JPH09292235A - 干渉型光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分解能を高めようとすると長いファイバルー
プが必要になり、干渉型光ファイバジャイロが大型化
し、価格も高くなる。 【解決手段】 低コヒーレンス光源２よりの光は、第１
の方向性結合器３、偏光子４、第２の方向性結合器５を
介してセンシングループ１の一端に入射され、方向性結
合器５で分岐された光は位相変調器６を介してセンシン
グループ１の他端に導かれる。センシングループ１内で
は、両側からの光が相互に逆行するように伝搬されて干
渉が生じ、その際の干渉光が光検出器７で電気ジャイロ
信号として検出され、電気回路増幅器９で増幅の後、電
気遅延回路１０で遅延処理された信号が低コヒーレンス
光源２に印加され、この光源２の発光パワーが変調さ
れ、ジャイロ出力は鋭いパルス状の波形になり、測定精
度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバジャイ
ロに係り、特に、光ファイバをループ状に光路を形成
し、その内部に互いに逆方向から光を伝搬させておき、
光ファイバによる光路に加えられる回転角速度を検出す
るための干渉型光ファイバジャイロに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光ジャイロは、回転角速度装置、飛行
体、航海装置、地震予知検出システム等に広く用いられ
ている。特に、干渉型光ファイバジャイロは、長尺の低
損失単一モード光ファイバが干渉系の光路に用いられ、
低コヒーレンス光源から出射する光を方向性結合器で２
分割した後、センシングループの両端に入射し、出力干
渉信号光からジャイロ信号を取り出す構成を有してい
る。

【０００３】例えば、光ファイバ長をＬ、ループの半径
をＲ、光束をｃ、角速度をΩとすると、位相差Δφは次
式で表される。この式を基に、角速度Ωを求めることが
できる。 Δφ＝Ω・４πＲＬ／（ｃλ） この干渉型光ファイバジャイロは構成が簡単で、低価格
及び実用的であるという特徴を備え、航空機や船舶は勿
論のこと、自動車のナビゲーションシステムにも広く用
いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の干渉型
光ファイバジャイロによると、分解能を高めるためには
長いファイバループが必要であり、ジャイロが大型化
し、価格も高くなるという問題がある。そこで本発明
は、短いファイバ長にしながら簡単な構成により測定精
度を上げることのできる干渉型光ファイバジャイロを提
供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、光源よりの光を分岐して、少なくと
も一端側に位相変調器を設置した光ファイバループの両
端にそれぞれ導き、前記光ファイバループ内で両端から
の光を互いに逆行するように伝搬させて干渉させた後、
該干渉光を光検出手段で検出して該光検出手段からジャ
イロ信号を出力する構成の干渉型光ファイバジャイロに
おいて、前記ジャイロ信号を増幅ならびに遅延させた増
幅遅延信号により前記光源の発光パワーを変調するフィ
ードバック手段を設けた構成にしている。

【０００６】この構成によれば、干渉光が電気ジャイロ
信号として光検出手段で検出され、この電気ジャイロ信
号が光源にフィードバック信号として戻され、光源の発
光パワーが変調される。したがって、光源から第１，第
２の分岐手段へは、ジャイロ信号を含む光パワーの変調
された光が供給され、電気ジャイロ信号の出力は鋭いパ
ルス状の波形、つまりパルス幅が短くなる。この結果、
測定精度を向上せることができる。

【０００７】前記位相変調器は、その有効位相変調度が
一定値にセットされ、回転に伴う前記ジャイロ信号の移
動量から回転の角速度を求めることができる。この構成
によれば、有効位相変調度（φ_e ）を一定値にしておく
と、回転が有る場合、出力パルスが移動する。このパル
ス移動量により、回転の角速度を測定することができ
る。

【０００８】前記位相変調器は、前記ジャイロ信号に基
づいて位相変調量が制御され、そのフィードバック制御
量から入力角速度を求めることができる。この構成によ
れば、電気ジャイロ信号のフィードバックにより位相変
調器の位相変調量が調整され、出力パルスのピークの１
つがサニャック効果による移動方向に対して逆方向へ移
動する。この位相変調量の調整により、回転があっても
ジャイロ出力パルスのピークを時間軸上で静止させるこ
とができ、静止させるためのフィードバック量から入力
角速度を検出することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を基に説明する。図１は本発明による干渉型光フ
ァイバジャイロの一実施の形態を示す構成図である。本
発明による干渉型光ファイバジャイロは、光ファイバを
所定の径に複数回巻いたセンシングループ１の一端と低
コヒーレンス光源２の間には、第１の方向性結合器３
（第１の分岐手段）、偏光子４、及び第２の方向性結合
器５（第２の分岐手段）が順番に接続されている。更
に、センシングループ１の他端と第２の方向性結合器５
の間には位相変調器６が設けられ、第１の方向性結合器
３には光検出器７（光検出手段）が接続されている。こ
の光検出器７には、電気制御回路８及び電気回路増幅器
９が並列的に接続されている。電気制御回路８は位相変
調器６に接続され、電気回路増幅器９とセンシングルー
プ１の間には電気遅延回路１０（電気回路増幅器９との
組み合わせでフィードバック手段を形成）が接続されて
いる。

【００１０】以上の構成において、低コヒーレンス光源
２から出力された光は、第１の方向性結合器３、偏光子
４及び第２の方向性結合器５を経由してセンシングルー
プ１の一端に到達し、他端には第２の方向性結合器５及
び位相変調器６を経由して到達する。このとき、第１の
方向性結合器３から光ジャイロ信号を取り出し、光検出
器７で検出する。

【００１１】光検出器７による検出信号は電気回路増幅
器９によって増幅され、電気遅延回路１０によって遅延
された信号が低コヒーレンス光源２に印加される。低コ
ヒーレンス光源２は、電気遅延回路１０の出力信号を基
に注入電流を変調する。一方、光検出器７の検出信号は
電気制御回路８に印加され、その出力信号により位相変
調器６が駆動され、第２の方向性結合器５からセンシン
グループ１の他端に与える光が位相変調される。

【００１２】低コヒーレンス光源２は、電気遅延回路１
０の出力によって注入電流を変調しているため、その出
力光は従来の直流光ではなく、ジャイロ信号を含む光パ
ワーが変調された光になっている。この詳細について、
以下に説明する。ここで、第１、第２、第３周回の干渉
信号をＰ₁(t)、Ｐ₂(t)、Ｐ₃(t)とすると、その総和はＰ
_total (t) になる。そして、光波とフィードバック電気
信号の全体の伝搬時間τと位相変調角周波数ω_m の関係
は、次式で示される。

【００１３】 ω_m ・τ＝２ｎπ（ｎ＝１，２，３・・・） この関係を満足すれば、図２に示すように、信号波形Ｐ
₁(t)、Ｐ₂(t)、Ｐ₃(t)・・・中のピークの時間軸上の位
置が一致する。Ｐｎ(t) において、ｎが大きいほどＰｎ
(t) 中のピークの半値幅は狭く、尖頭値は低くなる。そ
の結果、出力信号Ｐ_total (t) は鋭いパルス状の波形値
になる。つまり、パルス幅の狭い波形になり、分解能
（＝測定精度）が向上する。

【００１４】一方、ω_m が、ω_m ・τ＝２ｎπ（ｎ＝
１，２，３・・・）の関係を満足しない場合、信号波形
Ｐ₁ (t) とＰ₂ (t) 、Ｐ₃ (t) ・・・のピーク位置は一
致していため、出力信号Ｐ_total (t) が鋭いパルスには
ならない。次に、簡単な理論解析について説明する。図
１において、第１周回の干渉光を受光して変化した電気
信号Ｐ₁ (t) は、干渉定数をυ、光−電変換定数と受光
素子の入力パワーとで決まる定数をｋ、位相変調角周波
数をω_m 、有効位相変調度をφ_e 、位相変調の位相振幅
をφ_m とすると、次のようになる。

【００１５】 Ｐ₁ (t) ＝ｋ〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））〕 ・・・（１） φ_e ＝２φ_m sin（ω_m τ_s ／２） ・・・（２） ここで、τ_s ＝Ｌ／ｃ（但し、ｃは真空中の光速度、Ｌ
はセンシングループ１の長さ）とすれば、サニャック位
相差φ_s は次式で表される。 φ_s ＝４π・Ｒ・Ｌ・Ω／（λ・ｃ） ・・・（３） （ただし、Ωは回転角速度、Ｒはセンシングループ１の
半径、λ_c は低コヒーレンス光源２の波長） 第２周回の干渉信号、即ち、１回目のフィードバック変
調を含む出力信号Ｐ₂(t) は次式で表される。

【００１６】 Ｐ₂ (t）＝Ａｋ² 〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ−ω_m τ））〕 ・〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））〕・・・（４） そして、第２周回の干渉信号Ｐ₃ (t) は次式で表され
る。 Ｐ₃ (t) ＝Ａ² ｋ³ 〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ−２ω_m τ））〕 ・〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos （ω_m ｔ−ω_m τ））〕 ・〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））〕 ・・・（５） ここで、Ａは電気回路増幅器９の利得と電気遅延回路１
０を含むフィードバック回路により決まる定数である。
そして、光ファイバジャイロのジャイロ信号は、信号波
形Ｐ₁ (t) 、Ｐ₂ (t) 、Ｐ₃ (t) ・・・などの総和であ
り、次の式で表される。

【００１７】 Ｐ_total ＝Ｐ₁ (t) ＋Ｐ₂ (t) ＋Ｐ₃ (t) ＋・・・ ・・・（６） 式（１）、（４）、（５）、（６）を基に、電気遅延回
路１０により遅延時間を適度に調整してω_m τ＝２ｎπ
（ｎ＝１，２，３・・・）が満足されると、式（６）は
以下の簡単な式で表される。 Ｐ_total ＝ｋ〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））〕 ／｛１−Ａｋ〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））〕｝ ・・・（７） 式（７）から分かるように、出力信号パルスの鋭さは電
気制御回路８の利得と光路の損失で調整が可能である。
出力パルスの時間軸上のピーク位置は、 Ｐ′_total (t) ＝０ ・・・（８） すなわち、 Ｐ′_total ＝ｋ〔υφ_e sin（ω_m ｔ） sin（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））〕 ／｛１−Ａｋ〔１＋υ cos（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））〕｝² ＝０ ・・・（９） を満足しなければならない。

【００１８】ところで、式（７）及び式（９）より、 s
in（ω_m ｔ）＝０は出力波形の極小点に対応する。した
がって、出力パルスのピーク位置は次の式を満足する。 sin（φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ））＝０ ・・・（１０） 式（１０）において、 φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ）＝（２ｌ＋１）π （ただし、ｌ＝０，±１，±２，±３・・・） は上記と同様に出力パルスの極小点の条件であるので、
下記の式がピークに対応する条件になる。

【００１９】 φ_s ＋φ_e cos（ω_m ｔ）＝２ｌπ ・・・（１１） （ただし、ｌ＝０，±１，±２，±３・・・） 式（１１）から明らかなように、回転がある場合、パル
スの時間軸上の位置はサニャック位相差φ_s と有効位相
変調度φ_e により決まるので、この関係を利用して回転
角速度の測定が行える。

【００２０】次に、オープンループ方式について説明す
る。光ファイバジャイロの出力信号より角速度を検出す
る方法には２種類がある。その１つがオープンループ方
式であり、他はクローズドループ方式である。まず、オ
ープンループ方式の検出原理について図３を基に説明す
る。φ_e を一定値にしておくと、回転が有る場合に出力
パルスが移動する。このパルスの移動量により回転の角
速度を測定することができる。まず、有効位相変調度φ
_e が２πより小さい場合、式（１１）が成立するために
は、ｌ＝０であることが必要であり、 φ_e cos（ω_m ｔ₀ ）＝０ ・・・（１２） ここで、ｔ₀ は静止の場合の出力パルスのピーク位置で
あり、 ω_m ｔ₀ ＝（２ｉ＋１）π／２ （ただし、ｉ＝０，１，２，３，４・・・） を満足する。一方、回転が有る時、光ファイバジャイロ
の出力パルスが移動する。この移動量Δｔと入力角速度
Ωは、式（３）、（１１）、（１２）より、次式が導か
れる。

【００２１】 Ω＝λｃφ_e sin（ω_m Δｔ）／４πＲＬ ・・・（１３） （ただし、ｉ＝０，２，４・・・） また、 Ω＝λｃφ_e sin（ω_m Δｔ）／４πＲＬ ・・・（１４） （ただし、ｉ＝１，３，５・・・） で関係付けられるので、Δｔを測定すれば入力角速度Ω
を知ることができる。

【００２２】次に、クローズドループ方式について説明
する。式（１１）において、まず、回転が無いとき（φ
_s ＝０）、有効位相変調度が２π＜φ_e ＜４πの関係を
満足する場合、式（１１）が成立するｌの値は１，０，
−１であり、次の式を得ることができる。 φ_e0 cos（ω_m ｔ₀ ）＝２ｌπ （ｌ＝１，０，−１） ・・・（１５） （ここで、φ_e0は静止状態に対する有効位相変調度、ｔ
₀ は静止時の出力パルスのピーク位置である。式（１
５）より、出力パルスは３種類のピークＡ，Ｂ，Ｃを有
し、ピークＡ，Ｂ，Ｃの位置は夫々式（１５）のｌ＝
１，０，−１の場合に対応する。そして、ピークＡ，
Ｂ，Ｃの各々は、１周期内に２つ存在する。

【００２３】図４は１周期内に２つのピークＡが存在す
ることを示す説明図であり、図５は図４における出力パ
ルスの波形図である。なお、図４及び図５における位相
変調の周期は２μＳである。図中、○印がω_m ｔ_A ＝ a
rc cos（２π／φ_e0）に対応し、□印がω_m ｔ_A ′＝ a
rc cos（２π／φ_e0）に対応する。この関係は、ピーク
Ｂ及びピークＣにおいても同様である。

【００２４】式（１５）より、３種類のピークの内、ピ
ークＡとピークＣの２種類のピーク位置は、有効位相変
調度により変動する。したがって、位相変調器６の位相
変調量を調整すると、出力パルスのピークＡ或いはピー
クＣの一方は、サニャック効果による移動方向と逆方向
に移動させることができる。位相変調量を最適に調整す
ると、回転があってもジャイロ出力パルスのピークは時
間軸上で静止することになる。

【００２５】図６はクローズドループ方式の動作を示
し、図中のピークは、上記のピークＡに対応する。ジャ
イロ出力パルスのピークＡを静止させるためには、位相
変調器６に印加する変調電圧をフィードバック制御する
必要がある。そのフィードバック量から入力角速度Ωを
検出することが可能である。式（１１）及び式（１５）
より、サニャック位相差が次の式で表される。

【００２６】 φ_s ＝−２π（φ_e −φ_e0）／φ_e0 ・・・（１６） ここで、φ_e 回転が有る時にピークＡの位置を回転が無
い時と同じにするための有効位相変調度であり、電気回
路増幅器９のフィードバックにより測定できる量であ
る。以上のように、本発明のの光ファイバジャイロによ
れば、サニャックループを多重利用してジャイロ光出力
信号を鋭いパルス状にでき、このパルスの幅が短いこと
から測定精度が向上する。この場合、パルスの短さ、即
ちパルスの鋭さは電気回路増幅器９の利得と光路の損失
で決まる。また、クローズドループ方式にした場合、ダ
イナミックレンジが広がるので、高精度で角速度を測定
することができる。

【００２７】なお、図１の構成においては、センシング
ループ１の片側にのみ位相変調器を設ける構成にした
が、センシングループ１の両側に設ける構成にしてもよ
い。

【００２８】

【発明の効果】以上説明した通り、この発明は、第１の
分岐手段における干渉光を光検出手段で電気ジャイロ信
号として検出し、この電気ジャイロ信号を増幅ならびに
遅延させて得た電気信号を光源にフィードバックさせ、
光源の発光パワーを変調することにより、ジャイロ出力
は鋭いパルス状の波形（即ち、パルス幅の短い波形）に
なり、測定精度（分解能）を向上せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の干渉型光ファイバジャイロの一実施の
形態を示す構成図である。

【図２】干渉信号が毎周回同期するとき、出力ジャイロ
信号Ｐ_total (t) が各干渉信号の総和になることを示す
説明図である。

【図３】オープンループ方式によるサニャック位相差の
測定を示す説明図である。

【図４】１周期内に３種類のピークが２つづつ有するこ
とを示す説明図である。

【図５】図４における出力パルスの波形図である。

【図６】クローズドループ方式によるサニャック位相差
の測定を示す説明図である。

【符号の説明】

１ センシングループ ２ 低コヒーレンス光源 ３ 第１の方向性結合器 ５ 第２の方向性結合器 ６ 位相変調器 ７ 光検出器 ８ 電気制御回路 ９ 電気回路増幅器 １０ 電気遅延回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源よりの光を分岐して、少なくとも一端
   側に位相変調器を設置した光ファイバループの両端にそ
   れぞれ導き、前記光ファイバループ内で両端からの光を
   互いに逆行するように伝搬させて干渉させた後、該干渉
   光を光検出手段で検出して該光検出手段からジャイロ信
   号を出力する構成の干渉型光ファイバジャイロにおい
   て、 前記ジャイロ信号を増幅ならびに遅延させた増幅遅延信
   号により前記光源の発光パワーを変調するフィードバッ
   ク手段を設けたことを特徴とする干渉型光ファイバジャ
   イロ。
2. 【請求項２】前記位相変調器は、その有効位相変調度が
   一定値にセットされ、回転に伴う前記ジャイロ信号の移
   動量から回転の角速度を求めることを特徴とする請求項
   １記載の干渉型光ファイバジャイロ。
3. 【請求項３】前記位相変調器は、前記ジャイロ信号に基
   づいて位相変調量が制御され、そのフィードバック制御
   量から入力角速度を求めることを特徴とする請求項１記
   載の干渉型光ファイバジャイロ。