JPH04106417A - 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】

この発明は自動車、飛行機、船舶など運動体の回転角速
度を測定するための光ファイバジャイロに関する。特に
光路の全てを光ファイバで構成した位相変調方式の光フ
ァイバジャイロに関する。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　】光ファイバジ
ャイロはファイバコイルの中を左廻り右廻りに伝搬する
光の位相差がコイルの角速度に比例することを利用して
角速度を求めるものである。 位相変調方式というのは、ファイバコイルの一方の端近
くの光ファイバの一部を伸縮させてこの中を伝搬する光
の位相を変調するものである。干渉光の強度を受光素子
で検出するがこの中には変調周波数及びその高調波信号
がベッセル函数を係数とする展開式の形で含まれる。そ
こで変調周波数またはその整数倍の周波数のキャリヤ信
号を作り、受光素子出力をこれによって同期検波すれば
基本波成分または任意の高調波成分を得ることができる
。 奇数次の高調波（基本波を含む）は ２ＥｉＥ２　Ｊ２□１（ξ）ｓｌｎΔθ　　　　（１）
と書くことができる。ただしＥｌ、Ｅ２は左廻り右廻り
光の振幅、Ｊ２□＋１（ξ）は（２ｍ＋１）次ベッセル
函数、Δθは左廻り光、右廻り光の位相差である。ξは
変調の大きさを表し、 である。ｂは位相変調の振幅、Ωは位相変調角周波数、
Ｌはファイバコイルのファイバ長、ｎはファイバ屈折率
、Ｃは真空中の光速である。 偶数次の高調波は ２Ｅ＋　　Ｅａ　　Ｊ２イ（ξ）ｃｏｓΔθ　　　　　
　（３）と書くことができる。光の振幅と変調の大きさ
ξとが安定していれば基本波だけから位相差Δθを求め
ることができる。 変調の大きさξを一定にするためには、適当な偶数次高
調波がＯになるように、位相変調器駆動回路を制御すれ
ばよい。するとＪ　２ｎ（ξｏ）＝０となる２ｎ次ベッ
セル函数の零点にξが固定される。 光の振幅が変動するのであれば、基本波を４倍高調波で
割ってｔａｎΔθの形で位相差を求めれば良い。 位相変調方式の光ファイバジャイロについては、特願平
１−５７８３４〜３７、特願平１−２９１６２８〜３１
１１２９５５００、特願平２−３８０９．２−１００５
５などの発明がなされている。 光ファイバジャイロは、左廻り光と右廻り光を干渉させ
るのであるから、偏波面が同一でなければならない。偏
波面が異なると干渉光は偏波面の挟角の余弦に比例する
値となるし、偏波面が直交すれば光は干渉しない。 そこで左廻り光右廻り光の偏波面を揃えなければならな
い。シングルモード光ファイバの場合は縮退した２つの
偏波面の光が同一の位相定数で伝搬するから、偏波面が
回転する。 そこでシングルモード光ファイバではなく偏波面保存光
ファイバによって光路の大部分を構成し、光が２つに分
割される前に偏光子を通して直線偏光にしておくという
工夫が考えられる。偏波面が直交２軸に対して保存され
る。偏波面回転が起こらないので、左廻り光右廻り光の
偏波面を揃えて両者を干渉させることができる。 しかし偏波面保存光ファイバは単なるシングルモード光
ファイバに比べ高価であるので極めて高額の光ファイバ
ジャイロになってしまう。 やはりファイバコイルや光路の大部分は単なるシングル
モード光ファイバによって製作したいものである。とこ
ろがシングルモード光ファイバにはいくつかの問題があ
る。 シングルモードといっても位相定数についてひとつのモ
ードしか立たないということであり、偏波面の直交する
２つのモードが実際には存在する。偏波面の異なるモー
ドは理想的には独立であるが、位相定数が巨視的には同
一であるから偏波面の回転が起こりうる。 異なる偏波面を持つモードは微視的な位相定数のゆらぎ
が異なるので、同じ距離だけ伝搬しても実効的な光路長
が同じということはない。 そこで偏波面の異なる２つのモードの伝搬を許すとする
と、光路長の異なる左廻り右廻りの光が干渉することに
なり、干渉光にオフセ・ソトが含まれる。ここでオフセ
ットというのは、コイルの角速度Ω。がＯであるのに位
相差Δθが０でない場合Δθの０からのずれをいう。実
効的な光路長が違うのであればこれは当然のことである
。 左廻り光右廻り光が厳密に同じ経験をしなければならな
い。このためには左廻り光右廻り光に分ける前に偏光子
に通して偏波面を一方向に固定するのが有効である。こ
うするとシングルモードファイバの中にひとつの偏波面
のモードしか通らないので、光路長が同一になるのであ
る。ここまでは前述の偏波面保存光ファイバの場合と同
じである。 しかしシングルモード光ファイバでは偏波面の回転が起
こりうるので、これだけでは不十分である。偏光子を通
って直線偏光になってからファイバコイルを伝搬し、再
び偏光子を反対向きに通過する。この時偏波面が偏光子
の主軸と一致するとは限らない。主軸となす角をψとす
ると、偏光子を通り抜ける光量はｃｏｓψに比例して減
少する。 この角度が左廻り右廻り光によって同一とは限らないし
、温度によっても変動する。 そこてシングルモード光ファイバを用いるときには、偏
光子の他に、デボラライザ（ｄｅｐｏ　Ｉａｒｌｚｅｒ
）を必要とする。これは任意の直線偏光を無偏光に変換
するものである。 例えば、 Ｋ、Ｂ５ｂｍ　ｅｔ　ａｔ、：”Ｌｏｗ−Ｄｒｉｆｔ　
Ｆｉｂｅｒ　Ｇｙｒｏυｓｔｎｇ　ａＳｕｐｅｒｌｕｍ
ｌｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ”、ＥＬＥＣＴＲＯＮＩ
ＣＳ　ＬＥＴＴＥＲ５゜ｖｏｌ、１７．Ｎｏ、１０．ｐ
３５２（＋９８１）。 にこのような光ファイバジャイロが提案されている。第
２図に構造を示す。 発光素子１から出射された光はレンズ２１、ビームスプ
リッタ２２、偏光子２３、レンズ２４を経て光ファイバ
２５の一端に入射する。これは光を集光させて小さいフ
ァイバコアに入射するものであるが偏光子２３があるの
で直線偏光になっている。つまりひとつの偏波面のモー
ドのみを通すようにしているのである。このファイバ２
５はカップラ２６により他のファイバ２７と結合してい
る。ここで左廻り光と右廻り光に分離される。右廻り光
はファイバ２５から一旦空間に出てレンズ２８、デポラ
ライザ２９、レンズ３０を経て再びファイバ３に入りフ
ァイバコイル４を右廻りに伝搬する。この後位相変調器
５を通る。 左廻り光はファイバ２７から位相変調器５を通りファイ
バコイル４を左廻りに伝搬する。この後デボラライザ２
９を通過する。デボラライザ２９は直線偏光を無偏光に
するもので、偏光子と逆の働きをする。これはＬｙｏｔ
　ｄｅｐｏｌａｒｌｚｅｒといい、複屈折性を持つ結晶
２枚を光学主軸が４５°捩じれたように貼り合わせたも
のである。その厚みは１：２になっている。しかも何れ
の結晶の厚みも、光の可干渉長（コヒーレントレングス
）より、異常光、常光線の光路差が長くなるようになっ
ている。薄いデポラライザを使おうとすると、可干渉長
の短い発光素子が必要である。 第２図のものはシングルモード光ファイバを使うもので
、偏光子、デポラライザを用いることにより偏波面回転
による出力変動の問題を解決している。 同じ（Ｂｉｊｈｍ等は第３図に示す光ファイバジャイロ
をも提案している。発光素子１から出射された光がシリ
ンドリカルレンズ３３、レンズ３４．３５を経て絞られ
ファイバ３６の一端に入射する。 このファイバ３６はカップラ３７により、受光素子３６
につながるファイバ３２に連結している。 ファイバ３６から出射した光はレンズ３８、偏光子３９
、レンズ４０を通って他のファイバ４１に入射する。カ
ップラ４２によりこの光が左廻り光と右廻り光に分岐さ
れる。 右廻り光は、ファイバ端４３から自由空間に出て、レン
ズ４５、デポラライザ４６、レンズ４７を通り光ファイ
バ３のコアに入射する。そしてファイバコイル４を右廻
りに通過し、位相変調器５を通りカップラ４２から偏光
子３９へと戻ってゆく。 左廻り光は、カップラ４２から位相変調器５を通り、フ
ァイバコイル４を左廻りに回って、デポラライザ４６を
反対向きに通過する。 第２図の装置も第３図の装置も先ず偏光子で偏波面をひ
とつに固定し、この後２つの光に分けてデポラライザを
通して無偏光にしている。左廻り光と右廻り光は位相変
調器５を通ることにより異なる時刻に位相変調を受ける
。受光素子出力は変調信号に同期してロックインアンプ
（図示せず）で増幅される。位相変調方式としての処理
は従来のものと同様である。 デポラライザを通るので無偏光になり、これが偏光子を
再び通る。それぞれの光成分は偏光子の主軸となす角の
余弦だけが通過することになる。 従って偏波面回転が起こっていたとしても偏光子を通過
することによる光量の変動、減退の問題を回避できる。

【発明が解決しようとする課題】

第２図、第３図に示すものは実験室で組み立てた装置で
あって実用機ではない。実用的な軽量小型のものにする
ためには偏光子やデポラライザをファイバ化する事が強
く望まれる。偏光子、デポラライザはこの実験ではバル
クの光学部品を使っておりファイバよりずっと大きい。 これらの部品に平面波として光を通すために、レンズを
前後に配置しなければならない。このため嵩ばった装置
になってしまう。 偏光子やデボラライザを光ファイバで作ることができる
。これは良く知られている。これらの部品を光ファイバ
化して初めて実用的なものになるまたプリズムよりなる
ビームスプリッタを使うのは同様に望ましくなく、これ
は光ファイバカップラに置き換えるべきである。すると
第３図のような構成になるが、このバルク光学部品であ
る偏光子、デポラライザを光ファイバで置き換えるとそ
れでよいかというとそうではない。 発光素子１から出射された光は直線偏光であるが、これ
が偏光子に至るまでの光ファイバにおいて偏波面回転す
る可能性がある。この部分の中継ファイバは短いもので
あるが、発光素子１の出射光の偏光方向と、ファイバ型
偏光子の偏光方向とを合致させることが難しい。もしこ
れが合致していないと、通過する光量が少なくなる。第
２図、第３図のようにバルク光学結晶の偏光子を用いる
場合は、受光素子に到達する光量が最大になるよう偏光
子を回転して調整できる。しかしファイバ型偏光子の場
合は、シングルモード光ファイバと融着結合して初めて
光が通るわけであるから、偏光子の偏波方向を調整する
ことはできない。 発光素子の方を回転して偏光方向を一致させることがで
きたとしても、シングルモード光ファイバであるので、
温度変化や応力によって偏波面が回転することがある。 するとやはり偏光子を通過する光量が減少し、スケール
ファクタが変動する偏光子よりもファイバコイルに近い
部分の光ファイバ中での偏波面回転の問題は、ファイバ
コイルの近傍にデポラライザを入れることにより解決で
きた。しかし偏光子よりも発光素子に近い方の光ファイ
バ中での偏波面回転の問題はいまなお解決ができていな
い。

【課題を解決するための手段】

本発明の光ファイバジャイロは、偏光子、デポラライザ
を含む全ての光路を光ファイバ化したものである。そし
て発光素子から出射された光を無偏光にするための実質
的なデポラライザを追加する。このデポラライザは発光
素子から出射された光が直線偏光であることを利用する
もので、複屈折性の結晶を光学主軸が直線偏光に対して
４５″傾いたように配置する。この複屈折性結晶は発光
素子とこの光が入射するシングルモード光ファイバの間
に設けられたものである。発光素子と複屈折性結晶が組
合わされて実質的にデポラライザきなる。 但し複屈折性結晶の長さには次の条件が課される。すな
わち複屈折性結晶の複屈折性による直交偏波間の時間遅
れが発光素子の可干渉時間以上となる長さでなければな
らない。こうであって初めて直交偏波間の干渉がなくな
り無偏光になるのである。 複屈折性結晶というのは直交する偏波を持つ光の間で屈
折率に差があるものである。

【　　作　　用　　】

本発明の装置に於いては発光素子のすく後に光学主軸が
発光素子の直線偏光と４５″をなすように新しく複屈折
性結晶を入れているから実質的にデボラライザとして働
き、ここを通る光が直線偏光から無偏光になる。無偏光
になってからファイバ型偏光子へ入射し直線偏光に変え
られるのであるから、ファイバ型偏光子の出力に現れる
光量は一定である。 偏波面回転が起こっても、これは全ての偏波面を持つ光
に対して起こっているのであるから、無偏光であること
に変わりがない。ファイバ型偏光子の出力に現れる光量
が一定であるので、ファイバと発光素子、ファイバ型偏
光子の軸合わせ、調整といったことは不要になる。また
ファイバに加えられた応力、温度変化によっても出力光
量が変動しない。 ファイバ型偏光子を通る光量が一定するからスケールフ
ァクタが変動しない。高精度の角速度測定を行うことが
できる。

【　　実　　施　　例　　】

第１図は本発明の実施例を示す。これは光路が全て光フ
ァイバで構成されている。たたしシングルモード光ファ
イバを主としているが、偏波面保存光ファイバを一部に
用いている。 この光ファイバジャイロは、発光素子１、複屈折性結晶
２、デポラライザ３、ファイバコイル４、位相変調器５
、受光素子６、ファイバカップラ７．８．ファイバ型偏
光子９、集光光学系１０などを含む。これらの部品が光
ファイバにより相互に連結されている。 発光素子１は単色光を出す光源である。レーザダイオー
ド、スーパールミネッセントダイオードが用いられる。 ただしコヒーレント長が短いものでなければならない。 デポラライザ３は直線偏光を無偏光にする素子である。 このデポラライザ３を入れることは第２図、第３図にも
現れており良く知られている。ところが本発明では、光
学主軸が発光素子の偏光に対して４５＠傾いた複屈折性
結晶よりなる実質的なもうひとつのデポラライザを追加
している。これが新規である。 デポラライザ３も光ファイバで作る。これは第４図で示
すように偏波面保存光ファイバ２本を、光学主軸が４５
＠をなすように軸方向に接続したものである。そして２
つの偏波面を持つ光の光路差が発光素子のコヒーレント
長以上であるようにする。２つの光ファイバの長さは２
：工である。 本発明では複屈折性結晶２を発光素子の直後に入れて実
質的なデポラライザとしている。これの長さを１、光の
屈折率をｎＸ５ｎｙ、発光素子のコヒーレント長をｈと
すると、 （ｎｘ　　−ｎ、　　）　　ｊ＞ｈ　　　　　　　　　
（４）でなければならない。そうでなければ無偏光にな
らないからである。 複屈折性結晶と発光素子の偏光が４５°をなすのでＸ方
向の光の振幅はｃｏｓ４５°、Ｘ方向の光の振幅がｓｉ
ｎ　４５°　となり強度はこれを２乗平均したものにな
り、１／２ずつとなる。以後任意の偏波面を持つ光の振
幅が等しくなる。 ファイバコイル４はシングルモード光ファイバを多数回
巻き回したものである。位相変調器５は円筒形の圧電振
動子にファイバコイルの一端近くの光ファイバを巻き付
けたものである。圧電振動子に交流の励起電圧を与える
とこれが半径方向に膨縮するので光ファイバが伸縮しこ
の中を伝搬する光の位相が変化する。 受光素子６はｐｉｎホトダイオードなどであり、ファイ
バコイルを左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する。 ファイバカップラ７．８は２本の光ファイバの被覆を剥
離して接近させ融着して引き伸ばしたものである。コア
間の距離が小さいのでエバネッセント結合する。一方の
端から光を入れると、他方の２本の端に半分ずつの光パ
ワーが出て（るように調整して作る。ビームスプリッタ
のように嵩高くなくて小型の分岐素子である。 ファイバ型偏光子９は偏波面保存光ファイバを円筒に巻
き付けたものである。直交する偏波面を持つ二つのモー
ドの内ひとつのモードが放射モードとなって減衰するか
ら残りのひとつのモードの光だけがこの中を通過できる
。だから偏光子と等価の働きをする。 次にファイバで形成される光路について説明する。第１
ファイバ光路１１は発光素子１と第１ファイバカツブラ
フの間を連絡する。シングルモード光ファイバである。 このシングルモード光ファイバの先端と発光素子の間に
集光光学系１０があり、前記の複屈折性結晶２はレンズ
２枚の中に挟まれている。 第２ファイバ光路１２は第１ファイバカツプラ７と第２
ファイバカツプラ８との間を連絡する。 第３ファイバ光路１３と第４ファイバ光路はファイバコ
イル４の両端部分でいずれも第２ファイバカツプラ８の
一端に接続されている。 第５ファイバ光路１５は第１ファイバカツプラ７と受光
素子６とを連絡する。第６ファイバ光路１６は第２ファ
イバカツプラ８につながるファイバの余りであり自由端
を持っている。第７ファイバ光路１７は第１ファイバカ
ツプラ７につながるファイバの余りであり自由端を持つ
。 分岐素子をファイバカップラにするとこのように自由端
で終わる余りの部分がやむを得ず発生する。 第１、第２ファイバカツプラ７．８の間の第２ファイバ
光路１２の途中に、ファイバ型偏光子９が設けられる。 位相変調器５、デポラライザ３は、第３、第４ファイバ
光路１３．１４の何れかに設けられる。この例では両者
が異なる光路に配分されているが、同一の光路にあって
も差し支えない。 発光素子１より出射された光は直線偏光であるが、光学
主軸が偏光に対して４５°をなす複屈折性結晶２を通る
ことにより無偏光になる。これがファイバ型偏光子９に
達しここである方向の直線偏光になる。いったん無偏光
にするから、偏光子９で直線偏光になった時の光の振幅
は、発光素子の方位には無関係で一定となる。これが重
要な点である。発光素子やファイバ型偏光子の軸合わせ
をする必要がない。また外力や温度により光ファイバ中
で偏波面が回転しても、無偏光なのであるから影響がな
い。

【　　発　　明　　の　　効　　果　　】発光素子とフ
ァイバ型偏光子との間に複屈折性結晶よりなる実質的な
デポラライザを入れておりこれによって直線偏光をいっ
たん無偏光にしてからファイバ型偏光子を通すから偏光
子を通過する光量が一定する。 偏光子、デポラライザなどを含む全ての光路を光ファイ
バによって構成したスケールファクタの安定した光ファ
イバジャイロを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの構
成図。 第２図は従来例に係る光ファイバジャイロの構成図。 第３図は他の従来例に係る光ファイバジャイロの構成図
。 第４図は偏波面保存光ファイバによるデポラライザの概
略図。 １・・・ ２・１ ３・１１＠ ５・１ ６・・・ ７・・・ ８１１・・ ９・・・ １０・・ １１・・ １２・・ １３・・ １４−・ １５・・ ・　・発　　光　　素　　子 ・・複屈折性結晶 ・−第２デボラライザ −・ファイバコイル ・−位相変調器 ・　・受　　光　　素　　子 ・・第１ファイバカツプラ ・・第２ファイバカツプラ ・・ファイバ型偏光子 ・嗜集光光学系 ・・第１ファイバ光路 拳Φ第２ファイバ光路 ・・第３ファイバ光路 ・・第４ファイバ光路 ・・第５ファイバ光路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ファイバコイルの中を左廻り右廻りに光を伝搬さ
   せ両廻り光の位相差からファイバコイルの回転角速度を
   求めることを原理とする光ファイバジャイロであって、
   単色光を生ずる発光素子と、シングルモード光ファイバ
   を多数回巻回したファイバコイルと、ファイバコイルの
   中を左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光の強度
   を検出する受光素子と、発光素子につながる第１ファイ
   バ光路と受光素子につながる第５ファイバ光路とを、第
   ２ファイバ光路と自由端を持つ第７ファイバ光路とに結
   合する第１ファイバカップラと、ファイバコイルの両端
   につながる第３ファイバ光路と第４ファイバ光路とを、
   第２ファイバ光路と自由端を持つ第６ファイバ光路とに
   結合する第２ファイバカップラと、第２ファイバ光路の
   途中に設けられるファイバ型偏光子と、ファイバコイル
   の一方の端近くに設けられ光ファイバ中を伝搬する光の
   位相を変調する位相変調器と、発光素子と第１ファイバ
   カップラをつなぐ第１ファイバ光路の中間にあって発光
   素子の直線偏光に対して光学主軸が４５゜傾いており発
   光素子からの光の偏波面をランダムする複屈折性結晶と
   、ファイバコイルの両端と第２ファイバカップラとをつ
   なぐ第３ファイバ光路又は第４ファイバ光路の途中に設
   けられ光の偏波面をランダムにするデポラライザとを含
   み、光路が全て光ファイバで構成されており、発光素子
   から出射した光を複屈折性結晶によって無偏光にしてか
   らファイバ型偏光子へ通すようにしたことを特徴とする
   光ファイバジャイロ。
2. （２）複屈折性結晶の複屈折性によって生ずる直交偏波
   間の時間遅れが、発光素子の可干渉時間以上となる長さ
   であることを特徴とする請求項（１）に記載の光ファイ
   バジャイロ。