JPH06235641A - 光ファイバジャイロスコープ - Google Patents
光ファイバジャイロスコープInfo
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- JPH06235641A JPH06235641A JP32536991A JP32536991A JPH06235641A JP H06235641 A JPH06235641 A JP H06235641A JP 32536991 A JP32536991 A JP 32536991A JP 32536991 A JP32536991 A JP 32536991A JP H06235641 A JPH06235641 A JP H06235641A
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- Japan
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- frequency
- light
- optical fiber
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- optical
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 周波数雑音や強度雑音の影響を抑止し、制御
帯域を広くし光散乱によるドリフトを生じない小型化に
適した光ファイバジャイロスコープを提供すること。 【構成】 リング型ファブリ・ペロー共振器６の半値全
幅より充分大きい周波数ｆ1 で半導体レーザ１の高コヒ
ーレント光を変調し、光ファイバ導波路にＥＯモジュレ
ータ３を挿入し左回りの光に対しては搬送周波数成分を
抑止し、リング型ファブリ・ペロー共振器で共振した左
右両回りの光を出射させ検波した後、同期検波を行う。
一方の検波出力は周波数安定化回路９に入力され、半導
体レーザの周波数を共振周波数に固定制御している。Ｄ
ＢＭ１３からジャイロ出力を得る。
帯域を広くし光散乱によるドリフトを生じない小型化に
適した光ファイバジャイロスコープを提供すること。 【構成】 リング型ファブリ・ペロー共振器６の半値全
幅より充分大きい周波数ｆ1 で半導体レーザ１の高コヒ
ーレント光を変調し、光ファイバ導波路にＥＯモジュレ
ータ３を挿入し左回りの光に対しては搬送周波数成分を
抑止し、リング型ファブリ・ペロー共振器で共振した左
右両回りの光を出射させ検波した後、同期検波を行う。
一方の検波出力は周波数安定化回路９に入力され、半導
体レーザの周波数を共振周波数に固定制御している。Ｄ
ＢＭ１３からジャイロ出力を得る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は回転角速度装置，飛行体
航法装置，地震予知検出システム等に用いられるジャイ
ロスコープ，さらに詳しくいえば、リング状にファイバ
を形成し、その中を互いに逆方向に光を伝搬させてお
き、光ファイバループに与えられる回転により生ずるサ
ニャック効果を利用して、回転角速度を検出する光学式
ジャイロスコープに関する。
航法装置，地震予知検出システム等に用いられるジャイ
ロスコープ，さらに詳しくいえば、リング状にファイバ
を形成し、その中を互いに逆方向に光を伝搬させてお
き、光ファイバループに与えられる回転により生ずるサ
ニャック効果を利用して、回転角速度を検出する光学式
ジャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】光学式ジャイロスコープ、特に光ファイ
バを用いたジャイロスコープは長寿命，低エネルギー消
費，小型軽量等を図るうえで適した方式である。そのた
め、マッハ・ツエンダー干渉計，リング・ファブリ・ペ
ロー干渉計を利用したジャイロスコープが研究されてい
る。それら従来技術の１つとして、レーザ周波数もしく
は共振周波数を共振曲線の半値全幅Δνよりも十分に小
さい周波数（例えば数ＫＨｚ）で変調し、共振曲線の微
分特性を周波数弁別特性として用い、左右両回り方向の
共振周波数のずれを測定するものがあった（荒木、大津
「地震検出・予知用 Fabry-Perot 共振器形ファイバジ
ャイロスコープの基礎研究」1985.12 応用物理学会・光
ファイバセンサ研究会 WOFS2-9 ，田井、高橋他「リン
グ共振型光ファイバジャイロスコープ」1987.6 応用物
理学会・光ファイバセンサ研究会 WOFS5-8 等）これら
技術を具体化したものが特開昭６０ー１９５４１５（超
高感度光ファイバジャイロスコープ）に提案されてい
る。
バを用いたジャイロスコープは長寿命，低エネルギー消
費，小型軽量等を図るうえで適した方式である。そのた
め、マッハ・ツエンダー干渉計，リング・ファブリ・ペ
ロー干渉計を利用したジャイロスコープが研究されてい
る。それら従来技術の１つとして、レーザ周波数もしく
は共振周波数を共振曲線の半値全幅Δνよりも十分に小
さい周波数（例えば数ＫＨｚ）で変調し、共振曲線の微
分特性を周波数弁別特性として用い、左右両回り方向の
共振周波数のずれを測定するものがあった（荒木、大津
「地震検出・予知用 Fabry-Perot 共振器形ファイバジ
ャイロスコープの基礎研究」1985.12 応用物理学会・光
ファイバセンサ研究会 WOFS2-9 ，田井、高橋他「リン
グ共振型光ファイバジャイロスコープ」1987.6 応用物
理学会・光ファイバセンサ研究会 WOFS5-8 等）これら
技術を具体化したものが特開昭６０ー１９５４１５（超
高感度光ファイバジャイロスコープ）に提案されてい
る。
【０００３】図７は上記超高感度光ファイバジャイロス
コープの構成を示すブロック図である。図８はその動作
特性を説明するための波形図である。半導体レーザ２１
から出射した光はレンズ２２で集束され、アイソレータ
２３を通ってビームスプリッタ２４により２分岐され
る。２分岐された光はレンズ２５，２６でそれぞれ集束
された後、光ファイバ２７，２８に入射する。光ファイ
バ２７，２８に入射した光は光分岐器２９により光ファ
イバループ３０，３１に導かれ，その中を互いに逆方向
に伝搬する。光ファイバループ３０，３１はいわゆるリ
ング・ファブリ・ペロー干渉計を構成するもので、リン
グ内を繰り返し伝搬してリング共振を生じた互いに逆方
向の光は光分岐器３２より光ファイバ３３，３４に導か
れて，検波器３７，３８により検出される。検波器３
７，３８の出力はロックインアンプ３９，４０にそれぞ
れ入力されて同期検波が行われる。
コープの構成を示すブロック図である。図８はその動作
特性を説明するための波形図である。半導体レーザ２１
から出射した光はレンズ２２で集束され、アイソレータ
２３を通ってビームスプリッタ２４により２分岐され
る。２分岐された光はレンズ２５，２６でそれぞれ集束
された後、光ファイバ２７，２８に入射する。光ファイ
バ２７，２８に入射した光は光分岐器２９により光ファ
イバループ３０，３１に導かれ，その中を互いに逆方向
に伝搬する。光ファイバループ３０，３１はいわゆるリ
ング・ファブリ・ペロー干渉計を構成するもので、リン
グ内を繰り返し伝搬してリング共振を生じた互いに逆方
向の光は光分岐器３２より光ファイバ３３，３４に導か
れて，検波器３７，３８により検出される。検波器３
７，３８の出力はロックインアンプ３９，４０にそれぞ
れ入力されて同期検波が行われる。
【０００４】半導体レーザ２１の光周波数もしくは共振
器の共振周波数は発振器４１の発振周波数ｆｍ（例えば
数ＫＨｚ）で変調されており、上記ロックインアンプ３
９，４０の同期検波も周波数ｆｍで行われている。ロッ
クインアンプ３９の出力は周波数制御回路４２に送られ
る。周波数制御回路４２の出力はミキサ４３で発振器４
１の発振周波数と混合され、半導体レーザ２１に負帰還
が掛けられる。半導体レーザ２１の光周波数はリング・
ファブリ・ペロー干渉計の反時計回り光ビームの共振周
波数特性の中心周波数に追随するように制御される。ロ
ックインアンプ３９，４０からは共振曲線の微分特性で
ある周波数弁別特性が得られる。図８（ａ）にロックイ
ンアンプ３９の検波出力、すなわち共振曲線の微分特性
を、（ｂ）にロックインアンプ４０の検波出力、すなわ
ち共振曲線の微分特性をそれぞれ示す。系が回転する
と、光ジャイロの検出原理であるサニャック効果により
左右両回り方向の共振器に共振周波数のずれが生じ、そ
の結果、ロックインアンプ４０の共振曲線の中心周波数
もずれ、共振曲線の中心周波数が固定化されているロッ
クインアンプ３９の中心周波数を基準に電圧出力Ｖ2 を
得ることができる。
器の共振周波数は発振器４１の発振周波数ｆｍ（例えば
数ＫＨｚ）で変調されており、上記ロックインアンプ３
９，４０の同期検波も周波数ｆｍで行われている。ロッ
クインアンプ３９の出力は周波数制御回路４２に送られ
る。周波数制御回路４２の出力はミキサ４３で発振器４
１の発振周波数と混合され、半導体レーザ２１に負帰還
が掛けられる。半導体レーザ２１の光周波数はリング・
ファブリ・ペロー干渉計の反時計回り光ビームの共振周
波数特性の中心周波数に追随するように制御される。ロ
ックインアンプ３９，４０からは共振曲線の微分特性で
ある周波数弁別特性が得られる。図８（ａ）にロックイ
ンアンプ３９の検波出力、すなわち共振曲線の微分特性
を、（ｂ）にロックインアンプ４０の検波出力、すなわ
ち共振曲線の微分特性をそれぞれ示す。系が回転する
と、光ジャイロの検出原理であるサニャック効果により
左右両回り方向の共振器に共振周波数のずれが生じ、そ
の結果、ロックインアンプ４０の共振曲線の中心周波数
もずれ、共振曲線の中心周波数が固定化されているロッ
クインアンプ３９の中心周波数を基準に電圧出力Ｖ2 を
得ることができる。
【０００５】また、他の従来技術として光源のレーザ周
波数を電気光学素子（ＥＯモジュレータ）および音響光
学素子（ＡＯモジュレータ）により共振曲線の半値全幅
Δνよりも充分大きい周波数（例えば、数十ＭＨｚ〜数
ＧＨｚ）で変調し、共振曲線の分散特性を周波数弁別特
性として用い、左右両回り方向の共振周波数のずれを測
定するものも提案されている（R.Carroll, C.D.Cocool
i, D.Cardarelli, G.T.Coate 「The Passive Resonator
Fiber Optic Gyro and Comparoson to the interferom
eter Fiber Gyro 」SPIE Vol.719,169-177(1986)）。
この方式は高速変調はできないが線幅の狭いガスレーザ
光を出射させ、このガスレーザ光をＥＯモジュレータで
変調して２分し、２分した変調光をそれぞれＡＯモジュ
レータを通した後、リング型ファブリ・ペロー共振器に
互いに逆回りに伝搬するように入射させる。レーザ光は
共振器内で共振し、共振器出射光は受光器で検出され
る。
波数を電気光学素子（ＥＯモジュレータ）および音響光
学素子（ＡＯモジュレータ）により共振曲線の半値全幅
Δνよりも充分大きい周波数（例えば、数十ＭＨｚ〜数
ＧＨｚ）で変調し、共振曲線の分散特性を周波数弁別特
性として用い、左右両回り方向の共振周波数のずれを測
定するものも提案されている（R.Carroll, C.D.Cocool
i, D.Cardarelli, G.T.Coate 「The Passive Resonator
Fiber Optic Gyro and Comparoson to the interferom
eter Fiber Gyro 」SPIE Vol.719,169-177(1986)）。
この方式は高速変調はできないが線幅の狭いガスレーザ
光を出射させ、このガスレーザ光をＥＯモジュレータで
変調して２分し、２分した変調光をそれぞれＡＯモジュ
レータを通した後、リング型ファブリ・ペロー共振器に
互いに逆回りに伝搬するように入射させる。レーザ光は
共振器内で共振し、共振器出射光は受光器で検出され
る。
【０００６】レーザ周波数はＥＯモジュレータで共振曲
線の半値幅Δνより充分大きい周波数ωｍ（２πｆｍ；
例えば数十ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）で変調されており、受光
器出力を周波数ｆｍで同期検波することにより共振曲線
の分散特性である周波数弁別特性を得ている。ここで、
安定にジャイロ出力を得るために、左右両回り光の受光
器出力を一方のＡＯモジュレータの駆動周波数にそれぞ
れ負帰還を掛けて共振点の制御を行っている。系が回転
すると、光ジャイロの検出原理であるサニャック効果に
より左右両回り方向の共振器に共振周波数のずれが生
じ、２つのＡＯモジュレータの駆動周波数の出力の差か
らジャイロ出力を求めることができる。
線の半値幅Δνより充分大きい周波数ωｍ（２πｆｍ；
例えば数十ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）で変調されており、受光
器出力を周波数ｆｍで同期検波することにより共振曲線
の分散特性である周波数弁別特性を得ている。ここで、
安定にジャイロ出力を得るために、左右両回り光の受光
器出力を一方のＡＯモジュレータの駆動周波数にそれぞ
れ負帰還を掛けて共振点の制御を行っている。系が回転
すると、光ジャイロの検出原理であるサニャック効果に
より左右両回り方向の共振器に共振周波数のずれが生
じ、２つのＡＯモジュレータの駆動周波数の出力の差か
らジャイロ出力を求めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記前者の電圧出力タ
イプのものと、後者の周波数出力タイプのものにはそれ
ぞれ次のような欠点があった。前者については、変調周
波数帯域やジャイロに使用する周波数の帯域で光源の周
波数雑音や強度雑音が大きいため、ジャイロの理論限界
であるショットノイズリミットが達成できない。すなわ
ち、ノイズがあるために最小分解能が良くなかった。ま
た、制御帯域は同期検波の最終段に入るローパスフィル
タの帯域で決定されるが、変調周波数が小さいためロー
パスフィルタの帯域はさらに小さくなり、制御帯域が狭
かった。さらにフィルタ内部で散乱があった場合には、
右回り光と左回り光とが干渉しドリフトが生じていた。
イプのものと、後者の周波数出力タイプのものにはそれ
ぞれ次のような欠点があった。前者については、変調周
波数帯域やジャイロに使用する周波数の帯域で光源の周
波数雑音や強度雑音が大きいため、ジャイロの理論限界
であるショットノイズリミットが達成できない。すなわ
ち、ノイズがあるために最小分解能が良くなかった。ま
た、制御帯域は同期検波の最終段に入るローパスフィル
タの帯域で決定されるが、変調周波数が小さいためロー
パスフィルタの帯域はさらに小さくなり、制御帯域が狭
かった。さらにフィルタ内部で散乱があった場合には、
右回り光と左回り光とが干渉しドリフトが生じていた。
【０００８】後者については、光源にガスレーザを用い
ているので、直接変調制御ができず、小型化には適して
いなかった。レーザを直接変調制御できないということ
は光学機能素子で変調しなければならず、そのためにＥ
Ｏモジュレータに加えて２つのＡＯモジュレータも設け
る必要があり光学機能素子が多くなっていた。また、Ａ
Ｏモジュレータを用いているので、光路の途中で空間伝
搬を余儀なくされ、光の損失が生じやすく、振動に弱か
った。さらに、回転角速度が小さい場合、ファイバ内部
で散乱があるときには右回り光と左回り光が干渉し、大
きいドリフトが発生した。本発明の目的は上記した欠点
をすべて解決するもので、半導体レーザ，半導体レーザ
を直接変調する発振器，オール光ファイバ導波路および
その導波路に光学機能素子としてＥＯモジュレータを用
いることにより周波数雑音や強度雑音の影響を受けにく
くて制御帯域が広く、かつ、ファイバ内でドリフトが生
じない小型化に有利で精度の良好な光ファイバジャイロ
スコープを提供することにある。
ているので、直接変調制御ができず、小型化には適して
いなかった。レーザを直接変調制御できないということ
は光学機能素子で変調しなければならず、そのためにＥ
Ｏモジュレータに加えて２つのＡＯモジュレータも設け
る必要があり光学機能素子が多くなっていた。また、Ａ
Ｏモジュレータを用いているので、光路の途中で空間伝
搬を余儀なくされ、光の損失が生じやすく、振動に弱か
った。さらに、回転角速度が小さい場合、ファイバ内部
で散乱があるときには右回り光と左回り光が干渉し、大
きいドリフトが発生した。本発明の目的は上記した欠点
をすべて解決するもので、半導体レーザ，半導体レーザ
を直接変調する発振器，オール光ファイバ導波路および
その導波路に光学機能素子としてＥＯモジュレータを用
いることにより周波数雑音や強度雑音の影響を受けにく
くて制御帯域が広く、かつ、ファイバ内でドリフトが生
じない小型化に有利で精度の良好な光ファイバジャイロ
スコープを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明による光ファイバジャイロスコープはリング型
ファブリ・ペロー共振器と、高コヒーレンス光を出力す
る半導体レーザと、前記リング型ファブリ・ペロー共振
器の半値全幅よりも高い周波数で前記半導体レーザの高
コヒーレント光を変調する局部発振器と、前記半導体レ
ーザが出力する光変調波を光ファイバに導入し、第１の
方向性結合器によって前記光変調波を２分岐し、この２
分岐した光変調波を第２の方向性結合器によって前記リ
ング型ファブリ・ペロー共振器に出射し、前記リング型
ファブリ・ペロー共振器から戻ってくる右回りおよび左
回り光を前記第２の方向性結合器によって導入し、第３
および第４の方向性結合器から前記右回りおよび左回り
光をそれぞれ出射する光ファイバ導波部と、前記光ファ
イバ導波部の２分岐された一方の光ファイバ経路に挿入
され、前記光変調波を位相変調して搬送周波数成分を抑
圧する電気光学素子と、前記第３および第４の方向性結
合器に接続されている光ファイバより出力される右回り
および左回り光を電気変換する第１および第２の光検出
器と、前記第１および第２の光検出器出力を前記高い周
波数でそれぞれ同期検波する第１および第２の同期検波
器と、前記同期検波器の一方の出力を入力し、前記半導
体レーザに負帰還を与えて光変調波を共振周波数に固定
する周波数安定化回路とを含み、前記リング型ファブリ
・ペロー共振器に角速度が与えられたとき、前記同期検
波器より得られる分散特性よりジャイロ出力を得るよう
に構成してある。また、上記構成に、前記同期検波器の
他方の出力に応じて鋸歯状波を発生し、前記電気光学素
子に負帰還を掛けて左右両回り光のどちらか一方の光変
調波を共振点に一致させるように制御を行う鋸歯状波発
生回路を設け、前記鋸歯状波発生回路の鋸歯状波の周波
数または振幅よりジャイロ出力を得るように構成してあ
る。
に本発明による光ファイバジャイロスコープはリング型
ファブリ・ペロー共振器と、高コヒーレンス光を出力す
る半導体レーザと、前記リング型ファブリ・ペロー共振
器の半値全幅よりも高い周波数で前記半導体レーザの高
コヒーレント光を変調する局部発振器と、前記半導体レ
ーザが出力する光変調波を光ファイバに導入し、第１の
方向性結合器によって前記光変調波を２分岐し、この２
分岐した光変調波を第２の方向性結合器によって前記リ
ング型ファブリ・ペロー共振器に出射し、前記リング型
ファブリ・ペロー共振器から戻ってくる右回りおよび左
回り光を前記第２の方向性結合器によって導入し、第３
および第４の方向性結合器から前記右回りおよび左回り
光をそれぞれ出射する光ファイバ導波部と、前記光ファ
イバ導波部の２分岐された一方の光ファイバ経路に挿入
され、前記光変調波を位相変調して搬送周波数成分を抑
圧する電気光学素子と、前記第３および第４の方向性結
合器に接続されている光ファイバより出力される右回り
および左回り光を電気変換する第１および第２の光検出
器と、前記第１および第２の光検出器出力を前記高い周
波数でそれぞれ同期検波する第１および第２の同期検波
器と、前記同期検波器の一方の出力を入力し、前記半導
体レーザに負帰還を与えて光変調波を共振周波数に固定
する周波数安定化回路とを含み、前記リング型ファブリ
・ペロー共振器に角速度が与えられたとき、前記同期検
波器より得られる分散特性よりジャイロ出力を得るよう
に構成してある。また、上記構成に、前記同期検波器の
他方の出力に応じて鋸歯状波を発生し、前記電気光学素
子に負帰還を掛けて左右両回り光のどちらか一方の光変
調波を共振点に一致させるように制御を行う鋸歯状波発
生回路を設け、前記鋸歯状波発生回路の鋸歯状波の周波
数または振幅よりジャイロ出力を得るように構成してあ
る。
【００１０】
【実施例】以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく
説明する。図１は本発明による光ファイバジャイロスコ
ープの実施例を示す回路ブロック図である。局部発振器
１１は例えばｆ1 ＝１０ＭＨｚで発振し、その出力は半
導体レーザ１，ダブルバランスドミキサ８（ＤＢＭ１）
および１３（ＤＢＭ２）にそれぞれ供給される。このｆ
1 ＝１０ＭＨｚはリング型ファブリ・ペロー共振器６の
半値全幅（例えばΔν＝１ＭＨｚ）より充分高い周波数
である。半導体レーザ１が出力する高コヒーレントの光
は局部発振器１１からの駆動周波数によって直接変調さ
れる。半導体レーザから出力される光変調波は図示しな
いアイソレータ，レンズを介して光ファイバＬ１に入射
する。光ファイバ導波路は光ファイバＬ１，Ｌ２，Ｌ
３，Ｌ６およびＬ７ならびに方向性結合器２，４，５お
よび１６より構成されている。光ファイバＬ１を伝搬す
る光変調波は方向性結合器２によって２分岐される。光
ファイバＬ２には電気光学素子（以下「ＥＯモジュレー
タ」という）３が挿入されており、光ファイバＬ２を伝
搬する光はＥＯモジュレータ３によって変調を受け、搬
送周波数成分が抑制される。ＥＯモジュレータ３は局部
発振器１４の発振周波数（例えばｆ2 ＝２ＭＨｚ）によ
り駆動される。ＥＯモジュレータ３を通過した光変調波
は方向性結合器４を通過し方向性結合器１６よりリング
型ファブリ・ペロー共振器６に入射して左回り光にな
る。一方、方向性結合器２より光ファイバＬ３に分岐し
た光変調波は方向性結合器５を通過し方向性結合器１６
よりリング型ファブリ・ペロー共振器６に同様に入射し
て右回り光になる。
説明する。図１は本発明による光ファイバジャイロスコ
ープの実施例を示す回路ブロック図である。局部発振器
１１は例えばｆ1 ＝１０ＭＨｚで発振し、その出力は半
導体レーザ１，ダブルバランスドミキサ８（ＤＢＭ１）
および１３（ＤＢＭ２）にそれぞれ供給される。このｆ
1 ＝１０ＭＨｚはリング型ファブリ・ペロー共振器６の
半値全幅（例えばΔν＝１ＭＨｚ）より充分高い周波数
である。半導体レーザ１が出力する高コヒーレントの光
は局部発振器１１からの駆動周波数によって直接変調さ
れる。半導体レーザから出力される光変調波は図示しな
いアイソレータ，レンズを介して光ファイバＬ１に入射
する。光ファイバ導波路は光ファイバＬ１，Ｌ２，Ｌ
３，Ｌ６およびＬ７ならびに方向性結合器２，４，５お
よび１６より構成されている。光ファイバＬ１を伝搬す
る光変調波は方向性結合器２によって２分岐される。光
ファイバＬ２には電気光学素子（以下「ＥＯモジュレー
タ」という）３が挿入されており、光ファイバＬ２を伝
搬する光はＥＯモジュレータ３によって変調を受け、搬
送周波数成分が抑制される。ＥＯモジュレータ３は局部
発振器１４の発振周波数（例えばｆ2 ＝２ＭＨｚ）によ
り駆動される。ＥＯモジュレータ３を通過した光変調波
は方向性結合器４を通過し方向性結合器１６よりリング
型ファブリ・ペロー共振器６に入射して左回り光にな
る。一方、方向性結合器２より光ファイバＬ３に分岐し
た光変調波は方向性結合器５を通過し方向性結合器１６
よりリング型ファブリ・ペロー共振器６に同様に入射し
て右回り光になる。
【００１１】図２にＥＯモジュレータを通って左回り光
となる光変調波とＥＯモジュレータを通らない右回り光
となる光変調波のスペクトルを示す。右回り光は搬送波
周波数を中心に左右にサイドバンドが発生している。左
回り光はＥＯモジュレータで位相変調を受けることによ
り右回り光に存在する搬送周波数成分とサイドバンドが
抑制されている。抑制された周波数の左右にはさらに位
相変調によりサイドバンドが発生した波形となる。リン
グ型ファブリ・ペロー共振器６の左回り光はこのリング
を繰り返し伝搬することにより共振し方向性結合器１６
より出射され、光ファイバＬ３を通り、さらに方向性結
合器５より光ファイバＬ７に入射して光ファイバＬ７の
先端に配置されている光検出器１２で検出される。同様
にリング型ファブリ・ペロー共振器６の右回り光はこの
リングを繰り返し伝搬することにより共振し方向性結合
器１６より出射され、光ファイバＬ２を通り、さらに方
向性結合器４より光ファイバＬ６に入射して光ファイバ
Ｌ６の先端に配置されている光検出器７で検出される。
光検出器７および１２で光／電気変換された信号はそれ
ぞれダブルバランスドミキサ（以下「ＤＢＭ」という）
８および１３に導かれ、同期検波される。すなわち、上
述したようにＤＢＭ８および１３は局部発振器１１のｆ
1 の周波数で駆動されており、ｆ1 の周波数と光検出器
７および１２から電気信号がそれぞれ混合され、共振曲
線の分散特性である周波数弁別特性が出力される。
となる光変調波とＥＯモジュレータを通らない右回り光
となる光変調波のスペクトルを示す。右回り光は搬送波
周波数を中心に左右にサイドバンドが発生している。左
回り光はＥＯモジュレータで位相変調を受けることによ
り右回り光に存在する搬送周波数成分とサイドバンドが
抑制されている。抑制された周波数の左右にはさらに位
相変調によりサイドバンドが発生した波形となる。リン
グ型ファブリ・ペロー共振器６の左回り光はこのリング
を繰り返し伝搬することにより共振し方向性結合器１６
より出射され、光ファイバＬ３を通り、さらに方向性結
合器５より光ファイバＬ７に入射して光ファイバＬ７の
先端に配置されている光検出器１２で検出される。同様
にリング型ファブリ・ペロー共振器６の右回り光はこの
リングを繰り返し伝搬することにより共振し方向性結合
器１６より出射され、光ファイバＬ２を通り、さらに方
向性結合器４より光ファイバＬ６に入射して光ファイバ
Ｌ６の先端に配置されている光検出器７で検出される。
光検出器７および１２で光／電気変換された信号はそれ
ぞれダブルバランスドミキサ（以下「ＤＢＭ」という）
８および１３に導かれ、同期検波される。すなわち、上
述したようにＤＢＭ８および１３は局部発振器１１のｆ
1 の周波数で駆動されており、ｆ1 の周波数と光検出器
７および１２から電気信号がそれぞれ混合され、共振曲
線の分散特性である周波数弁別特性が出力される。
【００１２】図３にＤＢＭ８および１３から出力される
周波数弁別特性を示す。ＤＢＭ８の出力は周波数安定化
回路９に導かれ、周波数安定化回路９の出力は半導体レ
ーザ１に帰還される。周波数安定化回路９はＤＢＭ８の
出力に基づき駆動回路１０を駆動し半導体レーザ１の光
変調波の共振周波数を固定するように制御する。リング
型ファブリ・ペロー共振器６が回転すると、光ジャイロ
の検出原理であるサニャック効果により左右両回りの光
の共振周波数にずれが生じる。図４に左右両回りの光の
共振周波数がずれた場合のＤＢＭ８および１３の出力を
示す。ＤＢＭ８の中心点を基準にすると、ＤＢＭ１３に
そのずれが生じその出力の差よりジャイロ出力を求める
ことができる。ＥＯモジュレータ３を通過する光変調波
はその搬送周波数成分が０に抑制されているため、例え
ばファイバ中に散乱が生じてもドリフトの原因にはなら
ない。図３に示されている分散特性は中心をＤとして対
称型となっている。この分散特性のＤ点では光源の周波
数雑音は理論的に０であり、また、半導体レーザの強度
雑音がほぼショットノイズリミットであるような高い周
波数帯で変調しているので、光源の雑音の影響は非常に
小さく、制御帯域も充分大きくなっている。光源は半導
体レーザであるので、直接変調をかけて光源自体が変調
素子を兼ねることができ、小型化に適している。
周波数弁別特性を示す。ＤＢＭ８の出力は周波数安定化
回路９に導かれ、周波数安定化回路９の出力は半導体レ
ーザ１に帰還される。周波数安定化回路９はＤＢＭ８の
出力に基づき駆動回路１０を駆動し半導体レーザ１の光
変調波の共振周波数を固定するように制御する。リング
型ファブリ・ペロー共振器６が回転すると、光ジャイロ
の検出原理であるサニャック効果により左右両回りの光
の共振周波数にずれが生じる。図４に左右両回りの光の
共振周波数がずれた場合のＤＢＭ８および１３の出力を
示す。ＤＢＭ８の中心点を基準にすると、ＤＢＭ１３に
そのずれが生じその出力の差よりジャイロ出力を求める
ことができる。ＥＯモジュレータ３を通過する光変調波
はその搬送周波数成分が０に抑制されているため、例え
ばファイバ中に散乱が生じてもドリフトの原因にはなら
ない。図３に示されている分散特性は中心をＤとして対
称型となっている。この分散特性のＤ点では光源の周波
数雑音は理論的に０であり、また、半導体レーザの強度
雑音がほぼショットノイズリミットであるような高い周
波数帯で変調しているので、光源の雑音の影響は非常に
小さく、制御帯域も充分大きくなっている。光源は半導
体レーザであるので、直接変調をかけて光源自体が変調
素子を兼ねることができ、小型化に適している。
【００１３】図５は本発明の他の実施例を示す回路ブロ
ック図である。この実施例はジャイロ出力を周波数出力
として取り出す場合の例である。同図において、図１と
同じ符号を付してある部分は同じ機能を果たす部分であ
る。ＤＢＭ１３の出力に鋸歯状波発生回路１５を接続し
て、その出力をＥＯモジュレータ３に帰還してある。他
の回路部分の構成は変わらない。鋸歯状波発生回路１５
はＤＢＭ１３の出力に基づき、その鋸歯状波の周波数を
制御することにより左回りの光の周波数を変化させて共
振点を固定する制御を行う。
ック図である。この実施例はジャイロ出力を周波数出力
として取り出す場合の例である。同図において、図１と
同じ符号を付してある部分は同じ機能を果たす部分であ
る。ＤＢＭ１３の出力に鋸歯状波発生回路１５を接続し
て、その出力をＥＯモジュレータ３に帰還してある。他
の回路部分の構成は変わらない。鋸歯状波発生回路１５
はＤＢＭ１３の出力に基づき、その鋸歯状波の周波数を
制御することにより左回りの光の周波数を変化させて共
振点を固定する制御を行う。
【００１４】図６は鋸歯状波よりジャイロ出力を取り出
すことができる原理を説明するための図である。図６
（ａ）において、光の位相が時刻ｔ＝０から実線のよう
に変化すると、周波数は図６（ｂ）の実線で示すように
ステップ状に変化する。周波数変化量は位相変化の傾き
による。例えば、図６（ａ）の傾きが２倍になると周波
数変化も２倍になり、一点鎖線のように位相がマイナス
側に変化すると、周波数変化量もマイナスに変化する。
しかしながら、位相変調器の変化範囲は有限であり、こ
のままでは実現できない。そのため図６（ｃ）に示す鋸
歯状波で変調する。これにより図６（ｄ）に示すように
周波数は変化するので、求める周波数変化量が得られて
いる間、ゲートを開く操作を行うことにより、図６
（ｂ）に示す周波数特性を得ることができる。周波数変
化量を変えるには位相変化の傾きを変えれば良い。よっ
て鋸歯状波周波数または振幅を変化させれば左回りの光
の周波数を変えることができ共振点を固定できる。図５
において、系が回転してサニャック効果により左右両回
りの共振周波数のずれが生じた場合、鋸歯状波発生回路
１５はその共振周波数を一致させるようにその鋸歯状波
の周波数を変化させる。この鋸歯状波の変化量によりジ
ャイロ出力を求めることができる。ＥＯモジュレータ３
を通過する光変調波はその搬送波成分が０となっている
ので、回転角速度が小さいとき、ファイバ中の散乱が存
在してもドリフトの原因にはならない。
すことができる原理を説明するための図である。図６
（ａ）において、光の位相が時刻ｔ＝０から実線のよう
に変化すると、周波数は図６（ｂ）の実線で示すように
ステップ状に変化する。周波数変化量は位相変化の傾き
による。例えば、図６（ａ）の傾きが２倍になると周波
数変化も２倍になり、一点鎖線のように位相がマイナス
側に変化すると、周波数変化量もマイナスに変化する。
しかしながら、位相変調器の変化範囲は有限であり、こ
のままでは実現できない。そのため図６（ｃ）に示す鋸
歯状波で変調する。これにより図６（ｄ）に示すように
周波数は変化するので、求める周波数変化量が得られて
いる間、ゲートを開く操作を行うことにより、図６
（ｂ）に示す周波数特性を得ることができる。周波数変
化量を変えるには位相変化の傾きを変えれば良い。よっ
て鋸歯状波周波数または振幅を変化させれば左回りの光
の周波数を変えることができ共振点を固定できる。図５
において、系が回転してサニャック効果により左右両回
りの共振周波数のずれが生じた場合、鋸歯状波発生回路
１５はその共振周波数を一致させるようにその鋸歯状波
の周波数を変化させる。この鋸歯状波の変化量によりジ
ャイロ出力を求めることができる。ＥＯモジュレータ３
を通過する光変調波はその搬送波成分が０となっている
ので、回転角速度が小さいとき、ファイバ中の散乱が存
在してもドリフトの原因にはならない。
【００１５】
【発明の効果】以上、説明したように本発明による光フ
ァイバジャイロスコープは光源として半導体レーザを用
いているので、直接変調制御ができ、装置の小型化を実
現できる。また、使用している光学機能素子はＥＯモジ
ュレータのみであるので、この点でも小型化に有利であ
る。また、半導体レーザを出射してから光検出器に入射
するまでの経路はすべて光ファイバによって構成されて
いるので、光損失の影響は小さく振動にも強い装置を提
供できる。さらに、左回りの光の搬送周波数成分をＥＯ
モジュレータで０としているので、ドリフトが生じるこ
とはなく、半導体レーザはリング型ファブリ・ペロー共
振器６の半値全幅より充分大きい周波数で直接変調され
ているので、周波数雑音や強度雑音の影響を受けにくく
制御の帯域も広くなる等、従来の光ジャイロスコープの
問題は全て解決できる。
ァイバジャイロスコープは光源として半導体レーザを用
いているので、直接変調制御ができ、装置の小型化を実
現できる。また、使用している光学機能素子はＥＯモジ
ュレータのみであるので、この点でも小型化に有利であ
る。また、半導体レーザを出射してから光検出器に入射
するまでの経路はすべて光ファイバによって構成されて
いるので、光損失の影響は小さく振動にも強い装置を提
供できる。さらに、左回りの光の搬送周波数成分をＥＯ
モジュレータで０としているので、ドリフトが生じるこ
とはなく、半導体レーザはリング型ファブリ・ペロー共
振器６の半値全幅より充分大きい周波数で直接変調され
ているので、周波数雑音や強度雑音の影響を受けにくく
制御の帯域も広くなる等、従来の光ジャイロスコープの
問題は全て解決できる。
【図１】本発明による光ファイバジャイロスコープの実
施例を示す回路ブロック図である。
施例を示す回路ブロック図である。
【図２】ＥＯＭで位相変調を受けたのちの周波数変調波
（左回り光）と位相変調を受けない周波数変調波（右回
り光）のスペクトル分布を示す図である。
（左回り光）と位相変調を受けない周波数変調波（右回
り光）のスペクトル分布を示す図である。
【図３】図１のＤＢＭから出力される分散特性を示す波
形図である。
形図である。
【図４】ジャイロ出力を検出する方法を説明するための
図である。
図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す回路ブロック図であ
る。
る。
【図６】位相と周波数シフトの関係を説明するための図
である。
である。
【図７】従来の光ファイバジャイロスコープの例を示す
ブロック図である。
ブロック図である。
【図８】図７の動作特性を説明するための波形図であ
る。
る。
１…半導体レーザ ２，４，５，１６…方向性結合器 ３…電気光学素子（位相変調素子） ６…リング型ファブリ・ペロー共振器 ７，１２…光検出器 ８，１３…ダブルバランスドミキサ ９…周波数安定化回路 １０…駆動回路 １１，１４…局部発振器 １５…鋸歯状波発生回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大津 元一 神奈川県大和市つきみ野１−15−42
Claims (2)
- 【請求項１】 リング型ファブリ・ペロー共振器と、 高コヒーレンス光を出力する半導体レーザと、 前記リング型ファブリ・ペロー共振器の半値全幅よりも
高い周波数で前記半導体レーザの高コヒーレント光を変
調する局部発振器と、 前記半導体レーザが出力する光変調波を光ファイバに導
入し，第１の方向性結合器によって前記光変調波を２分
岐し，この２分岐した光変調波を第２の方向性結合器に
よって前記リング型ファブリ・ペロー共振器に出射し，
前記リング型ファブリ・ペロー共振器から戻ってくる右
回りおよび左回り光を前記第２の方向性結合器によって
導入し，第３および第４の方向性結合器から前記右回り
および左回り光をそれぞれ出射する光ファイバ導波部
と、 前記光ファイバ導波部の２分岐された一方の光ファイバ
経路に挿入され，前記光変調波を位相変調して搬送周波
数成分を抑圧する電気光学素子と、 前記第３および第４の方向性結合器に接続されている光
ファイバより出力される右回りおよび左回り光を電気変
換する第１および第２の光検出器と、 前記第１および第２の光検出器出力を前記高い周波数で
それぞれ同期検波する第１および第２の同期検波器と、 前記同期検波器の一方の出力を入力し，前記半導体レー
ザに負帰還を与えて光変調波を共振周波数に固定する周
波数安定化回路とを含み、 前記リング型ファブリ・ペロー共振器に角速度が与えら
れたとき，前記同期検波器より得られる分散特性よりジ
ャイロ出力を得るように構成したことを特徴とする光フ
ァイバジャイロスコープ。 - 【請求項２】 前記同期検波器の他方の出力に応じて鋸
歯状波を発生し，前記電気光学素子に負帰還を掛けて左
右両回り光のどちらか一方の光変調波を共振点に一致さ
せるように制御を行う鋸歯状波発生回路を設け，前記鋸
歯状波発生回路の鋸歯状波の周波数または振幅よりジャ
イロ出力を得るように構成した請求項１記載の光ファイ
バジャイロスコープ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32536991A JPH06235641A (ja) | 1991-11-13 | 1991-11-13 | 光ファイバジャイロスコープ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32536991A JPH06235641A (ja) | 1991-11-13 | 1991-11-13 | 光ファイバジャイロスコープ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06235641A true JPH06235641A (ja) | 1994-08-23 |
Family
ID=18176066
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32536991A Pending JPH06235641A (ja) | 1991-11-13 | 1991-11-13 | 光ファイバジャイロスコープ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06235641A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010243493A (ja) * | 2009-04-01 | 2010-10-28 | Honeywell Internatl Inc | 共振器ファイバ光ジャイロスコープ強度変調コントロールのためのシステムと方法 |
| CN102628893A (zh) * | 2012-04-13 | 2012-08-08 | 大连理工大学 | 一种光子集成微波频率测量系统及方法 |
| US9008221B2 (en) | 2013-04-01 | 2015-04-14 | Honeywell International Inc. | Spurious frequency attenuation servo |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60195415A (ja) * | 1984-03-17 | 1985-10-03 | Tokyo Inst Of Technol | 超高感度光フアイバ・ジヤイロスコ−プ |
| JPS6247516A (ja) * | 1985-08-23 | 1987-03-02 | ノ−スロツプ・コ−ポレ−シヨン | 薄膜レ−ザジャイロ |
| JPH0296611A (ja) * | 1988-10-03 | 1990-04-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 受動型リング共振方式光ジャイロ |
| JPH03170016A (ja) * | 1989-09-07 | 1991-07-23 | Honeywell Inc | 二重セロダイン共振器光フアイバジヤイロスコープ |
-
1991
- 1991-11-13 JP JP32536991A patent/JPH06235641A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60195415A (ja) * | 1984-03-17 | 1985-10-03 | Tokyo Inst Of Technol | 超高感度光フアイバ・ジヤイロスコ−プ |
| JPS6247516A (ja) * | 1985-08-23 | 1987-03-02 | ノ−スロツプ・コ−ポレ−シヨン | 薄膜レ−ザジャイロ |
| JPH0296611A (ja) * | 1988-10-03 | 1990-04-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 受動型リング共振方式光ジャイロ |
| JPH03170016A (ja) * | 1989-09-07 | 1991-07-23 | Honeywell Inc | 二重セロダイン共振器光フアイバジヤイロスコープ |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010243493A (ja) * | 2009-04-01 | 2010-10-28 | Honeywell Internatl Inc | 共振器ファイバ光ジャイロスコープ強度変調コントロールのためのシステムと方法 |
| JP2013019915A (ja) * | 2009-04-01 | 2013-01-31 | Honeywell Internatl Inc | 共振器ファイバ光ジャイロスコープ強度変調コントロールのためのシステムと方法 |
| US8699034B2 (en) | 2009-04-01 | 2014-04-15 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for resonator fiber optic gyroscope intensity modulation control |
| CN102628893A (zh) * | 2012-04-13 | 2012-08-08 | 大连理工大学 | 一种光子集成微波频率测量系统及方法 |
| US9008221B2 (en) | 2013-04-01 | 2015-04-14 | Honeywell International Inc. | Spurious frequency attenuation servo |
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