2026-01-09
光源は、光ファイバジャイロスコープにおける光信号の出発点です。その主な機能は、安定した光を生成し、それをシステムに送ることです。一般的に、SLDやASE光源などの低コヒーレンス光が使用されます。
図3.3 FOG光源
光源から放射された光はまずカプラに入り、そこで光が均等に2つのビームに分割され、それらが別々にその後の光路（光ファイバ）に導かれます。カプラを通して、元々は単一の経路だった光が、時計回りおよび反時計回りの両方向に伝播するように割り当てられ、その後のサニャック効果の利用の基礎を築きます。
光ファイバカプラは、光信号を再分配するように設計された光ファイバコンポーネントです。光スプリッタ、光コンバイナ、光カプラなど、さまざまな光ファイバデバイスを含みます。このコンポーネントは、単一のファイバからの信号を複数のファイバに分配したり、複数のファイバからの信号を単一のファイバに結合したりできます。
図3.4 光ファイバカプラ
Xカプラは、スプリッタとコンバイナの機能を単一のパッケージ内に統合しています。2つの入力ファイバからの光パワーを結合および分配し、それを別々に2つの出力ファイバに送信します。2×2カプラとも呼ばれます。
図3.5 X型カプラ（2x2）
Y字型導波路は、特徴的なY字型構成を持つY字型カプラの一種です。
光源からの光はY導波路に入射し、Y分岐導波路によって2つのビームに分割されます。これらのビームは、それぞれ時計回りおよび反時計回りの方向にファイバコイル内を伝播します。ファイバコイル内で1つの完全なサイクルを完了した後、ビームはY分岐導波路によって1つのビームに再結合され、最終的に光検出器に到達します。
光の分割と結合の機能に加えて、Y導波路は偏光と無偏光、位相変調などの機能も実現できます。
図3.6 酸化ビスマスリチウムの多機能集積光学デバイス（Y導波路）
2×2カプラに入った後、光はY導波路を通って光ファイバリングに入ります。このリングは、延長されたファイバを巻き付けることによって形成され、光が閉じた経路に沿って伝播することを可能にします。光がリング内で時計回りおよび反時計回りに同時に伝播する場合、ファイバの回転は2つのビーム間にわずかな時間差を生じさせ、その結果、位相差が生じます。この現象はサニャック効果として知られており、光ファイバジャイロスコープが回転情報を検出する中核的なメカニズムを形成します。
微小な回転を検出するために、光ファイバは数百メートル、さらには数千メートルの長さを必要とします。このような広範囲の光路は非現実的ですが、サニャック効果は、感度が光路によって囲まれた面積に直接比例することを示しています。柔軟なファイバを複数回コイル状にすることで、物理的な寸法を大幅に削減しながら、同じ有効面積を維持できます。
図3.7 光ファイバリング
光ファイバジャイロスコープでは、光ファイバは通常、数十回、数百回、さらにはそれ以上の回数巻き付けられます。これは、サニャック効果によって生成される位相差が、単一の回転のサイズだけではなく、光路によって囲まれた有効面積に依存するためです。巻き付け回数を増やすことで、限られた体積内で光の伝播距離を大幅に延長し、それによって回転によって生じる時間差と位相差を増幅できます。
原理は単純に次のように理解できます。光がファイバリングを長く移動するほど、回転の影響が顕著になります。これは、高精度光ファイバジャイロスコープが通常、より長いファイバリングを特徴とし、低精度または教育用デバイスが比較的短いファイバ長を使用する理由を説明しています。ファイバリングの巻き付け品質は、光ファイバジャイロスコープの測定精度に直接影響し、特殊な高精度巻き付け装置が必要です。光ファイバジャイロスコープは、洗練された物理的原理に依存するだけでなく、非常に厳格な製造プロセスも要求します。
図3.8 光ファイバリングシステム
光ファイバジャイロスコープでは、光電検出器は光学系の最後に配置されます。その主な機能は、ファイバリングから反射された光信号を受信し、それらを電気信号に変換することです。光電効果に基づくデバイスとして、光電検出器は光信号を電気信号に変換します。人間の目と同様に機能し、可視光と不可視の微弱な信号の両方を検出できます。
時計回りおよび反時計回りに伝播する2つの光ビームがシステム内で再び収束すると、光干渉が発生します。回転はビーム間に位相差を生じさせ、干渉光の強度を変動させます。光電検出器はこの現象を利用して、微小な強度変動を電気信号に変換します。干渉信号は通常非常に弱いため、これらの検出器は、その後の回路が回転関連情報を正確に捕捉できるように、高い感度を持っている必要があります。
図3.9 光電検出器
光電検出器から出力される電気信号は非常に弱く、直接使用することはできません。したがって、回転角速度の最終的な測定値を得るために、一連の信号処理ステップが必要です。プロセス全体は、次のステップに単純に分割できます。
Ø 予備増幅：非常に弱い電気信号を、後続の回路による安定した処理に適したレベルにブーストします。
Ø 信号変換と復調：増幅された電気信号は、コンピュータまたはデジタル回路で処理可能な信号に変換され、光位相差に関連する情報がそこから抽出されます。
Ø 制御と出力：コントローラは、復調結果に基づいて回転角速度に対応する値を計算し、出力インターフェースを介して外部システムに結果を提供します。
図3.10：FOG信号処理回路（図のトップ回路基板）
光ファイバジャイロスコープの決定的な特徴は、回転を測定するために機械構造ではなく光を使用することであり、これにより、重要な性能指標において明確な利点が得られます。
Ø 高精度：システムは光学原理を使用して回転を測定し、機械的振動への依存を排除して精度を向上させます。
Ø 安定した性能：内部に高速機械部品がないため、長時間の動作中のドリフトを最小限に抑えます。
Ø 優れた振動および衝撃耐性：航空機や船舶などの振動環境でも、信頼性の高い測定性能を維持します。
Ø 高い信頼性と長い耐用年数：光ファイバとコンポーネントは摩耗が最小限であり、継続的な長期動作に最適です。
優れた性能にもかかわらず、光ファイバジャイロスコープは普遍的に適用できるわけではありません。
Ø かさばるサイズと重量：長い光ファイバを巻き付ける必要があるため、小型化が困難です。
Ø 高コスト：ファイバ材料、光学コンポーネント、および精密製造プロセスにより費用が増加します。
Ø 高い消費電力：バッテリー駆動のマイクロデバイスには理想的ではありません。
光ファイバジャイロスコープは、すべてのジャイロスコープを置き換えることを意図しているのではなく、高精度、信頼性、および環境適応性を必要とする分野で重要な役割を果たすことを意図しています。従来のMEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）ジャイロスコープとは異なり、それらは「プロの長距離ランナー」のように機能し、極端な小型化とコスト効率よりも安定性と精度を優先し、航空宇宙、深海、およびハイエンド機器のアプリケーションで静かに方向を維持しています。
次回飛行機に搭乗したり、自律的に航行する深海探査機を想像したりするときは、繊細な光ファイバリングを光線が駆け抜け、微妙な時間差を利用して私たちの道を案内していることを覚えておいてください。
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