与えられる。光検出器
７の受光面上では光１４と１５が周波数が等しい
ことから互に干渉し干渉縞が発生する。

光フアイバ６を含む平面を垂直に通る軸廻りに
角速度Ωが与えられると、光フアイバ６を反時計
方向及び時計方向に廻る光１２₁及び１３₁に位相
差が生じる。

一方光フアイバ６を反時計方向及び時計方向廻
りに通る光１２₁及び１３₁の周波数に差を持たせ
るとき、光１２₁及び１３₁は同じ距離を通つた後
に位相差が生じる。この現象を利用することによ
り角速度Ωが与えられたことによつて生じる位相
差を音響光学素子３及び３′の励振周波数f₁とf₂
の差Δf＝f₁−f₂によつて生じる位相差で相殺する
ことができる。

これらの関係式は次式で与えられる。

Δf＝2R／λn・Ω ……(1) ここでｎは光フアイバ６の屈折率、λは光の波
長、Ｒは光フアイバ６が形成するループの半径。

位相差を相殺する方法として音響光学素子３′
を励振する周波数f₂を周波数f_Rの正弦波で周波数
変調している。つまり音響光学素子３′の励振周
波数f₂を周波数f_Rを持つ正弦波によつて周波数変
調したときの干渉縞の強度を見ると、周波数変調
の周波数偏移、変調周波数に対応して明暗を繰返
すが、二つの光１２₁及び１３₁の位相が同じ場合
は第３図に示すように干渉縞の明暗の周波数、つ
まり光検出器７の出力信号の周波数は変調周波数
f_Rの２倍の周波数2f_Rとなる。

これに対して二つの光１２₁及び１３₁に位相差
がある場合は光検出器７の出力信号は第４図に示
すように変調周波数f_Rと同じ周波数成分が含まれ
る信号に変化する。

検出器７の出力信号に含まれる周波数f_Rを持つ
信号の含有量を測定することにより二つの光１２
_１及び１３₁の位相差を知ることができ、与えられ
た角速度を知ることができる。

ここで光検出器７から出力される信号に含まれ
る変調信号の量を定量的に精度よく測定すること
はかなり複雑な回路が必要となる。このため一般
には光検出器７の出力信号を変調信号によつて同
期検波し、その同期検波によつて光検出器７の出
力に含まれる変調信号の量を直流信号として検出
し、その直流信号を積分器９により積分して
VCO１０に与え、VCO１０の基準発振周波数f₁
を偏移させる。VCO１０の発振周波数f₁を偏移
させることにより反時計方向及び時計方向に廻る
光１２₁と１３₁の位相を同位相となるように修正
することができる。従つて角速度Ωが加わり、二
つの光１２₁及び１３₁に位相差が生じると、その
位相差が零となるようにVCO１０の発振周波数
f₁が変化し、その変化分±Δf₁を測定することに
より第１式から入力角速度Ωを知ることができ
る。

〈従来の欠点〉 上述したように音響光学素子３及び３′を使用
した光フアイバジヤイロ装置は音響光学素子３及
び３′の励振周波数を変化させる必要がある。こ
の結果第５図に示すように一次回折光１２₁は
VCO１０の発振周波数f₁だけ周波数偏移し、か
つブラツグ回折する。

このブラツグ回折によつて生じる回折角θは、 θ＝λ／Ｖf₁ ……(2) ここでλは光の波長、Ｖは音響光学素子３を構
成する材料中の音速、f₁は音響光学素子３の励振
周波数で表わされる。従つて励振周波数f₁が例え
ば＋Δf₁だけ変化すると回折角θはθ′に変化する。

次に第６図に示すように音響光学素子３を出た
一次光１２₁が集光器５によつて光フアイバ６に
最も効率よく結合されていたとする。ここで音響
光学素子３の励振周波数がf₁からf₁＋Δf₁に変化
し、回折角がθからθ′に変化したとすると、集光
器５に入射する一次回折光１２₁の入射角がΔθだ
け変化し、一次回折光１２₁が作る光フアイバ６
の端面６′上での焦点位置がずれ、光フアイバ６
への結合効率が低下する欠点がある。

つまりVCO１０及び１０′における周波数偏移
に応じて光１２₁及び１３₁と光フアイバ６との結
合効率が変化し、この結果擬似的に光１２₁及び
１３₁は振幅変調を受け、干渉縞に影響を与える。

〈発明の目的〉 この発明は音響光学素子を用いた光フアイバジ
ヤイロ装置において光フアイバとの結合効率が変
動することのない光フアイバジヤイロ装置を提供
しようとするものである。

〈発明の概要〉 この発明では音響光学素子の回折作用によつて
分離された一次回折光を互に直交する二つの反射
面を持つ反射鏡により反射させ、その反射光を再
度音響光学素子に戻すことにより分離前の光と平
行する一次回折光を得るように構成したものであ
る。

このようにして得た一次回折光は音響光学素子
における回折角が変化しても分離前の光との間の
関係は平行であることには変りがない。従つてこ
の発明によれば光フアイバへの光の入射位置を一
定位置に保つことができ、光フアイバとの間の結
合効率を一定に保つことができる。

〈発明の実施例〉 第７図にこの発明の一実施例を示す。第７図に
おいて第１図と対応する部分には同一符号を付
し、その重複説明は省略する。

この例では音響光学素子３′と光フアイバ６と
の間に位相変調手段２２を介挿し、この部分を通
過する光１３₁及び１２₁に周期的な位相変化、つ
まり周波数f_Rを持つ位相変化を与えるようにし、
その代りに音響光学素子３′の励振周波数を一定
の周波数f₂に固定するように構成した場合を示
す。位相変調手段２２はそこを通過する両光の光
路長を圧電素子等により変化させ、光に位相変化
を与える構造のものである。

このように構成することにより結合効率を補正
する手段としては音響光学素子３の側だけに設け
ればよいこととなる。

この発明においては励振周波数が変化する音響
光学素子３と光フアイバ６との間の光通路に互に
直交する二つの反射面１８ａと１８ｂを持つ反射
鏡１８を設けた構造を特徴とするものである。図
の例では直角プリズムを用いた場合を示すが、そ
の他の方法として２枚の平面鏡を直角に配置して
もよく、またコーナキユーブを用いることもでき
る。

反射鏡１８は二つの反射面１８ａ，１８ｂが形
成する稜線１８ｃと音響光学素子３における光の
回折面とが垂直に交叉する向きに配置する。

〈発明の作用〉 この発明によれば音響光学素子３により一次回
折を受けた一次回折光１２₁は反射鏡１８の二つ
の反射面１８ａ，１８ｂで反射し、音響光学素子
１８に戻される。音響光学素子３に戻された一次
回折光１２₁は音響光学素子３において再度回折
作用を受ける。

この様子を第８図に拡大して示す。反射鏡１８
から戻された第１の一次回折光１２₁は音響光学
素子３により再び０次回折光１２₁₀と第２の一次
回折光１２₁₁とに分離される。第２の一次回折光
１２₁₁は第１の一次回折光１２₁と同じ回折光θ₁
だけ回折する。この結果音響光学素子３からは反
射光１２と平行する方向に第２の一次回折光１２
₁₁が出射される。

ここで音響光学素子３の励振周波数f₁が変化
し、回折角θ₁がθ₂に変化したとすると、このとき
の第１の一次回折光１２′₁は第８図に示すように
反射鏡１８の反射面１８ａにおける反射点がP₁
からP₂に移動し、反射角がθ₃からθ₄に変化する。
また反射面１８ｂにおける反射点はP₃からP₄に
移動し、反射角がθ₅からθ₆に変化する。

ここで反射角θ₃＋θ₅及びθ₄＋θ₆は常時180゜とな
る。この結果反射鏡１８に入射し出射する第１の
一次回折光１２₁及び１２′₁は互に平行な関係を
保持する。

このようにして第１の一次回折光１２₁及び１
２′₁は回折角θがθ₁からθ₂に変化したとしても平
行な関係を保つて音響光学素子３に戻される。従
つて音響光学素子３で再び回折されて出射する第
２の一次回折光１２₁₁及び１２′₁₁も平行な関係
を保つて集光器５に入射される。集光器５は凸レ
ンズを用いることができるが、第８図の例ではセ
ルホツクレンズ（商品名）と呼ばれる集束性ロツ
ドレンズを用いた場合を示す。このセルホツクレ
ンズは凸レンズと同じ特性を持ち、平行に入射す
る光は全て同じ位置Ｆに焦点を結ぶ。従つてこの
焦点Ｆの位置に光フアイバ６の端面６′の軸芯を
合致させることにより一次回折光を常に光フアイ
バ６の軸芯位置において集束させることができ
る。

尚音響光学素子３において回折作用を受けない
０次光１２₀は反射面１８ａ及び１８ｂにおいて
一次回折光１２₁の反射点P₁より外側で反射し、
集光器５の外側の軸線上に戻される。よつてこの
０次光を吸収体２１で吸収することにより一次回
折光１２₁への影響を無くすことができる。

〈発明の効果〉 上記したようにこの発明によれば音響光学素子
３における回折角が変化しても一次回折光は平行
移動するだけで集光器５に対する入射角は変化し
ない。よつて常に光フアイバ６の軸芯位置に集束
させることができる。この結果音響光学素子の励
振周波数が変つて回折角が変化しても光フアイバ
６と光の結合効率は一定に保持され、回折角の変
化に供なつて光フアイバ６に入射される光量が変
化するような不都合を回避することができる。

一方上記したように反射鏡１８を設け、反射鏡
１８により音響光学素子３に光１２₁を２回透過
させるから光フアイバ６に入射する第２の一次回
折光１２₁₁の周波数はf₀＋2f₁となる。但しf₀は光
１２の周波数、f₁は音響光学素子３の励振周波数
である。また音響光学素子３′の励振周波数をf₂
とすれば光フアイバ６内における反時計廻りの光
１２₁₁の周波数はf₀＋2f₁、時計廻りの光１３₁はf₀
＋f₂となる。

ここで入力角速度Ω＝０のときの音響光学素子
３の励振周波数をf₁₀とする。但し音響光学素子
３′の励振周波数は固定であるからf₂のままであ
る。

この状態で両光間の周波数差を零とするには
（f₀＋f₂）−（f₀＋2f₁₀）＝０とすればよい。これより
f₁＝2f₁₀となる。

従つて音響光学素子３′の励振周波数f₂を音響
光学素子３の励振周波数f₁₀の２倍に設定するこ
とにより光フアイバ６における両光間の周波数差
を最小にすることができる。然も励振周波数f₁₀
とf₂が２倍の周波数だけ離れているため電気的ロ
ツクイン現象もなくなり、安定に動作させること
ができる。また励振周波数が大きく離れているこ
とから駆動回路間の電磁シールド構造を簡素化す
ることができる。この結果実装が容易となり小形
化及びローコスト化が達せられる利点が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光フアイバジヤイロ装置の構造
を説明するための系統図、第２図は光フアイバジ
ヤイロ装置に使われる音響光学素子の動作を説明
するための側面図、第３図及び第４図は光フアイ
バジヤイロ装置の動作を説明するための波形図、
第５図は第２図と同様に音響光学素子の動作を説
明するための側面図、第６図は従来の欠点の説明
をするための側面図、第７図はこの発明の一実施
例を示す系統図、第８図はこの発明の要部の動作
を説明するための側面図である。 １……光源、２……光分配結合器、３，３′…
…音響光学素子、４，４′……超音波振動子、５，
５′……集光器、６……光フアイバ、７……光検
出器、８……反射鏡、８ａ，８ｂ……二つの反射
面、１２₁……一次回折光。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光源からの光ビームを光分配結合器により２
   分し、その内の少なくとも一方の分配光を音響光
   学素子により回折させ、回折された一次回折光を
   光フアイバの一端に入射させると共に他方の分配
   光を上記光フアイバの他端に入射し、上記分配光
   を光フアイバ中において互に逆向に通過させて両
   端から出射させ、その出射光を上記光分配結合器
   により再結合させ互に干渉させるようにした光フ
   アイバジヤイロ装置において、上記音響光学素子
   を通過した一次回折光を互に直交する二つの反射
   面を持つ反射鏡によつて上記一次回折光と平行に
   音響光学素子に戻し、この平行に戻された一次回
   折光を上記光フアイバの一端に与える構造とした
   光フアイバジヤイロ装置。