JPH02504080A - 統合されたオプチック干渉計的ファイバジャイロスコープモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 統合されたオブチック干渉計的 ファイバジャイロスコープモジュールおよび方法発明の背景 この発明は一般に回転センサに関し、特にファイバオブチック回転センサに関す る。より特定的に、この発明は光回転センサの光入力および出力を処理するｔ： めのコンポーネントを含む統合された光学モジュールに関する。

ファイバオブチックリング干渉計は逆伝播光波を導くファイバオブチック材料の ループを典型的に繭える。ループを通った後、逆伝搬波は結合されて光出力信号 を形成するために建設的にまたは破壊的に干渉する。光出力信号の強度は干渉の 関数として変化し、これは逆伝搬波の相対的位相に依存する。

ファイバオブチックリング干渉計は回転検知のために特に青用であることがわか っている。ループの回転は周知のサニヤック効果に従って逆伝搬波の間の相対位 相差を作成する。位相差の量はループの角速度の関数である。逆伝搬波の干渉に よって発生する先出力信号はループの回転速度の関数として強度において変化す る。回転検知は光出力信号を検出してそれを処理し、回転速度を決定することに よってなされる。

慣性航法応用に適するために、回転センサは非常に広い動的範囲を有しなければ ならない。回転センサは低くて１時間あたり０．０１度、および高くて１秒あた り１０００度の回転速度を検出することができなければならない。ａ＋定される 上限および下限の比率は約１０９である。

多くのファイバオブチックシステムにおいて、選択された点で既知の偏光状態の 光を有するのが望ましいのは周知である。いくつかのコンポーネントの出力は偏 光に依存する。したがって、このようなコンポーネントに対する既知の偏光入力 を有することはエラーを最小化する。偏光の状態は光フアイバ回転センサのよう な装置において特に重要である。偏光された先ファイバロ転検知システムにおい て、偏光における変化に対するドリフトエラーは偏光器の品質によって決定され る。

バイアスエラーは回転センサとしてファイバオブチックサニャックリングを使用 する際のエラーの主要原因である。

回転センサのバイアスは信号入力がないときの信号出力である。もしバイアスが 一定なら、信号入力があるときにそれを出力信号から減算して、入力信号に対す る回転センサの反応を決定することができる。しかし、バイアスは時間および湿 度変化に対して一定ではないので、回転センサの出力からエラーを単に減算する ことは一般に満足できるものではない。

この発明の要約 この発明は干渉計的ファイバオブチックジャイロスフーブの中心モジュールであ る統合された光学チップを含む。

この発明は統合された光学チップに形成される光コンポーネントを含み、先行の ファイバオブチック回転センサに対して利点を与える態様で干渉計的ファイバジ ャイロスコープに必要な機能を行なう。本発明はバイアスの減少、ノイズの減少 、および換算係数線形および反復性における改良を橙供する。

チップはＬｉＮｂＯ３へのチタン注入のような従来の導波路製造技術を使って電 気光学材料から製造することができる。３つの統合された先導波路がＹ結合器を 形成し、第１の導波路はＹの軸を形成し、第２および第３の導波路はその脚を形 成する。第１の光ファイバからの“Ｙｏの軸における光入射は、°Ｙ°の２つの 脚の間で等しくう）けられてそれぞれ第２および第３の光ファイバに結合される 。類似して、第２および第３のファイバからのＹ°の脚における光入射は、“Ｙ ｏの軸で混ざって第１のファイバに結合する。Ｙカブラの脚は光波の少なくとも １コヒーレンス長によフて好ましくは長さが異なる。Ｙ結合器および軸に形成さ れる偏光手段の距離は光波の非偏光長よりも好ましくは大きい。

本発明は３つの先導波路の各々で伝搬する光信号を偏光させるために、サブスト レート上に形成される手段を含む。

この発明は接合部の複屈折を変調するために、接合部に隣接してサブストレート の上に形成される手段も含む。この発明は第２および第３の導波路で伝搬する光 波の間の位相差および複屈折を変調するために、サブストレート上に形成される 微分位相変調器手段をさらに含む。この発明はＹカプラの軸を形成する導波路の 複屈折を変調するための手段も好ましく含む。

偏光手段は対応する光ファイバの接続に隣接して、各導波路の表面に生成される 第１の金属フィルムを好ましくは含む。各導波路の偏光手段はサブストレートの それぞれの隣接端縁から少なくとも光の１非偏光長にある。

接合部の複屈折を変調するための手段はサブストレートに形成される複数個の電 極を好ましくは備える。第１の電極は導波路の接合部から間隔があけられている 。第２の電極は、接合部が第１および第２の電極の間にあるように導波路の接合 部から間隔があけられている。第３の電極は３つの導波路の接合部の上で第１お よび第２の電極の間にある。装置は３つの電極に電気信号を与えるための手段を さらに含み、３つの導波路の各々に２つの垂直の電界コンポーネントを形成して 導波路の屈折率を調整する。

微分位相変調手段もサブストレート上に形成される複数個の電極を好ましくは備 える。第１の電極は第２および第３の導波路の間にある。第２の電極は、第２の 導波路が第１および第２の電極の間にあるようにサブストレート上に形成される 。第３の電極は、第３の導波路が第１および第３の電極の間にあるようにサブス トレート上に形成される。

本発明は第２の導波路の屈折率を制御するために、第１および第２の電極の間に 第１の電気信号を与えるための手段と、第３の導波路の屈折率を制御するために 第１および第３の電極の間に第２の電気信号を与えるための手段とをさらに含む 。この発明は第２および第３の導波路の複屈折を制御するために、電極に電気信 号を与えるための手段を好ましくは含む。

本発明は結合手段をＹ結合器の軸の偏光器から少なくとも１非偏光の位置に置く ことを含む。他の２つの導波路の端部は、１コヒーレンス波長より多くその長さ において異なるように角度ではかれ、超ルミネセンスダイオードでは約５０μで ある。

好ましい実施例の説明 第１図を参照すると、本発明に従った統合されたオブチックスモジュール１０は 統合されたオブチックスチップまたはサブストレート１２を含み、そこに３つの 光学導波路１４ないし１６が形成されている。サブストレート１２はニオブ酸リ チウムのような電気光学的に活性の材料で好ましくは形成される。しかし、この 発明は制御可能である屈折率を有する他のサブストレート材料を使用して実施す ることができる。サブストレートは磁気光学材料、音響光学活性材料、または熱 光学活性材料を含むように作ることがで、きる。導波路１４ないし１６は接合部 １７で交差してＹ型結合器１８を形成する。回転センサ１９を形成するのに使わ れる光コンポーネントはサブストレート１２上に形成され、後で説明される。統 合されたオブチックスモジュール１０を使用して形成される回転センサは第４Ａ 図、第４Ｂ図および第５Ａ図で示され、詳細に後で説明される。

第８八図ないし第８Ｅ図はサブストレート１２における光導波路１４の形成を示 す。最初、サブストレート１２は金属層２０で覆われ、次にフォトレジスト層２ １で覆われる。ガラスフォトマスクプレート２２はフォトレジスト層２０に置か れる。プレート２２は標準の光還元技術を使って用意され、望ましいパターンを 発生させて、部分２４および２６は不透明で間隔があけられて長手の透明長方形 部分２７を残す。５’５８Ａ図の矢印はガラスプレート２２およびフォトレジス ト層２１の露出部分２７に射突する紫外線（Ｕ　Ｖ）光を示す。部分２４および ２６はＵＶ光に対して不透明であるので、ＵＶ光はフォトレジスト層２１の露出 した部分２７のみに影響する。第８Ｂ図を参照すると、フォトレジスト層２７を 適当な現像剤に置くと、フォトレジスト部分３０のみがサブストレート１２に付 着したまま残り、これはそれぞれ透明領域２７のすぐ下にあった。

第８Ｃ図を参照すると、クリップを適切なエッチャントに置いてフォトマスク３ ０によって保護されているところ以外はチタンを取り除くことによって、チタン ストリップ３４がサブストレート１２上に形成される。

アセトンのような溶剤にサブストレート１２を置くことはフォトレジスト部分３ ０を取り除き、サブストレート１２上に第８Ｄ図で示されるチタンのはっきりと 規定されたＪ１３４のみを残す。層３４は第８Ｄ図の端部から見ると実質的に長 方形の断面を有する。チタン層３４が上にあるサブストレート１２は当該技術に おいて周知であるように、高温のオーブンに置かれ、十分な時間焼付けされて、 サブストレート１２にＴｉ＋１イオンの拡散を起こして、第８Ｅ図で示される一 般に長方形の導波路１４を形成する。

第１図を再び参照すると、統合されたオブチックスモジュール１０はファイバオ ブチック回転センサを形成するのに使用することができる。回転センサを形成す るのに光ファイバ４２ないし４４をそれぞれ導波路１４ないし１６に突き合わせ 結合することができる。光ファイバ４２および４３は別のファイバまたはＭ４Ａ 図で示される検知ループ４６として構成される１つのファイバの両端部であるこ とができる。

光は光ファイバ４２ないし４４のどれかからチップ１２に伝搬することができる 。ファイバ４２からチップ１２への光入射は導波路１４に結合し、これはＹＷ結 合器１８の軸を形成する。導波路１４ないし１６の接合部に達すると、ファイバ ４２からの光入力は導波路１５および１６の間で等しく分かれる。ファイバ４３ からのチップ１２への光入射は導波路１５に結合し、接合部１７に伝搬して導波 路１４に入る。類似して、ファイバ４４からのチップ１２への光入射は導波路１ ６に結合し、接合部１７に伝搬する。導波路１５および１６における接合部１７ に伝搬する光ビームは重ね合わせの周知の原理に従って結合して、導波路１４に おいてファイバ４２の方に伝搬する。

第４Ａ図を参照すると、ファイバオブチック回転センサ４５は好ましくは偏光維 持ファイバである先ファイバ４２に光を与える光源４８を含む。光源４８は超ル ミネセンスダイオード（ＳＬＤ）であってもよい。偏光維持ファイバは２つの直 交線形偏光に対して著しく異なる屈折率を有する。普通の光ファイバは両偏光に 対してほとんど等しい屈折率を有する。電磁波は波が伝搬する媒体の屈折率の関 数である伝搬定数によって特徴づけられることができる。同じ導波路における偏 光コンポーネント（Ｑ光モード）の伝搬定数がほとんど等しければ、エネルギは それらの間で容易に結合する。結果として変化する偏光の信号がもたらされ、こ れは回転検知システムにおいて望ましくない。偏光維持ファイバは２つの偏光の 間に感知し得る結合を防ぐために著しく異なる伝搬定数を有する。したがって、 各偏光の強度は一定のままであり、正味偏光は一定に保たれる。

ファイバ４２への光入力は両方のファイバ軸に沿って偏光コンポーネントを有す るので、これらの偏光の両方は偏光維持ファイバにおいて一緒に混ざることなく ファイバで伝搬する。偏光維持ファイバ４２は後で説明される多様な技術によっ て形成されることができる。すべての偏光維持ファイバは本質的に同一であって もよいので、このようなファイバの後の説明はファイバ４２についてのみ言及す る。

１９８５年５月１５日に出願され、本発明の所有者のりトン・システムズ・イン コーホレーテッド（ＬｉｔｔｏｎＳｙｓｔｅｍｓ、Ｉｎｃ、）に譲渡された米国 特許出願第７３４．２１１号は回転センサ１０を形成するのに使用することがで きる偏光維持光ファイバの構造および製造方法を開示する。

ファイバ４２（；おける光速度はｖ　−（／　ｙｌであり、ここでＣは真空にお ける光速度であり、ｎは考慮している特定偏光のファイバの屈折率であるので、 ２つの偏光はファイバにおいて異なる速度を有する。遅い波はｖｇｍｃ／ｎｚ速 度、速い波はＶＦ−ｅ／ｎｙ速度を有し、ここでｎアくｎｘである。

偏光維持ファイバの１つのタイプは、第１２図で示されるように、層になってい るコア７０および取巻くクラツディング７２を有する。コア７０は異なる偏光の 波に対して異なる屈折率を有して、コアの伝搬定数は偏光依存である。

コア７０およびクラツディング７２は、クラプディングの率が両コア率よりも小 さい屈折率を有する。したがって、偏光維持ファイバは両偏光の光を導く。２つ の偏光に対してコアの伝搬定数が異なるまたは非縮退であるので、エネルギはそ の間で容易に結合しない。したがって、偏光維持ファイバ４２によって伝搬され た光は偏光における変化を経験しない。

複居折特性を存するコアは、特定の屈折率を存するようにコア層に対して材料を 適切に選択することによって、また第１３図で示されるようにわずかの厚さｆ、 およびｆ２を適切に選択することによって合成することができる。第１２図を参 照すると、コア７０は第１の材料の層７８ないし８０．ならびに第２の材料の層 ８２および８４からなり、第２の材料は第１の材料と異なる屈折率を有する。コ ア７０は２つの材料の多くの層を含むことができるが、図示および説明の便宜の ため、５つの層７８ないし８０ならびに８２および８４のみが示される。

普通の光ファイバと違って、形成複屈折単一モードファイバ４２はその中を伝搬 する波の偏光状態を維持する。ファイバ４２において、２つの偏光の屈折率の間 の差は著しく大きく、２つの直交偏光を有する波の伝搬定数の間に実質的な差が ある。伝搬定数の間の差は偏光状態の間の縮退をなくし、普通の状況下で一方偏 光の波が他方偏光に結合されるのを防ぐ。波の間のエネルギの結合は、波が本質 的に同じ速度を有することを必要とする。もし速度が異なるのならば、２つの状 態の間に感知し１りる結合はない。

第１３図を参照すると、第１２図で示される偏光維持ファイバを製造する方法は 、異なる屈折率を有する材料８７および８８の代替層のスタック８６をまず形成 することに関する。スタック８６は加熱されて本質的にモノリシックなブロック を形成する。このブロックは次に一連のダイスによって引張られる、または当該 技術において周知の方法によりて延ばされて、その寸法をコア７０として使用す るのに適する値に減じる。引張る前に、ブロックは円形の断面を有するコアを作 製するために、研磨されて円筒を形成することができる。コア７０の両層折率よ りも小さい屈折率を有するクラディングは、いくつかの標準技術のいずれかによ ってそこに加えることができる、たとえばバルク二酸化シリコン５ｉ０２をコア に融合させて、コアに管を付けるＳｉＯ□を壊す、または気体状の混合物からの ＳｉＯ２の反応性成長による。

ＧｅＯ２（ｎ２　＝１．５９３）は高い率コンポーネントとして、また５ｉ０２ を低い率コンポーネントとしてスタック８６で使用することができる。シリカお よびゲルマニア（ｇｅｒｍａｎｉａ）の両方はその低い損失および物理的互換性 によって、事実上すべての単一モードおよび多モードファイバで使用される。適 切なわずかな厚さで不均等質に結合されて、溶融シリカによって覆われるように 両方が十分大きいｎｘおよびｎアのコア７０を形成する。

しっかりと確立された光製造技術を使って純バルク５ｉＯ９から５ｉ０２プレー トを製造することができる。ＧｅＯ２コンポーネントは機械的製造技術で形成さ れるには薄すぎるかもしれない。ＧｅＯ２層はＧｅＯ２フィルムを５ｉ０２サブ ストレートにスパッタすることによって形成されることができる。ＧｅＯ２層は ５ｊ０２をＧｅの層でコーティングしてそれを環状炉でＧｅＯ２に酸化させるこ とによっても形成することができる。

偏光維持ファイバ４２として使用するのに適する他のタイプの高複屈折ファイバ は次にリストされる米国特許において説明される： 米国特許第４，５４９，７８１号、１９８５年１０月２９日（こバガバチュラ（ Ｂｈａｇａｖａｔｕｌａ）などに発行された「偏光維持単一モード光導波路Ｊ　 　（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｊｏｎ−Ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　　Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍ。

ｄｅ　　０ｐｔｉｃａｌ　　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）；米国特許第４，５２９，４ ２６号、１９８５年７月１６日にブライベル（Ｐｌｅｉｂｅｌ）などに発行され た［高複屈折ファイバを製造する方法Ｊ　　（Ｍｅｔｈｏｄ　　ｏｆＦａｂｒｉ ｃａｔｉｎｇ　　Ｈｉｇｈ　　Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ　　Ｆｉｂｅｒｓ） ； 米国特許第４．４６５．３３６号、１９８４年８月１４日ニヒューバー（Ｈｕｂ ｅｒ）などに発行された「導波路およびそれを製造する方法Ｊ　　（Ｗａｖｅｇ ｕｆｄｅ　　ａｎｄ　　Ｍｅ、ｔｈｏｄ　　ｏｆ　　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎ ｚ５ａｍｅ）； 米国特許第４．５６１，８７１号、１９８５年１２月３１日にバーキー（Ｂｅｒ ｋ、ｅｙ）に発行された［偏光保持光ファイバを作る方法Ｊ　　（Ｍｅｔｈｏｄ 　　ｏｆ　　ＭａｋＬｎｇ　　Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ　　Ｐｒｅｓｅｒｖｉ ｎｇＯｐｔｉｃａｌ　　Ｆｉｂｅｒ）。

光源４８からの光は従来の手段によって偏光維持ファイバ４２に送られる。次に 光は結合器５０に伝搬し、そこで入射光の一部分がファイバ５１の自由端部に結 合される。

ファイバ４２に残る光は第１図で詳細に示されるモジ、Ｓ−ル１０に達する。結 合器１７は光源の光を導波路１５および１６の間で本質的に等しく分割し、これ は検知コイル４６と協働して時計回りおよび逆時計回り波を形成する。

第４Ａ図を再び参照すると、時計回りおよび反時計回り波は検知ループ４６を通 って、接合部１７で結合して干渉パターンを形成する。この干渉パターンを形成 する波は導波路１４１ごおいてファイバ４２に伝搬する。ファイバ４２に形成さ れる光結合器５０は干渉パターンを含む光信号の一部をファイバ５１に結合して 検出器５２に光を導く。検出器５２はこの干渉パターンを示す電気信号を形成す る。

これらの電気信号は次に処理されて回転速度および角度配置が決定される。回転 速度および角度配置を決定するための処理回路は米国特許圧Ｍ第０３１．３２３ 号で説明される。

第１図および第４Ａ図を参照すると、源４８から導波路１４に入力される光は、 サブストレート１２上に形成される第１の偏光器５４を通って伝搬する。偏光器 ５４は導波路１４の局部的領域上の金属性のまたは誘電体および金属性の外被か ら製造されることができる。導波路１４への光波入力における望ましくない偏光 コンポーネントは導波路１４から偏光器５４を形成する材料に結合される。望ま 、しい偏光の光は導波路１４に残る。この発明を説明するのを簡単にするため、 望ましい偏光コンポーネントはサブストレート１２の面にあり、第１図を含むペ ージの上の方を指すことを仮定する。

偏光器４０．４１および５４は好ましくは本質的に同一であるので、偏光器５４ のみがここで詳細に説明される。

第１１図を参照すると、金属ストリップ１０６が導波路１４の上のニオブ酸リチ ウムチフブ１２の上に置かれる。金属ストリップ１０６は好ましくはアルミニウ ムで形成される。誘電体バッファ層１１２はストリップ１０６およびニオブ酸リ チウムチップ１２の間に置かれることができる。

偏光器５４は入射光の水平に偏光されたコンポーネントを渡して、縦に偏光され たコンポーネントを減衰させる。第３図で示されるように、偏光器５４とファイ バ４２に隣接するサブストレート１２の端縁の間の距離が、光源４８からの光出 力の少なくとも１非偏光長であるように、偏光器５４は好ましく位置づけられる 。非偏光長は入力光の偏光が相関を失うのに必要な伝搬距離である。モジニール ユ０を含む回転センサを作る好ましい方法において、偏光器５４および複屈折変 調器１８の間に渡される偏光は非相関される。

類似して、第２図を参照すると、偏光器４０および４１とサブストレート１２の 隣接端縁の間の距離は、光源４８からの光の非偏光長に等しいべきである。偏光 器４０および４１に隣接するサブストレート１２の端縁は、導波路１４および１ ５が異なる長さを存するように成る角度で好ましく磨かれる。導波路ユ４および １５の長さの差は、源４８からの先出力のコヒーレンス長と比べて好ましく大き く、後方反射が相関されて干渉パターンおよびバイアスエラーの発生を防ぐ。フ ァイバ４２ないし４４の端部およびサブストレート１２の隣接する端縁は好まし く灯かれて、ファイバおよびサブストレートの間の境界面での屈折はブルースタ ー角にあって後方反射を最小化する。

再び第１図および第４Ａ図を２照すると、偏光器５４を伝搬した後、Ｆｌ、４８ からのモジュール１０への光入力は複屈折変調器１３０を通って伝搬し、これは 導波路１４の両側に形成される１対の電極１３２および１３４からなる。

複屈折変調器１３０は導波路１４のｖｉ屈折を制御する。

第１の導波路１４における光は次に複屈折変調器１８を通って伝搬する。複屈折 変調器〕８および偏光器５４は導波路〕４における光の非偏光長と等しい距離で 好ましく分離される。複屈折変調器１８はそこに導かれる２つの偏光に対する接 合部１７の屈折率を制御する。接合部１７は導く光の偏光に依存する屈折率を有 する。伝搬の方向がｙ軸なら、線形偏光コンポーネントはＸおよびｚ軸に沿う。

導波路における光波の屈折率はしたがってｎ、Ｘおよびｎｙとして書かれる。導 波路に対する屈折率ｎχおよびｎｙの差は導波路の複屈折である。

接合部１７における光波の速度が、たとえばｖ　−ｃ　／　ｎであり、Ｃは光の 自由空間速度であるので、屈折率を変えることは複屈折変調器１８の領域におけ る波の速度を変える。複屈折変調器１８を通る波の走行時間は波の速度に依存す る。したがって、波の速度を変えることはその走行時間を変える。走行時間にお ける変化は、複屈折変調器１８の出力端部に存在する正弦光波の部分を変えると 見られる。

したがって、屈折率を変えることは光波の２つの線形偏光の位相を異なる！！！ 様で変えるまたは変調する。複屈折変調器１８および５５は２つの線形偏光の間 に制御可能な位相減速を与え、接合において少なくとも２πラジアンを達成する ことができる。

第１図および第６図ないし第８図を参照すると、複屈折変調器１８１謔接合部１ ７のすぐ上にかつすべての３つの導波路１４ないし１６の隣接する部分に置かれ るｉ極６０を含む。複屈折変調器１８はニオブ酸リチウムチップ１２の上に形成 される１対の電極６２および６４を含み、それは電極６０の両側および横方向に 配ばされる。第７図を参照すると、第１の電圧源Ｖ、は中央電極６０および電極 ６２の間に接続され、第２の電圧源ｖ２は電極６０および６４の間に接続されて 、接合部１７において電界を形成する。

これらの電界は接合部１７に対して示される！！３碌と類似して導波路１４ない し１６にも延在する。

第７図で示されるように、電極６０および６４、ならびに電極６２および６４か らの電界は接合部１７に対して直角をなす。第７図を参照すると、中央電極６０ および電極６２の間の電界は図で見られるように主に接合部１７において縦方向 にある。

サブストレート１２はニオブ酸リチウムのような電気光学活性材料で形成され、 ｎ−ｎｏ　＋ｎ＋　　（Ｅ）の形の屈折率を有し、ここでｎＱは屈折率の定数コ ンポーネントであり、ｎ＋（Ｅ）は与えられた電界Ｅの関数である。接合部１７ における電界は第７図で見られるように本質的に縦方向にあるので、電界の縦方 向のコンポーネントのみが屈折率に影響する。接合部１７の屈折の変更は、その 有効光長が変わるのを引き起こす。したがって、接合部１７に与えられた電界の 制御は、２つの偏光に対する接合部１７の屈折率の間の差を制御する手段を与え る。複屈折変調器１８は接合部１７の屈折率を調整することができ、接合部にお いて少なくとも２πラジウムの制御可能位相減速を与える。

複屈折変調器ユ８は接合部１７のサブストレート１２上に装着されるので、Ｙ結 合器の結合領域は２πラジアン減速を与えるのに適切な電界の適用を可能にする ために十分な長さを有しなければならない。複屈折変調器１８および偏光器５４ は協働して、モジュール１０を含むファイバオブチック回転センサにおけるノイ ズおよびバイアスエラーを減じる。

第１図、第９図および第１０図を参照すると、導波路１５および１６で伝搬する 光は微分位相変調器１００を通る。

微分位相変調器１００はサブストレート１２に装着される３つの電極１０１ない し１０３を含む。電極１０１は導波路１５および１６０間に装着される。電極１ ０２および１０３は、導波路１５が電極１０１および１０２の間にあり、導波路 １６は電極１０１および１０３の間にあるように、サブストレート１２に装着さ れる。電極の対１０１および１０２、ならびに１０１および１０３の各々は位相 変調器１０４および位相変調器１０５をそれぞれ含む。組合わせられて、２つの 位相変調器は２つの導波路１５および１６に伝搬する光の位相の差を与える働き をする。

位相変調器１０４および１０５は実質的に同一の構造を有するので、位相変調器 １０４のみが詳細に説明される。

第１０図および第１１図を参照すると、位相変調器１０４は光導波路１５の一部 および電極１０１および１０２を含む。電極１０１および１０２はアルミニウム の気相成長によってサブストレート１２に形成されることができる。電極１０１ および１０２をわたる電圧の印加は導波路１５において水平の電界を発注させ、 複屈折変調器で上記に説明したように電気光学影響によってその屈折率１５を変 える。

位相変調器１０４を通る光波の走行時間は、電極１０１および１０２によって影 響される導波路１５の長さと真空における光速度によって除算された導波路１５ の屈折率の積である。光波を含む電磁界の正弦の性質により、走行時間における 変化は波の位相における変化として見られる。微分位相変調器１００はファイバ オブチック回転センサの閉ループ動作に対してセロダイン技術の使用を可能にす る。

微分位相変調器１００では、光の位相は導波路１５または１６の１つにおいて進 められ、他方で減速される。導波路１５における光は、光ファイバ４３に達する 前に第２の偏光器４０を通って伝搬する。導波路１６における光は、光ファイバ ４４に達する前に第３の偏光器４１を通って伝搬する。ファイバ４３および４４ はサブストレートに対して突き合わせ結合されて、ファイバコアが導波路と整合 されてその間で光を転送することができるが、本発明はこの種の結合に制限され ない。第２の偏光器４０および第３の偏光器４１はそれぞれ導波路１５および１ ６によって導かれる光に同一の偏光効果を与える。微分位相変調器１００および 偏光器４０および４１は協働して高い換算係数線形性および反復性を確実にする 。

微分位相変調器１００は複屈折変調器としても動作することができる。電極１０ １ないし１０３に対する適する電圧の印加は導波路１５および１６の複屈折にお いて制御可能な変化がなされるのを可能にする。

第２図を参照すると、本発明の統合されたモジュールの左端縁は好ましく磨かれ て、結合領域１７から延在する２つの導波路１５および１６の長さが、そこに導 かれる光の１コヒーレンス長Ｌｃ　ｏｌｉ以上長さにおいて異なる。超ルミネセ ンスダイオード（ＳＬＤ）光源では、コヒーレンス長は約５０μｍである。ファ イバ４３および４４の端部は、屈折が導波路をファイバに形成するように、また は逆にファイバ／導波路境界面における伝送率を最大化するためにスネルの法則 を満足するように磨かれる。さらに、第２の偏光器４０および第３の偏光器４１ は、偏光器からファイバ４３および４４が導波路１５および１６に結合するサブ ストレート１２の隣接端縁１１４までの距離が、少なくとも１非偏光長（Ｌ　　 ）であるように好ましく位置づけられγ る。

第３図を参照すると、偏光器５４はサブストレート１２の端縁１１６から少なく ともｌ非偏光で好ましく位置づけられる。端縁１１６および端縁１１６にｌＪ！ 接するファイバ４２の端部は、最適の伝送率を得るためにスキルの法則が満足さ れるように選択される。

光ファイバ４２、偏光器５４および複屈折変調器１８および５５は共に動作して 、統合されたオプチックスモジニール１０を使って形成されたファイバオブチッ ク回転センサにおけるノイズおよびバイアスエラーを減じる。微分位相変調器１ ００はファイバオブチックジャイロスコープの閉ループ動作のためにセロダイン 技術の実現を可能にする。

微分位相変調器は導波路１５および１６の各々の複屈折を制御するために、また これらの導波路の複屈折の差を制御するために、使用することができる。第２の 偏光器４０．および第３の偏光″５４１は、１偏光のみが変調器を通ることを確 実にすることによって、微分位相変調器１００の適切な動作を得るために使用さ れる。偏光器４０および４１は不必要な偏光をフィルタ出しすることによって高 い換算係数線形性および反復性を確実にする。

ｍＪＡ図は偏光された光でこの発明の動作を示す。偏光維持方向性結合器５０は 光源４８から光をモジュール１０に導く。偏光維持ファイバ４２．４３および４ ４の主軸は統合されたオブチックスモジニール１０における導波路１４ないし１ ６の主軸と整列され、超ルミネセンスダイオード４８におけるｐ−ｎ接合（示さ れていない）に直交する。

この形状は超ルミネセンスダイオード４８から光検出器５２への最大光信号スル ーブツトを与える。

モジュール１０への光入力は接合部１７で分かれ、第２の光ファイバ４３および 第３の光ファイバ４４に伝搬される。統合されたオブチツクスモジュール１０を 出ると、光は検知コイル４６に入力を形成し、これもこの発明の偏光された動作 の偏光維持ファイバで形成されている。モジニール１０を出る２つの光ビームは 検知コイル４６において逆伝搬光ビームとなる。検知コイル４６を通って、コイ ルの面を通る線をまわるコイル４６の回転速度を示す位相シフトを経て、光波は 統合されたオブチックスモジニール１０に再度入る。

２本の光ビームは導波路１５および１６で統合されたオブチックスモジニール１ ０に再度入る。導波路１５に入る波は接合領域１７に達する荊に、偏光器４０お よび微分位相変調器１００を伝搬する。導波路１６に入る波は２つの波が再結合 される接合領域１７に達する前に、偏光器４１および微分位相変調器１００を伝 搬する。複屈折変調器１８は接合部１７の複屈折を制御する。微分位相変調器１ ００は複屈折変調器としても機能する。再結合された波は検知コイル４６におけ る波のサニヤック位相シフトを示す干渉信号パターンを形成する。接合部１７で 結合した後、波は複屈折変調器１３０および偏光器５４を通って伝搬する。

したがって、複屈折変調は接合部１７および導波路１４ないＬ１２の各々で与え られる。

干渉パターンを運ぶ信号は複屈折変調器を越えて偏光器５４、軸］４に、第１の 偏光器１２を通って光ファイバ４２に伝搬する。方向性結合器５０は信号を光フ ァイバ５１に結合し、信号を光検出器５２に導く。光検出器５２はジャイロスコ ープ４５から伝搬する光の干渉パターンの強度を示す電気信号を発生させる。

ジャイロスコープ４５の回転における変化は、干渉パターンの強度を変え、それ が光検出器によって発生される電気信号の強度を変えて、干渉パターンの強度を 示す。

第４Ｂ図は偏光されない光でこの発明の動作を示す。第４Ｂ図では、偏光維持フ ァイバ５５の成る長さは光源４８から光を受取る。偏光維持ファイバは単一モー ドファイバ５７に突き合わせ結合され、次に光を単一モード結合器５３に導く。

ファイバ５７における光の一部はモジュール１０に伝搬する。偏光維持ファイバ ６１の成る長さが導波路１５および検知コイル６３の間に装着され、これは普通 の単一モードファイバで形成される。偏光維持ファイバ５５および６１は好まし くは１から１０メートルの長さを有する。

２つの（＝光維持ファイバ長５５および６１の主軸は４５度で、またモジュール における導波路１５の主軸に対して光源４８０半導体接合に対して配向される。

この形状は前記で第４Ａ図に関して説明したように偏光された光のこの発明の動 作と関連した損失を越えて、光源４８から光検出器５２に６ｄｂの付加的損失を 与える。第４Ｂ図で示されるこの形状は、しかし従来の単一モードファイバコイ ル６３およびコンポーネントを使用することができ、この器具のコストを減じる ことができる。

第１図の統合されたモジュール１０はいかなるファイバオプチックジャイロスコ ープ構造でも使用することができる。偏光された動作のみが必要なら、第２の偏 光器４０および第３の偏光器４１を省略することができる。高いバイアスエラー が受容可能なら複屈折変調器１８を省略することができる。微分位相変調器１０ ０は複屈折変調器として動作して導波路１５および１６の複屈折の制御を与える ことができる。複屈折変調器１３０は導波路１４の複屈折を制御する。もし高い バイアスエラーが受容可能なら、微分位相変調器１００および複屈折変調器１３ ０はモジニール１０において複屈折の適切な制御を与える。もし特定の応用にお いてバイアスエラーのさらに高いファイバレベルが許されるなら、偏光器５４も 省略することができる。

第５図を参照すると、最低精度応用に対して非相互的形状を使用することができ る。この形状において、光源１２６および光検出器１２８は統合されたモジュー ル１２４の右端縁に装着され、これは導波路１４ないし１６、結合器１８および 微分位相変調器１００のみを含む。第５Ｂ図を参照すると、光源は導波路１４の 端部に直接装着される。

モジュールの端縁は損失および後方反射を最小化するように角度が磨かれてもよ い。検出器は光源の下にあって、導波路１４からの非相互的波を遮る。この形状 は必要な光相互接続の少ない数のお陰で、高加速環境において有利であることが できる。

複ｇＦｒ変調を与えるために第１図に関して説明された１つまたは１つ以上の装 置は、非相互性を減じるのに必要なら、第５図の２ｔ６Ｘに加えることができる 。

図面の簡単な説明 ５１図は本発明に従った統合されたオブチックスモジニールの平面図であり、フ ァイバオブチック回転センサを形成するために、サブストレート上に装；される 光コンポーネントを示す。

第２図は第１図のサブストレートに形成される対応する光学導波路に結合される １対の光ファイバを示し、導波路で伝搬される光を偏光するためにサブストレー ト上に形成される１対の偏光器を示す。

第３図はサブストレートに形成される第３の導波路に結合される第３の先ファイ バを示す。

第４Ａ図はファイバオブチックロ転センサを形成するために使用される本発明に 従った統合されたオブチックスモジュールを！ｌ！略的に示す。

第４Ｂ図はファイバオブチック回転センサの第２の実施例を形成するのに使用さ れた本発明に従った統合されたオブチックスモジュールを概略的に示す。

第５Ａ図は本発明に従った統合されたオブチックスモジュールの低い精度応用の ためのファイバオブチック回転センサの非相互的形状の平面図である。

第５Ｂ図は第５Ａ図の装置の端面図である。

第６図は本発明に従った統合されたオブチックスモジュールに形成することがで きる複屈折変調器の斜視図である。

第７図は第６図のｍ屈折変調器の第１端部立面図であり、第６図のモジニールの 上側表面に対して直角をなしかつモジュールに形成される導波路に延在する電界 を示す。

ｍ８Ａ図ないし第８Ｅ図は第１図のサブストレートの先導波路を形成するステッ プを示す。

第９図は本発明における本発明に従った統合されたオブチックスモジニールに形 成することができる微分位相変調器の斜視図である。

第１０図は第９図の微分位相変調器の断面図である。

第１１図は第１図の統合されたオブチックスモジニールに含むことができる偏光 器の断面図である。

第１２図は偏光維持光ファイバの断面図であり、本発明に従った統合されたオブ チックスモジュールで使用して回転センサを形成することができる。

第１３図は第１２図の偏光維持光ファイバの形成ステップを示す。

ＦＩＧ、　８Ａ　　　　　　　　　　ＦＩＧ・８ＢＦＩＧ、８ＣＦＮＧ、８Ｄ ＦＩＧ、８Ｅ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光源（４８）から光を受取る光ファイバ（４２）と光回転センサ（１９）を 形成するための光ファイバ検知コイル（４６）の間に装着される統合されたオプ テックスモジュール（１０）であって、 制御可能屈折率を有する光学活性材料で形成されるサブストレート（１２）と、 結合器（１８）を形成するためにサブストレート（１２）で形成されかつ接合部 （１７）で接続される複数個の光導波路（１４ないし１６）とを含み、導波路の 第１のもの（１４）は光源（４８）から光信号を受取るために光ファイバ（４２ ）に接続されるように構成され、第２の導波路（１５）および第３の導波路（１ ６）は光ファイバ検知コイル（４６）の両端部に接続するために構成され、さら に３つの光導波路（１４ないし１６）の各々において伝搬する光信号を偏光する ためにサブストレート（１２）上に形成される手段（４０、４１、５４）と、接 合部（１７）の複屈折を変調するために接合部（１７）の上でサブストレート（ １２）上に形成される手段（１８）と、 その複屈折を変調するために第１の導波路（１４）の一部の上でサブストレート （１２）上に形成される手段と、第２の動波路（１５）および第３の導波路（１ ６）に伝搬する光波の間の位相差を変調するために、また第２の導波路（１５） および第３の導波路（１６）の後屈折を変調するために、サブストレート（１２ ）上に形成される微分位相変調器手段（１００）とを含む、統合されたオプチッ クスモジュール。 ２．偏光手段（５４）が、 光ファイバ（４２）との接続に隣接する第１の導波路（１４）に生成される誘電 体バッファ（１１２）と、誘電体バッファ（１１２）に生成される金属フィルム （１０６）とを含む、請求項１に記載の統合されたオプテックスモジュール（１ ０）。 ３．接合部（１７）の複屈折を変調するための手段（１８）が、 サブストレート（１２）の上に形成され、導波路（１４ないし１６）の接合部（ １７）から間隔を経た第１の電極（６２）と、 接合部（１７）が第１の電極（６２）および第２の電極（６４）の間にあるよう に、サブストレート（１２）の上に形成され、かつ導波路（１４ないし１６）の 接合部（１７）から間隔を経た第２の電極（６４）と、３つの導波路（１４ない し１６）の接合部（１７）の上に、第１の電極（６２）および第２の電極（６４ ）の間で、サブストレート（１２）上に形成される第３の電極（６０）と、 接合部（１７）において垂直の電界コンポーネントを形成するために３つの電極 （６２、６４、６０）に電気信号を与えるための手段（Ｖ１、Ｖ２）とを含む、 請求項１に記載の統合されたオプチックスモジュール（１０）。 ４．微分位相変調手段（１００）が、 第２の導波路（１５）および第３の導波路（１６）の間のサブストレート（１２ ）の上に形成される第１の電極と、第２の導波路（１５）が第１の電極（１０１ ）および第２の電極（１０２）の間にあるように、サブストレート（１２）の上 に形成される第２の電極（１０２）と、第３の導波路（１６）が第１の電極（１ ０１）および第３の電極（１０３）の間にあるように、サブストレート（１２） の上に形成される第３の電極（１０３）と、第２の導波路（１５）の屈折率を制 御するために、第１の電極（１０１）および第２の電極（１０２）の間に第１の 電気信号を与えるための手段（Ｖ３）と、第３の導波路（１６）の屈折率を制御 するために、第１の電極（１０１）および第３の電極（１０３）の間に第２の電 気信号を与えるための手段（４）とを含む、請求項１に記載の統合されたオプテ ックスモジュール（１０）。 ５．偏光手段（４０、４１、５４）は、第１の導波路（１４）の上に形成され、 かつ第１の導波路（１４）への光入力が第１の偏光器（４０）に達する前に光源 （４８）からの光出力の少なくとも１非偏光長の距離を第１の導波路（１４）で 進むように位置づけられる第１の偏光器（４０）を含み、第１の偏光器（４０） は第１の導波路（１４）によって導かれる光の少なくとも１非偏光長の距離で接 合部（１７）から分離され、さらに第２の導波路（１５）の上に形成され、かつ 第２の導波路（１５）への光入力は第２の偏光器（４１）に達する前に、光源（ ４８）からの光出力の少なくとも１非偏光長の距離を第２の電波略（１５）で進 むように位置づけられる第２の偏光器（４１）と、 第３の導波路（１６）の上に形成され、かつ第３の導波路（１６）への光入力は 第３の偏光器（５４）に達する前に、光源（４８）長からの光出力の少なくとも １非偏光長の距離を第３の導波路（１６）で進むように位置づけられる第３の偏 光器（５４）とを含む、請求項１に記載の統合されたオプチックスモジェール（ １０）。 ６．光源（４８）からの光出力の少なくとも１非偏光長に等しい第１の導波路（ １４）の長さが、複屈折変調器（１８）および第１の偏光器（４０）の間にある 、請求項５に記載の統合されたオプテックスモジュール（１０）。 ７．第２の導波路（１５）および第３の導波路（１６）は、光源（４８）からの 光出力のコヒーレンス長で少なくとも異なる長さを有する、請求項１に記載の統 合されたオプテックスモジュール。 ８．サブストレート（１２）は電気光学活性材料、磁気光学活性材料、熱光学活 性材料および音響光学活性材料からなるグループから選ばれた材料を含むように 形成される、請求項１に記載の統合されたオプテックスモジュール（１０）。 ９．光源（４８）から光を受けとる光ファイバ（４２）と光回転センサ（１９） を形成するための光ファイバ検知コイル（４６）の間に装着する統合されたオプ テックスモジュール（１０）を形成するための方法であって、制御可能屈折率を 有する光学活性材料のサブストレート（１２）を形成するステップと、 サブストレート（１２）において複数個の光導波路（１４ないし１６）を形成す るステップと、光源（４８）から光信号を受けとる光ファイバ（４２）に接続す るために第１の導波路（１４）を構成するステップと、 光ファイバ検知コイル（４６）の両端部に接続するために第２の導波路（１５） および第３の導波路（１６）を構成するステップと、 結合器（１８）を形成するために接合部（１７）で光導波路（１４ないし１６） を接続するステップと、３つの光導波路（１４ないし１６）の各々において伝搬 する光信号を偏光するためにサブストレート（１２）上に手段を形成するステッ プと、 ３つの導波路（１４ないし１６）の複屈折を変調するために、接合部（１７）に 隣接してサブストレート（１２）上に手段を形成するステップと、 第２の導波路（１５）および第３の導波路（１６）に伝搬する光波の間の位相差 を変調するために、サブストレート（１２）上に微分位相変調器手段を形成する ステップとを含む、方法。 １０．サブストレート（１２）を電気光学活性材料、磁気光学活性材料、熱光学 活性材料および音響光学活性材料からなるグループから選ばれた材料から形成す るステップを含む、請求項９に記載の方法。 １１．３つの導波路（１４ないし１６）の複屈折を変調するための手段（１８） を形成するステップが、サブストレート（１２）の上に、かつ導波路（１４ない し１６）の接合部（１７）から間隔を経た第１の電極（６２）を形成するステッ プと、 接合部（１７）が第１の電極（６２）および第２の電極の間にあるように、サブ ストレート（１２）の上に、かつ導波路（１４ないし１６）の接合部（１７）か ら間隔を経た第２の電極（６４）を形成するステップと、３つの導波路（１４な いし１６）の接合部（１７）の上に、第１の電極（６２）および第２の電極の間 でサブストレート（１２）上に第３の電極（６２）を形成するステップと、 接合部（１７）において垂直の電界コンポーネントを形成するために３つの電極 （６２）に電気信号を与えるステップと、 導波路（１４ないし１６）の屈折率を調整するために電気信号（Ｖ１，Ｖ２）を 制御するステップとを含む、請求項９に記載の方法。 １２．微分位相変調手段（１００）を形成するステップが、 サブストレート（１２）の上にかつ第２および第３の導波路（１４ないし１６） の間に第１の電極（６２）を形成するステップと、 第２の導波路（１５）が第１の電極（６２）および第２の電極（６４）の間にあ るように、サブストレート（１２）上に第２の電極（４）を形成するステップと 、第３の導波路（１６）が第１の電極（６２）および第３の電極（６０）の間に あるように、サブストレート（１２）上に第３の電極（６０）を形成するステッ プと、第２の導波路（１５）の屈折率を制御するために、第１および第２の電極 （６２、６４）の間に第１の電気信号を与えるステップと、 第３の導波路（１６）の屈折率を制御するために第１および第３の電極（６２、 ６０）の間に第２の電気信号を与えるステップとを含む、請求項９に記載の方法 。 １３．３つの導波路（１４ないし１６）の各々に伝搬する光信号を偏光するため にサブストレート（１２）上に手段を形成するステップが、 第１の偏光器（４０）を第１の導波路（１４）の上に形成し、かつ第１の導波路 （１４）への光入力が第１の偏光器に達する前に光源（４８）からの光出力の少 なくとも１非偏光長の距離を第１の導波路（１４）で進むように位置付けるステ ップと、 第２の偏光器（４１）を第２の導波路（１５）の上に形成し、かつ第２の導波路 （１５）への光入力は第２の偏光器（４１）に達する前に、光源（４８）からの 光出力の少なくとも１非偏光長の距離を第２の導波路（１５）で進むように位置 付けるステップと、 第３の偏光器（５４）を第３の導波路（１６）の上に形成し、かつ第３の導波路 （１６）への光入力は第３の偏光器（５４）に達する前に、光源（４８）長から の光出力の少なくとも１非偏光長の距離を第３の導波路（１６）で進むように位 置付けるステップとを含む、請求項９に記載の方法。 １４．第１の導波路（１４）の長さを、複屈折変調器および第１の偏光器の間の 光源（４８）からの光出力の光の少なくとも１非偏光長と等しくするステップを さらに含む、請求項１３に記載の方法。 １５．第２の導波路（１５）および第３の導波路（１６）が、光源（４８）から の光出力の少なくともコヒーレンス長によって異なる長さを有するように形成す るステップを含む、請求項９に記載の方法。 １６．第２および第３の偏光器を、光源（４８）からの光出力の少なくとも１非 偏光長の距離によって、結合器（１８）から分離するステップを含む、請求項１ ４に記載の方法。 １７．サニャック効果を使つて回転を検知する方法であって、 統合されたオプテックスモジュールを形成するステップを含み、それは 制御可能屈折率を有する光学活性材料のサブストレート（１２）を形成するステ ップと、 サブストレート（１２）において複数個の光導波路（１４ないし１６）を形成す るステップと、結合器（１８）を形成するために接合部（１７）で光導波路（１ ４ないし１６）を接続するステップと、各導波路（１４ないし１６）において伝 搬する光信号を偏光するためにサブストレート（１２）上に手段を形成するステ ップと、 接合部（１７）の複屈折を変調するために、接合部（１７）に隣接してサブスト レート（１２）上に手段を形成するステップと、 導波路（１４ないし１６）の複屈折を変調するために、サブストレート（１２） 上に手段を形成するステップと、少なくとも１対の導波路（１４ないし１６）に 伝搬する光波の間の位相差を変調するためにサブストレート（１２）上に微分位 相変調器手段を形成するステップとを含み、さらに 光信号源（４８）を与えるステップと、導波路（１４ないし１６）の第１のもの を光ファイバ（４２）で光源（４８）に接続するステップと、逆伝搬波を導くた めの検知コイル（４６）を与えるステップと、 対の導波路（１４ないし１６）を光ファイバ（４２）検知コイル（４６）の両端 部に接続するステップとを含む、方法。 １８．回転センサ（４５）であって、 統合されたオプテックスモジュール（１０）を含み、それは 制御可能屈折率を有する光学活性材料で形成されるサブストレート（１２）と、 サブストレート（１２）で形成されかつ結合器（１８）を形成するために接合部 （１７）で接続される複数個の光導波路（１４ないし１６）とを含み、さらに対 の導波路（１５、１６）で伝搬する光波の間の位相差を変調するためにサブスト レート（１２）上に形成される微分位相変調器手段（１００）を含む、回転セン サ。 １９．検知コイルが偏光維持光ファイバで形成される、請求項１８に記載の回転 センサ（４５）。 ２０．光源から光を受けとる光ファイバと光回転センサを形成するための光ファ イバ検知コイルの間に装着される統合されたオプテックスモジュール（１０）で あって、制御可能屈折率を有する光学活性材料で形成されるサブストレートと、 サブストレートに形成されかっ結合器を形成するために接合部で接続される複数 個の光導波路とを含み、導波路（１４ないし１６）の第１のものは光源から光信 号を受けとるために光ファイバ（４２）に接続するように構成され、第２の導波 路（１５）および第３の導波路（１６）は光ファイバ検知コイルの両端部に接続 するために構成され、第２および第３の導波路で伝搬する光波の間の位相差を変 調するための微分位相変調器（１００）手段を含む、統合されたオプチックスモ ジュール。