JPS63317713A - サニャック型光ファィバー干渉計 - 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】 本発明は、ジャイロスコープに使用したり又はファラデ
ー効果による電流測定に使用するサニャ・ンク型（Ｓａ
ｇｎａｃ　ｔｙｐｅ）干渉計に関する。

１艷へ１１ このような干渉計は、通常はレーザー型ダイオードであ
る同じ光源から出て、光検知器上で干渉する前に、単モ
ード光ファイバーによって構成しである同じ光学経路に
沿って反対方向に伝播する２つの光を使用する。該干渉
計では、ビームの伝播方向に依存し、且つジャイロスコ
ープ中のサニヤック効果又は電流を測定する場合のファ
ラデー効果に起因する非逆位相変化を見せる。この非逆
位相変化は、ビームが干渉計リングの周りを伝播する際
に遭遇する種々の妨害に起因し、且つ光検知器での補償
によって無効となる位相の逆変化と比較して優先的に行
なわれる。

特別な配置を取らない場合には、光検知器での２つのビ
ームの光学パワーは、Ｄ、Ｃ，成分及び、相対的位相差
の余弦に比例する成分を生じるが、これには、原点で感
度がゼロである余弦検波法則を光検知器に与えるという
欠点がある。この欠点を排除するためには、干渉計リン
、グの周りを走行する２つのビームに周期的且つ対称的
な位相変調を−リえることが一般的であり、前記変調は
、ビームが干渉計リングの周りを走行するのに要する時
間τの２倍の周期２τを有する。仏国特許出間第２．１
７１５８３号明細書に記載しであるように、このような
位相変調は、２つのビーム間の相対位相差の正弦に比例
する周波数１７２τの成分を有する信号を光検知器で生
じ、それによって小相対位相差の範囲では原点で最大感
度を生じる。

相対位相差を構成するビームの位相変調を使用すること
に加えて、ジャイロスコープに使用したり又はファラデ
ー効果による電流測定に使用するサニヤック型の干渉計
では、干渉計リングを構成する光ファイバーに与える前
に光源の光波を２つのビームに分割し且つ干渉計リング
がらの２つの出力ビームを再合成するための集猜光学Ｙ
字形結合器と、光源からの光波と干渉計リングからの２
つの戻りビームとを分離する方向性結合器とを使用する
。

このような集積光学装置は、震動に対する低感度、小型
・・・といった長所のために、通常の光学的解決策とし
て好ましいが、しかし無視し難い吸収係数を有し且つ実
現するのが比較的困難であるという欠点を有する。この
ために、特に仏国特許出間第２５８２８００号明細書で
は、光源及び光検知器を光エネルギーのエミッタ及び検
知器として交互に使用される単独の半導体ダイオードの
形態にするか、又は、光源及び光検知器を一列に設置し
、光源は、光検知器及びＹ字形結合器の間に設置してあ
り且つその前面及び背面両方を介してそれぞれに接続し
である半導体ダイオードによって構成してあって、前記
ダイオードを光エネルギーのエミッタ及び増幅器として
交互に使用するかのいずれかによって、光源と光検知器
を同一直線上に設置して結合させることによって方向性
結合器を省略するための提案をしている。

いずれの場合でも半導体ダイオードは、出来−るだけ長
く、即ち２つのビームがその往復の経路全体を伝播する
のに要する時間τ′よりわずかに短い時間だけ持続する
光パルスを周期的に発するように切り替えられる。切り
替え周期２τ′は、光源及び干渉計ループ間のビームが
走行する往復経路の長さは、干渉計ループ自体の経路リ
ンクと比較して小さいので、検知感度を最適にするため
に（吏用する位相変調の周期２τに非常に近い。その結
果、検知器からの出力信号では、光源の切り替え及び位
相変調から生じる変調による種々の成分が相互にオーバ
ーラツプし、従って有効な信号を検知するのが困難にな
る。

前記仏国特許出間第２５８２８００号明細書では、この
困難を、光源とＹ字形結合器との間に干渉計ループの長
さの４分の１の長さの光ファイバーを追加して往復経路
における２つのビームの伝播時間を人工的に２倍にする
ことによって克服している。

本発明の目的は、干渉計の大きさを増大せず且つ光エネ
ルギー効率を低下させないために、光ファイバーの長さ
をそれ程追加せずに上記問題点な解決することである。

光ＪヱＩＩヌ一 本発明は、サニヤック型光ファイバー干渉計であって、 干渉計ループを構成する光ファイバーと、同一直線上に
ある光源及び光検知器と、前記光源が発する光波を、各
々が前記光ファイバーのそれぞれの端部に与えられる２
本のビームに分割し且つ、前記光ファイバーの２つの端
部から出る２木のビームを、光源が発する光波と同一直
線上ではあるが光検知器へ向かって反対方向に伝播する
光波に再合成するための光学結合手段と、前記光ファイ
バーに沿って走行する２本のビームに周期的且つ対称的
な位相変調を与える位相変　・・謂手段と、 光源が発するパワーに作用する振幅変調手段と、光検知
器からの信号を処理するための電子手段とから成り、前
記光検知器からの信号を処理するなめの前記電子手段が
、ビーム位相変調の周波数と光源振幅変調の周波数との
間の低いうなり周波数で作動する復調器を包含すること
を特徴とする干渉計を提供する。

添付の図面を参照して本発明の詳細な説明する。

バ１１ｔ 図の干渉計は、電子ボード３００と、干渉計ループを構
成する単モード光フアイバ−２００の２つの端部に接続
しである光学ボード１００とがら成る。

光学ボード１００には、その前面及び背面を介して発光
するレーザーダイオード１０１が備えてあり、レーザー
ダイオード１０１はその背面を介して光検知器１０３に
接続してあり、且つその前面を介して偏光器、モードフ
ィルタ、Ｙ字形結合器及び位相変調器の機能を提供する
集積光学技術回路１０２に接続しである。　゛・ 集積光学回路１０２は、７字形の固定光導波路及びその
間に電界を生じさせることができる電極を包含する電子
光学基板によって通常に構成してあって、レーザーダイ
オード１０１の前面に接続しである共通入／出口１０４
と、干渉計リンクを構成する光ファイバー２００の両端
部に接続しである２つの平行な入／出口１０５及び１０
６とを有している。共通入／出口１０４は、通常の陽子
交換ドーピング技術又は金属堆積によって領域１０８内
では偏光子に変形しである固定単モード光導波路１０７
の偏光を維持する端部を構成する。この固定光導波路１
０７は、２つの偏光維持単モード固定光導波路１０９及
び１１０をと共にＹ字形結合器に通じており、前記光導
波路１０９及び１１０は平行な入／出口１０５及び１０
６に通じている。

結合部は、固定光導波路１０７を介して受容する光エネ
ルギーを２つの光導波路１０９及び１１０間で釣り合い
が保たれるように分は与える。各光導波路は、光ビーム
の位相変調のために光学的材料の屈折率を局部的に変更
するようにその間に電界を生じさせることができる対応
する電極対１１１＆１１２又は１１３＆　１１４の間を
通過する。

干渉計リングを構成する単モード光フアイバ−２００は
、直線偏光されて反対方向に伝播する光ビームが通過す
る干渉計リング中でサニヤック効果が現れるジャイロス
コープのためには偏光維持単モード光ファイバーであり
、或いは円偏光されて反対方向に伝播する光ビームが通
過する干渉計リング中でファラデー効果が現れて電流を
測定するためには四分の一波長フィルタとして作用する
端部ループを備えた非常に高度の回復屈折を有する単モ
ード光ファイバーである。

この光学回路では、レーザーダイオード１０１の前面か
ら発せられる光波は共通入／出口１０４を介して集積光
学回路１０２に侵入し、固定光導波路１０７中でモード
フィルタにかけられて、直線偏光され、２つの直線偏光
された光ビームに分割され、各ビ　。

−ムはそれぞれ平行な入／出口１０５及び１０６から出
る。これら２つの光ビームは、干渉計リングを形成する
光ファイバー２００の周りを反対方向に走行し、各々が
所定の相対位相差を持って前記ファイバーから出て、平
行な入／出口の他の一方を介して集積光学回路１０２に
戻り、その後ビームは再合成されてモードフィルタにか
けられる。次いでビームはレーザーダイオードに戻り、
それを通過し、レーザーダイオードの背面から直接発せ
られる光波と一緒に光検知器１０３に突き当たる。

干渉計リングを構成する光ファイバーの周りを反対方向
に走行した２つの光ビームのそれぞれの光学パワーＰ１
及びＰ２の再合成から得られる光学パワーＰは、 Ｐ　＝　Ｐ　１　＋　Ｐ２　＋　２　Ｗ「Ｆ・ｃｏｓδ
φ［式中、δφは２つのビームが光ファイバー２００の
周りを反対方向に走行した後の、サニヤック効果又はフ
ァラデー効果による２つのビームの相対位相差である］ で与えられる。

このパワーは、ｅＯ８δφに比例し、且つ小位相　　　
差に対して感度がゼロであるという欠点を有する有効成
分を包含する。

この感度を向上させるためには、干渉計リングの周りを
反対方向に伝播する２つのビームの位相角度は、２つの
ビームにおいて異符号の等しい瞬時位相差を得るための
通常の方法で変調される角度とすることができる。この
位相変調は、電極対１１１＆１１２及び１１３＆　１１
４の間に電界を生じさせることによる電子光学効果によ
ってなされるが、この電界は、干渉計の固有周波数とし
て考えられる干渉計リングの共振周波数の半分の周波数
のパルス状にされる。この位相変調を加えることの効果
は、干渉計リングから戻る２つの光ビームの光学パワ゛
−に対する式を Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２＋ Ｊ「汀・ｃｏｓ（δφ＋α・ｃｏｓ（（２πｔ／２τ）
＋β）］［式中、αは変調指数であり、τは光ビームが
干渉計リングの周りを伝播するのに要する時間である］ と変換することである。

この光学パワーは周波数成分が豊富なスペクトルを有し
ており、特に該スペクトルは、Ｄ−Ｃ・成分と、 小位相差の範囲では最大の感度を与える相対位相差δφ
の正弦に比例する位相変調の周波数１７２τの成分と、 相対位相差δφの余弦に比例し且つ相対位相差の余弦が
ゼロである時にはゼロ値である、位相変調周波数の２倍
の周波数の１／τ成分とを包含する。

レーザーダイオード及び光検知器が一列に配置されては
おらず、方向性結合器を用いて設置しである光学回路で
は、干渉計リングから戻る２つの、　　光ビーム間の相
対位相差は、同期式復調によって光検知器信号から抽出
される周波数１７２τの成分から測定される。

レーザーダイオード及び光検知器が一列に設置゛しであ
るか又は同じ部品で構成しである場合には、光が戻るの
に要する時間よりも短い時間だけ持続する周期的な光パ
ルスをレーザーダイオードに発信させ、２つの光パルス
を発する間には光検知器に変換されるレーザーダイオー
ドか、又は戻りパルスがレーザーダイオードをその前面
から背面へと通過１７てから戻りパルスを受容する光検
知器のいずれかによって、パルスの戻り光学パワーを検
知するのが一般的である。

よいエネルギー効率を得るためには、光がレーザーダイ
オードから干渉計リングに行くのに要する移動時間τ゛
の２倍に加えることの干渉計リングの周りの移動時間τ
に相当する最大持続時間τ°、即ち τ°＝２τ″＋τ の光パルスの発信及び受信を利用することが必要である
。

こうすると、発信−受信切り替え周期２τ゛は、レーザ
ーダイオードと干渉計リングとの間の距離が前記リング
の長さよりもかなり小さい限りにおいては、位相変調周
期２τに非常に近くなり、その結果、光検知器によって
生成される信号のスペクトルは、レーザーダイオードの
発信−受信切り替えによる変調によって生じる周波数１
／２τ近傍のスペクトルラインを包含し、このスペクト
ルラインは、位相変調によって生成される１／２τの有
効なスペクトルラインの検知を妨害する。

この妨害を取除く１つの公知の方法は、レーザーダイオ
ードと干渉計リングとの間の光パルスの経路に補助の単
モード光ファイバーを設置して前記経路を伸ばすことに
よって、位相変調周波数とレーザーダイオード発信−受
信切り替え周波数との間の離隔距離を大きくすることで
ある。前記補助のファイバーの長さは、干渉計リングを
構成する光ファイバー２００の約四分の−である。しか
しこの方法には、装置の大きさを増大し、且つその光エ
ネルギー効率を低下させるという欠点がある。

本発明では、レーザーダイオード発信−受信切り替えか
ら生じる変調、より一般的にはレーザーダイオードが発
する光エネルギーの振幅の変調と位相変調とが合成され
た後で、光検知器から出る信号の種々のスペクトルライ
ン中で有効な信号を分離する。

レーザーダイオードが発する光エネルギーが周波数ｆ１
の正弦波によって振幅変調されるならば、干渉計リング
に入る２つの光ビームの各々は、式１式％） ［式中、ＰＯＩ及びＰＯ２は定数であり、−は振幅変調
の強さ］ に変形され、干渉計リングからの２つの戻り光ビームの
パワーは、位相変調をも考慮すれば式１式％） この関係式はベッセル関数によって数学的に分析され、
干渉計リングから出るビームの光学パワーＰが、調波を
非常に豊富に包含しており且つ、そのパワーＰ°が式 ％式％ ［式中、Ｊｌは第一種の第一次ベッセル関数であり、Ｐ
Ｏは光学パワーＰｏｔ及びとＰＯ２の和である］で表さ
れるように相対位相差に比例する、周波数１１／２τ−
「１１のスペクトルラインを包含する周波数スペクトル
を有することが分かる。

２つの変調周波数がわずかに異なる限りはこの成分は存
在し、小位相差に対して最大感度の２つのビームの相対
位相差を測定するのに使用することができる。

電子ボード３００は、この成分を生成するために必要な
位相変調及び振幅変調を提供し、それを分離し、次いで
干渉計リングから戻る２つのビーム間の相対位相差の値
を抽出するためにそれを利用する役割を果たす、電子ボ
ード３００は、干渉計リングの周りを反対方向に伝播す
る２つの光ビームの振幅及び位相変調の合成に必要な電
気信号を生成する発信部分と、干渉計ソングから戻る反
対方向に伝播する２つのビーム間の相対位相差に比例す
る信号を前記ビーム間のうなりから抽出するための受信
部分と、受信部分からの信号をディジタル化処理し且つ
測定値を干渉計の外に伝送して、恐らくは前記測定値を
外部の計時基準と同調させるための部分と、電力供給源
３０１及び光学ボード１００のための温度調整を包含す
るサービス部分とに分割することができる。

光学ボード１００の温度は、光学ボード上にある温度測
定素子１１５に接続しである調整ブロック３０２によっ
て調整される。

発信部分は、レーザーダイオード１０１の光学パワーを
変調するための変調器３０３と、周波数合成生成器３０
４とを包含する。

パワー変調器３０３は、レーザーダイオード１０１の背
面に接続しである光検知器１０３を包含する帰還ループ
によって安定化され、周波数合成器３０４からの出力に
よって制御される変調キャリアｆ１のための入力を備え
ている。周波数合成器３０４は更に、集積光学回路１０
２中の光学位相変調の電極対１１１＆１１２及び１１３
＆　１１４を制御する信号を１７２τに等しい周波数で
発信する第二出力と、受信部分にある同期式復調回路３
０５に周波数Ｉ　Ｎ−ｆ２１を発信する第三出力とを有
する。また周波数合成器３０４は、受信信号をディジタ
ル化処理するための部分にあるクロック回路３０６によ
って制御される同期入力を有する。

受信部分は、レーザーダイオード１０１の背面に接続し
である光検知器１０３からの出力に接続しである増幅及
びフィルタ回路３０７と、それに続く同期式復調回路３
０５とを備えている。同期式復調回路３０５に続いて追
加の増幅及びフィルタ回路３０８がある。

レーザーダイオード１０１の背面に接続しである光検知
器１０３は、レーザーダイオードから直接に受容するか
、又は干渉計リングの周りを通過してレーザーダイオー
ドを通った後に受容する光パワーに比例する信号を発信
する。この信号・は、ダイオードが発する光学パワーが
レーザーダイオードからその背面を介して直接に受容さ
れる光束によって変調される周波数ｒ１の主成分と、振
幅及び位相が共に変調されおり、且つ干渉計リングから
戻ってレーザーダイオードを通過した反対方向に伝播す
る２つの光ビーム間のうなりから発生する非常に小さい
振幅の成分であって、上記のように、式％式％） ））］ を満足する成分とから成る。

前記信号は、上記のように式 ％式％ を有する周波数１ｆｌ（２１の成分を抽出するために回
路３０７によってフィルタにかけられ且つ増幅され、次
いで同期式復調器３０５に与えられ、回路３０８によっ
てフィルタにかけられ且つ増幅された後で相対位相差を
表しており且つ式 ％式％（） を有する測定信号を発信する。

この手法では、位相変調の周波数ｆ２に近い周波数ｆ１
の振幅変調を使用することが可能である。干渉計リング
の偏光維持単モード光ファイバーが約１キロメートルの
長さであるジャイロスコープでは、干渉計の、つまりは
位相変調の固有周波数は約１００　ｋ　Ｉｔ　ｚであり
、レーザーダイオードが発する光エネルギーを変調する
振幅に対しては、比較的近い周波数即ち約９８ｋｌｌｚ
が考えられる。このことから、必要であれば、レーザー
ダイオードと干渉計リングとの間の光ビームの経路がわ
ずかしか延長できない場合には光検知器の発信パルス及
び戻りパルスを分離するためにオン／オフ振幅変調を使
用することが可能となり、このファイバーの延長は、先
行技術では２５０メートル必要とするのに対して本発明
では約１０メートルでよい。

同様に、長さ約１０メートルの非常に高度な回復屈折の
単モード光ファイバーである干渉計リングを用いて、フ
ァラデー効果によって電流を測定するための装置では、
干渉計つまりは位相変調の固有周波数は約１０Ｍｌ１ｚ
であり、レーザーが発する光エネルギーを変調する約９
．９５ＭＨｚの周波数の振幅を与えることが可能である
。即ち、光検知器での発信パルスを戻りパルスから分離
する目的でレーザーダイオードのオン／オフ振幅変調を
行うという条件下では、レーザーダイオード及び干渉計
リング間の光ビームの経路には、先行技術で２．５メー
トルのファイバーの延長を必要としたのに対して約２５
ｃｍでよい。

増幅器回路３０８の出力で入手可能な相対位相差５（ｔ
）を表す測定値信号は、通常の方法で作動する、抽出−
保有回路及びアナログ−ディジタル変換器を包含するア
ナログ−ディジタル変換器３０９によって抽出されてデ
ィジタル化される。

信号をディジタル化処理するための電子ボードの部分に
は、信号処理プロセラｆ　３１０と、コミュ　、１ニゲ
−ジョンプロセッサ３１１と、クロック回路３０６とが
備えである。

信号処理プロセッサ３１０の主要機能は、干渉計リング
から出る２つの反対方向に伝播する光ビーム間の相対位
相差を明確に表す値゛を抽出することである。この値は
、受信部分によって発信される信号５（ｔ）に由来し、
アナログ−ディジタル変換器３０９の出力でディジタル
形式にされる。従ってプロセッサは、適用がジャイロス
コープであるならば角速度、又は電流がファラデー効果
によって測定されるならば電流値を推算するために、サ
ニヤック効果又はファラデー効果を規定する関係式を利
用する。

コミュニケーションプロセッサ３１１は、信号処理プロ
セッサ３１０によって発信される瞬時測定値をコード化
し、順番を与え、ディジタル値で伝送すると、発光ダイ
オード３１２及び単モード若しくはマルチモードの光フ
ァイバー３１３によって外部伝送が行なわれる。

クロック回路３０６は、干渉計がその他の装置と同期的
に作動する場合に特に使用される別の単モード又はマル
チモード光ファイバー３１４を介して外部同期を受容し
、変調キャリアｆ１及びｆ２と同期式復調回路３０５が
適当に作動するための適当な位相位置の復調キャリア（
［１−１２）とを生成するために、発信部分にある周波
数合成生成器３０４によって使用される安定したクロッ
ク信号を発信する。

本発明の主旨を越えずども種々の配置を変形することが
でき、種々の手段を等価の手段と置き換えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明のサニヤック干渉計の光学部分及び電子
部分のブロック図である。 １００・・・光学ボード、１０１・・・レーザーダイオ
ード、１０２・・・集積光学回路、１０３・・・光検知
器、１０４・・・共通入／出口、１０５，１０６・・・
入／出口、１０７，１０９・・・光導波路、１０８、・
・領域、１１１，１１２，１１３，１１４・・・電極、
１１５・・・温度測定素子、２００・・・単モード光フ
アイバ−，３００・・・電子ボード、３０１・・・電力
供給源、３０２・・・調整ブロック、３０３・・・変調
器、３０４・・・周波数合成器、３０５・・・同期式復
調回路、３０６・・・クロック回路、３０７・・・増幅
及びフィルタ回路、３０８・・・増幅及びフィルタ回路
、３０９・・・アナログ−ディジタル変換器、３１０・
・・信号処理プロセッサ、３１１・・・コミュニケーシ
ョンプロセッサ、３１２・・・発光ダイオード、３１３
・・・光ファイバー。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）サニャック型光ファイバー干渉計であつて、干渉
   計ループを構成する光ファイバーと、 同一直線上にある光源及び光検知器と、 前記光源が発する光波を、各々が前記光ファイバーのそ
   れぞれの端部に与えられる２本のビームに分割し且つ、
   前記光ファイバーの２つの端部から出る２本のビームを
   、光源が発する光波と同一直線上ではあるが光検知器へ
   向かって反対方向に伝播する光波に再合成するための光
   学結合手段と、前記光ファイバーに沿って走行する２本
   のビームに周期的且つ対称的な位相変調を与える位相変
   調手段と、 光源が発するパワーに作用する振幅変調手段と、光検知
   器からの信号を処理するための電子手段とから成り、前
   記光検知器からの信号を処理するための前記電子手段が
   、ビーム位相変調の周波数と光源振幅変調の周波数との
   間の低いうなり周波数で作動する復調器を包含する干渉
   計。
2. （２）復調器が同期式復調器である請求項１に記載の干
   渉計。
3. （３）振幅変調が光源の作動をパルス状にする役目をす
   るオン／オフ変調である請求項１に記載の干渉計。