JPH038489B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はリング状光路を互いに逆回りに伝搬
した２つの光の位相差を検出するリング干渉計の
光学系に関するものである。

一般に、リング状光路が慣性空間に置かれたと
き、リング状光路を互いに逆回りに伝搬した２つ
の光の位相差はサグナツク効果によりリング状光
路の慣性空間に対する回転角速度に比例する。従
つて、リング干渉計は慣性空間に対する回転計と
して使用できる。

この種のリング干渉計に使用される光学系で
は、リング状光路を互いに逆回りに伝搬する２つ
の光に対する光路差が出来るだけ小さい方が望ま
しい。このため、光学系としては、ビームスプリ
ツターを用いて単一の光ビームを２分し、リング
状光路の両端に入射させると共に、両端からの出
射光を再び同一のビームスプリツターにより合波
して、両出射光による干渉光強度を測定するとい
う光学系が原理的には考え得る。この原理的な光
学系では、確かに２つの光に対する光路差は全く
ない。しかしながら、サグナツク効果によつて生
じた両光間の位相差をΔθとすると、得られる干
渉光強度はcos（Δθ）により変化する。このこと
はΔθが微小なときには、干渉光強度は殆んど変
化せず、したがつて、回転角速度が小さなときに
は、十分な感度が期待できないことを意味してい
る。

上述した問題点はリング状光路を互いに逆回り
に伝搬する２つの光の間に適当な位相差を持た
せ、干渉光強度がsin曲線にしたがつて変化する
ように光学系を構成することによつて解決でき
る。

前記原理的な光学系では、２つの光は同一の光
路を互いに逆方向に通過しているから、光路内に
移相器を配置したとしても、２つの光はともにこ
の移相器を通ることになり、両光間に位相差をも
たせることは出来ない。

本発明者等は先に、複数個のビームスプリツタ
ーを用いて、２つの光を一但別々の光路に導いた
後、合波する方法を提案した。この方法では、位
相差の調整は容易であるが、両光間に余分な光路
差が残存する可能性がある。このように、余分な
光路差があると、鮮明な干渉稿を得るために、ス
ペクトル幅の狭い光源が要求されることになる。
また、光源の中心周波数変動により出力変動が生
じると共に、両光が別々の光路を通るため、光学
系の温度変動による出力変動も問題となる。

この発明の目的はリング状光路を互いに逆回り
に伝搬する２つの光を一度別々の光路に導くにも
拘らず、余分な光路差を実質上なくすことができ
るリング干渉計用光学系を提供することである。

この発明の他の目的は２つの光の間に、容易に
位相差を持たせることができるリング干渉計用光
学系を提供することである。

この発明のより他の目的は温度変動等による出
力変動を防止できるリング干渉計用光学系を提供
することである。

次に、この発明のリング干渉計用光学系を図面
を参照して説明する。

第１図において、この発明の一実施例に係る光
学系１０は単一モードの光フアイバ等によつて構
成されるリング状光路１１及び半導体レーザ、ガ
スレーザ等によつて構成される光源１２と共に、
リング干渉計を形成している。リング状光路１１
は単一モードの光フアイバでなくてもよく、且
つ、光源１２には、レーザ等の発振器のほかに、
光アイソレータが含まれていてもよい。

光源１２からの単一の光ビームはこの発明の光
学系を構成する第１のビームスプリツタ１３に与
えられる。ａで示す位置に置かれた第１のビーム
スプリツタ１３は光源１２からの光ビームを互い
に鋭角をなす第１及び第２の光線に分離する。こ
こで、第１のビームスプリツタ１３は回折格子に
よつて構成されるのが望ましい。第１及び第２の
光線は単一の第２のビームスプリツタ１４に送出
され、第２のビームスプリツタ１４では、ｂ及び
ｃ点でそれぞれ第１及び第２の光線を受光する。
このことから、第２のビームスプリツタ１４は第
１及び第２の光線を個々に受光するｂ及びｃ点を
それぞれ含む第１及び第２の領域を備えているこ
とがわかる。第２のビームスプリツタ１４は、ｂ
点に入射した第１の光線の反射光を取り出してリ
ング状光路１１の一端１６に第１の伝搬光として
送り出し、他方、ｃ点に入射した第２の光線の透
過光を取り出してリング状光路１１の他端１７に
第２の伝搬光として送り出している。

第１及び第２の伝搬光は互いに逆回りにリング
状光路１１を伝搬してそれぞれ他端１７及び一端
１６を通して、再度第２のビームスプリツタ１４
に与えられる。第２のビームスプリツタ１４は、
他端１７及び一端１６からの第１及び第２の伝搬
光ををｃ及び点で受け、第１の伝搬光の反射光及
び第２の伝搬光の透過光をそれぞれ第１及び第２
の出力光として出射する。第１及び第２の出力光
の交差する位置ｄには、第３のビームスプリツタ
１８が設けられており、両者を合波することによ
り干渉光強度を得ることができる。ここで、第３
のビームスプリツタ１８は40MHz程度の超音波に
よつて駆動される音響光学変調器によつて構成さ
れるのが望ましい。このように、音響光学変調器
を用いた場合、超音波パワーを調節することによ
り、その回折効率を50％程度にすることができ、
回折しない光と回折光とを取り出すことが可能で
ある。このうち、回折しない光は入射光周波数の
まま直進し、回折光の周波数だけが超音波の周波
数に相当する周波数だけ上又は下にシフトされ
る。両光の強度を調整することにより、光学系の
感度を最適な値にすることができる。図示した光
学系では、第１及び第２の出力光の干渉光を第１
及び第２の受光器２１及び２２でそれぞれ受光し
て、40MHz帯域の交流電気信号が生成される。
尚、受光器はいずれか一方だけでもよい。上述し
た交流電気信号の位相変化はサグナツク効果によ
る光の位相変化に等しくなるので、電気信号の位
相測定によつて慣性空間に対する回転角速度を得
ることが可能になる。

ここで、第１図に示したリング干渉計用光学系
における光路を考察してみる。リング状光路１１
に入射する第１及び第２の光線と、リング状光路
１１から出射する第２及び第１の出力光とがそれ
ぞれ同一の点ｂ及びｃに与えられるとすれば、三
角形abcは三角形dbcと合同になる。したがつて、
第２のビームスプリツタ１４に対して、第１及び
第３のビームスプリツタ１３及び１８が対称の位
置に配置されていれば、リング状光路１１を互い
に逆回りに伝搬した２つの光は互いに別の光路を
通るにも拘らず、両光路間には光路差が全く存在
しない。また、音響光学変調器を用いることによ
り、その駆動周波数の位相変化として回転角速度
が検出されるから、感度の点でも何等問題が生じ
ない。

ここで、光学系を構成する第１又は第３のビー
ムスプリツタ１３又は１８が光線の伝搬方向に距
離Ｄだけずれた場合を考えてみる。この場合にお
ける光路差Δlは∠bac＝∠bdc＝φとしたとき、 Δl≒²／２Ｄ であらわすことができる。今、＝10mrad、Ｄ
＝１mmとすると、Δl＝50nmとなり、実際上無視
することができる。したがつて、この実施例では
各要素が理想位置からずれた場合にも光路差は極
めて少ないことがわかる。更に、が小さいた
め、リング状光路１１を互いに逆回りに伝搬する
光が分離されている部分でも、互いの光路は近接
しており、従つて光学系の温度変動に対する干渉
光強度変動も低減される。

上に述べた実施例は、第３のビームスプリツタ
１８として音響光学変調器を用いた場合について
説明したが、第３のビームスプリツタ１８として
回折格子を使用することも可能である。この場
合、２つの光線の光路差Δlを光源１２からの光
ビームの波長の1/4の奇数倍に等しくすることに
より、感度に対する問題点を解消することができ
る。また、第２のビームスプリツタ１４も回折格
子で構成してもよい。

次に、第１乃至第３のビームスプリツタ１３，
１４、及び１８は全て音響光学変調器で構成する
ことも可能である。この発明のリング干渉計用光
学系は微小光学部品あるいは光集積回路によつて
も構成可能である。

第２図を参照すると、この発明の他の実施例に
係るリング干渉計用光学系を含むリング干渉計が
示されている。ここで、第１図と対応する部分に
は同一の参照符号が付されている。この実施例で
は、光源１２から互いに独立な２つの偏波、例え
ば、直交する２つの直線偏波を含む光ビームを第
１のビームスプリツタ１３に送出する。第２図の
場合、小円によつてＳ偏波を示し、小棒によつて
Ｐ偏波を示している。

第２図において、第２のビームスプリツタ１４
とリング状光路１１の一端１６との間、及び第２
のビームスプリツタ１４とリング状光路１１の他
端１７との間には、それぞれ２つの偏波状態を分
離する第１及び第２の偏波分波器２３及び２４が
設けられている。各偏波分波器２３，２４におい
ては、Ｐ偏波をリング状光路１１に伝搬光として
送出すると共に、Ｓ偏波をリング状光路１１とは
別に設けられた付加光路、ここでは、参照光光路
２５に対して、第１及び第２の偏波光として送出
する。第１及び第２の偏波光は参照光光路２５を
互いに逆向き伝搬して第２及び第１の偏波分波器
２４及び２３にそれぞれ与えられる。各偏波分波
器２４，２３では、リング状光路１１からの第１
及び第２の出力光と共に、第２及び第１の偏波光
を第２のビームスプリツタ１４を介して、第３の
ビームスプリツタ１８に送出する。この実施例に
おける第３のビームスプリツタ１８は音響光学変
調器によつて構成されており、第１及び第２の出
力光から得られた干渉光を第３の偏波分波器２８
により第１及び第２の受光器２１及び２２に与え
ると共に、第１及び第２の偏波光から得られた干
渉光を第３の偏波分波器２８により第３及び第４
の受光器２６及び２７にそれぞれ供給する。

このように、参照光光路２５を伝搬した偏波光
の干渉強度の変化を参照することによつて、温度
変化による光学系の変動を検出できる。したがつ
て、参照光光路２５から得られる位相変動に応じ
て、リング状光路１１から得られる結果を補正す
れば、温度変動に対する位相変動を著しく低減で
きる。尚、第２図に示す実施例は第２のスプリツ
タ１４の代りに、複数個のビームスプリツタを置
き換えた従来の光学系にも適用可能であり、光集
積回路によつて構成することも可能である。

以上述べたとおり、この発明に係るリング干渉
計用光学系では、リング状光路を互いに逆回りに
伝搬する２つの光を別々の光路に導くにも拘ら
ず、両者の光路差を十分に低減し、且つ、両光が
分離している部分でも近接して伝搬させることが
可能になる。このため、光源のスペクトル幅やそ
の中心周波数の安定性に対する要求が緩和される
ほか、光学系の温度変動による出力変動も軽減で
き、且つ、その量の測定も可能である。更に、両
光が別々の光路を通る部分があるため、両光間の
位相差の調整も簡単に行え、sin（Δθ）に比例し
た出力を得ることも可能である。このための一方
法として、上記式を利用して、第１及び第３のビ
ームスプリツタ１３及び１８の位置を調整して両
光間にπ／２の位相差を与えればよい。また、両
光を別々の光路に導くことが不可避である光ヘテ
ロダイン法を用いて、交流信号を高精度に取り出
すことが可能となる。

尚、実施例では、第２のビームスプリツタ１４
において、第１の光線の反射光、第２の光線の透
過光を取り出す場合を説明した。しかしながら、
この発明は何等これに限定されることなく、第２
のビームスプリツタ１４で、第１の光線の透過光
及び第２の光線の反射光を取り出してもよいし、
あるいは、両光線の反射光又は透過光を取り出す
ようにしてもよい。更に、第２のビームスプリツ
タ１４は単一のビームスプリツタでなくても、一
直線上に並べられた２つのビームスプリツタを用
い、各ビームスプリツタ上に第１及び第２の領域
を形成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るリング干渉
計用光学系を説明するための概略図及び第２図は
この発明の他の実施例に係るリング干渉計用光学
系を説明するための概略図である。 記号の説明、１１：リング状光路、１２：光
源、１３：第１のビームスプリツタ、１４：第２
のビームスプリツタ、１６及び１７：リング状光
路の一端及び他端、１８：第３のビームスプリツ
タ、２１，２２，２６，２７：受光器、２３：第
１の偏波分波器、２４：第２の偏波分波器、２
８：第３の偏波分波器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ リング状の光路を備えたリング干渉計に使用
   される光学系において、一本の光ビームを受け、
   該光ビームを互いに鋭角をなす第１及び第２の光
   線に分離して出射する光分離手段と、第１及び第
   ２の領域を備え、前記第１及び第２の光線を第１
   及び第２の領域で受け、前記リング状の光路に第
   １及び第２の入射光としてそれぞれ送出すること
   ができるように配置されたビームスプリツターと
   を有し、前記第１及び第２の入射光はリング状の
   光路を互いに逆方向に伝搬して前記リング状の光
   路からそれぞれ第１及び第２の出射光として出力
   されるように構成されており、且つ、前記ビーム
   スプリツターは、前記第１及び第２の出射光がそ
   れぞれ前記ビームスプリツターの第２及び第１の
   領域を通して、出力光として出力できるような位
   置に、配置されており、前記出力光は光抽出手段
   によつて合成され、干渉光を取り出されることを
   特徴とするリング干渉計用光学系。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記項抽出
   手段が前記ビームスプリツターに対して、前記光
   分離手段と実質上対称的な位置に設けられている
   リング干渉計用光学系。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記第１及
   び第２の光線に対する前記光分離手段から前記光
   抽出手段に至る光路長の差が実質上前記光ビーム
   の波長の1/4の寄数倍に等しくなるように、前記
   光分離手段及び光抽出手段の位置が選択されてい
   ることを特徴とするリング干渉計用光学系。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   において、前記光分離手段、前記ビームスプリツ
   ター、及び前記光抽出手段の少なくとも一つは回
   折格子によつて形成されていることを特徴とする
   リング干渉計用光学系。 ５ 特許請求の範囲第１項又は第２項において、
   前記光分離手段、ビームスプリツター、及び光抽
   出手段の少なくとも一つは音響光学変調器を含む
   ことを特徴とするリング干渉計用光学系。 ６ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   一つにおいて、前記リング状光路が光フアイバに
   よつて構成されていることを特徴とするリング干
   渉計用光学系。 ７ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   一つにおいて、前記光分離手段、前記ビームスプ
   リツター、前記光抽出手段、及び前記リング状光
   路の少なくとも一部は光集積回路によつて形成さ
   れているリング干渉計用光学系。 ８ リング状光路を備えたリング干渉計用光学系
   において、互いに独立な２つの偏波を含む光ビー
   ムを受け、前記リング状光路を互いに逆方向に伝
   搬する第１及び第２の光線を得る光学手段と、前
   記第１の光線を各偏波毎に２分し、一方を前記リ
   ング状光路への入射光として送出すると共に、他
   方を第１の偏波光として取り出す第１の分波手段
   と、前記第２の光線を各偏波毎に２分し、一方を
   前記リング状光路への入射光として送出すると共
   に、他方を第２の偏波光として取り出す第２の分
   波手段と、前記第１及び第２の分波手段に結合さ
   れ、前記第１及び第２の偏波光を互いに逆方向に
   伝搬させる付加光路とを備え、前記第１及び第２
   の分波手段では、前記付加光路を通して与えられ
   る前記第２及び第１の偏波光をそれぞれ前記リン
   グ状光路からの出力光とともに前記光学手段に導
   き、前記光学手段では、前記第１及び第２の偏波
   光及び前記リング状光路からの出力光とを別々に
   抽出して、２種類の偏波状態を個々に検出する検
   出手段により、各偏波の干渉状態を検出すること
   を特徴とするリング干渉計用光学系。 ９ 特許請求の範囲第８項において、前記リング
   状光路、前記光学手段、前記第１及び第２の分波
   手段の少なくとも一部は光集積回路によつて形成
   されていることを特徴とするリング干渉計用光学
   系。