JPS6316218A - 光干渉角速度計及びこれに用いられる位相変調器 - 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」 この発明は例えば光ファイバなどで構成された環状の光
学路に右廻り光と左廻り光とを伝搬させ、それら両光間
に生じた位相の差を検出して光学路に印加された角速度
を計測する光干渉角速度計に関する。

「従来の技術」 第８図は従来の光干渉角速度計の例を示す図である。レ
ーザなどの光源１１からの光１２が光分配結合器１３に
より右廻り光１４と左廻り光１５とに分配され、これら
の光１４．１５は少なくとも一周する光学路１６の両端
に入射され、光学路１６をそれぞれ右廻り、左廻りに通
って光学路１６から出射光１７．１８として出射され、
これら出射光１７．１８は光分配結合器１３により結合
され゛、互いに干渉し、干渉光１９として光電変換回路
２１に受光される。

光学路１６は例えば光ファイバを複数回ループ状に巻い
たもので構成される。光学路１６にその周方向の角速度
が印加されない状態においては出射光１７及び１８の位
相差ははりゼロであるが、光学路１６の軸芯回りに角速
度Ωが印加されると、この角速度によっていわゆるサニ
ヤック効果が生じ、光学路１６を伝搬した出射光１７．
１８の間に位相差Δφ。が生ずる。この位相差Δφ９は
、Δφ。＝（４πＲＬ／ｃλ）・Ω　　・・・・・・（
１１で表される。ここでＲはループ状に構成された光学
路１６の半径、Ｌはループ状に構成された光学路１６の
長さ、λは光源１１の光波長、Ｃは光の速度を示す。ま
た干渉光１９の光強度Ｉ０は１゜ｏｃ　１−ｃｏｓΔφ
９　　　　・・・・・・・・・（２）となる。従って干
渉光１９の強度Ｉ０を測定することにより角速度Ωを検
出すること′ができる。

しかしこの場合、入力角速度が小さい場合には位相差Δ
φ。が小さく　、ｃｏｓΔφΩの変化が僅かなので感度
が極端に低くなる。

このような点から従来より入力感度を最適化するために
、第９図に示すように光学路１６の一端と光分配結合器
１３との間に位相変調器２２を直列に挿入し、変調信号
源２３からの駆動信号ｆ０により互いに逆方向に伝搬す
る光１４．１５を位相変調する方法がとられている。こ
の場合、干渉光の強度Ｉ０は １ｏ＝　Ｃ（１−ｃｏｓΔφ、（ＪＯ（Ｘ）＋２Ｊｚ（
Ｘ　）ｃｏｓ　２ωＪ　’　＋　・、　−、。

＋２Ｊｚ＊（Ｘ　）ｃｏｓ　２　ｍω′ｔ＋・・・・・
・）−ｓｉｎΔφａ　（２Ｊ＋　（Ｘ　）ｓｉｎ　ωｔ
’＋２Ｊｓ（Ｘ）ｓｉｎ　３ωｔ゛＋・・・・・・＋２
Ｊｚ＊−＋（Ｘ）ｓｉｎ（２ｍ−１ン　ω　ｔ’＋−）
）・・・　・・・　・・・（３） となる。

ここで、Ｃ：定数 Ｊｆｉ：ｎ次のベッセル関数＜ｎ＝０．１，２．３．・
−・・・）Ｘ　：　２　Ａｓ１ｎπｆ、ｒ Ａ；変調指数 τ：光学路１６を通る光の伝搬時間 １０８位相変調器２２の駆動周波数 ｔ’：ｔ−τ／２ 式（３）から明らかなように、干渉光１９の強度Ｉ０に
は、ＣＯ３Δφ９に比例する項と、ｓｉｎΔφ。に比例
する項とが含まれている。

これに関する先行技術として、特願昭５９−７０４５２
号に述べられているように、Δφ。が±ｍπ。

（ｍ　＝０．１，２，３．・・・・・・）に対し、約±
π／４の範囲で高感度化するために、光電変換回路２１
の出力を同期検波手段２４において駆動信号Ｂ２３の周
波数２ｆｏを１／２分周器２５で分周した変調信号ｒ０
により同期検波してｓｉｎΔφ。に比例する成分の内、
位相変調器２２の駆動周波数ｆ９と同一成分■、を取り
出し、更にΔφ。が士（２ｍ＋１）・（π／２Ｌ（ｍ　
＝０．Ｌ２．３．・・・・・・）に対し約±π／４の範
囲で高感度化するため、光電変換回路２１の出力を他の
同期ヰ★波手段２６において駆動信号源２３の周波数２
ｆｏにより同ル１検波してｃｏｓΔφ。に比例する成分
の内、位相変ｉＥｒ　２３２２の駆動周波数ｆ０の２倍
波成分■２を取り出している。ここで、 Ｖ＋　　＝に＋Ｊ＋（Ｘ）ｓｉｎΔφｏ　　　”’　”
’　”’　＋４１Ｖ２　＝ＫｚＪｚ（Ｘ）ｃｏｓΔφ、
　　　−−−４５１に＋、Ｋｚ：定数 である。

±ｍπ、（ｍ　＝０．１，２，３．・・・・・・）に対
し：π／４の範囲では、同期検波手段２４の出力■、を
角速度計の出力として取り出すと共に、：＝（２ｍ＋１
）π／２゜（ｍ　＝０．１，２．３．・・・・・・）に
対し±π／４の範囲では他の同期検波手段２６の出力■
２をジャイロ出力として取り出し、■、及び■２の切り
換え回数ｍを計数することで、角速度情報Ωが ４πＲＬ により求められる。

この方法では、広い範囲にわたって高感度に、しかも直
線性良く角速度を測定することができる。

第１０図は他の従来例を示す図で、零位法の光干渉角速
度計の構成例を示す図である。光学路１６への一方の人
出射路に光の周波数を偏移させることができる周波数シ
フタ２７を設け、その周波数シフタ２７により光をΔｆ
だけ周波数偏移させると、右廻り光（ＣＷ）が光学路１
６を周回した後に受ける位相偏移φ。は となる。一方、左廻り光（ＣＣＷ）の受ける位相偏移φ
ｃｃｗは ２πｎＬ φｃｃ１１＃−（１／２）Δφ。＋□ν−−−・−−＋
８ンに こで、ν；光源から出射された光の周波数Δφ。；サグ
ナック効果による位相差 となる。従って、右廻り光と左廻り光との間に牛する位
相差Δφ。は Δφｅ＝φＣ讐−φεＣ讐 ＝Δφ。＋（２πｎＬ／ｃ）Δｆ　・・・・・・・・・
（９）となる。

ｌ！１１ち、１吹成分の同期検波出力■１　は式（４）
からＶ　＋　＝　Ｋ　＋Ｌ（Ｘ）ｓｉｎ（ΔφＯ＋　（
２πｎ　Ｌ　／ｃ）Δｆ）・・・　・・・　・・・　・
・・αω が得られる。

この例では、サグナック効果により位相差Δφ９が生じ
ても、光学路１６の一端に設けた周波数シフタ２７によ
り２つの光の間に位相差Δφ、（＝（２πｎＬ／ｃ）Δ
で）が生ずるようにし、弐〇ｆｌｌに示す位相項、Δφ
。＋（２πｎＬ／ｃ）Δｆが常に零となるよう負帰還回
路を構成した光干渉角速度計である。

即ち・同期検波手段２４の出力は積分器２８で積分され
、その積分出力は電圧制御発振器２９に供給され、電圧
制御発振器２９は積分出力に応じた発振出力Δｒを周波
数シフタ２７に供給する。つまり、この光干渉角速度計
の出力は周波数シフタ２７に加える周波数を監視するこ
とにより光学路１６が受ける角速度Ωを知ることができ
る。即ち、Δφ、　＋　（２πｎ　Ｌ　／Ｃ）Δｆ＝０
式（１）からΔφ９−（４πＲＬ／ｃλ）Ωであり、従
ってΩ＝（ｎλ／２Ｒ）Δｆ　　・・・川α０のように
求めることができる。

「発明が解決しようとする問題点： 光テ渉角速度計における光源１１は光学路１６として用
いられる光フアイバ中の後方レイリー散乱及び光フアイ
バ中の光の偏波変動等により光干渉角速度計の出力が変
動するのを避けるために例えば第１１図へに示すような
シングル縦モードの光源を使わず、例えば第１１図Ｂの
実線に示すような広帯域縦モードの光源を用いている。

しかし、光干渉角速度計の出力は式（６）及び式ａＤに
示されるように、用いられる光の波長λに関係している
。

従って、光干渉角速度計の光源として広帯域縦モードの
光源を使用した場合、その出力は様々な光の波長による
光干渉角速度計の出力を併せたものとなる。

ところで、航空機などに採用されている慣性航法装置（
ＩＮＳ）では使用される角速度計はドリフトとして０．
０１°／Ｈｒ或いはそれ以下で、スケールファクタ安定
性として１０ｐｐｍ或いはそれ以下の性能が要求される
。然るに、広帯域縦モードの光源が出す光の波長はＧａ
　ＡｆＡｓ／Ｇａ　Ａｓ′系の半導体を使ったものでは
約５００ｐｐｍ／”　Ｃの温度係数を持ち、温度コント
ロールにより±０．１°Ｃの精度に維持しても、高精度
角速度計（ジャイロ）に要求される入出力のスケ−シフ
１クタ安定性１０ｐｐ＋＋＋以下を得ることは難しい。

また、シングルモード光源の波長を一定に保つために使
用されるファプリペロー干渉計を広帯域縦モード光源の
波長を一定に保ために使用したとしても、広帯域縦モー
ド光源の光パワースペクトラム分布は中心波長に対し必
ずしも対称ではありえない事や、温度によってこのスペ
クトラム分布が変動する等の現象があり、光干渉角速度
計のスケールファクタを決定する一要素としての平均波
長を一定に保つ事が困難なことが挙げられる。

又、実際の光干渉角速度計は光分配結合器、位相変調器
、偏光子及び光ファイバなどの光部品により構成されて
いる。これらの光部品はそれぞれに波長特性を持ってい
る。従って、光源から出射した時の光パワースペクトラ
ム分布（例えば第１１図Ｂの実線で示す）は、充電変換
器に達した時には、光部品の光波長特性による影響を受
け、例えば第１１図Ｂの点線に示すように異なった分布
を示すようになる。

更に、光部品の波長特性は温度によっても変動し、たと
え、光源から出射された時の平均波長が一定に保たれた
としても、光電変換器に達した時は、その中心波長やパ
ワースペクトラム分布は変わっており、光干渉角速度計
のスケールファクタの安定性に影響を与える。

また、位相変調器２２には例えば電歪振動子に光学路１
６の光ファイバを巻きつけておき、駆動信号によりその
電歪振動子を駆動して巻きつけられた光ファイバを伸縮
させ、その光ファイバを通る光に位相変化を与えるよう
にしている。このような位相変調器では電歪振動子を効
率良く伸縮させるために電歪振動子の共振点に駆動周波
数ｆ、を合わせているが、この共振周波数ｆ０は温度に
より変化する。つまり変調指数が温度により大きな影響
を受ける。また光ファイバはテンションがかかった状態
で電歪振動子に巻き付けであるので、光ファイバと電歪
振動子との熱膨張率の差から温度が変化すると所定の最
適なテンション状態からずれ、初期の設定動作から外れ
てしまったり、両者の間にあるシリコーンやウレタンな
どの緩衝層によるダンパ効果なども変動するなど種々の
問題がある。

この発明は以上の点に鑑み成されたもので、温度や経時
変化などの外部要因により光源の波長や光部品の波長特
性が変動しても、その変動に影響されない光干渉角速度
針を提供するものである。

「問題点を解決するための手段」 光電変換回路からの電気信号を、位相変調器に供給され
る基本周波数の隣接する奇数倍又は隣接する偶数倍の互
いに異なる周波数により同期検波し、干渉光に含まれる
第１種へ７セル関数の隣接する奇数次又は隣接する偶数
次の相互の差により光源の光波長変動分を補正する。

第２光源を設け、その第２光源からの光を第２゜第３光
学路に分岐供給する。この第２光学路上には、第１の光
学路が位相変調器により受ける物理作用と同じ物理作用
を受ける物理作用検出用光学路を設け、この第２光学路
と第３光学路を伝搬してきた光を互いに干渉させて電気
信号に変換し、この電気信号を位相変調器に供給した凸
本周波数成分の隣接する奇数倍または隣接する偶数倍の
互いに異なる周波数で同Ｍ検波し、その検波出力に含ま
れる奇数次または偶数次のベッセル関数相互が実質的に
等しくなるように第１位相変調器の駆動状態を制御する
負帰還ループを構成して第１の光学路に対する位相変調
器による物理作用が一定になるように制御２１する。

「実施例」 第１図はこの発明による光干渉角速度計の構成例を示す
図である。第８図乃至第１０図と対応する部分には同じ
符号を付けて示し、説明は簡単にとどめる。

第１光源１１から出射した光は光分配結合器１３Ａによ
り２つの光に分岐され一方の分岐光は偏光子２８を通っ
て光分配結合器１３Ｂに供給され、右廻り光１４と左廻
り光１５との２つの光に分岐され、これらの光１４．１
５は少なくとも一周する光学路１６を互いに逆の方向に
周回する。

光学路１６からの取り出された右廻り光１７と左廻り光
１８とは再び光分配結合器１３Ａで１つの光に結合され
、その干渉光１９は光電変換回路２１で電気信号１ｒに
変換される。

この発明では、この電気信号Ｉ、は第１同期検波手段２
４及び第２同期検波手段３１に供給され、異なる検波周
波数で同期検波される。即ち、これら第１．第２同期検
波手段２４．３１には、位相変調器２２の駆動周波数ｆ
０の隣接する奇数倍（２ｍ＋ｌ、２ｍ＋３Ｈ以下ｍは０
，１，２，３．　・・・・・・）の周波数信号または隣
接する偶数倍（２ｍ　＋２．２ｍ　＋４）の周波数信号
が与えられ、この周波数信号により電気信号１．を同期
検波する。

また、この実施例では、他の同期検波手段２６に、その
隣接する奇数倍または偶数倍の周波数（８号の中間の偶
数倍（２ｍ＋２）または奇数倍（２ｍ＋３）の周波数信
号が与えられ、その周波数信号で、光電変換回路２１か
らの電気信号が同期検波されるように構成した例である
。

またこの発明の光干渉角速度計では、哉皐波長を発光す
る第２の光源３２が設けちれ、その第２光源３２からの
光が入射する第２光学路３３及び第３光学路３４で構成
されるマツハツエンダ干渉計により、第１の光学路１６
が位相変調器２２から受ける物理作用を検出する。

先ず最初に、この発明の光干渉角速度計において、第２
の光′ｆＡ３２からの基準光が入射されるマツハツエン
ダ干渉計の作用について説明する。

第２光′ｔＡ３２は、例えばシングルモード光源が用い
られ、この基準光源３２からは一定の波長を維持した基
準光λｒが出射される。基準光λ７は光分配結合器３５
で部分され、一方の分岐光は第２光学路３３に入射され
、他方の分岐光は第３光学路３４に入射される。第２光
学路３３上には、位相変調器２２から第１光学路１６が
受ける物理作用を検出する物理作用検出用光学路３３Ａ
が設けられる。この位相変調器２２は第２図に示すよう
に、例えば円筒状の電歪振動子２２Ａに光学路１６への
一方の人出射路の光ファイバ１６Ａを巻き付けたもので
ある。電歪振動子２２　Ａは駆動信号源２３から駆動信
号ｆ。が供給され、その径方向の寸法が駆動信号ｆ０に
応じて振動的に変化する。

この径方向の振動的変化により、その円筒周面に巻き付
けられた光ファイバ１６Ａが応動的に伸縮されることに
より光路長が変化するので、その光ファイバ１６Ａを通
る光の位相を変調することが可能とされる。この発明の
場合、第１光学路１６が電歪振動子２２Ａにより伸縮す
る量を精度良く検出するために、その物理作用検出用に
第２光学路３３を構成する光ファイバ３３Ａが光ファイ
バ１６Ａと連動して伸縮するように構成される。

第３図及び第４図はこのように構成された光ファイバの
例を示す図である。この例では第１光学路１６の光ファ
イバ１６Ａと第２光学路３３の物理作用検出用光ファイ
バ３３Ａとが平行に配列され一体に融着され、この一体
化されたファイバが電歪振動子２２Ａに巻きつけられて
構成された例である。光ファイバ１６Ａ及び３３Ａは、
光を伝搬するコア３６外周のクラフト層３７が互いに融
着され、その融着部３７Δにより２本の光ファイバ１６
Ａ及び３３Ａは一体とされ、更にその周回を被覆層３８
により被覆された例である。このように、この発明の位
相変調器２２は２木の光ファイバが一体構造にされたた
め、光ファイバ１６Ａ及び３３Ａは電歪振動子２２Ａか
らの振動的伸縮作用を等しく受けるように構成される。

第３光学路３４上には第２の位相変調器３９が設けられ
、第３光学路３４に入射した光は第２の位相変調器３９
により位相偏移を受は出射端から出射される。

第２．第３光学路３３．３４の各出射端には第２干渉手
段４１が設けられ、第２．第３光学路３３゜３４からの
出射光はこの第２干渉手段４１により一つの光に結合さ
れ互いに干渉し合う。その干渉光は第２光電変換回路４
２に与えられ電気信号に変換され、更に第３同期検波手
段４３及び第４同期検波手段４４に供給される。

この電気信号に変換される干渉光の光強度■、は次の式
で表される。

ＩＰ＝Ｃ（１＋Ｃ０３（Δφ＋Ｐ、（ｔ）））＝　Ｃ（
１＋　ｃｏｓ　（Ｊｏ　（Ｘ　ｒ）＋（２ΣＪＺＦＩ（
Ｘ　ｒ）ｃｏｓ　２　ｎ　ω、ｔ）＋ｓｉｎΔφ（２Σ
Ｊｚ、ｌ−＋　（Ｘ　ｒ）ｓｉｎ（２ｎ　”　１）　ω
ｓｔ）　）イ。５、。８やッ　　　　　　　　　゛°゛
町°°”Δφ：マフマツェンダ干渉計の位相差 ｐｒ（ｔ）　　：位相調整量。

Ｐ、（ｔ）−（（２ｉｎΔｌ１ｒ）／λ）　ｓｉｎω、
ｔＸ１言２πｎΔＩ！、、／λ。

Δ１２．：位相変調に伴う伸縮検出用光ファイバの最大
伸び長 λ２：基準光源の波長（一定） ω９：変調角周波数 ω、：変調角周波数 ｎ８光フアイバの屈折率 Ｊｎ（Ｘｒ）：第１種ベッセル関数 第３同期検波手段４３及び第４同期検波回路４４には駆
動信号源２３から位相変調器２２に供給される駆動周波
数ｆ、の隣接する奇数倍の互いに異なる周波数の交番信
号又は隣接する偶数倍の互いに異なる周波数の交番信号
が与えられ、光電変換回路４２から供給される電気信号
をそれぞれ同期検波する。この例では、第３同期検波手
段４３には周波数ｆ０の交番信号が与えられ、その第３
同期検波手段４３からは電気信号のｓｉｎΔφに比例す
る成分の内２位相変調器２２の駆動周波数ｆ０に比例す
る成分ＶＰ＋が出力され、第４同期検波手段４４には周
波数３ｔｏの交番信号が与えられ、ｓｉｎΔφ。に比例
する成分の内２周波数３Ｌに比例する成分Ｖｒ３が出力
される。またこの例では他の同期検波手段４５に周波数
２ｆｏの交番信号が与えられ、ｃｏｓΔφ。に比例する
成分の内１周波数２ｆゆに比例する成分Ｖｒｆｆｉが出
力される。これらの出力■、〜ＶｒｌはＶｒ＋＝　Ｋｒ
＋　Ｊ　＋（Ｘｒ）ｓｉｎΔφ　　・・・・・・ａ暑Ｖ
　ｒｆｆｉ　＝　Ｋ　ｒｚ　Ｊ　ｚ（Ｘ　ｒ）ｃｏｓΔ
φ　　・・・・・・αＯＶ　ｒｓ　＝　Ｋ　Ｐ３　Ｊ　
ｓ（Ｘ　ｒ）ｓｉｎΔφ　　・・・・・・ａ９Ｋ　ｒｌ
、　Ｋ　ｒｚ、Ｋ　ｔ３：定数で表される。この第３同
期検波手段４３から出力された検波出力■７．は差動増
幅２Ｓ４６の正側入力端に供給され、第４同！ＩＪＪ検
波手段４４の検波出力ｖ１．）よ負側入力端に供給され
る。

自動電圧調整器４７は差動増幅器４６の正の信号により
位相変調器２２に印加する駆動周波数ｆ０の信号電圧を
増加させ、差動増幅器４６の負の信号によって位相変調
器２２に印加する駆動周波数ｆ、の信号電圧を小さくす
る。このような自動制御ループが構成されることにより
、この装置は、差動増幅器４６の出力がゼロ、即ち、Ｖ
　ｒｌ　”　Ｖ　ｒｆｆのとき（但し、Ｋ、、、に、、
ｌは予め等しくなるように調整されているものとする。

）第１種ペアセル関数Ｊ＋　（Ｘ　、）とＪｉ（Ｘ−）
との値が同じ値になるように制御される。第５図は第１
種ベッセル関数の関数曲線を示す図、第６図は第５図に
示すＡ点付近の詳細を示すプロット図である。第１種の
１次ベフセル関数Ｊｌ（Ｘｒ）の値はＸ＝２の付近で極
大になり、それ以降は減少し、Ｘ＝５の付近で極小とな
り、それ以降また増加するというように、極大値と極小
値とを交互にもつ関数である。２次、３次、・・・・・
・ベッセル関数も同様に増派を繰り返す関数であること
が示される。この図から判るように、Ａ点。

つまりＸ＝３．０５４付近では１次ヘフセル関数Ｊｌ（
Ｘ、）は減少傾向にあり、３次ベッセル関敗Ｊｆｆ（Ｘ
、）は増加傾向にあって互いに交叉している。即ち、こ
の発明では、Ｘｌの値が約３．０５４（第５図のＡ点）
になるように自動電圧調整器４７によって位相変調器２
２に印加される電圧が調整される。

今、何等かの原因１例えばマツハツエンダ干渉計の伸縮
長検出用光ファイバの最大伸縮長Δｌｒが増大し、その
結果としてＸの値が大きくなったとすると、第５図のＡ
点に示すように、Ｊｌ（Ｘ、）の値は小さくなり、Ｊ、
（Ｘ　、）の値は大きくなる。その結果、第６図に示す
Ｊ、　（Ｘ　、）　−Ｊ３（Ｘ　、）曲線のように、Ａ
点の右側では差動増幅器４６は負の信号を自動電圧調整
器４７に供給するようになり、従って、位相変調器２２
への印加電圧が減少し、伸縮検出用光ファイバの最大伸
縮長Δ１ｆは減少する。

一方最大伸縮長Δｌ、、が減少し、その結果としてＸや
の値が小さくなったとすると、第５図から判るように、
１次ベッセル関Ｄ　Ｊ　Ｉ　＜　ｘ　、　）　の値は太
き（なり、３次ベフセル関数Ｊ３（Ｘ、）の値は小さく
なる。従って、第６図のＪｌ（Ｘ、）　　−Ｊ３（Ｘ、
）曲線のように、Ａ点の左側では差動増幅器４６は正の
信号を自動電圧調整器４７に供給するようになり、位相
変調器２２への駆動信号の印加電圧が増加し、伸縮長検
出用光ファイバの最大伸縮長Δ１．は増大する。このよ
うにＸｌの値を変えるような外部作用が働いてもマンノ
１ツエンダ干渉計はＸ７の値を常に一定に維持すること
ができ、即ち、最大伸縮長Δ１．．が一定の大きさに保
持されるように制御される。

一方、他の同期検波手段４５の検波出力ＶＰＺは積分器
４８に供給され、その積分出力は第３光学路３４上に設
けられた第２の位相変調器３９に制？ｉｌ　ｆｔ号とし
て供給される。

この制御系はこの同期検波手段４５の出力ｖ、、２がゼ
ロになるような負帰還ループを構成し、この負帰還ルー
プによりマツハツエンダ干渉計の第２゜第３光学路３３
．３４の位相差が補正される。

例えば、周囲温度などの変動によりマツハツエンダ干渉
計を構成する２つの光学路３３．３４に光路差Δφが生
じても、その位相差Δφをｔ目殺するような光路長の変
化が位相変調器３９により第３光学路３４に加えられる
。即ち、位相差ΔφはΔφ＝（π／　２　）　（２ｍ　
＋　１　）但しｍは整数 を満足するように調整され、従ってｃｏｓΔφはゼロに
維持される。そのため ｓｉｎΔφ＝１ｏｒ−１ となる、つまり式ａ簿及び式α９から判るように、ベッ
セル関数の変数値Ｘ１を安定させるのに用いる検波信号
Ｖ　ｒｌ＋　Ｖ　ｒ３は最も大きい信号出力になり、第
１の位相変調器２２の効果的な制御が実現される。

この位相差Δφを補正しない場合は、検波出力Ｖ　、、
、　　Ｖ　ｒ３の振幅が温度により変動してしまうこと
になり、温度条件によっては検波出力Ｖ、、、Ｖ、３は
ゼロ或いはゼロに近い値になることもある。このように
検波出力Ｖｒ１．Ｖｒ３がゼロ或いはゼロに近い値の範
囲でしか変化しないと、差動増幅器４６からは効果的な
差動出力を得ることはできず、従って、Ｘｌを安定に維
持すること、つまりΔ！、を一定に保つ機能を果たせな
くなる。

次に、第１の光学路１６からの信号出力の処理手段に戻
り、その説明を続ける。第１．第２同期検波手段２４．
３１には第１の位相変調器２２の駆動周波数ｆ０の隣接
する奇数倍または偶数倍の交番信号が供給され、第１の
光電変換手段２１の電気信号を同期検波し、他の同期検
波手段２６は周波数ｆ０の偶数倍または奇数倍で、第１
．第２同期検波手段２４．３１に供給される各検波周波
数に挟まれる周波数が供給され、電気信号を同期検波す
る。

即ち、この例では第１及び第２同期検波手段２４及び３
１には駆動信号源２３から第１の位相変調器２２の駆動
周波数ｆ０の周波数信号ｆ０及び３倍の周波数信号３ｆ
、が供給され、電気信号のｓｉｎΔφ。

に比例する成分のうち、第１．第２同ｊｆＩ検波手段２
４．３１は周波数信号ｆ０及び３ｒ、に比例する成分■
、及びＶ、を出力する。また、第５同＋１ＪＩ検波回路
２６は周波数信号２ｒ、が供給され、電気信号のｃｏｓ
Δφ９に比例する成分のうち１周波数イ３号２ｆ。

に比例する成分Ｖｒｔが出力される。これらの信号ｖ、
、ｖ、、ｖ、はマツハツエンダ干渉計のところで説明し
たように Ｖ　＋　　＝Ｋ　＋Ｊ＋（Ｘ）ｓｉｎΔφｏ　　　”・
””　Ｑ：Ｉ　’Ｖｚ　＝ＫｚＪｚ（Ｘ）ｃｏｓΔφｏ
　　　・・・”・θ４１’Ｖ　ｓ　＝　Ｋ　３Ｊ３（Ｘ
　）ｓｉｎΔφ。・・・・・・０９′に＋、Ｋｚ、に３
’定数 である。

検波出力■１は差動増幅器５１のプラス入力端に供給さ
れ、検波出力■３はマイナス入力端に供給される。この
差動出力は光源ドライブ電流ｆｆｔｌｌ　２’８回路５
２に供給され、その光源ドライブ電流制御回路５２の出
力により第１光ｔＡ１１の光の波長を：１．り御する。

郡ち、この第１光源は先に説明した理由から、広帯域縦
モードの光源で構成され、このような半導体レーザや発
光ダイオードなどは、周ＶＢ　温度の変動によりそのバ
ンドギャップや素子構造などが変化してしまい、従って
その発光波長が変わって（る。また供給される電流によ
る発熱で素子の温度が上昇し、発光波長が変化する。

この発明では、光源ドライブ電流制御回路５２は差動増
幅器５１の正の信号により第１光源１１に流れるドライ
ブ電流を減少させて第１光應１１から出射される光の波
長λが小さくなるようにし、差動増幅器５１の負の信号
により第１光源１１に流れる電流を増大させて第１光源
１１から出射される光の波長λが大きくなるように自動
制御ループが構成される。この例では差動増幅器５１の
出力がゼロ、即ち、第５図のＡ点に示すように、第１！
！ヘツセル関数の１次と３次へ７セル関数Ｊｌ（Ｘ）。

Ｊｓ（Ｘ）の値が、Ｘ＝３．０５４のときに等しくなる
ように光源ドライブ電流制御回路５２により第１光源１
１の発光波長λを制御する。ここで、ＸはＸ　＝　２　
Ａｓ１ｎｉｆｏτ ４πｎΔｅ ＝　　　　　　　　　　ｓｉ口πｆ、τ　　　　・・・
・・・・・・Ｑｌｉｌλ ｎ：光ファイバの屈折率 ΔＩｌ：光ファイバの最大伸長量 λ：光源の波長 ｆｏ：位相変調器２２の駆動周波数 で：光が第１光学路１６を周回するにようする時間 （τ＝ｎＬ／Ｃ，Ｌ：第１光学路 １６の長さ） である。

また、マツハツエンダ干渉計の位相変調の動作点は第５
図に示すＡ点に保持されているからＸ＝Ｘ１となる。従
って 角速度検出用の第１光学路１６のファイバ１６Ａと物理
作用検出用光学路３３Ａとは融着されており、第１位相
変調器２２の変調作用に連動して伸縮するのでΔｌ＝Δ
２．とみなせる。故に、第１光源１１の波長λは λ８２λ、　ｓｉｎπｆｏτ　　　・・・・・・・・・
ａＳ＋となる。このａ線式から、角速度計が第５図のＡ
点で動作していて、基卓光ｔＡ３２の波長λ、が一定で
あるなら、第１光学路１６を通る光の伝搬時間τの温度
依存性は非常に小さいものとなり、従って、第１光源１
６が出射する出射光の波長λをぼり一定に保ことができ
る。また、これまでは光源の発光波長を制御するのに、
光源に供給する電流を制御していたが、光源をヒータで
コントロールすることにより直接的に光源の温度を変え
るような自動制御ループを構成してもよい。

第７図はこの発明の変形例である。同図に示すようにマ
ツハツエンダ干渉計の第２．第３光学路３３．３４の出
射側端面５３，５４に反射コーティングを施し、それら
端面５３，５４においてそれぞれの入射端から伝搬して
きた光を反射させ、その反射光に再度、第１または第２
位相変調器２２または３９により位相変調を与え、光分
配結合器３５により結合して干渉させることもできる。

このときの位相変ｉ１１１　Ｐ　ｒ　（ｔ　）　はＰｒ
（ｔ）＝４ｉｎΔ１ｒ／λ？　　　・・・−・・（１９
＋である。従って、第１光源１１光の波長λはλ＝λｒ
ｓｉｎπｆ０τ　　　・・・・・・・・・四となる。第
１光学路１１を光が周回するに要する時間τはτ＝ｎＬ
／ｃに示すように第１光学路１６の屈折率ｎ、ファイバ
長しの温度係数に依存するが、ここで、５ｉｎｆｃｆｏ
τ＝１となるように第１光学路１６の長さしに対して位
相変調器２２の駆動周波数ｆ０を適宜に設定すると、第
１光学路１６を周回するに要する光の伝搬時間での温度
変動があっても式９Ｉｌｌのλの値に殆ど影響を与えろ
ことがない。

つまり、光干渉角速度計で使用する広帯域縦モード光源
の平均波長λはマツハツエンダ干渉計の基皐光源３２の
波長λ、に保つことができる。

今までの例では１次ベッセル関数Ｊ’、　（Ｘ　）と３
次ベフセル関数Ｊ３（Ｘ）とが等しくなるように動作さ
せるように説明したが、２次ベッセル関数Ｊ２（Ｘ）と
４次ベッセル関数Ｊオ（Ｘ）とが等しくなるように湘１
１１１　シてもよい。この場合には、第５図に示すＢ点
が動作ポイントとなり、位相変調器２２の駆動周波数ｆ
０の２倍及び４倍の周波数信号２ｒ、及び４ｆ。

で同期検波し、得られた出力Ｖ、、Ｖ４を差動増幅器５
１に供給し、その差動出力により光源ドライブ電流制御
回路５２に供給して第１光ａｌｌを制御する。この場合
、ｓｉｎΔφ９に比例する角速度計の出力は第５図のＢ
点であるから特性の安定している３次ベッセル関数Ｊ　
３　（Ｘ　）を取り出すようにする。

同様に、マツハツエンダ干渉計に関しても、２次ヘフセ
ル関数Ｊ　ｔ　（Ｘ　）と４次ヘフセル関数Ｊ、（Ｘ）
とが等しくなるように制御することもできる。

以上の例では各同期検波手段の検波出力を差動増幅器等
に供給して、自動制御ループを構成するようにしたが、
更に他の例として、２つの同期検波出力■１　と■３と
の値から、Ｘの値の初１υ］　４ｒｉからのズレ量を演
算により求め、その演算量により、温度変化などのため
の角速度計の出力変動を補正することもできる。

つまり、■、と■、との和及び差との比は、Ｋ。

−に３　として、 Ｖ、＋ｋＶｓ　　Ｊｌ（Ｘ）＋ｋＪｉ（Ｘ）である、　
ｋ　＝２．２０３に選ぶと、先願で示したようにＸ　＝
３．０５４の近辺では上式の分母、　Ｊｌ（Ｘ）＋ｋＪ
３（Ｘ）は殆ど一定を示すことが分かっている。従って
、式（２１）を解（ことによりＪ　ｌ（Ｘ　）及びＪｌ
（Ｘ）との差が精度良く演算され、Ｘの値を求めること
ができる。

また、これまでは各同期検波出力をそのまま光干渉角速
度計の出力として利用する構成の例で説明してきたが、
この発明は例えば第９図に示す第１の従来例及び第１０
図に示す第２の従来例の光干渉角速度計に対しても容易
に適用できる。また、位相変調器を使用する光干渉角速
度計やマツハツエンダ干渉計を利用した各種センサにも
適用できることはいうまでもない。

「発明の効果」 温度の変化、振動及び経時変化などの外部要因により、
光源の波長の変化や光部品の波長特性の変化がもたらさ
れようとしても、この発明によれば、ぞの変化を第１及
び第２干渉手段かみ？）られる１８号から読取り一定に
維持或いは補正することができ、また、ジャイロのスケ
ールファクタの安定性に影響をあたえる波長変動を抑制
することができる。

また・位相変調器が光学路に与える物理作用を直接検出
し、その物理作用を所定の値に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光干渉角速度計の実施例を示す構成
図、第２図乃至第４図はこの発明の位相変調器で、第１
光学路の受ける物理作用の検出を可能とした位相変調器
及びその構成例を示す図、第５図は第１種ベッセル関数
の１次乃至４次ベッセル関数の関数曲線を示す図、第６
図は第５図に示すＡ点付近の詳細を示すプロット図、第
７図はこの発明の光干渉角速度計の他の実施例を示す図
、第８図は光干渉角速度計の基本構成を示す図、第９図
は従来の光干渉角速度計の例を示す図、第１Ｑ図は他の
従来例を示す図、第１１図は光源の波長分布特性曲線の
例を示す図である。 １１：第１光源、１２：出射光、１３：光分配結合器、
１４：右廻り入射光、１５；左廻り入射光、１６：光学
路、１７：右廻り出射光、１８：左廻り出射光、１り：
干渉光、２１：光電変換器、２２：第１位１″Ｉ］変調
器、２３：変調信号源、２４：第１同期検波手段、２５
：＋Ａ分周器、２６：（第５）同期検波手段、２７；周
波数シフタ、２８：積分器、２９：電圧制御発振器、３
１：第２同期検波回路、３２：第２光源、３３：第２光
学路、３４：第３光学路、３５：光結合分配器、３６：
光ファイバのコア、３７：クラ７ド、３日：被覆層、３
９：第２位相変調器、４１：第２光分配結合器、４２：
第２充電変換器、４３：第３同期検波手段、４４：第４
同期検波手段、４５：同期検波回路、４６：差動増幅器
、４７：自動電圧調整器、４８：積分器、５１：差動増
幅器、５２：光源ドライブ電流制御回路、５３゜５４：
出射端。 特許出願人　日本航空電子工業株式会社代　　理　　人
　　　　草　　　　　野　　　　　　　　　　　卓２１
７２　　図 オ　３　ｚ 分　４　図 １１）Ａ ｉ −１，Ｏｔ ｐ　６２ 岸　８　ズ 士　９　Ｚ 才１１　図Ａ 第１１　１Ｄ　Ｂ 工

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａ、第１光源と、 Ｂ、少なくとも一周する第１光学路と、 Ｃ、第１光源からの光をその第１光学路に対し右廻り光
   及び左廻り光を通す手段と、 Ｄ、その第１光学路を伝搬してきた右廻り光と左廻り光
   とを互いに干渉させる第１干渉手段と、Ｅ、その第１干
   渉手段と上記第１光学路の一端との間に配されて右廻り
   光と左廻り光とに位相変化を与える第１位相変調器と、 Ｆ、上記干渉光の光強度を電気信号として検出する第１
   光電変換回路と、 Ｇ、この第１光電変換回路からの電気信号を上記第１位
   相変調器における光変調周波数に関連した周波数で同期
   検波手段により検波し、その検波出力から第１光学路に
   加えられた角速度を測定する光干渉角速度計において、 Ｈ、上記第１光電変換回路からの電気信号を上記光変調
   周波数に関連した基本周波数の奇数倍または偶数倍の異
   なる周波数で同期検波する第１、第２同期検波手段と、 Ｉ、上記第１、第２同期検波手段により検波され、上記
   干渉光に含まれる係数である第１種ベッセル関数の奇数
   次のベッセル関数相互または偶数次のベッセル関数相互
   の差から第１光源の光波長の変動分を補正する補正手段
   と、 Ｊ、第２光源と、 Ｋ、第２光学路と、 Ｌ、第３光学路と、 Ｍ、上記第２光学路と上記第３光学路とに第２光源の光
   を分岐する光分配結合器と、 Ｎ、上記第２光学路上に設けられ、上記第１位相変調器
   によって第１光学路が受ける物理作用と同じ効果を受け
   るように上記第１光学路と一体化された光学路をもつ物
   理作用検出用光学路と、Ｏ、上記第２光学路と第３光学
   路を伝搬してきた光を互いに干渉させる第２干渉手段と
   、 Ｐ、上記第２干渉手段からの干渉光の光強度を電気信号
   として検出する第２光電変換回路と、Ｑ、この第２光電
   変換回路によって電気信号に変換された信号を上記第１
   位相変調器における光変調周波数に関連した基本周波数
   成分の奇数倍または偶数倍の互いに異なる周波数で同期
   検波する第３、第４同期検波手段と、 Ｒ、上記第３、第４同期検波手段により検波され、上記
   第２干渉手段からの光に含まれる係数である第１種ベッ
   セル関数の奇数次のベッセル関数相互または偶数次のベ
   ッセル関数相互が実質的に等しくなるよう上記第３、第
   ４同期検波手段からの出力で上記第１位相変調器の駆動
   状態を補正する補正手段とを具備する光干渉角速度計。
2. （２）第１光学路の光ファイバと物理作用検出用光学路
   としての光ファイバとを互いに平行配列状態で融着又は
   接着により一体化し、第１光学路の光ファイバと物理作
   用検出用光学路とが等しく物理作用を受けるように構成
   された光干渉角速度計に用いられる位相変調器。