JPS63273007A - ループ状干渉計内の伝搬時間の変化を検出する方法と装置およびこの方法と装置を応用した波長制御法 - 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、ループ状干渉計に関するもので、特に、この
ような干渉計内の伝搬時間の変化を検出する方法とこの
方法を実施するための装置およびこの装置を応用して光
源の光の平均波長を制御する方法に関する。

従来の技術 リング状干渉計においては互いに逆方向に向かう２種類
の波がリング状導波手段、例えばループ状光フアイバ内
を伝搬する。これら２種類の波は、非相反効果がない場
合、特に干渉計の回転に起因するサニヤック（Ｓａｇｎ
ａｃ）効果がない場合にはループの両端部で完全に位相
が一致する。

一方、干渉計がガリレオ座標系に対して回転するときに
は、リングの両端から放射される２つの波の間の位相差
は以下の式のようになる。

〈ただし、Ｌはリングの長さであり、Ｒはその半径であ
り、λは波長であり、Ｃは真空中の光速であり、ωは回
転速度である。） 他の非相反効果、例えば磁場効果がなく、ファラデー効
果がなく、物質の移動がない、つまりフィゾー効果がな
いときには、他のすべてのパラメータ、特に光源の光の
波長が安定だと位相差の測定は回転速度の測定に帰着す
る。

発明が解決しようとする課題 ところで波長は、特に温度とともに変化する。

ガリウム・ヒ素による超発光ダイオード、すなわちｒｓ
ＬＤＪを光源として用いる場合には、光源の光の波長の
変化は約４　Ｘｌ０−’／ｌである。この波長変化の結
果、分散に起因して導波手段内の光の伝搬時間が変化す
る。

光源としてＳＬＤを使用し、偏光性を有するシングルモ
ードの光ファイバを使用した光フアイバ式ループ状干渉
計による速度測定で現在得られる精度を考慮すると、波
長変化によって測定の精度に影響が現れる。従って、波
長変化を評価することによってこの波長変化を補正する
か、または位相差の測定の際にこの波長変化を考慮する
必要がある。

本発明は、ループ状干渉計内の伝搬時間の変化を検出す
る方法とこの方法を実施するための装置を提供するとと
もに、この方法と装置を応用して光源の光の波長制御を
行うことを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明の方法の利点は、測定する効果である回転速度に
関係するサニヤック効果と、波長変化の効果を分離する
ことが可能になる点である。この点に関しては後に説明
する。

本発明によれば、ループ状干渉計内の伝搬時間の変化を
検出する方法であって、この干渉計の一端において、変
調周期がこの干渉計内の平均伝搬時間の２倍である矩形
波で波を変調し、次に、周波数が変調周波数の２倍であ
り、かつ、伝搬時間の変化に応じて持続時間が変化する
パルスをこの干渉計の出力において検出信号から取り出
すことを特徴とする方法が提供される。

本発明はさらに、ループ状干渉計内の伝搬時間の変化を
検出する装置であって、この干渉計の一端に位置してお
り、非対称な矩形波により形成されていて初期伝搬時間
の２倍の周期を有する制御信号により制御される位相変
調器を備え、この干渉計の検出器の出力信号は処理回路
内で処理されて、測定する非相反的位相のずれに特徴的
な変調周波数を有する信号と、伝搬時間の変化に特徴的
な信号とが取り出されることを特徴とする特許も関係す
る。

最後に、本発明は、上記の方法とそれに対応する装置を
応用して干渉計に用いることのできる光源の光の平均波
長を制御することにも関する。

本発明の他の特徴ならびに利点は、添付の図面を参照し
た実施例についての以下の説明により明らかになろう。

実施例 第１図は、光フアイバ式ループ状干渉計の概略図である
。この干渉計は、コヒーレンス性のよくない光源１を備
えている。この光源は例えば超発光ＡｓＧａダイオード
ｒｓＬＤＪであり、そのスペクトルは４９μｍにわたっ
て拡がっている。これは、平均波長の±５％に相当する
。この光源１は偏光性を有するシングルモードの光ファ
イバ２の一端に接続されている。この光ファイバ２の他
端にはリチウムニオベート上に形成されたＹ字形の分離
器３が接続されている。この分離器の一方の出力ブラン
チの両側には電極が設けられている。これは、位相変調
器４を形成してこれら電極間に位相変調制御電圧（４□
を印加するためである。偏光性を有するシングルモード
の光ファイバからなるループ５の両端には分離器３０２
つのブランチが接続されている。公知のように、光ファ
イバの端部を分離器３の導波路に接続する際には、余分
な反射をなくすためにこれらガイド部材の縦軸線に対し
て傾斜した面を用いることが好ましい。

光分岐素子６が、光フアイバループ内を循環させた後に
再結合させた光を分離してこの光分岐素子６に接続され
た出力ガイド７を介して検出器りに伝える。処理回路８
は、検出した信号を処理して有用な信号を取り出す。例
えばこのリング状干渉計がジャイロとして使用される場
合には回転速度ωが得られる。

このようにループ状干渉計をジャイロとして使用する場
合には、ループの一端で位相変調を行うことにより、感
度、すなわち互いに反対方向に伝搬する２つの波の間の
位相差の測定感度を向上させること；−（知られている
。この位相変調により一方の光は光ファイバのループ内
を通過する前に影響を受けるが、他方の光はこのループ
内で伝搬時間に等しい時間遅延した後に影響を受ける。

一般に行われている変調は、＋π／２と０が交互に現れ
る対称矩形波変調である。この変調の半周期Ｔ／２は、
光フアイバ内の初期伝搬時間１Ｆ＝１．に等しいこと、
すなわちＴ／２＝ｔｏ＝ｎＬ／ｃであることが好ましい
。

光フアイバ内を循環して再結合した２つの波の間の位相
差は、変調信号とその変調信号を伝搬時間だけ移相した
信号との間の差に等しい変調を受けている。検出された
信号においては、位相がゼロの周辺に分布していると、
位相差Δφのｃｏｓ２Δφの曲線の最大値の周辺で信号
が変化する。非相反効果に起因する位相のずれ、特に回
転に起因する位相のずれがない場合には、この位相の分
布は対称である。回転に起因してさらに位相のずれΔφ
、が加わった場合には、信号の状態が変化し、この信号
は、変調の周期と同じ周期であり、付加された位相のず
れとともに振幅が変化する成分を含むようになる。

第２図は、公知のこの方法による変調を示す図である。

第１のタイムチャートは、位相変調器４を備える光ファ
イバの端部から入った波に対する位相のずれφ１を示し
ている。これに対して第２のタイムチャートは、逆方向
を伝搬してφ１と丁度伝搬時間に相当する時間だけずれ
た波に対する位相のずれφ２を示している。さらに第３
のタイムチャートは、回転がない場合のこれら２つの波
の位相差の変調Δφ×を示している。出力パワーをこれ
ら２つの波の間の位相差Δφの関数として表すＣＯ８の
２乗曲線、すなわち Ｐ＝Ｐ、ｌ・ｃｏｓ２＜Δφ／２）も表示されている。

ここに、ＰＭはΔφ＝０、かつ、位相のずれの範囲が＋
π／２〜−π／２のときに得られる最大出力パワーであ
る。この出力信号は振幅がＰｘ／２である。

第３図には、変調Δφ、と回転に起因する位相のずれΔ
φ、とから得られる位相のずれを時間の関数として表し
た曲線と、時間の関数として表した対応する検出信号Ｐ
とが示されている。この第３図にはさらに、Ｐ、−ＣＯ
３２（Δφ／２）も表示されている。このタイムチャー
トから、位相のずれΔφ８がゼロである限りは検出され
る信号が一定であることがわかる。検出されるこの信号
は位相が＋π／２から一π／２に変化する瞬間、または
この逆の瞬間にのみパルスとなることがわかる。このジ
ャイロが回転し始めると、変調の周波数と同じ周期の成
分が一定成分に重ね合わされる。

変調の振幅は、回転に起因する位相のずれΔφ。

と直接に関係している。

本発明によれば、２つの波に対して先に説明した従来の
ような対称矩形波変調を行うのではなく、変調器を用い
て非対称矩形波変調を行う。しかし、この変調の半周期
は相変わらず初期伝搬時間と等しい。すなわち干渉計の
「固有」周波数と呼ばれる周波数ｆｐ＝　１／２　ｔｏ
と等しい。このような変調を行うと、特に温度の関数と
して変化する可能性のある伝搬時間の変化を検出し、従
って光源の平均波長を検出することができる。

第４図は、様々な変調信号と、回転がなく、しかも伝搬
時間の変化がない場合の光フアイバ内の初期伝搬時間ｔ
。の２倍に等しい周期Ｔの単純な非対称矩形波変調信号
のタイムチャートである。

φ１とφ２は、それぞれ同一のチャート上に実線と点線
で示されている。従って、互いに反対方向に伝搬する２
つの波の間の位相差ΔφすなわちΔφ。

＝φ１−φ２はπ／２から一π／２に直接変化するので
はなくて０となる部分を有する。このため、位相のずれ
Δφ、がないと検出される信号はＰ。

／２のレベルに連続成分を有し、Ｐｘ／２からＰｘのレ
ベルに変化し、位相差が０となる部分の持続時間と等し
い持続時間のパルスを有する。すなわち、このパルスの
持続時間は変調周波数の２倍の周波数に対する変調器に
入力される信号の周波数の比の関数である。

回転に起因する余分な位相のずれΔφ、が加わったとき
の様子が第５図に示されている。この第５図から、位相
のずれΔφがΔφ、ずれており、検出される信号中には
、変調の周波数と同じ周期であり振幅がこの位相のずれ
の関数として変化する成分が検出されることがわかる。

従って、測定を上記の場合と同じように行うことができ
る。

さらに光源の光の波長が変化する場合には、分散のため
にループ内の波の伝搬時間が変化する。

従って、変化しない変調信号の周期は伝搬時間の２倍に
はもはや等しくない。このことは、互いに反対方向に伝
搬する２つの波の位相のずれφ１、φ２が時間が経つと
もはや正確に半周期ずれてはおらず、位相差Δφ、＝φ
１−φ２が０になる期間がもはや常に同じ長さではない
ことを意味する。

第６図はこの場合を表した図である。φ１とφ２が同じ
タイムチャート上に、それぞれ実線と点線で時間の関数
として表されている。位相差ΔφＸ＝φ１−φ２は第２
番目のチャートとして示されている。この位相差が０で
ある期間は一定ではない。

従って、ΔφＲ＝Ｏの場合、対応する検出信号Ｐは、変
調周波数の２倍の周波数ではあるが持続時間が異なる複
数のパルスで構成される。この結果、変調周波数と同じ
周波数ではあるが回転信号に対しては位相がπ／２ずれ
た信号が発生する。

回転に起因する位相のずれΔφ、が存在している場合が
第７図に示されている。この第７図からは、位相変調Δ
φがΔφ、ずれていて、対応する信号は、第６図のパル
スと比べると同じ周波数（変調周波数の２倍の周波数）
で振幅がより小さく、持続時間は第６図の場合と同じよ
うに一定ではないパルスの他に、変調周波数と同じ周波
数であり、振幅が回転に起因する位相のずれΔφ、の関
数である周期成分を含んでいることがわかる。

重ね合わされたこれら２つの信号は、別々に処理するこ
とができる。一方の信号は光フアイバ内の伝搬時間の変
化に特徴的であり、他方の信号は比相及的な位相のずれ
Δφｋに特徴的である。この処理を行うのに有用な手段
が第１１図に示されている。検出器りからの信号は、一
致した位相とπ／２ずれた位相で２つの復調器１０．１
５に入力される。

これら復調器１０には変調周期と同じ周期であり位相が
同じ参照信号がさらに入力され、復調器１５には変調周
期と同じ周期であり位相をπ／２フエ・イズシフタ１６
によりπ／２ずらした参照信号が人力される。これら復
調器の出力は２つのフィルタ回路１１．１２の人力に接
続されている。それぞれのフィルタ回路１１．１２では
、位相が一致した変調周波数成分（回転信号）と位相が
π／２ずれた変調周波数成分（伝搬時間信号）とのフィ
ルタ操作が行われる。これら２つのフィルタ回路の出力
は、それぞれ検出器１３．１４に接続されている。これ
ら検出器１３．１４の出力信号であるＳ（ω）とＳ　（
ｔＰ）は、それぞれ測定する速度ωと伝搬時間ｔ、であ
る。

以上説明し、かつ、第７図において検出信号の時間変化
を示す第２番目の曲線として示したように、波長変化に
起因する位相のずれが発生したときには、回転を測定す
るための信号成分と波長変化に特徴的な信号成分とが重
ね合わされる。

第８図は、時間の関数として検出信号を単にチョップす
ることにより回転の測定に有用な信号と波長変化の測定
に有用な信号とを分離することができる、非対称矩形波
をもとにした特殊な変調を示す図である。この変調によ
り、伝搬時間の変化に特徴的な信号の挙動をよりダイナ
ミックにすることもできる。

変調された信号に対して光フアイバ内を伝搬させる前に
与える位相のずれφ１は、実線で示した周期Ｔ＝２ｔｏ
の２つの変調信号Ｍ３、Ｍ２を重ね合わせた結果として
得られる周期信号である。両方の変調信号Ｍ１、Ｍ２は
非対称な矩形状であり、それぞれ０〜πと０〜π／２の
範囲にあって後者の振幅は前者の振幅の半分である。さ
らに、変調信号Ｍ１の高いレベルの一定部分は変調信号
Ｍ２の０レベル部分の中心にくるようにされている。変
調信号Ｍ２の高レベル部分の矩形波の持続時間は第１の
変調信号Ｍｌの高レベル部分の矩形波の持続時間よりも
短い。従って、光フアイバ内を循環した後に変調された
逆方向に伝搬する波、すなわち伝搬時間と等しい遅延を
受けた波は、信号Ｍ　ｌ５Ｍ２と同じタイムチャートに
点線で示された信号Ｍ′１、Ｍ°２の和に等しい。光フ
アイバ内を伝搬した２つの波の間の干渉の結果として得
られる信号は従って、位相が以下のようにずれる。

Δφ　＝　φ１−φ２ ＝　（Ｍ＋　　　Ｍ’　＋）　　　（Ｍ２　　　Ｍ”２
）先１：指摘したように、変調信号の振幅は、位相が０
からπに変化してπ／２に戻り、次に、このπ／２から
πに変化して０に戻る状態が対称に交互に現れるように
選択する。第８図に示したように、変調以外の位相のず
れがない場合に得られる検出信号は、０からＰｘまで変
化するパルスとＯからＰＭ／２まで変化する矩形波を含
んでいる。

光源の光の平均波長に変化があるときには伝搬時間はも
はや変調信号の半周期と等しくはない。

互いに反対方向に伝搬する２つの波に対してφ。

とφ２により変調させた結果、第９図に示すようにもは
や対称ではない変調Δφを受けた出力信号が発生する。

第６図に示した第１の実施例のように、矩形波の両側に
発生したパルスは持続時間がもはや同じではなく、対応
する出力信号は、０〜Ｐうで変化する持続時間が異なる
複数のパルスを含んでいる。持続時間の差は、ｔｏに対
する伝搬時間の変化に応じて決める。ジャイロにまった
く回転が加えられない場合にはこれ以外の差はなく、第
９図に示すように、位相のずれが＋π／２と−π／２に
対応する一定部分にはパワーがＰ。／２の出力信号が得
られる。

この位相のずれの変調に測定すべき回転に起因する余分
な位相のずれΔφ、が重ね合わされる場合には、この余
分な位相のずれに起因してＰＭ／２のレベルを中心とし
て変動する成分が出力信号に発生する。これと同時にパ
ルスの振幅が第１０図に示したようにわずかに変化する
。しかし、矩形波の両側で異なるこれらパルスの持続時
間はこの余分な位相のずれによって影響を受けず、光フ
アイバ内の伝搬時間に特徴的な状態に留まる。従って、
上記のように、時間の関数である出力信号を分割するこ
とにより２つの効果を別々に検出することができる。す
なわち、期間ｔ１　に存在している信号を用いると光フ
アイバ内の伝搬時間ｔ、の値が得られ、期間ｔ２に存在
している信号を用いると回転速度の値が得られる。

第１２図はこの操作に対応する処理回路の図である。検
出器りからの信号は、制御信号Ｃ（ｔ＋、ｔ２）を用い
てスイッチ２０を制御することにより２つのチャネルＡ
とＢの一方に人力する。第１のチャネルＡは復調器２１
を備えている。この復調器２１の一方の入力はスイッチ
２０の第１の出力に接続され、他方の入力からは参照信
号を受信する。フィルタ兼検出回路２２を用いることに
より回転ωに特徴的な信号Ｓ（ω）を分離することがで
きる。

同様に、第２のチャネルＢは復調器２５を備えている。

この復調器２５の一方の人力はスイッチ２０の第２の出
力に接続され、他方の入力にはフェイズシフタ２６によ
り位相がπ／２ずらされた参照信号が入力される。処理
後の信号、すなわち回路２７においてフィルタ操作と検
出操作が行われた後のこの第２のチャネルからの信号５
（ｔｐ）は伝搬時間に特徴的な信号である。

本発明の検出方法を用いると、伝搬時間の変化Δｔｐ／
ｌｏを７Ｘ１０−’のオーダーで測定することができる
。

光フアイバループの温度変化の効果により伝搬時間は約
１０−５／ｌの割合で変化する。さらに、温度変化によ
り光源の光の平均波長がやはり変化する。この結果、分
散により伝搬時間が変化する。

従って、先に指摘したように、光フアイバ自身に起因す
る効果を考慮して伝搬時間の変化を測定することにより
、光源の光の平均波長を温度変化の関数として測定する
ことができる。

石英の光ファイバを考えると、光の平均波長が０．８５
μｍのときに波長変化Δλ／λが５×ｌＯ″″６だと伝
搬時間の変化Δｔｐ／ｊｐは１０″″７となる。光ファ
イバのループの温度が正確に知られている場合には、伝
搬時間の変化の測定により光源の光の平均波長（通過帯
域の中心）がわかる。

別の見方をすると、帯域幅が光源の帯域幅よりも狭い２
つの相補的な参照用フィルタ、例えば透過型と反射型の
両方で動作する同じ１つの干渉フィルタを利用し、かつ
、透過波と反射波に対して干渉計内の平均伝搬時間が一
定となるように光源の光の波長が制御されている場合に
は、光源の光のスペクトルはフィルタの中心に位置した
ままの状態に留まり、このスペクトルが新しい参照波長
となる。この方法は従って外部参照物体（フィルタ）を
利用してはいるが、光源がある程度複雑な信号の処理を
必要とするのに対してこの方法では干渉計の変調手段と
同じ手段が用いられている。

本発明が上記の実施例に限定されることはない。

特に、別のタイプの非対称変調信号、特に上記の第２の
実施例のπ／２変調矩形波の持続時間よりも短い持続時
間のπ変調矩形波で構成されている変調信号を用いて伝
搬時間の変化を検出することができる。もちろん本発明
がこれだけに限られるわけではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光フアイバ式ループ状干渉計の図である。 第２図と第３図は、ジャイロとして利用されているルー
プ状干渉計の回転に起因する位相のずれを測定するのに
現在用いられている方法を説明するだめのタイムチャー
トである。 第４図、第５図、第６図、第７図は本発明の検出方法を
実施するのに用いられる信号のタイムチャートであり、
特に、変調信号と検出信号が、回転も伝搬時間の変化も
ないとき、回転はあるが伝搬時間の変化はないとき、回
転はないが伝搬時間の変化はあるとき、それに、回転も
伝搬時間の変化もあるときについてそれぞれ示されてい
る。 第８図は、回転も伝搬時間の変化もないときの本発明の
検出方法の別の実施例で用いられる信号のタイムチャー
トである。 第９図は、回転がないときに伝搬時間の変化が発生した
ときの第８図と同様の信号のタイムチャートである。 第１０図は、伝搬時間の変化があり、しかも回転に起因
する位相のずれがある場合の第８図と同様の信号のタイ
ムチャートである。 第１１図と第１２図は第１図の処理回路を詳細に示した
図であり、それぞれ上記の検出法の２つの実施例を表し
ている。 （主な参照番号） １・・光源、　　　　　　２・・光ファイバ、３・・分
離器、　　　　　４・・位＋目変調器６・・光分岐素子
、　　　　７・・出力ガイド、８・・処理回路、 １０．１５．２１．２５・・復調器、 １１．１２・・フィルタ回路、 １３．１４、Ｄ・・検出器、 １６．２６・・フェイズシフタ、 ２０・・スイッチ、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ループ状干渉計内の伝搬時間の変化を検出する方
   法であって、この干渉計の一端において、変調周期がこ
   の干渉計内の平均伝搬時間の２倍である矩形波で波を変
   調し、次に、周波数が変調周波数の２倍であり、かつ、
   伝搬時間の変化に応じて持続時間が変化するパルスをこ
   の干渉計の出力において検出信号から取り出すことを特
   徴とする方法。
2. （２）上記位相変調信号が、位相をπ／２ずらすための
   、持続時間が平均伝搬時間とは実質的に異なっている一
   連の矩形波と、その後に続く、上記位相変調信号の残り
   の期間にわたって継続する、位相のずれがゼロの一定部
   分とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載
   の方法。
3. （３）上記位相変調信号が位相を±π／２ずらす一連の
   矩形波で構成され、各矩形波は持続時間が平均伝搬時間
   よりも短く、これら矩形波は位相のずれがゼロの一定部
   分により互いに分離されていることを特徴とする請求項
   １に記載の方法。
4. （４）上記位相変調信号が、各変調周期ごとに、位相を
   π／２ずらし、次に、位相のずれがゼロの一定期間の後
   に位相をπずらす一連の矩形波で構成され、位相をπ／
   ２ずらす矩形波と位相をπずらす矩形波の持続時間が異
   なることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. （５）ループ状干渉計内の伝搬時間の変化を検出する装
   置であって、この干渉計の一端に位置しており、非対称
   な矩形波により形成されていて初期伝搬時間の２倍の周
   期を有する制御信号により制御される位相変調器を備え
   、この干渉計の検出器の出力信号は処理回路内で処理さ
   れて、測定する非相反的位相のずれに特徴的な変調周波
   数を有する信号と、伝搬時間の変化に特徴的な信号とが
   取り出されることを特徴とする装置。
6. （６）請求項５に記載の装置を応用して干渉計の光源の
   光の平均波長を制御する方法。