JP2010505125A - フォトニック結晶ベースの回転センサ - Google Patents

Abstract

回転を感知する、フォトニック結晶を有したジャイロスコープであって、サニャック効果を用いて角運動を求める。本ジャイロスコープは、閉路の中で対向伝搬する光線をガイドすることのできるフォトニック結晶を有する。光源、結合装置、そして検知装置により、対向伝搬する光線の間の位相の変化の検知が可能であり、それによって角回転の計測ができる。フォトニック結晶はピラーと空所との周期構造を有し、当該構造はフォトニックバンドギャップ導波管を作り、その導波管の内部では、適正な波長範囲にある光波が低損失で伝搬する。
【選択図】 図７

Description

本発明は一般的には回転センサに関する。より具体的には、本発明は光学的媒体を使用して回転速度を感知する回転センサに関する。

回転センサの開発に関与する者は長い間、安価な固定（solid-state）光学回転センサの必要を認識してきた。本発明はこの必要を満たすものである。
古くからある回転センサ装置は、３軸のジンバルプラットホームの直行する軸の上に設置された２台のスピニングマスジャイロスコープから成る。それらジャイロスコープは、慣性空間の中でプラットホームを安定させる。そうして、装置を収納している本体の角度位置をジンバルによって測定することができる。デジタルコンピュータは、ジンバルプラットホームの代替となるものを作り、そして、角度位置は、スピニングマスジャイロスコープでのトルク測定値から引き出された角速度情報を取り込むことで算出できる。スピニングマスジャイロスコープを特徴とする回転感知装置には、磨耗、メンテナンス、そして立ち上がり時間に関連した問題点がある。さらには、重量、サイズ、歳差、そしてコストのために、スピニングマスジャイロスコープの使用は制限される。近年、他の技術に基づくジャイロスコープが、多くの用途において、スピニングマスジャイロスコープに取って代わりつつある。

リングレーザジャイロスコープは、可動部を必要としないため、多くの用途に関して選択されるジャイロスコープとなっている。リングレーザジャイロスコープは、二次元の多角形（多くの場合は三角形または長方形）の形をした伝送路から成る。多角形の各コーナーにある鏡は、リング状の伝送路を形成する多角形の脚の下に、レーザ光を反射する。レーザ光は、適当な気体混合物に加えられる放電を用いて、伝送路内で発生させられる。対称であるため、レーザ光は両方向の伝送路を通って伝搬する。

回転速度はサニャク効果を用いて求める。ジャイロスコープが、伝送路に対して垂直な軸を中心に回転している場合、伝送媒体中を反対方向に進んでいるレーザ光は異なる経路長を有することとなり、２つの定在波の周波数も異なってくる。これらの２つの周波数の間のビートが測定され、装置の回転速度に比例した結果が与えられる。リングレーザジャイロは、コストにおけるいくらかの改善、正確さ、そして信頼性の点で、古くからあるスピニングマスジャイロスコープを上回る。しかし、それでもなお、高品質ガラスの微細加工空洞、精密な鏡、高電圧レーザ、そして不活性ガスを必要とする点など、多くの問題に悩まされている。さらに、重量、サイズ、コスト、そして複雑さのために、リングレーザジャイロスコープが適切な選択肢となる用途は限られている。

別の光学ジャイロスコープとして、光ファイバジャイロスコープがある。光ファイバジャイロスコープは、サニャク効果を利用するために光伝送路（光ファイバケーブル）を用いるという点で、リングレーザジャイロスコープに類似している。光カプラ（ビームスプリッタ）を用いて、コヒーレント光がコイル型の光ファイバの両端に導入される。コイルに対して垂直な軸を中心に光ジャイロスコープが回転している場合、一方の方向に進む光の経路長は、他方の方向に進む光の経路長よりも長くなり、そのため、ファイバの端部に到着した光には明らかな位相シフトが入り込んでいる。ファイバの端部に位置する位相干渉計が光を結合する。結合後の光の強度を適切に処理することで、ファイバの回転速度が求められる。光ファイバジャイロスコープは一般的に、リングレーザジャイロスコープよりも、コストが低く、サイズも小さく、そして軽い。それでもやはり、重量、サイズ、そしてコストのために、ファイバジャイロスコープに適した用途は限定される。

Micro-Electromechanical System（ＭＥＭＳ）技術を用いた固定エレクトロニクスにジャイロスコープを組み込むために、いくつかの工夫がなされてきた。ＭＥＭＳジャイロスコープの中には、圧電ジャイロスコープ、音叉ジャイロスコープ、そして振動ホイール（vibrating wheel）ジャイロスコープが含まれる。それらの特徴となるのは、コリオリの力を利用する振動要素である。これらのジャイロスコープは、重量の点では軽く、他の従来のジャイロスコープに比べるとコストも低いが、一般的に、ドリフトレートが大きくなり、故障率も高まり、精度も劣るという問題があり、そのため、多くの用途に関して不適当なものとなっている。ＭＥＭＳ技術は、他の技術を大きく上回るコスト削減をもたらすが、それらの精度と振動運動に対する固有の依存性とが理由となって、大部分の用途で、当該技術をジャイロスコープに使用する可能性は排除されている。

欧州特許：ＥＰ １ ３９１ ６９３ Ａ

ジャイロスコープの開発に関与する者は長い間、より小型で、より精度が高く、そしてコストのより低いジャイロスコープの必要を認識していた。本発明は、小型で精度の高いジャイロスコープの大量生産を可能にする、比較的新しい技術に基づいたジャイロスコープを提供することで、従来技術を大きく前進させるものである。

本発明（以下、本ジャイロスコープ）は、特定の波長範囲の光をあらかじめ作られた閉路に沿ってガイドするように構成された、フォトニック結晶を有する。そのフォトニック結晶の特徴は、導波管を形成する意図的な「不整」（ピラー）によって修正された周期構造である。周期構造はピラーの均一な並びとしてもよく、そして不整は、適切な配置でいくつかのピラーを「外した」形とすることが可能であろう。ピラーが外された部分が導波管を形成する。周期ピラーの反射特性を用いることで、導波管を通るレーザ光またコヒーレントをガイドし限定する。

光ビームは、導波管の中をある方向に進む第１のビームと、導波管の中を反対の方向に進む第２のビームとに分割される。第１のビームおよび第２のビームの位相角または周波数は、導波管の一方の端部または両方の端部で比較される。導波管が、導波伝送路の面に対して垂直な軸を中心にした回転を行っていない場合、両者は同一となる。導波管が回転している場合、周波数および位相は、その軸を中心とした回転速度によって、比例した形でずれる。このようにして、本ジャイロスコープは、ジャイロスコープ自身に対して垂直な軸を中心とした回転速度を感知する。

本ジャイロスコープは、通常の半導体装備および製造法を用いて製造することができる。固定光学ジャイロスコープを大量生産するための標準的器材を使用するため、コスト面でもたらされる効果は、従来のリングレーザジャイロスコープおよび光ファイバジャイロスコープを大きく上回る。本ジャイロスコープは可動部分を有しておらず、そのため、本質的により信頼性の高いものとなる。また、フォトニック結晶の固有の特性により、光路での「ヘアピン」ターンが可能となり、光路トポロジ設計における柔軟性がより大きくなる。

本ジャイロスコープはまた、電流ＭＥＭＳ技術の代替を提供する。本ジャイロスコープは、ＭＥＭＳジャイロスコープが用いるコリオリ効果ではなく、サニャク効果を用い、それによって振動部材の必要がなくなる。このことにより、従来よりも外部の衝撃や振動の影響を受けにくいジャイロスコープが作られる。安価な光源と組み合わせて使用する場合、本ジャイロスコープに必要な電力はごくわずかとなる。

本発明の本質、ならびに、その目的および効果は、付随する図面と関連付けて以下の明細書の内容を熟読することで容易に理解されるであろう。これら図面全てにおいて、同じ参照番号は同じ部分を指している。

本発明の好適な実施の形態を示す概略的な上面図である。 線ＡＡに沿った図１の断面を示す図である。 本発明の好適な実施の形態における光路を示す略図である。 図３のジャイロスコープが回転している際の光路を示す略図である。 本発明の第３の好適な実施の形態を示す概略図である。 本発明の第４の好適な実施の形態を示す概略上面図である。 本発明の第５の好適な実施の形態を示す概略上面図である。 本発明の第６の好適な実施の形態を示す概略上面図である。

図１が示すのは、単一平面において２重の螺旋で包まれた細長い二次元のフォトニック結晶（以下「導波管」）１０２である。第１の螺旋１０４は、カプラ１０６から中心点１０８まで延び、曲率半径が小さくなっていく点が特徴となっている。第２の螺旋１１１は、第１の螺旋にほぼ平行して、巻いた状態でカプラ１０６から中心点１０８まで延びている。第１の光路１１０はコヒーレント光またはレーザ光をカプラ内に導き入れる。第２の光路１１２はカプラから光を導き出す。

第１および第２の光路１１０、１１２は、コヒーレント光を伝えるために、光ファイバから成ることとするのが好ましい。レーザ光には、空気または不活性ガスを用いればよい。ただし、どんな透光性媒体でも用いてよい。
カプラ１０６は、導波管１０２に導入された光のためのビームスプリッタとしての役目と、導波管を出て行く光のためのコンバイナとして役目とを果たすカプラである。ただし、本カプラは、いくつかの異なる光学デバイス（例えば、光ビームスプリッタ、コンバイナ、サーキュレータ、またはブラッグ格子など）を有したものとしてもよい。

中心点１０８の特徴は、導波管の急なターンである。導波管１０２は、ターンの周囲で光を伝搬するに当たっての効率または散乱の損失がごくわずかである、というピラー（後で説明する）を特徴とすることもできる。あるいは、中心点１０８は、ブラッグ格子などの反射構造を備えた形で製造することもできる。
図２は、線ＡＡに沿った導波管の断面を示す。導波管１０２は、空所２０２とシリコンピラー２０４とが広がっているのが特徴である。複数のピラーが、空気の満たされた光チャネル２０６を囲んでチェッカーボードパターンで並んでいる。ピラー（後で説明する）の間の間隔は、おおよそ、光チャネル２０６を通って伝搬される光の波長の半分に等しい。ピラーは、フォトニック結晶スラブ基板２０８の上に作られる（多段堆積の後に、シリコン酸化物マスクまたは他の類似プロセスを用いたエッチング加工を行って作る）。ピラーは、安定した配置でスタブ基板２０８に支持されている。

別の実施の形態では、素材の異なる別のピラーを利用する。たとえば、導波管１０２を、ヒ化ガリウムおよび酸化アルミニウムで作られた別のピラーによって作ることもできる。あるいは、導波管１０２を、屈折率の異なる複数の素材から成る別のピラーで作ることもできる。ピラーの形状は円筒形でもよいが、フォトニックバンドギャップを作るのであれば、他のいかなる形状でもよい。また、スラブをピラーの頂上部に連結して、３次元的に完全に封じ込む形にしてもよい。導波管は、何らかの従来通りの製造プロセスによって作ればよい（半導体製造プロセスなど）。また、適切な別構造の誘電体を用いた、別のフォトニック結晶を用いることにしてもよい。この場合、周期構造は導波管に平行であり、導波管は縦の欠陥構造によって形成される。こうしたフォトニック構造については、３次元で効率的にチューブ導波管を形成し、その導波管の中では光波が結晶構造の内部の縦の空所または空洞を通るようにガイドされる、という形にしてもよい。

図３に示すのは、ジャイロスコープの円形の実施の形態の中を通って進むコリメート光である。同図でのジャイロスコープは、ジャイロスコープ自体に対して垂直な軸（紙の面から出て来る軸）を中心にした回転をしていない。第１の光路１１０からカプラ１０６に入った光は、時計回りに回転する光線３０２と反時計回りに回転する光線３０４とに分割される。光は光チャネル２０６を通って進み、それに伴って、両方の光線は、周波数と位相とが同一の状態でカプラ１０６に到達する。カプラ１０６を出て第２の光路１１２を通る混合光の強度は一定である。

ジャイロスコープを通って進む光については、１５５０ｎｍの波長を有することとすれば、エルビウム添加増幅器（光の増幅を可能にするのに電気変換を必要としない増幅器）と互換性を有する。また、９８０ｎｍの周波数とすれば、光源として超発光ダイオードを使用することも可能になるであろう。しかし、いかなる光周波数でも都合のよいものを用いればよい。コリメータ光と並んでレーザ光を使用することも考えられる。

図４は回転しているジャイロスコープ内の光を示す。第１の光路１１０からカプラ１０６に入った光は、時計回りの回転光線３０２と反時計回りの回転光線３０４とに分割される。光がチャネル中を進むにつれて、ジャイロスコープは角度α分回転する。時計回りの回転光線３０２は、アーク長（２ｐｉ＋α）Ｒだけ進んだ後にカプラ１０６に到達する。一方、反時計回りの回転光線３０４は、アーク長（２ｐｉ−α）Ｒだけ進むことになる。反対向きに回転する２つの光線からカプラに到達する光は位相が異なる。光路１１２を通って出てくる混合光の強度は、位相差を示すものとなり、それゆえに回転角を示すことになる。

図５は二重の螺旋導波管を示す。導波管１０２は、フィードスルーホールを介して接続された２本の螺旋を特徴とする。第１の螺旋５０２は、単調に小さくなっていく曲率半径を特徴とする。第１の螺旋と同一の第２の螺旋５０４は、平行な平面に位置している。第１のフィードスルーホール５０６は、第１の螺旋５０２の一方の端部にあり、第２の螺旋５０４の側の対応する端部にまで延びている。第２のフィードスルーホール５０８は、第１の螺旋５０２のもう一方の端部にあり、第１の螺旋５０２から第２の螺旋５０４にまで延びている。第１の螺旋５０２にあるカプラ１０６は、光を反対方向に送り出す。第１の光路１１０は、コヒーレント光またはレーザ光をカプラの中に導き入れる。第２の光路１１２は、カプラから光を導き出す。好ましい構成として、第１の螺旋および第２の螺旋によって規定される平行な平面を隔てる距離は非常に小さく、そのため、フィードスルーホール５０６、５０８に対して垂直な回転速度は感知されない。

図６は、多角形の形状をした導波管を示す。導波管１０２の特徴は、一連の辺３０２同士が両端で連結されて、実質的に八角形の形状の構造を形成している点である。カプラ１０６は、辺のうち１つの途中に入り込んでおり、光の出入りを可能にしている。第１の光路１１０の光は、カプラ１０６を介して導波管１０２に結合される。また、導波管の内部の光は、カプラ１０６を介して外に出る第２の光路１１２に結合される。

図７は、マッハツェンダー構成での本発明の導波管を示す。第１のカプラ７０２は、入口路７０４からの光を、参照光路７０６に沿って進む第１の光線と干渉光路７０８に沿って進む第２の光線とに分割する。これらの光路は両方とも、導波管１０２と構造が同一のフォトニック結晶導波管である。それらの特徴は、光チャネル２０６（図２）を囲むフォトニックバンドギャップを形成する、別素材のピラー２０２、２０４である。干渉光路は、その光路に調整デバイス７１０を有する。調整デバイス７１０を調節することで、干渉光路７０８に対してストレスを加えたり解消したりして、路長をわずかに増減させる。参照光路７０６と干渉光路７０８とは、光路からの光を結合する第２のカプラ７１２で終わる。そして、結合された光が出口路７１４を通って出て行く。調整デバイス７１０を用いることで、第２のカプラに到達する光の相対的な位相角を調整して、出口路７１４を通って出て行く光の強度を変えることができる。

調整デバイス７１０は複合材から作ってもよい。そうすると、導波管は圧力センサとなる。調整デバイス７１０については、電磁界に対して感度のある屈折率を備えた素材から作り、デバイスをアンテナにすることもできる。また、調整デバイス７１０を干渉光路のギャップとして、装置をガスセンサとすることもできる。調整デバイス７１０は、参照光路７０８と異なる構造としてもよいし、参照光路をそのまま延長したものとしてもよい。例えば、参照光路７０８の全体を複合材から作って、光路自体を圧力センサにすることもできる。

図８は、光モジュレータとして用いられた本発明の導波管を示す。第１のカプラ８０２は、入場路８０４からの光を、参照光路８０６を通って進む第１の光線と屈折光路８０８を通って進む第２のビームとに分割する。これら光路は両方とも、導波管１０２と構成が同一のフォトニック導波管である。これらもまた、光チャネル２０６（図２）を囲むフォトニックバンドギャップを形成する、別素材のピラー２０２、２０４を特徴とする。この別素材のピラーの少なくとも１つは、磁場または電界に対して感度のある屈折率を有する。例えば、ニオブ酸リチウムは電界に対する感度を示す。電源８１２から電力を受ける電極８１３、８１５は、屈折経路の近くに位置づけられる。参照光路８０６および干渉経路８０８の終端は第２のカプラ８１４であり、当該カプラは、これら光路を通って進んで来た光を結合する。結合された光は出口路８１６を通って出て行く。

電源８１２からの振幅または周波数を調整することで、電極８１３、８１５の周囲での電界の強度が変わり、それによって、屈折光路８０８内でのピラー２０２の屈折率が変化する。屈折率の変化は屈折光路を通って進む光線の光路を変え、出口路を通って出て行く混合光を調整する。この効果は、電極８１３、８１５を磁場コイルに置き換えて、光路８０８において磁場に対して感度のある屈折率を有した素材を用いた場合にも、同様に導入される。

Claims (23)

1. 光源と、
   光源からの光を第１の光線と第２の光線とに分割するスプリッタと、
   第１の光線を第１の方向に、第２の光線を反対方向にガイドするための、フォトニック結晶構造を備えた導光体と、
   を有することを特徴とする回転センサ。
2. フォトニック結晶構造がピラーと空所とを有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
3. フォトニック結晶構造は、特定の範囲の波長にある光をガイドするために予め定められた幾何的欠陥（geometric defect）を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
4. 光源は、コリメート光またはコヒーレント光を生じること、
   を特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
5. 導光体は、エンクロージャを形作る状態に曲がっていること、
   を特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
6. 曲がりによって螺旋を成していること、
   を特徴とする請求項３に記載の回転センサ。
7. 導光体は実質的に多角形の形状であること、
   を特徴とする請求項３に記載の回転センサ。
8. 光の強度を比例した電気信号に変換するための変換器を更に有すること、
   を特徴とする請求項３に記載の回転センサ。
9. 光の周波数または位相を電気信号に換算する変換器を更に有すること、
   を特徴とする請求項３に記載の回転センサ。
10. 導光部がほぼ同一平面のトポロジを有すること、
    を特徴とする請求項３に記載の回転センサ。
11. 光源と、
    光源からの光を第１の光線と第２の光線とに分割するスプリッタと、
    第１の光線を第１の方向に、第２の光線を反対方向にガイドするための、フォトニック結晶構造を備えた第１の導光体と、
    同一平面のトポロジにあって第１の導光体に平行な第２の導光体と、そして、
    第１の導光体を第２の導光体に接続する、光を通すフォトニック構造と、
    を有することを特徴とする回転センサ。
12. 縦軸に沿って接続された複数の誘電チューブを有し、内部チャンバを形作る隣接した同心の複数リングを形成する、フォトニック導波管と、
    内部チャンバ内の光の位相、周波数または振幅を計測する、フォトニック導波管に光学的に結合された計測装置と、を有すること、
    を特徴とするセンサ。
13. 隣接する誘電チューブは変化する屈折率を有すること、
    を特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
14. フォトニック導波管の形状は実質的に、単一の平面にある２重の螺旋であること、
    を特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
15. フォトニック導波管の形状は実質的に２重の螺旋であり、第１の螺旋は第１の平面にあって、第２の螺旋は第１の平面に平行な第２の平面にあること、
    を特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
16. 内部チャンバは、円形または多角形の形状をしたリングであること、
    を特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
17. 内部チャンバは空気であること、
    を特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
18. 内部チャンバは二酸化ケイ素であること、
    を特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
19. 第１の端部と第２の端部とを備えた第１のフォトニック導波管と、
    前記第１の端部および前記第２の端部に光学的に結合された第２のフォトニックな導波管と、を有し、第１の端部に導入される光は第１のフォトニック導波管と第２のフォトニック導波管との間で分割され、そして、第２の端部で結合されること、
    を特徴とする光学干渉計。
20. 結合された光を電気信号に変えるための変換器を更に有すること、
    を特徴とする請求項１７に記載の光学干渉計。
21. 第１のフォトニック導波管の長さは調整可能であること、
    を特徴とする請求項１７に記載の光学干渉計。
22. 第１のフォトニック導波管は磁場に対して感度を有すること、
    を特徴とする請求項１７に記載の光学干渉計。
23. 第１のフォトニック導波管は電界に対して感度を有すること、
    を特徴とする請求項１７に記載の光学干渉計。

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