JPH06164031A - 光ジャイロ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受動型リング共振方式の光ジャイロ装置にお
いて、レーザ光の増幅利得を高めて、検出出力のＣ／Ｎ
比を向上させる。 【構成】 レーザ光源２５からのレーザ光は、共振ルー
プ１８に右回り光と左回り光として与えられ、右回り光
の動作点が共振点に一致するように固定され、左回り光
の角周波数成分を検出することにより回転方向と回転角
速度が検出される。共振ループ１８内に光増幅器２１が
設けられていることにより、共振ループ１８内をレーザ
光がｎ回周回することにより、ｎ乗の増幅利得が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば方位センサあ
るいは姿勢制御などに用いられる光ジャイロ装置であっ
て、特に共振ループを使用した受動型リング共振方式の
光ジャイロ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の受動型リング共振方式のジャイロ
装置の一部を図５に示す。この光ジャイロ装置は、光フ
ァイバ１ａがリング状に形成された共振ループ１と、こ
の共振ループ１にレーザ光を送りまた共振ループ１から
の戻り光を導く送受光用のファイバ路２とを有してい
る。上記共振ループ１の一部には、共振ループ１内を通
過するレーザ光の動作点を共振点に固定するための位相
変調器３が設けられている。この位相変調器３は、例え
ば共振ループ１を形成する光ファイバ１ａの一部が円筒
状の圧電素子３ａに巻回されるなどにより構成されてい
る。

【０００３】前記ファイバ路２は、レーザ光源４と光学
的に接続された光ファイバ４ａと、この光ファイバ４ａ
により送られるレーザ光を分岐するカプラ５と、分岐さ
れたそれぞれのレーザ光が送り出されるループ状に構成
された送受光用の光ファイバ６とを有している。この光
ファイバ６と共振ループ１とがカプラ９により接続され
ており、前記カプラ５によって分岐されたレーザ光が、
共振ループ１に対して右回り光と左回り光として入力さ
れる。

【０００４】前記光ファイバ６にはカプラ７，７により
受光用光ファイバ６ａ，６ａが接続されており、それぞ
れの端部にフォトダイオードなどの受光器８ａ，８ｂが
光学的に接続されている。共振ループ１内の右回り光お
よび左回り光は、それぞれ光ファイバ６へ戻り、さらに
受光用光ファイバ６ａ，６ａを経てそれぞれの受光器８
ａ，８ｂにより受光される。

【０００５】この受動型リング共振方式の光ジャイロ装
置では、共振ループ１における左回り光が受光器８ａに
より受光され、この左回り光を基準として位相変調器３
により動作点が共振点と一致するように制御される。ま
た共振ループ１の右回り光は受光器８ｂにより受光され
る。この光ジャイロ装置が回転すると、右回り光にサニ
ャック効果により共振点と動作点とのずれが生じて、角
周波数成分が現れ、この角周波数成分により、回転角速
度と回転方向が求められる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図５に示す従来の光ジ
ャイロ装置では、それぞれの受光器８ａ，８ｂにより検
出された受光信号をそれぞれ増幅器１１ａ，１１ｂによ
り電気的に増幅している。しかしながら、共振ループ１
およびファイバ路２での光の損失が大きい場合には、増
幅器１１ａ，１１ｂによって受光出力を増幅しても充分
なＣ／Ｎ比を満足できない場合がある。

【０００７】特に今後光ジャイロ装置を小型化しようと
する場合には、例えば前記ファイバ路２を薄膜光導波路
により構成することが考えられるが、この薄膜光導波路
を使用した場合には、光の損失がさらに大きくなり、前
記増幅器１１ａ，１１ｂを使用した受光器８ａ，８ｂと
なるフォトダイオードのショットノイズの影響が大きく
なって、充分なＣ／Ｎ比が得られなくなる。したがって
レーザ光源４として、高出力の特殊なものを使用しなく
てはならなくなる。

【０００８】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、共振ループ内を通過する光の強度を高利得にて増
幅できるようにしてＣ／Ｎ比を向上させ、共振ループに
対する送受光経路を例えば薄膜光導波路のように光損失
の大きい素子を使用できるようにした光ジャイロ装置を
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による光ジャイロ
装置は、リング状の光ファイバからなる共振ループと、
レーザ光源と、このレーザ光源から発せられたレーザ光
を前記共振ループに対して右回り光および左回り光とし
て供給する送光経路と、前記共振ループを回ったそれぞ
れのレーザ光を導く戻り光経路と、この戻り光経路にて
戻ったそれぞれのレーザ光を受光する受光部とが設けら
れており、前記共振ループ中に光増幅器が介装されてい
ることを特徴とするものである。

【００１０】また、好ましくは、前記光増幅器を、共振
ループ内を通過する光を励起用レーザにて増幅するファ
イバ型増幅器とし、且つこの光増幅器の両端に、励起光
を除くフィルタを設けたものである。

【００１１】

【作用】上記手段では、レーザ光源から発せられたレー
ザ光は、送受光経路を経て、共振ループに左回り光と右
回り光として与えられる。この共振ループ中に光増幅器
が設けられているため、この共振ループ内を共振して周
回するレーザ光が、周回回数に応じた分だけ乗数的に増
幅される。この増幅された光が受光部により受光され、
高いＣ／Ｎ比にて回転角速度と回転方向が検出される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は、一実施例としての光ジャイロ装置の回路構
成を示すブロック図、図２は、回転検出出力の特性を示
す線図である。なお、図２は、共振ループの左回り光が
検出され且つロックインアンプを経た出力の角周波数成
分を示している。図１に示す光ジャイロ装置は、詳細を
後述する光ファイバ共振器３５と、この光ファイバ共振
器３５内の共振ループ１８の右回り光の検出出力が入力
されるロックインアンプ１３と、共振ループ１８の左回
り光の検出出力が入力されるロックインアンプ１２と、
共振ループ１８内を回る光の動作点を共振点と一致する
ように共振ループ長を制御する位相変調器２０と、この
位相変調器２０を制御するための位相コントローラ１
４、発振器１５、加算器１６、及び増幅アンプ１７とが
設けられている。

【００１３】上記光ファイバ共振器３５内は、光ファイ
バ１８ａをリング状に形成した共振ループ１８と、この
共振ループ１８に対する送受光経路となる薄膜光導波路
１９とを備えている。また、前記位相変調器２０は、共
振ループ１８を構成する光ファイバ１８ａの一部が円筒
状の圧電素子２０ａに巻回させて構成されている。さら
に共振ループ１８内に光増幅器２１と、その前後に設け
られたバンドパスフィルタ２２，２３が設けられてい
る。図１に示す上記光増幅器２１は、本実施例ではいわ
ゆるＥｒドープのファイバ型のものを使用しており、励
起光源２４から所定波長の励起用レーザ光が与えられ
て、共振ループ１８内を通過するレーザ光が励起されて
増幅される。また前記バンドパスフィルタ２２，２３は
ファイバ型あるいはバルク型のアイソレータであり、こ
れにより自然放出光や上記励起光源２４からの励起光の
成分が除去される。

【００１４】上記薄膜光導波路１９は、基板１９ａの端
部にレーザ光源としてのレーザダイオード２５が設けら
れ、基板１９ａの表面には、レーザダイオード２５から
のレーザ光を導き且つ右回り光と左回り光とに分岐する
送光用の導波路１９ｂが形成されている。また基板１９
ａの表面には、前記送光用の導波路１９ｂから分岐する
受光用の導波路１９ｄと１９ｅが形成されており、基板
１９ａの端部には、それぞれの導波路１９ｄと１９ｅか
らの戻り光を受光するフォトダイオード２６と２７が設
けられている。

【００１５】なお、図１に示す薄膜光導波路１９では、
送光用の導波路１９ｂと受光用の導波路１９ｄとがＪ部
にて分岐経路として一体に接続されているが、このＪ部
に導波路１９ｂおよび導波路１９ｄ，１９ｅをカップリ
ングするカプラを設けてもよい。また図１の実施例で
は、レーザダイオード２５およびフォトダイオード２
６，２７が接着剤やレーザ溶着などにより基板１９ａに
固定され、これらに導波路１９ｂと１９ｄ，１９ｅが直
接に端面接続されているが、レーザダイオード２５やフ
ォトダイオード２６、２７と各導波路１９ｂ，１９ｄ，
１９ｅをレンズなどの光学素子を介して光学的に接続さ
せてもよい。また薄膜光導波路１９上の導波路の端面に
はＫ，Ｋ部にて接続用の光ファイバ２８が接続されてお
り、この光ファイバ２８と共振ループ１８の光ファイバ
１８ａとがカプラ２９を介して接続されている。

【００１６】次に、上記光ジャイロ装置の動作について
説明する。レーザダイオード２５から発せられたレーザ
光は、送光用の導波路１９ｂにより分岐され、接続用の
光ファイバ２８を経て共振ループ１８を構成する光ファ
イバ１８ａ内に右回り光と左回り光として与えられる。
共振ループ１８の右回り光は、接続用の光ファイバ２８
から受光用の導波路１９ｄを経てフォトダイオード２７
に受光される。この受光出力はロックインアンプ１３に
与えられる。ロックインアンプ１３では、発振器１５か
らの参照周波数が与えられ、且つロックインアンプ１３
からの出力が位相コントローラ１４を経て、発振器１５
の発振周波数をのせて位相変調器２０に与えられ、ルー
プ長が調整されることにより、共振ループ１８内の右回
り光の動作点が共振ループ１８の共振点と一致するよう
に固定される。

【００１７】光ジャイロ装置が空間に対して回転する
と、共振ループ１８の左回り光の動作点が、サニャック
効果により共振点から外れる。この左回り光は、受光用
の導波路１９ｅを経て受光器２６により受光され、その
受光出力がロックインアンプ１２に与えられるが、この
ロックインアンプでは、受光器２６からの受光出力と発
振器１５からの参照周波数と同期検波され、前記動作点
と共振点とのずれ分に対応する角周波数成分が検出され
る。この角周波数の位相のずれ方向から回転方向が求め
られ、出力強度の変化量から回転角速度が求められる。

【００１８】ここで、共振ループ１８内を回る光は、光
増幅器２１おいて、励起光源２４から励起用のレーザ光
が与えられて光増幅される。また励起用のレーザ光の波
長成分や外光の成分はバンドパスフィルタ２２，２３に
よって除去される。ここで、上記光増幅器２１による光
の増幅率をＮとし、また共振ループ内で共振状態となっ
たレーザ光の循環回数をｎとすると、レーザ光が共振ル
ープ１８内をｎ回循環し、フォトダイオード２６と２７
とで受光されるとき、光の強度はＮのｎ乗倍の出力に増
幅されることになる。

【００１９】よって共振ループ１８の左回り光が受光器
２６にて受光あれ、ロックインアンプ１２により角周波
数成分が検出されたとき、その振幅は図２にてＡで示し
たようにＮのｎ乗倍に増幅される。上記光増幅器２１が
設けられていない場合の角周波数成分の検出強度をＢと
すると、前記光増幅器２１を用いることにより角周波数
成分の振幅は非常に大きく検出でき、角速度検出のため
のＣ／Ｎ比が向上される。光増幅器２１としてＮｒドー
プのファイバ型増幅器を使用した場合、１．５５μｍ帯
のレーザダイオードを使用してほぼ１０ｄＢの利得を得
ることができる。このように光の増幅利得が高くなるた
め、薄膜光導波路１９のように光損失の高い送受光用の
経路を用いたものであってもＣ／Ｎ比の高い検出ができ
る。また薄膜光導波路１９を使用できるので、光ジャイ
ロ装置全体を小型化できる。

【００２０】次に、図３を参照して本発明の他の実施例
について説明する。この実施例において図１などで示し
たのと同等のものについては、同一の符号を付してその
説明を省略する。同図に示す光ジャイロ装置は、光ファ
イバ共振器が全て光ファイバにて構成されている。すな
わち図３に示す光ジャイロ装置の光ファイバ共振器３０
は、光ファイバ１８ａをリング状に形成した共振ループ
１８と、共振ループ１８に対しレーザ光を送受光する送
受光経路として光ファイバを組み合わせたファイバ路３
１とを有している。

【００２１】上記共振ループ１８の一部には、位相変調
器２０と、光増幅器３２と、バンドパスフィルタ２２，
２３とが設けられている。上記光増幅器２１には、光フ
ァイバ１８ｂを介して、レーザダイオード、ＬＥＤある
いはアルゴンレーザ等からなる励起光源３３が接続され
ている。ファイバ路３０は、レーザ光源２５が一端に光
学的に接続された光ファイバ２５ａと、この光ファイバ
２５ａに分岐用のカプラ３４を介して接続されたループ
状の光ファイバ３１ａと、この光ファイバ３１ａの一部
にカプラー３６，３６を介して接続された受光用の光フ
ァイバ３７，３７が設けられている。前記光ファイバ３
１ａと、共振ループ１８の光ファイバ１８ａはカプラ３
８により接続されている。また前記受光用の光ファイバ
３７，３７にフォトダイオード２６，２７が光学的に接
続されている。

【００２２】この実施例ではレーザダイオード２５から
発せられるレーザ光がカプラ３４により分岐され、光フ
ァイバ３１ａを介して共振ループ１８に左回り光と右回
り光が与えられる。また共振ループ１８からの戻り光
は、受光用の光ファイバ３７，３７を介してフォトダイ
オード２６，２７に受光される。ロックインアンプ１
２，１３や位相コントローラ１４などの動作は、図１に
示す実施例と同じである。

【００２３】ここで、図１に示す光増幅器２１および図
３に示す光増幅器３２として、図４に示すような導波型
のものが使用可能である。上記光増幅器３２は、ＹＡＧ
基板３２ａ上にＮｄドープしたＹＧＧ薄膜３２ｂが蒸着
あるいはスパッタリング等により形成されたものであ
る。この光増幅器３２の励起方法としては同図に示すよ
うに信号光と同方向から励起光を入射させることで行
う。この光増幅器３２を使用した場合、レーザ光源２５
から照射されるレーザ光の波長として１．０６４μｍの
ものを使用し、励起光の波長を０．８０４μｍとしたと
きに、ほぼ０．５ｄＢの増幅利得を得ることができる。

【００２４】なお、上記各実施例では、共振ループ１８
に位相変調器２０が設けられ、図１における共振ループ
１８の右回り光または図３における共振ループ１８の左
回り光の受光出力が位相コントローラ１４に与えられ
て、位相変調器２０が制御され、前記右回り光または左
回り光の動作点が共振点と一致するようになっている。
しかしながら本発明では、図１における右回り光または
図３における左回り光を周波数コントローラに与え、こ
れに基づいてレーザ光源２５が発振周波数にて変調さ
れ、これにより前記右回り光または左回り光の動作点が
共振点に一致するように制御されるものであってもよ
い。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明では、共振ループ内
に光増幅器が設けられているため、共振ループ内の光の
周回数に応じて実質的な増幅利得が乗数的に高められ
る。よってＣ／Ｎ比の高い回転検出が可能となる。また
例えば薄膜光導波路のように光損失の大きなものを使用
しても、充分な検出精度を得ることができ、装置の小型
化を実現できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての光ジャイロ装置の回
路構成を示すブロック図。

【図２】ロックインアンプの出力にて得られる角周波数
成分の出力特性を示す線図。

【図３】本発明の他の実施例としての光ジャイロ装置の
回路構成を示すブロック図。

【図４】光増幅器の構造の一例を示す斜視図。

【図５】従来の受動型リング共振方式のジャイロ装置に
用いられる光ファイバ共振器の構成の一例を示す回路
図。

【符号の説明】

１２，１３ ロックインアンプ １４ 位相コントローラ １５ 発振器 １６ 加算器 １７ アンプ １８ 共振ループ １９ 薄膜光導波路 ２０ 位相変調器 ２１，３２ 光増幅器 ２２，２３ 光フィルタ ２４，３３ 励起光源 ２５ レーザ光源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング状の光ファイバからなる共振ルー
   プと、レーザ光源と、このレーザ光源から発せられたレ
   ーザ光を前記共振ループに対して右回り光および左回り
   光として供給する送光経路と、前記共振ループを回った
   それぞれのレーザ光を導く戻り光経路と、この戻り光経
   路にて戻ったそれぞれのレーザ光を受光する受光部とが
   設けられており、前記共振ループ中に光増幅器が介装さ
   れていることを特徴とする光ジャイロ装置。
2. 【請求項２】 光増幅器は、共振ループ内を通過する光
   を励起用レーザにて増幅するファイバ型増幅器であり、
   且つこの光増幅器の両端に、励起光を除くフィルタが設
   けられている請求項１記載の光ジャイロ装置。