JPS60120207A - 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、航空機や宇宙飛翔体等の回転角速度の検出な
どに用いられる光フアイバージャイロに関する奄のであ
る。

近年、低損失な光ファイバーの開発に伴なって、このよ
うな光ファイバーでリング干渉計を構成し、このリング
干渉計の右まわり光と左まわり光との位相差から光ファ
イバーの存在する系の回転角速度を測定する光フアイバ
ージャイロの研究が盛んに行なわれている。

第１図は、上記従来の光フアイバージャイロの基本的な
構成を示す概略図である。ここで、レーザ１からの光束
２Ｆｉビームスプリツタ３により２つの光束に分離され
、それぞれの光束はレンズ４，５によシ単−モード光フ
ァイバー６の両端面から光フアイバー内に結合される。

該光ファイバー６は円形状のループを形成するように、
複数回巻かれておシ、両端面から結合された光束は、該
光フアイバー６内を右まわり光束及び左まわり光束とし
て伝搬し、再び光フアイバー両端面より出射し、それら
２つの光束の干渉強度が光検出器７によって検出される
。このとき、該光フアイバー６内を伝搬する右まわり光
束と左まわし光束との間の光路長は、該光ファイバー６
を含む糸が回転運動をしている場合には、サニヤック（
Ｓａｇｎａｃ　）効果によって差異が生じ、その結果右
まわ妙光と左まわり光との間に位相差が生じることが知
られている。このサニヤック効果によつ千誘起される位
相差φｅは次式で与えられる。

φ　＝□Ω　（１） ここで、ｋ（＝　）は光−の波数、Ｎは光ファ二「 イバールーブの巻数、Ａｒｉ光ファイバーループの面１
ｔｓ、ｃは光速度（真空中）、Ωは系の回転角速度であ
る。従って、第１図の光検出器７におゆる干渉強度は、
Ωに対応した強度変化をするために、このような干渉強
厩の変化から系の回転角速度をめることができる。

このような光フアイバージャイロは、（１）式かられか
るように、位相差φ８が巻数Ｎに比例するために、低損
失の元ファイバーを多重に巻くことによ妙高感度化が容
易であること、半導体レーザーと併用することにより小
型化が可能であること等から角度センサへの応用として
有望視されている。

しかしながら、第１図のような光フアイバージャイロで
は、レーザ光源の安定性に感度が大きく依存し、また光
フアイバー内を光が伝搬する際、偏光状態が変動して出
力ドリフトを起こすという問題があった。更には、ダイ
ナミックレンジが狭く、十分な検出感度が得られなかっ
た。

一方、上記問題を解決した光フアイバージャイロが、本
発明者他によって、第４６回応用物理学会学術講演会に
おいて発表されている（第４６回応用物理学会学術講演
会予稿集、２９ｐ−に−５，１９８２）。この光フアイ
バージャイロの概略を第２図に示す。

第２図において、横型ゼーマンレーザ１１の一端から発
した光束１２は、偏光方向が直交した２つの周波数ｆ、
、ｆ２の光を含んでいる。この光束１２を偏光ビームス
プリッタ１３により周波数ｆ、の光束１４と周波数ｆ２
の光束１５とに分離し、各々を右まわり光束および左ま
わシ光束として、レンズ１６．１７　’ｉ介して偏波面
保持型光ファイバー１８の両端に結合させる。この際、
光束１４および光束１５の偏光方向は、偏波面保持型光
ファイバー１８の互いに直交する固有偏光軸の一方に一
致させておく。従って、光ファイバー１８から出射する
右まわり出射光束１４′と左まわり出射光束１５′は夫
々光束１５および光束１４と同一の偏光方向奮有し、偏
光ビームスプリッタ１３によって夫々透過、反射されて
横型ゼーマンレーザ１１の方向に向かう。この戻り光の
一部はビームスプリッタ１９で反射されて、透過軸方位
角４５°に設定された検光子２０を透過し、光検出器２
１により右まわり光束と左まわり光束との位相差を含む
ビート周波数Δｆ　：　ｌ　ｆ、−ｆ２１の信号として
検出される。

一方、横型ゼーマンレーザ１１の他方の共振器端より出
射する周波数で、およびｆ２′の光束２２はミラー２３
で反射されて、透過軸方位角４５゜の検光子２４を透過
し、やはりビート周波数Δｆ　＝　ｌ　ｆ、−ｆ２１　
の信号として光検出器２５で検出される。光検出器２５
からの信号は参照信号として、光検出器２１からの検出
信号と共に位相計２６にとりこまれ、右まわし光束と左
まわり光束との位相差が符号を含めてヘテロダイン検出
される。このように偏波面保持型光ファイバーを用いる
事によって、偏光のみだれを極力おさえ、ヘテロダイン
検出によってレーザ出力の変動を補償し、検出感度を高
めることができる。

しかしながら、第２図の例においても、測定系の長期安
定性という点では、十分とＦｉ言えなかった。例えば、
右まわり光束と左まわり光束で異なる周波数の光を用い
ている為に、温度等の環境変化によって、光ファイバー
の屈折率が変化した場合には、両光束間で位相のドリフ
トが生じ、これが位相差の検出に誤差を生じてしまうと
いう欠点があった。

本発明の目的は、検出感度が島く、かつ、長時間に亘っ
て安定な検出が可能な光フアイバージャイロを提供する
ことにある。

本発明はループ状に配された偏波面保持型光ファイバー
と、偏光方向が直交した２周波直線偏光を射出するレー
ザ光源と、前記直線偏光を周波数の異なる２光束に分離
する偏光ビームスプリッタと、分離された一方の周波数
の光束を更に２光束に分離し、各々を右まわね光束およ
び左まわり光束としてその偏光方向を前記光ファイバー
の互いに直交する２つの固有偏光軸の一方に一致させて
前記光ファイバーの両端に結合させる手段と、前記光フ
ァイバーから射出した右まわり光束および左まわり光束
に、前記分離された他方の周波数の光束を加えて干渉さ
せ、それぞれを光検出器で受けてこれらの位相差をヘテ
ロダイン検出する手段とから光フアイバージャイロを構
成する事により、上記目的を達成するものである。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第３図は、本発明の光フアイバージャイロの実施例を示
す栖略図である。横型ゼーマンレーザ６１は、互いに偏
光方向が直交した異なる周波数ｆ、、ｆ２の光の混在し
た光束３２を生ずる。

ここで、横型ゼーマンレーザ５１Ｆｉ、例えば内部鏡型
Ｈｅ−Ｎ＠Ｉレーザに数百ガウス程度の横磁場を印加す
ることにより、ゼーマン効果によって上記の如き偏光方
向が直交した２周波直線偏光を得るものである。前記の
光束５２は偏光ビームスプリッタ６６によって、周波数
で、の光束３４と、周波数ｆ２の光束′Ｓ５に分離され
る。本実施例では、光束３４および光束３５Ｆｉ、、直
角方向に分離される如く図示したが、これには限られな
い。例えば偏光ビームスプリッタの内、入射光束をその
偏光方向に応じて、入射方向に対称に分離するものは、
つ第２ストンプリズムと呼ばれ、広く用いられている。

偏光ビームスプリッタ３３によって分離された周波数ｆ
、の光束３４は、ファラデーローデータ３６によって偏
光方向全４５９回転され、元の偏光方向に対し透過軸方
位角が４５°に設定された偏光子３７を透過する。ここ
で偏光ビームスプリッタ３．５．ファラデーローデータ
３６および偏光子３７はアイソレータを構成し、各光学
素子からの反射光がレーザに戻るのを防ぎ、戻り光によ
るレーザの光強度変動を抑える働きをする。

偏光子５７を透過した光束５４は、ビームスプリッタ３
８によって更に２つの光束３９．４０に分離される。こ
の内、光束３９は右まわり光束としてレンズ４２を介し
て偏波面保持型光ファイバー４４の一方の端に結合され
、光束４０はファラデーローデータ４１によりて偏光方
向を更に４５°回転され、レンズ４５を介して前記光フ
ァイバー４４の他方の端に結合される。偏波面保持型光
ファイバー４４ｉ；ｉ、互いに直交する２つの固有偏光
軸を有しておシ、前記力まわり光束および左まわり光束
の偏光方向は、この固有偏光軸の一方に一致させて結合
させる。

前述の方位関係を第４図（ａ）、＋１））で更に詳しく
説明する。第４図（ａｌはビームスプリンタ３８から光
ファイバー４４の一方の端面４４′までの光路における
方位関係を示す。光束５２における周波数ｆ、の光の偏
光方向Ｐ、を基準に′すると、端面４４′における偏波
面保持型光ファイバー４４の固有偏光軸部、Ａ２は、夫
々方位角＋４５°、−４５゜に設定され、ファラデーロ
ーデータ３６によって４５°偏光方向が回転された右ま
わ抄光束３９の方位Ｒ１は一方の固有偏光輸入、に一致
して効率良く結合される。また、端面４４′から出射す
る左まわり出射光束４０′の方位ＬＯも、固有偏光軸ム
、に一致している。

一方、光ファイバーの他方の端面４４′における固有偏
光軸札、ム２は、第４図（ｂ）の如く、Ｐ。

に対して夫々９０°および０°の関係に設定されている
。左まわ抄光束４０の偏光方向は、ファラデーローデー
タ４１によって、■より更に４５°回転され、Ｌｉに示
すように、光ファイバーの固有偏光軸Ａ、に一致して効
率良く結合される。またこの端面４４′から出射する右
まわり出射光６９′の偏光方向動も固有偏光軸Ａ１に一
致し、ファラデーローデータ４１を通過する事により、
Ｒ’ｏのような方位を示すようになる。

再び第６図にもどると、右まわり出射光束３９′および
左まわり出射光束４０′の一部は、ビームスプリンタ３
８で夫々反射、透過することによって合成光５２となり
、この合成光５２ｄビームスプリツタ４５で２つに分割
され、検光子４７　、４８に入射する。一方、偏光ビー
ムスプリッタ５３からの周波数ｆ２の光束５５は、ミラ
ー４６で反射されビームスプリンタ４５で分割されて、
右まわり出射光束、左まわ９出射光束と同様に検光子４
７．４８に入射する。第５図は検光子４７゜４８におけ
る偏光状態を示す。レーザ出射時の周波数ｆ１の光束の
偏光方向Ｐ１に対して、周波数ｆ、の右まわり出射光束
および左まわり出射光束はそれぞれ一４５°、＋４５°
の方位となっており、周波数ｆ２の光束は９０°の方位
を有する。従って、検光子４７．４８の透過軸ａ　＋　
、　ａ　２の方位角をそれぞれ一４５°、＋４５°に設
置することによって、光検出器４９では周波数ｆ、の右
まわ抄光束と周波数で２の光束の干渉光強度が検出され
、光検出器５０では周波数ｆ、の左まわり光束と周波数
ｆ２の光束の干渉光強度が検出される。

今、光検出器により検出される光強度をそれぞれ工４．
工、とすると、これらは次式で与えられる。

ココテ札、Ａ２は、それぞれ信号光の大きさで、これら
ははは等しい。又Δｆｄｔ、とｆ２との差周波数であり
、ビート信号となる。本実施例において用すたＨｅ−Ｎ
ｏゼーマンレーザの場合、このビート周波数は２０ＯＫ
Ｈ２程度となり、検出電気系にとって設計し易い周波数
であった。更にφ８は前述の（１）式で与えられる、サ
ニヤック効果による右まわり光と左まわり光の位相差で
ある。

そこで（２１、（５）式のように検出された信号は、第
６図で５１で示される位相計にとりこまれ、両者の位相
比較が行なわれて、最終的にφ８が符号を含めて検出さ
れ、光ファイバーを含む系の回転角速度Ωをめることが
出来る。

第６図ｉａｌ　、　（ｂｌは、本発明の実施例によって
得られた典型的なヘテロダイン信号を示し、（ａ）はＱ
　＝　Ｏｄｅｇ／ｓｅａ　Ｏ場合、ｌｂｌはｏ　＝＋１
５０ｄｅｇ／ｅθＣの場合である。ここに示される信号
はそれぞれ工４．工、を表わし、これらの間の位相差は
、前述のように位相計で読取られた。本実施例では、０
．１　ｄｏｇ／ｓｅａの検出感度が得られた。

以上説明したように、本発明の光フアイバージャイロは
、偏波面保持型光ファイバーを用い、位相差をヘテロダ
イン検出する事によって、安定、商感度の信号を得る事
が出来、更に右まわ抄光および左まわり光が同一の周波
数である為に、環境変化による光ファイバーの屈折率変
化等を原因とする検出誤差を補償し、長時間に亘って安
定な検出を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は夫々従来の光フアイバージャイロの構
成例を示す概略図、第３図は本発明の光フアイバージャ
イロの実施例を示す概略図、第４図（ａｌ、（ｂ）およ
び第５図は夫々実施例の各光路における光束の偏光状態
を説明する図、第６図（ａ）、（１）ｌは夫々実施例で
得られた典ＩＪ的なヘテロダイン信号を示す図である。 ５１・・・横型ゼーマンレーザ ３３・・・偏光ビームスプリッタ ３６４１・・・ファラデーローデータ ３７・・・偏光子 ３８４５・・・ビームスプリッタ ４２４３・・・レンズ ４４・・・偏波面保持型光ファイバー 棗２− ４７４８・・・検光子 ４９．５０・・・光検出器 ５１・・・位相計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ループ状に配された偏波面保持型光ファイバーと
   、偏光方向が直交した２周波直線偏光を射出するレーザ
   光源と、前記直線偏光を周波数の異なる２光束に分離す
   る偏光ビームスプリッタと、分離された一方の周波数の
   光束を更に２光束に分離し、各々を右まわり光束および
   左まわり光束としてその偏光方向を前記光ファイバーの
   互いに直交する２つの固有偏光軸の一方に一致させて前
   記光ファイバーの両端に結合させる手段と、前記光ファ
   イバーから射出した右まわ抄光束および左まわり光束に
   、前記分離された他方の周波数の光束を加えて干渉させ
   、それぞれを光検出器で受けてこれらの位相差をヘテロ
   ダイン検出する手段とから成る光フアイバージャイロ。