JPS63108221A - ３軸フアイバーオプテイツクスリング干渉計 - 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】 ｌ監へ１１ 本発明は、三つの軸、好適には直交する三つの軸に沿っ
て検知を行うための３軸ファイバーオプテイツクス干渉
計に関する。従って装置は、方向が未知であって光ビー
ムの伝播に影響しやすい障害について、三つの軸に沿っ
て三つの要素の測定を行う。

良法！」１桁 従来の技術の干渉計は主として、通常レーザーから成る
光エネルギー源と、一定の数の鏡又は平らなコイルに巻
かれたファイバーから成って導波管を形成する光学装置
と、光分解及び混合装置と、検知信号を検知及び処理す
るための装置とから成る。

これらの干渉計においては、光分解装置から出て、同じ
光経路を反対の方向に進行する二つの波が存在すること
が知られている。

リング干渉計の基本的な性質は、次に記述する相反の性
質である。即ち、何らかの光経路の障害が、二つの波が
この障害に同じ方向では出会わないことにも拘わらず、
二つの波に同様に影響する。

しかしながら、相反性に影響を与える二種類の障害があ
る。

この二種類の障害の一つは、波が干渉計の光経路に沿っ
て伝播するのに要する時間に比較し得る周期に合わせて
変化する。もう一つは、光経路に、沿っていずれの方向
に伝播するかによって、波に異なる影響を与える所謂ｒ
非相反１障害である。考えられる影響とは、波が伝播す
る媒体の対称性を壊す物理的影響である。

公知の影響は二番目の種類の障害で、 −それによって磁界が光学材料に選択的電子スピン配向
を生じるファラデー効果または同一直線上磁気光学効果
と、 一慣性空間に関する干渉計の循環が伝播時間の対称性を
壊すサグナック効果（ｔｈｅ　Ｓａｇｎａｃ　ｅｆｆｅ
ｃｔ）又は相対論的慣性効果であり、この影響は、特に
ジャイロメーターの構成に都合よく使用される。

ｒ非相反性」障害が発生しなければ、光経路に沿って進
行した後に光分解及び混合装置の中で再結合する二つの
波の間の位相差はゼロである。検知処理装置は再結合し
て得られた合成波の光の強度を表す信号を検知する。

測定されるべき障害の方向が未知の場合にこの障害の値
を測定し且つ方向を決定するためには、従来の技術によ
れば多数の方向の測定を行ない他に多数の干渉計を使用
する必要がある。

本発明による干渉計は、唯一つの光源と、単一の検知器
と、Ｔ字型結合子、位相変調器及び偏光子から成る単一
の集積光学回路とを利用したファイバー干渉計中の三つ
の異なる軸の連続した多重送信を備える点で、従来の技
術とは相違している。

この設計概念は電気的結合システムを低減し、従って更
に小型化したアセンブリとなる。

免艶匹」４ こうして本発明は、第一軸に沿って設置されて第一リン
グを形成する第一単モード光ファイバーと、予め決めら
れた波長を持つコヒーレントな光エネルギーの放射手段
と、放射されたコヒーレントな光エネルギーが第一単モ
ード光ファイバーの第一及び第二端部に同時に且つ等し
い割合で方向付けられ、前記第一単モード光ファイバー
の二つの端部から出た放射線が干渉放射線の形態に再結
合され、且つ前記干渉放射線が干渉光検知器に更に伝送
されるための放射線を分解及び混合する第一手段とから
成るファイバーオプティックス干渉計に関しており、フ
ァイバーオプティックス干渉計が、更に、 一第二軸に沿って設置されて第二リングを形成し且つ第
一端部及び第二端部を有する第二単モード光ファイバー
と、 一一方では、第一ファイバー内を第一方向に進行する放
射線の一部分が第二ファイバーの第一端部で受取られ、
且つもう一方では第一方向とは反対の方向に移動する放
射線の一部分が第二ファイバーの第二端部で受取られて
、該放射線の部分が第二ファイバーを通過した後に第一
ファイバーに再伝送されるように、第二ファイバーの前
記端部を第一ファイバーの部分に結合するための第一結
合装置と、 一第三軸に沿って設置されて第三リングを形成し且つ第
一端部及び第二端部を有する第三単モード光ファイバー
と、 一第二ファイバー内を第一方向に進行する放射線の一部
分が第三ファイバーの一端で受収られ、且つ第一方向と
は反対の方向に進行する放射線の一部分が第三ファイバ
ーの他の一端で受取られて、該放射線の部分が第三ファ
イバーを通った後に第二ファイバーに再伝送されるよう
に、第三ファイバーの前記端部を第二ファイバーの部分
に結合するための第二結合装置とを包含することを特徴
とする。

１に１ 第１図は、１９８０年１０月１０日付は仏国特許出願第
８０２１６７７号明細書に記載の従来の技術によるリン
グ干渉計の構成を示す概略図である。干渉計の光経路は
、単モード光ファイバーの形態であるが、この器具の中
央部分は通常の光学的部品でできている。

リング入力は半透明平板１５の形態である。光源１０か
ら発生した入射ビーム１９は、半透明平板１４を通って
から半透明平板１５に到達する。半透明平板１５は、入
射ビーム１９の一部分を反射し、レンズ１６によって焦
点に集めた後に光ファイバー３０の端部２６の中に入れ
、一方では前記ビームの残りの部分を伝送し、レンズ１
７によって焦点に集めた後にファイバー３０の他の一端
２７の中に入れる。

第一ビーム２８は干渉計のリングに沿って一方向に進行
し、一方残りビーム２９は反対の方向に通過する。それ
からこれら二つのビームは半透明平板１５に到達する。

第一ビーム２８は干渉計のアーム２３の中に伝送され、
部分的にアーム２４の中に反射する。同じことが第二ビ
ームに適用される。こうしてこれら二つのビームの二つ
の部分は、アーム２３内で干渉する。

リング内で非相反障害が発生しなければ、戻り経路でア
ーム２３内に受容された二つのビームの干渉が、最大値
の信号を発生させる。

アーム２３内にモードフィルタ（不図示）を設置するこ
とによって、干渉計は厳密に相反となり、且つ単光モー
ドに含まれる波２５によって横切られる。

干渉計の光ループを通過し、且つビーム分解平板１５に
よって再混合した後は、干渉計のアーム２３内で二つの
波の干渉によって得られた光エネルギーの部分は複合モ
ード構造である。非線形現象及び当然のこと非相反現象
が存在しない場合、同じこのモードの出発経路及び戻り
経路の両方に含まれるエネルギーの部分は、光エネルギ
ーの残りについて一次的に独立である。それは、この残
りのエネルギーが存在しないかのようであり、且つ装置
の厳密な相反性を確実にするために必要且つ充分な均一
モードの状態が満足される。

このように、ファイバーを通って反対方向に進行した二
つのビームは、それから半透明平板１５を通って干渉計
のアーム２３の中に戻って、半透明平板１４によって入
射ビーム１９から分割される。半透明平板１４が、アー
ム２０の中にビームの一部分を送り込み、その中で干渉
信号が検知器１２によって検知される。

第２図では、システムは、例えば′ｊＡ積光学の分野の
技術によって製造された部品で構成される。

この図では、両方のシステムで同じ機能を果たす部品は
、同じ番号で示す。従って、光源１０、干渉計のリング
３０及び検知器１２がこの図でもやはり示されている。

第１図のビーム分解平板１４は、１９８５年１１月８日
付は仏国特許出願第８５１６６００号明細書に記載のよ
うな分岐Ｔ字型結合子の形態で構成されている。公知の
方法では、第１図のビーム分解平板１５も集積光学技術
において分解器の形態で製造される。第２図の各部品間
の結合もまた、集積光学においてこの分野で公知の導波
管によって製造される。

方向が未知の障害を測定するためには、幾つかの公知の
方向く例えば三つの方向）を測定して、これらの方向の
障害の要素を決定するか又はくいずれも同様といえるが
）、前述したように、既知の方向に配向された多数の干
渉計を準備する必要がある６本発明のシステムは、唯一
っの光源と唯一つの検知器のみを有する単独の装置を用
いて、この種の測定を行うことを可能にする。

第３図に、この種の干渉計の構成の一つ具体例を示す。

この干渉計は、偏光ビームを発する光源１を有する。第
２図の結合子１４のような分岐Ｔ字型結合子２が光導波
管１１を介して前記光ビームを受容する。ビーム分解器
４は光導波管３によって分岐Ｔ字型結合子２に結合され
、光源１によって発せられた光ビームをこのＴ字型結合
子から受容する。

一方で、分岐Ｔ字型結合子２は、ビーム分解器４からの
光放射線の全部または一部を、先導波管６０を介して検
知器６に伝送する。検知器６は分岐Ｔ字型結合子２と直
接係合することもできる。

ビーム分解器４は、光源１からのビームを二つの部分に
分解する。ビームの各部分は、光ファイバー５の端部５
０及び５１に伝送される。こうしてループの形態で示さ
れているファイバー５を、二つの反対の方向に進行する
波Ｐ１及びＰ２が通過する。

ファイバー５の一部分５２は結合装置５．７によって、
これもループの形態で表されたファイバー７の二つの端
部フ０及び７１に結合される。この結合は、端部５０か
らの光波Ｐ１がファイバー７の端部７０に結合されるよ
うに行なわれる。故に光波Ｐ１の一部分ｘＰ１が、ファ
イバー７に伝送されて、図に示したようにファイバー７
に沿って進行する。残りの部分（１−ｘ）Ｐｉ（不図示
）はファイバー５中をファイバーの端部５１へ向かって
進行を続ける。

結合装置５．７は、ファイバーの端部５１から出た光波
Ｐ２をファイバー７の端部７１に結合することもできる
。光波Ｐ２の一部分ｘＰ２が、ファイバー７に伝送され
て、図に示したようにファイバー７に沿って進行する。

残りの部分（１−ｘ）Ｐ２（不図示）はファイバー５中
をファイバーの端部５０の方へと進行を続ける。

ファイバー７の一部分７２は、結合装置７．８によって
、やはりループの形態で表されたファイバー８の二つの
端部８０及び８１に同様に結合される。この結合は、波
ｘＰｌの一部分ｘｙＰ１がファイバー８に伝送されて、
第３図に示したようにファイバー８に沿って進行するよ
うに行なわれる。波ｘＰ１の残りの部分（１−ｙ）ｘＰ
ｌは、ファイバー７中をファイバ一端部７１に向かって
進行を続ける。

装置７．８の結合によって、波ｘＰ２の一部分ｘｙＰ２
がファイバー８に伝送されて、第３図に示したようにフ
ァイバー８に沿って進行する。波ｘＰ２の残りの部分＜
１−ｙ）にＰ２は、ファイバー７中をファイバ一端部７
０に向かって進行を続ける。

波の部分（１−ｙ）ｘＰｌ及び（１−ｙ）ｘＰ２は、そ
れぞれファイバ一端部７１及び７０に到達し、結合装置
５．７によってファイバー５に結合される。これら波の
部分は、ファイバー５を通ってファイバ一端部５０及び
５１に再伝送される。

ファイバー８を通過した後に、波の部分ｘｙＰ１及びｘ
ｙＰ２は、それぞれファイバ一端部８１及び８０に到達
して、ファイバー７に結合される。これら波の部分は、
ファイバー７に再伝送されて、ファイバー７に沿ってフ
ァイバ一端部７０及び７１まで進行し、端部７０及び７
１で結合装置５．７が、前記波の部分をファイバー５を
通して端部５０及び５１にやはり伝送する。

従って、ビーム分解器４は、各戻り波を受容して、それ
を分岐Ｔ字型結合子２に再伝送し、Ｔ字型結合子２はそ
れを検知器６に再伝送する。

第３図では、結合装置５．７及び７．８が、それぞれ単
独の部品として表している。しかし本発明の好適具体例
では、それぞれ装置５．７は装置５．７０及び５，７１
着から成り、装置７．８０は装置７．８０及び７．８１
から成る。、これらの結合器は、例えば１９８０年１０
月１０日付けの仏国特許出願第８０２１６７７号明細書
に記載の集積製造方法のような公知の方法による構造で
ある。

第３図及び第４図では、図を明解にするために、三つの
ファイバー５．７．８を同一平面に表している。しかし
幾つかの方向で障害の要素を測定するための配置として
は、ファイバーは異なる平面上に設置されねばならない
。例えば第５図に示したように、本発明の好適具体例で
は、それぞれ平面ｚｏｙ、　ｘＯｙ、及びｘＯｚ上にフ
ァイバーループ５．７．８を設置している。

ファイバーループ５．７．８は、相互に直交する軸Ｘ−
Ｘ’、Ｙ−Ｙ’、ｚ−ｚ’に沿って障害要素を測定する
ことを可能にする。

ファイバーループ５．７．８は、小さい容積で充分な長
さ分持つようにコイル状に配置される。

コイルの長さを同じにして、且つｔをコイル内の伝播時
間（１μ５７２００メートル）とすると継続時間ｔ、及
び反復周期３ｔを持つゲートを用いて光源１の照度を変
調することによって、異なる経路を通った光が異なる時
点に戻ってきて、従って各コイルを循環することによっ
て生じた信号を連続して且つ調子を合わせて多重化する
ことが可能である。

第６図に光源１から発した光信号ＥＮを示す、この信号
は継続時間を及び反復周期３ｔを有する。

上述したように、光源１から発せられた光波はファイバ
ー５の両端部５０及び５１に伝送されて、ファイバー５
のみか、ファイバー５及びファイバー７か、または三つ
のファイバー５．７及び８全てを通って、少なくとも一
部分は戻ってくる。

ファイバー５のみを通った後の受取り信号をラインＳＯ
５で示す、実際、ラインＳＯ５の信号は、ファイバー５
を通って反対方向に循環した波の干渉を表す、ファイバ
ー５内の伝播時間は、信号ＥＮの継続時間に等しい継続
時間ｔを持つので、信号ＳＯ５は信号ＥＮに対して時間
隔ｔだけ変位している。

ファイバー５及び７を通った後の受取り信号をラインＳ
Ｏ５，７で示す、この信号は、ファイバー５及び７を通
って反対方向に循環した波の干渉を表し、そして信号Ｅ
Ｎに対して時間隔２ｔだけ変位している。

最後に、ファイバー５．７及び８を通った後の受取り信
号をラインＳＯ５，７，８で示すが、それはファイバー
５．７及び８を通って反対方向に循環した波の干渉を表
す。この信号は、信号ＥＮに対して時間隔３ｔたけ変位
している。

１９８４年６月１４日付は仏国特許出願第８４０９３１
１号明細書は、位相ランプシステム（ｐｈａｓｅ−ｒａ
ｍｐｓｙｓｔｅｍ）によってリング干渉計の位相変化を
測定するための装置を開示している。このシステムを使
用すると、信号Ｓ０５、ＳＯ５，７、ＳＯ５，７，８を
受信する検知器６は、位相ランプを測定し得る。

このことから、二乗法則検波位相変調は周期６ｔを有し
て、入光直前に行なわれる切替が、三重干渉計にバイア
スをかける。

第７図では、第６図の信号ＥＮと、周期６ｔを有する変
調信号ＭＯＤＩを示す。

車軸ジャイロメーターでは、周期２Ｌを有する位相変調
を得た循環信号を第８図に示す。

本発明によれば、三つのファイバーの信号は、第９図の
信号ＭＯＤ２によって表された信号のような周期６ｔを
有する信号によって変調されて、ファイバーを通過した
後に得られた信号は、第９図のラインＤＥＴで示される
。このラインＤＥＴ上で、ファイバー５のみを通った信
号を連続ラインで表し、ファイバー５及び７を通った信
号を一組の点で、ファイバー５．７及び８を通った信号
を長い破線で表す。

仏国特許出願第８４０９３１１号明細書に記載のディジ
タル位相ランプ帰還の方法も尚有効である。変調と同期
するランプは、経路５の場合にはコイル５の循環を補償
し、しかも経路５＋７及び５＋７＋６８の場合も同様で
ある。時間隔ｔだけ遅延したランプは、経路５＋７及び
５＋７＋８についてコイル７を補償する。時間隔２ｔだ
け遅延したランプは、経路５＋７＋８についてコイル８
を補償する。

具体例によって、第１０図は、時間隔ｔだけ遅延する第
二ランプの場合を示す、このランプは、このランプが位
相変化を起こした時に光がないので、コイル５の経路に
何も作用しない、一方、前記ランプはコイル５＋７及び
５＋７＋８の経路に作用する。

光放射力の視点から言えば、システムはファイバー５と
７との間の結合器が三分の一伝送されて、三分の二結合
され、且つファイバー７と８との間の結合器が三分の−
づつ伝送及び結合される時が最適である。光放射力のた
った部分の−のみが各経路から戻ってくるが、コイル及
び接続器にその他の損失を考慮することがないならば、
それは単軸ジャイロメーター内で利用可能なことである
。

システムは光量子ノイズで制限されるので、従って信号
のノイズに対する比は、三分の一に低減される。

電磁気放射及び接地ループ問題を回避するために、分岐
Ｔ字型結合子から得られた光信号は、この信号を電気処
理回路の構成要素の一部を形成する検知器に伝送する多
重モードファイバーに結合され得る。

最後に、本発明の好適具体例では、結合器５．７０．５
．７１．５．８０．５．８１はコイル５及び７の中央に
設置されて、例えば温度変化等のいかなる欠陥の発生を
も防止して温度の対称性を保っている。

上記説明は具体例にすぎないことは明らかである０本発
明の主旨又は思想から離れずとも、構造の別の例がある
ことが考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の技術による干渉計の構造の一つの具体例
の図、第２図は従来の技術による干渉計の構造の別の具
体例の図、第３図は本発明による干渉計の構造の一つの
具体例の図、第４図は本発明による干渉計の構造の別の
具体例の図、第５図は本発明によるファイバーコイルの
配列の一つの具体例の図、第６図から第１０図は本発明
による干渉計の操作を例示した信号の図である。 １．１０・・・光源、２・・・Ｔ字型結合子、３，１１
・・・光導波管、４，１４・・・ビーム分解器、５．７
．８．３０・・・ファイバー、１２・・・検知器、工５
・・・半透明平板、１６．１７・・・レンズ、１８．１
９・・・入射ビーム、２０．２４・・・アーム、２８゜
２９・・・ビーム、２６，２７，５０，５１，７０，７
１，８０．８１・・・ファイバ一端部、５．７，５．７
０，５．７１．７．８，７．８０，７．８１・・・結合
器、Ｐｉ　、　ｘＰｌ　、　ｘｙＰｌ　、　Ｐ２　、　
ｘＰ２　、　ｘｙＰ２−・−光波部分、１−・・継続時
間、３ｔ・・・反復周期。 ζ ９　　　′− 笑　　　　ｑ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一軸に沿って設置されて第一リングを形成する
   第一単モード光ファイバーと、予め決められた波長を持
   つコヒーレントな光エネルギーの放射手段と、放射され
   たコヒーレントな光エネルギーが第一単モード光ファイ
   バーの第一及び第二端部に同時に且つ等しい割合で方向
   付けられ、前記第一単モード光ファイバーの二つの端部
   から出た放射線が干渉放射線の形態に再結合され、且つ
   前記干渉放射線が干渉光検知器に更に伝送されるための
   前記放射線を分解及び混合する第一手段とから成る３軸
   ファイバーオプティックス干渉計であって、該干渉計が
   更に、 −第二軸に沿って設置されて第二リングを形成し且つ第
   一端部及び第二端部を有する第二単モード光ファイバー
   と、 −一方では第一ファイバー内を第一方向に進行する放射
   線の一部分が第二ファイバーの第一端部で受取られ、且
   つもう一方では第一方向とは反対の方向に進行する放射
   線の一部分が第二ファイバーの第二端部で受取られて、
   該放射線の部分が第二ファイバーを通過した後に第一フ
   ァイバーに再伝送されるように、第二ファイバーの前記
   端部を第一ファイバーの部分に結合するための第一結合
   装置と、 −第三軸に沿って設置されて第三リングを形成し且つ第
   一端部及び第二端部を有する第三単モード光ファイバー
   と、 −第二ファイバー内を第一方向に進行する放射線の一部
   分が第三ファイバーの一端で受取られ、且つ第一方向と
   は反対の方向に進行する放射線の一部分が第三ファイバ
   ーの他の一端で受取られて、該放射線の部分が第三ファ
   イバーを通過した後に第二ファイバーに再伝送されるよ
   うに、第三ファイバーの前記端部を第二ファイバーの部
   分に結合するための第二結合装置とを包含するファイバ
   ーオプティックス干渉計。
2. （２）第一軸、第二軸及び第三軸が相互に平行でない特
   許請求の範囲第１項に記載ファイバーオプティックス干
   渉計。
3. （３）第一軸、第二軸及び第三軸が相互に直交する特許
   請求の範囲第１項に記載のファイバーオプティックス干
   渉計。
4. （４）−第一結合装置が、一方では、第二ファイバーの
   第一端部を第一ファイバーに結合する第一結合器であっ
   て、第一伝播方向に伝播する放射線の一部を受取ると共
   に、第二伝播方向で前記第一端部から出る放射線の少な
   くとも一部を第一ファイバーに再伝送する第一結合器と
   、もう一方では、第二ファイバーの第二端部を結合する
   第二結合器であって、第二伝播方向に伝播する放射線の
   一部を受取ると共に、第一伝播方向に沿って伝播して前
   記第二端部から出る放射線を第一ファイバーに再伝送す
   る第二結合器とから成り、 −第二結合装置が、一方では、第三ファイバーの第一端
   部を第二ファイバーに結合する第三結合器であって、第
   一伝播方向から来る放射線の一部を受取って、且つ前記
   第三ファイバーの第一端部から出る放射線を第二ファイ
   バーに再伝送する第三結合器と、もう一方では、第三フ
   ァイバーの第二端部を結合する第四結合器であって、第
   二伝播方向から来る放射線の一部を受取って、且つ前記
   第三ファイバーの第二端部から出る放射線を第二ファイ
   バーに再伝送する第四結合器とから成る特許請求の範囲
   第１項に記載のファイバーオプティックス干渉計。
5. （５）第二ファイバーの各端部に対する第一ファイバー
   の第一結合器及び第二結合器の結合割合が、共にほぼ三
   分の二に等しい特許請求の範囲第４項に記載のファイバ
   ーオプティックス干渉計。
6. （６）第三ファイバーの各端部に対する第二ファイバー
   の第三結合器及び第四結合器の結合割合が、共にほぼ二
   分の一に等しい特許請求の範囲第４項に記載のファイバ
   ーオプティックス干渉計。
7. （７）第一ファイバー、第二ファイバー及び第三ファイ
   バーが同じ長さである特許請求の範囲第１項に記載のフ
   ァイバーオプティックス干渉計。
8. （８）各コイルでの一つの光パルスの伝播時間が予め決
   められた時間であり、光源の強度が前記予め決められた
   時間に等しい継続時間を持つゲートによって変調され、
   且つゲート操作の反復周期が前記予め決められた時間の
   三倍に等しい特許請求の範囲第７項に記載のファイバー
   オプティックス干渉計。
9. （９）干渉光検知装置が、位相変調の周期が前記予め決
   められた時間の六倍に等しい位相変調によって検知する
   ための手段を包含する特許請求の範囲第８項に記載のフ
   ァイバーオプティックス干渉計。
10. （１０）遅延ディジタル位相ランプが閉ループ中のシス
    テムの操作ができる特許請求の範囲第８項に記載のファ
    イバーオプティックス干渉計。