JP2008292490A

JP2008292490A - 集積光源付光ファイバージャイロスコープ

Info

Publication number: JP2008292490A
Application number: JP2008134495A
Authority: JP
Inventors: A Douglas Meyer; メイヤー，ダグラス，エイ．; Ram Yahalom; ヤハロム，ロム
Original assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2008-12-04
Also published as: US20080291459A1; EP2096408A2; EP2096408A3

Abstract

【課題】集積光源付光ファイバージャイロスコープシステムの形成方法の提供。
【解決手段】光ファイバージャイロスコープシステム用の集積モジュールはサニャック効果を介して感知軸周りの回転を感知するように配した光ファイバー感知コイルと、基板と、基板上に形成した希土類ドープ光導波路とそして光源とを含む。光源と希土類ドープ光導波路２６は光ファイバー感知コイル内に互いに逆向きの光波を生成するように配される。希土類ドープ光ポリマー導波路を使用してこれらの構成要素を形成することによって、製造時間を短縮し、工程を簡略化し、低いコストで製造できる。
【選択図】図２

Description

この発明は一般に光導波路に関し、詳しくは光ポリマー導波路ならびにこのような導波路の、光ファイバー回転センサーシステムにおける使用に関する。

エルビウム、プラセオジムおよびネオジミウムのような希土類イオンでドープした光ファイバーは周知である。光増幅器、超蛍光光源そしてファイバーレーザーがドープファイバーテクノロジーを用いて製造されている。先行技術の導波路の製造では、導波路は光学的に透明な基板内に形成される必要がある。希土類イオンが次いで基板の導波路領域に拡散される。先行技術の工程は時間がかかり、プロセスエラーが発生する可能性がある多くの工程を必要とする。

この発明は希土類ドープ光ポリマー導波路および変調器を使用する。この使用の、他のドープ導波路を越える利点は製造方法と、光ファイバーのそれに匹敵して接近した屈折率にある。

ドープポリマー導波路の製造はより簡素で、より短い製造時間で、エラーの可能性が少なく、先行技術による導波路の製造より低いコストであることを証明する。

サニャック効果を介して感知軸まわりの回転を感知するように配置した光ファイバー感知コイルを包有する光ファイバージャイロスコープシステムのための集積モジュールは、基板と、基板上に形成した光導波路と、基板上に形成したドープ導波路を有する光源とを含み、光源ならびに光導波路は光ファイバー感知コイル内に逆方向に伝播する光波を生じるように配置してあり、そして集積モジュールは、基板に形成されて光ファイバー感知コイル内の光波の位相を変調する位相変調器を構成する複数の電極を有する。

光源は希土類ドープポリマー導波路とこの希土類ドープポリマー導波路に光結合したポンプ光源とを含むように形成できる。光源はまた、希土類ドープポリマー導波路の第１の端部に位置する第１の光反射器と希土類ドープポリマー導波路の第２の端部に位置する第２の光反射器とを含み、第２の光反射器は部分透過性として光信号を希土類ドープ光導波路から出力させるものとしてもよい。第１と第２の光反射器は鏡またはブラッグ格子として形成しても良い。

光源は、あるいはまた、第１の端部と第２の端部を有する希土類ドープポリマー導波路と、第１と第２の端部間で希土類ドープポリマー導波路内に光を結合するように配置した光結合器と、希土類ドープポリマー導波路に入力されるポンプ光を光結合器に送るように配置したポンプ光源とを含む。光源は更に、希土類ドープポリマー導波路の第１の端部近傍に位置する光反射器として機能するように配置した第１のブラッグ格子と、希土類ドープポリマー導波路の第１の端部と光結合器との間に位置する光反射器として機能するように配置した第２のブラッグ格子とを含み、第２のブラッグ格子は光信号を希土類ドープ光導波路から出力させるように部分透過性とする。

請求項７の集積モジュールは、更に、第２のブラッグ格子の温度を制御して波長の安定性を維持し、集積モジュールを選択波長に同調するように配置した温度制御装置を含む。

光源は希土類ドープガラス導波路およびこの希土類ドープガラス導波路に光結合したポンプ光源を有しても良い。光結合器が基板上のポンプ光源と希土類ドープガラス導波路との間に形成され、波長分割マルチプレクサが基板上の光結合器と希土類ドープガラス導波路との間に形成されて、希土類ドープガラス導波路内に形成された光信号が波長分割マルチプレクサに伝播するようにしても良い。光源は更に、波長分割マルチプレクサに光結合されて光信号を該マルチプレクサから受ける光アイソレーターと、光アイソレーターに結合されて光信号を複数の光ファイバー感知コイルに送るように配置した光信号スプリッターとを含んでも良い。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。

図１について、光ファイバージャイロスコープ２０はポリマー基板２４上に形成したモジュール２２を含む。ポリマー基板２４の第１の区分は希土類材でドープされて希土類ドープポリマー導波路（ＲＥＤＰＷ）２６を形成する。ＲＥＤＰＷ２６は基板２４の対向縁２８および３０の間を横切って延びる。ポンプ光源３２が光ファイバー３６によってＲＥＤＰＷ２６の一端３４に接続される。ポンプ光波とＲＥＤＰＷとの相互作用で拡大自然放出（ＡＳＥ）光源３８を形成する。

ポリマー基板２４の第２と第３の区分はドープされて光導波路４０および４２を形成する。光導波路４０および４２はそれぞれ、望ましくは平行な区分４４と４６の各々を有する。光導波路４０および４２はまた、互いに収束して光結合器５２を形成する区分４８および５０の各々を有する。

光導波路４０および４２の平行な区分４４および４６は、それぞれ、光ファイバー感知コイル５４に光結合される。光導波路４２の一端５６はＲＥＤＰＷ２６に光結合される。光導波路４０の一端５８は光ファイバー６０に光結合される。

モジュール２２はまた、基板２４上に形成した電極６４−６６を含む位相変調器６２を包有する。基板２４は望ましくは電子光学的な活動を有するポリマーチェーンを有するものとして形成される。これらポリマーチェーンはクロマフォアーと呼ばれ、適切な電圧が印加されると反応する。電極６４−６６は制御エレクトロニクスシステム６８に接続される。

光源３８からの光信号は光導波路４２内に結合される。光結合器５２は望ましくは光導波路４２からの光源光の半分を光導波路４０に結合する３ｄＢ装置である。光導波路４０および４２内の光信号は、それぞれ、時計方向と反時計方向の光波として光ファイバー感知コイル５４に入力される。光ファイバー感知コイル５４がその平面に直角な感知軸について回転すると、時計方向と反時計方向の光波はサニャック効果に従って光ファイバー感知コイル５４内で異なる通過時間を持つことになる。光ファイバー感知コイル５４を通過したあと、時計方向と反時計方向の光波は光結合器５２に伝播して戻り、そこで光波は結合して干渉パターンを形成する。結合された時計方向と反時計方向の光波を光導波路が光ファイバー６０に導波し、光ファイバー６０はこれら光波を光検出器７０に導波する。光検出器７０は光ファイバー感知コイル５４の回転速度の決定のために処理される電気信号を生成する。

ポリマー導波路の製造には他のフォトリシック処理に用いられるものと同じ技術を用いる。ここでは光導波路は、紫外線（UV）養生可能な材料から作られ、フォトマスクされ、露出され、ＵＶ照射下で養生されて、ポリマー材料にパターンが付与されて、光導波路が形成される。候補となるドープ用イオンには、ほんのいくつかを挙げると、エルビウム（Ｅｒ^＋３）、ネオジム（Ｎｄ^＋３）、プラセオジミューム（Ｐｒ^＋３）が含まれる。これらのイオンは光ファイバー産業ではドープ用材料として一般に用いられているため名指すが、これらのみをもって考慮すべき材料とすべきではない。

図２は本発明に従って形成した３軸の光ファイバージャイロスコープ７２を示す。この光ファイバージャイロスコープ７２は３個の光ファイバー感知コイル７４−７６を含む。これら光ファイバー感知コイル７４−７６は互いに直角の３個の軸（図示しない）についての回転を感知するように配置されることを理解すべきである。光ファイバージャイロスコープ７２はポリマー基板８０上に形成した集積化光信号源・位相変調器アセンブリー７８を含む。この集積化光信号源・位相変調器アセンブリー７８は３個の位相変調器８２−８４と、６個の光導波路８６−９１と、３個の光結合器９４−９６と、そしてＡＳＥ光源として機能する３個の希土類ドープ光導波路９８−１００とを含む。光ファイバー列ユニット１０２は６個の光ファイバー１０４−１０９を含む。光ファイバー１０４，１０６，１０８はそれぞれ光導波路８６,８８および９０に光結合される。光ファイバー１０５，１０７，１０９はそれぞれ希土類ドープ光導波路９８−１００に光結合される。ポンプレーザー１１２−１１４が光ファイバー１０５，１０７，１０９に光結合される。光検出器１１６−１１８が光ファイバー１０４，１０６，１０８により導波される光信号を受けるように配置される。光検出器１１６−１１８は電気信号を制御エレクトロニクスモジュール１２０に提供し、制御エレクトロニクスモジュール１２０はまたポンプレーザー１１２−１１４を制御するように配置される。

ポンプレーザー１１２−１１４からのポンプ光はそれぞれ光ファイバー１０５，１０７および１０９内を希土類ドープ光導波路９８−１００へ伝播する。ポンプ光は希土類ドープ光導波路９８−１００と反応してそれらをＡＳＥ光源として機能させるようにする。光結合器９４−９６はＡＳＥ光を感知コイル７４−７６内の時計方向の光波と反時計方向の光波とに分割する。感知コイル７４−７６がそれらの感知軸について回転すると、サニャック効果に従って、各コイル内を逆方向に伝播する光波に各コイルのそれぞれの回転速度を表す位相シフトが生じる。位相シフトした光波は感知コイル７４−７６を通過した後光結合器内で組み合わさり、干渉パターンの形で出力信号を生成する。光導波路８６、８８および９０は光結合器９４−９６からの出力信号を光ファイバー１０４，１０６，１０８に導波し、これら光ファイバーは出力信号を更に光検出器１１６−１１８まで導波する。制御エレクトロニクスモジュール１２０が光検出器１１６−１１８から電気信号を受け、これら信号を処理して感知コイル７４−７６の各々について回転速度を決定する。制御エレクトロニクスモジュール１２０はまた位相変調器８２−８４（ＰＭ１、ＰＭ２およびＰＭ３とも表記）に信号を送って３個の感知コイル７４−７６の各々における時計方向と反時計方向の光波の位相差を取消す。

図３は本発明による光ファイバージャイロスコープの形成に用い得るモジュール１３０を示す。このモジュール１３０は、シリコン上のシリカのようなドープガラスでなる基板１３２上に形成され得る。モジュール１３０はエルビウムドープ導波路１３４と、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１３６と、ジャンクション１４２において交差する一対の導波路１３８および１４０と、ポンプレーザー１４４とを含む。基板１３２上に形成される光導波路は、望ましくは当業で周知の、コンパクトな平面状光波回路として形成される。ポンプレーザー１４４はポンプ光を光導波路１３８に送り、光導波路１３８はポンプ光をＷＤＭ１３６に導波する。ＷＤＭ１３６はエルビウムドープ導波路１３４と光結合される。ポンプ光はエルビウムドープ導波路をＡＳＥ光信号源として機能させるようにする。エルビウムドープ導波路１３４を発した光はＷＤＭ１３６を通って光導波路１４０に伝播する。

光導波路１４０はＷＤＭ１３６からの光信号を基板１３２上に形成し得る光アイソレーター１４６に導波する。光アイソレーター１４６は光信号を一方向にのみ伝播させる。光アイソレーター１４６を通過した後、光信号は光導波路１４８を通ってジャンクション１５０に伝播し、ジャンクション１５０は１×３光結合器として機能する。光信号強度のおおむね３分の１が光導波路１４８内に留まり、残余は二つの光導波路１５２および１５４の間で分割される。

光導波路１４８，１５２および１５４は各々光信号を基板１３２上に形成したブラッグ格子１５６に導波する。ブラッグ格子１５６を越えて伝播した後、光信号は光導波路１４８，１５２および１５４から対応する光ファイバー１５８−１６０に結合され、図２に示すような光ファイバー感知コイルに入力される。

感知コイルから戻った信号は光導波路１４８，１５２および１５４から光導波路１６２−１６４に結合し、次いで光検出器１６６−１６８により検出される。光検出器１６６―１６８から出力される電気信号は図２について前述したように制御エレクトロニクスモジュールによって処理され、互いに直角の３個の感知軸についての回転速度を決定する。

図４−９は光ファイバージャイロスコープ回転センサーシステムに用いるに適した光信号源のための希土類ポリマー導波路を含む各種構成を示す。図４について、光源１７０はポンプ光を光導波路１７４内に注入するように配した光ポンプ１７２を含む。ポンプ光は光導波路１７４内を、ポリマー基板１７８内に形成した希土類ドープポリマー導波路１７６に伝播する。ポンプ光はドーパントとの相互作用により拡大自然放出（ＡＳＥ）又は超蛍光（ＳＦＳ）光信号出力を生成する。

図５は逆ポンプ光源１８０を示す。光導波路１８２は光ポンプ１７２からのポンプ光をポリマー基板１７８内の光結合器に導波する。ポンプ光は希土類ドープポリマー導波路１７６内に結合して、図４について前述したように光出力を生成する。光源１８０内のポンプ光は光出力から反対方向に伝播し、光源１８０の光出力には含まれない。

図６について、逆ポンプされ狭い線幅のレーザー源１８６は希土類ドープポリマー導波路１７６の両端１９２および１９４を終わらせるように配置した鏡１８８および１９０を含む。鏡１８８は非常に高い反射性を有するのに対し、鏡１９０は部分透光性である。これら鏡１８８および１９０は発射光のモードを制限して少しのレージングモードのみを選択してレーザー出力として鏡１９０を通過させる。

図７について、逆ポンプレーザー構成１９６は、希土類ドープポリマー導波路１７６の両端近くに位置させてゲインキャビティを形成する一対のブラッグ格子１９８および２００を用いる。ブラッグ格子２００はレーザー光をゲインキャビティから出させる。

図８は、図７におけるように希土類ドープポリマー導波路１７６の一端近くに位置するブラッグ格子１９８を有する逆ポンプレーザー構成２０２を示す。光結合器１８４が第２のブラッグ格子２０４と希土類ドープポリマー導波路１７６の出力端との間にくるように、第２のブラッグ格子２０４が配置される。

図９は、希土類ドープポリマー導波路１７６の一端の鏡２０８と、図８に示すように鏡２０８と光結合器１８４との間に配したブラッグ格子２０４とを含む逆ポンプレーザー構成２０６を示す。鏡２０８とブラッグ格子２０４はレージングキャビティを区画し、ブラッグ格子２０４はまたレーザービームとしてレージングキャビティから出力される波長を選択するために使用される。レーザー構成２０６にまた小型の熱電装置２１０を含めれば、ブラッグ格子２０４の温度を制御して波長安定性を維持し、レーザーを選択波長に同調するために使用できる。

光結合器１８４は光導波路２１６からの光を希土類ドープポリマー導波路１７６に結合するよう形成される。ポンプ光源２１２はポンプ光を光導波路２１６に送るように配される。アイソレーター２１４がポンプ光源２１２と光導波路２１６の間におかれる。光検出器２１８が光導波路２１６からのポンプ光の一部を受けてポンプ光源の強度を監視するよう配置される。レーザー出力は光ファイバーピグテールに結合できる。

レーザー構成２０６の構成要素は、レーザー構成２０６の温度制御を行うために配置した熱電装置２２２上に取り付けられ得る。熱電装置２２２は、シリコンまたは他の適宜の材料で形成したベース２２４上に取り付けられ得る。

本発明による光ファイバージャイロスコープの第１の実施例を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープの第２の実施例を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープの第３の実施例を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成する光ポンプに接続したストレートチャンネル希土類ドープポリマー導波路（ＲＥＤＰＷ）を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するための３ｄＢスプリッターを用いた逆ポンプＲＥＤＰＷを含む光源を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにゲインキャビティを形成する鏡を用いたＲＥＤＰＷレーザー構成を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにゲインキャビティを形成するブラッグ格子の第１の配列を用いたＲＥＤＰＷレーザー構成を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにゲインキャビティを形成するブラッグ格子の第２の配列を用いたＲＥＤＰＷレーザー構成を示す。本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにレーザーキャビティを形成する鏡とブラッグ格子を用いたＲＥＤＰＷレーザー構成を示す。

符号の説明

２０光ファイバージャイロスコープ
２２集積モジュール
２４ポリマー基板
２６希土類ドープポリマー導波路
３２ポンプ光源
３６光ファイバー
３８拡大自然放出（ＡＳＥ）光源
４０，４２光導波路
５２光結合器
５４光ファイバー感知コイル
６０光ファイバー
６２位相変調器
６４−６６電極
６８制御エレクトロニクスシステム
７０光検出器
７２光ファイバージャイロスコープ
７４−７６光ファイバー感知コイル
７８集積化光信号源・位相変調器アセンブリー
８０基板
８６−９１光導波路
９４−９６光結合器
９８−１００希土類ドープ光導波路
１０２光ファイバー列ユニット
１０４−１０９光ファイバー
１１６−１１８光検出器
１２０制御エレクトロニクスモジュール
１３０モジュール
１３２基板
１３４エルビウムドープ導波路
１３６波長分割マルチプレクサ
１３８，１４０光導波路
１４４ポンプレーザー
１４６光アイソレーター
１４８，１５２，１５４光導波路
１５０ジャンクション
１５６ブラッグ格子
１５８−１６０光ファイバー
１６２−１６４光導波路
１６６−１６８光検出器
１７０光源
１７２光ポンプ
１７４光導波路
１７６希土類ドープポリマー導波路
１７８ポリマー基板
１８０逆ポンプ光源
１８２光導波路
１８４光結合器
１８６レーザー源
１８８，１９０鏡
１９６逆ポンプレーザー構成
１９８，２００ブラッグ格子
２０２逆ポンプレーザー構成
２０４ブラッグ格子
２０６逆ポンプレーザー構成
２０８鏡
２１０熱電装置
２１２ポンプ光源
２１４アイソレーター
２１６光導波路
２１８光検出器
２２２熱電装置
２２４ベース

Claims

サニャック効果を介して感知軸まわりの回転を感知するように配した光ファイバー感知コイル（５４）を含む光ファイバージャイロスコープシステム用の集積モジュール（２２）であって、
基板（２４）と、
基板（２４）上に形成した希土類ドープ光導波路（２６）と、
希土類ドープ光導波路（２６）を含む光源（３８）であってこの光源（３８）と希土類ドープ光導波路（２６）は光ファイバー感知コイル（５４）内に逆方向に伝播する光波を生じるように配置されたものと、
基板（２４）上に形成されて光ファイバー感知コイル（５４）内の光波の位相を変調する位相変調器（６２）を形成する複数の電極（６４−６６）と
を有する光ファイバージャイロスコープシステム用の集積モジュール（２２）。
希土類ドープ光導波路（１７６）を包有し、ポリマーならびに希土類ドープポリマー導波路（１７６）と光結合したポンプ光源（１７２）を有する光源（１８０）を含む請求項１の集積モジュール（２２）。
光源（１８６）を含み、光源（１８６）は
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）に光結合されたポンプ光源（１７２）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）の第１の端部（１９２）に位置する第１の光反射器（１８８）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）の第２の端部（１９４）に位置し、部分透過性で光信号を希土類ドープポリマー光導波路（１７６）から出力させる第２の光反射器（１９０）と
を包有する請求項１の集積モジュール（２２）。
第１と第２の光反射器（１８８，１９０）は鏡として形成される請求項１の集積モジュール。
第１と第２の光反射器（１８８，１９０）はブラッグ格子（１９６，２００）として形成される請求項１の集積モジュール。
光源（３８）は、
第１の端部（１９２）と第２の端部（１９４）を有する希土類ドープポリマー光導波路（１７６）と、
第１と第２の端部（１９２，１９４）の間の希土類ドープポリマー光導波路（１７６）内に光を結合するように配した光結合器（１８４）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）への入力用としてポンプ光を光結合器（１８４）に提供するように配したポンプ光源（１７２）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）の第１の端部（１８８）近傍に位置する光反射器として機能するように配した第１のブラッグ格子（１９８）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）の第２の端部（１９４）近傍に位置する光反射器として機能するように配し、希土類ドープポリマー光導波路（１７６）から光信号を出力させるように部分透過性である第２のブラッグ格子（２００）と
を有する請求項１の集積モジュール（２２）。
光源（３８）は、
第１の端部（１９２）と第２の端部（１９４）を有する希土類ドープポリマー光導波路（１７６）と、
第１と第２の端部（１９２，１９４）間の希土類ドープポリマー光導波路（１７６）内に光を結合するように配した光結合器（１８４）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）への入力用としてポンプ光を光結合器（１８４）に提供するように配したポンプ光源（１７２）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）の第１の端部（１９２）近傍に位置する光反射器として機能するように配した第１のブラッグ格子（１９８）と、
希土類ドープポリマー光導波路（１７６）の第１の端部（１９２）と光結合器（１８４）との間に位置する光反射器として機能するように配し、希土類ドープポリマー光導波路（１７６）から光信号を出力させるように部分透過性である第２のブラッグ格子（２００）と
を有する請求項１の集積モジュール（２２）。
第２ブラッグ格子（２００）の温度を制御して波長の安定性を維持すると共にモジュール（２２）を選択した波長に同調させるように配した温度制御装置（２１０）を更に備える請求項７の集積モジュール（２２）。
ポンプ光源と希土類ドープガラス導波路（１３４）の間に形成された光結合器（１４２）と、
光結合器（１４２）と希土類ドープガラス導波路との間の、希土類ドープガラス導波路（１３４）内で形成された光信号が伝播する波長分割マルチプレクサ（１３６）と、
波長分割マルチプレクサ（１３６）と光結合されて該マルチプレクサから光信号を受信する光アイソレーター（１４６）と、
光アイソレーター（１４６）に結合されて光信号を複数の光ファイバー感知コイルに提供するように配した光信号スプリッター（１５０）と
を更に包有する請求項１の集積モジュール（２２）。