JPS6110712A - フアイバ光学周波数シフタ - 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】 １１飢１１ この発明は一般的には周波数シフタに関し、より特定的
には、ファイバ光学周波数シフタに関する。さらに特定
的には、この発明は、先入シの周波数を、検出されるべ
き角回転速度に適した周波数にシフトするために光学回
転感知システムにおいて用いられるファイバ光学周波数
シフタに関する。　ファイバ光学リング干渉計は典型的
には、その中を互いに逆方向に伝播する光波を有するフ
ァイバ光学材料のループを含んでいる。ループを通過し
た後に、互い反対方向に伝播する波は結合され、このた
めそれらは建設的にまたは破壊的に干渉して光学出力信
号を形成する。光学出力信号の強度は、干渉の種類およ
び大きさの関数として変化するが、これは互いに反対方
向に伝播する波の相対位相に依存している。

ファイバ光学リング干渉計は、回転の感知にとって特に
有用であることが証明されている。ループの回転は、周
知の゛サグナック（Ｓ　ａａｎａｃ　）　”効果に従っ
て、反対方向に伝播する波の間の相対位相差を作り出し
、位相差の大きさはループの角速度の関数である。反対
方向に伝播する波の干渉によって生じる光学出力信号は
、ループの回転速度の関数としてその強度が変化する。

回転の感知は、光学出力信号を検知しかつ光学出力信号
を処理して回転の速度を決定することによって達成され
る。

慣性航法に応用するのに適したものにするために、回転
センサは非常に広いダイナミックレンジを有していなけ
ればならない。回転センサは、１時間当たり０．０１°
という低さおよび１秒当たり１０００°という高さの回
転速度を検出することができなければならない。測定さ
れるべき上限および下限の比率はほぼ１０９である。

オーブンループファイバ光学ジャイロスコープの出力は
、正弦波形である。この正弦波は非線形であり、かつ−
価ではなく、正確な測定値を得ることを困難にしている
。この振幅は変動するいくつかのパラメータに依存して
いるので、この振幅もまた変動する。

周波数シフタとしてバルク光学回転半波長板（ｂｕｌｋ
　　ｏｐｔｉｃｓ　　ｒｏｔａｔｉｎｇ　　ｈａｌｆ−
ｗａｖｅ　　ｐｌａｔｅ　）を用いる原理がよく知られ
ており、さらにそのような回転する半波長板周波数シフ
タは、マイクロ波および光学周波数の双方において用い
られている。光学周波数シフトは、３重軸を有する電気
−光学結晶を介して光学信号を通過させることおよび前
記結晶に回転する電界を印加することによって実現され
る。周波数シフトされるために、光学ビームは好ましく
は円形に偏光されかつ結晶の３重軸に沿って向けられる
。電界が印加されないときに、この結晶は複屈折を示さ
ず、さらに現われたビームは影響を受けていない。印加
された電界が適当な半波振幅を有しかつ３重軸に対して
垂直な平面内で回転するときに、この結晶は回転する半
波長板として機能する。現われたビームはその光学周波
数をシフトさせかつその極性の向きを反転させている。

周波数シフトは印加された電界の回転速度に等しい。均
一に回転する印加された電界は理想的には出力ビームに
おける単一の新しい周波数をもたらすので、回転する電
界周波数シフタは、単側波帯抑圧搬送波（ＳＳＢＳＣ）
変調器と呼ばれている。

従来の周波数シフタは、音波と光波との間の非線形の干
渉を用いておりかつ小さな帯域幅、困難な形Ｂおよび特
殊な光学ファイバの必要性という欠点を有しており、さ
らに航空機の航法にとって要求される精度をもたらすこ
とができない。

１ｉ悲１１ この発明は、慣性誘導の応用にとって必要とされるダイ
ナミックレンジにわたって入力コヒーレント光の周波数
をシフトすることができるファイバ光学周波数シフタを
提供することである。この発明によるファイバ光学周波
数シフタは、望ましくない高調波または側波帯を生じる
ことなく、入力周波数以上のまたは以下のいずれかに周
波数をシフトすることができる。さらに、周波数シフト
の大きさは連続的に可変であり、このため、周波数は１
１発振器の制御下において所定の周波数範囲にわたって
変化させられる。この発明はまた、所望の出力周波数を
維持するためのネガティブフィードバックシステムを含
んでいる。

周波数シフタの第１の実施例は、周囲を取り巻（コーテ
ィングまたはジャケットを有する長尽のファイバ光学材
料を備えており、コーティングまたはジャケットは、一
般的にこのファイバと同心円状の電歪または圧電活性材
料である干渉材料で形成されている。電極が干渉材料の
周囲゛に装着され、かつこれらの電極に電界を印加する
電子回路が含まれている。これらの電極に電界を印加す
ると干渉材料に電界を生じ、干渉材料をファイバ上で収
縮させる。ファイバ上での干渉材料の収縮はファイバを
挾み付けてさらに応力によって誘起された複屈折を生じ
させる。この応力によって誘起された複屈折は、ファイ
バの応力が加えられた部分が入力光波上に回転する半波
長板の効果を有するように制御される。

この発明の第２の実施例は、長尽の光学ファイバ上にコ
ーティングされた磁歪材料を含んでいる。

磁歪材料に磁界を印加すると、光学ファイバの囲まれた
長さに応力によって誘起された複屈折を生じさせる。磁
界を発振器によって制御すると、ファイバのまわりに回
転する応力の場が生じ、このためファイバの応力が加え
られた部分は回転する半波長板として機能する。

周波数シフタの第３の実施例は、半カプラのまわりに配
置された複数の電極を備えている。半カブラは典型的に
は、クラッドの一部分がそこから取り除かれて干渉領域
を形成する、長尽の光学ファイバを含んでいる。電気−
光学活性材料のブロックが干渉領域に隣接して配置され
、干渉材料のブロックおよびファイバのまわりに配置さ
れた電極は、−ファイバおよび電気−光学活性材料のブ
ロックに電界を印加してそれらの屈折率を変化させるた
めに用いられる。印加された電界の制御は、前記長尽の
ファイバおよび電気−光学活性材料の隣接するブロック
を、回転する半波長板として機能させる。

この発明は、出力における望ましくないスペクトル成分
に応答して半波長動作を確保するように周波数シフタを
調整するフィードバック制御システムを含み、これは出
力ビームから入力光学周波数を除去する。

この発明はさらに、周波数変調されコード化された出力
ビームを提供する光学ＦＭエンコーダを含んでいる。

好ましい　　　の 第１ａ図を参照すると、周波数シフタ１０は、コア１２
およびクラッド１４を有する光学ファイバ１１を含んで
いる。クラッド１４は、圧電もしくは電歪材料、または
磁歪材料のいずれかで形成されたコーティング１６を有
している。電界が印加されていないときに、光学ファイ
バ１１およびコーティング１６は、第１ａ図に示されて
いるような同心円を形成する。適当な電界を印加すると
、コーティング１６は光学ファイバ１１のまわりで収縮
し、これによってコア１２およびクラッド１４の双方は
歪んで一般的に第１ｂ図に示されるような楕円形状とな
る。光学ファイバに応力を加えることによってファイバ
の屈折率が変化しかつ光弾性効果によってファイバに複
屈折が誘起されるということはよく知られている。本件
の発明者は、光学ファイバ１１の長さ、コーティング１
６の厚さおよび印加された電界の強度の適当な選択が、
光学ファイバ１１への円形に偏光された光波入力に半波
長の位相遅延を生じるということを発見した。ファイバ
１１の長手方向の軸のまわりの印加された電界の回転は
、マイクロ波または光学周波数の電磁波においてバルク
波半波長板を回転させることと同様の効果を生じる。も
しもプレートが角速度ｆで回転するように考えるならば
、そのときは、出力周波数は、円形に偏光された波の方
向に、半波長板の回転の方向に従って、＋２ｆだけシフ
トされる。偏光の方向における回転は、ｆＯの入力周波
数からｒｏ＋２ｆの出力周波数へ周波数をシフトさせる
。偏光に対して方向が反対の回転は、ｒｏからｆａ−２
ｆへ周波数を減少させる。

双方の場合において、出力の偏光は、入力波に対して反
転される。

第２図は、角速度ｆで回転しそいる半波長板２０上に入
射している円形に偏光された入力光を表わしている。入
力波は周波数ｆ、を有しているものとして示されている
。この波は正の２方向に移動シ、かつ９０°位相がずれ
ている、Ｘおよびｙ軸に沿った等しい大きさの偏光ベク
トルを有している。それゆえに、偏光ベクトルは、伝播
の方向に向かって見ながら観察されるときに時計方向に
２軸まわりで角速度ｔｏで回転するように思われる。半
波長板２０は、偏光ベクトルと同一方向に回転し、この
ため出力波は入力周波数ｒｏから周波数周波数シフトさ
れてｆｏ＋２ｆの周波数を有する。

第３図は、位相シフタ１０が単側波帯抑圧搬送波位相シ
フタとして作動されるときの位相シフタ１ｏから得るこ
とができる周波数出力を図解的に表わしている。もしも
入力周波数がｔｏであれば、そのときは入力ビームの偏
光の方向に周波数ｆで半波長板を回転させることによっ
てｔ、）＋２ｆの出力を発生する。円形に偏光された入
力波の偏光と反対の方向に周波数ｆで半波長板２ｏを回
転すると、ｆｏ−２ｆの出力周波数が生じる。回転周波
数ｆの制御は、４分の１波長板の出力周波数に、ｒｏ±
２ｆｆｆｌａＸの範囲を持たせ、ここでｆｆｆｌａＫは
、半波長、板２０の最大回転周波数である。

第４図は、ファイバ光学位相シフタ２１を描いており、
ここで、圧電または電歪材料は、クラッド１４を取り巻
くジャケット２２を形成している。

ジャケット２２を形成するのに適した材料は、通常ＰＶ
Ｆ２と呼ばれる、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉ
ｎｉｌｉｄｅｎｅ　　ｆｌｕｏｒｉｄｅ）および酸化亜
鉛ＺｎＱである一ＰＶＦ２は一般に、溶融物からファイ
バ１１上に与えられる。絶縁物２７によって分離された
複数の電極２３−２６がジャケット２２上にコーティン
グされている。電極２３−２６を形成するのに適した材
料は、シャケシト２２上にスパッタリングまたは塗布さ
れ得るどのような導電性物質であってもよい。第４図に
示された実施例において、ＰｖＦ２の層はクラッド１４
の直径の２ないし３倍であり、このため電極２３−２６
に電界を印加することによってファイバ１１に回転する
複屈折を生じる。電極２５および２６は接地されており
、電極２４は発振器２８から周波数ｆを有する電気信号
を受取る。位相シフタ３ｏは、発振器２８と電極２３と
の闇に接続されている。

位相シフタ３０の出力は好ましくは、入力から９０″だ
け位相がシフトされており、このため電極２３および２
４は、そこに印加穴１１．　ｔ−Ｑ　ｎ　’の治相差を
有する電気信号を有している。

もしもＰＶＦ２ジャケット２２の厚さがファイバクラッ
ド１４の直径の２ないし３倍であれば、そのときは、電
極２５および２６を接地させながら電極２３および２４
に９０６だけ位相がずれた信号を印加することによって
、ＰＶＦ２ジャケット２２に９０’だけ位相がずれた２
つの電界ベクトルを発生する。その結果生じた電界は、
発振器の周波数ｆで回転する。電界ベクトルはＰＶＦ２
材料をファイバ１１のまわりで収縮させて一般的に第１
ｂ図に示されるような楕円形状を形成させる。

回転する電界ベクトルは、ジャケット材料２２上で機能
しかつ回転力のベクトルを発生する。回転力のベクトル
はジャケット２２およびファイバ１１に回転する応力の
場を生じさせる。回転する応力は、光学ファイバ１１の
コアに回転する歪みの変化を生じさせ、これは光弾性効
果によって歪みの方向における屈折率を変化させる。そ
れゆえに、回転する応力の場はファイバ１１に回転する
複屈折を生じさせる。複屈折材料を介して伝播する光波
は、複屈折に依存する位相シフトを被るということがよ
く知られている。

第５図は、第２のファイバ光学周波数シフタ３１を描い
ており、これは第４図の周波数シフタ２１を変形したも
のである。電極３２はファイバクラッド１４の周囲でコ
ーティングされかつ接地されている。発振器２８は対向
する電極２３１Ｆ３よび２５に直接接続されかつ９０°
位相シフタ３０を介して電′極２４および２６に接続さ
れている。第５図の電極の構成の利点は、電圧発振器２
８の同じ出力およびジャケット２２の厚さに対して、第
４図の実施例によって可能な電界よりも高い、ジャケッ
ト２２の電界を得ることができるという見込みである。

ジャケット２２の電界は、接地された電極と接地されて
いない電極との間の距離に反比例している。第５図に示
されるようなファイバのまわりの接地された電極３２は
、接地された電極と接地されていない電極との間の距離
を第４図の構成における距離よりも短くしている。

第６図を参照すると、６つの実質的に同一の電極３４−
３９を用いてこの発明による周波数シフタ３３を構成す
ることが可能である。中央電極３２は第５図に示されて
いるように接地されている。

接地されていない’ｆｌｆｆｉｆｆ１３４−３６は、発
振器２８のような発振器によってドライブされ、隣接す
る電極は互いに１２０６位相がずれた信号によってドラ
イブされている。発振器２８と電極３５との間に接続さ
れた１２００位相シフタ４０と、発振器２８と電極３６
との間に接続された一１２００位相シフタ４１とは、所
望の位相差をもたらす。

第６図の電極の構成は、第５図の実施例によって可能で
あったよりも、ジャケット２２としてより薄い層を使用
させている。第５図に示された実施例の電極２３−２６
および３２は、ファイバを正反対に向かい合って挾み付
け、そしてその結果は単に２つの垂直なファイバの締め
付けとして観察されるが、もしもジャケット２２の材料
がファイバのクラッド１４の直径の２ないし３倍以下で
あればどのような回転する複屈折も生じない。第６図の
Ｎ極の構成はファイバに２つの垂直な締め付けをファイ
バに与えず、それゆえに、発振器２８によって電極３４
を直接ドライブしかつ１２０’位相シフタおよび一１２
０６位相シフタを介して電極３５および３６をトイラブ
することによって、ジャケット２２およびファイバのコ
ア１４に回転する電界および回転する複屈折を容易に発
生ずる。

出力発振器２８の電圧を適正に制御することと、ジャケ
ット２２の厚さおよび長さを適正に選択することとによ
って、長尽のファイバ１１の複屈折を制御することが可
能であり、このためそれは入力光波に対する回転する半
波長板のように考えられる。ジャケット２２の長さは、
ファイバ１１と、ジャケット２２を含む材料との電磁特
性によって一部分決定される。ジャケット２２の長さを
決定するときの他の考慮すべき事項は、ジャケット２２
に印加される電磁界のピークおよびジャケット２２の絶
縁破壊の強さである。ファイバの複屈折もまた、ジャケ
ット２２の寸法を決定する際に考慮されなければならい
要素である。理想的な場合は、印加されたピークの電界
において波長の１／２であると思われる、ジャケット２
２で覆われたファイバ１１の長さを有する場合である。

第７図は、ファイバのクラッド１４のまわりでジャケッ
ト４４を形成するように磁歪材料を用いる、この発明に
よる周波数シフタ４２を描いている。磁歪ジャケット４
４は、アモルファスＦｅａＯＢ２０合金で形成され、こ
れは比較的高い磁歪伸び係数を有する金属ガラスである
。金属ガラス材料はクラッド１４上に容易にスパッタコ
ーティングされ得る。スパッタリングされたニッケルの
フィルムでジャケット４４を形成することもまた可能で
あり、これは多数の結晶粒界を有する多結−晶体である
。多結晶体材料に対するアモルファス金属ガラスの利点
は、それがかなり柔軟な磁性特性を有しており、それが
結晶材料において同一の効果を達成するために必要とさ
れるよりも小さな印加された磁界における磁気飽和を達
成することを可能にしている。複数の電磁石４６−５１
が、ファイバ１１のまわりに等しい角度の間隔を保つて
配置されている。電磁石４６−５１に適正な順序で信号
を印加することによって、磁歪ジャケット４４に回転す
る歪みを引き起こし、これはさらにファイバのコア１２
に回転する歪みを生じさせる。それゆえに、電磁石４６
−５１、磁歪ジャケット４４および光学ファイバ１１は
協働して、ファイバ１１への光波入力に回転する半波長
板を提供する。

電歪および磁歪材料は、印加された電磁界が存在すると
きにファイバ１１に応力を加えるために、高度に処理さ
れた構造を有している必要はない。

それゆえに、ジャケット２２および４４は、有利なこと
にスパッタリングによって設けられてもよい。ファイバ
５７に与えられた後に、ジャケット２２および４４は、
内部電磁界の所望の配列を有するように分極されなけれ
ばならない。材料はキュリ一温度以上に加熱され、適当
な外部電磁界が与えられて分子電磁場を整列させる。こ
の材料は印加された電磁界の影響下においてゆっくりと
冷却される。分子電磁場を適正に整列させることは、次
に印加される電磁界がファイバ１１に応力を加えてファ
イバ１１を第１ｂ図に示されるように歪めることを保証
している。

第８図を参照すると、ファイバ光学周波数シフタ５２は
、半カブラ５６に隣接して配置された電気−光学活性複
屈折材料のブロック５４を含んでいる。半カブラ５６は
、長尽のファイバ光学材料５７を含んでおり、この材料
５７は、好ましくは、石英のブロックである、サブスト
レート６０のスロット５８内に配置されたコア５５およ
びクラッド５９を含んでいる。クラッド５９の一部は、
溝５８の外側のエツジにおいてファイバ５７がら除去さ
れて干渉領域６２を形成している。溝５８は好ましくは
第９図に示されるような凸面状に曲げられている。溝５
８は第８図に示されるような長方形の断面を有してもよ
く、または溝５８は第１０図に示されるように曲げられ
た底部表面６６を有していてもよい。半カブラ５６の形
成は通常、最初にサブストレート６０に溝５８を形成す
るステップと、溝５８内にファイバ５７を固定するステ
ップと、さらにその後所望の量のクラッド５９が除去さ
れるまでサブストレート６０の表面６４を研削および研
磨するステップとを含んでいる。

干渉領域６２は、楕円形に似たコア５９上の細長いプレ
ーナ表面を含んでいる。クラッド５９の厚さは干渉領［
６２の中央で最小でありかつファイバ５７の長さに沿っ
て測定された距離が干渉領域６２の中心から離れて増大
するにつれて増大している。

ファイバを伝播する光のエバネセントフィールドが浸透
するブロック５４の比較的小さな部分６３のみが光学フ
ァイバ５７の複屈折に影響する。

破線６１で示されるように、関係する領域は、コア５９
上に中心を有する約１０ミクロンの半径の円弧である。

）？イバ５７の光とブロック５４との干渉において入力
光波の位相特性のみが重要である。

ブロック５４は、リチウムニオブ塩酸のような電気−光
学活性複屈折材料から形成されてもよい。

好ましくは、ブロック５４はファイバ５７の屈折率に類
似した屈折率を有する、窒化ナトリウムまたは２チオン
酸カリウムのような材料から形成されている。複屈折材
料が非複屈折ファイバを伝播゛　　　する光のエバネセ
ントフィールド内に配置されるときに、複合構成は複屈
折になる。複屈折材料の主軸は複合構造の主軸を決定す
る。もしもファイバ５７がシングルモード光学ファイバ
であれば、それは電気および磁気ベクトルがファイバ５
７を介する光の伝播の方向に主に通過するモードのみを
案内するであろう。それゆえに、ファイバ５７における
電磁界はファイバのコア５５を横切って向けられかつク
ラッド５９内にエバネセントフィールドを有する。エバ
ネセント波は、互いに直交しかつ複屈折電気−光学材料
のブロック５４の主軸に直交す６２つの成分から形成さ
れるものとみなされてもよい。

再度第８図を参照すると、電極６８は、クラッド５９と
接触して溝５８の底部に配置されている。

電極６８は第８図に示されるように平坦であってもよく
、または第１０図および第１１図に示されるようにコア
１４の曲線形状に適合するものであってもよい。

電気−光学活性材料のブロック５４はそこに装着された
複数の電極７０−７２を有している。電極７０は一般に
干渉領域６２′と平行に整列されて第８図に示されるよ
うにブロック５４上に配置されている。電極７１および
７２はそれぞれブロック５４の端面７６および７８上に
装着されている。

第８図に示されるように、電極７１および６８は接地さ
れている。発振器８０の出力は、電極７０および位相シ
フタ８２に直接接続されている。

位相シフタ８２は好ましくは、その入力から９００だけ
位相がシフトされた出力を発生する。位相シフタ８２の
出力は電極７２に接続され、このため電極７０および７
２は、９０°位相がずれた電圧によってドライブされる
。

もしも複屈折材料５４と干渉領域６２の長さとが正確に
選択されるならば、そのときは、電極７１および６８を
接地させながら発振器８０から直接電極７０におよび位
相シフタ８２を介して電極７２に電圧を印加することに
よって、回転する半波長板が事実上ファイバ５７に形成
され得る。９００位相のずれた電圧を電極７０および７
２に印加することによって回転する電界が形成され、こ
れは電気−光学活性複屈折材料５４をその中で回転する
複屈折に帰着させる。ブロック５４の複屈折は周波数シ
フタ５２の複屈折を決定するので、ファイバ５７を伝播
する光は、干渉領域６２に隣接するコア５５の部分を介
して移動するときに回転する複屈折に出会う。干渉領域
６２を介して伝播する円形に偏光された光は、上述のよ
うに周波数シフトを受ける。

もしも回転する複屈折においてまたは入力光の偏光の状
態において摂動が存在すれば、そのときは位相シフト動
作期間中に高調波が発生する。

サブストレート６０に装着されたファイバ５７を有する
ことなくエバネセントフィールド位相シフタを形成する
ことが可能である。クラッド５９の所望の部分は研削さ
れて干渉領域６２を形成する。電極６８はファイバ５７
に直接接着され、かつ電極７０−７２は複屈折ブロック
５４に接着される。

干渉領域６２は、周波数ｔｏ±２ｆを有する出力波を発
生するために半波長の奇数倍に等しい長さを有していな
ければならず、ここでｆは発振器の周波数である。もし
も干渉領域６２の長さが半波長の奇数倍でなければ、そ
のときは搬送周波数「０の一部分は周波数シフタ５２を
介して伝送される。

第４図ないし第８図のそれぞれの周波数シフタ２１．３
１，３３．４２および５６の出力の振幅は次の式によっ
て与えられる。

φ　（、、ＡｅＪ’　　（ｆｏ　　＋　　ｚｆ）ｔ　　
　　　　　　　ｊｆｂｔ−＋　Ｂｅ　　　　　　（１） 出力波の強度は振幅の二乗であり次の式によって与えら
れる。

工＝Ｉφ（を月２（２） ・　Ａ２＋　　Ｂ”　　＋　２ＡＢ　　ＣＯＳ　　（２
ｆヒ）　　　　　　（３）係数Ａは通常、Ｂよりもはる
かに大きく、このためＢ２は無視することができる。第
１２図は、周波数シフタ８６の出力周波数を制御して望
ましくない搬送周波数成分を最小限にするフィードバッ
クシステム制ｍ装置８５を描いている。周波数シフタ８
６は第４図ないし第８図に示された周波数シフタ２１．
３１．３３．４２および５２のうちのどれであってもよ
い。

周波数シフタ８６は光源９０からｒＯの周波数の光波を
その上に入射させる。入射波は、光源９０から周波数シ
フタ８６に向かって見て時計方向の円形の偏光を有して
いる。周波数シフタ８６か搬送入力信号の望ましくない
部分を表わしている。

周波数シフタ８６の出力ビームはビームスプリッタ９２
上に入射し、これはたとえば入射光のほぼ９０％を一直
線に通過させて伝送する一方で入射光のほぼ１０％を偏
光子９４上に反射する。

出力強度の望ましくない部分は入力波と同じ偏光を有し
ている一方で、出力強度の所望の部分は反対の偏光を有
している。偏光子９４は合波の一部だけを伝送する。偏
光子９４の出力は光検出器９６上に入射され、これは方
程式（３）の第３項を示す誤差信号を出力する。

この誤差信号はＯツクイン増幅器９８に入力される。電
圧源１００は電圧制御発振器１０２に電圧Ｖを供給し、
この発振器１０２はＶの例数である周波数ｆを有する発
振電圧を発生する。電圧制御発振器１０２の出力は、可
変利得増幅器１０４によって増幅されて周波数シフタ８
６および２倍器１０６に制御信号を与える。２倍器１０
６は、２ｆの周波数を有する出力信号をロックイン増幅
器９８に与え、これによってロックイン増幅器９８に周
波数２ｆを有する信号のみを増幅させ、これは方程式（
３）の第３項の周波数である。ロックイン層幅器９８の
出力は、方程式の第３項、２ＡＢｃｏｓ　　（２ｆｔ）
の係数、すなわち２ＡＢに比例する電圧である。ロック
イン増幅Ｗ９８の出力はフィルタ１０日を介して、１つ
の接地された入力を有するフンパレータ１１０へ通過さ
せられる。

それゆえに、コンパレータ１１０への入力である２ＡＢ
に比例する電圧が０でなければ、そのときはコンパレー
タ１１０は、負のフィードバック信号として可変利得増
幅器１０４の利得制御へ入力である出力電圧を発生して
周波数シフタ８６への制御信号入力の電圧を増加させる
かまたは減少させる。負のフィードバック信号は係数Ｂ
を減少させ、これは誤差信号を減少させかつ周波数シフ
タ８６の出力に所望の周波数を持たせる。

ここで開示されたファイバ光学周波数シフタは第１３図
に示されるようなＦＭエンコーダを形成するために用い
られてもよい。円形の偏光の双方の信号は、等しい大き
さで周波数シフタ１１８に入力される。時変制御周波数
［（ｔ）を有する変調信号は、発振器１１２から周波数
シフタ１１０へ入力されて回転速度を制御する。出力信
号は以下の強度を有するＦＭコード化信号である。

ｘ＝２Ａ１ｅｊｔｆｏ−２ｆｔｔ）ｔ）＋、ｉ＜ｆｏ＋
２ｆ（ｔ）ｔ）１ｚ（４）＝　　　２Ａ　　（１＋　　
ｃｏｓ　　４ｂｔ）をン　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　（５）変調された信号は、任意の偏
光の線形偏光子であってもよい分析器１１６および検出
器１１４によって検出され、さらにそれを４ｆ（ｔ）ｔ
に依存するａｍを有する適当な復調信号と混合すること
によって復調される。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、電歪または磁歪材料によって囲まれている
光学ファイバを示す図である。 第１ｂ図は、ファイバを取り囲む材料に電磁界を印加し
たときに歪められている第１ａ図の光学ファイバを示す
図である。 第２図は、光入力および出力を伴った回転する半波長板
を表わす概略図である。 第３図は、回転する半波長板に対する可能な入力および
出力を表わす図解図である。 第４図は、外部表面に接続された電極を有する干渉材料
で囲まれた光学ファイバを含む周波数シフタの第１の実
施例を示す概略図である。 第５図は、この発明による周波数シフタに対する他の電
極の構成を表わす概略図である。 第６図は、周波数シフタに対する第２の他の電極構成を
示す図である。 第７図は、磁歪材料によって囲まれた光学フ？゛イバと
、そこに磁界を印加して周波数シフタを形成する複数の
磁石とを示す図である。 第８図は、電気−光学活性材料のブロックおよび複数の
電極と組合わされて周波数シフタを形成する半カプラの
断面図である。 第９図は、ファイバが装着された溝を示す、第８図の半
カブラの側面図である。 第１０図は、曲線状の底部表面を有する溝を描く、第９
図の半カプラの断面図である。 第１１図は、他の電極構成を示す、第８図の半カプラの
断面図である。 第１２図は、第４図ないし第８図に描かれた周波数シフ
タの周波数出力を制御するフィードバックシステムのブ
ロック図である。 第１３図は、第４図ないし第８図に従う周波数シフタを
含む光学周波数変調器のブロック図である。 図において、１０は周波数シフタ、１１は光学ファイバ
、１２はコア、１４はクラッド、１６はコーティング、
２０は半波長板、２１．３０はファイバ光学位相シフタ
、２２はジャケット、２３゜２４．２５．２６は電極、
２８は発振器を示す。 特許出願人　リットン・システムズ゛・インコーホレー
テッド 代　　理　　人　　弁理士　　深　　見　　久　　部（
ほか２名） ｆ２；Ｆ−Ｊ

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. （１）光波をその中で伝播する長尽の光学ファイバと、 前記長尽の光学ファイバにおいて回転する複屈折を誘起
   する手段とを備え、前記長尽の光学ファイバと前記回転
   する複屈折とは協働して回転する半波長板を形成し、前
   記回転する半波長板は光学ファイバへの光波入力の周波
   数を±２ｆだけシフトし、ここでｆは回転する複屈折の
   角周波数である、ファイバ光学周波数シフタ。
2. （２）前記誘起手段は、 前記長尽の光学ファイバのまわりでジャケットを形成す
   る圧電または電歪材料と、 前記ジャケットにおいて回転する電磁界を形成して前記
   ジャケットおよび前記長尽の光学ファイバを歪ませてこ
   れによつてその中に応力によつて誘起された複屈折を生
   じさせる手段とを含む、特許請求の範囲第１項記載のフ
   ァイバ光学周波数シフタ。
3. （３）前記形成手段は、 前記ジャケットのまわりに形成された複数の電極と、 所定の位相関係を有する電圧を前記電極に印加する手段
   とを含む、特許請求の範囲第２項記載のファイバ光学周
   波数シフタ。
4. （４）前記印加手段は、 周波数ｆを有する出力電圧を発生する発振器と、前記発
   振器に接続された９０°位相シフタとを含み、前記発振
   器および前記９０°位相シフタの出力は隣接した電極に
   印加される、特許請求の範囲第３項記載のファイバ光学
   周波数シフタ。
5. （５）前記ジャケットのまわりに形成された４つの電極
   を備え、前記電極のうちの第１の電極は前記発振器に直
   接接続され、前記電極のうちの第２の電極は前記９０°
   位相シフタの出力に接続され、前記電極のうちの残りの
   ２つの電極は接地されている、特許請求の範囲第４項記
   載のファイバ光学周波数シフタ。
6. （６）前記長尽の光学ファイバのまわりに形成された接
   地された電極をさらに含み、このため前記ジャケットは
   前記複数の電極と前記接地された電極との間に配置され
   る、特許請求の範囲第３項記載のファイバ光学周波数シ
   フタ。
7. （７）周波数ｆを有する出力電圧を発生する発振器と、 前記発振器に接続された９０°位相シフタとを備え、前
   記発振器および前記９０°位相シフタの出力は交互の電
   極に印加される、特許請求の範囲第６項記載のファイバ
   光学周波数シフタ。
8. （８）前記ジャケットのまわりに形成された６つの電極
   と、 １２０°位相がずれた電圧を３つの連続する電極に印加
   して前記ジャケットに回転する電界を形成する手段とを
   備え、前記ジャケットは前記回転する電界に応答して前
   記長尽の光学ファイバに回転する応力によつて誘起され
   た複屈折を生じる、特許請求の範囲第３項記載のファイ
   バ光学周波数シフタ。
9. （９）前記誘起手段は、 前記長尽の光学ファイバのまわりにジャケットを形成す
   る磁歪材料と、 前記磁歪ジャケットのまわりに一定角度の間隔を保つて
   配置された複数の電磁石と、 前記電磁石に電流を連続的に与えて前記磁歪ジャケット
   に回転する圧縮力を発生して前記長尽の光学ファイバに
   応力によって誘起された複屈折を作り出す手段とを含む
   、特許請求の範囲第１項記載のファイバ光学周波数シフ
   タ。
10. （１０）コアおよびクラッドを有する長尽の光学ファイ
    バを備え、前記クラッドの一部分は前記長尽の光学ファ
    イバから取り除かれて干渉領域を形成し、 前記干渉領域に隣接する複屈折材料のブロックをさらに
    備え、このため前記長尽の光学ファイバを伝播する光波
    は前記ブロックの中に浸透するエバネセントフィールド
    を有し、 前記ブロックの複屈折を制御して前記長尽の光学ファイ
    バに回転する複屈折を形成しその中を光が伝播するとき
    に前記長尽の光学ファイバを回転する半波長板として機
    能させる手段をさらに備えた、ファイバ光学周波数シフ
    タ。
11. （１１）前記複屈折材料のブロックは電気−光学活性材
    料である、特許請求の範囲第１０項記載のファイバ光学
    周波数シフタ。
12. （１２）前記制御手段は、 前記ブロックに電界を印加するように配置された複数の
    電極と、 前記複数の電極のうちの少なくとも１つを周波数ｆの電
    圧でドライブするための発振器手段と、前記複数の電極
    のうちの少なくとも１つの他の電極を、前記第１の電極
    に印加された電圧から９０°だけ位相がシフトされた周
    波数ｆの電圧でドライブする手段とを含み、前記電極お
    よび前記印加された電圧は協働して前記ブロックに回転
    する電界を形成しその中に回転する複屈折を作り出し、
    前記長尽の光学ファイバの中を伝播する光波のエバネセ
    ントフィールドは回転する半波長複屈折と干渉して光波
    が前記長尽の光学ファイバを介して移動するときに±２
    ｆの周波数シフトを受ける、特許請求の範囲第１１項記
    載のファイバ光学周波数シフタ。
13. （１３）周波数ｆ＿０を有する光学入力信号をシフトし
    て周波数ｆ＿０±２ｆを有する光学出力信号を発生する
    ファイバ光学周波数シフタであって、ｆは周波数シフト
    の大きさであり、 長尽の光学ファイバと、 前記長尽の光学ファイバに回転する半波長板を形成する
    手段と、 前記半波長板の回転速度を制御して前記半波長板への周
    波数入力と前記半波長板からの信号出力の周波数との間
    の差を制御する手段と、 前記半波長板の出力信号を処理して周波数ｆ＿０を有す
    る出力信号の成分の強度を所定のしきい値以下に維持す
    るフィードバック手段とを備えた、ファイバ光学周波数
    シフタ。
14. （１４）周波数制御電圧を発生する電圧源と、前記電圧
    源に接続されてそこから周波数制御電圧を受取る電圧制
    御発振器とを備え、前記電圧制御発振器は周波数ｆの制
    御信号を発生して前記回転する半波長板成形手段に入力
    する、特許請求の範囲第１３項記載の周波数シフタ。
15. （１５）前記フィードバック手段は、 前記半波長板の出力信号がその上に入射されるように配
    置されたビームスプリッタ手段を含み、前記ビームスプ
    リッタは、その上に入射する光の第１の部分を反射しか
    つその第２の部分を伝送し前記反射されたビームにおけ
    る各偏光の光を伝送するための偏光手段と、 前記偏光手段によつて伝送された望ましくない偏光の光
    に応答して誤差信号を生じる検出器手段と、 前記誤差信号を基準信号と比較してフィードバック信号
    を発生し前記可変利得増幅器の利得を調整して前記半波
    長板を調整し前記光学入力信号の偏光および周波数を有
    する光学出力信号の成分の強度を減少する手段とをさら
    に含む、特許請求の範囲第１４項記載の周波数シフタ。
16. （１６）前記検出器の出力を受取るように接続されたロ
    ックイン増幅器と、 前記ロックイン増幅器に接続されて前記制御信号周波数
    の２倍に等しい周波数を有する信号を前記ロックイン増
    幅器に与える周波数２倍器とを備え、このため前記ロッ
    クイン増幅器は周波数２ｆの前記検出器からの信号にの
    み応答して出力信号を発生し、 前記ロックイン増幅器と前記可変利得増幅器の利得制御
    との間に接続されたコンパレータをさらに備え、前記コ
    ンパレータは、もしも誤差信号がしきい値を越えれば、
    フィードバック信号を発生して前記利得制御増幅器の利
    得を調整する、特許請求の範囲第１５項記載の周波数シ
    フタ。
17. （１７）周波数ｆ＿０の入力光学周波数を出力光学周波
    数ｆ＿０±２ｆにシフトする方法であって、入力光学周
    波数を有する光波を選択された長尽の光学ファイバに導
    入するステップと、 前記長尽の光学ファイバにおいて周波数ｆで回転する複
    屈折を誘起して前記光学ファイバに回転する半波長板を
    形成するステップとを含む、シフト方法。
18. （１８）前記長尽の光学ファイバのまわりに圧電ジャケ
    ットを形成するステップをさらに含み、これによって、
    応力によって誘起された複屈折をその中に生じる、特許
    請求の範囲第１７項記載の方法。
19. （１９）前記ジャケットのまわりに複数の電極を配置す
    るステップと、 所定の位相関係を有する電圧を選択された電極に印加す
    るステップとをさらに含む、特許請求の範囲第１８項記
    載の方法。
20. （２０）前記ファイバのまわりに前記ジャケットを形成
    する前に前記ファイバ上に接地された電極を形成するス
    テップをさらに含む、特許請求の範囲第１９項記載の方
    法。
21. （２１）周波数ｆ＿０の入力光学周波数を出力光学周波
    数ｆ＿０±２ｆにシフトする方法であって、長尽の光学
    ファイバからクラッドの一部分を取り除いて干渉領域を
    形成するステップと、 前記干渉領域に隣接して複屈折材料のブロックを配置す
    るステップとを含み、このため前記長尽の光学ファイバ
    を伝播する光波は前記ブロックの中に延びるエバネセン
    トフィールドを有し、前記ブロックの複屈折を前記長尽
    の光学ファイバにおける回転する複屈折に制御して光が
    その中を伝播するときに前記長尽の光学ファイバを回転
    する半波長板として機能させるステップをさらに含む、
    シフト方法。
22. （２２）前記制御ステップは、 複数の電極を配置して前記ブロックに電界を印加するス
    テップと、 前記複数の電極のうちの少なくとも１つを周波数ｆの電
    圧でドライブするステップと、 前記複数の電極のうちの少なくとも１つの他の電極を、
    前記第１の電極に印加された電圧から９０°だけ位相が
    シフトされた周波数ｆの電圧でドライブして前記ブロッ
    クに回転する電界を引き起こしてその中に回転する複屈
    折を生じさせるステップとを含み、前記長尽の光学ファ
    イバを伝播する光波のエバネセントフィールドは回転す
    る複屈折と干渉して２ｆの周波数シフトを受ける、特許
    請求の範囲第２１項記載の方法。
23. （２３）周波数ｆ＿０の入力光学周波数を出力光学周波
    数ｆ＿０±２ｆにシフトする方法であつて、長尽の光学
    ファイバを選択するステップと、前記長尽の光学ファイ
    バに回転する半波長板を形成するステップと、 前記半波長板の回転速度を制御して前記周波数シフトの
    大きさを制御するステップと、 前記半波長板の出力信号を処理して周波数ｆ＿０を有す
    る光学出力信号の成分の強度を所定のしきい値以下に維
    持するステップとを含む、方法。
24. （２４）前記制御ステップは、 周波数制御電圧を発生するステップと、 前記周波数制御電圧を電圧制御発振器に印加して周波数
    ｆの制御信号を発生するステップと、前記制御信号を前
    記半波長板に印加してその回転速度を制御するステップ
    とを含む、特許請求の範囲第２３項記載の方法。
25. （２５）前記処理ステップは、 前記半波長板の光学出力を第１および第２の部分に分割
    するステップと、 前記第１の部分を偏光するステップと、 前記偏光子の出力を検出して誤差信号を発生するステッ
    プと、 前記誤差信号を基準信号と比較してフィードバック信号
    を発生し前記可変利得増幅器の利得を調整して半波長板
    を調整し光学入力信号の偏光および周波数を有する光学
    出力信号の成分の強度を減少するステップとを含む、特
    許請求の範囲第２４項記載の方法。