JPH07117417B2 - 偏光しない光を用いる光ファイバ回転センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明はジャイロスコープのような回転センサに関す
るものであり、特に光ファイバ回転センサに関するもの
である。

光ファイバ回転センサは、移動部分なしで作動するので
特に有利であり、かつそれゆえに潜在的に非常に信頼で
きる。典型的には、光ファイバコイルによって形成され
る閉ループのまわりの対向する方向に伝播する光波間
の、回転的に誘起される移相、通常“Sagnac移相”とし
て示されており、この移相を検出することによって回転
検知が達成される。この“Sagnac"移相は周知の関係、 φ_ｓ＝８πNAΩ／λＣ によって規定される。ここで、Ａは光ファイバのループ
によって囲まれた面積であり、Ｎは面積Ａのまわりの光
ファイバのターン数であり、オメガ（Ω）はループ面に
垂直な軸のまわりのループの角速度であり、かつラムダ
（λ）およびＣはループに与えられる光の波長および速
度のそれぞれ自由空間値である。

光ファイバ回転センサの技術は現状は単一モード光ファ
イバを介して偏光を用いている。これまでの開発努力
は、単一モードファイバが２個の直交する偏光モードを
有し、その各々は一般に他方と異なる速度で光を伝播す
るというため、回転センサの非相反動作によって特徴づ
けられていた。単一モードファイバの残留複屈折によ
り、この偏光のあるものは２つの偏光モードの他方へ交
差結合されていた。したがって、２つの偏光モードにお
ける伝播速度が異なるため、非回転的に誘起された移相
が導入され、それによって回転センサの非相反動作を生
じた。後でわかったことであるが、相反動作は他方の偏
光モードへ交差結合された光を阻止するため回転センサ
の出力側で偏光子を配置することによって達成されるこ
とができた。他の解決は偏光制御装置を、1982年３月31
日に出願された国際出願番号PCT/US82/00400、“光ファ
イバ回転センサ”に開示される出力偏光子と組合わせ
て、または別々に用いることであった。

用語“相反の（reciprocal）”および“非相反の（non
−reciprocal）”は明細書を通じて、ループが静止して
いるとき光波がファイバループのまわりを伝播するので
光波がファイバによって影響される態様を示すための用
いられる。“相反の”は、ループが静止した状態で、対
向して伝播する光波の各々は同一の光学距離長さを進行
し、そのため光波がループを横切った後その間には何の
位相差がないということを意味する。他方、“非相反
の”は、ループが静止状態で、対向して伝播する光波の
光学距離長さが異なっており、そのためそれらがループ
を横切った後光波間に位相差があるであろうということ
を意味する。

発明の概要 この発明は実質的に偏光していない光を利用する光ファ
イバジャイロスコープを提供する。ここに用いられる用
語“偏光しない光”は任意の２個の直交する偏光状態に
おいて等しい強度を有する光として定義されており、こ
れらの直交する偏光状態の光のコンポーネントは時間と
ともにランダムに変化する位相差を有する。驚くべきこ
とに、発明者達は、２個の偏光モード間の間に実質的な
交差結合が生じても、出力偏光子または他の特別な装置
なしで、単一モード光ファイバを用いて、光ファイバ回
転センサの相反動作が、偏光しない光を用いることによ
って行なわれるということを発見した。このような相反
動作は、少なくとも部分的には、光源が偏光されていな
いので、２個の直交する偏光モードで伝播する光は非コ
ヒーレントであろうという事実による。このように、非
回転的に誘起した、光波の非コヒーレントコンポーネン
ト間の移相は検出器において０に平均化される。さら
に、光のコヒーレントコンポーネント間の非回転的に誘
器した移相は大きさが等しくて位相角が逆のベクトルに
分解し、そのためこれらのベクトルの非相反コンポーネ
ントが互いに打ち消されるということを発見した。この
ように、偏光しない光を用いることによって、対向して
伝播している光波間の非回転的に誘起される移相は、相
反動作を行ないながら、偏光子または他の特別な装置な
しで効果的に除去される。

偏光しない光を用いる他の意義ある利点は、回転センサ
は、対向して伝播している光波間の位相差がπ/2の奇数
倍であるときは周囲の状態の変化によって影響されない
ということである。このように、そのような対向して伝
播する光波の位相差をπ/2（またはその奇数倍）へバイ
アスすることによって、システムが静止状態のとき、回
転センサは安定した動作点を有し、すなわち、重畳した
対向して伝播する光波の平均強度の大きさは一定であ
り、かつファイバの複屈折の変化を生じる、温度のよう
な周囲のファクタの変化に対して独立である。

この発明のさらに他の利点は、両方の偏光モードを用い
ることによって光源からの光のより大きな部分の伝達を
可能にし、かつしたがって、偏光モードの１つを阻止す
るため出力偏光子の利用に関連する損失を除去するとい
うことである。

図面の簡単な説明 この発明のこれらおよび他の利点は図面を参照して最も
よく理解される。

第１図はこの発明のコンポーネント部分を図解する概略
図である。

第２図はこの発明に用いるための好ましいタイプの結合
器の、部分断面を含む正面図である。

第３図はそれぞれのループを表わす単一モードファイバ
の概念的な概略図であり、それぞれファイバの２個の偏
光モードを表わすＸおよびＹチャネルを示し、それらの
間の交差結合を示し、かつファイバを通じて対向して伝
播する光波W1,W2のコンポーネントを示す。

第４図は第３図の単一モードファイバの概略図であり、
それらが結合器14で結合される前に、それらがファイバ
を介して伝播した後の光波W1,W2のコンポーネントを示
す。

第５図は複素平面における結合された波W1,W2の強度コ
ンポーネントを示すベクトル図である。

第６図は第５図のベクトル図に類似するベクトル図であ
り、強度コンポーネントは、干渉項を表わすそれらの強
度コンポーネントを非干渉項を示すそれらの強度から分
離するように再構成されている。

第７図はループの回転に応答して、位相器として、回転
する第６図の干渉強度コンポーネントを表わすベクトル
を複素平面に示したベクトル図であり、かつ検出器での
組合わせられた波W1,W2の観察可能な強度は、干渉およ
び非干渉強度コンポーネントを表わすそれぞれのベクト
ルの合成の実軸上の投影に等しいということを示す。

第８図は検出器において観察できる強度と、ループの回
転により回転的に誘起した移相とのグラフであり、第８
図のグラフは第７図の図から発展したものである。

第９図は第１図の移相器によって導入された非相反移相
の結果として、π/2の角度だけ水平軸に沿って並進され
た後の第８図のグラフを示す。

第10図は第７図の図面に類似し、第９図のグラフに対応
するベクトル図である。

第11図は観察可能な強度の大きさに投影を与えるが、そ
のような大きさは、ループが静止のときは安定してお
り、周囲に無関係であるということを示す。

第12図はループに隣接する第１図の結合器の概略図であ
り、偏光しない光が２個の対向して伝播する波W1,W2へ
分割されているのを示し、かつ第13図と組合わさって、
この結合器の相反動作を示している。

第14図は第12図の結合器の概略図であり、検出器へ伝達
するために結合されている２個の対向して伝播する波W
1,W2を示し、かつ第13図と組合わさってこの結合器の相
反動作を示している。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図に示す好ましい実施例において、この発明の回転
センサは偏光しない光を連続長またはストランドの単一
モードファイバ11へ導入するための、実質的に偏光しな
い光源10を含む。ファイバ11は、第１の方向性結合器12
のＡおよびＢの符号の付けられたポートを介し、かつ第
２の方向性結合器14のＡおよびＢの符号の付けられたポ
ートを化する。このように、ファイバ11は光源10から結
合器12のポートＡへ延び、かつ結合器12のポートＢから
結合器14のポートＡへ延びる。結合器14のポートＢから
延びるファイバ11の部分はループ16へ巻回される。この
例によれば、ループ16は150の巻数を含み、各々は約１
平方メートルの面積を囲む。ループ16からのファイバ11
の端部は結合器14のＣおよびＤの符号の付いたポートを
通され、ポートＤはループ16に隣接している。ファイバ
11の小さな部分11aは結合器14のポートＣから延び、“N
C"の符号の付いた点で非反射的に終了する。好ましく
は、移相器17がループ16に配置されてループ16の対向し
て伝播する波の間の相対移相をπ/2にバイアスする。偏
光制御装置18は波の偏光の状態を制御するためループ16
にうまく配置される。

ファイバ19の第２の長さは結合器12の符号ＣおよびＤの
付いたポートを通される。ポートＤから突出するファイ
バ19の部分は“NC"の符号の付いた点で、接続なしで非
反射的に終端する。しかしながら、結合器12のポートＣ
から突出するファイバ19の部分は光検出器20へ光学的に
結合され、この検出器20はその上に与えられる縞パター
ンの強度に比例する出力信号を発生する。

この特許明細書に用いられているように、用語“実質的
に偏光しない“光は偏光したコンポーネントおよび偏光
しないコンポーネントの両方を有する光を含む。偏光し
た光の割合はジャイロスコープの精度を決定する。した
がって、この発明に従って構成されるジャイロスコープ
の位相誤差（φｅ）は次の方程式によって規定される。

φｅ＜Ｐ（％）/100ここでＰ＜10％ ただしＰは光源10の偏光の程度であり、φｅはラジアン
で測定されている。

この光源10は利用できるジャイロスコープおよび光源の
精度要求によって決定される。技術の現状においては、
偏光しない光の最も良い入手可能なレーザ源は５％のオ
ーダの偏光度（Ｐ）を有する。この例によれば、光源10
はカリフォルニア州マウンテンビューの、スペクトラフ
ィズィックスによって製造されるモデル155のランダム
に偏光されたHeNeレーザであってもよい。より精度を上
げるため、この発明の好ましい実施例は偏光の２個のレ
ーザ源26,27を組合わせることによって、第１図に示さ
れるように態様で設けられる、実質的により小さな割合
の偏光度、たとえば0.1％以下の光源10を用いる。これ
らの光源26および27はそれぞれ水平および垂直偏光を有
する直線偏光を発生する。これらの光源26,27は互いに
独立に作動し、これにより、それらのそれぞれの有限の
コヒーレンズ時間によって、それらの出力は相互に非コ
ヒーレントとなり、時間によってランダムに変化する相
対位相と、方向においてランダムに変化する正味の偏光
ベクトルとを発生する。光源26,27からの光は、それぞ
れレンズ28,29を介してファイバ11の一部30および別の
ファイバ32へそれぞれ与えられる。これらのファイバ3
0,32は方向性結合器34のポートＡおよびB,ならびにＣお
よびＤを通される。ポートＤから突出するファイバ32の
部分は接続なしに非反射的に終端する。光源26,27から
の光はポートＡおよびＣへ与えられ、かつ結合器34で混
合されてファイバ11を伝播するためポートＢに偏光しな
い光を与える。

この例によれば、単一モードのファイバ11,19および32
はタイプＴ−110単一モードステップインデックス光フ
ァイバとして、ITT（International Telephone and Tel
egraph Corporation）Electro−Optical Products Divi
sion,Roanoke,Va.によって市販されている形式のもので
あってもよい。

結合器12,14および34 この発明の回転センサまたはジャイロスコープにおける
結合器12,14および34として用いるための好ましい光フ
ァイバ方向性結合器が第２図に示される。この結合器
は、参照することによってここに援用するElectronic L
etters（Vol.16,No.7）の1980年３月27日発行のものに
詳細に説明されている。結合器は、単一モード光ファイ
バ材料からなる、第２図において40,42で示される２個
の光ファイバストランドを含み、各ストランドは、その
一方側からクラッディングが除去されている。それぞれ
のブロック43（ａ）,43（ｂ）上の円弧状スロットに取
り付けられた２個のストランド40,42は、クラッディン
グが除去されたストランドの部分が密接した関係で一緒
にされ、光がこれらのストランドのコア部分間で転送さ
れる相互作用領域44を形成する。除去された材料の量
は、各ストランドのコア部分が他方のエバネセントフィ
ールド内にあるようなものである。結合器の中心のスト
ランド間の中心間の距離は典型的には約２〜３コア直径
以下である。

相互作用領域44のストランド40,42間の伝わる光は方向
性であるということを注目するのが重要である。すなわ
ち、入力ポートＡに与えられる光の実質的にすべてはポ
ートＣへの逆方向性結合なしで、出力ポートＢおよびＤ
へ分配される。同様に、入力ポートＣへ与えられる光の
実質的にすべては出力ポートＢおよびＤへ与えられる。
さらに、この指向性は対称的である。このように、入力
ポートＢまたは入力ポートＤのいずれかへ供給される光
は出力ポートＡおよびＣへ与えられる。さらに、結合器
は本質的に偏光に関して非弁別的であり、かつしたがっ
て、結合した光の偏光を保つ。このように、たとえば、
垂直偏光を有する光ビームはポートＡへ入力され、ポー
トＡからポートＢへ直接通過する光のみならず、ポート
ＡからポートＤへ結合される光も垂直に偏光されたまま
である。

前述の説明から、結合器はビームスプリッタとして機能
することがわかる。さらに、結合器はレーザ光源26,27
からのビームを結合するためにまたは前の分割されたビ
ームを再結合するために用いられる。たとえば、１つの
ビームがポートＢへ与えられ他方がポートＤへ与えられ
れば、これら２つのビームは相互作用領域44で結合さ
れ、かつ結合されたビームはポートＡおよびＣで出力さ
れる。同様に、もし１つのビームがポートＡへ与えられ
他方がポートＣへ与えられれば、これらの２つのビーム
はポートＢおよびＤで結合されて出力される。

この発明の一般的な動作 第１図を参照し、光源10からの、実質的に偏光しない光
の連続波は結合器12のポートＡへファイバ11を介して伝
播し、そこで、光の一部はポートＤを介して失われる。
また偏光されていない残りの光は結合器12のポートＤか
ら結合器14のポートＡへ伝播し、そこで、偏光しない光
は２つの波W1,W2へ分割される。波W1はループ16のまわ
りの時計方向に結合器14のポートＢから結合器14のポー
トＤへ進む。波W2はループ16を介して反時計方向に結合
器14のポートＢから結合器14のポートＢへ進む。周知の
ように、対向して伝播する波W1,W2は結合器14のそれぞ
れのポートＤおよびＢに達したとき位相がシフトされ、
かつしたがってそれらは強め合いながらまたは弱め合い
ながら干渉して、結合器14によって再結合されるときに
光出力信号を発生し、その干渉の大きさおよび形式は移
相の量に依存する。波W1,W2が結合器14で再結合される
と、再結合された波の一部はポートＣを介して失われ、
他方残りの再結合された波は結合器14のポートＡから結
合器12のポートＢへ進み、そこで、それが再び分割され
ポートＣでその一部がファイバ19へ転送される。ファイ
バ19は光学的に光検出器20へ結合されてそれによって結
合された波W1,W2がそこへ入射することができるのを可
能にするということが思い出されよう。検出器20は、応
答のとき、組合わされた波W1＋W2の光学強度に比例する
電気信号を出力する。

異なる光経路に沿って伝播する波の間の相対移相を介在
させることが干渉計の一般的な特性である。さらに、光
波の線形重量の基本的な原理に従って、W1およびW2の電
磁界振幅および位相を適宜考慮して、検出器20において
結合されるのは光波W1およびW2の電磁界である。光波W1
およびW2は同一の光源10から生じるので、たとえ偏光さ
れていなくても、それらの共通の位相要素は単一であ
り、したがって別々の干渉計経路によって発生した相対
移相のみがW1とW2との間の干渉に寄与する。したがっ
て、検出器20によって測定される波W1＋W2の光学強度
は、光波W1,W2間の干渉の種類および量に従って変化す
るのであろう。特に、波W1＋W2の光学強度は、W1とW2と
の間の相対移相の関数となるであろう。移相はその中心
軸のまわりのループの回転を表わしているので（全体の
移相は回転的に誘起され、Sagnac効果によるものと想定
する）、検出器出力信号はそのような回転に応答して変
化する。

ここに詳細に説明するように、この発明の回転センサ
は、安定で周囲の変化に感じない、かつ回転に対しては
最大の感度を与える動作点へ、移相器17によってこの発
明の回転センサがバイアスされるということが重要であ
る。

この発明の他の重要な特徴は、回転センサは完全に動作
は相反的であり、非回転的に誘起された移相が偏光しな
い光を用いることによって除去されたということであ
る。この相反動作および安定動作点の理由は以下により
詳細に行なわれる。

相反動作 驚くべきことに、対向して伝播する波W1,W2の非相反コ
ンポーネントは偏光しない光を用いることによって、ベ
クトル的に、または検出器20自体において効果的にキャ
ンセルされるということがわかった。このことは、たと
えば第１図のループ16を表わす、第３図に示される単一
モード光ファイバの概念的なモデルを参照することによ
って最もよく理解されることができる。単一モード光フ
ァイバの２個の偏光モードは、１対の端子X1−X2を接続
するラインおよび第２の対の端子Y1−Y2を接続するライ
ンによってそれぞれ概略的に表わされる。これらのライ
ンによって表わされる２つのモードはそれぞれ“Ｘチャ
ネル”および“Ｙチャネル”として示される。２個の偏
光モードは異なる伝播係数を有するので、光はチャネル
の一方における方が他方におけるよりも高い速度で伝播
する。図解の目的で、Ｘチャネルは“高速”チャネルと
して示し、他方Ｙチャネルは“低速”チャネルとして示
す。さらに、すべての現在入手可能なファイバに固有の
複屈折がチャネル間の交差結合を生じるので、この概念
的なモデルはY1およびX2を接続するラインならびにX1お
よびY2を接続する他のラインを含む。これらの２個の交
差結合ラインの交差点は“散乱中心"50として示され
る。この散乱中心50は交差結合した光がチャネルの一方
における方が他方におけるよりも長い経路を進むという
ことを概念的に図解するためにファイバの中心からずら
されて示されている。２つの偏光モードは異なる伝播係
数を有するので、この交差結合した光はファイブループ
において典型的に非相反的な振る舞いの源である。

このモデルはファイバループ16（第１図）を示している
ので、波W1はファイバの一方端で端子X1およびY1へ与え
られ、他方波W2はファイバの他方端で端子X2およびY2へ
与えられるものと想定する。W1はコンポーネントX_s1,Y
_s1,X_c1およびY_c1に分解される。X_s1はＹチャネルへ交差
結合されないで、X1からX2へ“まっすぐに進む"Xチャネ
ルの波W1の部分を示す。他方、X_c1はX1からY2へ、Ｙチ
ャネルへ交差結合されるW1のＸチャネルコンポーネント
の残りの部分を示す。同様に、Y_s1は交差結合なしに、Y
1からY2へ“まっすぐに”通過するW1のＹチャネルコン
ポーネントを示し、他方Y_c1はY1からX2へ、Ｘチャネル
へ交差結合されたこのＹチャネル光の部分を示す。波W2
は同様に同じ規則を用いて、対応するコンポーネントX
_s2,Y_s2,X_c2およびY_c2へ分解される。このモデルは光が
ファイバループ16を通過するときの光の振る舞いを説明
する助けとしてのみ提示させており、かつそのような光
の振る舞いを十分かつ完全に説明しているものと意図す
べきものでないことを理解されたい。たとえば、１個の
交差結合のみがモデルに図解されていたとしても、実際
は、２個の偏光モード間には多数の交差結合が生じると
いうことを、当業者は認識しよう。

第４図は波W1,W2が対向する方向にループ16のまわりを
伝播した後それらの波のコンポーネントをす。それぞれ
の端部の各々でのチャネルの各々はまっすぐなコンポー
ネントと交差結合したコンポーネントの両方を含むこと
がわかる。このように、たとえば、端部端子X1の光は経
路X2−X1を進んだＸチャネル（X_s2）および経路Y2−X1
を進んだＹチャネル光（Y_c2）を含む。同様に、端子Y1
で、光はＹチャネルのまっすぐなコンポーネント
（Y_s2）およびＸチャネル交差結合コンポーネント
（X_c2）を含む。この同じ関係がX2およびY2端子にも当
てはまり、X2端子はX_s1およびY_c1コンポーネントを含
み、Y2はY_s1およびX_c1コンポーネントを含む。これらの
コンポーネントのすべては、波W1,W2が、第４図に概略
的に示すように、結合器14において結合されるときに重
畳される。

光検出器20（第１図）上にこれら８個のコンポーネント
の電界を重畳する効果を調べるに際して、光検出器20は
光強度に比例する出力信号をつくり出す、“二乗検出
器”であるということを認識するのが重要である。それ
ゆえに、そのような電界の重ね合わせの効果は、２つの
電界の重ね合わせの観察した強度に対して以下の周知の
方程式を参照して理解されよう。

I_T＝|E_X|²＋|E_Y|²＋2|_Ｘ・_Y|cosφ …（１） ここにおいて、I_Tは２つの電界の重ね合わせのための観
察された全強度であり、 E_Xは電界の一方の大きさであり、 E_Yは電界の他方の大きさであり、かつ φは２つの電界を作り出す光波間の位相である。

この議論に適用されるものとして、方程式（１）の移相
は回転的に誘起された、“Sagnac"移相φ_Ｓと、非回転
的に誘起した、複屈折に依存する移相φ_Ｂとからなると
いうことを理解すべきである。しがって、 φ＝φ_Ｓ＋φ_Ｂ …（２） しかしながら、この発明の回転センサの相反動作を理解
する目的で、ループ16（第１図）は静止しているものと
し、かつしたがってφ_Ｓは０に等しいと想定する。した
がって、この場合、φ_Ｂに等しいと想定されよう。

方程式（１）によってここで要約された光波の線形重量
の基本的な原理に従って、対向して伝播する波W1および
W2の各々は、それぞれの成分の振幅および位相を適宜考
慮して、電磁界成分の線形重量であると考えられる。し
たがって、光波W1,W2は、成分X1,X2およびY1,Y2偏光成
分に分解され、それらの各々はファイバ伝播により、そ
れぞれの振幅および相対移相により特定される。したが
って、方程式（１）から、観察された全強度は重畳した
電界E_X,E_Yによって作り出された個々の強度の和プラ
ス、移相φの関数としてのみならず２つの電界ベクトル
の点乗積の関数である“干渉項”に等しいということが
明らかであろう。以下のような分析からわかることは、
この干渉項は或る対のコンポーネント間の非相反動作の
源であるが、すべてのコンポーネントが重ね合わせられ
たときこの非相反動作は効率的に打ち消し合い、そのた
め回転センサの全体の動作が相反的であるということで
ある。さらに、他の対のコンポーネント間のように、干
渉項を０に減少するということが示される。したがっ
て、方程式１は単一モード光ファイバのこの議論に関し
て特に興味ある以下の条件に従って簡略化されてもよ
い。

A.光波は非コヒーレントである 光波が非コヒーレントのとき、移相φは本質的にランダ
ムでありかつ均一的に分布されているものと考えれる複
素関数によって規定される。したがって、上で示した
“干渉項”は常に０に平均化する。したがって、非コヒ
ーレント光に対して方程式（１）は次のようになる。

I_T＝|E_X|²＋|E_Y|² …（３） 電界によって発生される強度は電界の平方に比例するの
で、方程式（３）は次のように書換えられてもよい。

I_T＝I_X＋I_Y …（４） ここで、I_XおよびI_Yは電界E_XおよびE_Yによってそれぞれ
作られる強度である。

B.電界は直交する ２つの直交電界の点乗積は０に等しい。それゆえに、電
界が直交するときは、方程式（１）は次のとおりであ
る。

I_T＝|E_X|²＋|E_Y|² …（５） または I_T＝I_X＋I_Y …（６） C.電界は平行である 電界が平行のときは、電界ベクトルの点乗積ははそれら
の算術積に等しい。したがって、この条件では、方程式
（１）は次のとおりである。

I_T＝|E_X|²＋|E_Y|²＋2|E_X||E_Y|cosφ …（７） または ここで、思い出されるようにφは複屈折に依存する移相
のみを示している。なぜならば、ループ16は現在静止し
ていると想定しているからである。方程式（７）および
（８）は“まっすぐな”形式（たとえばX_S1,X_S2,Y_S1,Y
_S2）のものである２つの重畳した光波成分の強度を規定
するために有効であり、これらの方程式は“交差結合し
た”コンポーネント（たとえば、X_C1およびX_C2,またはY
_C1およびY_C2）に関してそのような強度を想定するため
の偏光を必要とするということが理解されよう。ジョー
ンズマトリックスを用いて、第３図および第４図の単一
モードのファイバモデルの数学的な分析は次のように交
差結合したコンポーネントのためのこれらの変形した方
程式を作り出す。

I_T＝|E_X|²＋|E_Y|²＋2|E_X||E_Y|cos±（π−φ）…（９） または 以下により十分に議論するように、値“π−φ”が正で
あるか負であるかは、第３図を参照して議論した“散乱
中心"50の配置、およびコンポーネントX_C1X_C2およびY_C1
Y_C2の伝播方向に依存する。

前述の方程式（３）ないし（10）によって規定される関
係を第４図に示される、ループ16の単一モードファイバ
モデルを当てはめることによって、対向して伝播する波
W1,W2のコンポーネントの干渉項は検出器20によって打
ち消されるかまたは非相反動作を除去するような態様で
結合するということがわかる。方程式（３）ないし（1
0）のそのような適用について以下に説明する。

実質的に偏光しない光源10が、互いに直交する偏光を有
しかつ相互に非コヒーレントな出力を有する２つの独立
した光源からなるということが第１図を参照して思い出
されよう。したがって、これらの光源のうちの１つによ
って発生された光（たとえば、Ｘチャネル光）は光源の
他方によって発生される光（たとえば、Ｙチャネル光）
に関して非コヒーレントである。それゆえに、第４図を
参照して上述した端子X1,Y1,X2およびY2のＸおよびＹチ
ャネルコンポーネントは互いに関して非コヒーレントで
あろう。光の非コヒーレントコンポーネント間の移相は
本質的にランダムでありかつ均一に分布されているの
で、この移相は検出器20において０に平均化され（方程
式（３）および（４）を参照して上述したとおりであ
る）、かつそれゆえに、任意のＸチャネルコンポーネン
トとＹチャネルコンポーネントとの重ね合わせから生じ
る強度は方程式（４）で要求されるように、そのような
コンポーネントの個々の強さの和に等しい。たとえば、
コンポーネントX_S1の強度はコンポーネントY_C1の強度へ
直接加わり、Y_S1の強度は直接X_C1の強度へ直接加わり、
以下同じである。

さらに、ＸチャネルおよびＹチャネルに対応する偏光モ
ードは直交しているので、Ｙチャネル端子Y1,Y2でのコ
ンポーネントY_S1,X_C1,Y_S2,X_C2の重ね合わせにより生じ
る合成強度は直接、方程式（６）によって要求されるよ
うに、Ｘチャネル端子X1,X2のコンポーネントX_S1,Y_C1,X
_S2およびY_C2の重ね合わせによって生じる合成強度に加
わる。このように、端子X1,Y1,X2,Y2のコンポーネント
のすべてが重ね合わせられると、強度が直接加わらわい
コンポーネントは次のものだけである。

（ａ） コンポーネントX_S1とコンポーネントX_S2 （ｂ） コンポーネントY_S1とコンポーネントY_S2, （ｃ） コンポーネントX_C1とコンポーネントX_C2、 ならびに （ｄ） コンポーネントY_C1とコンポーネントY_C2 もちろん、これらの対のコンポーネントは強度において
直接加わらない。なぜならば、それらは位相が非コヒー
レントでないかまたは直交磁界を有していないからであ
る。したがって、これらの強度の和は干渉項を含む。

たとえば、コンポーネントX_S1およびX_S2の重畳は方程式
（８）によって規定される観察された強度I_XSを発生
す。なぜならば、それらのそれぞれの正味の電界ベクト
ルは平行でありかつそれらは交差結合されていなかった
からである。したがって、 しかしながら、X_S1またはX_S2は交差結合されたコンポー
ネントではないので、それらの間の複屈折に依存する移
相はない。したがって、X_S1およびX_S2間のようにφは０
であり、方程式11は次のとおりである。

同様に、Y_S1およびY_S2は交差結合されていないので、こ
れらのコンポーネントの重ね合わせにより作り出される
強度I_S1は次のとおりである。

コンポーネントX_C1およびX_C2、ならびにコンポーネント
Y_C1およびY_C2に関して、これらのコンポーネントは交差
結合された形式のものであるので、方程式（８）よりも
むしろ方程式（10）を用いる必要がある。したがって、
コンポーネントX_C1およびX_C2の重ね合わせにより生じる
強度I_XCは次のとおりである。

同様に、コンポーネントY_C1およびY_C2の重ね合わせによ
り生じる強度I_YCは次のとおりである。

ＸチャネルコンポーネントX_C1,X_C2の干渉項に関連する
位相差（すなわちπ−φ）はＹチャネルコンポーネント
Y_C1,Y_C2の干渉項に関連の位相差（すなわち、−（π−
φ））に等しくかつ逆である。これが生じるのは、第３
図および第４図を対比することによって明らかなよう
に、コンポーネントX_C1は対向して伝播コンポーネントY
_C2と同じ経路を進み、かつコンポーネントX_C2は、対向
して伝播コンポーネントY_C1と同じ経路を進むからであ
る。Ｘチャネルは“高速”チャネルでありＹチャネルは
“低速”チャネルであるということを思い出し、かつさ
らに、散乱中心50のため、コンポーネントX_C1およびY_C2
の経路は主に“低速”チャネルにあり、他方コンポーネ
ントX_C2およびY_C1の経路は主に“高速”チャネルにある
ということを思い出し、コンポーネントY_C1の位相は、
コンポーネントX_C2に関してコンポーネントX_C1の位相が
遅延されるのと同じ量だけコンポーネントY_C2に関して
進められる。それゆえに、コンポーネントX_C1およびX_C2
の関連の干渉項は、コンポーネントY_C1およびY_C2に関連
の干渉項の位相差と等しく逆の位相差を有する。

波W1,W2の８個のすべてのコンポーネントの重ね合わせ
により生じる全強度I_Tは次のように規定される。

I_T＝I_XS＋I_YS＋I_XC＋I_YC …（16） 方程式（16）は第５図のベクトル図において概略的に示
されており、これはループ16が静止しているとき（すな
わち、φ_Ｓ＝０）、複素平面にプロットされた、４個の
強度コンポーネントI_XS,I_YS,I_XC,I_YCの各々に関連する
３つのコンポーネント項を示すこの強度ベクトルを示
す。しかしながら、この図は或る縮尺で描かれていない
ということを認識されよう。観察できる全体的な強度I_T
はそれぞれ参照数字52（ａ）ないし52（ｈ）によって示
される８個のコンポーネントI_XS1,I_XS2,I_YS1,I_YS2,
I_XC1,I_XC2,I_YC1,I_YC2の個々の強度の総和、プラス、そ
れぞれ参照数字53（ａ）ないし53（ｄ）で示される、コ
ンポーネントX_S1とX_S2,Y_S1Y_S2,X_C1とX_C2およびY_C1とY_C2
のそれぞれの重ね合わせに関連の４個の干渉項を表わす
４個のベクトルを表わす８個のベクトルからなる。

第５図のコンポーネントベクトルは、非干渉強度項を表
わすベクトルから、干渉強度を表わすベクトルを分離す
るように第６図に再構成されている。特に、８個のベク
トル52（ａ）ないし（ｈ）は非干渉項を表わし、他方、
残りの４個のベクトル53（ａ）ないし（ｄ）は干渉項を
表わす。強度干渉項に関連のベクトルの合成はI_iとして
示され、他方、非干渉項に関連のベクトルの合成はI_ni
として示される。

すべてのベクトル52（ａ）ないし（ｈ）および53（ａ）
ないし（ｄ）のすべては実軸に沿って配向される、同じ
方向を有するものとして示されている。しかしながら、
これは単に一致しているにすぎない。なぜならば前に想
定したように、これはループ16が静止（φ_Ｓ＝０）のと
きのみ生じるからである。非干渉項からなる、ベクトル
52（ａ）ないし（ｈ）のみが実軸に沿って、一定である
方向を有するということが後でわかる。他方、ベクトル
53（ａ）ないし（ｄ）は“干渉強度ベクトル軸”として
ここで示される軸に沿って向けられており、この軸はル
ープ16の回転に応答して位相器の態様で回転するが、前
述したように、ループ16は前に想定したように静止して
いるとき実軸と一致する。

したがって、第７図のベクトル図に示すように、ループ
16が回転されると、そのような回転によって誘起するSa
gnac移相φ_Ｓによって、干渉強度軸が複素平面におい
て、角φ_Ｓを回転する。ベクトルI_i（干渉項を表わす）
は角φ_Ｓを介してこの軸と一致して回転し、他方ベクト
ルI_ni（非干渉項を表わす）は実軸に沿って、そのよう
な移相φ_Ｓによって影響されないままである。ベクトル
I_iおよびI_niの合成はI_rとして示され、その投影が実軸
上でI_Tに等しい。

第６図に示すように、φ_Ｓが０に等しい静的な状態へ再
び戻ると、それぞれコンポーネントX_C1とX_C2ならびにY
_C1とY_C2との重ね合わせから生じる２個の強度干渉項に
対応するベクトル53（ｃ）および53（ｄ）は“干渉強度
軸”（これは、第６図において、実軸と一致している）
上のベクトル54（ａ）および54（ｂ）の実際の投影であ
る。ベクトル53（ｃ）および53（ｄ）は方程式（14）お
よび（15）を参照して議論したように、等しくて逆の複
屈折依存位相角度に関連しているので、ベクトル54
（ａ）および54（ｂ）ベクトルは、同じ角度だけ、“干
渉強度軸”から逆方向に傾く。このように、これらのベ
クトル54（ａ）および54（ｂ）の合成は常に“干渉強度
ベクトル軸”に沿って向けられており、かつこの軸上で
これらの投影53（ｃ）および53（ｄ）の総和とその大き
さが等しい。“干渉強度ベクトル軸”および“実軸”に
対するベクトル54（ａ）,54（ｂ）の角度関係は以下に
より詳細に議論する。

角φは複屈折依存移相である角φ_Ｂと、回転的に誘起さ
れるSagnac移相であるφ_ｓとの総和に等しいということ
が方程式（３）から思い出されよう。第６図におけるよ
うにループ16が静止しておりφ_ｓが０である状況をまず
調べると、φ_ｓが０に等しいとき、“干渉強度軸”から
のベクトル54（ａ）および54（ｂ）の上述した傾斜は全
く複屈折依存移相φ_Ｂによるものであり、それぞれの傾
斜角はφ_Ｂとは逆で等しいということが前述の説明から
理解されよう。したがって、２つの干渉項強度ベクトル
54（ａ）,54（ｂ）に関連の複屈折依存移相は効果的に
互いに打ち消し合い、かつこれらのベクトルの投影53
（ｃ）および53（ｄ）は、実軸に沿ってベクトル53
（ａ）および53（ｂ）とともに向けられている。このよ
うに、ループ16が静止しているとき、ベクトル52（ａ）
ないし（ｈ）,53（ａ）,53（ｂ）,54（ｃ）および54
（ｂ）のすべての合成は実軸に沿って方向が一定であ
り、かつしたがってこの合成の方向複屈折誘起された移
相とは独立である。

ループ16が回転しており、φ_Ｓが０に等しくない状況を
考えると、ベクトル54（ａ）および54（ｂ）は、そのよ
うな回転に応答して、φ_Ｓに等しい量だけ位相角がシフ
トされ、ベクトル54の１つは第６図の実軸方向に回転し
ており、他方、他のベクトル54はそのような実軸から離
れて回転している。このように、ベクトル54（ａ）,54
（ｂ）の合成は実軸に関してφ_Ｓの角度だけ回転する。
さらに、コンポーネントX_S1とX_S2およびY_S1とY_S2の重ね
合わせに関連の２つの他の強度干渉項を表わすベクトル
53（ａ）および53（ｂ）はそれぞれ量φ_Ｓだけ実軸に関
して回転する。このように、干渉強度コンポーネントを
表わす４個のすべてのベクトル53（ａ）,53（ｂ）,54
（ａ）,54（ｂ）はφ_Ｓだけ、ループ16の回転に応答し
て回転する。事実、これは角度φ_Ｓだけ、ループ16の回
転に応答して回転する。事実、これは角度φ_Ｓだけ“干
渉強度軸”を回転させ、そのため４個のベクトル53
（ａ）,53（ｂ）,53（ｃ）および53（ｄ）はそのような
軸に沿って向けられたままである。

前述の説明から、回転的に誘起した移相（φ_Ｓ）によっ
て、ベクトル53（ａ）,53（ｂ）,54（ａ）,54（ｂ）は
実軸に関して同じ方向に回転し、他方、複屈折により誘
起した移相はベクトル53（ａ）,53（ｂ）の方向につい
ては何の効果も有していないが、ベクトル54（ａ）,54
（ｂ）が、干渉強度ベクトル軸に関して、逆方向に回転
するようにさせる。このように、ループが回転している
ときでも、何からの複屈折により誘起した移相が効果的
に打ち消される。したがって、検出器20測定したよう
な、それらの組合わせられた強度による、重畳された波
W1,W2の動作の結果として、ループ16が静的であるかど
うかまたはそれが回転しているかどうかにかかわらず、
回転センサの相反動作を生じる。

回転検知 第７図を参照し、干渉項強度ベクトルの合成はI_iであ
り、非干渉項強度ベクトルの合成はI_niであり、かつベ
クトルI_niの合成はＩであることを思い出されよう。さ
らに、全強度I_Tは実際のまたは観察できる強度であるの
で、I_Tの値は実軸上の合成ベクトルI_rの投影に等しい。

前に示したように、干渉項および非干渉項間の違いは重
要である、なぜならば干渉項を表わすベクトル53（ａ）
ないし（ｄ）は回転的に誘起された移相に依存し、他方
非干渉項52（ａ）ないし（ｈ）を表わすベクトルは回転
的に誘起した移相と独立しているからである。したがっ
て、第７図のベクトル図に示すように、ループ16が回転
されると、そのような回転により誘起されるSagnac移相
φ_Ｓによって、ベクトルI_i（干渉項を表わす）は位相器
の態様で角度φ_Ｓ回転し、他方ベクトルI_ni（非干渉項
を表わす）はそのようなSagnac移相によっては影響を受
けない。角度φ_Ｓの関数として、“実軸”上のベクトル
I_iの投影の大きさ（ａ）と、ベクトルI_niの大きさ
（ｂ）との和をプロットすることによって、検出器20に
与えられる光の観察された強度I_Tのグラフが与えられ
る。観察された全強度I_Tのグラフはコサイン関数（参照
数字56で示される）であるとして第８図に示されてお
り、これはベクトルI_niの大きさに等しい平均強度と、
ベクトルI_niおよびI_iの大きさの和に等しい最大強度
と、ベクトルI_niおよびI_iの大きさの差に等しい最小強
度とを有する。このように、光検出器20（第１図）に印
加される強度I_Tは回転的に誘起した移相に応答してコサ
イン関数56に従って変化するということがわかる。

しかしながら、第８図に示したコサイン関数56の傾斜は
典型的な回転検知において遭遇するφ_Ｓの小さな値に対
して比較的平らであるので、検出器20での組合わされた
波W1,W2の強度I_Tはループ16の回転に対して比較的感じ
ない。したがって、π/2（またはその奇数倍）だけ第８
図のコサイン関数56をバイアスするのが好ましく、それ
によってこのコサイン関数56を第９図に示すようにサイ
ン関数58に変換する。対抗して伝播する波の間の相対位
相差をπ/2だけ非相反的にバイアスする効果は第10図に
示す位置へπ/2だけベクトルI_iを回転させることである
ということがわかる。第９図および第10図から、位相バ
イアスされたループ16が静止しているとき、システムの
作動点は60で示された点にあることが明らかである。こ
の動作点60は第９図に最もよく見られるように、最大傾
斜を有する強度曲線58の部分上にあるので、そのような
動作点60は回転に対して最大の感度を与える。

この発明の回転センサの上述した非相反バイアスは、第
１図を参照して議論したように、ループ16の非相反位相
器17を配置することによって達成される。

動作点60の安定性 ループ16が静止しているとき、動作点60の複屈折を変化
の効果について今調べる。

周知のように、ファイバの複屈折は温度のような周囲の
ファクタによって影響を受ける。さらに、複屈折の変化
は上述したように、複屈折依存位相角φ_Ｂにおける対応
の変化を生じる。しかしながら、複屈折における変動の
さらに他の効果はθとして示される第２の複屈折依存項
に関係する。ここに用いられるように、項θは、偏光状
態がループ16のファイバ11によって回転される角度とし
て規定される。このように、それは単一モードファイバ
11のモード間の交差結合の測定である。

θの変化の効果はＸおよびＹチャネル間の光交差結合の
量を変化させることである。したがって、“まっすぐ
な”コンポーネントの関連のベクトルの大きさは交差結
合コンポーネントに関連するベクトルの大きさに反比例
して変化する。第６図のベクトル52,53および54に与え
られるように、これは“逆ベクトル大きさ関係”として
示される。

第９図に示した動作点60の複屈折の効果を調べる際に、
この動作点60の安定性はベクトル52（ａ）ないし52
（ｈ）（第６図）からなる、ベクトルI_ni（第10図）の
大きさおよび方向の安定性に依存するということを注目
するのが重要である。位相角φ_Ｂにおける複屈折により
誘起された変化に関して、コンポーネントベクトル52
（ａ）ないし（ｈ）のいずれもこの位相角φ_Ｂに依存せ
ず、かつしたがってベクトルI_niの方向は複屈折の変化
によって影響を受けないということが思い出されよう。
しかしながら、これらのベクトル52（ａ）ないし（ｈ）
は角θに関連の“逆ベクトル大きさ関係”に従って大き
さが変化する、なぜならばベクトル52（ａ）ないし
（ｈ）の個々の大きさはＸおよびＹチャネル間の交差結
合の程度に依存するからである。しかしながら、エネル
ギの保存のため、これらのベクトル52（ａ）ないし
（ｈ）の和は一定のままであり、かつしたがって、ベク
トルI_niの大きさは複屈折の変化にかかわらず安定した
ままである。それゆえに、ベクトルI_niの大きさおよび
方向はともに安定したままであるので、動作点60は複屈
折の変化に無関係であり、かつθおよびφ_Ｂの値の変化
に無関係である。

強度曲線58の安定性 第９図に示す動作点60は複屈折の変化にかかわらず安定
したままであるけれども、強度曲線58の振幅は、一般
に、複屈折に依存することがわかる。

強度曲線58の大きさは回転検出ベクトルI_i（第10図）の
大きさによって決定され、その大きさは干渉項を表わ
す、個々のコンポーネントベクトル53（ａ）ないし
（ｄ）（第６図）からなるということが思い出されよ
う。さらに、ベクトル53（ｃ）および53（ｄ）（効果結
合した干渉コンポーネントを表わす）は複屈折依存位相
角度φ_Ｂに方向において依存するということが思い出さ
れようしたがって、ベクトル53（ｃ）および53（ｄ）の
大きさはまた位相角φ_Ｂに依存し、かつしたがって、そ
のような角の複屈折により誘起した変化に従って変化す
る。しかしながら、ベクトル53（ｃ）および53（ｄ）と
異なりベクトル53（ａ）および53（ｂ）は位相角φ_Ｂに
依存しないので、これらのベクトルの大きさはこの複屈
折に依存する位相角度φ_Ｂの変化に応答して変化しな
い。

ベクトル53（ｃ）および53（ｄ）のみがその大きさにお
いて位相角φ_Ｂに依存するが、ベクトル53（ａ）ないし
（ｄ）および54（ａ）および（ｂ）のすべては、“逆ベ
クトル大きさ関係”により、θにおける変化とともに変
化する、なぜならばこれらのベクトルの大きさはＸおよ
びＹチャネル間の交差結合の程度に依存するからである
しかしながら、この“逆ベクトル大きさ関係”は直接的
な意味において、ベクトル53（ａ）,53（ｂ）,54（ａ）
および54（ｂ）へのみ適用できるということを認識する
のが重要である、なぜならばベクトル53（ｃ）および53
（ｄ）はベクトル54（ａ）および54（ｂ）の干渉強度ベ
クトル軸上の投影にすぎないからである。このように、
“逆ベクトル大きさ関係”はベクトル53（ｃ）および53
（ｄ）へ間接的にのみ適用できる、なぜならばこれらの
投影の大きさはベクトル54（ａ）および54（ｂ）の大き
さにおいて変動のスケールの定められた関数として変化
する。ベクトル53（ｃ）および53（ｄ）はこれらのベク
トルがベクトル53（ａ）および53（ｂ）とともにベクト
ルI_i（第10図）を含むので、特に興味あるということが
思い出されよう。

エネルギの保存のため、ベクトル53（ａ）,53（ｂ）,54
（ａ）および54（ｂ）の個々の大きさの総和が一定であ
る。しかしながら、ベクトル53（ｃ）および53（ｄ）は
ベクトル54（ａ）および54（ｂ）のスケールの定められ
た関数であるので、ベクトル53（ａ）ないし（ｄ）から
なるベクトルI_i（第10図）の大きさは一定ではなく、し
たがってθの変化とともに変化する。それゆえに、位相
器I_i、かつしたがって強度曲線58（第９図）はθの関数
として振幅が変化する。これは第11図に図解されてお
り、θの種々の値に対する第９図の強度曲線58を示して
いる。

第11図から、θが０に等しいときは、第９図の強度曲線
58は最大振幅にあり、かつしたがってθのこの値に対
し、ベクトルI_iはベクトルI_niと同じ大きさを有すると
いうことがわかる。θ＝０゜で、交差結合干渉項を表わ
すベクトル54（ａ）および54（ｂ）は０の大きさを有す
る（光のすべてが“まっすぐな”コンポーネントにあ
る）ので、これが生じる。これは意義のあることであ
る、なぜならばベクトル54（ａ）および54（ｂ）、なら
びにそれらの関連の投影53（ｃ）および53（ｄ）は複屈
折依存位相角φ_Ｂにその大きさが依存する唯一のベクト
ルであるからである。したがって、θが０のときのこれ
らの複屈折に依存するベクトルを除去した状態で、この
発明の回転センサの動作は複屈折の変化に無関係であ
る。

規格化された強度I_T、周囲のファクタθ，複屈折依存移
相φ_Ｂ間および回転的に誘起されたSagnac移相φ_Ｓ間の
一般的な関係は次のように表わされる。項“φ/2"は移
相器17（第１図）によって導入される非相反位相バイア
スとして認識される。

I_T＝1/2＋1/2（cos²θ−sin²θcosφ_Ｂ）cos（φ_Ｓ−π
/2） …（17） θが０に等しいとき、方程式17は次のように書換えられ
る。

I_T＝1/2＋1/2cos（φ_Ｓ−π/2） …（18） このように、上で指摘したように、もしも偏光の状態が
θが０に等しくなるように制御されれば、検出器20（第
１図）で測定された強度I_TはSagnac移相φ_Ｓの関数であ
り、かつ変数θおよびφ_Ｂに無関係である。

そのような偏光状態の制御は第１図を参照して議論し
た、偏光制御装置18を用いることによって周知のように
行なわれる。偏光制御装置18は、ファイバループの２つ
の偏光モードにおける光強度の調節を可能にする。ファ
イバ偏光制御装置の動作は、たとえば1980年のエレクト
ロニクス・レターズの第16巻第20号の「単モードファイ
バ部分波装置および偏光制御装置」に示されるように、
当業者にとって周知である。本願に開示された実施例に
おいて、光は、偏光モードの各々において実質的に等し
い強度でファイバ11に導入され、そして通常はほとんど
調整を必要としないであろう。偏光制御装置18の使用は
いくつかの場合には有利かもしれないが、本願発明の基
本的動作にとって必須のものではない。しかしながら、
実際は、偏光状態を正確に制御することは困難であり、
かつしたがって、そのような制御装置18を用いると一般
的に変数θおよびφ_Ｂに対するI_Tの依存性が減少するに
すぎない。いずれの場合においてもループ16が静止して
いるときの安定動作点60を与えることによって、この発
明の回転センサは、（０以外の）安定した動作点を有し
ない、偏光回転センサよりも勝れた回転検知精度を作り
出すことができることが認識されよう。

上述した偏光制御装置18（第１図）がなくても、この発
明の回転センサは偏光を利用する回転センサと比べて、
より安定しており、かつしたがって複屈折における長期
間の環境的に誘起された徐々に生じる変化に対してもそ
れほど感じない。これは、検出器20で測定された強度I_T
の平均値の標準偏差を調べることによって実験的にこの
ような標準偏差は出力偏光子を備えた偏光回転センサに
対するよりも、この発明の偏光しない光の回転センサに
対する方が小さいということがわかった。標準偏差のこ
の減少は偏光状態の回転θの複屈折誘起変化と、移相φ
_Ｂの複屈折誘起変化との間のずれ効果によるものと思わ
れる。それゆえに、この発明は与えられた安定性を達成
するのに必要とされるろ波およびフィードバックのレベ
ルを減少させる、回転信号の安定性における平均を与え
る。

結合器の付加的な特性 周知のように、第１図の結合器14のような結合器は付加
的な複屈折を回転センサへ導くことができる。さらに、
この複屈折は周囲のファクタの変化とともに代わり、か
つしたがって、もしもその効果が、対向して伝播する波
W1,W2間におけるように非相反的であれば、結合器は付
加的な複屈折依存移相を与える。

結合器誘起された複屈折が回転センサの相反動作に影響
を与えるのを防止するために、この発明は２個の結合器
12,14（第１図）を用いている。結合器14は第12図およ
び第13図において、拡大され、かつ概略的に示されてい
る。まず第12図を参照して、光源10（第１図）からの、
矢印“UP"で示される偏光しない光は、結合器12（第１
図）を開いて結合器14へ進み、そこで、それは２個の対
向して伝播する波W1,W2に分けられる。しかしながら、
これらの波の１つだけW2が結合器14のポートＡからポー
トＤへ交差結合され、他方の波W1は結合器14のポートＡ
からポートＢへまっすぐに進む。そのような交差結合は
波W1,W2間の結合器誘起移相を導入する、なぜならば波W
2は、交差結合のため、わずかに異なる経路を進むから
である。しかしながら、波W1,W2がループ16を横切った
後、波W1はポートＤからポートＡへ交差結合され、他方
波W2は、ポートＢからポートＡへまっすぐに進む。この
ように、波W1,W2はポートＡで再結合されたとき、波W1,
W2の各々は一旦交差結合され、それによってそれらの経
路を等しくする。それゆえに、ビームが分割されるとき
の波W2の関連の結合器誘起された移相は、波W1,W2が再
結合されたときの波W1に関連の結合器誘起された移相に
よって打ち消される。したがって、結合器14に関連の複
屈折誘起された移相は波W1,W2に関して相反的であり、
かつそれゆえに、この発明の回転センサの動作は相反的
である。結合起12（第１図）の目的は検出器20（第１
図）へ伝達するため、再結合された波W1,W2をファイバ1
1からファイバ19（第１図）へ転送するだけであるとい
うことが理解されよう。

好ましくは、結合器14の結合係数は0.5である。ここに
用いられるように、用語、結合係数（ｃ）は結合される
光ビームのその部分の出力または強度と、そのような光
ビームの全出力または強度との比である。したがって、
完全結合のときは、Ｃ＝１であり、結合していないとき
はＣ＝０である。

0.5の結合係数は、波W1,W2が結合器14によって再結合さ
れた後それらの波の最大強度をそのような係数が与える
ので有利である。偏光しない光が結合器14によって波W
1,W2へ分割された後の偏光しない光の強度を分析し、次
いでそれらの波がループ16を横切り結合器14によって再
結合された後の波W1,W2の分析することによってより十
分に理解されよう。したがって、結合器14へ入る偏光し
ない光が波W1,W2へ分割されるとき、波W2を表わす偏光
しない光（UP）の結合部分はC₁₄およびI_UPの積に等しい
強度を有し、ここにおいてI_UPはそのような偏光しない
光の強度であり、C₁₄は結合器14の結合係数である。波W
1を表わす偏光しない光の結合されない部分は、それゆ
えに、（１−C₁₄）およびI_UPの積に等しい強度を有す
る。波W1,W2がループ16を横切った後、それらは各々結
合器14によって分割される。したがって、I_W1として示
される、波W1の出力および対応する強度は、結合係数C
₁₄に従って分割され、そのためその一部,C₁₄I_W1はポー
トＤからポートＡへ結合され、その状態では、結合され
ない部分（１−C₁₄）I_W1はポートＤからポートＣへ直接
通過する。同様に、I_W2として示される波W2の出力およ
び対応する強度が分割され、そのため部分C₁₄I_W2はポー
トＢからポートＣへ結合し、その状態では残りの結合さ
れない部分（１−C₁₄）I_W2はポートＢからポートＡへ直
接通過する。上で示したように、ポートＡの光のみが興
味ある、なぜならばこの光は結合器誘起した複屈折に無
関係だからである。このように、ポートＡの組合わせら
れた波W1,W2の強度I_W1,_W2について結合係数の効果が調
べられよう。各波W1,W2は結合起14を２回通過したの
で、しかし１回だけ結合されたので、ポートＡで再結合
した波W1,W2の強度I_W1,_W2は次のように規定される。

方程式（19）の項C₁₄（１−C₁₄）は、C₁₄＝0.5のとき最
大であるので、その強度I_W1,_W2は結合器14の係合係数が
0.5のとき最大であるということが認められる。

この同じ理由づけは第１図の結合器12にも当てはまる。
たとえば、結合器12のポートＡでの光源10からの偏光し
ない光の強度をI_Sとして示すと、結合器12のポートＢの
I_Sの強度は（１−C₁₂）I_Sであり、ここにおいてC₁₂は結
合器12の結合係数である。さらに、結合器12のポートＢ
からのこの光がループ16を横切り結合された波W1,W2の
形式でそこへ戻った後、これらの組合わせられた波の強
度I_W1,_W2は次のように表わされる。

I_W1W2＝ｆ（φ_S,C₁₄）（１−C₁₂）I_S …（20） ここにおいて、ｆ（φ_S,C₁₄）はSagnac移相および結合
器14の結合係数の関数である。I_W1,_W2ははファイバ19
（第１図）を介して検出器20（第１図）へ伝達するため
結合器12（第１図）へ分割されるとき、結合器20の強度
I_Tは結合係数の条件で、 I_T＝C₁₂（I_W1W2） …（21） であり、または方程式（20）を方程式（21）に代入し
て、 I_T＝ｆ（φ_S,C₁₄）［（C₁₂）（１−C₁₂）］I_S …（22） である。このように、ｆ（φ_S,C₁₄）の与えられた値に
対して、強度I_Tは結合器12のための結合係数が0.5のと
き最大である。それゆえに、結合器12,14の両方が0.5の
結合係数を有するのが好ましい。

さらに、同様な理由づけが第１図の結合器34にも適用で
きる。ファイバ11を介して光源10からの光出力は直角偏
光モードの両方に対して実質的に等しい強度のものであ
るということが思い出されよう、なぜならばこれは実質
的に偏光しない光を作り出すからであり、したがって光
源26,27が等しい強度のものであるとすれば、結合器34
は偏光しない光を作り出すために0.5の結合係数を有す
べきである。もしも結合係数が0.5以外のものであれ
ば、光源のそれぞれの強度はしたがって出力が偏光しな
いように調整されるべきである。このように、たとえ
ば、結合係数が0.6であれば、光源26は光源26,27の組合
わせられた強度の60％を与え、かつ光源27はそのような
強度の40％を与えるべきである。一般に、光源26（これ
はファイバ11へ直接の出力を与え、かつしたがって直接
ポートＢへ与える）は結合係数に等しい強度の一部を与
え、他方光源27（これはポートＢへ結合するためファイ
バ32へ出力を与える）は１マイナス結合係数に等しい強
度の一部を与えるべきである。

要約すると、この発明は、実質的に偏光しない光を用い
ることによって、偏光子または他の特別の装置を用いる
ことなく相反性を達成する。さらに、π/2の奇数倍へ非
相反的にバイアスされるとき、システムは静止状態で安
定した動作点を有し、これは偏光状態の回転θまたは複
屈折依存移相φ_Ｂの変化には感じない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パブラス・ジヨ−ジ・アチラ アメリカ合衆国94305カリフオルニア州ス タンフオ−ド・ホスキンズ・コ−ト１イ− (56)参考文献 特開 昭55−93010（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−30691（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−128106（ＪＰ，Ａ) 特表 昭58−501876（ＪＰ，Ａ) 米国特許4410275（ＵＳ，Ａ) 米国特許4529312（ＵＳ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバ（11）と、 光源（10）と、 第１の結合器（14）と、 第２の結合器（12）と、 検出器（20）と、 を備えた光ファイバ回転センサであって、 前記光ファイバ（11）は、ループ（16）を形成しかつ２
   つの直交する偏光モード（X,Y）を有し、前記モードの
   各々は、異なる速度で光を伝播し、 前記光源（10）は、前記モード（X,Y）における光の強
   度が実質的に等しくされかつ前記モード（X,Y）におけ
   る光が互いに実質的に非コヒーレントであるような光を
   前記光ファイバに発生するように構成され、 前記第１の結合器（14）は、前記ループに光学的に結合
   され、前記モード間で実質的に均等に分割された強度を
   有する１対の対向して伝播する光波（W1,W2）を供給
   し、前記１対の対向して伝播する光波は、それらの間の
   Sagnac効果により誘起された位相差を有し、前記第１の
   結合器（14）はさらに、前記１対の対向して伝播する光
   波を前記ループ（16）を介する伝播の後に結合し、 前記第２の結合器（12）は、前記第１の結合器（14）か
   らの前記結合された光波の少なくとも一部分を前記検出
   器（20）に結合し、 前記検出器（20）は、前記ファイバループからの光を受
   け取るように光学的に結合されて、前記第２の結合器
   （12）から受取った前記結合された波のすべてを検出
   し、これにより、前記Sagnac効果により誘起された位相
   差が、前記複屈折により誘起される位相誤差を実質的に
   検出することなく検出され、かつ前記ループの回転が検
   知される、光ファイバ回転センサ。
2. 【請求項２】前記光ファイバ（11）は、２つの直交偏光
   モードのみを有する単一モード光ファイバであることを
   特徴とする、請求の範囲第１項記載の光ファイバ回転セ
   ンサ。
3. 【請求項３】前記光源（10）は、互いに直交する偏光を
   有する光を前記ファイバ（11）に供給する１対のレーザ
   光源（26,27）を備え、前記１対のレーザ光源（26,27）
   の一方からの光は、前記レーザ光源（26,27）の対の他
   方からの光に関して実質的に非コヒーレントであり、前
   記直交する偏光の一方における前記光の平均強度は、前
   記直交する偏光の他方における前記光の強度に等しいこ
   とを特徴とする、請求の範囲第１項または第２項のいず
   れかに記載の光ファイバ回転センサ。
4. 【請求項４】光ファイバ干渉計における非回転的に誘起
   された位相誤差が減少されるように光ファイバ干渉器を
   用いて回転を測定する方法であって、 第１の結合器を介して光ファイバのループの偏光モード
   に、互いに対向して伝播する光波を導入するステップを
   備え、これにより前記対向して伝播する波の各々は、前
   記モード間で実質的に均等に分割された強度を有し、か
   つ前記モードにおける光が互いに実質的に非コヒーレン
   トであり、 前記第１の結合器を介して前記対向して伝播する波を結
   合して、前記ファイバのモードからの光を含む結合され
   た波を供給するステップと、 前記第１の結合器から第２の結合器へそしてその後検出
   器へ、前記結合された波を出力するステップと、 前記第２の結合器から前記検出器によって受取った前記
   結合された波の強度を検出することにより前記対向して
   伝播する波の間のSagnac位相（φ_ｓ）を決定するステッ
   プと、 前記Sagnac移相（φ_ｓ）に従って前記ループの回転
   （Ω）を算出するステップとを備えた、回転測定方法。