KR102551725B1 - 간섭형 광섬유 자이로스코프(ifog)에 대한 광자 집적 회로 - Google Patents

간섭형 광섬유 자이로스코프(ifog)에 대한 광자 집적 회로 Download PDF

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Abstract

기술된 실시예는 광섬유 자이로스코프(FOG)에서 사용하기 위한 광자 집적 회로(PIC)에 관련된다. 일부 실시예는 광원, 광 검출기 및 섬유 코일과 같은 외부 구성요소에 결합하기 위한 커넥터를 갖고, PIC 상에 통합된 빔분할 디바이스(예를 들어, 커플러), 도파관 및 다른 광자 구성요소를 갖는 PIC를 기술한다. 일부 실시예는 공통 서브마운트 상에 부착된 PIC, 광원 및 광 검출기를 갖고, 섬유 코일에 결합하기 위한 커넥터를 갖는 하이브리드 PIC (HPIC)를 기술한다. 다른 실시예는 공통 기판 상에 PIC 구성요소, 광원, 광 검출기 및 다른 구성요소(예를 들어, 파장계)를 통합하는 확장된 PIC(EPIC)를 기술한다. 기술된 실시예는 PIC, HPIC 또는 EPIC에 제어 신호 및 다른 파라미터를 제공하고, PIC, HPIC 또는 EPIC로부터 출력 신호를 수신하는 검출/피드백 회로를 또한, 포함할 수 있다.

Description

간섭형 광섬유 자이로스코프(IFOG)에 대한 광자 집적 회로
본 출원은 2017년 3월 9일자로 출원된 미국가출원 제62/469,447호의 이익을 주장한다. 위의 출원(들)의 전체 교시는 본원에 참조로 통합된다.
광섬유 자이로스코프(fiber optic gyroscopes, FOGs)는 고체-상태 동작(이동 부품이 없음), 더욱 가벼운 무게, 더욱 작은 크기, 더욱 낮은 전력, 더욱 빠른 턴-온(turn-on) 시간 및 더욱 높은 신뢰성과 같은 기계-기반의 자이로스코프에 비해 일정한 장점을 갖는다. 결과적으로, 광범위한 응용 분야에서 회전 감지를 위해 FOG가 제안되고 있다. 관성 측정 유닛(inertial measurement units, IMU)에서 사용하기 위한 자세 방위 기준 시스템(attitude and heading reference system, AHRS), 육상 기반의 내비게이션(land-based navigation), 및 석유 및 가스 탐사 산업에서 사용하기 위한 로깅(logging)과 같은 다수의 응용 분야에서 관심을 받고 있다. 약 100 ppm 이상의 스케일 인자(scale factor) 안정성을 갖는 폐쇄 루프 시스템의 개발 쪽으로 지향되는 것에 강조점을 명백히 두고 있다. 하지만, 개방 루프 기술은 보통의(moderate) 스케일 인자 안정성이 충분한 응용에서 사용됨이 여전히 발견될 수 있다. 육상 내비게이션에서 조사되는 하나의 분야는 폐쇄 루프 및 개방 루프 자이로스코프 시스템 양자에 의해 현재 이루어지는 레벨인, 약 0.3°/시간 이하의 바이어스 드리프트, 및 약 1000 ppm 이상의 스케일 인자를 갖는 차량 유도 및 추적 시스템을 위한 비용이 저렴하고 낮은-중간 정확도의 디바이스의 개발이다.
광섬유 센서의 분야에서 종래의 접근법은 다음을 포함한다. 공개된 유럽출원 제2,236,663호는 광섬유 코일 및 코일에 광학적으로 결합된 레이저원을 포함하는 광섬유 센서를 개시한다. 원(source)으로부터 광은 코일을 따라 제1 방향으로 전파하는 제1 신호 및 코일을 따라 제1 방향에 반대인 제2 방향으로 전파하는 제2 신호로 코일에 송신된다.
Lallier E. 등의 "Laser Oscillation of Single-Mode Channel Waveguide in Nd : MgO : LiNbO3" - Electronics Letters, IEE Stevenage, GB, vol. 26, no. 22, 1989년 10월 26일(1989-10-26), 페이지 1491-1492 -는 Nd : MgO : LiNbO3 채널 도파관 레이저의 사용을 개시한다.
미국특허 제7,085,441호는 광원, 광학 커플러, 광 검출기, 및 입력, 두 개의 출력 및 입력과 출력 사이의 복굴절성 결정 기판 도파관(birefringent crystal substrate waveguide)을 갖는 광학 회로 디바이스를 포함하는 FOG를 개시한다.
공개된 미국출원 제2007/0229838호는 파장의 변동(wavelength fluctuation)을 보상하기 위해 FOG를 조정하는 것을 개시한다.
공개된 유럽출원 제1,025,422호는 FOG에서 사용하기 위한 통합된 광학 회로를 개시한다. 회로는 감지 루프를 형성하는 광섬유의 단부를 받치는(receiving) 광섬유 커넥터, 광섬유 커넥터로 및 그로부터 광을 송신하고, 광섬유 커넥터로부터 수신된 광을 결합하며, 광원으로부터 광을 수신하고 광을 광 검출기로 송신하는 리브 도파관(rib waveguides), 감지 루프로 송신된 광을 편광시키는 편광자 및 위상 변조기를 포함한다.
FOG, 가속도계 및 FOG 기반의 관성 내비게이션 시스템(INS)은 매우 정밀한 자율주행 차량의 성능에 대해 필수적인 통합된 센서 시스템의 주요 부분을 형성한다. 국부화(localization)를 위해, 차량은 위성 항법 시스템(GPS) 및 관성 내비게이션 시스템(INS)의 조합을 사용할 수 있다. GPS 시스템의 정확도는 2000년대 이래로 상당히 개선되고 있다. 하지만, GPS의 오차는 심지어 이상적인 조건에서도 매우 높을 - 수 미터 - 수 있다. 오차는 GPS 수신기가 충분한 수의 위성으로부터 신호를 획득하는 것을 방해하는 장애물 또는 지형이 하늘을 가릴 때 급격하게 증가한다. 이는 고층 건물이 GPS 가용성이 심각하게 제한되는 "도시 협곡(urban canyons)"을 생성하는 도시 지역에서 상당한 문제이다. GPS는 외부 참조에 대한 필요 없이, 차량의 위치, 배향 및 속도를 연속적으로 계산하기 위해 주행 기록계(odometers), 나침반, 자이로스코프 및 가속도계로 구성되는 INS와 통상적으로 결합된다. INS는 GPS의 정확도를 개선하고, 도시 협곡에 의해 야기된 것과 같은 "갭(gaps)"을 채우는데 사용된다.
기술된 실시예는 광섬유 자이로스코프(FOG)에서 사용하기 위한 광자 집적 회로(photonic integrated circuit, PIC)에 관련된다. 일부 실시예는 광원, 광 검출기 및 섬유 코일(fiber coil)과 같은 외부 구성요소에 결합하기 위한 커넥터를 갖고, PIC 상에 통합된 빔 분할 디바이스(예를 들어, 커플러), 도파관 및 다른 광학 구성요소를 갖는 PIC를 기술한다. 일부 실시예는 공통 서브마운트(submount)에 부착된 PIC, 광원 및 광 검출기를 갖고, 섬유 코일에 결합하기 위한 커넥터를 갖는 하이브리드 PIC(hybrid PIC, HPIC)를 기술한다. 다른 실시예는 공통 기판 상에 PIC 구성요소, 광원, 광 검출기 및 다른 구성요소(예를 들어, 파장계(wavemeter))를 통합하는 확장된 PIC(extended PIC, EPIC)를 기술한다. 기술된 실시에는 미세전자 회로의 제작과 호환 가능한 재료 및 프로세스를 사용하여, 기판(예를 들어, 더욱 짧은 파장에서 동작하는데 적합한 실리콘 기판 또는 비-실리콘 기판) 상에 제작되는 안정된 FOG의 더욱 낮은 제조 비용 및 대량 생산을 용이하게 할 수 있다. 하나의 광학 회로로의 수 개의 FOG 서브 구성요소의 통합은 FOG의 성능 신뢰도를 증가시키면서 FOG의 생산 효율을 높일 수 있다. 또한, 기술된 실시예의 결과적인 소형화는 광범위한 온도 및 습도 조건에서 동작하는 능력을 용이하게 하여, FOG의 효용성 및 성능 신뢰성을 증가시킨다.
간섭계 광섬유 자이로스코프(interferometric fiber-optic gyroscope, IFOG)에서, 광학 원으로부터의 광은 두 개의 빔으로 분할된다. 본원에 기술된 예시적인 실시예에서, 이 기술분야에 알려진 다른 디바이스(또한, 빔 분할기로도 알려짐)가 동일한 분할 및/또는 결합 동작을 수행하는데 사용될 수 있지만, 입력 광을 두 개의 출력 빔으로 분할하는데(그리고, 두 개의 입력 빔을 단일의 출력 빔으로 결합하는 데에도) 커플러가 사용된다.
커플러에 의해 분할된 두 개의 광 빔은 시계 방향(CW) 및 반시계 방향(CCW)으로 전파하는 광학 필드를 형성하도록 다중 회전(multi-turns)의 섬유 루프에 삽입된다. 두 개의 광 빔은 섬유 루프를 통과한 후에 커플러에 의해 재결합되고, 그들 사이의 간섭은 도 1에 도시된 바와 같이 출력에서 검출된다. 회전하는 기준 프레임에서, "사냑 효과(Sagnac effect)"로 알려진 현상은 루프를 통한 유효 광학 경로가 하나의 빔에 대해 증가되고, 다른 빔에 대해 감소되게 한다. 출력에서의 두 개의 광학 구성요소 사이에서, 그 결과로 생성된 위상 시프트는:
[수학식 1]
Figure 112019100568453-pct00001
로 주어지며, R은 섬유 코일의 반경이고, L은 루프에서 섬유의 전체 길이이고, λo는 소스 방사의 진공 파장이고, c는 광의 속도이며, Ω는 회전 속도이다. 위상, 여기서, Φs는 사냑 위상 시프트(Sagnac phase shift)로 알려진다. 높은 정확도를 달성하기 위해, 자이로스코프가 비-회전 프레임 내에 있을 때 즉, 시스템이 상호성(reciprocity)을 나타내야 할 때, 두 개의 광학 빔이 겪는 두 개의 경로는 동일해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 상호성을 달성하도록 IFOG 광학 시스템(100)의 소위 "최소 구성"이 배열된다. 여기서, 출력은 제2 커플러(104) 상의 입력으로 사용되는 동일한 포트(102)로부터 유도되고, 위상 변조기(106)는 섬유 루프(108)로의 입력에서 사용된다. 섬유 루프(108)에서 상호성에 대한 요건은 시스템이 단일 공간 모드에서, 단일 편광 모드 동작일 때 만족된다. 사냑 간섭계의 출력(S)은:
[수학식 2]
Figure 112019100568453-pct00002
형태의 코사인 간섭 함수이며, Φnr는 비가역적 위상 시프트(nonreciprocal phase shift)이고, Φs는 회전-유도된 사냑 위상이다. 상호적인 시스템에 대해, Φnr= 0이고, 사냑 시프트에 대한 민감도(즉, δS/δΦs) = 0인 한편, Φnr = π/2인 경우, 민감도는 최대화 된다.
비가역적 위상 시프트를 도입하기 위해 보통 사용되는 접근법은 동적 위상 바이어싱(dynamic phase biasing)으로 알려지며, 시변 변조(time varying modulation, Φnr = Φnr(t))가 섬유 루프(108)의 일 단부에 위치된 위상 변조기(110)를 통해 인가된다. 고정 프레임 내의 IFOG 광학 시스템(100)을 통해, 시변 비가역적 위상 바이어스는 수학식 2에 의해 기술된 코사인 간섭계 전달 함수를 통해 간섭계 출력을 대칭적으로 변조한다.
하지만, 회전 프레임에서, 사냑 위상 시프트는 비대칭 출력 변조를 야기하는 오프셋을 유발한다. 예시적인 실시예에서, Φnr = Φm sin ωmt이고, 기본 변조 주파수에서 출력 신호는
[수학식 3]
Figure 112019100568453-pct00003
로 주어질 수 있으며, J1은 제1 종류의 1차 베셀 함수(Bessel function)이다.
IFOG의 두 개의 타입의 기본 동작: 개방-루프 및 폐쇄-루프가 존재한다. 도 1 및 도 2는 두 개의 타입의 동작을 구현하는데 사용되는 기본적인 구성을 개략적으로 도시한다. 예시가 도 1에 도시된 개방 루프 동작에 대해, 사냑 위상 시프트의 크기는 출력 신호 S(ωm)의 측정에 의해 직접적으로 결정된다. 예시가 도 2에 도시된 폐쇄 루프 동작에 대해, 출력 신호 S(ωm)는 위상 변조기(204)를 사용하여 피드백(202)에 의해 섬유 코일(108)로 널링되고(nulled), 비가역적 위상을 도입하여 샤낙 시프트를 상쇄(counter-balance)한다.
본원에 기술된 두 개의 IFOG 아키텍처는 (i) 전-섬유 아키텍처(all-fiber architecture) 및 (ii) 비선형 광학 결정에 기초한 하이브리드 아키텍처를 포함한다.
전-섬유 아키텍처 - 전섬유 아키텍처는 최소 구성의 광학 시스템이 낮은 광손실을 갖도록 이루어질 수 있기 때문에, 높은 되돌아온 전력에 기인하여 매우 양호한 신호 대 잡음비를 제공한다. 개별적인 광학 구성요소가 상대적으로 저렴한 장치 및 프로세스로 만들어질 수 있으므로, 디바이스는 저렴한 비용으로 제조될 수 있으며, 광학 시스템의 조립은 특히 노동 집약적이지 않다. 전-섬유 아키텍처는 간섭파를 분리하고 재결합하기 위해 "코일" 커플러를, 그리고 공통 입-출력 포트를 통해 다시 들어오는 신호를 검출기로 전송하기 위한 "소스" 커플러를 사용한다. "코일링 된" 섬유 편광자, 복굴절성 결정 오버레이(birefringent crystal overlay)를 갖는 측면-연마된 섬유, 또는 소멸파의 테일(tail)이 노출된 금속 코팅된 D형 섬유일 수 있는 전-섬유 편광자를 통해, 이 상호적인 포트에서 편광이 필터링된다.
전-섬유 아키텍처의 주요 제약은 위상 변조기이다. 유일한 실제 기법은 압전 튜브 또는 디스크 주위에 섬유를 감는 것이며, 이는 구동 전압으로 디스크 직경을 제어함으로써 섬유의 길이를 변경한다. 이 방법은 바이어싱 변조-복조에 대해서는 완전하게 적합하지만, 압전 변조기는 좁은 기계적인 해상도(mechanical resolutions)를 겪어서, 적합한 스케일 인자를 획득하는 것은 더욱 정교한 신호 처리 기법의 사용을 필요로 한다. 전-섬유 아키텍처는 매우 양호한 바이어스 성능을 야기하지만, 그의 스케일 인자 정확도는 실제로 약 500ppm으로 제한된다. 단연 가장 높은 스케일 인자 성능은 넓은 변조 대역을 필요로 하는 위상-램프 폐쇄 루프 기법을 통해 획득된다.
하이브리드 아키텍처 - 특히 리튬 니오바이트(lithium niobite) 기판 상의 비선형 광학 결정을 기초로 한 통합된 광학계(optics)는 광섬유 자이로스코프에 대해 매우 유망한 기술로 일찍부터 인식되었다. 다기능 광학 집적회로는 디바이스 동작의 주요 기능을 구현하기 위해 적용된다. 간단한 전-안내된 아키텍처(all-guided architecture)는 통합된 광학 회로에 연결된 감지 섬유 코일 및 광학 수신기로 구현될 수 있다. 하지만, 전-섬유 접근법에 대한 통합된 광학계의 결정적인 장점은 넓은 대역폭에 걸쳐 고른 응답을 갖는 위상 변조기이며, 이는 IFOG의 전체 잠재적인 동적 범위에 걸쳐 낮은 스케일 인자 오차를 야기하는 효율적인 신호 처리 기법의 사용을 허용한다. 이 기술은 단일 기판 상에 수개의 다른 기능의 통합을 용이하게 하는 유용한 장점을 더 제공하며, 소형화를 개선하고 외부 연결을 감소시킨다.
이 타입의 비선형 광학 결정(예를 들어, 리튬 니오바이트)의 높은 집적도는 IFOG 성능에 대한 도전을 제시한다. 예를 들어, 그의 기본 분기에 의해 연결된 Y접합 송신 경로의 사용이 제안되고 연구되고 있다. 하지만, 이 "이중-Y" 구성은 광학 상호성을 보장하도록 공간 필터의 역할을 하는 공통 베이스 도파관의 제한된 거부에 기인하여 양호하지 않은 IFOG 성능을 초래하였다. 광학 상호성에 대한 이 제약은 특히, 리튬 니오브산 기판의 결정질 성질에 기인한다. 리튬 니오브산 기판의 면내 복굴절은 광학 회로 레이아웃의 자유도를 1차원으로 제한하므로, 두 개의 Y- 접합은 직선으로 배치되어야 한다. 광학 이방성 재료로 인해 연결 베이스 도파관에서의 곡률은 허용되지 않는다. 또한 초기 프로토 타입에는 접합으로부터 방사되는 비대칭 모드를 제거하기 위한 임의의 아이솔레이터(isolator), 흡수체 및 필터를 포함하지 않는다.
일 태양에서, 본 발명은 광섬유 자이로스코프(FOG)에서 사용하기 위한 광자 집적 회로(PIC)일 수 있다. PIC는 광원에 연결되도록 구성된 제1 커넥터, 광 검출기에 연결되도록 구성된 제2 커넥터, 섬유 코일의 제1 포트에 연결되도록 구성된 제3 커넥터, 및 섬유 코일의 제2 포트에 연결되도록 구성된 제4 커넥터를 포함할 수 있다. PIC는 제1 분기 포트(branch port), 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제1 커플러, 제1 편광자 포트 및 제2 편광자 포트를 갖는 도파관 편광자(waveguide polarizer) 및 제1 분기 포트, 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제2 커플러를 더 포함할 수 있다.
제1 커플러의 제1 분기 포트는 제1 도파관을 통해 제1 커넥터에 결합되고, 제1 커플러의 제2 분기 포트는 제2 도파관을 통해 제2 커넥터에 결합되며, 제1 커플러의 공통 베이스 포트는 제3 도파관을 통해 제1 편광자 포트에 결합될 수 있다. 제2 커플러의 제1 분기 포트는 제4 도파관을 통해 제3 커넥터에 결합되고, 제2 커플러의 제2 분기 포트는 제5 도파관을 통해 제4 커넥터에 연결되며, 제2 커플러의 공통 베이스 포트는 제6 도파관을 통해 제2 편광자 포트에 결합될 수 있다. 아이솔레이터, 흡수체, 필터 및 디플렉터 중 적어도 하나는 제5 도파관, 편광자 및 제6 도파관 중 하나 이상에 근접하게 배치될 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 단일 모드이고 편광-유지하도록 구성되는 광학 도파관일 수 있다. 적어도 제1 및 제2 커플러는 공통 기판상에 통합될 수 있다. 본원에 기술된 공통 기판 상에 형성된 PIC 구성요소는 물리적인 공간의 효율적인 사용 및 개선된 송신 및 결합 특성을 용이하게 할 수 있다.
PIC는 제1 커넥터에 결합된 광원, 제2 커넥터에 결합된 광 검출기, 제3 커넥터에 결합된 제1 섬유 코일 포트, 및 제4 커넥터에 결합된 제2 섬유 코일 포트를 갖는 섬유 코일, 및 섬유 코일과 연관된 위상 변조기를 더 포함할 수 있다. 위상 변조기는 변조 신호를 기초로, 섬유 코일을 통해 전파하는 광을 변조하도록 구성될 수 있다. PIC, 광원, 광 검출기, 섬유 코일 및 변조기는 기술된 바와 같이 구성될 때, FOG에서 사용하기 위한 광 시스템을 형성할 수 있다.
PIC는 검출/피드백 회로를 더 포함할 수 있다. 검출/피드백 회로는 변조 신호가 유도되는 기준 신호를 제공하도록 구성된 국부 발진기, 및 광 검출기로부터 출력을 수신하고 그로부터 회전 측정 신호를 생성하도록 구성된 위상 감지 검출기를 포함할 수 있다. PIC, 광원, 광 검출기, 섬유 코일, 변조기, 검출/피드백 회로 및 위상 감지 검출기는 기술된 바와 같이 구성될 때, FOG를 형성할 수 있다.
제1 내지 제6 도파관은 단일 공간 모드만을 지원하도록 구성될 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 복굴절성이도록 구성될 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 단일 선형 편광 모드만을 지원하도록 구성될 수 있다. 또한, 다른 기법이 사용될 수 있지만, 제1 내지 제6 도파관은 유리 상의 질화물을 포함할 수 있다.
광원은 광대역의 반도체 기반 광원일 수 있다. PIC는 제1 커넥터와 제1 커플러 사이의, 제1 도파관 내에 배치된 인라인 광학 아이솔레이터(inline optic isolator)를 더 포함할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 광섬유 자이로스코프(FOG)에서 사용하기 위한 확장된 광자 집적 회로(EPIC)일 수 있다. EPIC는 광원, 광 검출기, 섬유 코일의 제1 포트에 연결되도록 구성된 제1 커넥터 및 섬유 코일의 제2 포트에 연결되도록 구성된 제2 커넥터를 포함할 수 있다. EPIC는 제1 분기 포트, 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제1 커플러, 제1 편광자 포트 및 제2 편광자 포트를 갖는 도파관 편광자, 및 제1 분기 포트, 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제2 커플러를 더 포함할 수 있다. 적어도, 광원, 광 검출기, 제1 및 제2 커플러 및 편광자는 공통 기판 상에 통합될 수 있다. 본원에 기술된 공통 기판 상에 형성된 EPIC 구성요소는 물리 공간의 효율적인 사용 및 개선된 송신 및 결합 특성을 용이하게 할 수 있다.
제1 커플러의 제1 분기 포트는 제1 도파관을 통해 광원에 결합되고, 제1 커플러의 제2 분기 포트는 제2 도파관을 통해 광 검출기에 결합되며, 제1 커플러의 공통 베이스 포트는 제3 도파관을 통해 제1 편광자 포트에 결합될 수 있다. 제2 커플러의 제1 분기 포트는 제4 도파관을 통해 제1 커넥터에 결합되고, 제2 커플러의 제2 분기 포트는 제5 도파관을 통해 제2 커넥터에 연결되며, 제2 커플러의 공통 베이스 포트는 제6 도파관을 통해 제2 편광자 포트에 결합될 수 있다. EPIC는 제5 도파관, 편광자 및 제6 도파관에 근접하게 배치된 아이솔레이터, 흡수체, 필터 및 디플렉터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. EPIC는 (i) 광원으로부터 유도되고, (ii) 섬유 코일로부터 되돌아온 광학 신호의 적어도 일 부분을 사용하고, 광학 신호의 유효 간섭계 파장(effective interferometric wavelength)을 나타내는 신호를 생성하는 광학 파장계(optic wavemeter)를 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 단일-모드이고 편광-유지하도록 구성될 수 있다. 공통 기판 상에 형성된 EPIC 구성요소는 물리적인 공간의 효율적인 사용 및 개선된 송신 및 결합 특성을 용이하게 할 수 있다.
EPIC는 제1 커넥터에 결합된 제1 섬유 코일 포트 및 제2 커넥터에 결합된 제2 섬유 코일 포트를 갖는 섬유 코일, 및 섬유 코일과 연관된 위상 변조기를 더 포함할 수 있다. 위상 변조기는 변조 신호를 기초로, 섬유 코일을 통해 전파하는 광을 변조하도록 구성될 수 있다. EPIC, 섬유 코일 및 변조기는 기술된 바와 같이 구성될 때, FOG에서 사용하기 위한 광학 시스템을 형성할 수 있다.
EPIC는 검출/피드백 회로 모듈을 더 포함할 수 있다. 검출/피드백 회로 모듈은 변조 신호가 유도되는 기준 신호를 제공하도록 구성된 국부 발진기, 광 검출기로부터 출력을 수신하고 그로부터 회전 측정 신호를 생성하도록 구성된 위상 감지 검출기, 및 광학 신호의 유효 간섭계 파장을 기초로, FOG 스케일 인자를 교정하는 스케일 인자 교정 메커니즘을 더 포함할 수 있다. EPIC, 섬유 코일, 변조기 및 검출/피드백 회로 모듈은 기술된 바와 같이 구성될 때, FOG를 형성할 수 있다.
제1 내지 제6 도파관은 단일 공간 모드만을 지원하도록 구성될 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 복굴절성이도록 구성될 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 단일 선형 편광 모드만을 지원하도록 구성될 수 있다. 또한, 다른 기법이 사용될 수 있지만, 제1 내지 제6 도파관은 유리 상의 질화물을 포함할 수 있다.
위상 감지 검출기는 회전 측정 신호를 생성하기 위해 광 검출기의 출력으로부터 변조 주파수 성분을 제거할 수 있다. 광원은 광대역의, 반도체-기반 광원일 수 있다. EPIC는 광원과 제1 커플러 사이의, 제1 도파관 내에 배치된 인라인 광학 아이솔레이터를 더 포함할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 광섬유 자이로스코프(FOG)에서 사용하기 위한 하이브리드 광자 집적 회로(HPIC)일 수 있다. HPIC는 서브마운트(submount), 서브마운트에 고정적으로 부착된 반도체 기반의 광원, 서브마운트에 고정적으로 부착된 광 검출기, 서브마운트에 고정적으로 부착된 제1 커넥터, 및 서브마운트에 고정적으로 부착된 제2 커넥터를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 커넥터는 각각 섬유 코일의 제1 포트 및 제2 포트에 연결되도록 구성될 수 있다. HPIC는 서브마운트에 고정적으로 부착된 광자 집적 회로를 더 포함할 수 있다. 광자 집적 회로는 제1 분기 포트, 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제1 커플러를 포함할 수 있다. 광자 집적 회로는 제1 편광자 포트 및 제2 편광자 포트를 갖는 도파관 편광자, 및 제1 분기 포트, 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제2 커플러를 포함할 수 있다.
제1 커플러의 제1 분기 포트는 제1 도파관을 통해 광원에 결합되고, 제1 커플러의 제2 분기 포트는 제2 도파관을 통해 광 검출기에 결합되며, 제1 커플러의 공통 베이스 포트는 제3 도파관을 통해 제1 편광자 포트에 결합될 수 있다. 제2 커플러의 제1 분기 포트는 제4 도파관을 통해 제1 커넥터에 결합되고, 제2 커플러의 제2 분기 포트는 제5 도파관을 통해 제2 커넥터에 연결되며, 제2 커플러의 공통 베이스 포트는 제6 도파관을 통해 제2 편광자 포트에 결합된다. HPIC는 제5 도파관, 편광자 및 제6 도파관에 근접하게 배치된 아이솔레이터, 흡수체, 필터 및 디플렉터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 단일 모드이고 편광 유지하도록 구성될 수 있다. 본원에 기술된 공통 서브마운트 상에 형성된 HPIC 구성요소는 물리적인 공간의 효율적인 사용 및 개선된 송신 및 결합 특성을 용이하게 할 수 있다.
HPIC는 제1 커넥터에 결합된 제1 섬유 코일 포트 및 제2 커넥터에 결합된 제2 섬유 코일 포트를 갖는 섬유 코일, 및 섬유 코일과 연관된 위상 변조기를 더 포함할 수 있다. 위상 변조기는 변조 신호를 기초로, 섬유 코일을 통해 전파하는 광을 변조하도록 구성될 수 있다. HPIC, 섬유 코일 및 변조기는, 기술된 바와 같이 구성될 때, FOG에서 사용하기 위한 광학 시스템을 형성할 수 있다.
HPIC는 검출/피드백 회로를 더 포함할 수 있다. 검출/피드백 회로는 변조 신호가 유도되는 기준 신호를 제공하도록 구성된 국부 발진기, 및 광 검출기에 의해 생성된 출력 신호를 수신하고 그로부터 회전 측정 신호를 생성하도록 구성된 위상 감지 검출기를 포함할 수 있다. HPIC, 섬유 코일, 변조기 및 검출/피드백 회로는 FOG를 형성할 수 있다.
HPIC는 광자 집적 회로 상에 형성되고, (i) 광원으로부터 유도되고, (ii) 섬유 코일로부터 되돌아온 광학 신호의 적어도 일 부분을 사용하고, 광학 신호의 유효 간섭계 파장을 나타내는 신호를 생성하는 광학 파장계를 더 포함할 수 있다. HPIC는 검출/피드백 회로에 포함되고, 광학 신호의 유효 간섭계 파장을 기초로 FOG 스케일 인자를 교정하는 스케일 인자 교정 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 위상 감지 검출기는 광 검출기에 의해 생성된 출력 신호로부터 변조 신호를 제거할 수 있다.
HPIC는 반도체 기반의 광원과 제1 커플러 사이의, 제1 도파관 내에 배치된 인라인 광학 아이솔레이터를 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 단일 공간 모드만을 지원하도록 구성될 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 복굴절성이도록 구성될 수 있다. 제1 내지 제6 도파관은 단일 선형 편광 모드만을 지원하도록 구성될 수 있다. 다른 기법도 사용될 수 있지만, 제1 내지 제6 도파관은 유리 상의 질화물을 포함할 수 있다. 반도체 광원은 광대역의 광원이다.
특허 또는 출원 파일은 컬러로 작성된 하나 이상의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 갖는 본 특허 또는 특허 출원 공보의 사본은 요청 및 필요한 비용의 지불 시에 청에 의해 제공될 것이다.
전술한 것은 유사한 참조부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭하는 첨부도면에 도시된 바와 같이, 다음의 예시적인 실시예의 더욱 특정한 기술로부터 명백해질 것이다. 도면은 축척대로 도시된 것은 아니며, 그 대신에 실시예를 도시할 때 강조된다.
도 1은 예시적인 종래 기술의 개방-루프 간섭계 광섬유 자이로스코프(IFOG)를 도시한다.
도 2는 예시적인 종래 기술의 폐쇄-루프 IFOG를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른, IFOG 디바이스에서 사용하기 위한 광자 집적 회로(PIC)의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 IFOG 디바이스에서 사용하기 위한 하이브리드 광자 집적 회로(HPIC)의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 PIC 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5b 및 도 5c는 도 5a에 도시된 도파관의 모델 및 연관된 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 확장된 광자 집적 회로를 도시한다.
예시적인 실시예의 기술은 다음과 같다.
본원에서 언급된 모든 특허, 공개된 출원 및 참조문헌에 대한 교시는 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.
일정한 간섭계 광섬유 자이로스코프(IFOG; 또한, 본원에서 "FOG"로도 지칭됨) 응용은 특히 엄격한 제약의 세트 하에 동작될 필요가 있다. 예를 들어, 차량의 응용에서 사용되는 IFOG는 상당한 기간(lengths of time) 동안 넓은 온도 및 습도 범위에서 동작되어야 하며, 동시에 IFOG의 고장률은 적어도 차량의 다른 부품의 것만큼 낮아야 한다. 또한, IFOG는 상대적으로 적은 비용이어야 하고, 대량 생산될 수 있어야 한다. 광자 집적 회로(PIC)를 기초로 한 IFOG 아키텍처는 매우 안정적인 광섬유 자이로스코프의 낮은 제조 비용 및 대량 생산을 가능하게 할 수 있다. 다기능의 광자 집적 회로는 미세 전자 회로(microelectronic circuits)의 제작과 호환성이 있는 재료 및 프로세스를 사용하여, 실리콘 기판을 기반으로 제작될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른, IFOG 디바이스에서 사용하기 위한 광자 집적 회로(PIC, 300)의 예시적인 실시예를 도시한다. PIC 회로는 단일 공간 및 단일 편광 모드를 지원하는 도파관 구조를 기초로 제작될 수 있다. PIC 회로 레이아웃은 제1 커넥터(302), 제2 커넥터(304), (또한, 본원에서 빔 분할기(beamsplitter)로 지칭되는) 제1 커플러(306), 광 편광자(308), 적어도 하나의 미광 아이솔레이터(stray light isolator)(또는 흡수체)(310a, 310b), 제2 커플러(312), 제3 커넥터(314) 및 제4 커넥터(316)를 포함할 수 있다. 커플러(306, 312), 편광자(308) 및 아이솔레이터/흡수체(310a, 310b) 중 하나 이상은 공통 기판 상에 제작될 수 있다. PIC(300)의 구성요소는 도 3에 도시된 바와 같이, 기판 상에 제작되거나, 또는 그렇지 않은 경우 PIC(300) 상에 배치된 도파관 구조(318a - 318f)를 통해 서로에 대해 연결될 수 있다.
제1 커넥터(302)를 통해 PIC(300)에 연결된 광원(320)은 제1 커넥터(302)를 통해 PIC(300)로 연속적인 광을 방사시킨다. 광원(320)으로부터 제1 커넥터(302)로의 경로는 하나 또는 양 단부에 커넥터를 갖는 종래의 도파관일 수 있다. 일 실시예에서, 다른 광원이 사용될 수 있지만, 광원(320)은 초광대역 다이오드(superluminescent diode, SLD)일 수 있다. 방사된 광은 커넥터(302), 도파관(318a), 커플러(306), 도파관(318b), 편광자(308), 도파관(318c), 커플러(312), 도파관(318d)을 거쳐 제3 커넥터(314)로 통과될 수 있다.
PIC(300)는 제3 커넥터(314) 및 제4 커넥터(316)를 통해 감지 섬유 코일(108)에 연결될 수 있다. 위상 변조기(322)는 코일의 일 단부에서 섬유 코일(108) 내에 통합되어, 전파하는 광에 동적 바이어스(dynamic bias)를 공급할 수 있다. 위상 변조기(322)는 도시된 검출/피드백 회로(323)로부터 위상 변조 제어 신호(321)를 수신할 수 있다. 커플러(312)로부터의 광은 커넥터(314), 위상 변조기(322)를 거쳐, 섬유 코일(108)로 통과될 수 있다. 섬유 코일(108)의 감긴 부분(turns)을 통과한 후에, 되돌아온 광은 제4 커넥터(316), 도파관(318e)을 거쳐, 다시 제2 커플러(312)로 통과된다. 섬유 코일(108)로부터 되돌아온 광은 제2 커플러(312)로부터 도파관(318c), 편광자(308), 도파관(318b), 제1 커플러(306), 도파관(318f)을 거쳐 제2 커넥터(304)로 통과된다. 제2 커넥터(304)에 결합된 광 검출기(324)는 제1 커플러(306)로부터 되돌아온 광을 수신한다. 광 검출기(324)는 제2 커넥터(304)에 직접적으로 부착되거나, 또는 이는 종래의 도파관의 일 또는 양 단부에 있는 커넥터와 종래의 도파관을 통해 연결될 수 있다.
기능적으로, 광원(320), 제1 커플러(306) 및 광 검출기(324)는 트랜스시버(transceiver)를 형성한다. 광 검출기(324)는 센서 섬유 코일(108)로부터 되돌아오는 광학 신호(즉, 전파하는 광)를 검출한다. 편광자(308), 미광 아이솔레이터/흡수체(310a, 310b), 제2 커플러(312), 위상 변조기(322) 및 섬유 코일(108)은 함께 사냑 간섭계(Sagnac interferometer)를 형성한다.
제1 커넥터(302)는 광원(320)으로부터 도파관(318a)으로 광을 효과적으로 결합하도록 구성된다. 높은 결합 효율을 생성하기 위해 다양한 기법이 사용될 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 모드-스폿(mode-spot, 스폿-크기) 컨버터는 PIC 도파관(318a)의 단부에서 모드-필드(mode-field)를 광원(320)의 도파관의 모드-필드에 매칭시키도록 커넥터(302)에 구현될 수 있다.
다른 예시에서, 광학 렌즈는 양호한 모드 매칭을 위해, PIC 도파관(318a)의 단부 면상에 투영된 광원(320)의 모드-필드 크기를 조정하도록 커넥터(302)에서 이용될 수 있다. 광원(320), PIC(300) 및 집속 렌즈(미도시)를 정밀한 장소로 위치시켜 광원(320) 및 PIC(300)를 상대적으로 쉽고 정확하게 결합시키기 위해 미세-제작 구조가 형성될 수 있다. 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS)은 광원(320) 및/또는 렌즈를 이동시켜 정렬을 미세 조정하도록 제1 커넥터(302)에 통합될 수 있다, 정렬이 적절하게 조정된 후에, 상대적인 위치는 적합한 기법(예를 들어, 본딩(bonding) 또는 솔더링(soldering))을 통해 고정될 수 있다.
사냑 간섭계로부터 되돌아온 광의 전력은 자이로스코프의 회전 속도에 응답하여 변하며, 이는 광 검출기(324)에 의해 검출될 수 있다. 제2 커넥터(304)는 간섭계 센서로부터 되돌아오는 신호를 광 검출기(324)에 결합시킬 수 있다. 광 검출기(324)의 감지 영역이 충분히 큰 경우, 제2 커넥터(304)로부터 출력된 광은 광 검출기(324)의 표면에 직접적으로 투영될 수 있다. 반사 미세-미러(reflecting micro-mirror)는 되돌아온 광을 바람직한 방향으로 지향시키는데 사용될 수 있다. 광을 검출기의 위치로 안내하기 위해, 다중모드 섬유가 적용될 수 있다.
커플러(306, 312)의 각각은 분기 포트 및 공통 베이스 포트의 쌍을 갖는다. 본원에서 기술된 바와 같이, 제1 커플러(306)는 광원(320)으로부터 두 개의 분기 포트 중 하나를 통해 사냑 간섭계로 광을 결합시키고, 되돌아온 광을 다른 분기 포트를 통해 광 검출기(324)로 안내한다. 커플러(306)는 Y형 접합(Y-style junction) 또는 소멸파(evanescent wave) 결합된 방향성 커플러일 수 있다. 제1 커플러(306)의 공통 베이스 도파관 포트는 편광자(308)에 연결된다.
도파관 편광자(308)는 제1 커플러(306) 및 제2 커플러(312)의 기본 도파관을 연결시키는 도파관(318b 및/또는 318c)의 섹션에 의해 구현될 수 있다. 편광자(308)는 동작 편광 방향으로의 편광된 광에 대한 낮은 전파 손실을, 그러나, 동작 편광 방향에 수직인 방향으로의 편광된 광에 대해서는 매우 높은 전파 손실을 갖는다. 전파 손실의 높은 편광 의존도를 보장하기 위해 다양한 접근법이 적용될 수 있다. 편광자(308)를 구현하는데 사용된 도파관이 적정하게 큰 복굴절을 갖는 경우, TM 모드는 TE 모드에 비해 더욱 느슨하게(loosely) 안내될 수 있다.
작은 반경의 일련의 만곡(bends)을 갖는 도파관은 TM 모드가 크게 감쇠되게 할 수 있는 한편, TE 모드는 무시할만한 양만큼 감쇠될 수 있으며, 이는 효과적인 도파관 편광자를 초래한다. TM 모드에서 낮은 전파 손실로 60dB보다 나은 소광비(extinguish ratio)가 달성될 수 있다. 최적의 두께를 갖는 피복(cladding)을 갖는 도파관은 또한, 편광자(308)를 구현하기 위한 효율적인 방법으로서 나타날 수 있다. TM 모드의 소멸 테일(evanescent tail)이 TE 모드의 것보다 도파관 코어로부터 더욱 멀리 확장하기 때문에, TM 모드는 상당히 감쇠될 수 있는 한편, TE 모드는 실질적으로 방해를 받지 않은 상태로 유지된다. 또한, 피복 재료의 상부는 TM 모드의 감쇠를 개선하기 위한 재료의 층으로 코팅될 수 있다. 이러한 재료의 예시는 피복 재료보다 높은 굴절률을 갖는 유전 재료이거나, 또는 동작 파장에서 광을 흡수하는 유전 재료 또는 금속일 수 있다.
만곡된 도파관의 섹션은 만곡된 도파관 중 하나의 단부가 만곡된 도파관의 다른 단부에 대해 각도를 형성하도록, 두 개의 커플러(306, 312)를 연결시키도록 배열될 수 있다. 이 배열은 두 개의 커플러의 공통 베이스 도파관 쪽으로의 접합에서 시작되는 반대칭성 모드 방사(antisymmetrical mode radiation)가 도파관 내로 재결합되는 것을 방지할 수 있다. 도파관 편광자(308) 그 자체는 만곡된 형상 내로 통합되어, 이러한 목적을 충족시키고 공간을 절약할 수 있다.
적어도 하나의 아이솔레이터/흡수체(310a, 310b)는 임의의 비-상호성 광을 더 거부하도록 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 선택적으로 흡수성인 재료의 패턴화된 층은 아이솔레이터/흡수체를 기능적으로 구현하기 위해 회로 도파관의 옆에 특히, 두 개의 커플러(306, 312) 사이의 도파관을 따라 전개될 수 있다. 대안적으로, 도파관은 보호용 도파관 구조를 형성하기 위해, 커플러(306, 312)를 연결시키는 도파관과 함께 미세 제작될 수 있다. 보호용 도파관 구조는 두 개의 커플러(306, 312)를 연결시키는 도파관(들)(318b, 318c)의 양측 상에, 그리고 이에 가깝게 제작될 수 있다. 또한, 트렌치 어레이는 미광을 (광자 집적 회로 기판의 표면 평면에 대해) 수직 방향으로 지향시키기 위해, 두 개의 커플러(306, 312)를 연결시키는 도파관(들)(318b, 318c)을 따른 일정한 장소에서 제작될 수 있다. 본원에서 기술된 만곡된 도파관 구성은 (아이솔레이터 또는 흡수체 또는 필터 또는 디플렉터와 같은) 추가적인 특징과 함께, 회로의 다른 섹션에 의해 재결합되는 것으로부터 미광을 최소화하고, 오차가 있는 2차 광학 패스에 기인한 자이로스코프 내의 잠재적인 스퓨리어스 신호(spurious signals)를 억제하는데 도움을 줄 수 있다.
제2 커플러(312)는 공통 베이스 도파관(318c)로부터 안내된 광을 두 개의 동일한 파로 분할한다. 제2 커플러(312)의 두 개의 도파관 분기(318d, 318e)는 제3 커넥터(314) 및 제4 커넥터(316)에 결합된다. 분기 도파관(314) 및 분기 도파관(316)의 광학 경로의 차이(즉, 제2 커플러(312)와 제3 커넥터(314) 사이의 도파관의 유효 광학 경로와, 제2 커플러(312)와 제4 커넥터(316) 사이의 도파관의 유효 광학 경로의 차이)는 광원(320)의 간섭성 길이(coherence length)보다 길게 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 광학 경로 차이는 광원(320)의 간섭성 길이에 비해 3배 더 길 수 있다.
제2 커플러(312)로부터 도파관 분기(318d, 318e)의 단부에서 두 개의 커넥터(314, 316)는 광섬유에 대한 결합 효율을 증가시키도록 구성된 미세 구조를 갖는다. 이러한 미세 구조의 하나의 예시는 평면상의 도파관(318d, 318e)의 모드 필드를 감지 코일(108)의 광섬유의 동일한 모드 크기로 변환하는 스폿-크기 컨버터일 수 있다. PIC 칩의 단부면은 도파관의 말단에 대해 적절한 각도로 절단되고 연마될 수 있다. 이 각도-연마된 면은 임의의 반사된 광이 도파관에 의해 반대 방향으로 안내되는 것을 방지할 수 있다. 섬유에 대한 저손실 연결을 달성하기 위해, 섬유 팁(fiber tip)도 대응하는 프레넬 각도(Fresnel angle)로 연마될 수 있다. 섬유 대 도파관 결합 방법의 다른 예시는 그 전체 내용이 본원에 참조로 통합되고, 2017년 9월 15일에 출원된 미국특허출원 제62/559,307호에서 상세히 설명된다. 광자 집적 회로의 도파관으로의 광섬유의 낮은 결합도(low coupling), 낮은 편광 유지 및 자가 정렬 연결은 측면 연마되거나, 또는 화학적으로 식각된 D형 섬유를 사용함으로써 달성될 수 있다.
개시된 PIC는 짧은 파장, 일 실시예에서, 830 nm의 파장의 광을 사용하여 동작할 수 있다. FOG의 응답 감도를 회전 속도로 결정하는 IFOG의 스케일 인자는 광섬유 코일 길이에 비례하지만, 이는 동작 파장에 반비례한다. 주어진 IFOG 및 연관된 스케일 인자에 대해, 더욱 짧은 파장에서 IFOG를 동작시킴으로써, 더욱 짧은 광섬유 길이(더욱 작은 코일 크기)를 통해 동일한 스케일 인자가 일정하게 유지될 수 있다. 비-실리콘 기반의 PIC는 IFOG 디바이스의 더욱 짧은 파장 동작을 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 실리콘 산화물 상에서 실리콘 질화물로 제작된 PIC는 830nm의 파장 동작을 용이하게 할 수 있다.
IFOG에서 사용하기 위한 하이브리드 광자 집적 회로(HPIC)의 예시적인 실시예가 도 4에 도시된다. HPIC(400)의 예시적인 실시예에서, (PIC(406)의 재료와 상이한 반도체 재료로 제작된) 광 검출기(404) 및 광원(402) 양자는 공통 서브마운트(405) 상에서 PIC(406)와 함께 미세 장착될 수 있다. 본원에 기술된 엔드-파이어(end-fire) 결합 기법은 제1 커플러(407)의 분기 포트로 이어지는 도파관에 광원(402) 및 광 검출기(404)를 결합하는데 이용될 수 있다. 스폿-크기 컨버터는 결합 효율을 증가시키고 정렬 공차를 완화시키기 위해, 광원(402) 및/또는 광 검출기(404)에 대한 계면에서, 제1 커플러(407)로 이어지는, PIC 도파관(들) 상에 미세 제작될 수 있다.
HPIC의 다른 예시적인 실시예에서, 광원(402)은 웨이퍼 레벨 미세제작을 통해 PIC 도파관의 상부 표면에 통합될 수 있다. 광대역 방출은 광원 도파관 및 PIC 도파관의 모드 사이의 소멸파 상호 작용을 통해 PIC 도파관에 전달 될 수 있다(예를 들어, M. A. TRAN, T. KOMLJENOVIC, J. C. HULME, MJ KENNEDY, D. J. BLUMENTHAL 및 J. E. BOWERS의 "Integrated optical driver for interferometric optical gyroscopes"를 참조, Vol. 25, No. 4 | 2017년 2월 20일 | OPTICS EXPRESS p3826~p3839).
다른 예시적인 실시예에서, 플립 칩 조립을 통한 SLD 대 도파관 소멸파 결합을 용이하게 하는 특수한 SLD 디바이스가 제조될 수 있다. 이 실시예는 느슨한 정렬 정확도 요건을 통해 높은 결합 효율을 달성할 수 있다.
HPIC의 다른 예시적인 실시예에서, 인라인 위상 변조기(408)는 PIC 회로(406)에 통합될 수 있다. 인라인 위상 변조기(408)의 하나의 예시적인 실시예에서, 압전 재료의 층은 적합한 금속 전극과 함께, 제2 커플러(410)와 제1 커넥터(412) 및/또는 제2 커넥터(414) 사이의 도파관의 섹션에서 상부 피복층의 상부 표면 상에 증착되고 패턴화될 수 있다. 압전층은 전기 전압이 압전 재료에 인가될 때, 아래의 도파관 재료가 응력(stress)을 겪게 할 수 잇다. 응력은 도파관의 유효 굴절률을 변경하고, 도파관 내에서 전파하는 광의 위상을 동적으로 변경시킬 수 있다. 인라인 위상 변조기의 다른 예시에서, 하나의(a piece of) x-컷 얇은 니오브산 리튬 막(x-cut thin lithium niobate film)이 제2 커플러(410)와 제1 커넥터(412) 및/또는 제2 커넥터(414) 사이의 도파관의 섹션 상에서 PIC 도파관의 코어의 상부 표면상에 도금될 수 있다. 니오브산 리튬 막의 상부 표면은 PIC 도파관의 상부 표면에 밀접하게 접촉되어야 한다. 이 방식으로, 릿지형(ridge-type) 하이브리드 단일-모드 도파관이 구축될 수 있다.
디바이스 손실은 하이브리드 도파관과 PIC 도파관 사이에 매칭하는 모드 필드에 의해 주로 결정된다. 도 5a에 도시된 예시적인 실시예에서, PIC 도파관(500)은 얇은 스트립의 실리콘 질화물 코어(502) 및 실리콘 산화물 피복(504)으로 구성된다. 하이브리드 도파관은 실리콘 질화물 코어의 상부 표면 상에 양 단부에서 가파른 V형으로 형성된 x컷 얇은 니오브산 리튬 막(506)을 도금함으로써 형성된다. (도 5b에 도시된 모델에 대응하는) 도 5c에 도시된 시뮬레이션 결과는 본 실시예의 디바이스 결합 효율이 90%를 초과한다는 것을 나타낸다. 위상 변조기가 푸시-풀(push-pull) 구성으로 동작될 때, V_π = 6.0 V이고, 잔류 강도 변조(residual intensity modulation, RIM)는 420ppm 미만이다.
HPIC의 다른 예시적인 실시예에서, 인라인 광학 아이솔레이터(416)는 Ce 치환된 이트륨 철 가닛(Ce-substituted yttrium iron garnet, Ce:YIG)과 같은 광자기(magneto-optical, MO) 재료의 얇은 막을 광원 입력(420)과 제1 커플러(407) 사이의 도파관(418)의 섹션 내의 PIC 도파관 코어의 상부 표면 상에 도금함으로써 구성될 수 있다. MO 막의 상부 표면은 PIC 도파관(418)의 상부 표면과 밀접하게 접촉되어야 한다. 이 방식으로, 릿지형 하이브리드 단일 모드 도파관이 구축될 수 있다. 하이브리드 도파관에서, 자기장을 MO 재료를 가로지르게 인가함으로써, 광학 상호성(optical reciprocity)이 깨질 수 있다(broken). 사냑 간섭계로부터 되돌아온 광은 MO 재료에서의 패러데이 효과에 의해 다시 광원(402)으로 공급되는 것이 방지된다.
FOG에 대한 확장된 광자 집적 회로(EPIC)의 예시적인 실시예가 도 6에 도시된다. EPIC를 통해, 파장계(wavemeter)는 주 PIC 회로와 통합되고, 이와 함께 제작될 수 있다. EPIC 제작은 상보적 금속 산화물 반도체(complementary metal oxide semiconductor, CMOS) 프로세스, 및 주 PIC 회로의 제작과도 완벽하게 호환 가능하다. 파장계는 파장 시프트 및 불안정성에 의해 야기된 각속도 측정의 스케일 인자의 실시간 회전 감지 및 교정에서 이용되는 유효 간섭계 파장의 측정 및 모니터링을 가능케 한다.
파장계(602)를 통합하기 위해, 사냑 간섭계로부터의 되돌아오는 신호의 일부는 광 검출기(606)로 이어지는 도파관(604)으로부터 재지향될 수 있다. 비대칭형 Y-접합 또는 불균형 방향 커플러(608)는 제1 커플러(610)와 광 검출기(606) 사이의 도파관(604) 내에 배치되어, 되돌아오는 신호 중 일 부분을 재지향시킬 수 있다. 재지향된 신호는 파장계(602)의 입력으로 사용되며, 파장계(602)의 출력은 스케일 인자 교정 상관계수 생성기(612)에 의해, 사용될 스케일 인자 교정 상관계수(614)를 생성하여 스케일 인자를 교정하는데 사용될 수 있다. 파장계 및 스케일 인자 교정에 대한 추가적인 세부사항 및 예시적인 실시예는 그 전체 내용이 본원에 참조로 통합되고, 2018년 1월 22일에 출원된 미국특허출원 제15/877,110호에서 발견될 수 있다.
본원에서 EPIC의 예시적인 실시예와 관련하여 기술되었지만, 파장계 및 스케일 인자 교정 성분은 또한 본원에서 기술된 PIC 및 HPIC 실시예에 통합될 수 있음이 이해되어야 한다.
예시적인 실시예가 특히 도시되고 기술되었지만, 통상의 기술자는 첨부된 청구범위에 의해 포함된 실시예의 범주를 벗어나지 않으면서, 형태 및 세부사항에 대한 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (27)

  1. 광섬유 자이로스코프(fiber optic gyroscope, FOG)에서 사용하기 위한 광자 집적 회로(photonic integrated circuit, PIC)로서,
    광원(320)에 연결되도록 구성된 제1 커넥터(302);
    광 검출기(photodetector, 324)에 연결되도록 구성된 제2 커넥터(304);
    섬유 코일(fiber coil, 108)의 제1 포트에 연결되도록 구성된 제3 커넥터(314);
    상기 섬유 코일(108)의 제2 포트에 연결되도록 구성된 제4 커넥터(316);
    제1 분기 포트(branch port), 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제1 커플러(306);
    제1 편광자 포트 및 제2 편광자 포트를 갖는 도파관 편광자(waveguide polarizer, 308);
    제1 분기 포트, 제2 분기 포트 및 공통 베이스 포트를 갖는 제2 커플러(312)를 포함하고,
    상기 제1 커플러(306)의 상기 제1 분기 포트는 제1 도파관(318a)을 통해 상기 제1 커넥터(302)에 결합되고, 상기 제1 커플러(306)의 상기 제2 분기 포트는 제2 도파관(318f)을 통해 상기 제2 커넥터(304)에 결합되며, 상기 제1 커플러(306)의 상기 공통 베이스 포트는 제3 도파관(318b)을 통해 상기 제1 편광자 포트에 결합되고;
    상기 제2 커플러(312)의 상기 제1 분기 포트는 제4 도파관(318d)을 통해 상기 제3 커넥터(314)에 결합되고, 상기 제2 커플러(312)의 상기 제2 분기 포트는 제5 도파관(318e)을 통해 상기 제4 커넥터(316)에 연결되며, 상기 제2 커플러(312)의 상기 공통 베이스 포트는 제6 도파관(318c)을 통해 상기 제2 편광자 포트에 결합되고;
    상기 제1 내지 제6 도파관(318a-f)은 단일-모드이고 편광-유지하도록 구성된 광학 도파관(optic waveguides)인 광자 집적 회로(PIC)에 있어서,
    상기 제3 도파관(318b) 및 제6 도파관(318c) 중 하나 또는 양자가 만곡되고;
    상기 제5 도파관(318e), 상기 편광자(308) 및 상기 제6 도파관(318c) 중 하나 이상의 옆에 배치된 미광 흡수체(stray light absorber, 310a) 및 디플렉터(deflector) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 미광 흡수체(310a)는 상기 제5 도파관(318e), 상기 편광자(308) 및 상기 제6 도파관(318c) 중 하나 이상으로부터 미광을 흡수하도록 구성되고, 상기 디플렉터는 상기 제5 도파관(318e), 상기 편광자(308) 및 상기 제6 도파관(318c) 중 하나 이상으로부터 미광을 편향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 광자 집적 회로(PIC).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커넥터(302)에 결합된 광원(320);
    상기 제2 커넥터(304)에 결합된 광 검출기(324);
    상기 제3 커넥터(314)에 결합된 제1 섬유 코일 포트, 및 상기 제4 커넥터(316)에 결합된 제2 섬유 코일 포트를 갖는 섬유 코일(108);
    상기 섬유 코일(108)과 연관된 위상 변조기(322) - 상기 위상 변조기(322)는 변조 신호를 기초로 상기 섬유 코일(108)을 통해 전파하는 광을 변조하도록 구성됨 -을 더 포함하여,
    FOG에서 사용하기 위한 광 시스템을 형성하는, 광자 집적 회로(PIC).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변조 신호(321)가 유도되는 기준 신호를 제공하도록 구성된 국부 발진기; 및
    상기 광 검출기로부터 출력을 수신하고 그로부터 회전 측정 신호를 생성하도록 구성된 위상 감지 검출기를 포함하는 검출/피드백 회로(323)를 더 포함하여,
    상기 FOG를 형성하는, 광자 집적 회로(PIC).
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제6 도파관(318a-f)은 단일 공간 모드만을 지원하도록 구성되는, 광자 집적 회로(PIC).
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제6 도파관(318a-f)은 복굴절성(birefringent)이도록 구성되는, 광자 집적 회로(PIC).
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 내지 제6 도파관(318a-f)은 단일 선형 편광 모드만을 지원하도록 구성되는, 광자 집적 회로(PIC).
  7. 제1항에 있어서, 상기 광원(320)은 광대역의 반도체 기반 광원인. 광자 집적 회로(PIC).
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 커넥터(302)와 상기 제1 커플러(306) 사이의, 상기 제1 도파관(318a) 내에 배치된 인라인(inline) 광학 아이솔레이터(416)를 더 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커플러(306)의 상기 제1 분기 포트에 결합된 광원(320);
    상기 제1 커플러(306)의 상기 제2 분기 포트에 결합된 광 검출기(324);
    (i) 상기 광원(320)으로부터 유도되고, (ii) 상기 섬유 코일(108)로부터 되돌아온 광학 신호의 적어도 일 부분을 사용하고, 상기 광학 신호의 유효 간섭계 파장(effective interferometric wavelength)을 나타내는 신호를 생성하는 광학 파장계(optic wavemeter, 602);
    상기 제4 도파관(318d) 및 상기 제5 도파관(318e) 중 하나 또는 양자와 연관된 위상 변조기(322) - 상기 위상 변조기(322)는 변조 신호를 기초로 상기 섬유 코일(108)을 통해 전파하는 광을 변조하도록 구성됨 -을 더 포함하며;
    상기 광원(320), 상기 광 검출기(324) 및 상기 광학 파장계(602)는 상기 PIC의 부분으로 통합되는, 광자 집적 회로(PIC).
  10. 삭제
  11. 제3항에 있어서, 상기 검출/피드백 회로(323)는:
    광학 신호의 유효 간섭계 파장을 기초로, FOG 스케일 인자를 교정하는 스케일 인자 교정 메커니즘(612)을 더 포함하여,
    상기 FOG를 형성하는, 광자 집적 회로(PIC).
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서, 상기 위상 감지 검출기는 상기 회전 측정 신호를 생성하기 위해 상기 광 검출기(324)의 상기 출력으로부터 변조 주파수 성분을 제거하는, 광자 집적 회로(PIC).
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커넥터(302), 상기 제2 커넥터(304), 상기 제3 커넥터(314), 상기 제4 커넥터(316), 상기 제1 커플러(306), 상기 제2 커플러(312) 및 상기 도파관 편광자(308)를 호스팅(host)하도록 구성된 서브마운트(submount, 405);
    상기 서브마운트(405)에 고정적으로 부착되고 상기 제1 커플러(306)의 상기 제1 분기 포트에 결합된 반도체 기반의 광원(402);
    상기 서브마운트(405)에 고정적으로 부착되고 상기 제1 커플러(306)의 상기 제2 분기 포트에 결합된 광 검출기(404);
    상기 광자 집적 회로 상에 형성되고, (i) 상기 광원(402)으로부터 유도되고, (ii) 상기 섬유 코일(108)로부터 되돌아온 광학 신호의 적어도 일 부분을 사용하고, 상기 광학 신호의 유효 간섭계 파장을 나타내는 신호를 생성하는 광학 파장계(602); 및
    검출/피드백 회로(323)에 포함되고, 상기 광학 신호의 상기 유효 간섭계 파장을 기초로, FOG 스케일 인자를 교정하는 스케일 인자 교정 메커니즘(612)을 더 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제3 커넥터(314)에 결합된 제1 섬유 코일 포트, 및 상기 제4 커넥터(316)에 결합된 제2 섬유 코일 포트를 갖는 섬유 코일(108); 및
    상기 섬유 코일(108)과 연관된 위상 변조기(322) - 상기 위상 변조기(322)는 변조 신호를 기초로, 상기 섬유 코일(108)을 통해 전파하는 광을 변조하도록 구성됨 -를 더 포함하여,
    상기 FOG에서 사용하기 위한 광학 시스템을 형성하는, 광자 집적 회로(PIC).
  20. 제19항에 있어서,
    상기 변조 신호(321)가 유도되는 기준 신호를 제공하도록 구성된 국부 발진기; 및
    상기 광 검출기(404)에 의해 생성된 출력 신호를 수신하고 그로부터 회전 측정 신호를 생성하도록 구성된 위상 감지 검출기를 포함하는 검출/피드백 회로(323)를 더 포함하여,
    상기 FOG를 형성하는, 광자 집적 회로(PIC).
  21. 삭제
  22. 제20항에 있어서, 상기 위상 감지 검출기는 상기 광 검출기(404)에 의해 생성된 상기 출력 신호로부터 상기 변조 신호를 제거하는, 광자 집적 회로(PIC).
  23. 제18항에 있어서, 상기 반도체 기반의 광원(402)과 상기 제1 커플러(306) 사이의 상기 제1 도파관(318a) 내에 배치된 인라인 광학 아이솔레이터(416)를 더 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
  24. 제18항에 있어서, 상기 제1 내지 제6 도파관(318a-f)은 단일 공간 모드만을 지원하도록 구성되는, 광자 집적 회로(PIC).
  25. 제18항에 있어서, 상기 제1 내지 제6 도파관(318a-f)은 복굴절성이도록 구성되는, 광자 집적 회로(PIC).
  26. 제25항에 있어서, 상기 제1 내지 제6 도파관(318a-f)은 단일 선형 편광 모드만을 지원하도록 구성되는, 광자 집적 회로(PIC).
  27. 제18항에 있어서, 상기 반도체 광원(402)은 광대역의 광원인, 광자 집적 회로(PIC).
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