JP2021189094A

JP2021189094A - Light source device for fiber optic gyroscope

Info

Publication number: JP2021189094A
Application number: JP2020096434A
Authority: JP
Inventors: 幹旺上妻; Mikio Kozuma
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2021-12-13

Abstract

【課題】長期的にスケールファクタの安定度を向上させることが可能な光ファイバジャイロスコープ用光源装置を提供する。【解決手段】光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、広帯域レーザ光源１０と、スペクトラムアナライザ２０と、フィードバック制御部３０とからなる。広帯域レーザ光源１０は、広帯域スペクトル且つ低コヒーレンスなレーザ光を発するものである。スペクトラムアナライザ２０は、広帯域レーザ光源１０のレーザ光の相対振幅で加重平均される加重平均波長を測定する。フィードバック制御部３０は、スペクトラムアナライザ２０により測定される加重平均波長を用いて広帯域レーザ光源１０のレーザ光の加重平均波長をフィードバック制御する。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source device for an optical fiber gyroscope capable of improving the stability of a scale factor in a long term. A light source device for an optical fiber gyroscope includes a wideband laser light source 10, a spectrum analyzer 20, and a feedback control unit 30. The wideband laser light source 10 emits a laser beam having a wide spectrum and low coherence. The spectrum analyzer 20 measures a weighted average wavelength that is weighted and averaged by the relative amplitude of the laser beam of the wideband laser light source 10. The feedback control unit 30 feedback-controls the weighted average wavelength of the laser light of the broadband laser light source 10 using the weighted average wavelength measured by the spectrum analyzer 20. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は光ファイバジャイロスコープ用光源装置に関し、特に、スケールファクタの安定度を向上させた光ファイバジャイロスコープ用光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device for an optical fiber gyroscope, and more particularly to a light source device for an optical fiber gyroscope having improved stability of a scale factor.

近年の自動制御、自律航法の急速な発展に伴い、移動体の現在位置の精度向上に関する要求が年々高まっている。自律航法技術としては、ＧＮＳＳ（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ：全球測位衛星システム）やＩＮＳ（ＩｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ：慣性航法）が知られている。 With the rapid development of automatic control and autonomous navigation in recent years, the demand for improving the accuracy of the current position of moving objects is increasing year by year. As autonomous navigation technology, GNSS (Global Navigation Satellite System) and INS (Inertial Navigation System) are known.

ここで、ＩＮＳに用いられるセンサとして、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ：Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている（例えば特許文献１）。ＦＯＧは、光のサニャック効果を利用した回転角速度センサである。光ファイバジャイロスコープは、光ファイバコイルを用いるものであり運動部分がなく、従来の機械式ジャイロに比べて小型でありメンテナンスフリーであるといった利点を有し注目されている。 Here, as a sensor used for INS, an optical fiber gyroscope (FOG: Fiber optic gyroscope) is known (for example, Patent Document 1). The FOG is a rotational angular velocity sensor that utilizes the Sagnac effect of light. The optical fiber gyroscope uses an optical fiber coil and has no moving part, and is attracting attention because of its advantages of being smaller and maintenance-free than the conventional mechanical gyro.

光ファイバジャイロスコープの回転角速度に応じて発生する位相差ΔΦは、角速度Ωにスケールファクタ（ＳＦ）を係数として乗じて求められる。即ち、以下に表される位相差ΔΦの数式の右辺の角速度Ωの係数をスケールファクタと呼んでいる。

但し、Ｒは光ファイバコイルの半径、Ｎは光ファイバコイルの巻き数、λは波長、ｃは光速である。 The phase difference ΔΦ generated according to the rotation angular velocity of the optical fiber gyroscope is obtained by multiplying the angular velocity Ω by the scale factor (SF) as a coefficient. That is, the coefficient of the angular velocity Ω on the right side of the mathematical formula of the phase difference ΔΦ expressed below is called a scale factor.

However, R is the radius of the optical fiber coil, N is the number of turns of the optical fiber coil, λ is the wavelength, and c is the speed of light.

スケールファクタは、角速度と出力信号の比に相当するものであり、数１からも分かるように、波長λの変動を受けるものである。スケールファクタが時間的に安定しないと、一定角速度下においても位相差が揺らいでしまい、センサ出力も揺らぐことになる。結果的に、感度（出力信号）がいくら高くても、ジャイロスコープの精度の指標となるアラン偏差が長期的になるほど悪くなってしまう。したがってアラン偏差を向上させるためにスケールファクタの安定度を高める必要がある。 The scale factor corresponds to the ratio of the angular velocity to the output signal, and as can be seen from Equation 1, it is subject to fluctuations in the wavelength λ. If the scale factor is not stable in time, the phase difference will fluctuate even under a constant angular velocity, and the sensor output will also fluctuate. As a result, no matter how high the sensitivity (output signal) is, the Alan deviation, which is an index of the accuracy of the gyroscope, becomes worse in the long term. Therefore, it is necessary to increase the stability of the scale factor in order to improve the Alan deviation.

また、光ファイバジャイロスコープを駆動するための安定化光源として、例えば特許文献２がある。これは、波長の直交軸間のスペクトルの非対称性がスケールファクタの不安定性をもたらすのでこれを解消しようとしたものである。特許文献２は、対称波長マルチプレクサに関するものであり、波長の直交軸間のスペクトルの非対称性を軽減することで、スケールファクタエラーを軽減させたものである。 Further, as a stabilizing light source for driving an optical fiber gyroscope, for example, Patent Document 2 is provided. This is an attempt to eliminate the instability of the scale factor due to the spectral asymmetry between the orthogonal axes of the wavelength. Patent Document 2 relates to a symmetric wavelength multiplexer, and reduces scale factor error by reducing spectral asymmetry between orthogonal axes of wavelength.

また、光ファイバジャイロスコープに似たようなセンサとして、リングレーザジャイロスコープも知られている（例えば特許文献３）。 A ring laser gyroscope is also known as a sensor similar to an optical fiber gyroscope (for example, Patent Document 3).

特開２００５−１７２６５１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-172651 特開２０１９−１８４５９９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-184599 特開平０３−１５５６８６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 03-155686

上述の通り、ジャイロスコープの精度向上には、スケールファクタの安定度を高める必要がある。しかしながら、特許文献１のような光ファイバジャイロスコープは、スケールファクタの安定度が低いものであった。 As mentioned above, in order to improve the accuracy of the gyroscope, it is necessary to increase the stability of the scale factor. However, the optical fiber gyroscope as in Patent Document 1 has a low scale factor stability.

また、特許文献２のような安定化光源は、スケールファクタは良好なものの、光ファイバジャイロスコープの光源として用いた場合には、レーザ光の帯域が狭く、光ファイバコイル内の光後方散乱や偏波結合等による性能劣化は避けられなかった。このような光ファイバコイル内の光後方散乱や偏波結合等を避けるためには、広帯域のレーザ光を用いるが、広帯域にしようとした場合、中心周波数（中心波長）の長期的なアラン偏差が安定せず、結果としてスケールファクタが不安定になっていた。 Further, although the stabilized light source as in Patent Document 2 has a good scale factor, when it is used as a light source of an optical fiber gyroscope, the band of the laser light is narrow, and the light back scattering or bias in the optical fiber coil is narrow. Performance deterioration due to wave coupling etc. was unavoidable. In order to avoid such backscattering of light and polarization coupling in the optical fiber coil, a wide band laser beam is used, but when trying to widen the band, a long-term allan deviation of the center frequency (center wavelength) occurs. It was not stable, and as a result, the scale factor became unstable.

さらに、特許文献３のようなリングレーザジャイロスコープは、アラン偏差はある程度良好で高精度なものであるが、装置自体が大型であり、また高価なものであった。また、より高精度なジャイロスコープの要望もあった。 Further, in the ring laser gyroscope as in Patent Document 3, although the allan deviation is good to some extent and the accuracy is high, the apparatus itself is large and expensive. There was also a demand for a more accurate gyroscope.

本発明は、斯かる実情に鑑み、長期的にスケールファクタの安定度を向上させることが可能な光ファイバジャイロスコープ用光源装置を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention is intended to provide a light source device for an optical fiber gyroscope capable of improving the stability of a scale factor in a long term.

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、広帯域スペクトル且つ低コヒーレンスなレーザ光を発する広帯域レーザ光源と、広帯域レーザ光源のレーザ光の相対振幅で加重平均される加重平均波長を測定するためのスペクトラムアナライザと、スペクトラムアナライザにより測定される加重平均波長を用いて広帯域レーザ光源のレーザ光の加重平均波長をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を具備するものである。 In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, the optical fiber gyroscope light source device according to the present invention is weighted by the relative amplitude of the laser beam of the wide band laser light source and the wide band laser light source that emits a wide band spectrum and low coherence laser light. It is provided with a spectrum analyzer for measuring the averaged weighted average wavelength and a feedback control unit for feedback-controlling the weighted average wavelength of the laser beam of the wideband laser light source using the weighted average wavelength measured by the spectrum analyzer. Is.

ここで、広帯域レーザ光源は、スーパールミネセントダイオード光源又は超蛍光ファイバ光源からなるものであれば良い。 Here, the wideband laser light source may be any of a super luminescent diode light source or a super fluorescent fiber light source.

さらに、スペクトラムアナライザ校正用光源を有し、スペクトラムアナライザは、スペクトラムアナライザ校正用光源を用いて校正されるものであっても良い。 Further, it has a light source for calibrating a spectrum analyzer, and the spectrum analyzer may be calibrated using a light source for calibrating a spectrum analyzer.

また、スペクトラムアナライザ校正用光源は、シングルモードレーザ光を発するシングルモードレーザ光源と、基準周波数源である原子・分子セルとからなり、シングルモードレーザ光源のシングルモードレーザ光を原子・分子セルにロックさせフィードバック制御されるシングルモードレーザ光源からのシングルモードレーザ光を用いてスペクトラムアナライザが校正されるものであれば良い。 The spectrum analyzer calibration light source consists of a single-mode laser light source that emits single-mode laser light and an atomic / molecular cell that is a reference frequency source, and locks the single-mode laser light of the single-mode laser light source to the atomic / molecular cell. The spectrum analyzer may be calibrated using the single-mode laser beam from the single-mode laser light source controlled by feedback.

また、スペクトラムアナライザ校正用光源は、広帯域光を発する広帯域光源と、基準周波数源である原子・分子セルとからなり、広帯域光源からの広帯域光が原子・分子セルを透過した透過光を用いてスペクトラムアナライザが校正されるものであっても良い。 The spectrum analyzer calibration light source consists of a wideband light source that emits wideband light and an atomic / molecular cell that is a reference frequency source, and the wideband light from the broadband light source uses transmitted light that has passed through the atomic / molecular cell. The analyzer may be calibrated.

さらに、基準周波数源である原子・分子セルを有し、スペクトラムアナライザは、広帯域レーザ光源からのレーザ光が原子・分子セルを透過した透過光を用いて校正されるものであっても良い。 Further, the spectrum analyzer may have an atomic / molecular cell as a reference frequency source, and the spectrum analyzer may be calibrated by using the transmitted light transmitted through the atomic / molecular cell from the laser beam from the broadband laser light source.

さらに、スペクトラムアナライザに対して、広帯域レーザ光源からの入力と、スペクトラムアナライザ校正用光源からの入力とを切り替える光スイッチを具備するものであれば良い。 Further, the spectrum analyzer may be provided with an optical switch for switching between an input from a wideband laser light source and an input from a spectrum analyzer calibration light source.

さらに、スペクトラムアナライザに対して、広帯域レーザ光源からの入力と、スペクトラムアナライザ校正用光源からの入力とを合成する光カプラを具備するものであっても良い。 Further, the spectrum analyzer may be provided with an optical coupler that synthesizes an input from a wideband laser light source and an input from a spectrum analyzer calibration light source.

また、フィードバック制御部は、広帯域レーザ光源の駆動電流及び／又は温度に負帰還をかけることで広帯域レーザ光源のレーザ光の加重平均波長をフィードバック制御するものであれば良い。 Further, the feedback control unit may be any as long as it feedback-controls the weighted average wavelength of the laser beam of the wideband laser light source by applying negative feedback to the drive current and / or temperature of the wideband laser light source.

本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置には、長期的にスケールファクタの安定度を向上させることが可能であるという利点がある。 The light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention has an advantage that the stability of the scale factor can be improved in the long term.

図１は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置の構成を説明するための概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram for explaining the configuration of a light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. 図２は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置の他の構成を説明するための概略ブロック図である。FIG. 2 is a schematic block diagram for explaining another configuration of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. 図３は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザ校正用光源の具体例を説明するための概略ブロック図である。FIG. 3 is a schematic block diagram for explaining a specific example of a light source for spectrum analyzer calibration of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. 図４は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザ校正用光源の他の具体例を説明するための概略ブロック図である。FIG. 4 is a schematic block diagram for explaining another specific example of the spectrum analyzer calibration light source of the light source device for the optical fiber gyroscope of the present invention. 図５は、図４に示されるスペクトラムアナライザ校正用光源の出力の周波数スペクトルを説明するためのグラフである。FIG. 5 is a graph for explaining the frequency spectrum of the output of the spectrum analyzer calibration light source shown in FIG. 図６は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザ校正用光源のさらに他の具体例を説明するための概略ブロック図である。FIG. 6 is a schematic block diagram for explaining still another specific example of the spectrum analyzer calibration light source of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. 図７は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザへの入力を説明するための概略ブロック図である。FIG. 7 is a schematic block diagram for explaining an input to a spectrum analyzer of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. 図８は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザへの入力の他の例を説明するための概略ブロック図である。FIG. 8 is a schematic block diagram for explaining another example of the input to the spectrum analyzer of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention.

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置の構成を説明するための概略ブロック図である。本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、光ファイバジャイロスコープ１を駆動するためのものである。光ファイバジャイロスコープ１は、サニャック効果を利用したセンサである。サニャック効果は、光路である光ファイバの移動によって航路の長さが変わったように見える現象である。光ファイバジャイロスコープ１は、例えば長さ１ｋｍの光ファイバコイルを用いるものである。本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、駆動対象の光ファイバジャイロスコープ１の構造には特に限定されず、既存の又は今後開発されるべきあらゆる光ファイバジャイロスコープを駆動可能なものである。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the illustrated examples. FIG. 1 is a schematic block diagram for explaining the configuration of a light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. The optical fiber gyroscope light source device of the present invention is for driving the optical fiber gyroscope 1. The optical fiber gyroscope 1 is a sensor that utilizes the Sagnac effect. The Sagnac effect is a phenomenon in which the length of a channel seems to change due to the movement of an optical fiber, which is an optical path. The optical fiber gyroscope 1 uses, for example, an optical fiber coil having a length of 1 km. The optical fiber gyroscope light source device of the present invention is not particularly limited to the structure of the optical fiber gyroscope 1 to be driven, and can drive any existing or future optical fiber gyroscope.

図示の通り、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、広帯域レーザ光源１０と、スペクトラムアナライザ２０と、フィードバック制御部３０とから主に構成されている。本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、広帯域レーザ光源１０のレーザ光をスペクトラムアナライザ２０に入力し、フィードバック制御部３０で長期的に安定化させた上で光ファイバジャイロスコープ１を駆動するものである。以下、各構成要素について詳細に説明する。 As shown in the figure, the optical fiber gyroscope light source device of the present invention mainly includes a wideband laser light source 10, a spectrum analyzer 20, and a feedback control unit 30. The light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention inputs the laser light of the wideband laser light source 10 to the spectrum analyzer 20, stabilizes it for a long period of time by the feedback control unit 30, and then drives the optical fiber gyroscope 1. Is. Hereinafter, each component will be described in detail.

広帯域レーザ光源１０は、広帯域スペクトル且つ低コヒーレンスなレーザ光を発するものである。広帯域スペクトル且つ低コヒーレンスなレーザ光の具体例としては、例えば出力が１０ｍＷ以上であることが好ましく、また、広帯域スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）が１０ｎｍ以上であることが好ましい。より具体的には、広帯域レーザ光源１０としては、例えばスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）光源又は超蛍光ファイバ（ＳＦＳ）光源が利用可能である。広帯域レーザ光源１０からのレーザ光は、ビームスプリッタ１１を用いて、一方がスペクトラムアナライザ２０へ、他方が光ファイバジャイロスコープ１へ分割される。 The wideband laser light source 10 emits a laser beam having a wide spectrum and low coherence. As a specific example of the laser beam having a wide band spectrum and low coherence, for example, the output is preferably 10 mW or more, and the full width at half maximum (FWHM) of the wide band spectrum is preferably 10 nm or more. More specifically, as the broadband laser light source 10, for example, a super luminescent diode (SLD) light source or a super fluorescent fiber (SFS) light source can be used. The laser beam from the broadband laser light source 10 is divided into the spectrum analyzer 20 on one side and the optical fiber gyroscope 1 on the other side by using the beam splitter 11.

スペクトラムアナライザ２０は、広帯域レーザ光源１０のレーザ光の相対振幅で加重平均される加重平均波長を測定するものである。スペクトラムアナライザ２０は、具体的には光スペクトラムアナライザと呼ばれるものであり、広帯域レーザ光源１０から入力されたレーザ光のスペクトルを測定できるものである。具体的には、スペクトラムアナライザ２０は、広帯域レーザ光源１０からビームスプリッタ１１により分割されたレーザ光のスペクトルを測定する。そして、スペクトラムアナライザ２０は、加重平均波長を求める。ここで、加重平均波長とは、入力されたレーザ光のスペクトルの各波長をそれぞれ相対振幅で加重平均したものである。広帯域レーザ光源１０のレーザ光の広帯域スペクトルは一般的に非対称性を有するため、中心波長（中心周波数）を正しく測定することは困難である。しかしながら、相対振幅で加重平均された波長である加重平均波長は、正しく測定することが可能である。したがって、本発明では、スペクトラムアナライザ２０を用いて広帯域レーザ光源１０のレーザ光の相対振幅で加重平均される加重平均波長を測定し、広帯域レーザ光源１０の校正に利用している。なお、本明細書中では、加重平均波長とは、加重平均周波数と読み替えても良い。 The spectrum analyzer 20 measures the weighted average wavelength, which is weighted and averaged by the relative amplitude of the laser beam of the wideband laser light source 10. The spectrum analyzer 20 is specifically called an optical spectrum analyzer, and can measure the spectrum of the laser beam input from the wideband laser light source 10. Specifically, the spectrum analyzer 20 measures the spectrum of the laser beam divided by the beam splitter 11 from the wideband laser light source 10. Then, the spectrum analyzer 20 obtains the weighted average wavelength. Here, the weighted average wavelength is a weighted average of each wavelength of the spectrum of the input laser light with a relative amplitude. Since the wide band spectrum of the laser light of the wide band laser light source 10 generally has asymmetry, it is difficult to accurately measure the center wavelength (center frequency). However, the weighted average wavelength, which is the wavelength weighted and averaged by the relative amplitude, can be measured correctly. Therefore, in the present invention, the spectrum analyzer 20 is used to measure the weighted average wavelength weighted and averaged by the relative amplitude of the laser light of the wideband laser light source 10, and is used for calibrating the wideband laser light source 10. In the present specification, the weighted average wavelength may be read as the weighted average frequency.

フィードバック制御部３０は、スペクトラムアナライザ２０により測定される加重平均波長を用いて広帯域レーザ光源１０のレーザ光の加重平均波長をフィードバック制御するものである。即ち、広帯域レーザ光源１０から、ビームスプリッタ１１、スペクトラムアナライザ２０を通って、広帯域レーザ光源１０に戻るループがフィードバック制御部３０である。広帯域レーザ光源１０は、レーザ光の波長が可変可能に構成されていれば良い。即ち、広帯域レーザ光源１０の加重平均波長が安定化されるように制御可能に構成されていれば良い。可変制御は、例えば広帯域レーザ光源１０の駆動電流や環境温度等を変化させることにより行われれば良い。したがって、フィードバック制御部３０は、広帯域レーザ光源１０の駆動電流及び／又は温度に負帰還をかけることで広帯域レーザ光源１０のレーザ光の加重平均波長をフィードバック制御すれば良い。 The feedback control unit 30 feedback-controls the weighted average wavelength of the laser light of the wideband laser light source 10 by using the weighted average wavelength measured by the spectrum analyzer 20. That is, the feedback control unit 30 is a loop that returns from the wideband laser light source 10 through the beam splitter 11 and the spectrum analyzer 20 to the wideband laser light source 10. The wideband laser light source 10 may be configured so that the wavelength of the laser light can be changed. That is, it may be configured to be controllable so that the weighted average wavelength of the wideband laser light source 10 is stabilized. The variable control may be performed, for example, by changing the drive current, the environmental temperature, or the like of the wideband laser light source 10. Therefore, the feedback control unit 30 may feedback-control the weighted average wavelength of the laser beam of the wideband laser light source 10 by applying negative feedback to the drive current and / or the temperature of the wideband laser light source 10.

本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、このように構成されることにより、広帯域のレーザ光の加重平均波長を安定化させることが可能となる。したがって、光ファイバジャイロスコープの光源のスケールファクタの安定度を向上させることが可能となる。このような本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置を用いれば、長期的に高精度なジャイロスコープが実現可能となる。 The optical fiber gyroscope light source device of the present invention can be configured in this way to stabilize the weighted average wavelength of a wide band laser beam. Therefore, it is possible to improve the stability of the scale factor of the light source of the optical fiber gyroscope. By using such a light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention, a gyroscope with high accuracy can be realized in a long period of time.

ここで、スペクトラムアナライザ２０によりフィードバック制御する際に、スペクトラムアナライザ２０自体の出力の安定度も問題となり得る。光スペクトラムアナライザは、空気中で測定した波長から真空中での波長を換算するものである。一般的な光スペクトラムアナライザは、時間と共に出力が数ｐｐｍドリフトすることが知られている。例えば、温度が１Ｋ変化すると最大１ｐｐｍ程度ドリフトする。また、気圧が１ｈＰａ変化すると、最大０．３ｐｐｍ程度ドリフトする。また、湿度が１０％変化すると、最大０．１ｐｐｍ程度ドリフトする。以下、このような環境に応じてドリフトし得るスペクトラムアナライザ２０自体の安定化について説明する。 Here, when feedback control is performed by the spectrum analyzer 20, the stability of the output of the spectrum analyzer 20 itself can also be a problem. The optical spectrum analyzer converts the wavelength in vacuum from the wavelength measured in air. It is known that the output of a general optical spectrum analyzer drifts by several ppm over time. For example, when the temperature changes by 1K, it drifts up to about 1ppm. Further, when the atmospheric pressure changes by 1 hPa, it drifts up to about 0.3 ppm. Further, when the humidity changes by 10%, it drifts up to about 0.1 ppm. Hereinafter, the stabilization of the spectrum analyzer 20 itself that can drift according to such an environment will be described.

図２は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置の他の構成を説明するための概略ブロック図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、この例では、さらに、スペクトラムアナライザ校正用光源４０を有している。そして、スペクトラムアナライザ２０は、スペクトラムアナライザ校正用光源４０を用いて校正される。即ち、スペクトラムアナライザ校正用光源４０からの安定したレーザ光を用いてスペクトラムアナライザ２０の波長校正を行うことで、スペクトラムアナライザ２０がドリフトすることを防止し、スペクトラムアナライザ２０の測定精度を長期的に安定化させることが可能となる。 FIG. 2 is a schematic block diagram for explaining another configuration of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. In the figure, the parts with the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same objects. As shown in the figure, this example further includes a spectrum analyzer calibration light source 40. Then, the spectrum analyzer 20 is calibrated using the spectrum analyzer calibration light source 40. That is, by performing wavelength calibration of the spectrum analyzer 20 using stable laser light from the spectrum analyzer calibration light source 40, it is possible to prevent the spectrum analyzer 20 from drifting and stabilize the measurement accuracy of the spectrum analyzer 20 over a long period of time. It becomes possible to make it.

このように構成された本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置では、校正用のスペクトラムアナライザ２０自体も、スペクトラムアナライザ校正用光源４０を用いて校正されるため、さらに長期的に安定したスケールファクタが得られる。 In the optical fiber gyroscope light source device of the present invention configured as described above, the spectrum analyzer 20 itself for calibration is also calibrated using the spectrum analyzer calibration light source 40, so that a more stable scale factor for a long period of time can be obtained. can get.

図３は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザ校正用光源の具体例を説明するための概略ブロック図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、スペクトラムアナライザ校正用光源４０は、シングルモードレーザ光源４１と、原子・分子セル４３とからなるものである。シングルモードレーザ光源４１は、ビーム径が小さく、高出力なものである。シングルモードレーザ光源４１のシングルモードレーザ光は、短期的には狭帯域スペクトルを有するものであるが、長期的にはドリフトしているため、これを長期的に安定化させるために、以下のように原子・分子セル４３を用いている。原子・分子セル４３は、基準周波数源となるものである。例えばルビジウム原子ガスやアンモニア分子ガス、アセチレン分子ガス等、使用する波長帯域に応じた特定の原子ガスや分子ガスがガラス容器内に封入されたセルである。原子・分子セル４３は、入力されたレーザ光をセル内の原子又は分子にロックさせ、レーザ光の波長を長期的に安定化させることが可能なものである。シングルモードレーザ光源４１からのレーザ光は、ビームスプリッタ４２を用いて一方が原子・分子セル４３へ、他方がスペクトラムアナライザ２０へ分割される。原子・分子セル４３へ入射されたレーザ光は、セル内の原子又は分子にロックし、波長が長期的に安定化される。この長期的に安定化されたレーザ光を光検出器４４で検出し、シングルモードレーザ光源４１をフィードバック制御する。シングルモードレーザ光源４１は、レーザ光の波長が可変可能に構成されていれば良い。スペクトラムアナライザ２０は、このように原子・分子セル４３にロックさせ長期的に安定化されたシングルモードレーザ光源４１からのシングルモードレーザ光を用いて校正されれば良い。 FIG. 3 is a schematic block diagram for explaining a specific example of a light source for spectrum analyzer calibration of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. In the figure, the parts with the same reference numerals as those in FIG. 2 represent the same objects. As shown in the figure, the spectrum analyzer calibration light source 40 includes a single-mode laser light source 41 and an atomic / molecular cell 43. The single mode laser light source 41 has a small beam diameter and a high output. The single-mode laser beam of the single-mode laser light source 41 has a narrow band spectrum in the short term, but drifts in the long term. Therefore, in order to stabilize this in the long term, the following is performed. The atomic / molecular cell 43 is used for. The atomic / molecular cell 43 serves as a reference frequency source. For example, a cell in which a specific atomic gas or molecular gas according to the wavelength band used, such as rubidium atomic gas, ammonia molecular gas, or acetylene molecular gas, is enclosed in a glass container. The atom / molecule cell 43 can lock the input laser light to an atom or molecule in the cell and stabilize the wavelength of the laser light for a long period of time. The laser beam from the single-mode laser light source 41 is split into atomic / molecular cells 43 on one side and spectrum analyzer 20 on the other side by using a beam splitter 42. The laser beam incident on the atom / molecule cell 43 is locked to the atom or molecule in the cell, and the wavelength is stabilized for a long period of time. This long-term stabilized laser beam is detected by the photodetector 44, and the single-mode laser light source 41 is feedback-controlled. The single-mode laser light source 41 may be configured so that the wavelength of the laser light can be changed. The spectrum analyzer 20 may be calibrated using the single-mode laser beam from the single-mode laser light source 41 thus locked to the atomic / molecular cell 43 and stabilized for a long period of time.

ここで、シングルモードレーザ光源４１からのシングルモードレーザ光であれば、レーザ周波数を原子・分子セル４３の基準周波数にロックさせレーザ光の波長を安定化させることが可能となる。しかしながら、広帯域光源を用いた場合には、原子・分子セル４３の基準周波数が狭帯域であるため、直接比較することが困難となる。したがって、フィードバック制御する構成のスペクトラムアナライザ校正用光源４０の光源は、シングルモードレーザ光源４１が好ましい。 Here, in the case of the single-mode laser light from the single-mode laser light source 41, it is possible to lock the laser frequency to the reference frequency of the atomic / molecular cell 43 and stabilize the wavelength of the laser light. However, when a wideband light source is used, it is difficult to make a direct comparison because the reference frequency of the atomic / molecular cell 43 is a narrow band. Therefore, the light source of the spectrum analyzer calibration light source 40 having the configuration of feedback control is preferably a single mode laser light source 41.

次に、スペクトラムアナライザ校正用光源の他の例について説明する。図４は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザ校正用光源の他の具体例を説明するための概略ブロック図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、この例のスペクトラムアナライザ校正用光源４０は、広帯域光源４５と、原子・分子セル４３とからなる。広帯域光源４５は、広帯域光を発することが可能なものであり、例えばＬＥＤ等であれば良い。原子・分子セル４３は、基準周波数源となるものであり、上述と同様に、特定の原子ガスや分子ガスがガラス容器に封入されたセルである。このような原子・分子セル４３に広帯域光源４５の広帯域光を透過させ、透過光を用いてスペクトラムアナライザ２０が校正されれば良い。この例では、原子・分子セル４３の吸収線自体を基準として用いてスペクトラムアナライザ２０を校正している。 Next, another example of the spectrum analyzer calibration light source will be described. FIG. 4 is a schematic block diagram for explaining another specific example of the spectrum analyzer calibration light source of the light source device for the optical fiber gyroscope of the present invention. In the figure, the parts with the same reference numerals as those in FIG. 2 represent the same objects. As shown in the figure, the spectrum analyzer calibration light source 40 of this example includes a wideband light source 45 and an atomic / molecular cell 43. The wideband light source 45 can emit wideband light, and may be, for example, an LED or the like. The atomic / molecular cell 43 serves as a reference frequency source, and is a cell in which a specific atomic gas or molecular gas is enclosed in a glass container as described above. The spectrum analyzer 20 may be calibrated by transmitting the broadband light of the broadband light source 45 through such an atomic / molecular cell 43 and using the transmitted light. In this example, the spectrum analyzer 20 is calibrated using the absorption line itself of the atomic / molecular cell 43 as a reference.

図５は、図４に示されるスペクトラムアナライザ校正用光源の出力の周波数スペクトルを説明するためのグラフであり、図５（ａ）が広帯域光源の周波数スペクトルであり、図５（ｂ）が原子・分子セル４３の吸収線スペクトルであり、図５（ｃ）がスペクトラムアナライザ校正用光源の出力の周波数スペクトルである。図５（ｃ）に示される通り、原子・分子セル４３の吸収線自体を用いてスペクトラムアナライザ２０を校正可能である。即ち、広帯域光源４５の光に対して原子・分子セル４３の吸収線を用いて広帯域光源が有する広いスペクトル中に鋭い吸収ディップを作り、このディップを用いてスペクトラムアナライザ２０を校正するものである。 5A and 5B are graphs for explaining the frequency spectrum of the output of the light source for calibrating the spectrum analyzer shown in FIG. 4, FIG. 5A is the frequency spectrum of the wideband light source, and FIG. 5B is the atom. It is the absorption line spectrum of the molecular cell 43, and FIG. 5C is the frequency spectrum of the output of the light source for calibrating the spectrum analyzer. As shown in FIG. 5 (c), the spectrum analyzer 20 can be calibrated using the absorption line itself of the atomic / molecular cell 43. That is, a sharp absorption dip is created in the wide spectrum of the wide spectrum light source by using the absorption line of the atomic / molecular cell 43 with respect to the light of the wide band light source 45, and the spectrum analyzer 20 is calibrated using this dip.

このように、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザ２０は、図３に示されるようにフィードバック制御により周波数を安定化させたレーザ光を用いて校正されても良いし、図４に示されるように広帯域光源４５を原子・分子セル４３に通すことで得られる出力を用いて校正されても良い。 As described above, the spectrum analyzer 20 of the light source device for the optical fiber gyroscope of the present invention may be calibrated using a laser beam whose frequency is stabilized by feedback control as shown in FIG. 3, or FIG. 4 It may be calibrated using the output obtained by passing the broadband light source 45 through the atomic / molecular cell 43 as shown in.

次に、スペクトラムアナライザ校正用光源の他の例について説明する。図６は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザ校正用光源のさらに他の具体例を説明するための概略ブロック図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図６には、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置の全体構成を示した。図示の通り、この例の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、原子・分子セル４３を有している。そして、スペクトラムアナライザ２０は、広帯域レーザ光源１０からのレーザ光が原子・分子セル４３を透過した透過光を用いて校正されている。このように、図示例は、スペクトラムアナライザ校正用光源４０が、広帯域レーザ光源１０と、原子・分子セル４３とからなるものである。さらに、広帯域レーザ光源１０は、図１や図２等と同様に、スペクトラムアナライザ２０とフィードバック制御部３０とを用いて安定化された上で、光ファイバジャイロスコープ１へ入力されている。即ち、広帯域レーザ光源１０は、光ファイバジャイロスコープ１の駆動用光源と共に、スペクトラムアナライザ校正用光源４０の光源としても用いることが可能である。具体的には、広帯域レーザ光源１０からのレーザ光は、図２に示される光ファイバジャイロスコープ用光源装置と同様に、ビームスプリッタ１１により分割されスペクトラムアナライザ２０により加重平均波長が求められ、これを用いてフィードバック制御部３０により広帯域レーザ光源１０がフィードバック制御され長期的に安定化される。さらに、この例では、広帯域レーザ光源１０からのレーザ光が原子・分子セル４３に入力され、その透過光を用いてスペクトラムアナライザ２０自体が校正されるものである。 Next, another example of the spectrum analyzer calibration light source will be described. FIG. 6 is a schematic block diagram for explaining still another specific example of the spectrum analyzer calibration light source of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. In the figure, the parts with the same reference numerals as those in FIG. 2 represent the same objects. FIG. 6 shows the overall configuration of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. As shown in the figure, the optical fiber gyroscope light source device of this example has an atomic / molecular cell 43. The spectrum analyzer 20 is calibrated using the transmitted light that the laser light from the wideband laser light source 10 has passed through the atomic / molecular cell 43. As described above, in the illustrated example, the spectrum analyzer calibration light source 40 includes a wideband laser light source 10 and an atomic / molecular cell 43. Further, the wideband laser light source 10 is stabilized by using the spectrum analyzer 20 and the feedback control unit 30, and then input to the optical fiber gyroscope 1, as in FIGS. 1 and 2. That is, the wideband laser light source 10 can be used as a light source for the spectrum analyzer calibration light source 40 together with the driving light source for the optical fiber gyroscope 1. Specifically, the laser light from the wideband laser light source 10 is divided by the beam splitter 11 and the weighted average wavelength is obtained by the spectrum analyzer 20 in the same manner as the light source device for the optical fiber gyroscope shown in FIG. The broadband laser light source 10 is feedback-controlled by the feedback control unit 30 and stabilized for a long period of time. Further, in this example, the laser light from the wideband laser light source 10 is input to the atomic / molecular cell 43, and the spectrum analyzer 20 itself is calibrated using the transmitted light.

例えば、広帯域レーザ光源１０として、ＳＬＤ光源を用いた場合について具体的に説明する。典型的なＳＬＤ光源としては、１５５０ｎｍ±５０ｎｍのスペクトルを有するものが挙げられる。そして、原子・分子セル４３としてアセチレン分子を封入したものを用いる。アセチレン分子には１５１０ｎｍ−１５４５ｎｍ辺りに多数の吸収線を有する。したがって、ＳＬＤ光源からのレーザ光を、アセチレン分子が封入された原子・分子セル４３に通すことで得られる出力を用いてスペクトラムアナライザ２０を校正することが可能となる。 For example, a case where an SLD light source is used as the wideband laser light source 10 will be specifically described. Typical SLD light sources include those having a spectrum of 1550 nm ± 50 nm. Then, the atom / molecular cell 43 in which the acetylene molecule is encapsulated is used. The acetylene molecule has a large number of absorption lines around 1510 nm-1545 nm. Therefore, it is possible to calibrate the spectrum analyzer 20 using the output obtained by passing the laser beam from the SLD light source through the atom / molecule cell 43 in which the acetylene molecule is encapsulated.

図７は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザへの入力を説明するための概略ブロック図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図２に示される本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置では、スペクトラムアナライザ２０には２つの信号が入力されている。即ち、広帯域レーザ光源１０からのレーザ光と、スペクトラムアナライザ校正用光源４０からのレーザ光とが、スペクトラムアナライザ２０に入力されている。したがって、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、図７に示されるように、光スイッチ２１を具備するように構成されれば良い。光スイッチ２１は、スペクトラムアナライザ２０に対して、広帯域レーザ光源１０からの入力と、スペクトラムアナライザ校正用光源４０からの入力とを切り替えるものである。即ち、広帯域レーザ光源１０を校正する際には、光スイッチ２１を広帯域レーザ光源１０からの入力側に切り替えて広帯域レーザ光源１０を校正する。また、スペクトラムアナライザ２０を校正する際には、光スイッチ２１をスペクトラムアナライザ校正用光源４０からの入力側に切り替えてスペクトラムアナライザ２０を校正する。 FIG. 7 is a schematic block diagram for explaining an input to a spectrum analyzer of the light source device for an optical fiber gyroscope of the present invention. In the figure, the parts with the same reference numerals as those in FIG. 2 represent the same objects. In the optical fiber gyroscope light source device of the present invention shown in FIG. 2, two signals are input to the spectrum analyzer 20. That is, the laser light from the broadband laser light source 10 and the laser light from the spectrum analyzer calibration light source 40 are input to the spectrum analyzer 20. Therefore, the optical fiber gyroscope light source device of the present invention may be configured to include the optical switch 21 as shown in FIG. 7. The optical switch 21 switches the input from the broadband laser light source 10 and the input from the spectrum analyzer calibration light source 40 to the spectrum analyzer 20. That is, when calibrating the wideband laser light source 10, the optical switch 21 is switched to the input side from the wideband laser light source 10 to calibrate the wideband laser light source 10. When calibrating the spectrum analyzer 20, the optical switch 21 is switched to the input side from the spectrum analyzer calibration light source 40 to calibrate the spectrum analyzer 20.

また、図８は、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置のスペクトラムアナライザへの入力の他の例を説明するための概略ブロック図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図７に示される光スイッチ２１に代わり、この例では、光カプラ２２を具備するように構成されている。光カプラ２２は、スペクトラムアナライザ２０に対して、広帯域レーザ光源１０からの入力と、スペクトラムアナライザ校正用光源４０からの入力とを合成して入力するものである。即ち、スペクトラムアナライザ２０を校正しながら広帯域レーザ光源１０を校正することが可能となる。 Further, FIG. 8 is a schematic block diagram for explaining another example of the input to the spectrum analyzer of the light source device for the optical fiber gyroscope of the present invention. In the figure, the parts with the same reference numerals as those in FIG. 2 represent the same objects. Instead of the optical switch 21 shown in FIG. 7, in this example, it is configured to include an optical coupler 22. The optical coupler 22 combines and inputs the input from the broadband laser light source 10 and the input from the spectrum analyzer calibration light source 40 to the spectrum analyzer 20. That is, it is possible to calibrate the wideband laser light source 10 while calibrating the spectrum analyzer 20.

なお、図５に示される広帯域光源４５や図６に示される広帯域レーザ光源１０を用いるスペクトラムアナライザ校正用光源４０の場合には、広いスペクトルが互いに重なってしまうため加重平均波長が測定できなくなり得る。したがって、この場合には、光カプラ２２ではなく、光スイッチ２１を用いる。広帯域レーザ光源１０をフィードバック制御するための広帯域レーザ光源１０からのレーザ光と、広帯域光源４５や広帯域レーザ光源１０を用いたスペクトラムアナライザ校正用光源４０からのレーザ光とを、所定のタイミングで完全に切り替えることが好ましい。なお、図３に示されるシングルモードレーザ光源４１を用いたスペクトラムアナライザ校正用光源４０の場合には、光スイッチ２１と光カプラ２２の何れも用いることが可能である。 In the case of the spectrum analyzer calibration light source 40 using the wideband light source 45 shown in FIG. 5 and the wideband laser light source 10 shown in FIG. 6, the weighted average wavelength may not be able to be measured because the wide spectra overlap each other. Therefore, in this case, the optical switch 21 is used instead of the optical coupler 22. The laser light from the wideband laser light source 10 for feedback control of the wideband laser light source 10 and the laser light from the spectrum analyzer calibration light source 40 using the wideband light source 45 and the wideband laser light source 10 are completely combined at a predetermined timing. It is preferable to switch. In the case of the spectrum analyzer calibration light source 40 using the single mode laser light source 41 shown in FIG. 3, either the optical switch 21 or the optical coupler 22 can be used.

なお、本発明の光ファイバジャイロスコープ用光源装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The optical fiber gyroscope light source device of the present invention is not limited to the above illustrated example, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

１光ファイバジャイロスコープ
１０広帯域レーザ光源
１１ビームスプリッタ
２０スペクトラムアナライザ
２１光スイッチ
２２光カプラ
３０フィードバック制御部
４０スペクトラムアナライザ校正用光源
４１シングルモードレーザ光源
４２ビームスプリッタ
４３原子・分子セル
４４光検出器
４５広帯域光源 1 Fibre-optic gyroscope 10 Wideband laser light source 11 Beam splitter 20 Spectrum analyzer 21 Optical switch 22 Optical coupler 30 Feedback control unit 40 Spectrum analyzer Calibration light source 41 Single mode laser light source 42 Beam splitter 43 Atomic / molecular cell 44 Optical detector 45 Wideband light source

Claims

A light source device for an optical fiber gyroscope for driving an optical fiber gyroscope, and the light source device for the optical fiber gyroscope is
A wideband laser light source that emits a wideband spectrum and low coherence laser beam,
A spectrum analyzer for measuring the weighted average wavelength weighted and averaged by the relative amplitude of the laser beam of the broadband laser light source, and
A feedback control unit that feedback-controls the weighted average wavelength of the laser beam of the wideband laser light source using the weighted average wavelength measured by the spectrum analyzer.
A light source device for an optical fiber gyroscope.

The optical fiber gyroscope light source device according to claim 1, wherein the broadband laser light source comprises a super luminescent diode light source or a super fluorescent fiber light source.

The light source device for an optical fiber gyroscope according to claim 1 or 2.
In addition, it has a light source for spectrum analyzer calibration.
The spectrum analyzer is calibrated using a spectrum analyzer calibration light source.
A light source device for an optical fiber gyroscope.

In the optical fiber gyroscope light source device according to claim 3, the spectrum analyzer calibration light source includes a single-mode laser light source that emits a single-mode laser beam and an atomic / molecular cell that is a reference frequency source.
The spectrum analyzer is calibrated using the single-mode laser beam from the single-mode laser light source that locks the single-mode laser beam of the single-mode laser light source to the atomic / molecular cell and is feedback-controlled.
A light source device for an optical fiber gyroscope.

In the light source device for an optical fiber gyroscope according to claim 3, the spectrum analyzer calibration light source includes a wide band light source that emits wide band light and an atomic / molecular cell that is a reference frequency source.
The spectrum analyzer is calibrated using the transmitted light from which the broadband light from the broadband light source has passed through the atomic / molecular cell.
A light source device for an optical fiber gyroscope.

The light source device for an optical fiber gyroscope according to claim 1 or 2.
Furthermore, it has an atomic / molecular cell that is a reference frequency source.
The spectrum analyzer is calibrated using the transmitted light in which the laser light from the wideband laser light source has passed through the atomic / molecular cell.
A light source device for an optical fiber gyroscope.

The light source device for an optical fiber gyroscope according to any one of claims 3 to 6, further comprising an input from a wideband laser light source and an input from a light source for calibrating the spectrum analyzer for the spectrum analyzer. A light source device for an optical fiber gyroscope, which comprises an optical switch for switching between.

The light source device for an optical fiber gyroscope according to claim 3 or 4, further synthesizing an input from a broadband laser light source and an input from a spectrum analyzer calibration light source for the spectrum analyzer. A light source device for an optical fiber gyroscope, which comprises an optical coupler.

In the optical fiber gyroscope light source device according to any one of claims 1 to 8, the feedback control unit applies negative feedback to the drive current and / or temperature of the wideband laser light source to reduce the laser of the wideband laser light source. A light source device for an optical fiber gyroscope characterized in that the weighted average wavelength of light is feedback-controlled.