KR970001142B1 - 광파이버자이로스코프 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광파이버자이로스코프

제1도는 2개의 편파면 보존 광파이버를 접합하여 만든 제1데포라라이저 중에서 광학축에 따라 편파면을 갖는 빛의 광로의 길이의 차를 데포라라이저 입사 단면에서 거리의 관수로서 도시한 도면.

제2도는 2개의 편파면 보존 광파이버를 접합하여 만든 제2데포라라이저 중에서 광학축에 따른 편파면을 갖는 빛의 광로의 길이의 차를 데포라라이저 입사 단면에서 거리의 관수로 도시한 도면.

제3도는 2개의 데포라라이저를 통한 빛의 광로길이의 변화를 조사하기 위해 제1도와 제2도의 광로길이의 변화를 서로 가한 경우에 등가의 2개의 데포라라이저와 많은 광성분이 동일의 광로길이로 되어 재간섭 가능하게 되는 것을 도시한 도면.

제4도는 본 발명의 경우에 2개의 데포라라이저를 통과한 빛의 광로길이가 상호 다르고 동일하게 되지 않고 재간섭 가능하지 않은 것을 도시한 도면.

제5도는 싱글모드 파이버에서 복굴절성을 고려하기 위한 도면.

제6도는 2개의 복굴절성 재료를 조합시켜 구성된 2개의 데포라라이저를 포함한 본 발명의 실시예에 관한 광파이버자이로스코프의 구성도.

제7도는 본 발명에 이용되는 편파면 보존 광파이버자이로스코프를 조합시킨 데포라라이저의 분해사시도.

제8도는 다른 광로를 통한 광성분의 위상차가 복굴절성 재료가 발생하는 광로의 길이차의 반분을 가감함에 따라 얻을 수 있는 것을 도시하기 위한 도면.

제9도는 편광자와 복굴절성 재료를 조합시킨 것이 실효적으로 데포라라이저로서 가능하는 것을 설명하기 위한 도면.

제10도는 편광자와 복굴절성 재료를 조합시킨 것이 실효적으로 데포라라이저로 가능하는 것을 설명하기 위한 도면.

제11도는 제10도의 광파이버자이로스코프에 있어서 2개의 데포라라이저가 있는 것에 의해 발생하는 광로의 차에 의해 광로길이의 차가 발생하는 것을 설명하는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 발광소자 2 : 제1데포라라이저

3 : 제2데포라라이저 4 : 파이버코일

5 : 위상변조기 6 : 수광소자

7 : 제1파이보커플러 8 : 제2파이버커플러

9 : 편광자 10 : 집광광학계

11 : 제1파이버 광로 12 : 제2파이버 광로

13 : 제3파이버 광로 14 : 제4파이버 광로

15 : 제5파이버 광로 16 : 제6파이버 광로

17 : 제7파이버 광로 19 : 편광자

본 발명은 자동차, 비행기 선박 운동체의 회전각속도를 측정하기 위한 광파이버자이로스코프에 관한 것이다. 특히 광파이버자이로스코프의 파이버경로내에 2개의 데포라라이저를 포함한 경우에 2개의 데포라라이저의 상호간섭을 없게한 광파이버자이로스코프에 관한 것이다. 여기에서 데포라라이저라는 것은 2개의 복굴절성 재료를 조합시킨 협의의 데포라라이저외에 편광자와 합체하여 실효적으로 데포라라이저도 되는 광의의 데포라라이저도 포함한다. 또 파이버코일과 분자합류소자등의 복굴절성도 고려하여 상호간섭을 완전히 배제할 수 있는 광파이버자이로스코프를 제안한다. 종래 2개의 데포라라이저의 상호 간섭에 대해서 고찰한 논문, 발명은 존재하지 않았다. 본 발명은 이 점에서 완전히 신규한 것이다.

광파이버자이로스코프는 파이버코일 사이를 좌우로 회전하여 전달된 빛의 위상차가 코일의 각속도에 비례하는 것을 이용하여 각속도를 구하는 것이다. 위상 변조방식이라는 것은 파이버코일 한쪽 끝 가까이 광파이버의 일부를 신축시키고 이 사이를 통과하는 빛의 위상을 변조하는 것이다. 간섭광의 강도를 수광소자로 검출하지만 이 사이에는 변조주파수 및 그 고주파 신호가 벧셀함수를 계수로 하는 전개식의 형으로 포함된다. 그래서 변조주파수 또는 그 정수배의 주파수의 캐리어 신호를 만들고 수광소자 출력을 이에 따라 동기검파하면 기본파성분 또는 임의의 고주파성분을 얻을 수 있다. 광파이버자이로스코프는 좌회전빛과 우회전빛을 간섭시키는 것이기 때문에 편파면이 동일하지 않으면 안된다. 편파면이 다르면 간섭광은 편파면의 협각이 코사인에 비례하는 값이 되고, 편파면이 직교하면 빛은 간섭하지 않는다. 파이버코일은 싱글모드 파이버로 제작한다. 이것은 직각방향으로 편파면이 직교하는 2개의 빛이 위상정수에 관해 축퇴하고 있기 때문에 편파면이 회전하는 일이 있을 수 있다. 그러면 우회전빛과 좌회전빛에서 편파면이 다르게 되고 간섭광의 강도가 편파면 회전을 원인으로 하여 변화한다. 그래서 파이버코일의 일부에 데포라라이저를 넣은 광파이버자이로스코프가 제안되어 있다. K. boehm외 다수; Low-Drift Fiber Gyro Using a Superluminescent Diode, ELECTRONICS LETTERS vol. 17, No 10, p352(1981). 이것은 데포라라이저로서 Lyot depolarizer라는 것을 이용하고 있다. 이것은 복굴절성을 갖고 2:1의 두께를 갖는 2매의 편평한 결정을 광학 주축이 45도 비틀리게 접착한 것이다. 이처럼 데포라라이저를 넣으면 무편광이 되기 때문에 우회전광, 좌회전광은 어느것이나 무편광이 되기 때문에 간섭가능하다.

그러나 그렇게 하면 편광자를 광원의 직전에 있어서 광원에서 빠진 빛(이것은 직선편광이다)과 편광차의 편광방향을 맞출 수 없게 된다. 광원과 편광자를 잇는 싱글모드 파이버내에서의 편파면 회전의 문제도 있다. 그래서 본 발명자는 일보 나아가 편광자 직전에 이미 하나의 데포라라이저를 설치하는 것을 제안한다.

① 특개평 4-106416호 공보

② 특개평 4-106420호 공보

③ 특개평 4-106417호 공보

이중 ①은 데포라라이저로서 2개의 편파면 보존 광파이버를 광학 주축이 45도 비틀어진 상태로 축방향으로 접속한 것을 이용한다. 그 길이의 비는 2:1로 한다. 짧은 쪽의 편파면 보존 광파이버의 길이는 복굴절에 의한 광로차가 발광소자의 코히어런트 길이보다 길어지게 된다.

이와 같은 데포라라이저는 이미 서술한 바와 같이 공지이다. 제7도에 이것을 도시한다. 제6도는 본 발명자가 주장하는 2개의 데포라라이저를 갖는 광파이버자이로스코프의 개략 구성도이다. ②는 발광소자의 편광방향에 대해 45도 주축이 기울인 편파면 보존 파이버를 발광소자에 대향시킴에 따라 실질적으로 데포라라이저로 한 것이다. ③은 복굴절성 결정을 발광소자에서 나온 빛의 경로에 발광소자의 편광과 복굴절성 결정에 의해 실질적으로 데포라라이저를 구성한 것이다.

이상의 것은 협의의 독립적인 데포라라이저를 2개 설치한 것이다. 그후 본 발명자는 편광자에 인접하여 데포라라이저를 설치한때는 복굴절성 재료를 하나 절감할 수 있는 것을 발견했다. 즉 하나의 복굴절 재료에 데포라라이저가 구성된다. 이것은 편광자에 의존한 불완전한 데포라라이저이지만 그 작용은 독립적인 데포라라이저와 마찬가지이다. 광의의 데포라라이저이다.

④ 특원평 3-198534(1991.7.12 출원)

⑤ 특원평 4-139899(1992.4.30 출원)

④는 편파면 보존 광파이버로 만든 파이버형의 편광자의 직전에 편파면 보존 광파이버를 주축이 45도 비틀어지도록 접합한 것이다. 물론 이 편파면 보존 광파이버의 복굴절을 B=n_x-n_y와 길이 L의 적이 광원의 코히어런트 길이 C보다도 길게 하고 있다. 즉 BLC이다. 이 부등식은 데포라라이저에서 반드시 만족해야 한다. 제9도에 이 광파이버자이로스코프의 구성을 도시한다. 데포라라이저는 2개이고 편광자의 직전의 데포라라이저가 간략화된 광의의 데포라라이저이다. 파이버코일의 근처에는 독립적인 데포라라이저가 있다. ⑤는 편광자가 파이버형에 한정되지 않은 일반적인 편광자이고, 편광자 앞의 데포라라이저 뿐만 아니라 뒤의 데포라라이저도 광의의(복굴절성 재료가 하나) 데포라라이저로 하고 있다. 보다 일반화된 것이다. 어떤 것이라도 본 발명자가 제안하고 광파이버자이로스코프는 2개의 데포라라이저를 구비한다.

발광소자와 편광자 사이에 싱글모드 광파이버가 존재할때에는 발광소자와 편광자 사이에 이미 하나의 데포라라이저를 넣어야 한다는 것이 본 발명자의 의견이고 그렇게 한 것이 상기 ①~③의 발명이다. 즉 데포라라이저는 2개 필요하다. ④,⑤는 데포라라이저의 구조를 간략화한 것이다. 본 발명자 이외에 같은 것을 제안하고 있는자는 없는 듯하다. 따라서 현재 2개의 데포라라이저를 넣은 광파이버자이로스코프의 문제점도 명확하지 않고 그 난점도 힘들지 않다고 생각된다. 데포라라이저는 적선편광, 원편광, 타원편광등을 무편광으로 하는 것이지만 기본적인 구조는 2:1의 길이의 복굴절성을 갖는 광학재료를 주축이 45도 비틀어진 방향으로 접착한 것이다. 편파면 보존 파이버로 만든 때도 원리는 마찬가지이다. 이들 복굴절성에 대한 광로차가 광원의 코히어런트 길이 이상이면 좋다. 그러면 편파면이 직교하는 빛의 광로차가 코히어런트 길이 이상이 되어 상호 간섭할 수 없다. 2:1의 길이이기 때문에 같은 편파면을 갖는 빛은 항상 코히어런트 길이 이상으로 광로차를 갖고 이들 빛의 진폭의 2승이 합이 일정하기 때문에 무편광이다. 데포라라이저가 하나뿐인 때는 그래도 좋다. 그러나 데포라라이저를 2개 이용하면 간단하지 않은 일이 발생한다. 하나의 데포라라이저를 통과함에 의해 코히어런트 길이 이상의 광로차가 발생한 빛 사이에서는 영구히 간섭이 일어나지 않는가라고 말하면 그렇지는 않다. 만약 하나의 데포라라이저를 통과할 때에 복굴절성의 영향이 반대방향으로 나타내고 2개의 빛의 광로차가 코히어런트 길이 이내가 되는 것을 생각할 수 있다. 그러면 이 2개의 빛이 간섭한다. 빛의 편파면의 회전은 싱글모드 파이버중에는 항상 일어날 수 있기 때문에 간섭광의 강도가 변동한다. 이것은 출력에 나타나고 노이즈가 된다. 이와 같은 문제점은 본 발명자가 2개의 데포라라이저를 넣었기 때문에 비로서 나타나는 것으로 본 발명자가 최초로 발견한 것일 것이다. 본 발명자는 이와 같은 2개의 데포라라이저를 갖는 광파이버자이로스코프의 데포라라이저 사이의 간섭을 해결하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 제1태양에 따른 광파이버자이로스코프는 파이버코일 사이를 좌우로 회전하여 빛을 전파시켜 좌우로 회전하는 빛의 위상차로부터 파이버코일의 회전각속도를 구하는 것을 원리로 하는 광파이버자이로스코프이고, 코히어런트 길이가 C인 집단색광을 만드는 발광소자, 싱글모드 광파이버를 다수 감은 파이버코일과, 파이버코일 사이를 좌우로 회전하여 전달된 빛을 간섭시켜 간섭광의 강도를 검출하는 수광소자와, 원평광 또는 타원편광의 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자와, 발광소자에 이어지는 제1파이버 광로와 수광소자에 이어지는 제5파이버 광로를 편광자를 포함하는 제2파이버 광로에 결합한 제1분지합류소자와, 파이버코일의 양단에 이어진 제3파이버 광로와 제4파이버 광로를 제2파이버 광로에 결합한 제2분지합류소자와, 광원과 편광자 중간에 설치되어 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제1데포라라이저와, 파이버코일의 양단과 제2분지합류소자를 이어 제3코일 광로 또는 제4파이버 광로 도중에 설치된 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제2데포라라이저를 포함하고, 발광소자에서 출사한 빛을 제1데포라라이저로 무편광으로 하고 나서 편광자에 통과하게 하고 있고, 제1데포라라이저는 길이 L_a, L_b복굴절을 B_a,B_b의 2개의 복굴절성 재료 a,b를 주축을 45도 기울여 접합한 것이고, 제2데포라이저는 길이 L_c, L_d복굴절을 B_c,B_d의 2개의 복굴절성 재료 c,d를 주축을 45도 기울여 접합한 것이고, 싱글모드 파이버의 길이와 복굴절을 적, 분지합류소자의 길이와 복굴절율의 적의 합을 B_s, L_s로 표시하고, -1,0,+1 중 어떤 값을 취하는 각 복굴절성 재료 a,b,c,d의 3값의 계수를 P_a, P_b, P_c, P_d로 하며, 각 복굴절성 재료의 3값의 계수, 복굴절율의 길이의 적의 합이 다음 관계

｜P_aB_aL_a+P_bB_bL_b+P_cB_cL_c+P_dB_dL_d｜-B_sL_sC

를 만족하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2태양에 따른 광파이버자이로스코프는 파이버코일의 사이를 좌우로 회전하여 빛을 전파시켜 좌우로 회전하는 빛의 위상차에서 파이버코일의 회전각속도를 구하는 것을 원리로 하는 광파이버자이로스코프이고, 코히어런트 길이가 C인 집단색광을 만드는 발광소자와, 싱글모드 광파이버를 복수회 감은 파이버코일과, 파이버코일 사이를 좌우로 회전하여 전달된 빛을 간섭시켜 간섭광의 강도를 검출하는 수광소자와, 원편광 또는 타원편광의 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자와, 발광소자에 이어지는 제1파이버 광로와 수광소자에 이어지는 제5파이버 광로를 편광자를 포함한 제2파이버 광로에 결합하는 제1분지합류소자와, 파이버코일의 양단에 이어지는 제3파이버 광로와 제4파이버 광로를 제2파이버 광로에 결합하는 제2분지합류소자와, 편광자의 직전에 설치되어 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제1데포라라이저와, 파이버코일의 양단과 제2분지합류소자를 잇는 제3파이버 광로 또는 제4파이버 광로의 도중에 설치되어 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제2데포라라이저를 포함하고, 발광소자에서 출사한 빛을 제1데포라라이저에서 무편광으로 하고 나서 편광자로 통과하게 하고 있고, 제1데포라라이저는 길이 L_a, 복굴절율 B_a인 하나의 복굴절성 재료 a를 그 주측이 편광자의 투과축에 대해 45도 기울도록 편광자에 직접적으로 적합한 것이고, 제2데포라라이저는 길이 L_c, L_d복굴절을 B_c,B_d의 2개의 복굴절성 재료 c,d를 주축을 45도 기울여 접합한 것이고, 싱글모드 파이버의 길이와 복굴절을 적, 분지합류소자의 길이와 복굴절율의 적의 합을 B_s, L_s로 표시하고, -1,0,+1 중 어떤 값을 취하는 각 복굴절성 재료 a,b,c,d의 세값 계수를 P_a, P_b, P_c, P_d로 하며, 각 복굴절성 재료의 세값 계수, 복굴절율 길이의 적의 합이 다음의 관계

｜P_aB_aL_a+P_cB_cL_c+P_dB_dL_d｜-B_sL_sC

를 만족하도록 한 것을 특징으로 한다.

제1도는 제1데포라라이저 중에서 다른 편파면을 갖는 빛의 광로차를 데포라라이저등의 길이의 관수로서 도시한 것이다. 데포라라이저는 복굴절성 재료 2개 a,b를(복굴절성 검결성, 편파면 보존 광파이버등) 광학 주축이 45도 비틀어지도록 접합한 것이다. 재료 a의 길이를 L_a, 복굴절을 B_a로 한다. 복굴절율이라는 것은 복굴절성 재료내를 전반하는 상광선과 이상 광선의 굴절율의 차이다. 횡축은 복굴절성 재료의 내부점의 한쪽의 빛의 입사점 0에서의 거리이다. 종축은 실효적인 광로의 길이이다. 재료 a가 복굴절성을 갖고 있기 때문에 편파면이 주축방향으로 직교하는 광 ㄱ,ㄴ에 대해서 광로길이가 B_a,(=n_xa-n_ya)에 비례하여 서로 다르다. 광로길이의 차를 △W로 하면 이것은 0점에서의 거리를 X로 하여 B_ax로 쓸 수 있다. 데포라라이저는 길이 L_a와 L_b의 복굴절 재료 a,b를 광학 주축이 45도 비틀어지도록 접착한 것이다. 대부분은 L_b=2L_a로 하도록 1:2의 길이로 한다. 그러나 본 발명에서는 그와 같은 전제는 없는 것으로 한다. 일반적인 데포라라이저의 조건을 고찰할 필요가 있기 때문이다. 최초의 파이버 L_a의 끝부분에는 광로의 길이가 D,E에서 표시된 것처럼 분지한다. 한쪽의 주축에 편파면이 있는 광로은 D점에서, 이미 한쪽의 주축에 편파면이 있는 광 ㄱ은 E점에 광로의 길이가 있다. 이들의 절대값은 무엇이라도 좋고 그 차가 의미를 갖는다. 광로의 길이차 DE는 B_a, L_a이다. 물론 DE는 광원의 코히어런트 길이보다 길게 한다. 그렇게 하지 않으면 데포라라이저가 될 수 없다. 또 ㄱ과 ㄴ의 빛의 강도는 같지 않다.

2번째의 파이버 L_b에 ㄱ와 ㄴ의 빛이 입사하지만 첫 번째와 두 번째의 파이버의 광학 주축이 45도를 이루기 때문에 ㄱ,ㄴ과 함께 2등분되어 2주축방향의 편파면을 갖는 광으로서 전파한다. ㄱ의 빛은 ㄷ과ㄹ에 분리한다. ㄴ의 빛은 ㅁ과 ㅂ으로 분리한다. ㄷ과 ㅁ은 동방향으로 편파면을 갖는 빛이다. 그러나 이들은 코히어런트 길이 이상의 광로차 △W=B_aL_a가 있기 때문에 이 상태에서는 간섭하지 않는다. 즉 2승 검파해도 교차항이 없다. ㄹ과 ㅂ도 동방향으로 편파면을 갖는 빛이다. 이것의 광로광차도 같다. 2번째의 복굴절성 재료의 종단에서 ㄷ,ㄹ,ㅁ,ㅂ의 빛의 광로길이의 차이를 F,G,H,J로 표시한다. 무변화의 것에 비교하면 ㄷ의 빛(F)은(1/2 B_aL_a+1/2 B_bL_b), ㅁ의 빛(G)은 (-1/2 B_aL_a+1/2 B_bL_b), ㅂ의 빛(J)은 (-1/2 B_aL_a-1/2 B_bL_b)와 같이 광로길이가 증감하여 변화한다. 이 예에서는 B_aL_aB_bL_b로 되어 있지만 이것은 역으로도 좋은 것은 물론이다. 양쪽을 포함하기 위해서는 식의 차에 있어서 절대치 신호를 붙이면 좋다. 광로길이의 차 FG=B_aL_a, GH=B_bL_b-B_aL_a, HJ=B_aL_a는 어느것이나 광원의 코히어런트 길이 이상으로 설정하고 있다.

즉 B_aL_aC,B_b,L_bC｜B_bL_b-B_aL_a｜C이다. ㄷ,ㄹ은 동일 편파면 ㄹ,ㅂ은 그들에 직교하는 편파면을 갖지만 어떤 것으로 해도 상호 간섭하지 않는다. 광강도는 ㄷ=ㄹ, ㅁ=ㅂ이기 때문에 각각의 편파면의 빛의 강도가 ㄷ+ㅁ, ㄹ+ㅂ되지만 이들은 동일해진다. 따라서 어떤 편파면에 대해서도 빛의 강도가 동일해지고 부편광이 된다. 따라서 데포라라이저가 되는 것이다. 통상적으로 이 광로길이의 차를 동일하게 하기 위해 L_b=2L_a, B_a=B_b로 한다. 통상은 데포라라이저의 작용으로서 이 이상 고찰되는 일은 없다. 본 발명은 L_a=2L_b가 아닌 경우도 성립하고 그 한계를 최대로 하려고 한다. 그 뿐만 아니라 본 발명에서는 2개의 데포라라이저를 사용하기 때문에 이미 하나의 데포라라이저의 작용에 대해서도 고려하지 않으면 안된다. 종래 이와 같은 일이 고찰된 적은 없었다. 제2도에 제2데포라라이저의 광로길이의 차를 도시한다. 제1도와 거의 같은 것이다. 파라메타가 다르다. 2개의 복굴절성 재료 c,d가 있다. 처음의 복굴절성 재료 c의 길이가 L_c이고 복굴절율은 B_c이다, 2번째 것의 복굴절 재료의 길이가 L_d라고 하자. 첫 번째의 복굴절성 재료 c에서 ㅅ과 ㅇ의 빛에 분리된다. 접합면에서의 광로의 길이의 차를 M,N으로 표시한다. 이 차는 B_cL_c이다.

두 번째 복굴절성 재료 d에서 ㅅ이 ㅈ과 ㅊ에 분리한다. ㅇ의 빛은 ㅋ과 ㅌ의 빛에 분리한다. 복굴절성 재료 d의 종점에서 광로길이의 차가 P,Q,R,S가 된다. ㅅ의 빛(P)은 (1/2 B_cL_c+1/2 B_dL_d), ㅋ의 빛(Q)은 (-1/2 B_cL_c+1/2 B_dL_d), ㅊ의 빛(R)은 (1/2 B_cL_c-1/2 B_dL_d), E의 빛(S)은 (-1/2 B_cL_c-1/2 B_dL_d)와 같이 광로의 길이가 증감한다. 광로길이의 차는 PQ=B_cL_c, QR=B_dL_d-B_cL_c, R_s=B_cL_c가 된다. 이들도 광원의 코히어런트 길이 C 이상이 되도록 설정하고 있다. 즉 B_cL_cC｜B_dL_d-B_cL_c｜C이다. 여기서 부터가 문제이다. 2개의 데포라라이저가 있기 때문에 첫 번째의 데코라라이저에서 코히어런트 길이 이상으로 떨어져 버린 빛이 2번째의 데포라라이저에서 반대방향의 광로의 길이 변화를 받아 다시 간섭할 가망성이 있다. 만약 이들을 매는 싱글모드 파이버에서 편파면에 의한 광로길이의 차가 발생하지 않으면 첫 번째의 데포라라이저의 종점 F,G,H,J 각각에 제2도의 점 K가 접속되게 된다.

만약 제1,제2의 데포라라이저가 완전히 등가이고 B_a=B_b=B_c=B_d, L_a=L_c, L_b=L_d, 또한 L_b=2L_a, L_d=2L_c라고 하면 제3도와 같이 된다. 이것은 개연성이 높은 가정일 것이다. 데포라라이저가 2개의 필요하면 같은 데포라라이저를 사용해 버릴 것이다. 그러나 이것은 치명적인 잘못이다. 일단 코히어런트 길이 이상으로 떨어진 빛이 다시 코히어런트 길이 이내로 들어오고 상호 간섭하게 되기 때문에 데포라라이저의 작용이 서로 해치는 것이다. 4개의 빛이 각각 4개씩 분리하여 16의 빛이 되지만 7종류의 광로길이의 차가 동일해지면 이들 빛이 간섭한다. 모두 같지 않아도 광로의 길이의 차가 코히어런트 길이 이내이면 간섭한다.

이것은 드리프트의 원인이 된다. 이와 같은 일은 본 발명자가 처음 발견한 것이다. 제간섭이라고 간단히 부르기로 하자. 이것을 피하기 위해서는 4개의 빛이 다시 4개로 분리되어 16의 상호 코히어런트 길이 이상으로 분리된 빛이 되면 좋다. 제4도에 제1도와 제2도의 광로의 길이의 차도면을 합성한 것을 도시한다. 지면이 작기 때문에 복굴절을 B와 대응 길이 L의 값 BL을 간단히 L로 표시하고 있다. 즉 여기에서 사용하고 있는 기호는 L_a→B_aL_a, L_b→B_bL_b, L_c→B_cL_c, L_d→B_dL_d로 대체하여 읽어야 하는 것이다. 그리고 이것이 중요한 것이지만 광로차의 최종점은 이들이 일치하지 않게 하고 있다. 근접점의 광로길이의 차도 기입하고 있다.

이들의 광로길이의 최근접의 것이 길이 C 이상이면 어떤 빛도 제간섭하지 않게 된다. 이것은 복잡한 조건을 찾아내는 것으로도 보이지만 결국 최근점의 광로길이의 차라는 것은 B_aL_a(B_bL_b-B_aL_a)와 B_cL_c(B_dL_d-B_cL_c)의 2개씩의 변화를 상호 뺀 것이 어떤 것이다(B_aL_aB_bL_b,B_cL_cB_dL_d라고 가정하고).

이들의 차가 길이 이상인 것이 요구된다. 즉

[수학식 1]

｜B_aL_a-B_cL_c｜C (1)

[수학식 2]

｜(B_bL_b-B_aL_a)- B_cL_c｜C (2)

[수학식 3]

｜B_aL_a-(B_dL_d-B_cL_c)｜C (3)

[수학식 4]

｜(B_bL_b-B_aL_a)-(B_dL_d-B_cL_c)｜C (4)

이면 좋은 것이다. 단 이것은 상기의 부등식(B_aL_a＜B_bL_b,B_cL_c-B_dL_d)과 각각의 복굴절성 재료에 대해서 상술한 BLC라는 조건과 연립시키지 않으면 안된다. 여기에서는 알기 어려울지도 모르기 때문에 후반부에 일반식을 보탤 것이다. 만약 동일의 데포라라이저를 2개 사용하면 이들의 부등식은 어느것이나 만족되지 않는다. 동일한 데포라라이저가 2개 있을때는 좌변은 어느것이나 0이 되기 때문이다. 다시 싱글모드 파이버에서는 편파면에 의한 위상속도의 차이 즉 복굴절성이 없을 뿐이지만, 실제로는 조금 있다. 또 파이버커플러등의 분지합류소자에서의 복굴절성도 조금은 있을 것이다. 제5도와 같이 싱글모드 파이버와 파이버커플러에 의한 분리도 고려하지 않으면 안된다. 이들에 따른 복굴절성을 B_sL_s로 한다. 이것은 싱글모드 파이버의 길이 L_s1,복굴절율 B_s1과 분지합류소자의 길이 L_s2,L_s3,복굴절율 B_s2,B_s3의 값의 합이다. B_sL_s= B_s1L_s1+ B_s2L_s2+ B_s3L_s3이다. 종래는 이 영향도 고려되어 있지 않았다고 생각한다. 이 복굴절성은 데포라라이저의 광로의 길이의 차를 삭감하는 방향으로 움직인다. 바꾸어 말하면 광원의 코히어런트 길이 C를 연장하도록 움직인다. 그래서 이것을 고려하면 코히어런트 길이 C를 (C+B_sL_s)로 치환하면 좋다. 빛이 전파하는 광로중에는 싱글모드 파이버와 분지합류소자가 개재하고 있어서 이들에 따른 영향도 고려하면 (1)~(4)는 다음과 같이 변형된다.

[수학식 5]

｜B_aL_a-B_cL_c｜-B_sL_sC (5)

[수학식 6]

｜(B_bL_b-B_aL_a)- B_cL_c｜-B_sL_sC (6)

[수학식 7]

｜B_aL_a-(B_dL_d-B_cL_c)｜-B_sL_sC (7)

[수학식 8]

｜(B_bL_b-B_aL_a)-(B_dL_d-B_cL_c)｜-B_sL_sC (8)

이상의 설명은 4개의 복굴절성 재료의 복굴절율과 길이의 값 BL의 대소관계에 대해 몇 개의 전체를 놓고 있다. 부등식도 이들의 가정하에 성립해야 하는 것이다. 이들의 부등식은 항상 요구되지만 상기의 부등식을 전제로 하지 않는 경우는 이들 이외에 많은 부등식을 필요로 한다. 제4도의 최종적인 출력을 보면 알 수 있지만 광로가 다른 광성분이 2⁴=16도 있다. 이들의 광로길이의 차가 전부(C+B_s+L_s)보다 큰 것이 필요하다. 16의 광로길이의 전부를 상호 비교해 부등식을 만들려고 하면 2수는 16×15÷2=120개의 부등식이 될 수 있다. 그러나, 이들의 부등식 사이에는 동일한 것이 몇 개 있고 독립적이지는 않다. 이대로는 독립적인 부등식이 어떤 것인가를 지정할 수 없고 독립적인 부등식의 수가 몇 개인지 조차 알 수 없다. 본 발명이 명확한 지침을 제공할 수 있는 발명으로 성립하기 위해서는 독립적인 부등식이 몇 개 있고 그것이 어떻게 쓸수 있는가를 명확히 하지 않으면 안된다. 그래서 다음에 일반논리를 설명한다. 이것은 본 발명자가 창의적으로 공부한 것으로 다른 비슷한 예를 보지 않은 것이다. 제8도에 4개의 복굴절성 재료에 있어서 광로의 선택방법을 도시한다. 복굴절성 재료(a)에 있어서 광로의 선택에 의해 광로길이의 차가 복굴절성이 없는 경우에 비교해 ±B_sL_s/2만큼 증가 또는 감소한다. 그래서 ±1/2의 값을 갖는 스핀계수 S_a=±1/2이다. 이것을 이용하면 복굴절성 재료 a에서의 광로의 길이의 차의 변화가 S_aB_aL_a로 표현할 수 있다. 다음에 복굴절성 재료 b에서의 광로길이의 차의 변화는 ± B_aL_a/2이다. 이것도 스핀계수 S_c=±1/2를 이용해 S_bB_bL_b로서 표현할 수 있다. 또 제3의 복굴절성 재료 c에서의 광로길이의 차의변동도 S_cB_cL_c로 쓸 수 있다. 제4의 복굴절성 재료 d의 광로길이의 차의 변동도 S_dB_dL_d로 쓸 수 있다. 결구 4개의 복굴절성 재료를 투과했을 때의 합계의 광로길이의 차 W는 이들의 합으로 쓸 수 있다.

[수학식 9]

W=S_aB_aL_a+S_bB_bL_b+S_cB_cL_c+S_dB_dL_d(9)

[수학식 10]

S_a,S_b,S_c,S_d=±1/2 (10)

4개의 복굴절성 재료를 통과하는 때의 경로의 선택법은 2⁴=16가지 있다.

그래서 경로에 번호 ｉ를 붙인다. 경로 ｉ(=1~16)은 4개의 스핀계수S_a ⁱ,S_b ⁱ,S_c ⁱ,S_d ⁱ의 값에 의해 지정할 수 있다. 즉

[수학식 11]

Wⁱ=S_a ⁱB_aL_a+S_b ⁱB_bL_b+S_c ⁱB_cL_c+S_d ⁱB_dL_d(11)

로 쓸 수 있다. 2개가 다른 임의의 경로 ｉ와 ｊ의 광로의 길이의 차 W^I,W^J의 차 W^IJ는

[수학식 12]

W^IJ=W^I-W^J=(S_a ⁱ-S_a ^j)B_aL_a+(S_b ⁱ-S_b ^j)B_bL_b+(S_c ⁱ-S_c ^j)B_cL_c+(S_d ⁱ-S_d ^j)B_dL_d(12)

가 된다. 본 발명자의 주장은 다른 경로의 광로길이의 차의 차 W^IJ의 절대치가 (C+B_sL_s)보다 크다는 것이다. 즉 본 발명은 부등식 ｜W^IJ｜(C+B_sL_s)에 의해 간명하게 표현된다. W^IJ의 내용을 보다 명확히 한다. 2개의 경로의 스핀계수의 차(Sⁱ-S^j)를 세값의 계수 P^IJ로 한다. 즉 P_a ^IJ=S_a ⁱ-S_a ⁱ, P_b ^IJ=S_b ⁱ-S_b ⁱ, P_c ^IJ=S_c ⁱ-S_c ⁱ, P_d ^IJ=S_d ⁱ-S_d ⁱ로 한다. 스핀계수가 ±1/2의 값밖에 갖지 않기 때문에 세값의 계수P_a ^IJ, P_b ^IJ, P_c ^IJ, P_d ^IJ는 -1,0,+1의 3개의 값밖에 갖지 않는다. 그래서 세값의 계수라고 부르기로 한다.

[수학식 13]

W^IJ=P_a ^IJB_aL_a+P_b ^IJB_bL_b+P_c ^IJB_cL_c+P_d ^IJB_dL_d(13)

가 된다. 본 발명의 조건｜W^IJ｜(C+B_sL_s))는

[수학식 14]

｜P_a ^IJB_aL_a+P_b ^IJB_bL_b+P_c ^IJB_cL_c+P_d ^IJB_dL_d｜(C+B_sL_s) (14)

[수학식 15]

P_a ^IJ, P_b ^IJ, P_c ^IJ, P_d ^IJ=-1,0,+1 (15)

[수학식 16]

I, j=1,2,3,……16 (16)

[수학식 17]

i≠j (17)

로 쓸 수 있다. 이것은 ｉ와 ｊ를 슈픽스로 설치하고 있다. 생략이 없는 표현이다. 그러나 경로의 번호 ｉ와 ｊ는 세값의 계수의 조합이 다르다는 것을 도시한 것뿐이기 때문에 그 세값의 계수 자체의 선택법을 제시하고 있을 이유는 없다. 세값의 계수는 -1,0,+1의 어느것을 취한다는 것도 알 수 있다. ｉ와 ｊ의 부기는 사실은 불필요하다고 말할 수 있다. 그래서 슈픽스를 제외하고는 다음과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 18]

｜P_aB_aL_a+P_bB_bL_b+P_c B_cL_c+P_d B_dL_d｜(C+B_sL_s) (18)

[수학식 19]

P_a, P_b, P_c, P_d=-1,0,+1 (19)

가 되지만 이외의 ｉ≠ｊ라는 조건은 세값의 계수 P_a, P_b, P_c, P_d의 모든 것이 동시에 0이 되지 않은 조건으로 치환될 수 있다. 이와 같이 함에 따라 중복한 조건의 수가 적어지고 본 발명을 특징짓는 부등식이 명백해진다. 세값의 계수는 3종류의 수를 갖고 이것이 4개 있기 때문에 전부 3⁴=81의 경우가 있다. 그러나, 세값의 모두가 동시에 0이 되는 하나의 경우가 제외되기 때문에 80종류의 경우가 있다. 다시 절대치 기호가 붙어 있기 때문에 이 기호내의 세값의 계수의 모두에 부착부호를 갈아 놓은 것 (-→+,+→-)는 등가이다. 따라서 독립적인 부등식은 80÷2=40으로 40개가 된다. 본 발명은 4개의 복굴절성 재료를 갖는 경우, 광로길이의 차에 관한 40의 부등식(18)에 의해 정의된다. 스핀계수와 세값의 계수에 의해 본 발명을 정의하는 부등식이 명료해진다. 윗식에서 우변 (C+B_sL_s)의 B_sL_s를 좌변으로 이항하면

[수학식 20]

｜P_aB_aL_a+P_bB_bL_b+P_c B_cL_c+P_d B_dL_d｜-B_sL_sC (20)

[수학식 21]

P_a, P_b, P_c, P_d=-1,0,+1 (21)

이것을 본 발명의 표현으로 해도 좋다. 다음에 편광자의 인접하여 설치되는 하나의 복굴절성 재료를 이용한 데포라라이저를 하나와 독립적인 데포라라이저로 실효적으로 2개의 데포라라이저를 포함하는 광파이버자이로스코프에 대해서 같은 것을 생각 할 수 있다. 제9도는 이와 같이 광파이버자이로스코프의 전체도이다. 상술한 바와 같이 이것은 특원평 3-198534와 특원평 4-39899등으로 제안되어 있다. 제9도에서 편광자(19)가 있지만 그 직전에 길이가 L_a복굴절율이 B_a의 복굴절성 재료 a가 그 주축방향이 편광자의 투과축에 대해서 45도 비뚤어진 방향에서 접속되어 있다. 이것이 제1데포라라이저이다. 상수로 한 제1데포라라이저에 비해 복굴절성 재료 b가 결여되어 있다. 통상적인 데포라라이저는 하나의 복굴절성 재료를 45도의 각도에서 접합하지 않으면 안되지만 이 데포라라이저는 편광자가 있기 때문에 하나의 복굴절성 재료로 끝난다.

제2의 데포라라이저가 파이버코일(4)의 근방에 있지만 이것은 통상적인 2개의 복굴절성 재료 c와 d를 45도 비튼 방향에서 접합한 것이다. 이 경우는 3개의 복굴절 재료 a,c,d가 존재한다. 이들 3개의 복굴절성 재료 a,c,d의 복굴절율 B_a,B_b,B_c길이 L_a,L_b,L_c에 대해서 상호 간섭하지 않는 조건을 고찰한다. 복굴절성 재료가 하나 적기 때문에 조건은 보다 간단해지는 것이 예상된다. 그 보다 전에 편광자와 합체한 하나의 복굴절성 굴절성 재료에 의해 데포라라이저가 어떻게 구성되는가에 대해서 설명한다. 제10도에 있어서 하나의 복굴절성 재료 a와 편광자가 a의 광학 주축과 편광자의 투과축이 45도 비튼 각도에서 접합되어 있다고 하자. 아래에 광로길이의 차를 쓰고 있다. 0점에서 복굴절성 재료 a에 빛이 입사한다. B_a의 복굴절율을 갖기 때문에 단위길이당 B_a의 광로길이의 차가 발생한다. 상호 직교하는 직선편광을 ㄷ과 ㅏ로 표현하고 있다. 길이가 L_a이기 때문에 a의 출구에서의 광로길이의 차 DE는 B_aL_a이다. 이것은 편광자에 넣지만 편광자의 투과축에 복굴절성 재료 a의 주축과 45도 각도를 이루기 때문에 직선편광 D와 E는 함께 반분씩 투과축방향과 이것에 직각방향으로 편파면을 갖는 빛으로 분활된다. ㄷ은 ㅓ와 ㅁ, ㅏ은 ㅇ와 ㅗ로 나누어진다. 편광자이기 때문에 투과축방향으로 편파면을 갖는 ㅓ와 ㅇ의 빛은 투과할 수 있다. 그러나 이것과 직각방향으로 편파면을 갖는 ㅁ과 ㅗ의 빛은 편광에서 흡수되어 삭감된다. 외부에는 ㅓ와 ㅁ의 빛밖에 나오지 않는다. 이들의 광로길이의 차는 B_aL_a이고 이것은 코히어런트 길이 C보다 길게 선택되었기 때문에 이들 빛은 간섭하지 않는다. 또 D점, E점에서의 빛의 분활이 정확히 1:1이기 때문에 이것을 통과한 빛의 에너지는 입사 빛에너지의 정확히 반분이다. 데포라라이저가 어떠한 편파면 상태의 빛이었다고 해도 에너지의 반분만은 편광자를 통과할 수 있도록 하기 위해 편광자의 바로앞에 삽입되기 때문이다. 이 조건을 만족하고 있기 때문에 복굴절성 재료 a와 편광자의 조합에서 데포라라이저가 구성되는 것을 알 수 있다. 제11도에 의해 광로길이의 차에 대해 고찰한다. 이것은 미리 고찰한 것이 4회 분지하는데 비교해 3회분밖에 분지하지 않는다. 분지가 1회 적기 때문에 보다 간단한 관계에 있다. 제1데포라라이저의 분량이 점 0과 파선으로 연결되는 점 D,E이다. 광로길이의 차는 B_aL_a이다. 제2데포라라이저는 2개의 복굴절성 재료 c,d에 의해 이루어진다. 이들의 복굴절율은 B_c.B_d이고 길이는 L_c.L_d로 한다. 2점 D,E에서 제2데포라라이저의 작용에 의한 광로길이의 차가 발생한다. 복굴절성 재료 c에 의한 광로길이의 차는 B_cL_c이다. 점 D에서 출발한 빛은 편파면의 차이에 의해 점 F,H로 분리한다. 점 E에서 출발한 빛은 편파면의 차이에 의해 G와 H로 분리된다. 이들의 광로길이의 차가 B_cL_c이다. E와 G는 동일 편파면, H와 J는 동일 편파면을 갖는다. 복굴절성 재료 d에 의해 이들이 다시 8개의 광로길이의 차가 있는 성분으로 분리된다. 다시 순으로 S, T, U, V, W, X, Y, Z로 한다. 광로길이의 차는 각각 S=(B_aL_a+B_cL_c+B_dL_d)/2, T=(-B_aL_a+B_cL_c+B_dL_d)/2, U=(B_aL_a-B_cL_c+B_dL_d)/2, V=(-B_aL_a-B_cL_c+B_dL_d)/2, W=(B_aL_a+B_cL_c-B_dL_d)/2, X=(-B_aL_a+B_cL_c-B_dLd)/2, Y=(B_aL_a-B_cL_c-B_dL_d)/2, Z=(-B_aL_a-B_cL_c-B_dL_d)/2 이다. 이들의 대소의 순서는 BaLa, BcLc, BaLa의 대소관계에 의해 변동한다. 이들 모두의 광로차의 차가 어떤 것이나 (C+B_sL_s)보다 크지 않으면 안된다. 이와 같은 사정은 전례와 동일하다. 8개의 파라메타가 있고 이들의 차의 절대치가 무엇이나 (C+B_sL_s)보다 크기 때문에 28개의 부등식이 가능하다. 그러나 이것은 선례와 같고 모두 독립적인 관계는 아니고 동일의 부등식을 포함한다. B_aL_a, B_cL_c,B_dL_d의 대소관계를 경우로 나누어 부등식의 수를 제한할 수 있다. 그러나 이것도 번잡하기 때문에 나누어 부등식의 수를 제한할 수 있다. 그러나 이것은 번잡하기 때문에 우선 일반식을 이끌기로 하자. 점 0에서 등확률에서 점 D와 E에 이르지만 복굴절성이 없는 경우에 비교해 ±B_aL_a/2만큼 증가한다. 그래서 스핀계수 S_a=±1/2라는 것을 정의한다. 이것을 사용하면 복굴절성 재료 a에서의 광로길이의 차의 발생은 S_aB_aL_a로 쓸 수 있다. 여기에서는 그와 같은 의미는 없다. 간단히 ±1/2의 값을 갖는다는 점에서 유추하여 이름을 붙였다. 마찬가지로 복굴절성 재료 c에서의 광로길이의 차는 스핀계수 S_c=±1/2를 이용해 S_cB_cL_c라고 쓸 수 있다. 또 복굴절성 재료 d의 광로길이의 차는 스핀계수 S_d를 사용해 S_dB_dL_d로 쓸 수 있다. 전광로의 길이의 차는

[수학식 22]

W=S_aB_aL_a+S_cB_cL_c+S_dB_dL_d(22)

로 표기할 수 있다. 스핀계수의 선택법에 의해 이것은 8의 다른 값을 취한다. 이것이 제11도의 S~Z에 대응한다. 광로의 모드를 ｉ로 도시한다. 여기에서는 ｉ=1~8이다. 슈픽스로서 ｉ를 붙이고 광로 ｉ의 광로길이의 차 Wi는

[수학식 23]

W^I=S_a ^IB_aL_a+S_c ^IB_cL_c+S_d ^IB_dL_d(23)

광로 ｉ와 광로 ｊ의 광로길이의 차의 차Wi는

[수학식 24]

W^IJ=W^I-W^J=(S_a ⁱ-S_a ^j)B_aL_a+(S_c ⁱ-S_c ^j)B_cL_c+(S_d ⁱ-S_d ^j)B_dL_d(24)

가 된다. 스핀계수는 +1/2나 -1/2의 어떤값을 취하기 때문에 이들의 차는 -1,0,+1의 어느것이나, 이것을 세값 계수 P로 표현한다. P_a ^IJ=S_a ⁱ-S_a ⁱ, P_c ^IJ=S_c ⁱ-S_c ⁱ, P_d ^IJ=S_d ⁱ-S_d ⁱ이다. 이것을 사용하면

[수학식 25]

W^IJ=P_a ^IJB_aL_a+P_c ^IJB_cL_c+P_d ^IJB_dL_d(25)

라고 쓸 수 있다. 본 발명은 모든 광로에 붙어 그 광로길이가 차가 (C+B_sL_s)보다 크다는 것을 요구하기 때문에 ｜W^IJ｜(C+B_sL_s))라는 부등식이 모두 다른 광로 ｉ,ｊ에 대해서 성립하면 좋다. 이것을 양으로 쓰면 다음의 부등식 표현이 얻어진다.

[수학식 26]

｜P_a ^IJB_aL_a+P_c ^IJB_cL_c+P_d ^IJB_dL_d｜(C+B_sL_s) (26)

[수학식 27]

P_a ^IJ, P_c ^IJ, P_d ^IJ=-1,0,+1 (27)

[수학식 28]

i, j=1,2,3,……16 (28)

[수학식 29]

i≠j (29)

이것은 세값의 계수가 3종류의 값을 갖기 때문에 3³=27개의 식으로 되지만 ｉ=ｊ가 제외되기 때문에 세값의 계수가 0이라는 것이 제외된다. 때문에 26개의 식이 된다. 그러나 절대치 기호가 붙어 있어서 정부의 부호를 모두 넣은 식이 등가로 된다. 그래서 독립적인 부등식의 수는 13개이다. 세값 계수에서 첨자 ｉ와ｊ를 제외하고 간략화하여 표현될 수도 있다. 단 이것이 -1,0,+1을 취하는 것을 잊어서는 안된다.

[수학식 30]

｜P_aB_aL_a+P_cB_cL_c+P_dB_dL_d｜-B_sL_sC (30)

[수학식 31]

P_a, P_c, P_d=-1,0,+1 (31)

이것이 간략화한 부등식 표현이다.

실시예

제6도는 2개의 독립적인 데포라라이저를 갖는 본 발명의 실시예에 관한 광파이버자이로스코프를 도시한다. 이것은 광로가 거의 모두 광파이버로 구성되어 있다. 싱글모드 광파이버를 주로 하고 있지만 편파면 보존 광파이버를 일부로 이용하고 있다. 이 광파이버자이로스코프는 발광소자(1), 제1,제2데포라라이저(2),(3), 파이버코일(4), 위상변조기(5), 수광소자(6), 제1,2파이버커플러(7),(8), 편광자(9)를 포함한다. 이들의 부품이 광파이버에 의해 상호 연결되어 있다. 편광자는 편광프리즘, 편광판, 금속 유전체 다층막, 파이버형 편광자등을 사용할 수 있다. 만약 파이버형 편광자를 사용하면 광로의 대부분으로 파이버로 구성할 수 있다. 발광소자(1)는 집단색광을 내는 광원이다. 레이저다이오드, 스펄미네센트다이오드가 이용된다. 단 코히어런트 길이가 짧은 것이 아니면 안된다. 데포라라이저(2)(3)은 타원편광, 원광판, 직선편광등을 무편광으로 하는 소자이다. 제1의 데포라라이저는 제1의 파이버커플러(7)와 편광자(9) 사이에 있다. 제2의 데포라라이저(3)는 제2의 파이버커플러(8)와 파이버코일(4) 사이에 넣는다.

제1의 데포라라이저는 제7도에 표시한 바와 같이 편파면 보존 광파이버 2개 (a,b)를 광학 주축이 45도를 이루도록 축방향으로 접속한 것이다. 같은 편파면 보존 광파이버이기 때문에 복굴절율은 같다. B_a=B_b=B₁로 쓴다. 그리고 2개의 편파면을 갖는 빛의 광로차가 발광소자의 코히어런트 길이 이상이 되도록 한다. 종래는 2개의 광파이버의 길이는 2:1로 하는 것이 많았다. 그러나 본 발명에서는 이 비는 자유롭게 결정할 수 있다. 복굴절율이 동일하기 때문에 짧은쪽의 광파이버가 상기의 조건을 만족하지 않으면 안된다. 편파면이 X방향, Y방향인 빛의 굴절율은 n_x,n_y파이버의 길이 L_aL_b, 발광소자의 코히어런트 길이를 C로 하면

[수학식 32]

(n_x-n_y) L_aC, (n_x-n_y) L_bC (32)

라는 것이지만 B_a=B_b=B₁=n_x-n_y이기 때문에 이것은 간단히

[수학식 33]

B₁L_aC, B₁L_bC (33)

라는 것이다, 제2의 데포라라이저(3)에 대해서도 마찬가지이고 편파면 보존 파이버의 길이를 L_c,L_d로 하고

복굴절율을 B_c=B_d=B₂로 표시하면

[수학식 34]

B₂L_aC, B₂L_bC (34)

가 된다. 이와 같은 조건은 잘 알려져 있다. 본 발명에서는 이들의 복굴절성이 싱글모드 파이버와 커플러의 복굴절성에 의해 부정되지 않는다는 조건을 추가하기 때문에

[수학식 35]

₁L_a-B_sL_sC (35)

[수학식 36]

₁L_b-B_sL_sC (36)

[수학식 37]

B₂L_c-B_sL_sC (37)

[수학식 38]

B₂L_d-B_sL_sC (38)

[수학식 39]

B₁｜L_a-L_b｜-B_sL_sC (39)

[수학식 40]

B₁｜L_d-L_c｜-B_sL_sC (40)

이라는 조건이 독립적으로 부과한다. 본 발명에서는 다시 진행하여 2개의 데포라라이저의 작용이 상호 부정하지 않는 것과 싱글모드 파이버와 파이버커플러에서의 복굴절성에 의한 광로길이의 차 B_sL_s를 고려해 넣고 L_bL_s, L_cL_d의 경우에 다음의 조건을 추가한다.

[수학식 41]

｜B₁L_a-B₂L_c｜-B_sL_sC (41)

[수학식 42]

｜B₁(L_b-L_a)-B₂L_c｜-B_sL_sC (42)

[수학식 43]

｜B₁L_a-B₂(L_d-L_c)｜-B_sL_sC (43)

[수학식 44]

｜B₁(L_b-L_a)-B₂(L_d-L_c)｜-B_sL_sC (44)

이상과 같이 하면 제1의 데포라라이저에 의해 4개의 광로의 길이의 차가 코히어런트 길이 이상의 다른 빛이 제2데포라라이저에서 16의 광로의 길이의 차가 코히어런트 길이상의 다른 빛에 의해 재간섭을 일으킬 가능성이 없다.

제1의 데포라라이저에서 무편광이 된후 편광자를 통과하고 나서 하나의 편파면밖에 존재하지 않게 된다. 그러면 4개의 다른 광로의 길이를 갖는 빛의 어떤 것이 삭감할 것으로 생각할 수 있지만 그렇지는 않다. 데포라라이저의 광학 주축과 편광자의 주축이 일치하지 않기 때문에 4개의 빛이 어느것이나 편광자를 통과한다. 물론 편파면과 편광자 주축에 이루는 각의 사인에 비례해 감퇴한다. 편광자를 통과한 것이 모두 제2의 데포라라이저에서 광로길이의 길이를 변화를 받지만 물론 편파면이 같은 것만이 간섭이 가능성이 있다.

그러면 간섭가능한 빛 사이에 제한이 있을 것이라고도 생각할 수 있지만 싱글모드 파이버에서 편파면이 우연적으로 회전하기 때문에 모든 빛 사이에 간섭의 가능성이 발생하기 때문이다. 그렇지만(41)~(44)와 같이 하면 어떤 빛 사이에서도 간섭이 일어나지 않는다. 따라서 각속도 측정에 있어서 드리프트가 적어진다. 데포라라이저에 대해서 설명했기 때문에 이하 그외의 구성에 대해서 설명한다. 파이버코일(4)은 싱글모드 광파이버를 다수 다감은 것이다. 위상변조기(5)는 원통형의 압전 진동자에 파이버코일의 일단 가까운 광파이버를 감아 설치한 것이다. 압전 진동자에 교류의 여기전압을 주면 이것이 반경방향으로 팽축하기 때문에 광파이버가 신축하여 이 사이를 전파하는 빛의 위상이 변화한다. 수광소자(6)는 pin오트다이오드등이고 파이버코일을 좌회전 우회전으로 전파한 빛을 간섭시켜 간섭광의 강도를 검출한다. 파이버커플러(7)(8)은 2개의 광파이버의 피복을 박리하고 접근시켜 융착하고 길게 한 것이다. 코아 사이의 거리가 작기 때문에 에바네센트 결합한다. 한쪽의 단에서 빛을 넣으면 다른쪽의 2개의 끝에 반분씩 광파워가 나오도록 조정하여 만든다. 빔스프린터와 같이 매우 높아지고 소형의 분지소자이다. 편광자(9)로서는 편광프리즘, 파이버형 편광자, 금속 유전체 다층막등을 이용할 수 있다. 파이버형 편광자라고 하는 것은 편파면 보전 광파이버를 원통에 감아 설치한 것이다. 직교하는 편파면을 갖는 2개의 모드내 하나의 모드가 방사모드가 되고 감쇄하기 때문에 남은 하나의 모드 빛만 이 사이를 통과할 수 있다. 그래서 편광자와 등가의 움직임을 한다. 이것은 편파면 보존 파이버이기 때문에 본 발명과 같이 데포라라이저의 구조를 단순화할 수 있다. 다음에 파이버에서 형성된 광로에 대해서 설명한다. 제1파이버 광로(11)는 발광소자(1)와 제1파이버커플러(7)사이를 연락한다. 싱글모드 광파이버한다. 발광소자(1)과 파이버 끝 사이에는 집광광학계(10)이 있다. 제2파이버 광로(12)는 제1파이버커플러(7)와 제2파이버커플러(8) 사이를 연락한다. 제3파이버 광로(13)와 제4파이버 광로(14)는 파이버코일(4)의 양단부분에서 어느것이나 제2파이버커플러(8)의 한단에 접속되어 있다. 제5파이버 광로(15)는 제1파이버커플러(7)과 수광소자(6)을 연락한다. 제6파이버 광로(16)는 제2파이버커플러(8)에 이어지는 파이버의 여분인 자유단을 갖고 있다. 제7파이버 광로(17)는 제1파이버커플러(7)에 이어지는 파이버의 여분이고 자유단을 갖는 분리 소자를 파이버커플러로 하면 이처럼 자유단에서 끝의 여분의 부분이 어쩔수 없이 발생한다. 제1,제2파이버커플러(7)(8)사이의 제2파이어 광로(12)의 도중에 편광자가 설치된다. 위상변 조기(5), 제2데포라라이저(3)는 제3,제4파이버 광로(13)(14)의 어딘가에 설치된다.

이 예에서는 양자가 다른 광로에 분배되어 있지만 동일한 광로에 있어서도 지장은 없다. 제1의 데포라라이저(2)는 제2데포라라이저 광로(12)의 제1파이버커플러(7)과 편광자(9) 사이에 설치한다. 발광소자(1)에서 출사된 직선편광이지만 제1의 데포라라이저(2)에서 무편광이 된다. 이것이 편광자(9)에 도달하고 이 방향의 직선편광이 된다. 일단 무편광으로 하기 때문에 편광자(9)에서 직선편광이 된 때의 빛의 잔폭은 발광소자의 방위에서는 무단계하고 일정해진다. 발광소자와 편광자와 축맞춤을 할 필요가 없다. 또 외력과 온도에 의해 광파이버 중에서 편파면이 회전해도 무편광이기 때문에 영향이 없다. 그후 제2의 파이버커플러(8)를 통해 2개로 분지한다. 하나는 데포라라이저(3)을 통해 파이버코일(4)을 좌회전빛으로서 통과하고 위상변조기(5)를 통해 제2파이버커플러(28)에 돌아온다. 이미 하나의 빛은 먼저 위상변조기(5)를 통하고 파이버코일(4)을 좌회전빛으로서 전파하고 데포라라이저(3)을 통해 제2파이버커플러(8)에 돌아온다. 제2의 데포라라이저가 있는 것은 여기에서 직선편광 또는 특정의 방향으로 주측을 갖는 타원편광이라도 무편광으로 하여 편광자(9)를 통과하는 것이 가능하도록 하기 위해서이다. 위상변조기는 일정한 변조주파수의 신호를 빛의 위상으로 준다. 좌회광전, 우회광전이 어느것이나 수광소자(6)에 입사하여 여기에서 간섭한다. 간섭광의 출력을 동기 검파하여 우회전광 좌회전광의 위상차를 구한다. 제9도에 도시한 광파이버자이로스코프의 실시예에 대해 설명한다. 이것은 제6도의 것과 거의 동일하지만 제1데포라라이저(2)가 하나의 복굴절성 재료와 편광자(19)에 의해 이루어져 있다. 이것의 데포라라이저로 기능하는 것은 이미 설명했다. 이 경우 광로차에 부과되어야 하는 조건은 상술한 것과 같이

[수학식 45]

｜P_aB_aL_a+P_cB_cL_c+P_dB_dL_d｜-B_sL_sC

P_a, P_c, P_d=-1,0,+1 (45)

이다. 그외의 작용은 전례와 동일하다. 본 발명에서는 광파이버자이로스코프 사이에 2개의 데포라라이저를 넣고 있다. 발광소자와 편광자 사이에 독립 또는 편광자에 의존한 제1데포라라이저를 제2파이버커플러와 파이버코일 사이에 독립의 제2데포라라이저를 넣고 있다. 독립의 데포라라이저는 2개의 길이가 다른 복굴절성 재료(예를 들면 편파면 보존 파이버, 복굴절성 결정)을 주축이 45도 다른 모양으로 접속하여 이루어진다. 편광자에 의존한 데포라라이저는 편광자에 하나의 복굴절성 재료를 접속한 것이다. 데포라라이저가 두 개 있기 때문에 상호간섭이 일어날 수 있다는 것이 종래에 전혀 인식되고 있지 않았다. 등가의 데포라라이저를 2개 사용하면 확실히 상호간섭이 일어난다. 만약 데포라라이저의 간섭이 일어나면 광파이버자이로스코프의 출력의 오프셋트와 드리프트가 일어나서 정확히 각속도를 구할 수 없다. 여기에 착안한 것은 본 발명자가 처음일 것이다. 본 발명자는 2개의 데포라라이저의 상호간 증거가 일어나는 조건을 고찰하고 데포라라이저를 구성하는 복굴절성 재료의 길이를 갖는 부등식에 따라서 결정함에 의해 재간섭이 일어나지 않게 되어 있다. 데포라라이저 사이의 간섭이 일어나지 않기 때문에 데포라라이저는 본래의 기능을 충분히 발휘할 수 있다. 다시 코히어런트 길이(C)를 (C+B_sL_s)로 대체하여 조건을 설정하고 있기 때문에 드리프트하지 않게 된다. 편광자, 데포라라이저등을 포함한 거의 모든 광로를 광파이버에 의해 구성한 스케일 팩터의 안정된 드리프트가 없는 광파이버자이로스코프를 제공할 수 있다.

Claims (5)

1. 파이버코일 사이를 좌우로 회전시켜 빛을 전달하고 좌우로 회전하는 빛의 위상차로부터 파이버코일의 회전각속도를 구하는 것을 원리로 하는 광파이버자이로스코프에 있어서, 코히어런트 길이가 C인 집단색광을 일으키는 발광소자와, 싱글모드 광파이버를 복수회 감은 파이버코일과, 파이버코일 사이를 좌우로 회전하여 전달된 빛을 간섭시켜 간섭광의 강도를 검출하는 수광소자와, 원편광 또는 타원편광의 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자와, 발광소자에 이어진 제1파이버 광로와 수광소자에 이어진 제5파이버 광로를 편광자를 포함하는 제2파이버 광로에 결합하는 제1분지합류소자와, 파이버코일의 양단에 이어진 제3파이버 광로와 제4파이버 광로를 제2파이버 광로에 결합하는 제2분지합류소자와, 광원과 편광자의 중간에 설치되어 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제1데포라라이저와, 파이버코일의 양단과 제2분지합류소자를 잇는 제3파이버 광로 또는 제4파이버 광로의 도중에 설치되는 광편자열을 랜덤으로 하는 제2데포라라이저를 포함하고, 발광소자에서 출사한 빛을 제1데포라라이저에서 무편광으로 하고 나서 편광자로 통하도록 하고 있고, 제1데포라라이저는 길이 L_a,L_b,복굴절율 B_a, B_b의 2개의 복굴절성 재료 a,b를 주축을 45도 기울여 접합한 것이고, 제2데포라라이저는 L_c,L_d,복굴절율 B_c, B_d의 2개의 복굴절성 재료 c,d를 주축을 45도 기울여 접합한 것이고, 싱글모드 파이버 길이와 복굴절율의 적, 분지합류소자의 길이와 복굴절율의 적의 합을 B_sL_s로 나타내고, -1,0,+1중 어떤 값을 취할 때 모두 0이 되지 않는 각 복굴절성 재료 a,b,c,d의 세값의 계수를 P_a, P_b, P_c, P_d로 하며, 각 복굴절성 재료의 세값의 계수, 복굴절의 곱의 합이 다음 단계 ｜P_aB_aL_a+P_bB_bL_b+P_cB_cL_c+P_dB_dL_d｜-B_sL_sC 를 만족하는 것을 특징으로 하는 광파이버자이로스코프.
2. 파이버코일 사이를 좌우로 회전시켜 빛을 전달하고 좌우로 회전하는 빛의 위상차로부터 파이버코일의 회전각속도를 구하는 것을 원리로 하는 광파이버자이로스코프에 있어서, 단색광을 일으키는 발광소자와, 싱글모드 광파이버를 복수회 감은 파이버코일과, 파이버코일 사이를 좌우로 회전하여 전달된 빛을 간섭시켜 간섭광의 강도를 검출하는 수광소자와, 원편광 또는 타원편광의 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자와, 발광소자에 이어진 제1파이버 광로와 수광소자에 이어진 제5파이버 광로를 편광자를 포함하는 제2파이버 광로에 결합한 제1분지합류소자와, 파이버코일 양단에 이어진 제3파이버 광로 또는 제4파이버 광로를 제2파이버 광로에 결합한 제2분지합류소자와, 광원과 편광자의 중간에 설치되어 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제1데포라라이저와, 파이버코일의 양단과 제2분지합류소자를 잇는 제3파이버 광로 또는 제4파이버 광로의 도중에 설치되어 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제2데포라라이저를 포함하고, 발광소자에서 출사한 빛을 제1데포라라이저에서 무편광으로 하고 나서 편광자로 통하도록 하고 있고, 제1데포라라이저는 복굴절율이 B₁이고 길이가 L_a이며 직교하는 주축방향으로 편파면을 갖는 광성분의 광로차가 발광소자의 코히어런트 길이 C이상인(B₁L_aC) 복굴절 재료 a와, 복굴절율이 B₁이고 L_a보다 긴 길이 L_b를 갖는 (L_bL|_a) 복굴절성 재료 b를 주축이 45도 기울도록 접합한 것이고, 제2데포라라이저는 복굴절율이 B₂이고 길이가 L_C이며 직교하는 주축방향으로 편파면을 갖는 광성분의 광로차가 발광소자의 코히어런트 길이 C 이상인 (B₁L_cC) 복굴절성 재료 c와, 복굴절율이 B₂이고 L_c보다 긴 길이 L_d를 갖는 (L_dL_c) 복굴절성 재료 d를 주축이 45도 기울도록 접합한 것이고, 싱글모드 파이버의 길이와 복굴절율의 적, 분지합류소자의 길이와 복굴절율의 적의 합을 B_sL_s로 표시하며,

   B₁L_a-B_sL_sC

   B₂L_c-B_sL_sC

   ｜B₁(L_b-L_a)｜-B_sL_sC

   ｜B₂(L_d-L_c)｜-B_sL_sC

   ｜B₁L_a-B₂L_c｜-B_sL_sC

   ｜B₁(L_b-L_a)-B₂L_c｜-B_sL_sC

   ｜B₁L_a-B₂(L_d-L_c)｜-B_sL_sC

   ｜B₁(L_b-L_a)-B₂(L_d-L_c)｜-B_sL|_sC

   인 것을 특징으로 하는 광파이버자이로스코프.
3. 제2항에 있어서, 제1데포라라이저에 있어서 L_b=2L_a이고, 제2데포라라이저에 있어서 L_d=2L_c이며, ｜B₁L_a-B₂L_c｜-B|_sL_sC 인 것을 특징으로 하는 광파이버자이로스코프.
4. 파이버코일 사이를 좌우로 회전하여 빛을 전달하고 좌우로 회전하는 빛의 위상차로부터 파이버코일의 회전각속도를 구하는 것을 원리로 하는 광파이버자이로스코프에 있어서, 코히어런트 길이가 C인 집단색광을 일으키는 발광소자와, 싱글모드 광파이버를 다수 감은 파이버코일과, 파이버코일의 사이를 좌우로 회전하여 전달된 빛을 간섭시키고 간섭광의 강도를 검출하는 수광소자와, 원편광 또는 타원편광의 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자와, 발광소자에 이어지는 제1파이버 광로와 수광소자에 이어지는 제5파이버 광로를 편광자를 포함하는 제2파이버 광로에 결합하는 제1분지합류소자와, 파이버코일의 양단에 이어지는 제3파이버 광로와 제4파이버 광로를 제2파이버 광로에 결합하는 제2분지합류소자와, 편광자의 직전에 설치되고 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제1데포라라이저와, 파이버코일의 양단과 제2분지합류소자를 잇는 제3파이버 광로 또는 제4 광로의 도중에 설치되어 빛의 편파면을 랜덤으로 하는 제2데포라라이저를 포함하고, 발광소자에서 출사한 빛을 제1데포라라이저에서 무편광으로 하고 나서 편광자로 통하도록 하고 있고, 제1데포라라이저는 길이 L_a,복굴절율 B_a인 하나의 복굴절성 재료 a를 그 주축이 편광자의 투과축에 대하여 45도 기울이도록 편광자에 직접적으로 적합한 것이고, 제2데포라라이저는 길이 L_c,L_d,복굴절율 B_c, B_d의 2개의 복굴절율 재료 c,d를 주축을 45도 기울어 접합한 것이고, 싱글모드 파이버의 길이와 복굴절율의 적, 분지합류소자의 길이와 복굴절율의 적의 합을 B_s,L_s로 나타내고-1,0,+1의 어떤값을 취할 때 모두 0이 되지 않는 각 복굴절성 재료 a,b,c의 세값의 계수를 P_a, P_b, P_d로 하며, 각 복굴절율 재료의 세값의 계수, 복굴절율 길이의 적의 합이 다음 단계 ｜P_aB_aL_a+P_cB_cL_c+P_dB_dL_d｜-B_sL_sC 를 만족하도록 한 것을 특징으로 하는 광파이버자이로스코프.
5. 제4항에 있어서, 제2데포라라이저에 있어서 L_d=2L_c또는 B_d=B_c이고, ｜B_aL_a+B_cL_c｜-B_sL_sC 인 것을 특징으로 하는 광파이버자이로스코프.