光ファイバジャイロ
【課題】構造が簡単であり、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロを提供する。
【解決手段】ループ状光ファイバ１２に介挿された光信号増幅装置１４では、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波長λ１以外の周囲光の全部または一部が光ファイバグレーティング部３２により反射されて半導体光増幅器３０に再度入力されることから、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器３０の利得を入力光に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形の歪みが低減される。それらの光の変調度が高められ、それらの周波数差Δｆにより発生するビート信号ＳＢもシャープに得られ、そのビート信号ＳＢの解析から得られるビート周波数ｆb およびそのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が十分に得られる。
【解決手段】ループ状光ファイバ１２に介挿された光信号増幅装置１４では、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波長λ１以外の周囲光の全部または一部が光ファイバグレーティング部３２により反射されて半導体光増幅器３０に再度入力されることから、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器３０の利得を入力光に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形の歪みが低減される。それらの光の変調度が高められ、それらの周波数差Δｆにより発生するビート信号ＳＢもシャープに得られ、そのビート信号ＳＢの解析から得られるビート周波数ｆb およびそのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が十分に得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいてそのループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロに関し、回転角速度を検出精度を高める技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ループ状光ファイバと、そのループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されてそのループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、そのループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいてそのループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロが知られている。たとえば、特許文献１に記載された光ファイバジャイロがそれである。
【０００３】
この光ファイバジャイロによれば、ループ状光ファイバ内において時計方向および反時計方向にそれぞれ伝播するレーザ光を増幅するために多くの光結合器すなわち光カプラを設け、その光結合器を介して増幅光によってレーザ光を増幅する従来のブリリアン型光ファイバジャイロなどに比較して、光ファイバジャイロの構造が簡単となる利点がある。
【特許文献１】特開２００１−７１６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記光ファイバジャイロでは、予め設定されたビート周波数と回転角速度との関係から、そのループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因して発生するビート信号の周波数に基づいて回転角速度が算出される。しかしながら、上記ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光は、比較的揃った波長の定常状態ではあるものの光共振器で発振させられたような一定の波長ではなく、変調度が十分に高くないので、それらの周波数差により発生するビート信号のピークもシャープに得られず、そのビート信号の解析から得られるビート周波数およびそのビート周波数から得られる回転角速度の精度が十分に得られない場合があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、構造が簡単であり、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、前記目的を達成するための請求項１にかかる発明は、(a) ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、(b) 前記光信号増幅装置は、(b-1) 前記時計方向光および反時計方向光が入力されると該時計方向光および反時計方向光をそれぞれ増幅して出力すると共に、該時計方向光および反時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光を放射する半導体光増幅器と、(b-2) 前記半導体光増幅器から放射される前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる波長選択性反射素子とを、含むことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光ファイバジャイロにおいて、(c) 前記波長選択性反射素子は、該半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の少なくとも一方に設けられ、前記半導体光増幅器から放射される光のうち前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる光ファイバグレーティング部であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光ファイバジャイロにおいて、(d) 前記ループ状光ファイバの前記光ファイバグレーティング部が設けられた端部の端面に先球レンズが備えられ、前記半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１に記載の光ファイバジャイロにおいて、(e) 前記半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(f) 前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、(g) 該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、(h) 該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、(i) 該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、(j) 予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に係る発明は、(a) ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、(b) 前記光信号増幅装置は、(b-1) 前記時計方向光が入力されると、該時計方向光を増幅して出力すると共に、該時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光の波長以外の第１周囲光を放射する第１半導体光増幅器と、(b-2) 該第１半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１波長選択性反射素子と、(b-3) 前記反時計方向光が入力されると、該反時計方向光を増幅して出力すると共に、該反時計方向光の強度に対して強度反転した該反時計方向光の波長以外の第２周囲光を放射する第２半導体光増幅器と、(b-4) 該第２半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２波長選択性反射素子と、(b-5) 前記第１半導体光増幅器から出力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３波長選択性反射素子と、(b-6) 前記ループ状光ファイバ内の反時計方向光の一部を取り出して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させるとともに、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力光を該ループ状光ファイバ内へ時計方向光として入射させる光カプラとを、含むことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載の光ファイバジャイロにおいて、(c) 前記第１波長選択性反射素子は、該第１半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の一方に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１光ファイバグレーティング部であり、(d) 前記第２波長選択性反射素子は、該第２半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の他方に設けられ、前記第２半導体光増幅器から放射される第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２光ファイバグレーティング部であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項８に係る発明は、請求項７に記載の光ファイバジャイロにおいて、(e) 前記ループ状光ファイバの前記第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部の端面に先球レンズがそれぞれ備えられ、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項９に係る発明は、請求項６乃至８のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(f) 前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部および第２分岐ファイバ部と、該第１分岐ファイバおよび第２分岐ファイバが溶融延伸されて前記光カプラに結合された共通ファイバ部とを備えたＹ字型ファイバを含み、(g) 前記第３波長選択性反射素子は、該共通ファイバ部に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項１０に係る発明は、請求項６乃至９のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(h) 前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１１に係る発明は、請求項６乃至１０のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(i) 前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、(j) 該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、(k) 該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、(l) 該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、(m) 予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１にかかる発明の光ファイバジャイロによれば、光信号増幅装置が、(b-1) 前記時計方向光および反時計方向光が入力されると該時計方向光および反時計方向光をそれぞれ増幅して出力すると共に、該時計方向光および反時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光を放射する半導体光増幅器と、(b-2) 前記半導体光増幅器から放射される前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる波長選択性反射素子とを含み、前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部が波長選択性反射素子により反射されて半導体光増幅器に再度入力されることから、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器の利得を入力光信号に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光および反時計方向光の波形の歪みが低減される。これにより、時計方向光および反時計方向光の変調度が高めれるので、それらの周波数差により発生するビート信号のピークもシャープに得られ、そのビート信号の解析から得られるビート周波数およびそのビート周波数から得られる回転角速度の精度が十分に得られる。
【００１８】
また、請求項２に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記波長選択性反射素子は、該半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の少なくとも一方に設けられ、前記半導体光増幅器から放射される光のうち前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる光ファイバグレーティング部であることから、半導体光増幅器とループ状光ファイバの端部との間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００１９】
また、請求項３に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記ループ状光ファイバの前記光ファイバグレーティング部が設けられた端部の端面に先球レンズが備えられ、前記半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることから、半導体光増幅器とループ状光ファイバの端部との間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００２０】
また、請求項４に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることから、光信号増幅装置が一層小型化されて１チップ化が可能となるとともに、特に量子井戸、量子ドットから活性層が構成される場合には、１０ＧＨｚオーダの高周波数領域において信号増幅が可能となって前記時計方向光および反時計方向光の周波数が高められるので、そのビート周波数から得られる回転角速度の精度が一層高められる。
【００２１】
また、請求項５に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことから、構造が簡単で、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロを得ることができる。
【００２２】
また、請求項６に係る発明の光ファイバジャイロによれば、光信号増幅装置は、(b-1) 前記時計方向光が入力されると、該時計方向光を増幅して出力すると共に、該時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光の波長以外の第１周囲光を放射する第１半導体光増幅器と、(b-2) 該第１半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１波長選択性反射素子と、(b-3) 前記反時計方向光が入力されると、該反時計方向光を増幅して出力すると共に、該反時計方向光の強度に対して強度反転した該反時計方向光の波長以外の第２周囲光を放射する第２半導体光増幅器と、(b-4) 該第２半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２波長選択性反射素子と、(b-5) 前記第１半導体光増幅器から出力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３波長選択性反射素子と、(b-6) 前記ループ状光ファイバ内の反時計方向光の一部を取り出して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させるとともに、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力光を該ループ状光ファイバ内へ時計方向光として入射させる光カプラとを、含み、前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部が第１波長選択性反射素子および第２波長選択性反射素子により反射されて第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器に再度入力されることから、小型の３端子の光信号増幅装置が得られるるとともに、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器の利得を入力光信号に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光および反時計方向光の波形の歪みがそれぞれ低減される。これにより、時計方向光および反時計方向光の変調度が高めれるので、それらの周波数差により発生するビート信号のピークもシャープに得られ、そのビート信号の解析から得られるビート周波数およびそのビート周波数から得られる回転角速度の精度が十分に得られる。
【００２３】
また、請求項７に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記第１波長選択性反射素子は、該第１半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の一方に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１光ファイバグレーティング部であり、前記第２波長選択性反射素子は、該第２半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の他方に設けられ、前記第２半導体光増幅器から放射される第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２光ファイバグレーティング部であることから、第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器とループ状光ファイバの両端部との間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００２４】
また、請求項８に係る発明の光ファイバジャイロによれば、請求項７に記載の光ファイバジャイロにおいて、(e) 前記ループ状光ファイバの前記第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部の端面に先球レンズがそれぞれ備えられ、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることから、第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器とループ状光ファイバの第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部との間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００２５】
また、請求項９に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部および第２分岐ファイバ部と、該第１分岐ファイバおよび第２分岐ファイバが溶融延伸されて前記光カプラに結合された共通ファイバ部とを備えたＹ字型ファイバを含み、前記第３波長選択性反射素子は、該共通ファイバ部に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部であることから、小型の３端子の光信号増幅装置を光ファイバジャイロに適用可能となる。
【００２６】
また、請求項１０に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることから、光信号増幅装置が一層小型化されて１チップ化が可能となるとともに、特に量子井戸、量子ドットから活性層が構成される場合には、１０ＧＨｚオーダの高周波数領域において信号増幅が可能となって前記時計方向光および反時計方向光の周波数が高められるので、そのビート周波数から得られる回転角速度の精度が一層高められる。
【００２７】
また、請求項１１に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことから、構造が簡単で、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる図面において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。また、言うまでもないが、後述の光ファイバ、光カプラ、光ファイバグレーティング部等の光学素子は可逆性を有している。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の一実施例の光ファイバジャイロ１０の構成を示す図である。光ファイバジャイロ１０は、円環状に形成されたループ状光ファイバ１２と、そのループ状光ファイバ１２の所定位置に光学的結合状態で介挿され、ループ状光ファイバ１２内を双方向で周回する一対の時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw を増幅する光信号増幅装置１４と、そのループ状光ファイバ１２の光信号増幅装置１４とは異なる所定位置に設けられてループ状光ファイバ１２内にその光ファイバ１２の時計方向に案内されて伝播する波長λ１の時計方向光Ｌcwの一部および波長λ１の反時計方向に伝播する反時計方向光Ｌccw の一部たとえば１％程度をそれぞれ取り出す双方向光取出用の光カプラ１６と、その光カプラ１６により取り出され且つ一対の伝送用光ファイバ１８を介して伝送された時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向に伝播する反時計方向光Ｌccw の一部を相互に合波し、合波光すなわち周波数差Δｆにより形成されるビート光Ｌb を出力する光合波器２０と、その光合波器２０からのビート光を受けて電気信号であるビート信号ＳＢに変換して出力する光検出器２２と、その光検出器２０から出力されたビート信号ＳＢを周波数解析してそのビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp を出力する周波数解析部２４と、予め記憶された関係からその周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp に基づいてループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出する回転角速度算出部２６とを備えている。
【００３０】
上記ループ状光ファイバ１２は、たとえば１ｍ程度の径の円環状に形成されて光ファイバジャイロ１０の図示しないフレーム或いはケースに固定されている。そのループ状光ファイバ１２および上記伝送用光ファイバ１８は、たとえば図２に示すような、１．４程度の屈折率を有するコア１２c および１８c を芯に備えるクラッド型或いはセルホック型の光ファイバである。この図２には、上記光カプラ１６の構成例が示されている。光カプラ１６は、ループ状光ファイバ１２および伝送用光ファイバ１８のコア１２c および１８c を１％程度の光が相互に漏れるように所定長だけ相互に接する状態でループ状光ファイバ１２および伝送用光ファイバ１８を保持する保持器２８を備え、ループ状光ファイバ１２および伝送用光ファイバ１８を相互に光学的に結合させている。
【００３１】
上記光合波器２０は、一対の伝送用光ファイバ１８の端部をたとえば溶融延伸させることにより、それら一対の伝送用光ファイバ１８によりそれぞれ伝送された時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向に伝播する反時計方向光Ｌccw の一部を、たとえば１対１の割合で相互に合波する。この合波光は、ループ状光ファイバ１２内において定常的に周回させられている時計方向光Ｌcwの周波数ｆcwと反時計方向光Ｌccw の周波数ｆccw との間で周波数差Δｆ( ＝ｆcw−ｆccw ) が発生すると、その周波数差Δｆと同じ値のビート周波数ｆb を有するビート光Ｌb となる。光検出器２０は、よく知られたホトセル、ホトトランジスタなどのホトセンサと２乗検波回路とを備えており、ビート光Ｌb を受けてその脈動を表すビート信号ＳＢを出力する。
【００３２】
上記周波数解析部２４は、たとえばマイクロコンピュータなどの演算手段を備えており、その演算手段が、フィーリエ変換を用いて入力信号がどのような周波数の正弦波の重ね合わせであるかに基づいて良く知られた入力信号の周波数特性の解析を実行し、入力信号のピーク周波数すなわちビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp を出力する。回転角速度算出部２６は、たとえばマイクロコンピュータなどの演算手段を備えており、その演算手段が、たとえば図３に示す予め記憶された関係からその周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢのビート周波数ｆb すなわち時計方向光Ｌcwの周波数ｆcwと反時計方向光Ｌccw の周波数ｆccw との間の周波数差Δｆに基づいて、ループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出する。
【００３３】
上記のように構成されている光ファイバジャイロ１０の測定原理を以下に説明する。ループ状光ファイバ１２内において光信号増幅装置１４による双方向の光増幅作用を受けて定常的に一定の強度で周回させられている時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の( 電界) 強度ＩcwおよびＩccw は、次式 (１）および (２）により表される。ａcwおよびａccw は振幅を示し、φcwおよびφccw は位相を示す。時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw を合波( 重ね合わせ) すると、光検出器２０により検出される合波光の強度Ｉは、次式に示すように、各光の強度( 電界強度) の加算値の二乗となるので、次式 (３）により表される。式 (３）において、Δ＝φcw−φccw である。
【００３４】
Ｉcw＝ａcw・cos( 2πｆcwｔ＋φcw) ・・・ (１）
Ｉccw ＝ａccw ・cos( 2πｆccw ｔ＋φccw) ・・・ (２）
Ｉ＝ (Ｉcw＋Ｉccw)2
＝ (ａcw2 ＋ａccw2) /2＋ 2ａcwａccw ・cos( 2πｆb ｔ＋Δ) ・・ (３）
【００３５】
上記 (３）式から、合波光の強度Ｉの直流成分は (ａcw2 ＋ａccw2) /2であり、交流成分は、 2ａcwａccw ・cos( 2πｆb ｔ＋Δ) であるので、前記光検出器２０は、ビート光Ｌb を受けてその２乗検波を行うことにより上記合波光の強度Ｉのうちの交流成分を抽出し、その交流成分であるビート信号ＳＢを出力する。このビート信号ＳＢのビート周波数ｆb は、以下の理論式 (４）から説明される。 (４）式において、Ａはループ状光ファイバ１２により囲まれた面積、ｎはループ状光ファイバ１２の屈折率、λ１は時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波長、Ｐは時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw のパス長さ( 光路長) 、ωはループ状光ファイバ１２の回転角速度である。
【００３６】
ｆb ＝（４Ａ／（ｎ・λ１・Ｐ））ω ・・・ (４）
【００３７】
上記ビート信号ＳＢの周波数ｆb とビート信号ＳＢのパワーＷb とを示す関係は、ループ状光ファイバ１２の回転角速度毎に、たとえば図４に示す如くとなる。図４では、ループ状光ファイバ１２の回転角速度が秒速１０°( １０°／ｓ）、秒速３０°( ３０°／ｓ）、秒速５０°( ５０°／ｓ）、秒速７０°( ７０°／ｓ）、秒速９０°( ９０°／ｓ）である場合についての特性が、それぞれ示されている。各ビート信号ＳＢにはそれぞれパワーのピークＰが形成されており、そのピークＰが形成されたときの周波数がビート信号ＳＢのビート周波数ｆb として特定されるものである。図４から明らかなように、ループ状光ファイバ１２の回転角速度が高くなるほどビート周波数ｆb が高くなる。図３は、このような関係に基づいて予め設定されたものである。したがって、回転角速度算出部２６は、その図３に示す予め記憶された関係からその周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢのビート周波数ｆb すなわち時計方向光Ｌcwの周波数ｆcwと反時計方向光Ｌccw の周波数ｆccw との間の周波数差Δｆに基づいて、ループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出することができるのである。
【００３８】
本実施例の光信号増幅装置１４は、たとえば図５に示すように、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａと他端部１２ｂとの間に光学的にそれぞれ結合された半導体光増幅器３０と、上記一端部１２ａおよび他端部１２ｂの一方( 本実施例では一端部１２ａ) に形成された光ファイバグレーティング部３２とをケース３４内に備えている。半導体光増幅器３０は、上記一端部１２ａから端面３０ｇに入力された時計方向光Ｌcwおよび他端部１２ｂから端面３０ｈに入力された反時計方向光Ｌccw を増幅して端面３０ｈおよび端面３０ｇから出力するとともに、上記一端部１２ａおよび他端部１２ｂから時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw ( 入力光) の強度に応じてその入力光の波長λ１以外の光すなわち波長λ１の周囲光( 自然発生光) の光強度増幅特性が変調され、その入力光を増幅した光と、その入力光の強度に対して強度反転したその波長λ１以外の光（周囲光）とをそれぞれ出力する。上記入力光を増幅した出力光は、入力光の振幅が増強された同位相の光であり、入射端面とは反対側の出射端面から出力される。これに対して、上記入力光の強度に対して強度反転したその波長λ１以外の光（周囲光）は、その入力光に対して反転した位相を有し、両端面から出力される。上記光ファイバグレーティング部３２は、その周囲光を反射して半導体光増幅器３０に再入力させ、その半導体光増幅器３０に比較的低いが極めて安定した増幅率で負帰還光増幅作用を発生させる。
【００３９】
上記半導体光増幅器３０は、たとえば図６に示すチップ状の素子から構成されており、化合物半導体たとえばインジウム燐ＩｎＰから構成される半導体基板３０ａと、その上にエピタキシャル成長させられたIII-V 族混晶半導体から成り、ホトリソグラフィーにより所定幅に形成された相対的に屈折率の高い多層膜から成る光導波路３０ｂと、その光導波路３０ｂ内の多層膜の一部を構成するｐｎ接合であって、バルク、多重量子井戸、歪み超格子、量子ドットのいずれかから構成された活性層３０ｃと、光導波路３０ｂの上面に固着された上部電極３０ｅと、半導体基板３０ａの下面に固着された下部電極３０ｆとを、備えている。上部電極３０ｅと下部電極３０ｆとの間に注入電流が流される状態では、所定波長λ１の入力光Ｌが入射されて上記光導波路３０ｂ内を伝播させられる過程で活性層３０ｃを通過させられるとき、誘導放射作用による光増幅を受け、出力される。同時に、所謂相互利得変調作用により、波長λ１を除くその波長λ１以外の周囲波長を有してその入力光の強度変調に反比例して強度が増減する周囲光( 自然発生光) が発生させられて、これも出力される。なお、上記注入電流が流された当初は、半導体光増幅器３０内において活性層３０ｃでのエネルギギャップに応じた所定の波長帯の自然放出光が発生し、これがループ状光ファイバ１２内を周回するうちに安定化し所定の波長λ１に集約される。工業的には、その波長λ１が容易に集約されるようにフィルタなどが用いられる。
【００４０】
上記活性層３０ｃが多重井戸から構成される場合は、たとえば、半導体基板３０ａからエピタキシャル成長させられることにより格子整合された１００ｎｍ程度の６対のＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＰにより構成され、その活性層３０ｃの上には、組成( 屈折率）が段階的に変化させられたグリン( ＧＲＩＮ）構造のガイド層( ２０００Å) が順次設けられる。この活性層３０ｃのデバイス長は、たとえば６００μｍ程度である。
【００４１】
図５に戻って、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａおよび他端部１２ｂの端面には、凸レンズとして機能する先球レンズＲをそれぞれ備えており、時計方向光Ｌcwがループ状光ファイバ１２の一端部１２ａから半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇへ直接入力されて増幅された時計方向光Ｌcwが他方の端面３０ｈからループ状光ファイバ１２の他端１２ｂへ直接出力されるとともに、反時計方向光Ｌccw がループ状光ファイバ１２の他端部１２ｂから半導体光増幅器３０の他方の端面３０ｈへ直接入力されて増幅された反時計方向光Ｌccw が一方の端面３０ｇからループ状光ファイバ１２の一端部１２ａへ直接出力されるようになっている。すなわち、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａと半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇとの間、および、半導体光増幅器３０の他方の端面３０ｈとループ状光ファイバ１２の他端部１２ｂとの間は、光学的に直接結合されている。
【００４２】
ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａに形成された光ファイバグレーティング部３２は、半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇからループ状光ファイバ１２の一端部１２ａ側へ放射される周囲光を反射して半導体光増幅器３０へ再入力させることにより負帰還光増幅作用を発生させ、その半導体光増幅器３０の応答性能を高め、出力光のノイズを低減して波形歪みを低減し変調度を高める。この光ファイバグレーティング部３２は、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光は通過させるが、その波長λ１の光以外の周囲波長を有する周囲光( 自然発生光) を反射する波長選択性反射素子である。半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇと光ファイバグレーティング部３２の端面との間の間隔すなわち光路長Ｌは、効率を低下させず、且つ時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形が影響を受けないように設定されている。
【００４３】
上記ループ状光ファイバ１２は、たとえばゲルマニウムＧｅを添加した石英ＳｉＯ2 から成る略円柱形状のコア１２ｃと、そのコア１２ｃよりも屈折率が低く且つそれの外周面を覆う略円筒形状の石英ＳｉＯ2 であるグラッド１２ｄとによって構成された光ファイバである。光ファイバグレーティング部３２は、たとえば図７に示すように、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａ内のコア１２ｃに、位相マスクなどを利用し、紫外線照射による光誘起屈折率変化による、代表的には１００００層乃至２００００層程度の周期的な屈折率変化が、そのループ状光ファイバ１２の一端部１２ａ内の伝播方向に１群または複数群で形成されることにより構成されている。上記屈折率変化は等周期とされる場合もあるが、チャープ状に周期が順次変化させられるものであってもよい。この光ファイバグレーティング部３２は、その屈折率の周期と実効屈折率に対応した波長の光を選択的に反射する特性を有し、たとえば１５５１ｎｍを中心とする波長λ１の光は透過させるが、波長λ１とは異なる少なくとも３ｎｍ以上たとえば６．５ｎｍ程度の帯域幅を有する波長の光（周囲光）を反射する波長選択性フィルタとして機能している。図８は、上記光ファイバグレーティング部３２によって選択的に通過させられる、増幅後の入力光( 時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw ) のス ペクトルを示し、図９は、上記光ファイバグレーティング部３２によって選択的に反射される、周囲光のスペクトルを示している。
【００４４】
なお、図９には、波長λ１の両側の波長帯を含む周囲光が示されているが、上記光ファイバグレーティング部３２の反射特性は、その周囲光のうちの一部、たとえば波長λ１に対してそれより片側の波長帯またはその一部を反射するものであってもよい。
【００４５】
上述のように、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、光信号増幅装置１４が、(b-1) 前記時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw が入力されるとその時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw をそれぞれ増幅して出力すると共に、その時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の強度に対して強度反転した該時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光を放射する半導体光増幅器３０と、(b-2) その半導体光増幅器３０から放射される時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光の全部または一部を反射してその半導体光増幅器３０へ入射させる波長選択性反射素子( 光ファイバグレーティング部３２) とを含み、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光の全部または一部が光ファイバグレーティング部３２により反射されて半導体光増幅器３０に再度入力されることから、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器３０の利得を入力光に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形の歪みやノイズが低減される。これにより、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の変調度が高めれるので、それらの周波数差Δｆにより発生するビート信号ＳＢのピークＰもシャープに得られ、そのビート信号ＳＢの解析から得られるビート周波数ｆb およびそのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が十分に得られる。
【００４６】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、波長選択性反射素子として、半導体光増幅器３０に光学的に結合されたループ状光ファイバ１２の一端部１２ａおよび他端部１２ｂの一方( 一端部１２ａ) に設けられ、半導体光増幅器３０から放射される光のうち時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光の全部または一部を反射してその半導体光増幅器３０へ入射させる光ファイバグレーティング部３２が用いられていることから、半導体光増幅器３０とループ状光ファイバ１２の一端部１２ａとの間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００４７】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２の光ファイバグレーティング部３２が設けられた一端部１２ａの端面に先球レンズＲが備えられ、半導体光増幅器３０からの出力光は、その先球レンズＲに直接入射されることから、半導体光増幅器３０とループ状光ファイバ１２の一端部１２ａとの間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００４８】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、半導体光増幅器３０は、ｐｎ接合から成る活性層３０ｃを備えるものであって、その活性層３０ｃがバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることから、光信号増幅装置が一層小型化されて１チップ化が可能となるとともに、特に量子井戸、量子ドットから活性層が構成される場合には、１０ＧＨｚオーダの高周波数領域において信号増幅が可能となって前記時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の周波数が高められるので、そのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が一層高められる。
【００４９】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２に設けられ、そのループ状光ファイバ１２内を伝播する時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向光Ｌccw の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラ１６と、その双方向光取出用カプラ１６によりループ状光ファイバ１２内から取り出された時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向光Ｌccw の一部を相互に合波し、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の相互間に発生する周波数差Δｆに起因するビート光Ｌb を出力する光合波器２０と、該光合波器２０により合波されたビート光Ｌb を電気信号であるビート信号ＳＢに変換する光検出器２２と、その光検出器２２により変換されたビート信号ＳＢに含まれるビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp を解析して出力する周波数解析部２４と、図３に示す予め記憶された関係から周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢの周波数ｆp に基づいてループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出する回転角速度算出部２６とを、含むことから、構造が簡単で、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロ１０を得ることができる。
【実施例２】
【００５０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において実施例相互に共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図１０に示される実施例の光ファイバジャイロ１０では、前述の実施例の光信号増幅装置１４に替えて、３端子光信号増幅器が適用された光信号増幅装置４０が用いられているが、他の点は同様に構成されている。以下において、その光信号増幅装置４０を説明する。
【００５２】
光信号増幅装置４０は、時計方向光Ｌcwが一方の端面４２ｇに入力されると、その時計方向光Ｌcwを増幅して他方の端面４２ｈから出力すると共に、その時計方向光Ｌcwの強度に対して強度反転した時計方向光の波長λ１以外の第１周囲光を双方向へ放射する第１半導体光増幅器４２と、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａに設けられ、波長λ１の光を通過させるが、第１半導体光増幅器４２から一方の端面４２ｇ側へ放射される第１周囲光の全部または一部を反射して第１半導体光増幅器４２へ再入力させて負帰還光増幅作用を発生させる第１光ファイバグレーティング部( 第１波長選択性反射素子) ４４と、反時計方向光Ｌccw が一方の端面４６ｇに入力されると、その反時計方向光Ｌccw を増幅して他方の端面４6 ｈから出力すると共に、その反時計方向光Ｌccw の強度に対して強度反転した反時計方向光Ｌccw の波長λ１以外の第２周囲光を双方向へ放射する第２半導体光増幅器４６と、ループ状光ファイバ１２の他端部１２ｂに設けられ、波長λ１の光を通過させるが、その第２半導体光増幅器４６から一方の端面４６ｇ側へ放射される第２周囲光の全部または一部を反射して第２半導体光増幅器４６へ再入力させて負帰還光増幅作用を発生させる第２光ファイバグレーティング部( 第２波長選択性反射素子) ４８とを、備えている。上記第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６は前述の半導体光増幅器３０と同様に構成されている。また、上記第１光ファイバグレーティング部４４および第２光ファイバグレーティング部４８は前述の光ファイバグレーティング部３２と同様に構成されている。また、上記ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａおよび他端部１２ｂは、前述の実施例と同様に、その端面に先球レンズＲが設けられ、第１半導体光増幅器４２の一方の端面４２ｇ側および第２半導体光増幅器４６の一方の端面４６ｇ側と、光学的に直接結合されている。
【００５３】
また、上記光信号増幅装置４０は、ループ状光ファイバ１２に介挿されてそのループ状光ファイバ１２内を伝播する時計方向光Ｌcwまたは反時計方向光Ｌccw の一部の光たとえば数％乃至数十％の光を取り出す光カプラ５０と、先球レンズＲをそれぞれ備え、第１半導体光増幅器４２の他方の端面４２ｈ側および第２半導体光増幅器４６の他方の端面４６ｈ側と光学的に直接結合する一対の第１分岐ファイバ部５２および第２分岐ファイバ部５４と、それら第１分岐ファイバ５２および第２分岐ファイバ５４が溶融延伸されて光カプラ５０に結合された共通ファイバ部５６とを備えたＹ字型ファイバ５８と、その共通ファイバ部５６に設けられ、波長λ１の光を通過させるが、第１半導体光増幅器４２から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して第２半導体光増幅器４６の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部６０とを、備えている。
【００５４】
以上のように構成された光信号増幅装置４０を有する光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２を周回する時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw が、周囲光の再入力により負帰還増幅作用を有する第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６による双方向の光増幅作用を受けて比較的高い強度で定常的に伝播させられるので、前述の実施例と同様に、ループ状光ファイバ１２の回転角速度ωが検出される。
【００５５】
このとき、光信号増幅装置４０内において、時計方向光Ｌcwは、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａから第１半導体光増幅器４２を通過する過程で第１光ファイバグレーティング部４４および第３光ファイバグレーティング部６０からの周囲光の再入力による負帰還増幅された後、第１分岐ファイバ５２および共通ファイバ部５６と光カプラ５０とを経て、ループ状光ファイバ１２へ戻される。同時に、光カプラ５０から取り出された反時計方向光Ｌccw の一部は、第２分岐ファイバ部５４から第２半導体光増幅器４６へ入射され、この第２半導体光増幅器４６を通過する過程で第２光ファイバグレーティング部４６および第３光ファイバグレーティング部６０からの周囲光の再入力による負帰還増幅された後、時計方向光Ｌcwとして第２半導体光増幅器４６からループ状光ファイバ１２の端部１２ｂへ戻される。
【００５６】
また、光信号増幅装置４０内において、上記光カプラ５０から取り出された反時計方向光Ｌccw の他部は、第１分岐ファイバ５２を経て第１半導体光増幅器４２において負帰還増幅を受けた後、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａへ戻される。また、光カプラ５０を通過してループ状光ファイバ１２の端部１２ｂに到達した反時計方向光Ｌccw は、第２半導体光増幅器４６を通過する過程で負帰還増幅を受けた後、第２分岐ファイバ５４および共通ファイバ部５６と光カプラ５０とを経て、時計方向光Ｌcwとしてループ状光ファイバ１２へ戻される。このような作用の結果として、図１１に示す特性が得られる。
【００５７】
本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波長λ１以外の周囲光の全部または一部が第１光ファイバグレーティング部４４( 第１波長選択性反射素子) および第２光ファイバグレーティング部４８( 第２波長選択性反射素子) により反射されて第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６に再度入力されることから、小型の３端子の光信号増幅装置が得られるるとともに、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器４２および４６の利得を入力光信号に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形の歪みがそれぞれ低減される。これにより、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw のノイズが低減されるとともに変調度が高めれるので、それらの周波数差Δf により発生するビート信号ＳＢのピークもシャープに得られ、そのビート信号ＳＢの解析から得られるビート周波数ｆb およびそのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が十分に得られる。
【００５８】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、第１波長選択性反射素子として、第１半導体光増幅器４２に光学的に結合されたループ状光ファイバ１２の一端部１２ａに設けられ、第１半導体光増幅器４２から放射される第１周囲光の全部または一部を反射してその第１半導体光増幅器４２へ入射させる第１光ファイバグレーティング部４４が用いられ、第２波長選択性反射素子として、第２半導体光増幅器４６に光学的に結合されたループ状光ファイバ１２の他端部に設けられ、第２半導体光増幅器４６から放射される第２周囲光の全部または一部を反射してその第２半導体光増幅器４６へ入射させる第２光ファイバグレーティング部４８が用いられていることから、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６とループ状光ファイバ１２の両端部１２ａおよび１２ｂとの間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００５９】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２の第１光ファイバグレーティング部４４および第２光ファイバグレーティング部４８が設けられた両端部１２ａおよび１２ｂの端面に先球レンズＲがそれぞれ備えられ、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６からの出力光は、その先球レンズＲに直接入射されることから、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６とループ状光ファイバ１２の第１光ファイバグレーティング部４４および第２光ファイバグレーティング部４８が設けられた両端部１２ａおよび１２ｂとの間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００６０】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部５２および第２分岐ファイバ部５４と、それら第１分岐ファイバ５２および第２分岐ファイバ５４が溶融延伸されて前記光カプラ５０に結合された共通ファイバ部５６とを備えたＹ字型ファイバ５８を含み、第３波長選択性反射素子として、その共通ファイバ部５６に設けられ、第１半導体光増幅器４２から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して第２半導体光増幅器４６の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部６０が用いられていることから、小型の３端子の光信号増幅装置を光ファイバジャイロ１０に適用可能となる。
【００６１】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００６２】
たとえば、前述の図５に示す実施例において、光ファイバグレーティング部３２は、半導体光増幅器３０と別体に構成されていたが、その半導体光増幅器３０の光導波路３０ｂに構成されることにより半導体光増幅器３０と一体に構成されてもよい。
【００６３】
また、前述の図５に示す実施例では、波長選択性反射素子として機能する光ファイバグレーティング部３２がループ状光ファイバ１２の端部１２ａに設けられていたが、それに替えて、波長選択性反射素子として機能する波長選択性ミラーが、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａと半導体光増幅器３０との間に設けられてもよい。この場合には、たとえば一対の凸レンズとその一対の凸レンズ間に介挿された波長選択性ミラーとを介して、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａと半導体光増幅器３０との間が光学的に結合される。
【００６４】
また、前述の図５の実施例において、波長選択性反射素子として機能する光ファイバグレーティング部３２がループ状光ファイバ１２の端部１２ａに設けられていたが、その光ファイバグレーティング部３２は、半導体光増幅器３０に対して反対側に位置するループ状光ファイバ１２の端部１２ｂに設けられていてもよい。また、波長選択性反射素子として機能する光ファイバグレーティング部がループ状光ファイバ１２の端部１２ａおよび端部１２ｂの両方に設けられていてもよい。
【００６５】
その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施例の光信号増幅装置が適用された光ファイバジャイロの基本的な構成を説明する略図である。
【図２】図１の光ファイバジャイロに用いられる双方向光取出用の光カプラの構成を説明する図である。
【図３】図１の回転角速度算出部により用いられる予め記憶された関係の一例を示す図である。
【図４】図１の光ファイバジャイロにおいて発生するビート信号とその光ファイバジャイロに設けられたループ状光ファイバの回転角速度との関係を示す図である。
【図５】図１の光信号増幅装置の要部構成を説明する略図である。
【図６】図５の光信号増幅装置に備えられる半導体光増幅器の一例を示す斜視図である。
【図７】図５の光信号増幅装置に備えられる光ファイバグレーティング部の構成を説明する図である。
【図８】図７の光ファイバグレーティング部の透過特性を示す図である。
【図９】図７の光ファイバグレーティング部の反射特性を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施例の光信号増幅装置の構成を説明する図である。
【図１１】図１０の実施例における光信号増幅装置の特性を説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０：光ファイバジャイロ
１４、４０：光信号増幅装置
１２：ループ状光ファイバ( 波長選択性反射素子)
１６：光カプラ( 双方向光取出用光カプラ)
２６：回転角速度算出部
３０：半導体光増幅器
３２：光ファイバグレーティング部
４２：第１半導体光増幅器
４４：第１光ファイバグレーティング部( 第１波長選択性反射素子)
４６：第２半導体光増幅器
４８：第２光ファイバグレーティング部( 第２波長選択性反射素子)
５０：光カプラ
Ｒ：先球レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいてそのループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロに関し、回転角速度を検出精度を高める技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ループ状光ファイバと、そのループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されてそのループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、そのループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいてそのループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロが知られている。たとえば、特許文献１に記載された光ファイバジャイロがそれである。
【０００３】
この光ファイバジャイロによれば、ループ状光ファイバ内において時計方向および反時計方向にそれぞれ伝播するレーザ光を増幅するために多くの光結合器すなわち光カプラを設け、その光結合器を介して増幅光によってレーザ光を増幅する従来のブリリアン型光ファイバジャイロなどに比較して、光ファイバジャイロの構造が簡単となる利点がある。
【特許文献１】特開２００１−７１６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記光ファイバジャイロでは、予め設定されたビート周波数と回転角速度との関係から、そのループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因して発生するビート信号の周波数に基づいて回転角速度が算出される。しかしながら、上記ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光は、比較的揃った波長の定常状態ではあるものの光共振器で発振させられたような一定の波長ではなく、変調度が十分に高くないので、それらの周波数差により発生するビート信号のピークもシャープに得られず、そのビート信号の解析から得られるビート周波数およびそのビート周波数から得られる回転角速度の精度が十分に得られない場合があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、構造が簡単であり、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、前記目的を達成するための請求項１にかかる発明は、(a) ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、(b) 前記光信号増幅装置は、(b-1) 前記時計方向光および反時計方向光が入力されると該時計方向光および反時計方向光をそれぞれ増幅して出力すると共に、該時計方向光および反時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光を放射する半導体光増幅器と、(b-2) 前記半導体光増幅器から放射される前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる波長選択性反射素子とを、含むことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光ファイバジャイロにおいて、(c) 前記波長選択性反射素子は、該半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の少なくとも一方に設けられ、前記半導体光増幅器から放射される光のうち前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる光ファイバグレーティング部であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光ファイバジャイロにおいて、(d) 前記ループ状光ファイバの前記光ファイバグレーティング部が設けられた端部の端面に先球レンズが備えられ、前記半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１に記載の光ファイバジャイロにおいて、(e) 前記半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(f) 前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、(g) 該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、(h) 該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、(i) 該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、(j) 予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に係る発明は、(a) ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、(b) 前記光信号増幅装置は、(b-1) 前記時計方向光が入力されると、該時計方向光を増幅して出力すると共に、該時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光の波長以外の第１周囲光を放射する第１半導体光増幅器と、(b-2) 該第１半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１波長選択性反射素子と、(b-3) 前記反時計方向光が入力されると、該反時計方向光を増幅して出力すると共に、該反時計方向光の強度に対して強度反転した該反時計方向光の波長以外の第２周囲光を放射する第２半導体光増幅器と、(b-4) 該第２半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２波長選択性反射素子と、(b-5) 前記第１半導体光増幅器から出力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３波長選択性反射素子と、(b-6) 前記ループ状光ファイバ内の反時計方向光の一部を取り出して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させるとともに、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力光を該ループ状光ファイバ内へ時計方向光として入射させる光カプラとを、含むことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載の光ファイバジャイロにおいて、(c) 前記第１波長選択性反射素子は、該第１半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の一方に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１光ファイバグレーティング部であり、(d) 前記第２波長選択性反射素子は、該第２半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の他方に設けられ、前記第２半導体光増幅器から放射される第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２光ファイバグレーティング部であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項８に係る発明は、請求項７に記載の光ファイバジャイロにおいて、(e) 前記ループ状光ファイバの前記第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部の端面に先球レンズがそれぞれ備えられ、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項９に係る発明は、請求項６乃至８のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(f) 前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部および第２分岐ファイバ部と、該第１分岐ファイバおよび第２分岐ファイバが溶融延伸されて前記光カプラに結合された共通ファイバ部とを備えたＹ字型ファイバを含み、(g) 前記第３波長選択性反射素子は、該共通ファイバ部に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項１０に係る発明は、請求項６乃至９のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(h) 前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１１に係る発明は、請求項６乃至１０のいずれか１の光ファイバジャイロにおいて、(i) 前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、(j) 該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、(k) 該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、(l) 該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、(m) 予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１にかかる発明の光ファイバジャイロによれば、光信号増幅装置が、(b-1) 前記時計方向光および反時計方向光が入力されると該時計方向光および反時計方向光をそれぞれ増幅して出力すると共に、該時計方向光および反時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光を放射する半導体光増幅器と、(b-2) 前記半導体光増幅器から放射される前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる波長選択性反射素子とを含み、前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部が波長選択性反射素子により反射されて半導体光増幅器に再度入力されることから、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器の利得を入力光信号に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光および反時計方向光の波形の歪みが低減される。これにより、時計方向光および反時計方向光の変調度が高めれるので、それらの周波数差により発生するビート信号のピークもシャープに得られ、そのビート信号の解析から得られるビート周波数およびそのビート周波数から得られる回転角速度の精度が十分に得られる。
【００１８】
また、請求項２に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記波長選択性反射素子は、該半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の少なくとも一方に設けられ、前記半導体光増幅器から放射される光のうち前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる光ファイバグレーティング部であることから、半導体光増幅器とループ状光ファイバの端部との間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００１９】
また、請求項３に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記ループ状光ファイバの前記光ファイバグレーティング部が設けられた端部の端面に先球レンズが備えられ、前記半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることから、半導体光増幅器とループ状光ファイバの端部との間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００２０】
また、請求項４に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることから、光信号増幅装置が一層小型化されて１チップ化が可能となるとともに、特に量子井戸、量子ドットから活性層が構成される場合には、１０ＧＨｚオーダの高周波数領域において信号増幅が可能となって前記時計方向光および反時計方向光の周波数が高められるので、そのビート周波数から得られる回転角速度の精度が一層高められる。
【００２１】
また、請求項５に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことから、構造が簡単で、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロを得ることができる。
【００２２】
また、請求項６に係る発明の光ファイバジャイロによれば、光信号増幅装置は、(b-1) 前記時計方向光が入力されると、該時計方向光を増幅して出力すると共に、該時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光の波長以外の第１周囲光を放射する第１半導体光増幅器と、(b-2) 該第１半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１波長選択性反射素子と、(b-3) 前記反時計方向光が入力されると、該反時計方向光を増幅して出力すると共に、該反時計方向光の強度に対して強度反転した該反時計方向光の波長以外の第２周囲光を放射する第２半導体光増幅器と、(b-4) 該第２半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２波長選択性反射素子と、(b-5) 前記第１半導体光増幅器から出力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３波長選択性反射素子と、(b-6) 前記ループ状光ファイバ内の反時計方向光の一部を取り出して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させるとともに、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力光を該ループ状光ファイバ内へ時計方向光として入射させる光カプラとを、含み、前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部が第１波長選択性反射素子および第２波長選択性反射素子により反射されて第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器に再度入力されることから、小型の３端子の光信号増幅装置が得られるるとともに、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器の利得を入力光信号に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光および反時計方向光の波形の歪みがそれぞれ低減される。これにより、時計方向光および反時計方向光の変調度が高めれるので、それらの周波数差により発生するビート信号のピークもシャープに得られ、そのビート信号の解析から得られるビート周波数およびそのビート周波数から得られる回転角速度の精度が十分に得られる。
【００２３】
また、請求項７に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記第１波長選択性反射素子は、該第１半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の一方に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１光ファイバグレーティング部であり、前記第２波長選択性反射素子は、該第２半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の他方に設けられ、前記第２半導体光増幅器から放射される第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２光ファイバグレーティング部であることから、第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器とループ状光ファイバの両端部との間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００２４】
また、請求項８に係る発明の光ファイバジャイロによれば、請求項７に記載の光ファイバジャイロにおいて、(e) 前記ループ状光ファイバの前記第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部の端面に先球レンズがそれぞれ備えられ、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることから、第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器とループ状光ファイバの第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部との間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００２５】
また、請求項９に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部および第２分岐ファイバ部と、該第１分岐ファイバおよび第２分岐ファイバが溶融延伸されて前記光カプラに結合された共通ファイバ部とを備えたＹ字型ファイバを含み、前記第３波長選択性反射素子は、該共通ファイバ部に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部であることから、小型の３端子の光信号増幅装置を光ファイバジャイロに適用可能となる。
【００２６】
また、請求項１０に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることから、光信号増幅装置が一層小型化されて１チップ化が可能となるとともに、特に量子井戸、量子ドットから活性層が構成される場合には、１０ＧＨｚオーダの高周波数領域において信号増幅が可能となって前記時計方向光および反時計方向光の周波数が高められるので、そのビート周波数から得られる回転角速度の精度が一層高められる。
【００２７】
また、請求項１１に係る発明の光ファイバジャイロによれば、前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、含むことから、構造が簡単で、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる図面において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。また、言うまでもないが、後述の光ファイバ、光カプラ、光ファイバグレーティング部等の光学素子は可逆性を有している。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の一実施例の光ファイバジャイロ１０の構成を示す図である。光ファイバジャイロ１０は、円環状に形成されたループ状光ファイバ１２と、そのループ状光ファイバ１２の所定位置に光学的結合状態で介挿され、ループ状光ファイバ１２内を双方向で周回する一対の時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw を増幅する光信号増幅装置１４と、そのループ状光ファイバ１２の光信号増幅装置１４とは異なる所定位置に設けられてループ状光ファイバ１２内にその光ファイバ１２の時計方向に案内されて伝播する波長λ１の時計方向光Ｌcwの一部および波長λ１の反時計方向に伝播する反時計方向光Ｌccw の一部たとえば１％程度をそれぞれ取り出す双方向光取出用の光カプラ１６と、その光カプラ１６により取り出され且つ一対の伝送用光ファイバ１８を介して伝送された時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向に伝播する反時計方向光Ｌccw の一部を相互に合波し、合波光すなわち周波数差Δｆにより形成されるビート光Ｌb を出力する光合波器２０と、その光合波器２０からのビート光を受けて電気信号であるビート信号ＳＢに変換して出力する光検出器２２と、その光検出器２０から出力されたビート信号ＳＢを周波数解析してそのビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp を出力する周波数解析部２４と、予め記憶された関係からその周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp に基づいてループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出する回転角速度算出部２６とを備えている。
【００３０】
上記ループ状光ファイバ１２は、たとえば１ｍ程度の径の円環状に形成されて光ファイバジャイロ１０の図示しないフレーム或いはケースに固定されている。そのループ状光ファイバ１２および上記伝送用光ファイバ１８は、たとえば図２に示すような、１．４程度の屈折率を有するコア１２c および１８c を芯に備えるクラッド型或いはセルホック型の光ファイバである。この図２には、上記光カプラ１６の構成例が示されている。光カプラ１６は、ループ状光ファイバ１２および伝送用光ファイバ１８のコア１２c および１８c を１％程度の光が相互に漏れるように所定長だけ相互に接する状態でループ状光ファイバ１２および伝送用光ファイバ１８を保持する保持器２８を備え、ループ状光ファイバ１２および伝送用光ファイバ１８を相互に光学的に結合させている。
【００３１】
上記光合波器２０は、一対の伝送用光ファイバ１８の端部をたとえば溶融延伸させることにより、それら一対の伝送用光ファイバ１８によりそれぞれ伝送された時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向に伝播する反時計方向光Ｌccw の一部を、たとえば１対１の割合で相互に合波する。この合波光は、ループ状光ファイバ１２内において定常的に周回させられている時計方向光Ｌcwの周波数ｆcwと反時計方向光Ｌccw の周波数ｆccw との間で周波数差Δｆ( ＝ｆcw−ｆccw ) が発生すると、その周波数差Δｆと同じ値のビート周波数ｆb を有するビート光Ｌb となる。光検出器２０は、よく知られたホトセル、ホトトランジスタなどのホトセンサと２乗検波回路とを備えており、ビート光Ｌb を受けてその脈動を表すビート信号ＳＢを出力する。
【００３２】
上記周波数解析部２４は、たとえばマイクロコンピュータなどの演算手段を備えており、その演算手段が、フィーリエ変換を用いて入力信号がどのような周波数の正弦波の重ね合わせであるかに基づいて良く知られた入力信号の周波数特性の解析を実行し、入力信号のピーク周波数すなわちビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp を出力する。回転角速度算出部２６は、たとえばマイクロコンピュータなどの演算手段を備えており、その演算手段が、たとえば図３に示す予め記憶された関係からその周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢのビート周波数ｆb すなわち時計方向光Ｌcwの周波数ｆcwと反時計方向光Ｌccw の周波数ｆccw との間の周波数差Δｆに基づいて、ループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出する。
【００３３】
上記のように構成されている光ファイバジャイロ１０の測定原理を以下に説明する。ループ状光ファイバ１２内において光信号増幅装置１４による双方向の光増幅作用を受けて定常的に一定の強度で周回させられている時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の( 電界) 強度ＩcwおよびＩccw は、次式 (１）および (２）により表される。ａcwおよびａccw は振幅を示し、φcwおよびφccw は位相を示す。時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw を合波( 重ね合わせ) すると、光検出器２０により検出される合波光の強度Ｉは、次式に示すように、各光の強度( 電界強度) の加算値の二乗となるので、次式 (３）により表される。式 (３）において、Δ＝φcw−φccw である。
【００３４】
Ｉcw＝ａcw・cos( 2πｆcwｔ＋φcw) ・・・ (１）
Ｉccw ＝ａccw ・cos( 2πｆccw ｔ＋φccw) ・・・ (２）
Ｉ＝ (Ｉcw＋Ｉccw)2
＝ (ａcw2 ＋ａccw2) /2＋ 2ａcwａccw ・cos( 2πｆb ｔ＋Δ) ・・ (３）
【００３５】
上記 (３）式から、合波光の強度Ｉの直流成分は (ａcw2 ＋ａccw2) /2であり、交流成分は、 2ａcwａccw ・cos( 2πｆb ｔ＋Δ) であるので、前記光検出器２０は、ビート光Ｌb を受けてその２乗検波を行うことにより上記合波光の強度Ｉのうちの交流成分を抽出し、その交流成分であるビート信号ＳＢを出力する。このビート信号ＳＢのビート周波数ｆb は、以下の理論式 (４）から説明される。 (４）式において、Ａはループ状光ファイバ１２により囲まれた面積、ｎはループ状光ファイバ１２の屈折率、λ１は時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波長、Ｐは時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw のパス長さ( 光路長) 、ωはループ状光ファイバ１２の回転角速度である。
【００３６】
ｆb ＝（４Ａ／（ｎ・λ１・Ｐ））ω ・・・ (４）
【００３７】
上記ビート信号ＳＢの周波数ｆb とビート信号ＳＢのパワーＷb とを示す関係は、ループ状光ファイバ１２の回転角速度毎に、たとえば図４に示す如くとなる。図４では、ループ状光ファイバ１２の回転角速度が秒速１０°( １０°／ｓ）、秒速３０°( ３０°／ｓ）、秒速５０°( ５０°／ｓ）、秒速７０°( ７０°／ｓ）、秒速９０°( ９０°／ｓ）である場合についての特性が、それぞれ示されている。各ビート信号ＳＢにはそれぞれパワーのピークＰが形成されており、そのピークＰが形成されたときの周波数がビート信号ＳＢのビート周波数ｆb として特定されるものである。図４から明らかなように、ループ状光ファイバ１２の回転角速度が高くなるほどビート周波数ｆb が高くなる。図３は、このような関係に基づいて予め設定されたものである。したがって、回転角速度算出部２６は、その図３に示す予め記憶された関係からその周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢのビート周波数ｆb すなわち時計方向光Ｌcwの周波数ｆcwと反時計方向光Ｌccw の周波数ｆccw との間の周波数差Δｆに基づいて、ループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出することができるのである。
【００３８】
本実施例の光信号増幅装置１４は、たとえば図５に示すように、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａと他端部１２ｂとの間に光学的にそれぞれ結合された半導体光増幅器３０と、上記一端部１２ａおよび他端部１２ｂの一方( 本実施例では一端部１２ａ) に形成された光ファイバグレーティング部３２とをケース３４内に備えている。半導体光増幅器３０は、上記一端部１２ａから端面３０ｇに入力された時計方向光Ｌcwおよび他端部１２ｂから端面３０ｈに入力された反時計方向光Ｌccw を増幅して端面３０ｈおよび端面３０ｇから出力するとともに、上記一端部１２ａおよび他端部１２ｂから時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw ( 入力光) の強度に応じてその入力光の波長λ１以外の光すなわち波長λ１の周囲光( 自然発生光) の光強度増幅特性が変調され、その入力光を増幅した光と、その入力光の強度に対して強度反転したその波長λ１以外の光（周囲光）とをそれぞれ出力する。上記入力光を増幅した出力光は、入力光の振幅が増強された同位相の光であり、入射端面とは反対側の出射端面から出力される。これに対して、上記入力光の強度に対して強度反転したその波長λ１以外の光（周囲光）は、その入力光に対して反転した位相を有し、両端面から出力される。上記光ファイバグレーティング部３２は、その周囲光を反射して半導体光増幅器３０に再入力させ、その半導体光増幅器３０に比較的低いが極めて安定した増幅率で負帰還光増幅作用を発生させる。
【００３９】
上記半導体光増幅器３０は、たとえば図６に示すチップ状の素子から構成されており、化合物半導体たとえばインジウム燐ＩｎＰから構成される半導体基板３０ａと、その上にエピタキシャル成長させられたIII-V 族混晶半導体から成り、ホトリソグラフィーにより所定幅に形成された相対的に屈折率の高い多層膜から成る光導波路３０ｂと、その光導波路３０ｂ内の多層膜の一部を構成するｐｎ接合であって、バルク、多重量子井戸、歪み超格子、量子ドットのいずれかから構成された活性層３０ｃと、光導波路３０ｂの上面に固着された上部電極３０ｅと、半導体基板３０ａの下面に固着された下部電極３０ｆとを、備えている。上部電極３０ｅと下部電極３０ｆとの間に注入電流が流される状態では、所定波長λ１の入力光Ｌが入射されて上記光導波路３０ｂ内を伝播させられる過程で活性層３０ｃを通過させられるとき、誘導放射作用による光増幅を受け、出力される。同時に、所謂相互利得変調作用により、波長λ１を除くその波長λ１以外の周囲波長を有してその入力光の強度変調に反比例して強度が増減する周囲光( 自然発生光) が発生させられて、これも出力される。なお、上記注入電流が流された当初は、半導体光増幅器３０内において活性層３０ｃでのエネルギギャップに応じた所定の波長帯の自然放出光が発生し、これがループ状光ファイバ１２内を周回するうちに安定化し所定の波長λ１に集約される。工業的には、その波長λ１が容易に集約されるようにフィルタなどが用いられる。
【００４０】
上記活性層３０ｃが多重井戸から構成される場合は、たとえば、半導体基板３０ａからエピタキシャル成長させられることにより格子整合された１００ｎｍ程度の６対のＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＰにより構成され、その活性層３０ｃの上には、組成( 屈折率）が段階的に変化させられたグリン( ＧＲＩＮ）構造のガイド層( ２０００Å) が順次設けられる。この活性層３０ｃのデバイス長は、たとえば６００μｍ程度である。
【００４１】
図５に戻って、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａおよび他端部１２ｂの端面には、凸レンズとして機能する先球レンズＲをそれぞれ備えており、時計方向光Ｌcwがループ状光ファイバ１２の一端部１２ａから半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇへ直接入力されて増幅された時計方向光Ｌcwが他方の端面３０ｈからループ状光ファイバ１２の他端１２ｂへ直接出力されるとともに、反時計方向光Ｌccw がループ状光ファイバ１２の他端部１２ｂから半導体光増幅器３０の他方の端面３０ｈへ直接入力されて増幅された反時計方向光Ｌccw が一方の端面３０ｇからループ状光ファイバ１２の一端部１２ａへ直接出力されるようになっている。すなわち、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａと半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇとの間、および、半導体光増幅器３０の他方の端面３０ｈとループ状光ファイバ１２の他端部１２ｂとの間は、光学的に直接結合されている。
【００４２】
ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａに形成された光ファイバグレーティング部３２は、半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇからループ状光ファイバ１２の一端部１２ａ側へ放射される周囲光を反射して半導体光増幅器３０へ再入力させることにより負帰還光増幅作用を発生させ、その半導体光増幅器３０の応答性能を高め、出力光のノイズを低減して波形歪みを低減し変調度を高める。この光ファイバグレーティング部３２は、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光は通過させるが、その波長λ１の光以外の周囲波長を有する周囲光( 自然発生光) を反射する波長選択性反射素子である。半導体光増幅器３０の一方の端面３０ｇと光ファイバグレーティング部３２の端面との間の間隔すなわち光路長Ｌは、効率を低下させず、且つ時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形が影響を受けないように設定されている。
【００４３】
上記ループ状光ファイバ１２は、たとえばゲルマニウムＧｅを添加した石英ＳｉＯ2 から成る略円柱形状のコア１２ｃと、そのコア１２ｃよりも屈折率が低く且つそれの外周面を覆う略円筒形状の石英ＳｉＯ2 であるグラッド１２ｄとによって構成された光ファイバである。光ファイバグレーティング部３２は、たとえば図７に示すように、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａ内のコア１２ｃに、位相マスクなどを利用し、紫外線照射による光誘起屈折率変化による、代表的には１００００層乃至２００００層程度の周期的な屈折率変化が、そのループ状光ファイバ１２の一端部１２ａ内の伝播方向に１群または複数群で形成されることにより構成されている。上記屈折率変化は等周期とされる場合もあるが、チャープ状に周期が順次変化させられるものであってもよい。この光ファイバグレーティング部３２は、その屈折率の周期と実効屈折率に対応した波長の光を選択的に反射する特性を有し、たとえば１５５１ｎｍを中心とする波長λ１の光は透過させるが、波長λ１とは異なる少なくとも３ｎｍ以上たとえば６．５ｎｍ程度の帯域幅を有する波長の光（周囲光）を反射する波長選択性フィルタとして機能している。図８は、上記光ファイバグレーティング部３２によって選択的に通過させられる、増幅後の入力光( 時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw ) のス ペクトルを示し、図９は、上記光ファイバグレーティング部３２によって選択的に反射される、周囲光のスペクトルを示している。
【００４４】
なお、図９には、波長λ１の両側の波長帯を含む周囲光が示されているが、上記光ファイバグレーティング部３２の反射特性は、その周囲光のうちの一部、たとえば波長λ１に対してそれより片側の波長帯またはその一部を反射するものであってもよい。
【００４５】
上述のように、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、光信号増幅装置１４が、(b-1) 前記時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw が入力されるとその時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw をそれぞれ増幅して出力すると共に、その時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の強度に対して強度反転した該時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光を放射する半導体光増幅器３０と、(b-2) その半導体光増幅器３０から放射される時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光の全部または一部を反射してその半導体光増幅器３０へ入射させる波長選択性反射素子( 光ファイバグレーティング部３２) とを含み、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光の全部または一部が光ファイバグレーティング部３２により反射されて半導体光増幅器３０に再度入力されることから、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器３０の利得を入力光に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形の歪みやノイズが低減される。これにより、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の変調度が高めれるので、それらの周波数差Δｆにより発生するビート信号ＳＢのピークＰもシャープに得られ、そのビート信号ＳＢの解析から得られるビート周波数ｆb およびそのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が十分に得られる。
【００４６】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、波長選択性反射素子として、半導体光増幅器３０に光学的に結合されたループ状光ファイバ１２の一端部１２ａおよび他端部１２ｂの一方( 一端部１２ａ) に設けられ、半導体光増幅器３０から放射される光のうち時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw である波長λ１の光以外の周囲光の全部または一部を反射してその半導体光増幅器３０へ入射させる光ファイバグレーティング部３２が用いられていることから、半導体光増幅器３０とループ状光ファイバ１２の一端部１２ａとの間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００４７】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２の光ファイバグレーティング部３２が設けられた一端部１２ａの端面に先球レンズＲが備えられ、半導体光増幅器３０からの出力光は、その先球レンズＲに直接入射されることから、半導体光増幅器３０とループ状光ファイバ１２の一端部１２ａとの間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００４８】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、半導体光増幅器３０は、ｐｎ接合から成る活性層３０ｃを備えるものであって、その活性層３０ｃがバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものであることから、光信号増幅装置が一層小型化されて１チップ化が可能となるとともに、特に量子井戸、量子ドットから活性層が構成される場合には、１０ＧＨｚオーダの高周波数領域において信号増幅が可能となって前記時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の周波数が高められるので、そのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が一層高められる。
【００４９】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２に設けられ、そのループ状光ファイバ１２内を伝播する時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向光Ｌccw の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラ１６と、その双方向光取出用カプラ１６によりループ状光ファイバ１２内から取り出された時計方向光Ｌcwの一部および反時計方向光Ｌccw の一部を相互に合波し、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の相互間に発生する周波数差Δｆに起因するビート光Ｌb を出力する光合波器２０と、該光合波器２０により合波されたビート光Ｌb を電気信号であるビート信号ＳＢに変換する光検出器２２と、その光検出器２２により変換されたビート信号ＳＢに含まれるビート信号ＳＢのピーク点Ｐの周波数ｆp を解析して出力する周波数解析部２４と、図３に示す予め記憶された関係から周波数解析部２４により解析されたビート信号ＳＢの周波数ｆp に基づいてループ状光ファイバ１２の回転角速度ωを算出する回転角速度算出部２６とを、含むことから、構造が簡単で、しかも高い精度で回転角速度の検出ができる光ファイバジャイロ１０を得ることができる。
【実施例２】
【００５０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において実施例相互に共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図１０に示される実施例の光ファイバジャイロ１０では、前述の実施例の光信号増幅装置１４に替えて、３端子光信号増幅器が適用された光信号増幅装置４０が用いられているが、他の点は同様に構成されている。以下において、その光信号増幅装置４０を説明する。
【００５２】
光信号増幅装置４０は、時計方向光Ｌcwが一方の端面４２ｇに入力されると、その時計方向光Ｌcwを増幅して他方の端面４２ｈから出力すると共に、その時計方向光Ｌcwの強度に対して強度反転した時計方向光の波長λ１以外の第１周囲光を双方向へ放射する第１半導体光増幅器４２と、ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａに設けられ、波長λ１の光を通過させるが、第１半導体光増幅器４２から一方の端面４２ｇ側へ放射される第１周囲光の全部または一部を反射して第１半導体光増幅器４２へ再入力させて負帰還光増幅作用を発生させる第１光ファイバグレーティング部( 第１波長選択性反射素子) ４４と、反時計方向光Ｌccw が一方の端面４６ｇに入力されると、その反時計方向光Ｌccw を増幅して他方の端面４6 ｈから出力すると共に、その反時計方向光Ｌccw の強度に対して強度反転した反時計方向光Ｌccw の波長λ１以外の第２周囲光を双方向へ放射する第２半導体光増幅器４６と、ループ状光ファイバ１２の他端部１２ｂに設けられ、波長λ１の光を通過させるが、その第２半導体光増幅器４６から一方の端面４６ｇ側へ放射される第２周囲光の全部または一部を反射して第２半導体光増幅器４６へ再入力させて負帰還光増幅作用を発生させる第２光ファイバグレーティング部( 第２波長選択性反射素子) ４８とを、備えている。上記第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６は前述の半導体光増幅器３０と同様に構成されている。また、上記第１光ファイバグレーティング部４４および第２光ファイバグレーティング部４８は前述の光ファイバグレーティング部３２と同様に構成されている。また、上記ループ状光ファイバ１２の一端部１２ａおよび他端部１２ｂは、前述の実施例と同様に、その端面に先球レンズＲが設けられ、第１半導体光増幅器４２の一方の端面４２ｇ側および第２半導体光増幅器４６の一方の端面４６ｇ側と、光学的に直接結合されている。
【００５３】
また、上記光信号増幅装置４０は、ループ状光ファイバ１２に介挿されてそのループ状光ファイバ１２内を伝播する時計方向光Ｌcwまたは反時計方向光Ｌccw の一部の光たとえば数％乃至数十％の光を取り出す光カプラ５０と、先球レンズＲをそれぞれ備え、第１半導体光増幅器４２の他方の端面４２ｈ側および第２半導体光増幅器４６の他方の端面４６ｈ側と光学的に直接結合する一対の第１分岐ファイバ部５２および第２分岐ファイバ部５４と、それら第１分岐ファイバ５２および第２分岐ファイバ５４が溶融延伸されて光カプラ５０に結合された共通ファイバ部５６とを備えたＹ字型ファイバ５８と、その共通ファイバ部５６に設けられ、波長λ１の光を通過させるが、第１半導体光増幅器４２から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して第２半導体光増幅器４６の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部６０とを、備えている。
【００５４】
以上のように構成された光信号増幅装置４０を有する光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２を周回する時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw が、周囲光の再入力により負帰還増幅作用を有する第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６による双方向の光増幅作用を受けて比較的高い強度で定常的に伝播させられるので、前述の実施例と同様に、ループ状光ファイバ１２の回転角速度ωが検出される。
【００５５】
このとき、光信号増幅装置４０内において、時計方向光Ｌcwは、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａから第１半導体光増幅器４２を通過する過程で第１光ファイバグレーティング部４４および第３光ファイバグレーティング部６０からの周囲光の再入力による負帰還増幅された後、第１分岐ファイバ５２および共通ファイバ部５６と光カプラ５０とを経て、ループ状光ファイバ１２へ戻される。同時に、光カプラ５０から取り出された反時計方向光Ｌccw の一部は、第２分岐ファイバ部５４から第２半導体光増幅器４６へ入射され、この第２半導体光増幅器４６を通過する過程で第２光ファイバグレーティング部４６および第３光ファイバグレーティング部６０からの周囲光の再入力による負帰還増幅された後、時計方向光Ｌcwとして第２半導体光増幅器４６からループ状光ファイバ１２の端部１２ｂへ戻される。
【００５６】
また、光信号増幅装置４０内において、上記光カプラ５０から取り出された反時計方向光Ｌccw の他部は、第１分岐ファイバ５２を経て第１半導体光増幅器４２において負帰還増幅を受けた後、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａへ戻される。また、光カプラ５０を通過してループ状光ファイバ１２の端部１２ｂに到達した反時計方向光Ｌccw は、第２半導体光増幅器４６を通過する過程で負帰還増幅を受けた後、第２分岐ファイバ５４および共通ファイバ部５６と光カプラ５０とを経て、時計方向光Ｌcwとしてループ状光ファイバ１２へ戻される。このような作用の結果として、図１１に示す特性が得られる。
【００５７】
本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波長λ１以外の周囲光の全部または一部が第１光ファイバグレーティング部４４( 第１波長選択性反射素子) および第２光ファイバグレーティング部４８( 第２波長選択性反射素子) により反射されて第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６に再度入力されることから、小型の３端子の光信号増幅装置が得られるるとともに、強度反転を示す周囲光がフィードバックさせられることにより半導体光増幅器４２および４６の利得を入力光信号に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるので、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw の波形の歪みがそれぞれ低減される。これにより、時計方向光Ｌcwおよび反時計方向光Ｌccw のノイズが低減されるとともに変調度が高めれるので、それらの周波数差Δf により発生するビート信号ＳＢのピークもシャープに得られ、そのビート信号ＳＢの解析から得られるビート周波数ｆb およびそのビート周波数ｆb から得られる回転角速度ωの精度が十分に得られる。
【００５８】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、第１波長選択性反射素子として、第１半導体光増幅器４２に光学的に結合されたループ状光ファイバ１２の一端部１２ａに設けられ、第１半導体光増幅器４２から放射される第１周囲光の全部または一部を反射してその第１半導体光増幅器４２へ入射させる第１光ファイバグレーティング部４４が用いられ、第２波長選択性反射素子として、第２半導体光増幅器４６に光学的に結合されたループ状光ファイバ１２の他端部に設けられ、第２半導体光増幅器４６から放射される第２周囲光の全部または一部を反射してその第２半導体光増幅器４６へ入射させる第２光ファイバグレーティング部４８が用いられていることから、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６とループ状光ファイバ１２の両端部１２ａおよび１２ｂとの間の光学的な結合構造が簡単且つ小型となる。
【００５９】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、ループ状光ファイバ１２の第１光ファイバグレーティング部４４および第２光ファイバグレーティング部４８が設けられた両端部１２ａおよび１２ｂの端面に先球レンズＲがそれぞれ備えられ、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６からの出力光は、その先球レンズＲに直接入射されることから、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６とループ状光ファイバ１２の第１光ファイバグレーティング部４４および第２光ファイバグレーティング部４８が設けられた両端部１２ａおよび１２ｂとの間の光学的な結合構造が一層簡単且つ小型となる。
【００６０】
また、本実施例の光ファイバジャイロ１０によれば、第１半導体光増幅器４２および第２半導体光増幅器４６の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部５２および第２分岐ファイバ部５４と、それら第１分岐ファイバ５２および第２分岐ファイバ５４が溶融延伸されて前記光カプラ５０に結合された共通ファイバ部５６とを備えたＹ字型ファイバ５８を含み、第３波長選択性反射素子として、その共通ファイバ部５６に設けられ、第１半導体光増幅器４２から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して第２半導体光増幅器４６の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部６０が用いられていることから、小型の３端子の光信号増幅装置を光ファイバジャイロ１０に適用可能となる。
【００６１】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００６２】
たとえば、前述の図５に示す実施例において、光ファイバグレーティング部３２は、半導体光増幅器３０と別体に構成されていたが、その半導体光増幅器３０の光導波路３０ｂに構成されることにより半導体光増幅器３０と一体に構成されてもよい。
【００６３】
また、前述の図５に示す実施例では、波長選択性反射素子として機能する光ファイバグレーティング部３２がループ状光ファイバ１２の端部１２ａに設けられていたが、それに替えて、波長選択性反射素子として機能する波長選択性ミラーが、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａと半導体光増幅器３０との間に設けられてもよい。この場合には、たとえば一対の凸レンズとその一対の凸レンズ間に介挿された波長選択性ミラーとを介して、ループ状光ファイバ１２の端部１２ａと半導体光増幅器３０との間が光学的に結合される。
【００６４】
また、前述の図５の実施例において、波長選択性反射素子として機能する光ファイバグレーティング部３２がループ状光ファイバ１２の端部１２ａに設けられていたが、その光ファイバグレーティング部３２は、半導体光増幅器３０に対して反対側に位置するループ状光ファイバ１２の端部１２ｂに設けられていてもよい。また、波長選択性反射素子として機能する光ファイバグレーティング部がループ状光ファイバ１２の端部１２ａおよび端部１２ｂの両方に設けられていてもよい。
【００６５】
その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施例の光信号増幅装置が適用された光ファイバジャイロの基本的な構成を説明する略図である。
【図２】図１の光ファイバジャイロに用いられる双方向光取出用の光カプラの構成を説明する図である。
【図３】図１の回転角速度算出部により用いられる予め記憶された関係の一例を示す図である。
【図４】図１の光ファイバジャイロにおいて発生するビート信号とその光ファイバジャイロに設けられたループ状光ファイバの回転角速度との関係を示す図である。
【図５】図１の光信号増幅装置の要部構成を説明する略図である。
【図６】図５の光信号増幅装置に備えられる半導体光増幅器の一例を示す斜視図である。
【図７】図５の光信号増幅装置に備えられる光ファイバグレーティング部の構成を説明する図である。
【図８】図７の光ファイバグレーティング部の透過特性を示す図である。
【図９】図７の光ファイバグレーティング部の反射特性を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施例の光信号増幅装置の構成を説明する図である。
【図１１】図１０の実施例における光信号増幅装置の特性を説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０：光ファイバジャイロ
１４、４０：光信号増幅装置
１２：ループ状光ファイバ( 波長選択性反射素子)
１６：光カプラ( 双方向光取出用光カプラ)
２６：回転角速度算出部
３０：半導体光増幅器
３２：光ファイバグレーティング部
４２：第１半導体光増幅器
４４：第１光ファイバグレーティング部( 第１波長選択性反射素子)
４６：第２半導体光増幅器
４８：第２光ファイバグレーティング部( 第２波長選択性反射素子)
５０：光カプラ
Ｒ：先球レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、
前記光信号増幅装置は、
前記時計方向光および反時計方向光が入力されると該時計方向光および反時計方向光をそれぞれ増幅して出力すると共に、該時計方向光および反時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光を放射する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器から放射される前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる波長選択性反射素子と
を、含むことを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】
前記波長選択性反射素子は、該半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の少なくとも一方に設けられ、前記半導体光増幅器から放射される光のうち前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる光ファイバグレーティング部であることを特徴とする請求項１の光ファイバジャイロ。
【請求項３】
前記ループ状光ファイバの前記光ファイバグレーティング部が設けられた端部の端面に先球レンズが備えられ、前記半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする請求項２の光ファイバジャイロ。
【請求項４】
前記半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである請求項１乃至３のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項５】
前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、
該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、
該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、
該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、
予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部と
を、含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項６】
ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、
前記光信号増幅装置は、
前記時計方向光が入力されると、該時計方向光を増幅して出力すると共に、該時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光の波長以外の第１周囲光を放射する第１半導体光増幅器と、
該第１半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１波長選択性反射素子と
前記反時計方向光が入力されると、該反時計方向光を増幅して出力すると共に、該反時計方向光の強度に対して強度反転した該反時計方向光の波長以外の第２周囲光を放射する第２半導体光増幅器と、
該第２半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２波長選択性反射素子と
前記第１半導体光増幅器から出力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３波長選択性反射素子と、
前記ループ状光ファイバ内の反時計方向光の一部を取り出して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させるとともに、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力光を該ループ状光ファイバ内へ時計方向光として入射させる光カプラと
を、含むことを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項７】
前記第１波長選択性反射素子は、該第１半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の一方に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１光ファイバグレーティング部であり、
前記第２波長選択性反射素子は、該第２半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の他方に設けられ、前記第２半導体光増幅器から放射される第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２光ファイバグレーティング部であることを特徴とする請求項６の光ファイバジャイロ。
【請求項８】
前記ループ状光ファイバの前記第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部の端面に先球レンズがそれぞれ備えられ、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする請求項７の光ファイバジャイロ。
【請求項９】
前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部および第２分岐ファイバ部と、該第１分岐ファイバおよび第２分岐ファイバが溶融延伸されて前記光カプラに結合された共通ファイバ部とを備えたＹ字型ファイバを含み、
前記第３波長選択性反射素子は、該共通ファイバ部に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項１０】
前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである請求項６乃至９のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項１１】
前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、
該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、
該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、
該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、
予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、
含むことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項１】
ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、
前記光信号増幅装置は、
前記時計方向光および反時計方向光が入力されると該時計方向光および反時計方向光をそれぞれ増幅して出力すると共に、該時計方向光および反時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光を放射する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器から放射される前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる波長選択性反射素子と
を、含むことを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】
前記波長選択性反射素子は、該半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の少なくとも一方に設けられ、前記半導体光増幅器から放射される光のうち前記時計方向光および反時計方向光の波長以外の周囲光の全部または一部を反射して該半導体光増幅器へ入射させる光ファイバグレーティング部であることを特徴とする請求項１の光ファイバジャイロ。
【請求項３】
前記ループ状光ファイバの前記光ファイバグレーティング部が設けられた端部の端面に先球レンズが備えられ、前記半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする請求項２の光ファイバジャイロ。
【請求項４】
前記半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである請求項１乃至３のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項５】
前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、
該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、
該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、
該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、
予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部と
を、含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項６】
ループ状光ファイバと、該ループ状光ファイバの所定位置に光学的に結合された状態で介挿されて該ループ状光ファイバ内を時計方向に伝播する時計方向光および反時計方向に伝播する反時計方向光をそれぞれ増幅する光信号増幅装置とを備え、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に基づいて該ループ状光ファイバの回転角速度を検出する光ファイバジャイロであって、
前記光信号増幅装置は、
前記時計方向光が入力されると、該時計方向光を増幅して出力すると共に、該時計方向光の強度に対して強度反転した該時計方向光の波長以外の第１周囲光を放射する第１半導体光増幅器と、
該第１半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１波長選択性反射素子と
前記反時計方向光が入力されると、該反時計方向光を増幅して出力すると共に、該反時計方向光の強度に対して強度反転した該反時計方向光の波長以外の第２周囲光を放射する第２半導体光増幅器と、
該第２半導体光増幅器から入力側へ放射される前記第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２波長選択性反射素子と
前記第１半導体光増幅器から出力側へ放射される前記第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３波長選択性反射素子と、
前記ループ状光ファイバ内の反時計方向光の一部を取り出して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させるとともに、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力光を該ループ状光ファイバ内へ時計方向光として入射させる光カプラと
を、含むことを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項７】
前記第１波長選択性反射素子は、該第１半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の一方に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して該第１半導体光増幅器へ入射させる第１光ファイバグレーティング部であり、
前記第２波長選択性反射素子は、該第２半導体光増幅器に光学的に結合された前記ループ状光ファイバの一端部および他端部の他方に設けられ、前記第２半導体光増幅器から放射される第２周囲光の全部または一部を反射して該第２半導体光増幅器へ入射させる第２光ファイバグレーティング部であることを特徴とする請求項６の光ファイバジャイロ。
【請求項８】
前記ループ状光ファイバの前記第１光ファイバグレーティング部および第２光ファイバグレーティング部が設けられた両端部の端面に先球レンズがそれぞれ備えられ、前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器からの出力光は、該先球レンズに直接入射されることを特徴とする請求項７の光ファイバジャイロ。
【請求項９】
前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器の出力側と光学的に結合する第１分岐ファイバ部および第２分岐ファイバ部と、該第１分岐ファイバおよび第２分岐ファイバが溶融延伸されて前記光カプラに結合された共通ファイバ部とを備えたＹ字型ファイバを含み、
前記第３波長選択性反射素子は、該共通ファイバ部に設けられ、前記第１半導体光増幅器から放射される第１周囲光の全部または一部を反射して前記第２半導体光増幅器の出力側へ入射させる第３光ファイバグレーティング部であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項１０】
前記第１半導体光増幅器および第２半導体光増幅器は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅器であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである請求項６乃至９のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【請求項１１】
前記ループ状光ファイバに設けられ、該ループ状光ファイバ内を伝播する時計方向光の一部および反時計方向光の一部をそれぞれ取り出す双方向光取出用光カプラと、
該双方向光取出用カプラによりループ状光ファイバ内から取り出された時計方向光の一部および反時計方向光の一部を相互に合波し、時計方向光および反時計方向光の相互間に発生する周波数差に起因するビート光を出力する光合波素子と、
該光合波素子により合波されたビート光を電気信号に変換する合波光検出器と、
該合波光検出器により変換された電気信号に含まれるビート信号の周波数を解析する周波数解析部と、
予め記憶された関係から該周波数解析部により解析されたビート信号の周波数に基づいて前記ループ状光ファイバの回転角速度を算出する回転角速度算出部とを、
含むことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１の光ファイバジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−７１８９４（Ｐ２０１０−７１８９４Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４１６３７（Ｐ２００８−２４１６３７）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１２５３４７）学校法人近畿大学 (389)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１２５３４７）学校法人近畿大学 (389)
【Ｆターム（参考）】
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