JPS62239016A - 光フアイバジヤイロ - Google Patents

光フアイバジヤイロ

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JPS62239016A
JPS62239016A JP8217686A JP8217686A JPS62239016A JP S62239016 A JPS62239016 A JP S62239016A JP 8217686 A JP8217686 A JP 8217686A JP 8217686 A JP8217686 A JP 8217686A JP S62239016 A JPS62239016 A JP S62239016A
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JP
Japan
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light
optical fiber
sensor coil
phase
light emitting
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JP8217686A
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English (en)
Inventor
Yozo Nishiura
洋三 西浦
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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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、高感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(どのような環境でも
使用でき、また、可動部が全くなく月つ小型化が可能で
あり、更に、最小検出可能角速度(感度)、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1憂れ
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6、フ゛カロ ジュー。ニー。
他[光ファイハセンザ技術]アイ イーイーイージャー
ナル オブ カンクム エレクトロニクス(Giall
orenzi  T、G、、  [3ucaro  、
1.八、  et  al  ”0pticalFib
er 5ensor Technology”、 IB
B[E J、 of Quantum旧ectroni
cs) 0n−18,No、4 、 pp626−66
2(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(
Culshaw  and  l、  P、  G11
es  ”1liber  0ptic  Gyros
copesllJ、Phys、 B:Sci Inst
rum、06 pp5−15.  (1983)や、外
用、大塚「光ファイバジャイロスコープ」レーザもJf
究、旦、  No、12. pp8B9−902 (1
9fi3)などに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・ツク12により
分割して、集光レンズ22を介してシン灼しモード光フ
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ァイ/ N+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(CCW)に伝搬する。そのとき、センサコイル20
が角速度Ωで回転してし)ると、右回り光、左回り光に
位相差へ〇が生じ、八〇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 c W XE c c 
w は、次のように表される。
但し、Er−、Et:左回り光及び右回り光の振幅ω:
先の角周波数 t:時間 △θ:サニャック効果による位相差 そのように位相差へ〇が生じた左回り光と右回り光とを
ビームスブリック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△θを
知ることができる。その位相差△θ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 a;センザコイルの半径 C:真空中の光速度 λ:光の波長 Ω:回転角速度 これをザニャック効果という。
以上が、光ファイバジャイロの原理及び基本構成である
しかしながら、以上のような光ファイバジャイロにおい
ては、右回り光はビームスプリッタ12を2回透過し、
左回り光はビームスブリック12で2回反射する。この
ように反射と透過の回数が異なると、回転によらない位
相差が生じる。そこで、通常、第5図に示すようにビー
ムスプリッタを2つ使用する。
更に、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、発光素子10からの出射光を直接センサコイ
ル20の両)!1k(に入射させるのではなく、第5図
に示すように、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。
このように、発光素子からの光をモードフィルタを透過
させるには、上記した2つのビームスプリッタが必要で
ある。
一般に、光ファイバジャイロでは、受光素子26で検出
される光量によって回転角速度を計測するので、検出感
度を向上させるには受光素子26への入射光量を増加す
る必要がある。
しかし、従来の光ファイバジャイロにおいては、第5図
に示すAn<、センサコイルの両☆:(:に光が結合さ
れるときを除いて、ビームスプリッタを通過するたびに
分岐光の一方が捨てられる。発光素子と受光素子との間
のビームスブリック12では両方向の通過ごとにエネル
ギが半減し、センサコイル20の両端から出射した光ビ
ームが、ハーフミラ−のようなビームスブリック14を
介してモードフィルタファイバ16に入射する際も、右
回り光の反射光及び左回り光の透過光はモードフィルタ
ファイバ16に伝搬することなく消失し、伝搬光量は半
減する。このような光エネルギの損失は、高感度を確保
する上で問題があった。
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、
光ビームがハーフミラ−のようなビームスプリッタを通
過するごとに伝搬光量が半減するため、これが、受光素
子で検出される光量によって回転角速度を計測する光フ
ァイバジャイロの検出感度を劣化させ、高感度を確保す
ることは難しかった。
そこで、本発明は、上記のビームスプリッタにおける伝
搬光量の損失を防止し、高感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 本発明の発明者は、」二記目的に鑑みて、第5図のビー
ムスブリック14での半減を少くとも回避せんと研究し
て、本発明を完成した。
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IO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、上記発光素子10からの出射光を上記
センサコイル20の両端に結合するだめの分岐素子とし
て、位相定数の等しい対称な導波路構造を有する2つの
入力端と該人力y;M導波路の位相定数より一方の位相
定数が大きくもう一方の位相定数が小さい非対称な導波
路構造を有する2つの出力端からなる非対称X字型4端
子分岐合流素子44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。
期 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、上記非対称X字型4端子分岐合流素子で2つ
の光線に分けられ、右回り光(CW)、左回り光(CC
W )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Δθ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、上記非対称X字型4端子分岐合流素子
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を伝搬した光ビームは、受光素
子に入射する。
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■は、I ” (1+cos(Δθ)
) という形になり、△θを表わす信号が得られる。
以上のように基本的な動作は従来の光ファイバジャイロ
と変わらない。しかし、非対称X字型4端子分岐合流素
子44により光エネルギの半減が防止される。この非対
称X字型4端子分岐合流素子は、第3図に示すように、
4つのtll−モート光導波路を一点で結び合せた形状
を有し、左手部では上下対称、右半部では導波路幅が異
なり非対称となっている。このような非対称X字型4端
子分岐合流素子は、井筒、松原、末田「導波型光ビーl
、スプリッタを用いた微小振動検出素子」電子通信学会
総合全国大会論文集、  330.昭和57年に詳しく
示されている。
このような非対称X字型4端子分岐合流素子は、以下の
ように動作する。
まず、第4−a図に示すように、光波が対称側の2つの
導波路のうち分枝■に人力された場合、非対称側に出力
される光波は同位相で遇モードと奇モードとに2等分さ
れる。
そのように2分割された光波が非対称側から人力される
場合には、上述の過程が逆にたどられることになり、基
本的な動作は同じである。ずなわち、第4−b図に示す
ように、非対称側から同位相の遇モードと奇モード光波
が人力する場合、対称側の分枝Iより光波が出力する。
また、図示していないが、非対称側から逆位相の光波が
入力する場合、対称側の分枝■より光波が出力する。
従って、この非対称X字型4端子分岐合流素子は、光が
ビームセンサコイルの両端に入射する際、即ち分岐時に
は、通常のハーフミラ−のようなビームスプリッタと同
様に機能する。
一方、光ビームがセンサコイルの両端から出射する際、
即ち合成時には、第5図に示す通常の/S−フミラーの
ようなビームスブリック14では、右回り光の透過光と
左回り光の反射光のみが元の光路に戻り、右回り光の反
射光と左回り光の透過光は消失し、伝1#、光量は半減
するのに対し、上記非対称X字型4端子分岐合流素子を
用いれば、両回り光の位相差は通常π/4以下であり、
大半の光ビームは元の光路に戻ることになる。
この結果、受光素子に到達する光量は、従来のハーフミ
ラ−のようなビームスプリッタを使用し1ま た場合の2倍近くになり、S/N比が大きく改善される
ことになる。
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6図は、本発明を実施した位相変調方式光ファイハロ
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、イセキール 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 八
rdittyH,J、 ”Piber 0ptic R
otation 5ensorsll、 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、l1e
−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が発生ずる光ビームは、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)飄−フミラー36を透過した光ビーム
は、レンズ38を介して、モードフィルタファイバ40
の一端に結合される。
モードフィルタファイバ40の他端から出力された光ビ
ームは、結合レンズ42を介して、非対称X字型4端子
分岐合流素子44の入力端の分岐Iに送られる。非対称
X字型4端子分岐合流素子44で2つに分けられた光ビ
ームは、それぞれ結合レンズ46及び48を介して、光
ファイバ50の両端に結合される。
光ファイバ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LN○素
子(L i N b Osを材料とした素子)のような
位相変調素子54に巻き付けられた光ファイバの位相変
調部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、光ファイバ5oの両端からそれぞれ結合レンズ46
及び48を介して出力されて、非対称X字型4端子分岐
合流素子44により合成され、更に、結合レンズ42を
介してモードフィルタファイバ4゜の他端に結合される
そして、モードフィルタファイバ40を伝搬した光ビー
ムは、ハーフミラ−36で反射されて、レンズ58を介
して、受光朱子6o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ω、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ω1を受ける位相変調素子駆動
回路68により角周波数ω1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ω7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、モードフィルタファイバ40の一端に結合
される。モードフィルタファイバ40を伝搬した光は、
非対称X字型4端子分岐合流素子44で2つに分けられ
、それぞれ結合レンズ46及び48を介して、光ファイ
バ50の両☆;11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結合レンズ46及び48
を介して出力されて、非対称X字型4端子分岐合流素子
44により合成され、更に、しンズ42を介してモード
フィルタファイバ40の他端に結合される。そして、モ
ードフィルタファイバ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6
0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 c wは、上記
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 e CW及び
光ファイバ50を右回りに伝搬した光の振幅E cwは
次のように表される。
E c c w ” E + S l n ((n を
十△θ/ 2 +bsin(ω、t+φ/2))E c
 w ” E 2 S l n (ωt−△θ/ 2 
+ bsin(ω1t−φ/2))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(八〇、1)は、次
のように表される。
=DC成分 φ + 2 E + E2 J + (2bsin−)co
s ω、t−5in△θφ −2EI E2 J2(2bsin−)cos 2 t
nffit−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ω□で同
期検波すると、その検波で(Bれる出力V(]は Vo =C5in△θ =C5in(4πI−aΩ/C/り−・(/1.)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ω。
成分の振幅から回転角速度に比例する量△θを示ず電気
信号を出力する。
以上述べたように、本発明を実施した位相変調方式光フ
ァイバジャイロは、センザコイルの両端からハーフミラ
−のようなビームスプリッタを介してモードフィルタフ
ァイバに入射する際、半減していた伝搬光量の損失を、
上記の非対称X字型4端子分岐合流素子を使用すること
により解消する。
従って、光ファイバジャイロにおいて、伝搬光の光量損
失による検出感度の劣化を防止することができ、最小検
出角速度の向上、ずなわぢ高感度を確保することができ
る。
3と明の効果 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、伝搬光の光量損失を防止して高感度を確
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S統図である。 第2図は、光ファイバジャイロの原理を説明する基本構
成図である。 第3図は、非対称X字型4端子分岐合流素子の構成を説
明する基本構成図である。 第4図は、非対称X字型4端子分岐合流素子の基本的動
作を示した図である。第4−a図は、対行側の一方の導
波路に光波が人力された場合、第4−、 b図は非対称
側に同位相の光波が人力された場合の動作をそれぞれ示
す。 第5図は、従来の光ファイバジャイロの原理を図解する
光学系統図である。 第6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
、)6・・モートフィルタファイバ、 18・・光ファイバ、20・・センザコイル、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・・モードフィルタファイバ、 44・・非対称X字型4端子分岐合流素子、5D・・光
ファイバ、52・・センザコイル、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、 特許出願人 工業技術院長 等 々 力 達区    
     区 /′v5+ @        韓

Claims (2)

    【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、上
    記発光素子からの出射光を上記センサコイルの両端に結
    合するための分岐素子として、位相定数の等しい対称な
    導波路構造を有する2つの入力端と該入力端導波路の位
    相定数より一方の位相定数が大きくもう一方の位相定数
    が小さい非対称な導波路構造を有する2つの出力端から
    なる非対称X字型4端子分岐合流素子を備えることを特
    徴とする光ファイバジャイロ。
  2. (2)前記発光素子と前記受光素子は、第2の分岐素子
    を介してモードフィルタの一端に結合されており、該モ
    ードフィルタの他端が前記非対称X字型4端子分岐合流
    素子の入力端の一方に結合されていることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の光ファイバジャイロ。
JP8217686A 1986-04-11 1986-04-11 光フアイバジヤイロ Pending JPS62239016A (ja)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58202406A (ja) * 1982-05-20 1983-11-25 Masayuki Izutsu 導波形光ビ−ム・スプリツタ
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