JP2009210573A - 光ファイバジャイロスコープにおいて使用するスティッチされた導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバジャイロスコープにおいて使用するスティッチされた導波路を提供する。
【解決手段】光集積回路（１１５）は第１の材料の第１の導波路部（２００）を含む。第１の導波路部（２００）は第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）が形成される接合部（２１０）で終了する入力ポート部（２０５）を含む。第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）は第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）にそれぞれ結合される。第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）は第１の材料と異なる第２の材料で拡散される。第１及び第２の変調器（２３５、２４０）は第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）にそれぞれ結合される。変調器（２３５、２４０）の各々はそれぞれの電界を生成するそれぞれの変調電圧を提供する。第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）は電界が実質的に０であるそれぞれの位置で第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）に結合される。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ファイバジャイロスコープにおいて使用するスティッチされた導波路に関する。

光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、角速度を測定するために光の干渉を使用する。回転は、サニャック干渉計を形成する光ファイバの大きなコイルを備えたＦＯＧにおいて感知される。回転を測定するために、２つの光ビームが、光集積回路（ＩＯＣ）のような電気光学変調装置によって反対方向でコイルへ導入される。コイルが回転を経験していると、回転の方向に進むビームは回転に逆らって進むビームよりファイバのもう一方の端までに経験するパスがより長くなる。これはサニャック効果として知られている。ビームがファイバを出ると、ビーム同士がＩＯＣにおいて組み合わせられ、ＩＯＣの中のサニャック効果及び変調により、反対方向に回転するビーム間の位相シフトによりビームが干渉し、結合したビームをもたらし、その強度及び位相はコイルの角速度に依存する。

真空環境においてプロトン交換ＩＯＣを使用してＦＯＧをテストする場合、電気光学変調の破損が時間とともに生じて成長し、結果的にＦＯＧを動作不能にすることが分かっている。ＦＯＧ出力における変調を破損させる正確な現象は、部分的に理解されているに過ぎず、ＩＯＣの電極の近くの電界に沿ったイオン移動を含むものと思われる。

図１を参照すると、ＬｉＮｂＯ_３のＩＯＣにおいて、電圧が導波路と平行な電極間で当該導波路にわたって加えられる場合、ピエゾ効果（piezo-electric effect）により、分極した分子中の原子間の間隔が変更され、それは次に屈折率を変化させる。この効果は、導波路を通過する電磁波の位相φ（ｔ）の変調を可能にする。

通常、ＬｉＮｂＯ_３のＩＯＣでは、電極に印加された電界に対する屈折率の反応は、電圧に非常に正確に従う。しかしながら、真空に漬かった後には、ＲＤＳと呼ばれる現象が現われ、その反応が悪くなる。

より具体的には、時刻をｔとする、電極間の電圧Ｖ_φ（ｔ）は、導波路中の光の位相をΔφだけ変化させる。空気中の通常のＩＯＣの動作中、Δφ（ｔ）は、Ｖ_φ（ｔ）のトレースの形に正確に従う。ＩＯＣがわずかな時間の間真空にあった後、Ｖ_φ（ｔ）に従う代わりに、Δφ（ｔ）はΔφ（ｔ）として下側のトレースに示されるように破損して、電圧ステップの上段と下段の両方で所望のΔφをオーバーシュートする。

実施例では、光集積回路は、第１の材料の第１の導波路部を含む。第１の導波路部は、そこから第１の導波路部の第１及び第２の分岐部が形成される第１の導波路部の接合部において終了する入力ポート部を含んでいる。第２及び第３の導波路部は、第１及び第２の分岐部にそれぞれ結合される。第２及び第３の導波路部は第１の材料と異なる第２の材料で拡散される。第１及び第２の変調器は、第２及び第３の導波路部にそれぞれ結合される。変調器の各々は、第２及び第３の導波路部にわたってそれぞれの電界を生成するそれぞれの変調電圧を提供する。第２及び第３の導波路部は、変調電界が実質的に０であるそれぞれの位置で第１及び第２の分岐部に結合される。

本発明の好ましい実施例及び代替的な実施例は、以下の図面に関して以下に詳細に記述される。

ＩＯＣにおける破損した変調のＲＤＳ効果をグラフ形式で説明する図である。 本発明の実施例によるＦＯＧを説明する図である。 本発明の実施例によるＩＯＣを説明する図である。 誤って調整されたスティッチの消光比を説明する図である。

より完全に以下に記述されるように、一実施例によるサニャックジャイロスコープの光回路は、ＩＯＣ、光源、偏光サーキュレータ、検出器及びファイバ・コイルで構成されてもよい。実施例は、印加電圧がＬｉＮｂＯ_３の屈折率を変化させるので、ナビゲーション品質等級のジャイロにおいて有用な、結晶のＬ１ＮｂＯ_３の集積されたＩＯＣを使用してもよい。この特性は、高速で正確で洗練された、速度感知コイルを進む光の変調を可能にすることにより、閉ループジャイロにおける優れた性能を提供する。

初期の研究では、ＬｉＮｂＯ３で作成されたＩＯＣが、チタン（Ｔｉ）を導波路のＬｉＮｂＯ_３に拡散してｙ接合を作成するように設計された。ファイバレーザからの光を含むファイバは、ｙの単一の尾に取り付けられ、ファイバ・コイルの２つの端部はｙ接合の２つの出力に取り付けられた。導波路と平行で導波路に近接している電極上の低電圧波形は、導波路の屈折率を変化させ、ファイバ・コイル中で伝播する時計回り及び反時計回りの光ビーム間の正確な位相変調を可能にする。

導波路を作成するためにＬｉＮｂＯ_３に対してプロトン交換プロセスを使用することには、１つの偏光のみの光がＩＯＣを介して伝搬されるという明らかな利益がある。これは、光ファイバジャイロによる速度測定の精度を、最も要求の厳しいナビゲーション条件に必要なレベルにまで大幅に増加させ、一実施例においては、ジャイロ回路中の外部偏光子の必要をなくす。

図２は、本発明の実施例によるＦＯＧシステム１００を説明する。光源１０５はオプションのカプラ１１０に光信号又はビームを供給し、カプラ１１０は検出器１２０へビームの一部を向け直すように機能してもよい。ビームの残りは、サーキュレータ素子１３０を介して、ファイバ・コイル１２６を有する感知ループ・アセンブリ１２５のＩＯＣ１１５に供給されてもよく、サーキュレータ素子１３０は検出器１２０に結合される。

図３は、本発明の実施例によるＩＯＣ１１５を説明する。ＩＯＣ１１５は第１のプロトン交換導波路部２００を含んでいる。第１の導波路部２００は、第１及び第２の分岐部２１５及び２２０がそこから形成される接合部（ｙ接合）２１０で終了する入力ポート部２０５を含んでいる。第１及び第２の分岐部２１５及び２２０はそれぞれの曲部２６０及び２６５を含んでいる。曲部２６０及び２６５は図３において説明されるような角度の「ひじ」構成を有してもよいし、図示されたものより厳しくなく、より丸い曲率半径で構成されてもよい。

チタンが拡散された導波路部２２５及び２３０は、第１及び第２の分岐部２１５及び２２０にそれぞれ結合される。電極２３５、２４０のような第１及び第２の変調器は、導波路部２２５及び２３０にそれぞれ結合される。電極２３５及び２４０の各々は、それぞれの電界を生成するそれぞれの変調電圧を提供する。ＩＯＣ１１５は、導波路部２２５及び２３０に結合された、第２及び第３のプロトン交換導波路部２４５及び２５０をさらに含んでもよい。

一実施例において、ジャイロスコープに対するＲＤＳの問題の解決手法は、「スティッチング（stitching）」と呼ばれる方法を含んでいる。スティッチングは、同じ基板２５５上でＴｉ拡散されてプロトン交換された導波路の接続されたセグメントを作成することを含む。

図３を再び参照すると、一実施例では、導波路部２２５及び２３０はスティッチされるか、あるいは電極２３５及び２４０によって生成された電界が実質的に０であるそれぞれの位置２７０及び２７５において第１及び第２の分岐部２１５及び２２０に結合される。さらに、第２及び第３のプロトン交換導波路部２４５及び２５０は、電極２３５及び２４０によって生成された電界が実質的に０であるそれぞれの位置２８０及び２８５において導波路部２２５及び２３０に対してスティッチされる。そのため、スティッチングは、電極２３５及び２４０から十分に遠くで行われ、プロトン交換導波路２００、２４５、２５０は変調電圧に関連した電界に影響されない。

さらに、好ましくは、それぞれの位置２７０及び２７５は、電極２３５、２４０と曲部２６０、２６５との間のほぼ中間である。そのため、スティッチングは、曲部２６０及び２６５から、曲部で生じ得るモードの遷移効果を回避するのに十分離れた距離で生じる。

図３で説明された手法に対するさらなる利点は以下の文脈に述べられる。
速軸と遅軸との間の結合は、双方のビームにおける光を同時に位相整合することが可能でないという理由で生じることができないので、ＬｉＮｂＯ_３のような複屈折材料の速軸と遅軸に沿って伝播する直線偏光された光は、その軸にとどまる。

結晶中で複屈折を発現させる結晶面に沿ったＴｉ又はＨ＋の拡散のための周知のプロセスによって導波路を物理的に形成することができるので、スティッチされた導波路の速軸と遅軸の間の角度のアラインメントは、事実上完全であり、プロトン交換導波路によって与えられるその高い消光比を維持する特性である。

複屈折の結晶のような異方性物質では、電気ベクトルは、直交平面（Ｈ及びＶ）中の伝搬ベクトルに対して垂直に振動する。ＨとＶのアジマス及び屈折率は結晶を含む分子の化学量論の配置によって決定される。屈折率は、それぞれのＨ及びＶ平面における原子の面密度（すなわち原子／ｍｍ^２）に比例する；複屈折は平面に沿った屈折率の違いに比例する。

図４は、誤って調整されたスティッチの消光比を説明する。スティッチで得られた消光比は、結晶中の軸に関して電界振動の角度の不整合εによって決定され、以下のようにＨ軸及びＶ軸における強度の比率である：

小さなεに対して。消光比は１０・ｌｏｇ［ε^２］としてデシベル（ｄＢ）で一般に表現される。
図３で示された実施例において、スティッチングは、結晶面に平行か非常に平行に近い導波路の部分において生じる。

さらに、ＬｉＮｂＯ_３結晶面は、Ｔｉ拡散された導波路における複屈折軸及びプロトン交換導波路における光の経路軸の両方のアラインメントを決定する。これは、スティッチにおける角度のアラインメントをほとんど完全にし、それにより、ＩＯＣにおける角度の不整合によるジャイロ速度誤差を回避する。

さらに、偏光プロトン交換導波路及びＴｉ拡散導波路を含むスティッチされた導波路ＩＯＣ１１５の消光比は、プロトン交換ＩＯＣのそれと実質的に同じである。
上述のように、本発明の好ましい実施例が説明され記述されたが、多くの変更を本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに行なうことができる。従って、本発明の範囲は好ましい実施例の開示によって制限されない。代わりに、本発明は添付の特許請求の範囲への参照によって決定されるべきである。

Claims (3)

1. 光集積回路（１１５）であって、
   第１の材料の第１の導波路部（２００）であって、第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）がそこから形成される接合部（２１０）で終了する入力ポート部（２０５）を含む、第１の導波路部（２００）と、
   前記第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）にそれぞれ結合され、前記第１の材料と異なる第２の材料で拡散される、第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）と、
   前記第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）にそれぞれ結合され、それぞれの電界を生成するそれぞれの変調電圧を各々が提供する第１及び第２の変調器（２３５、２４０）とを含み、
   前記第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）は、前記電界が実質的に０であるそれぞれの位置において前記第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）に結合される、光集積回路（１１５）。
2. 前記第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）はそれぞれの曲部（２６０、２６５）を含み、
   前記第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）は、前記第１及び第２の変調器（２３５．２４０）と前記曲部（２６０、２６５）との間のほぼ中間のそれぞれの位置において前記第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）にさらに結合される請求項１記載の回路（１１５）。
3. 光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）用の感知ループ・アセンブリ（１２５）であって、
   速度感知光ファイバコイル（１２６）と、
   前記コイル（１２６）に結合された光集積回路（１１５）とを含み、前記回路（１１５）は、
   第１の材料の第１の導波路部（２００）であって、第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）がそこから形成される接合部（２１０）で終了する入力ポート部（２０５）を含む、第１の導波路部（２００）と、
   前記第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）にそれぞれ結合され、前記第１の材料と異なる第２の材料で拡散される、第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）と、
   前記第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）にそれぞれ結合され、それぞれの電界を生成するそれぞれの変調電圧を各々が提供する第１及び第２の変調器（２３５、２４０）とを含み、
   前記第２及び第３の導波路部（２２５、２３０）は、前記電界が実質的に０であるそれぞれの位置において前記第１及び第２の分岐部（２１５、２２０）に結合される、感知ループ・アセンブリ（１２５）。

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