JPS62113010A - 広域スペクトルを有する光源の平均波長を安定化させるための装置および該装置を応用した光フアイバジヤイロ - 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 本発明は、放射光の波長域が広い光源、特にレートジャ
イロに用いられる光源の平均波長を安定化させる装置に
関するものである。本発明はまた、該装置を応用した光
フアイバジャイロにも関するものである。

従来の技術 光学系において、その出力が波長に依存する場合は、波
長が変化するとスケールファククが不安定になることが
知られている。擾乱の原因の最大のものは一般に温度変
化である。

本発明が特に応用されろ分野の中にはレートジャイロお
よびそれに類する装置がある。

ジャイロは一般にループ状の干渉計からなる。

ループ状干渉計すなわちサニヤック（Ｓａｇｎａｃ）干
渉計内で２つのビームが同一の光路を互いに反対方向に
伝搬して、この光路の出口で干渉する。光路内での擾乱
が伝搬の両方向に対して同じ性質をもっていてしかも光
の伝搬中にその性質が変化しない限りは、２つのビーム
は全（同じように擾乱を受けるため相対的な位相は変化
しない。このような擾乱を１相反的」と称する。干渉計
内の伝搬時間は一般に非常に短いため、この間の擾乱の
変化はまず無視できるぐらいに小さい。ただし、わざと
擾乱を与えた場合は別である。

これに対し、「非相反的」擾乱もある。この擾乱は伝搬
の２方向で振幅が異なる。この擾乱の方向が完全に決ま
ると、空間および媒質の対称性が乱れるという物理的効
果が現われる。

２つの効果がこの性質を有する。

ひとつはファラデー効果、すなわち、透過光の磁気光効
果である。この効果により、光学物質に磁場を印加する
と内部の電子のスピンがある特定の方向を向きやすくな
る。

もうひとつはサニヤック効果、すなわち相対論的慣性効
果である。慣性座標系に対して干渉計が回転運動すると
伝搬時間の対称性が破れる。

慣性空間に対して回転をさせることにより光フアイバジ
ャイロを実現することができ、磁場を印加することによ
り電流測定あるいは磁気測定に基づく電流センサーを実
現することができる。

近年の干渉計においては、ループはシングルモード光フ
ァイバを巻いてコイル状にしたものである。このように
して半径を小さくしている。しかし、光路長はコイルの
巻数に比例する。従って、占有体積は非常に小さくなっ
ても光路長は非常に長くすることが可能である。その長
さは普通ＩＫｍのオーダーである。

このような干渉計は回転速度を測定するのに使用される
。この回転速度は、ループ内を互いに反対方向に伝搬す
る光の間の位相差を測定することにより求める。

以下に詳しく記述するように、これら２つの光の間の位
相差は、その波長に比例する。さらに正確に述べるなら
ば波長の逆数に比例する。

光源からの同一の光ビームは分離されてループ内を伝搬
する。光源としては一般に半導体光源が用いられる。例
えば高性能発光ダイオードがあげられる。この光源から
は平均波長を中心として波長の拡がりをもった光が放射
される。ところで平均波長は今度は光源の温度に依存す
る。

従来、光の放射を安定化させるためにさまざまな方法が
用いられていた。これらの方法に共通するのはフィード
バック回路を設けであることだが、そのことで複雑にな
るだけでなくいろいろと調整する必要がある。

本発明はこのような問題点を解決することを目的とする
。

問題点を解決するための手段 従って、本発明によれば、広域スペクトルを有するビー
ムを放射する光源の放射ビームの平均波長を安定化させ
る装置であって、上記光源から放射されるビームのスペ
クトルの平均波長と同じ波長を中心とし、半値幅が該放
射ビームの半値幅よりも狭い帯域通過光学フィルタを該
放射ビームの通過経路内に備える装置が提供される。

−実力１例 添付の図面を参照した以下の説明により、本発明がより
よ（理解できるようになるとともに本発明の特徴および
利点が明らかになろう。

本発明を好ましい実施例、ずなわぢ光ファインくジャイ
ロに応用した場合について記述するが、このことにより
本発明が限定されるものではない。

まず最初に光ファイバジャイ１１の主な特徴について復
習しておく。

第１図は、従来のループ状干渉計の一例の概略図である
。

この第１図においては、ループの部分はシングルモード
光ファイバ５で構成されているが、その他の部分には従
来通りの光学機器が用いられている。モードフィルタ３
が設けであることでこの干渉計が完全に相反的になって
いる。光源１０からの入射ビート・１１はモードフィル
タ３を通過した後、ハーフミラ−４により２つに分岐さ
れろ。−７ｊのビーム１２はレンス旧を介して光ファイ
バ５に入射させる。このレンズ４１はビーム１２の焦点
４光ファイバ５の人Ｉ］５０に合わせるためのものであ
る。他方のビーム１３はやはりレンズ４２を介して同じ
光ファイバ５に入射させる。レンズ４２はビート１３の
焦点を光ファイバ５の人］］５１に合わせるためのもの
である。２つのビームは光ファイバ内を互いに逆方向に
伝搬して再びハーフミラ−４のところへ戻ってくる。２
つのビームは共にモードフィルタ３を通過した後、ハー
フミラ−２により人朗ビームと分離される。このハーフ
ミラ−２からはビームが一部出力部６に供給される。出
力部６に設置しである光検出器６０により干渉信号が検
出される。

光路としてシングルモード光ファイバ５を用いたことで
光路長がきわめて長くなっている。もっとも光ファイバ
は、一般に巻いてコイル状にして用いる。従って、超高
感度ジャイロを実現することができる。

しかし、ビートスプリッタを用いていることで損失が生
ずる。このため、そのようなディスクリート光学素子を
光集積回路で置換してエネルギ損失を改善することが提
案されている。しかし、このような観点は本発明とは関
係がない。

光検出器６０にはこの光検出器の出力である電気信号を
処理する回路が接続されている。ただしこの回路は図に
は示していない。電気信号は出力部６を伝搬した後、光
検出器６０で検出された複合ビームを光電変換したもの
である。

２本のビーム１２と１３はそれぞれの位相の状態に応じ
て互いに干渉する。先に述べたように、２本のビームの
位相差はループ内を伝搬する光に及ぼされる非相反的擾
乱に依存する。

位相差ΔΦは以下の式で与えられる。

この式において、 Ｉ−はループの長さ、すなわち光ファイバ５の長さであ
り、 Ｒはループの半径、すなわち光ファイバを巻いてコイル
にした場合の平均半径であり、λは光ファイバ５を伝搬
している光の真空における波長であり、 Ｃは真空中の光速であり、 Ωは回転速度の測定値である。

上記の式かられかるように、測定される位相差は波長λ
の逆数に比例する。この波長λが少しでも変化すると、
スケールファクタは影響が出る。

従って波長は光源ｌＯの放射光の安定性に直接関わって
いる。

ところで、光源には半導体光源が一般に用いられている
が、その場合、他の半導体素子と同様温度変化により影
響を受けやすい。半導体光源からは平均波長λ。の光が
放射される。

本発明は、能動フィードバック素子を使用することなく
この平均波長を安定化させることを目的とする。

以下では放射光のスペクトルがガウス型分布であるとし
て話を進める。本発明はもちろんこれに限られろもので
はない。ガウス型分布では光エネルギの分布は波長の関
数として以下の式で表わされる。

この式において、 λはスペクトル中の任意の波長であり、λ。は平均波長
であり、 Δλ８はスペクトルの半値幅である。

第２図はそのようなスペクトルＳＰｓを表わす図である
。

縦軸は任意の縮尺で表わした光のエネルギＷであり、横
軸は波長λである。

スペクトルＳ　Ｐ　ｓの半値幅ΔλＳは、エネルギの最
大値を１とした場合にそのエネルギが１／ｅに等しくな
る両端の波長λ１．とλ２．の差として定義される。

第３図に概略を示したように、本発明においては上記の
スペクトルをもつ光を放射する光源Ｓに帯域通過光学フ
ィルタＦ１が接続されている。このフィルタのスペクト
ルの中心波長はやはりλ。

となっているが帯域幅はスペクトルＳＰｓよりも狭い。

このフィルタには干渉フィルタを用いることが好ましい
。

干渉フィルタは、ある帯域のスペクトルを通過させるあ
るいは反射させるのに干渉現象を利用したフィルタであ
る。このようなフィルタは、多数の薄膜からなり、各薄
膜の光学的厚さは中心波長のＺあるいはその整数倍であ
る。薄膜を構成する物質の種類、薄膜の数、厚さ、およ
び薄膜の配列を変えることにより帯域幅を大きく変える
ことができるとともに、透過率や反射率を高くすること
ができる。

このようなフィルタは市販品として人手可能であり、構
成もさまざまなものがある。−例としてＭＤＩと呼ばれ
る干渉フィルタがある。

これは、金属と誘電体からなる干渉フィルタ（金属−誘
電体干渉フィルタ）である。このようなフィルタは、半
透性の金属層と吸収のない誘電体層が交互に積層した構
成をもつ。誘電体層の厚さが最長波長を有する通過帯域
幅の波長λを決め１す るのに重要な役割を果たす。

たいていの場合、上記のタイプのフィルタが帯域通過フ
ィルタとして使われる。

温度変化によってこのフィルタのスペクトルの波長がド
リフトするのは、主に幾何学的に形が変化したことによ
る。ドリフト係数は以下で記述するように一般に１０−
６．／ｌのオーダーであるが、光源のドリフトと比較す
れば無視できるぐらい小さい。

光源Ｓから放射されたビームＦ８は従って第２図に示し
たスペクトルＳＰ、と同じ特徴をもつ。

この第２図には、フィルタＦ、の透過エネルギスペクト
ルも同時に示しである。

スペクトルの半値幅Δλｐｔは、スペクトルＳＰｓの場
合と同様にして定義される２つの波長λ＋ｐｉとλ２Ｐ
ｌの差である。従って、フィルタＦｌの透過係数を表わ
す式は以下のようになる。

ここに、ΔλＦ１−ε△λＳ　　　　　　　　・・（４
）（ただし、ε〈１）である。

もし温度変化によりフィルタＦ＋の出力でスペクトルＳ
　Ｐ　ｓが波長δλ。ずれたならば、ビームＦＦＩ　（
第３図参照）は平均波長がδλ。゛ずれる。

この場合、λ。゛とλ。の間には以下の関係が成り立つ
。

ε２ λ。′−□λ０ １＋６２　　　　　　　　　　　・・（５）εが１より
はるかに小さい値の場合には、λ。°−２λ０ となる。

「光源ＳとフィルタＦ」からなる系の平均波長の変化は
、光源Ｓから放射されるビームの波長の変化よりもはる
かに小さくなり、本発明の目的が達成されることがわか
る。

もちろん、光検出器６０（第１図）で検出される光のパ
ワーも係数εだけ減少するが、そのことから生ずるマイ
ナス面はεの値から予想されるほどには重大でない。

実際、Ｓ／Ｎ比はフォトンノイズで決まる。この珪の値
は検出されたパワーの平方根に仕例する。

従っで、Ｓ／Ｎ比は、確かに考慮すべき重要なパラメー
タであるが、係数１７減少するだけである。

わかりやすくするた必実例をあげる。

光源として（まＧａ−Ａｌ−八Ｓ（カリウム−アルミニ
ウム−ヒ素）タイプの高性能発光ダイ」−ドを用いる。

この光源は、中心波長がＡ。−８３０ｎｍで半値幅が△
λｓ　＝ｌＱｎｍのスペクトルをもつ光を放射する。

大まかに光源の温度制御をずろ、ずなわぢ１度のオーダ
ーの変化％認めて安定化させると比δλ。

／λ０は３Ｘ１０’よりも小さくなる。

従ってフィルタに固有の波長のドリフ）　（１０−６／
　１　）を無視した上記の例は充分意味がある。

光検出器の前段に半値幅がΔλＦ、＝２ｎｍ、すなわち
ε−０，２のフィルタを設置すると、「光源−フィルタ
」系のゆらぎ（δλ０／λ。）は、係数６２＝０．０４
だけ減少するたＺ　３　Ｘｌ０−６より小さくなる。

Ｊ−れに対し、Ｓ／Ｎ比は係数（’Ｔ　＝　０．４５　
Ｌか小さくならない。

本発明によれば、スケールファクタの安定化と系の感度
という２つの両立しにくい要素をうまく妥協させる簡便
な方法が得られる。

本発明によれば、上記の安定化装置を、第１図に示した
タイプの干渉側を主体とする光ファイバ　　　゛ジャイ
ロに応用できる。この安定化装置はビーム１２と１３の
通過経路内に設置するが、その位置はど−ＡＩ２と１３
が光ファイバ５から出て再結合した位置よりも後でしか
も光検出器６０の前の位置である。

図には示してないが、この安定化装置は第１図の干渉計
の出力部６に設置することが好ましい。

本発明は」１記特定の実施例のみに限られるものではな
い。本発明は、広域スペクトルを有する任意の光源に対
して適用可能である。

」ニスの説明では透過型の帯域通過光学フィルタを仮定
したが、反射型のフィルタであってももちろんかまわな
い。ただし、反射光のスペクトルの中心波長がλ。で、
そのスペクトル幅が光源のスペクトル幅よりも狭いとい
う本発明の装置に課される条件を満たしている必要があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の干渉計の一例を示す図であり、第２図は
光源の放射光のスペクトルおよび光学フィルタの透過ス
ペクトルを示す図であり、第３図は本発明の装置の概略
図である。 （主な参照番号） ２．４・・ハーフミラ−１ ３・・モードフィルタ、

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）広域スペクトルを有するビームを放射する光源の
   放射ビームの平均波長を安定化させる装置であって、上
   記光源から放射されるビームのスペクトルの平均波長と
   同じ波長を中心とし、半値幅が該放射ビームの半値幅よ
   りも狭い帯域通過光学フィルタを該放射ビームの通過経
   路内に備えることを特徴とする装置。
2. （２）上記帯域通過光学フィルタは干渉フィルタである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）上記光源は、平均波長が８３０ｎｍで半値幅が１
   ０ｎｍのガリウム−アルミニウム−ヒ素タイプの高性能
   発光ダイオードであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の装置。
4. （４）上記帯域通過光学フィルタのスペクトル幅が１ｎ
   ｍであることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
   の装置。
5. （５）ループ状の干渉計により構成されるジャイロであ
   って、該ループを形成するシングルモード光ファイバと
   、所定の平均波長を中心とした広いスペクトルを有する
   ビームを放射する光源と、上記シングルモード光ファイ
   バの両端に向かって同時に同じエネルギーの光を入力し
   、該シングルモード光ファイバの両端から出た光を再結
   合させる分離混合手段と、該再結合された光を検出する
   手段と、上記光源から放射されるビームの、平均波長の
   ゆらぎを安定化させる装置とを具備し、該装置が、上記
   光検出手段の前段で、上記再結合された光の光路内に設
   置された帯域通過光学フィルタを備えることを特徴とす
   るジャイロ。