JPH04110718A - 光干渉角速度計 - 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】 「産業上の利用分野」 この発明は光源よりの光を２分してループ状光伝送路の
両端に右回り光、左回り光としてそれぞれ、供給し、そ
のループ状光伝送路の一端で位相変調器により光伝送路
に入射する光及び、光伝送路から出射する光に位相偏移
を変調信号で与え、ループ状光伝送路から出射しだ両光
を合成して干渉させ、その干渉光を電気信号に変換し、
その電気信号を位相変調器の変調信号で同期検波するこ
とにより、ループ状光伝送路にその軸心まわりに印加さ
れた角速度を検出する光干渉角速度計に関する。

「従来功技術」 第６図に従来の光干渉角速度計を示す。光源１１から出
た光は、光分岐器１２において２分され、その一方は偏
光子１３を通過した後、光分岐器１４へと導かれ、他方
は、終端される。光分岐器１４を通過した光は右回り光
と左回り光とに分岐され、右回り光は、光分岐器１４か
ら出た後すぐに位相変調器１５によって位相変調を受け
た後、ループ状光伝送路としての光フアイバコイル１６
の一端ニ入射され、光フアイバコイル１６を右回りに伝
搬した後、ふたたび光分岐器１４に到達する。

一方左回り光は光分岐器１４を出て光フアイバコイル１
６の他端に入射され、光フアイバコイル１６を左回りに
伝搬後位相変調器１５によって位相変調を受けた後、す
ぐに再び光分岐器１４に到達する。光分岐器１４では、
これら光フアイバコイル１６を伝搬した右回り光と左回
り光とが出会い干渉する。このときに右回り光と左回り
光とは位相変調器１５によって周期的な位相偏移を受け
ているため右回り光と左回りとのあいだには周期的な位
相差が生じる０例えば位相変調器１５を駆動する変調信
号の周波数ｆ、が１／（２τ）（τは光フアイバコイル
１６を光が伝搬する時間）の時、位相変調器１５で右回
り光が位相偏移φ６、を受けて光フアイバコイル１６を
通って光分岐器１４に戻った時の右回り光の位相偏移が
第７図Ａに示すように正弦波状である場合、左回り光が
位相変調器１５で受ける位相偏移φｃｃｗは、第７図Ａ
の変調信号に対し、時間がτだけ経過しているから第７
図Ｂに示すようになる。従って光分岐器１４で合成され
る右回り光と左回り光との位相差φ。イーφｃｃｗは第
７図中の曲線１７に示すように２τ周期で変化する。こ
のためこれら両光が合成された干渉光は互いに強め合っ
たり弱め合ったりすることが周期τで繰返され、つまり
周期τで強度が変化する光となる。両光の位相差φ。８
−φｃｃｗに応じて干渉光の強度が曲線１８で示すよう
に変化し、従って強度変化が曲線１９のように周期τで
繰返される。

第６図において光分岐器１４よりの干渉光は偏光子１３
を通し、光分岐器１２に達し、２つの光に分岐され、そ
の一方は光検出器２１で電気信号に変換される。この電
気信号は第７図中の曲線１９で示すように、位相変調周
波数ｆ、の２倍の周波数、第７図の例では１／τで変化
する信号となる。

光フアイバコイル１６に、その軸心を中心とする角速度
が印加されると、サニヤック効果により、右回り光と左
回り光との間に、その入力角速度に応じた位相差が生じ
る。このため第７図において曲線１７に対し、入力角速
度にもとすく位相差が重畳される。このように位相差が
直流的に重畳されると、光検出器２１の出力電気信号に
その直流的位相差に応じて、位相変調周波数ｆ、の成分
が現れる。光検出器２１の出力は同期検波回路２２にお
いて位相変調周波数の参照信号で同期検波される。入力
角速度がゼロの場合は前述したように、光検出器２１の
出力は位相変調周波数の偶数倍成分のみ、主として２倍
の成分のみであるから同期検波回路２２の出力はゼロで
あるが、角速度が入力されると、光検出器２１の出力に
位相変調周波数と同一周波数の成分が生じ、その入力角
速度の方向及び大きさに応じた極性及びレベルの出力が
同期検波回路２２から得られ、これが出力端子２３へ供
給され、入力角速度を検出することができる。位相変調
器１５に供給する位相変調信号及び同期検波回路２２へ
供給する参照信号は変調信号発生器２４で作られる。

「発明が解決しようとする課題」 位相変調器１５を光が通過すると、光が変調信号で位相
偏移を受けるのみならず、強度変調も受けてしまう。こ
れは位相変調は光が伝搬する媒質の屈折率を変化させる
ことにより行われるが、媒質の屈折率が変化するとその
媒質における光の閉じ込め状態が変化するため、位相変
調信号と同期して媒質の光閉じ込め状態が変化し、これ
と同期して通過する光の強度が変調される。

このため位相変調器１５を通過した右回り光、左回り光
は何れも、周波数１１の強度変調を受け、これら強度変
調を受けた右回り光と、左回り光とが光分岐器１４で再
び合成された干渉光にも、変調周波数ｆ、の成分の強度
変調が存在する。このため入力角速度がゼロの状態でも
同期検波回路２２から周波数ｆ、の成分が検出され、こ
れは光干渉角速度針のバイアス値のオフセットエラーと
なる。このオフセットエラーが大きいと、外乱などによ
り何らかの因子が変動すると零点も一定の比率で変動す
るため零点安定性が悪くなる。

上述したように入力角速度ゼロでは干渉光は変調信号周
波数ｆ２の２倍の周波数の強度変調を受けており、この
干渉光は光分岐器１２で分岐されて一方は光検出器２１
へ供給されると共に他方は光源１１に戻る。この戻り光
により光源１１からの出射光に、変調信号周波数ｆ、の
２倍の周波数の強度変調が加わる。あるいは前記戻った
干渉光が、光ｆｉ１１の出射光の光量を制御するための
フォトダイオードで検知され、この検知出力を含めて自
動光量安定化回路が光′ａｌｌの光量を一定にしようと
動作するため、光源１１の出射光に周波数ｆ、の２倍の
周波数で強度変調が加わる。

このように光源１１からの光が２ｆ、で強度変調を受け
ていると、この光が位相変調器１５を通過して、その位
相変調信号により強度変調も受けると、位相変調器１５
を通過した光は、位相変調器１５における変調波の周波
数混合効果により、２　ｆ、＋ｆ、＝３　ｆ、　、及び
２　ｆ、−ｆ、＝ｆ。

の各周波数の強度変調が生じる。）このためこの位相変
調器１５を通過し、光分岐器１４で合成された干渉光に
もｆ、成分の強度変調が存在し、前述と同様に入力角速
度がゼロでも同期検波回路２２から出力が生じ、バイア
ス値のオフセットエラーとなる。

この発明の目的は位相変調器による強度変調が存在して
も、また光源からの光が強度変調を受けても、バイアス
値の誤りが生ぜず、バイアスの零点安定性を向上させる
ことができる光干渉角速度計を提供することにある。

「課題を解決するための手段」 この発明によれば、従来と同様に光分岐手段とループ状
光伝送路の一端との間に第１位相変調器を直列に挿入す
ると共に、この第１位相変調器と直列に第２位相変調器
を挿入する。第２位相変調器の特性は第１位相変調器と
同一とすることが好ましく、第１位相変調器に対する変
調信号と同一の周期関数で同一周波数の変調信号を第２
位相変調器へ供給するが、同一方向回りの光が第１位相
変調器で受ける位相偏移と、同一方向の位相偏移を第２
位相変調器で受けるように第２位相変調器へ供給する変
調信号の位相を選定する。つまり第１位相変調器へ供給
する変調信号をφ（２πｆ。

ｔ）とする時、第２位相変調器の供給する変調信号はφ
（２πｆ　、ｔ　−２πτｆ、）とする。

τはループ状光伝送路の光伝搬時間である。周期関数φ
（２πｆ、ｔ）としては正弦波、矩形波などが使用され
る。

Ｃ作　用」 この構成によれば第１．第２位相変調器で右回り光、左
回り光はそれぞれ相加される位相偏移を受け、従来にお
ける位相変調と同様の作用効果が得られ、しかも第１．
第２位相変調器における各強度変調が、一方の強度変調
に対し、他方の強度変調が指軍となり、つまり周波数混
合として作用し、このためループ状光伝送路を通過した
光の強度変調中には位相変調周波数ｆ、の成分が含まれ
ないようになる。

「実施例」 第１図にこの発明の実施例を示し、第６図と対応する部
分に同一符号を付けである。この発明においては光分岐
器１４と光フアイバコイル１６の一端との間に直列に、
位相変調器１５が挿入されると共に、光分岐器１４と光
フアイバコイル１６の他端との間にも直列に、位相変調
器２６が挿入される。このようにして位相変調器１５に
対し位相変調器２６が光フアイバコイル１６を介して直
列に接続された場合である。位相変調器２６は位相変調
器１５と同一特性のものが用いられ、右回り光は位相変
調器１゛５で受けた位相偏移と同一方向の位相偏移を位
相変調器２６で受けるように、位相変調器１５に対する
変調信号と同一周期関数、同一周波数で、位相が２πτ
ｆ１だけ遅らされた変調１１号で位相変調器２６が駆動
される。この変調信号も変調信号発生器２４で作られる
。つまり位相変調器１５に対する変調信号をφ（２πｆ
、ｔ）とし、第７図について示したようにｆ、＝＝１／
（２τ）とすると、位相変調器２６に対する変調信号は
φ（２πｆ、を−π）となる。

この構成によれば右回り光は位相変調器１５゜２６で相
加する位相偏移を受け、左回り光も位相変調器１５．２
６で相加する位相偏移を受け、光分岐器１４７合成され
る右回り光と左回り光とは周期関数φ（２πｆ　、ｔ）
で変化する位相差がある。

従って２０両光を合成した干渉光を光検出器２１で電気
信号に変換し、その電気信号を同期検波することにより
従来と同様に、光フアイバコイル１６に入力した角速度
を検出することができる。

右回り光が位相変調器１５を通過する際に上述したよう
に周波数ｆ１で強度変調も受けるが、この強度変調を受
けた右回り光が位相変調器２６を通過する際に、更に周
波数ｆ、で強度変調も受け、つまり、位相変調器１５．
２６で両強度変調が掛算され、その強度変調の周波数成
分はｆ、＋ｆ。

＝２ｆ、と、ｆ、　−ｆ、＝０とになる。従って光分岐
器１４に戻った右回り光の強度変調にはｆ１構成が含ま
れない。同様に光分岐器１４に戻った左回り光の強度変
調にもｆ２構成が含まれない。

従って入力角速度がゼロの状態では右回り光と左回り光
との干渉光の光強度の変化成分にｆ、成分が含まれず、
この時の同期検波回路２２の出力はゼロであり、バイア
ス値にオフセット誤りが生じない。よって光干渉角速度
計のオフセット誤りがなくバイアスの零点の安定性が向
上する。

光源１１からの光が上述したように２ｆ、の強度変調が
なされた状態になると、その右回り光は位相変調器１５
を通過する時にｆ、で強度変調を受け、その通過右回り
光の強度変調は、２ｆ、％十ｆ、＝３　ｆ、ｌと、２ｆ
、〜ｆ、＝ｆ、とになる。

この右回り光が位相変調器２６を通過する時に、再びｆ
、で強度変調を受け、位相変調器２６を通過した右回り
光の強度変調は３　ｆ、　十ｆ、＝４　ｆ。

と、３　ｆ、−ｆ、＝２　ｆ、と、ｒ１１＋ｒ、＝２　
ｆ。

と、ｆｌＩ−ｆ、−０とになり、ｆ、の成分がなくなる
。同様にして位相変調器１５を通過した左回り光の強度
変調にはｆゆ成分が存在しなくなる。

従って、これら戻った両光を光分岐器１４で合成した干
渉光の強度変調にも、入力角速度がゼロの場合はｆ、成
分が存在せず、同期検波回路２２の出力はゼロになり、
光干渉角速度計のバイアスの零点の安定性が向上する。

上述においてはこの発明をオーブンループ光干渉角速度
計に適用したが、クローズトループ光干渉角速度針にも
適用することができる。その例を第２図〜第１図と対応
する部分に同一符号を付けて示す、つまり同期検波回路
２２の出力が鋸歯状波発生回路２７へ供給され、鋸歯状
波発生回路２７はその入力の極性に応じた傾斜方向で、
入力の大きさに応じた傾斜角度で鋸歯状波（階段状鋸歯
状波の場合もある）信号を発生し、その鋸歯状波信号で
、光ファイルコイル１６の一端と光分岐器１４との間に
直列に挿入された位相変調器２８を位相変調し、同期検
波回路２２の出力がゼロになるように負帰還制御する。

この結果、入力角速度の極性に応じた極性で、かつ入力
角速度の大きさに応じた周波数の鋸歯状波信号が鋸歯状
波発生回路２７より得られ、これが出力端子２９に出力
される。

位相変調器２８を省略して、第３図に示すように鋸歯状
波発生回路２７からの帰還鋸歯状波信号を位相変調器２
６に加えてもよい。あるいはこの帰還鋸歯状波信号を位
相変調器１５に加えてもよい。第４図に第２図と対応す
る部分に同一符号を付けて示すように、光分岐器１４と
光フアイバコイル１６の一端との間に、更に位相変調器
３１を挿入し、位相変調器２８を駆動する鋸歯状波信号
φえと逆極性の鋸歯状波信号φえて位相変調器３１を駆
動してもよい。第２図及び第３図の構成では帰還鋸歯状
波信号の波高値は、光に２πラジアンの位相偏移を起さ
せるに必要な電圧値であるが、第４図に示す構成では帰
還鋸歯状波信号の波高値は、光にπラジアンの位相偏移
を起させるに必要な電圧でよく、低い電圧で済み、鋸歯
状波発生回路２７の設計が容易になる。

第４図において４つの位相変調器１５，２６２８．３１
を１つの基板上に集積化することができる。すなわち、
第５図に示すようにニオブ酸リチウムのような電気光学
結晶基板３２上に光導波路３３をＹ字状に形成して光分
岐器１４を構成し、その一方の分岐光導波路を挟んで電
極３４．３５を形成して位相変調器１５を構成し、また
その分枝光導波路を挟んで電極３６．３７を形成して位
相変調器３１を構成し、同様に他方の分岐光導波路を挟
んで２対の電極を形成して位相変調器２６２８を構成す
る。第４図の構成において位相変調器２８．３１を省略
して帰還鋸歯状波信号φ８−φ、をそれぞれ位相変調器
１５．２６へ供給してもよい。

上述では位相変調器２６を光フアイバコイル１６を介し
て位相変調器１５と直列に接続したが、位相変調器２６
を位相変調器１５に直接直列に接続してもよい。その例
をオープンループ形に適用した場合について第８圀に第
１図を対応する部分に同一符号を付けて、説明は省略す
る。

「発明の効果」 以上述べたようにこの発明によれば、光分岐器とループ
状光伝送路の片端との間に挿入された位相変調器と直列
に更に位相変調器を挿入して、同一周波数の変調信号で
駆動することにより、位相変調器で発生する光強度変調
にもとすく、バイアス値のオフセント誤差をゼロにする
ことができ、同様に光源からの光が強度変調を受けてい
る場合も、これにもとすくバイアス値のオフセット誤差
が生じないようにすることができ、このため光源の発生
量を増加させることができ、Ｓ／Ｎを高くすることがで
きる。これらによりバイアスの値のオフセントが小さく
高安定の光干渉角速度計が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明をオープンループ形に適用した実施例
を示すブロック図、第２図はこの発明をクローズトルー
プ形に適用した実施例を示すブロック図、第３図及び第
４図はそれぞれこの発明をクローズド・ループ形に適用
した他の実施例を示すブロック図、第５図は位相変調器
１５，２６，２８．３１を集積化した例を示す斜視図、
第６図は従来の光干渉角速度計を示すブロック図、第７
図は右回り光、左回り光が受けた位相偏移、これら両光
の位相差、両光の干渉光の光強度変化を示す図、第８図
はこの発明をオープンループ形に適用した更に他の実施
例を示すブロック図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光を光分岐手段により２つの光に分岐
   し、その一方の光をループ状光伝送路の一端に右回り光
   として入射し、他方の光を上記ループ状光伝送路の他端
   に左回り光として入射し、そのループ状光伝送路の一端
   と上記光分岐手段との間に第１位相変調器を直列に挿入
   し、その第１位相変調器を周期関数の変調信号で駆動し
   て第１位相変調器を通過する光を位相変調し、上記ルー
   プ状光伝送路を通過した上記右回り光と上記左回り光と
   を上記光分岐手段で合成して干渉させ、その干渉光を光
   検出器で電気信号に変換し、その電気信号を同期検波回
   路で上記変調信号により同期検波して、上記ループ状光
   伝送路にその軸心まわりに印加された角速度を検出する
   光干渉角速度計において、 上記第１位相変調器と直列に挿入され、上記変調信号と
   同一周波数の同一の周期関数で、かつ、上記光伝送路を
   通った光を、それが上記第１位相変調器で受けた位相偏
   移と同一方向に位相偏移する位相で変調する変調信号で
   駆動される第２位相変調器を、 具備することを特徴とする光干渉角速度計。