JPH07146150A - 光ファイバリングレーザジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ファイバリング内を伝播する伝搬光の偏光状
態の変化によるジャイロの動作の不安定性を低減した光
ファイバリングレーザジャイロを提供する。 【構成】 光増幅素子１とともにリングを構成する光フ
ァイバ２には偏波保存特性のある複屈折率ファイバを用
いる。上記光増幅素子１より発せられたリング内伝播光
は、ファイバポラライザ３の偏光保存軸と上記複屈折率
ファイバの偏光保存軸の成す角度により決まる偏光状態
で上記リング内を伝搬し、上記光増幅素子１の増幅機能
に基づきレーザ発振をする。発振した両方向廻りの光の
ビート、あるいは同一方向廻りの異なる周波数間のビー
ト信号を光カプラ４ａ、４ｂあるいは４ａのみを用いて
取り出し、受光手段５で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は航空機、船舶、自動車に
代表される移動体の位置決め（ロケーション）に必要な
回転角度を検出する光ファイバジャイロ装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】回転角速度を検出するジャイロ装置に
は、コリオリ力の変化や回転コマのジャイロモーメント
に注目した機械式ジャイロ、閉じた経路を伝搬する光に
対するサニャック効果を利用した光学式ジャイロ等があ
る。本発明の対象とする光ファイバリングレーザジャイ
ロは、光学式ジャイロに属し、基本的には、伝搬光を増
幅するための光増幅手段と、この光増幅手段の一端から
出力された光を光増幅手段の別の一端から光増幅手段に
戻すための光ファイバとにより構成される。光増幅手段
としては、稀土類元素等を添加した光ファイバを用いる
方法の他、半導体光増幅素子を用いる方法が提案されて
いる。本発明が主に対象とする後者の方法については、
例えば特開昭５７−４３４８６号公報、特開平２−１４
７９０８号公報にその内容が詳述されている。これらの
光学系は、何れも上述のように、半導体素子の両端を光
ファイバでつないだ構成を中心に論じたものである。こ
のような光ファイバリングレーザジャイロの動作を、図
１３に示す特開平２ー１４７９０８号公報記載の技術に
より説明する。光増幅手段１０１０と光ファイバ１０２
０を含む光ジャイロ装置全体が回転すると、光増幅手段
１０１０と光ファイバ１０２０で構成されるリング内を
光が周回するのに要する実効的な長さが変化し，これに
応じて上記リングレーザ発振の周波数が変化することが
知られている。上記光増幅手段１０１０からは、図にお
いて左右両方向に発振の種となる光が発せられるため、
それぞれにレーザ発振する。回転に伴うこれら２方向の
発振光の実効的な長さが方向により違う（これをサニャ
ック効果という）ため、発振周波数も方向により異な
る。この発振周波数差（これをビート周波数といい、回
転角速度に比例する）を捉えるため、光カプラ１０２
１，１０２２を用いて、発振した両方向廻りの光の一部
をリングから取り出し、検出器１０２３で検出する。検
出されたビート周波数は外部に送られ、必要に応じて温
度センサ等からの信号を用いて、温度変化による光路長
の変化による影響等を補正した後、角速度、または角度
の情報に変換される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の回転検出を安定
に行うためには、基本となるレーザ発振が安定であるこ
とが前提となる。レーザ発振の生じる条件としては、フ
ァイバリング内を伝搬する光に対し、以下のことが１つ
の条件として挙げられる。リング内を１周した光の偏波
面の方向が一致すること、すなわち、光増幅手段の一端
から出力された光が光ファイバ内を１周して光増幅手段
の別の一端から光増幅手段に戻った時に、偏波面の方向
が同じであることが必要である。光増幅手段は、一般に
特定の方向の偏波面を有する光のみを増幅する性質があ
るからである。この条件を満たす光ほどレーザ発振し易
く、条件を満たさなくなるに従い発振できなくなる。光
導波路としての上記光ファイバは、温度分布の変化や振
動、またそれ自体の持つ歪等により、伝播光の偏光状態
が容易に変化することが知られている。つまり通常の光
ファイバをそのまま利用した光ファイバリングレーザジ
ャイロでは、動作途中において発振光が上の条件を容易
に満たさなくなる。このためレーザ発振のモード（周波
数や偏波面の方向）が変わってしまったり，発振が中断
したりして、安定なジャイロの動作が難しい。本発明の
第１の目的は、伝搬光の偏光状態の変化によるジャイロ
の動作の不安定性を低減した光ファイバリングレーザジ
ャイロを提供することである。また、光ファイバジャイ
ロを実用化する上での問題として、回転方向の検出をい
かに行うかが問題として残されていた。この問題は、測
定されるビート周波数が２つの発振光の周波数の差の絶
対値として求められるため、回転方向が検知できないこ
とに起因している。本発明の第２の目的は、回転方向が
検出できる光ファイバリングレーザジャイロを提供する
ことである。更に、ジャイロとしての同一の回転角速度
に対する感度（周波数差）は、サニャック効果を表す式
より、光路が囲む面積に比例することから、上記光ファ
イバループにおいて、光ファイバが長いほど感度は良く
なる。このため同一の信号処理回路で広い精度要求に応
じるには、すなわちファイバが長いときも短いときも同
一の信号処理回路で対応するためには、幅広い周波数領
域に対応可能な信号処理が必要とされる。本発明の第３
の目的は、幅広い周波数領域の信号を処理できる光ファ
イバリングレーザジャイロを提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、光ファイバと、当該光ファイバとともに
リングを構成し、当該リング内を伝搬する伝搬光を増幅
する光増幅手段とを有する光ファイバリングレーザジャ
イロにおいて、上記リングの一部を構成し、上記伝搬光
のうちあらかじめ定められた偏光方向の伝搬光のみを選
択することにより、当該選択された伝搬光のみをリング
内で伝搬させる偏光選択手段を有することとしたもので
ある。また、上記光増幅手段は、伝搬光の偏光方向に依
らず増幅率の等しい偏波無依存型半導体光増幅素子であ
ることとしたものである。また、上記光ファイバの少な
くとも一部は、複屈折率性を有し、予め定められた方向
の偏波面を有する偏光の偏波面の方向を保持する複屈折
率ファイバであることとしたものである。また、上記光
増幅手段が増幅している、上記リング内を伝搬している
２つの伝搬光の周波数は、上記光ファイバリングレーザ
ジャイロの回転速度が０のときでも異なり、上記伝搬光
の一部を取り出す光検出手段と、上記取り出した、周波
数が異なる伝搬光の間の周波数の差を検出する信号処理
手段とを有するとしたものである。また、上記信号処理
手段は、上記取り出した伝搬光をダウンサンプリングし
て、低い周波数の信号に変換し、変換後の信号を処理す
ることとしたものである。

【０００５】

【作用】従来技術に係る光ファイバリングレーザジャイ
ロにおいて使われている軸対称形の単一モードファイバ
では、実はファイバ断面内で直交する２方向に偏波した
独立の二つのモードが存在する。これらは図１４に示す
ように、偏波方向によってＨＥ₁₁xモードおよびＨＥ₁₁y
モードと呼ばれる。光ファイバの導波構造が真に対称的
であれば、これら二つの直交偏波モードは同じ伝搬定数
をもち、両モードの区別がつかない。これが“単一モー
ド”と呼ばれるゆえんである。しかし、現実の光ファイ
バでは、コアの楕円化や外径に対する偏心等によって非
軸対称性が誘起され、その結果、極めてわずかではある
が二つの直交偏波モードの伝搬定数は異なってくる。こ
のような単一モードファイバでは、図１５に示すように
長さ方向のわずかなコア径ゆらぎや小さな外乱等によっ
てＨＥ₁₁xモードとＨＥ₁₁yモードとの間でモード変換が
容易に生じ、出射光の偏波状態はランダムに変動する。
このため、偏光や干渉を利用した光ファイバセンサやコ
ヒーレント光ファイバ通信にこのような単一モードファ
イバを使用すると、わずかな外乱や温度変化によって出
力が変動してしまう。本発明に係る伝搬光の偏光状態を
選択可能とする手段により、偏光状態が変化しても、光
増幅手段の発振状態を不安定化させる偏光をカットする
ことができる。また、一般に光増幅手段は小さいため
に、当該手段とファイバとの接続は、困難であるが、フ
ァイバ同士の接続は容易であり、確立された技術である
ため、上記選択手段をファイバポラライザで構成して、
ファイバの中間にいれることとすれば接続は容易であ
る。その結果、偏光状態の選択をファイバ間の融着によ
り容易且つ確実に行うことができるとともに、上記光学
系の調整組立が容易になり、生産性を向上させることも
できる。また、光増幅手段として偏波無依存型半導体光
増幅素子を使ったことを特徴とする光ファイバリングレ
ーザジャイロにより、従来の光増幅手段のように特定の
偏光のみしか安定に発振しないということがなく、偏光
状態が変化しても、発振状態が安定している。また、リ
ングレーザジャイロ光学系を構成する上記光ファイバの
一部ないしは全てに伝搬光の偏光状態を保存可能な複屈
折率性を有するもの、すなわち、複屈折率性（ファイバ
断面内で見た屈折率の異方性）ファイバを直接利用する
ことにより、従来のジャイロ基本光学系を大きく変更す
ることなく、外乱やファイバ自体の持つ歪による伝搬光
の偏波変動を抑制し、安定したジャイロ動作をできる。
これは、図１５に示すような問題を解決するために、Ｈ
Ｅ₁₁xモードとＨＥ₁₁yモードの伝搬定数差を意図的に大
きくして偏波安定性を向上させた単一モードファイバ、
すなわち複屈折率ファイバをもちいたものである。複屈
折率ファイバは、偏波保持ファイバあるいは定偏波ファ
イバとも呼ばれる。いま、ＨＥ₁₁xモードとＨＥ₁₁yモー
ド間の伝搬定数差をδβ＝β_x−β_yとするとき、光ファ
イバの長さ方向のゆらぎ（外乱も含む）の中にδβに等
しい空間周波数成分が存在すると、両モード間に強いモ
ード結合（変換）が生じ、結合の強さは空間周波数成分
が大きいほど強くなる。したがって、δβを大きくすれ
ば、それに対応した空間周波数のゆらぎ成分は非常に小
さくなるので、モード結合が生じにくくなり、良好な偏
波特性が得られる。複屈折率ファイバは、 （１） コアおよび近傍の屈折率分布を非軸対称にする
ことによってδβを生じさせる屈折率分布形 （２） コアに非軸対称の応力を印加し、光弾性効果に
よってδβを生じさせる応力形 の２種類に分けられる。図１６に、代表的な複屈折率フ
ァイバの断面構造を示す。図１６(a)は、コアを楕円化
することによって、図１６(b)はコアの両側にクラッド
よりもさらに低屈折率の部分あるいは空気穴（図１６
(b)の黒い部分）を設けることによって、ＨＥ₁₁xモード
とＨＥ₁₁yモードの伝搬定数差δβを生じさせるもの
で、屈折率分布形に属する。これに対して、図１６(c)
および(d)は応力形に属し、熱膨張計数が石英より10倍
程度大きいガラス（図１６(c),(d)の黒い部分）がコア
の周囲に配置されている。線引き後に光ファイバが冷却
する過程で、熱膨張係数の大きいガラス（応力付与部と
呼ばれる）は強く収縮するので、コアに大きな応力（あ
るいは歪）を発生させる。光弾性効果により、応力を受
けたガラスの屈折率は変化する。応力付与部の大きさが
ｘ軸とｙ軸方向で異なる場合、応力の大きさも異なり結
果的にＨＥ₁₁xモードとＨＥ₁₁yモードの感じるコアの屈
折率自身が異なってくる。これによって両偏波モード間
の伝搬定数に差が生じることになる。なお、偏波無依存
型半導体光増幅素子を用いることにより、光増幅素子と
上記複屈折率ファイバとの光接続工程を簡潔にできる。
従来の偏光特性を持つレーザ素子と複屈折率ファイバと
の組合せでは、偏光軸合わせが問題となるが、ファイバ
間の接続と比べて、正確なアライメントの自動化が難し
い増幅素子と上記複屈折率ファイバとの光接続が困難で
あった。偏波無依存型半導体光増幅素子を用いれば、偏
光軸合わせの問題は無くなる。なお、複屈折率ファイバ
とファイバポラライザとを組合せることにより、さらに
発振の安定性は良くなる。

【０００６】また、回転角速度が０のときでも、異なる
発振周波数を有する伝搬光間の周波数の差を検出し、処
理できるようにしたことを特徴とする光ファイバリング
レーザジャイロにより、回転角速度が０のときの周波数
差がバイアスとなるため、絶対値のみしかわからない場
合でも、方向を判別できる。更に、出力信号処理におい
て、ダウンサンプリング法（パルス変調による時間軸上
で信号波形を相似変換する方法。すなわち、信号周波数
よりも低いサンプリング周波数で信号をサンプリングす
る方法）を用いることにより、高精度を要求される結
果、出力ビート周波数が高周波数側にずれるような場合
でも、信号波形を時間軸上で相似的に拡大変換すること
により、信号が低周波数化するので、パルスのカウント
等が容易にできる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１に本発明の第一の実施例を示す。リングレーザ発振
を得るための光増幅手段１には、半導体光増幅素子を用
い、その両端を結ぶ光ファイバリングには、偏波保存特
性のある複屈折率ファイバ２を用いる。上記光増幅手段
１より発せられた光は、偏光を選択する手段であるファ
イバポラライザ３により必要な偏光状態に特定され、上
記光ファイバ２の中で上記光増幅手段１の利得に応じた
レ−ザ発振をする。ここで装置全体が回転すると、ファ
イバリング内を光が周回するのに要する実効的な長さが
変化し，これに応じて上記リングレーザ発振の周波数が
変化することが知られている。上記光増幅手段１から
は、図において左右両方向に発振の種となる光が発せら
れるため、それぞれにレーザ発振が期待される。なお、
半導体素子の特性によりいずれか一方向の光しか発振し
ない場合には、原因となっている両方向の光の間の利得
の奪い合いを回避するために、上記光増幅素子の利得を
予め振り分けるよう、僅かに発振波長を違えるような物
質を予め該光増幅素子に添加してもよい。回転に伴うこ
れら２発振光の相対的な周波数差の変化を捉えるため、
発振した両方向廻りの光のビートを光カプラ４ａ、４ｂ
を用いて受光手段５で検出する。なお、上記光増幅手段
１が多数の周波数で発振する多モード発振に適するもの
である場合には、光カプラ４ａのみを用いて同一方向廻
りの異なる周波数モード間のビートを検出してもよい。
発振光のビート周波数を捉えることにより、回転の状態
を知ることができる。検出されたビート信号は信号処理
手段６に送られ、必要に応じて温度センサ等からの参照
信号２１を用いて信号補正（温度により、回転速度０に
対応した周波数差が変化するからである）をした後、角
速度、角度変化の情報２２に変換される。通常、左右廻
りの同一周波数の光（回転角速度が０のとき周波数が同
一である光）間のビートを検出する場合、後述の基本式
数１に従いこれを行うことができる。以上の回転検出を
安定に行うためには、戻り光（光増幅素子の一端からで
て、光増幅素子のもう一方の端から入力する光）がある
場合に、基本となるレーザ発振が安定であることが前提
となる。これに関しては、光ジャイロとは異なる分野で
ある、半導体レーザ素子への戻り光の影響を研究する分
野において、研究がなされている。半導体素子への戻り
光の研究は、必ずしも図１３の光ファイバ１０２０のよ
うなリング状の外部共振器を用いるものばかりではない
が、光ファイバ１０２０のようなリング状共振器を用い
る場合に、上記光ファイバリング内を左右方向に伝搬す
る光のうちの一方向の光のみに注目した発振の特性が論
じられている。具体的には、一例として、アプライド・
フィジックス・レターズ第４８巻２０４ページから２０
６ページ（R.M.Jopson, et al, Appl. Phys. Lett. 48
(1986), 204）にこれに関する理論と実験が詳述されて
いる。そこではまた、リング内伝搬光の偏光制御（偏光
の選択）と発振波長の選択とを目的として、複屈折率フ
ァイバの利用並びに半導体素子に対するファイバ偏光保
存軸の位置決めの仕方が論じられている。それによるレ
ーザ発振の生じる条件を図４に示す。図４は、波長と利
得の関係を示す。レーザ発振の生じる条件としては、フ
ァイバリング内を伝搬する光に対し、（１）光増幅手段
１の利得があること（図４（ａ）参照）、（２）周回し
た光の偏光状態が一致すること（図４（ｂ）参照）、
（３）光ファイバリングの共振モードに合うこと、すな
わち、光ファイバの光学的長さが波長の整数倍であるこ
と（図４（ｄ）参照）、（４）光増幅手段１自体が持つ
共振器としてのモードに合うこと、すなわち、光増幅手
段１の光学的長さが波長の整数倍であること（図４
（ｃ）参照）、の４つが基本条件として挙げられてい
る。これらの条件を満たす光ほどレーザ発振し易く、条
件を満たさなくなるに従い発振できなくなる。但し４つ
めの条件は、光増幅器の種類に依存し、あまり強い条件
にはならないことが多い。以下では、上の条件（２）に
注目する。光導波路としての光ファイバは、温度分布変
化や振動、またそれ自体の持つ歪等により、伝播光の偏
光状態が容易に変化することが知られている。つまり通
常の光ファイバをそのまま利用した光ファイバリングレ
ーザジャイロでは、動作途中において発振光が上の条件
（２）を容易に満たさなくなることがある。このためレ
ーザ発振のモードが変わってしまったり，発振が中断し
たりするために安定なジャイロの動作が難しい。また、
上記文献の構成では、上記光増幅素子と光ファイバの偏
光軸の位置関係が適切になるように両者を接続して、条
件（２）を満たすようにしている。ところで、一般に、
光増幅手段と光ファイバとの接続は、レンズや先端をレ
ンズ状加工した光ファイバを利用してアライメントを決
める。上記複屈折率ファイバを用いる場合には、加え
て、非常に小さいものである光増幅素子とファイバの偏
光軸を各端面毎に必要な角度に位置合わせする必要があ
る。この点、偏光軸合わせを含め自動化の容易なファイ
バ同士の融着に比べて困難である。偏光変動の抑制に関
し、図１に示す第１の実施例では、リング共振器用光フ
ァイバにそれ自体偏光変動を抑制可能な複屈折率ファイ
バを用い、また光増幅素子とは別にファイバポラライザ
による偏光制御を取り入れ、ファイバにより偏光状態の
設定をできるようにしている。複屈折率ファイバの利用
による主な効果は、レーザ発振の安定化であるが、偏光
変動を抑制するという同じ理由によって図１では、ビー
ト信号検出のため光カプラ４ａ、４ｂで構成される光検
出部にも複屈折率ファイバを、また上記光カプラ４ａ、
ｂにも該複屈折率ファイバ用の光カプラを用いるように
している。もちろん共振器のファイバと光検出部のファ
イバは、必ずしも同じ種類にする必要はない。図２に上
記複屈折率ファイバ２の断面構造例を示す。通常光ファ
イバは、石英硝子やプラスチック等で構成され、光を伝
播させるコア１１と、その周りを囲む屈折率が僅かに小
さいクラッド部１２、並びに全体を保護する保護材（サ
ポート）１３から成る。本発明に係る図２の複屈折率フ
ァイバでは、これらに加え、コアの屈折率に異方性を与
えるために、コア１１を包むようにジャケット構造１４
が設けられている。このようにファイバ断面構造に異方
性を持たせることにより、互いに直交する偏光モードに
適当な伝播定数差を与えることができ、モード結合理論
の帰結として両者の結合（偏光状態の入れ代わり、即ち
１つの偏光状態に決めたものが伝播の途中で他のモード
に変わってしまうこと）をなくすことができることが分
かっている。図中Ｘ軸、Ｙ軸は、それぞれその軸と平行
に直線偏光を入射した場合、該直線偏光をその偏光状態
を変えずに伝搬できる方向（偏光保存軸）を示す。上記
のようにＸ、Ｙ各軸方向に偏光した光は、異なる伝搬定
数でファイバ内を伝わるようにしているため、一般の角
度で光を入射した場合には、例えば後述の実施例で注目
するように、光は、上記伝搬定数差に応じた偏光状態変
化を受けながらファイバ中を伝搬することになる。もち
ろん複屈折率ファイバとしては、図２の例の他、楕円コ
ア型、ボウタイ型、サイドピット型等種々のものを利用
することができる。図３に上記光増幅素子１並びにファ
イバポラライザ３と複屈折率ファイバ２との接続例を示
す。図では、光増幅素子１、ファイバポラライザ３の偏
光選択軸を共に複屈折率ファイバの偏光保存軸と平行に
するようにしている。一般に上記光増幅手段にはファイ
バポラライザ３の偏光選択性なみの明確な偏光選択性を
期待することはできないが、本構成では、上記ファイバ
ポラライザ３により直線偏光の選択性を高めることがで
き、且つ上記複屈折率ファイバ２の使用により偏波変動
も抑制されるため、安定したジャイロ動作を期待するこ
とができる。このように上記本発明の構成では、上記光
増幅手段１とは別に偏光選択手段３を与えるため、上記
光増幅素子１に偏光選択性のない光増幅素子（偏波無依
存型光増幅素子）を使う場合にも明確な偏光選択効果を
維持できることが分かる。偏波無依存型光増幅素子を使
う場合には、特に上記複屈折率ファイバの偏光保存軸を
素子に対して調整する必要がない。このため困難な光増
幅素子とファイバの光軸合わせが無くなるので、光学系
の組立を大幅に簡略化することができる。具体的には、
上記光増幅素子との接続では、該光増幅素子は、動作時
には光を減衰することがないので、光導波路として機能
することにより、偏光消光比変化（ファイバの端面間の
偏光保存軸が平行でないことにより生じる光の偏光状態
の変化）に注目したファイバの偏光保存軸合わせをする
ことができる。一方でファイバポラライザ３との接続
は、ファイバ同士の接続であるため、一例として各ファ
イバの断面構造を計測し最適位置を割り出す自動化され
たファイバ融着装置を直接利用することができる。上記
の方法により、光増幅素子を予めファイバピッグテイル
付きのモジュール（光増幅素子とある程度の長さのファ
イバとの接続がすでにされているもの）にしておく場合
には、光学系の調整を全てファイバ間の接続で行うこと
もできる。偏波無依存型光増幅素子の例としては、１．
ELECTRONICS LETTERS 23rd May 1991 Vol.27No.11pp94
1,942「POLARISATION-INDEPENDENT SEMICONDUCTOR OPTIC
ALAMPLIFIER MODULE USING TWIN GRIN ROD LENSES」、
２．ELECTRONICS LETTERS 3rd August 1989 Vol.25 No.
16 pp1048,1049「POLARISATION-INDEPENDENT OPTICALAMP
LIFIER WITH BURIED FACETS」、３．ELECTRONICS LETTER
S 18rd January 1990Vol.26 No.2 pp941,942「1.55μm H
IGH-GAIN POLARISATION-INSENSITIVE SEMICONDUCTOR TR
AVELLING WAVE AMPLIFIER WITH LOW DRIVING CURREN
T」、に記載がある。ところで、光ファイバリングレーザ
ジャイロにおいては、リングレーザとしての発振波長の
選択を、上記光増幅素子の選択の他に偏光状態の調節に
より行うことができる。一例として上記文献アプライド
・フィジックス・レターズ第４８巻２０４ページから２
０６ページ（R.M.Jopson, et al, Appl. Phys. Lett. 4
8 (1986), 204）には、複屈折率ファイバの偏光保存軸
と光増幅素子の偏光選択軸を直接４５度の角度で接続す
ることにより、発振波長の絞り込みのできることが説明
されている。この場合の波長に対する発振利得を図４
（ｂ）に引用する。上記のように偏波保存特性のある複
屈折率ファイバでは、偏光保存軸方向に振動する２直線
偏光は、互いに異なる伝搬定数でファイバ内を伝わるた
め、直線偏光を該光ファイバの偏光保存軸と４５度の角
度で入射させる場合には、図５のように周期的（位相が
０と２πのときで偏光状態が同じになる。図６ではポラ
ライザ３の両端がそれぞれ、位相０と２πに対応してい
る）に偏光状態を変えながらファイバ内を伝搬する。該
変動周期は、波長に依存して変化するため、上記の発振
条件（２）と併せて、周回後に偏光状態の一致する波長
に対して大きな発振利得が与えられることになる。図４
（ｂ）の利得曲線は、４５度の場合を示している。本発
明の光ファイバリングレーザジャイロでは、上記図３の
接続構成において、ファイバポラライザの偏光選択軸と
複屈折率ファイバの偏光保存軸とを互いに４５度の角度
で融着することにより、同じ効果を期待することができ
る。加えて、上記のように光増幅手段に偏光特性のない
光増幅素子を利用することができるため、素子とファイ
バとの偏光軸合わせを省略することもできる。これによ
り両者のアライメントを簡略化することができ、複屈折
率ファイバを用いた発振波長の絞り込み、即ちジャイロ
動作に不要な光の発振抑制を簡便に行うことができる。
図６にこの場合の接続例を示す。逆に、後述のように複
数の発振モードが必要な場合（同一方向回りの周波数が
異なる光の間でビート周波数を求める場合）には、図３
の構成を用いることにより、広い波長域での利得を期待
することができる。両者の中間の場合も含め、上記本発
明の光ファイバリングレーザジャイロでは、自動化の容
易なファイバ間の融着角度の変更で、偏光状態の細かな
設定制御をできるようにしている。図６では、自動化の
容易なファイバ間の融着のみを正確に行えば良い。これ
により、上記文献の、レーザへの戻り光を研究する分野
で検討されている光学系構成の工夫、特に複屈折率ファ
イバを用いた偏光状態制御や波長選択に関する工夫が、
本発明が対象とするのジャイロの分野に反映されなかっ
た原因となっていた問題が解決できる。すなわち、上記
文献の、戻り光のあるレーザ発振の研究では、偏光特性
を持つレーザ素子と複屈折率ファイバとの偏光軸合わせ
が問題となる一方、ファイバ間の接続と比べて正確なア
ライメントの自動化が難しい両者の光接続の問題が解決
されていなかった。なお、図６において、上記偏光状態
選択手段としてバルクの光学素子（例えば、偏光子）や
集積化光素子の機能を利用することもできる。この場合
にも、光増幅素子の偏光特性のみを利用する場合と比べ
て明確な偏光設定を期待することができるが、偏光軸の
調整に関しては、上記ファイバ間の接続の場合ほど容易
ではないと予想される。位相変調部が必要である干渉型
の光ファイバジャイロに比べて、位相変調部がないこと
による、光ファイバリングレーザジャイロの利点である
装置の簡潔さをさらに進める場合には、上記第１の実施
例から偏光状態選択手段（ファイバポラライザ）３を省
略してもよい。この場合には、上記複屈折率ファイバと
して単一の偏光成分のみが伝搬するようになる複屈折率
ファイバを用いることにより、偏光成分の選択を行うこ
とができる。別の方法として、逆に、上記複屈折率ファ
イバを用いずに、上記ファイバポラライザを構成する光
ファイバ自体をファイバループとして用いることができ
る。いずれの場合も、図５のような波長の選択を行うこ
とはできないが、はじめから単一の偏光成分しか通過し
ないようにできる。また、上記偏波無依存型増幅器との
組み合わせにより、素子とファイバ間の偏光軸の向きを
調整する必要はなくなるので、接続を容易にすることが
できる。上記光増幅手段１としては、一般に通常の半導
体レーザ素子を利用することもできる。光増幅手段とし
ては、またエルビウム等稀土類元素をドープすることに
より、増幅機能を有することができる光ファイバ自体を
増幅器として用いることもできる。この場合、該光ファ
イバに対し内部あるいは外部から異方的歪みを与えるこ
とにより、上記本発明第１の実施例に於ける光増幅手段
１と複屈折率ファイバ２を併せた効果を期待することも
できる。上記本発明の光ファイバリングレーザジャイロ
では、更に感度設定の面でも調整の自由度を与えること
ができる。上記のように装置が回転を始めると、静止時
に同一周波数で発振していた左右廻りの光は異なる周波
数で発振するようになる。この場合両発振光のビート周
波数Δｆは、

【０００８】

【数１】

【０００９】によって与えられる。ここでＳは、リング
状光ファイバ共振器の面積、Ｌは、周長、ｒは、共振器
を円形とした場合の半径を、λは、考える光の波長を、
またΩは、装置の回転角速度をそれぞれ示す。上式より
ビート周波数の変化、即ちジャイロとしての感度は、共
振器の大きさ、形状によることが分かる。ここでファイ
バループに通常の光ファイバを用いる場合、例えば感度
の向上のためにファイバループを大きくすると外乱影響
も同時に拾い易くなるため、これに対する対策が別途必
要となる。これに対し上記本発明の構成においては、複
屈折率ファイバを用いているため、リング共振器を構成
するファイバ自体が外乱影響を受けにくく、こうした共
振器長の変更設定を周囲の条件によらず比較的容易に行
うことができる。

【００１０】図７に第２の実施例を示す。本実施例で
は、上記本発明第１の実施例との比較のために、ファイ
バ断面で見て等方的な形状を有するコア１１、クラッド
１２、及びサポート１を有する通常の光ファイバ８に外
部から歪みを与え、上記複屈折率ファイバ２と同様の偏
光保存効果を得るようにした場合を示している。ここで
は、外力によりファイバ内部に生じる応力が光弾性効果
に従い屈折率分布に異方性を与えることを利用してい
る。図では力学的構造３１が、外力与えるための手段を
示す。こうした補助的手段を併用する場合には、既に普
及している通常の光ファイバをそれぞれの特性にあわせ
て有効活用することができる。外部からの歪みの与え方
には、力学的な押しつけの他、光ファイバを円柱状のフ
レームに必要な力で巻き付ける方法も考えられる。図で
はまたピックアップ用ファイバにも通常のファイバを利
用しているが、この場合外乱影響を拾いにくくするよ
う、その長さを短くするようにしている。この場合、フ
ァイバリングを含め光ファイバ全体が揺れにくい支持構
造を与えることも対策として有効である。

【００１１】上記本発明の第１の実施例の場合にはこれ
に対し、偏光状態保存のための手段３１に代表される補
助的機構を設ける必要はない。つまり光学部品の僅かな
変更のみで上記偏波変動抑制の効果を得ることができる
ため、光学系構成を始めとする光ファイバリングレーザ
ジャイロ基本構造を大きく変化させたり複雑にしたりす
ることなく必要な効果を得ることができる。

【００１２】なお、通常の光ファイバ８を中心に構成し
た従来構成では、既に低速度回転時での「ロックイン」
対策が議論されている。ロックインとは、低速度回転時
に、レーザ素子の特性より、ビート周波数が０になって
しまい、角速度が検出できない現象をいう。そうした対
策の一例として、バイアス回転をジャイロに与える方法
が特開昭６３−２５０５１４号公報の中で述べられてい
る。本発明の光ファイバリングレーザジャイロは、こう
した対策例をそのまま利用することができる。図８に第
３の実施例として、その一例を示す。図では半導体光増
幅素子１の電源４２の他に、上記光増幅素子の注入電流
に変調を加えるための手段４３を備えるようにしてい
る。これにより、該光増幅素子の発振周波数に、上記
「ロックイン」を解除できる、バイアス回転に相当する
変調を加えるようにしている。

【００１３】図９に第４の実施例を示す。本構成におい
ては、上記本発明第１の実施例の光学系構成に加えて上
記レーザ発振用ファイバリング内に左右廻り光をモニタ
するための方向性光結合器４ｃを備えるようにしてい
る。光ファイバリングレーザジャイロでは基本的に上記
光増幅素子の両端を光ファイバで閉じる必要があるが、
本構成ではモニタカプラの使用により、例えば素子の取
り付けを光学系構成の最後に行う場合でも、リングを閉
じる際の素子・ファイバ間のアライメントを容易にでき
るようにしている。また、ジャイロの動作時には左右廻
り光の発振状態を独立にモニタすることができ、またこ
れを上記光増幅素子への注入電流の制御に利用すること
もできる。

【００１４】図１０に第５の実施例を示す。静止時に同
一周波数で発振していた左右両方向廻り光に注目し、回
転に伴う周波数変化を光のビートとして観測する場合、
検出器はビート周波数の絶対値しか検出できないため、
回転方向の特定が難しいという問題がある。この場合、
注目する左右方向廻りの２つの伝播光の発振周波数を予
め変えておくことにより、回転の方向判別を容易にする
ことができる。即ち、はじめから零でない値にバイアス
されたビート周波数が期待できるため、ビート周波数の
絶対値から回転方向の区別が簡単にできる。また同時に
ビート周波数の絶対値から回転角速度を知ることもでき
る。このように、第５の実施例は、はじめから零でない
値にバイアスされたビート周波数を利用するものであ
る。

【００１５】本実施例では上記本発明の他の実施例の光
学系と同様、複屈折率ファイバ２とファイバポラライザ
３を組み合わせた光学系を基に、左右廻りの２つの伝搬
光ではなく、同一方向廻りの異なる周波数間のビート周
波数を対象とする。そして、レーザ発振を妨げない量の
光を取り出す方向性光結合器４により、このビート周波
数を捉え、光検出部５ａにより右廻りの光を検出するよ
うにしている。

【００１６】また片側廻りの発振を選択的に起こすため
に、ファイバリング内に光アイソレータ（一方の方向の
光のみを透過させる）９を用いるようにしている。この
場合、既述のよう複屈折率ファイバ２とファイバポララ
イザ３の偏光軸角度を調整して必要な波長域に発振の利
得を与えることにより、発振モード（縦モード）を選択
制御することができる。また上記光増幅素子への注入電
流量の制御によってもモード数（発振している周波数の
異なる伝搬光の数）の制御を行うことができる。

【００１７】上記本発明の光ファイバリングレーザジャ
イロでは更に、各発振モード毎に安定な発振が期待でき
るため、２つ以上のモードを発振させ、互いのビートの
中から適切なビート周波数を有するもののみに注目して
回転角速度や回転方向の特定をすることができる。一例
として、従来方法により同一周波数の光に基づく左右廻
りの光ビートから角速度を検出すると共に、同一方向廻
りの異なるモードの光（周波数の異なる光）とのビート
から、周波数が異なるためバイアスを有するので、回転
方向を特定することができる。また、別の方法として、
左右廻りの異なる周波数モード間のビートに注目するこ
とも可能である。どのモードを選ぶかは、一般に、発振
状況や計測精度と合わせて注目するモードを決めること
ができる。

【００１８】検出ビートの選択には、検出器側で必要な
フィルタリング処理をする他、上記のようにモニタカプ
ラを含む複数の検出部を設け、各検出信号を比較処理す
ることもできる。図１０において、点線で示す光検出部
５ｂを追加し、光アイソレータ９を用いない構成とする
ことにより、同一方向廻りの異なる周波数モード間のビ
ートを左右廻りそれぞれについて検出できる。そして、
信号処理手段６で、右廻りの光から得られたビート周波
数と、左廻りの光から得られたビート周波数との差を求
めることにより、片側廻りの光のみを用いた場合に比べ
て、出力が２倍になるとともに、直流的なノイズを除去
することもできる。得られたものより、回転の大きさと
方向を検出できる。

【００１９】図１１に本発明第６の実施例を示す。本構
成では、レーザ発振を妨げない量の光を取り出す方向性
光結合器４の出力端ファイバを２つ並べて配置し、それ
により各ファイバから取り出される左右廻りの各光の干
渉縞を得るようにしている。該干渉縞は回転による上記
発振光の周波数変化に伴い一定の方向に移動をする。回
転の方向が逆になる場合には、その移動方向も逆にな
る。一方で、干渉縞の一点に注目する場合には、左右廻
り光のビートに対応する明暗を繰り返すことになる。従
って、上記干渉縞を２つ以上の光検出部５ａ、５ｂ、あ
るいはアレイ状に配置した光検出部を用いて明暗の変化
と共に縞の移動方向を検出することにより、回転の大き
さと方向を求めることができる。上記干渉縞を作る方法
としては上記のようにファイバを単に並べる以外に、２
つのファイバの角度や間隔を調整することにより、縞の
間隔や形状を調整することができる。

【００２０】以上本発明の構成を含め、一般に光ファイ
バリングレーザジャイロを動作させる場合、既述のよう
にファイバリングの大きさ等光学系構成上の制約から、
必ずしも目的とするビート信号周波数が、パルスカウン
トに望ましい周波数域に来るとは限らない。この場合、
上記信号処理手段６においてダウンサンプリング法、即
ちパルス変調による時間軸上でのビート波形の相似変換
に基づく信号処理を行うことにより問題の解決を図るこ
とができる。

【００２１】図１２にダウンサンプリング法による信号
波形相似変換の概念図を示す。該サンプリング法の詳細
は一例として特開平３−２５２５２１号公報の中に述べ
られている。上記サンプリング法を用いることにより、
高周波数側にずれた信号波形を低周波数側に変換するこ
とができる。従って、変調に用いるパルス信号を調整す
ることにより、ジャイロの信号処理に先立ち、パルスカ
ウントの容易な周波数域まで出力信号を相似的に変換す
ることができる。

【００２２】以上の例から明らかなように、上記本発明
においては、第一にファイバリング内を伝搬する光の偏
光状態を容易且つ確実に制御することにより、光ファイ
バリングレーザジャイロを機能させるための種々の工夫
を効果的に取り込めるようにしている。

【００２３】

【発明の効果】上記本発明の光ファイバリングレーザジ
ャイロでは、複屈折率ファイバを直接利用することによ
り、従来のジャイロ基本光学系を大きく変更することな
く、外乱やファイバ自体の持つ歪による伝搬光の偏波変
動を抑制し、ジャイロ動作を安定に行うことができる。
またファイバポラライザの使用により光増幅素子一般の
偏光特性に依らず偏光状態の選択をファイバ間の融着に
より容易且つ確実に行うことができる。加えて偏波無依
存型半導体光増幅素子、モニタ用方向性光結合手段の使
用により、光増幅素子と上記複屈折率ファイバとの光接
続を含む光学系の調整組立を簡便に行うことができる。

【００２４】また、上記光学系構成において左右各方向
廻りないしは同一方向廻りの異なる発振周波数モード間
の周波数差の変化を検出処理できる光検出部と信号処理
手段とを備えることにより、あるいはまた左右両廻り光
の干渉縞を２つ以上の光検出手段、ないしはアレイ状に
配置した光検出手段で検出することにより、発振モード
の安定化と併せて、回転方向の検出が容易な出力信号を
安定に得ることができる。

【００２５】更に出力信号の処理に上記ダウンサンプリ
ング法を用いることにより、光学系構成上の理由から出
力ビート周波数が高周波数側にずれるような場合でも、
信号波形を時間軸上で相似的に拡大変換することによ
り、パルスのカウントを容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の光ファイバリングレーザジャイ
ロ構成図である。

【図２】複屈折率ファイバの断面構造の説明図である。

【図３】第１の実施例での偏光軸合わせの説明図であ
る。

【図４】波長に対する発振利得の説明図である。

【図５】偏光状態変化の説明図である。

【図６】偏光軸合わせの別の構成図である。

【図７】第２の実施例の光ファイバリングレーザジャイ
ロの構成図である。

【図８】第３の実施例の光ファイバリングレーザジャイ
ロの構成図である。

【図９】第４の実施例の光ファイバリングレーザジャイ
ロの構成図である。

【図１０】第５の実施例の光ファイバリングレーザジャ
イロの構成図である。

【図１１】第６の実施例の光ファイバリングレーザジャ
イロの構成図である。

【図１２】ダウンサンプリング法による波形変換の説明
図である。

【図１３】従来技術に係る光ファイバリングレーザジャ
イロの構成図である。

【図１４】通常の光ファイバのモードの説明図である。

【図１５】通常の光ファイバにおける偏波状態の変化の
説明図である。

【図１６】複屈折率ファイバの構造の説明図である。

【符号の説明】

１・・・光増幅手段、２・・・複屈折率ファイバ、３・
・・偏光状態選択手段（ファイバポラライザ）、４、４
ａ、４ｂ、４ｃ・・・方向性光結合手段（光カプラ）、
５、５ａ、５ｂ、５ｃ・・・受光手段（フォトダイオー
ド）、６・・・信号処理手段、７・・・増幅率が偏光方
向に依らない光増幅素子、８・・・内部複屈折率性を持
たない光ファイバ、９・・・光アイソレータ、１１・・
・光ファイバコア、１２・・・光ファイバクラッド、１
３・・・光ファイバ保護材（サポート）、１４・・・楕
円ジャケット、２１・・・他センサ参照信号、２２・・
・出力信号、３１・・・光ファイバへの加圧手段、４１
・・・抵抗素子、４２・・・光増幅素子駆動電圧源、４
３・・・変調用電圧源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 園部 久雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 梶岡 博 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日立 電線株式会社日高工場内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバと、当該光ファイバとともにリ
   ングを構成し、当該リング内を伝搬する伝搬光を増幅す
   る光増幅手段とを有する光ファイバリングレーザジャイ
   ロにおいて、 上記リングの一部を構成し、上記伝搬光のうちあらかじ
   め定められた偏光方向の伝搬光のみを選択することによ
   り、当該選択された伝搬光のみをリング内で伝搬させる
   偏光選択手段を有することを特徴とする光ファイバリン
   グレーザジャイロ。
2. 【請求項２】請求項１記載の光ファイバリングレーザジ
   ャイロにおいて、 上記偏光選択手段は、光ファイバから構成されたファイ
   バポラライザであることを特徴とする光ファイバリング
   レーザジャイロ。
3. 【請求項３】光ファイバと、当該光ファイバとともにリ
   ングを構成し、当該リング内を伝搬する伝搬光を増幅す
   る光増幅手段とを有する光ファイバリングレーザジャイ
   ロにおいて、 上記光増幅手段は、伝搬光の偏光方向に依らず増幅率の
   等しい偏波無依存型半導体光増幅素子であることを特徴
   とする光ファイバリングレーザジャイロ。
4. 【請求項４】請求項１、２または３記載の光ファイバリ
   ングレーザジャイロにおいて、 上記光ファイバの少なくとも一部は、複屈折率性を有
   し、予め定められた方向の偏波面を有する偏光の偏波面
   の方向を保持する複屈折率ファイバであることを特徴と
   する光ファイバリングレーザジャイロ。
5. 【請求項５】光ファイバと、当該光ファイバとともにリ
   ングを構成し、当該リング内を伝搬する伝搬光を増幅す
   る光増幅手段とを有する光ファイバリングレーザジャイ
   ロにおいて、 上記光ファイバの少なくとも一部は、複屈折率性を有
   し、予め定められた方向である偏光保存軸方向の偏波面
   を有する偏光の偏波面の方向を保持する複屈折率ファイ
   バであることを特徴とする光ファイバリングレーザジャ
   イロ。
6. 【請求項６】請求項４または５記載の光ファイバリング
   レーザジャイロにおいて、 上記光増幅手段は、その両端が上記複屈折率ファイバと
   接続し、 上記複屈折率ファイバの上記光増幅手段と接続する２つ
   の端面は、上記光増幅手段をはさんで対向し、当該２面
   内の上記偏光保存軸方向は、互いに平行であることを特
   徴とする光ファイバリングレーザジャイロ。
7. 【請求項７】請求項６記載の光ファイバリングレーザジ
   ャイロにおいて、 上記光増幅手段は、入力される伝搬光の偏光方向により
   増幅率が異なるものであって、増幅率の高い偏光方向で
   ある偏光選択軸方向を有し、当該光増幅手段の両端が複
   屈折率ファイバと接続され、 当該光増幅手段と上記複屈折率ファイバとの接続部で
   は、上記偏光選択軸方向と上記偏光保存軸方向とは互い
   に平行であることを特徴とする光ファイバリングレーザ
   ジャイロ。
8. 【請求項８】請求項２記載の光ファイバリングレーザジ
   ャイロにおいて、 上記光ファイバの少なくとも一部は、複屈折率性を有
   し、予め定められた方向の偏波面を有する偏光の偏波面
   の方向を保持する複屈折率ファイバであり、 上記ファイバポラライザは、その両端が上記複屈折率フ
   ァイバと接続し、 上記ファイバポラライザと上記複屈折率ファイバとの接
   続部では、上記ファイバポラライザの有する偏光方向と
   上記偏光保存軸方向とは互いに平行であることを特徴と
   する光ファイバリングレーザジャイロ。
9. 【請求項９】請求項２記載の光ファイバリングレーザジ
   ャイロにおいて、 上記光ファイバの少なくとも一部は、複屈折率性を有
   し、予め定められた方向の偏波面を有する偏光の偏波面
   の方向を保持する複屈折率ファイバであり、 上記ファイバポラライザは、その両端が上記複屈折率フ
   ァイバと接続し、 上記ファイバポラライザと上記複屈折率ファイバとの接
   続部では、上記ファイバポラライザの有する偏光方向と
   上記偏光保存軸方向とは４５度の角度をなすことを特徴
   とする光ファイバリングレーザジャイロ。
10. 【請求項１０】請求項１から９までのいずれかに記載の
    光ファイバリングレーザジャイロにおいて、 上記光増幅手段が増幅している、上記リング内を伝搬し
    ている２つの伝搬光の周波数は、上記光ファイバリング
    レーザジャイロの回転速度が０のときでも異なり、 上記伝搬光の一部を取り出す光検出手段と、 上記取り出した、周波数が異なる伝搬光の間の周波数の
    差を検出する信号処理手段とを有することを特徴とする
    光ファイバリングレーザジャイロ。
11. 【請求項１１】請求項１０記載の光ファイバリングレー
    ザジャイロにおいて、 上記リング内を伝搬している上記伝搬光のうち、予め定
    められた方向廻りの光のみを選択することにより、当該
    予め定められた方向廻りの光のみがリング内を伝搬する
    ようにする光選択手段を有することを特徴とする光ファ
    イバリングレーザジャイロ。
12. 【請求項１２】請求項１から９までのいずれかに記載の
    光ファイバリングレーザジャイロにおいて、 上記リング内を伝搬している上記伝搬光の一部を取り出
    す光検出手段と、 上記光検出手段により取り出された上記リング内を異な
    る方向回りに伝搬していた伝搬光を干渉させて、干渉縞
    を生成する干渉手段と、 上記干渉縞を検出するために、複数の光検知手段を備え
    た干渉縞検出手段とを有することを特徴とする光ファイ
    バリングレーザジャイロ。
13. 【請求項１３】請求項１０、１１または１２記載の光フ
    ァイバリングレーザジャイロにおいて、 上記リング内を異なる方向回りに伝搬している伝搬光の
    うちの第１の方向回りの光を検出する方向性光検出手
    段、および第２の方向回りの光を検出する方向性光検出
    手段のうち、少なくともひとつの光検出手段を有するこ
    とを特徴とする光ファイバリングレーザジャイロ。
14. 【請求項１４】請求項１０、１１、１２または１３記載
    の光ファイバリングレーザジャイロにおいて、 上記信号処理手段は、上記取り出した伝搬光をダウンサ
    ンプリングして、低い周波数の信号に変換し、変換後の
    信号を処理することを特徴とする光ファイバリングレー
    ザジャイロ。
15. 【請求項１５】光ファイバと、当該光ファイバとともに
    リングを構成し、当該リング内を伝搬する伝搬光を増幅
    する光増幅手段とを有する光ファイバリングレーザジャ
    イロにおいて、 上記伝搬光の一部を取り出す光検出手段と、 上記取り出した、周波数が異なる伝搬光の間の周波数の
    差を検出する信号処理手段とを有し、 上記信号処理手段は、上記取り出した伝搬光をダウンサ
    ンプリングして、低い周波数の信号に変換し、変換後の
    信号を処理することを特徴とする光ファイバリングレー
    ザジャイロ。