JPH11500830A - ３×３カプラを用いる光フアイバ回転速度ジヤイロスコープの最適カプラ構成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光フアイバ回転検出器には第１、第２および第３の光導波管からなる３×３光カプラを包有している。第１、第２および第３の光導波管は、第１、第２および第３の光導波管の１から他の２光導波管へ結合される光の一部が相互作用長の温度変化に関係なく一定になるように形成される。光信号源は入力光信号を第１の光導波管に与え、入力光信号の一部を第１の光導波管から第２および第３の光導波管へ結合させる。検出ループを形成する光フアイバの端部は第２および第３の光導波管と結合され、光フアイバ検出ループ内の対向伝燔する光波をなす光信号を入力し、検出ループを横断した後対向伝燔する光波を合成する。

Description

【発明の詳細な説明】 ３×３カプラを用いる光フアイバ回転速度 ジヤイロスコープの最適カプラ構成 （技術分野） 本発明はサグナク効果による回転検出器、特に検出ループの対向伝播する光波 を案内し、検出ループの平面に対し直角な検出軸を中心とする回転を測定する光 フアイバ回転検出器に関する。更に詳しくは、本発明は３×３カプラを用いて光 信号を検出ループに供給し、更に検出ループからの光出力信号を電気装置へ案内 し、ここで光出力信号を処理して回転速度を判別する光信号回転検出器に関する 。 （背景技術） 光フアイバ回転検出器は当業者には周知である。従来の光フアイバ回転検出器 には、２本の長手の光フアイバ間の光を連結する無限小フイールドカプラが包有 された。次に３×３カプラを用いる光フアイバ回転検出器が開発された。光フア イバ回転検出器に３×３カプラを用いる主な利点はこのような装置が電子装置と 容易にインターフエースが取れる点にある。シームによる米国特許第4,440,498 号および第4,479,715号には３×３カプラを含む２個の光フアイバ回転検出器を 開示されている。後者の米国特許第4,440,498号 は光フアイバ検出ループと入力 フアイバとを含む光フアイバ回転検出器に関するもので、３×３光カプラにより 、入力フアイバと２本の脚をなす光フアイバ検出ループとの間の光が分割される 。 また前者の米国特許第4,479,715号 にはサグナク効果回転 検出器が開示されており、この場合光フアイバ検出ループの端部が一対の光導波 管に結合される構成がとられている。光は検出ループフアイバの端部に結合され る光導波管間にある中央入力導波管へ入力される。３個の光導波管が配置されて ３×３光カプラを構成する。入力光は中央入力導波管から光導波管と結合され、 光導波管自体は光フアイバコイルと接続されて光フアイバ検出ループ内に対向し て伝播する波を発生する。この波は検出コイルを横断しカプラで合成される。合 成された波は検出され、これにより電気信号が処理されて回転速度が判定される 。 更にポイセル等による米国特許第4,944,590号 には３×３カプラを用い、光信 号を光フアイバ検出ループに対し入出力する光フアイバジヤイロスコープが開示 されている。このポイセル特許には、光フアイバ検出ループに結合されず３×３ カプラに入力されなかつた光を検出するよう構成された光検出器が開示される。 この光の検出による電気信号は信号処理回路で使用され、入力光強度の変化を調 整する。 このような光フアイバ回転検出器は90度位相で動作されてゼロ回転速度で最大 感度を得る。３×３光カプラを含む従来の光フアイバ回転検出器は温度変化に敏 感である問題点がある。３×３光カプラの結合比は温度に敏感であるので、時間 当たり1000度の偏位誤差が通常観察される。この大きさの誤差は回転検出器にお ける大半の用途で許容し得ないものである。 （発明の開示） 本発明は最適の結合比を有する３×３カプラを用いた光フアイバ回転検出器を 改良するにある。この結合比は、温度変化あるいは他の機械的要素により引き起 こされる２つの対向伝播波へ結合される光の量の変化を防止するように選択され る。選択された結合により、速度光検出器へ供給される光パワー出力が最大にさ れる。 本発明による光フアイバ回転検出器は３×３光カプラを備え、３×３光カプラ には第１、第２および第３の光導波管間で結合する光の相互作用長を有するよう 構成された第１、第２および第３の光導波管が包有され、第１、第２および第３ の光導波管は相互作用長の温度変化に関係なく、第１、第２および第３の光導波 管の一から他の２光導波管へ結合される光の一部が一定となるように形成される 。光信号源は入力光信号を第１の光導波管に与え、入力光信号の一部が第１の光 導波管から第２および第３の光導波管へと結合されるように構成される。検出ル ープを構成する光フアイバの端部は第２および第３の光導波管と連結され、検出 ループ内の対向伝播する光波をなす光信号を入力し、検出ループを横断した後対 向伝播する光波を合成可能に設けられる。 この光カプラでは、第１、第２および第３の光導波管は第１、第２および第３ の光導波管の間の光分割比が 0.4108：0.1783：0.4108 となるように形成され、 光の強度Ａ²が第１の光導波管に入力されたとき、対向伝播する光導波管への第 ２および第３の光検出器のそれぞれによる光波としての光の強度出力は0.4108Ａ² であり、第１の光導波管による光強度出 力は0.1783Ａ²でなる。 本発明の目的の理解およびその構造と動作の完全なる理解は添付図面に沿い好 ましい実施例の以下の説明から明らかとなろう。 （図面の簡単な説明） 図１は３×３無限小フイールド光カプラを含む光フアイバ回転検出器、図２は ３×３カプラの略図、図３は図１の光フアイバ回転検出器の出力信号の強度の結 合長に対する導関数を示す。 （発明を実施するための最良の形態） 図１を参照するに、光フアイバ回転検出器10には、３×３光カプラ12と、光フ アイバ検出コイル14を構成する長い光フアイバ13とが包有される。光カプラ12に は基板15上に形成される光導波管１〜３が含まれる。光フアイバ13は端部16、18 を有している。端部16、18はそれぞれ対応する光導波管１、２の端部20、22と突 き合わせ結合されている。 一対の出力光フアイバ30、32がそれぞれ光導波管２、３の端部34、36と接続さ れる。出力光フアイバ30は光ビームを第１の光検出器38に向け、第１の光検出器 自体は出力光フアイバ30により伝達される光信号の強度を示す電気信号Ｓ₁を発 生する。同様に出力光フアイバ32は光ビームを第２の光検出器40に向け、第２の 光検出器自体は出力光フアイバ32により伝達される光信号の強度を示す電気信号 Ｓ₂を発生する。 光導波管１は基板15内の光導波管２、３間に形成される。光導波管１〜３は３ ×３光カプラ12を構成するよう配設され る。３×３光カプラ12は好ましくは無限小フイールドカプラでなる。 入力光フアイバ46は端部48を有し、端部48は光源50から光を入力する。入力光 フアイバ46の他端部52は光導波管１の端部54と突き合わせ結合される。出力光フ アイバ56は中央光導波管３の端部60と突き合わせ結合される一端部58を有してい る。出力光フアイバ56の他端部62は第３の端部64へビーム光を向け、第３の端部 64は出力光フアイバ56を介して伝達された光フアイバの強度を示す電気信号Ｓ₃ を発生する。 ３×３光カプラ12は好ましくは、光導波管１と光導波管２、３との間の光信号 を結合する無限小フイールドカプラである。３×３光カプラ12に入力された光の 一部は光導波管１内に留まる。 図３を参照するに、３×３カプラは結合長Ｌを有し、この場合光導波管１〜３ により案内される光波の無限小フイールドが相互作用してその間で光が結合する 。光導波管１〜３間で結合された光の強度は結合長Ｌの関数である。光カプラ１ ２の温度が変動すると、光導波管１〜３間で結合された光の強度も変動する。 理想環境では、３×３光カプラ12の３結合比はすべて１／３である。結合比が すべて１／３に等しいと、３個の光導波管１〜３から出力された光の強度は等し い。一方上述した温度感度のため、３×３光カプラ12の結合比が特定の所望動作 温度ですべて１／３であれば、避けがたい温度変動により結合比が変化されるた め、許容できないほどの大きな誤差が生 じる。本発明による３×３カプラを用いる光フアイバ回転検出器は時間当たり10 〜100 度台まで偏位誤差を最小にするよう選択された結合比を有し、温度変化に 敏感である、光導波管１〜３の選択されたものに結合される光の一部が温度変化 に応じて結合長Ｌが変化しても一定に維持する一組の結合比があることが判明し た。 ３×３光カプラ12の最適構成は温度変化に敏感であり、従来の構成で得られた ものより大きく違う回転速度を与える。図２および図３を参照するに、３×３光 カプラ12は下記の線形微分式により表せられる。 ここに、 ｊ＝１，２，３、ｊ＝ｊ＋３ またａ_jは導波管ｊの光の振幅、ｋは２個のフアイバ１〜３の内の２つの間の結 合比である。 例えばｋ₁₂は光導波管１、２間の結合比で、ｋ₂₃は光導波管２、３間の結合比 であり、ｋ₃₁は光導波管３、１間の結合比である。光カプラ12は好ましくは、結 合定数がｋ₁₂＝ｋ₂₃＝ｋ₃₁＝Ｋであるように形成され、式(１)の解は次のように なる。 ここに、ｃおよびｄは定数である。光フアイバ回転検出器10への入力パワーと３ ×３光カプラ12への入力光フアイバ46との積がＡ²であれば、ｚ＝０である入力 端部での導波管の光の振幅は次の式により与えられる。 a₁(０)＝Ａ (３) a₂(０)＝a₃(０)＝０. (４) 式(１)に式(３)、(４)を用いると、Ａを用い定数ｃ，ｄの式を見出すためのに使 用される情報が得られ、以下の数値が容易に確かめられる。 Ａ＝c₁e^ik0+de^-i2kz. (５) Ａ＝c₁+d. (６) c₁＝Ａ-d. (７) ０＝c₂e^ik0+de^-i2k0. (８) c₂＝-d. (９) ０＝c₃e^ik0+de^-i2k0. (10) c₃＝-d. (11) 式(７)、(９)および(11)から、以下の式が得られる。 c₁+c₂+c₃＝０. (12) Ａ-d-d-d＝０. (13) 従つて、定数ｃ₁、ｃ₂、ｃ₃およびｄは以下のようになる。 距離ｚ＝Ｌとなるカプラの他端部では、光導波管１の解式は次のようになる。 光導波管１の光の強度を得るため振幅を二乗すると次のようになる。 距離ｚ＝Ｌであるカプラの他端部では、光導波管２の解式は次のようになる。 ｚ＝Ｌのときａ₂＝ａ₃であるので、光導波管３の解式は次のようになる。 光導波管２、３の光強度は光カプラ12の端部16、18における光フアイバ検出コ イル14への入力光の強度である。従つて光フアイバジヤイロスコープの脚部への 入力は式(29)、(30)により｜ａ₂(Ｌ)｜²および｜ａ₃(Ｌ)｜²で与えられる。光フ アイバ検出コイル14へのこれらの入力は一定の位相関係を有する。光フアイバ検 出コイル14を横断した後、対向伝播する波の間には位相偏移φがある。対向伝播 する波が光フアイバ検出コイル14を横断した後の光カプラ12への戻り入力は次の ようになる。 光フアイバ12でのループロスは無視される。角度φは光フアイバ検出コイル14 に垂直な検出軸を中心とする角速度Ωでの検出ループの回転によるビーム間のサ グナク位相差角であ る。位相角φおよび角速度Ωはサグナク式により関連付けされる。 ここに、ｌは検出コイル14の長さ、Ｄは検出コイル14の直径、λは光信号の波長 、およびｃは光速である。 結合長Ｌだけ光カプラ12を伝燔した後、光フアイバ検出コイルの出力から出力 された光信号は次のようになる。 量Ｓ₁は以下の式で定義する。 量Ｓ₂およびＳ₃は以下の式で定義する。 式(39)によれば、Ｓ₂およびＳ₃は次の式で表される。 式(42)で、符号−はＳ₂に符号＋はＳ₃に与えられる。 光フアイバ回転検出器10の信号出力はＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃を用いて以下のように表 される。 ここで望まれることは、式(44)の三角関数の偏角(３ｋＬ)に対する式(44)の関 係において最大値及び最小値を見出し、結合長Ｌが変化しても変化しない最小組 の結合比が存在するか否かを決定する。従つて(３ｋＬ)に対する式(44)の導関数 を取ると、次のようになる。 式(45)が最大値および最小値では傾きはゼロである。従つて、式(45)の最大値 および最小値の近傍では、光カプラ12は温度変化に対し最小感度を有する。式(4 5)の最大値および最小値を求めるため、導関数はゼロに等しくされ、その結果次 のようになる。 0=-4cos³3kL-10cos²3kL+5cos3kL+9. (46) ３ｋＬの式(46)を解くと、 3kL=148.061 rad. (47) 従って、量ｋＬは、 kL=49.354 rad. (48) 図２のグラフを参照するに、３ｋＬ＝148.061 ラジアンのときに出力が最大値 となることが分かる。式(44)に式(48)からのｋＬの値を使うと、光フアイバ回転 検出器10の信号出力は次のようになることがわかる。 式(22)、(29)および(30)に戻るに、次の式が得られる。 従つて、カプラの分割比は0.41808：0.1783：0.4108 である。式(34)を参照す るに、光フアイバ回転検出器の解式は次のようになる。 特定の組みの結合比に対し、光カプラ12は通常時間と共に生じる結合長の変化 および温度変化に対し変動されない。出力脚部の信号は他の結合比の場合よりこ の組の結合比が高くなる。 ここに開示した構造および方法は本発明による原理を示している。本発明はそ の精神および本質的な特性から離れることなく他の形態でも実施可能である。上 述の実施例はすべての点で一つの例示であり、これに限定されるものではない。 従つて上述してなくても添付の請求の範囲は本発明に入る。請求の範囲内の等価 物を含め、実施例に対する全ての変更態様は本発明の範囲内に入る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板内に形成され、結合比を有した第１、第２および第３の光導波管を包有 し、第１、第２および第３のいずれか一から他の２光導波管へ結合される光の一 部を３×３光カプラの温度変化に関係なく一定にする３×３光カプラと、入力光 信号を第１の光導波管へ与え、入力光信号の一部を第１の光導波管から第２およ び第３の光導波管へ結合させる光信号源と、端部を有した検出ループに形成され る光フアイバとを備え、検出ループの端部は第２および第３の光導波管と結合さ れ検出ループ内の対向伝播する光波をなす光信号を入力し、検出ループを横断し た後対向伝播する光波を合成してなる、検出ループの平面に対し垂直な検出軸を 中心に光フアイバの検出ループの回転を検出する光フアイバ回転検出器。 ２．基板内に形成され、結合比を有する第１、第２および第３の光導波管を包有 し、第１、第２および第３のいずれか一から他の２光導波管へ結合される光の一 部を３×３光カプラの温度変化に関係なく、一定にする３×３光カプラと、入力 光信号を第１の光導波管へ与え、入力光信号の一部を第１の光導波管から第２お よび第３の光導波管へ結合させる光信号源と、端部を有する検出ループに形成さ れる光フアイバとを備え、検出ループの端部は第２および第３の光導波管と結合 され、検出ループ内の対向伝播する光波をなす光信号を入力し検出ループを横断 した後対向伝播する光波を合成し、第１、第２および第３の光導波管は光分割比 が0.4108：0.1783：0.4108となるように形成され、光の強度Ａ²が第１の光導波 管 に入力されたとき、対向伝播する光導波管への第２および第３の光検出器のそれ ぞれによる光の強度出力は0.4108Ａ²であり、第１の光導波管による光強度出力 は0.1783Ａ²でなる、検出ループの平面に対し垂直な検出軸を中心に光フアイバ の検出ループの回転を検出する光フアイバ回転検出器。 ３．第１、第２および第３の光導波管を含む３×３光カプラを基板内に形成する 工程と、第１、第２および第３の光導波管間を光結合する相互作用長を有する第 １、第２および第３のを構成する工程と、第１、第２および第３の光導波管を形 成し、３×３光カプラの熱誘導変化に関係なく第１、第２および第３のいずれか 一から他の２光導波管へ結合される光の一部を一定にする工程と、光信号源を構 成し光信号を第１の光導波管に与え、第１の光導波管から第２および第３の光導 波管への入力光信号の一部を３×３光カプラにより結合させる工程と、光フアイ バ検出ループを形成するフアイバの他端部を第２および第３の光導波管と結合し 検出ループ内の対向伝播する光波をなす光信号を入力し検出ループを横断した後 対向伝播する光速を合成する工程とを包有してなる、検出ループの平面に対し垂 直な検出軸を中心に光フアイバの検出ループの回転を検出する光フアイバ回転検 出器を用いて回転を測定する方法。 ４．第１、第２および第３の光導波管を含む３×３光カプラを基板内に形成する 工程と、第１、第２および第３の光導波管間を光結合する相互作用長を有した第 １、第２および第３のを構成する工程と、第１、第２および第３の光導波管を形 成し、３×３光カプラの熱誘導変化に関係なく第１、第２および第３のいずれか 一から他の２光導波管へ結合される光の一部を一定にする工程と、光信号源を構 成し光信号を第１の光導波管に与え、第１の光導波管から第２および第３の光導 波管への入力光信号の一部を結合させる工程と、光フアイバ検出ループを形成す るフアイバの他端部を第２および第３の光導波管と結合し検出ループ内の対向伝 播する光波をなす光信号を入力し検出ループを横断した後対向伝播する光速を合 成する工程と、第１、第２および第３の光導波管を形成し光分割比を0.4108：0. 1783：0.4108にし、光の強度Ａ²を第１の光導波管に入力し、第２および第３の 光導波管のそれぞれによる光フアイバへの光強度出力を0.4108Ａ²とし、第１の 光導波管による光強度出力を0.1783Ａ²にする工程とを包有してなる、検出ルー プの平面に対し垂直な検出軸を中心に光フアイバの検出ループの回転を検出する 光フアイバ回転検出器を用いて回転を測定する方法。