JPH07502813A - 完全集積構造を有するサニャック効果光学ジャイロメーター - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 完全集積構造を有するサニヤック効果光学ジャイロメーター技術分野 本発明は、１９１３年物理学者サニヤックが発見した相対論的効果に基づく物理 学的原理によるサニヤック効果光学ジャイロメーターに関する。 背景技術 光学ジャイロメーターは公知であり、例えば、■９８４年４月発行の光波技術ジ ャーナル、Ｖｏｌ、Ｌｔ、２、Ｎｏ、２．９１ベージ以下に説明されている。 添付第１ａ図及び第２ａ図により、この装置の公知の理論と主な発展について詳 細に説明する。 サニヤック効果光学ジャイロメーターの実際のプローブには、光が通過するリン グまたは巻線部１があり、その両端は共通部２を経てそれぞれ光源３と干渉検出 器４に接続している。光源３からの光が共通光路２を経てリングｌに入射すると 、上記の幾何学的配置により光を２つの別個の光波に分割することができ、第１ 光波ａはリングｌを時計方向に通過し、第２光波すはリングｌを反時計方向に通 過する。これらの光波は同一の光源から発しているので、定義上同位相である。 光波が共通光路を出ると、光波ａとｂの組合せから生じた干渉縞を検出器４によ って観察することができる。他の動作がない限り、設計上光波ａと光波すとの間 に干渉が生じ、光波の位相すれは厳密にゼロ、即ちΔφ−〇となる。 しかし、装置が慣性標準枠に対して角速度Ωで回転すると、リングを回転方向に 通過する光波の位相は通過中にρだけ進み、他方の光波は一Δρだけ遅れる。 従って、出射側での合計の位相ずれは２Δρとなり、検出器４に表示される干渉 の特徴が変ってしまう。装置の理論によれば、位相ずれのΔρの値はＡをベクト ルとするベクトル積Ａ△Ωに比例し、その絶対値はリングの表面に比例し、その 方向はリングの面に垂直で、Ωは測定する角回転のベクトルであるから、干渉パ ターンの変化を調べることによって合計の位相ずれΔρを測定すればめる回転Ω を知ることができることは明白である。 この原理に基づいて絶対回転の測定装置が設計されたのは、一方においてレーザ ー光源が出現し、他方において導波性光ファイバーが開発されたことによる。 サニヤック式光学ジャイロメーターの感度は光波路の長さに比例するので、当然 光波路を長くしようということになるが、これは光ファイバーを用いれば極めて 簡単なことなので、光ファイバーを数回巻いたコイルから成る検出ブローを用い てジャイロメーターを製作することができる。最近、集積光学素子を用いて光学 ジャイロメーターを構成し、光マイクロガイドの１巻きの長さを増すような構造 の光学ジャイロメーターも考案され、共振型ジャイロメーターも用いられたが、 その１例を第２ａ図に概略的に示す。 第２ａ図には接線方向に２個のライトガイドを備えている光マイクロガイドによ って構成される共振リングｌが示されているが、各ライトガイドには入射面７と 出射面８があり、ライトガイド５と６は２個の光学カップラー９．１０によって 共振リングｌに結合されている。この公知の装置の原理は、２つの光波の光路を 長くして光にリングを数回通過させ、この型の通過を数回行った後の２つの光波 の状態で生じた干渉を調べることによって成立する。従って、この種の装置の性 能特性は、伝播ロスによる過大な減衰を生じないため、光波が通過てきる回数に よって左右される。しかしながら、この装置の不利な点は、かなりの可干渉長を 持つレーザー光源を使用する必要があるために、装置を特殊利用する場合に、広 い温度範囲でこの形の光を発することができる縦軸方向単一モードレーザを使用 することにある。また、構造が既にむつかしいこと。更に、装置の原理からして 、リング内での共振に対応する光の波長λ。を正確に監視することが必要である が、上記の波長λ。が異ったパラメーターの関数として展開するので、単純な電 子的処理によって行うのは容易ではないことである。 従ってファイバ型の光学ジャイロメーターの感度は満足し得るレベルに達しては いるが、コイルの全体寸法は多種の利用法に適していない。集積光学ジャイロメ ーターに関しては、共振モードに従って作動させようとすれば実際には非常な困 難が生ずる。 以上の説明でまだ説明しきれていない内容を充分に理解するためには、１９８０ 年以来公知となっている光学ジャイロメーターで最高感度に対応する動作状態を 得られるようにする付属品について深く考案するとよい。 前述のように、光学ジャイロメーターは光が通過するリングに対して完全に対称 な構造を有している。これは集積回路型のジャイロメーターについても同様なの で、回転要素がない場合には、両方向に回転する２つの光波の間の位相ずれはゼ ロである。従って、この種の装置は２光渡干渉計であって、光学リングの光路の 出射側に集められる光強度■は次式によって与えられる。 １＝Ｉｏ　ｃｏｓ２Δφ／２ 但し、Δφは２つの光波の間の位相ずれである。 装置が回転していてこの回転を正確に測定したい場合には、Δρがδρだけ変化 するので、次のように表わせる。 ｄｌ＝２１ａ　ｃｏｓ’Δφ／　２　ｓ　ｉ　ｎΔρ／２　δφ＝Ｉｏ　ｓｉｎ 　（Δφ）δφ この式は２つの光波の間の位相ずれΔρがゼロである場合、この式がｄｌ及び感 度ｄ　Ｉ／ｄφに対しても適用できることを示している。 しかし、ｄ　Ｉ／ｄφは位相ずれの変動レベルに関係する出力強度の変動レベル であるので、Δρ＝π／２である場合にはｄｌ／ｄφが最大となり、ｄ　Ｉ／ｄ φが装置の感度を正確に表わすことになる。 以上のことから、装置の感度を最適にするには、一方の光波を他方の光波に対し てπ／２だけ遅らせることが非常に望ましい。 が光学リングを通過するには時間τを要するということを利用していた。従って 、リングの非対称位置に位相変調器を設置することにより、リングを逆方向に通 過する２つの光波に異る作用を与え、一方を他方に対してΔφだけ遅らせること ができる。このためには、一方の光波の入射側、つまり他方の光波の出射側に対 応する位置に変調器を設置することだけが必要である。変調器周波数が正確に計 算されている場合、即ち周波数ｆ−２／τである場合、光ダクト中に非相関的な 効果を完全に生しさせることができ、これによって次の利点が得られることを示 すことができる。 ｌ）装置の最高感度点に設定して最少変調振幅の値を読み取れる。 ２）装置のレスポンスはｓｉｎδφに比例する変調周波数での項を持つ（σφは 回転によって生ずる位相変化）。 従って、良好なＳ／Ｎ比の状態で装置の読みを得るには、周波数ｆで信号の同期 検出を行うことだけが必要となる。 光波リングに設置する変調器の利点は以下の詳細説明の理解には有益であるが、 公知であり、前述の１９８４年発行の光波技術ジャーナル、Ｖｏ　１．ＬＴ、Ｎ ｏ、２や、１９８１年ｌＯ月発行の光学通信、Ｖｏｌ、６、Ｎｏ、ｌＯの５０２ ページ以下に記載されている［長期間安定な全単一モードファイバー光学ジャイ ロスコープ」によって確認される。 電子光学材料により集積光学素子中に任意に作られるこの種の変調器は、光波技 術ジャーナル１９８４年４月号、Ｖｏｌ、ｔ、”ｒ２、Ｎｏ、２の９９〜１０７ ベーン「ファイバー光学ジャイロスコープの概観」という記事に説明されている 。 一方の回転光波と他方の反回転光波により前述のように位相ずれを生しさせる作 用は上記のリング（らせん）の入射側にトリカップラーを設置することにより、 前記の変調器を用いるよりもずっと簡単に得られる。しかし、この種の構造は著 しい小型化が不可能なファイバージャイロメーターに限定される。 信頼性が高く堅牢な小型ジャイロメーターの価格を大量生産によって低減する方 法は、現在、光学集積だけである。 これは１９８７年ＩＯ月２８日発行の日本の文献特許公開箱６２−２４７２０９ 号が選択した方法であり、この文献には、基材上のらせん形光路の形の集積リン グを光波ガイドとする光学ジャイロメーターのプローブが説明されている。この リングの入射側には光源兼偏光子として働くレーザーダイオードがあり、出射側 には検出器が設けられている。リングの一端部の近辺には変調器が設置されてい る。しかし、この構造ではリングを構成する実際の導波管だけが基材に集積され ているので、装置の小型化や大量生産の可能性に限界がある。 集積型光学ジャイロメーターやらせん型プローブの先行技術については、特に以 下の文献を参照することができる。 本出願のフランスにおける優先権臼の後に公開された欧州特許第４７５０１３号 は集積構造のトリカップラーとらせん型プローブとの組合わせを開示しているが 、このプローブは明らかに非集積型の光ファイバーによって構成されている。 日本特許公開箱１０−０６４２８３号は集積型らせん形プローブを有するジャイ ロメーターを開示しているが、このらせん形プローブの導波管は直接交叉してい る。 日本特許公開箱６１−２４７２０９号は集積型のらせん形ジャイロメーターを提 案しているが、このらせん形のガイドの交叉構造は集積されていない。 発明の開示 本発明はトリカップラーを有する完全集積型の光学ジャイロメーターに関するも のであり、前述の先行技術による装置の欠陥を簡単な方法で是正するものである 。 基材上に集積された光学回路によって構成された平面状のらせんの形をした光学 ループから成るプローブを有し、光源からの２つの光波を逆方向にらせんを伝播 させるこのサニヤック効果光学シャイロメーターでは、らせんの光ガイドの両端 がらせん中に光波を導入する手段と光波がらせんから出射する時に各光波を検出 する手段に連接されており、光源と検出手段への光ガイド端部の接続はらせんと 同じ基材上に集積されている３本の平方な長方形ガイドを有するトリカップラー によって行われるが、中央のガイドが光源へ、外側の２本のガイドが検出器に接 続される。トリカップラーの特性は、光学ループを通過する２つの光波の間に不 作動位置ではできるだけπ／２に近い等しい位相ずれを生じさせるように選択さ れ、トリカップラー（８）の中央ガイド（１４）の光源と反対側の端部には、中 央ガイドから出射側に導かれた残余の光の検査及び／または除去する吸光性構造 （２６）が備えられている。従って、トリカップラーの外側ガイドから出る２種 の光信号は１１＝Ａ＋Ｂｃｏｓρ＋Ｃｓ１ｎφと＋＋＝Δ／Ｂｃｏｓρ−Ｃｓｉ ｎによって与えられ、サインφに比例する差（１１１＋＝２Ｃｓｉｎφ）は装置 の回転によって生ずる位相ずれに等しい。 以上の説明によって理解されるように、本発明の主な特徴は、ジャイロメーター が集積された光学構造から成り、逆方向に回転する２つの光波の位相ずれを生じ させるのは変調器ではなくてらせんの光ガイドの入射側端部にあるトリカップラ ーであり、このトリカップラーが位相ずれを生じさせるためにも装置へ光を導入 するためにも用いられるという点にある。更に、本発明によれば、ライトガイド のらせんとトリカップラーが共に同一基材上に集積されているので、装置の小型 化と大量生産が可能になる。従って、本発明による装置は多数囲巻きのプローブ に固有の利点と最高感度で作動できる変調器に固有の利点を同時に持つが、これ らの利点は光学素子を集積した構造によって得られるのである。 らせん形の光ダクトによってジャイロメーターの光プローブを構成する方法によ れば着目すべき利点が得られるが、らせんの端部ダクトの一方（入射側または出 射側）が共通部にある他方の光ダクトに達するようにループの巻線部のグループ の先まで伸びていること、即ちこのグループから脱出していることが必要である ために基本的な困難が生ずる。この脱出効果によって生ずる問題は集積構造にお いては重大な問題であり、本発明では次のように解決する。 本発明のジャイロメーターの１種の実施例では、２個の交叉する案内構造を重ね 合わせることにより、ブリッジのような上側光路または下側光路の形でらせん形 の入射ダクトまたは出射ダクトがループの巻線部から脱出し、実際のらせんによ って構成される下側構造はらせんの導波管の何れかの側の入射端または出射端に それぞれ設けられている２個のカップラーによって上側脱出構造に光学的に連結 される。 この実施例では、１本のライトガイドが上側光路または下側光路によってらせん の巻線部から脱出し、ブリッジは２個の光学カップラーによって光エネルギーの 受信及び発信を行う。２個の案内構造が同型である場合には、２個のカップラー は２本の光ガイドを近接設置することによって作動する単なるカップラーとなる 。案内構造が異型である場合には、２個の構造内での光伝播速度が異るので、光 波速度を整合するためにカップラーと格子を組み合わせることが有利であり、恐 ら（は必須である。 本発明においてトリカップラーの中央ガイドに吸光器を設置するのは、特に次の ように考えるからである。 光学ジャイロメーターの構造上の重要な問題は寄生振動系によって生ずることが あるノイズに大幅に関係している。理論上、非相関的な物理的効果、即ちサニヤ ック効果を利用するジャイロメーターには、相関的な性質を持つ温度、応力、圧 力変化のような外部パラメーターの影響はない。公知の良好な構成を採用して光 学的寄生現象を最小にし得るならばそう言えるが、ある種の寄生現象は極めて有 害であることが知られている。この種の現象とは、ライトガイド（ファイバーま たは集積型光マイクロガイド）中への光の逆散乱と連結界面（光源との接続、フ ァイバとの接続など）での寄生反射である。 一般に、測定光ビームと寄生光との干渉によって生ずるノイズは相関法則に従わ ず出力信号を変動させるので、測定する光量の変化と区別することができない。 　従って、これらの変動は外部パラメーターによって変り、ドリフトを生じさせ るが、ドリフトの値が検出信号の値よりも迅速に大きくなるだけに不利も著しく なる。これはサニヤック効果ての測定信号が弱いことと、寄生ノイズが寄生光の 振幅とガイドされた光の信号の振幅の積によって変るということによる。 寄生光の強度が極めて弱い（例えば−６０ｄＢ、即ち１０−’）場合でも、寄生 光の振幅（この場合１０−’）とガイドされた光の振幅の積は迅速に信号の値を 越えてしまう。従って、光ファイバーを集積した型のジャイロメーターでは、寄 生光を完全に除去することが重要である。しかし、次に述べる理由により、光学 素子を集積した型のジャイロメーターで寄生光を完全に除去することは特に困難 である。 信号波と同一平面内で寄生光をかなりの割合で捕捉できるような平面構造を作る ことは難しい。 トリカップラーの中央マイクロガイドから出る光は特に捕捉し難く、相殺するこ ともてきない。この光は実際は装置の不完全さによる寄生光ではないが、ノイズ レベルに対する影響が等しいために、中央ガイドからの光の強度が構造上の不完 全性によって生ずる寄生光の強度よりも大幅に高くなった時には更に不利になる 。 従って、この光をできるだけ減衰させることが基本となる。重要度は劣るが、ら せんのマイクロガイドから外側へ発生する光についても同様のことが言え、平面 構造でこの光を捕捉すると隣接するマイクロガイドと再結合して同様に時間的に 変動する干渉信号を生ずる。 何れの場合にも、集積型光学ジャイロメーターを小型化しようとすると前述の影 響が大きくなる。 従って、トリカップラーの中央ガイドの出力端とらせんのループとの間の距離を 約１ｍｍまたは数ｍｍとする。らせんの各ループ間の距離は僅か数十ミクロンと する。これらの距離は、言うまでもなく、従来のフィバ−型ジャイロメーターの 場合よりも遥かに短い。 前述の２種の効果（平面上の光のガイドと短い相互作用距離）を組み合わせる場 合は、適当な吸光器を設置して寄生光を完全に除去することが更に重要になる。 以下本発明の充分な理解を計るため、光学素子集積型ジャイロメーターの実施例 について説明するが、これらの実施例は本発明の範囲を制限するものではない。 各実施例は導光体の１本と入力用トリカップラーをらせんの巻線部から解放させ る構造を有している。以下の説明は添付した第１図乃至第１８図を参照して行う 。 図面の簡単な説明 第１図は本発明による光学ジャイロメーターの概略平面図である。 第２図は第１図に示すジャイロメーターの変形例である。 第３図はジャイロメーターのトリカップラーの実施例を示す断面図である。 第４図はジャイロメーターのトリカップラーの他の実施例を示す断面図である。 第５図及び第６図は入力ダクトのマイクロガイドとらせんのマイクロガイドとの 間の共平面上の交叉を示す図である。 第７図はらせんを構成しているガイドの巻線部から入力導光体を解放させる実施 例を示す図である。 第７ａ図乃至第７ｇ図は解放構造の製作段階を示す図で、第７ａ、第７０、第７ ｅ及び第７ｇ図は断面図、第７ｂ、第７ｄ及び第７ｆ図は平面図である。 第８図は入力導光体を巻線部から解放させる構造を示す図で、第８ａ乃至第８ｒ 図は第８図に示す構造の製作段階を示し、第８ａ及び第８ｅ図は断面図、第８ｂ 、第８ｄ及び第８ｆ図は平面図である。 第９図、第１Ｏ図及び第１１図は２個の別体の集積構造を用いる２種類の吸光器 の実施例を示す図である。 第１３図、第１４図、第１５図及び第１６図は同時に製作される２個の別体の集 積構造を用いる２種の吸光器を示す図である。 第１７図はらせんの中央帯域の改良実施例の詳細を示す図である。 第１８図はらせんのダクトの端部帯域の改良実施例の詳細を示す図である。 発明を実施するための好適な態様 第１図は本発明による光学素子集積型ジャイロメーターの一般的な構成を概略的 に示す図である。このジャイロメーターは、重要部として、基材上に集積され外 部接合用の２端部４と６とを持っているライトガイドから成るらせん２を含んで いる。本発明の本質的な特徴によれば、必要とする相互作用長Ｌｉの区間で平行 である３本の直線状ガイドによって構成されるトリカップラー８によって外部へ の接合が行われる。外側ガイドｌＯ及び１２と中央ガイド１４の３本のガイドの 間で正しくエネルギー交換を行わせるため、１０ミクロン以下の間隔（通常はｌ 乃至５ミクロンの間隔）がガイド間に設けられている。最適の相互作用距離Ｌｉ は３本の平行な直線状ガイドＩＯ２１２及び１４の間の結合係数Ｃを最適にし、 従って検出信号の振幅を最適化するように計算されている。 装置の平面図である第１図から判るように、カップラー８の外側ガイド１０と１ ２はそれぞれらせん２の入射端４と６に接続されている。ガイドＩＯと１２はま た、光検出器１６と１８にも接続されている。中央ガイドＩ４には光源２０から の干渉性の弱い光が供給される。この光源は前述の条件を満足する限りどのよう な性質のものでもよいが、超輻射ダイオードで構成すれば特に有利である。 本発明のジャイロメーターを作動させるには上記の素子が必要でありまた最適で ある。しかし、これらの素子の入射側または入力側に、さらに空間フィルター２ ２と、光源からの光を偏光させる偏光子２４と、そして３本のガイド１Ｏ１１２ ，１４の間のカップリングのあとに残留する光束を検出する吸光器２６とを設け るといっそう有利となる。このようにするとトリカップラー８のライトガイド１ ４の端部に残留することがある光エネルギーを検知してかつ吸収することが可能 となるからである。 第２図は本発明によるジャイロメーターの特殊な実施例を示す。 この実施例では、トリカップラー８とこれに接続している付属品がらせん２の内 側にあるので、装置が更に小型となる。第２図に示しで、詳細な説明は省略する 。 ジャイロメーターの入射側に設けた空間フィルターによって、ガイド内に入射す る光が弱いために生ずる寄生モードが移動するのを防止しながら、ガイドされた モードを通過することが可能となる。 このフィルターは公知の型であり、特に１９９０年６月１３日付のフランス国特 許公開第７３０４９号に従って製作することができる。 本発明によれば、ジャイロメーターのらせん２を構成するライトガイドは、この らせんの別のガイド間での光エネルギーの伝播や交換を防止する吸光構造によっ て保護することができる。 これらの吸光構造は金属層によって構成することができる。この層をさら１．ｓ 　ｉ／Ｓ　ｉｏ２／Ｓ　ｉｓ　Ｎ＋　／Ｓ　ｉｏｔ型の構造の誘電体で被覆する とよい（もちろんしなくてもよいカリ。この金属の厚さは重要ではないが、はぼ ５０乃至５００ナノメーターとする。このような構造の場合、この金属はコアと なる高屈折率層の土とマイクロガイドの一方の側面とに直接設けられる。 Ｓｉ／ＳｊＯ／高屈折率のドーピングされりＳ　ｉ　Ｏｘ　／　Ｓ　ｉ　ＯＩ型 の構造の場合、金属層は通常マイクロガイドのコアの片側に直接設けられる。金 属を蝕刻し、はがし法を行うことによって所望の形の金属層を得ることができる 。金属の厚さは薄くてもかまわないので、使用する金属によって５乃至２０ナノ メーターとするのが有利である。このように製作した吸光器はさらにＳｉＯ２の 層または誘電体で被覆することが有利である。 第１図及び第２図の垂直面Ａ−Ａにおける正面図を示す第３図及び第４図を参照 して、２個の異る集積光学構造から成る本発明のトリカンブラー８の実施例を説 明する。 第３図は公知のＳ　＋　／　Ｓ　＋　０２　／　Ｓ　Ｉ　８　Ｎ　ｔ　／　Ｓ　 ｉ　Ｏ２構造のトリカップラー８の構成を示す。図面では基材３はノリカの層３ ２と、ガイド構造のコアを構成している厚さｈの窒化珪素の層３４によって順次 被覆されている。本発明によれば、この基材３には２本の８１０２外側ガイド１ ０．１２と１本のＳｉＯ２中央ガイド１４を持っている所謂トリカップラー８が 乗っている。この実施例の場合には、窒化珪素のコア３４に触れないように上側 のＳｉＯ２塗装を蝕刻することによってガイド１Ｏ１１２及び１４が形成されて いる。 この集合体は屈折率ｎの誘電体層３６によって任意に被覆することができるが、 但しｎはｎＳ　ｉｏ□よりも小さいものとする。ガイドのコア層３４は、厚さ３ ７の平面部分を高さｈ′のＳｉＯ□で被覆するとを利である。しかし、高さｈ′ がゼロ、即ち５ｉ０２の層はなくてもよい。本発明によるトリカップラー８は対 称形でなければならないので、２本の外側ガイドｌＯと１２は同一幅Ｗ′であり 中央ガイド１４は任意の異る幅Ｗとすることができる。実際にはＷ−Ｗ′とし、 ３本のガイド８．１２及び１４を同一幅とすれば製作が容易になる。 ０．４〜０．２ミクロンの範囲（Ｘ方向の単一モード状態）で変動する窒化物層 ５ｉ２Ｎ、の厚さに応じて、ガイドの高さｐは次の横断方向（ｙに一致）の単一 モード作動である限り、ｈ′の値は幅Ｗ及びＷ′よりも自由に選択できる。特に ｈ′＝０で、ｈｓ　ｉｓＮ、＝０．１６ミクロンの場合には、横断方向の単一モ ード作動を１テわせるためには小さい値を選択してＷ、Ｗ’　＜　１ミクロンメ ーターとする。実際にはｈ′を次の範囲とする。 ０≦ｈ’＜３μｍ＜ｈ 屈折率１＜ｎ５ｉｏ２の誘電体被覆は残余の厚さｈ′と等価の役割を果す。ｎは ｎ５ｉ０２よりも小さいので、この被覆はどのような場合でも閉し込めを保証す る。実際には再現性を良くするために、無限大の厚さＷＤ、即ち、消失し易い光 波の浸透する厚さよりも大きい値（約１乃至６ミクロン）を選択する。 次に第４図を参照してＳｉ／５ｉＯｒ／ドーピングされた５ｉＯ−／　Ｓ　ｉ　 Ｏ２型の集積構造のトリカップラー８の実施例について説明する。第４図には第 ３図の素子に対応する素子、即ち、シリコンベース基材３０、シリカ５ｉＯｚ塗 層３２と３本のトリカップラーガイドｌ０１１２及び１４が示しである。第３図 の場合と異り、イオン交換で接着した高屈折率の７リ力塗層３８を蝕刻すること によって３本のガイド１Ｏ１１２及び１４が直接形成される。 この構造ではガイドの高さｈは１．５＜ｈ＜１０ミクロンで、ガイド自体の外に ある高屈折率層３８の高さｈ′はＯ＜ｈ’　＜４ミクロンである。この構造の場 合、ガイドのコアの屈折率の方が高ければ、集合体を５ｉｎ（このＳｉＯはドー ピングされているとよいが、いなくともよい）の層で被覆する。 このトリカップラーが最適に機能するためには、ガイドの一方から他方への光交 換が正しく行われるように、ガイド間の相互作用長Ｌｉを最適に決めることが必 要である。この相互作用長さはパラメーターＳ（隣接する２本のガイド間の距離 ）、ＷとＷ’　（ガイド１０．１２及び１４の幅）と、構造の構成要素の駆折率 の全部によって決まる。最適の相互作用長を決める一般関係は複雑なので、らせ んを通過する光の両方向光路の後の外側がイド１０と１２で光エネルギーが最高 レベルになるようにするのが解法として選択されている。−例として、次の量を 与えることができる。 第４図に示す構造で次のパラメーターを用いた場合；ｈ＝２μｍ、ｈ’　＝０． ８７ｚｍ。 Δｎ　（ｎｒ−ｗｙｒ　５１０２　ｎｓ＋ｏ＋）　＝　Ｉ　Ｏ’Ｗ＝Ｗ’　＝６ 　μｍ、Ｓ＝２ａｍ、長さＬｌの値はＬｉ＝２７００μｍ　上記の値を用いてＷ ＝Ｗ’＝６ミクロン、Ｓ＝３ミクロンとした場合、最適の光学長さく相互作用長 さ）は僅か５２００ミクロンとなる。 しかし、この結合長さＬｉはそれ程重要ではなく、理論値の近辺での約ｌθ％の 変動があってもジャイロメーターを満足に作動させる上での障害にならないこと に注目するとよい。 本発明によれば、例えばＳ　ｉｏ＋　／Ｓ　＋ｓ　Ｎｔ　／Ｓ　ｉｏ＋　、Ｓ　 ｉ／５ｉ０２／ドーピング５ＩＯＩ／５Ｉ０２、イオン交換によってドーピング したガラス、ＬｉＮｂＯ３などのようなあらゆる型の導波管を用いた集積光学素 子によってらせんのガイドが作られる。換言すれば、第１図及び第２図に示した ジャイロメーターを製作するために特定の型の導波管を選択することは本発明の 範囲には含まれないので、当業者は材料についての知識を駆使して個々の場合に 最適の型の導波管を選択する。 第１図及び第２図には、装置のライトガイドの一方（入射側または出射側）のら せん２の巻線部脱出帯域を２５として示しである。 帯域２５の作り方について説明する。 第５図及び第６図は入射即ち入力ガイドまたは出射即ち出力ガイドがループ２の 平面内で直接共面交叉してループ２の巻線部から脱出する構造を示している。入 力即ち入射ガイドとらせん２の巻線部との交叉角Ｏは１０°よりも大きい方がよ い。交叉角が小さすぎると、寄生光が生して所望の方向以外の方向に入り込み、 検出器１６．１８によって結果を検出するのを妨げる干渉を生じさせるからであ る。２本のガイドの各交叉点にライトガイドブロック１３を設けである第６図の 共面交叉構成は上記の妨害干渉を弱めることができる。 更に、第１図及び第２図の装置は例えば約５０ミクロンの限定された可干渉長を 持っているので。寄生光は信号と干渉することができない。従ってノイズレベル が一定になる。可干渉長が入射光波と寄生光波の光路長の差よりも短い時にも、 一般にノイズレベルが一定になる。 以上に説明したように、第１図及び第２図のジャイロメータープローブのらせん 構造２の利点は、共振モード動作（このモード動作はしばしば実施することが困 難なほどの作動条件を要求することがあった。）を用いなくても、巻線の数を増 やすだけで集積構造の感度を著しく高めることができる点にある。 第７図及び第８図は第１図及び第２図の構成では困難であった交叉帯域２５を可 能にする構成を示す。第７図及び第８図では、交叉帯域が橋のような上側脱出路 になっているが、これに限定されるのではなく、下側通路を用いても同様の良好 な性能特性が得られる。 第７図の場合には、所望の脱出ブリッジを作るために交叉帯域２５で２個の同種 の案内構造が重なり合っている。この実施例で用いられている案内構造はＳｉ／ Ｓｉｎ／ドーピングされた５ｉＯｚ／５１０２型の構造であるが、他種の構造と することもできる。 第７図の場合には、ベース構造に珪素層３０があり、その上にシリカ層３２と種 々のドーピングされたＳｉＯ２ガイドが乗っている。 これらのガイドのうちには、らせん２ａ体のガイド１９と、シリカ層の乗ってい るベース構造のカップラー２９及び３１の２個の下側ブロック２１と２２がある 。層３２はシリカ層３３と、ドーピングしたソリ力光ガイド３５と側構造に共通 の層３７を持ち、ソリ力で作られている。第７図には、ブロック２１とマイクロ ガイド３５のすぐ上の部分２７とから構成されているカップラー２９と、らせん の他端部にあってブロック２２とマイクロガイド３５の部分２３から構成される カップラー３１とが示されている。連続した線の矢印はカップラー３１内でブロ ック２２からガイド３５へ、またカップラー２９内でガイド３５からブロック２ １へ通過する光の経路を表わしている。この実施例によれば、らせん２のガイド 中での光の伝播に関して何らの間層も生しさせることなくガイド３５を脱出させ ることができる。 第７ａ図乃至第７ｇ図は第７図に示した脱出ブリッジの主な製作段階を示す。カ ップラーとなるべきブロック２１．２２と、らせん２のらせん形ガイド２９を第 ７ａ図に示すようにノリ力で被覆したノリコン基村上に堆積させる。この段階で は装置は第７ｂ図に平面図として示した状態にある。 次の段階では中間のシリカ層をプラズマを用いて化学蒸着させ、化学蝕刻する。 この層には、ブロック２１と２２の上方位置に、後で光ダクト３５を入れるため の切欠きが作られている。第７Ｃ図の状態のジャイロメーターの平面図は第７ｄ 図に示しである。 次の段階（第７ｅ図）ては、上で作られた構造上にガイド構造３５のコアを蒸着 し、マスクを通してこのコアを蝕刻する。コアの材質はドーピングしたソリ力で ある。この状態の装置の平面図は第７ｆ図に示しである。 次の段階では第７ｇ図に示すように最終被膜または上層３９を堆積する。この被 膜は５１０２で、やはりプラズマを使用する蒸着によって作ることができる。　 当業者には公知である通り、これらの層の厚さは各層に与えられるべき有効屈折 率とカップラー２９及び３１に消失し易い光波の光路を正しく作る必要性によっ て決まる。 第８図を参照し、脱出帯域１４が２個の同型でない構造を重ね合わせて作られる 場合の製作法について説明する。この場合には各構造内をガイドされる光波の速 度が異るので、上側構造と下側構造の間の連結は非常に小さい。しかし、これら ２個の構造の間に確実に光路を作るためには下記の間隔ｐを有する格子によって カップラーを構成することが必要である。 但し、βＩとβ２は上側ガイドと下側ガイドの構造のモードの伝播定数、ｐの格 子間隔、ｍは干渉次数、ｎｌと０２は上側ガイドと下側ガイドのコア１９と１４ の有効屈折率である。前述の条件を考慮すれば、上側構造と下側構造とは確実に 連結されているので、帯域２５からの脱出が可能である。第８図に示す例では、 下側構造はＳｉ／ＳｉＯ＋／ドーピングされた５ｉＯｔ／５ｉＯｒ型で、上側構 造はＳ　ｉ　／　Ｓ　１０　ｒ　／　Ｓ　ｌｓ　Ｎ　ｔ　（またはＳｉＯ，Ｎア ）／ＳｉＯ２型であり、第８図から分るように下側基材４３は珪素で作られてい て、その上に第１のシリカ層４５が乗っている。層４５の表面には、ドーピング されたソリ力らせん２のライトガイドと、格子４７．４９を支持するドーピング されたソリカブロック２１．２２が配置されている。 カップラー２９．３Ｉのガイド１９とブロック２１．２２に乗っているシリカ層 ５１は下側構造と上側構造に共通である。上側構造は窒化珪素Ｓ！ａＮ＋または Ｓ　ｉＯｔ　Ｎア型化合物で作られたライトガイド４１を含み、シリカ層５３を 乗せている。格子４７．４９は案内層４１により前記の２個の構造を確実に光学 的に連結する。 異種のガイドの厚さと屈折率が格子４７．４９の間隔ｐと合うように適切に選択 される限り、第８図の構造はβ１とβ２に関する上記の条件を満足させ、技術的 に成立する。 第８図に示した構造の製作法は当業者にとって公知であるが、第８ａ図乃至第８ ｆ図に主な製作段階を概略的に示す。 第８ａ図は公知の方法によってガイド１９及び格子４７．４９を蝕刻したシリカ 層４５が乗っている珪素基材４３を示す。この段階の構造の平面図は第８ｂ図に 示しである。 次の段階ではマスを通して乾式蝕刻を行い、続いて陰極スパッターまたは蒸気相 蒸着によって格子４７．４９を作成する。第８ｄ図はらせん２のダクトの片側に 格子４７．４９が形成されている上記構造の状態を示す。 第８ｅ図は２個の構造に共通の中間シリカ層５１を化学蒸気相蒸着によって形成 した状態を示す。この状態の装置の平面図は第８ｆ図に示しである。その後はガ イド１９のコア４１を蒸着し、５ｉｂ上層の蝕刻と蒸着を行うだけである。第７ 図に示した例の場合と同様、各蒸着層の厚さは被膜に所望される有効屈折率に従 って決められる。 第１図及び第２図に示した中央ガイド１４には偏光子２４があり、これは既に述 べたように装置を満足に作動させるために必ずしも必要ではないのであるが、大 幅な改良が行われた。次のようにすれば偏光子を取り付けることが容易になる。 　使用する光源、例えば超放射性ダイオードは常に充分に偏光した光を発すると は限らないので、偏光子２４は光を１回偏光させるように選択するのが有利であ る。第３図及び第４図のライトガイド１４を誘電体被膜で覆うことによってこの ように偏光させることができる。このようにして得られる偏光効果は横軸方向の 電気的な消失し易い数波（ＴＥ）または直交方向の偏光による消失し易い光波（ ＴＭ）どうしの浸透差ｌに基つくものである。従って、同一の導波管については ！□、＜ｎＴＭである。更に、導波管」二に蒸着したある一種の金属については 、吸収α工、は常に吸収α０．よりも強い。従ってｌ　ＴＦ＜　ｌ　＜　ｌ　Ｔ Ｍとするために必要なのは、ライトガイドを厚さｌの誘電体層で覆うことだけで ある。　例えば第１図に示したトリカップラー構造の場合には、ＷＳ、ｉＮｌ　 二〇、１６５ミクロンとすると、吸収差（αＴＩＪ−αＴＥ）が最大となる（使 用金属Ａ１、Ａｕ、ＣｒまたはＴｉによって異る）一番有利ｔＪ時でもｌ　５１ ｔ１＋は約０．２５乃至０．４０ミクロンである。 次に第９図乃至第１６図を参照して、本発明によるジャイロメーター内で２ケ所 に使用される吸光器の種々の実施例について説明する。吸光器のそれぞれの位置 が各実施例に対応する。後に「タイプ１の吸光器Ｊと称されるらせん２のライト ガイドを保護する吸光器と、後にｒタイプ２の吸光器」と称されるトリカップラ ー８のダクト１４の端部にある吸光器２Ｇは、本発明によれば任意の公知の集積 構造、即ち一方はＳ　ｉ／’Ｓ　ｉｏｚ　／Ｓ　ｉ＋　Ｎｔ　／Ｓ　ｉｏｚで、 他方ｆｉｓ　ｉ　／　Ｓ　ｉ　０１　／ドーピングされたＳ　ｉ　Ｏｒ　、／　 Ｓ　ｉ　０２という最も清適に使用される構造によって形成することができる。 これら２個の構造を、以下、構造１及び構造２と称する。 一般に、タイプ１とタイプ２の吸光器は構造１と構造２によって作ることかでき る。個々の場合に適当なタイプを選択する。これらの吸光器は本発明においては 非常に有用であるが、タイプ１の吸光器もタイプ２の吸光器も補助的なものであ って、これらの吸光器を使用せずにジャイロメーターを製作できることを指摘し ておく。 異なる巻線間でのエネルギー交換を防止し、ガイドの欠陥（中断、製作マスクの 傷、縁部の粗さなど）または実際の構成要素特にらせん２がガイドの一端部と交 叉する帯域２５によって生ずる寄生光を捕捉するために、タイプｌの吸光器はら せん２の光ダクトの周囲に設置される。 タイプｌの集積構造では、吸光器は金属層によって構成され、誘電体で被覆して もしなくてもよい。この被膜を形成する金属の厚さはあまり重要ではないので、 一般に約５０乃至５００ナノメーターとする。この金属はコアを構成する高屈折 率のシリカ層の何れかの側に直接蒸着する。 タイプ２の構造では、通常、高屈折率５ｉ０２層とマイクロガイドのコアの片側 に直接金属層を蒸着する。金属を蝕刻するかはがし法によって所望の形が得られ る。金属層は薄くなければならないが、使用する金属の種類により５乃至２０ナ ノメーターとするのがよい。 特にタイプｌの吸光器については、ＳｉＯ２または誘電性金属の被膜で覆うこと が好ましい。 トリカップラー８の３本のガイド１０．１２及び１４の相互作用長を最適にして も中央ガイド１４の端部の光強度はゼロにならないので、タイプ２の吸光器が必 要となる。このような状態では、らせん２に光の形で入るパワーを調べるため、 またはダクト１４の端部に残留する光強度を除去するために吸光器２６が使用さ れる。タイプ２の吸光器は寄生光ではなくてマイクロガイドから出てくる案内さ れた光を吸収する機能を持っているという点てタイプｌの吸光器とは異る。従っ て、タイプ２の吸光器を構成する金属層はガイドのコアの上に直接置くか、更に 望ましくはオーバーラツプ被膜上に置くのが適切であるが、金属層と光の相互作 用はガイドのコアからの区間で行わせる。被覆層は一般にガイドを完全保護する だけの厚さがあるのて、タイプ２の吸光器を形成するには金属を蒸着する前に蝕 刻を行わｔｊければならない点に留意する必要がある。 第９図乃至第１６図に示した吸光型構造の各層はそれ以前の図面に用いた番号で 示しであるので特に説明しない。実用状態で吸光機能を果す金属層は６０として 示しである。 第９図は構造１に用いられるタイプ２の吸光器を示すが、これはマイクロカイト ３４の軸に沿った断面で図示しである。金属層６０の厚さは５０乃至５００ナノ メーターで、層３４は窒化珪素Ｓｉ＋Ｎ、一般にＳ　ｒ　Ｏｒ　Ｎ　＋であり、 窒化珪素の幅Ｗは１６５ナノメーター、Ｓｉｎ、の高さｈ′は約１．２マイクロ メーター、高さｈはＩＯ乃至４０ナノメーターである。この例で用いている波長 は０゜８マイクロメーターである。 第１Ｏ図は構造２のタイプ２の吸光器を示す。ガイドされた光が被覆に著しく浸 透するので、構造２てはタイプ２の吸光器が更に役立つ。第１０図はマイクロガ イドの軸に沿った断面図である。この場合には金属層６０の厚さが５乃至２０ナ ノメーターになっている。 厚さｈはガイドされるモードの消失し易い光波の浸透深さよりも小さい。すへて の場合にタイプ２の吸光器はライトガイド自体を被覆するが、タイプＩの吸光器 はガイド内での光波の伝播を妨げてはならないので、ガイドの片側に設置される 。この構成は第１１図及び第１２図に示しであるが、これらの図面ではタイプ２ の構造はガイドの軸に垂直な断面図で示され、タイプ１の吸光器は第１１図、タ イプ２の吸光器は第２図に示しである。 光学素子集積型の７ヤイロメーターの吸光器については、本発明の一実施例では 、タイプ１の吸光器とタイプ２の吸光器を同一の技術過程で製作することが可能 である。２つのタイプの吸光器を別々に製作すれば製作過程か多くなるので、こ の実施例は比較的有利である。第１３図乃至第１６図から分るように、マイクロ ガイドの側壁を金属層６０て覆うことによってこれを行い得る。第１３図には構 造２のタイプｌの吸光器も示しであるが、第１４図では構造２の吸光器はタイプ ２である。第１５図及び第１６図はタイプｌの吸光器（第１５図）とタイプ２の 吸光器（第１６図）を製作するための構造に関するものである。 第１７図は本発明の第２改良点ではあるが、更に重要な改良点を示す。第１７図 にはらせん２に所属する数本のライトガイド６２．６４及び６６を示しである。 これらのガイドはらせんの中点Ｍの近辺の、ジャイロメーターが作動していない 時に正回転と反回転の光波が同時に到達する点に示しである。 超放射性ダイオードから発する光の干渉長し、が約３０乃至１００ミクロンであ ることを考えると、中点Ｍの何れかの側で寄生光の発生を防止することが重要で あり、この防止は干渉長さＬｅとほぼ同し長さの帯域で行うものである。従って 、この帯域内では、ライトガイド６２．６４．６６などはできる限り完全でなけ ればならない。従って、曲線状の光路よりも欠陥の少い６８のような直線状のラ イトガイドを本発明に従って製作すれば非常に有用である。 最後に、第１８図を参照して本発明によるジャイロメーターのもう１つの改良実 施例について説明する。この実施例では、トリカップラー８の光ダクトＩＯ及び １２の２つの端部のらせんへの入射部に２つの広がった漏斗状の帯域またはテー パー７０．７２が設けられている。らせんの始点及び終点にあるこれらの拡がり によって相関的な伝播ロスを増加させずに光ガイドを鋭く曲げることが可能にな る。 実際には、トリカップラー６のマイクロガイドは単一モード型である。拡がって いる帯域７０．７２が存在すれば、らせん２への入射口の後に幅が約６乃至１５ マイクロメーターの多重モードガイドを使用することが可能になり、トリカップ ラー６でのガイド１Ｏ１１２及び１４用の流れの幅がおよそ３乃至６マイクロメ ーターになる。らせんの湾曲がモードフィルターとして働くので、らせん内のマ イクロガイドが多重モード型であっても不利にはならない。更に、使用される湾 曲部に対して各層がり帯域７０．７２の入射口と出射口が充分に漸進的ならば（ 例えば拡がりの長さを２０乃至１２００ミクロンにする）、主要モードから高次 モードへの変換は殆ど生じない。 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８の規定による補正書）平成６年７月１５日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基材上に集積された光学回路によって構成された平面状らせん（２）の形の 光学ループによって構成されるプローブであって、光源（２０）からの２つの光 波をらせん内を逆方向に通過するように伝播させるライトガイドを有するものを 含み、該らせんのガイドの２つの端部（１０、１２）がらせん内に２つの光波を 導入する手段（１４）と光波がらせん（２）から出射する時に各光波を検出する 手段（１６、１８）とに接続されているサニャック効果光学ジャイロメーターで あって、該ライトガイドの両端部（１０、１２）を光源（２０）と検出手段（１ ６、１８）とにつなぐ接続が３本の平行な直線状ガイドを有するトリカップラー によって行われ、該トリカップラーの３本の平行な直線状ガイドのうちその中央 ガイド（１４）は光源（２０）に接続され、２本の外側ガイド（１０、１２）は 検出器（１６、１８）に接続されており、該トリカップラー（８）の特性は不作 動位置において光学ループを通過する２つの光波の間にできるだけπ／２に近い 位相ずれを生じさせるように選択されており、該トリカップラーはらせんの基材 と同じ基材上に集積されているものにおいて、そして該トリカップラー（８）の 中央ガイドの光源と反対側の端部には、上記中央ガイドを出る時に残留している ガイドされた光を検査及び／または除去する吸光性構造（２６）が設けられてい ることを特徴とするサニャック効果光学ジャイロメーター。 ２．該光波ガイドは、チタンで任意にドーピングされたかまたは陽子交換を行わ れたニオブ酸リチウムの案内被膜を有していることを特徴とする請求の範囲第１ 項記載のジャイロメーター。 ３．光波ガイドがイオン交換によって屈折率を変えたガラスの案内被膜を有して いることを特徴とする請求の範囲第１項記載のジャイロメーター。 ４．Ｓｉ３Ｎ４がＳｉＯＮまたはＡｌ２Ｏ３と代置し得るＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ ３Ｎ４／ＳｉＯ２構造とＳｉ／ＳｉＯ２／ドーピングされたＳｉＯ２／ＳｉＯ２ 構造の一方に案内構造が属していることを特徴とする請求の範囲第１項記載のジ ャイロメーター。 ５．らせんのガイドの２個の端部のループ（２）の巻線部からの脱出が、２個の 交叉する案内構造を重ね合わせたブリッジのような上側光路または下側光路の形 で行われ、らせん自体によって構成される下側構造がらせんの光波ガイドの何れ かの側の入射端と出射端のそれぞれに設置された２個のカップラーによって上側 脱出構造に光学的に連結されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のジ ャイロメーター。 ６．２個の案内構造が同型であって、２個のカップラー（２９、３０）が単なる カップラーであることを特徴とする請求の範囲第５項記載のジャイロメーター。 ７．２個の案内構造が異型であって、２個のカップラー（２９、３１）が格子（ ４７、４９）と合体していることを特徴とする請求の範囲第５項記載のジャイロ メーター。 ８．らせんのガイドとらせんの片側との間、或いはらせんの集合体の上に配置さ れた吸光構造により、らせん（２）の光ガイドが相互に光学的に独立しているこ とを特徴とする請求の範囲第１項記載のジャイロメーター。 ９．光源（２０）が限定された干渉長を持つ光源であることを特徴とする第１項 乃至第８項の何れかに記載のジャイロメーター。 １０．光源が超放射性ダイオードであることを請求の範囲特徴とする第９項記載 のジャイロメーター。 １１．トリカップラー（１４）の中央ガイドが、光源（２０）の後の偏光子（２ ４）と空間フィルター（２２）を含むグループ内に、ガイドされたモードを選択 する２個の手段のうちの少くとも１個を有していることを特徴とする請求の範囲 第１項乃至第１０項の何れかに記載のジャイロメーター。 １２．中点Ｍを持つらせん（２）のライトガイドの一部と、中点の何れかの側に あるライトガイドの全部または一部が直線状ガイドの部分（６８）によって構成 されることを特徴とする第１項乃至第１１項の何れかに記載のジャイロメーター 。 １３．ライトガイドが、らせんの端部（１０、１２）のトリカップラーからの出 射口よりも後の位置に、らせんのガイドの幅を増大させるため漏斗状の幅広部分 （７２）を有していることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１２項の何れか に記載のジャイロメーター。