JPH05240650A - 光ファイバージャイロ用光集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板中への光波の放射及び放射光の導波路へ
の再混入を抑制し得るように構成した光ファイバージャ
イロ用光集積回路を提供する。 【構成】 基板（１）の対向端面（１ａ，１ｂ）に夫々
入出力ポートを有する導波路（１１，１３，１８，２
０）間に、偏光子６を介して相互に接続される３×３型
方向性結合器（１４，２１）を夫々設け、該方向性結合
器から導かれる各導波路中に金属膜コート（１５，１
６，１７，２２，２３，２４）を夫々施すと共に、その
各導波路の基板端面位置には無反射コート（２５，２
６，２７，２８，２９，３０）を夫々施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバーコイル中
を伝播する光波が受けるサニャックシフトを利用した、
干渉型光ファイバージャイロにおける信号処理用光集積
回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】干渉型光ファイバージャイロにおいて、
変調，Ｙ−分岐或いは偏光子等の機能を、単一の結晶基
板上に形成した導波路を利用して集積化することが提案
され、実際にその有効性が確認されている。この場合の
結晶基板としては、ＬｉＮｂＯ ₃ によって代表される誘
電体や、ＩｎＰ，ＧａＡｓによって代表される化合物半
導体を利用することができる。一般にジャイロチップと
呼ばれているこの種光集積回路のうち、変調機能とＹ−
分岐機能をＬｉＮｂＯ₃ 基板上に設置したデバイス構造
の光集積回路を用いて光ファイバージャイロを構成し
た、典型的な装置構成を図４に示す。

【０００３】図中、１はＬｉＮｂＯ₃ 等から成る結晶基
板であってこの基板は、入出力導波路２，３、Ｙ−分岐
４，５、導波路型偏光子６、導波路７，８、位相変調器
９，１０より構成されている。変調器９，１０は、夫々
変調用電極９ａ，１０ａに電圧を印加することによって
駆動され、これら変調器の出力は入出力ポート７ａ，８
ａに夫々接続されている。Ｌは光ファイバーＦを介して
導波路２へ光波を入力するためのレーザー光源、Ｃは両
端が入出力ポート７ａ，８ａに接続されている光ファイ
バーコイル、Ｄは光ファイバーＦを介して導波路３に接
続されている検出器である。レーザー光源Ｌ，検出器Ｄ
は、光ファイバーＦを介すことなく、入出力導波路２，
３に夫々直接接続されてもよい。

【０００４】次に、かかる構成より成る光ファイバージ
ャイロの動作について説明する。レーザー光源Ｌより導
波路２に導かれた光波は、Ｙ−分岐４においてそのパワ
ーの１／２が偏光子６に達し、その他の１／２のパワー
は基板１中に放射される。これは、単一モード導波路に
よるＹ−分岐が有する一般的な性質である。偏光子６を
透過した光波は、Ｙ−分岐５においてそのパワーが導波
路７と導波路８に等分され、夫々変調器９，１０に向か
う。導波路７側へ導かれた光波は、変調器９において、
変調用電極９ａに鋸歯状波電圧を印加して該変調器を駆
動することにより生ずる結晶の電気光学効果を通じて周
波数のシフトを受けた後、更に光ファイバーコイルＣに
おいてサニャックシフトを受けて変調器１０に達する。
ここで、変調用電極１０ａには正弦波電圧が印加されて
いる。一方、Ｙ−分岐５において導波路８側へ導かれた
光波は、変調器１０において位相変調を受けた後、光フ
ァイバーコイルＣにおいてサニャックシフトを受け、更
に変調器９において周波数のシフトを受けるようになっ
ている。

【０００５】このように、光ファイバーコイルＣ中を伝
播する、伝播方向が異なる夫々の光波は、その伝播方向
の違いにより夫々逆符号のサニャックシフトを受けるた
め、Ｙ−分岐５における干渉光強度は、光ファイバーコ
イルＣの回転角速度に応じて変化する（S. Ezekiel and
H. J. Arditty, ‘Fiber-Optic Rotation Sensors'in
‘Fiber-Optic Rotation Sensors and Related Technol
ogies', Springer and Verlag, pp2-26, 1982 参
照）。従って、検出器Ｄにおいて、この干渉光から変調
器１０の変調周波数と同じ周波数成分を検出することに
より、サニャックシフトに比例して強度変化する信号を
のみを得ることができる。更に、この強度変化を相殺す
るように変調器９を駆動するための鋸歯状波の印加電圧
周波数を調節すれば、この周波数の値から光ファイバー
コイルＣの回転角速度が計測できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例において
は、単一モード導波路によるＹ−分岐が有する一般的な
性質により、導波路２より導かれる光波のパワーの１／
２は、Ｙ−分岐４において原理上放射光となり、基板表
面と微少な角度を成して基板１中に放射される。そし
て、このような放射光の一部は、基板１の裏面，端面或
いは基板内部の散乱体によって反射され、再び導波路中
に混入する。

【０００７】他方、Ｙ−分岐５においては放射光を生ず
ることなくパワー分岐を行うことができるが、光ファイ
バーコイルＣを透過した後、導波路７，８内をＹ−分岐
５に向かって夫々伝播する光波の位相差によっては、Ｙ
−分岐５においても放射光を発する。即ち、導波路７，
８内を夫々伝播する光波の位相差が、２ｍπ（ｍ：整
数）のときはＹ−分岐５において伝播する総ての光波の
パワーは偏光子６に達するが、位相差が（２ｍ＋１）π
のときは総ての光波のパワーは放射光として基板１中に
放射されてしまう。

【０００８】干渉現象を利用して測定を行う光ファイバ
ージャイロにおいて、導波光と異なる位相履歴を有する
このような放射光が導波路中に再混入すると、これは干
渉系のノイズとなってジャイロの測定精度を著しく低下
させる結果となって、好ましくない（H. J. Arditty
等, ‘Test Results of an Integrated Fiber-Optic Gy
roscope Brass Board', First International Conferen
ce on Optical Fiber Sensor, 26-28 April 1983, 参
照）。

【０００９】従って、本発明の目的とするところは、干
渉型光ファイバージャイロに用いる光集積回路におい
て、二つのＹ−分岐導波路をひとつの基板上に集積化し
た場合に生ずる、光波の基板中への放射及び放射光の導
波路への再混入を抑制し得るように構成した光ファイバ
ージャイロ用光集積回路を提供し、これにより光ファイ
バージャイロの測定精度を高めることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明による光集積回路は、基板上に、該基板の対向
端面に夫々一対の入出力ポートを有するように導波路を
形成し、該導波路対間に夫々３×３型方向性結合器を設
けると共に該３×３型方向性結合器の中央入出力ポート
を相互に接続して導波路を形成し、該３×３型方向性結
合器の他方の各導波路中には光波を減衰させるための金
属膜コートを夫々施し、若しくは上記他方の各導波路の
基板端面位置に光波を基板外へ放射させるための無反射
コートを夫々施し、又は上記金属膜コートと無反射コー
トを夫々共に施して構成されている。又、上記方向性結
合器を相互に繋ぐ導波路上に導波路型偏光子が設けられ
ている。

【００１１】

【作用】本発明によれば、方向性結合器は放射を伴わ
ず、而もＹ−分岐が備える全ての機能を有しているの
で、上記従来例における光集積回路の二つのＹ−分岐
は、二つの３×３型方向性結合器で代用することができ
る。図３は、かかる方向性結合器の動作原理を示しお
り、図中、４０は中央導波路、４１，４２は中央入出力
ポート、４３，４４，４５，４６は外側入出力ポートで
ある。この方向性結合器は、結合器の完全結合長を１
ｃ、中央導波路４０の結合部の長さＳをＳ＝１ｃ／（２
√２）と選定した場合に、下記（１）乃至（３）に示す
特性を有している。

【００１２】（１）光波を中央入出力ポート４１より入
力したとき、外側入出力ポート４５，４６には入力光波
のパワーが１／２づつ等分されて出力され、中央入出力
ポート４２のパワーは零となる。 （２）光波を外側入出力ポート４３より入力したとき、
パワーの１／２が中央入出力ポート４２に出力され、外
側入出力ポート４５，４６には１／４に分配されたパワ
ーが夫々出力される。 （３）外側入出力ポート４５，４６からパワーが等量の
光波を各々入力した場合は、入力光波の互いの位相差が
２ｍπのときは、中央入出力ポート４１に入力光波の総
量のパワーが出力され、外側入出力ポート４３，４４の
パワーは零となる。位相差が（２ｍ＋１）πのときは、
中央入出力ポート４１のパワーは零となり、外側入出力
ポート４３，４４に各々等量のパワーが出力される。

【００１３】従って、これらの特性を利用することによ
り、例えば図４に示した上記従来例において、Ｙ−分岐
４の代わりにかかる方向性結合器を設け、中央入出力ポ
ート４２を偏光子６に、外側入出力ポート４３をレーザ
ー光源Ｌに、外側入出力ポート４４を検出器Ｄに夫々接
続すると共に、これら入出力ポートに繋がる他方の導波
路即ち入出力ポート４１，４５，４６を基板１の端面ま
で導くように構成すれば、上記（１）及び（２）の特性
により、単一モード導波路中に用いるＹ−分岐が有する
性質に起因して生ずる光波の放射をなくすことができ
る。

【００１４】同様に、Ｙ−分岐５の代わりに方向性結合
器を設け、中央入出力ポート４１を偏光子６に、外側入
出力ポート４５を導波路７に、外側入出力ポート４６を
導波路８に夫々接続すると共に、入出力ポート４２，４
３，４４を基板１の端面まで導くように構成すれば、上
記（３）の特性により、Ｙ−分岐５を用いたときの放射
光に相当する光波は、外側入出力ポート４３，４４に沿
って基板１の端面まで夫々導波され、導波路を伝播する
光波の位相の違いにより生ずる放射光をなくすことがで
きる。

【００１５】又、上記方向性結合器の外側入出力ポート
に接続される各導波路において、金属膜コートを施すこ
とにより、不要光の伝播損失を増大させて該導波路を伝
播する光波のパワーを減衰させることができる。更に、
基板端面まで導波された光波が該端面の屈折率の不連続
によって反射波を生じ、これが導波路中に再混入して干
渉ノイズとなることを防止するため、各導波路に光波を
基板外へ放射するための無反射コートを施せば、基板内
へ放射される光波は皆無となる。

【００１６】

【実施例】以下、図１を参照して本実施例について説明
する。図中、図４に示した従来例における要素と実質上
同一の要素には同一の符号を用いてその説明は省略す
る。図１において、１１は基板１上に形成されていて基
板端面１ａに入出力ポート１１ａを有する導波路、１２
は基板１上に形成されていて一方が偏光子６の一方の入
出力端に接続されていて他方が基板端面１ａに導かれた
導波路、１３は基板１上に形成されていて基板端面１ａ
に入出力ポート１３ａを有する導波路、１４は導波路１
１乃至１３間に設けられた３×３型方向性結合器、１５
は方向性結合器１４を出て基板端面１ｂに至る導波路１
１の途中に施された金属膜コート、１６は方向性結合器
１４を出て基板端面１ｂに至る導波路１３の途中に施さ
れた金属膜コート、１７は導波路１２の途中に施された
金属膜コートである。

【００１７】１８は基板１上に形成されていて基板端面
１ｂに入出力ポート１８ａを有する導波路、１９は基板
１上に形成されていて一方が偏光子６の他方の入出力端
に接続されていて他方が基板端面１ｂに導かれた導波
路、２０は基板１上に形成されていて基板端面１ｂに入
出力ポート２０ａを有する導波路、２１は導波路１８乃
至２０間に設けられた３×３型方向性結合器で、この方
向性結合器２１の中央導波路１９と前記方向性結合器１
４の中央導波路１２とは偏光子６を介して接続されてい
る。２２は方向性結合器２１を出て基板端面１ａに至る
導波路１８の途中に施された金属膜コート、２３は方向
性結合器２１を出て基板端面１ａに至る導波路２０の途
中に施された金属膜コート、２４は導波路１９の途中に
施された金属膜コートである。

【００１８】２５，２６，２７，２８，２９，３０は光
波を基板１の外へ放出させるために基板端面１ａ又は１
ｂに至る各導波路の基板端面に施された無反射コート、
３１は導波路１１及び１８の交差位置に設けられた交差
導波路、３２は導波路１３及び２０の交差位置に設けら
れた交差導波路であり、この交差導波路３１，３２は導
波路が交差することにより交差する他方の導波路への光
波の混入を抑えるため、２本の直線導波路の交差角度θ
は微少な角度となっている（図２参照）。尚、図示しな
いが、図４と同様に、入出力ポート１１ａはレーザー光
源Ｌに、入出力ポート１３ａは検出器Ｄに、入出力ポー
ト１８ａ，２０ａは光ファイバーコイルＣの両端に夫々
接続されている。

【００１９】基板１としてｘ−カットのＬｉＮｂＯ₃ を
用い、ｙ−方向に沿って各導波路を形成した。導波路は
Ｔｉ拡散法によって作製し、導波路のパターニングはフ
ォトリソグラフィー法によりＴｉ金属膜を厚さ５００
Å，幅４μｍに成型した後、１０００°Ｃにおいて５時
間熱拡散することによって行った。作製された導波路
は、レーザー光源Ｌとして用いた波長０．８３μｍ，Ｔ
Ｅモード偏波（光波の電場が基板表面と平行）の入力光
に対して、単一モード導波路であること及び伝播損失が
十分小さいことを確認した。

【００２０】又、方向性結合器１４，２１は、上記導波
路作製の際のＴｉ拡散条件において、方向性結合器の三
つの導波路の間隔ｇを５μｍとしたとき（図３参照）、
完全結合長１ｃは４．８６ｍｍとなることを確かめた。
そこで、中央導波路の結合部長Ｓ＝１．７２ｍｍと選定
することにより所望の方向性結合器が得られた。交差導
波路３１，３２における導波路の交差角度はθ＝２°と
した。尚、一般には方向性結合器の導波路の間隔ｇの値
は５μｍに選ぶ必要はなく、他の値に対しても完全結合
長１ｃの値が決まり、結合部長ＳをＳ＝１ｃ／（２√
２）と選定することによって所望の方向性結合器が得ら
れる。又、方向性結合器の作製再現性に関しても、方向
性結合器を同一の条件下で数回作製したときの完全結合
長１ｃのバラツキは５％以下に収まっていた。このこと
は、図１の光集積回路において、入出力ポート１１ａか
ら導かれた光波のパワーのうち、その１／２にほぼ等し
いパワーが偏光子６に達することを示している。更に、
方向性結合器２１から金属膜コート２４を施した導波路
へ達するパワーは、入出力ポート１８ａ，２０ａに達す
るパワーに比べて−１２ｄＢ抑制することができた。

【００２１】金属膜コートは、Ｔｉ拡散導波路上に真空
蒸着法によって厚さ３００Å，伝播方向の長さ２ｍｍの
Ｔｉ金属膜を蒸着することにより作製した。この金属膜
コートにおける伝播損失は５ｄＢ／ｍｍと評価できた。
金属膜コート１７，２４を施した各導波路は、不要光が
往復通過することを考慮すれば、−２０ｄＢの不要光抑
制効果がある。尚、本実施例による方法以外にも、Ａ
ｌ，Ｔｉ，Ａｕ等の金属物質をスパッター蒸着法，真空
蒸着法等により導波路上にコートすることで伝播損失を
５ｄＢ／ｍｍ以上増大させることができるが、伝播損失
を効率的に増大させるためには、導波路の実効屈折率や
コートする金属の誘電率，厚さ等を効果的に調節する必
要がある。

【００２２】無反射コートは、各導波路端面に１４３ｎ
ｍ（光源の波長の１／４の光学的厚さ）のＳｉＯ₂ を蒸
着することにより形成した。これにより各無反射コート
での残留反射光のパワーは、−３０ｄＢ程度に抑制する
ことができた。コートする材料として、ＴｉＯ₂ ，Ｚｒ
Ｏ₂ 等の透明物質を用いてもよい。

【００２３】金属膜コート１５，１６，２２，２３を施
した導波路は、同じく金属膜コート１７，２４を施した
導波路とは異なり、交差導波路３１，３２との組み合わ
せにより機能する。交差導波路３２で交差する、金属膜
コート１６が施された導波路によりこれを説明すれば、
該導波路には、入出力ポート１１ａから導かれる光波の
パワーの１／４が達し、この光波は交差導波路３２を通
過した後、無反射コート３０に導かれる。この途中で金
属膜コート１６において−１０ｄＢの減衰を受ける。そ
して、該導波路の方向性結合器の結合部からの傾斜角度
Фに対して交差導波路３２の交差角度θをθ＝２Ф＝４
°とすることによって（図２及び図３参照）、交差相手
の導波路への光波の混入を−３０ｄＢ以下とすることが
できる。交差相手の導波路即ち導波路２０へ混入する僅
かなパワーの光波は、金属膜コート２３において−１０
ｄＢの減衰を受けるため、方向性結合器２１に達する光
波即ち不要光は−５０ｄＢ以下に抑えることができる。
一方、無反射コート３０へ導かれた光波は、その多くが
基板１外へ放出されて残留反射光は−４０ｄＢ以下とな
るが、この反射光は金属膜コート１６で再び減衰される
ので、不要光として方向性結合器１４へ混入する光波は
−５０ｄＢ以下となる。他方の交差導波路３１において
も同様に機能する。

【００２４】次に上記実施例の作用について説明する。
レーザー光源Ｌより入出力ポート１１ａに導かれた光波
は、方向性結合器１４において基板１中への放射を伴わ
ずに、そのパワーの１／２が偏光子６に達し、その他の
パワーは金属膜コート１５，１６が施された各導波路に
導かれて減衰し、更に無反射コート２８，３０を介して
基板１外へ放出される。方向性結合器２１においては、
光波のパワーは導波路１８，２０に等分されて夫々変調
器９及び１０に向かう。導波路１８に導かれた光波は、
変調器９によって周波数シフトを受けた後、光ファイバ
ーコイルＣに入射してサニャックシフトを受け、更に変
調器１０に達してここで位相変調を受ける。一方、導波
路２０に導かれた光波は、変調器１０によって位相変調
を受けた後、光ファイバーコイルＣに入射してサニャッ
クシフトを受け、更に変調器９で周波数シフトを受け
る。

【００２５】サニャックシフトを受けた後、周波数変調
された光波と位相変調された光波は、導波路１８と２０
に導かれて方向性結合器２１に達して干渉を起こし、基
板１中への放射を伴わずにその一部のパワーは偏光子６
に導かる。その他のパワーは金属膜コート２２，２３が
施された各導波路に導かれて減衰し、更に無反射コート
２５，２７が施された基板端面まで導かれて基板１外へ
放出される。

【００２６】偏光子６，方向性結合器１４を経て導波路
１３に導かれた光波の干渉強度は、光ファイバーコイル
Ｃの回転角速度に応じて変化する。この干渉光から変調
器１０の変調周波数と同じ周波数成分を検出器Ｄによっ
て検出すれば、サニャックシフトに比例して強度変化す
る信号を得ることができる。更に、この強度変化を相殺
するように変調器９を駆動するための鋸歯状波の印加電
圧周波数を調節すれば、この周波数の値から光ファイバ
ーコイルＣの回転角速度が計測できる。

【００２７】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、基板中への
放射及び放射光の導波路への再混入を効果的に抑制し、
干渉系のノイズを低減し得るように構成した光集積回路
を提供することができ、これにより高精度の光ファイバ
ージャイロを提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光ファイバージャイロ用光集積回
路の一実施例の構成図である。

【図２】図１の要部拡大図で交差導波路の構成を説明す
るための図である。

【図３】方向性結合器の動作原理図である。

【図４】従来の光集積回路を用いた光ファイバージャイ
ロの構成図である。

【符号の説明】

１ 基板 ６ 導波路型偏光子 ９，１０ 位相変調器 １１，１２，１３，１８，１９，２０ 導波路 １４，２１ ３×３型方向性
結合器 １５，１６，１７，２２，２３，２４ 金属膜コート ２５，２６，２７，２８，２９，３０ 無反射コート ３１，３２ 交差導波路 Ｌ レーザー光源 Ｃ 光ファイバーコ
イル Ｄ 検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバージャイロ用光集積回路にお
   いて、基板上に、該基板の対向端面に夫々一対の入出力
   ポートを有するように導波路を形成し、該導波路対間に
   夫々３×３型方向性結合器を設けると共に該３×３型方
   向性結合器の中央入出力ポートを相互に接続して導波路
   を形成し、該３×３型方向性結合器の他方の各導波路中
   には光波を減衰させるための金属膜コートを夫々施し、
   若しくは上記他方の各導波路の基板端面位置に光波を基
   板外へ放射させるための無反射コートを夫々施し、又は
   上記金属膜コートと無反射コートを夫々共に施して構成
   したことを特徴とする光集積回路。
2. 【請求項２】 上記方向性結合器を相互に繋ぐ導波路上
   に偏光子を設けた、請求項１に記載の光集積回路。