JPH11257972A - ファイバジャイロ用光集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系自体の小型化を図り、且つ原理的に光
パワー損失を少なくし、低ノイズ化、低コスト化を図
る。 【解決手段】 光導波路基板１０に、光源１２からの入
射光を分配する方向性結合型カプラ１４と、光を左右両
回り光に分岐させるためのＹ分岐構造導波路１８と、そ
の両分岐導波路に形成した光の位相を制御するための位
相変調器２０とを設ける。方向性結合型カプラとＹ分岐
構造導波路との間の光導波路を切断するように溝３２を
形成し、溝内にファラデー素子３４と１／２波長板３６
とを埋め込みＴＥ−ＴＭモード変換器１６とする。方向
性結合型カプラは、その一方の光導波路がチタン拡散光
導波路２６で、他方の光導波路がプロトン交換光導波路
２８であり、その結合長は戻り光であるＴＥモード光又
はＴＭモード光のみが結合する完全結合長に一致するよ
うに構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバジャイ
ロシステムで用いる光集積回路に関し、更に詳しく述べ
ると、方向性結合型カプラの結合係数のモード依存性を
利用して、順方向の場合には光ファイバコイル側に結合
し、逆方向の場合には受光素子側に結合するようにする
と共に、順方向と逆方向のモード変換は、溝に１／２波
長板とファラデー素子を埋め込むことで実現したファイ
バジャイロ用光集積回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いたセンシング技術とし
て、「閉じた光ループをそれぞれ逆回りに伝搬した２光
波間には回転に比例した位相差が生じる」というサニャ
ック効果を利用して回転角速度を検出する光ファイバジ
ャイロがある。この光ファイバジャイロの一形式として
干渉方式と呼ばれるものがある。これは、長尺の偏波面
保存ファイバ又は単一モード光ファイバをコイル状に巻
いてセンシングループとし、その中を逆回りに伝搬する
２光波の位相差（サニャックシフト）を干渉検出する方
式である。この位相差を効果的に検出する技術として、
例えば位相変調法が用いられている。

【０００３】従来の光ファイバジャイロシステムに用い
られている光学系としては、全て光ファイバで構成した
全光ファイバ方式と、偏光子、光分岐・結合部、及び位
相変調部などを備えた光導波路基板を用いる光集積回路
方式とがある。後者の光ファイバジャイロ光学系の一例
を図４に示す。光源（ＬＤ：レーザダイオード）８０か
らの放射光を３ｄＢカプラ８１で２等分配し、一方の光
を偏光子８２によって直線偏光化して光分岐・結合部８
３で分岐させ、それぞれファイバコイル８４の両端から
入射させる。２等分配した他方の光は捨てるか、あるい
はモニタ光として利用する。ファイバコイル８４を互い
に逆向きに回った光は、光分岐・結合部８３で結合し、
偏光子８２を通り、３ｄＢカプラ８１で２等分配され、
一方が受光素子（ＰＤ：フォトダイオード）８５に入っ
て電気信号として検出される。光分岐・結合部８３と光
ファイバコイル８４との間には、位相変調部８６を設け
て光波に位相変調をかけるように構成する。

【０００４】ここで光分岐・結合部８３は、電気光学効
果を有する基板８８に形成したＹ字状分岐部をもつ光導
波路であり、位相変調部８６は、同じ基板８８に形成し
た直線状の光導波路に並行に設けた複数個（ここでは４
個）の電極８９からなる。基板材料としては、例えばニ
オブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）結晶などを用いる。光
導波路は、チタン熱拡散法やプロトン交換法によって形
成する。通常、この種の光導波路素子では、偏光依存性
をもつために、取り扱う光は直線偏光となる。特に光フ
ァイバジャイロ用の光集積回路の場合には、要求される
特性上、高消光比の直線偏光が伝搬するように偏光子８
２による偏光調整機能を設けている。

【０００５】サニャックシフトの検出は、例えば次のよ
うにして行う。位相変調部８６の電極に正弦波発振回路
９１から正弦波を印加して変調すると共に、鋸歯状波発
生回路９２から鋸歯状波を供給して重畳する。鋸歯状波
の振幅を適当な値に設定すると、その周波数だけ光波周
波数をシフトさせたのと等価にできる。このようにする
と、２つの光導波路を通る両光はファイバコイル８４中
を異なる周波数で伝搬することになり、受光素子８５で
は位相差をもつ。受光素子８５からの受光信号と正弦波
発振回路９１からの参照信号とを用いて、デモジュレー
タ９３により、前記の位相差でサニャックシフトを打ち
消すように、上記鋸歯状波の周波数に帰還をかける。そ
れによって入力回転角速度に比例した周波数が得られ、
それがジャイロ出力となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の光
学系では、全ファイバ型、光集積回路型のいずれにおい
ても、個別部品が光ファイバを介して接続されており、
光学系が大型化する欠点がある。また各部品は、個別に
パッケージング、気密封止対策が施されているために、
全体のコストが非常に高くなる。

【０００７】更に、光学部品として、光を２等分配する
ための３ｄＢカプラを用いているために、最終的に受光
素子に入射可能な光パワーは原理的に光源からの放射光
パワーの２５％にまで低下してしまうため、光源のハイ
パワー化、受光素子の感度上昇、光部品の低損失化、光
源の戻り光対策などが必要となる。

【０００８】本発明の目的は、光学系自体の小型化を図
り、且つ原理的に光パワー損失の少ない光学系をもつフ
ァイバジャイロ用光集積回路を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では、方向性結合型カプラの結合係数のモ
ード依存性を利用し、順方向伝搬の場合は光ファイバコ
イル側に結合し、逆方向伝搬の場合は受光素子側に１０
０％結合するように方向性結合型カプラを設計し、順
方向と逆方向のモード変換は、バーティカルフォトニク
スの概念を利用し、溝に１／２波長板及びファラデー素
子を埋め込む構成を採用する。

【００１０】即ち本発明は、光導波路基板に、光源から
の入射光を分配する方向性結合型カプラと、光を左右両
回り光に分岐させるためのＹ分岐構造導波路と、その両
分岐導波路に形成した光の位相を制御するための位相変
調器とを設けたファイバジャイロ用光集積回路である。
本発明では、方向性結合型カプラとＹ分岐構造導波路と
の間の光導波路を切断するように溝を形成し、該溝内に
ファラデー素子と１／２波長板とを埋め込んだＴＥ−Ｔ
Ｍモード変換器を設ける。また、前記方向性結合型カプ
ラは、その一方の光導波路がチタン拡散光導波路で、他
方の光導波路がプロトン交換光導波路であり、その結合
長は戻り光であるＴＥモード光又はＴＭモード光のみが
結合する完全結合長に一致するように構成する。

【００１１】

【発明の実施の形態】光集積回路基板としては、特に二
オブ酸リチウム基板が好適である。ニオブ酸リチウム基
板を用いた場合に上記の構成例では、方向性結合型カプ
ラを構成する２光導波路のうち、光源に接続する方をチ
タン拡散光導波路とし、受光素子に接続する方をプロト
ン交換光導波路とする。そして光源に接続する光導波路
には偏光子を設ける。ＴＥ−ＴＭモード変換器の構成要
素であるファラデー素子としては、例えば磁性鉄ガーネ
ット単結晶を用いる。ファラデー素子及び１／２波長板
を挿入する溝の前後で光導波路のコア径を拡大しておく
と、光伝搬の損失を少なくできるため好ましい。

【００１２】前記方向性結合型カプラは、その光導波路
を全てチタン拡散光導波路によって構成し、ＴＥモード
光とＴＭモード光とで完全結合長が２倍となるような構
成としてもよい。

【００１３】

【実施例】図１は本発明に係るファイバジャイロ用光集
積回路の一実施例を示す説明図である。光導波路基板１
０に、光源（レーザダイオード）１２からの放射光を分
配する方向性結合型カプラ１４と、モード変換器１６
と、光を左右両回り光に分岐させるためのＹ分岐構造導
波路１８と、その両分岐導波路に形成した光の位相を制
御するための位相変調器２０とを設けた構成である。こ
の光集積回路には、光学系として、前記光源１２の他、
ファイバコイル２２と受光素子（フォトダイオード）２
４が接続される。

【００１４】光導波路基板１０としては、例えばＺカッ
トしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）結晶を用い
る。この光導波路基板１０に方向性結合型カプラ１４を
設けるが、その方向性結合型カプラ１４は、その一方
（光源１２に接続される方）の光導波路がチタン拡散光
導波路２６で、他方（受光素子２４に接続される方）の
光導波路がプロトン交換光導波路２８であり、その結合
長は戻り光であるＴＭモード光のみが結合する完全結合
長に一致するように設計されている。チタン拡散光導波
路２６の光源側には偏光子３０を設ける。この偏光子３
０は、例えば、光導波路基板１０の表面に金属膜を装荷
した構成でよい。

【００１５】モード変換器１６は、方向性結合型カプラ
１４とＹ分岐構造導波路１８との間の光導波路を切断す
るように溝３２を形成し、該溝３２内にファラデー素子
３４と１／２波長板３６とを光路方向に重ねて埋め込む
構造であり、非相反方式でＴＥ−ＴＭモード変換を行う
機能を果たす。ファラデー素子３４に磁界を印加するた
めの永久磁石（図示せず）は、光導波路基板の外側に設
ける。但し、材料設計によっては、外部に永久磁石を設
けなくてもファラデー回転子を構成できる。

【００１６】ここでは図２に示すように、光導波路基板
１０に形成した溝３２の前後の光導波路３８は、そのコ
ア部を拡大した形状とする。これは光ファイバなどでも
用いられている技術であり、このようにコア部を拡大し
ておくと、モード変換器１６での回折損失を極力少なく
することができるため好ましい。

【００１７】位相変調器２０は、Ｙ分岐構造導波路１８
の分岐した直線状の各光導波路に近接並行して設けた複
数個（ここでは３個）の電極４０からなる。それらの電
極４０に外部から電圧を印加することで、光導波路を伝
搬する光波に所望の変調をかけることができるようにな
っている。

【００１８】この光集積回路は次のように動作する。ま
ず順方向（入射方向）では、光源１２からの出射光はチ
タン拡散光導波路２６に入る。Ｚカット基板のチタン拡
散光導波路ではＴＥモード光とＴＭモード光の両方が伝
搬するが、金属膜装荷型の偏光子３０によってＴＭモー
ド光が減衰するため、ＴＥモード光のみが方向性結合型
カプラ１４に入射する。ここで、受光素子２４に結合す
るプロトン交換光導波路２８は異常光（ＴＭモード光）
のみを導波するものであるために、上記ＴＥモード光は
方向性結合型カプラ１４をそのまま直進する。そして、
この後段に形成されているモード変換器１６においてフ
ァラデー素子３４と１／２波長板３６とで偏波面が合計
９０°回転してＴＭモード光に変換される。以降のＹ分
岐構造導波路２０では、このＴＭモードが保持され、フ
ァイバコイル２２を伝搬する。

【００１９】次に逆方向（戻り方向）では、ファイバコ
イル２２から戻ってきたＴＭモードの信号光は、Ｙ分岐
構造導波路１８で合波され干渉を起こし、モード変換器
１６を通る。モード変換器１６では、ファラデー素子３
４と１／２波長板３６との偏波面の回転方向が打ち消さ
れるため、ＴＭモード光のまま保持される。方向性結合
型カプラ１４は、ＴＭモード光に対して完全結合長に一
致するように設計されており、プロトン交換光導波路２
８がＴＭモード光のみを伝搬するものであるため、戻り
光は全てプロトン交換光導波路２８に結合して、受光素
子２４に入射する。

【００２０】Ｘカットされた二オブ酸リチウム基板を用
いる場合には、チタン拡散光導波路はＴＥモード光とＴ
Ｍモード光の両方を導波するが、プロトン交換光導波路
はＴＥモード光のみ導波する。そこで例えば図１のよう
な構成（但し、金属膜装荷型の偏光子は設けない）で、
チタン拡散光導波路にＴＭモード光を入射すると、ＴＭ
モード光は方向性結合型カプラをそのまま直進し、その
後段のモード変換器で偏波面が合計９０°回転してＴＥ
モード光となる。以降のＹ分岐構造導波路では、このＴ
Ｅモードが保持され、ファイバコイルを伝搬する。逆方
向では、ファイバコイルから戻ってきたＴＥモードの信
号光は、Ｙ分岐構造導波路で合波され干渉を起こし、モ
ード変換器を通るが、モード変換器ではＴＥモード光の
まま保持される。方向性結合型カプラは、ＴＥモード光
に対して完全結合するように設計されているため、戻り
光は全てプロトン交換光導波路に結合して受光素子に入
射する。

【００２１】いずれの結晶方位においても、順方向及び
逆方向どちらの方向でモード変換を起こす構成としても
よいが、位相変調器の低駆動電圧化を実現できる大きな
電気光学定数を利用できるモードをＹ分岐構造導波路内
に伝搬させる構成が望まれる。

【００２２】図３は本発明に係るファイバジャイロ用光
集積回路の他の実施例を示す説明図である。基本的な構
成は図１に示すものと同様であるから、説明を簡略化す
るために、対応する部分には同一符号を付し、それらに
ついての説明は省略する。この実施例でも光導波路基板
１０としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）結晶を用
いている。但し、光導波路は全てチタン熱拡散法により
形成し、方向性結合型カプラ４４はＴＥモード光とＴＭ
モード光とで完全結合長が２倍となるように設計する。

【００２３】この光集積回路は次のように動作する。ま
ず順方向（入射方向）では、光源１２から入射した光
は、偏光子３０によりＴＥモードに保持されて方向性結
合型カプラ４４に入射する。方向性結合型カプラ４４
は、ＴＥモードに対して完全結合長の２倍の結合長に設
定されているために、そのまま直進し、その後段に形成
されているモード変換器１６ではファラデー素子３４と
１／２波長板３６とで偏波面の回転方向が打ち消し合う
ためＴＥモードのまま保持される（このモード変換器１
６では、図１の場合とファラデー素子に印加する磁界の
向きが逆に設定してある）。以降のＹ分岐構造導波路１
８では、このＴＥモードが保持され、ファイバコイル２
２を伝搬する。

【００２４】次に逆方向（戻り方向）では、ファイバコ
イル２２から戻ってきたＴＥモードの信号光は、Ｙ分岐
構造導波路１８で合波され干渉を起こし、モード変換器
１６を通る。モード変換器１６では、ファラデー素子３
４と１／２波長板３６とで偏波面が合計９０°回転する
ため、ＴＭモード光に変換される。方向性結合型カプラ
４４は、ＴＭモード光に対して完全結合長に一致するよ
うに設計されているので、戻り光は全て受光素子２４に
結合することになる。

【００２５】なお本発明において、使用する光波のモー
ドは、基板結晶の利用方位や電気光学定数の考慮などに
より変更可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明は上記のように、方向性結合型カ
プラの結合係数のモード依存性を利用し、またＴＥ−Ｔ
Ｍモード変換には溝に１／２波長板とファラデー素子を
埋め込む構成を採用したファイバジャイロ用光集積回路
であるから、受光素子に結合する光パワーを増大するこ
とが可能となり、低損失化、低ノイズ化を図ることがで
きる。その結果、必ずしも光源のハイパワー化、受光素
子の高感度化を図らなくても良好な特性を発揮させるこ
とができる。

【００２７】また完全な光集積回路化が可能なため、個
別部品が要らず、小型化でき、総合的なコストを低減で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るファイバジャイロ用光集積回路の
一実施例を示す説明図。

【図２】そのＴＥ−ＴＭモード変換器の近傍の拡大説明
図。

【図３】本発明に係るファイバジャイロ用光集積回路の
他の実施例を示す説明図。

【図４】従来のファイバジャイロシステムの一例を示す
説明図。

【符号の説明】

１０ 光集積回路基板 １２ 光源 １４ 方向性結合型カプラ １６ モード変換器 １８ Ｙ分岐構造導波路 ２０ 位相変調器 ２２ ファイバジャイロ ２４ 受光素子 ３４ ファラデー素子 ３６ １／２波長板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波路基板に、光源からの入射光を分
   配する方向性結合型カプラと、光を左右両回り光に分岐
   させるためのＹ分岐構造導波路と、その両分岐導波路に
   形成した光の位相を制御するための位相変調器とを設け
   たファイバジャイロ用光集積回路において、 方向性結合型カプラとＹ分岐構造導波路との間の光導波
   路を切断するように溝が形成され、該溝内にファラデー
   素子と１／２波長板とを埋め込んだＴＥ−ＴＭモード変
   換器が設けられていて、 前記方向性結合型カプラは、その一方の光導波路がチタ
   ン拡散光導波路で、他方の光導波路がプロトン交換光導
   波路であり、その結合長は戻り光であるＴＥモード光又
   はＴＭモード光のみが結合する完全結合長に一致してい
   るファイバジャイロ用光集積回路。
2. 【請求項２】 光導波路基板に、光源からの入射光を分
   配する方向性結合型カプラと、光を左右両回り光に分岐
   させるためのＹ分岐構造導波路と、その両分岐導波路に
   形成した光の位相を制御するための位相変調器とを設け
   たファイバジャイロ用光集積回路において、 方向性結合型カプラとＹ分岐構造導波路との間の光導波
   路を切断するように溝が形成され、該溝内にファラデー
   素子と１／２波長板とを埋め込んだＴＥ−ＴＭモード変
   換器が設けられていて、 前記方向性結合型カプラは、その光導波路がチタン拡散
   光導波路からなり、ＴＥモード光とＴＭモード光とで完
   全結合長が２倍となっているファイバジャイロ用光集積
   回路。
3. 【請求項３】 光導波路基板に形成した溝の前後の光導
   波路は、そのコア部が拡大された形状をなしている請求
   項１又は２記載のファイバジャイロ用光集積回路。
4. 【請求項４】 光導波路基板がニオブ酸リチウム基板で
   ある請求項１乃至３記載のファイバジャイロ用光集積回
   路。
5. 【請求項５】 ファラデー素子が磁性鉄ガーネット単結
   晶からなる請求項１乃至４記載のファイバジャイロ用光
   集積回路。