JPS60243509A - 干渉計 - 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】 」」へ１１ この発明は干渉計に関するものであり、特に、動作の拡
大されたダイナミックレンジにわたり干渉計からの位相
差信号を測定するための方法および装置を含む、位相続
出金ファイバ光学干渉計に関するものである。

干渉４は、典型的には、２つの干渉し合う光波を伝播す
る装置を含み、これらの光波間の位相差は、干渉■内で
２つの光波が進むそれぞれの光学経路長さの差に依存す
る。２つの干渉し合う波間の位相差もまた、干渉計の回
転のような外力により彩管を受ける。したがって、干渉
ｙ１は、一般に、その強度が光波間の位相差に依存する
ような出力信号を与える。この位相差を検出しかつ測定
するための種々の方法および装置が考案されているが、
いずれも成る作動状態の下で問題または限界があるとい
うことが示されている。

位相差を測定するための装置は、しばしば、回転検知の
ために用いられる干渉計の応用を見出している。このよ
うに、位相差出力信号を検出し測定するための、ここに
開示される方法および装置は従来のあらゆる干渉計とと
もに用いることができるが、その形態および動作につい
ては、この発明の好ましい一実施例を含む、ファイバ光
学回転センサに関して最もよく説明されるがもじれない
。

ファイバ光学回転センサは、典型的には、互いに逆方向
にループのまわりを伝播するように光波が結合されるフ
ァイバ光学材料のループを含む。

ループの回転により、周知の“サグナック効果″に従っ
て、互いに逆方向に伝播する波間に相対的な位相差が作
り出され、その位相差の量は回転速度に対応する。互い
に逆方向に伝播する波が、再結合されると、建設的にま
たは破壊的に干渉して、ループの回転速度に従って強度
が変化する光学出力信号を発生する。回転検知は、通常
、この光学出力信号を検出することによって行なわれる
。

ファイバ光学回転センサの感度を小さな回転速度まで増
大するための種々の技術が考案されている。たとえば、
成るオープンループ技術は、第１高調波周波数で互いに
逆方向に伝播する光波を位相変調することを含む。次い
で、回転速度が、位相変調周波数で光学出力信号の成分
の位相感度検出によって決定される。この成分の振幅は
回転速度に比例する。しかしながら、この技術は、大き
な回転速度を検出するためには利用できない、なぜなら
ば光学出力信号は回転速度が増大しまたは減少するに従
って周期的に繰返す波形を規定するからである。このよ
うに、測定された成分の振幅は、たとえ関連のループ回
転速度が異なってぃても、出力信号の各周期的繰返しご
とに同じである。

ざらに、装置の感度は繰返し信号波形上の成る位置では
本質的にＯとなり、装置の非線形応答を生じることにな
る。このような技術は、拡大されたダイナミックレンジ
にわたり回転検知が必要な多くの応用において用いるの
が困難である。

オープンループ形態を含む他の技術は、デー・エバーハ
ードおよびイー・ボーグズの、°゛位相変調された中側
波帯検出を備えたファイバジャイロスコープ”　、　Ｏ
ｐｔ、　Ｌ−ｅｔｔ、９．２２　（１９８４）に説明さ
れるような、単側波帯検出方法を含む。

しかしながら、このアプローチは可能ではない、なぜな
らばそれは、現在ファイバ光学形式では利用できない広
帯域位相変調器を必要とするからである。

回転検知に対するさらに他のアプローチは、グー・ボー
ム、ビー・マーテン、イー・ライ−デル。

およびグー・ビータ−マンの゛ディジタルデータ処理を
用いることによってファイバ光学ジャイロを備えた直接
回転速度検出°′（Ｄ　ｔｒｅｃｔ　Ｒｏｔａｔｉ。

ｎ　−Ｒａｔｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｗｉｔｈ　Ａ　
Ｆｉｂｅｒ−Ｑｐｔｉｃ　ａｙｒｏ　Ｂｙ　Ｕｓｉｎｇ
　Ｄｉｇｉｔａｌ　［）ａｔａ　ｐｒｏｃｅＳＳｉｎＱ
　）　、Ｅ＋ｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、１９，９９７（
１９８３）に説明されるように、信号処理技術である。

このアプローチでは、上述した技術と同様に、互いに逆
方向に伝播する波は選択された周波数で位相変調される
。出力信号の奇数高調波および偶数高調波が各々測定さ
れ、かつこれらの信号が処理され、結合されて、ループ
の回転により生じる位相シフトのタンジェントを規定す
る。回転速度はこの情報から計算される。このＩ冒とと
もに用いられる現在利用できるアナログ−ディジタルコ
ンバータのレンジが限られているので、装置は、多くの
形式の航法のような、多数のジャイロスコープ応用に要
求される解像度で、必要なダイナミックレンジを与える
ことができない。

上述した技術に関連する問題のいくつかを克服するため
に、他の種々の閉ループアプローチが開発されている。

たとえば、いくつかの閉ループ技術は、選択された周波
数での互いに逆方向に伝播する光波の位相変調を含む。

光波によって発生される光学出力信号はループの回転を
検出するようにモニタされる。回転が検出されると、互
いに逆方向に伝播す、る光波へ与えられる位相変調信号
を一重部するフィードバック信号が発生される。フィー
ドバック信号に応答して、位相変調信号の振幅はループ
の回転により発生された光学出力信号の成分をＯにして
しまうように調整される。このように、位相変調信号の
振幅はループの回転速度の測定を含む。

これらの閉ループ技術は、オープンループ装置において
利用できる同じ感度レベルを与え、一方で、回転速度が
正確に測定されるダイナミックレンジを意義深く増大さ
せる。しかしながら、これらの回転センサの精度および
レンジは、センサが接続される種々の出力装置の能力に
よってその応用が限られている。たとえば、出力装置は
、非常に小さな回転速度のみならず、大きな回転速度に
対しても位相変調信号の振幅の測定を可能にするレンジ
および解像度を有しなければならない。これらのシステ
ムとともに用いられるべき出力装置は、航空機航法のよ
うな応用に対する条件に近づく感度レベルおよびダイナ
ミックレンジでは現在利用できない。さらに、これらの
システムは、そこに含まれる付加的な電子回路のため、
オープンループシステムよりも固有に、より複雑である
。

上記に照らし、全ファイバ光学＜ａｌｌ　−１ｉｂｅｒ
−ｏｐｔｉｃ　）ジャイロスコープの回転速１度が、拡
大されたダイナミックレンジにわたり、精密に、曖昧で
なくかつ線形的に決定されることができるそのようなオ
ープンループの回転検知システムおよび方法を提供づる
ことか当該技術分野において大ぎな改善であろう。実質
的に制限のないダイナミックレンジにわたり回転速度の
ディジタル続出を発生するため現存するコンポーネント
を用いるシステムおよび方法を提供することはさらに重
要な改善であろう。

Ｌ１列ＬＬ この発明は、動作の拡大されたダイナミックレンジにわ
たり干渉計に対する選択された外力の影響を検出しかつ
測定するための装置および方法を含む。この装置は干渉
計１を含み、干渉計は、その干渉針内を伝播する２個の
干渉する光波からなる出力を与えるための検出器を有す
る。干渉し合う光波間の位相差は、干渉計内を光波が進
むそれぞれの光学経路長さの差に依存し、かつ干渉計の
圧力、温度および回転のような外力の影響にも依存する
。出力の強度は、光波の位相差に依存し、かつしたがっ
て干渉計に与えられる外力にも依存する。

第１の回路はその出力を振幅変調して、その出力の正弦
波および余弦波成分の両方を含む選択された高調波を有
する第１の信号を発生する。第２の回路は、第１の信号
に応答して、外力により生じた干渉光波の位相差のシフ
トを表わす第２の信号を与える機能をする。

１つの好ましい実施例では、この発明は回転速度の幅広
いレンジを正確にかつ信頼性よく検知しかつ検知された
回転に対応する低周波信号の位相を与えるのに用いるた
めのオーブンループ回転センサおよびその動作方法を含
む。回転センサは、（ａ　）光源からの光を、互いに逆
方向に、検知ループのまわりを伝播する２つの光波に分
割し、かつ（ｂ）互いに逆方向に伝播する光波を結合し
て光学出力信号を与える、ファイバ光学方向性結合器の
ようなずべてのファイバ光学コンポーネントを含む。与
えられた光、互いに逆方向に伝播する光波、および光学
出力信号の正しい偏光が、ファイバ光学偏光子およびフ
ァイバ光学偏光制御装置によって確立され、制御されか
つ維持される。第２のファイバ光学結合器は連続するス
トランドからの光学出力信号を、光学信号の強度に比例
する電気信号を出力する光検出器へ結合するために設け
られる。

回転センサの改善された動作安定性および感度は、位相
変調器を用いて選択された周波数で互いに逆方向に伝播
する光波を位相変調することによって、かつそれによっ
て光学出力信号の位相をバイアスすることによって達成
される。光検出器からの光学強度出力信号は位相変調周
波数で振幅変調されて、光学位相シフトを、低周波電子
信号の位相シフトへ変換する。変調された信号はフィル
タされて、その高調波周波数のうちの１つを選択する。

好ましい一実施例において、振幅変調は、振幅変調され
た信号を、位相変調周波数で、２個のチャネルのうちの
１つのチャネルへ交互に伝送する電子スイッチによって
達成される。このように、２Ｉｌのチャネルにおける信
号は変調周波数で変調された方形波であり、かつ互いに
１８０度逆相となっている。チャネルにおける信号の各
々の成分は、バンドパスフィルタによって変調周波数の
高調波で選択され、かつこれらの成分の位相差が位相測
定器において決定される。この位相差は回転速度によっ
て互いに逆方向に伝播する波において発生される位相差
の２倍の値を含む。好ましい一実施例では、位相測定器
は、従来のディジタル出力装置におい、て簡単に用いら
れることができる非常に正確なディジタル出力信号を発
生ずる時間間隔カウンタである。

伯の好ましい実施例において、強度出力信号は従来の電
子ゲートによって振幅変調され、かつ振幅変調された信
号の選択された高調波の位相は、位相変調信号の対応す
る高調波の位相に対して測定される。この測定は、上述
したような位相測定器によって行なわれて、ループの回
転によって互いに逆方向に伝播する光波において発生さ
れる位相差に対応するディジタル値を発生する。選択的
に、振幅変調が、シャッタのような光学ゲートを用いる
ことによって、光学ループにおいて行なわれることがで
きる。

この発明のこれらおよび他の目的ならびに特徴は添付図
面とともに行なう以下の説明および前掲の特許請求の範
囲からさらに明らかとなろう。

好ましい実施例の詳　な説明 上で示したように、この発明は、この発明の好ましい一
実施例を含む特定の応用におレプる干渉計の特定形式に
関してその用途を参照することによって最もよく説明で
きる。したがって、この発明は回転検知のためのサグナ
ック干渉計に関して説明する。しかしながら、この発明
は多数の形式の応用にお番プる干渉計とともに用いられ
ることができるということを理解されたい。

この発明の好ましい実施例の議論を進める前に、この発
明に用いられる基本的な回転センサの議論が、この改良
点を十分に理解するために必要である。第１図は、この
発明に用いられる形式の基本的な構造を有する回転セン
サを示す。これは、連続的な長尺のまたはストランドの
光学ファイバ１２へ光を導くための光源１０を含み、そ
のファイバの一部は検知ループ１４へ巻回されている。

ここに用いられ−Ｃいるように、参照数字１２は、光学
ファイバの全体の連続するストランドを一般に示してい
るが、参照数字１２にサフィックス（△。

Ｂ、Ｃなど）が付いたものは光学ファイバ１２の部分を
示すものである。

図示した実施例において、光源１０は、０．８２ミクロ
ンのオーダの波長を有する光を作り出すヒ化ガリウム（
Ｇａ　Ａｓ　）ループを含む。特定の実施例によれば、
光１１ｉ１０は、ニュージャージー州、サウス・プレイ
ンフィールド、３００５　ハートレー・ロードのジェネ
ラル・オブトロニクス・コーポレーションから商業的に
入手できる、モデルＧｏ−Ｄ　Ｉ　Ｐレーザダイオード
であってもよい。ストランド１２のようなファイバ光学
ストランドは、好ましくは、たとえば、８０ミクロンの
外径と、４ミクロンのコア直径を有する単一モードファ
イバである。ループ１４はスプールまたは他の適当な支
持部材（図示せず）のまわりに巻かれたファイバ１２の
複数のターン（巻数）を含む。

特定の実施例によれば、ループ１４は、１４センチメー
トルの直径を有するフオームの上に巻かれたファイバの
約１０００ターンを有してもよい。

好ましくは、ループ１４は、中心から始まって対称的に
巻回され、それによりループ１４の対称点は接近してい
る。これは、回転セン勺の環境的な感痩を減少させるも
のと思われる、なぜならばこのようなシンメトリによっ
て、時間により変化する温度および圧力勾配が互いに逆
方向に伝播する波の双方に同様な影響を及ぼすからであ
る。

光源１０からの光は、光源１０に対してファイバ１２を
当接させることによって、ファイバ１２の一方端へ光学
的に結合される。光を案内しかつ処理するための種々の
コンポーネントは、連続的なストランド１２に沿って種
々の場所に位置決めされまたは形成される。これらのコ
ンボーネン１−の相対的な配置を説明する目的で、連続
的なファイバ１２は１２Ａないし１２Ｇの符号の付いた
それぞれ７つの部分に分けられるものとして説明されて
おり、これらの部分１２Ａないし１２Ｅは、光源１０へ
結合されるループ１４の側にあり、部分１２Ｆおよび１
２Ｇはループ１４の反対側にある。

偏光制御装置２４が、ファイバ部分１２Ａおよび１２Ｂ
の間で、光源１０に隣接している。制御装＠２４として
用いるのに適した偏光制御装置の形式は、本ＪＩ￥発明
の譲受人に譲渡された、同時係属中のアメリカ合衆国特
許出願連続番号用１８３゜９７５　（１９８０年９月４
日に出願）の“ファイバ光学偏光コンバーダ′に詳細に
説明されており、ここでは参照することによって援用す
る。偏光制御装置２４の簡単な説明については後で行な
う。

しかしながら、この制御装置２４は、与えられた光の偏
光の状態および方向の両方の調節を許容するということ
をここで理解すべきである。

ファイバ１２は、次いで、ファイバ部分１２Ｂおよび１
２Ｃの間に配置される、方向性結合器２６の、Ａおよび
Ｂの符号の付いたボートを通過する。結合器２６は光学
出力を、結合器２６の符号ＣおよびＤの付いたボートを
通過する光学ファイバの第２のストランドへ結合し、ボ
ートＣはボートＡと、結合器の同じ側にあり、かつボー
トＤはボートＢと結合器の同じ側にある。ボートＤから
延びるファイバ２８の端部は’　Ｎ　Ｏ”　（ｎｏｔ　
ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　）の符号の付いた点で非反射的に
終端し、他方、ボートＣから延びるファイバ２９の端部
は光検出器３０へ光学的に結合される。特定の例によれ
ば、光検出器３０は標準的な、逆バイアスされたシリコ
ン、ＰＩＮ型のフォトダイオードであってもよい。結合
器２６は、１９８０年４月１１日に提出されたアメリカ
合衆国特許出願連続番号用１３９，５１１号（１９８１
年４月８日に出願のヨーロッパ特許出願連続番号用８１
１０２６６７．３で、かつ１９８１年１０月２１日に公
開された公開番号００３８０２３に対応する）、゛ファ
イバ光学方向性結合器°°の部分継続出願である、１９
８１年９月１０日に出願された同時係属中の特許出願連
続番号用３００，９５５　（１９８２年９月８日に出願
されたヨーロッパ特許出願連続番号用８２３０４７０５
．５で、かつ１９８３年３月２３日に公開された公開番
号００７４７８９に対応する）の゛ファイバ光学方向性
結合器゛′に詳細に説明されており、これらの特許出願
は共に本願出願の譲受人に譲渡されている。これらの同
時係属中の特許出願はここで参照することによって援用
する。

結合器２６のポルトＢから延びるファイバ部分１２Ｃは
、ファイバ部分１２Ｇおよび１２０の間に配置される偏
光子３２を通過する。単モード光学ファイバは任意の光
波に対する進路の２つの偏光モードを有する。偏光子３
２は、ファイバ１２の偏光モードの一方のモードにおい
て光を通過させ、他方、他の偏光モードにおいては光の
通過を妨げる。好ましくは、上述した偏光制御装［２４
は、与えられた光の偏光を調整するために用いられ、そ
れにより、このような偏光が実質的に、偏光子３２によ
り通される偏光モードと同じとなる。

これによって、与えられた光が偏光子を通過するとき光
学出力の損失が減少される。この発明に用いるための偏
光子の好ましい形式は、本願発明の譲受人に譲渡された
、１９８３年６月７日に特許されたアメリカ合衆国特許
番号箱４．３８６．８２２号の、°゛偏光子および方法
″に詳細に説明されており、ここでは参照することによ
って援用する。

偏光子３２を通過した後、ファイバ１２はファイバ部分
１２Ｄおよび１２Ｅの間に配置される、方向性結合器３
４のＡおよびＢの符号の付いたボートを通過する。この
結合器３４は、好ましくは、結合器２６を参照して上述
したと同じ形式のものである。ファイバ１２は、偏光制
御装［３６がループ１４とファイバ部分１２Ｅとの間に
配置されて、ループ１４に巻回される。この偏光制御装
置３６は、制御装置２４を参照して議論した形式のもの
であってもよく、かつ、これらの互いに逆方向に伝播す
る波の干渉によって形成される、光学出力信号が、最初
の光学出力損失で偏光子３２によって、効果的に通され
る偏光を有するように、ループ１４を介して互いに逆方
向に伝播する光波の偏光を調整するために利用される。

このように、偏光制御装Ｍ２４１３よび２６の両方を用
いることによって、ファイバ１２を伝播する光の偏光は
最大光学パワー出力のために調整されることができる。

ＡＣ信号発住器４０により駆動される位相変調器３８は
、ループ１４と、第２の方向性結合器３４との間でファ
イバ部分１２Ｆｋｍ装着される。この変調器３８は、フ
ァイバ１２が巻かれたＰＺＴ円筒を含む。ファイバ１２
は、それが発生器４゜からの変調信号に応答して放射方
向に拡がるとき、それはファイバ１２を拡げるように円
筒部へ結合される。

この発明とともに用いるのに適した代替の形式の変調器
（図示せず）は、円筒の両端で２倍の長さの毛細管へ結
合されるファイバ１２の４つの部分を長手方向に引延ば
すＰＺＴ円筒を含む。当業壱は、このような代替の形式
の変調器は、変調器３８と比べて、より少ない程度の偏
光変調を伝播する光学信号に与えてもよいということを
認識するであろうが、しかしながら、変調器３８は、偏
光変調の望ましくない効果を除去する周波数で作動され
てもよいということが後でわかるであろう。

したがって、変調器のどの形式も、この発明において使
用するのに適している。

次に、ファイバ１２は結合器３４のＣおよσＤの符号の
付いたボートを通過し、ファイバ部分１２ＦはボートＤ
から延び、ファイバ部分１２ＧはボートＣから延びる。

ファイバ部分１２Ｇは“Ｎｃ　”　（ｎｏｔ　Ｃｏｎｎ
ｅｃｔｅｄ　）の符号の付いた点で非反射的に終端する
。

ＡＣ発生器４０からの出力信号はうイン４４上で、基準
信号としてロック−イン増幅器４６へ供給され、ロック
イン増幅器４６はまたライン４８によって、光検出器３
０の出力を受けるように接続される。増幅器４６に対す
るライン４４上のこの信号は、基準信号を与えて、増幅
器４６が、変調器３８の変調周波数、すなわち、光学出
力信号の第１高調波成分で検出器出力信号を同期的に検
出することができるようにし、他方、この周波数の他の
すべての高調波を阻止する。

ロックイン増幅器は当該技術分野において周知であり、
商業的に入手可能である。

検出器出力信号の第１＾調波成分の大きさは、ループ１
４の回転速度に対し、成る限られた作動範囲を通じて比
例するということが後でわかるであろう。増幅器４６は
、この第１高調波成分に比例する信号を出力し、かつし
たがって回転速度を直接表示し、これは表示パネル４７
上で可視的に表示されてもよい。しかしながら、第１図
に示される検出方法は、第９図の議論に関してわかるよ
うに、比較的小さな回転速度に対してのみ用いられるこ
とができる。

結合器２６および・３４ この発明の回転センサ°またはジャイロスコープにおけ
る結合器２６および３４として用いるための好ましいフ
ァイバ光学方向性結合器を第２図に示す。結合器は、そ
の−刃側から取除かれたクラツディングの一部を有する
単一モードファイバ光学材料の、第２図の５０Ａ、５０
Ｂで示される２個の光学ファイバス・トラツトを含む。

２個のストランド５０Ａおよび５０Ｂは、それぞれのブ
ロック５３Ａおよび５３Ｂに形成される、それぞれの円
弧状スロット５２Ａおよび５２Ｂに装着される。

ストランド５０Ａおよび５０Ｂは、光がストランドのコ
ア部分間で転送される相互作用領域５４を形成するよう
に、クラツディングが密に間隔を隔てて除去されたスト
ランドの部分で、位置決めされる。除去された材料の量
は、各ストランド５０Ａおよび５０Ｂのコア部分が他方
のエバネセントフィールド内にあるようなものである。

結合器の中心でのストランド間の中心間の間隔は、典型
的には、約２−３コア直径よりも小さい。

相互作用領域５４のストランド間で転送される光は方向
性であるということを注目するのが重要である。すなわ
ち、入力ポートＡへ与えられる光のすべては、実質的に
、ボートＣへ逆方向性結合することなく、出力ポートＢ
および−Ｄへ与えられる。同様に、入力ポートＣへ与え
られる光のすべては、実質的に、出力ポートＢおよびＤ
へ与えられる。さらに、この方向性は対称である。した
がって、入力ポートＢまたは入力ポートＤのいずれかへ
供給される光は、出力ポートＡおよびＣへ与えられる。

さらに、結合器は偏光に関して実質的に非弁別的であり
、かつしたがって、結合された光の偏光を保つ。このよ
うに、たとえば、垂直偏光を有する光ビームがボートＡ
へ入力されれば、ボートＡからボートＤへ結合された光
は、ボートＡからボートＢへ光が真直ぐに通過するのと
同様に、垂直に偏光されたままである。

前述の説明から、結合器はビーム分割器とじて機能し、
与えられた光を２個の互いに逆方向に伝播する波Ｗ１．
Ｗ２　（第１図）へ分割するということがわかる。さら
に、結合器は、付加的に、互いに逆方向に伝播する波が
ループ１４（第１図）を横切った後、それらの波を再結
合する働きをする。

図示の実施例において、結合器２６．３４の各々は、５
０％の結合効率を有する、なぜならばこの結合効率の選
択を行なうことにより光検出器３０（第１図）で最大光
出力が与えられるからである。ここに用いられているよ
うに、用語°゛結合効率”はパーセントとして表現され
、結合されたパワーと、全出力パワーとのパワー比とし
て規定される。たとえば、第２図を参照して、光がボー
トＡへ与えられれば、結合効率は、ボートＢおよびＤで
のパワー出力の総和に対するボートＤのパワーの比に等
しいであろう。さらに、結合器３４のための５０％の結
合効率は、互いに逆方向に伝播する波Ｗ１．Ｗ２が等し
い大きさになるのを確実にする。

偏光子３２ 第１図の回転センサに用いるための好ましい偏光子を第
３図に示す。この偏光子は、ファイバ１２により伝えら
れる光のエバネセントフィールド内に位置決めされる、
複屈折結晶６０を含む。ファイバ１２は、一般に矩形の
水晶のブロック６４の上面６３に通ずるスロット６２に
装着される。

スロット６２は円弧状に曲げられた底部壁を有し、かつ
ファイバは、それがこの底部壁の輪郭に追従するように
、スロット６２に＠着される。ブロック６４の上面６３
は領域６７におけるファイバ１２から、クラツディング
の一部を除去するように重ねられる。結晶６０は、ファ
イバ１２のエバネセントフィールド内に結晶６０を位置
決めするように、その結晶の下面６８がブロック６４の
上面６３に面した状態で、ブロック６４上に装着される
。ファイバ１２および複屈折材料６０の相対屈折率は、
所望の偏光モードの波の速さが、ファイバ１２における
よりも複屈折結晶６０における方が大きく、他方、不所
望な偏光モードの波の速さが複屈折結晶６０におけるよ
りもファイバ１２における方が大きいように、選ばれる
。所望の偏光モードの光は、ファイバ１２のコア部分に
より案内されたままであるのに対し、不所望な偏光モー
ドの光はファイバ１２から複屈折結晶６０へ結合される
。このように、偏光子３２は一方の偏光モードにおいて
光を通過させることができ、他方、他方偏光モードにお
いては光の通過を妨げる。前に示したように、偏光制御
装置２４．３６　（第１図）は、偏光子による光学パワ
ー損失が最小にされるように、それぞれ、与えられた光
および光学出力信号の偏光を調整するために用いられる
こともできる。

子１２４３６ 第１図の回転センサに使用するために適した偏光制御装
置の１つの形式を第４図に示す。制御装置は、複数個の
直立したブロック７２Ａないし７２Ｄが装着されるベー
ス７０を含む。ブロック７２のうちの隣接するものの闇
には、スプール７４Ａないし７４Ｃが、それぞれ、シャ
フト７６Ａないし７６Ｃ上に接線方向に装着さる。シャ
フト７６は、互いに軸方向に整列されており、かつブロ
ック７２間で回転自在に装着される。スプール７４は、
概して、円筒状であり、かつシャフト７６に対して接線
方向に位置決めされる。

ストランド１２はシャフト７６における軸方向のボアを
介して延び、かつ３個のコイル７８Ａないし７８Ｃを形
成するためスプール７４の各々のまわりに巻かれる。コ
イル７８の半径は、ファイバ１２がコイル７８の各々に
おいて複屈折媒体を形成するように応力が加えられるよ
うなものである。３個のコイル７８Ａないし７８Ｃは、
ファイバ１２の複屈折を調整するように、かつしたがっ
て、ファイバ１２を通過する光の偏光を制御するように
、それぞれシャフト７４Ａないし７４Ｇの軸のまわりで
互いに独立に回転される。

コイル７８のターンの直径および数は、外側のコイル７
８Ａおよび７８Ｃが４分の１波長の空間的な遅延を与え
、他方中心のコイル７８Ｂが２分の１波長の空間的遅延
を与えるようなものである。

４分の１波長コイル７８Ａおよび７８０は偏光の離心率
を制御し、かつ２分の１波長コイル７８Ｂは偏光方向を
制御する。これは、ファイバ１２を伝播する光の偏光の
全調節範囲を与える。

偏光方向（他の方法で中央コイル７８Ｂにより与えられ
る）は２個の４分の１波艮コイル７８Ａおよび７８Ｃに
よって偏光の離心率を正しく調整することによって間接
的に制御されてもよいので、偏光制御装置は２個の４分
の１波長コイル７８Ａおよび７８Ｃのみを提供するよう
に修正されてもよいということが理解されよう。したが
って、偏光制御装置２４および３６は、第１図において
、２個の４分の１波長コイル７８Ａおよび７８Ｇのみを
含むものとして示されている。この形態により、制ｍ装
置２４−３６の全体的な寸法が減少されるので、スペー
スの制限のある本願発明のある種の応用に対しては有利
であるかもしれない。

このように、偏光制御装置２４および３６は、与えられ
た光および逆方向に互いに伝播する波の両方の偏光を確
立し、維持しかつ制御するための手段を提供する。

位相変調または　先制　なしの動 偏光子３２（第１図）および位相変調器３８の機能およ
び重要性を十分に理解する目的で、回転センサの動作に
ついて、まず、これらのコンポーネントがシステムから
除去されたかのように説明する。したがって、第５図は
変調器３８、偏光子３２およびそれらから除去された関
連の成分を備えた、概略ブロック図形式で、第１図の回
転センサを示す。

その中で伝播するため、光がレーザ源１０からファイバ
１２へ結合される。光は結合器２６のボートＡに入り、
そこで、光の一部がボートＤを介して失われる。光の残
りの部分は結合器のボートＢからポート八へ伝播し、そ
こで、それは等しい振幅の２つの互いに逆方向に伝播す
る並Ｗｌ、Ｗ２へ分割される。波Ｗ１はループ１４のま
わりを時計方向にボートＢから伝播し、他方、波Ｗ２は
ループ１４のまわりを反時計方向にボートＤから伝播す
る。

波Ｗ１．Ｗ２がループ１４を横切った後、それらは結合
器３４によって再結合されて光学出力信号を形成し、そ
れは結合器３４のボートＡから結合器２６のボートＢへ
伝播する。光学出力信号の一部は結合器２６のボートＢ
からボートＣへ結合されてファイバ２９に沿って光検出
器３０へ伝播する。この光検出器３０は、光学出力信号
によって、そこに印加される光の強度に比例する電気信
号を出力する。

光学出力信号の強度は、波Ｗ１．Ｗ２が結合器３４で再
結合され、または干渉されるとぎに、波Ｗ１．’Ｗ２間
の干渉の量および形式、すなわち、建設的かまたは破壊
的かにしたがって、変化する。

取敢えず、ファイバの複屈折の効果を無視して、波Ｗ１
．Ｗ２はループ１４のまわりの同じ光学経路を進む。し
たがって、ループ１４が静止しているものと想定すれば
、波Ｗｌ、Ｗ２は結合器３４で再結合されるとき、それ
らは、それらの間に何の位相差もなく、建設的に干渉し
、かつ光学出力信号の強度は最大となる。しかしながら
、ループ１４が回転されていると、互いに逆方向に伝播
する波Ｗ１．Ｗ２はサグナック効果に従って位相がシフ
トされ、それにより、それらが結合器３４で重畳される
と、それらは破壊的に干渉して光学出力信号の強度を減
少させる。ループ１４の回転により生じる、波Ｗｌ、Ｗ
２間のこのようなサグナック位相差は、次の関係によっ
て規定される。

Δφ　−１ｒｒ−五〇　・・・（１） 入に こにおいて、Ａは光学ファイバのループ１４により結合
された領域であり、 Ｎはその領域Ａのまわりの光学ファイバのターン数であ
り、 Ωは、ループの面に垂直な軸のまわりのループの角速度
であり、かつ λおよびＣは、ループへ与えられた光の、それぞれ波長
および速度の自由空間の値である。

光学出力信号の強度（１丁）は、波Ｗ１．Ｗ２間のサグ
ナック位相差（Δφ、）の関数であり、次の方程式によ
り定義される。

ＩＴ　−１＋　＋　１２　＋２ＥＴＴゴ、ｃｏｓ（Δφ
、）・・・　（２） ここにおいて、■、およびＩ２は、それぞれ、波Ｗ１．
Ｗ２の個々の強度である。

方程式（１）および（２）から、光学出力信号の強度は
回転速度（Ω）の関数であることがわかる。このように
、そのような回転速度の表示は、検出器３０を用いて、
光学出力信号の強度を測定することによって得られる。

第６図は曲線８０を示し、この曲線は、互いに逆方向に
伝播する波Ｗ１．Ｗ２間のサグナック位相差（Δφｋ）
と、光学出力信号の強度（１丁）との間の関係を示す。

曲線８０は余弦曲線の形状を有し、かつ光学出力信号の
強度は、サグナック位相差がＯのとき最大である。互い
に逆方向に伝播する波Ｗ１．Ｗ２間の位相差が完全にル
ープ１４の回転により生じる場合は、曲線８０は垂直軸
のまわりを対称に変化する。しかしながら、１９８１年
７月２９日に出願された、同時係属中のアメリカ合衆国
特許出願連続番号２８８，２１２１１０Ω１な７０Ｑ　
ｎ　口ＬＩＪ　１ｌｉｌｉ　／７’ｌコーｎ−１−ｒｅ
　Ａｍ　を山願連続番号第８２９０２５９５．６で、か
つ１９８３年７月２７日に公開された公開番号００８４
０５５に対応する）、゛偏光されない光を用いたファイ
バ光学回転センサ２′に議論されているように、偏光さ
れた光では、互いに逆方向に伝播する波Ｗ１．Ｗ２間の
付加的な、非相反的な位相差は、光学ファイバ１２の残
留複屈折によって生じるかもしれない。この出願は、参
照することによってここに援用する。この付加的な非相
反位相差は、完全に偏光されない光が用いられれば生じ
ない。

単一モードファイバ１２の２つの偏光モードの各々にお
いて進行する光は異なる速さで進行するので、複屈折に
より誘起される位相差は生じない。

複屈折は、一方の偏光モードで進む光の一部を他方のモ
ードへ結合させる。これは波Ｗ１．Ｗ２間に、非回転的
に誘起された位相差を作り出し、これによって、波Ｗ１
．Ｗ２は、第６図の曲線８０を歪ませまたはシフトさせ
るように干渉する。このようなシフトは、第６図の透視
線で示される曲ＷｊＡＢ２によって示される。

このような複屈折により誘起される、非相反的な位相差
は、回転的に誘起されるサグナック位相差と区別するこ
とができず、かつ温度や圧力などのようなファイバ複屈
折を変化させる環境的なファクタに依存する。したがっ
て、ファイバ複屈折は、ファイバ光学回転センサにおけ
る主たるエラー源の原因である。

偏光子３２による ファイバ複屈折による非相反動作の問題は、１個の偏光
モードのみを用いることができるようにする偏光子３２
（第１図）によってこの発明の回転センサにおいて解決
される。偏光子３２は、第５図の参照数字８４′ｃ示さ
れる点においてシステムへ導入されるとき、偏光子３２
を通過する光は、一方の選ばれた偏光モードにおいてル
ープ１４へ伝播する。さらに、互いに逆方向に伝播する
波は光学出力信号を形成するように再結合されるとき、
ループへ与えられる光と同じ偏光のものではない任意の
光が光検出器３０へ到達するのを妨げられる、なぜなら
ば光出力信号は偏光子ｊ２を通過するからである。この
ように、光出力信号は、それが結合器３４のボートＡか
ら結合器２６のボートＢへ進むとき、ループへ与えられ
た光と同じ偏光を正確に有する。

イれゆえに、同じ偏光子３２を介して入力光および光学
出力信号を通過させることによって、ただ１つの光学経
路のみが用いられ、それによって、２個の可能な偏光モ
ードにおける異なる伝播速度により生じる複屈折により
誘起される位相差の問題を除去する。すなわち、選ばれ
たモードから、選ばれていないモードへ、ファイバにお
ける複屈折により転送されるすべての光をフィルタして
しまうことにより、伝播速度が異なるため、選ばれたモ
ードに関して位相を利得しまたは損失するかもしれない
選ばれないモードにおいてすべての光波を除去すること
ができる。さらに、偏光子制御装置２４．３６（第１図
）は、偏光子３２での光学パワー損失を減少させかつし
たがって検出器３０での信号強度を最大にするため、そ
れぞれ与えられた光および光学出力信号の偏光を調整す
るために用いられることができるということが注目され
るべきである。

変　３８に伴なう動作 再び第６図を参照して、曲線８０は余弦関数であるので
、光学出力信号の強度は、波Ｗ１．Ｗ２間での小さなサ
グナック位相差（Δφ、）に対して非線形であるという
ことがわかる。さらに、光学出力信号の強度は、Δφ、
の小さな値に対して、位相差の変化に対しては比較的鈍
感である。このような非線形性および不感応性のため、
検出器３０によって測定される光学強度（Ｉｔ）を、ル
ープ１４の回転速度を表わす信号に変換（方程式１によ
って）するのは難しい。

さらに、偏光子３２を用いて上述したように、波Ｗ１．
Ｗ２間の、複屈折により誘起される位相差が除去される
が、ファイバ複屈折により生じる偏光モード間の交差結
合が生じる。この交差結合は、交差結合された光が偏光
子３２上の光検出器３２に達するのを妨げられるので、
光学出力信号複屈折における変化により、第６図の曲線
８０の振幅は、たとえば、曲線８４で示されるように変
化する。第６図の曲線８０．８２．８４は等倍に描かれ
ていないということが理解されよう。

前述の問題点は、第１図に示される位相変調器３８、信
号発生器４０およびロックイン増幅器４６を用いて同期
検出システムによって第１図の装置において解決される
。

第７図を参照して、位相変調器３８は信号発生器４０の
周波数で、伝播する波Ｗ１．Ｗ２の各々の位相を変調さ
せる。しかしながら、第１図から見られるように、位相
変調器３８はループ１４の一方端に配置される。このよ
うに、波Ｗ１の変調は必ずしも、波Ｗ２の変調と同相で
ある必要はない。事実、この同期検出システムの適切な
動作に対しては、波Ｗ１．Ｗ２の変調は１８０°逆相で
あるのが好ましい。第７図を参照して、正弦波曲線９０
により示される波Ｗ１の変調は、曲線９２で示される波
Ｗ２の変調と１８００逆相であるのとの間にそのような
１８００の位相差を与える変調周波数を用いるというこ
とは、それが検出器３０により測定される光学出力信号
において変調器により誘起される振幅変調を除去すると
いう点において、特に有利である。この変調周波数（ｆ
、）は次の方程式を用いて計算される。

１、Ｗ２に対する結合器３４と変調器３８との間の差動
ファイバ長、すなわち、変調器３８と、ループ１４の他
方側の対称点との間の、ファイバに沿って測定された距
離であり、 ｎｅ＞は、単一モードファイバ１２のための等価屈折率
であり、かつ Ｃはループ１４へ与えられた光の自由空間の速さである
。

“適切な°′周波数と呼ばれるこの変調周波数（ｆ、、
）で、曲線９０および９２に従ってこれらの互いに逆方
向に伝播する波Ｗ１．Ｗ２の位相変調から分岐する、こ
れらの波Ｗ１．Ｗ２間の位相差（Δφ、）は、第７図に
おいて正弦波曲線９４で示される。この曲線９４は、曲
線９ｏがら曲線９２を減算してＷｌおよびｗ２間の位相
差を得ることによって得られる。波Ｗ１．Ｗ２間の位相
差の変調もまた、ちょうどサグナック位相シフトがそう
であるように第６図の曲線８０に従って光学出力信号の
強度（Ｉｒ）を変調させる、なぜならばこのような位相
変調Δφ１は、回転的に誘起されたサグナック位相差Δ
φ、と区別できないからである。

（ａ）　第７図の曲線９４により規定される位相変調Δ
φ、と、（ｂ）光学出力信号の強度（Ｉ７〉のときのサ
グナック位相差Δφ、との効果を図解的に示す第８図お
よび第９図を参照することによって、前述の説明がより
十分に理解されよう。

第８図および第９図の議論を進める前に、変調された光
出力信号の強度（ＩＴ）は、波Ｗ１．Ｗ２間の全位相差
の関数であるということを理解すべきである。このよう
な全位相差は、回転的に誘起されたサグナック位相差Δ
φ２と、時間変化する変調により誘起される位相差Δφ
、との両方からなる。波Ｗ１．Ｗ２間の全位相差Δφは
、次のにうに表わされる。

Δφ−Δφ、＋Δφ、　・・・（４） したがって、回転的に誘起された位相差Δφ３のみなら
ず、変調により誘起された位相差Δφ、の効果は第８図
および第９図を参照して考慮されるので、曲線８０のた
めの水平軸は、第６図におけるように、回転的に誘起さ
れた位相差のみよりもむしろ、全体の位相差が考慮され
ているということを示すためΔφとして改めて符号が付
けられている。

位相差の項Δφ、が、回転により誘起した位相差を表わ
すものとして好ましい実施例を参照して用いられている
が、この項は、一般的な意味において、外力または物理
量が検知されているものは何でも、たとえば回転、圧力
、温度などによって誘起される位相シフトを表わすとい
うことが理解されよう。さらに、当業者であれば、ここ
に説明した方程式（４）およびそれに続く方程式は干渉
する光波が同じ光学経路を進むサグナック干渉計のため
に特に抽出されたということを認識しよう。

もしもこの発明が、２個の光波に対して異なる光学経路
を与えるように構造的に構成されている、Ｍ　ａｃｈ　
−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計のような他の形式の干渉計に用
いられれば、付加的な位相項が、構造的に異なる光学経
路に帰する位相シフトを規定するために加えられなけれ
ばならない。しかしながら、さらなる位相項の付加は、
この発明により与えられる干渉計位相検出のための解像
度を変更せず、または、ここに提示されたような位相検
出の分析にも影響を及ぼさない。上記方程式（４）およ
び方程式（５）−（６）、（８）−（９）および（１１
１（１７）は、Δφ、に対して量（Δφ、＋Δφｓｔ）
を代入することによってのみ、構造誘起位相差を反映す
るために改定されてもよく、この場合φルは構造的に異
なる光学経路に帰する位相差である。他方、方程式（７
）および（１０）は、このような構造的に誘起された位
相差φ、ｔを考慮するためにそのような改定を必要とし
ない。

令弟８図を参照して、光学出力信号の強度ＩＴのときの
位相変調Δφｌ　（曲線９４）の効果を議論する。曲線
８０は２つの干渉しているコヒーレントな波から生じる
光学出力信号の強度と、これらの波の間の位相差Δφと
の間の関係を示ず。これらの間の相対位相角度は、９３
で示されるように、０であるとき、組合わされた波の結
果的に生じる強度は９５で示されるように最大である。

波Ｗ１およびＷ２間の相対位相がＯｒないとき、組合わ
された光学信号は、位相差Δφの大きさに依存してより
小さな強度を有する。相対位相差が、それぞれ９７およ
び９９で示されるように＋または−１８００になるまで
、Δφが増大するに従って減少し続ける。＋または一１
８０°の位相差で、２つの互いに逆方向に伝播する波は
完全に破壊的に干渉し、その結果生じる強度は９７およ
び９９で示されるようにＯである。

第８図において、ループ１４は静止しており、かつした
がって、光学信号はサグナック効果によって影響を受け
ないと想定する。特に、変調により誘起される位相差曲
線９４によって、光学出力信号は曲線９６によって示さ
れるように変化するということがわかる。曲線９６は、
ＷｌおよびＷ２間の瞬間的な位相差Δφ、を表わす、曲
線９４上の点を、その大きさの位相差に対する結果的に
生じる光学的な強度を表わす曲線８０上へ変換すること
によって得られる。曲線９４上のすべての点は曲線８０
上へ変換されると、かつ対応する強度がプロットされる
と、曲線９６が生じる。曲線８０を通じての曲線９４へ
の移行は、曲線８０の垂直軸に関して対称であり、その
ため検出器３０によって測定される光学強度は、曲線９
６によって示されるように、変調周波数の第２高調波に
等しい周波数で周期的に変化する。

ループ１４が回転されるとき、互いに逆方向に伝播する
波Ｗ１．Ｗ２は、サグナック効果に従って上述したよう
に位相がシフトされる。サグナック位相シフ１−は、一
定の回転速度に対して一定の位相差Δφ６を与える。こ
のサグナック位相シフトは、変調器３８によって作り出
された位相差Δφ、を増し、それにより、全曲線９４は
、第９図に示されるように、Δφ、に等しい量だけ、第
８図に示す位置から位相が移される。これによって、光
学出力信号は点９９および１０１の間で曲線８０に沿っ
て非対称的に変化する。これは曲線９６によって示され
るような光学出力信号を生じる。

曲線９６上の点は次のように導き出される。曲線９４上
の１０３で示される組合わされた位相差は、曲線８０上
の点１０１を介して曲線９６上の点１０５へ移る。曲線
９４上の点１０７は曲線８０上の点１０９を介して曲線
９６上の点１１１へ移る。同様に、点１１３は点９９を
介して点１１５へ移り、かつ点１１７は点１０９を介し
て点１１９へ移る。最後に、点１２１は点１０１を介し
て点１２３へ移る。

光学出力信号９６は正弦波曲線９８の透視線ひ示される
ように第１高調波成分を有する。第１高調波成分９８の
ピーク振幅は、しかしながら、点１１５での光学出力信
号の振幅に正確にマツチする必要はないが、成る場合に
はマツチする必要があるかもしれない。

この正弦波曲線９８のＲＭＳｌｉｆｆｉは回転的に誘起
されたサグナック位相差Δφ、の正弦に比例するという
ことが後でわかるであろう。増幅器４６は変調器３８の
基本周波数を有する信号を同期的に検出するので、増幅
器４６は曲線９８のＲＭＳ値に比例する信号を出力する
。この信号はループの回転速度を示すために用いられる
ことができる。

第９図の図面はループ１４の一方の回転方向（たとえば
時計方向）に対する光学出力信号の強度波形を示す。し
かしながら、もしループ１４が等しい速さで逆方向（た
とえば、反時計方向）に回転されれば、光学出力信号の
強度波形９６は、それが曲線９８が第９図に示される位
置から１８０度シフトされるように移し変えられるであ
ろうということを除き、第９図に示されるのと全く同一
になるであろうということが理解されよう。

ロックイン増幅器４６は、第１高調波９８の位相を、信
号発生器４０からの基準信号の位相と比較することによ
って、曲線９８に対するこの１８０°位相差を検出し、
ループの回転が時計方向か反時計方向かどうかを決定す
る。回転方向によって、増幅器４６は表示装置４７に対
して正または負の信号のいずれかを出力する。しかしな
がら、回転方向にかかわらず、信号の大ぎさはループ１
４の回転の速度が等しいものに対しては同じである。

方程式（３）を参照して議論したことから思い出される
ように、光波Ｗ１およびＷ２の変調間の位相差が１８０
度である特定のまたは正しい″周波数で作動することに
よって、変調器３８によって互いに逆方向に伝播する光
波Ｗ１．Ｗ２の各々において誘起される、この振幅変調
の奇数高調波周波数成分は、これらの波が光学出力信号
を形成するように重畳されるときに互いに打消し合う。

したがって、上述の検出システムが、光学出力信号の奇
数高調波、すなわち、基本周波数のみを検出するので、
不所望な振幅変調の効果が除去される。

適切な周波数で作動するさらに他の利点は、互いに逆方
向に伝播する位相Ｗ１．Ｗ２の各々において変調器３８
により誘起される、位相変調の偶数高調波は、これらの
波が光学出力信号を形成するために重畳されるときに相
殺されるということである。これらの偶数高調波は、重
畳することによって、検出システムによりさもなくば検
出されたかもしれない光学信号におけるスプリアス奇数
高調波を発生するので、これらの除去は、回転検知の精
度を改善することになる。

方程式〈３）によって規定される周波数で位相変調器３
８を作動させるのに加えて、光学出力信号の強度の検出
された第１高調波の振幅が最大にされるように位相変調
の大きさを調整するのも好ましい、なぜならばこれは回
転検知感度および精度を改善するからである。第７図、
第８図および第９図で２の符号の付いた寸法によって示
される、波Ｗ１．Ｗ２間の、変調器により誘起される位
相差Δφ、の振幅が１．８４ラジアンであるとき、光学
出力信号の強度の第１高調波は、与えられた回転速度に
対して、最大にあるということがゎがつている。これは
、位相差がΔφを持つ、それぞれＩ、およびＩ２の個々
の強度を有する２つの重畳された波の全強度（Ｉｔ）に
対する以下の方程式を参照することによってより十分に
理解されるかもしれない。

ＩＴ　＝１＋　＋１２　＋２Ｃ「−同　ｃｏｓ　（Δφ
）・・・（５） ここで、 Δφ−Δφ、＋Δφ、　・・・（６） Δφ＋　−Ｚ　ｓｉｎ（２ｙｒ１ｍｔ）　−（７）した
がって、 Δφ−Δφ、　＋Ｚ　５ｉｎ（２πＬｔ＞　”−（８）
ＣＯＳ　（Δφ）のフーリエ展開は次のとおりである。

ｃｏｓΔφ−ｃｏｓ　（ΔφＲ）　（Ｊｏ　（ｚ　）＋
２ΣＪ２　ｎ　（Ｚ　）ｃｏｓ　［２π（２ｎｆ　ｔ）
　］　）　＋　５ｉｎ（Δφ、）（２Σ　Ｊ２　ｎ　−
＋　（Ｚ　）Ｓｉｆｔ　［２π（２ｎ　−１）　ｆ、ｔ
ｌ　） ・・・（９） ここにおで、Ｊｌｌ（Ｚ）は変数Ｚの０次ベッセル関数
であり、Ｚは波Ｗ１．Ｗ２間の、変調器により誘起され
た位相差のピーク振幅である。

それゆえに、ＩＴの第１高調波のみを検出することによ
り次の式が得られる。

Ｉ　ｒ（１）　＝　ｒ丁７丁２　Ｊｌ　（Ｚ　）Ｓｉｎ
　（Δφ、）ｓｉｎ　（２πｆｌＴ１ｔ） ・・・（１０） このように、光学出力信号の強度の第１高調波の振幅は
第１ベッセル関数Ｊ、（Ｚ）の値に依存する。Ｊｌ（Ｚ
）は２が１．８４ラジアンに等しいとき最大であるので
、位相変調の振幅は、好ましくは、波Ｗ１．Ｗ２間の、
変調器により誘起された位相差Δφ、の振幅（２）が１
．８４ラジアンであるように選ばれなければならない。

後方散乱効果の減少 周知のように、現在の技術状態の光学ファイバは光学的
に完全なものではなく、ファイバの基礎材料にお番プる
密麿の変動のような不完全さを有する。これらの不完全
さのためファイバの屈折率に変動を生じ、それにより少
量の光の散乱を生じる。

この現象は一般にレイリー散乱と称されている。

このような散乱のため、成る光はファイバから失われる
が、そのような損失量は比較的小さく、それゆえに主た
る関心事ではない。

レイリー散乱に関連する主たる問題は、失われる散乱光
に関するものではなく、むしろ、もとの伝播方向と逆の
方向にファイバを伝播するように反射される光に関する
ものである。これは、一般に、゛後方散乱された”光と
称される。このような後方散乱された光は互いに逆方向
に伝播する波Ｗ１．Ｗ２からなる光とコヒーレントであ
るので、それはそのような互いに逆方向に伝播する波と
建設的にまたは破壊的に干渉することができ、かつそれ
によって、検出器３０によって測定されるような光学出
力信号の強度に変動を生じる。

互いに逆方向に伝播する波と」ヒーレントな一方の波か
らの後方散乱光の部分は、ループ１４の中心のコヒーレ
ンジ長内で散乱されるものである。。

したがって、光源のコヒーレンジ長を減少させることに
よって、後方散乱された光と、互いに逆方向に伝播する
波との間のコヒーレンジが減少される。後方散乱された
光の残りの部分は互いに逆方向に伝播する波と干渉性で
はな（、かつしたがって、それらの間の干渉は、それが
平均化されるようにランダムに変化する。それゆえに、
後方散乱された光の非干渉性部分は、実質的に一定の強
度を有するものであり、かつしたがって、それは光学出
力信号の強度に意義ある変動を生じない。

したがって、この発明においては、後方散乱の影響は、
光源１０として、たとえば、１メートルまたはそれ以下
のような比較的短いコヒーレンジ長を有するレーザを用
いることによって減少される。特定の例によれば、光源
１０は上述したように、ジェネラル・オプトロニクス・
コーポレーションから商業的に入手可能なモデルＧＯ−
ＤＩＰレーザダイオードを含んでもよい。

後方散乱された波と、伝播している波との間の破壊的ま
たはｉｌ設的干渉を禁止する代わりの方法は、ファイバ
ループ１４の中心でそのシステムにおける付加的な位相
変調器を含むことである。この位相変調器は変調器３８
と同期しない。

伝播する波は、ループのまわりを進行するときに１回だ
けこの付加的な位相変調器を通過する。

波が付加的な変調器に達する前に伝播している波から生
じる後方散乱に対して、その後方散乱はこの付加的な変
調器によって位相変調されないであろう、なぜならば波
を伝播する光源も後方散乱それ自体も付加的な変調器を
通過しなかったからである。

他方、波がこの付加的な位相変調器を通過した後伝播し
ている波から生じる後方散乱に対しては、その伝播して
いる波が付加的な位相変調器を通過したとき１回、かつ
後方散乱が付加的な変調器を通過したとき１回、後方散
乱は効果的に２倍、位相変調されるであろう。

このように、その付加的な位相変調器がφ（１）の位相
変調を誘起すれば、ループ１４の中心における場合を除
き、任意の点で始まる後方散乱された波は、０または２
φ（１）のいずれかの位相シフトを有し、それらのいず
れかは伝播している波に対してφ（１）位相シフトに関
して時間変化している。この時間変化する干渉は、時間
平均され、効果的に後方散乱の影響を除去する。

後方散乱からの破壊的なまたは建設的な干渉を禁止する
さらに他の代わりの方法では、変調器３８と同期されな
い、付加的な位相変調器が光Ｎ１０の出力で誘起されて
もよい。

この場合、ループ１４の中心以外の任意の点で生じる後
方散乱は、後方散乱が生じた伝播する波の場合と異なり
、光源１０から検出器３０への異なる光学経路長を有す
る。

このように、伝播している波はループ１４を１回横切る
が、後方散乱された波およびそれから午じた伝播してい
る波はループ１４の一部を２回横切るであろう。この部
分はループの半分でなければ、経路長は異なる。

経路長が異なるので、検出器３０に到達する伝播する波
は、同時に検出器３０に到達する後方散乱された波と異
なる時間に光源１０で発生されているであろう。

光１１１１０で付加的な位相変調器により誘起された位
相シフトは、伝播している波に関しては位相シフトφ（
１）を誘起するが、後方散乱された波に対しては位相シ
フトφ（ｔ＋Ｋ）の位相シフトを誘起し、ここにおいて
Ｋは変調器を通過する波の経路間の時間差である。φ（
ｔ　＋Ｋ）はφ（【）に関して時間変化しているので、
後方散乱された干渉は時間について平均化され、効果的
に、後方散乱の影響を除去する。

第１図ないし第９図を参照して上述した検出システムは
ループ１４のための回転速さの成るレンジ内で非常に有
効な回転検知システムである。しかしながら、ダイナミ
ックレンジは成る現象によって制限される。たとえば、
第９図を参照して、検出システムの感度は、非常に小さ
な回転速度で、すなわち、回転によって曲線９４の中心
軸が点９５または９７近くになるときに誘起されること
ができるということがわかる。

また、曲線８０は周期的であるということもわかる。そ
れゆえに、大きな回転速度によって点９７または点９５
のいずれかを通過して曲線９４の中心軸を移動させるの
に十分に大きなΔφ６を生じれば、関数９６は第２の、
より＾い回転速度のために繰返すであろう。この第２の
回転速度は、第９図に示されるサグナック位相シフトΔ
φ２を生じた回転速度よりも実質的に大きいが、出力光
学信号９６はより低い回転速度で発生されたものに対応
する。すなわち、より大きな成る回転速度からのΔφ３
が、曲線８０の第２の突出部上の２個の新しい点９９′
および１０１′間で作動するように曲線９４を移動させ
るのに十分大きければ、出力光学信号９６は、曲線９４
が点９９および１０１間で作動する図示の場合に対しＣ
現われるように現われるであろう。

この発明は、光学ファイバジレイロスコープの回転のよ
うな、干渉計に対する外力の影響が正確にかつ信頼性よ
く検知されることができるレンジを拡大するための新規
な方法、および関連のオーブンループ装置を含む。この
発明は、さらに、低周波信号の位相を与え、この低周波
信号の位相はループ回転の速度のような外力により生じ
る効果に対応し、かつ、回転速度のようなこれらの効果
の量を定めるために従来のディジタル出力装置へデータ
を与えるために都合よく用いられているかもしれない。

本願の新規な回転センサの好ましい一実施例が第１０図
に示される。第１０図の検出システムはオーブンループ
ファイバ光学センサ形態を含むことに注目されよう。第
１０図の検出システムは第１図に図解されるシステムの
コンポーネントの多（のちのを具体化している。したが
って、簡略化のため、同じ構成および機能を有する第１
図および第１０図のこれらのコンポーネントに・対して
は対応する参照番号を付している。

差動位相シフト（Δφ、）は回転速度に直線的に比例す
るということがここにおいて注目されている。しかしな
がら、検出器３０からの強度出力は回転速度の非線形（
周期）関数である。それゆえに、このオーブンループシ
ステムについての拡大ダイナミックレンジを得るために
は、検出器３０の光学出力信号からの原光学位相情報を
回復する必要がある。

第１０図の装置において、回転ループからの光学信号は
検出器３０によって電気出力信号に変換される。この電
気出力信号は次のような方程式によって示されるように
、位相変調周波数ｆ、の成分およびその高調波を含む。

１　（ｔ　）　＝Ｃ［１＋ｃｏｓ（Δφ、、ｌｓ：ｎ（
１）、ｔ＋Δφす］＝Ｃ［１＋（Ｊｏ（ΔφＭ）＋２Σ
Ｊｚｎ（Δφ）　ｃｏｓ　２ｎ　ω、目ｃｏｓ　（Δφ
家）、、′″ 十（２ΣＪ２ｏ−１（Δφ、ｒｌ）ｓｉｎ＋１＝１ （２ｎ　−１）　ω、、ｔ）　ｓｉｎ　（Δφ縫）］・
・・（１１） ここにおいて、Ｃは定数であり、Ｊ、は０次ベッセル関
数を示し、Δφ□は、変調によって発生される互いに逆
方向に伝播する波間の位相差の振幅であり、かつω。−
２π騙である。

この発明は、原光学位相情報が、Δφ、を表わす低周波
信号の位相を迅速にかつ正確に与えるために用いられる
ことができるオーブンループ回転センサを提供すること
によって、当該技術分野において経験していた問題の多
くを克服しようとするものである。出力信号の成分が、
位相が直角位相の状態で、それぞれＣＯＳΔφ、および
ｓｉｎ△φ、の振幅を有する同じ周波数（ｎωい）での
２個の正弦波信号を含んだ場合、これが達成されること
ができる。その場合、周知の三角法の規則を用いて、こ
れらの信号は直接加えられて、その位相がΔφ６に対応
する１個の低周波の正弦波信号を得ることができる。こ
の発明は、以下に説明するように、検出器３０からの出
力信号を処理することによって１個の正弦波信号を提供
する。

方程式（１１）は検出器３０からの出力が上述の種類の
項を含んでいることを示しているが、ＣＯ３Δφ、およ
びｓｉｎΔφ、の項が異なる周波数のものであるという
点においてのみ欠いている。第１１図は、検出器３０か
らの出力信号の第１ないし第４高調波周波数成分間にそ
のような関係が存在するものとして、そのような関係を
図解的に示す。特に、すべての奇数高調波周波数成分（
１０２，１０６＞のＯ交差は位相差変調信号１０２の０
交差に対応し、かつすべての偶数高調波周波数成分（１
０４，１０８＞は変調信号の各Ｏ交差でそれらのピーク
にある（位相変調信号１０２での９０度逆相）というこ
とがわかる。これらの高調波成分の波形は数学的には次
のように定義できる。

奇数高調波〜（２ｎ　−１）　ｓｉｎ　（Ｉ）、ｔ　ｓ
ｉｎΔφＲ・・・（１２） 偶数高調波〜２ｎｃｏｓωいｔ　ｃｏｓ　ΔφＲ・・・
（１３） ここにおいて、ｎは整数の値である。

種々の高調波は異なる周波数のものであるので、上述の
関係は、その位相が△φ、である１個の正弦波信号を得
るために直接用いられることができない。しかしながら
、上述の波形は同じ周波数で存在したとすれば、Δφ、
の位相を有づる所望の１個の正弦波信号が次のような正
弦波信号を組合わせることによって発生されることがで
きる。

ｓｉｎ　ｎ　ω１ｖｌｔ　ｓｉｎ　Δφ、＋ｃｏｓ　ｎ
　ω、ｔ　ｃｏｓ　Δφ、　＝ＣＯ３（ｎ　ω、ｔ−Δ
φＲ） ・・・　（１４） 第１０図の回転センサは、上述の波形の関係を達成する
回転センサの好ましい一実施例を含む。

特に、この関係は、振幅変調を用いることによって第１
０図の装置において達成される。振幅変調は、単に、検
出器３０からの電気出力信号の振幅を変調している信号
の振幅に従って変化さ「るだけである。

検出器３０からの出力信号は、位相変調周波数ｆ□（こ
れはまた隣接の高調波間の差の周波数である）の奇数倍
である周波数を有する変調信号によって振幅変調される
とき、１０周波数の高調波である、検出器３０からの出
力信号の各成分は部分的にその高調波近傍の周波数に変
換されることになる。換言すれば、このような方法での
振幅変調を通じて、側波帯周波数が位相変調周波数の高
調波で作り出される。これらの側波帯周波数は検出器３
０からの出力信号の高調波振幅変調された成分から周波
数シフトされた正弦波成分を含む。これらの側波帯周波
数は対応する周波数で、出力信号の成分と組合わせられ
る。したがって、ｆ□周波数の高調波である検出器３０
からの出力信号の成分は方程式（１４）によって規定さ
れる形式の波形を規定する。振幅変調のこれらおよび伯
の特性は、一般に、当業者にとって知られており、かつ
、エフ・ジー・ストレムラーのＩ　ｎｔｒｏｄｕｃｔｉ
ｏｎ　ｔｏ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅ
ｍｓ、（１９７９）に詳細に説明されており、参照する
ことによってここに援用する。この点で特に適切な主題
はストレムラーテキストの第１９１頁ないし２６０頁に
説明されている。

上記に基づき、周波数ｆ工での正弦波振幅変調は、各高
調波周波数成分からかつ最も近い高調波周波数近傍へエ
ネルギを変換するということが理解されよう。さらに、
このような振幅変調から生じる各信号は、検出器３０か
らの出力信号にお【ノる対応する高調波周波数成分では
同相である。このような振幅変調の結果、すべての高調
波は、ｎ次高調波が項ｃｏｓ（ｎω社Δφ、）を有する
ようにＣＯ８Δφ６およびｓｉｎΔφ、の両方に項を含
む。このように、サグナック光学位相シフトΔφ、は分
離され、かつ標準的な手段によって直接測定されること
ができる低周波位相シフトに変換される。

拡大されたダイナミックレンジにわたり回転速度を検出
するため第１０図に示される検出センサを用いる一例に
ついて、第１０図に関して第１２図を参照して説明する
。特に、信号検出器１５０（第１０図）は、サインΔφ
７ｔに対応して、第１２図の２００で示されるような波
形を有する周波数−の位相差変調信号を発生する。

好ましくは、位相変調周波数ｒ７は、方程式（３）を参
照して前に説明した正しい″周波数ｔ、に対応する。正
しい周波数で互いに逆方向に伝播する波を位相変調する
ことによって、回転センサの感度が大いに改善される。

もちろん、センサもまた周波数ｆ、以外の周波数で作動
するが、前に説明したように、ノイズが加わり感度が落
ちることになる。

発生器１５０からの位相変調信号は位相変調器３８へ与
えられ、それによって、第１図の装置を参照して説明し
たような方法で、ループ内で互いに逆方向に伝播する光
波を位相変調する。ファイバ２９上の結果的に生じる光
学出力信号は、検出器３０によって検出され、検出器３
０は光学出力信号に対応する電気出力信号を発生する。

検出器３０からの電気信号は従来のＡＣ増幅器１５２に
おいて増幅され、かつライン１５４を介して、従来の、
双極スイッチ１５６の入力へ伝達される。

スイッチ１５６は従来の電子信号遅延回路１６２からラ
イン１６４を介して受信された制御信号に応答して機能
する。好ましい実施例では、制御信号は位相変調周波数
ｆｆｆ、にある。回路１６２は、その発生器から制御信
号を受けるように、信号発生器１５０へ接続される。遅
延回路１６２は、発生器１５０から受信された信号を、
ライン１５４からスイッチ１５６において受信された信
号の位相へ同期させるために調整されてもよい。

遅延回路１６２からの制御信号に応答して、スイッチ１
５６はその信号をライン１５４から２個の出力ボート１
５８および１６０の一方へ転送し、この出力ボートは、
それぞれ、検出システムのチャネル１および２の入力ポ
ートを規定する。このスイッチング作用は、遅延回路１
６２からライン１６４を介して受信された同期信号の「
７周波数で、ライン１５４から受信された信号を振幅変
調する働きをする。スイッチ１５６によって発生された
振幅変調の方形波波形は、チャンネル１に対しては２０
２で、かつチャネル２に対しては２０４で、第１２図（
Ｂ）において図解的に示される。

第１０図の装置に設けられる方形波振幅変調は、この振
幅変調のために用いられ得る多数の波形のうちの１個だ
けであるということが理解されよう。

方形波変調は、単に、第１０図の装置において特に実現
するのが簡単な実施例を含むにすぎない。

さらに、ｆ、以外の周波数で、またはｆ、ｎの奇数高調
波での振幅変調が用いられることができるということも
理解されよう。

しかしながら、波形間の三角法の関係のため、ｆ、の偶
数高調波での振幅変調は隣接の高調波周波数間の結合を
生じないであろう。むしろ、ｆｎＱの偶数高調波での振
幅変調は偶数高調波と結合する偶数高調波を生じ、かつ
奇数高調波と結合する奇数高調波を生じるであろう。こ
のような状況は、一般に、当業者によって理解されると
ころであり、この条件に対する根拠は、ここにおいて援
用したストレムラーのテキストを参照してより十分に理
解されるかもしれない。これらの問題点は、奇数高調波
での振幅変調が用いられれば避けられる。

第１２図（Ｃ）を参照して、ループが回転していないと
き、スイッチ１５６により発生される方形波振幅変調は
、チャネル２の出力信号２０８に関して１８０度の逆相
であるチャネル１における出力信号２０６を与えるとい
うことに注目されたい。ライン１５４上の信号を振幅変
調して１８０度逆相の信号を発生することによって、成
分の正弦および余弦関係が容易に評価されるかもしれな
い。

スイッチ１５６の出力１５８から、チャネル１における
変調された信号は、チャネル１の信号の１個の高調波成
分（ｎωカ）（ここにおいて、ｎは選択された高調波で
ある）を選択するようにチューニングされたバンドパス
フィルタ１６６を通過する。同様に、スイッチ１５６の
出力１６０からの信号はバンドパスフィルタ１６８へ伝
送され、このフィルタ１６８は、対応する高調波周波数
でチャネル２の信号の成分を選択するようにチューニン
グされている。フィルタ１６６および１６８から伝送さ
れた、フィルタされた信号は数学的には次のように説明
できる。

チャネル１： １＋＝に、ｃｏｓ（ΔφＲ）ｃｏｓ（ｎωｍｔ）＋に２
ｓｉｎ（ΔφＩＬ）　ｓｉｎ　（ｎ　ω−ｔ）チャネル
２： １２　＝Ｋａ　Ｃ０５（ΔφＬＩ）　ｃｏｓ　（ｎ　ω
ｆｆＬｔ）　十に、５ｉｎ（Δφ、）　ｓｉｎ　（ｎ　
ω、ｔ）・・・（１５） ここにおいてに１ないしに４はΔφおよびｎによって決
定される定数である。

第１２図に図解した例では、１７周波数の第２高調波は
、エレクトロニクスによって発生されるノイズを避ける
ためのみならず、ｆ−周波数でスイッチによって発生さ
れるかもしれないスプリアス信号を排除するために選ば
れた。もちろ／ｖ、ｆの他の高調波もまた、所望の周波
数レンジと、スイッチおよび電子成分の特性に基づいて
選択されることもできるということが理解されよう。

第２の高調波周波数では、定数に、ないしに４は次のよ
うに説明できる。

Ｋ、＝に、らＪ２　（Δφｒｎ） Ｋ２　＝−に、〜（８／π）Σ（１）’Ｊ２１．−＋ｗ
−１ （△φｍ）／　（２ｎ　−３）　（２ｎ　＋１　）・・
・（１６） もしに、＝に２　＝にとすれば、方程式１５は次のよう
になる。

１　＋　＝Ｋ　ｃｏｓ（２ω７を一Δφ、）Ｌ＝Ｋｃｏ
ｓ（２ωｒｎｔ＋Δφ、）・・・（１７）係数Ｋｌ−に
、の評価は、たとえば、位相変調器に与えられる位相変
調の振幅、振幅変調の波形、スイッチ１５６におけるス
イッチングの周波数、およびバンドパスフィルタ１６６
および１６８がチューニングされる周波数を含む種々の
７アクタに依存するということが、当業者によって認識
されよう。この情報を仮定して、当業者は、上述したス
トレムラーのテキストのような数多くの参考文献におい
て一般的に説明されているように、従来の数学的手段に
よってに、−に４の値を決定することができる。

方程式（１７）の関係は、回転センサのエレメントを実
際に調整することによって数学を用いることなく得られ
ることもできる。たとえば、スイッチの周波数、バンド
パスフィルタがチューニングされている周波数、および
振幅変調の波形が選択される。方程式（１７）における
に、およびに２の値は、変調器３８に与えられる位相変
調信号の振幅を単に調整することによって、互いに等し
くなるようにされることができる。そのシステムをＫＩ
＝に２になる条件にチューニングする際に、位相変調信
号の振幅が繰返し調整され、かつループは、バンドパス
フィルタからの信号の振幅が回転の結果として変化しな
くなるまで回転される。

再び第１２図（Ｃ）を参照して、チャネル１におけるバ
ンドパスフィルタ１６６からの第２高調波出力波形が２
１０で示される。同様に、チャネル２における出力バン
ドパスフィルタ１６８からの第２高調波波形が２１２で
示される。

第１０図のライン１７０および１７２上の信号（２１０
，２１２）は位相測定器１７４へ伝送され、この位相測
定器１７４は、ヒコーレット・バラカード社によって製
造されるモデムＮ０．５３４５Ａのような、従来の時間
間隔カウンタを含んでもよい。この位相測定器１７４に
おいて、時間間隔カウンタは、第１２図（Ｃ）の波形２
１０が０と交差するときに駆動され、かつ波形２１２が
○と交差するまでカウントし続ける。全カウントは、位
相差Δφ２の２倍に対応する波形２１０および２１２間
の位相差を識別する。もちろん、この位相差は光学ルー
プによって受けた回転の量を表わす。それゆえに、位相
測定器１７４によって発生される位相差測定はループの
回転速度を表わす。

第１２図（Ｃ）の波形は、光学ループが何の回転も受け
ないときに発生される。これらの条件の下では、波形２
１０および２１２は同相であり、かつ位相測定器１７４
は、それゆえに、これらの波形間には何の位相差も検出
しないであろう。このような状況は第１２図（Ｃ）の２
１４で示されており、Δφ、の値がＯであるということ
がわかる。したがって、この状況では、位相測定器１７
４からの出力もまた０であろう。測定器１７４からのこ
の信号は、ライン１７６上へ通され、そこから、それは
ループの回転速度を通信させるためディジタルコンピュ
ータのような従来の出力Ｑ１１７８によって用いられる
ことができる。

典型的には、位相測定器１７４からの回転速度における
現在の変化に関する情報が出力装置１７８の回転速度記
録を更新するために用いられるように、出力装置１７８
が最も最近測定された回転速度の記録を維持することが
できる。したがって、もしシステムの作動レンジが、信
号２１２のＯ交差が波形２１０のＯ交差から１周期越え
Ｃ拡大するようなものであったならば、ディジタル出力
装置は、位相測定器１７４からの出力が単独ではこの測
定が波形の第１の期間を越えるようにされたということ
を反映することができなくても、この拡大されたダイナ
ミックレンジで回転速度を決定するであろう。

令弟１２図（Ｄ）を参照して、毎秒４０度の量のループ
回転の結果として第１０図の回転センサの受けた茶杓が
示される。再び、位相変調信号は、２００で示されるよ
うに周波数「、で与えられ、かつ検出器３０からの出力
信号はスイッチ１５６において、周波数ｆ□での方形波
信号２０２．２０４で振幅変調される。スイッチ１５６
からのチャネル１における出力信号は第１２図（Ｄ）の
２１６で示され、他方、チャネル２のスイッチ１５６が
らの出力は２１８で示される。チャネル１のための対応
するバンドパスフィルタ出力は２２０で示され、他方、
チャネル２のための出力【よ２２２で示される。

回転の結果として、位相測定器１７４は、チャネル１の
波形２２０と、チャネル２の波形２２２との間の位相差
を検出する。この位相差は第１２図（Ｄ＞の２２４で示
され、かつ光学ループの回転によって発生される位相差
Δφ６の２倍に比例する。

今、第１３図を参照すると、グラフのライン２５０は、
実際のサグナック位相シフトと比較して、チャネル１お
よびチャネル２のフィルタ出力信号間の位相測定器１７
４により検出された位相シフトを示す。非常に幅広いダ
イナミックレンジにわたり実質的に線形の結果が達成さ
れていることに注目されたい。ライン２５０に沿う点線
は、行なわれた特定的な実験的測定からのプロットを示
す。

上述の説明から、第１０図の簡単な、オープンループ回
転センサは、ファイバ光学ジャイロスコープ回転の拡大
されたダイナミック検知を達成するためオーブンループ
回転センサを用いるための重要な技術を実用する装置を
含んでいるということがわかる。この装置は、高感度で
、かつ回転センサの他の形式において必要であった広範
な電子コンポーネントまたは他の装置を用いることなく
、これを正確に達成する。

この発明の回転センサの他の好ましい実施例を第１４図
に示す。この実施例において、第１０図のスイッチ１５
６は従来の電子ゲート３００によって置換えられる。ゲ
ート３００は、第１０図の実施例に関して前述した態様
で、遅延回路１６２からライン１６４上で受信された信
号に応答して機能する。したがって、ゲート３００は、
第１０図に示された装置に従って増幅器１５２から受信
した信号の方形波振幅変調を発生する。周波数ｆｍに関
して適当な位相および振幅で変調されると、この実施例
の振幅変調された信号は方程式Ｃ０３（ｎω、ｖｔｌ−
ΔφＲ）によって規定される。これは、＄１０図の実施
例のチャネル１の１．に対し方程式〈１７）の規定に対
応する。

ゲート３００から、振幅変調された信号はライン３０２
を介してバンドパスフィルタ３０４へ伝送され、このフ
ィルタ３０４は、位相変調周波数ｆＭの選択された高調
波にチューニングされている。

以下に示す理由で、第１４図に示す特定の実施例におい
ては、選択された周波数は「６周波数に対応する第１高
調波でなければならない。フィルタされた信号は、次い
で、位相測定器３０８へ、ライン３０６を介して伝送さ
れ、この位相測定器３０８は、機能的に、第１０図の実
施例における測定器１７４に対応する。ライン３０６か
らの信号は、周波数ｆ、で遅延回路１６２からライン３
１０を介して受信された基準信号と比較される。ライン
３１０上の信号は、回路１６２において遅延された位相
差変調信号に対応し、それは項ＣＯＳ　ω工（によって
定義される。位相測定器３０８からの結果的に生じた出
力は、光学ループの回転によって発生される位相差信号
Δφ、に対応する。

もしもバンドパスフィルタ３０４の第１高調波以外の高
調波を選択するのが望ましい場合は、第１４図の装置は
、ライン３１０に周波数逓倍器（図示せず）を含むこと
によって修正され、それによってｆ１位相変調信号の選
択された高調波が位相測定器３０８の適当な入力へ与え
られることができる。第１０図の実施例の位相測定器１
７４からの出力におけるように、位相測定器３０８の出
力は、光学ループの回転速度を示すための従来のディジ
タル装置によって用いられることができる。

第１５図を参照して、第１４図の装置の動作を図解的に
説明する。特に、位相変調信号が信号発生器１５０から
、周波数ｆ４の位相変調器３８へ与えられるとぎ、周波
数ｆ□の結果的に生じる位相差変調波形が３５０で示さ
れる。この周波数で、ゲート３００は、３５２で示され
る波形に従って方形波振幅変調を与える。

第１５図（Ｂ）は、光学ループが回転されないときに発
生される波形を示す。特に、ループが何の回転も受けな
いときは、検出器３ｏの出力信号の波形が３５４で示さ
れる。ゲーｒ−３００によって発生される周波数〜の振
幅変調された出力信号が３５６で示されており、周波数
ｆｌｖｌのバンドパスフィルタ３０４の結果的に生じる
出力が３５８で示される。これらの条件の下で、位相測
定器３゜８は、波形３５８の０交差と、基準信号３５２
の前縁との間の時間間隔を検出する。同様な正弦波の項
がこの状態において打消し合うので、位相測定器３０８
は、回転速度がＯであることを示す。

この状況が、第１５図（Ｂ）の３６０で図解的に示され
る。

第１５図（Ｃ）は、光学ループの回転の間、第１４図の
装置に存在する状況を図解する。この状況において、周
波数ｆｒｎでの位相変調および周波数虎でのゲート処理
された振幅変調の状態で、検出器３０の出力が３６２で
示される。したがって、ゲート３００からの振幅変調さ
れた信号が３６４で示される。周波数ｆ、、１のパンド
パ、スフィルタ３０４の出力に見られるような対応する
波形が３６６で示される。この状況において、波形３６
６のＯ交差は基準信号３５２の対応する前縁からずらさ
れていることに注目されたい。したがって、このずれが
位相測定器３０８において検出され、かつ出力信号が、
光学ループの回転によって、互いに逆方向に伝播する波
に発生される位相差信号に対応して発生される。Δφ、
に対応する、この位相シフトの量は第１５図（Ｃ）の３
６８で示される。

選択的に、第１０図または第１４図のいずれかの装置の
ゲート処理が、光検出器３０の前に、光学ループ上の任
意の所望の場所に位置決めされる、シャッタのような少
なくとも１個の光学ゲートを用いることによって、電気
的よりもむしろ光学的に達成されることができる。たと
えば、光学ゲートは、第１方向性結合器と、レーザダイ
オードとの間で、光源の入力に位置決めされることがで
きる。このような形態において、ループ内を進む光はｔ
ｆｆ１周波数で変調された振幅であるように、ゲートは
周波数ｆ□の遅延信号によって制御され続ける。

他のすべての点において、光学ゲートを用いることによ
って、第１０図または第１４図の装置に関して説明した
と実質的に同一の結果が１ｑられるであろう。

要約すると、ここに説明した発明は光学ジャイロスコー
プの回転速度を検出するに際し先行技術以上の意義ある
改善を含むのみならず、この発明はまた、（１）実質的
に制限のないダイナミックレンジを有するオープンルー
プセンサを提供することによって；（２）従来の電子お
よびファイバ光学装置と両立し得るセンサを提供するこ
とによって；（３）構成が簡単でかつ、他の形式の干渉
計にも一般に用いられる複雑な電子フィードバックシス
テムまたは他の制御装置を必要としないシステムを提供
することによって、かつ（４）ディジタル装置によって
直接用いられることができる非常に正確な結果を提供す
ることによって、当該技術分野において長く存在してい
た他の問題点をも克服できる。

これらの問題点を克服することに加えて、ここに説明し
た形式の装置は、現在市場にある他の検知装置と比べて
製造するのに非常に安価であり、かつしたがってこの発
明は商業的な応用に用いることに関して大きな経済的節
約を提供する。簡略であるためかつダイナミックレンジ
が拡大され、さらにその空間的条件が最小であるので、
ここに説明した装置および方法は数多くのかつ種々の用
途に応用を見出し、かつ数多くの異なる形式の実施例に
簡単に組入れられることもできる。

この発明はサグナック干渉計と参照して説明してきたが
、この発明の検出システムはマツクーテンダー干渉計、
マイケルソン干渉計、およびファプリーぺ口〜干渉計の
ような他のすべての形式の干渉計にも等しく適用できる
ということが理解されよう。上述した干渉計のすべては
当該技術分野において周知であり、２個の干渉する光波
からなる干渉出力信号を与え、光波間の位相差は出力信
号の強度を決定する。さらに、この発明は同時係属中の
アメリカ合衆国特許出願連続番号４２６゜８９０（１９
８２年９月２９日出願）の″″ファイバ第１ティック共
振器″に開示されるファイバ光学干渉計の形式（これは
ファプリーペロー千感計に類似４る）に対しても適用で
きる。この出願もここに参照することによって援用する
。

ファイバ光学干渉計によってこの発明を説明してきたが
、ビームスプリッタおよび／または鏡のようなバルク光
学コンポーネントを用いた干渉計にも均等に適用できる
ということもまた理解されよう。当業者は、もしも光学
ファイバが干渉している波を案内するために用いられな
ければ、波の変調は、鏡またはエレクトロ−オプティカ
ル装置のような他の手段によって達成されることができ
るということを理解しよう。

回転検知の分脈において好ましい実施例を説明してきた
が、この発明は、２個の光波間の位相差を発生する任意
の干渉計の応用にも均等に適用できる。この発明は、位
相差を発生する特定の量または現象にかかわらずそのよ
うな位相差を検出することができる。したがって、この
発明は、干渉計の構造的な局面、そなような干渉計を構
成するために用いられるコンポーネントまたは干渉計の
２個の干渉する波間の検出された位相差を発生ずる量に
かかわらず、任意の形式の干渉計とともに用いるのに適
している。

この発明はその精神または本質的特徴から逸脱すること
なく他の特定の形式で実施されてもよい。

説明した実施例は例示的であって限定的でないものとし
て、すべての点において考慮されるべきである。この発
明の範囲は、それゆえに、前述の説明によって示される
よりもむしろ前掲の特許請求の範囲によって示される。

特許請求の範囲の均等性の意味および範囲内にあるすべ
ての変形はその範囲内に含まれるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、基本的な回転センサの概略図であり、ファイ
バ光学材料からなる連続的な、中断されていないストラ
ンドに冶って位置決めされたファイバ光学コンポーネン
トを示し、かつさらに、検出システムに関連する信号発
生器、光検出器、ロックイン増幅器および表示装置を示
す。 第２図は第１図の回転センサに用いるＩｃめのファイバ
光学方向性結合器の一実施例の断面図である。 第３図は第１図の回転センサに用いるためのファイバ光
学偏光子の一実施例の断面図である。 第４図は第１図の回転センサに用いるためのファイバ光
学偏光制御装首の一実施例の斜視図である。 第５図は第１図の回転センサの概略図であり、偏光子、
偏光制御装置および位相変調器がそこから除去されてい
る。 第６図は回転的に誘起されるザブナック位相差の関数と
して、光検出器により測定される、光学出力信号の強度
のグラフであり、複屈折誘起された位相差および複屈折
誘起された振幅変動の影響を示す。 第７図は互いに逆方向に伝播する波の間の位相差および
互いに逆方向に伝播する波の各々の位相変調を示す、時
間の関数としての位相差のグラフである。 第８図は、ループが静止しているとき、検出器により測
定される、光学出力信号の強度についての位相変調の影
響を示す概略図である。 第９図はループが回転しているとぎ検出器により測定さ
れる光学出力信号の強度についての位相変調の影響を示
す概略図である。 第１０図は、拡大されたダイナミックレンジを持つオー
プンループ位相読出回転センサの好ましい一実施例の図
である。 第１１図は回転センサに関連するファイバオプティック
ループからの光学出力信号の第１ないし第４高調波周波
数成分を図解する図である。 第１２図は第１０図に示される回転センサに関連する光
学ループの静止および回転の両方の状態の間、スイッチ
およびフィルタ出力信号と、位相および振幅変調信号の
関係を示す図である。 第１３図は第１０図に示される回転センサの線形スケー
ルファクタを示す図である。 第１４図は拡大ダイナミックレンジを備えたオープンル
ープの位相読出回転センサの好ましい他の実施例の図で
ある。 第１５図は第１４図に示す回転センサに関連の光学ルー
プの静止および回転の両方の状態の間の、位相および振
幅変調信号と、ゲートおよびフィルタ出力信号との間の
関係を示す図である。 図において、１０は光源、１２は光学ファイバ、１４は
検知ループ、２４は偏光制御装置、２６は方向性結合器
、３０は光検出器、３２は偏光子、３６は偏光制御装置
、３８は位相変調器、４６は増幅器、４１は表示パネル
を示す。 特許出願人　ザ・ボード・オブ・ トラステイーズ・オブ・ザ・ レランド・スタッフォード・ 図面の浄書（内容に変更なし） Ｊ″９ｚ ４夕ｊ ／／） ４７りσ ４ラタ７ ζ　も−（公ｅ案・Ｘヘニ（〈） ［Ｆ］ ■・Ｉ −Ｉｆ−〜Δφ （３，８ＲＦ９１５ｃ 手続補正口（方式） ％式％ １、事件の表示。 昭和６０年特許願第　８８４５９　８ ２、発明の名称 干渉計 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　アメリカ合衆国、カリフォルニア州、スタンフ
ォード〈番地なし） 名　称　ザ・ボード・オブ・トラスティーズ・オブ・ザ
・レランド・スタッフォード・ジュニア・ユニバーシテ
ィ代表者　キャサリン・クー ４、代理人 住　所　大阪市北区天神橋２丁目３番９号　八千代第一
ビル自発補正 ６、補正の対象 図面企図 ７、補正の内容 １１５！で描いた図面全図を別紙のとおり補充致します
。なお内容についての変更はありません。 以上

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）　光学ファイバのループと、光源と、前記光源か
   らの光を前記ループへ、２個の互いに逆方向に伝播する
   光波の形式で導入するための結合器と、前記ループから
   光学出力を測定するための検出器とを含む干渉計であっ
   て、前記光波間の位相差、かつしたがって前記検出器で
   の測定された出力ｉ１渕定されるべき、ループの外部環
   境条件の影響に依存し、前記干渉計は、 前記検出器の出力を振幅変調して前記出力の正弦波およ
   び余弦波成分を含む選択された高調波を有する第１の信
   号を発生するための第１の回路と、前記第１の信号に応
   答して前記位相差のシフトを表わす第２の信号を与える
   ための第２の回路とをさらに備えることを特徴とする、
   干渉計。
2. （２）　第１の周波数で前記互いに逆方向に伝播する光
   波を変調するための位相変調器をさらに備え、かつ前記
   第１の回路は、前記第１の信号が前記第１の周波数の高
   調波を含むように前記第１の周波数で前記出力を特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の干渉計。
3. （３）　前記第１の回路は前記第１の周波数で２個のス
   イッチ出力のうちの一方の出力で前記検出器の前記出力
   を交互に切換えて、互いに１８０度の逆相である振幅変
   調された信号を前記スイッチ出力上に与えるためのスイ
   ッチを含む、特許請求の範囲第２項に記載の干渉計。
4. （４）　前記第２の回路は、前記２個のスイッチ出力に
   接続されて前記第１周波数の高調波で前記振幅変調され
   た信号の成分を選択する１対のフィルタにより特徴付け
   られる、特許請求の範囲第３項に記載の干渉計。
5. （５）　前記第２の回路は、前記対のフィルタの出力間
   の位相差を測定するための測定器によってさらに特徴付
   【ノられる、特許請求の範囲第４項に記載の干渉計。
6. （６）　前記第２の回路は、前記第１の周波数の高調波
   にある前記第１の信号の成分を選択するためのフィルタ
   により特徴付けられる、特許請求の範囲第２項記載の干
   渉計。
7. （７）　前記第２の回路は、前記フィルタの出力を、基
   準信号と比較して、互いに逆方向に伝播する光波間の位
   相差に対応する信号を発生するための回路により特徴付
   けられる、特許請求の範囲第６項記載の干渉計。
8. （８）　前記比較回路は位相測定器である、特許請求の
   範囲第７項に記載の干渉計。