JPH07270169A

JPH07270169A - 光ファイバジャイロ用光ｉｃ

Info

Publication number: JPH07270169A
Application number: JP5906394A
Authority: JP
Inventors: Takumi Fujiwara; 巧藤原
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】強度変調雑音が少なく、寸法は小さく、か
つ、損失が少なくて駆動電圧の低い光ファイバジャイロ
用光ＩＣと、この光ファイバジャイロ用光ＩＣを備えた
光ファイバジャイロを提供する。【構成】屈折率の異方性を有する電気光学結晶基板１
上に、電気光学結晶の光学軸と異なる方向に光導波路２
を形成して、光導波路２に設けた３ｄＢ分離器３で分岐
された光導波路２における一方のアーム部６の両側及び
上部に位相変調電極８，９及び１０を設け、電極８と電
極９間、電極１０と電極９間とに独立して電圧を印加し
て、直交する偏光に等しい位相変化を生じさせるように
構成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に光応用計測分野に
利用される光集積回路（光ＩＣ）と、この光ＩＣを用い
た光ファイバジャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】目的地と自動車の位置の相互関係、地図
上での自動車の位置などを表示するカーナビゲーション
システムに不可欠なのが方位センサである。カーナビゲ
ーションシステムで用いられる方位センサとして、サニ
ャック効果を利用した光ファイバジャイロは、回転部・
摩擦部を有しないので耐久性がよい、消費電力が小さ
い、構造が簡単などの特徴があり、実用化が望まれてい
る。

【０００３】光エレクトロニクス技術を基本とする光フ
ァイバジャイロシステムにおいて、、光ファイバジャイ
ロのセンシングループに安価なシングルモードファイバ
（ＳＭＦ）を使用し、光源からの光波を等出力の二つの
光波に分波するカプラ（ファイバ型３ｄＢ分離器）を備
え、更にセンシングループ末端に、偏光解消子（デポラ
イザ）と位相変調器を接続させた構造のものが知られて
いる。このような構造の光ファイバジャイロシステムで
は、光波間の干渉による光強度変化を安定に検出するた
めに、光波の偏光状態を常に一定に保持することが要求
される。

【０００４】しかし、センシングループ内の特に伝送路
である光ファイバがシングルモードファイバの場合は、
温度変化やファイバにかかる側圧などの外乱によって、
極めて敏感に偏光状態が変動してしまう。この偏光状態
の変動は、光強度変動を誘起し、光波間の干渉による光
強度変化の安定な検出を著しく妨げる。

【０００５】光強度変動に関しては、特に位相変調器か
らの強度変調雑音（ＡＭ雑音）が支配的であると言われ
ている。ＡＭ雑音の除去には、ファイバ型の偏光解消子
を用いる方法が知られている。すなわち、ＡＭ雑音の位
相がほぼ一定で、最大感度が与えられる位相の近傍にＡ
Ｍ雑音特性のノードが存在が存在することが分かってお
り、したがって、ＡＭ雑音特性のノードに相当する位相
値に基準信号の位相を一致させれば、ファイバ長や変調
周波数に関係なく、ＡＭ雑音を除去できるのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したフ
ァイバ型３ｄＢ分離器やファイバ型偏光解消子は、長さ
数ｍの光ファイバを使用しており、装置の小型化には限
界があった。また、位相変調器は、直径約５０ｍｍの円
筒状圧電振動子に光ファイバを巻き付けて構成されてい
る点、駆動電圧が約１００Ｖと高く通常の半導体素子の
使用が困難な点から、矢張り装置の小型化には限界があ
った。したがって、ファイバ型３ｄＢ分離器、位相変調
器及びファイバ型偏光解消子を一体化して集積化するの
が難しく、光ファイバジャイロの小型化は困難であっ
た。

【０００７】更に、偏光子、ファイバ型３ｄＢ分離器、
位相変調器及びファイバ型偏光解消子を一体化して集積
化せずに、これらの光機能素子としての構成部品を組み
立てると、各構成部品間の接続箇所が多く、接続箇所が
多いことによる過剰接続損失、接続箇所は耐環境性が劣
るなどの問題があった。接続箇所や部品点数の低減等の
観点から、これらの光機能素子を一体化することが望ま
しい。しかし、これまで報告されているファイバ型偏光
解消子を用いる構成は、他の光機能素子と一体化できる
技術ではない。

【０００８】一方、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチ
ウムなどの誘電体酸化物結晶やヒ化ガリウム等の化合物
半導体結晶、あるいはガラス材料を基板とする光導波路
型素子を用いて、種々の光機能素子を導波路型としてワ
ンチップ上に集積化し、小型・低コスト化の手段として
導波路型素子を用いたり、あるいはバルク型素子では達
成し得ない低電圧駆動などの導波路型素子の特性を生か
して、導波路型素子を搭載した高性能な光システムの研
究・開発が盛んである。しかし、上述のようにファイバ
型偏光解消子を含んだ構成で、３ｄＢ分離器や位相変調
器が集積・一体化された例はない。

【０００９】本発明は、従来技術の有するこのような問
題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、ＡＭ雑音が除去され、接続損失などの損失が少な
く、駆動電圧が低いという性能の改善がなされ、更に光
ファイバジャイロシステムの寸法を小さくできる光ファ
イバジャイロ用光ＩＣと、この光ファイバジャイロ用光
ＩＣを用いた光ファイバジャイロを提供しようとするも
のである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバジャ
イロ用光ＩＣは、屈折率の異方性を有する電気光学結晶
基板上に、この電気光学結晶基板を形成する電気光学結
晶の光学軸と異なる方向に光導波路を形成して、この光
導波路に３ｄＢ分離器を設けるとともに、この３ｄＢ分
離器により分岐された光導波路における一方のアーム部
の両側及び上部に位相変調電極を設け、この両側の位相
変調電極間と、上部の位相変調電極と両側のうちの片側
の位相変調電極間とに独立して電圧を印加して、直交す
る偏光に等しい位相変化を生じさせるようにしたことを
特徴としている。

【００１１】また、本発明の光ファイバジャイロ用光Ｉ
Ｃは、上述の３ｄＢ分離器がＹ分岐であること、又は前
記の３ｄＢ分離器が方向性結合器であることを特徴とし
ている。また、本発明の光ファイバジャイロ用光ＩＣ
は、上述の電気光学結晶基板がニオブ酸リチウム結晶基
板であることを特徴としている。そして、本発明の光フ
ァイバジャイロは、上述の光ファイバジャイロ用光ＩＣ
を備えていることを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明の光ファイバジャイロ用光ＩＣは、複屈
折を有し、かつ、光導波路の水平又は垂直方向を主軸と
し直交する二つの偏光成分の間に生じる光路長の差が、
使用される光源からの光波の可干渉長よりも長い伝搬長
を持つ光導波路からなる偏光解消子、３ｄＢ分離器及び
偏光に依存しない特性を持つ位相変調器（位相変調電
極）を集積化して構成したので、偏光解消子と位相変調
器との接続部の損失を解消しているばかりでなく、耐環
境性が向上している。

【００１３】偏光解消子と３ｄＢ分離器により、入射光
波が等しい出力の二つの光波に分波するとともに偏光が
解消され、更に位相変調器（位相変調電極）により、基
準信号と位相が９０°ずれた雑音との位相値を同じにし
て雑音成分を除去する。この位相変調器（位相変調電
極）は、５Ｖ以下の駆動電圧で動作する。

【００１４】

【実施例】第１実施例図１は、本発明の光ファイバジャイロ用光ＩＣに係る第
１実施例の概略構成図である。図中、１は電気光学結晶
よりなる基板としてのニオブ酸リチウム基板、２は光導
波路、３は３ｄＢ分離器としてのＹ分岐部、４は第１分
岐路、５は第２分岐路、６は第１アーム部、７は第２ア
ーム部、８は第１位相変調電極、９は第２位相変調電
極、１０は第３位相変調電極、１１は第１ポート、１２
は第２ポート、１３は第３ポートである。

【００１５】ニオブ酸リチウム基板１は、ｚカットした
長さ（伝搬長）約５０ｍｍの結晶基板である。光導波路
２は、ニオブ酸リチウム基板１上面にチタン熱拡散法に
より形成されており、導波路の進行方向は結晶のｘ方向
としてある。したがって、ｚ軸方向（光学軸）とｙ軸方
向にそれぞれ平行な電界成分を持つ二つの偏光成分の間
には、主にニオブ酸リチウム結晶に起因する複屈折が存
在する。光導波路２はＹ分岐部３で第１分岐路４と第２
分岐路５とに分岐し、第１分岐路４は第１アーム部６
と、第２分岐路５は第２アーム部７と結合している。

【００１６】ここで、光導波路２の長さについて述べ
る。光導波路２のｙ軸方向に平行な電界成分を有する偏
光成分と、ｚ軸方向に平行な電界成分を有する偏光成分
とでは、光導波路２の長さに比例した光路長差ΔＬが生
じる。光導波路２が形成されているニオブ酸リチウム基
板１の複屈折の大きさを示す数値Δｎは、ｙ軸方向、ｚ
軸方向の屈折率をそれぞれｎ_y，ｎ_zとすれば、Δｎ＝
｜ｎ_y−ｎ_z｜であり、ニオブ酸リチウム基板１の長さ
をＬ_Sとすれば、下記の式（１）で表される関係があ
る。 ΔＬ＝Δｎ・Ｌ_S ・・・・・・（１）したがって、用いる光源からの光の可干渉長さをＬ_Cと
すれば、 ΔＬ＞Ｌ_C ・・・・・・（２）であれば、二つの偏光成分の間に可干渉性はなくなる。
すなわち、光導波路２の長さが、用いる入射光の直交す
る偏光成分間の光路長差ΔＬより長ければ、二つの偏光
成分の間に可干渉性はなくなり、光導波路２の全長が、
用いる光源からの光の可干渉長さより大きければ、デポ
ラライズ光を得ることができる。

【００１７】電気光学結晶よりなる基板〔光ＩＣ基板〕
の直交する二つの主軸の屈折率の差である複屈折の大き
さΔｎは、基板自体の有する複屈折、又は光導波路作製
におけるチタン熱拡散に起因する複屈折に依存する。式
（１）及び式（２）より明らかなように、複屈折の大き
さを示す数値Δｎが大きいほど、デポラライズ光を得る
ために必要な基板の長さをＬ_Sは小さくなる。したがっ
て、ニオブ酸リチウムなどの比較的大きな複屈折を有す
る結晶材料が有利である。ニオブ酸リチウムのほか、基
板材料としては石英系のガラス、ＧａＡｓ，ＩｎＰ等の
III −V 族化合物光半導体、ＺｎＳｅ等のII−IV族化合
物光半導体が使用できる。一例として、ニオブ酸リチウ
ム基板ｚ面上にチタン熱拡散で形成された光導波路につ
いて計算すると、Δｎは約８×１０^-2（波長約０．８μ
ｍの光について）であるから、光ファイバジャイロ用の
光源として一般に使用されるスーパールミネッセンスダ
イオード（ＳＬＤ）からの光（波長０．８１μｍ）が入
射光であれば、可干渉長さＬ_Cが約８０μｍであるの
で、式（１），式（２）より基板長さは数ｍｍ以上あれ
ば十分であることが分かる。

【００１８】第１位相変調電極８と第２位相変調電極９
は、第１アーム部６の両側に設けられ、電極長さはそれ
ぞれ約２０ｍｍと約３０ｍｍである。また、第３位相変
調電極１０は、第１アーム部６の直上に設けられ、電極
長さは約１０ｍｍである。電極長さの選択については、
更に後述する。これら位相変調電極の材料、形状は特に
限定されず、例えばパターニングで形成した金薄膜電極
を用いてもよい。第１位相変調電極８〜第３位相変調電
極１０は、第１アーム部６を進行する光波に位相変化を
生じさせる。

【００１９】すなわち、第１位相変調電極８と第３位相
変調電極１０間にＶ₁，また第２位相変調電極９と第３
位相変調電極１０間にＶ₂の交番電圧を印加する。印加
電圧Ｖ₁は一次電気光学係数ｒ₂₂を通じて、ｙ軸方向を
主軸とする偏光のみに位相変化を生じさせる。また、印
加電圧Ｖ₂は一次電気光学係数ｒ₃₃及びｒ₁₃を通じて、
ｚ軸方向及びｙ軸方向を主軸とする両方の偏光に位相変
化を生じさせる。したがって、印加電圧Ｖ₁と印加電圧
Ｖ₂を適宜調整することにより、偏光依存性のない変調
特性が得られる。なお、印加電圧Ｖ₁に対応する第１位
相変調電極８と第２位相変調電極９の電極長さＬ₁，印
加電圧Ｖ₂に対応する第３位相変調電極１０の電極長さ
Ｌ₂は、印加電圧Ｖ₁と印加電圧Ｖ₂がほぼ同等となる
ように選択すると、駆動電源が１種類で済むので都合が
よい。

【００２０】図１に示した光ファイバジャイロ用光ＩＣ
の第１ポート１１への入射光１４は、ニオブ酸リチウム
基板１の直交する二つの主軸（図１ではｙ軸及びｘ軸）
に対して両方の偏光成分を有することが必要である。す
なわち、入射光１４はだ円偏光、円偏光、直線偏光のい
ずれかであり、直線偏光のときは、偏光の主軸がニオブ
酸リチウム基板１の直交する二つの主軸のどちらにも、
一致してないことが必要である。第１ポート１１へ入射
した入射光１４は光導波路２を進行し、Ｙ分岐部３で等
しい出力の光波１４ａ（図示せず），１４ｂとなって、
それぞれ第１分岐路４，第２分岐路５を進行する。更に
それぞれ第１アーム部６，第２アーム部７を進行し、第
１アーム部６を進行する光波１４ａは、第１位相変調電
極８〜第３位相変調電極１０により位相変化を生じる。
最終的に光波１４ａが位相変化を生じ、光波１４ａ′と
して第２ポート１２に射出する。また、第２アーム部７
を進行する光波１４ｂは、位相変化を生ぜずに第３ポー
ト１３に射出する。

【００２１】第２実施例図２は、第１実施例に係る光ファイバジャイロ用光ＩＣ
を対象とした偏光解消子の特性、変調特性の偏光非依存
性を検査する測定系概略図である。図中、符号１〜１４
ｂは図１と同一である。１５は光ファイバジャイロ用光
ＩＣ，１６はパワーメータ、１７は偏光分離器、１８は
反射鏡、１９は偏光変換器、２０は半透鏡である。ま
た、２１，２１′はニオブ酸リチウム基板１表面に平行
な電界成分を有する偏光を意味するＴＥ偏光、２２はニ
オブ酸リチウム基板１表面に垂直な電界成分を有する偏
光を意味するＴＭ偏光である。

【００２２】偏光解消子の特性の検査を、次のようにし
て行った。光ファイバジャイロ用光ＩＣ１５の第２ポー
ト１２から射出する第１射出光１４ａ′の出力を、パワ
ーメータ１６により測定する。一方、第３ポート１３か
ら射出する第２射出光１４ｂを、偏光分離器１７により
ＴＥ偏光２１とＴＭ偏光２２に分離し、ＴＥ偏光２１
は、反射鏡１８で反射して半透鏡２０に入射する。ＴＭ
偏光２２は、偏光変換器１９に入射してＴＥ偏光２１′
に変換されて半透鏡２０に入射する。半透鏡２０に入射
したＴＥ偏光２１とＴＥ偏光２１′は、干渉光２３とな
って半透鏡２０から射出する。干渉光２３の干渉縞の有
無を観測したところ、干渉縞は観察されず、偏光解消子
によりデポライズ光が得られていることが確認された。

【００２３】また、変調特性の偏光非依存性の検査を、
次のようにして行った。射出光の波長が０．８１μｍの
スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）（図示省
略）を光源とし、直線偏光である入射光１４をニオブ酸
リチウム基板１のｚ軸に対して４５°傾けて、第１ポー
ト１１に入射させる。入射光１４は光導波路２を進行
し、Ｙ分岐部３で等しい出力の光波１４ａ（図示せ
ず），１４ｂとなって、それぞれ第１分岐路４，第２分
岐路５を進行する。更にそれぞれ第１アーム部６，第２
アーム部７を進行し、第１アーム部６を進行する光波１
４ａは、第１位相変調電極８〜第３位相変調電極１０に
より位相変化を生じる。最終的に光波１４ａが位相変化
を生じ、射出光１４ａ′として第２ポート１２に出力さ
れる。また、第２アーム部７を進行する光波１４ｂは、
位相変化を生ぜずに第３ポート１３に射出光１４ｂとし
て出力される。

【００２４】第２ポート１２と第３ポート１３との間
隔、すなわち射出光１４ａ′と射出光１４ｂとの間隔は
約１００μｍであり、射出光１４ａ′と射出光１４ｂの
間に、射出後の回折による広がりで干渉が生じる。位相
変化を受けた射出光１４ａ′の変調特性を調べるため
に、位相変化を受けてない射出光１４ｂを利用して両射
出光の干渉からパワーメータ１６により、ＴＭ偏光及び
ＴＥ偏光の半波長電圧を測定した。その結果、ＴＭ偏光
に対して半波長電圧は２．５Ｖ（Ｖ₂）であり、そのと
き、Ｖ₁の振幅を２．２Ｖとし、Ｖ₂と同時に変調を行
った場合、ＴＥ偏光もＴＭ偏光と同様に変調され、両偏
光とも消光比−１５ｄＢ以下であり、実用上、十分な特
性を有することが確認できた。

【００２５】第３実施例図３は、本発明の光ファイバジャイロ用光ＩＣに係る第
３実施例の概略構成図である。本実施例では、３ｄＢ分
離器として方向性結合器３′を用いてある。２本の光導
波路２と光導波路２′が近接すると、光の電界の浸出の
効果によって、光導波路２から光導波路２′に入射光１
４が移行する。Ｓは光導波路２と光導波路２′の相互作
用長、ｇは光導波路２と光導波路２′の近接部の間隔で
あり、光導波路の実効屈折率や光導波路間隔ｇ等によっ
て決まる完全結合長をＶとしたとき、Ｓ＝Ｖ／２になる
ように構成すれば、方向性結合器３′は３ｄＢ分離器と
して機能する。３ｄＢ分離器としてＹ分岐を用いる場合
に比較して、方向性結合器を用いることにより、低損失
な３ｄＢ分離が可能となるという利点がある。

【００２６】第４実施例図４は、本発明の光ファイバジャイロに係る１実施例の
概略構成図である。新たな符号のみを説明すると、２４
は例えばスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）
を用いてある光源部、２５は光源部２４と光導波路２を
結合するためのカプラ、２６は光ファイバループであ
る。本実施例の場合、光ファイバループ２６は、光ファ
イバジャイロ用光ＩＣ１５に隣接して備えられている。
２７は受光部、２８はプリアンプ、２９はロックインア
ンプ、３０は信号処理部、３１は信号表示部、３２は位
相シフタ、そして３３は信号発生器、３４は光源制御部
である。各構成部分間の光波の伝搬には、シングルモー
ド光ファイバが用いられている。

【００２７】次に、この光ファイバジャイロの作用を説
明する。光源部２４より射出した光波は、カプラ２５を
介して光ＩＣ１５の光導波路２に入射し、デポライズさ
れた後に、光ＩＣ１５においてＹ分岐又は方向性結合器
である３ｄＢ分離器３により、等しい出力の二つの光波
となる。更に、一方の光波のみが、第１位相変調電極８
〜第３位相変調電極１０で印加される交番電圧により所
要の位相変化を生じ、位相変化を受けていない光波とと
もに光ＩＣ１５から射出して、回転している光ファイバ
ループ２６に導入される。図の場合、位相変化を受けて
いない光波は右回りに、位相変化を受けた光波は左回り
に光ファイバループ２６内を回り、サニヤック効果を受
けて光ファイバループ２６から再び光ＩＣ１５に入る。
そして、３ｄＢ分離器３において合流して干渉するが、
３ｄＢ分離器３での干渉光強度は、サニャック効果の位
相変化により光ファイバループ２６の回転角速度に応じ
て変化する。

【００２８】このような干渉を受けて光ＩＣ１５を出た
光波は、カプラ２５を介して受光部２７に到達する。受
光部２７からの電気信号は、プリアンプ２８で増幅され
た後に、ロックインアンプ２９により同期検波され、信
号処理部３０を介して信号表示部３１において回転角速
度が表示される。なお、位相シフタ３２は、信号処理部
３０で処理された電気信号における基準信号の位相を変
化させ、信号発生器３３からの参照信号と基準信号の位
相差が最大、又は最小になるように調整しており、位相
変化の検出感度を向上させる機能を有する。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光ファイバ
ジャイロ用光ＩＣは、ＡＭ雑音が除去され、複数の素子
の集積化により接続損失などの損失が少なく、駆動電圧
が低いという性能面の改善がなされる。また、複数の素
子の集積化は、全体の寸法を小さくするとともに、部品
点数の低減による低コスト化という効果ももたらす。そ
の結果、この光ファイバジャイロ用光ＩＣを備えた本発
明の光ファイバジャイロは、性能が安定しており、か
つ、価格を低く抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバジャイロ用光ＩＣに係る第
１実施例の概略構成図である。

【図２】第１実施例の光ファイバジャイロ用光ＩＣを対
象とした偏光解消子の特性、変調特性の偏光非依存性を
検査する測定系概略図である。

【図３】本発明の光ファイバジャイロ用光ＩＣに係る第
３実施例の概略構成図である。

【図４】本発明の光ファイバジャイロに係る１実施例の
概略構成図である。

【符号の説明】

１電気光学結晶基板２光導波路２′ 光導波路３３ｄＢ分離器、Ｙ分岐３′ 方向性結合器４第１分岐路５第２分岐路６第１アーム部７第２アーム部８第１位相変調電極９第２位相変調電極１０第３位相変調電極１５光ファイバジャイロ用光ＩＣ２４光源部２６光ファイバループ２７受光部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 6/122 6/12 6/126 Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率の異方性を有する電気光学結晶基
板上に、前記電気光学結晶基板を形成する電気光学結晶
の光学軸と異なる方向に光導波路を形成して、前記光導
波路に３ｄＢ分離器を設けるとともに、前記３ｄＢ分離
器により分岐された前記光導波路における一方のアーム
部の両側及び上部に位相変調電極を設け、前記両側の前
記位相変調電極間と、前記上部の前記位相変調電極と前
記両側のうちの片側の位相変調電極間とに独立して電圧
を印加して、直交する偏光に等しい位相変化を生じさせ
るようにした光ファイバジャイロ用光ＩＣ。
【請求項２】３ｄＢ分離器がＹ分岐である請求項１に
記載の光ファイバジャイロ用光ＩＣ。
【請求項３】３ｄＢ分離器が方向性結合器である請求
項１に記載の光ファイバジャイロ用光ＩＣ。
【請求項４】電気光学結晶基板がニオブ酸リチウム結
晶基板である請求項１から請求項３までのいずれかに記
載の光ファイバジャイロ用光ＩＣ。
【請求項５】請求構１から請求項４までのいずれかに
記載の光ファイバジャイロ用光ＩＣを備えた光ファイバ
ジャイロ。