JP2020510199A - 干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ｉｆｏｇ）用の光集積回路 - Google Patents

干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ｉｆｏｇ）用の光集積回路 Download PDF

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Abstract

記載された実施形態は、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用の光集積回路（ＰＩＣ）に関するものである。いくつかの実施形態は、外部部品、例えば、光源、光検出器およびファイバ・コイルに結合するためのコネクタ、ビーム分割デバイス（例えば、カプラ）、導波路およびＰＩＣ上に集積される他の光学部品を有するＰＩＣを記載する。いくつかの実施形態は、共通のサブマウントに取り付けられるＰＩＣ、光源および光検出器ならびにファイバ・コイルに結合するためのコネクタを有するハイブリッドＰＩＣ（ＨＰＩＣ）を記載する。他の実施形態は、ＰＩＣ部品、光源、光検出器および他の構成要素（例えば、波長計）を共通基板上に集積する拡張ＰＩＣ（ＥＰＩＣ）を記載する。記載された実施形態はまた、制御信号および他のパラメータをＰＩＣ、ＨＰＩＣまたはＥＰＩＣに提供し、ＰＩＣ、ＨＰＩＣまたはＥＰＩＣから出力信号を受信する検出／フィードバック回路を含んでもよい。

Description

関連出願
この出願は、２０１７年３月９日に出願された米国仮出願番号第６２／４６９，４４７号の利益を主張する。上記の出願の教示全体が本願明細書に参照によって組み込まれる。
光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、機械ベースのジャイロスコープ、例えば固体動作（可動部分なし）より低重量、より小さいサイズ、より低パワー、より高速のターンオン時間およびより高い信頼性という特定の利点を有する。従って、ＦＯＧは、広範囲にわたる応用分野における回転検知のために提案されてきた。多くの応用分野、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ）に用いられる姿勢方位基準装置（ＡＨＲＳ）、地上ナビゲーションならびに石油およびガス探査産業に用いられる検層に関心が向けられてきた。明らかに、約１００ｐｐｍ以上のスケール・ファクタ安定性を有する閉ループ・システムの開発に重点が置かれている。しかしながら、開ループ技術は、依然として、適度なスケール・ファクタ安定性で十分な応用において使用されうる。地上ナビゲーションにおいて探査されている１つの分野は、自動車を導き追跡するシステムのための低コストで低から中程度の精度のデバイスの開発であり、デバイスのバイアス・ドリフトは、約０．３°／時間以下であり、スケール・ファクタは、約１０００ｐｐｍ以上であり、このスケール・ファクタは、閉ループおよび開ループ・ジャイロスコープ・システムによって現在到達されているレベルである。
ＦＯＧ、加速度計およびＦＯＧベースの慣性航法装置（ＩＮＳ）は、非常に正確な自動走行車性能にとって重要な集積センサシステムの鍵を握る部分を形成する。位置確認のために、車両は、全地球測位システム（ＧＰＳ）および慣性航法装置（ＩＮＳ）の組み合わせを用いることができる。ＧＰＳシステムの精度は、２０００年以降著しく改善されてきた。しかしながら、ＧＰＳ誤差は、理想条件下でさえ、数メートルと、依然として大きくなりうる。障害物または地形が空を閉塞するとき、誤差は急増し、ＧＰＳレシーバが十分な数の衛星から信号を取得するのを妨害する。これは、ＧＰＳ利用性が非常に制限される「ビルの谷間」を高層建築が作成する都市部において、重要な懸念事項である。ＧＰＳは、典型的には、ＩＮＳに結合され、ＩＮＳは、走行距離計、コンパス、ジャイロスコープおよび加速度計のような構成要素から成り、外部参照を必要とせずに、車両の位置、方位および速度を連続的に計算する。ＩＮＳを用いて、ＧＰＳの精度を改善し、ビルの谷間によって生じるような「ギャップ」を埋める。
米国特許出願第６２／５５９，３０７号明細書 米国特許出願第１５／８７７，１１０号明細書
ＬａｌｌｉｅｒＥ．等，"Ｌａｓｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｎ Ｎｄ：ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥ Ｓｔｅｖｅｎａｇｅ，ＧＢ，第２６巻，第２６号，１９８９年１０月２６日，（１９８９−１０−２６），１４９１〜１４９２ページ
記載された実施形態は、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用の光集積回路（ＰＩＣ）に関するものである。いくつかの実施形態は、外部部品、例えば、光源、光検出器およびファイバ・コイルに結合するためのコネクタ、ビーム分割デバイス（例えば、カプラ）、導波路およびＰＩＣ上に集積される他の光学部品を有するＰＩＣを記載する。いくつかの実施形態は、共通のサブマウントに取り付けられるＰＩＣ、光源および光検出器ならびにファイバ・コイルに結合するためのコネクタを有するハイブリッドＰＩＣ（ＨＰＩＣ）を記載する。他の実施形態は、ＰＩＣ部品、光源、光検出器および他の構成要素（例えば、波長計）を共通基板上に集積する拡張ＰＩＣ（ＥＰＩＣ）を記載する。記載された実施形態は、マイクロエレクトロニクスの回路の製造と互換性を持つ材料およびプロセスを用いて、基板（例えば、シリコン基板またはより短い波長で動作するのに適しているノンシリコン基板）上に製造される安定なＦＯＧのより低い製造コストおよび大量生産を容易にしうる。いくつかのＦＯＧのサブコンポーネントを１つの光回路に集積することは、ＦＯＧの性能信頼性を増加させうると同時に、ＦＯＧの生産効率を増加させる。さらに、記載された実施形態の結果として生じる小型化は、広範囲の温度および湿度条件にわたり動作する能力を促進し、それによって、ＦＯＧの有用性および性能信頼性を増加させる。
干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）において、光源からの光は、２つのビームに分割される。本願明細書において記載されている例示的実施形態において、カプラを用いて、入力光を２つの出力ビームに分割し、（また、２つの入力ビームを単一の出力ビームに結合する）。ただし、従来技術において周知の他のデバイス（ビームスプリッタとしても知られている）を用いて、同じ分割および／または結合動作を実行する。
カプラによって分割される２つの光ビームは、マルチ・ターンのファイバ・ループに挿入され、時計回り（ＣＷ）および反時計回り（ＣＣＷ）に伝播する光場を形成する。図１に示すように、ファイバ・ループを通過した後、２つの光ビームは、カプラによって再結合され、それらの間の干渉は、出力として検出される。回転座標系において、「サニャック効果」として知られている現象は、ループを通る有効な光路を、１つのビームのためには増加させ、他のビームのためには減少させる。出力での２つの光学部品間の結果として生じる位相シフトは、数式（１）によって与えられる。
ここで、Ｒはファイバ・コイルの半径であり、Ｌはループのファイバの全長であり、λ０は放射源の真空波長であり、ｃは光速であり、Ωは回転速度である。位相φｓは、サニャック位相シフトとして知られている。高度な精度を達成するために、ジャイロスコープが回転していないフレームにあるとき、２つの光学ビームによって経験される２つの経路は、同一でなければならない、すなわち、システムは相反性を示さなければならない。
図１に示すように、ＩＦＯＧ光学系１００のいわゆる「最小構成」は、この相反性を達成するように配置される。ここで、出力は、第２のカプラ１０４上の入力として用いられるのと同じポート１０２から導出され、位相変調器１０６がファイバ・ループ１０８への入力において用いられる。システムが単一の空間モードで単一の偏光モード動作であるとき、ファイバ・ループ１０８における相反性の要件が満足する。サニャック干渉計の出力Ｓは、数式（２）の形のコサイン干渉機能である。
ここで、φｎｒは非相反位相シフトであり、φｓは回転誘導サニャック位相である。相反システムのために、φｎｒ＝０およびサニャック・シフト（すなわち、δＳ／δφｓ）の感度＝０であり、φｎｒ＝π／２ならば、感度は最大になる。
非相反位相シフトを導入する一般的に用いられる方法は、ダイナミック・フェーズ・バイアシングとして知られており、ここで、時間的に変化する変調φｎｒ＝φｎｒ（ｔ）は、ファイバ・ループ１０８の一端に位置する位相変調器１０６を介して適用される。固定フレームにおけるＩＦＯＧ光学系１００では、時間的に変化する非相反位相バイアスは、数式（２）によって記載されているコサイン干渉計伝達関数にわたり対称的に干渉計出力を変調する。
しかしながら、回転フレームにおいて、サニャック位相シフトは、非対称の出力変調を生じるオフセットを導入する。例示的実施形態において、φｎｒ＝φｍｓｉｎωｍｔのとき、変調周波数の基本での出力信号は、数式（３）によって与えられてもよく、ここで、Ｊ１は、第１の種類のベッセル関数の１次である。
ＩＦＯＧの２つのタイプの基本的動作、すなわち、開ループおよび閉ループが存在する。図１および図２は、２つのタイプの動作を実装するのに用いられる基本構成を概略的に示す。一例が図１に示される開ループ動作では、サニャック位相シフトの振幅は、出力信号Ｓ（ωｍ）の測定によって直接的に決定される。一例が図２に示される閉ループ動作では、出力信号Ｓ（ωｍ）は、位相変調器２０４を用いたファイバ・コイル１０８へのフィードバック２０２によってゼロにされ、非相反位相を導入し、サニャック・シフトと平衡する。
本願明細書において記載されている２つのＩＦＯＧアーキテクチャは、（ｉ）オール・ファイバ・アーキテクチャおよび（ｉｉ）非線形光学結晶に基づくハイブリッド・アーキテクチャを含む。
オール・ファイバ・アーキテクチャは、最小構成の光学システムが低い光学的損失を有するようにできるので、オール・ファイバ・アーキテクチャは、高い戻りパワーのため非常に良好な信号対雑音比を提供する。個々の光学部品が比較的廉価な装置およびプロセスによって作ることができ、光学システムを組み立てることは特に労働集約的でないので、デバイスは、低コストで製造可能である。オール・ファイバ・アーキテクチャは、「コイル」カプラを使用して、干渉波を分割および再結合し、「ソース」カプラを使用して、共通の入出力ポートを介して戻ってくる信号を検出器上に送信する。偏光、はオール・ファイバ偏光子を有するこの相反ポートでフィルタ処理され、それは、「コイル状の」ファイバ偏光子、複屈折結晶オーバレイを有するサイド・ポリッシュド・ファイバまたは、そのエバネッセント波テールが露出する金属皮膜Ｄ形ファイバとすることができる。
オール・ファイバ・アーキテクチャの主要な制限は位相変調器である。唯一の実用的な技術は、駆動電圧とともにディスク直径を制御することによって、ファイバ長を修正する、圧電性のチューブまたはディスクの周りにファイバを巻回することである。この方法は、バイアス変調・復調には完全に適切であるが、圧電性の変調器は、狭い機械的分解能を経験するので、正確なスケール・ファクタを取得することは、より高度な信号処理技術の使用を必要とする。オール・ファイバ・アーキテクチャは、非常に良好なバイアス性能を生ずるが、そのスケール・ファクタ精度は、実際には約５００ｐｐｍに制限される。はるかに最高のスケール・ファクタ性能は、幅広い変調帯域を必要とする位相ランプ閉ループ技術によって取得される。
ハイブリッド・アーキテクチャは、特にニオブ酸リチウム基板上の、非線形光学結晶に基づく光集積回路は、光ファイバ・ジャイロスコープのための非常に有望な技術として早期から認められてきた。多機能光集積回路は、デバイス動作の鍵となる機能を実装するために適用された。単純なすべて導入されたアーキテクチャは、光集積回路に接続されている検知ファイバ・コイルおよび受光器を用いて実装可能である。しかしながら、オール・ファイバ方法に対する光集積回路の決定的な利点は、大きいバンド幅にわたるフラットな応答を有する位相変調器であり、それは、ＩＦＯＧの全部の潜在的ダイナミック・レンジにわたる小さいスケール・ファクタ誤差を生ずる効率的な信号処理技術の使用を可能にする。この技術は、いくつかの他の機能を単一の基板上に集積するのを容易にするという役立つ利点をさらに提供し、小型化を改善し、外部接続を減少する。
この種の非線形光学結晶（例えば、ニオブ酸リチウム）の高度な集積は、ＩＦＯＧ性能に対する挑戦を提示する。例えば、それらのベース分岐によって接続される２つのＹ接合送信経路の使用が、提案され、研究されてきた。しかしながら、光相反性を確実にする空間フィルタとして作用する共通ベース導波路の制限された拒絶のため、結果として、この「ダブルＹ」構成は、弱いＩＦＯＧ性能になった。光相反性に対するこの制限は、部分的には、ニオブ酸リチウム基板の結晶性質のためである。ニオブ酸リチウム基板の面内の複屈折は、光学回路レイアウトの自由度を一次元に制限するので、２つのＹ接合は直線に配置されなければならない。接続ベース導波路上の湾曲は、光学異方性材料のため許容されない。さらにまた、初期のプロトタイプは、いかなるアイソレータ、アブソーバおよびフィルタも組み込まず、接合から放射状に広がる反対称形のモードを除去した。
一態様では、本発明は、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用の光集積回路（ＰＩＣ）でもよい。ＰＩＣは、光源に接続されるように構成される第１のコネクタと、光検出器に接続されるように構成される第２のコネクタと、ファイバ・コイルの第１のポートに接続されるように構成される第３のコネクタと、ファイバ・コイルの第２のポートに接続されるように構成される第４のコネクタと、を備えてもよい。ＰＩＣは、第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第１のカプラと、第１の偏光子ポートおよび第２の偏光子ポートを有する導波路偏光子と、第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第２のカプラと、をさらに備えてもよい。
第１のカプラの第１の分岐ポートは、第１の導波路を介して第１のコネクタに結合されてもよく、第１のカプラの第２の分岐ポートは、第２の導波路を介して第２のコネクタに結合されてもよく、第１のカプラの共通ベース・ポートは、第３の導波路を介して第１の偏光子ポートに結合されてもよい。第２のカプラの第１の分岐ポートは、第４の導波路を介して第３のコネクタに結合されてもよく、第２のカプラの第２の分岐ポートは、第５の導波路を介して第４のコネクタに接続されてもよく第２のカプラの共通ベース・ポートは、第６の導波路を介して第２の偏光子ポートに結合されてもよい。アイソレータ、アブソーバ、フィルタおよびデフレクタの少なくとも１つは、第５の導波路、偏光子および第６の導波路の１つまたは複数に近接して配置されてもよい。第１から第６の導波路は、単一モードおよび偏光を維持するように構成される光導波路でもよい。少なくとも第１および第２のカプラならびに偏光子は、共通基板上に集積されてもよい。本願明細書において記載されているような共通基板上に形成されるＰＩＣ部品は、物理的な空間の効率的利用ならびに強化した伝送およびカップリング特徴を容易にしてもよい。
ＰＩＣは、第１のコネクタに結合される光源と、第２のコネクタに結合される光検出器と、第３のコネクタに結合される第１のファイバ・コイル・ポートおよび第４のコネクタに結合される第２のファイバ・コイル・ポートを有するファイバ・コイルと、ファイバ・コイルに関連付けられた位相変調器と、をさらに備えてもよい。位相変調器は、変調信号に基づいて、ファイバ・コイルを介して伝搬する光を変調するように構成されてもよい。ＰＩＣ、光源、光検出器、ファイバ・コイルおよび変調器は、記載されているように構成されるとき、ＦＯＧ用の光学システムを形成してもよい。
ＰＩＣは、検出／フィードバック回路をさらに備えてもよい。検出／フィードバック回路は、変調信号が導出される基準信号を提供するように構成される局部発振器と、光検出器から出力を受信し、そこから回転測定信号を生成するように構成される位相検知検出器と、を備えてもよい。ＰＩＣ、光源、光検出器、ファイバ・コイル、変調器、検出／フィードバック回路および位相検知検出器は、記載されているように構成されるとき、ＦＯＧを形成してもよい。
第１から第６の導波路は、単一の空間モードのみをサポートするように構成されてもよい。第１から第６の導波路は、複屈折に構成されてもよい。第１から第６の導波路は、単一の線形偏光モードのみをサポートするように構成されてもよい。第１から第６の導波路は、ガラス上の窒化物を備えてもよい。ただし、他の技術もまた用いてもよい。
光源は、広帯域で半導体ベースの光源でもよい。ＰＩＣは、第１の導波路において第１のコネクタと第１のカプラとの間に配置されるインライン光アイソレータをさらに備えてもよい。
他の態様では、本発明は、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用の拡張光集積回路（ＥＰＩＣ）でもよい。ＥＰＩＣは、光源と、光検出器と、ファイバ・コイルの第１のポートに接続されるように構成される第１のコネクタと、ファイバ・コイルの第２のポートに接続されるように構成される第２のコネクタと、を含んでもよい。ＥＰＩＣは、第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第１のカプラと、第１の偏光子ポートおよび第２の偏光子ポートを有する導波路偏光子と、第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第２のカプラと、をさらに備えてもよい。少なくとも、光源、光検出器、第１および第２のカプラならびに偏光子は、共通基板上に集積されてもよい。共通基板上に形成されるＥＰＩＣ部品は、本願明細書において記載されているように、物理的な空間の効率的利用ならびに強化した伝送およびカップリング特徴を容易にしてもよい。
第１のカプラの第１の分岐ポートは、第１の導波路を介して光源に結合されてもよく、第１のカプラの第２の分岐ポートは、第２の導波路を介して光検出器に結合されてもよく、第１のカプラの共通ベース・ポートは、第３の導波路を介して第１の偏光子ポートに結合されてもよい。第２のカプラの第１の分岐ポートは、第４の導波路を介して第１のコネクタに結合されてもよく、第２のカプラの第２の分岐ポートは、第５の導波路を介して第２のコネクタに接続されてもよく、第２のカプラの共通ベース・ポートは、第６の導波路を介して第２の偏光子ポートに結合されてもよい。ＥＰＩＣは、第５の導波路、偏光子および第６の導波路に近接して配置されるアイソレータ、アブソーバ、フィルタおよびデフレクタの少なくとも１つをさらに備えてもよい。ＥＰＩＣは、（ｉ）光源から導出され、（ｉｉ）ファイバ・コイルから戻る光信号の少なくとも一部を用いる光波長計であって、そして、光信号の有効な干渉計波長を表す信号を生成する光波長計をさらに備えてもよい。第１から第６の導波路は、単一モードおよび偏光を維持するように構成されてもよい。共通基板上に形成されるＥＰＩＣ部品は、物理的な空間の効率的利用ならびに強化した伝送およびカップリング特徴を容易にしてもよい。
ＥＰＩＣは、第１のコネクタに結合される第１のファイバ・コイル・ポートおよび第２のコネクタに結合される第２のファイバ・コイル・ポートを有するファイバ・コイルと、ファイバ・コイルに関連付けられた位相変調器と、をさらに備えてもよい。位相変調器は、変調信号に基づいて、ファイバ・コイルを介して伝搬する光を変調するように構成されてもよい。ＥＰＩＣ、ファイバ・コイルおよび変調器は、記載されているように構成されるとき、ＦＯＧ用の光学システムを形成してもよい。
ＥＰＩＣは、検出／フィードバック回路モジュールをさらに備えてもよい。検出／フィードバック回路モジュールは、変調信号が導出される基準信号を提供するように構成される局部発振器と、光検出器から出力を受信し、そこから回転測定信号を生成するように構成される位相検知検出器と、光信号の有効な干渉計波長に基づいて、ＦＯＧスケール・ファクタを修正するスケール・ファクタ修正メカニズムと、を備えてもよい。ＥＰＩＣ、ファイバ・コイル、変調器および検出／フィードバック回路モジュールは、記載されているように構成されるとき、ＦＯＧを形成してもよい。
第１から第６の導波路は、単一の空間モードのみをサポートするように構成されてもよい。第１から第６の導波路は、複屈折に構成されてもよい。第１から第６の導波路は、単一の線形偏光モードのみをサポートするように構成されてもよい。第１から第６の導波路は、ガラス上の窒化物を備えてもよい。ただし、他の技術もまた用いてもよい。
位相検知検出器は、光検出器の出力から変調周波数成分を取り除き、回転測定信号を生成してもよい。光源は、ブロードバンドで半導体ベースの光源でもよい。ＥＰＩＣは、第１の導波路において光源と第１のカプラとの間に配置されるインライン光アイソレータをさらに備えてもよい。
他の態様では、本発明は、光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用のハイブリッド光集積回路（ＨＰＩＣ）でもよい。ＨＰＩＣは、サブマウントと、サブマウントに固定して取り付けられた半導体ベースの光源と、サブマウントに固定して取り付けられた光検出器と、サブマウントに固定して取り付けられた第１のコネクタと、サブマウントに固定して取り付けられた第２のコネクタと、を備えてもよい。第１および第２のコネクタは、それぞれ、ファイバ・コイルの第１および第２のポートに接続されるように構成されてもよい。ＨＰＩＣは、サブマウントに固定して取り付けられた光集積回路をさらに備えてもよい。光集積回路は、第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第１のカプラを備えてもよい。光集積回路は、第１の偏光子ポートおよび第２の偏光子ポートを有する導波路偏光子と、第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第２のカプラと、を備えてもよい。
第１のカプラの第１の分岐ポートは、第１の導波路を介して光源に結合されてもよく、第１のカプラの第２の分岐ポートは、第２の導波路を介して光検出器に結合されてもよく、第１のカプラの共通ベース・ポートは、第３の導波路を介して第１の偏光子ポートに結合されてもよい。第２のカプラの第１の分岐ポートは、第４の導波路を介して第１のコネクタに結合されてもよく、第２のカプラの第２の分岐ポートは、第２のコネクタに第５の導波路を介して接続されてもよく、第２のカプラの共通ベース・ポートは、第６の導波路を介して第２の偏光子ポートに結合されてもよい。ＨＰＩＣは、第５の導波路、偏光子および第６の導波路に近接して配置されるアイソレータ、アブソーバ、フィルタおよびデフレクタの少なくとも１つをさらに備えてもよい。第１から第６の導波路は、単一モードおよび偏光を維持するように構成されてもよい。本願明細書において記載されているような共通のサブマウント上に形成されるＨＰＩＣ部品は、物理的な空間の効率的利用ならびに強化した伝送およびカップリング特徴を容易にしてもよい。
ＨＰＩＣは、第１のコネクタに結合される第１のファイバ・コイル・ポートおよび第２のコネクタに結合される第２のファイバ・コイル・ポートを有するファイバ・コイルと、ファイバ・コイルに関連付けられた位相変調器と、をさらに備えてもよい。位相変調器は、変調信号に基づいて、ファイバ・コイルを介して伝搬する光を変調するように構成されてもよい。ＨＰＩＣ、ファイバ・コイルおよび変調器は、記載されているように構成されるとき、ＦＯＧ用の光学システムを形成してもよい。
ＨＰＩＣは、検出／フィードバック回路をさらに備えてもよい。検出／フィードバック回路は、変調信号が導出される基準信号を提供するように構成される局部発振器と、光検出器によって生成される出力信号を受信し、そこから回転測定信号を生成するように構成される位相検知検出器と、を備えてもよい。ＨＰＩＣ、ファイバ・コイル、変調器および検出／フィードバック回路は、ＦＯＧを形成してもよい。
ＨＰＩＣは、光集積回路上に形成され、（ｉ）光源から導出され、（ｉｉ）ファイバ・コイルから戻る光信号の少なくとも一部を用いる光波長計であって、光信号の有効な干渉計波長を表す信号を生成する光波長計をさらに備えてもよい。ＨＰＩＣは、検出／フィードバック回路に含まれるスケール・ファクタ修正メカニズムであって、光信号の有効な干渉計波長に基づいて、ＦＯＧスケール・ファクタを修正するスケール・ファクタ修正メカニズムをさらに備えてもよい。位相検知検出器は、光検出器によって生成される出力信号から、変調信号を取り除いてもよい。
ＨＰＩＣは、第１の導波路において半導体ベースの光源と第１のカプラとの間に配置さるインライン光アイソレータをさらに備えてもよい。第１から第６の導波路は、単一の空間モードのみをサポートするように構成されてもよい。第１から第６の導波路は、複屈折に構成されてもよい。第１から第６の導波路は、単一の線形偏光モードのみをサポートするように構成されてもよい。第１から第６の導波路は、ガラス上の窒化物を備えてもよい。ただし、他の技術もまた用いてもよい。半導体光源は、広帯域光源である。
特許または出願ファイルは、カラーで作成される少なくとも１つの図面を含む。カラー図面を有するこの特許または特許出願公開のコピーは、要求および必要な料金の支払いに応じて庁によって提供される。
上述したことは、複数の図面にわたり類似の参照符号が同一の部分を参照する添付図面において示されるように、例示的実施形態の以下のより特定の説明から明らかになる。図面が必ずしも縮尺どおりではなく、その代わりに、実施形態を示す際に強調される。
従来技術の開ループ干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の一例を示す図である。 従来技術の閉ループＩＦＯＧの一例を示す図である。 本発明に従うＩＦＯＧデバイス用の光集積回路（ＰＩＣ）の例示的実施形態を示す図である。 本発明に従うＩＦＯＧデバイス用のハイブリッド光集積回路（ＨＰＩＣ）の例示的実施形態を示す図である。 本発明に従うＰＩＣ導波路の例示的実施形態を示す図である。 図５Ａに表される導波路のモデルおよび関連付けられたシミュレーション結果を示す図である。 図５Ａに表される導波路のモデルおよび関連付けられたシミュレーション結果を示す図である。 本発明に従う拡張光集積回路を示す図である。
例示的実施形態の説明が続く。
本願明細書において引用されるすべての特許、公表された出願および参考文献の教示は、それらの全体が参照によって組み込まれる。
特定の干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ、本願明細書では「ＦＯＧ」とも称される）の用途は、特に厳しい一組の制約の下で動作する必要がある。例えば、自動車用途において用いられるＩＦＯＧは、著しく長い時間の間、温度および湿度の広い範囲において動作する必要があり、同時に、ＩＦＯＧの失敗率は、車両の他の部分の失敗率と少なくとも同じくらい低くなければならない。さらに、ＩＦＯＧは、比較的低コストで、大量生産できる必要がある。光集積回路（ＰＩＣ）に基づくＩＦＯＧアーキテクチャは、高安定性の光ファイバ・ジャイロスコープを安い製造コストで大量生産するのを容易にしうる。多機能光集積回路は、マイクロエレクトロニクス回路の製造と互換性を持つ材料およびプロセスを用いてシリコン基板に基づき製造されうる。
図３は、本発明に従うＩＦＯＧデバイス用の光集積回路（ＰＩＣ）３００の例示的実施形態を示す。ＰＩＣ回路は、単一の空間および単一の偏光モードをサポートする導波路構造に基づいて製造されてもよい。ＰＩＣ回路レイアウトは、第１のコネクタ３０２、第２のコネクタ３０４、第１のカプラ３０６（本願明細書ではビームスプリッタとも称される）、偏光子３０８、少なくとも１つの迷光アイソレータ（またはアブソーバ）３１０ａ、３１０ｂ、第２のカプラ３１２、第３のコネクタ３１４および第４のコネクタ３１６を備えてもよい。カプラ３０６、３１２、偏光子３０８およびアイソレータ／アブソーバ３１０ａ、３１０ｂの１つまたは複数は、共通基板上に製造されてもよい。ＰＩＣ３００の部品は、図３に示すように、基板上に製造されるかまたはＰＩＣ３００上に配置されている導波路構造３１８ａ〜３１８ｆを介して互いに接続されてもよい。
第１のコネクタ３０２を介してＰＩＣ３００に接続されている光源３２０は、第１のコネクタ３０２を介してＰＩＣ３００に連続光を放射する。光源３２０から第１のコネクタ３０２への経路は、一端または両端にコネクタを有する従来の導波路でもよい。一実施形態では、光源３２０、スーパー・ルミネッセント・ダイオード（ＳＬＤ）でもよいが、他の光源を用いてもよい。放射光は、コネクタ３０２を通過し、導波路３１８ａを通過し、カプラ３０６を通過し、導波路３１８ｂを通過し、偏光子３０８を通過し、導波路３１８ｃを通過し、カプラ３１２を通過し、導波路３１８ｄを通過し、第３のコネクタ３１４に到達してもよい。
ＰＩＣ３００は、第３のコネクタ３１４および第４のコネクタ３１６を介して検知ファイバ・コイル１０８に接続されてもよい。位相変調器３２２は、ファイバ・コイル１０８内にコイルの一端で組み込まれ、ダイナミック・バイアスを伝播光に供給してもよい。位相変調器３２２は、示される検出／フィードバック回路３２３から位相変調制御信号３２１を受信してもよい。カプラ３１２からの光は、コネクタ３１４を通過し、位相変調器３２２を通過し、ファイバ・コイル１０８内に到達する。ファイバ・コイル１０８の巻回を通過した後に、戻り光は、第４のコネクタ３１６を通過し、導波路３１８ｅを通過し、第２のカプラ３１２に戻る。ファイバ・コイル１０８からの戻り光は、第２のカプラ３１２から導波路３１８ｃを通過し、偏光子３０８を通過し、導波路３１８ｂを通過し、第１のカプラ３０６を通過し、導波路３１８ｆを通過し、第２のコネクタ３０４に到達する。第２のコネクタ３０４に結合される光検出器３２４は、第１のカプラ３０６からの戻り光を受信する。光検出器３２４は、第２のコネクタ３０４に直接取り付けられてもよいし、または、光検出器３２４は、従来の導波路の一端または両端にコネクタを有する従来の導波路を介して接続されてもよい。
機能的に、光源３２０、第１のカプラ３０６および光検出器３２４は、トランシーバを形成する。光検出器３２４は、センサ・ファイバ・コイル１０８から戻る光信号（すなわち、伝播光）を検出する。偏光子３０８、迷光アイソレータ／アブソーバ３１０ａ、３１０ｂ、第２のカプラ３１２、位相変調器３２２およびファイバ・コイル１０８は、サニャック干渉計を一緒に形成する。
第１のコネクタ３０２は、光源３２０から導波路３１８ａに効率的に光を結合するように構成される。さまざまな技術を用いて、高い結合効率を生じてもよい。
例示的実施形態では、モード・スポット（スポット・サイズ）コンバータは、コネクタ３０２に実装され、ＰＩＣ導波路３１８ａの終端のモード・フィールドを光源３２０の導波路のモード・フィールドにマッチさせてもよい。
他の例では、光学レンズは、コネクタ３０２で利用され、ＰＩＣ導波路３１８ａの端面に投影される、光源３２０のモード・フィールド・サイズを良好なモード・マッチに調整してもよい。微細加工構造が形成され、光源３２０、ＰＩＣ３００および集束レンズ（図示せず）を正確な位置に位置決めし、光源３２０およびＰＩＣ３００を比較的容易にかつ正確に結合してもよい。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が第１のコネクタ３０２内に組み込まれ、光源３２０および／またはレンズを移動し、アライメントを微調整することができる。アライメントが適切に調整された後、相対的な位置は、適当な技術（例えば、ボンディングまたはハンダ付け）を用いて固定可能である。
サニャック干渉計からの戻り光のパワーは、ジャイロスコープのターン率に応答して変化し、光検出器３２４によって検出されてもよい。第２のコネクタ３０４は、干渉センサからの戻り信号を光検出器３２４に結合してもよい。光検出器３２４の検知領域が十分に大きい場合、第２のコネクタ３０４からの出力光は、光検出器３２４の表面に直接投影可能である。反射するマイクロミラーを用いて、戻り光を所望の方向に導いてもよい。マルチモード・ファイバが、光を検出器の位置に導くために適用されてもよい。
カプラ３０６、３１２の各々は、一対の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する。本願明細書において記載されているように、第１のカプラ３０６は、光源３２０から光を、２つの分岐ポートのうちの１つを介してサニャック干渉計内に結合し、戻り光を、他の分岐ポートを介して光検出器３２４に導く。カプラ３０６は、Ｙスタイル接合またはエバネッセント波結合方向性結合器とすることができる。第１のカプラ３０６の共通ベース導波路ポートは、偏光子３０８に接続されている。
導波路偏光子３０８は、第１のカプラ３０６および第２のカプラ３１２のベース導波路を接続する導波路（３１８ｂおよび／または３１８ｃ）の部分によって実装されてもよい。偏光子３０８は、動作偏光方向の偏光のためには、低い伝搬損失を有するが、動作偏光方向に垂直の方向の偏光には、非常に高い伝搬損失を有する。さまざまな方法を適用し、伝搬損失の大きい偏光依存を確実にしてもよい。偏光子３０８を実装するのに用いられる導波路が相当に大きい複屈折を有する場合、ＴＭモードは、ＴＥモードよりも緩和されて導かれてもよい。
小半径の一連の屈曲を有する導波路は、ＴＭモードを非常に減衰させる、一方、ＴＥモードは、ごくわずかな量しか減衰せず、その結果、効果的な導波路偏光子を生ずる。ＴＭモードにおいて、６０ｄＢより高い消滅割合を低い伝播損失で達成可能である。最適化された厚さを有するクラッドを有する導波路はまた、偏光子３０８を実装するための有効な方法として生じてもよい。ＴＭモードのエバネッセント・テールがＴＥモードより導波路コアから遠く離れて延在するので、ＴＭモードは非常に減衰しうるが、一方、ＴＥモードが実質的に影響を受けないままである。さらに、クラッド材料の上部は、材料層でコーティングされ、ＴＭモードの減衰を強化してもよい。この種の材料の例は、クラッド材料より高い屈折率を有する誘電材料でもよいし、または、動作波長で光に対して吸収性の誘電材料または金属でもよい。
曲がり導波路の一端が、曲がり導波路の他端に対して角度を形成するように、曲がり導波路の部分は、２つのカプラ３０６、３１２を接続するように配置されてもよい。この配置は、接合で２つのカプラの共通ベース導波路に向かって開始する非対称モード放射が導波路に再結合されるのを防止してもよい。導波路偏光子３０８は、それ自身で曲がった形状に組み込まれ、この目的にかない、空間を節約することができる。
少なくとも１つのアイソレータ／アブソーバ３１０ａ、３１０ｂを用いて、さらに、任意の非相反光を拒絶してもよい。例示的実施形態では、光吸収性材料のパターン化層は、回路導波路と一緒に展開され、アイソレータ／アブソーバの機能を、特に２つのカプラ３０６、３１２間の導波路に沿って実装してもよい。代替的には、導波路は、カプラ３０６、３１２を接続する導波路とともに微細加工され、保護導波路構造を形成してもよい。保護導波路構造は、２つのカプラ３０６、３１２を接続する導波路３１８ｂ、３１８ｃの両側に、かつ、導波路３１８ｂ、３１８ｃに近接して製造されてもよい。さらに、トレンチ・アレイは、２つのカプラ３０６、３１２を接続する導波路３１８ｂ、３１８ｃに沿ったある場所に製造され、（フォトニック集積回路基板の表面に対して）垂直な方向に迷光を導いてもよい。本願明細書において記載されている曲がり導波路構成は、追加の特徴（例えば、アイソレータまたはアブソーバまたはフィルタまたはデフレクタ）とともに、回路の他の部分によって再結合される迷光を最小化し、誤った第２の光学パスのためにジャイロスコープ内の潜在的スプリアス信号を低下させるように機能してもよい。
第２のカプラ３１２は、共通ベース導波路３１８ｃから導かれた光を２つの等しい波に分割する。第２のカプラ３１２の２つの導波路分岐３１８ｄ、３１８ｅは、第３のコネクタ３１４および第４のコネクタ３１６に結合される。分岐導波路３１４および分岐導波路３１６の光路差（すなわち、第２のカプラ３１２と第３のコネクタ３１４との間の導波路の有効光路と、第２のカプラ３１２と第４のコネクタ３１６との間の導波路の有効光路と、の差）は、光源３２０のコヒーレンス長より大きくなってもよい。例示的実施形態では、光路差は、光源３２０のコヒーレンス長の３倍より大きい。
第２のカプラ３１２からの導波路分岐３１８ｄ、３１８ｅの端の２つのコネクタ３１４、３１６は、光ファイバに対する結合効率増加するように構成される微細構造を有する。この種の微細構造の一例は、スポット・サイズ・コンバータでもよく、スポット・サイズ・コンバータは、平面導波路３１８ｄ、３１８ｅのモード・フィールドを検知コイル１０８の光ファイバの同じモード・サイズに変換する。ＰＩＣチップの端面は、導波路終端に対して適当な角度で切断され、研磨されていてもよい。この角度研磨された面は、任意の反射光が導波路によって反対方向に導かれるのを防止してもよい。ファイバとの低損失の接続を達成するために、ファイバ端は、対応するフレネル角度に研磨されてもよい。ファイバと導波路との結合方法の他の例は、２０１７年９月１５日に出願された特許文献１によって詳細に説明され、その全内容は、本願明細書に参照によって組み込まれる。光集積回路の導波路と光ファイバとの、低結合、低偏光を維持する、セルフ・アライニング接続が、サイド研磨されまたは化学エッチングされたＤ形状ファイバを用いて達成されてもよい。
開示されたＰＩＣは、短波長光、一実施形態では８３０ｎｍの波長を用いて動作してもよい。回転率に対するＦＯＧの応答感度を決定するＩＦＯＧのスケール・ファクタは、光ファイバのコイル長に比例するが、動作波長に反比例する。所定のＩＦＯＧおよび関連付けられたスケール・ファクタのために、同じスケール・ファクタが、ＩＦＯＧをより短い波長で動作することによって、より短い光ファイバ長（より小さいコイル・サイズ）で一定に保持されてもよい。非シリコンベースのＰＩＣを用いて、ＩＦＯＧデバイスのより短い波長動作を容易にしてもよい。一実施形態では、シリコン酸化物上の窒化ケイ素によって製造されるＰＩＣは、８３０ｎｍの波長動作を容易にしてもよい。
図４には、ＩＦＯＧ用のハイブリッド光集積回路（ＨＰＩＣ）の例示的実施形態が示される。ＨＰＩＣ４００の例示的実施形態では、（ＰＩＣ４０６の材料とは異なる半導体材料によって製造される）光源４０２および光検出器４０４の両方は、共通サブマウント４０５上にＰＩＣ４０６と一緒に、マイクロマウントされてもよい。本願明細書において記載されているエンド・ファイア結合技術を利用して、光源４０２および光検出器４０４を、第１のカプラ４０７の分岐ポートにつながる導波路に結合してもよい。スポット・サイズ・コンバータは、第１のカプラ４０７につながるＰＩＣ導波路上の光源４０２および／または光検出器４０４に対するインタフェースで微細加工され、結合効率を増加させ、アライメント許容度を緩和してもよい。
ＨＰＩＣの他の例示的実施形態では、光源４０２は、ウェーハ・レベルの微細加工によって、ＰＩＣ導波路の上面に集積されてもよい。広帯域放出は、光源導波路およびＰＩＣ導波路のモード間のエバネッセント波の相互作用によってＰＩＣ導波路に転送されてもよい（例えば、非特許文献１参照）。
他の例示的実施形態では、フリップ・チップ・アッセンブリによって、ＳＬＤ対導波路エバネッセント波結合を容易にする特別なＳＬＤデバイスが製造されてもよい。この実施形態は、高い結合効率を、アライメント正確性の緩和された要件で達成することができる。
ＨＰＩＣの他の例示的実施形態では、インライン位相変調器４０８は、ＰＩＣ回路４０６内に組み込まれてもよい。インライン位相変調器４０８の１つの例示的実施形態では、圧電材料の層は、適切な金属電極と一緒に、上部クラッド層の上面上において、第２のカプラ４１０と第１のコネクタ４１２および／または第２のコネクタ４１４と間の導波路の部分に堆積され、パターン化されてもよい。電圧が圧電材料に印加されるとき、圧電層は、下の導波路材料に応力を経験させうる。応力は、導波路の有効屈折率を変え、導波路内を伝搬する光の位相を動的に変えうる。インライン位相変調器の他の例では、ｘカットのニオブ酸リチウム薄膜の部分は、ＰＩＣ導波路のコアの上面上の、第２のカプラ４１０と第１のコネクタ４１２および／または第２のコネクタ４１４との間の導波路の部分上に重ねられてもよい。ニオブ酸リチウム膜の上面は、ＰＩＣ導波路の上面と密に接触する必要がある。このようにして、リッジ・タイプのハイブリッド型単一モード光導波路が製造されてもよい。
デバイス損失は、ハイブリッド型導波路とＰＩＣ導波路との間のモード・フィールド・マッチングによって主に決定される。図５Ａに示される例示的実施形態では、ＰＩＣ導波路５００は、窒化ケイ素コア５０２およびシリコン酸化物クラッド５０４の薄板から構成される。ハイブリッド型導波路は、窒化ケイ素コアの上面に、両端で鋭いＶ形状をそれの中に形成したｘカットのニオブ酸リチウム薄膜５０６を覆うことによって形成される。（図５Ｂに示されるモデルに対応する）図５Ｃに示されるシミュレーション結果は、この実施形態のデバイス結合効率が９０％より大きいことを証明する。位相変調器がプッシュプル構成で動作するとき、Ｖ＿π＝６．０Ｖであり、残留強度変調（ＲＩＭ）は、４２０ｐｐｍ未満である。
ＨＰＩＣの他の例示的実施形態では、インライン光学のアイソレータ４１６は、光磁気（ＭＯ）材料、例えば、Ｃｅ置換イットリウム鉄ガーネット（Ｃｅ：ＹＩＧ）の薄膜をＰＩＣ導波路コアの上面上の、光源入力４２０と第１のカプラ４０７との間の導波路４１８の部分において覆うことによって構成されてもよい。ＭＯ膜の上面は、ＰＩＣ導波路４１８の上面と密に接触する必要がある。このようにして、リッジ・タイプのハイブリッド型単一モード光導波路が製造されてもよい。ハイブリッド型導波路において、光相反性は、ＭＯ材料にわたり磁場を適用することによって壊れる。サニャック干渉計から戻る光は、ＭＯ材料内のファラデー効果によって光源４０２内にフィードバックされるのを防止される。
図６には、ＦＯＧのための拡張光集積回路（ＥＰＩＣ）の例示的実施形態が示される。ＥＰＩＣを用いて、波長計は、主ＰＩＣ回路と一緒に組み込まれ、製造可能である。ＥＰＩＣ製造は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスと完全に互換性を持ち、また主ＰＩＣ回路の製造とも完全に互換性を持つ。波長計は、波長シフトおよび不安定性によって生じる角速度測定のスケール・ファクタのリアルタイムの回転検知および修正において利用されている有効な干渉計波長の測定および監視を可能にする。
波長計６０２を組み込むために、サニャック干渉計からの戻り信号の一部は、光検出器６０６につながる導波路６０４からリダイレクト可能である。非対称のＹ接合またはバランスのない方向カプラ６０８は、第１のカプラ６１０と光検出器６０６との間の導波路６０４に配置され、戻り信号の一部をリダイレクトすることができる。リダイレクトされた信号を、波長計６０２の入力として用いることができ、波長計６０２の出力は、スケール・ファクタ修正係数発生器６１２により用いられ、示されるように、スケール・ファクタを修正するのに用いられるスケール・ファクタ修正係数６１４を生成してもよい。波長計およびスケール・ファクタ修正に関するさらなる詳細および例示的実施形態は、２０１８年１月２２日に出願された特許文献２において見ることができ、それの全内容は、本願明細書において参照によって組み込まれる。
本願明細書では、ＥＰＩＣの例示的実施形態に関して記載されているが、波長計およびスケール・ファクタ修正部品もまた、本願明細書において記載されているＰＩＣおよびＨＰＩＣの実施形態に組み込まれてもよいことを理解されたい。
例示的実施形態が特に示され記載されてきたが、添付の請求の範囲に包含される実施形態の範囲を逸脱することなく、さまざまな形の変更および詳細が当業者によりなされうることを理解されたい。
光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、機械ベースのジャイロスコープ、例えば固体動作（可動部分なし）より低重量、より小さいサイズ、より低パワー、より高速のターンオン時間およびより高い信頼性という特定の利点を有する。従って、ＦＯＧは、広範囲にわたる応用分野における回転検知のために提案されてきた。多くの応用分野、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ）に用いられる姿勢方位基準装置（ＡＨＲＳ）、地上ナビゲーションならびに石油およびガス探査産業に用いられる検層に関心が向けられてきた。明らかに、約１００ｐｐｍ以上のスケール・ファクタ安定性を有する閉ループ・システムの開発に重点が置かれている。しかしながら、開ループ技術は、依然として、適度なスケール・ファクタ安定性で十分な応用において使用されうる。地上ナビゲーションにおいて探査されている１つの分野は、自動車を導き追跡するシステムのための低コストで低から中程度の精度のデバイスの開発であり、デバイスのバイアス・ドリフトは、約０．３°／時間以下であり、スケール・ファクタは、約１０００ｐｐｍ以上であり、このスケール・ファクタは、閉ループおよび開ループ・ジャイロスコープ・システムによって現在到達されているレベルである。
光ファイバ・センサの分野の従来の方法は、以下を含む。特許文献１は、光ファイバ・コイルおよびコイルに光学的に結合されるレーザー源を含む光ファイバ・センサを開示する。光源からの光は、第１の方向にコイルに沿って伝搬する第１の信号および第１の方向の反対の第２の方向にコイルに沿って伝搬する第２の信号としてコイルに送信される。
非特許文献１は、Ｎｄ：ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ ３ 単一モードチャネル導波路レーザー発振を開示する。
特許文献２は、光源、光カプラ、光検出器ならびに１つの入力、２つの出力および入力と出力との間の複屈折結晶基板導波路を有する光回路デバイスを含むＦＯＧを開示する。
特許文献３は、ＦＯＧを校正し、波長変動を補償することを開示する。
特許文献４は、ＦＯＧ用の光集積回路を開示する。回路は、検知ループを形成する光ファイバの端を受け入れるための光ファイバ・コネクタと、光ファイバ・コネクタとの間で光を伝送するため、および光ファイバ・コネクタから受け取った光を結合するためのリブ導波路と、検知ループに送信される光を偏光するための偏光子と、位相変調器と、を含む。
欧州特許出願公開第２，２３６，６６３号明細書 米国特許第７，０８５，４４１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２２９８３８号明細書 欧州特許出願公開第１、０２５、４２２号明細書 米国特許出願第６２／５５９，３０７号明細書 米国特許出願第１５／８７７，１１０号明細書
ＬａｌｌｉｅｒＥ．等，"Ｌａｓｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｎ Ｎｄ：ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥ Ｓｔｅｖｅｎａｇｅ，ＧＢ，第２６巻，第２６号，１９８９年１０月２６日，（１９８９−１０−２６），１４９１〜１４９２ページ "Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｒｉｖｅｒ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ"，Ｍ．Ａ．ＴＲＡＮ，Ｔ．ＫＯＭＬＪＥＮＯＶＩＣ，Ｊ．Ｃ．ＨＵＬＭＥ，ＭＪＫＥＮＮＥＤＹ，Ｄ．Ｊ．ＢＬＵＭＥＮＴＨＡＬおよびＪ．Ｅ．ＢＯＷＥＲＳ，第２５巻，第４号，２０１７年２月２０日，ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ，ｐ３８２６〜ｐ３８３９
図１に示すように、ＩＦＯＧ光学系１００のいわゆる「最小構成」は、この相反性を達成するように配置される。ここで、出力は、第２のカプラ１０４上の入力として用いられるのと同じポート１０２から導出され、位相変調器１１０がファイバ・ループ１０８への入力において用いられる。システムが単一の空間モードで単一の偏光モード動作であるとき、ファイバ・ループ１０８における相反性の要件が満足する。サニャック干渉計の出力Ｓは、数式（２）の形のコサイン干渉機能である。
第２のカプラ３１２からの導波路分岐３１８ｄ、３１８ｅの端の２つのコネクタ３１４、３１６は、光ファイバに対する結合効率増加するように構成される微細構造を有する。この種の微細構造の一例は、スポット・サイズ・コンバータでもよく、スポット・サイズ・コンバータは、平面導波路３１８ｄ、３１８ｅのモード・フィールドを検知コイル１０８の光ファイバの同じモード・サイズに変換する。ＰＩＣチップの端面は、導波路終端に対して適当な角度で切断され、研磨されていてもよい。この角度研磨された面は、任意の反射光が導波路によって反対方向に導かれるのを防止してもよい。ファイバとの低損失の接続を達成するために、ファイバ端は、対応するフレネル角度に研磨されてもよい。ファイバと導波路との結合方法の他の例は、２０１７年９月１５日に出願された特許文献５によって詳細に説明され、その全内容は、本願明細書に参照によって組み込まれる。光集積回路の導波路と光ファイバとの、低結合、低偏光を維持する、セルフ・アライニング接続が、サイド研磨されまたは化学エッチングされたＤ形状ファイバを用いて達成されてもよい。
ＨＰＩＣの他の例示的実施形態では、光源４０２は、ウェーハ・レベルの微細加工によって、ＰＩＣ導波路の上面に集積されてもよい。広帯域放出は、光源導波路およびＰＩＣ導波路のモード間のエバネッセント波の相互作用によってＰＩＣ導波路に転送されてもよい（例えば、非特許文献２参照）。
波長計６０２を組み込むために、サニャック干渉計からの戻り信号の一部は、光検出器６０６につながる導波路６０４からリダイレクト可能である。非対称のＹ接合またはバランスのない方向カプラ６０８は、第１のカプラ６１０と光検出器６０６との間の導波路６０４に配置され、戻り信号の一部をリダイレクトすることができる。リダイレクトされた信号を、波長計６０２の入力として用いることができ、波長計６０２の出力は、スケール・ファクタ修正係数発生器６１２により用いられ、示されるように、スケール・ファクタを修正するのに用いられるスケール・ファクタ修正係数６１４を生成してもよい。波長計およびスケール・ファクタ修正に関するさらなる詳細および例示的実施形態は、２０１８年１月２２日に出願された特許文献６において見ることができ、それの全内容は、本願明細書において参照によって組み込まれる。

Claims (27)

  1. 光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用の光集積回路（ＰＩＣ）であって、該光集積回路（ＰＩＣ）は、
    光源に接続されるように構成される第１のコネクタと、
    光検出器に接続されるように構成される第２のコネクタと、
    ファイバ・コイルの第１のポートに接続されるように構成される第３のコネクタと、
    前記ファイバ・コイルの第２のポートに接続されるように構成される第４のコネクタと、
    第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第１のカプラと、
    第１の偏光子ポートおよび第２の偏光子ポートを有する導波路偏光子と、
    第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第２のカプラと、
    を備え、
    前記第１のカプラの前記第１の分岐ポートは、第１の導波路を介して前記第１のコネクタに結合され、前記第１のカプラの前記第２の分岐ポートは、第２の導波路を介して前記第２のコネクタに結合され、前記第１のカプラの前記共通ベース・ポートは、第３の導波路を介して前記第１の偏光子ポートに結合され、
    前記第２のカプラの前記第１の分岐ポートは、第４の導波路を介して前記第３のコネクタに結合され、前記第２のカプラの前記第２の分岐ポートは、第５の導波路を介して前記第４のコネクタに接続され、前記第２のカプラの前記共通ベース・ポートは、第６の導波路を介して前記第２の偏光子ポートに結合され、
    前記光集積回路（ＰＩＣ）は、前記第５の導波路、前記偏光子および前記第６の導波路の１つまたは複数に近接して配置されるアイソレータ、アブソーバ、フィルタおよびデフレクタの少なくとも１つを備え、
    前記第１から第６の導波路は、単一モードおよび偏光を維持するように構成される光導波路である、
    光集積回路（ＰＩＣ）。
  2. 前記第１のコネクタに結合される光源と、
    前記第２のコネクタに結合される光検出器と、
    前記第３のコネクタに結合される第１のファイバ・コイル・ポートおよび前記第４のコネクタに結合される第２のファイバ・コイル・ポートを有するファイバ・コイルと、
    前記ファイバ・コイルに関連付けられた位相変調器であって、変調信号に基づいて、前記ファイバ・コイルを介して伝搬する光を変調するように構成される位相変調器と、
    をさらに備え、
    このことにより、ＦＯＧ用の光学システムを形成する、
    請求項１に記載のＰＩＣ。
  3. 検出／フィードバック回路をさらに備え、該検出／フィードバック回路は、
    前記変調信号が導出される基準信号を提供するように構成される局部発振器と、
    前記光検出器から出力を受信し、そこから回転測定信号を生成するように構成される位相検知検出器と、
    をさらに備え、
    このことにより、前記ＦＯＧを形成する、
    請求項２に記載のＰＩＣ。
  4. 前記第１から第６の導波路は、単一の空間モードのみをサポートするように構成される、
    請求項１に記載のＰＩＣ。
  5. 前記第１から第６の導波路は、複屈折に構成される、
    請求項１に記載のＰＩＣ。
  6. 前記第１から第６の導波路は、単一の線形偏光モードのみをサポートするように構成される、
    請求項５に記載のＰＩＣ。
  7. 前記光源は、広帯域で半導体ベースの光源である、
    請求項１に記載のＰＩＣ。
  8. 前記第１の導波路において前記第１のコネクタと前記第１のカプラとの間に配置されたインライン光アイソレータをさらに備える、
    請求項１に記載のＰＩＣ。
  9. 光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用の拡張光集積回路（ＥＰＩＣ）であって、該拡張光集積回路（ＥＰＩＣ）は、
    光源と、
    光検出器と、
    ファイバ・コイルの第１のポートに接続されるように構成される第１のコネクタと、
    前記ファイバ・コイルの第２のポートに接続されるように構成される第２のコネクタと、
    第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第１のカプラと、
    第１の偏光子ポートおよび第２の偏光子ポートを有する導波路偏光子と、
    第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第２のカプラと、
    を備え、
    前記第１のカプラの前記第１の分岐ポートは、第１の導波路を介して前記光源に結合され、前記第１のカプラの前記第２の分岐ポートは、第２の導波路を介して前記光検出器に結合され、前記第１のカプラの前記共通ベース・ポートは、第３の導波路を介して前記第１の偏光子ポートに結合され、
    前記第２のカプラの前記第１の分岐ポートは、第４の導波路を介して前記第１のコネクタに結合され、前記第２のカプラの前記第２の分岐ポートは、第５の導波路を介して前記第２のコネクタに接続され、前記第２のカプラの前記共通ベース・ポートは、第６の導波路を介して前記第２の偏光子ポートに結合され、
    前記拡張光集積回路（ＥＰＩＣ）は、前記第５の導波路、前記偏光子および前記第６の導波路に近接して配置されるアイソレータ、アブソーバ、フィルタおよびデフレクタの少なくとも１つを備え、
    前記拡張光集積回路（ＥＰＩＣ）は、（ｉ）前記光源から導出され、（ｉｉ）前記ファイバ・コイルから戻る光信号の少なくとも一部を用いる光波長計であって、前記光信号の有効な干渉計波長を表す信号を生成する光波長計を備え、
    前記第１から第６の導波路は、単一モードおよび偏光を維持するように構成される、
    拡張光集積回路（ＥＰＩＣ）。
  10. 前記第１のコネクタに結合される第１のファイバ・コイル・ポートおよび前記第２のコネクタに結合される第２のファイバ・コイル・ポートを有するファイバ・コイルと、
    前記ファイバ・コイルに関連付けられた位相変調器であって、変調信号に基づいて、前記ファイバ・コイルを介して伝搬する光を変調するように構成される位相変調器と、
    をさらに備え、
    このことにより、前記ＦＯＧ用の光学システムを形成する、
    請求項９に記載のＥＰＩＣ。
  11. 検出／フィードバック回路モジュールをさらに備え、該検出／フィードバック回路モジュールは、
    前記変調信号が導出される基準信号を提供するように構成される局部発振器と、
    前記光検出器から出力を受信し、そこから回転測定信号を生成するように構成される位相検知検出器と、
    前記光信号の前記有効な干渉計波長に基づいて、ＦＯＧスケール・ファクタを修正するスケール・ファクタ修正メカニズムと、
    を備え、
    このことにより、前記ＦＯＧを形成する、
    請求項１０に記載のＥＰＩＣ。
  12. 前記第１から第６の導波路は、単一の空間モードのみをサポートするように構成される、
    請求項９に記載のＥＰＩＣ。
  13. 前記第１から第６の導波路は、複屈折に構成される、
    請求項９に記載のＥＰＩＣ。
  14. 前記第１から第６の導波路は、単一の線形偏光モードのみをサポートするように構成される、
    請求項１３に記載のＥＰＩＣ。
  15. 前記位相検知検出器は、前記光検出器の前記出力から、変調周波数成分を取り除き、前記回転測定信号を生成する、
    請求項１１に記載のＥＰＩＣ。
  16. 前記光源は、広帯域で半導体ベースの光源である、
    請求項９に記載のＥＰＩＣ。
  17. 前記第１の導波路において前記光源と前記第１のカプラとの間に配置されるインライン光アイソレータをさらに備える、
    請求項９に記載のＥＰＩＣ。
  18. 光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）用のハイブリッド光集積回路（ＨＰＩＣ）であって、該ハイブリッド光集積回路（ＨＰＩＣ）は、
    サブマウントと、
    該サブマウントに固定して取り付けられた半導体ベースの光源と、
    前記サブマウントに固定して取り付けられた光検出器と、
    前記サブマウントに固定して取り付けられた第１のコネクタであって、ファイバ・コイルの第１のポートに接続されるように構成される第１のコネクタと、
    前記サブマウントに固定して取り付けられた第２のコネクタであって、前記ファイバ・コイルの第２のポートに接続されるように構成される第２のコネクタと、
    前記サブマウントに固定して取り付けられた光集積回路と、
    を備え、
    該光集積回路は、
    第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第１のカプラと、
    第１の偏光子ポートおよび第２の偏光子ポートを有する導波路偏光子と、
    第１の分岐ポート、第２の分岐ポートおよび共通ベース・ポートを有する第２のカプラと、
    を備え、
    前記第１のカプラの前記第１の分岐ポートは、第１の導波路を介して前記光源に結合され、前記第１のカプラの前記第２の分岐ポートは、第２の導波路を介して前記光検出器に結合され、前記第１のカプラの前記共通ベース・ポートは、第３の導波路を介して前記第１の偏光子ポートに結合され、
    前記第２のカプラの前記第１の分岐ポートは、第４の導波路を介して前記第１のコネクタに結合され、前記第２のカプラの前記第２の分岐ポートは、第５の導波路を介して前記第２のコネクタに接続され、前記第２のカプラの前記共通ベース・ポートは、第６の導波路を介して前記第２の偏光子ポートに結合され、
    前記ハイブリッド光集積回路（ＨＰＩＣ）は、前記第５の導波路、前記偏光子および前記第６の導波路に近接して配置されるアイソレータ、アブソーバ、フィルタおよびデフレクタの少なくとも１つを備え、
    前記第１から第６の導波路は、単一モードおよび偏光を維持するように構成される、
    ハイブリッド光集積回路（ＨＰＩＣ）。
  19. 前記第１のコネクタに結合される第１のファイバ・コイル・ポートおよび前記第２のコネクタに結合される第２のファイバ・コイル・ポートを有するファイバ・コイルと、
    前記ファイバ・コイルに関連付けられた位相変調器であって、変調信号に基づいて、前記ファイバ・コイルを介して伝搬する光を変調するように構成される位相変調器と、
    をさらに備え、
    このことにより、ＦＯＧ用の光学システムを形成する、
    請求項１８に記載のＨＰＩＣ。
  20. 検出／フィードバック回路をさらに備え、該検出／フィードバック回路は、
    前記変調信号が導出される基準信号を提供するように構成される局部発振器と、
    前記光検出器によって生成される出力信号を受信し、そこから回転測定信号を生成するように構成される位相検知検出器と、
    を備え、
    このことにより、前記ＦＯＧを形成する、
    請求項１９に記載のＨＰＩＣ。
  21. 前記光集積回路上に形成され、（ｉ）前記光源から導出され、（ｉｉ）前記ファイバ・コイルから戻る光信号の少なくとも一部を用いる光波長計であって、前記光信号の有効な干渉計波長を表す信号を生成する光波長計と、
    前記検出／フィードバック回路に含まれるスケール・ファクタ修正メカニズムであって、前記光信号の前記有効な干渉計波長に基づいて、ＦＯＧスケール・ファクタを修正するスケール・ファクタ修正メカニズムと、
    をさらに備える、
    請求項２０に記載のＨＰＩＣ。
  22. 前記位相検知検出器は、前記光検出器によって生成される前記出力信号から、前記変調信号を取り除く、
    請求項２１に記載のＨＰＩＣ。
  23. 前記第１の導波路において前記半導体ベースの光源と前記第１のカプラとの間に配置されるインライン光アイソレータをさらに備える、
    請求項１８に記載のＨＰＩＣ。
  24. 前記第１から第６の導波路は、単一の空間モードのみをサポートするように構成される、
    請求項１８に記載のＨＰＩＣ。
  25. 前記第１から第６の導波路は、複屈折に構成される、
    請求項１８に記載のＨＰＩＣ。
  26. 前記第１から第６の導波路は、単一の線形偏光モードのみをサポートするように構成される、
    請求項２５に記載のＨＰＩＣ。
  27. 前記半導体光源は、広帯域光源である、
    請求項１８に記載のＨＰＩＣ。
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