光ファイバジャイロ
【課題】ロックイン現象を抑制できる光ファイバジャイロを提供する。
【解決手段】本発明の光ファイバジャイロは、１本の閉じた光路２０を構成する半導体光増幅器１１と光ファイバ１２とを備える。半導体光増幅器１１によって光路２０を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２が励起される。レーザ光の波長における、光路内のすべての反射源の反射率の合計γは、以下の式（Ａ）を満たす。
［式中、ｎ0は前記光路の平均屈折率である。Ｌは前記光路の長さである。ｃは光の速度である。γ12は損失局在を特徴づける量である。ｇは半導体光増幅器と光ファイバとを含むリングレーザの実効利得を表す。ψは任意の角度を表す。］
【解決手段】本発明の光ファイバジャイロは、１本の閉じた光路２０を構成する半導体光増幅器１１と光ファイバ１２とを備える。半導体光増幅器１１によって光路２０を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２が励起される。レーザ光の波長における、光路内のすべての反射源の反射率の合計γは、以下の式（Ａ）を満たす。
［式中、ｎ0は前記光路の平均屈折率である。Ｌは前記光路の長さである。ｃは光の速度である。γ12は損失局在を特徴づける量である。ｇは半導体光増幅器と光ファイバとを含むリングレーザの実効利得を表す。ψは任意の角度を表す。］
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、リングレーザジャイロは精度が高いという特徴を有する。従来のリングレーザジャイロの一例では、多角環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出が行われる。このようなジャイロとして、希ガスレーザを用いたジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。このジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。しかし、希ガスレーザを用いたジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
【０００３】
このような課題を解決するジャイロとして、光ファイバと光増幅素子とを用いた光ファイバジャイロが提案されている（たとえば特許文献２参照）。光ファイバジャイロでは、リング状の光ファイバを互いに逆方向に進行する２つのレーザ光のビート周波数から回転角速度を求める。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開平７−１４６１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、リングレーザジャイロでは、通常、リングレーザ内を逆方向に進行する２つのレーザ光の周波数が同期するロックイン現象が生じる。このロックイン現象は、２つのレーザ光の発振周波数の差が小さいときに特に問題となる。そのため、従来のリングレーザジャイロでは、回転角速度が小さいときにはサニャック効果によるビート信号の出力が実質的にゼロになり、回転角速度を検出できなくなるという問題があった。
【０００５】
このような状況において、本発明は、ロックイン現象を抑制できる光ファイバジャイロを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために検討した結果、本件発明者らは、光路内の反射条件を所定の範囲とすることによってロックイン現象を抑制できることを新たに見出した。このようなアプローチは従来全く考慮されておらず、本発明は、全く新たな視点からロックイン現象を抑制することを可能にするものである。
【０００７】
すなわち、本発明の光ファイバジャイロは、１本の閉じた光路を構成する半導体光増幅器と光ファイバとを備え、前記半導体光増幅器によって前記光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起される光ファイバジャイロであって、前記レーザ光の波長における前記光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、以下の式（Ａ）を満たす。
【０００８】
【数２】
【０００９】
［式中、ｎ0は前記光路の平均屈折率である。Ｌは前記光路の長さである。ｃは光の速度である。γ12は損失局在を特徴づける量である。ｇは前記半導体光増幅器と前記光ファイバとを含むリングレーザの実効利得を表す。ψは任意の角度を表す。］
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ロックイン現象の影響を受けない光ファイバジャイロが得られる。本発明のジャイロによれば、回転角速度が小さい領域においても、回転角速度を求めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【００１２】
［光ファイバジャイロ（光ファイバジャイロ素子）］
本発明の光ファイバジャイロは、１本の閉じた光路を構成する半導体光増幅器（ＳＯＡ）と光ファイバとを備える。すなわち、本発明のジャイロは、半導体光増幅器と光ファイバとを含むファイバリングレーザを備える。ここで、閉じた光路（以下、「閉光路」という場合がある）とは、その光路を進行する光がその光路を周回することが可能な１本の光路を意味する。閉光路には、半導体光増幅器および光ファイバ以外の光学素子が含まれてもよい。
【００１３】
本発明のジャイロでは、半導体光増幅器によって閉光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起される。そして、それらのレーザ光の波長における、閉光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、以下の式（Ａ）を満たす。
【００１４】
【数３】
【００１５】
［式中、ｎ0は閉光路の平均屈折率である。Ｌは閉光路の長さ（単位：ｍ）である。ｃは光の速度（単位：ｍ／ｓ）である。γ12は損失局在を特徴づける量（単位：ｓ-1）である。ｇは半導体光増幅器と光ファイバとを含むリングレーザの実効利得（単位：ｓ-1）を表す。ψは任意の角度を表す。］
【００１６】
なお、ジャイロの回転角速度が変化すると２つのレーザ光の波長はそれぞれ変動するが、その変動はわずかである。そのため、式（Ａ）の反射率γは、ジャイロが回転していないときの発振波長λにおける反射率とみなしても問題ない。
【００１７】
ｍａｘは、ψが任意の角度をとったときにｍａｘ以下に示される式が取り得る最大値を返す。γ12およびｇの詳細については後述する。
【００１８】
本発明の効果が得られる限り、半導体光増幅器および光ファイバに限定はなく、公知のものを用いてもよい。たとえば、半導体光増幅器として、主にIII−Ｖ族化合物半導体で形成され、発振波長が０．４μｍ〜６．６μｍの範囲にある半導体光増幅器を用いてもよい。また、光ファイバとして、発振波長における損失が小さい石英ガラス系の光ファイバを用いてもよい。
【００１９】
本発明のジャイロは、閉光路を周回する２つのレーザ光の周波数差を検出するための検出手段を含む。たとえば、本発明のジャイロは、閉光路を周回するレーザ光の一部を閉光路から取り出すための取り出し手段と、取り出した光を検出する受光素子とを含むことができる。取り出し手段は、閉光路を周回する２つのレーザ光のうちの一方の一部、または、２つのレーザ光の両方の一部を、閉光路から取り出す。また、本発明のジャイロは、検出手段から出力される信号を解析するための解析手段や、半導体光増幅器を駆動・制御するための電源および制御手段を含むことができる。
【００２０】
取り出し手段には、たとえば結合器（カプラ）を用いることができる。結合器は、たとえば、閉光路を形成する光ファイバに他の光路（たとえば光ファイバ）を隣接させることによって実現できる。受光素子には、フォトダイオードなどの素子を用いることができる。解析手段および制御手段には、スペクトルアナライザおよび演算処理装置（および必要に応じて補助メモリ）を用いることができる。演算処理装置には、たとえばパーソナルコンピュータを用いてもよい。
【００２１】
閉光路内のすべての反射源の反射率の合計γが大きすぎると、低回転角速度領域において、回転角速度の検出が難しくなる場合がある。そのため、式（Ａ）を満たす限り、反射率の合計γは小さいことが好ましい。具体的には、角速度Ωを検出する場合、反射率の合計γが、以下の式を満たすことが好ましい。
【００２２】
【数４】
【００２３】
上記式において、Ωは回転角速度（単位：ｒａｄ／ｓ）を示し、ｃは光の速度（単位：ｍ／ｓ）を示し、λはレーザの発振波長（単位：ｍ）を示す。また、Ａは、閉光路内の面積（単位：ｍ2）を示す。光ファイバが面積Ｓの形状の外周をｎ回周回している場合も、Ａ＝Ｓで計算される。
【００２４】
本発明のジャイロでは、光ファイバが第１の光ファイバと第２の光ファイバとを含んでもよい。そして、第１の光ファイバと第２の光ファイバとの結合部に、第１および第２の光ファイバの屈折率（光路の実効屈折率）とは異なる屈折率を有する媒体が存在してもよい。第１の光ファイバと第２の光ファイバとは、通常、同じ構造・屈折率を有する。第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間に存在する媒体は、空気（ギャップ）であってもよいし、無機物質や有機物質であってもよい。そのような媒体を光路に配置することによって、第１の光ファイバと媒体との界面、および第２の光ファイバと媒体との界面で反射が生じる。そのため、媒体の屈折率を調整することによって、上記式（Ａ）を満たすように閉光路内の反射率の合計γを変化させることができる。
【００２５】
以下、上記式（Ａ）を満たすことによってロックイン現象が抑制される理由について説明する。
【００２６】
［基礎方程式：Maxwell-Bloch方程式］
回転角速度ωで回転するリングレーザにおけるレーザ光は、回転座標系において導出されたマクスウェル（Maxwell）方程式とレーザ媒質の時間発展を記述するブロッホ（Bloch）方程式とを結合させたMaxwell-Bloch方程式によって、以下のように記述することができる。
【００２７】
【数５】
【００２８】
【数６】
【００２９】
【数７】
【００３０】
ここで、式（１）がリング共振器内部の光を記述するMaxwell方程式であり、式（２）および（３）がレーザ媒質を記述するBloch方程式である。
【００３１】
式（１）において、ｓは回転角速度Ωで回転するリング共振器の座標系を記述する変数である。ｃ、ｎ（ｓ）、β（ｓ）およびＲ（＝Ｌ／（２π））はそれぞれ、光速度、リング共振器内部の屈折率、損失、およびリング共振器の半径である。そして、式（１）の最後の項は、レーザ媒質の分極ρ（ｓ，ｔ）からの寄与を表している。Ｎ（ｓ）とκはそれぞれ、キャリア密度と結合係数である。一方、Bloch方程式（２）および（３）におけるγ⊥とγ‖とは、それぞれ、横の緩和定数および縦の緩和定数である。そして、Ｗはレーザ媒質の分布反転を表す。ωtは、レーザ媒質の遷移周波数を表す。
【００３２】
［反射源を持つリング共振器におけるサニャック効果の導出］
Maxwell-Bloch方程式（１）〜（３）を解析するために重要な点は、リング共振器の固有モードを求めることである。その固有モードは、式（１）の吸収項β、分極項ρを無視したMaxwell方程式（１）から導出することができる。
【００３３】
【数８】
【００３４】
ここで、電場Ｅ（ｓ，ｔ）が以下の式（ａ）のように、ある振動数ω（Ω）で安定振動していることを仮定した。
【００３５】
【数９】
【００３６】
固有モードは、周期的境界条件Ｕ（ｓ）＝Ｕ（ｓ＋Ｌ）の下、式（４）を解くことにより導出される。以下、固有モードは以下の規格化直交条件（ｂ）を満足するものと考える。
【００３７】
【数１０】
【００３８】
式（ｂ）において、Ｌはリング共振器長である。また、ｎ02は、空間平均された屈折率であり、以下の式（ｃ）で表される。
【００３９】
【数１１】
【００４０】
回転角速度Ωが０の時、式（４）は通常のヘルムホルツ（Helmholtz）方程式（ｄ）になる。
【００４１】
【数１２】
【００４２】
ここで、ωj（０）とＵj0（ｓ）は、それぞれ、番号ｊで表される回転していないリング共振器の固有周波数と固有モードの波動関数である。特に、屈折率変化がない場合（ｎ（ｓ）＝ｎ0＝一定）、その固有モードの波動関数はリング上の光路に沿った時計回りと反時計回りの回転波として表現され、量子数ｍで特徴づけられた固有周波数ω0（＝ｃκ0）＝２πｍｃ／（ｎ0Ｌ）を持って縮退する。しかし、そのような縮退した時計回りと反時計回りの回転波状態は屈折率変化がある場合（Δｎ2（ｓ）＝ｎ2（ｓ）−ｎ02≠０）に対しても固有モードになるわけではない。この場合、屈折率変化の凹凸が後方散乱する要因となるため、時計回りと反時計回りの回転波を結合させて固有モードの波動関数を定在波に変化させる。そして、縮退した固有周波数は２つの異なる周波数にスプリットする。特に屈折率変化Δｎ2（ｓ）が充分小さい場合、その周波数スプリットΔω0［＝ω1（０）−ω2（０）］は後方散乱強度γと以下の式（５）のように関係づけることができる。
【００４３】
【数１３】
【００４４】
そして、その異なる周波数を持つ２つの定在波モードは、以下の式（６）のように表現される。
【００４５】
【数１４】
【００４６】
次に、共振器を回転させた場合を考える。回転は上記の定在波モードに影響を与えて、その固有周波数をシフトさせる効果を持っている。その効果は、近縮退状態に対する摂動論を用いて示すことができる。その摂動論によれば、回転するリング共振器における固有モードは、以下に示す２つの定在波モードの重ね合わせによって表現することができる。
【００４７】
【数１５】
【００４８】
ここで、係数ｃ1とｃ2は以下のように与えられる。
【００４９】
【数１６】
【００５０】
それから、固有モードｊ（ｊ＝１，２）の周波数ωj（Ω）は、以下のようになる。
【００５１】
【数１７】
【００５２】
【数１８】
【００５３】
ここで、Δω0は回転していない場合のリング共振器の固有モードの周波数差である。そして、Ｓ（式中、ハットつき）はいわゆるスケールファクタであり、以下の式（ｅ）で表される
【００５４】
【数１９】
【００５５】
式（９）と（１０）から、最後に周波数差ΔｆΩ＝｜Δω2（Ω）−Δω1（Ω）｜／（２π）を以下のように得ることができる。
【００５６】
【数２０】
【００５７】
ここで、ＳおよびΔｆ0は以下のように表される。
【００５８】
【数２１】
【００５９】
［ロックイン現象の解析］
次に、前節で求めた固有モードＵj（ｓ）に基づいて、Maxwell-Bloch方程式（１）〜（３）を解析することで、ロックイン現象の発生とその回避条件を導出する。その解析にあたり、電場Ｅ（ｓ，ｔ）が、以下の式（１２）のように表現できることを仮定する。
【００６０】
【数２２】
【００６１】
ここで、Ｅjとφj∈Ｒｅは、それぞれ、モードｊの強度と位相を表す。それから、周波数ω0が、利得媒質の遷移周波数ωtに非常に近いことを仮定する（｜ω0−ωt｜／ωt≪１）。この仮定のもと、式（２）と（３）を、摂動論を用いて解くことで、以下を得る。
【００６２】
【数２３】
【００６３】
ここで、α0およびβ0は、以下で表される。
【００６４】
【数２４】
【００６５】
Ｎaは、レーザ媒質を構成する原子（分子）の密度である。Θ（ｓ）はレーザ媒質中で１、その他の領域で０となるステップ関数である。そして、それらの分極ρと分布反転ＷをMaxwell方程式（１）に代入して、以下の規格化直交条件を用いて解くことで、強度Ｅjに対する方程式（１３）を得ることができる。
【００６６】
【数２５】
【００６７】
【数２６】
【００６８】
ここで、ネットゲイン（実効利得）ｇj、自己飽和係数ｓj、交差飽和係数ｃ12などを含めたパラメータの定義を表１に示す。
【００６９】
【表１】
【００７０】
Ｍjc、Ｍjs、およびＭjバーは、位相差Ψ＝（φ2−φ1）で強度を変調させる役割をもつ項であり、以下のように表される。
【００７１】
【数２７】
【００７２】
ここで、θγ、θj、およびθχはそれぞれ、γ12、ξjおよびχの位相部分である。一方、位相差Ψ（＝φ2−φ1）のダイナミクスは以下のように表現される。
【００７３】
【数２８】
【００７４】
ここで、ΔωΩ（＝ω2（Ω）−ω1（Ω））は、式（１１）で示される２つのモード間の周波数差である。Ｈは位相差Ψに対して周期２πの関数であり、電場強度が充分小さい場合に、以下のように表される。
【００７５】
【数２９】
【００７６】
式（１３）と式（１７）で表現される解は、主に２つに分類することができる。１つは、定常的な強度と位相差を持つ状態を表す解であり、もう１つは、位相差が時間的に変化して、変調項を通じて強度が変調される状態を表す解である。その２つのどちらの状態が得られるかは、位相差の時間変化を記述する式（１７）を調べることで、知ることができる。
【００７７】
式（１７）は、よく知られた同期方程式と同じ形である。これは式（１７）の解が、ΔωΩとｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜の相対的な大きさに依存することを意味している。ここで、ｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜は関数｜Ｈ（Ψ）｜の最大値であり、ｄＥi／ｄｔ＝０の下、式（１３）を解くことで得られる。たとえば、ΔωΩ＜ｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜の場合、式（１７）はｄΨ／ｄｔ＝０で与えられる定常解を持つ。そのΨの定義から、条件ｄΨ／ｄｔ＝０は２つの固有モード間の周波数差がゼロになること、つまり、ロックイン現象が生じることを意味している。一方で、条件ΔωΩ≫ｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜が満足された場合には、同期現象は発生しない。従って、位相差Ψは近似的に以下のように記述できる。
【００７８】
【数３０】
【００７９】
そして強度Ｅj（ｊ＝１，２）は、周波数ΔωΩで変調される。最も重要な点は、周波数差ΔωΩが回転角速度Ωだけでなく、後方散乱の強度γに依存していることである。これはリング共振器中に後方散乱源がある場合に、周波数差ΔωΩが決してゼロにならないこと、そして、後方散乱により生じた周波数スプリットΔω0がｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜Ω=0よりも大きい場合にロックイン現象は生じないことを意味する。よって、ロックイン現象回避条件は以下のように求めることができる。
【００８０】
【数３１】
【００８１】
Δωcは、式（６）によって記述される固有モードを用いて定常条件ｄＥi／ｄｔ＝０を課した式（１３）を解くことで以下のように表現することができる。
【００８２】
【数３２】
【００８３】
ここで、Ｋ＝ｓ／χ＋２≒５である。最後に式（５）を使えば、後方散乱強度γで表現されるロックイン現象回避条件は、上述した式（Ａ）と同じ結果を示す以下の式（２１）で表される。
【００８４】
【数３３】
【００８５】
［実施形態１］
以下、図面を参照しながら本発明のジャイロの一例について説明する。実施形態１のジャイロの構成を、図１に模式的に示す。
【００８６】
図１のジャイロ１０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）１１、光ファイバ１２、光ファイバ１３、カプラ（結合器）１４、フォトダイオード１５、スペクトルアナライザ（Single-pass Amplifier）１６、および制御・分析装置１７を備える。半導体光増幅器１１には、電源１８が接続されている。半導体光増幅器１１と光ファイバ１２とは、閉光路２０を形成している。
【００８７】
電源１８は制御・分析装置１７によって制御される。電源１８によって半導体光増幅器１１に電流が注入されると、閉光路２０を時計回りに周回する第１のレーザ光Ｌ１と、閉光路２０を反時計回りに周回する第２のレーザ光Ｌ２とが生じる。ジャイロ１０が回転すると、サニャック効果によって、レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との間に差が生じる。この周波数差に基づくビート信号の成分は、閉光路２０から取り出されたレーザ光Ｌ１に含まれる。そのため、閉光路２０からカプラ１４によって取り出されたレーザ光Ｌ１をフォトダイオード１５で検出することによって、ビート信号を検出できる。カプラ１４は、たとえば、光ファイバ１２と光ファイバ１３とをほぼ平行に近接して配置するものであってもよい（以下のカプラでも同様である。）。フォトダイオード１５からの出力は、スペクトルアナライザ１６で分析されて制御・分析装置１７に入力される。制御・分析装置では、入力された信号に基づいて回転角速度が算出される。
【００８８】
ジャイロ１０を実際に作製し、回転テーブルの上にジャイロ１０を載せて評価した。作製したジャイロ１０について、物性を表２に示す。
【００８９】
【表２】
【００９０】
表２の「半導体光増幅器と光ファイバとの間の反射率γ」は、半導体光増幅器１１と光ファイバ１２との間の反射率の合計を示している。半導体光増幅器１１と光ファイバ１２とは、マイクロレンズを介して結合させた。また、両者の間の反射率を調整するために、半導体光増幅器１１の端面に、反射防止コート（Anti-Reflectionコート）を施した。
【００９１】
表２に示すγ12は、リング共振器の損失の合計以下となるため、リング共振器のトータルの損失を測定してそれ以下であるとした。表２に示す実効利得ｇ（リングレーザの実効利得）は、半導体光増幅器１１の微分利得係数を測定し、それを用いて算出した。
【００９２】
また、上記表２の物性値を用いてビート信号の周波数を算出した。このとき、損失散乱係数γ12を１０4ｓ-1と仮定した。これらの物性値を用いて式（Ａ）の右辺の計算をすると、ロックイン現象が生じうる最大の反射率γc（反射率γcは、閉光路内の反射率の合計）は、１×１０-5であった。したがって、閉光路２０における反射率の合計γは反射率γcよりも大きかった。
【００９３】
実際の測定結果およびシミュレーションの結果を図２に示す。図２の横軸はジャイロの回転角速度であり、縦軸はビート信号の周波数である。図２に示すように、回転角速度が小さい領域でも、ビート信号の周波数の実測値はゼロにならなかった。このことは、作製したジャイロでロックイン現象が生じなかったことを示している。また、図２に示すように、実測値と計算値とはよい一致を示した。以上のことから、式（Ａ）を満たすことによって、ロックイン現象を抑制できることが確認された。
【００９４】
［実施形態２］
実施形態２では、光ファイバ１２が２つ以上の光ファイバによって構成されており、それらの光ファイバ間に、光ファイバとは屈折率が異なる媒質が配置されているジャイロについて説明する。
【００９５】
実施形態２のジャイロの構成を図３に示す。図３のジャイロ３０は、光ファイバ１２が、光ファイバ１２ａおよび１２ｂに分かれている点で、図１のジャイロ１０と異なる。光ファイバ１２ａおよび光ファイバ１２ｂは、同じ構造を有し同じ材料からなる。光ファイバ１２ａと光ファイバ１２ｂとの間には、それらの光ファイバとは屈折率が異なる媒質３１が配置されている。本発明の効果が得られる限り、媒質３１は、無機物であってもよいし、有機物であってもよいし、空気などの気体であってもよい。
【００９６】
光ファイバ１２と媒質３１とは異なる屈折率を有するため、両者の界面では反射が生じる。媒質３１の屈折率を調整することによって、閉光路における反射率が式（Ａ）を満たすようにすることができる。
【００９７】
媒質３１が空気である場合の一例について図４に示す。図４のジャイロ４０は、光ファイバ１２の代わりに３つの光ファイバ４１、４２および４３が用いられている点で、図１のジャイロ１０と異なる。閉光路２０は、半導体光増幅器１１と、光ファイバ４１〜４３とによって構成されている。光ファイバ４１と光ファイバ４２、および光ファイバ４２と光ファイバ４３とは、それぞれ、カプラ４４および４５で結合されている。結合される２つの光ファイバの端面は、加工方法が異なる。たとえば、カプラ４４において、光ファイバ４１の端面はＳＰＣ（Super Physical Contact）研磨されており、光ファイバ４２の端面はＡＰＣ（Angled Physical Contact）研磨されている。また、カプラ４５において、光ファイバ４２の端面はＡＰＣ研磨されており、光ファイバ４３の端面はＳＰＣ研磨されている。
【００９８】
光ファイバ４１と光ファイバ４２との結合部を、図５に模式的に示す。ＳＰＣ研磨された光ファイバ４１の端面は半球状の端面を有する。また、ＡＰＣ研磨された光ファイバ４２の端面は、光軸に対して斜めに傾いた端面を有する。このように、端面形状が異なる２つの光ファイバを結合させた場合、図５に示すように両者の間にギャップ（空気層）が生じる。そのため、このギャップと光ファイバとの間において反射が生じる。平均屈折率が１．４５の光ファイバを用いた場合、ギャップにおける反射率は、約０．０３３となる。このようなギャップを閉光路２０上に形成することによって、式（Ａ）を満足させることができる。なお、図４のジャイロ４０では、閉光路２０を構成する光ファイバが３本であるが、２本であってもよいし、４本以上であってもよい。
【００９９】
上記実施形態のジャイロでは、２つのレーザ光のうちの一方のみを閉光路２０から取り出して回転角速度を求めている。このような構成で回転角速度を求めることができることは、すでに特開２００８−１０２０５７号公報において明らかにされている。
【０１００】
一方、本発明のジャイロでは、閉光路２０を互いに逆方向に進む２つのレーザ光をそれぞれ取り出し、それらを重ね合わせたのちにビート信号を検出してもよい。そのような構成のジャイロの一例を、図６に示す。
【０１０１】
図６のジャイロ６０は、カプラ６１および６２を備える。カプラ６１は、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２の一部を閉光路２０から光ファイバ１３に取り出す。カプラ６２は、取り出されたレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とを重ね合わせる。重ね合わされた２つのレーザ光によって生じるビート信号は、フォトダイオード１５で検出される。図６のジャイロ６０は、図１のジャイロ１０と比較して、ビート信号の検出方法のみが異なる。図６に示すビート信号の検出方法は、実施形態２の構成にも適用できる。
【０１０２】
なお、本発明は、光ファイバ以外で構成された閉光路を備える他のジャイロに適用することも可能である。そのようなジャイロの一例は、１本の閉じた光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起されるリングレーザを備え、レーザ光の波長における光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、上記式（Ａ）を満たす。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、光ファイバジャイロに利用できる。本発明の光ファイバジャイロは、物体の回転角速度の検出が必要な様々な電子機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明の光ジャイロ素子は、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のジャイロの一例について構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明のジャイロおよび他のジャイロについてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図３】本発明のジャイロの他の一例について構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明のジャイロのその他の一例について構成を模式的に示す図である。
【図５】図４に示したジャイロの一部を模式的に示す図である。
【図６】発明のジャイロのその他の一例について構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０、３０、４０、６０ ジャイロ
１１ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１２、１２ａ、１２ｂ、１３、４１、４２、４３ 光ファイバ
１４、４４、４５、６１、６２ カプラ（結合器）
１５ フォトダイオード
１６ スペクトルアナライザ
１７ 制御・分析装置
１８ 電源
３１ 媒質
Ｌ１、Ｌ２ レーザ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、リングレーザジャイロは精度が高いという特徴を有する。従来のリングレーザジャイロの一例では、多角環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出が行われる。このようなジャイロとして、希ガスレーザを用いたジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。このジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。しかし、希ガスレーザを用いたジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
【０００３】
このような課題を解決するジャイロとして、光ファイバと光増幅素子とを用いた光ファイバジャイロが提案されている（たとえば特許文献２参照）。光ファイバジャイロでは、リング状の光ファイバを互いに逆方向に進行する２つのレーザ光のビート周波数から回転角速度を求める。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開平７−１４６１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、リングレーザジャイロでは、通常、リングレーザ内を逆方向に進行する２つのレーザ光の周波数が同期するロックイン現象が生じる。このロックイン現象は、２つのレーザ光の発振周波数の差が小さいときに特に問題となる。そのため、従来のリングレーザジャイロでは、回転角速度が小さいときにはサニャック効果によるビート信号の出力が実質的にゼロになり、回転角速度を検出できなくなるという問題があった。
【０００５】
このような状況において、本発明は、ロックイン現象を抑制できる光ファイバジャイロを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために検討した結果、本件発明者らは、光路内の反射条件を所定の範囲とすることによってロックイン現象を抑制できることを新たに見出した。このようなアプローチは従来全く考慮されておらず、本発明は、全く新たな視点からロックイン現象を抑制することを可能にするものである。
【０００７】
すなわち、本発明の光ファイバジャイロは、１本の閉じた光路を構成する半導体光増幅器と光ファイバとを備え、前記半導体光増幅器によって前記光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起される光ファイバジャイロであって、前記レーザ光の波長における前記光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、以下の式（Ａ）を満たす。
【０００８】
【数２】
【０００９】
［式中、ｎ0は前記光路の平均屈折率である。Ｌは前記光路の長さである。ｃは光の速度である。γ12は損失局在を特徴づける量である。ｇは前記半導体光増幅器と前記光ファイバとを含むリングレーザの実効利得を表す。ψは任意の角度を表す。］
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ロックイン現象の影響を受けない光ファイバジャイロが得られる。本発明のジャイロによれば、回転角速度が小さい領域においても、回転角速度を求めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【００１２】
［光ファイバジャイロ（光ファイバジャイロ素子）］
本発明の光ファイバジャイロは、１本の閉じた光路を構成する半導体光増幅器（ＳＯＡ）と光ファイバとを備える。すなわち、本発明のジャイロは、半導体光増幅器と光ファイバとを含むファイバリングレーザを備える。ここで、閉じた光路（以下、「閉光路」という場合がある）とは、その光路を進行する光がその光路を周回することが可能な１本の光路を意味する。閉光路には、半導体光増幅器および光ファイバ以外の光学素子が含まれてもよい。
【００１３】
本発明のジャイロでは、半導体光増幅器によって閉光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起される。そして、それらのレーザ光の波長における、閉光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、以下の式（Ａ）を満たす。
【００１４】
【数３】
【００１５】
［式中、ｎ0は閉光路の平均屈折率である。Ｌは閉光路の長さ（単位：ｍ）である。ｃは光の速度（単位：ｍ／ｓ）である。γ12は損失局在を特徴づける量（単位：ｓ-1）である。ｇは半導体光増幅器と光ファイバとを含むリングレーザの実効利得（単位：ｓ-1）を表す。ψは任意の角度を表す。］
【００１６】
なお、ジャイロの回転角速度が変化すると２つのレーザ光の波長はそれぞれ変動するが、その変動はわずかである。そのため、式（Ａ）の反射率γは、ジャイロが回転していないときの発振波長λにおける反射率とみなしても問題ない。
【００１７】
ｍａｘは、ψが任意の角度をとったときにｍａｘ以下に示される式が取り得る最大値を返す。γ12およびｇの詳細については後述する。
【００１８】
本発明の効果が得られる限り、半導体光増幅器および光ファイバに限定はなく、公知のものを用いてもよい。たとえば、半導体光増幅器として、主にIII−Ｖ族化合物半導体で形成され、発振波長が０．４μｍ〜６．６μｍの範囲にある半導体光増幅器を用いてもよい。また、光ファイバとして、発振波長における損失が小さい石英ガラス系の光ファイバを用いてもよい。
【００１９】
本発明のジャイロは、閉光路を周回する２つのレーザ光の周波数差を検出するための検出手段を含む。たとえば、本発明のジャイロは、閉光路を周回するレーザ光の一部を閉光路から取り出すための取り出し手段と、取り出した光を検出する受光素子とを含むことができる。取り出し手段は、閉光路を周回する２つのレーザ光のうちの一方の一部、または、２つのレーザ光の両方の一部を、閉光路から取り出す。また、本発明のジャイロは、検出手段から出力される信号を解析するための解析手段や、半導体光増幅器を駆動・制御するための電源および制御手段を含むことができる。
【００２０】
取り出し手段には、たとえば結合器（カプラ）を用いることができる。結合器は、たとえば、閉光路を形成する光ファイバに他の光路（たとえば光ファイバ）を隣接させることによって実現できる。受光素子には、フォトダイオードなどの素子を用いることができる。解析手段および制御手段には、スペクトルアナライザおよび演算処理装置（および必要に応じて補助メモリ）を用いることができる。演算処理装置には、たとえばパーソナルコンピュータを用いてもよい。
【００２１】
閉光路内のすべての反射源の反射率の合計γが大きすぎると、低回転角速度領域において、回転角速度の検出が難しくなる場合がある。そのため、式（Ａ）を満たす限り、反射率の合計γは小さいことが好ましい。具体的には、角速度Ωを検出する場合、反射率の合計γが、以下の式を満たすことが好ましい。
【００２２】
【数４】
【００２３】
上記式において、Ωは回転角速度（単位：ｒａｄ／ｓ）を示し、ｃは光の速度（単位：ｍ／ｓ）を示し、λはレーザの発振波長（単位：ｍ）を示す。また、Ａは、閉光路内の面積（単位：ｍ2）を示す。光ファイバが面積Ｓの形状の外周をｎ回周回している場合も、Ａ＝Ｓで計算される。
【００２４】
本発明のジャイロでは、光ファイバが第１の光ファイバと第２の光ファイバとを含んでもよい。そして、第１の光ファイバと第２の光ファイバとの結合部に、第１および第２の光ファイバの屈折率（光路の実効屈折率）とは異なる屈折率を有する媒体が存在してもよい。第１の光ファイバと第２の光ファイバとは、通常、同じ構造・屈折率を有する。第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間に存在する媒体は、空気（ギャップ）であってもよいし、無機物質や有機物質であってもよい。そのような媒体を光路に配置することによって、第１の光ファイバと媒体との界面、および第２の光ファイバと媒体との界面で反射が生じる。そのため、媒体の屈折率を調整することによって、上記式（Ａ）を満たすように閉光路内の反射率の合計γを変化させることができる。
【００２５】
以下、上記式（Ａ）を満たすことによってロックイン現象が抑制される理由について説明する。
【００２６】
［基礎方程式：Maxwell-Bloch方程式］
回転角速度ωで回転するリングレーザにおけるレーザ光は、回転座標系において導出されたマクスウェル（Maxwell）方程式とレーザ媒質の時間発展を記述するブロッホ（Bloch）方程式とを結合させたMaxwell-Bloch方程式によって、以下のように記述することができる。
【００２７】
【数５】
【００２８】
【数６】
【００２９】
【数７】
【００３０】
ここで、式（１）がリング共振器内部の光を記述するMaxwell方程式であり、式（２）および（３）がレーザ媒質を記述するBloch方程式である。
【００３１】
式（１）において、ｓは回転角速度Ωで回転するリング共振器の座標系を記述する変数である。ｃ、ｎ（ｓ）、β（ｓ）およびＲ（＝Ｌ／（２π））はそれぞれ、光速度、リング共振器内部の屈折率、損失、およびリング共振器の半径である。そして、式（１）の最後の項は、レーザ媒質の分極ρ（ｓ，ｔ）からの寄与を表している。Ｎ（ｓ）とκはそれぞれ、キャリア密度と結合係数である。一方、Bloch方程式（２）および（３）におけるγ⊥とγ‖とは、それぞれ、横の緩和定数および縦の緩和定数である。そして、Ｗはレーザ媒質の分布反転を表す。ωtは、レーザ媒質の遷移周波数を表す。
【００３２】
［反射源を持つリング共振器におけるサニャック効果の導出］
Maxwell-Bloch方程式（１）〜（３）を解析するために重要な点は、リング共振器の固有モードを求めることである。その固有モードは、式（１）の吸収項β、分極項ρを無視したMaxwell方程式（１）から導出することができる。
【００３３】
【数８】
【００３４】
ここで、電場Ｅ（ｓ，ｔ）が以下の式（ａ）のように、ある振動数ω（Ω）で安定振動していることを仮定した。
【００３５】
【数９】
【００３６】
固有モードは、周期的境界条件Ｕ（ｓ）＝Ｕ（ｓ＋Ｌ）の下、式（４）を解くことにより導出される。以下、固有モードは以下の規格化直交条件（ｂ）を満足するものと考える。
【００３７】
【数１０】
【００３８】
式（ｂ）において、Ｌはリング共振器長である。また、ｎ02は、空間平均された屈折率であり、以下の式（ｃ）で表される。
【００３９】
【数１１】
【００４０】
回転角速度Ωが０の時、式（４）は通常のヘルムホルツ（Helmholtz）方程式（ｄ）になる。
【００４１】
【数１２】
【００４２】
ここで、ωj（０）とＵj0（ｓ）は、それぞれ、番号ｊで表される回転していないリング共振器の固有周波数と固有モードの波動関数である。特に、屈折率変化がない場合（ｎ（ｓ）＝ｎ0＝一定）、その固有モードの波動関数はリング上の光路に沿った時計回りと反時計回りの回転波として表現され、量子数ｍで特徴づけられた固有周波数ω0（＝ｃκ0）＝２πｍｃ／（ｎ0Ｌ）を持って縮退する。しかし、そのような縮退した時計回りと反時計回りの回転波状態は屈折率変化がある場合（Δｎ2（ｓ）＝ｎ2（ｓ）−ｎ02≠０）に対しても固有モードになるわけではない。この場合、屈折率変化の凹凸が後方散乱する要因となるため、時計回りと反時計回りの回転波を結合させて固有モードの波動関数を定在波に変化させる。そして、縮退した固有周波数は２つの異なる周波数にスプリットする。特に屈折率変化Δｎ2（ｓ）が充分小さい場合、その周波数スプリットΔω0［＝ω1（０）−ω2（０）］は後方散乱強度γと以下の式（５）のように関係づけることができる。
【００４３】
【数１３】
【００４４】
そして、その異なる周波数を持つ２つの定在波モードは、以下の式（６）のように表現される。
【００４５】
【数１４】
【００４６】
次に、共振器を回転させた場合を考える。回転は上記の定在波モードに影響を与えて、その固有周波数をシフトさせる効果を持っている。その効果は、近縮退状態に対する摂動論を用いて示すことができる。その摂動論によれば、回転するリング共振器における固有モードは、以下に示す２つの定在波モードの重ね合わせによって表現することができる。
【００４７】
【数１５】
【００４８】
ここで、係数ｃ1とｃ2は以下のように与えられる。
【００４９】
【数１６】
【００５０】
それから、固有モードｊ（ｊ＝１，２）の周波数ωj（Ω）は、以下のようになる。
【００５１】
【数１７】
【００５２】
【数１８】
【００５３】
ここで、Δω0は回転していない場合のリング共振器の固有モードの周波数差である。そして、Ｓ（式中、ハットつき）はいわゆるスケールファクタであり、以下の式（ｅ）で表される
【００５４】
【数１９】
【００５５】
式（９）と（１０）から、最後に周波数差ΔｆΩ＝｜Δω2（Ω）−Δω1（Ω）｜／（２π）を以下のように得ることができる。
【００５６】
【数２０】
【００５７】
ここで、ＳおよびΔｆ0は以下のように表される。
【００５８】
【数２１】
【００５９】
［ロックイン現象の解析］
次に、前節で求めた固有モードＵj（ｓ）に基づいて、Maxwell-Bloch方程式（１）〜（３）を解析することで、ロックイン現象の発生とその回避条件を導出する。その解析にあたり、電場Ｅ（ｓ，ｔ）が、以下の式（１２）のように表現できることを仮定する。
【００６０】
【数２２】
【００６１】
ここで、Ｅjとφj∈Ｒｅは、それぞれ、モードｊの強度と位相を表す。それから、周波数ω0が、利得媒質の遷移周波数ωtに非常に近いことを仮定する（｜ω0−ωt｜／ωt≪１）。この仮定のもと、式（２）と（３）を、摂動論を用いて解くことで、以下を得る。
【００６２】
【数２３】
【００６３】
ここで、α0およびβ0は、以下で表される。
【００６４】
【数２４】
【００６５】
Ｎaは、レーザ媒質を構成する原子（分子）の密度である。Θ（ｓ）はレーザ媒質中で１、その他の領域で０となるステップ関数である。そして、それらの分極ρと分布反転ＷをMaxwell方程式（１）に代入して、以下の規格化直交条件を用いて解くことで、強度Ｅjに対する方程式（１３）を得ることができる。
【００６６】
【数２５】
【００６７】
【数２６】
【００６８】
ここで、ネットゲイン（実効利得）ｇj、自己飽和係数ｓj、交差飽和係数ｃ12などを含めたパラメータの定義を表１に示す。
【００６９】
【表１】
【００７０】
Ｍjc、Ｍjs、およびＭjバーは、位相差Ψ＝（φ2−φ1）で強度を変調させる役割をもつ項であり、以下のように表される。
【００７１】
【数２７】
【００７２】
ここで、θγ、θj、およびθχはそれぞれ、γ12、ξjおよびχの位相部分である。一方、位相差Ψ（＝φ2−φ1）のダイナミクスは以下のように表現される。
【００７３】
【数２８】
【００７４】
ここで、ΔωΩ（＝ω2（Ω）−ω1（Ω））は、式（１１）で示される２つのモード間の周波数差である。Ｈは位相差Ψに対して周期２πの関数であり、電場強度が充分小さい場合に、以下のように表される。
【００７５】
【数２９】
【００７６】
式（１３）と式（１７）で表現される解は、主に２つに分類することができる。１つは、定常的な強度と位相差を持つ状態を表す解であり、もう１つは、位相差が時間的に変化して、変調項を通じて強度が変調される状態を表す解である。その２つのどちらの状態が得られるかは、位相差の時間変化を記述する式（１７）を調べることで、知ることができる。
【００７７】
式（１７）は、よく知られた同期方程式と同じ形である。これは式（１７）の解が、ΔωΩとｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜の相対的な大きさに依存することを意味している。ここで、ｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜は関数｜Ｈ（Ψ）｜の最大値であり、ｄＥi／ｄｔ＝０の下、式（１３）を解くことで得られる。たとえば、ΔωΩ＜ｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜の場合、式（１７）はｄΨ／ｄｔ＝０で与えられる定常解を持つ。そのΨの定義から、条件ｄΨ／ｄｔ＝０は２つの固有モード間の周波数差がゼロになること、つまり、ロックイン現象が生じることを意味している。一方で、条件ΔωΩ≫ｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜が満足された場合には、同期現象は発生しない。従って、位相差Ψは近似的に以下のように記述できる。
【００７８】
【数３０】
【００７９】
そして強度Ｅj（ｊ＝１，２）は、周波数ΔωΩで変調される。最も重要な点は、周波数差ΔωΩが回転角速度Ωだけでなく、後方散乱の強度γに依存していることである。これはリング共振器中に後方散乱源がある場合に、周波数差ΔωΩが決してゼロにならないこと、そして、後方散乱により生じた周波数スプリットΔω0がｍａｘ｜Ｈ（Ψ）｜Ω=0よりも大きい場合にロックイン現象は生じないことを意味する。よって、ロックイン現象回避条件は以下のように求めることができる。
【００８０】
【数３１】
【００８１】
Δωcは、式（６）によって記述される固有モードを用いて定常条件ｄＥi／ｄｔ＝０を課した式（１３）を解くことで以下のように表現することができる。
【００８２】
【数３２】
【００８３】
ここで、Ｋ＝ｓ／χ＋２≒５である。最後に式（５）を使えば、後方散乱強度γで表現されるロックイン現象回避条件は、上述した式（Ａ）と同じ結果を示す以下の式（２１）で表される。
【００８４】
【数３３】
【００８５】
［実施形態１］
以下、図面を参照しながら本発明のジャイロの一例について説明する。実施形態１のジャイロの構成を、図１に模式的に示す。
【００８６】
図１のジャイロ１０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）１１、光ファイバ１２、光ファイバ１３、カプラ（結合器）１４、フォトダイオード１５、スペクトルアナライザ（Single-pass Amplifier）１６、および制御・分析装置１７を備える。半導体光増幅器１１には、電源１８が接続されている。半導体光増幅器１１と光ファイバ１２とは、閉光路２０を形成している。
【００８７】
電源１８は制御・分析装置１７によって制御される。電源１８によって半導体光増幅器１１に電流が注入されると、閉光路２０を時計回りに周回する第１のレーザ光Ｌ１と、閉光路２０を反時計回りに周回する第２のレーザ光Ｌ２とが生じる。ジャイロ１０が回転すると、サニャック効果によって、レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との間に差が生じる。この周波数差に基づくビート信号の成分は、閉光路２０から取り出されたレーザ光Ｌ１に含まれる。そのため、閉光路２０からカプラ１４によって取り出されたレーザ光Ｌ１をフォトダイオード１５で検出することによって、ビート信号を検出できる。カプラ１４は、たとえば、光ファイバ１２と光ファイバ１３とをほぼ平行に近接して配置するものであってもよい（以下のカプラでも同様である。）。フォトダイオード１５からの出力は、スペクトルアナライザ１６で分析されて制御・分析装置１７に入力される。制御・分析装置では、入力された信号に基づいて回転角速度が算出される。
【００８８】
ジャイロ１０を実際に作製し、回転テーブルの上にジャイロ１０を載せて評価した。作製したジャイロ１０について、物性を表２に示す。
【００８９】
【表２】
【００９０】
表２の「半導体光増幅器と光ファイバとの間の反射率γ」は、半導体光増幅器１１と光ファイバ１２との間の反射率の合計を示している。半導体光増幅器１１と光ファイバ１２とは、マイクロレンズを介して結合させた。また、両者の間の反射率を調整するために、半導体光増幅器１１の端面に、反射防止コート（Anti-Reflectionコート）を施した。
【００９１】
表２に示すγ12は、リング共振器の損失の合計以下となるため、リング共振器のトータルの損失を測定してそれ以下であるとした。表２に示す実効利得ｇ（リングレーザの実効利得）は、半導体光増幅器１１の微分利得係数を測定し、それを用いて算出した。
【００９２】
また、上記表２の物性値を用いてビート信号の周波数を算出した。このとき、損失散乱係数γ12を１０4ｓ-1と仮定した。これらの物性値を用いて式（Ａ）の右辺の計算をすると、ロックイン現象が生じうる最大の反射率γc（反射率γcは、閉光路内の反射率の合計）は、１×１０-5であった。したがって、閉光路２０における反射率の合計γは反射率γcよりも大きかった。
【００９３】
実際の測定結果およびシミュレーションの結果を図２に示す。図２の横軸はジャイロの回転角速度であり、縦軸はビート信号の周波数である。図２に示すように、回転角速度が小さい領域でも、ビート信号の周波数の実測値はゼロにならなかった。このことは、作製したジャイロでロックイン現象が生じなかったことを示している。また、図２に示すように、実測値と計算値とはよい一致を示した。以上のことから、式（Ａ）を満たすことによって、ロックイン現象を抑制できることが確認された。
【００９４】
［実施形態２］
実施形態２では、光ファイバ１２が２つ以上の光ファイバによって構成されており、それらの光ファイバ間に、光ファイバとは屈折率が異なる媒質が配置されているジャイロについて説明する。
【００９５】
実施形態２のジャイロの構成を図３に示す。図３のジャイロ３０は、光ファイバ１２が、光ファイバ１２ａおよび１２ｂに分かれている点で、図１のジャイロ１０と異なる。光ファイバ１２ａおよび光ファイバ１２ｂは、同じ構造を有し同じ材料からなる。光ファイバ１２ａと光ファイバ１２ｂとの間には、それらの光ファイバとは屈折率が異なる媒質３１が配置されている。本発明の効果が得られる限り、媒質３１は、無機物であってもよいし、有機物であってもよいし、空気などの気体であってもよい。
【００９６】
光ファイバ１２と媒質３１とは異なる屈折率を有するため、両者の界面では反射が生じる。媒質３１の屈折率を調整することによって、閉光路における反射率が式（Ａ）を満たすようにすることができる。
【００９７】
媒質３１が空気である場合の一例について図４に示す。図４のジャイロ４０は、光ファイバ１２の代わりに３つの光ファイバ４１、４２および４３が用いられている点で、図１のジャイロ１０と異なる。閉光路２０は、半導体光増幅器１１と、光ファイバ４１〜４３とによって構成されている。光ファイバ４１と光ファイバ４２、および光ファイバ４２と光ファイバ４３とは、それぞれ、カプラ４４および４５で結合されている。結合される２つの光ファイバの端面は、加工方法が異なる。たとえば、カプラ４４において、光ファイバ４１の端面はＳＰＣ（Super Physical Contact）研磨されており、光ファイバ４２の端面はＡＰＣ（Angled Physical Contact）研磨されている。また、カプラ４５において、光ファイバ４２の端面はＡＰＣ研磨されており、光ファイバ４３の端面はＳＰＣ研磨されている。
【００９８】
光ファイバ４１と光ファイバ４２との結合部を、図５に模式的に示す。ＳＰＣ研磨された光ファイバ４１の端面は半球状の端面を有する。また、ＡＰＣ研磨された光ファイバ４２の端面は、光軸に対して斜めに傾いた端面を有する。このように、端面形状が異なる２つの光ファイバを結合させた場合、図５に示すように両者の間にギャップ（空気層）が生じる。そのため、このギャップと光ファイバとの間において反射が生じる。平均屈折率が１．４５の光ファイバを用いた場合、ギャップにおける反射率は、約０．０３３となる。このようなギャップを閉光路２０上に形成することによって、式（Ａ）を満足させることができる。なお、図４のジャイロ４０では、閉光路２０を構成する光ファイバが３本であるが、２本であってもよいし、４本以上であってもよい。
【００９９】
上記実施形態のジャイロでは、２つのレーザ光のうちの一方のみを閉光路２０から取り出して回転角速度を求めている。このような構成で回転角速度を求めることができることは、すでに特開２００８−１０２０５７号公報において明らかにされている。
【０１００】
一方、本発明のジャイロでは、閉光路２０を互いに逆方向に進む２つのレーザ光をそれぞれ取り出し、それらを重ね合わせたのちにビート信号を検出してもよい。そのような構成のジャイロの一例を、図６に示す。
【０１０１】
図６のジャイロ６０は、カプラ６１および６２を備える。カプラ６１は、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２の一部を閉光路２０から光ファイバ１３に取り出す。カプラ６２は、取り出されたレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とを重ね合わせる。重ね合わされた２つのレーザ光によって生じるビート信号は、フォトダイオード１５で検出される。図６のジャイロ６０は、図１のジャイロ１０と比較して、ビート信号の検出方法のみが異なる。図６に示すビート信号の検出方法は、実施形態２の構成にも適用できる。
【０１０２】
なお、本発明は、光ファイバ以外で構成された閉光路を備える他のジャイロに適用することも可能である。そのようなジャイロの一例は、１本の閉じた光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起されるリングレーザを備え、レーザ光の波長における光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、上記式（Ａ）を満たす。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、光ファイバジャイロに利用できる。本発明の光ファイバジャイロは、物体の回転角速度の検出が必要な様々な電子機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明の光ジャイロ素子は、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のジャイロの一例について構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明のジャイロおよび他のジャイロについてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図３】本発明のジャイロの他の一例について構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明のジャイロのその他の一例について構成を模式的に示す図である。
【図５】図４に示したジャイロの一部を模式的に示す図である。
【図６】発明のジャイロのその他の一例について構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０、３０、４０、６０ ジャイロ
１１ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１２、１２ａ、１２ｂ、１３、４１、４２、４３ 光ファイバ
１４、４４、４５、６１、６２ カプラ（結合器）
１５ フォトダイオード
１６ スペクトルアナライザ
１７ 制御・分析装置
１８ 電源
３１ 媒質
Ｌ１、Ｌ２ レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１本の閉じた光路を構成する半導体光増幅器と光ファイバとを備え、前記半導体光増幅器によって前記光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起される光ファイバジャイロであって、
前記レーザ光の波長における前記光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、以下の式（Ａ）を満たす、光ファイバジャイロ。
【数１】
［式中、ｎ0は前記光路の平均屈折率である。Ｌは前記光路の長さである。ｃは光の速度である。γ12は損失局在を特徴づける量である。ｇは前記半導体光増幅器と前記光ファイバとを含むリングレーザの実効利得を表す。ψは任意の角度を表す。］
【請求項２】
前記光ファイバが第１の光ファイバと第２の光ファイバとを含み、
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとの結合部に、前記第１および第２の光ファイバの屈折率とは異なる屈折率を有する媒体が存在する請求項１に記載の光ファイバジャイロ。
【請求項１】
１本の閉じた光路を構成する半導体光増幅器と光ファイバとを備え、前記半導体光増幅器によって前記光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が励起される光ファイバジャイロであって、
前記レーザ光の波長における前記光路内のすべての反射源の反射率の合計γが、以下の式（Ａ）を満たす、光ファイバジャイロ。
【数１】
［式中、ｎ0は前記光路の平均屈折率である。Ｌは前記光路の長さである。ｃは光の速度である。γ12は損失局在を特徴づける量である。ｇは前記半導体光増幅器と前記光ファイバとを含むリングレーザの実効利得を表す。ψは任意の角度を表す。］
【請求項２】
前記光ファイバが第１の光ファイバと第２の光ファイバとを含み、
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとの結合部に、前記第１および第２の光ファイバの屈折率とは異なる屈折率を有する媒体が存在する請求項１に記載の光ファイバジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−３００２０８（Ｐ２００９−３００２０８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５３９７６（Ｐ２００８−１５３９７６）
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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