JPS62239012A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、光ファイバジャイロに関するものであり、更
に詳述するならば、高精度な光ファイバジャイロに関す
るものである。

従来の技術 現在、ジャイロが様々な分野で利用され、特に、航空機
、飛翔体、自動車などの移動体のナビゲーションや姿勢
制御のための角速度センサとして活用されている。この
ジャイロを使用すれば、角速度だけでなく、それを積分
することにより方位などのデータも得ることができる。

そのようなジャイロの中で、光ファイバジャイロは、光
及びその光が伝搬する光ファイバが磁界や電界の影響を
受は難いため、シールドの問題なくどのような環境でも
使用でき、また、可動部が全くなく且つ小型化が可能で
あり、更に、最小検出可能角速度（１度）、ドリフト、
切側範囲（ダイナミックレンジ）、スケールファクタの
安定性の点において、従来のジャイロに比較して優れて
いるために、近年注目され開発されている。

そのような光ファイバジャイロの例は、例えば、ギヤロ
レンジテー、ジー３、ブヵロ　ジュー。ニー。

他「光フアイバセンサ技術」アイ　イーイーイージャー
ナル　オブ　ヵンクム　エレクトロニクス（Ｇｉａｌｌ
ｏｒｅｎｚｉ　Ｔ、Ｇ、、　Ｂｕｃａｒｏ　Ｊ、Ａ、　
ｅｔ　ａじ０ｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ　　５ｅｎｓｏｒ
　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”、　　Ｉ口ＩＥ［！　　Ｊ
、　　ｏｆ　　ＱｕａｎｔｕｍＢｌｅｃｔｒｏ旧ｃｓ）
　Ｑ［Ｅ−１８，Ｎｏ、４　、　ｐｐ６２６−６６２（
１９８２）やタラショウ及びアイ、ピー、ギレス「光フ
ァイバジャイロスコープ」ジャーナルオブフィジクスエ
レクトロニクスサイエンス　インストルメント（Ｃｕｌ
ｓｈａｗ　ａｎｄ　Ｉ、　Ｐ、Ｇ１１ｅｓ　”Ｆｉｂｅ
ｒ　０ｐｔｉｃ　Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ”Ｊ、　Ｐｈｙ
ｓ、　Ｂ：Ｓｃｉ　Ｉｎｓｔｒｕｍ、）１６　ｐｐ５−
１５．　　（１９８３）や、坪用、大塚「光ファイバジ
ャイロスコープ」レーザ研究、　１１．　　Ｎｏ、１２
．　ｐｐ８８９−９０２　（１９８３）なトニ詳しく示
されている。

（ａ）　　光ファイバジャイロの原理 ここで、光ファイバジャイロの原理を第２図を参照して
説明する。

発光素子１０からの光をビームスプリッタ−２により分
割して、集光レンズ２２を介してシングルモード光ファ
イバ１８の両端に結合する。この光ファイバ１８は、コ
イル状に多数回巻回されて光フアイバループすなわちセ
ンサコイル２０を構成しており、その両端に人力された
光がセンサコイル２０を右回り（ＣＷ）と左回り（ＣＣ
Ｗ）に伝搬する。そのとき、センサコイル２０が角速度
Ωで回転していると、右回り光、左回り光に位相差△θ
が生じ、△θを測定することによって角速度Ωを検出す
るものである。

センサコイル２０の中を右回りに伝搬した光及び左回り
に伝搬した光の電界の強さＥ　ｃｗ、　Ｅｃｃｗは、次
のように表される。

ど 但し、Ｅｒ％Ｅ、：左回り光及び右回り光の振幅ω：光
の角周波数 ｔ；時間 △θ：サニャック効果による位相差 そのように位相差△θが生じた左回り光と右回り光とを
ビームスプリッタ１２で合成して、受光素子２６に入射
する。その受光素子２６の検出強度から、位相差Δθを
知ることができる。その位相差Δθは、次のように表す
ことができる。

・・・・（２） 但し、Ｌ：センサコイルのファイバ長 日：センサコイルの半径 Ｃ：真空中の光速度 λ：光の波長 Ω：回転角速度 これをサニヤック効果という。

以上が、光ファイバジャイロの原理及び基本構成である
。

センサコイル２０の両端からの出射光を合成する際平面
波にして干渉させることが理想的であるが、実際にはレ
ンズ２２のデフォーカスの影響で完全な平面波とはなら
ず、これが雑音となって光ファイバジャイロの検出性能
を劣化させる原因となる。

そのため、実際の構成においては第１図に示す如く、発
光素子１０からの出射光を直接センサコイル２０の両端
に入射させるのではなく、シングルモード光ファイバな
どで構成されるモードフィルタファイバ１６を介して入
射させて、完全な平面波成分をとりだしている。すなわ
ち、モードフィルタファイバ１６は、光７アイバジヤイ
ロを実現するために必須の構成要素である。

一方、センサコイル２０の両端から出射される光は、セ
ンサコイル２０を伝搬中に偏波面が回転するため、モー
ドフィルタファイバ１６で重ね合される両回り光の偏波
面は一致しない。ファイバ内において偏波面が異なれば
伝搬定数も異なるため、センサコイル２０が回転したこ
と、により生ずる位相差とは別異の位相差が、両回り光
の間に生じ、これが雑音となって光ファイバジャイロの
検出性能を劣化させるという問題があった。

発明が解決しようとする問題点 従来の光ファイバジャイロにおいては、上記した如く、
センサコイルを伝搬中に偏波面が回転するため合成され
る両回り光の偏波面が一致せず、センサコイルが回転し
たことにより生ずる位相差△θとは別異の位相差が発生
し、これが雑音となって光ファイバジャイロの検出性能
を劣化させ、高精度を確保することは難しかった。

そこで、本発明は、上記の偏波面の不一致による雑音を
排し、高精度な光ファイバジャイロを提供せんとするも
のである。

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、第１図に示すように、
発光素子１０と、多数回コイル状に巻回されたセンサコ
イル部分２０を含み且つ前記発光素子１０からの光が分
岐されて両端に結合され該センサコイルを両方向に伝搬
した光を両端から出力する光ファイバ１８と、該光ファ
イバを伝搬した両回り光を受ける受光素子２６とを具備
し、前記センサコイル２０が回転したときに生ずる両回
り光間の位相差から回転角速度を測定する光ファイバジ
ャイロにおいて、更に、前記センサコイル２０の両端か
らの出射光を前記受光素子２６に入射するためのモード
フィルタファイバとして絶対単一直線偏波ファイバを備
えることを特徴とする光ファイバジャイロが提供される
。

昨月 以上のような光ファイバジャイロにおいて、発光素子か
らの光は、モードフィルタファイバを伝搬し、例えばビ
ームスプリッタで２つの光線に分けられ、右回り光（Ｃ
Ｗ）、左回り光（ＣＣＷ）として、光ファイバの中を伝
搬する。このとき、センサコイルが受ける回転によって
、右回り光と左回り光の間で位相差へ〇が発生する。

光ファイバを伝搬した右回り光と左回り光は、光ファイ
バから出射して、ビームスプリッタなどで合成され、モ
ードフィルタファイバに入射する。゛モードフィルタフ
ァイバとして絶対単一直線偏波ファイバを用いると、入
射した光ビームのうち、モードフィルタファイバを伝搬
可能な単一の偏波面を有する成分のみが、受光素子２６
に入射する。

受光素子は、光強度に比例した電気信号を発生する。最
も簡単に、右回り光と左回り光との和を受光素子で二乗
検波すると、出力Ｉは、Ｉ　”　（１＋ｃｏｓ（Δθ）
） という形になり、△θを表わす信号が得られる。

実施例 以下添付図面を参照して本発明による光ファイバジャイ
ロの実施例を説明する。

第３図は、本発明を実施した位相変調方式光ファイバ口
の１実施例の構成を示した図である。なお、光ファイバ
ジャイロの最小構成については、イゼキール　ニス、及
びアーディティ　エイチ。

ジュー、「光フアイバ回転センサ」スプリンガーーフェ
アラーク　ベルリン（Ｂｚｅｋｉｌ　Ｓ、　ａｎｄ　Ａ
ｒｄｉｔｔｙ）１．Ｊ、　”Ｆｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　
Ｒｏｔａｔｉｏｎ　５ｅｎｓｏｒｓ”、　Ｓｐｒｉｎｇ
ｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ　Ｂｅｒｌｉｎ、）　１９８２　に
詳しい説明がある。

図示の位相変調方式光ファイバジャイロにおいては、半
導体レーザなどの発光素子３０が設けられ、レーザ駆動
電源３２のような電源により駆動されて、可干渉性光ビ
ームを発生する。なお、発光素子３０としては、Ｈｅ　
−Ｎｅレーザのようなガスレーザや、スーパルミネッセ
ントダイオードなども使用できる。

その発光素子３０が発生する光ビームは、レンズ３４を
介して、ハーフミラ−３６のようなビームスプリッタに
送られる。そのハーフミラ−３６を透過した光ビームは
、レンズ３８を介して、モードフィルタを構成する絶対
単一直線偏波ファイバ４０の一端に結合される。

絶対単一直線偏波ファイバ４０の他端から出力された光
ビームは、レンズ４２を介して、ハーフミラ−４４のよ
うなビームスプリッタに送られる。そして、それらハー
フミラ−４４で２つに分けられた光ビームは、それぞれ
レンズ４６及び４８を介して、光ファイバ５０の両端に
結合される。

光シアイバ５０は、光フアイバセンサを構成するように
、多数回コイル状に巻かれてセンサコイル５２と、角周
波数ω□で駆動されるピエゾ半導体素子またはＬＮＯ素
子（Ｌ　ＩＮ　ｂ　Ｏ３を材料とした素子）のような位
相変調素子５４に巻き付けられた部分５６とからなって
いる。

光ファイバ５０を右回りと左回りとに伝搬した光ビーム
は、光フアイバ５００両端からそれぞれレンズ４６及び
４８を介して出力されて、ハーフミラ−４４により合成
され、更に、レンズ４２を介して絶対単一直線偏波ファ
イバ４０の他端に結合される。

そして、その絶対単一直線偏波ファイバ４０を伝搬した
光ビームは、単一な偏波面を有する成分のみとなって出
力され、ハーフミラ−３６で反射されて、レンズ５８を
介して、受光素子６０に入射する。

その受光素子６０の電気出力は、プリアンプ６２を介し
て、同期検波器６４の入力に接続されている。

その同期検波器６４は、発振器６６から角周波数ω１が
供給されている。一方、上記した位相変調素子５４は、
発振器６６から角周波数ωイを受ける位相変調素子駆動
回路６８により角周波数ω、で駆動される。

従って、同期検波器６４は、受光素子６０の出力を角周
波数ω、で同期検波し、角周波数ω、の成分を含む信号
をローパスフィルタ７０に出力し、そのローパスフィル
タ７０は、角周波数ω□の成分の電圧信号を出力する。

以上のように構成される位相変調方式光ファイバジャイ
ロは、次のように動作する。

電源３２により駆動される発光素子３０からの光ビーム
は、レンズ３４を介して、ハーフミラ−３６に送られ、
そのハーフミラ−３６を透過した光ビームは、レンズ３
８を介して、絶対単一直線偏波ファイバ４０の一端に結
合されて、単一のモードのレーザ光のみが、それら絶対
単一直線偏波ファイバ４０の他端から出力され、レンズ
４２を介して、ハーフミラ−４４に送られる。そして、
それらハーフミラ−４４で２つに分けられた光ビームは
、それぞれレンズ４６及び４８を介して、光ファイバ５
０の両端に結合される。

光ファイバ５０に入力された光ビームは、回転を受けて
いるセンサコイル５２の部分で位相差ができ、また、位
相変調素子駆動回路６８によって角周波数ω、の交流で
駆動される位相変調素子５４に巻き付けられた部分５６
において位相変調される。

そのように光ファイバ５０において位相差ができ且つ位
相変調された右回り光ビームと左回り光ビームは、光フ
ァイバ５０の両端からそれぞれレンズ４６及び４Ｂを介
して出力されて、ハーフミラ−４４により合成され、更
に、レンズ４２を介して絶対単一直線偏波ファイバ４０
の他端に結合される。そして、その絶対単一直線偏波フ
ァイバ４０に結合された光ビームは、ハーフミラ−３６
によってレンズ５８を介して受光素子６０に入射する。

ここで、以上のような位相変調方式光ファイバジャイロ
において、位相変調がないとすると、光ファイバ５０を
左回りに伝搬した光の振幅Ｅ　ｃ　ｃ　ｗ及び光ファイ
バ５０を右回りに伝搬した光の振幅Ｅ　ｃｗは、前述し
た（１〕式のように表される。

これに対して、位相変調素子５４を駆動すると、光ファ
イバ５０を左回りに伝搬した光の振幅Ｅ　ｃ　ｃ　ｗ及
び光ファイバ５０を右回りに伝搬した光の振幅Ｅｃｗは
次のように表される。

Ｅ　ｃ　ｃ　ｗ　−Ｅ　＋　ｓ　１ｎ　（ωｔ＋Δθ／
　２　＋　ｂｓｉｎ（ω、ｔ＋φ／２））Ｅｃｗ＝Ｅ２
ｓｉｎ　（ωｔ−△θ／　２　＋ｂｓｉｎ（ω＋ａｔ−
φ／２））但し、　　　　ｎＬω。

φ−□ ｂ：変調度 以上のような２つの光を重ね合せて受光素子６０で受光
すると、その受光素子６０の出力Ｓ（△θ、１）は、次
のように表される。

−″−（Ｅ−２：Ｅ２’）：　　（２ωを以上の成分）
φ ＋　ＥＩ　Ｅ２　ＪＯ（２ｂｓｉｎ−）ｃｏｓ△θ＝Ｄ
Ｃ成分 φ ＋２　Ｅ　＋　Ｅ　２　Ｊ　＋　（２ｂｓｉｎ−）ｃｏ
ｓ　ωｌＩｔ゛ｓｉｎ△θφ −２Ｅ　＋　Ｅ２　Ｊ　２（２ｂｓｉｎ−）ｃｏｓ　２
　ａ＋、ｔ−ｃｏｓΔθ＋高次成分　　　　　　　　　
・・・（３）但し、Ｊはベッセル関数 となる。

従って、受光素子６０の電気出力が、プリアンプ６２を
介して、発振器６６から位相変調素子５４の駆動角周波
数ω。を参照周波数として受けている同期検波器６４に
人力されて、位相変調素子５４の変調角周波数ω１で同
期検波すると、その検波で得れる出力■０は Ｖｏ　　＝　Ｃｓ１ｎ　　Δθ ＝　Ｃｓ１ｎ（４ｙｒ　Ｌ　ａΩ／Ｃλ）・・（４）但
し、Ｃ：定数 となる。かくして、同期検波器６４の出力を受けるロー
パスフィルタ７０は、位相変調素子の変調角周波数ω１
構成の振幅から回転角速度に比例する量へ〇を示す電気
信号を出力する。

以上述べたように、本発明による光ファイバジャイロは
、センサコイル伝搬中に偏波面が回転するために発生す
る両回り光の偏波面の不一致を原因とする雑音を、モー
ドフィルタファイバとして絶対単一直線偏波ファイバを
用い合成された光ビームから単一な偏波面を有する成分
のみを伝送し、受光素子に入射することにより解消する
。

従って、光ファイバジャイロにおいて雑音による検出性
能の劣化を防止することができ、測定の信頼性が向上し
、高精度を確保することができる。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による光ファイ
バジャイロは、センサコイル伝搬中に発生する両回り光
の偏波面の不一致による雑音を排して高精度を確保する
。従って、本発明による光ファイバは、広い範囲にわた
って活用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光ファイバジャイロの原理を図
解する光学系統図であり、 第２図は、光ファイバジャイロの原理を説明する基本構
成図であり、 第３図は、本発明による光ファイバジャイロの−の実施
例の構成を示すブロック図である。 （主な参照番号） １０・・発光素子、　１２．１４・・ビームスプリッタ
、１６・・モードフィルタファイバ、 １８・・光ファイバ、２０・・センサコイル、２２・・
レンズ、　２６・・受光素子 ３０・・発光素子、３２・・駆動電源、３６・・ハーフ
ミラ−１ ４０・・絶対単一直線偏波ファイバ、 ５０・・光ファイバ、５２・・センサコイル、５４・・
位相変調素子、 ５６・・光ファイバの位相変調部、 ６０・・受光素子、６４・・同期検波器、６６・・発振
器、６８・・位相変調素子駆動回路、７０・・ローパス
フィルタ、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子と、多数回コイル状に巻回されたセンサ
   コイル部分を含み且つ前記発光素子からの光が分岐され
   て両端に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
   を両端から出力する光ファイバと、該光ファイバを伝搬
   した両回り光を受ける受光素子とを具備し、前記センサ
   コイルが回転したときに生ずる両回り光間の位相差から
   回転角速度を測定する光ファイバジャイロにおいて、更
   に、前記センサコイルの両端からの出射光を前記受光素
   子に入射するためのモードフィルタファイバとして絶対
   単一直線偏波ファイバを備えることを特徴とする光ファ
   イバジャイロ。