JP2751599B2 - 光フアイバジヤイロ - Google Patents
光フアイバジヤイロInfo
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Description
この発明は自動車、飛行機、船舶など運動体の回転角
速度を測定するための光ファイバジャイロに関する。特
に光路の全てを光ファイバで構成した位相変調方式の光
ファイバジャイロに関する。
速度を測定するための光ファイバジャイロに関する。特
に光路の全てを光ファイバで構成した位相変調方式の光
ファイバジャイロに関する。
光ファイバジャイロはファイバコイルの中を左廻り右
廻りに伝搬する光の位相差がコイルの角速度に比例する
ことを利用して角速度を求めるものである。 位相変調方式というのは、ファイバコイルの一方の端
近くの光ファイバの一部を伸縮させてこの中を伝搬する
光の位相を変調するものである。干渉光の強度を受光素
子で検出するがこの中には変調周波数及びその高調波信
号がベッセル函数を係数とする展開式の形で含まれる。
そこで変調波周波数またはその整数倍の周波数のキャリ
ア信号を作り、受光素子出力をこれによって同期検波す
れば基本波成分または任意の高調波成分を得ることがで
きる。 奇数次の高調波（基本波を含む）は 2E1E2J2m+1（ξ）sinΔθ （１） と書くことができる。ただしE1、E2は左廻り右廻り光の
振幅、J2m+1（ξ）は（2m＋１）次ベッセル函数、Δθ
は左廻り光、右廻り光の位相差である。ξは変調の大き
さを表し、 である。ｂは位相変調の振幅、Ωは位相変調角周波数、
Ｌはファイバコイルのファイバ調、ｎはファイバ屈折
率、ｃは真空中の光速である。 偶数次の高調波は 2E1E2J2n（ξ）cosΔθ （３） と書くことができる。光の振幅と変調の大きさξとが安
定していれば基本波だけから位相差Δθを求めることが
できる。 変調の大きさξを一定にするためには、適当な偶数次
高調波が０になるように、位相変調器駆動回路を制御す
ればよい。するとJ2n（ξ０）＝０となる2n次ベッセル
函数の零点にξが固定される。 光の振幅が変動するのであれば、基本波を４倍高調波
で割ってtanΔθの位相差を求めれば良い。 位相変調方式の光ファイバジャイロについては、特願
平１−57634〜37、特願平１−291628〜31、１−29550
0、特願平２−3809、２−10055などの発明がなされてい
る。 光ファイバジャイロは、左廻り光と右廻り光を干渉さ
せるのであるから、偏波面が同一でなければならない。
偏波面が異なると干渉光は偏波面の挟角の余弦に比例す
る値となるし、偏波面が直交すれば光は干渉しない。 そこで左廻り光右廻り光の偏波面を揃えなければなら
ない。シングルモード光ファイバの場合は縮退した２つ
の偏波面の光が同一の位相定数で伝搬するから、偏波面
が回転する。 そこでシングルモード光ファイバではなく偏波面保存
光ファイバによって光路の大部分を構成し、光が２つに
分割される前に偏光子を通して直線偏光にしておくとい
う工夫が考えられる。偏波面が直交２軸に対して保存さ
れる。偏波面回転が起こらないので、左廻り光右廻り光
の偏波面を揃えて両者を干渉させることができる。 しかし偏波面保存光ファイバでは単なるシングルモー
ド光ファイバに比べ高価であるので極めて高額の光ファ
イバジャイロになってしまう。 やはりファイバコイルや光路の大部分は単なるシング
ルモード光ファイバによって製作したいものである。と
ころがシングルモード光ファイバにはいくつかの問題が
ある。 シングルモードといっても位相定数についてひとつの
モードしか立たないということであり、偏波面の直交す
る２つのモードが実際には存在する。偏波面の異なるモ
ードは理想的には独立であるが、位相定数が巨視的には
同一であるから偏波面の回転が起こりうる。 異なる偏波面を持つモードは微視的な位相定数のゆら
ぎが異なるので、同じ距離だけ伝搬しても実効的な光路
長が同じということはない。 そこで偏波面の異なる２つのモードの伝搬を許すとす
ると、光路長の異なる左廻り右廻りの光が干渉すること
になり、干渉光にオフセットが含まれる。ここでオフセ
ットというのは、コイルの角速度Ωｃが０であるのに位
相差Δθが０でない場合Δθの０からのずれをいう。実
効的な光路長が違うのであればこれは当然のことであ
る。 左廻り右廻り光が厳密に同じ経験をしなければならな
い。このためには左廻り光右廻り光に分ける前に偏光子
に通して偏波面を一方向に固定するのが有効である。こ
うするとシングルモードファイバの中にひとつの偏波面
のモードしか通らないので、光路長が同一になるのであ
る。ここまでは前述の偏波面保存光ファイバの場合と同
じである。 しかしシングルモード光ファイバでは偏波面の回転が
起こりうるので、これだけでは不十分である。偏光子を
通って直線偏光になってからファイバコイルを伝搬し、
再び偏光子を反対向きに通過する。この時偏波面が偏光
子の主軸と一致するとは限らない。主軸となす角をφと
すると、偏光子を通り抜ける光量はcosφに比例して減
少する。この角度が左廻り右廻り光によって同一とは限
らないし、温度によっても変動する。 そこでシングルモード光ファイバを用いるときには、
偏光子の他に、デポラライザ（depolarizer）を必要と
する。これは任意の直線偏光を無偏光に変換するもので
ある。 例えば、 K.Bhm et al.:“Low−Drift Fiber Gyro Using a Sup
erluminescent Diode",ELECTRONICS LETTERS,vol.17,N
o.10,p352（1981）， にこのような光ファイバジャイロが提案されている。第
２図に構造を示す。 発光素子１から出射された光はレンズ21、ビームスプ
リッタ22、偏光子23、レンズ24を経て光ファイバ25の一
端に入射する。これは光を集光させて小さいファイバコ
アを入射するものであるが偏光子23があるので直線偏光
になっている。つまりひとつはの偏波面のモードのみを
通すようにしているのである。このファイバ25はカップ
ラ26により他のファイバ27と結合している。ここで左廻
り光と右廻り光に分離される。右廻り光はファイバ25か
ら一旦空間に出てレンズ28、デポラライザ29、レンズ30
を経て再びファイバ３に入りファイバコイル４を右廻り
に伝搬する。この後位相変調器５を通る。 左廻り光はファイバ27から位相変調器５を通りファイ
バコイル４を左廻りに伝搬する。この後デポラライザ29
を通過する。デポラライザ29は直線偏光を無偏光にする
もので、偏光子と逆の働きをする。これはLyot depolar
zerといい、複屈折性を持つ結晶２枚を光学主軸が45゜
捩じれたように貼り合わせたものである。その厚みは1:
2になっている。しかも難れの結晶の厚みも、光の可干
渉長（コヒーレントレングス）より、異常光、常光線の
光路差が長くなるようになっている。薄いデポラライザ
を使おうとすると、可干渉長の短い発光素子が必要であ
る。 第２図のものはシングルモード光ファイバを使うもの
で、偏光子、デポラライザを用いることにより偏波面回
転による出力変動の問題を解決している。 同じくＢhm等は第３図に示す光ファイバジャイロを
も提案している。発光素子１から出射された光がシリン
ドリカルレンズ33、レンズ34、35を経て絞られファイバ
36の一端に入射する。このファイバ26はカップラ37によ
り、受光素子36につながるファイバ32に連結している。
ファイバ36から出射した光はレンズ38、偏光子39、レン
ズ40を通って他のファイバ41に入射する。カップラ42に
よりこの光が左廻り光と右廻り光に分岐される。 右廻り光は、ファイバ端43から自由空間に出て、レン
ズ45、デポラライザ46、レンズ47を通り光ファイバ３の
コアに入射する。そしてファイバコイル４を右廻りに通
過し、位相変調器５を通りカップラ42から偏光子39へと
戻ってゆく。 左廻り光は、カップラ42から位相変調器５を通り、フ
ァイバコイル４を左廻りに回って、デポラライザ46を反
対向きに通過する。 第２図の装置も第３図の装置も先ず偏光子で偏波面を
ひとつに固定し、この後２つの光に分けてデポラライザ
を通して無偏光にしている。左廻り光と右廻り光は位相
変調器５を通ることにより異なる時刻に位相変調を受け
る。受光素子出力は変調信号に同期してロックインアン
プ（図示せず）で増幅される。位相変調方式としての処
理は従来のものと同様である。 デポラライザを通るので無偏光になり、これが偏光子
を再び通る。それぞれの光成分は偏光子の主軸となす角
の余弦だけが通過することになる。従って偏波面回転が
起こっていたとしても偏光子を通過することによる光量
の変動、減退の問題を回避できる。
廻りに伝搬する光の位相差がコイルの角速度に比例する
ことを利用して角速度を求めるものである。 位相変調方式というのは、ファイバコイルの一方の端
近くの光ファイバの一部を伸縮させてこの中を伝搬する
光の位相を変調するものである。干渉光の強度を受光素
子で検出するがこの中には変調周波数及びその高調波信
号がベッセル函数を係数とする展開式の形で含まれる。
そこで変調波周波数またはその整数倍の周波数のキャリ
ア信号を作り、受光素子出力をこれによって同期検波す
れば基本波成分または任意の高調波成分を得ることがで
きる。 奇数次の高調波（基本波を含む）は 2E1E2J2m+1（ξ）sinΔθ （１） と書くことができる。ただしE1、E2は左廻り右廻り光の
振幅、J2m+1（ξ）は（2m＋１）次ベッセル函数、Δθ
は左廻り光、右廻り光の位相差である。ξは変調の大き
さを表し、 である。ｂは位相変調の振幅、Ωは位相変調角周波数、
Ｌはファイバコイルのファイバ調、ｎはファイバ屈折
率、ｃは真空中の光速である。 偶数次の高調波は 2E1E2J2n（ξ）cosΔθ （３） と書くことができる。光の振幅と変調の大きさξとが安
定していれば基本波だけから位相差Δθを求めることが
できる。 変調の大きさξを一定にするためには、適当な偶数次
高調波が０になるように、位相変調器駆動回路を制御す
ればよい。するとJ2n（ξ０）＝０となる2n次ベッセル
函数の零点にξが固定される。 光の振幅が変動するのであれば、基本波を４倍高調波
で割ってtanΔθの位相差を求めれば良い。 位相変調方式の光ファイバジャイロについては、特願
平１−57634〜37、特願平１−291628〜31、１−29550
0、特願平２−3809、２−10055などの発明がなされてい
る。 光ファイバジャイロは、左廻り光と右廻り光を干渉さ
せるのであるから、偏波面が同一でなければならない。
偏波面が異なると干渉光は偏波面の挟角の余弦に比例す
る値となるし、偏波面が直交すれば光は干渉しない。 そこで左廻り光右廻り光の偏波面を揃えなければなら
ない。シングルモード光ファイバの場合は縮退した２つ
の偏波面の光が同一の位相定数で伝搬するから、偏波面
が回転する。 そこでシングルモード光ファイバではなく偏波面保存
光ファイバによって光路の大部分を構成し、光が２つに
分割される前に偏光子を通して直線偏光にしておくとい
う工夫が考えられる。偏波面が直交２軸に対して保存さ
れる。偏波面回転が起こらないので、左廻り光右廻り光
の偏波面を揃えて両者を干渉させることができる。 しかし偏波面保存光ファイバでは単なるシングルモー
ド光ファイバに比べ高価であるので極めて高額の光ファ
イバジャイロになってしまう。 やはりファイバコイルや光路の大部分は単なるシング
ルモード光ファイバによって製作したいものである。と
ころがシングルモード光ファイバにはいくつかの問題が
ある。 シングルモードといっても位相定数についてひとつの
モードしか立たないということであり、偏波面の直交す
る２つのモードが実際には存在する。偏波面の異なるモ
ードは理想的には独立であるが、位相定数が巨視的には
同一であるから偏波面の回転が起こりうる。 異なる偏波面を持つモードは微視的な位相定数のゆら
ぎが異なるので、同じ距離だけ伝搬しても実効的な光路
長が同じということはない。 そこで偏波面の異なる２つのモードの伝搬を許すとす
ると、光路長の異なる左廻り右廻りの光が干渉すること
になり、干渉光にオフセットが含まれる。ここでオフセ
ットというのは、コイルの角速度Ωｃが０であるのに位
相差Δθが０でない場合Δθの０からのずれをいう。実
効的な光路長が違うのであればこれは当然のことであ
る。 左廻り右廻り光が厳密に同じ経験をしなければならな
い。このためには左廻り光右廻り光に分ける前に偏光子
に通して偏波面を一方向に固定するのが有効である。こ
うするとシングルモードファイバの中にひとつの偏波面
のモードしか通らないので、光路長が同一になるのであ
る。ここまでは前述の偏波面保存光ファイバの場合と同
じである。 しかしシングルモード光ファイバでは偏波面の回転が
起こりうるので、これだけでは不十分である。偏光子を
通って直線偏光になってからファイバコイルを伝搬し、
再び偏光子を反対向きに通過する。この時偏波面が偏光
子の主軸と一致するとは限らない。主軸となす角をφと
すると、偏光子を通り抜ける光量はcosφに比例して減
少する。この角度が左廻り右廻り光によって同一とは限
らないし、温度によっても変動する。 そこでシングルモード光ファイバを用いるときには、
偏光子の他に、デポラライザ（depolarizer）を必要と
する。これは任意の直線偏光を無偏光に変換するもので
ある。 例えば、 K.Bhm et al.:“Low−Drift Fiber Gyro Using a Sup
erluminescent Diode",ELECTRONICS LETTERS,vol.17,N
o.10,p352（1981）， にこのような光ファイバジャイロが提案されている。第
２図に構造を示す。 発光素子１から出射された光はレンズ21、ビームスプ
リッタ22、偏光子23、レンズ24を経て光ファイバ25の一
端に入射する。これは光を集光させて小さいファイバコ
アを入射するものであるが偏光子23があるので直線偏光
になっている。つまりひとつはの偏波面のモードのみを
通すようにしているのである。このファイバ25はカップ
ラ26により他のファイバ27と結合している。ここで左廻
り光と右廻り光に分離される。右廻り光はファイバ25か
ら一旦空間に出てレンズ28、デポラライザ29、レンズ30
を経て再びファイバ３に入りファイバコイル４を右廻り
に伝搬する。この後位相変調器５を通る。 左廻り光はファイバ27から位相変調器５を通りファイ
バコイル４を左廻りに伝搬する。この後デポラライザ29
を通過する。デポラライザ29は直線偏光を無偏光にする
もので、偏光子と逆の働きをする。これはLyot depolar
zerといい、複屈折性を持つ結晶２枚を光学主軸が45゜
捩じれたように貼り合わせたものである。その厚みは1:
2になっている。しかも難れの結晶の厚みも、光の可干
渉長（コヒーレントレングス）より、異常光、常光線の
光路差が長くなるようになっている。薄いデポラライザ
を使おうとすると、可干渉長の短い発光素子が必要であ
る。 第２図のものはシングルモード光ファイバを使うもの
で、偏光子、デポラライザを用いることにより偏波面回
転による出力変動の問題を解決している。 同じくＢhm等は第３図に示す光ファイバジャイロを
も提案している。発光素子１から出射された光がシリン
ドリカルレンズ33、レンズ34、35を経て絞られファイバ
36の一端に入射する。このファイバ26はカップラ37によ
り、受光素子36につながるファイバ32に連結している。
ファイバ36から出射した光はレンズ38、偏光子39、レン
ズ40を通って他のファイバ41に入射する。カップラ42に
よりこの光が左廻り光と右廻り光に分岐される。 右廻り光は、ファイバ端43から自由空間に出て、レン
ズ45、デポラライザ46、レンズ47を通り光ファイバ３の
コアに入射する。そしてファイバコイル４を右廻りに通
過し、位相変調器５を通りカップラ42から偏光子39へと
戻ってゆく。 左廻り光は、カップラ42から位相変調器５を通り、フ
ァイバコイル４を左廻りに回って、デポラライザ46を反
対向きに通過する。 第２図の装置も第３図の装置も先ず偏光子で偏波面を
ひとつに固定し、この後２つの光に分けてデポラライザ
を通して無偏光にしている。左廻り光と右廻り光は位相
変調器５を通ることにより異なる時刻に位相変調を受け
る。受光素子出力は変調信号に同期してロックインアン
プ（図示せず）で増幅される。位相変調方式としての処
理は従来のものと同様である。 デポラライザを通るので無偏光になり、これが偏光子
を再び通る。それぞれの光成分は偏光子の主軸となす角
の余弦だけが通過することになる。従って偏波面回転が
起こっていたとしても偏光子を通過することによる光量
の変動、減退の問題を回避できる。
第２図、第３図に示すものは実験室で組み立てた装置
であって実用機ではない。実用的な軽量小型のものにす
るためには偏光子やデポラライザをファイバ化する事が
強く望まれる。偏光子，デポラライザはこの実験ではパ
ルクの光学部品を使っておりファイバよりずっと大き
い。これらの部品に平面波として光を通すために、レン
ズを前後に配置しなければならない。このため嵩ばった
装置になってしまう。 偏光子やデポラライザを光ファイバで作ることができ
る。これは良く知られている。これらの部品を光ファイ
バ化して初めて実用的にものになる。またプリズムによ
りなるビームスプリッタを使うのは同様に望ましくな
く、これは光ファイバカップラに置き換えるべきであ
る。すると第３図のような構成になるが、このパルク光
学部品である偏光子、デポラライザを光ファイバで置き
換えるとそれでよいかというとそうではない。 発光素子１から出射された光は直線偏光であるが、こ
れは偏光子に至るまでの光ファイバにおいて偏波面回転
する可能性がある。この部分の中継ファイバは短いもの
であるが、発光素子１の出射光の偏光方向と、ファイバ
型偏光子の偏光方向とを合致させることが難しい。もし
これが合致していないと、通過する光量は少なくなる。
第２図、第３図のようにパルク光学結晶の偏光子を用い
る場合は、受光素子に到達する光量が最大になるよう偏
光子を回転して調整できる。しかしファイバ型偏光子の
場合は、シングルモード光ファイバと融着結合して初め
て光が通るわけであるから、偏光子の偏波方向を調整す
ることはできない。 発光素子の方を回転して偏光方向を一致させることが
できたとしても、シングルモード光ファイバであるの
で、温度変化や応力によって偏波面が回転することがあ
る。するとやはり偏光子を通過する光量が減少し、スケ
ールファクタが変動する。偏光子よりもファイバコイル
に近い部分の光ファイバ中での偏波面回転の問題は、フ
ァイバコイルの近傍にデポラライザを入れることにより
解決できた。しかし偏光子よりも発光素子に近い方の光
ファイバ中での偏波面回転の問題はいまなお解決ができ
ていない。
であって実用機ではない。実用的な軽量小型のものにす
るためには偏光子やデポラライザをファイバ化する事が
強く望まれる。偏光子，デポラライザはこの実験ではパ
ルクの光学部品を使っておりファイバよりずっと大き
い。これらの部品に平面波として光を通すために、レン
ズを前後に配置しなければならない。このため嵩ばった
装置になってしまう。 偏光子やデポラライザを光ファイバで作ることができ
る。これは良く知られている。これらの部品を光ファイ
バ化して初めて実用的にものになる。またプリズムによ
りなるビームスプリッタを使うのは同様に望ましくな
く、これは光ファイバカップラに置き換えるべきであ
る。すると第３図のような構成になるが、このパルク光
学部品である偏光子、デポラライザを光ファイバで置き
換えるとそれでよいかというとそうではない。 発光素子１から出射された光は直線偏光であるが、こ
れは偏光子に至るまでの光ファイバにおいて偏波面回転
する可能性がある。この部分の中継ファイバは短いもの
であるが、発光素子１の出射光の偏光方向と、ファイバ
型偏光子の偏光方向とを合致させることが難しい。もし
これが合致していないと、通過する光量は少なくなる。
第２図、第３図のようにパルク光学結晶の偏光子を用い
る場合は、受光素子に到達する光量が最大になるよう偏
光子を回転して調整できる。しかしファイバ型偏光子の
場合は、シングルモード光ファイバと融着結合して初め
て光が通るわけであるから、偏光子の偏波方向を調整す
ることはできない。 発光素子の方を回転して偏光方向を一致させることが
できたとしても、シングルモード光ファイバであるの
で、温度変化や応力によって偏波面が回転することがあ
る。するとやはり偏光子を通過する光量が減少し、スケ
ールファクタが変動する。偏光子よりもファイバコイル
に近い部分の光ファイバ中での偏波面回転の問題は、フ
ァイバコイルの近傍にデポラライザを入れることにより
解決できた。しかし偏光子よりも発光素子に近い方の光
ファイバ中での偏波面回転の問題はいまなお解決ができ
ていない。
本発明の光ファイバジャイロは、偏光子、デポラライ
ザを含む光路の主要部を光ファイバ化したものである。
そして発光素子から偏光子に至るシングルモード光ファ
イバ中にもうひとつデポラライザを追加する。このデポ
ラライザは発光素子と第１のカップラとの間に設けても
良いし、第１のカップラとファイバ型偏光子の間に設け
ても良い。 デポラライザとしては、２本の偏波面保存光ファイバ
を、光学主軸が約45゜捩じれた状態で軸方向に接続した
ものを用いる。その長さの比は1:1以上とする。短い方
の偏波面保存光ファイバの長さは、複屈折による光路差
が、発光素子のコヒーレント長より長くなるようにす
る。このようなデポラライザは公知である。
ザを含む光路の主要部を光ファイバ化したものである。
そして発光素子から偏光子に至るシングルモード光ファ
イバ中にもうひとつデポラライザを追加する。このデポ
ラライザは発光素子と第１のカップラとの間に設けても
良いし、第１のカップラとファイバ型偏光子の間に設け
ても良い。 デポラライザとしては、２本の偏波面保存光ファイバ
を、光学主軸が約45゜捩じれた状態で軸方向に接続した
ものを用いる。その長さの比は1:1以上とする。短い方
の偏波面保存光ファイバの長さは、複屈折による光路差
が、発光素子のコヒーレント長より長くなるようにす
る。このようなデポラライザは公知である。
本発明の装置に於いては発光素子とファイバ型偏光子
をつなぐシングルモード光ファイバの途中に新しくデポ
ラライザを入れているから、ここを通る光が直線偏光か
ら無偏光になる。無偏光になってからファイバ型偏光子
へ入射し直線偏光に変えられるのであるから、ファイバ
型偏光子の出力に現れる光量は一定である。偏波面回転
が起こっても、これは全ての偏波面を持つ光に対して起
こっているのであるから、無偏光であることに変わりが
ない。 ファイバ型偏光子の出力に現れる光量が一定であるの
で、ファイバと発光素子、ファイバ型偏光子の軸合わ
せ、調整といったことは不要になる。またファイバに加
えられた応力、温度変化によっても出力光量が変動しな
い。 ファイバ型偏光子を通る光量が一定するからスケール
ファクタが変動しない。高精度の角速度測定を行うこと
ができる。
をつなぐシングルモード光ファイバの途中に新しくデポ
ラライザを入れているから、ここを通る光が直線偏光か
ら無偏光になる。無偏光になってからファイバ型偏光子
へ入射し直線偏光に変えられるのであるから、ファイバ
型偏光子の出力に現れる光量は一定である。偏波面回転
が起こっても、これは全ての偏波面を持つ光に対して起
こっているのであるから、無偏光であることに変わりが
ない。 ファイバ型偏光子の出力に現れる光量が一定であるの
で、ファイバと発光素子、ファイバ型偏光子の軸合わ
せ、調整といったことは不要になる。またファイバに加
えられた応力、温度変化によっても出力光量が変動しな
い。 ファイバ型偏光子を通る光量が一定するからスケール
ファクタが変動しない。高精度の角速度測定を行うこと
ができる。
第１図は本発明の実施例を示す。これは光路が全て光
ファイバで構成されている。ただしシングルモード光フ
ァイバを主としているが、偏波面保存光ファイバを一部
に用いている。 この光ファイバジャイロは、発光素子１、デポラライ
ザ２、３、ファイバコイル４、位相変調器５、受光素子
６、ファイバカップラ７、８、ファイバ型偏光子９など
を含む、これらの部品が光ファイバにより相互に連結さ
れている。 発光素子１は単色光を出す光源である。レーザダイオ
ード、スパールミネッセントダイオードが用いられる。
ただしコヒーレント長が短いものでなければならない。 デポラライザ２、３は直線偏光を無偏光にする素子で
ある。第２のデポラライザを入れることは第２図、第３
図にも現れており良く知られている。ところが本発明で
は第１のデポラライザを追加している。これが新規であ
る。 デポラライザも光ファイバで作る。これは第４図で示
すように偏波面保存光ファイバ２本を、光学主軸が45゜
をなすように軸方向に接続したものである。そして２つ
の偏波面を持つ光の光路差が発光素子のコヒーレント長
以上であるようにする。２つの光ファイバの長さは2:1
であるから、短い方の光ファイバが前記の条件を満たさ
なければならない。偏波面がｘ方向、ｙ方向である光の
屈折率をnx、ny、ファイバの長さをｌ、発光素子のコヒ
ーレント長をｈとすると、 （nx-ny）ｌ＞ｈ （４） ということである。このようなことは公知であるが、デ
ポラライザをファイバ化したものが広く使われている訳
ではないのでここに説明する。 第１の偏波面保存光ファイバの偏波面の主軸に対し
て、角ψをなす偏波面を有する光が入射したとする。こ
れは偏波面主軸がｘ方向の光とｙ方向の光に分けられ
る。これらの光の位相速度が違い実質的な屈折率が異な
る。そしてこの光ファイバを通り抜けたそれぞれの偏波
面の光はもはや干渉できない距離だけ離れている。これ
が（４）の条件である。 ｘ方向の成分はcos ψ、ｙ方向の成分はsin ψで示さ
れる。この光が２番目の偏波面保存光ファイバに入る。
これが１番目の偏波面保存光ファイバに対してΘだけ捩
じれているとする。２番目の偏波面保存光ファイバのｘ
成分はcos ψcos Θと−sin ψsin Θとから生ずる。こ
れらは光路長がコヒーレント長以上であるのでもはや干
渉しない。従ってｘ方向に偏波面を持つ光の強度PXは、 Px＝（cos ψcos Θ）２＋（sin ψsin Θ）２ （５） と書くことができる。（４）がなりたつので（５）式右
辺に現れるべき交差項が消えてしまう。 同じくｙ成分はcos ψsin Θとsin ψcos Θとから生
じる。これらも互いに干渉しないのでｙ方向に偏波面を
持つ光の強度Pyは、 Py＝（cos ψsin Θ）２＋（sin ψcos Θ）２ （６） となる。無偏光というのはxy平面の全ての方向に偏波面
を持つ光が平等に存在するということである。これはPx
＝Pyということである。入射光の偏波面の方向ψがいか
なるものであっても、Px＝PyとなるのはΘ＝π/4（45
゜）の時のみである。こういう理由でデポラライザは偏
波面主軸が45゜異なるように２つの複屈折率物体を接続
するのである。偏波面保存光ファイバも複屈折性を持つ
から利用できる。 そして厚みを1:2にするのは、第１の偏波面保存光フ
ァイバによって光路差がコヒーレント長以上であったも
のが、第２の偏波面保存光ファイバを通ることにより再
び接近してしまうのを防ぐためである。もしも1:1の長
さであれば、前述のcos ψsin Θ、sin ψcos Θの光の
光路差が０になってしまい干渉することになる。 ファイバコイル４はシングルモード光ファイバを多数
回巻き回したものである。位相変調器５は円筒形の圧電
振動子にファイバコイルの一端近くの光ファイバを巻き
付けたものである。圧電振動子に交流の励起電圧を与え
るとこれが半径方向に膨縮するので光ファイバが伸縮し
この中を伝搬する光の位相が変化する。 受光素子６はpinホトダイオードなどであり、ファイ
バコイルを左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する。 ファイバカップラ７、８は２本の光ファイバの被覆を
剥離して接近させ融着して引き伸ばしたものである。コ
ア間の距離は小さいのでエバネッセント結合する。一方
の端から光を入れると、他方の２本の端に半分ずつの光
パワーが出てくるように調整して作る。ビームスプリッ
タのように嵩高くなくて小型の分岐素子である。 ファイバ型偏光子９は偏波面保存光ファイバを円筒に
巻き付けたものである。直交する偏波面を持つ二つのモ
ードの内ひとつのモードが放射モードとなって減衰する
から残りのひとつのモードの光だけがこの中を通過でき
る。だから偏光子と等価の働きをする。 次にファイバで形成される光路について説明する。第
１ファイバ光路11は発光素子１と第１ファイバカップラ
７の間を連絡する。シングルモード光ファイバである。
発光素子１とファイバ端の間には集光光学系10がある。
第２ファイバ光路12は第ファイバカップラ７と第２ファ
イバカップラ８との間を連絡する。第３ファイバ光路13
と第４ファイバ光路はファイバコイル４の両端部分でい
ずれも第２ファイバカップラ８の一端に接続されてい
る。 第５ファイバ光路15は第１ファイバカップラ７と発光
素子６とを連絡する。第６ファイバ光路16はファイバカ
ップラ８につながるファイバの余りであり自由端を持っ
ている。第７ファイバ光路17は第１ファイバカップラ７
につながるファイバの余りであり自由端を持つ。 分岐素子をファイバカップラにするとこのように自由
端で終わる余りの部分がやむを得ず発生する。 第１、第２ファイバカップラ７、８の間の第２ファイ
バ光路12の途中にファイバ型偏光子が設けられる。位相
変調器５、第２デポラライザ３は、第３、第４ファイバ
光路13,14の何れかに設けられている。この例では両者
が異なる光路に配分されているが、同一の光路にあって
も差し支えない。 第１のデポラライザ２は第１ファイバ光路11の途中に
ある。この例ではそのようになっているが、（破線に示
すように）第２ファイバ光路12の、第１ファイバカップ
ラ７とファイバ型偏光子９の間に第１デポラライザ２を
設けても良い。ファイバ型偏光子９より前にあれば良い
のである。 発光素子１より出射された光は直線偏光であるが、第
１のデポラライザ２で無偏光になる。これがファイバ型
偏光子９に達しここである方向の直線偏光になる。いっ
たん無偏光になるから、偏光子９で直線偏光になった時
の光の振幅は、発光素子の方位には無関係で一定とな
る。これが重要な点である。発光素子やファイバ型偏光
子の軸合わせをする必要がない。また外力や温度により
光ファイバ中で偏波面が回転しても、無偏光なのである
から影響がない。
ファイバで構成されている。ただしシングルモード光フ
ァイバを主としているが、偏波面保存光ファイバを一部
に用いている。 この光ファイバジャイロは、発光素子１、デポラライ
ザ２、３、ファイバコイル４、位相変調器５、受光素子
６、ファイバカップラ７、８、ファイバ型偏光子９など
を含む、これらの部品が光ファイバにより相互に連結さ
れている。 発光素子１は単色光を出す光源である。レーザダイオ
ード、スパールミネッセントダイオードが用いられる。
ただしコヒーレント長が短いものでなければならない。 デポラライザ２、３は直線偏光を無偏光にする素子で
ある。第２のデポラライザを入れることは第２図、第３
図にも現れており良く知られている。ところが本発明で
は第１のデポラライザを追加している。これが新規であ
る。 デポラライザも光ファイバで作る。これは第４図で示
すように偏波面保存光ファイバ２本を、光学主軸が45゜
をなすように軸方向に接続したものである。そして２つ
の偏波面を持つ光の光路差が発光素子のコヒーレント長
以上であるようにする。２つの光ファイバの長さは2:1
であるから、短い方の光ファイバが前記の条件を満たさ
なければならない。偏波面がｘ方向、ｙ方向である光の
屈折率をnx、ny、ファイバの長さをｌ、発光素子のコヒ
ーレント長をｈとすると、 （nx-ny）ｌ＞ｈ （４） ということである。このようなことは公知であるが、デ
ポラライザをファイバ化したものが広く使われている訳
ではないのでここに説明する。 第１の偏波面保存光ファイバの偏波面の主軸に対し
て、角ψをなす偏波面を有する光が入射したとする。こ
れは偏波面主軸がｘ方向の光とｙ方向の光に分けられ
る。これらの光の位相速度が違い実質的な屈折率が異な
る。そしてこの光ファイバを通り抜けたそれぞれの偏波
面の光はもはや干渉できない距離だけ離れている。これ
が（４）の条件である。 ｘ方向の成分はcos ψ、ｙ方向の成分はsin ψで示さ
れる。この光が２番目の偏波面保存光ファイバに入る。
これが１番目の偏波面保存光ファイバに対してΘだけ捩
じれているとする。２番目の偏波面保存光ファイバのｘ
成分はcos ψcos Θと−sin ψsin Θとから生ずる。こ
れらは光路長がコヒーレント長以上であるのでもはや干
渉しない。従ってｘ方向に偏波面を持つ光の強度PXは、 Px＝（cos ψcos Θ）２＋（sin ψsin Θ）２ （５） と書くことができる。（４）がなりたつので（５）式右
辺に現れるべき交差項が消えてしまう。 同じくｙ成分はcos ψsin Θとsin ψcos Θとから生
じる。これらも互いに干渉しないのでｙ方向に偏波面を
持つ光の強度Pyは、 Py＝（cos ψsin Θ）２＋（sin ψcos Θ）２ （６） となる。無偏光というのはxy平面の全ての方向に偏波面
を持つ光が平等に存在するということである。これはPx
＝Pyということである。入射光の偏波面の方向ψがいか
なるものであっても、Px＝PyとなるのはΘ＝π/4（45
゜）の時のみである。こういう理由でデポラライザは偏
波面主軸が45゜異なるように２つの複屈折率物体を接続
するのである。偏波面保存光ファイバも複屈折性を持つ
から利用できる。 そして厚みを1:2にするのは、第１の偏波面保存光フ
ァイバによって光路差がコヒーレント長以上であったも
のが、第２の偏波面保存光ファイバを通ることにより再
び接近してしまうのを防ぐためである。もしも1:1の長
さであれば、前述のcos ψsin Θ、sin ψcos Θの光の
光路差が０になってしまい干渉することになる。 ファイバコイル４はシングルモード光ファイバを多数
回巻き回したものである。位相変調器５は円筒形の圧電
振動子にファイバコイルの一端近くの光ファイバを巻き
付けたものである。圧電振動子に交流の励起電圧を与え
るとこれが半径方向に膨縮するので光ファイバが伸縮し
この中を伝搬する光の位相が変化する。 受光素子６はpinホトダイオードなどであり、ファイ
バコイルを左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する。 ファイバカップラ７、８は２本の光ファイバの被覆を
剥離して接近させ融着して引き伸ばしたものである。コ
ア間の距離は小さいのでエバネッセント結合する。一方
の端から光を入れると、他方の２本の端に半分ずつの光
パワーが出てくるように調整して作る。ビームスプリッ
タのように嵩高くなくて小型の分岐素子である。 ファイバ型偏光子９は偏波面保存光ファイバを円筒に
巻き付けたものである。直交する偏波面を持つ二つのモ
ードの内ひとつのモードが放射モードとなって減衰する
から残りのひとつのモードの光だけがこの中を通過でき
る。だから偏光子と等価の働きをする。 次にファイバで形成される光路について説明する。第
１ファイバ光路11は発光素子１と第１ファイバカップラ
７の間を連絡する。シングルモード光ファイバである。
発光素子１とファイバ端の間には集光光学系10がある。
第２ファイバ光路12は第ファイバカップラ７と第２ファ
イバカップラ８との間を連絡する。第３ファイバ光路13
と第４ファイバ光路はファイバコイル４の両端部分でい
ずれも第２ファイバカップラ８の一端に接続されてい
る。 第５ファイバ光路15は第１ファイバカップラ７と発光
素子６とを連絡する。第６ファイバ光路16はファイバカ
ップラ８につながるファイバの余りであり自由端を持っ
ている。第７ファイバ光路17は第１ファイバカップラ７
につながるファイバの余りであり自由端を持つ。 分岐素子をファイバカップラにするとこのように自由
端で終わる余りの部分がやむを得ず発生する。 第１、第２ファイバカップラ７、８の間の第２ファイ
バ光路12の途中にファイバ型偏光子が設けられる。位相
変調器５、第２デポラライザ３は、第３、第４ファイバ
光路13,14の何れかに設けられている。この例では両者
が異なる光路に配分されているが、同一の光路にあって
も差し支えない。 第１のデポラライザ２は第１ファイバ光路11の途中に
ある。この例ではそのようになっているが、（破線に示
すように）第２ファイバ光路12の、第１ファイバカップ
ラ７とファイバ型偏光子９の間に第１デポラライザ２を
設けても良い。ファイバ型偏光子９より前にあれば良い
のである。 発光素子１より出射された光は直線偏光であるが、第
１のデポラライザ２で無偏光になる。これがファイバ型
偏光子９に達しここである方向の直線偏光になる。いっ
たん無偏光になるから、偏光子９で直線偏光になった時
の光の振幅は、発光素子の方位には無関係で一定とな
る。これが重要な点である。発光素子やファイバ型偏光
子の軸合わせをする必要がない。また外力や温度により
光ファイバ中で偏波面が回転しても、無偏光なのである
から影響がない。
発光素子とファイバ型偏光子との間にデポラライザを
入れており、これによって直線偏光をいったん無偏光に
してからファイバ型偏光子を通すから偏光子を通過する
光量が一定する。 偏光子、デポラライザなどを含む全ての光路を光ファ
イバによって構成したスケールファクタの安定した光フ
ァイバジャイロを提供することができる。
入れており、これによって直線偏光をいったん無偏光に
してからファイバ型偏光子を通すから偏光子を通過する
光量が一定する。 偏光子、デポラライザなどを含む全ての光路を光ファ
イバによって構成したスケールファクタの安定した光フ
ァイバジャイロを提供することができる。
第１図は本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの構
成図。 第２図は従来例に係る光ファイバジャイロの構成図。 第３図は他の従来例に係る光ファイバジャイロの構成
図。 第４図は偏波面保存光ファイバを用いたデポラライザの
概略図。 １……発光素子 ２……第１デポラライザ ３……第２デポラライザ ４……ファイバコイル ５……位相変調器 ６……受光素子 ７……第１ファイバカップラ ８……第２ファイバカップラ ９……ファイバ型偏光子 10……集光光学系 11……第１ファイバ光路 12……第２ファイバ光路 13……第３ファイバ光路 14……第４ファイバ光路 15……第５ファイバ光路
成図。 第２図は従来例に係る光ファイバジャイロの構成図。 第３図は他の従来例に係る光ファイバジャイロの構成
図。 第４図は偏波面保存光ファイバを用いたデポラライザの
概略図。 １……発光素子 ２……第１デポラライザ ３……第２デポラライザ ４……ファイバコイル ５……位相変調器 ６……受光素子 ７……第１ファイバカップラ ８……第２ファイバカップラ ９……ファイバ型偏光子 10……集光光学系 11……第１ファイバ光路 12……第２ファイバ光路 13……第３ファイバ光路 14……第４ファイバ光路 15……第５ファイバ光路
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−106519（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−95312（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106417（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106420（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−233315（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−152416（ＪＰ，Ａ) 特表 昭58−500458（ＪＰ，Ａ) 米国特許4529313（ＵＳ，Ａ) Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｇｙ ｒｏｓｃｏｐｅ，Ｒ．Ｕｌｒｉｃｈ, （Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｒｏｔａｔ ｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｒｅ ｌａｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ ｓ，52−77，1982），Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｐａｐｅｒｓ ｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｏ ｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ Ｐ. 239−264，ＳＰＩＥ Ｍｉｌｅｓｔｏｈ ｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌｕｍｅ ＭＳ ８
Claims (2)
- 【請求項１】ファイバコイルの中を左廻り右廻りに光を
伝搬させ両廻り光の位相差からファイバコイルの回転角
速度を求めることを原理とする光ファイバジャイロであ
って、単色光を生ずる発光素子と、シングルモード光フ
ァイバを多数回巻回したファイバコイルと、ファイバコ
イルの中を左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する受光素子と、発光素子につながる第１
ファイバ光路と受光素子につながる第５ファイバ光路と
を、第２ファイバ光路と自由端を持つ第７ファイバ光路
とに結合する第１ファイバカップラと、ファイバコイル
の両端につながる第３ファイバ光路と第４ファイバ光路
とを、第２ファイバ光路と自由端を持つ第６ファイバ光
路とに結合する第２ファイバカップラと、第２ファイバ
光路の途中に設けられ偏波面保存光ファイバを円筒状に
巻き直交する偏波面の２つのモードのうち一つを減衰さ
せ他方のモードを通過させ直線偏光を得るようにしたフ
ァイバ型偏光子と、ファイバコイルの一方の端近くに設
けられ光ファイバ中を伝搬する光の位相を変調する位相
変調器と、発光素子と第１ファイバカップラをつなぐ第
１ファイバ光路の途中に設けられ直交偏波面を持つ光の
光路差が光源のコヒーレント長以上である偏波面保存フ
ァイバ２を光学主軸が45度をなすように軸方向に接続し
光の偏波面をランダムにする第１のデポラライザと、フ
ァイバコイルの両端と第２ファイバカップラとをつなぐ
第３ファイバ光路又は第４ファイバ光路の途中に設けら
れ直交偏波面を持つ光の光路差が光源のコヒーレント長
以上である偏波面保存ファイバ２を光学主軸が45度をな
すように軸方向に接続し光の偏波面をランダムにする第
２のデポラライザとを含み、光路が全て光ファイバで構
成されており、発光素子から出射した光を第１のデポラ
ライザで無偏光にしてからファイバ型偏光子へ通すよう
にしたことを特徴とする光ファイバジャイロ。 - 【請求項２】ファイバコイルの中を左廻り右廻りに光を
伝搬させ両廻り光の位相差からファイバコイルの回転角
速度を求めることを原理とする光ファイバジャイロであ
って、単色光を生ずる発光素子と、シングルモード光フ
ァイバを多数回巻回したファイバコイルと、ファイバコ
イルの中を左廻り右廻りに伝搬した光を干渉させ干渉光
の強度を検出する受光素子と、発光素子につながる第１
ファイバ光路と受光素子につながる第５ファイバ光路と
を、第２ファイバ光路と自由端を持つ第７ファイバ光路
とに結合する第１ファイバカップラと、ファイバコイル
の両端につながる第３ファイバ光路と第４ファイバ光路
とを、第２ファイバ光路と自由端を持つ第６ファイバ光
路とに結合する第２ファイバカップラと、第２ファイバ
光路の途中に設けられ偏波面保存光ファイバを円筒状に
巻き直交する偏波面の２つのモードのうち一つを減衰さ
せ他方のモードを通過させ直線偏光を得るようにしたフ
ァイバ型偏光子と、ファイバコイルの一方の端近くに設
けられ光ファイバ中を伝搬する光の位相を変調する位相
変調器と、第２ファイバ光路の第１ファイバカップラと
ファイバ型偏光子の中間に設けられ直交偏波面を持つ光
の光路差が光源のコヒーレント長以上である偏波面保存
ファイバ２本を光学主軸が45度をなすように軸方向に接
続し光の偏波面をランダムにする第１のデポラライザ
と、ファイバコイルの両端と第２ファイバカップラとを
つなぐ第３ファイバ光路又は第４ファイバ光路の途中に
設けられ直交偏波面を持つ光の光路差が光源のコヒーレ
ント長以上である偏波面保存ファイバ２本を光学主軸が
45度をなすように軸方向に接続し光の偏波面をランダム
にする第２のデポラライザとを含み、光路が全て光ファ
イバで構成されており、発光素子から出射した光を第１
のデポラライザで無偏光にしてからファイバ型偏光子へ
通すようにしたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2225616A JP2751599B2 (ja) | 1990-08-27 | 1990-08-27 | 光フアイバジヤイロ |
| DE69107549T DE69107549T2 (de) | 1990-08-27 | 1991-08-16 | Optischer Faserkreisel. |
| EP91307602A EP0474389B1 (en) | 1990-08-27 | 1991-08-16 | Fiber-optic gyroscope |
| CA002049382A CA2049382C (en) | 1990-08-27 | 1991-08-16 | Fiber-optic gyroscope with fibre polarizers, depolarizers and coupling means |
| US07/748,541 US5245407A (en) | 1990-08-27 | 1991-08-22 | Fiber-optic gyroscope with depolarizers in a fiber coil located between a light source and a polarizer |
| KR1019910014897A KR960007746B1 (ko) | 1990-08-27 | 1991-08-27 | 광섬유자이로 |
| US08/027,801 US5371595A (en) | 1990-08-27 | 1993-03-08 | Fiber-optic gyroscope using single birefringent material for depolarizer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2225616A JP2751599B2 (ja) | 1990-08-27 | 1990-08-27 | 光フアイバジヤイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04106416A JPH04106416A (ja) | 1992-04-08 |
| JP2751599B2 true JP2751599B2 (ja) | 1998-05-18 |
Family
ID=16832111
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2225616A Expired - Lifetime JP2751599B2 (ja) | 1990-08-27 | 1990-08-27 | 光フアイバジヤイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05149752A (ja) * | 1991-07-12 | 1993-06-15 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光フアイバジヤイロ |
| CN108507558B (zh) * | 2018-03-28 | 2024-04-30 | 株洲菲斯罗克光电科技股份有限公司 | 一种轻量化三轴一体光纤陀螺仪 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4529313A (en) | 1980-12-24 | 1985-07-16 | Licentia Patent-Verwaltung-Gmbh | Ring interferometer |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IL65344A (en) * | 1981-03-31 | 1987-08-31 | Univ Leland Stanford Junior | Single continuous optical fiber rotation sensor |
-
1990
- 1990-08-27 JP JP2225616A patent/JP2751599B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4529313A (en) | 1980-12-24 | 1985-07-16 | Licentia Patent-Verwaltung-Gmbh | Ring interferometer |
| US4529313B1 (en) | 1980-12-24 | 1994-09-13 | Telefunken Systemtechnik | Ring interferometer |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，Ｒ．Ｕｌｒｉｃｈ，（Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，５２−７７，１９８２），Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｐａｐｅｒｓ ｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ Ｐ．２３９−２６４，ＳＰＩＥ Ｍｉｌｅｓｔｏｈｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌｕｍｅ ＭＳ８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04106416A (ja) | 1992-04-08 |
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