JPS58113809A - 光フアイバジヤイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はジャイロスコープとくに光ファイバ等の光部品
を使って構成するレートジャイロスコープに関するもの
である。

運動体の回転運動を検出するジャイロスコープ（ジャイ
ロ）は、各種の航空機船舶等に使われる航法装置のうち
で必要欠くべからざる重要な部品である。現在、一般的
に実用されているジャイロの方式は、ジャイロロータを
高速回転することにより、この回転軸が慣性空間で一定
方向を保つことを利用した機械式のものである。しかし
ながらこの種のジャイロは、高速の機械回転を利用する
ために寿命が極度に短く、高精度の機械加工技術を要し
、価格が高いという難点がある。

機械的な構成によらず、光学的な構成になるもののひと
つにリングレーザがある。その−例としてはリング状に
形成された光学的な共振器中にレーザ媒質を挿入し、レ
ーザ媒質と共振器とによってリングレーザを形成する。

リングレーザ中では時計方向に進行する光と反時計方向
に進行する光とで定圧波が生じ、レーザ発振を起す。こ
のリングレーザの発振光路で形成される面内に回転運動
を与えると、回転方向に進む光波と回転方向とは反対方
向に進む光とは、伝搬位相の進み・遅れを生ずる。この
効果はサナツク効果（Ｓａｇｎａｃ効果）と言われてい
る。これによって、静止時には単一同波数でリングレー
ザは発振していたものが、回転運動によって２つの周波
数で発振する。この２つの発振周波数の間隔は回転角速
度に比例する。

リングレーザの出力光は２つの発振光の周波数差でビー
トを打つ。このビート周波数を電気的に計測することに
よって回転角速度が得られる。

しかしながら、レーザ媒質は非線形であるため、上記の
ようにリング共振器を使ったままでは回転運動を与えて
も２つのモードは等しい強度で発振しない。いずれか一
方又は２つの中間へ周波数のひとつのモードでしか発振
せず、出力光にビートを検出することはできない。この
だめ共振器中に進行方向によって位相変化量の異なるよ
うな非相反移相器などを挿入し、予め２つのモードの周
波数の間隔を隔てておき、結合が生じないような工夫が
必要である。レーザ共振器中に異なる媒体を挿入すると
共振器の尖鋭度が低下し、発振しにくくなる。また、周
囲温度の変化によって挿入部品の屈折率や移相特性など
の変化を引き起こすだめ目的とする回転角速度の精度の
よい測定は困難である。このようにリングレーザによる
回転角速度の検出は、現在まだ充分に実用にはなってい
ない。

近年、光ファイバの低損失化が、すすんできたことによ
って、これを長尺にしても充分に高い透過率が得られる
ことから、円形に巻いた光ファイバの入出射端両側より
光を入射させ、出射光の位相差を干渉によって測定し、
光ファイバの受けている回転角速度を検出する、謂ゆる
光フアイバジャイロの開発が、すすめられている。光フ
アイバレーザジャイロの基本光学系は第１図に示すよう
なもので、１はレーザ、２は長尺の単一モード光ファイ
バ、３は光検出器、４ｏはビーム、スプリッタである。

レーザ１の発振光はビームスプリッタ４０によって２分
され、２分された光はそれぞれ単一モード光ファイバ２
の両端から入射される。単一モード光ファイバ２のルー
プを右回υに伝搬した光は、再びビームスプリッタ４０
によって干渉され、光検出器３によって干渉光強度が測
定される。

この光学系が単一モード光ファイバルーズの面内でΩの
角速度で回転していると、左右両回りの光波の間には、 Δｍ−４πＬＲ／（Ｃλ）・Ω　　　　　　　　（１）
の位相差が生ずる。ここで、Ｌ、Ｒは単一モード光ファ
イバ長およびループの半径であり、Ｃ１λは真空中の光
波の速度及び波長である。長尺な光ファイバを用いるこ
とによって感度を増大させることができる。干渉光強度
Ｐは、　　　 Ｐ　’Ｃ１＋　ｃｏ３１φ　　　　　　　　　　　（２
で与えられる。第１図の光学系では原理上は左右両回り
の光は同一光路長をたどる。微小な位相差即ち光学系が
受けている回転角速度が微小な場合には（２１式ふら判
るように干渉光強度の変化は小さく感度が非常に低い。

これを解決するために通常考えられてのる方法のひとつ
は、（１）式で示される左右回りの光波の間の位相差に
９０の位相差バイアスを与える、（２式の干渉光強度の
感度を最大となるようにすることである。これを光学系
で実現するには、第１図でビームスプリッタ４０から単
一モード光ファイバのいづれか一方の入射端に向う光路
中に透過方向によって位相変化量の異なる非相反移相器
を挿入するか、相反移相器を用いる場合には多数のビー
ムスプリッタや反射鏡を用いて一光路を分離し、複雑に
構成して等価的に一方向に進行する光のみに移相を与え
る方法などが考えられている。いづれも、光ビーム分割
による検出光量の減少や周囲温度の変化や振動等の擾乱
を受けやすく、高感度の回転速度の検出が困難である。

また、相反移相器の代りに音響光学素子を挿入してヘテ
ロダイン検出する方法もあるが、この場合も多数の光ビ
ーム分割や反射鏡を用いて初雑な光路を構成している。

このように光ファイバを用いたジャイロは理論的には高
感度な検出能力を有するものであるが、従来の実現方法
では光学系が非常に複雑となり、周囲の各種の擾乱にも
耐えるような実用性のある構成方法ではない。

本発明の目的は、光学部品が少く、単純な光学系で高い
性能と高い信頼性を有する光フアイバジャイロを提供す
ることにある。

本発明によれば、レーザと該レーザを出射するレーザ光
の一乳一方向の振動電界成分のみを透過する偏光素子と
該偏光素子を出射する光を１次回折光と非回折光とに、
はぼ等強度になるように回折する横波音響光学素子と光
入出力端のいずれか一方に前記横波音響光学素子を出射
する１次回折を入射せしめ、他方に前記非回折光を入射
せしめるによって構成することによって、安定で信頼性
の高い光フアイバジャイロが得られる。

本発明の詳細を更に図面を用いて説明する。

第２図は本発明の一実施例の基本構成図で、１けレーザ
、２は光フアイバループ、３は光検出器、４１ｄ：音響
光学素子、５は横波音響光学素子を単一周波数ｆで、駆
動する高周波正弦波駆動回路であり、５０は偏光素子で
ある。系全体の構成は第１図の光フアイバジャイロの基
本系に類似する、すなわち、ビームスプリッタの代りに
偏光素子５０と横波音響光学素子４が配置されている。

このような簡単な構成で回転角度は、次のような動作で
検出される。レーザ１を出射した光ビーム８は、偏光素
子５０を透過し、単一方向の振動電界成分のみに偏光状
態の規制を受け、横波音響光学素子４に入射し、該横波
音響光学素子４によって非回折光１０と＋１次回折光９
に分離される。

このとき、光ビーム８は横浜音響光学素子４へブラッグ
条件を満足するような角度で入射させるものとする。こ
のとき入射光８の光エネルギーは、はとんどが非回折光
１０と＋１次回折光９へ分割されて出射する。ここで注
意すべきことは横波音響光学素子で回折される回折光は
、縦波音響光学素子の場合と異なって次数によって偏光
が異なることである。すなわち、いま横波音響光学素子
４に入射する光の偏光を紙面に垂直に偏光する直線偏光
とすれば、±１次回折光はこれと偏光を直交する紙面に
平行な直線偏光であって、非回折光１０は入射光８と同
一の紙面に垂直な直線偏光である。

そして音響光学素子４を単一周波数で駆動する高周波正
弦波駆動回路の駆動レベルを非回折光１０の強度と＋１
次回折光９０強度とが、はぼ等しくなるように設定する
＋１次回折光９はレンズ６によって集束され光ファイバ
２に注入され、ファイバ中を右回りに進む光波として与
えられる。非回折光１０はレンズ７によって集束注入さ
れ、左回りに進む光波となる。左回りにファイバ中を透
過しおわった光波１２は＋１次回折光９２光路を同じく
しこれと逆方向に進んで音響光学素子４に入射する。

この光波にだいしてもブラック条件は満足されているだ
め、このエネルギーは等分に＋１次回折光１５と非回折
光１３に分割され−る。一方、右回りにファイバ中を透
過しおわった光波１１は、やはりブラック条件を満たす
角度で音響光学素子４に入射し、−１次回折光１４と非
回折光１６とに等分に分割される。左回りに光ファイバ
を透過した光波１２から音波の回折受けずに透過した光
波１３と右回りに光ファイバを透過した光波１１から音
波の回折を受け、−１次に回折された光波１４は光路を
同一にして互すに干渉して光検出器３に到達し自乗検波
され光電変換される。この２つの光波が干渉す（９） るだめには偏光面が同一であることが必要である。

このことは次のように理解される。ファイバとして通常
ファイバジャイロに用いられる鵬−モードファイバは、
金利用しようとしている数ｉｏｏｍから数ｋｍの長−さ
では、偏光保存特性、す々わち、入射光の偏光状態を崩
すことなく、ホぼ伝送する。

勿論、偏光保存特性が、とくと優れた偏波保存ファイバ
を用いれば、人出射光の偏光は同一で変ることがない。

いまファイバループ２を左回りに透過しおわった光波１
２は入射光が非回折光１０であるため偏光は紙面に垂直
に偏光する直線偏光であって該ファイバ透過光１２の非
回折光である１３も、やはり紙面に垂直な７１！線偏光
である。

一方、右回りだ透過しおわった光波１１は、ファイバに
入射時の光波９が横波音響光学素子４で＋１次に回折さ
れた光であるため、偏光は紙面に平行な直線偏光である
。光検出器３に到達する光波成分１３は光波１１の横波
音響光学素子４による一１次回折光であるため偏光状態
は光波１１と直交する紙面に垂直な直線偏光である。し
たがって、元栓（１ｒｉｌ 吊器３上で合流する光波１４及び１３は同一の直線偏光
である。

一方、音響光学素子４を出射し、レーザ１の方向に光路
を入射時と逆にたどる光波１５．１６は、入る左回り透
過光１２の横波音響光学素子４による＋１次回折光であ
るため水平の直線偏光である。

また、光波１６は紙面に垂直な直線偏光である右回り透
過）’ａｌｌの横波音響光学素子４による非回折光であ
るため、やはり紙面に水平の直線偏光である。しだがっ
て偏光ｋｌｅ子５０によって進行を妨げられ光源である
レーザに再入射することはない。

検出感度を高めるための左回り右回り光波に与える位相
差は次のようにして与えられている。

すなわち、右回り光波９は音響光学素子４による＋１次
回折光であるため、光波の周波数は非回折光である圧回
り光波１０よりｆだけ関い。このため系が回転を受けて
いないときでも ｆ　ｎ　Ｌ　／　Ｃ（３） （１１） の位相差が生じる。ここでｎ、Ｌは光ファイバ２の屈折
率及び長さであり、Ｃは真空中の音速である。与える位
相差はπ／２である。

−例として、例えば、ファイバの屈折率を１．４５長さ
１００ｍとすると、駆動周波数は３−２　ＭＨｚ程度の
範囲内で調整すれば、π／２０位相差を右回り左回りの
光波にバイアス位相差を与えることができは、−１次回
折光であるため元の光源の周波数に変換される。一方、
これと干渉する左回りに光ファイバ２を透過した光１２
の非回折光１４は、２回の回折の効果を受けない光波成
分であるから、この周波数は光源の周波数と等しい。こ
のため光検出器３で検出される干渉信号は、糸の回転速
度によって生ずる左回り右回り光波の位相差によって生
ずる信号のみで、音響光学素子４の駆動周波数成分を含
まない。

本発明の特徴は、反対方向に進む光に与えるバイアスの
位相差は、音響光学素子駆動回路の周波Ａり 数ｆで定まる。周波数安定度の高い駆動回路を用いるこ
とによって高い安定性を与えることができる。また、レ
ーザｌに戻る光成分１５．１６の偏光は出力光８と偏光
を直父しているため、偏光素子によって容易に除去する
ことができ、レーザに再入射させ、レーザの発振特性を
不安定にすることがない。

）、記の実ｆｉ’ｌｉ例の説明では、回転速度の検出は
、ン＋１０”ｒｆ、’ｔｒｉＫ（Ｄ　ｋ　”　ｌ”Ｋ　
Ｄ　ｍ＋、”ｌ　ｏｆ’６−ｖ　１ｖ＞　７：ｒ　。

検出方法に１１よ、他に零点法を用いることもできる。

すなわち、回転によって生ずる位…差と音響光学素子で
与えるバイアスの位相差とを合せて２πになるとき、光
検出器３で受ける干渉光強度は最小となる。しだがって
、光検出器出力が最小となるように音響光学素子を駆動
する周波数を変化させこの周波数を計測することによっ
て回転速度を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から知られている光フアイバジャイロの基
本光学構成を示す図で、１はレーザ、２は光フアイバル
ープ、３１ｄ光検出器、４０はビームスプリッタである
。 第２図は、本発明の一実職例の原理構成を示す図で、１
はレーザ、２は光ファーイバルーブ、３（ｄ光検出器、
４は横波音響光学素子であり、５０は偏光零子である。 鵠　１　図 第２図 手続補正書彷式） ％式％ １、事件の表示　　　昭和５６年特　許　願第２１０３
３７　号２・発明の名称　　　光７アイバジヤイｐ３、
補正をする者 事件との関係　　　　　　　出　願　人東京都港区芝五
丁目３３番１号 （４２３）　　　日本電気株式会社 代表者　関本忠弘 ４、代理人 〒１０８　　東京都港区芝五丁目３７番８号　住友三田
ビル日本電気株式会社内 （６５９１）　　弁理士　内　原　　　普電話東京（０
３）４５６−３１１１（大代表）（連絡先　日本電気株
式会社特許部） ５、補正命令の日付 昭和５７年４月２７日（発送日） ６、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄。 ７、　補正の内容 明細書第１２頁を別紙明細書と差し換える。 の位相差が生じる。ここでｎ、Ｌは光ファイバ２の屈折
率及び長さであり、Ｃは真空中の音速である。与える位
相差はπ／２である。−例として、例えば、ファイバの
屈折率は１．４５長さ１００ｍとすると、駆動周波数は
３．２　ＭＨｚ程度の範囲内で調整すれば、π／２の位
相差を右回り左回りの光波にバイアス位相差を与えるこ
とができる。右回りに光ファイバ２を透過しおわった光
波１１は周波数がｆだけ元の光源より高いが、この光波
１１の一１次回折光で受光器に導びかれる光波１４は、
−１次回折光であるため元の光源の周波数に変換される
。一方、これと干渉する左回りに光ファイバ２を透過し
た光１２の非回折光１４は、２回の回折の効果を受けな
い光波成分であるから、この周波数は光源の周波数と等
しい。このため光検出器３で検出される干渉信号は、糸
の回転速度によって生ずる左回り右回り光波の位相差に
よって生ずる信号のみで、音響光学素子４の駆動周波数
成分を含まない。 本発明の特徴は、反対方向に進む光に与えるバイアスの
位相差は、音響光学素子駆動回路の周波（１２） ５４−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザと該レーザの出射光を透過させる偏光素子と該偏
   光素子の出力光を回折する横波音響光学素子と、光入力
   端のいずれか一方の光入力端に前記横波音響光学素子か
   ら出射する１次回折光を入射せしめ、他方の光入力端に
   前記横波音響光学素子から出射する非回折光を入射せし
   めるように設定された光フアイバループと、該光フアイ
   バループを進行した後、再び前記横波音響光学素子を透
   過した光波を受光する光検出器とから寿ることを特徴と
   する光フアイバジャイロ。