JPS60195415A - 超高感度光フアイバ・ジヤイロスコ−プ - 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】 （技術分野） 本発明は、回転角速度測定装置、飛行体航法装置、地震
予知検出システム等の構成上重要なジャイロスコープの
うち、光ファイバ・ループ内を伝搬スる光の波長のルー
プの回転による変化により回転角速度を検出する光ファ
イバ・ジャイロスコープ、特に、超高感度光ファイバ・
ジャイロスコープに関し、レーザ光源および光ファイバ
・ループを主とする装置の小型化を図るとともに、レー
ザ光源のＡＭ、ＦＭノイズや光検出器の感度差あるいは
光フアイバ光路長の温度ドリフトなどに影響されずに、
光検出のショットノイズによって決まる理論的限界まで
超高感度になし得るようにしたものである。

（従来技術） 一般に、回転角速度検出手段たるジャイロスコープとし
て、光ファイバ・ループ内を互いに逆方向に伝搬する光
ビームの相互間に光ファイバ・ループの回転によって生
ずる非相反位相差、すなわち、いわゆるサグナック効果
を利用した光学式ジャイロスコープは、従来慣用の機械
式ジャイロスコープに比して、長寿命、低エネルギー消
費、小型軽量などの利点を多く有している。特に、小型
軽量化のために低損失の石英光ファイバを用いて主要部
たる光ファイバ・ループを構成した光学式ジャイロスコ
ープは極めて有望である。

しかしながら、従来のこの種光ファイバ・ジャイロスコ
ープは、光ファイバ・ループ内に光ビームを注入する光
源として気体レーザを用いたり、低コヒーレンスの半導
体レーザを用いたものが大部分であり、また、前述した
ように互いに逆方向に伝搬する光相互間の非相反位相差
を検出する光フアイバ干渉計の形式としては、以下に詳
述するように位相差検出感度の向上に対して技術的に多
くの難点を有するいわゆるマツノ人・ツエンダ−干渉計
を用いるものが大部分であり、ジャイロスコープとして
十分な性能が得られない、という欠点があった。

ここで、本発明の効果を相対的に明確にするために、従
来の光ファイバ・ジャイロスコープの要部をなすマツハ
・ツエンダ−干渉計について詳述すると、この干渉計は
第１図に示すように構成されている。すなわち、電流源
Ｏ８により駆動するレーザＬＳの光ビームをアイソレー
タエおよびチョッパａｈを介し、ビームスプリッタＢ　
Ｓ　１．　、　ＢＳ２に導いて、光ファイバ・ループＦ
Ｌ内に互いに逆方向に伝搬する光ビームを注入する。か
かる２光ビームを、一方は非相反移相器ＰＳを介して、
光検出器Ｄｌ、Ｄ２に導いて光電変換し、その変換出力
電圧を差動増幅器ＤＡおよび割算器ＤＩＶに順次に導い
て光ファイバ・ループＦ　Ｌ内での２元ビーム間の非相
反位相差に対応した出力電圧をロックインアンプＬＩＡ
を介して取出す。

上述した光ファイバ・ループＰＬ内の２光ビ一ム間のい
わゆるサグナック効果による非相反位相差Ｐはけつきの
（１）式となる。

ｐ＝（８ｇｎＮＡ／λＣ）Ω　（１） ここに、ｎ、Ｎ＋Ａｔλ、ＣおよびΩは、それぞれ光フ
アイバ屈折率、光フアイバ巻回数、光ファイバ・ループ
面積、レーザ光波長、光速度および光ファイバ・ループ
回転角速度である。

しかして、非相反位相差Ｐの測定による回転角速度Ωの
検出感度は、光７アイノく・ループＦＬに注入する光ビ
ームの光源を小型化するために、従来のように低コヒー
レンスの半導体レーザを用いると、つぎの各要因によっ
て限界を生ずる。

（Ａ）レーザＬＳのＦＭノイズ （Ｂ）レーザＬＳのＡＭノイズ （Ｇ）　２個の光検出器１）ｌ、Ｄ２の感度差および温
度ドリフト （Ｄ）半導体レーザの光軸調整誤差に起因する光ファイ
バ・ループＦＬ外における２光ビ一ム間の光路長差 かかる回転角速度検出感度限界要因のうち、（Ａ）レー
ザ７Ｍノイズの影響は比較的小さいが、他の限界要因（
Ｂ）〜（Ｄ）の影響の低域には困難を伴い、特に（Ｄ）
光路長差Δノについては、Δｌ）λのとき、Δｌ／λに
比例して感度限界が増大するが、光路長差Δ！＝０とす
ることは実際上極めて困難である。

なお、これらの限界要因（Ａ）〜（Ｄ）がすべて除かれ
た場合には、光検出器Ｄ　１．　、　Ｄ　２のショット
ノイズにより究極的な感度限界Ω８がつぎの（２）式の
ように決まる。

ここに、ｈ、シ、α＋ＰＱ＋ηおよびτは、それぞれブ
ランク定数、レーザ周波数、ファイバ伝送損失によって
決まる光透過率、光ファイノ（のレーザ入射パワー、光
検出器量子効率およびレーザのＦＭ　、ＡＭノイズの大
きさを表わす分散値測定のための積分時間である。

いま第１図示の構成によるマツハ・ツエンダ−干渉計の
回転角速度検出感度をつぎの条件のもとにめた結果を第
２図に示す。

λ＝０．８．ｔｚｍ　、　ｖ＝　８７５ＴＨｚ　＊　Ｐ
。＝＝８ｍＷ、α＝−１ｄＢ　、ｎ＝１．５　、Ｎ＝８
８５　、Ａ＝２８８Ｃｍ２゜Δｌ＝１闘、η＝１ なお、レーザＬＳとしてはＡｔ　ＧａＡＳレーザを用い
、光ファイバ・ル〜ブＦＬとしては、全長Ｌ＝２Ｑ（１
ｍの光７アイバを直径１９ｃｍのループにして８８５回
巻回した。

図から判るように、光路長差Δ１＝０とし、レーザパワ
ーをｉ子ノイズレベルまで安定化すれば、ｌ光検出器Ｄ
］のショットノイズによって決まる究極的限界感度Ω６
に近づき得る。しかしながら、感度のわずかに異なる２
個の光検出器ＤＩ、Ｄ２を用いると、感度限界は却って
増大する、という重大な欠点が生じた。

以上から明らかなように、従来のマツハ・ツエ＞　ター
　干渉計型光ファイバ・ジャイロスコープノ回転角速度
検出感度向上には、前述した各限界要因の抑圧、すなわ
ち、光ファイバ・ループ光路長における光路長差Δｌの
消去、レーザパワーの安定化および光検出器の感度差抑
圧が必要である。

しかしながら、これらの各限界要因抑圧を同時に満たす
ことは極めて困難であり、したがって、従来の光７アイ
パ・ジャイロスコープによって光検出器のショットノイ
ズで決まる究極的回転角速度検出感度限界に到達するの
は、実際上技術的に極めて困難であり、その究極的検出
感度限界の１０　（１倍以上の検出感度しか得られない
、という致命的欠点があった。

（発明の要点） 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、光ファ
イバ・ループに注入する光ビームの光源に高コヒーレン
スの半導体レーザを用いて装置を小型化するとともに高
性能化し、さらに、光源のノイズ、光検出器の検出感度
差、光ファイバ・ループ光路長の温度ドリフト、光ファ
イバ・ループ外の光路長差等の影響を受けずに、光検出
器のショットノイズで決まる理論的限界感度にて回転角
速度を検出し得るようにした超高感度光ファイバ・ジャ
イロスコープ、地震予知検出装置、慣性航法装置に実用
しつる十分な回転角速度検出感度を備えた小型軽量の超
高感度光ファイバ・ジャイロスコープを提供することに
ある。

すなわち、本発明超高感度光ファイバ・ジャイロスコー
プは、高コヒーレンスを有する単−縦モード発振半導体
レーザ素子と、その半導体レーザ素子の出力光ビームを
２分割する光ビームスプリッタと、その光ビームスプリ
ッタの２出力光ビームを２人力するとともに、２人力光
ビームをそれぞれ２分岐して２分岐出力光ビームを形成
する光分岐器を入力端および出力端にそれぞれ接続して
互いに逆方向に同一リング状をなして巻回した一対の石
英光ファイバよりなるリング・ファン引・ベロー干渉計
の前記出力端光分岐器の２分岐出力光ビームをそれぞれ
光電変換した後に同期検波して増幅する一対の同期検波
増幅手段と、それら一対の同期検波増幅手段の一方の出
力電圧に応じ負帰還制御して前記半導体レーザ素子の発
振周波数をその一方の同期検波増幅手段の出力共振周波
数に固定する周波数安定化手段とを備え、他方の前記同
期検波増幅手段の出力共振周波数により前記ファブリ・
ペロー干渉計の回転角速度をめるように構成したことを
特徴とするものである。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、本発明光ファイバ・ジャイロスコープの構成例を
第８図に示す。図示の構成による光ファイバ・ジャイロ
スコープにおいては、高コヒーレンスを有してＦＭノイ
ズ、ＡＭノイズの発生が少ない小型の単−縦モード発振
半導体レーザ素子１を光ビームの光源として用いる。か
かるレーザ素子１からの高コヒーレント光ビームをレン
ズ２によす平行ビームにコリメートしたうえで、光アイ
ソレータ８に導き、後続のファイバ入力端子などからの
反射光がレーザ素子１に逆行して発振状態を乱し、ノイ
ズを発生させるのを防止する。光アイソレータ８を通過
した平行光ビームを例えば半透明鏡などからなる光ビー
ムスプリッタ４に導いて２平行光ビームに分割し、それ
らの２平行光ビ−ムをそれぞれレンズ６．６に導いてそ
れぞれ集束したうえで光ファイバ７．８に入射させるな
お、この光ファイバ７．８は、単なる光伝送路として作
用し、いわゆる光ファイバ・ジャイロスコープの要部た
る後続の光７アイパ・ループの作用には無関係であり、
その性能や光路長、相互間の光路長差等は任意である。

かかる光ファイバ７゜８により導いた２光ビームは、光
分岐器９の２人カポートにそれぞれ導く。この光分岐器
９は、電子工学におけるハイブリッド回路などと同様に
、２人力光ビームをそれぞれ所定の比率にて２分岐し、
８出力ボートにそれぞれ導くものであり、２出力光ビー
ムは、それぞれ２人力光ビームが混合したものとなる。

この光分岐器９の２出力光ビームは例えば長さ数簿の低
損失石英光ファイバを２分して互いに逆方向にリング状
をなして巻回した光ファイバ１０．１１に入射させ、例
えば右廻りの時計方向と左廻りの反時計方向など互いに
逆方向に、光ファイバ１０．１１がなす光ファイバ・ル
ープ内を伝搬させる。したがって、この光ファイバ・ル
ープがいずれかの方向に高速回転すれば、光ファイ／（
Ｎｏ、１１内をそれぞれ伝搬する光ビームの相互間には
、前述したと同様に、サグナック効果による非相反位相
差、したがって、実効的な光路長差が生ずる。かかる光
ファイバ１０．１１を通過した２光ビームは、光ファイ
バ・ループ入力端の光分岐器９と全く同様の光分岐器１
２に導く。

しかして入出力両端の光分岐器９，１２は、その分舷比
を適切に選定するとともに、低挿入損失のものを用いる
と、高い反射率を有する反射鏡としてそれぞれ作用する
。したがって、かかる光分岐器９，１２を入出力端に備
えた光ファイバ・ループＮｏ、１１内においては光ビー
ムの繰返し反射が生じ、その繰返し反射によって微細ピ
ッチの干渉縞を生ずる高フィネスのリング・ファブリ・
ペロー干渉計として作用することになる。

すなわち、光７アイバ７．８から光分岐器９を介して光
ファイバ・ループ１０．１１内に進入した２光ビームは
、上述のようなリング・７アブリペロー干渉計内を互い
に逆の方向、例えば時計方（１１） 向と反時計方向とに繰返して往復しながら、光分岐器１
２の透過率に比例した量の２光ビームが光７アーイバ１
８．１４に射出されることになる。かかる２出力光ビー
ムを、それぞれ一対のレンズ１５゜１６および光検出器
１７．１８に順次に導き、例えば、右廻り時計方向およ
び左廻り反時計方向の出力光ビームがそれぞれ有する共
振周波数ν１およびシフをそれぞれ有する２電圧信号に
変換する。

しかして、上述のリング・ファブリ・ペロー干渉計が静
止している場合には、例えば時計方向廻りおよび反時計
方向廻りの２光ビームに対するファブリ・ペロー干渉計
の共振周波数ν１およびシフは等しくなる。しかしなが
ら、このリング・ファブリ・ペロー干渉計が角速度Ωに
て回転している場合には、双方の共振周波数ν１とνｌ
との間には、前述したサグナック効果により回転角速度
Ωに比例した差が生ずる。したがって、その周波数差を
測定すれば回転角速度Ωの値をめることができるＯ 第８図示の構成における光ビーム光源としての（１２） 半導体レーザ素子１の発振周波数νを発振器２１の発振
出力により変調するとともに、光検波器１７および１８
の変換出力電圧信号を、発振器２１の発振出力を印加し
てそれぞれ駆動する一対の同期検波器、すなわち、いわ
ゆるロックイン。

アンプ１９および２０に導いて検波増幅すると、リング
・ファブリ・べｐ−干渉計を通過した後の反時計廻りお
よび時計廻りの２光ビームの光量の周波数依存特性は、
微分信号の形態によって表わすと、第４図（ａ）および
（ｂ）にそれぞれ示すようになる。したがって、時計廻
りおよび反時計廻りの２光ビームに対する共振周波数ν
工およびシフの相互間の差を測定するために、半導体レ
ーザ素子１の発振周波数νが、それら２共振周波数シア
。

シフのうちのいずれか一方、例えば反時計廻り光ビーム
の共振周波数シフに固定されるようにするために、同期
検波増幅器１９の出力電圧■、を周波数制御回路２２を
介しミキサ２８に供給し、発振器２１の発振出力に混合
加算し、その混合出力によって半導体レーザ素子１に負
帰還をかけ、第４図（ａ）、（ｂ）に示すように、レー
ザ周波数νがリング・７アブリ・ペロー干渉計の反時計
廻り光ビームの共振周波数特性曲線の中心周波数νｌに
追随するように周波数安定化制御を行なう。かかる負帰
還制御による周波数安定化のもとに、他方の同期検波増
幅器２０の出力電圧ｖ２を記録器２４に導いて、リング
・７アブリ・ペロー干渉計の時計廻りおよび反時計廻り
の各共振周波数特性曲線の中心周波数νおよびシフの相
互間の差に比例した信号を検出する。すなわち、第４図
（ｂ）に示すように、同期検波増幅器２０の出力電圧ｖ
２の周波数依存性を表わす信号波形はＳ字形をなしてお
り、中心共振周波数りの近傍においては直線状の特性曲
線となっているので、鋭敏な周波数弁別を行なうことが
できる。

すなわち、同期検波増幅器２０の出力電圧ｖ２はつぎの
（３）式によって表わされる。

Ｖ、　＝　Ｋ　（ν１−ν、　）　（８）ここに、Ｋは
光検波器１８の検波感度および同期検波増幅器２０の増
幅率に比例した定数である。

また、共振周波数差（シ１−シｌ）はサグナック効果に
より回転角速度Ωとの間につぎの（４）式による関係を
有している。

したがって、（３）式による出力電圧Ｖ、はつぎの（５
）式ニよって表わされることになる。

すなわち、出力電圧ｖ２は回転角速度Ωに比例する項の
みからなっている。したがって、リング・ファブリ・ペ
ロー干渉計においては、従来の光ファイバ・ジャイロス
コープを構成していたマツノドツエンダ−干渉計におけ
るように回転角速度Ωとは独立のオフセット量を含まず
、従来使用のマツハ・ツエンダ−干渉計につき前述した
回転角速度検出感度に対する各種の限界要因、特に従来
問題であつ、た限界要因（０）ｔ（Ｄ）の影響を全く受
けなくなる。その結果、一対の光検波器１７．１８の検
出感度を揃える必要がなくなり、温度ドリフトに（１５
） も無関係となり、したがって、光ファイバ・ループ外に
光路長差が存在したとしても、その影響は全く受けない
ことになる。

さらに、第４図からも判るように、干渉計の共振周波数
特性曲線の微分波形によって回転角周波数Ωの弁別を行
なっているので、Ω＝０においても高い弁別感度が得ら
れ、従来使用のマツノドツエンダ−干渉計につき第１図
示の構成に用いたような非相反移相器ｐｓによるπ／２
非相反移相を行なう必要がなくなる。また、時計廻りお
よび反時計廻り等、相対的道理りを行なう２光ビ一ム相
互間の位相差は、光ファイバ・ループ内のみによって決
まるので、従来使用のマツハ・ツエンダ−干渉計におけ
るような光ファイバ・ループ外の光路長差Δノにも無関
係であり、回転角速度検波感度は光検出器のショットノ
イズのみによって限界を生ずる理想型となる。

しかして、かかる光検波器のショットノイズのみによる
回転角速度検出感度の限界について検討した結果によれ
ば、低損失の石英光ファイバを、（１６） 従来のマツハ・ツエンダ−干渉計における数百鶏に比し
て格段に短い微陽のみ巻回した光ファイバ・ループより
なるリング・ファブリ・ペロー干渉計の使用により、光
検出器のショットノイズによって決まる回転角速度検出
感度の限界自体が低減されることが明らかとなった。

上述のように優れた性能を有するリング・７アブリ・ペ
ロー干渉計を用いた本発明光ファイバ・ジャイロスコー
プの回転角速度Ωの、前述したノイズ分散値測定用積分
時間τに対する変化をめた特性例を、光分岐器の挿入損
失をも含めた光ファイバ・ループの全損失によって決ま
る単行透過率αｔの種々の値について第５図に示す。図
から明らかなように、本発明光ファイバ・ジャイロスコ
ープにおいては、光検出器のショットノイズによって決
まる限界感度Ω８自体が従来装置における同種限界感度
より格段に低減されている。なお本発明ジャイロスコー
プにおける同期検波増幅器２０の出力電圧■、は、回転
角速度Ωに比例するのみであって、他のオフセット量は
付加されていないのであるから、レーザ素子からのノイ
ズの影響も極めて小さい。また、４人出力ボート光分岐
器９，１２の挿入損失は極めて小さい。

（効果） 以上の説明から明らかなように、本発明超高感度光ファ
イバ・ジャイロスコープにおいては、従来のこの稲光フ
ァイバ・ジャイロスコープが有していた各種の問題点か
つぎのような理由によりすべて解決されている。

（１）光ビーム注入用光源として、大型となる気体レー
ザは用いず、半導体レーザを用いるので装置が小型とな
る。

（２）従来使用の低コヒーレンスの半導体レーザは用イ
ス、高コヒーレンスの単−縦モード発振半導体レーザを
用い、また、従来使用のマツノドツエンダ−干渉計は用
いず、格段に低損失、高感度のリング・ファブリ・ペロ
ー干渉計を用いるので、超高感度が得られる。

（８）レーザ発振周波数を、リング・ファブリ・ペロー
干渉計における共振周波数の一方に固定しているので、
レーザ素子のＡＭノイズ、ＦＭノイズあるいは光フアイ
バ光路長の温度ドリフト等の影響は抹消し得る。

（４）一対の光検波器１７．１８の出力電圧差を測定す
る必要はないので、両者間の検出感度差は無関係である
。

（５）光ファイバ・ループ内の光伝搬方向による実質的
な光路長差は、リング・ファブリ・ペロー干渉計内のみ
にて決まり、干渉計外には、本来、光路長差は存在せず
、存在したとしてもその影響は全く受けない。

以上のように、本発明光ファイバ・ジャイロスコープに
おいては、その超高感度化のために、光学系としては弁
別性の優れたリング・ファブリ・ペロー干渉計を用い、
電子回路系としては高感度の同期検波増幅器を用い、し
かも、半導体レーザに周波数安定化の負帰還制御を加え
ており、従来装置における問題点がすべて解決されてい
る。したがって、回転角速度検出感度は光検波器のショ
ットノイズによって決まる理論的限界値にまで到（１９
） 達しており、低損失の石英光ファイバおよび４人出力ボ
ート光分岐器の使用により、光検波器のショットノイズ
による理論的限界値自体も低減させ、従来装置に比し１
００倍乃至Ｎｏ、０００倍の超高感度が得られ、さらに
、１０１度／時間程度の高速角速度測定も十分に可能の
格段に優れた性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光ファイバ・ジャイロスコープの構成を
示すブロック線図、 第２図は同じくその回転角速度検出感度特性の例を示す
特性曲線図、 第８図は本発明超高感度光ファイバ・ジャイロスコープ
の構成例を示すブロック線図、第４図（ａ）　、　（ｂ
）は同じくその動作特性をそれぞれ示す動作波形図、 第５図は同じくその回転角速度検出感度特性の例を示す
特性曲線図である。 Ｏ８・・・電流源　ＬＳ・・・レーザ エ・・・アイソレータ　Ｏｈ・・チョッパ（２０） ＢＳＩ、ＢＳ２・・・ビームスプリッタＦＬ・・・光フ
ァイバ・ループ ｐｓ・・・非相反移相器 Ｄｌ、Ｄ２・・・光検波器 ＤＡ・・・差動増幅器 ＤＩＶ・・・ＩＩＩＪ　ｍ　ｕ　Ｌ　Ｉ　Ａ・・・ロッ
クインアンブト・・レーザ素子　２ｔ５ｙ６ｐ１５１１
．６・・・レンズ８・・・アイソレータ　４・・・ビー
ムスプリッタ７．８，１８，１４・・・光ファイバ ９？１２・・・光分岐器 １０．１１・・・光ファイバ（光ファイバ・ループ）１
７．１８・・・光検波器 １９．２０・・・同期検波増幅器（ロックインアンプ）
２１°°°発振器　２２・・・ミキサ ２８・・・周波数制御回路 ２４・・・記録器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｌ　高コヒーレンスを有する単−縦モード発振半導体レ
   ーザ素子と、その半導体レーザ素子の出力光ビーム’Ｅ
   −２分割する光ビームスプリッタと、その光ビームスプ
   リッタの２出力光ビームを２人力とするとともに・２人
   力光ビームをそれぞれ２分岐して２分岐出力光ビームを
   形成する光分岐器を入力端および出力端にそれぞれ接続
   して互いに逆方向に同一リング状をなして巻回した一対
   の石英光ファイバよりなるリング・７アブリ・ペロー干
   渉計と、その干渉計の前記出力端光分岐器の２分岐出力
   光ビームをそれぞれ光電変換した後に同期検波して増幅
   する一対の同期検波増幅手段と、それら一対の同期検波
   増幅手段の一方の出力電圧に応じ負帰還制御して前記半
   導体レーザ素子の発振周波数をその一方の同期検波増幅
   手段の出力共振周波数に固定する周波数安定化手段とを
   備え、他方の前記同期検波増幅手段の出力共振周波数に
   より前記７アブリ・ベロー干渉計の回転角速度をめるよ
   うに構成したことを特徴とする超高感度光ファイバ・ジ
   ャイロスコープ。