(57)【要約】【課題】  ロックイン現象が生じない光ジャイロを提供する。【解決手段】  半導体光アンプ（ＳＯＡ）１は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２中へ放射する。結合器３は、光ファイバ２中のレーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ光ファイバ４，５中へ９９％：１％の割合で分岐させる。光検出器６，７は、それぞれ、光ファイバ４，５中のレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを検出して検出器８へ出力する。この場合、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷは、回転角速度に対して変化する。検出器８は、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転角速度を検出する。また、検出器８は、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷの変化割合に基づいて回転方向を検出する。【選択図】      図１
2007057457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のレーザ光を発振するとともに、前記第１のレーザ光を時計回りに回転させ、前記第２のレーザ光を反時計回りに回転させるリングレーザと、
前記リングレーザが所定の平面内で回転しているときの前記第１および第２のレーザ光の少なくとも一方のレーザ光の強度に基づいて前記リングレーザの回転角速度および／または回転方向を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。
【請求項２】
前記検出手段は、前記リングレーザの回転の前後における前記光強度の変化割合に基づいて前記回転方向を検出する、請求項１に記載の光ジャイロ。
【請求項３】
前記少なくとも一方のレーザ光の光強度を検出する光強度検出器と、
前記第１および第２のレーザ光を重ね合わせた重ね合わせ光のビート信号の周波数を検出する周波数検出器とをさらに備え、
前記検出手段は、前記光強度および前記周波数に基づいて前記回転角速度および／または前記回転方向を検出する、請求項１に記載の光ジャイロ。
【請求項４】
前記検出手段は、前記光強度が前記回転角速度に対して変化する前記回転角速度の特定領域においては前記光強度に基づいて前記回転角速度を検出し、前記特定領域以外の領域においては前記周波数に基づいて前記回転角速度を検出する、請求項３に記載の光ジャイロ。
【請求項５】
前記検出手段は、前記回転角速度に対して前記周波数が検出されない前記回転角速度の特定領域においては前記光強度に基づいて前記回転角速度を検出し、前記特定領域以外の領域においては前記周波数に基づいて前記回転角速度を検出する、請求項３に記載の光ジャイロ。
【請求項６】
前記リングレーザは、
第１の端面と、前記第１の端面に対向する第２の端面とを有するとともに、前記第１および第２のレーザ光を発振して前記第１および第２の端面からそれぞれ前記第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、
前記第１の端面から出射された前記第１のレーザ光を前記時計回りに回転させて前記第２の端面から前記半導体レーザに導くとともに、前記第２の端面から出射された前記第２のレーザ光を前記反時計回りに回転させて前記第１の端面から前記半導体レーザへ導く光ファイバとを含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光ジャイロ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光ジャイロと、
前記検出手段によって検出された前記回転角速度および／または前記回転方向を無線信号に変換して送信する送信装置と、
前記送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して前記回転角速度および／または前記回転方向を取得する受信装置とを備えるジャイロシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転体の回転角速度および回転方向を検出可能な光ジャイロおよびそれを用いたジャイロシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは、慣性空間に対する回転を測ることができるセンサであり、絶対回転を測定可能なセンサである。そして、このようなジャイロとして、機械式ジャイロと光ジャイロとがある。
【０００３】
機械式ジャイロは、回転体の回転軸が慣性空間に対して常に一定方向を向き続ける性質を用いたジャイロである。しかし、機械式ジャイロは、保守が必要であり、高価であり、振動および加速度に弱い等の理由によって、その適用範囲は、航空機、船舶、ロケットおよび人工衛星等に制限されている。
【０００４】
これに対し、最近、サニャック効果を用いた光ジャイロが実用化されている。この光ジャイロは、時計回りの光と反時計回りの光とを光路中で伝搬させ、回転体が回転したことに起因して生じる２つの光（時計回りの光および反時計回りの光）の周波数差が回転角速度に比例することを利用したジャイロである。
【０００５】
そして、光ジャイロは、光ファイバジャイロおよびリングレーザジャイロに大別され、光ファイバジャイロには、干渉式光ファイバジャイロ、共振方式光ファイバジャイロおよびブリルアン光ファイバジャイロの３種類がある（非特許文献１）。
【非特許文献１】保立  和夫，“光ファイバジャイロの実用化と次世代技術の展開”，レーザー研究，第２６巻第４号，１９９８年４月，ｐ２９７−３０３．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の光ジャイロには、光路中に生じる後方散乱のために、時計回りの光および反時計回りの光に結合が生じ、回転体の回転角速度が小さくなると時計回りの光の発振周波数と反時計回りの光の発振周波数とが同一になってしまうという問題がある。この問題は、“ロックイン現象”と呼ばれている。そして、このロックイン現象が生じる領域は、およそ１００Ｈｚ以下である。
【０００７】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ロックイン現象が生じない光ジャイロを提供することである。
【０００８】
また、この発明の別の目的は、ロックイン現象が生じない光ジャイロを備えたジャイロシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、光ジャイロは、リングレーザと、検出手段とを備える。リングレーザは、第１および第２のレーザ光を発振するとともに、第１のレーザ光を時計回りに回転させ、第２のレーザ光を反時計回りに回転させる。検出手段は、リングレーザが所定の平面内で回転しているときの第１および第２のレーザ光の少なくとも一方のレーザ光の強度に基づいてリングレーザの回転角速度および／または回転方向を検出する。
【００１０】
好ましくは、検出手段は、リングレーザの回転の前後における光強度の変化割合に基づいて回転方向を検出する。
【００１１】
好ましくは、光ジャイロは、光強度検出器と、周波数検出器とをさらに備える。光強度検出器は、少なくとも一方のレーザ光の光強度を検出する。周波数検出器は、第１および第２のレーザ光を重ね合わせた重ね合わせ光のビート信号の周波数を検出する。そして、検出手段は、光強度および周波数に基づいて回転角速度および／または回転方向を検出する。
【００１２】
好ましくは、検出手段は、光強度が回転角速度に対して変化する回転角速度の特定領域においては光強度に基づいて回転角速度を検出し、特定領域以外の領域においては周波数に基づいて回転角速度を検出する。
【００１３】
好ましくは、検出手段は、回転角速度に対して周波数が検出されない回転角速度の特定領域においては光強度に基づいて回転角速度を検出し、特定領域以外の領域においては周波数に基づいて回転角速度を検出する。
【００１４】
好ましくは、リングレーザは、半導体レーザと、光ファイバとを含む、半導体レーザは、第１の端面と、第１の端面に対向する第２の端面とを有するとともに、第１および第２のレーザ光を発振して第１および第２の端面からそれぞれ第１および第２のレーザ光を出射する。光ファイバは、第１の端面から出射された第１のレーザ光を時計回りに回転させて第２の端面から半導体レーザに導くとともに、第２の端面から出射された第２のレーザ光を反時計回りに回転させて第１の端面から半導体レーザへ導く。
【００１５】
また、この発明によれば、ジャイロシステムは、光ジャイロと、送信装置と、受信装置とを備える。光ジャイロは、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光ジャイロである。送信装置は、光ジャイロの検出手段によって検出された回転角速度および／または回転方向を無線信号に変換して送信する。受信装置は、送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して回転角速度および／または回転方向を取得する。
【発明の効果】
【００１６】
この発明においては、回転するリングレーザ中を時計回りに伝搬する第１のレーザ光の第１の光強度と、回転するリングレーザ中を反時計回りに伝搬する第２のレーザ光の第２の光強度とのうち、少なくとも１つの光強度に基づいて、リングレーザの回転角速度および／または回転方向を検出する。この場合、リングレーザの回転角速度が従来の光ジャイロにおいてロックイン現象が生じる回転角速度の範囲である場合でも、光強度は、回転角速度に応じて変化し、光強度に基づいて回転角速度が検出される。
【００１７】
従って、この発明によれば、ロックイン現象が生じない光ジャイロを作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による光ジャイロの構成を示す概略図である。図１を参照して、実施の形態１による光ジャイロ１０は、半導体光アンプ（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１と、光ファイバ２，４，５と、結合器３と、光検出器６，７と、検出器８とを備える。
【００２０】
半導体光アンプ１は、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層を有する。そして、半導体光アンプ１は、例えば、１５７９ｎｍの波長を有するレーザ光を発振するとともに、その発振したレーザ光を時計回りのレーザ光ＣＷと反時計回りのレーザ光ＣＣＷとしてそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２中へ出射する。また、半導体光アンプ１は、光ファイバ２中を１周したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅し、その増幅したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを光ファイバ２へ出射する。このように、半導体光アンプ１は、自己が発振したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを増幅する機能を有する。
【００２１】
光ファイバ２は、半導体光アンプ１の両端にループ状に連結され、例えば、３．０３ｍの長さおよび１．４４４の屈折率（コアの屈折率）を有する。そして、光ファイバ２は、半導体光アンプ１の端面１Ａから出射されたレーザ光ＣＷを時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光ＣＷを端面１Ｂから半導体光アンプ１中へ導くとともに、半導体光アンプ１の端面１Ｂから出射されたレーザ光ＣＣＷを反時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光ＣＣＷを端面１Ａから半導体光アンプ１中へ導く。
【００２２】
結合器３は、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷ，ＣＣＷが９９％であり、光ファイバ４，５中を伝搬するレーザ光ＣＷ，ＣＣＷが１％となるように、光ファイバ２を光ファイバ４，５と結合する。この場合、光ファイバ２中を時計回りに回転するレーザ光ＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＷは、光ファイバ５中を伝搬し、光ファイバ２中を反時計回りに回転するレーザ光ＣＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＣＷは、光ファイバ４中を伝搬する。
【００２３】
光ファイバ４は、結合器３によって光ファイバ２と結合され、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＣＷを光検出器６に導く。また、光ファイバ５は、結合器３によって光ファイバ２と結合され、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＷを光検出器７に導く。
【００２４】
光検出器６は、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＣＷを受け、その受けたレーザ光ＣＣＷの光強度ＩＣＣＷを検出する。そして、光検出器６は、その検出した光強度ＩＣＣＷを検出器８へ出力する。
【００２５】
光検出器７は、光ファイバ５中を伝搬するレーザ光ＣＷを受け、その受けたレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷを検出する。そして、光検出器７は、その検出した光強度ＩＣＷを検出器８へ出力する。
【００２６】
検出器８は、光検出器６，７からそれぞれ光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷを受け、その受けた２つの光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷの少なくとも１つの光強度に基づいて、後述する方法によって、回転体の回転角速度および／または回転方向を検出する。
【００２７】
光ジャイロ１０における光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷと回転角速度との関係を調べる実験を行なう場合、光ジャイロ１０は、テーブル２０上に載せられる。そして、テーブル２０は、サーボ機構３０によって各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転される。コントローラ４０は、テーブル２０を各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転させるようにサーボ機構３０を制御する。
【００２８】
図２は、図１に示す半導体光アンプ１の平面図である。図２を参照して、半導体光アンプ１は、活性層１１と、光閉込層１２，１３と、反射防止膜１４，１５とを含む。活性層１１は、光閉込層１２，１３によって挟まれ、端面１Ａ，１Ｂと斜めに接する。
【００２９】
光閉込層１２，１３は、バリア層およびクラッド層等からなり、活性層１１に接して活性層１１の両側に設けられる。反射防止膜１４，１５は、それぞれ、端面１Ａ，１Ｂに接して形成される。
【００３０】
図２に示すように、活性層１１が端面１Ａ，１Ｂに対して斜めに配置された構造は、活性層１１および光閉込層１２，１３等を積層した積層体を形成し、その形成した積層体を活性層１１が斜めに配置されるようにカッティングすることによって作製される。
【００３１】
電流を活性層１１に注入してレーザ発振させると、レーザ光は、光閉込層１２，１３によって閉じ込められ、活性層１１を端面１Ａ，１Ｂ方向へ伝搬する。そして、レーザ光は、レーザ光ＣＷとして端面１Ａから出射するとともに、レーザ光ＣＣＷとして端面１Ｂから出射する。
【００３２】
レーザ光ＣＷは、光ファイバ２中を時計回りに１周して反射防止膜１５を介して端面１Ｂから活性層１１中へ導入される。そして、活性層１１中へ導入されたレーザ光ＣＷは、誘導放出によって増幅され、再び、端面１Ａから出射される。
【００３３】
また、レーザＣＣＷは、光ファイバ２中を反時計回りに１周して反射防止膜１４を介して端面１Ａから活性層１１中へ導入される。そして、活性層１１中へ導入されたレーザ光ＣＣＷは、誘導放出によって増幅され、再び、端面１Ｂから出射される。
【００３４】
このように、半導体光アンプ１は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを発振して光ファイバ２中へ出射するとともに、光ファイバ２中を伝搬したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅して、再び、光ファイバ２中へ出射する。
【００３５】
従って、端面１Ａと端面１Ｂとの間がレーザ光ＣＷ，ＣＣＷに対して共振器として振舞わないように、端面１Ａ，１Ｂにおけるレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの反射率は、１０−５以下に設定されている。
【００３６】
このように、端面１Ａ，１Ｂにおける反射率を低く抑えるために、活性層１１を端面１Ａ，１Ｂに対して斜めに配置するとともに、端面１Ａ，１Ｂにそれぞれ反射防止膜１４，１５を形成する。
【００３７】
なお、光ファイバ２は、活性層１１からのレーザ光ＣＷ，ＣＣＷがコアに入射するように、レンズ（図示せず）を介して半導体光アンプ１の反射防止膜１４，１５に連結される。
【００３８】
図３は、図１に示す結合器３の構成を示す概略図である。図３を参照して、結合器３は、ガイド３１，３２を有する。ガイド３１，３２は、相互に接した２つの光ファイバを挟み込むことにより、２つの光ファイバを結合する。
【００３９】
光ファイバ４，５を光ファイバ２に結合する場合、光ファイバ４，５を光ファイバ２に接するようにガイド３１，３２間に配置する。この場合、光ファイバ２のコア２１は、光ファイバ４のコア４１および光ファイバ５のコア５１に近接して配置される。
【００４０】
光ファイバ２中を時計回りに伝搬するレーザ光ＣＷは、コア２１とコア５１との近接部において１％がコア２１からコア５１へ漏れる。そして、コア５１へ漏れた１％のレーザ光ＣＷは、光ファイバ５中を伝搬する。
【００４１】
また、光ファイバ２中を反時計回りに伝搬するレーザ光ＣＣＷは、コア２１とコア４１との近接部において１％がコア２１からコア４１へ漏れる。そして、コア４１へ漏れた１％のレーザ光ＣＣＷは、光ファイバ４中を伝搬する。
【００４２】
このように、光ファイバ４，５中を伝搬するレーザ光ＣＣＷ，ＣＷは、光ファイバ２中で結合する前のレーザ光ＣＣＷ，ＣＷの一部（１％）である。
【００４３】
光ジャイロ１０をテーブル２０上に載せ、サーボ機構３０およびコントローラ４０によってテーブル２０の回転角速度を変化させてレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを検出した実験結果について説明する。なお、実験においては、しきい値電流（約５９ｍＡ）よりも大きい電流領域において半導体光アンプ１を駆動させてレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを生成した。
【００４４】
図４は、光強度と回転角速度との関係を示す図である。図４において、横軸は、回転角速度を表し、縦軸は、光強度を表す。また、曲線ｋ１は、半導体光アンプ１の駆動電流値が１００ｍＡであるときのレーザ光ＣＷの光強度と回転角速度との関係を示し、曲線ｋ２は、半導体光アンプ１の駆動電流値が１００ｍＡであるときのレーザ光ＣＣＷの光強度と回転角速度との関係を示す。更に、曲線ｋ３は、半導体光アンプ１の駆動電流値が９０ｍＡであるときのレーザ光ＣＷの光強度と回転角速度との関係を示し、曲線ｋ４は、半導体光アンプ１の駆動電流値が９０ｍＡであるときのレーザ光ＣＣＷの光強度と回転角速度との関係を示す。
【００４５】
なお、縦軸の光強度は、図１に示す光検出器６，７の出力電圧値によって表わされており、この出力電圧値が大きい方が、光強度が強いことを意味する。また、回転角速度が正である領域は、時計回りの回転を表し、回転角速度が負である領域は、反時計回りの回転を表す。更に、回転角速度は、図１に示すテーブル２０の回転角速度を表し、サーボ機構３０およびコントローラ４０によって変えられた。
【００４６】
レーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷは、−１５０ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１５０ｄｅｇ／ｓｅｃの領域において、時計回りへの回転角速度が大きくなるに従って強くなる。そして、レーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷは、−２７０ｄｅｇ／ｓｅｃ〜−１５０ｄｅｇ／ｓｅｃ，＋１５０ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋２７０ｄｅｇ／ｓｅｃの領域では、回転角速度に対して略一定である（曲線ｋ１，ｋ３参照）。
【００４７】
また、レーザ光ＣＣＷの光強度ＩＣＣＷは、−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１８０ｄｅｇ／ｓｅｃの領域において、時計回りへの回転角速度が大きくなるに従って弱くなる。そして、レーザ光ＣＣＷの光強度ＩＣＣＷは、−２８０ｄｅｇ／ｓｅｃ〜−１００ｄｅｇ／ｓｅｃの領域では、回転角速度に対して略一定である（曲線ｋ２，ｋ４参照）。
【００４８】
このように、光ジャイロ１０におけるレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷは、従来の光ジャイロにおいてロックイン現象が生じる−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲において、回転角速度の変化に伴って変化する。
【００４９】
従って、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを検出することによって、ロックイン現象が生じる−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においても回転角速度を検出できる。つまり、光ジャイロ１０は、ロックイン現象を生じない光ジャイロである。
【００５０】
このように、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの結合する前のレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを用いることによってロックイン現象が生じない光ジャイロを作製できる。
【００５１】
また、図４においては、半導体光アンプ１を発振させるときの２つの駆動電流値（９０ｍＡおよび１００ｍＡ）に対して、上述した光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷと回転角速度との関係が得られているので、従来の光ジャイロにおいてロックイン現象が生じる−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲において光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷが回転角速度に対して変化する実験結果は、信頼性のある実験結果である。
【００５２】
検出器８は、図４に示す曲線ｋ１〜ｋ４をマップとして保持しており、光検出器６，７からそれぞれ受けた光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに対応する回転角速度を曲線ｋ１〜ｋ４を参照して検出する。
【００５３】
この場合、検出器８は、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷのうち、少なくとも１つの光強度に基づいて回転角速度を検出する。検出器８は、光強度ＩＣＷに基づいて回転角速度を検出する場合、光検出器７から受けた光強度ＩＣＷに対応する回転角速度を曲線ｋ１またはｋ３を参照して検出する。また、検出器８は、光強度ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出する場合、光検出器６から受けた光強度ＩＣＣＷに対応する回転角速度を曲線ｋ２またはｋ４を参照して検出する。更に、検出器８は、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出する場合、光検出器７，６からそれぞれ受けた光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに対応する回転角速度を曲線ｋ１，ｋ２またはｋ３，ｋ４を参照して検出する。
【００５４】
２つの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出することによって、より正確に回転角速度を検出できる。即ち、一方の光強度に対応する回転角速度と、他方の光強度に対応する回転角速度とが一致することを確認することによって１つの光強度によって回転角速度を検出する場合の誤りを抑制できる。
【００５５】
検出器８は、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転方向を検出する。光強度ＩＣＷは、半導体光アンプ１および光ファイバ２が停止状態から時計回りへ回転すると、強くなり、半導体光アンプ１および光ファイバ２が停止状態から反時計回りへ回転すると、弱くなる（曲線ｋ１，ｋ３参照）。また、光強度ＩＣＣＷは、半導体光アンプ１および光ファイバ２が停止状態から時計回りへ回転すると、弱くなり、半導体光アンプ１および光ファイバ２が停止状態から反時計回りへ回転すると、強くなる（曲線ｋ２，ｋ４参照）。
【００５６】
従って、検出器８は、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷの変化割合に基づいて回転方向を検出できる。
【００５７】
即ち、光強度ＩＣＷに基づいて回転方向を検出する場合、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における光強度ＩＣＷの変化割合が“正”であれば、回転方向は時計回りであり、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における光強度ＩＣＷの変化割合が“負”であれば、回転方向は反時計回りである。
【００５８】
また、光強度ＩＣＣＷに基づいて回転方向を検出する場合、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における光強度ＩＣＣＷの変化割合が“正”であれば、回転方向は反時計回りであり、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における光強度ＩＣＣＷの変化割合が“負”であれば、回転方向は時計回りである。
【００５９】
なお、検出器８は、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における２つの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷの変化割合に基づいて回転方向を検出してもよい。このように、２つの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷの変化割合に基づいて回転方向を検出することによって、回転角速度を検出する場合と同様に、より正確に回転方向を検出できる。
【００６０】
実施の形態１によれば、光ジャイロ１０は、光ファイバ２中を時計回りに伝搬するレーザ光ＣＷと、光ファイバ２中を反時計回りに伝搬するレーザ光ＣＣＷとが結合する前のレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度および／または回転方向を検出するので、０〜±１００ｄｅｇ／ｓｅｃの低回転角速度の範囲においても回転角速度を検出できる。その結果、ロックイン現象を生じないジャイロを作製できる。
【００６１】
［実施の形態２］
図５は、実施の形態２による光ジャイロの構成を示す概略図である。図５を参照して、光ジャイロ１０Ａは、図１に示す光ジャイロ１０に光ファイバ１００〜１０３，１０７、結合器１０４〜１０６、光検出器１０８およびスペクトルアナライザ１０９を追加したものであり、その他は、光ジャイロ１０と同じである。
【００６２】
光ファイバ１００，１０２は、結合器１０４によって光ファイバ４に結合される。光ファイバ１０１，１０３は、結合器１０５によって光ファイバ５に結合される。結合器１０４は、光ファイバ１００，１０２を光ファイバ４を結合させ、結合器１０５は、光ファイバ１０１，１０３を光ファイバ５に結合させる。また、結合器１０６は、光ファイバ１０７を光ファイバ１００，１０１に結合させる。なお、結合器１０４〜１０６は、図３に示す方法によって３つの光ファイバを結合させる。また、結合器１０４は、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＣＷをおよそ５０％：５０％の比で光ファイバ１００および光ファイバ１０２に分岐し、結合器１０５は、光ファイバ５中を伝搬するレーザ光ＣＷをおよそ５０％：５０％の比で光ファイバ１０１および光ファイバ１０３に分岐する。更に、結合器１０６は、光ファイバ１００，１０１中のレーザ光ＣＣＷ，ＣＷをおよそ５０％：５０％で合波して光ファイバ１０７へ導く。
【００６３】
光検出器１０８は、光ファイバ１０７中の重ね合わせ光を２乗検波し、レーザ光ＣＷの発振周波数とレーザ光ＣＣＷの発振周波数との差に起因して生じるビート信号を生成する。
【００６４】
レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷの電界成分をそれぞれＥＣＷ，ＥＣＣＷとすると、
ＥＣＷ＝ａＣＷｃｏｓ（２πｆＣＷｔ＋φＣＷ）・・・（１）
ＥＣＣＷ＝ａＣＣＷｃｏｓ（２πｆＣＣＷｔ＋φＣＣＷ）・・・（２）
となる。ここで、ａＣＷ，ａＣＣＷは、それぞれ、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの振幅であり、ｆＣＷ，ｆＣＣＷは、半導体光アンプ１および光ファイバ２が回転しているときのそれぞれレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの発振周波数であり、φＣＷ，φＣＣＷは、それぞれ、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの位相である。
【００６５】
２つのレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせると、検出される光強度Ｉは、電界成分の２乗に等しくなるので、次のようになる。
【００６６】
Ｉ＝＜｜ＥＣＷ＋ＥＣＣＷ｜２＞
＝（ａ２ＣＷ＋ａ２ＣＣＷ）／２＋２ａＣＷａＣＣＷｃｏｓ｛２π（ｆＣＷ−ｆＣＣＷ）ｔ＋（φＣＷ−φＣＣＷ）｝
＝（ａ２ＣＷ＋ａ２ＣＣＷ）／２＋２ａＣＷａＣＣＷｃｏｓ｛２πｆＢｔ＋Δ｝・・・（３）
なお、ｆＢ＝ｆＣＷ−ｆＣＣＷであり、Δ＝φＣＷ−φＣＣＷである。また、＜＞は、時間平均を表す。
【００６７】
レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせた重ね合わせ光の直流成分は、（ａ２ＣＷ＋ａ２ＣＣＷ）／２であり、交流成分は、２ａＣＷａＣＣＷｃｏｓ｛２πｆＢｔ＋Δ｝である。そして、この交流成分がビート信号であり、ｆＢ＝ｆＣＷ−ｆＣＣＷがビート信号の周波数である。
【００６８】
従って、光検出器１０８は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせた重ね合わせ光の２乗検波を行なうことにより、式（３）に示す光強度Ｉを生成し、ビート信号（＝式（３）の交流成分）を検出してスペクトルアナライザ１０９へ出力する。
【００６９】
スペクトルアナライザ１０９は、光検出器１０８によって生成されたビート信号の周波数ｆＢを検出し、その検出した周波数ｆＢを検出器８へ出力する。
【００７０】
光ジャイロ１０Ａをテーブル２０上に載せ、サーボ機構３０およびコントローラ４０によってテーブル２０の回転角速度を変化させてレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷおよびレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせたときのビート信号の周波数ｆＢを検出した実験結果について説明する。
【００７１】
光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷと回転角速度との関係については、図４に示すとおりである。図６は、ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図であり、図７は、ビート信号の周波数およびパワーと回転角速度との関係を示す図である。
【００７２】
図６において、横軸は、ビート信号の周波数を表し、縦軸は、ビート信号のパワーを表す。また、図７において、横軸は、回転角速度を表し、縦軸は、ビート信号の周波数およびパワーを表す。
【００７３】
図６を参照して、９０度／ｓ、１８０度／ｓ、２７０度／ｓおよび３６０度／ｓの各回転角速度においてビート信号のピーク値が観測され、回転角速度を９０度／ｓ、１８０度／ｓ、２７０度／ｓおよび３６０度／ｓと変化させた場合、ビート信号のピーク値が高周波数側へシフトする。
【００７４】
従って、光ジャイロ１０Ａにおいては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせたときのビート信号を観測でき、その周波数が回転角速度によって変化することが解った。
【００７５】
図７を参照して、直線ｋ５は、周波数と回転角速度との関係を示し、曲線ｋ６は、パワーと回転角速度との関係を示す。ビート信号の周波数は、回転角速度に対して直線的に変化する。より具体的には、ビート信号の周波数は、回転角速度が負である領域においては、回転角速度に対して直線的に低下し、回転角速度が正である領域においては、回転角速度に対して直線的に高くなる（直線ｋ５参照）。そして、直線ｋ５における比例係数（スケールファクター）の絶対値は、４．０１４（ｋＨｚ・ｓｅｃ／ｄｅｇ）であり、この比例係数は、理論的に計算された比例係数との誤差が０．６２％である。一方、ビート信号のパワーは、回転角速度の変化に対して振動し、その振動幅は、３ｄＢと比較的安定である。
【００７６】
従って、ビート信号の周波数を検出することによって回転角速度を検出できる。しかし、直線ｋ５においては、−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においてビート信号の周波数が観測されていない。一方、図４に示すように、−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においてレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを用いて回転角速度を検出できる。
【００７７】
そこで、実施の形態２においては、回転角速度が−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを用いて回転角速度を検出し、回転角速度が−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以下または＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以上の範囲においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせたビート信号の周波数を用いて回転角速度を検出する。
【００７８】
従って、検出器８は、光検出器６，７から受けた光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷを用いて−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲の回転角速度を検出し、スペクトルアナライザ１０９から受けたビート信号の周波数ｆＢを用いて−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以下または＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以上の範囲の回転角速度を検出する。
【００７９】
これによって、光ジャイロ１０Ａにおいて、ロックイン現象が発生しなくなる。
【００８０】
回転角速度が−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを用いて回転角速度を検出し、回転角速度が−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以下または＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以上の範囲においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせたビート信号の周波数を用いて回転角速度を検出することは、−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲の回転角速度においてロックイン現象が生じる場合、「ビート信号の周波数が検出されない回転角速度の特定領域においては、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出し、特定領域以外の領域においては、ビート信号の周波数に基づいて回転角速度を検出する」ことに相当する。
【００８１】
また、回転角速度が−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷを用いて回転角速度を検出し、回転角速度が−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以下または＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃ以上の範囲においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせたビート信号の周波数を用いて回転角速度を検出することは、−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋１００ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲の回転角速度においてロックイン現象が生じない場合、「光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷが回転角速度に対して変化する回転角速度の特定領域においては光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出し、特定領域以外の領域においては、ビート信号の周波数に基づいて回転角速度を検出する」ことに相当する。
【００８２】
図４および図７を比較すると明らかなように、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷが回転角速度に対して変化する回転角速度の範囲（−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜１００ｄｅｇ／ｓｅｃ）以外において、ビート信号の周波数は、回転角速度に比例するからである。
【００８３】
従って、実施の形態２による光ジャイロ１０Ａは、ロックイン現象が生じる回転角速度の範囲においては、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷの少なくとも一方に基づいて回転角速度を検出し、ロックイン現象が生じない回転角速度の範囲においては、ビート信号の周波数に基づいて回転角速度を検出する光ジャイロ、および光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷが回転角速度に対して変化する回転角速度の特定領域においては光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷの少なくとも一方に基づいて回転角速度を検出し、特定領域以外の領域においては、ビート信号の周波数に基づいて回転角速度を検出する光ジャイロのいずれであってもよい。
【００８４】
また、光ジャイロ１０Ａにおいては、検出器８は、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出する領域およびビート信号の周波数に基づいて回転角速度を検出する領域において、実施の形態１において説明したように、半導体光アンプ１および光ファイバ２の回転の前後における光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷの変化割合に基づいて回転方向を検出する。
【００８５】
その結果、検出器８は、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度および回転方向を検出し、周波数ｆＢに基づいて回転角速度を検出する。
【００８６】
実施の形態２によれば、光ジャイロ１０Ａは、ロックイン現象が生じる回転角速度の範囲では、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出するので、ロックイン現象が生じる範囲においても回転角速度を検出できる。その結果、ロックイン現象を生じないジャイロを作製できる。
【００８７】
図８は、図１に示す光ジャイロ１０を用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。図８を参照して、ジャイロシステム２００は、光検出器８に代えて無線装置６０を用いて光ジャイロ１０を構成し、その構成した光ジャイロ１０にリモートコントローラ７０を追加した構成からなる。
【００８８】
無線装置６０は、デジタイザ６１、コントローラ６２およびアンテナ６３からなる。また、リモートコントローラ７０は、パーソナルコンピュータ７１と、アンテナ７２とからなる。
【００８９】
デジタイザ６１は、２チャネルのデジタイザであり、光検出器６，７からの２つの光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷを同時に受け、その受けた光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷをコントローラ６２へ出力する。コントローラ６２は、光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷに基づいて、上述した方法によって回転角速度および／または回転方向を検出するとともに、その検出した回転角速度および／または回転方向を所定の方式に変調してアンテナ６３を介して送信する。
【００９０】
アンテナ７２は、無線装置６０からの電波を受信し、その受信した電波をパーソナルコンピュータ７１へ出力する。パーソナルコンピュータ７１は、アンテナ７２からの電波を復調等して光ジャイロ１０において検出された回転角速度および／または回転方向を得る。
【００９１】
このように、ジャイロシステム２００においては、光ジャイロ１０は、検出した回転角速度および／または回転方向を無線信号によって送信する無線装置６０と、無線装置６０からの電波を受信し、光ジャイロ１０で検出された回転角速度および／または回転方向を取得するリモートコントローラ７０とを備えるので、光ジャイロ１０がテーブル２０上で高速に回転しても、光ジャイロ１０によって検出された回転角速度および／または回転方向を静止しているリモートコントローラ７０において取得できる。
【００９２】
なお、ジャイロシステム２００においては、光ジャイロ１０の代わりに光ジャイロ１０Ａを用いてもよい。この場合、デジタイザ６１は、３チャネルのデジタイザからなり、光検出器６，７からの光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷと、スペクトルアナライザ１０９からの周波数ｆＢとを同時に受け、その受けた光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷおよび周波数ｆＢをコントローラ６２へ出力する。また、コントローラ６２は、光強度ＩＣＣＷ，ＩＣＷおよび周波数ｆＢに基づいて、上述した方法によって、回転角速度および／または回転方向を検出し、その検出した回転角速度および／または回転方向を無線信号に変換し、その変換した無線信号をアンテナ６３を介して送信する。
【００９３】
上述した実施の形態１，２においては、光ファイバを用いた光ジャイロについて説明したが、この発明においては、これに限らず、リングレーザジャイロにおいて、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷに基づいて回転角速度を検出する光ジャイロであってもよい。この場合、リング状に形成された経路中でレーザ光ＣＷ，ＣＣＷが発振され、その発振されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷが結合する前の光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷが検出され、上述した方法によって回転角速度が検出される。
【００９４】
また、光強度ＩＣＷ，ＩＣＣＷと、リング形状の経路中におけるレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせてリング形状の経路中から取り出し、その取り出した重ね合わせ光を２乗検波して生成したビート信号の周波数ｆＢとに基づいて、上述した方法によって、回転角速度および／または回転方向が検出される。
【００９５】
このように、この発明は、光ファイバを用いた光ファイバジャイロに限らず、光ファイバジャイロおよびリングレーザジャイロ等の一般の光ジャイロに適用できる。
【００９６】
なお、半導体光アンプ１および光ファイバ２は、「リングレーザ」を構成する。
【００９７】
また、コントローラ６２およびアンテナ６３は、「送信装置」を構成する。
【００９８】
更に、リモートコントローラ７０は、「受信装置」を構成する。
【００９９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
この発明は、ロックイン現象が生じない光ジャイロに適用される。また、この発明は、ロックイン現象が生じない光ジャイロを備えたジャイロシステムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】この発明の実施の形態１による光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す半導体光アンプの平面図である。
【図３】図１に示す結合器の構成を示す概略図である。
【図４】光強度と回転角速度との関係を示す図である。
【図５】実施の形態２による光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図６】ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図である。
【図７】ビート信号の周波数およびパワーと回転角速度との関係を示す図である。
【図８】図１に示す光ジャイロを用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  半導体光アンプ、１Ａ，１Ｂ  端面、２，４，５，１００〜１０３，１０７  光ファイバ、３，１０４〜１０６  結合器、６，７，１０８  光検出器、８  検出器、１０，１０Ａ  光ジャイロ、１１  活性層、１２，１３  光閉込層、１４，１５  反射防止膜、２０  テーブル、３０  サーボ機構、３１，３２  ガイド、４０，６２  コントローラ、２１，４１，５１  コア、６０  無線装置、６１  デジタイザ、６３，７２  アンテナ、７０  リモートコントローラ、１０９  スペクトルアナライザ、２００  ジャイロシステム。
【図１】
2007057457.tif 000003
【図２】
2007057457.tif 000004
【図３】
2007057457.tif 000005
【図４】
2007057457.tif 000006
【図５】
2007057457.tif 000007
【図６】
2007057457.tif 000008
【図７】
2007057457.tif 000009
【図８】
2007057457.tif 000010