JPH04231815A - 光ファイバー測定装置 - Google Patents

光ファイバー測定装置

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JPH04231815A
JPH04231815A JP3213279A JP21327991A JPH04231815A JP H04231815 A JPH04231815 A JP H04231815A JP 3213279 A JP3213279 A JP 3213279A JP 21327991 A JP21327991 A JP 21327991A JP H04231815 A JPH04231815 A JP H04231815A
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    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers

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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はサニャック(SAGNA
C)リング干渉計における相反しない摂動をつくるパラ
メータにおける変化量の測定を可能とする光ファイバー
測定装置に関する。
【0002】サニャック干渉計及びそれに含まれる物理
現象は、良く知られている。そのような干渉計において
スプリット(割り)板又は他のスプリット装置は投射波
を分割する。このように作られた逆伝播波は、閉じた光
学的経路に沿って反対方向に伝播し、これらの伝播波が
再度結合する時、波による位相シフトによる干渉を再結
合し、発生する。最初にサニャック干渉計の閉じた光学
的経路はミラーにより規定される。この光学的経路は多
回転、単一モード光ファイバーコイルにより構成され得
ることは今日知られている。ある物理現象が、逆伝播波
が再結合する時干渉状態を修正するこれらの波における
相対位相シフトを引き起こす逆伝播波上で、特に相反し
ない摂動をつくることができることも知られている。こ
の相対位相シフトの測定は、この現象の定量化を可能と
している。
【0003】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】前記相反
しない摂動を作ることのできる基本的物理現象は、干渉
計の閉光学的経路の平面に垂直な軸に、干渉計を回転す
ることにより作られるサニャック効果である。ファラデ
ー効果又は同一線上の磁気光効果は、この形式の相反し
ない効果を作ることで同様に知られており、このことは
例えばケイ・ボームによるOPTIC  LETTES
ジャーナル(第7巻、第4号、P180−182、19
82年4月)における文献に記載されている。ある条件
下で、他の効果も同様に相反しない位相シフトを作るこ
とができる。
【0004】対照により、しばしば測定における摂動の
元である環境の多数のパラメータ代表における変化は、
単にサニャック干渉計における相反する効果を有し、逆
伝播波間で相対位相シフトを摂動させず、故に研究され
たパラメータの測定に影響をもたない。そのようなこと
は、波により通過される光学的経路を修正し、相反する
方法では修正しない温度、屈折率、等の緩やかな変化量
に関する場合である。
【0005】そのように測定装置にて達成される測定の
感度及び精度を改善するために多くの研究が実行されて
来た。この課題に関して、例えば1989年ARTEC
HHOUSEの第2巻の文献“光ファイバー検出器”の
研究におけるハーブ・シー・リフィーバーによる表題“
光ファイバージャイロスコープ”の第9章を参考にする
ことができる。特に、サニャック干渉計により供給され
る応答は、数式  P=Po(1+cosδΦ)で与え
られ、故に位相差δΦ=oの近傍のこの信号の感度は低
い。バイアス設定を行うため、例えば増幅度約π/2で
、直角の位相差変調を作ることが提案されて来た。即ち
動作点を置き換え、その増幅度が測定されたパラメータ
のサイン関数である周期信号を作り、それ故より良い感
度及び安定度を利用できる。
【0006】測定の精度はゼロ方法又は閉ループ動作と
呼ばれるものを使用することにより改善されることが後
に判った。この方法によればいわゆる追加ネガティブフ
ィードバック位相差δΦcrが適用され、測定されたパ
ラメータにより作られた位相差δΦPを補償するのに役
立つ。これら2つの位相差δΦcrとδΦPの合計は零
に保たれ、干渉計を最大精度で動作させる。測定は、ネ
ガティブフィードバック位相差δΦcrを作るために必
要な信号を利用することにより行われる。このように測
定は安定であり、線形である。
【0007】この閉ループ動作に対する隷属的必要性は
、周波数オフセットを介して達成できる。このオフセッ
トは聴覚・視覚変調の基本上直接発生でき、さもなけれ
ば位相変調器へのセロダイン(serrodyne)[
ヘテロダインと同等なもの]変調を適用することにより
シミュレートされる。そのようなセロダイン変調は鋸歯
状位相変調傾斜により作られる。連続的傾斜がクロック
に同期した段階により置換えられ、そのような信号は論
理回路及びデジタル−アナログ変換器の基本上に発生で
きることも又知られている。
【0008】実際的実施例において、完全でなくある複
屈折を現わす干渉計のリングを構成する光ファイバーに
起因する問題に直面する。この複屈折はスピードの異な
る偏光の2つの垂直モードの伝播を発生する。測定を摂
動する可能性のある相反しない現象を引き起こすモード
結合現象が作られることも知られている。これらの寄生
する現象は干渉計の共通の出入口における偏光プリズム
を使用することにより減少できる。偏光プリズムが無限
の拒絶を有しないので、これらの効果は高複屈折偏光保
存ファイバー及び広幅スペクトル源を使用することによ
り制限されることも知られている。垂直偏光における結
合寄生波は速度差に関する複屈折により、基本波とのコ
ヒーレンス(干渉性)を失い、ファイバーの偏光保存欠
点に関する効果的寄生信号を減少する。
【0009】しかしながら、もしコイルに関して対称な
寄生結合点があるならば、即ちスプリッター(分割部)
から同一光学的距離で寄生信号は残される。〔先の文献
AGARD/NATO等CPP−383巻のページ9A
/1−13(1985年)におけるエイッチ、シー、リ
フィーバー及び他による“集積光学を使用した光ファイ
バージャイロスコープにおける進歩”の表題文献を特に
参照する。〕この文献は、特に反伝播波を分割し再結合
するスプリッターにおける欠点の場合に関する。実際こ
のスプリッターは設計によりコイルの終端部に置かれる
ので、対称結合を発生する。
【0010】更に干渉計のコイルを作る単一偏光ファイ
バーを使用することが提案された。(フランス国特許出
願FR−A−2,526,938)線形偏光入射波は、
2つの逆伝播波を作る立方体を分割することにより分割
される。これらの波はループを循環した後付加され、抽
出され、バイアス4の設定を実行するためλ/4板によ
り互いにπ/2だけ位相シフトされ、次に再結合される
。これらの位相シフトの測定は、得られる回転の(又は
測定されたパラメータの)大きさを与える。この配置に
おいてλ/4板により導かれるπ/2位相シフトは、特
に温度との複屈折における変化量により完全には安定と
はならない。このことは測定中の移動又は誤差の原因を
引き起こす。
【0011】本発明の目的は、λ/4板の導入により引
き起こされる欠点を避ける間、対称結合により作られる
寄生信号を避ける装置を作ることである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の目的のために、
光ファイバー測定装置は、線形偏光光源と、2つの逆伝
播波が伝播するサニャックリング干渉計と、検出器と、
測定パラメータの関数である信号を供給する処理装置を
備える電子工学手段と、反伝播波を分離する位相差を変
調する手段とを、具備することが提案される。
【0013】光源から来る入射波は、干渉計に伝播する
2つの偏光を空間的に分割するように、偏光スプリッタ
ーの偏光の2つのモードに等しく分配される。干渉計は
、中立複屈折軸を有する2つの終端部を有する偏光保存
複屈折ファイバーと、ここでその偏光保存ファイバーの
各々の終端部は偏光スプリッターのゲートの1つに結合
され、各終端部で結合するため各終端部と関連するゲー
トに共に入射する各終端部の軸と、複屈折ファイバーか
らの同一偏光モードにおける光源とを備える。
【0014】本発明によれば、本発明による装置は、偏
光スプリッターの前方に置かれ、2つの偏光波間の光源
のコヒーレント長より大きい経路変化を導く複屈折要素
を備える。好ましくは偏光スプリッターは全ファイバー
偏光スプリッターである。
【0015】好ましい実施例において、この光ファイバ
ー測定装置は光源と偏光スプリッター間に置かれる複屈
折変調器を備え、その2つの偏光モードは、偏光スプリ
ッターの2つの偏光モードに対応する。光源からの入射
光は、又変調器の偏光の2つのモードに分配される。
【0016】
【実施例】本発明の実施例を、添付する図面を参照にし
つつ以下に詳細に説明する。本発明の光ファイバー測定
装置は、広域スペクトル光源1と、サニャックリング干
渉計2と、受信器3と複屈折変調器4とを備える。偏光
スプリッター5は、入口分割部と命名され、信号が検出
器3に向かう方向に方向づけられるよう抽出され、干渉
計2を出ることを可能とする。
【0017】第2の偏光スプリッター6は、ループスプ
リッターと命名され、早い入射波と遅い入射波が反対方
向における干渉計2のリング部7を通過する2つの逆伝
播波に空間的に分割されることを可能とする。
【0018】従来技術の装置に通常存在する逆伝播波の
半透明スプリッターは、ここには存在しない。偏光され
た入射波は、この媒体に対して早いモードと遅いモード
において中途半端な力の均衡にて、複屈折伝播媒体に運
ばれる。即ち偏光スプリッターは直列に置かれる。該入
射波は早いモードと遅いモードに空間的に分割され、偏
光スプリッターの2つの出口ゲートは、ファイバーコイ
ルの終端部に結合される。このコイルは好ましくは偏光
保存ファイバーコイルであり、その終端部は偏光スプリ
ッターの2つの出口ゲートにおけるファイバーの同一偏
光モードの結合を最適にするように方向づけられる。
【0019】実際の逆伝播波の分割は複屈折媒体の入口
における効果において起こる。逆伝播波を空間的に分け
る偏光スプリッターの付近における偏光保存効果は、そ
れ故実際の分割点に関してもはや対称でない。事実、複
屈折媒体の遅いモードの経路は早いモードの経路より長
い。本発明はそれ故ビームの半透明スプリッターの偏光
保存に通常関する問題を除去できる。
【0020】偏光スプリッターは従来光学(例えばwo
llaston珪灰石プリズムのような、偏光スプリッ
ト立方体)又は単一モードで導かれた光学にて実際作ら
れる。1988年のProceedings  SPI
E誌988巻63−69章におけるエイッチ・シー・リ
フィーバー及び他による“HIGH  SELECTI
VITY  POLARIZATION  SPLIT
TING  FIBER  COUPLER”というタ
イトルの文献に、特に、本発明に良く適合する全ファイ
バー偏光スプリッターが記載されている。
【0021】更に好ましい実施例において、コイル上に
通常置かれる位相変調器は除去され、このように不連続
性を避ける。該位相変調器は偏光スプリッターの前方に
置かれる複屈折変調器により、とって代えられる。これ
らの複屈折変調器はすでに固有の複屈折を所有し、それ
故偏光スプリッターの前方に置かれる複屈折伝播媒体の
役割をも満たす。好ましくは、この変調器は例えば電子
光学的基板上に集積された光学的成分である。
【0022】この複屈折変調器4は、分割後に外側の伝
播に、そして再結合の前には戻りの伝播に、2つの逆伝
播波により横断される。この複屈折要素により導かれる
永久経路の違いは、固有の複屈折により、光源のコヒー
レント長より長く、好ましくはこのコヒーレント長の数
倍である。
【0023】逆伝播波はファイバーコイルの同一偏光モ
ードにおいて線形的に偏光される。この偏光状態を保持
するため、ループ7は偏光保持ファイバーから成る。そ
れらの名が示すように、そのようなファイバーは偏光の
状態を保持する間、偏光された光ビームの伝達を確実に
する。偏光光ビームは設計により複屈折である。この複
屈折は装いに関して特別な構成で(長円装い構成、“パ
ンダ”構成、“ちょうネクタイ”構成、等)ストレスを
加えて通常作られる。この複屈折は、早い軸及び遅い軸
のそれぞれの方向を示す中立の複屈折軸により、入口及
び出口の両方で代表される。
【0024】ループスプリッター6は、偏光スプリッタ
ーである。このようなスプリッターは1つの共通入口ゲ
ートaと、2つの分離出口ゲートb,cとを備える。こ
れらのゲートの各々は中立偏光軸により代表される。入
射光ビームは、ゲートaを通過して入り、2つの出口ビ
ームに分割され、ゲートbを通過して出るビームは、例
えば垂直軸のゲートaの軸の1つに並列に線形的に偏光
され、一方、他のゲートcを通過して出るビームは、例
えば水平軸のゲートaの他の軸に並列に線形的に偏光さ
れる。
【0025】この形式の偏光スプリッターは、例えば偏
光立方体又は珪灰石プリズムのような分離成分を構成で
きる。偏光スプリッターは又、1988年のProce
edings  SPIE誌の988巻63−69章に
おける、エイッチ・シー・リフィーバー及び他による“
HIGH  SELECTIVITY  POLARI
ZATION  SPLITTING  FIBER 
 COUPLER”というタイトルの文献に記載されて
いるような、全ファイバー偏光スプリットカプラーから
成る。全てのファイバー偏光スプリッターは、早い伝播
軸に対してそれぞれ平行又は垂直な方向に高く複屈折し
ているファイバーの2つの要素を横にみがいて作られる
。これらの2つのファイバーは、シリカブロックに形成
された溝に支持され、予め決められた曲げ動作に従属さ
れ、互いに関連する。このように上記に示した特性を有
する偏光スプリットファイバーカプラーを作ることがで
きる。1つ又は他のインターフェースに伝達される力の
比率は調整できる。
【0026】出口スプリッター5は有利となるようにル
ープスプリッター6と同種とすることができる。変調器
4は複屈折変調器であり、有利な集積光学要素である。 この要素は位相変調器であり、その技術は良く知られ、
案内部は各側に置かれる電極にて、Y伝播方向X部にお
けるリチウム・ニオブ基板上に作られる真っすぐな案内
部で、特に作られ、印加電圧は変調器において伝播する
波の位相を修正する。この修正は偏光方向により異なる
。変調電圧はこのように偏光モード間の位相差の変調を
導き、それ故複屈折の変調を導く。検出器3により作ら
れる電気信号は、処理装置8に供給され、その処理装置
8は、一方では所望の測定されたパラメーターの如何な
る大きさをも供給し、他方では変調器4を制御する電子
手段に送る。
【0027】さて、この測定装置における光ビームの伝
播の過程における光ビームの種々の偏光状態を図2を参
照にしつつ以下に説明する。光源1は高く偏光した一時
的に弱いコヒーレントビームを発光する。そのビームは
例えば広域スペクトル超発光ダイオードである。そのビ
ームの偏光状態は図2−Aに示される。スプリッター5
の入口部の中立軸の1つは光源の偏光方向に平行であり
(図2−B)、そのビームは光源1により発光される主
なる光束の偏光方向に垂直に偏光する光の残余部分を、
出口5cで減少する。
【0028】位相変調器4の偏光軸は、スプリッター5
の出口5cのそれらの偏光軸から45度に方向づけられ
る(図2−C)。もしこの装置が分離成分で作られるな
ら、これらの成分は効果的に互いに関連して方向づけら
れる。“全ファイバー”の場合、スプリッター5と複屈
折変調器4は、偏光保存ファイバー軸が、これらの2つ
の要素間45度(2π以内)の回転に従属されることに
より、結合される。重要な機能は複屈折変調器の2つの
偏光モードを越える入射波に等しく分配されることであ
り、即ちこのことは、上記のように、変調器の軸の回転
により達成でき、例えば半波又は1/4波にて達成でき
る。
【0029】ループスプリッターの入口ゲート6aの偏
光軸は(図2−D)、複屈折変調器4の軸と平行である
。このスプリッターは2つの入口偏光に分けられる。 ゲート6bを通過して出る偏光は、ファイバーコイルの
終端部の1つの2つのモードの1つ(例えばモード1)
に結合される(図2−E)。ゲート6cを通過して出る
偏光は同一モード(例えばモード1)に結合されるが、
ファイバーコイルの他の終端部で結合される(図2−F
)。このことはそれ故ファイバーの2つの方向における
同一偏光モードを使用するために、2つの終端部間でフ
ァイバー中立軸に関して90度の回転を要求する。
【0030】同一モードにおける伝播の後、コイル7に
沿って、2つの逆伝播波は、折り返し、スプリッター6
及び複変調器4における反対方向に戻る(図2−G)。 外方向への伝播中最初のモードに在った偏光は、戻りの
伝播中遅いモードであり、その逆もある。これらの2つ
の偏光は垂直であるが、又、偏光スプリッター5を横断
して戻り、ゲート5a(図2−H)、及び5d(図2−
J)で、2つの波は再び同一偏光を有し、それ故干渉す
ることができる。
【0031】このように、光源1により発光される偏光
された光は、入口スプリッター5によりフィルターされ
、次に変調器4により等しい密度の2つの垂直に偏光さ
れたモードに分割される。この複屈折変調器4は、該2
つのモード間で位相差δΦを導く。δΦは電子工学手段
9からの変調器4により受けられる信号の関数である。 ループスプリッター6は該2つのモードを分割し、各々
をファイバーコイル7の終端部の1つに位置づけ、リン
グの内側で反対方向に回転させることを確認する。 リング7を構成するファイバーの偏光軸の回転に90度
を与え、これらの2つの波はループスプリッター6によ
り共に結合され、ゲートaを通過して、再び現れる。リ
ング7におけるこれらの2つの波の伝播の過程において
、これらの2つの波は、測定されたパラメータにより補
足位相シフトδΦPを受ける。
【0032】これらの2つの波は、次に戻りの伝播中、
複屈折変調器4を横断し、各々は次に入口スプリッター
5の軸に関して45度に方向づけられ、2つのモードに
分割され、一方は光源1に伝達され、他方は受信器3に
位置づけられる。受信器3はそれ故2つの波従って2つ
の波の位相シフトの干渉状態の関数である信号を供給す
る。受信器3により作られる電気信号は、処理装置8に
位置づけられ、処理装置8は、一方では有用と判断され
るどんな使用に対してもパラメータPを抽出することを
確認し、他方では、位相変調器4を制御するために電子
工学手段9で信号を作る。
【0033】処理装置8により実行される信号処理は、
これらの装置において通常使用される前記形式である。 信号処理は検出器3による受信信号と、逆伝播波間の零
近辺位相シフトとの間に依存する線形性を与えるバイア
ス変調信号の公式と、例えばセロダイン変調を適用する
ことにより、この零近辺位相シフトを維持する負のフィ
ードバック信号とを備える。
【0034】図3に示される第2の実施例において、半
透明板10は、光源1とスプリッター5の間に置かれ、
干渉信号が検出器3に方向づけられるゲート5aを通過
して再び現れることを可能とする。この半透明板10は
3dBの全ファイバーにより置き換えられる。スプリッ
ターのゲート5dを通過して出る波は、この場合利用さ
れない。偏光スプリッター5は次に偏光器により置き変
えられる。
【0035】この第2の実施例において、図1を参照に
して前記した第1の実施例のように、1つ及び同一成分
が逆伝播波のスプリット(分割)を作り、次にコイルに
おいて循環後、結合され、このように各々の2つの波に
より通過される経路は、同一であり、相反しない効果の
みがコイルの中に作られる。
【0036】
【発明の効果】本発明によれば、1/4λ板導入により
生ずる不安定測定、及びファイバー偏光保存による寄生
信号を避け、安定な光ファイバー測定装置を提供できる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の装置の構成図である。
【図2】図1で示される実施例における種々な成分を通
過した光の偏光状態図である。
【図3】本発明の第2実施例の装置の構成図である。
【図4】本発明を遂行するために使用される光ファイバ
ー偏光スプリッターを示す図である。
【符号の説明】
1…光源 2…サニャックリング干渉計 3…受信器 4…複屈折変調器 5,6…偏光スプリッター 7…リング部 8…処理装置 9…電子工学手段 10…半透明板

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  装置内の測定パラメータ内変化により
    2つの波の間の位相差を発生する光ファイバー測定装置
    であって小さいコヒーレント長を有する光源(1)と、
    位相差により分離した2つの逆伝播波が伝播するサニャ
    ックリング干渉計(2)と、検出器(3)と、測定され
    たパラメータの関数である信号を供給する処理装置を備
    える電子工学手段(8)と、逆伝播波を分離する位相差
    を変調する手段と、干渉計(2)であって伝播する2つ
    の被偏光波を空間的に分割する偏光スプリッター(6)
    と、2つの終端部が中立複屈折軸を有する偏光保存複屈
    折ファイバー(7)と、ここで該偏光保存複屈折ファイ
    バー(7)の各終端部は該偏光スプリッター(6)のゲ
    ート(6b)と(6c)の1つに結合され、各終端部で
    結合するように該軸と関連するゲートに一致する各終端
    部の軸と、該偏光保存複屈折ファイバーからの同一偏光
    モードにおける該光源とを備える干渉計(2)とを具備
    する光ファイバー測定装置において、該光ファイバー測
    定装置が、該偏光スプリッター(6)の前方に置かれ、
    該2つの被偏光波間の該光源(1)のコヒーレント長よ
    り大きい経路差を導く複屈折要素を備えることを特徴と
    する光ファイバー測定装置。
  2. 【請求項2】  該逆伝播波を分離する該位相差を変調
    する前記手段が、該光源と該偏光スプリッター(6)と
    の間に置かれる複屈折変調器(4)であることを特徴と
    する請求項1に記載の光ファイバー測定装置。
  3. 【請求項3】  該光源(1)と該干渉計(2)の該リ
    ング(7)の光学的偏光分割手段(6)の間に第2偏光
    スプリッター(5)を備え、この第2偏光スプリッター
    (5)が該光源からの伝達光を該スプリッター(6)の
    2つの偏光モード上に分配される経路に方向づけること
    を特徴とする請求項1又は2の何れか1つに記載の光フ
    ァイバー測定装置。
  4. 【請求項4】  該偏光スプリッター(6)が偏光立方
    体であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項
    に記載の光ファイバー測定装置。
  5. 【請求項5】  該偏光スプリッター(6)が珪灰石プ
    リズムであることを特徴とする請求項1乃至3の何れか
    1項に記載の光ファイバー測定装置。
  6. 【請求項6】  該偏光スプリッター(6)が全てファ
    イバー偏光スプリッターであることを特徴とする請求項
    1乃至3の何れか1項に記載の光ファイバー測定装置。
  7. 【請求項7】  該光源(1)が広域スペクトル超発光
    ダイオードであることを特徴とする請求項1乃至6の何
    れか1項に記載の光ファイバー測定装置。
  8. 【請求項8】  該第2偏光スプリッター(5)が全て
    ファイバー要素であることを特徴とする請求項1乃至7
    の何れか1項に記載の光ファイバー測定装置。
  9. 【請求項9】  該検出器(3)が、該光源(1)と該
    偏光スプリッター(6)の間に置かれる該偏光スプリッ
    ター(5)のゲート5dを通過して該干渉計(2)を出
    る光束の1部を受信することを特徴とする請求項1乃至
    8の何れか1項に記載の光ファイバー測定装置。
  10. 【請求項10】    光ファイバー測定装置は、該光
    源(1)と該偏光スプリッター(5)間に置かれるビー
    ムスプリッター(10)と、該偏光スプリッター(5)
    のゲート5aを通過し該干渉計(2)を出る該光束の1
    部を受信する該検出器(3)とを備えることを特徴とす
    る請求項1乃至9の何れか1項に記載の光ファイバー測
    定装置。
  11. 【請求項11】  該偏光保存ファイバー(7)がスト
    レス形複屈折ファイバーであることを特徴とする請求項
    1乃至10の何れか1項に記載の光ファイバー測定装置
  12. 【請求項12】  該複屈折変調器(4)が集積光学的
    要素であることを特徴とする請求項1乃至11の何れか
    1項に記載の光ファイバー測定装置。
  13. 【請求項13】  該被測定パラメータが、該コイルの
    軸の廻りの該干渉計の回転速度であることを特徴とする
    請求項1乃至12の何れか1項に記載の該光ファイバー
    測定装置に使用するジャイロスコープ。
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