JPH03233315A - 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】 【産業上の利用分野】

この発明は、偏波面保存ファイバを使わず、光路の全て
をシングルモード光ファイバで構成した光ファイバジャ
イロに関する。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　】シングルモー
ド光ファイバを巻き回してファイバコイルとし、この両
端に単色光を入射させ、右回り光と、左回り光の位相差
Δθからファイバコイル回りの角速度を求めるようにし
たものが光ファイバジャイロである。 実際には偏波面保存光ファイバが用いられる。 その理由を次に述べる。 シングルモード光ファイバでは、軸に直角な２方向に偏
波面を持つ独立の光が存在しうる。 偏波面の違う二つの光は位相定数が巨視的には同一であ
る。つまり位相定数に関して、二つの偏波成分が縮退し
ている。従って、シングルモード光ファイバを伝搬する
光は、固有の偏波面を維持できず、これが回転すること
がある。 位相定数は巨視的には同一であるが、長手方向に微小な
ゆらぎがある。このゆらぎが偏波方向により異なるため
、偏波面の違う光に対して実効的な光路長の差が現れる
。すると光路長の差のために、ジャイロが停止していて
も位相差Δθ現れたりする。これはオフセットであるが
、このほかスケールファクタが変動するということがあ
る。 そこで、従来の光ファイバジャイロは、偏波面保存光フ
ァイバを用いていた。偏光子を入れて成る特定の偏波面
の光のみを偏波面保存光ファイバに入射させるようにす
る。偏波面が保存されるから左回り光と右回り光は同じ
経験をすることになりオフセットが生じない。

【発明が解決しようとする課題】

従来の光ファイバジャイロは、オフセットをなくすため
に偏波面保存光ファイバを用いなければならなかった。 これは極めて高価なファイバである。単にシングルモー
ドであるということではなく、異方性を与えるために圧
力部材を入れたり楕円形のコアにしたりしなければなら
ないからである。 シングルモードファイバを使いたい。 ところが偏光子をシングルモードファイバの途中にいれ
たでけでは役に立たない。先に述べたようにシングルモ
ードファイバは偏波面の回転を抑制できない。もしも途
中で偏波面の回転が起こるとファイバコイルを通ってき
た光の偏波面が偏光子の偏光面と一致しなくなり偏光子
を通る光量が減少する。９０’回転したときは戻ってく
る光量がＯになってしまう。シングルモードファイバを
用いることが可能であるためには偏波面回転が起こって
も差し支えがないような構造であることが必要である。 そこで本発明者は偏光子の後にデポラライザをいれて無
偏光にすることを考えついた。無偏光にすれば偏波面が
回転しても差し支えない。偏光子を通る成分が必ず存在
ししかもその強さが一定である。 ここで無偏光というのは、次の条件を満足することであ
る。ひとつは、シングルモード光ファイバの中で、Ｘ方
向、Ｙ方向の偏波面を持つ光は同じ振幅を持つというこ
とである。もうひとつは両者の光路長の差が大きいので
、たとえ偏波面が途中で回転し、同じ偏光の光になって
も互いに干渉しない、ということである。 光源から出た光は直線偏光であるが、このような光を無
偏光にする装置をデポラライザという。 デポラライザとしては、例えば、偏波面保存光ファイバ
を使う事が考えられる。これは、Ｘ方向Ｙ方向に偏波面
を持つ光に対して屈折率が異なり、偏波面の異なる光に
対し光路長の差を作り出すことができる。光路長の差が
光源のコヒーレント長以上であれば、光を無偏光にする
ことができる。 本発明者はこのようなものとして特願平１−２９１６３
１（Ｈｌ、１１．０９）を既に発明している。 しかし、シングルモード光ファイバの一部に異質の偏波
面保存光ファイバを介在させるのであるから、両者を接
続させる作業が必要である。しかもこのとき、光源から
出た光の偏波面に対し、偏波面保存光ファイバの主軸を
４５°傾けなければならない。 このようなファイバ切断接続の作業が加わる。 これは時間が掛かるし繁労な作業である。 本発明は、光ファイバの一部を切断し異質のファイバを
接続することなく、そのままのシングルモードファイバ
に実質的なデポラライザを形成した光ファイバジャイロ
を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

本発明においては、シングルモード光ファイバの偏光子
よりもファイバコイル側の一部に側圧Ｗを掛けることに
より、伝搬している光を無偏光にする。つまり側圧加え
る機構がデポラライザになるのである。側圧印加＝デポ
ラライザということは本発明者が見い出した性質である
ので、これを先ず説明する。 側圧Ｗを加えると、側圧に沿う方向に偏波面を有する光
と、これに直角な方向に偏波面を有する光に対する位相
定数が異なる。つまり位相定数に関する縮退が解ける。 このためにふたつの効果が生ずる。 ひとつは異なる偏波面を持つ光のモードが異なる固有波
動関数を持つことにより、偏波面回転が起こらないとい
うことである。 もうひとつは偏波面の異なる光について光路長が異なっ
てくるということである。そこで本発明では側圧または
側圧を加える長さを適当に選び、光路長の差ΔＬを、光
源のコヒーレント長１０以上にする。 これら二つの効果により光ファイバを伝わる光が無偏光
になる。つまり光ファイバに側圧を加えることにより、
ここをデポラライザとしているのである。以上で側圧印
加＝デポラライザということが明らかになる。 位相定数が異なるのは１、コア、クラッドが歪む為であ
る。位相定数と屈折率とは比例関係にあるので、ここで
は実効的に屈折率が変化するということができる。 そして側圧を加えると、シングルモード光ファイバの回
転対称性がなくなるので、側圧に沿う方向（Ｘ方向と仮
に呼ぶ）と、これに直角な方向（Ｙ方向と呼ぶ）とに偏
波面を持つ光は分離され、偏波面の回転が起こらない。 つまり偏波面が側圧により保存されるということになる
。 側圧を加える箇所は、偏光子よりもファイバコイル側で
あれば、ファイバコイルの中でもよいし、ふたつのカッ
プラＫｌ、Ｋ２の間でも良い。ファイバ中を伝搬する右
回り光、左回り光には相反性の性質があるので、デポラ
ライザがどこであっても右回り光と左回り光の経験は同
じである。オフセットが発生しない。 側圧を加える手段は任意である。例えばファイバを被覆
の上から治具で強く挟んでも良い。ただし軸に直角な一
方向でなければならず、周囲を均等に押すような静水圧
ではない。 光源には半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオ
ードなど単色光を生ずるものを用いる。 ただしコヒーレント長があまり長くないほうが良い。 この光を偏光子に通して直線偏光とする。デポラライザ
はこの後の適当な位置にあるが、光の偏波面に対して、
側圧の方向が４５＠の角度をなすようにする。こうする
と主軸方向の入射光の振幅が同一になる。側圧を加えて
いる箇所で光ファイバは偏波面を保存するので、出射光
の振幅も主軸方向に同一になる。 また、側圧を連続して２箇所に加え、その一方が他方に
対し４５″ずれているようにし、一方が他方の２倍以上
の圧力、または長さであるようにすることもできる。こ
の場合は直線偏光の入射光に対しても、任意の偏光の光
に対しても有効である。

【　　作　　用　　】

光ファイバに単位長さ当たりＷ（ｋｇ／−１）の側圧を
かけると、 の複屈折性が光ファイバに生ずる。 但し、 Ｂは によって定義される。ｂはクラッド半径で、Ｃは定数で
ある。−例を示すと、 １）　＝　０．０８２５■ｌ　　　　　　　　　（３）
Ｃ＝　３．３６Ｘ　　１　０　−’鳳−２／ｋｇ　　　
　　　　　（４）である。 側圧を加える長さをＬとすると、側圧に平行な方向に偏
波面を持つ光と、側圧に直角な方向を持つ光の光路長の
差ΔＬは、 ΔＬ＝　（ｎｘ　　ｎｙ　）Ｌ　　　　　（５）＝ｎＢ
Ｌ　　　　　　　　　　（６） であるが、これが光源のコヒーレント長ｊａｎ（光フア
イバ中でのコヒーレント長）以上であれば良いので、 Ｌ）ｌ　ｃ　／Ｂ　　　　　　　　　　　　　（７）で
あれば良い。ただし１０は真空中でのコヒーレント長で
ある。 光源は半導体レーザ、スーパルミネッセントダイオード
などである。これらから出た光は、直線偏光となってい
るので、この偏波面に４５°の角度をなすよつに側圧Ｗ
をかける。 すると側圧の方向（Ｘ）と、これに直角な方向（Ｙ）に
偏波面を有する光に分離されるが、この振幅Ｘｏ、Ｙｏ
は等しい。 側圧の加わった部分で、偏波面の回転は起こらない。直
交する２方向がもはや等価でないからである。この部分
を通過した光の振幅は最初と同じで、ＸｏｌＹｏである
。 さらにＸ１Ｙ偏波面の光路差はコヒーレント長より長い
ので、側圧部を通過したＸ１Ｙ偏波面の位相差はランダ
ムである。従って、合成された偏波面の方向はランダム
である。 さて、シングルモード光ファイバであるコイルの中に入
ると偏波面の回転が起こるが、これは相反性があって、
ある場所でＸ偏波からＹ偏波へ変化する確率と、反対に
Ｙ偏波からＸ偏波に変化する確率は等しい。 するとファイバコイルに入る前に、Ｘ偏波、Ｙ偏波の振
幅が等しければ、ファイバコイルを出た後のＸ偏波、Ｙ
偏波の振幅も等しい。 第２図によってより詳しく説明する。 これは、ファイバコイル中で、右回り光（ａ）（ｂ）、
左回り光（ｃ）、（ｄ）において、偏波面がＸ、Ｙ方向
であった光が、−点Ｃにおいて偏波面を変化させたもの
を示す。Ａ、Ｂはファイバコイルの両端である。Ａから
Ｂに進むものにより右回り光を示し、ＢからＡに進むも
のにより左回り光を示す。上下２本の平行線が引いであ
るが、上がＸ偏波のもの、下がＹ偏波のものを表す。 Ｘ１Ｙ偏波の光の位相定数をに１ｈとする。ＡＢ１ＢＣ
間の距離をｍ１ｎとする。既に述べたように位相定数は
巨視的には同一であるが、実際には長手方向にゆらぎが
ある。このゆらぎがＸ偏波、Ｙ偏波方向に違うのでこれ
をに１ｈとして区別している。厳密にはこれらは定数で
はなく長手方向に積分したものとして理解されるべきで
ある。 Ｘｌ、Ｘ２は、Ｘ偏波であって、右回り、左回り光のフ
ァイバコイル入口での振幅、ｙｌ、ｙ２はＸ偏波であっ
て、右回り、左回り光の入口での振幅である。 Ｘｉ、Ｘ２はＸ偏波であって右回り、左回り光の出口で
の振幅、Ｙｌ　１ｙａはＸ偏波であって右回り、左回り
光の出口での振幅である。 ファイバコイルの出力側では、受光素子が光の強度を二
乗検波するが、これはＸ偏波の波動関数の和の二乗と、
Ｘ偏波の波動関数の和の二乗を足し合わせたものである
。 第２図（ａ）において、ｙ成分をみると、偏波面の回転
が起こらず、ｙｌからＹｌへ進むものともともとＸ偏波
であって０点でＸ偏波になったものとがある。これらは
もともとＸ偏波と、Ｘ偏波であり、デボラライザを通っ
たためコヒーレント長以上の光路差を持っているから干
渉しない。 つまり二乗検波の計算においてこれらは分離できる（ク
ロスタームが０とみなさる）。それで偏波面の回転の起
こらないものは以後考慮せず、偏波面の回転が起こるも
ののみについて考える。 第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の出力の波動関
数は、 ＹＩ＝（ａｘ＋　ｅｘｐ　ｉ　ｆｓ　　　　（８）Ｘｓ
　＝ｒａｙｒ　ｅｘｐ　ｉ　ｆｚ　　　　（９）Ｙ２　
＝ｒ　Ｉ：！Ｘ２　ｅＸＰ　ｉ　ｆ＋　　　　（１０）
Ｘ２＝（ａｙｓ　ｅｘｐ　ｉ　ｆ４　　　（Ｈ）ｆ　、
　＝ｋｍ＋ｈｎ−ｍｔ＋Δθ／２＋　ｂ　ｓｉｎΩ（ｔ
＋　ｔ）　　（ｔ２）ｆ　ｓ　”　ｈｍ＋　ｋｎ−ωｔ
＋Δθ／２＋　ｂ　５ｉｎＱ（ｔ＋　ｒ）　　（１３）
ｆ　３　＝　ｈｍ＋　ｋｎ　−ｍｔ−Δθ／２＋　ｂ　
Ｓｉｎ　Ｑｔ　　　　（１４）ｆ　　４　　：　？＋十
ｈｎ　−６ｃｔ−Δθ／２＋　　ｂ　Ｓｉｎ　　Ｑｔ　
　　　　　　（１５）と書くことができる。ＦＴは偏波
面が変化する確率振幅である。これが等しいということ
は、微視的な相反性の仮定によっているのである。 波動関数の位相は、ｆで示している。（ａ）についての
ｆ＋は、ＡＣ間（ｍ）はＸ偏波（位相定数ｋ）で、ＣＤ
間（ｎ）はＹ偏波（位相定数ｈ）で通過しているからこ
のようになる。 ωは光の角振動数で、Δθはジャイロの回転による位相
差、ｂｓｌｎΩ（ｔ＋τ）は位相変調分である。 τはファイバコイルを光が通過するのに要する時間であ
る。右回りと左回りでτだけの時間差があるので、これ
が一方のみに現れる。 Ｘ偏波の二乗検波出力１．は、 １、：ＩＸｌ　＋Ｘ２　＋”　＝　（直流分）＋　ａ　
ｙ　Ｉｙ　２　ｃｏｓｔ（＋に−ｈ）（−ｓｉｎ）十ｑ
　）　（１２）ｑ＝Δθ＋２ｂｓｌｎ（Ωｒ／２）　ｃ
ｏｓ（Ωｔ＋Ωｒ／２）　　（１３）となる。 Ｙ方向の二乗検波出力Ｉ、は、 Ｉ、＝ｌＹ□＋Ｙ２＋２＝（直流分） ＋　ａ　ｘ　ｓ　　Ｘ　２　ｃｏｓｔ（＋に−ｈ）（＋
ｍ−ｎ）十ｑ　）　（１４）直流分は位相変調と無関係
であるので、これを除き、全検波出力を求めると、 Ｉ＝１．＋Ｉう　　　　　　　　　　　　（１５）これ
は Ｘｉ　　Ｘ２　　＝Ｙｓ　　７２　　　　　　　　　　
　（１Ｂ）であるときのみ、ｓｉｎ　ｑを含まず、ｃｏ
ｓ　ｑだけの式、 Ｉ　　＝　２　　ｘ　　Ｉ　ｘ　２ｃｏｓｑ　ｃｏｓｔ
（ｋ−ｈ）（ｍ−ｎ）ｌ　　　　　　（１７）となる。 （１Ｂ）が成立しない時は、ｓｌｎ　ｑを含むことにな
り、このような単純な式にはならない。 さて偏波面の回転が起こることなく、右回り左回りに伝
わる光の出口における光の二乗検波分Ｊは同様な計算を
して１、 Ｊ”　（１（Ｚ）　　（ＸＩ　Ｘ２　＋　Ｖｓ　７２　
）　Ｃｏｇ　Ｑ（１８） で与えられる。 ｃｏｓ　ｑはベッセル関数で展開できて、ｃｏｓｑ＝ｃ
ｏｓΔθ〔Ｊｏ（ξ）＋２Σ（−１）”Ｌ−（ξ）ｃｏ
ｓ２ｎ（Ｉｔ）−ｓｉｎΔθ〔２Σ（−１）’″Ｊ２ｍ
＋＋ｔ（ξ）ｓｉｎ（２ｍ＋１）Ωｔｌ　　（１９）と
なる。ただし変調の位相に含まれるΩｔ／２の項は省略
した。ξは、 ξ＝２ｂｓｌｎ（Ωｒ／２）　　　　（２０）である。 全体の出力はＩ＋Ｊであるが、これはｃｏｓ　ｑでまと
めることができて、（ｔｅ）を使って、Ｉ＋Ｊ ＝　　２　　ｘ　　ｌ　Ｘ　２ＣＯ３Ｑ　　（（１−０
＋ａｃｏｓｉ（ｋ−ｈ）（ｍ−ｎ））　　（２１）とな
る。 但しこれは第２図のように、１回だけ偏波面回転が起こ
る単純な場合について導出したものである。実際には２
回、３回と偏波面回転が起こるより複雑な場合がある。 しかしこれらを考慮しても、〔・・〕の中の表穴が変わ
るだけである。全体にｃｏｓ　ｑが掛かるという形は変
わらない。２ｎ次の偶数次高調波で、（２ｍ＋１）の奇
数次高調（基本波を含む）波を割ると、係数がいかに複
雑であっても互いに打ち消し合って、 となる。ξの値が決まっているので、ベッセル関数の値
が決まり、これからｊａｎ−’の演算をすればΔθの値
が正確に求められる。 こうなるためには（ＩＢ）が成立して、ｌＸ１１ｙの和
が、ｓｔｎ　ｑを含まないようにしなければならない。 一般にはそうならない。 本発明では、デポラライザを使い、無偏波にしているの
で、 Ｘｌ　　＝　　　ｙ□　　　　　　　　　（２３）Ｘ２
　　＝　　　３’２　　　　　　　　　　（２４）が成
り立つ。これは（１６）が成り立つための十分条件であ
る。本発明の場合は（１６）が成立し、（２１）のよう
にまとめることができ、（２２）の商からΔθを簡単に
求めることができる。

【　　実　　施　　例　　】

第１図によって本発明の実施例に係る光ファイバジャイ
ロを説明する。 シングルモード光ファイバをコイル状に巻き回シタファ
イバコイルＣの両端は、溶着されていてカップラに２と
なっている。これは２本の光ファイバの被覆を剥がし、
この部分を接触させ加熱溶着するものである。２本のフ
ァイバコアがエバネッセント結合するので、光が交換さ
れる。 １本の光ファイバの先にはさらにもう１本の短い光ファ
イバｄｆが溶着結合されており、カップラに１となって
いる。 実際にはファイバコイルの両端近傍を２箇所で結合させ
、カップラに１、Ｋ２とし、Ｋ−１Ｋ２の途中で一方の
ファイバを切断するようにしても良い。 カップラＫｔの分枝をＣＮ　ｄｓ　ｅ１ｆｓカップラに
２の分枝をｇｌｈｌａ、ｂとする。 単色光を生ずる光源Ｑを分枝Ｃの先端に配置する。これ
は適当なコヒーレント長１０を持つ半導体レーザ、スー
パールミネセントダイオード等である。 分枝Ｃに等価な分枝ｄの先端に受光素子Ｓを配置する。 これは光ファイバの中を伝搬した右回り光、左回り光を
干渉させ、二乗検波するものである。この電気信号は増
幅され、変調信号を用いて同期検波される。任意の次数
の高調波を求めることができる。そして奇数次高調波成
分を偶数次高調波成分で割り、（２２）のような出力を
得てΔθを求める。 第２カップラＫ２に２の分枝ａ１ｂがファイバコイルＣ
の両端にあたる。 ｂからファイバコイルに向かう光は左回り光となってコ
イルＣの中を伝搬し、これを出た後、位相変調素子Ｈに
より、位相変調を受ける。 ａからファイバコイルＣに向かう光は、位相変調を受け
た後、ファイバコイルに入り、右回り光をなって伝搬す
る。 ＫＩの分枝ｅと、Ｋ２の分枝ｇとがつながっている。位
置を示すためこの部分を接続用ファイバＵと呼ぶ。ここ
に偏光子Ｐを設ける。分枝ｆ、ｈは孤立した分枝となっ
ている。 本発明においては、このシングルモードファイバの偏光
子Ｐよりもファイバコイル側のいずれかの場所に側圧Ｗ
を加えて、デボラライザを構成する。デポラライザとし
て、別異の素子をファイバに接続するものではない。デ
ポラライザを接続するためにファイバを切断する必要が
ない。 例えば光源Ｑの近くの分枝Ｃに側圧を加えることができ
る。またカップラに＝１に２の間の接続用ファイバＵの
途中で側圧を加えても良い。 あるいはファイバコイルの分枝ａｓｂに側圧Ｗを加える
こともできる。 側圧を加える部分の長さ、圧力は、（７）を満たすよう
にしなければならない。 例えば、コヒーレント長１０が、１０Ｘ１０−’ｍの光
源を使ったとする。側圧Ｗ　＝　０．７３ｋｇ／ａｍと
した場合、 ｃ　＝　３．３６Ｘ　１０−’ｖｍ”　／　ｋｇｂ　＝
　０．０６２５−一 とすると、複屈折率は Ｂ＝５Ｘ１０−’ となるので、（７）より、 Ｌ　＞　１　ｃ　／　Ｂ　”　２　Ｘ　１０−２ｍとな
り、２ｃｍを越える長さであれば良い。 同じ側圧で、コヒーレント長１０がｌＸｌ０−’ｍの光
源を使うと、 Ｌ＞７゜／Ｂ＝２　　ｍ となる。この場合２ｍの長さにわたって側圧を掛けなけ
ればならない。

【　　発　　明　　の　　効　　果　　】（１）全てを
シングルモード光ファイバで構成できる。偏光子とデポ
ラライザを組み合わせ偏光子を通った光を無偏光にして
いるから戻り光が必ず偏光子を逆に通ることができる。 シングルモードファイバで作ることができるので偏波面
保存ファイバで作るのに比べて安価になる。 （２）デポラライザを挿入するためにファイバを切断し
なくてよい。ファイバのいずれかの場所に側圧を加えれ
ば良いのであって、これは全体を作製した後に行うこと
ができる。従って製作調整が容易である。

【図面の簡単な説明】 第１図はシングルモード光ファイバで構成した光ファイ
バジャイロの概略図。 第２図は光フアイバコイルを右回り、左回りに伝搬する
Ｘ偏波、Ｙ偏波の光が途中で偏波面を変える場合を説明
するための図。ＡｌＢはファイバコイルの端点、Ｃは偏
波面変化が起こる点、２本の平行線の上がＸ偏波、下が
Ｙ偏波である事を示す。 Ｃ・　・ に、　、 Ｑ　・　・ Ｓ　・　・ Ｈ・　・ Ｐ　・　・ ・・ファイバコイル に２　・・カップラ ・・光　　源 ・・受光素子 ・・位相変調素子 ・・偏　光　子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）シングルモード光ファイバをコイル状に巻き回し
   て作ったファイバコイルと、ファイバコイルの両端のフ
   ァイバを結合させた第２カップラＫ＿２と、第２カップ
   ラＫ＿２に続く接続用ファイバ部分に他のファイバを結
   合させて作った第１カップラＫ＿１と、第１カップラＫ
   ＿１の分枝のひとつに単色光を入射させるための光源と
   、第１カップラＫ＿１の他の分枝から出た光を受光して
   光電変換する受光素子と、ファイバコイルの一端に設け
   られた位相変調器と、第１カップラＫ＿１と第２カップ
   ラＫ＿２の間に設けられる偏光子とよりなる光ファイバ
   ジャイロにおいて、シングルモード光ファイバの偏光子
   よりもファイバコイル側の一部に側圧を加え、側圧を加
   えることによって生ずる複屈折性により側圧に平行な偏
   波面を持つ光と直角な方向に偏波面をもつ光の光路長の
   差が光源のコヒーレント長以上であるようにしたことを
   特徴とする光ファイバジャイロ。
2. （２）側圧を加える場所が、ファイバコイルの一部であ
   ることを特徴とする請求項１記載の光ファイバジャイロ
   。
3. （３）側圧を加える場所が、二つのカップラＫ＿１、Ｋ
   ＿２の間であることを特徴とする請求項１記載の光ファ
   イバジャイロ。
4. （４）側圧を連続して２箇所に加え、かつその方向が４
   ５°ずれているとともに、一方が他方の２倍以上の圧力
   、または長さであることを特徴とする請求項１から４の
   いずれかに記載の光ファイバジャイロ。