JPS63106519A - 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により構成されたジャイロに関し、
飛翔体や四ボットの姿勢制御等に用いて好適なるもので
ある。

〈従来の技術〉 複屈折ファイバを用いた従来の光ファイバジャイロの構
成を第８図に示す。第８図で、レーザ１からの出射光は
レンズ２で平行光にされ、バルク偏光子４で複屈折ファ
イバ７の主軸方向に偏光した直線偏光となり、レンズ５
でファイバに入射される。ファイバに入射すした光は、
３　ｄＢ光結合器６で一対一に２等分されファイバコイ
ル７を右回りに伝搬する光と左回りに伝搬する光に分け
られろ。ファイバコイルを右回りと左回りに伝東した光
は、３　ｄＢ光結合器６で再び合波されレンズ５、偏光
子４を通過した後、八−フミラー３で反射されてレンズ
１０を通過した後に光検出器９に入る。光検出器９は、
光ファイバ内を右回りに伝搬した光と、左回りに伝搬し
た光との干渉光強度に比例した光電流を生ずる。

光ファイバジャイロでは、光ファイバの回転に応じて１
光ファイバ内を左右両回りに伝搬する光の光路長に差が
生じる。この様な現象はＳａｇｎａｃ効果として知られ
ておりＥ、　Ｊ、　Ｐｏ５ｔ″ＳａｇｎｉｅＥｆｆｅｃ
ｔ″Ｒａｖ、　ｏｆ　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｐｈｙｓ、　ｖｏ
ｌ、　３９−２．　Ｐ、　４７５−４９３　（１９８７
）に詳細に記述されている。左右両回り光の光路差に対
応して両回り光の間に位相差ψが生ずる。

ψ＝４ｒ）し−Ω 、。　　　　　　　　　　　（１） ここで、λは真空中の光源の波長、Ｃは真空中の光速度
、Ｒは光ファイバコイルの半径、Ｌは光ファイバコイル
の長さ、Ωは回転角速度である。従って、光検出器から
の光電流出力Ｉは、この位相差ψによって第９図に示す
様に、 １　ｏｃ　１　＋ｃｓｏ　ｆ　　　　　　　　　　　　
（２１となる。このため、光電流出力の変化を読み取る
ことにより、回転角速度Ωを検出できることになる。た
だし、式（２）の場合には微小回転（ψ（１）の場合に
出力Ｉがほぼ一定値となり回転検出が不可能となるため
に、第８図に示す様にＰＺＴ振動子８にファイバを巻き
付け、ＰＺＴ振動子に交流電圧を加えてファイバ中に伝
搬する光に位相変調を加える。いま、ＰＺＴに印加する
交流電圧の角周波数をω□、位相変調度をｒ、とすると
光検出器の出力電流Ｉ　（ｔｌは Ｈｔｔｌ＋慟〔ψ＋ψＪ幼（ω、ｔ）〕；１＋（ト）ψ
（ト）〔ψ、、ｌ（ト）（町ｔ）〕−幽ψ癲〔へ輿（ω
１ｔ）〕＝１＋慟ψ　（Ｊｏ（ψ、）＋２Ｊ、（ψ、）
（ト）（２ω、１）＋・・・）＋幽ψ（２Ｊ、（ψ１）
癲（ω、１）＋・・・）（３）となる。ただし、Ｊｏ、
　Ｊｌ、　Ｊ、はベッセル関数である。Ｉ　（ｔｌの角
周波数成分の中で、礼の成分を同期検波することにより
出力 １１ｃＣ癲ψ・２Ｊ、（９ｍ）　　　　　　　　［４）
が得られろ。微少回転ψくく１の場合式（４）はＩ、ｏ
ｃψ・２　Ｊ、　（ψ、　）　　　　　　　　　（５１
となり回転角速度に比例した出力が得られる。

ここで、従来より第８図に示したハーフミラ−３及び偏
光子４を光ファイバで構成した３　ｄＢ結合器及び偏光
子で置換えた光ファイバジャイロが知られている。しか
しながら、ファイバコイル７として単一モード光ファイ
バ（意図的に複屈折を生じさせない光ファイバ）を用い
る場合には、振動や温度変化によって光の偏波状態が変
化してジャイロの性能が低下してしまうため、光源１か
ら出射された可干渉性の有る光をデポラライズ（ｍ波解
消或いは可干渉性解消）し、振動や温度変化等の外乱が
加わっても干渉性の雑音が生じないようにする必要があ
る。このため、偏波解消器を光源１と３　ｄＢ結合器３
との間に介装する必要があり、従来では第１０図に示す
ような一対の複屈折光ファイバ１１，１２をそれらの主
軸Ｘ、Ｙを４５度ずらせて接続して成る偏波解消器を用
いていた。尚、第１０図中、１３はコア、１４はコ１１
３に応力を加えて導波路に複屈折を生じさせる応力付与
層である。

〈発明が解決しようとする間理点〉 単一モード光ファイバから構成した光ファイバジャイロ
に、第１０図に示したように複屈折光ファイバから成る
偏波解消器を介装すには、これら性質の異なる光ファイ
バを融着接続させなければならない。このため、接続部
の機械的強度が低下し、また、接続部に保護部材を設け
る場合には光ファイバジャイロが大型化してしまうとい
う問題があった。

本発明は上記従来の事情に鑑みなされたもので、偏波ｍ
消器も単一モード光ファイバにより構成して光ファイバ
の融着接続部を無くし、小型にして機械的強度の高い光
ファイバシャイ四を提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 本発明の光ファイバジャイ胃は、光源と、光源からの光
の可干渉性を解消する偏波解消器と、偏波解消器からの
光を一対一に分岐する第１結合器と、第１結合器により
二分された光が両端から入射される光ファイバコイルと
、光ファイバコイルの両端から出射された光を検出器に
導びく第２結合器とを備え、回転する系に置かれた光フ
ァイバコイルに回転方向と同方向に伝搬する光と回転方
向と逆方向に伝搬する光とを入射し、これら光の実効的
光路長差が回転角速度に比例することを利用して当該回
転角速度を検出する光ファイバジャイロにおいて、第１
結合器と第２結合器と光ファイバコイルとを単一モード
光ファイバから構成すると共に、偏波解消器を単一モー
ド光ファイバから成る第１コイルと第２コイルとにより
構成し、第１コイルの中心と第２コイルの中心とを互い
に４５度傾けて設定すると共に、第１：Ｉイルによる波
束のずれが光源光の可干渉距離より大きく且つ第２コイ
ルによる波束のずれが第１コイルによる波束のずれの２
倍以上となるよう第１コイルと第２コイルとの巻数、直
径及び光ファイバ径を設定したことを特徴とする。

〈作　　　用〉 光ファイバジャイロを単一モード光ファイバで構成する
に際し、偏波解消器も単一モート光ファイバで構成し、
光ファイバジャイロを融着接続部の無い小型且つ機械的
強度の高いものとする。

く実　施　例〉 第１図は本発明の一実施例に係る光ファイバジャイロを
表す構成図である。図中、１６は光源としてのレーザ、
１７及び１８は偏波解消器１９を構成する第１コイル及
び第２コイル、２０及び２１はそれぞれ３ｄＢ結合器、
２２は回転検出用の光ファイバコイル、２３はＰＺＴ振
動子、２４は光検出器であり、偏波解消器１９．３　ｄ
Ｂ結合器２０，２１、光ファイバコイル２２、ＰＺＴ振
動子２３は単一モード光ファイバからなる連続した糸路
２５中に配設されている。

３　ｄＢ結合器２０．２１は共に、２本の単一モード光
ファイバを平行に配してその一部を加熱延伸して作製し
たものであり、光を１＝　１の強度比で分割する。

また、検出対象である回転する系（図示せず）に置かれ
る光ファイバコイル２２も単一モード光ファイバから構
成され、また、ＰＺＴ振動子２３も単一モード光ファイ
バを巻付けて構成されている。

そして、光ファイバコイル２２を単一モード光ファイバ
で構成した場合に前述したようにレーザ１６から出射さ
れた可干渉性の有る光をデポラライズしてジャイロの性
能低下を防止するために、レーザ１６と３　ｄＢ結合器
２０との間に偏波解消器１９が介装されている。偏波解
消器１９を構成している第１コイル１７、第２コイル１
８は共に単一モード光ファイバから構成されており、そ
れぞれ所定の巻数、直径及び光ファイバ径を有する第１
コイル１７と第２フイル１８とによりレーザ１６からの
光がデポラライズされ、これによって光ファイバジャイ
ロによる安定した回転角速度検出を実現する。

従って、レーザ１６から出射された光は、偏波解消器１
９でデボラライズされた後、３ｄＢ結合器２１で一対一
に２等分されて光ファイバコイル２２にその両端からそ
れぞれ入射し、光ファイバコイルに回転方向と同方向に
伝搬した光とその逆方向に伝搬した光とが３　ｄＢ結合
器２０で再び合波されて光検出器２４に入り、光ファイ
バコイル２２を置いた系の回転角速度が検出される。

上記第１コイル１７、第２フイル１８の設定条件及び作
用を以下に説明する。第２図に示すように、第１コイル
１７と第２コイル１８とはその中心（主軸Ｙ、、Ｙ２に
相当）を互いに４５度傾けて設定されている。そして、
各コイル１７，１８の直径２Ｒ１，２Ｒ２、巻数Ｎ、。

Ｎ２、光ファイバの外径２ｂ、、２ｂ２は、第１コイル
１７による波束のずれがレーザ１６の光の可干渉距離よ
り大きく且つ第２コイル１８による波束のずれが第１コ
イル１７による波束のずれの２倍以上となるよう設定さ
れており、２ｂ！＝２　ｂ２＝２　ｂとした場合にはこ
のようなコイル１７，１８の条件は次のような理由によ
り設定されろ。第３囚人（Ｂ）に示すように、外径２ｂ
の光ファイバ２Ｙが曲げ半径Ｒで曲げられているときＥ
をヤング率として、光ファイバ内の各軸方向での応力σ
８．σ２．σ、は次式で与えられる。

σ、＝−！−Ｔ　（Ｘ”−ｂ２）　　　　　　　＋６）
　Ｒ σ　　＝　Ｏ（７） σ　＝　−Ｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（Ｓ）Ｒ また、Ｘ軸及びＹ軸（コイルの中心軸）方向に偏波した
直線偏波モード間の伝搬定数差Δβ６１ＥＮＯは、 Δβ１１Ｐ−Ｎ　Ｏ””　（ｎｗ　　”　ｙ　）で与え
られる。但し、ｋ　（＝２π／λ：　λは波長）は波数
、ｎはコアの屈折率、Ｐ１□、Ｐ工、はポッケルス係数
、νはポアソン比であり、代表的にはｎ＝１．４５、Ｐ
、１＝０．１２１、Ｐ□２＝　０．２７０　、Ｅ＝　７
８３０　（ｋｇ／−）　、ν＝０．１８６である。尚、
単一モード光ファイバのコア径は外径に較べて十分小さ
いので、コア内の光が感じろ応力は式（６）で＋　ｘ　
＋　＜＜　ｂとおいて、となる。そして、式（９）に上
記数値を代入すると、曲げによって生ずる複屈折率Ｂ−
８゜は、＝−０，１３５（−Ｈ）　　　　　　　　　　
（ｌυと表される。また、偏波モード分散τＰ（Ｘ。

Ｙ偏波モード間の遅延時間差）は、Ｂ８！ＪｉＱを用い
て、 と表される。これより、第１コイル１７によろ両側波モ
ードの波束のずれΔ１．は、Δｊ１＝Ｃｌ　ｒｐｌ　−
２ｇＲ，Ｎ。

である。この第１コイル１７による波束のずれΔ１１が
レーザ１６の光の可干渉距離ζより大きければレーザ光
の可干渉性を解消できるので、波数に等が上記値の場合
には、 なる条件を満足するように馬及びＮ１を設定すれば良い
。更にここで、第１コイル１７の主軸方向（ｘ、、ｙ１
軸方向）に偏波した直線偏光が入射した場合には、光は
直線偏光のまま第１コイル１７を通過してしまい、可干
渉性が解消されない。このため、あらゆる入射状態の光
の可干渉性を解消するためには、第１０図に示したよう
に、第１コイル１７に対して４５度傾き且つ第１コイル
１７による波束のずれΔｉ、の２倍以上の波束のずれΔ
１２を有する第２コイル１８を設ける必要がある。

すなわち、第２コイル１８による波束のずれへ１２は、 でなければならない。従って、式（１勇四より、なる条
件が第１コイル１７のＲ，、Ｎ１と第２コイル１８のＲ
２，Ｎ２との間で満足されなければならない。尚、式（
１１は第１コイルの光ファイバ外径と第２コイルの光フ
ァイバ外径とが異なる場合には、これら外径の関係も含
まれることとなるが、本発明のように機械的強度向上を
期する場合にはこれら光ファイバ外径は等しくしておく
のが好ましい。尚また、第１コイル１７と第２コイル１
８との相対的傾きは４５度としておくのが好ましいが、
実用上支障のない範囲でこの傾き角は変更可能である。

また、第１コイル１７を通過した波束が第２コイル１８
を通過することにより重なり合わないようにするため、
２Δｊ１≦Δ１２なる条件が必要であるが、どの程度の
倍率に設定するかは上記機能を達成する範囲で適宜設定
される。

第４図は、比屈折率差Δ＝０．５５％、コア径２　ａ　
＝　５．０μｍ、　７アイバ外径２ｂ＝１２５μｍの単
一モード光ファイバで種々の直径Ｒのコイルを作り、波
長λ＝１．３μｍの光を入射してそのコイルの複屈折率
Ｂ５．：Ｎｏ及び偏波モード分散τ２を測定した結果で
ある。図中、実線は式（９）及び（ロ）で与えられる理
論値であり、図中にプロットした測定結果は理論値に良
く一致していることが判る。そして、Ｒ，＝Ｒ２＝２．
３鴫とし、Ｎ、＝２１（回）、Ｎ２＝４２（回）とする
と、式［１１及び第４図から、 ｌ　Ｂ、Ｉ！Ｎｏｌ　＝　Ｉ　Ｘ　１０−’　　　　　
　　　（１ηであるので、第１コイル１７及び第２コイ
ル１８による波束のずれは、 ΔＩ　＝　３０．３　（μｍ）　　　　　　　　　Ｑｌ
Δｊ＝６０．６（μｍ）　　　　　　　　α匂である。

第５図中のＡは、第１コイル１７と第２コイル１８の中
心軸（第２図中の主軸Ｙ、とＹ２）を互いに４５度傾け
た場合の偏波状態を示している。尚、測定は、光源とし
て可干渉距離！。＝２５μｍの半導体レーザ（波長１．
３μｍ１スペクトル輻Δλ＝７０ｍ）を用い、とのレー
ザ光を第２図に示した偏波解消器１９に入射し、出射光
を偏光子を通して測定した。一方、第５図中のＢは、レ
ーザ光を直接偏光子を通して測定したものであや、偏波
方向によって強度の変化があることが判る。すなわち、
偏波解消器１９を通した光は偏光子の方向に係わらず光
強度が一定であり、はぼ完全に偏波（可干渉性）が解消
されていることが判る。

第６図は、第１図に示した光ファイバジャイロの回転検
出用光ファイバコイル２２の中心軸を東西方向に向けた
場合（地球の自転による回転が零の条件）のジャイロ出
力のゼロ点変動を示す。これによれば、雑音による出力
変動は３０分の測定で０．１度以内であり、これから最
小検出感度は０．１度／ｈｒ程度の高性能な光ファイバ
ジャイロが実現されることが判る。尚、第１図に示した
光ファイバジャイロは、連続な単一モード光ファイバを
用いて光ファイバ同志の融着接続点が無いために機械的
強度が高く、小形化や量産性に優れ　鴫でいる。

尚、偏波解消器や回転検出用の光ファイバコイルを構成
する光ファイバとして、比屈折率差の大きい単一モード
光ファイバを使用すれば、コイル直径を小さくしても曲
げ損失が増加しないので小形化に適している＝第７図は
、Δ＝０．９％、コア径２ａ　＝　４．０ｐｍ　、Δ＝
１．９％、コア径２ｍ＝２．３μｍ及びΔ＝２．９％、
コア径２ａ±２．３μｍの単一モード光ファイバの曲げ
損失特性を曲げ半径Ｒ＝３ｍφとして分光測定により得
た結果である。但し、λ。は単一モードとなるカットオ
フ波長、λは測定波長である。通常、レーザの波長λと
カットオフ波長λ。の関係は １．０５≦λ／λ。≦１．２　　　　　０！１程度であ
るので、単一モード光ファイバの比屈折率差Δが１％息
上であれば、曲げ損失を増加させずに偏波解消器や回転
検出用光ファイバコイルを小径化出来ることが判る。

（発明の効果〉 本発明によれば、光ファイバジャイロを光ファイバ接続
部を形成することなく単一モード光ファイバにより構成
することができ、小型且つ機械的外乱に強い、長期的に
安定した性能を有する光ファイバジャイロを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る光ファイバジャイロの
全体構成図、第２図はその偏波解消器の構成図、第３図
囚β）はそれぞれ光ファイバの曲げ応力の説明図、第４
図は曲げ複屈折率と偏波モード分散の曲げ半径依存性を
表すグラフ、第５図は偏波解消器の作用を説明するグラ
フ、第６図は光ファイバジャイロの零点変動を表すグラ
フ、第７図は単一モード光ファイバの曲げ損失特性を表
すグラフ、第８図は従来の光ファイバジャイロの全体構
成図、第９図は光検出器の出力を表すグラフ、第１０図
は従来の偏波解消器を分離させた状態で表す構成図であ
る。 図面中、 １６はレーザ、 １７は第１コイル、 １８は第２コイル、 １９は偏波解消器、 ２０は３　ｄＢ結合器、 ２１１よ３　ｄＢ結合器、 ２２は光ファイバコイル、 ２４は光検出器である。 特　　許　　出　　願　　人 日本電信電話株式会社 代　　　　理　　　　人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源と、光源からの光の可干渉性を解消する偏波解消器
   と、偏波解消器からの光を一対一に分岐する第１結合器
   と、第１結合器により二分された光が両端から入射され
   る光ファイバコイルと、光ファイバコイルの両端から出
   射された光を検出器に導びく第２結合器とを備え、回転
   する系に置かれた光ファイバコイルに回転方向と同方向
   に伝搬する光と回転方向と逆方向に伝搬する光とを入射
   し、これら光の実効的光路長差が回転角速度に比例する
   ことを利用して当該回転角速度を検出する光ファイバジ
   ャイロにおいて、第１結合器と第２結合器と光ファイバ
   コイルとを単一モード光ファイバから構成すると共に、
   偏波解消器を単一モード光ファイバから成る第１コイル
   と第２コイルとにより構成し、第１コイルの中心と第２
   コイルの中心とを互いに４５度傾けて設定すると共に、
   第１コイルによる波束のずれが光源光の可干渉距離より
   大きく且つ第２コイルによる波束のずれが第１コイルに
   よる波束のずれの２倍以上となるよう第１コイルと第２
   コイルとの巻数、直径及び光ファイバ径を設定したこと
   を特徴とする光ファイバジャイロ。