(57)【要約】【課題】  特殊設計の部材を用いることなく、回転方向検出及び回転検出ができる光ジャイロを実現する。【解決手段】  広帯域光源７にて発生した低コヒーレンス光は、偏光プリズム３にてｐ偏光とｓ偏光に分離される。センシングループ４では、ｐ偏光が時計回り方向に伝搬し、ｓ偏光が反時計回り方向に伝搬し、その後に、再びセンシングループ４にて合波され、合波された光波は偏光子６を透過して受光器８に入射される。センシングループ４は、端子４ａ，４ｂ間におけるｓ偏光とｐ偏光との間における位相差がπ／２となる複屈折を有しており、偏光子６は、その透過軸が基板１の平面に対して４５度の角度となるように配置されている。受光器８で受光した光波の強度に対応した電気信号は、系全体が回転するのに合わせて変化するため、光ジャイロとして機能する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と出力端子と第１の接続端子と第２の接続端子を有しており、前記入力端子から低コヒーレンス光が入力されるとｐ偏光とｓ偏光に分離してｐ偏光とｓ偏光を個別に第１の接続端子と第２の接続端子から出力すると共に、第１の接続端子と第２の接続端子から個別にｓ偏光とｐ偏光が入力されると両偏光を合波し合波した光波を出力端子から出力する偏光プリズムと、
一方の端子が前記偏光プリズムの第１の接続端子に接続され、他方の端子が前記偏光プリズムの第２の接続端子に接続され、一方の端子から他方の端子まで伝搬するｐ偏光と他方の端子から一方の端子まで伝搬するｓ偏光との間の位相差がπ／２となる複屈折を有するセンシングループと、
前記偏光プリズムの入力端子に接続されており、低コヒーレンス光を前記偏光プリズムに導入する入力光伝送手段と、
前記偏光プリズムの出力端子に接続されており、偏光プリズムにて合波された光波を導出する出力光伝送手段と、
前記出力光伝送手段の途中に介装されており、この出力光伝送手段により伝搬される光波のｐ偏光偏波面またはｓ偏光偏波面に対して、透過軸が４５度の角度に設定されつつ配置された偏光子と、
を有することを特徴とする光ジャイロ。
【請求項２】
請求項１の光ジャイロにおいて、
前記入力光伝送手段と前記出力光伝送手段は、複屈折がゼロになっていることを特徴とする光ジャイロ。
【請求項３】
請求項１または請求項２の光ジャイロにおいて、
低コヒーレンス光を発生してこの低コヒーレンス光を前記入力光伝送手段に送る光源と、
前記出力光伝送手段から出力された光波を受光する受光器とを、更に有することを特徴とする光ジャイロ。
【請求項４】
請求項１または請求項２または請求項３において、
前記偏光プリズムと、前記センシングループと、前記入力光伝送手段と、前記出力光伝送手段が、基板の上に形成された光導波路構造により形成されていることを特徴とする光ジャイロ。
【請求項５】
請求項４において、前記偏光子は、その透過軸が前記基板の面に対して４５度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする光ジャイロ。
【請求項６】
請求項１または請求項２または請求項３において、
前記出力光伝送手段は、偏波保持光ファイバにより構成されており、
前記偏光子は、その透過軸が、前記偏波保持光ファイバの速軸に対して４５度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする光ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の自律航法を可能とする光ジャイロにかかるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の自動制御の急速な進展にともない、移動体の制御精度に関する要求は年々大きなものとなっている。自律航法技術は、グローバルポジショニングシステム（Global Positioning System:ＧＰＳ）と慣性航法（Inertial Navigation System：ＩＮＳ）に分けられる。従来、航空機や船舶の航法にはＧＰＳとＩＮＳを併用したシステムが適用されていたが、民生用途のシステム、たとえばカーナビゲーションなどには、おもにＧＰＳのみのシステムが適用されていた。これは、ＩＮＳを構成する装置が高価で、その小型化及びメンテナンスが容易ではなかったことに起因する。
【０００３】
ＩＮＳに不可欠なデバイスのひとつに光ジャイロがある。これは、光の非相反原理のひとつであるサニャック効果を利用した回転角速度センサである。光ジャイロは従来の機械式ジャイロに比べて、小型で、メンテナンスフリーといった利点を有するが、上述の民生用のシステムに導入するには未だ障壁が存在した。すなわち、光ジャイロ実現に必要な光部品自体が高価であり、本質的に低コスト化が困難であったことに起因する。
【０００４】
ところが、最近になって光導波路を用いた低コスト化が可能な光ジャイロ（以下導波路型光ジャイロ）が複数の研究機関から提案されるようになった［非特許文献１：P.Mottier and P.Pouteau 「Solid state optical gyrometer integrated on Silicon. ELECTRONICS LETTERS Vol.33 No.23 P.1975〜1977（1997）］。すなわち、通信用に開発され、ファイバトゥザホーム（Fiber to the Home:ＦＴＴＨ）などの民生用途への導入が精力的に進められている光導波路を用いて構成することで、低価格な光ジャイロが実現できる見通しが得られてきた。光導波路の中でも、石英系材料を用いた石英系平面光波回路（sliica Planar Lightwave Circuit:ＰＬＣ）は経時変化に対する安定性や量産性、光学特性の点において優れ、精力的に研究開発が進められている。
【０００５】
図３は非特許文献１に示される従来の石英系光導波路を用いた導波路型光ジャイロの概略を示す図である。図３のジャイロの動作は以下の通りである。
【０００６】
広帯域光源１０１から出力された低コヒーレンス光は光ファイバ１０２を介してジャイロ基板１０３上の入力光導波路１０４へと入射される。入力光導波路１０４は３×３光カプラ１０５へと接続されており、入力された低コヒーレンス光は分岐されてセンシングループ１０６の両端子１０６ａ，１０６ｂからセンシングループ１０６に入力される。センシングループ１０６を時計、反時計回り、両向きに伝搬した低コヒーレンス光は、再び３×３光カプラ１０５へと入射する。３×３光カプラ１０５からの低コヒーレンス光は出力光導波路１０７及び出力光導波路１０８を介して光ファイバ１０９及び光ファイバ１１０へと伝搬し、最終的に受光器１１１及び１１２において電気信号に変換される。
【０００７】
ここで、系全体が回転するとサニャック効果により、センシングループ１０６を伝搬する低コヒーレンス光には、時計回り、反時計回りで異なる位相変化をうける。系全体の回転角速度をΩとすると、受光器１１１及び受光器１１２で受光される光強度の差ΔＩは、式（１）であらわされる。ここで、Ｋは３×３の光カプラ１０５の特性により決まる定数である。
【０００８】
【数１】
2005172651.tif 000003
【０００９】
図４は、図３に示された従来の構成の光ジャイロにおいて、回転角速度を検出した結果である。センシングループ１０６のセンシングループ長は８０ｃｍであり、センシングループ１０６の直径は３ｃｍである。−９００°／sec から９００°／sec まで線形性良く回転検出されていることが分かる。
【００１０】
すなわち、この従来例では通常の干渉方式光ファイバジャイロとは異なり、センシングループ１０６の入出力に非対称な出力を有する３×３光カプラ１０５を用いることで、系全体の回転に対する応答をサイン関数とし、回転検出感度の向上及び回転方向の検出を可能としている。
【００１１】
【非特許文献１】P.Mottier and P.Pouteau 「Solid state optical gyrometer integrated on Silicon. ELECTRONICS LETTERS Vol.33 No.23 P.1975〜1977（1997）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、従来の導波路型光ジャイロでは、良好な回転角速度検出が出来ている。しかしながら、式（１）から明らかなように、センシング情報をあらわす２つの受光器１１１，１１２の受光強度の差ΔＩは、３×３光カプラ１０５の製造誤差によりその感度は変動するうえ、非対称な出力を有する３×３光カプラ１０５の製造は特殊な設計技術を必要とするためその実現が困難であった。
【００１３】
また、図３に示されるように、従来の方式では受光器を２つ必要とし、部材代の低減が困難であるうえ、２つの受光器の感度補正が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明において開示される光ジャイロの概要を説明すれば以下となる。
すなわち、上記課題を解決する本発明は、入力端子と出力端子と第１の接続端子と第２の接続端子を有しており、前記入力端子から低コヒーレンス光が入力されるとｐ偏光とｓ偏光に分離してｐ偏光とｓ偏光を個別に第１の接続端子と第２の接続端子から出力すると共に、第１の接続端子と第２の接続端子から個別にｓ偏光とｐ偏光が入力されると両偏光を合波し合波した光波を出力端子から出力する偏光プリズムと、
一方の端子が前記偏光プリズムの第１の接続端子に接続され、他方の端子が前記偏光プリズムの第２の接続端子に接続され、一方の端子から他方の端子まで伝搬するｐ偏光と他方の端子から一方の端子まで伝搬するｓ偏光との間の位相差がπ／２となる複屈折を有するセンシングループと、
前記偏光プリズムの入力端子に接続されており、低コヒーレンス光を前記偏光プリズムに導入する入力光伝送手段と、
前記偏光プリズムの出力端子に接続されており、偏光プリズムにて合波された光波を導出する出力光伝送手段と、
前記出力光伝送手段の途中に介装されており、この出力光伝送手段により伝搬される光波のｐ偏光偏波面またはｓ偏光偏波面に対して、透過軸が４５度の角度に設定されつつ配置された偏光子と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
この場合、本発明は、前記入力光伝送手段と前記出力光伝送手段は、複屈折がゼロになっていたり、
低コヒーレンス光を発生してこの低コヒーレンス光を前記入力光伝送手段に送る光源と、前記出力光伝送手段から出力された光波を受光する受光器とを、更に有することを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記偏光プリズムと、前記センシングループと、前記入力光伝送手段と、前記出力光伝送手段が、基板の上に形成された光導波路構造により形成されていることを特徴とする。
この場合、本発明では、前記偏光子は、その透過軸が前記基板の面に対して４５度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記出力光伝送手段は、偏波保持光ファイバにより構成されており、
前記偏光子は、その透過軸が、前記偏波保持光ファイバの速軸に対して４５度の角度に設定されつつ配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば次のとおりである。
本発明によれば、従来の導波路型光ジャイロに用いられていた製造誤差に敏感で特殊な設計を必要とする３×３光カプラを用いることなく、回転方向の検出、及び高感度な回転検出を可能とする光ジャイロが実現できる。
また、従来の方式では２つの受光器が必要であったが、本発明の光ジャイロでは、１つの受光器のみで、上述の回転方向の検出及び高感度化が可能である。
すなわち、本発明によれば、より簡単な構成で従来の導波路型光ジャイロと同等の性能を有する光ジャイロが実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明の実施例１に係る導波路型光ジャイロ２０を示す構成である。同図に示すように、導波路型ジャイロ基板１上には、コアとクラッドを有する光導波路構造により、入力光導波路２と、偏光プリズム３と、センシングループ４と、出力光導波路５が形成されている。
【００２１】
光導波路構造の偏光プリズム３は、入力端子３ａと、第１の接続端子３ｂと、第２の接続端子３ｃと、出力端子３ｄを有している。この偏光プリズム３は、入力端子３ａから低コヒーレンス光が入力されると、この低コヒーレンス光をｐ偏光とｓ偏光に分離し、ｐ偏光を第１の接続端子３ｂから出力し、ｓ偏光を第２の接続端子３ｃから出力する光特性を有している。また、接続端子３ｂ，３ｃからｓ偏光とｐ偏光が個別に入力されると、両偏光を合波し、合波した光波を、出力端子３ｃから出力する。
【００２２】
光導波路構造の入力光導波路２は、複屈折がゼロの光導波路であり、偏光プリズム３の入力端子３ａに接続されている。また、光導波路構造の出力光導波路５は、複屈折がゼロの光導波路であり、偏光プリズム３の出力端子３ｄに接続されている。
【００２３】
光導波路構造のセンシングループ４は、その一方の端子４ａが、偏光プリズム３の第１の接続端子３ｂに接続されており、その他方の端子４ｂが、偏光プリズム３の第２の接続端子３ｃに接続されている。後述するように、センシングループ４には、ｐ偏光が時計回りに伝搬し、ｓ偏光が反時計回りに伝搬するが、このセンシングループ４の端子４ａ（又は４ｂ）から端子４ｂ（又は４ａ）までの伝搬において、センシングループ４に入力されて伝搬するｐ偏光とｓ偏光との間の位相差がπ／２となるにように、センシングループ４の複屈折が設定されている。
【００２４】
出力光導波路５には、透過軸が導波路型ジャイロ基板１の面に対して斜め４５度の角度に設定された偏光子６が配置（介装）されている。つまり、出力導波路５は途中で切断されており、この切断部分に偏光子６が挿入されている。この結果、出力導波路５中を伝搬する光波は、偏光子６を通過することにより偏光されることになる。
【００２５】
導波路型ジャイロ基板１の外側には、低コヒーレンス光を出力する広帯域光源７と、受光器８が配置されている。広帯域光源７は、光ファイバ９を介して入力光導波路２に接続されており、受光器８は、光ファイバ１０を介して出力光導波路５に接続されている。なお、低コヒーレンス光を出力する広帯域光源７としては、例えば、１５５０ｎｍ±１５ｎｍの発光帯域をもつスーパルミネッセントダイオードを用いることができる。
【００２６】
上記構成となっている導波路型光ジャイロ２０では、広帯域光源７から出力された低コヒーレンス光（波長が例えば１５５０ｎｍ±１５ｎｍ）は、光ファイバ９を介して入力光導波路２に入射される。入力光導波路２は、偏光プリズム３の入力端子３ａに接続されており、低コヒーレンス光は偏光プリズム３によりｐ偏光とｓ偏光に分離される。
【００２７】
この偏光プリズム３にて分離されたｐ偏光とｓ偏光は、第１の接続端子３ｂ及び第２の接続端子３ｃからセンシングループ４へと伝搬する。このとき、第１の接続端子３ｂから出射したｐ偏光はセンシングループ４を時計回りに伝搬し、第２の接続端子３ｃから出射したｓ偏光はセンシングループ４を反時計回りに伝搬する。時計、反時計回りに伝搬したｐ偏光及びｓ偏光は、再び偏光プリズム３へと入射し、偏光プリズム３にて合波され、合波された光波は、出力端子３ｃから出力光導波路５へ出力される。
【００２８】
合波された光波は、出力光導波路５にて伝搬され偏光子６を通過する際に偏光され、更に光ファイバ１０にて伝搬され受光器８にて受光される。受光器８では、受光した光波を光・電気変換して、光波の強度に応じた値となっている電気信号を出力する。
【００２９】
系全体（導波路型光ジャイロ２０全体）が慣性空間に対して角速度Ωで回転すると、センシングループ４を伝搬中に受ける位相変化は、ｐ偏光及びｓ偏光に対してそれぞれ、式（２）で表される。ここで、βｐ及びβｓはｐ偏光ｓ偏光に対する伝搬定数、Ｌはセンシングループ４の長さ、ｋは光の波数、Ｓはセンシングループ４が囲む面積、ｃは真空中の高速である。また、φはサニャック効果による位相変化を表す。
【００３０】
【数２】
2005172651.tif 000004
【００３１】
一方、時計回り光、反時計回り光の、広帯域光源７から受光器８までの伝達関数Ｔは、βｐＬ及びβｓＬを用いて、式（３）で表される。ここで、θは偏光子６の透過軸と導波路型ジャイロ基板１の面のなす角である。
【００３２】
【数３】
2005172651.tif 000005
【００３３】
広帯域光源７からの光波がｐ偏光、ｓ偏光ともに等強度であり、そのジョーンズベクトルがＥ＝（１／２1/2，１／２1/2）で表されるとき、θ＝４５°として、受光器８で受光される光波の強度Ｉは、式（４）で表される。
【００３４】
【数４】
2005172651.tif 000006
【００３５】
さらに、系全体が静止している場合、すなわち、サニャック効果による位相変化がゼロの場合、ｐ偏光、ｓ偏光に対する位相変化の差をπ／２と設定することで、すなわち、式（５）とすることで、式（４）は式（２）を用いて、式（６）のように変形できる。
【００３６】
【数５】
2005172651.tif 000007
【数６】
2005172651.tif 000008
【００３７】
ここで、ｍは整数であり、式（５）で表される位相量が低コヒーレンス光源のコヒーレンス長に収まる値である。式（６）から明らかなように、受光器８の出力は系の回転角速度Ωに対してサイン関数で応答し、高感度な回転検出及び回転方向の検出が可能となる。
【００３８】
図２は本実施例の導波路型光ジャイロ２０を構成し、回転角速度の検出を行った実験例である。導波路型ジャイロ基板１は火炎堆積法と反応性イオンエッチングによる石英系光導波路技術を用いて作製した。センシングループ４のセンシングループ長及び直径は、従来例と同じくそれぞれ８０ｃｍ及び３ｃｍとした。また、低コヒーレンス光源としては、１５５０ｎｍ±１５ｎｍの発光帯域をもつスーパルミネッセントダイオードを用いた。図２から分かるように、−１０００°／sec から１０００°／sec まで線形性良く回転検出をすることができる。
【００３９】
本実施例では、偏光プリズム３として導波路型の偏光プリズムを用いたが、結晶型の偏光プリズムたとえばグラントムソンプリズムやグランテーラープリズムを実装することによっても実現が可能である。また、光導波路として石英系光導波路を用いたが、ＩｎＰなどの半導体光導波路やポリマー光導波路などを用いても実現可能である。
【実施例２】
【００４０】
図１に示す実施例１では、入力光伝送手段である入力光導波路２と、偏光プリズム３と、センシングループ４と、出力光伝送手段である出力光導波路５を、光導波路構造により形成しているが、入力光伝送手段及び出力光伝送手段を偏波保持光ファイバで構成し、偏波プリズムとして結晶型のものを採用し、センシングループとして光ファイバで構成したものを採用して、光ジャイロを構成することもできる。かかる構成のものを実施例２とする。
【００４１】
実施例２でも実施例１と同様に、出力光伝送手段である偏波保持光ファイバに偏光子を介装するが、このとき、偏光子の透過軸が、偏波保持光ファイバの速軸（偏波保持光ファイバの２つの応力付与部を結ぶラインに沿う軸）に対して４５度の角度に設定されるように、偏光子を配置する。即ち、出力光伝送手段により伝搬される光波のｐ偏光偏波面またはｓ偏光偏波面に対して、偏光子の透過軸が４５度の角度に設定されるように偏光子を配置する。
他の部分の構成、例えば広帯域光源、受光器、光ファイバの構成は、実施例１と同様とする。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例１に係る導波路型光ジャイロの構成を示す概念図である。
【図２】本発明の実施例１に係る導波路型ジャイロの回転検出特性を示す特性図である。
【図３】従来の導波路型光ジャイロの構成を示す概念図である。
【図４】従来の導波路型光ジャイロの回転検出特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  導波路型光ジャイロ
２  入力光導波路
３  偏光プリズム
４  センシングループ
４ａ，４ｂ  端子
５  出力光導波路
６  偏光子
７  広帯域光源
８  受光器
９，１０  光ファイバ
【図１】
2005172651.tif 000009
【図２】
2005172651.tif 000010
【図３】
2005172651.tif 000011
【図４】
2005172651.tif 000012