JPH05306939A - Optical fiber gyro - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To stabilize the intensity of light which passes through a polarizer without using a depolarizer by providing a polarization modulator before and behind the polarizer for rotating the polarization surface of light to make the light practically be a non-polarized light. CONSTITUTION:When polarization modulators 6A and 6B are provided before and behind a polarizer 4, the polarization surface of light which passes through them rotates according to the amount of external control such as voltage and current, thus depolarizing light which is output from a light-emitting element 1 and returns from a fiber coil 5 is made to be a non-polarized light in terms of time-averaging. Therefore, averaging of the intensity of light which passes through the polarizer 4 becomes uniform, thus eliminating the need for creating the entire coil 5 with a polarization surface preservation optical fiber, reducing cost, and utilizing a highly reliable and low-cost light source since a semiconductor laser for normal communication and CD can be used as the light-emitting element 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】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。特に偏波面保存能力を持たないファイ
バを用いたファイバコイルを有する場合においてファイ
バコイルを通過する光量を一定に制御するようにできる
光ファイバジャイロに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber gyro for measuring the rotational angular velocity of a moving body such as an automobile, an airplane or a ship. In particular, the present invention relates to an optical fiber gyro that can control the amount of light passing through the fiber coil to a constant value when the fiber coil using a fiber having no polarization plane preservation capability is provided.

【０００２】[0002]

【従来の技術】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。角速度に比例する位相差をΔθとする。受光素子の
出力はそのままではcos Δθに比例する。これでは微小
角速度において感度が悪いし、回転方向が分からない。
そこで位相変調方式、周波数変調、位相シフト法など光
の位相、周波数等を変化させて出力にsin Δθの形で位
相差が現れるようにする。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。周波数変調方式は、音響光学素子などを通して光の
周波数を変化させるものである。位相シフト法は一方の
光路の長さを少し変えてsin Δθの形で出力を得るもの
である。本発明はこれらの何れの形式の光ファイバジャ
イロにも利用できる。2. Description of the Related Art An optical fiber gyro determines the angular velocity by utilizing the fact that the phase difference of light propagating counterclockwise and clockwise in a fiber coil is proportional to the angular velocity of the coil. The phase difference proportional to the angular velocity is Δθ. The output of the light receiving element is directly proportional to cos Δθ. With this, the sensitivity is poor at minute angular velocities, and the direction of rotation is unknown.
Therefore, the phase, frequency, etc. of light are changed by the phase modulation method, frequency modulation, phase shift method, etc. so that the phase difference appears in the output in the form of sin Δθ. The phase modulation method is a method in which a part of an optical fiber near one end of a fiber coil is expanded and contracted to modulate the phase of light propagating therein. The frequency modulation method changes the frequency of light through an acousto-optic device or the like. The phase shift method obtains an output in the form of sin Δθ by slightly changing the length of one optical path. The present invention can be used with any of these types of fiber optic gyros.

【０００３】さて原理的な構造は、発光素子、受光素子
と、ファイバコイルの両端とを分岐結合素子でつなぎ、
発光素子の光を２分してファイバコイルの両端に入れ、
左廻り光右廻り光を受光素子に導くようになっている。
しかしこれではファイバコイルのなかで偏波面が回転し
て受光素子において右廻り光左廻り光の偏波面が一致し
ないということがある。これについて簡単に説明する。
発光素子からでた光は直線偏光している。ファイバコイ
ルはシングルモ−ドファイバを巻き回したものであるか
ら位相速度に関してはシングルモ−ドであるが偏波面に
関しては互いに直交する偏波面の光が縮退して存在す
る。両者に関して位相定数屈折率等のパラメ−タの相違
が存在しない。異方性パラメ−タが存在しないのであ
る。ために二つの光の偏波面が回転して成分比が変化す
るということもありうる。ファイバコイルに応力が掛か
ると偏波面が回転したりする。すると右廻り光と左廻り
光の偏波面が必ずしも同一にならない。もしも偏波面の
なす角がΘであるとすると、干渉光の強度はcos Θに比
例する。Θが一定であれば良いがこれが変動する。cos
Θの部分の変動によりスケ−ルファクタが変化するとい
う欠点がある。また偏波面の異なる光は異なる位相定数
を取り位相速度が異なることがある。すると受光素子に
至った時の位相が異なり干渉光が減少する。In principle, the structure is such that a light emitting element, a light receiving element and both ends of a fiber coil are connected by a branch coupling element,
Divide the light of the light emitting element into two and put them into both ends of the fiber coil.
The left-handed light and the right-handed light are guided to the light receiving element.
However, in this case, the plane of polarization may rotate in the fiber coil and the planes of polarization of the clockwise light and the counterclockwise light may not match in the light receiving element. This will be briefly described.
The light emitted from the light emitting element is linearly polarized. Since the fiber coil is formed by winding a single mode fiber, it has a single mode in terms of phase velocity, but degenerates light in polarization planes orthogonal to each other with respect to polarization planes. There is no difference in parameters such as phase constant refractive index between the two. There is no anisotropic parameter. Therefore, it is possible that the polarization planes of the two lights rotate and the component ratio changes. When stress is applied to the fiber coil, the plane of polarization may rotate. Then, the planes of polarization of the clockwise light and the counterclockwise light are not necessarily the same. If the angle made by the plane of polarization is Θ, the intensity of the interference light is proportional to cos Θ. It is sufficient if Θ is constant, but this varies. cos
There is a drawback that the scale factor changes due to the fluctuation of the Θ portion. Further, lights having different polarization planes may have different phase constants and different phase velocities. Then, the phase when reaching the light receiving element is different and the interference light is reduced.

【０００４】これを防ぐには偏波面を保存できるファイ
バによってファイバコイルを製作すれば良い。しかし偏
波面保存光ファイバはシングルモ−ドの直径方向の２箇
所に応力部材を入れたりコアを楕円にするなどして異方
性を与えるので当然に製造コストが高い。これを１００
ｍ〜５００ｍのファイバコイルにすると極めて高価な光
ファイバジャイロになってしまう。やはりファイバコイ
ルはシングルモ−ドファイバで製作したいものである。In order to prevent this, a fiber coil may be manufactured from a fiber capable of preserving the plane of polarization. However, the polarization-maintaining optical fiber has a high manufacturing cost because stress members are provided at two locations in the diameter direction of a single mode or the core is made elliptical to give anisotropy. 100 this
If a fiber coil of m to 500 m is used, it becomes an extremely expensive optical fiber gyro. After all, the fiber coil is desired to be manufactured with a single mode fiber.

【０００５】そこで、光分岐結合素子を二つ用いて、ひ
とつは発光素子と受光素子を結合し、もうひとつはファ
イバコイルの両端をつなぐようにし、両者をファイバで
結合し、この中間ファイバの中に偏光子を入れる構造の
光ファイバジャイロが提案された。つまり光が分離され
る前に偏光子を通し一定方向の偏波面にし、ファイバコ
イルを左廻り光右廻り光として伝搬した後も偏光子を通
して偏波面を揃えるようにしてある。E.C.Kintner,"Pol
arization control in optical-fiber gyroscopes",Op
t.Lett.vol.6,No.3,p154,(1981)は偏光子の必要性を指
摘したものである。これはファイバコイルの中での偏波
面の回転により出力が変動することを述べている。Therefore, two optical branching and coupling elements are used, one is for coupling a light emitting element and a light receiving element, and the other is to connect both ends of a fiber coil. An optical fiber gyro having a structure in which a polarizer is inserted has been proposed. That is, the polarization plane is made to pass through the polarizer before being split into a certain direction, and the polarization plane is made uniform through the polarizer even after propagating as left-handed light and right-handed light through the fiber coil. ECKintner, "Pol
arization control in optical-fiber gyroscopes ", Op
t.Lett.vol.6, No.3, p154, (1981) points out the need for a polarizer. This states that the output changes due to the rotation of the plane of polarization in the fiber coil.

【０００６】図２は偏光子を中間光路に挿入した光ファ
イバジャイロの概略構成図である。発光素子１から出射
した光は第１のカップラ３Ａを通り、中間ファイバに入
り、偏光子４を通過して直線偏光になる。これが第２の
カップラ３Ｂを通過してファイバコイル５の両端に入射
する。これがファイバコイル５の中を右廻り光左廻り光
として伝搬する。そしてカップラ３Ｂを反対向きに通過
し中間ファイバに至る。更に偏光子４を逆に通り、カッ
プラ３Ａを通過して、受光素子２に入る。受光素子では
左廻り光と右廻り光が干渉し、干渉光の強度を検出す
る。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical fiber gyro in which a polarizer is inserted in an intermediate optical path. The light emitted from the light emitting element 1 passes through the first coupler 3A, enters the intermediate fiber, passes through the polarizer 4, and becomes linearly polarized light. This passes through the second coupler 3B and enters both ends of the fiber coil 5. This propagates in the fiber coil 5 as clockwise light and counterclockwise light. Then, it passes through the coupler 3B in the opposite direction to reach the intermediate fiber. Further, the light passes through the polarizer 4 in the reverse direction, passes through the coupler 3A, and enters the light receiving element 2. In the light receiving element, the left-handed light and the right-handed light interfere with each other, and the intensity of the interference light is detected.

【０００７】初めに偏光子を通ることにより偏波面が一
定方向に規定される。これがファイバコイルを通過する
のであるから同じ偏光子を通過できる筈である。しかし
偏波面は偏光子の偏波の方向と合致しているとは限らな
い。一般にΦの角度をなす。すると、戻り光が偏光子を
逆方向に通るとその光量はcos Φに比例して減少する。
Φ＝０であるのが望ましい。しかし光の往復の経路が異
なるので一般にΦは０でない。左廻り光右廻り光でΦが
一致しない。図５はΦの相違によってどのように偏光子
を通過した光の強度が変化するかを示す。偏光子の偏波
面は上向きである。光の偏波面が左に矢印で書いてあ
る。右には偏光子の出力を図示している。Φ＝０であれ
ば（ｉ）のように出力は最大になる。またΦが中間の値
であれば（ｉｉ）のように出力が低下する。このような
場合は未だ良いのである。しかしΦ＝９０°となる可能
性もある。この場合は戻り光は偏光子を全く通過できな
い。偏光子の出力は０となる。このように戻り光が偏光
子を通過できないとこれは光ファイバジャイロとして全
く機能しないことになる。Φが時間的に一定であれば良
いのであるがそうではない。時間的にΦが変動する。す
ると時として偏光子を通過する光が無くなるということ
になる。こうなると光ファイバジャイロとして全く機能
しない。このように出力が時間の経過とともに変化する
減少をｆａｄｉｎｇという。First, the plane of polarization is defined in a fixed direction by passing through the polarizer. Since it passes through the fiber coil, it should be able to pass through the same polarizer. However, the plane of polarization does not always match the direction of polarization of the polarizer. Generally forms an angle of Φ. Then, when the returning light passes through the polarizer in the opposite direction, the amount of light decreases in proportion to cos Φ.
It is desirable that Φ = 0. However, Φ is generally not 0 because the round trip paths of light are different. Φ does not match with left-handed light and right-handed light. FIG. 5 shows how the intensity of light passing through the polarizer changes depending on the difference in Φ. The polarization plane of the polarizer is upward. The plane of polarization of light is marked with an arrow to the left. The output of the polarizer is shown on the right. If Φ = 0, the output becomes maximum as in (i). If Φ is an intermediate value, the output decreases as shown in (ii). In such cases, it is still good. However, Φ may be 90 °. In this case, the return light cannot pass through the polarizer at all. The output of the polarizer is 0. If the return light cannot pass through the polarizer in this way, it will not function as an optical fiber gyro at all. It is good if Φ is constant over time, but not so. Φ fluctuates with time. This sometimes means that there is no light passing through the polarizer. If this happens, it will not function at all as an optical fiber gyro. The decrease in which the output changes over time is called fading.

【０００８】これは偏光子を挿入することによって新た
に生じた難点である。これを解決するために偏波面保存
光ファイバによってファイバ光路の全体を構成すれば良
い。しかしそうすると高価な装置になってしまう。偏波
面保存光ファイバを使う事無くこの難点を解決するため
に、Ｂｏｅｈｍはデポラライザをファイバコイルの端部
に挿入することを提案した。K.Boehm et al,:"Low-Drif
t Fiber Gyro Using a Superluminescent Diode",ELECT
RONICS LETTERS,vol.17,No.10,p352(1981)デポラライザ
というのは直線偏光や楕円偏光、円偏光を無偏光にする
素子である。複屈折性を持つ光学材料を二つ光学主軸が
４５°捩じれたように接着したものである。これらの光
学材料の流さの比が２：１である。また発光素子の可干
渉長よりも光学材料の内部での光路が長くなるようにな
っている。デポラライザの原理を簡単に説明する。先ず
直線偏光の光が第１の複屈折性物体に入射したとする。
これの光学主軸と光の偏波面のなす角をψとする。ｘ軸
に偏波面を持つ成分はcos ψに、ｙ軸に偏波面を持つ成
分はsin ψに比例する。この光は第１の複屈折性物体を
通過した時に既に干渉できない程離れている。これが第
２の複屈折性物体に入る。これは前記の複屈折性物体に
対して光学主軸が４５°捩じれているから、前記のcos
ψの光は２等分されて第２の複屈折性物体の主軸Ｘ、Ｙ
に偏波面を持つ光に分配される。sin ψの光も２等分さ
れて第２の複屈折性物体の主軸Ｘ、Ｙ方向に偏波面を持
つ光に分配される。従って第２の複屈折性物体に於いて
主軸Ｘ、Ｙ方向に偏波面を持つ光は完全に同一の強度を
もつ。Ｘ軸に対して角χをなす偏波面を有する光のパワ
−はこれらの光パワ−成分にそれぞれcos²χとsin²χを
乗じて足したものである。これはχによらず常に一定値
をとる。つまり無偏光ということである。ここでは直線
偏光で説明したが任意の方向の偏波面を持つ光が無偏光
になるのであるから円偏光であっても楕円偏光であって
も無偏光になる。This is a new problem caused by inserting a polarizer. In order to solve this, the entire fiber optical path may be configured by a polarization-maintaining optical fiber. However, this would result in an expensive device. To overcome this difficulty without using a polarization-maintaining optical fiber, Boehm proposed inserting a depolarizer at the end of the fiber coil. K. Boehm et al,: "Low-Drif
t Fiber Gyro Using a Superluminescent Diode ", ELECT
RONICS LETTERS, vol.17, No.10, p352 (1981) Depolarizer is an element that depolarizes linearly polarized light, elliptically polarized light and circularly polarized light. It is an optical material having birefringence that is adhered so that two optical principal axes are twisted by 45 °. The flow ratio of these optical materials is 2: 1. The optical path inside the optical material is longer than the coherence length of the light emitting element. The principle of the depolarizer will be briefly described. First, assume that linearly polarized light is incident on the first birefringent object.
The angle between the optical principal axis and the plane of polarization of light is ψ. A component having a polarization plane on the x axis is proportional to cos ψ, and a component having a polarization plane on the y axis is proportional to sin ψ. This light is so far away that it cannot already interfere when it passes through the first birefringent object. This enters the second birefringent body. This is because the optical principal axis is twisted by 45 ° with respect to the birefringent object,
The light of ψ is divided into two equal parts, and the principal axes X and Y of the second birefringent object are divided.
Is split into light with a plane of polarization. The light of sin ψ is also divided into two equal parts and distributed to the light having the plane of polarization in the principal axes X and Y directions of the second birefringent object. Therefore, in the second birefringent object, the lights having the planes of polarization in the principal axes X and Y directions have completely the same intensity. The power of light having a plane of polarization forming an angle χ with respect to the X axis is obtained by multiplying these optical power components by cos ² χ and sin ² χ, respectively. This always takes a constant value regardless of χ. In other words, it means no polarization. Although linearly polarized light has been described here, light having a plane of polarization in an arbitrary direction becomes non-polarized, and thus circularly polarized light or elliptically polarized light does not become polarized light.

【０００９】デポラライザをファイバコイルの一端に入
れると、右廻り光も左廻り光も必ず１回これを通過し無
偏光になる。無偏光のまま偏光子を通るので光のパワ−
の半分が必ず偏光子を逆方向に通過できる。偏波面の回
転がファイバコイルの内部でおこったとしても無偏光で
あるという性質が維持される。ために光パワ−の半分は
必ず偏光子を通過できるということになる。図３はこの
ような光ファイバジャイロの構成図である。デポラライ
ザ７がファイバコイルの一端の光路に設けられる。とこ
ろがこのようにデポラライザを使用する場合は次の難点
がある。When the depolarizer is inserted into one end of the fiber coil, both right-handed light and left-handed light always pass through it once and become non-polarized. Since it passes through the polarizer without being polarized, the power of light is increased.
Half of it can pass through the polarizer in the opposite direction. Even if the plane of polarization is rotated inside the fiber coil, the property of being non-polarized is maintained. Therefore, half of the optical power can always pass through the polarizer. FIG. 3 is a block diagram of such an optical fiber gyro. A depolarizer 7 is provided in the optical path at one end of the fiber coil. However, using the depolarizer in this way has the following drawbacks.

【００１０】[0010]

【発明が解決しようとする課題】Ｂｏｅｈｍが用いたデ
ポラライザは複屈折性を有するバルクの結晶二つを、主
軸が４５°異なるように接合したものである。Ｌｙｏｔ
デポラライザという。これは大きくて光ファイバジャイ
ロに馴染まないので、偏波面保存光ファイバを２本つな
ぎ合わせたデポラライザが用いられる。偏波面保存光フ
ァイバは複屈折性を持つ。２本の偏波面保存光ファイバ
を主軸が４５°捩じれるように接合するとデポラライザ
になる。しかし無偏光になる割合は、この接合の角度に
依存する。ために厳密に４５°の角を捩じれ角をなすよ
うにしなければならない。精密な角度調節をして接続し
なければならないので接続作業が難しい。デポラライザ
の製作コストが高い。The depolarizer used by Boehm is formed by bonding two bulk crystals having birefringence so that their principal axes differ by 45 °. Lyot
It is called a depolarizer. Since this is large and does not fit in an optical fiber gyro, a depolarizer in which two polarization-maintaining optical fibers are connected is used. The polarization-maintaining optical fiber has birefringence. A depolarizer is formed by joining two polarization-maintaining optical fibers so that their principal axes are twisted by 45 °. However, the proportion of non-polarized light depends on the angle of this junction. Therefore, it is necessary to form a twist angle at an angle of 45 °. The connection work is difficult because the connection must be made with precise angle adjustment. The manufacturing cost of the depolarizer is high.

【００１１】もうひとつの難点は発光素子の問題であ
る。偏波面保存光ファイバでデポラライザを作ろうとす
ると、ファイバ長が発光素子の可干渉長以上でなければ
ならない。これは意外に厳しい条件である。偏波面保存
光ファイバの複屈折性はあまり大きくない。１ｍ程度の
長さの偏波面保存光ファイバを使おうとすると、発光素
子のスペクトル幅は１０ｎｍ程度あることが要求され
る。半導体レ−ザはもっとスペクトル幅が狭く可干渉長
が長すぎる。通常の半導体レ−ザを発光素子として使お
うとすると可干渉長が長いので偏波面保存光ファイバが
１０ｍ程度も必要になる。そこでスペクトル幅が広く可
干渉長の短いものとしてス−パ−ルミネッセントダイオ
−ド等が用いられる。しかしこれは半導体レ−ザに比べ
て高価であるし信頼性も低い。発光素子を通常の半導体
レ−ザにすると偏波面保存光ファイバを使ったデポララ
イザが極めて作り難いものになる。Another difficulty is the problem of the light emitting device. To make a depolarizer with a polarization-maintaining optical fiber, the fiber length must be greater than the coherence length of the light emitting device. This is an unexpectedly severe condition. The birefringence of polarization-maintaining optical fiber is not so great. When using a polarization-maintaining optical fiber having a length of about 1 m, it is required that the spectrum width of the light emitting element is about 10 nm. The semiconductor laser has a narrower spectral width and the coherence length is too long. If an ordinary semiconductor laser is used as a light emitting element, the coherence length is long, so that a polarization-maintaining optical fiber of about 10 m is required. Therefore, a super luminescent diode or the like is used as one having a wide spectrum width and a short coherence length. However, it is more expensive and less reliable than a semiconductor laser. If the light emitting element is an ordinary semiconductor laser, it becomes extremely difficult to make a depolarizer using a polarization-maintaining optical fiber.

【００１２】デポラライザは光を無偏光にするものであ
る。無偏光というのは任意の時間に於いて光の偏波面が
角度方向に均等に分布しているものである。しかし良く
考えれば任意の時間において無偏光である必要はない。
測定時間に比較して十分に短い時間スケ−ルで無偏光で
あればよいのである。本発明は製作の難しいデポラライ
ザを用いることなく、しかも偏光子を通過する光の強度
が安定するようにした光ファイバジャイロを提供するこ
とを目的とする。The depolarizer makes light unpolarized. Non-polarized light means that the polarization plane of light is evenly distributed in the angular direction at any time. However, if considered carefully, it is not necessary to be non-polarized light at any time.
It suffices if it is non-polarized light with a time scale sufficiently shorter than the measurement time. It is an object of the present invention to provide an optical fiber gyro that does not use a depolarizer, which is difficult to manufacture, and that stabilizes the intensity of light passing through a polarizer.

【００１３】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバジャ
イロは偏光子の前後に偏波変調器を設けこれを通過する
光の偏波面を時間的に変化させ、偏光子を通過する前の
光を実効的に無偏光にする。全ての時刻において無偏光
なのではなく、時間平均すれば無偏光であるというよう
にするのである。そうすれば偏光子を通過する光の強度
の平均が一定であるようにすることができる。例えば周
期ｆで偏波面を回転させると、時間平均をとればこれは
無偏光ということになる。ただし時間平均の時間の尺度
τが、角速度計測の最小単位時間ｔ₁ よりも短くなけれ
ばならない。偏光子の前方に偏波変調器を設けるのは発
光素子から出た光を実効的に無偏光にするためである。
偏光子の後方に偏波変調器を設けるのはファイバコイル
から戻ってくる光を無偏光にするためである。The optical fiber gyro of the present invention is provided with a polarization modulator before and after a polarizer to change the polarization plane of light passing through the polarizer temporally and to output light before passing through the polarizer. Is effectively made non-polarized. It is not unpolarized at all times, but it is unpolarized when time averaged. Then, the average intensity of light passing through the polarizer can be made constant. For example, if the plane of polarization is rotated at the period f, it will be non-polarized if the time average is taken. However, the time average τ of the time average must be shorter than the minimum unit time t ₁ of the angular velocity measurement. The polarization modulator is provided in front of the polarizer in order to effectively make the light emitted from the light emitting element unpolarized.
The polarization modulator is provided behind the polarizer in order to make the light returning from the fiber coil unpolarized.

【００１４】ここで偏波変調器というのは本発明者の造
語である。これを通過する光の偏波面を回転できる素子
という意味である。こういうものが市販されているわけ
ではない。また偏波変調器というものの存在がこの業界
に広く知られているわけではない。この点でデポラライ
ザと違う。デポラライザは良く知られた素子である。光
ファイバジャイロにおけるデポラライザの必要性も認識
されつつある。しかし偏波変調器が光ファイバジャイロ
に必要であるという認識はこれまでなかった。本発明は
偏波変調器を偏光子の前後に設けることにより実効的に
光を無偏光にする。つまり偏波変調器によりデポラライ
ザと等価の機能を果たさせようとするものである。The polarization modulator is a coined word of the present inventor. This means an element that can rotate the plane of polarization of light passing through it. There is no such thing on the market. Moreover, the existence of a polarization modulator is not widely known in this industry. This is different from the depolarizer. The depolarizer is a well-known element. The need for depolarizers in fiber optic gyros is also being recognized. However, there has been no recognition that a polarization modulator is necessary for an optical fiber gyro. According to the present invention, the polarization modulator is provided before and after the polarizer to effectively depolarize the light. In other words, the polarization modulator is intended to have a function equivalent to that of the depolarizer.

【００１５】[0015]

【作用】図１は本発明の光ファイバジャイロの構成図を
示す。発光素子１、受光素子２につながるファイバがカ
ップラ３Ａによって合体しこれが中間ファイバにつなが
る。中間ファイバには偏光子４が設けられる。中間ファ
イバの他端が第２のカップラ３Ｂによりファイバコイル
５の両端に接続される。本発明において新規な点は、偏
光子４の前後に偏波変調器６Ａ、６Ｂを設けた点であ
る。偏波変調器はこれを通過する光の偏波面を外部制御
量に応じて変化させるものである。これは単に変化させ
るのではなく電圧、電流など外部制御変数に比例して偏
波面を回転できるものである。異方性光学結晶の旋光性
のように偏波面回転が一定角であるというようなもので
はいけない。1 is a block diagram of the optical fiber gyro of the present invention. The fibers connected to the light emitting element 1 and the light receiving element 2 are combined by the coupler 3A and connected to the intermediate fiber. A polarizer 4 is provided in the intermediate fiber. The other end of the intermediate fiber is connected to both ends of the fiber coil 5 by the second coupler 3B. A novel point in the present invention is that polarization modulators 6A and 6B are provided before and after the polarizer 4. The polarization modulator changes the plane of polarization of light passing through it according to an external control amount. Instead of simply changing it, the plane of polarization can be rotated in proportion to external control variables such as voltage and current. The rotation of polarization plane should not be a constant angle like the optical activity of anisotropic optical crystals.

【００１６】光ファイバジャイロにおいては光の偏波面
が回転するということは、ドリフトの原因になり望まし
いことではない。光の偏波面の回転を押さえるために種
々の工夫がなされている。偏波面回転は光ファイバジャ
イロの精度にとって障害になる。これはひたすら回避す
べきものであった。偏光子を入れるというのは光の偏波
面を強制的に固定するということである。これは偏波面
回転を嫌う光ファイバジャイロの原理に根ざすものであ
る。In the optical fiber gyro, the rotation of the plane of polarization of light causes drift and is not desirable. Various measures have been taken to suppress the rotation of the plane of polarization of light. The polarization plane rotation is an obstacle to the accuracy of the optical fiber gyro. This was something that should be avoided. Inserting a polarizer means fixing the polarization plane of light forcibly. This is based on the principle of an optical fiber gyro that dislikes polarization plane rotation.

【００１７】しかし本発明はこれとは全く逆である。偏
波面回転を反対に利用しようというものである。デポラ
ライザを用いて無偏光にするのが最も優れているのであ
るが、デポラライザは前述のように製作が難しいという
ところがあるので、本発明では偏波変調器を用いて実効
的に無偏光にするのである。例えば光の偏波面を周波数
Ω_m で回転できたとする。偏波面のｘ成分をＨ_x 、ｙ成
分をＨ_y として、 Ｈ_x ＝Ｈ₀cosΩ_m ｔ ， Ｈ_y ＝Ｈ₀sinΩ_m ｔ （１） これの時間平均をとると、 〈Ｈ_x 〉＝０ ， 〈Ｈ_y 〉＝０ （２） である。平均操作の時間の長さは、２π／Ω_m より長け
れば良い。これは実効的に無偏光ということである。デ
ポラライザは常にＨ＝０ということであるが、ここでは
時間平均的に無偏光ということである。However, the present invention is the exact opposite. The idea is to use polarization rotation in the opposite direction. It is the best to use a depolarizer to make it non-polarized, but since the depolarizer is difficult to manufacture as described above, the present invention uses a polarization modulator to effectively make it non-polarized. is there. For example, assume that the plane of polarization of light can be rotated at a frequency of Ω _m . Plane of polarization of the x component of H _x, the y component as _{H y, H x = H 0} cosΩ m t, H y = H 0 sinΩ m t (1) Taking an average this time, <H _x> = 0 , <H _y > = 0 (2). The length of the average operation time may be longer than 2π / Ω _m . This is effectively non-polarized. The depolarizer always says that H = 0, but here it means that it is non-polarized on the time average.

【００１８】発光素子と偏光子の間の第１偏波変調器６
Ａは、発光素子から出射した光を実効的に無偏光にして
偏光子を通過させる。こうすると常に光パワ−の半分が
偏光子を通るようになる。半分より多くなく半分よりも
少なくない。丁度半分である。この点はデポラライザと
同じである。発光素子の光量は一定であるから、偏波面
の方向の時間平均が０であれば偏光子を通過する光量
も、全光量の半分になる。理想的に（１）で偏波面が表
現される場合、光の偏波面と偏光子の主軸とのなす角が
（Ω_m ｔ＋定数）となる。この定数は位相をずらすだけ
で平均操作では落ちてしまう。そこで偏光子の偏光方向
が０°となる座標形で考えると、偏光子を通った光の振
幅はＨ₀cos Ω_m ｔによって与えられる。これの２乗が
偏光子を通過する光のパワ−である。First polarization modulator 6 between the light emitting element and the polarizer
A effectively makes the light emitted from the light emitting element unpolarized light and allows it to pass through the polarizer. This way, half of the light power will always go through the polarizer. Not more than half and not less than half. It is exactly half. This point is the same as the depolarizer. Since the light quantity of the light emitting element is constant, if the time average in the direction of the polarization plane is 0, the light quantity passing through the polarizer will be half of the total light quantity. If polarization in the ideal (1) is represented, the angle of the plane of polarization of light and the main axis of the polarizer is (Omega _m t + constant). This constant will drop in averaging only by shifting the phase. Therefore, considering the coordinate form in which the polarization direction of the polarizer is 0 °, the amplitude of light passing through the polarizer is given by H ₀ cos Ω _m t. The square of this is the power of light passing through the polarizer.

【００１９】 Ｕ＝Ｈ₀ ²cos²Ω_m ｔ （３） これ自体は時間的に変動する。しかしこれを時間平均し
た平均的なパワ−Ｗは、 Ｗ＝〈Ｕ〉＝Ｈ₀ ²／２ （４） となる。偏光子の直前での光のパワ−はＨ₀ ²である。
（４）の意味するところはデポラライザと同様に全光量
の半分だけが偏光子を通過できるということである。[0019] ^{_{U = H 0 2 cos 2 Ω}} m t (3) which itself varies with time. However the average power -W This was the average time becomes _{W = <U> = H 0} 2/2 (4). The power of light immediately before the polarizer is H ₀ ² .
The meaning of (4) is that only half of the total amount of light can pass through the polarizer, as in the depolarizer.

【００２０】最も（１）のように偏波面が完全に周期的
に回転するのは理想的な場合である。実際には完全に等
確率で回転しないということもありうる。偏波面の存在
に異方性が残るということもある。この場合は偏光子を
通過する光量が厳密に半分にならないこともある。この
場合干渉光の強度が低くなるので感度も低くなる。しか
しそれでもこの異方性が時間的に一定しているならばス
ケ−ルファクタの変動を引き起こさない。It is an ideal case that the plane of polarization rotates completely cyclically as in (1). In reality, it is possible that they do not rotate with equal probability. Anisotropy may remain in the existence of the plane of polarization. In this case, the amount of light passing through the polarizer may not be exactly half. In this case, since the intensity of the interference light is low, the sensitivity is also low. However, if this anisotropy is constant over time, it does not cause a change in the scale factor.

【００２１】[0021]

【実施例】偏波変調器というのは本発明者が初めて提案
するものである。当然市販された偏波変調器というよう
なものは存在しない。しかし本発明者は位相変調器が偏
波変調器として利用できることを知っている。位相変調
器としては円筒形の圧電素子にファイバを巻き付けたも
の等が用いられる。円筒の内外または端面に電極を設け
て電極間に交番電圧を印加する。すると電圧が圧電素子
の半径方向に発生しこれが歪みを誘起する。ファイバも
これに伴って歪む。ファイバが巻き付けてあるがこれが
膨張収縮するので光路長が変化する。ために位相が変化
する。つまり位相変調器として機能する。だから位相変
調器なのであるが、これは困ったことに駆動電圧を大き
くすると、位相変化のみならず偏波面回転をも引き起こ
すということが分かってきた。位相変調器として用いる
場合は偏波面回転を押さえるように何らかの工夫をしな
ければならない。図４は圧電素子の概略斜視図である。
円筒形の圧電素子８にファイバ９を巻き付けてある。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A polarization modulator was first proposed by the present inventor. Of course, there is no commercially available polarization modulator. However, the inventor knows that the phase modulator can be used as a polarization modulator. As the phase modulator, a cylindrical piezoelectric element wound with a fiber is used. Electrodes are provided on the inside and outside or the end surface of the cylinder, and an alternating voltage is applied between the electrodes. Then, a voltage is generated in the radial direction of the piezoelectric element, which induces strain. The fiber also distorts with this. Although the fiber is wound, it expands and contracts so that the optical path length changes. Therefore, the phase changes. That is, it functions as a phase modulator. Therefore, it is a phase modulator, but it has been found that, unfortunately, when the drive voltage is increased, not only the phase change but also the polarization plane rotation is caused. When it is used as a phase modulator, some kind of device must be devised to suppress polarization plane rotation. FIG. 4 is a schematic perspective view of the piezoelectric element.
A fiber 9 is wound around a cylindrical piezoelectric element 8.

【００２２】本発明ではこの性質を逆に利用する。圧電
素子に加える電圧をある程度の大きい振幅のものとす
る。すると光の偏波面が回転する。回転は偶然的ではな
く電圧に比例する。ために前記の（１）式のように偏波
面を回転させることができる。In the present invention, this property is used in reverse. It is assumed that the voltage applied to the piezoelectric element has a large amplitude to some extent. Then, the plane of polarization of light rotates. Rotation is proportional to voltage, not accidental. Therefore, the plane of polarization can be rotated as in the above formula (1).

【００２３】これまで述べたものは電圧を使って圧電素
子を歪ませるものであるが、素子によっては磁場によっ
て歪むものもある。磁歪である。これを利用した位相変
調器であってもよい。この場合はコイルに通電すること
によって磁場を発生し、磁場によって素子を歪ませる。
素子が歪むとこれに巻き付けたファイバが膨張収縮す
る。磁歪を利用したものは応答速度が遅いのであるが、
本発明の場合偏波面の回転の周波数は数十Ｈｚ〜数百Ｈ
ｚで良いので、磁歪を利用したものも有効である。むし
ろ磁歪素子は歪みを大きく取れるので本発明には最適と
いうことできる。The above-mentioned ones use a voltage to distort a piezoelectric element, but some elements distort due to a magnetic field. It is magnetostrictive. A phase modulator utilizing this may be used. In this case, a magnetic field is generated by energizing the coil, and the element is distorted by the magnetic field.
When the element is distorted, the fiber wound around the element expands and contracts. The one using magnetostriction has a slow response speed,
In the case of the present invention, the frequency of rotation of the plane of polarization is several tens Hz to several hundreds H.
Since z is sufficient, it is also effective to use magnetostriction. Rather, the magnetostrictive element can take a large amount of strain, so it can be said to be optimal for the present invention.

【００２４】あるいは電気光学結晶の両面に電極を設け
て、これに交番電界を掛け、結晶に光を通すようにした
ものも用いることができる。電気光学結晶は電界によっ
て複屈折性を誘起できる。複屈折性は電圧に比例する。
ために電圧を周期的に変動させると光の偏波面を回転さ
せることができる。つまり電気光学効果を用いて偏波変
調器を構成できる。但しこれは偏波面の回転を（１）に
示すようにリニヤに変化させるということはできない。
（１）のようにきれいに偏波面回転を引き起こしたいと
いう場合はファラデ−回転素子を用いれば良い。常磁性
ガラスやガ−ネットなどの単結晶を用いることができ
る。偏波面の回転は磁場に比例する。そこでコイルをこ
れらの材料の近傍に設けコイル電流を周期的に変動させ
ると（１）のような偏波面回転を実現することができ
る。Alternatively, it is possible to use an electro-optic crystal in which electrodes are provided on both sides and an alternating electric field is applied to the electrodes to allow light to pass through the crystal. An electro-optic crystal can induce birefringence by an electric field. Birefringence is proportional to voltage.
Therefore, the polarization plane of light can be rotated by periodically changing the voltage. That is, the polarization modulator can be configured by using the electro-optic effect. However, this cannot change the rotation of the plane of polarization linearly as shown in (1).
If it is desired to cause the polarization plane rotation to occur neatly as in (1), a Faraday rotation element may be used. A single crystal such as paramagnetic glass or garnet can be used. The rotation of the plane of polarization is proportional to the magnetic field. Therefore, if a coil is provided in the vicinity of these materials and the coil current is periodically changed, the polarization plane rotation as in (1) can be realized.

【００２５】位相変調器を偏波変調器として利用すると
きは、図１において、第２偏波変調器は偏光子４と第２
カップラ３Ｂの間に位置させる必要はない。ファイバカ
ップラ３Ｂとファイバコイル５の間に置くと位相変調器
として機能してしまうが、本来の位相変調器と変調周波
数を変えておけば、光信号を位相変調周波数で同期検波
する位相変調方式光ファイバジャイロにおいては、何ら
影響はない。When the phase modulator is used as a polarization modulator, the second polarization modulator in FIG. 1 is the polarizer 4 and the second polarization modulator.
It need not be located between the couplers 3B. If it is placed between the fiber coupler 3B and the fiber coil 5, it will function as a phase modulator, but if the original phase modulator and the modulation frequency are changed, the phase modulation type optical signal for synchronously detecting the optical signal at the phase modulation frequency will be used. This has no effect on the fiber gyro.

【００２６】図６は偏波面変調したときの偏波面回転角
の余弦cos Φと偏光子を通る光パワーの関係の例を示す
図である。ここでは３つの例を示す。１周期において印
加電圧が必ずしも連続していなくても良い。どのような
電圧の変化でもよいのである。１例のように理想的には
時間的に等速度で偏波面を回転させるのが良いのである
が、そうでなくても良い。偏波面の変化が時間的に一定
であれば良いのである。FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the cosine cos Φ of the polarization plane rotation angle and the optical power passing through the polarizer when polarization plane modulation is performed. Three examples are given here. The applied voltage does not necessarily have to be continuous in one cycle. Any change in voltage will do. Ideally, the plane of polarization should be rotated at a constant speed in time as in the case of one example, but this is not necessary. It suffices if the change in the plane of polarization is constant over time.

【００２７】[0027]

【発明の効果】本発明は、時間平均すれば光を無偏光に
することができる偏波変調器を偏光子の前後に設けたも
のであるから、時間とともに出力が変動するというｆａ
ｄｉｎｇが起こらない。偏光子を通る光量を時間平均の
意味で半分にすることができるからである。ファイバコ
イルの全体を偏波面保存光ファイバによって構成すると
スケ−ルファクタの変動という問題はないが、極めて高
価なものになる。本発明はファイバコイルの全体を偏波
面保存光ファイバで作る必要がない。だからより安価に
製作できる。According to the present invention, a polarization modulator capable of making light non-polarized when time-averaged is provided before and after a polarizer. Therefore, the output fa changes with time.
ding does not occur. This is because the amount of light passing through the polarizer can be halved in the sense of time average. When the entire fiber coil is constructed of a polarization-maintaining optical fiber, there is no problem of scale factor fluctuation, but it is extremely expensive. The present invention does not require the entire fiber coil to be made of polarization-maintaining optical fiber. Therefore, it can be manufactured at a lower cost.

【００２８】デポラライザを用いると偏光子に入る光を
無偏光にすることができるが、可干渉長の長い通常の通
信やＣＤで用いられる半導体レ−ザを用いようとする
と、デポラライザを作るためには１０ｍ程度の長い偏波
面保存光ファイバを必要とする。１ｍ程度の短い偏波面
保存光ファイバでデポラライザを作ろうとすると、可干
渉長の短いス−パ−ルミネッセントダイオ−ドを用いな
ければならない。これは信頼性低く高価格である。発光
素子として最適ではない。本発明はデポラライザではな
く偏波変調器を用いる。これも実効的に光を無偏光にす
るのであるが原理が違う。ために長い偏波面保存光ファ
イバを不要とする。また通常の通信、ＣＤ用の半導体レ
−ザを発光素子として用いることができる。つまり高信
頼性、低価格の光源を利用できる。When a depolarizer is used, the light entering the polarizer can be made non-polarized. However, when a semiconductor laser used for ordinary communication or CD having a long coherence length is used, it is necessary to make a depolarizer. Requires a polarization maintaining optical fiber having a long length of about 10 m. In order to make a depolarizer with a polarization-maintaining optical fiber having a short length of about 1 m, a superluminescent diode having a short coherence length must be used. This is unreliable and expensive. Not optimal as a light emitting device. The present invention uses a polarization modulator rather than a depolarizer. This also effectively makes the light unpolarized, but the principle is different. Therefore, a long polarization-maintaining optical fiber is unnecessary. Further, a semiconductor laser for ordinary communication and CD can be used as a light emitting element. In other words, a highly reliable and low cost light source can be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の光ファイバジャイロの概略構成図。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical fiber gyro of the present invention.

【図２】中間のファイバ光路に偏光子を設けた光ファイ
バジャイロの概略構成図。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical fiber gyro in which a polarizer is provided in an intermediate fiber optical path.

【図３】偏光子の後にデポラライザを設けた光ファイバ
ジャイロの概略構成図。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical fiber gyro in which a depolarizer is provided after a polarizer.

【図４】本発明で偏波変調器として用いる素子の概略斜
視図。FIG. 4 is a schematic perspective view of an element used as a polarization modulator in the present invention.

【図５】偏光子に入射する光の偏波面方向と偏光子を通
過した光の光量を示すグラフ。FIG. 5 is a graph showing a polarization plane direction of light incident on a polarizer and a light amount of light passing through the polarizer.

【図６】偏波面回転角の余弦cos Φと偏光子を通る光パ
ワーの時間的変化の例を示す波形図。FIG. 6 is a waveform diagram showing an example of temporal changes in the cosine cos Φ of the polarization plane rotation angle and the optical power passing through the polarizer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 発光素子 ２ 受光素子 ３Ａ カップラ ３Ｂ カップラ ４ 偏光子 ５ ファイバコイル ６Ａ 偏波変調器 ６Ｂ 偏波変調器 1 Light-Emitting Element 2 Light-Receiving Element 3A Coupler 3B Coupler 4 Polarizer 5 Fiber Coil 6A Polarization Modulator 6B Polarization Modulator

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、光源としての単色光を生ずる発光素子と、シ
ングルモ−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、ファイ
バコイルの両端を結合する第１の光分岐結合素子と、発
光素子と受光素子につながるファイバを結合する第２の
光分岐結合素子と、第１光分岐結合素子と第２光分岐結
合素子を結合する中間ファイバ光路と、中間ファイバ光
路に設けられた偏光子と、発光素子と偏光子の間に設け
られた光の偏波面を回転させる偏波変調器と、偏光子と
第２光分岐結合素子の間に設けられ光の偏波を回転させ
る第２の偏波変調器とよりなり、第１偏波変調器、第２
偏波変調器により光の偏波面を周期的に回転させるよう
にしたことを特徴とする光ファイバジャイロ。1. An optical fiber gyro having a principle that light is propagated counterclockwise in a fiber coil clockwise and the rotational angular velocity of the fiber coil is obtained from a phase difference between the two lights, and a monochromatic light source as a light source. A light-emitting element that emits light, a fiber coil in which a single-mode optical fiber is wound many times, a light-receiving element that interferes with light propagating counterclockwise and clockwise in the fiber coil, and detects the intensity of interference light, and a fiber. A first optical branching / coupling element that couples both ends of a coil, a second optical branching / coupling element that couples a fiber connected to a light emitting element and a light receiving element, and a first optical branching and coupling element and a second optical branching and coupling element Intermediate fiber optical path, a polarizer provided in the intermediate fiber optical path, a polarization modulator for rotating the polarization plane of light provided between the light emitting element and the polarizer, a polarizer and a second optical branching and coupling element And a second polarization modulator provided between the first polarization modulator and the second polarization modulator for rotating the polarization of the light.
An optical fiber gyro characterized in that the polarization plane of light is periodically rotated by a polarization modulator. 【請求項２】 前記の偏波変調器が、光ファイバに機械
的な変形を加えることによりファイバ伝搬光の偏波面を
回転させるものであることを特徴とする請求項１に記載
の光ファイバジャイロ。2. The optical fiber gyro according to claim 1, wherein the polarization modulator rotates the polarization plane of the fiber propagating light by mechanically deforming the optical fiber. .. 【請求項３】 前記の偏波変調器が、電気光学的効果を
用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の光
ファイバジャイロ。3. The optical fiber gyro according to claim 1, wherein the polarization modulator uses an electro-optical effect.