JPH06347275A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 同期検波出力に強度変調成分が含まれないよ
うにする。 【構成】 光源１１からの光を偏光子１３を通し、光カ
プラ１４で右、左回り光としてシングルモード光ファイ
バコイル１５に入射し、その左、右回り光をそれぞれデ
ポラライザ１７、１８で非偏光とし、またＰＺＴに光フ
ァイバを巻いた位相変調器１６において周波数ｆ_m で位
相変調し、光ファイバコイル１５を伝搬した左、右回り
光を、光カプラ１４で干渉させ、その干渉を偏光子１３
を通し、光カプラ１２を通して光電気変換回路１９で電
気信号に変換し、その電気信号を周波数ｆ_m で同期検波
してジャイロ出力とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光ファイバコイルに伝
搬させた右回り光と左回り光との位相差を検出して、光
ファイバコイルに印加されるその中心回りの角速度を検
出する光ファイバジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光ファイバジャイロを図１を参照
して説明する。光源１１を出た光は光カプラ１２を通っ
て偏光子１３に通され、偏光子１３により、偏波面保存
光ファイバの主軸のみ伝搬する光とされる。この光は光
分岐結合手段としての光カプラ１４で２分されて、シン
グルモード光ファイバコイル１５に右回り光及び左回り
光として入射される。光カプラ１４と光ファイバコイル
１５の一端との間に光位相変調器１６が直列に挿入され
る。光位相変調器１６は圧電素子に光ファイバが巻かれ
たものであり、光位相変調器１６により上記右回り光、
左回り光はそれぞれ変調周波数ｆ_m で位相変調を受け
る。光ファイバコイル１５の両端と光カプラ１４及び光
位相変調器１６との間にそれぞれデポラライザ１７及び
１８が直列に挿入され、これを通過する光が非偏光とさ
れる。

【０００３】光ファイバコイル１５を伝搬した右回り光
と左回り光とは光カプラ１４で合成干渉し、この干渉光
は偏光子１３を通り、更に光カプラ１２を通って光電変
換回路１９に達し、ここで電気信号に変換される。この
電気信号は同期検波回路２１において、発振器２２から
周波数ｆ_m の信号により同期検波され、その検波出力が
出力端子２３にジャイロ出力として出力される。発振器
２２の出力は変調信号として光位相変調器１６を変調駆
動する。

【０００４】光ファイバコイル１５を伝搬する左、右の
各回り光の電場をＥ_c 、Ｅ_ccとおくと、干渉光の強度は
次式で表せる。 Ｐ≒｜Ｅ_c ｜² ＋｜Ｅ_cc｜² ＋２Ｅ_c Ｅ_ccＪ₀ （α）ｃｏｓΔφ ＋４Ｅ_c Ｅ_ccＪ₁ （α）ｓｉｎΔφ・ｃｏｓω_m （ｔ−τ／２） −４Ｅ_c Ｅ_ccＪ₂ （α）ｃｏｓΔφ・ｃｏｓ２ω_m （ｔ−τ／２） −４Ｅ_c Ｅ_ccＪ₃ （α）ｓｉｎΔφ・ｃｏｓ３ω_m （ｔ−τ／２） …（１） ここでＪ_n （α）は第１種第ｎ次ベッセル関数、α＝２
φ_m ｓｉｎπｆ_m τ、ｆ_m は光位相変調器１６の変調周
波数、Δφは左右両回り光の位相差、τは光が光ファイ
バコイル１５を伝搬する時間、ω_m ＝２πｆ_m である。
Δφ、τはそれぞれ次式で表せる。

【０００５】 Δφ＝４πＲＬ／（Ｃλ）・Ω …（２） τ＝ｎＬ／Ｃ …（３） ここでＲは光ファイバコイル１５の半径、Ｌは光ファイ
バコイル１５の長さ、Ｃは光速、λは光の波長、Ωは入
力角速度、ｎは光ファイバコア１５の屈折率である。

【０００６】（１）式から同期検波回路２１からｓｉｎ
Δφに比例した出力が得られ、またこの同期検波出力の
係数としてＪ₁ （α）が関係していることが理解され
る。上述した光ファイバコイル１５にシングルモード光
ファイバを用い、光ファイバコイル１５を伝搬する左右
両回り光に非偏光を用いた位相変調方式光ファイバジャ
イロは、左右両回り光の干渉光信号を位相変調周波数ｆ
_m で同期検波する場合、従来においては、ジャイロ出力
最適感度を得るために、位相変調信号の基本波成分の係
数Ｊ₁ （α）が最大値をとるように、つまりα＝１．８
４となるように変調電圧Ｖ_m を設定していた。図２に第
１種ベッセル関数のグラフを示す。図から明らかなよう
に、Ｊ₁ （ｘ）の曲線はその引数ｘが１．８４で最大値
を示す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来の光ファイバ
ジャイロにおいては、位相変調信号周波数成分の強度変
調が生じることがわかった。即ち偏波面保存光ファイバ
の主軸、副軸をそれぞれ伝搬する光の電場成分を次のよ
うにおく。 Ｅ_x ＝ａ_x ｓｉｎφ …（４） Ｅ_y ＝ａ_y ｓｉｎ（φ＋δφ） …（５） ここで、ａ_x ，ａ_y はそれぞれ主軸、副軸を伝搬する光
の電場振幅、φは電場の位相、δφは主軸、副軸をそれ
ぞれ伝搬する光の間の位相差である。主軸と偏光子１３
との角度をθとすると光カプラ１４で２分されて光ファ
イバコイル１５を伝搬する左右両回り光のうち、一方の
左回り光が、光ファイバコイル１５と光カプラ１４を通
り、偏光子１３を透過した後の光強度Ｉは Ｉ＝Ｉ_X ＋Ｉ_y ＋２√（Ｉ_x Ｉ_y ）ｃｏｓδφ …（６） δφ＝φ₀ （ｔ）＋δφ_m ｃｏｓ（ω_m ｔ＋ψ） …（７） Ｉ_x ＝（ａ_x ｃｏｓθ）² ，Ｉ_y ＝（ａ_y ｓｉｎθ）² …（８） となる。ここで、φ₀ （ｔ）はゆるやかな温度変化によ
り生じる主軸、副軸伝搬光間の位相差、ω_m は位相変調
角周波数、ψは実際の位相変調からの位相遅れである。
この（６）式におけるｃｏｓδφをベッセル関数に展開
すると、次式のようになる。

【０００８】 ｃｏｓδφ＝ｃｏｓφ₀ （ｔ）｛Ｊ₀ （δφ_m ） −２Ｊ₂ （δφ_m ）ｃｏｓ２（ω_m ｔ＋ψ） ＋２Ｊ₄ （δφ_m ）ｃｏｓ４（ω_m ｔ＋ψ） −２Ｊ₆ （δφ_m ）ｃｏｓ６（ω_m ｔ＋ψ） ＋…｝ −２ｓｉｎφ₀ （ｔ）｛Ｊ₁ （δφ_m ）ｃｏｓ（ω_m ｔ＋ψ） −Ｊ₃ （δφ_m ）ｃｏｓ３（ω_m ｔ＋ψ） ＋Ｊ₅ （δφ_m ）ｃｏｓ５（ω_m ｔ＋ψ） ……｝ …（９） この（９）式からわかるように位相変調信号の基本波成
分が含まれ、これはｓｉｎφ₀ （ｘ）Ｊ₁ （δφ_m ）に
比例している。

【０００９】したがって、干渉光信号には（１）式のみ
ならず（９）式にあるような成分の光が含まれるため、
基本波で干渉光を同期検波した場合、入力角速度の成分
の他に２ｓｉｎφ₀ （ｔ）Ｊ₁ （δφ_m ）という強度変
調に起因する成分まで検出してしまい、これらを分離す
ることができず、ジャイロ出力誤差の原因となる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、シン
グルモード光ファイバを検出用光ファイバコイルに用
い、光ファイバコイルを伝搬する左、右両回り光に非偏
光を用いた位相変調方式光ファイバジャイロにおいて、
第１種第１次ベッセル関数Ｊ₁ （α）の引数αが約５．
４、第１種第１次ベッセル関数Ｊ₁ （δφ_m ）の引数δ
φ_m が約３．８となるように、位相変調周波数ｆ_m 、光
ファイバコイルの長さＬが設定される。δφ_m ＝｜φ_m
−φ′_m ｜≒βφ_m でφ_m は光ファイバコイルに用いら
れる偏波面保存光ファイバの主軸を伝搬する光が受ける
位相変調振幅、φ′_m は偏波面保存光ファイバの副軸を
伝搬する光が受ける位相変調振幅、βは偏波面保存光フ
ァイバの複屈折率であり、α＝２φ_m ／ｓｉｎπｆ_m τ
であり、τは光ファイバコイルの伝搬時間である。

【００１１】この構成によれば、図２の第１種第１次ベ
ッセル関数Ｊ₁ （ｘ）の曲線から明らかなようにｘ＝
３．８でゼロとなり、従ってＪ₁ （δφ_m ）≒０となり
強度変調に起因する変調周波数の基本波成分はゼロにな
る。一方、ｘ＝５．４でＪ₁ （ｘ）は負の最大値とな
り、従ってＪ₁ （α）は比較的大きな値となり、ジャイ
ロ出力も大きなものとなり、しかも強度変調に起因する
誤差は含まれない。

【００１２】

【実施例】前記（１）式で示される干渉光中の変調信号
の基本波成分の係数である第１種第１次ベッセル関数Ｊ
₁ （α）の引数αは前述したように次式で示される。 α＝２φ_m ｓｉｎπｆ_m τ …（１１） τ＝ｎＬ／Ｃ …（１２） また前記（９）式で示される片回り光の強度変調による
光強度中の変調信号の基本波成分の係数である第１種第
１次ベッセル関数Ｊ₁ （δφ_m ）の引数δφ_mは前述し
たように次式で示される。

【００１３】 δφ_m ＝｜φ_m −φ′_m ｜≒βφ_m ≒１０^-3φ_m …（１３） βは偏波面保存光ファイバの複屈折率であり、ほぼ１０
^-3の値をもつ、以後β＝１０^-3と仮定する。δφ_m ／α
を求めると（１１），（１３）式から次のようになる。 δφ_m ／α＝（２ｓｉｎπｆ_m τ）^-1・１０^-3 ≒（２πｆ_m τ）^-1・１０^-3 …（１４） （πｆ_m τは非常に小さい） （１４）式にα＝５．４、δφ_m ＝３．８、ｎ＝１．４
５、ｃ＝３×１０⁸ を代入し、またそのτに（１２）式
を代入すると、 ｆ_m ・Ｌ≒４．６８×１０⁴ Ｈｚ・ｍ となる。ＰＺＴを使用した光位相変調器１６では、最低
共振周波数が数ｋＨｚ程度である。従って、実際に使用
する変調周波数を１ｋＨｚと仮定すると、Ｌ＝４７ｍと
なる。

【００１４】なお、従来においてはα＝１．８としてい
るが、この状態でδφ_m ＝３．８にするには、これらを
前記同一条件で（１４）式に代入すると、ｆ_m ・Ｌ≒
１．５６×１０⁴ となり、変調周波数を同様に１ｋＨｚ
とすると、Ｌ＝１６ｍとなり、光ファイバコイル長が著
しく短かくなり、光ファイバジャイロの感度は光ファイ
バコイル長Ｌに比例するため、実用化できる精度を得る
ことは困難であり、つまりα＝１．８、δφ_m ＝３．８
をとる光ファイバジャイロは実現困難である。

【００１５】上述ではこの発明を開ループ光ファイバジ
ャイロに適用したが閉ループ光ファイバジャイロにも適
用できる。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、検
知用光ファイバコイル１５にシングルモードファイバを
用い、光ファイバコイル１５を伝搬する左右両回り光
に、非偏光を用いた位相変調方式光ファイバジャイロに
おいて、光位相変調器１６により強度変調を受けた片回
り光のうち、変調周波数成分の係数Ｊ₁ （δφ_m ）が第
１種第１次ベッセル関数の引数δφ_m ≒３．８に対応す
る値Ｊ₁ （δφ_m ）≒０をとり、左右両回り光の干渉光
信号のうち変調周波数成分の係数Ｊ₁ （α）が第１種第
１次ベッセル関数の引数α≒５．４に対応する第２ピー
クをとるように、変調周波数ｆ_m 、光ファイバコイル長
Ｌの関係を設定することにより、光ファイバコイルを伝
搬する左右両回り光の干渉光信号の同期検波出力に強度
変調成分が含まれず、最適感度で入力角速度が検出でき
る効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光ファイバジャイロを示すブロック図。

【図２】第１種ベッセル関数のグラフ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を光分岐結合手段により２
   分してシングルモード光ファイバコイルに右回り光及び
   左回り光として入射し、上記光分岐結合手段と上記光フ
   ァイバコイルの一端の間に挿入され、圧電素子に光ファ
   イバを巻きつけた光位相変調器により、上記右回り光及
   び左回り光を周期的に位相変調し、上記光ファイバコイ
   ルを伝搬した右回り光及び左回り光の上記光分岐結合手
   段での干渉光を光電変換回路で電気信号に変換し、その
   電気信号を上記光位相変調器に対する変調信号で同期検
   波する光ファイバジャイロにおいて、 上記右回り光及び左回り光の一方が上記光位相変調器に
   より強度変調を受けた上記変調信号周波数ｆ_m の成分の
   係数である第１種第１次ベッセル関数Ｊ₁ （δφ_m ）の
   引数δφ_m がほぼ３．８となり、 かつ上記干渉光の上記変調信号周波数ｆ_m の成分の係数
   である第１種第１次ベッセル関数Ｊ₁ （α）の引数αが
   ほぼ５．４となるように、 上記変調信号周波数、上記光ファイバコイルの長さが選
   定されていることを特徴とする光ファイバジャイロ。こ
   こで上記δφ_m は｜φ_m −φ′_m ｜≒βφ_m であって、
   φ_m は上記光ファイバコイルの主軸を伝搬する光が受け
   る位相変調振幅、φ′_m は上記光ファイバコイルの副軸
   を伝搬する光が受ける位相変調振幅、βは上記光ファイ
   バコイルの複屈折率、αは２φ_m ｓｉｎ（πｆ_m τ），
   τは上記光ファイバコイル中の光の伝搬時間である。