JPH08145696A - 光ファイバジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 用いられる光部品の価格を抑えながらジャイ
ロスコープの精度を向上させて、高性能、低価格の光フ
ァイバジャイロスコープを提供する。 【構成】 発光素子１から照射された光を、第２の光フ
ァイバカプラ７によって分岐してセンシングループ８内
を時計廻りおよび反時計廻りに伝搬させて再び第２の光
ファイバカプラ７によって合波させた後、受光素子１１
によって受光する時に、センシングループ８に与えられ
た回転運動の回転角速度を求める干渉型の光ファイバジ
ャイロスコープにおいて、偏波保持光ファイバと偏波保
持機能を持たないシングルモード光ファイバとからなる
第１の光ファイバカプラ３を用い、その偏波保持光ファ
イバ２を発光素子１に、シングルモード光ファイバ１０
を受光素子１１に接続する。

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、ロケット、船
舶、あるいは自動車などの移動体の回転角速度を検出す
る光ファイバジャイロスコープに関し、特に、干渉型の
光ファイバジャイロスコープに関する。

【０００２】

【従来の技術】干渉型光ファイバジャイロスコープの基
本構成の一例を図３に示す。図中符号５１は光源、５３
は第１の光分岐結合器、５５は偏光子、５７は第２の光
分岐結合器、５８はセンシングループ、５９は位相変調
器、６１は受光素子、５２、５４、５６および６０は光
ファイバである。この光ファイバジャイロスコープは、
航空機、ロケット、船舶、あるいは自動車などの移動体
に取り付けて用いられる。センシングループ５８は長尺
のシングルモードファイバからなり、通常直径数ｃｍか
ら数十ｃｍのコイル状に巻かれている。光源５１から発
せられた光は第１の光分岐結合器５３で分けられ、偏光
子５５によって直線偏光させられた後、第２の光分岐結
合器５７によりさらに２つに分けられる。この２つの光
はそれぞれ、センシングループ５８内を時計回り方向
（ＣＷ）と反時計回り方向（ＣＣＷ）に伝搬して、再び
光分岐結合器５７で合波される。この時、移動体の位置
が変化すると、センシングループ５８を含む面が受ける
角速度の大きさに比例して、センシングループ５８内を
伝搬する２つの光（ＣＷとＣＣＷ）の位相差が変化する
現象（サグナック効果）が生じる。この効果を利用し
て、合波した光の干渉の変化を調べることで、角速度を
検出することができる。これが干渉型光ファイバジャイ
ロスコープの基本原理である。

【０００３】図３に示した構成においてはＣＷ光とＣＣ
Ｗ光が同じ光路を同一モードで伝搬するため、外乱を等
しく受けるようになっている。しかしそれでも光ファイ
バ中で伝搬光の偏波状態が変化すると、ジャイロ出力に
ドリフトが生じるので、これを抑えるために偏光子５５
が用いられている。また図３の光ファイバジャイロスコ
ープにおいて、センシングループ５８に位相変調器５９
が挿入されている。この位相変調器５９は位相変調法と
呼ばれる方式に用いられるものである。この方法では、
位相変調器２９を用いてＣＷ光とＣＣＷ光に異なったタ
イミングで位相変調をかけて、出力光（ＣＷ光とＣＣＷ
光を合波した光）を同期検波することで、精度良く位相
差を検出することが可能である。このような光ファイバ
ジャイロスコープは、理論的には従来の機械式のジャイ
ロスコープをはるかに凌ぐ精度で位相差が検出できるは
ずである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
は、航空機の航法に必要な性能である高精度ジャイロと
呼ばれる精度を達成するためには、幾つかの雑音要因が
問題となってくる。これらは主に光ファイバ中の後方レ
ーリ散乱、光カー効果、地磁気によるファラデー効果と
いった、現象として非常に小さい効果によるものである
が、光ファイバジャイロの性能には重要な影響を及ぼす
ものである。現在までの研究開発の結果、光ファイバジ
ャイロスコープを構成する光源、光学系、出力信号の処
理方法などに対策が施されて、ほぼ実用化されるに至っ
ているが、光学系については、使用される光ファイバが
偏波保持光ファイバであることが必須とされている。従
って、光分岐結合器５３、５７に光ファイバカプラを使
用する場合には、偏波保持光ファイバカプラが用いられ
るが、偏波保持光ファイバは高価であるだけでなく、偏
波保持光ファイバカプラの製造が難しいという欠点があ
った。

【０００５】また、中精度以下の光ファイバジャイロス
コープの場合は、偏波保持光ファイバの価格が高いの
で、通常のシングルモード光ファイバで性能を満たす努
力がなされている。すなわち、センシングループ５８
が、使用される光ファイバの大半を占めるので、センシ
ングループ５８および光分岐結合器５３、５７をシング
ルモードファイバで構成し、その結果生じるループ内で
の偏波の変動の影響を小さくするために、センシングル
ープ５８の途中にデポライザ（図示せず）を挿入するこ
とが行われている。デポライザは入射される直線偏光を
無偏光状態に変える光学部品であり、Ｌｙｏｔタイプの
ものがよく知られている。また光源５１にはスーパール
ミネッセントダイオードが一般的に用いられるが、シン
グルモード光ファイバを用いて構成されている光ファイ
バジャイロスコープにおいて、光源光に偏光特性がある
と偏光子５５の前後のファイバ中の偏波変動が出力変動
として表れてしまう。したがって、特に、光源５１から
偏光子５５までの間の偏波変動を解消する工夫が必要と
されていた。

【０００６】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、用いられる光部品の価格を抑えながらジャイロスコ
ープの精度を向上させて、高性能、低価格の光ファイバ
ジャイロスコープを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、発光素子から照射された光を、光方向性結合器によ
って分岐した後、光ファイバによって構成されたセンシ
ングループ内を時計廻りおよび反時計廻りに伝搬させて
再び前記光方向性結合器によって合波させた後、受光素
子によって受光する時に、前記センシングループに与え
られた回転運動の回転角速度を求める干渉型の光ファイ
バジャイロスコープにおいて、本発明の請求項１記載の
光ファイバジャイロスコープは、前記発光素子および前
記受光素子に接続され、前記発光素子から照射された光
を分岐する第１の光ファイバカプラと、前記センシング
ループに接続された第２の光ファイバカプラを備え、前
記第１の光ファイバカプラについては発光素子に接続さ
れた光ファイバが偏波保持光ファイバであり、かつ受光
素子に接続された光ファイバが偏波保持機能を持たない
シングルモード光ファイバであり、前記センシングルー
プが偏波保持光ファイバを用いて構成されていることを
特徴とするものである。この請求項１記載のジャイロス
コープにおいて、前記第２の光ファイバカプラを偏波保
持光ファイバを用いて構成してもよい。また本発明の請
求項３記載のジャイロスコープは、前記発光素子および
前記受光素子に接続され、前記発光素子から照射された
光を分岐する第１の光ファイバカプラと、前記センシン
グループに接続された第２の光ファイバカプラを備え、
前記第１の光ファイバカプラについては発光素子に接続
された光ファイバが偏波保持光ファイバであり、かつ受
光素子に接続された光ファイバが偏波保持機能を持たな
いシングルモード光ファイバであり、前記センシングル
ープがシングルモード光ファイバを用いて構成されてい
ることを特徴とするものである。この請求項３記載のジ
ャイロスコープにおいて、前記第２の光ファイバカプラ
をシングルモード光ファイバを用いて構成してもよい。

【０００８】

【作用】高精度の光ファイバジャイロスコープは偏波保
持機能を有する光分岐結合器を用いて構成されるが、第
１の光分岐結合器についていえば、光源から偏光子に到
る光に関しては偏波保持機能が必要であるが、センシン
グループを通り偏光子を通過した後、受光器に到る場合
には必要ではない。本発明においては、第１の光分岐結
合器として、部分的に偏波保持機能を持った光分岐結合
器が用いられる。今までは部分的に偏波保持機能を持っ
た光分岐結合器は無かったので全方向について偏波保持
される光分岐結合器（偏波保持光ファイバカプラ）が用
いられていたが、偏波保持光ファイバカプラは通常の光
ファイバカプラに比べて高価かつ製造が難しいという欠
点があった。本発明では第１の光分岐結合器として、偏
波保持光ファイバと偏波保持機能を持たない通常のシン
グルモード光ファイバとからなる光ファイバカプラを用
いることによって、偏波保持光ファイバカプラの欠点を
解消して、高精度光ファイバジャイロスコープの性能を
損なうことなく低価格化を実現することができる。また
中精度以下のタイプに代表されるような、センシングル
ープに通常のシングルモードファイバを用いた光ファイ
バジャイロスコープについては、本発明において、第１
の光分岐結合器として部分的に偏波保持機能を持った光
分岐結合器を用いることにより、光源から偏光子までの
間の偏波変動を解消して、性能の向上を図ることができ
る。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明について説明す
る。図１は本発明の光ファイバジャイロスコープの第１
の実施例を示す概略構成図である。図中符号１は発光素
子、３は第１の光ファイバカプラ、５は偏光子、７は第
２の光ファイバカプラ、８はセンシングループ、９は位
相変調器、１１は受光素子、２、４、６および１０は光
ファイバである。本実施例の光ファイバジャイロスコー
プは、高精度を目指したものであり、光ファイバ２、
４、６、およびセンシングループ８は偏波保持光ファイ
バで構成されている。

【００１０】本実施例の光ファイバジャイロスコープに
おいては、第１の光ファイバカプラ３として、偏波保持
光ファイバと偏波保持機能をもたない通常のシングルモ
ード光ファイバとからなる光ファイバカプラが用いられ
る。図２は第１の光ファイバカプラ３の断面を示したも
のである。図２中符号３１は偏波保持光ファイバ、３５
はシングルモード光ファイバをそれぞれ示しており、こ
の第１の光ファイバカプラ３は、これら２本の光ファイ
バを加熱融着し、中央部を細径化して形成することがで
きる。

【００１１】第１の光ファイバカプラ３を構成する偏波
保持光ファイバ３１には、コア３２の両側に、ボロニア
（Ｂ₂Ｏ₃）をドープしたシリカガラスからなる応力付与
部３３、３３が設けられたパンダファイバが用いられ
る。この第１の光ファイバカプラ３は、光ファイバを配
列させる機構を備えた、融着延伸装置を用いて製造する
ことができる。まず、偏波保持光ファイバ３１を装置に
セットし、応力付与部３３、３３をＣＣＤカメラで観察
しつつ、応力付与部３３、３３が垂直に重なるように偏
波保持光ファイバ３１を回転させる。その後、偏波保持
光ファイバ３１とシングルモード光ファイバ３５とが水
平方向に並列して隣接するようにシングルモード光ファ
イバ３５をセットする。この状態で、偏波保持光ファイ
バ３１とシングルモード光ファイバ３５とを熱によって
融着させながら延伸し、特定波長において所望の結合比
が得られるようになるまで延伸を行なう。本実施例では
発光素子１から照射される光の波長で結合比が５０％と
なるように好ましく形成される。このような融着延伸型
の光ファイバカプラにおいては、融着テーパ部分の形状
が光ファイバカプラのクロストークおよび過剰損失とい
った特性に関与していると考えられ、融着テーパ部分の
形状を変えることによって過剰損失を低下させることが
可能である。

【００１２】このように、本発明で用いられる偏波保持
光ファイバと偏波保持機能をもたない通常のシングルモ
ード光ファイバとからなる光ファイバカプラの製造は、
従来知られている２本の偏波保持光ファイバを融着延伸
して光ファイバカプラを製造する際に比べて、光ファイ
バの配列工程が容易であり、安価でかつ歩留まりが良く
製造することができる。本実施例においては、クロスト
ークが−２０ｄＢ以下、過剰損失が０．５ｄＢ以下の特
性を満たす第１の光ファイバカプラ３を作製し、使用し
た。また第１の光ファイバカプラ３は、発光素子１に接
続される光ファイバ２、および偏光子５に接続される光
ファイバ４が偏波保持光ファイバであり、受光素子１１
に接続される光ファイバ１０がシングルモード光ファイ
バとなるように接続されて用いられる。

【００１３】発光素子１には、スーパールミネッセント
ダイオードが用いられ、その発光スペクトルの半値幅
は、１０ｎｍ以上であり、低コヒーレントな光を発して
いる。発光素子１からの光の偏光面と、これが入射され
る偏波保持光ファイバ２の複屈折主軸とが一致するよう
に接続される。偏光子５としては、例えば複屈折率差の
比較的大きな偏波保持光ファイバを直径が数ｃｍのリー
ルに巻いて作製した光ファイバ型の偏光子を用いること
ができる。光ファイバ型の偏光子では、その巻径および
巻長を最適化することにより、低損失で消光比が−４０
ｄＢ以下の偏光子が作製可能である。第２の光ファイバ
カプラ７は、２本の偏波保持光ファイバを複屈折主軸が
同方向となるように配列し、密着させた状態で熱によっ
て融着させながら延伸して作製されたものであり、その
結合比は発光素子１から照射される光の波長で約５０％
である。

【００１４】センシングループ８は偏波保持光ファイバ
を複数回リールに巻いて作製したものであり、こうする
ことによって、ループ径を大きくせずにループ長をかせ
いで感度を上げることができる。また位相変調器９は、
円筒状のピエゾ素子の外周に、センシングループ８の一
部を巻き付けたものであり、このピエゾ素子の円筒の外
側の電極と内側の電極に、交流電圧が発振器（図示せ
ず）によって印加されることにより、ピエゾ素子の直径
が変化するので、その外周に巻き付けられた光ファイバ
の長さが伸び縮みして伝搬光が位相変調されるようにな
っている。受光素子１１には、ＰＩＮフォトダイオード
を用い、受光素子１１によって検出される光出力は、増
幅されて位相変調周波数またはその高調波で同期検波さ
れるようになっている。

【００１５】本実施例の構成において、発光素子１から
照射された光は、偏波保持光ファイバ２の一端から入射
された後、第１の光ファイバカプラ３で分岐され、偏波
保持光ファイバ４を経て偏光子５を通過する。偏光子５
を通過した光は、偏波保持光ファイバ６を経て第２の光
ファイバカプラ７によってさらに半分に分岐された後、
分岐された２つの光がセンシングループ８内を相反する
方向に伝搬される。この時、伝搬光は、位相変調器９に
よって位相変調を受ける。そして２つの伝搬光は第２の
光ファイバカプラ７によって再び合波された後、偏波保
持光ファイバ６、偏光子５、偏波保持光ファイバ４を通
過し、第１の光ファイバカプラ３およびシングルモード
光ファイバ１０を経て受光素子１１によって検波され
る。

【００１６】本実施例では、センシングループ８に偏波
保持光ファイバを用いた高精度光ファイバジャイロスコ
ープにおいて、第１の光ファイバカプラ３として、上述
のように偏波保持光ファイバとシングルモード光ファイ
バとを融着延伸してなるものを用いたことが大きな特徴
である。このことにより、発光素子１から照射された光
は、偏光子５の伝搬軸に入射されるまで、偏波保持光フ
ァイバのみを通過するので、効率よく、かつ光量の変動
がない安定した光が偏光子５に供給される。またセンシ
ングループ８を伝搬して戻ってきた光は、第１の光ファ
イバカプラ３を通過した後、シングルモード光ファイバ
１０を通って受光素子１１に達するが、このシングルモ
ード光ファイバ１０の部分に偏波保持機能がなくても光
ファイバジャイロスコープの性能に影響はない。したが
って、第１の光ファイバカプラ３を偏波保持光ファイバ
のみで構成した従来の高精度光ファイバジャイロスコー
プに比べて、精度を損なうことなく価格を下げることが
できる。

【００１７】また、上記第１の実施例において、第２の
光ファイバカプラ７を接続する光ファイバ６をシングル
モード光ファイバを用いて構成することも可能である。
こうすることにより光ファイバジャイロスコープの価格
をさらに引き下げることができるが、この第２の光ファ
イバカプラ７を偏波保持光ファイバで構成すると、高価
格ではあるが光ファイバジャイロスコープの精度を向上
させることができるので、用途に応じて選択すればよ
い。

【００１８】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。本実施例の光ファイバジャイロスコープが上述の
第１の実施例と異なる点は、光ファイバ６、第２の光フ
ァイバカプラ７、およびセンシングループ８がシングル
モード光ファイバを用いて構成されている点である。こ
のような光ファイバジャイロスコープは主に中精度以下
のタイプに代表される。本実施例においては、センシン
グループ８の一部に、直線偏光を無偏波状態に変えるデ
ポライザ（図示せず）を好ましく設けることもできる。
このデポライザは２本の偏波保持光ファイバを光学主軸
が４５度ずれた状態で接続して作製され、２本の光ファ
イバの長さは１対２であって、長さの短い光ファイバの
長さは、光ファイバ中の２つの偏波モードの光路長差が
発光素子１から照射される光のコヒーレント長を越える
長さとなるように形成される。

【００１９】本実施例の光ファイバジャイロスコープに
おいては、第１の光ファイバカプラ３が、上記第１の実
施例と同様に、偏波保持光ファイバとシングルモード光
ファイバとを融着延伸してなるもので構成される。この
ことにより、発光素子１から照射された光は、偏光子５
の伝搬軸に入射されるまで、偏波保持光ファイバを通過
することになるので、この間での偏波変動を解消するこ
とができる。したがって、この第１の光ファイバカプラ
３をシングルモード光ファイバのみで構成した従来のも
のより性能を向上させることができる。

【００２０】また、この第２の実施例において、第２の
光ファイバカプラ７を偏波保持光ファイバを用いて構成
することも可能である。こうすることにより高価格には
なるが光ファイバジャイロスコープの精度を向上させる
ことができるので、用途に応じて選択すればよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
センシングループ、またはセンシングループおよび第２
の光ファイバカプラを、偏波保持光ファイバで構成する
とともに、第１の光ファイバカプラとして偏波保持光フ
ァイバとシングルモード光ファイバとで構成された光フ
ァイバカプラを用いることにより、高精度光ファイバジ
ャイロスコープの低価格化を実現できる。

【００２２】また、センシングループ、またはセンシン
グループおよび第２の光ファイバカプラを、シングルモ
ード光ファイバで構成するとともに、第１の光ファイバ
カプラに偏波保持光ファイバとシングルモード光ファイ
バとで構成された光ファイバカプラを用いることによ
り、中精度以下の光ファイバジャイロスコープに代表さ
れるようなタイプのものにおいて、発光素子から照射さ
れた光の偏波変動を改善することができ、性能の向上に
寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光ファイバジャイロスコープの例を
示す概略構成図である。

【図２】 本発明の光ファイバジャイロスコープに用い
られる第１の光ファイバカプラの例を示す断面図であ
る。

【図３】 従来の光ファイバジャイロスコープの例を示
す概略構成図である。

【符号の説明】

１……発光素子、３……第１の光ファイバカプラ、７…
…第２の光ファイバカプラ、８……センシングループ、
１１……受光素子、 ２、４、６、１０……光ファイ
バ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山内 良三 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光素子から照射された光を、光方向性
   結合器によって分岐した後、光ファイバによって構成さ
   れたセンシングループ内を時計廻りおよび反時計廻りに
   伝搬させて再び前記光方向性結合器によって合波させた
   後、受光素子によって受光する時に、前記センシングル
   ープに与えられた回転運動の回転角速度を求める干渉型
   の光ファイバジャイロスコープにおいて、 前記発光素子および前記受光素子に接続され、前記発光
   素子から照射された光を分岐する第１の光ファイバカプ
   ラと、前記センシングループに接続された第２の光ファ
   イバカプラを備え、 前記第１の光ファイバカプラについては発光素子に接続
   された光ファイバが偏波保持光ファイバであり、かつ受
   光素子に接続された光ファイバが偏波保持機能を持たな
   いシングルモード光ファイバであり、 前記センシングループが偏波保持光ファイバを用いて構
   成されていることを特徴とする光ファイバジャイロスコ
   ープ。
2. 【請求項２】 前記第２の光ファイバカプラが偏波保持
   光ファイバを用いて構成されていることを特徴とする請
   求項１記載の光ファイバジャイロスコープ。
3. 【請求項３】 発光素子から照射された光を、光方向性
   結合器によって分岐した後、光ファイバによって構成さ
   れたセンシングループ内を時計廻りおよび反時計廻りに
   伝搬させて再び前記光方向性結合器によって合波させた
   後、受光素子によって受光する時に、前記センシングル
   ープに与えられた回転運動の回転角速度を求める干渉型
   の光ファイバジャイロスコープにおいて、 前記発光素子および前記受光素子に接続され、前記発光
   素子から照射された光を分岐する第１の光ファイバカプ
   ラと、前記センシングループに接続された第２の光ファ
   イバカプラを備え、 前記第１の光ファイバカプラについては発光素子に接続
   された光ファイバが偏波保持光ファイバであり、かつ受
   光素子に接続された光ファイバが偏波保持機能を持たな
   いシングルモード光ファイバであり、 前記センシングループがシングルモード光ファイバを用
   いて構成されていることを特徴とする光ファイバジャイ
   ロスコープ。
4. 【請求項４】 前記第２の光ファイバカプラがシングル
   モード光ファイバを用いて構成されていることを特徴と
   する請求項３記載の光ファイバジャイロスコープ。