KR930007587B1 - 집적 간섭계식 광섬유 자이로스코프 모듈 및 방법 - Google Patents

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Description

집적 간섭계식 광섬유 자이로스코프 모듈 및 방법

제1도는 광 섬유 회전 센서를 형성시키기 위해 기판 상에 장착된 광부품을 도시한 본 발명에 따라 집적광 모듈의 평면도.

제2도는 제1도의 기판 내에 형성된 광도파관들에 대응하여 결합된 광섬유 쌍, 및 도파관 내에서 전달되는 광선을 편광시키기 위해 기판 상에 형성된 편광기 쌍을 도시한 도면.

제3도는 기판 내에 형성된 제3도파관과 결합된 제3광섬유를 도시한 도면.

제4a도는 광섬유 회전 센서를 형성시키키 위해 사용된 본 발명에 따른 집적 광 모듈이 개략적인 도면.

제4b도는 광섬유 회전 센서의 제2실시예를 형성시키기 위해 사용된 본 발명에 따른 집적 광 모듈의 개략적인 도면.

제5a도는 본 발명에 따른 집적 광 모듈의 저정확도 응용을 위한 광 섬유 회전 센서의 비가역 구성의 평면도.

제5b도는 제5a도의 장치의 단면도.

제6도는 본 발명에 따른 집적 광 모듈 상에 형성될 수 있는 복굴절 변조기의 사시도.

제7도는 제6도의 무듈의 상부 기판과 수직하고 모듈 내에 형성된 도파관을 통해 연장하는 전계를 도시한 제6도의 복굴절 변조기의 단면도.

제8a도-제8e도는 제1도의 기판내에 광 도파관을 형성하는 단계들을 도시하는 도면.

제9도는 본 발명에 있어서 본 발명을 따라 집적 광 모듈내에 형성될 수 있는 비분 위상 변조기의 사시도.

제10도는 제9도의 미분 위상 변조기의 단면도.

제11도는 제1도의 집적 광 모듈 내에 포함될 수 있는 편광기의 단면도.

제12도는 회전 센서를 형성시키기 위해 본 발명에 따른 집적 광 모듈로서 사용될 수 있는 편광 유지 광섬유의 단면도.

제13도는 제12도의 편광 유지 광 섬유의 형광 단계를 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 집적 광 모듈 12 : 기판

14,15,16 : 광 도파관 17 : 접합부

18 : 복굴절 변조기 19 : 광회전 센서

40,41 : 편광기 42 : 광섬유

46 : 광섬유 감지 코일 48 : 광원

54 : 편광기 60, 62, 64, 101, 102, 103 : 전극

100 : 미분 위상 변조기 106 : 금속막

112 : 유전 버퍼 V₁, V₂, V₃, V₄: 전원

본 발명은 일반적으론 회전 센서(rotation sensor)에 관한 것으로, 특히 광섬유(flber optic)회전 센서에 관한 것이다. 특히 본 발명은 광회전 센서에 광입력 및 출력을 처리하기 위한 부품을 포함하는 집적 광모듈(integrated optical module)에 관한 것이다.

전형적으로, 광섬유 링 간섭계(ring interferometer)는 역전달(counter-propagating) 광선을 유도하는 광섬유 물질의 루프로 구성된다. 루프를 횡단한 후, 역전달파들은 광출력 신호를 형성시키기 위해 건설적으로 또는 파괴적으로 간섭하도록 결합된다. 광출력 신호의 세기는 역전달 파의 상대 위상에 좌우되는 간섭 함수와 같이 변화한다.

광섬유 링 간섭계는 회전 감지를 위해 특히 유용하다는 것이 증명되어 왔다. 루프의 회전은 공지된 사냑효과(Sagnac effect)에 따라 역전달파들 사이의 상대 위상차를 발생시킨다. 위상차의 총량은 루프의 각속도(angular velocity)의 함수이다. 역전달파의 간섭에 의해 발생되는 광출력 신호는 루프 회전을 (rotation rate)의 함수와 같은 세기로 변화한다. 회전 감지는 광출력 신호를 검출하고 회전율을 결정하기 위해서 그 신호를 처리함으로서 달성된다.

관성 항법(inertial navigation) 응용에 적당하기 위해, 회전 센서는 상당히 넓은 동적 영역을 가져야 한다. 회전센서는 시간 당 0.01도 정도 낮고 초당 1,000도 정도 높은 회전율을 감지할 수 있어야 한다. 측정되려는 상하한 비율은 약 10⁹이다.

여러가지 광섬유 시스템에서, 선택된 지점에서 공지된 편광 상태의 광선을 갖는 것이 바람직할 수 있다고 공지되어 있다. 소정 부품들의 출력은 편광에 좌우된다. 그러므로, 이러한 부품에 대한 공지된 편광 입력을 갖는 것이 에러를 최소화한다. 편광 상태는 특히 광섬유 회전 센서와 같은 장치에서 중요하다. 편광 광섬유 회전 감지 시스템에서, 편광의 변화에 기인하는 드리프트(drift) 전류는 편광기의 질에 의해 결정된다.

바이어스 에러는 회전 센서로서 광섬유 사냑 링을 사용에 있어서 주 에러원이다. 회전 센서의 바이어스는 신호 입력이 없을 경우에 신호 출력이다. 바이어스가 일정하다고, 그때 그것은 입력 신호에 대해 회전 센서의 응답을 결정하기 위한 신호 입력이 있는 경우에 출력 신호로부터 감산될 수 있다. 그러나, 바이어스가 시간 및 온도 변화를 넘어 일정하게 유지되지 않으므로 회전 센서의 출력 신호로부터의 에러를 단순히 감산하는 것은 일반적으로 불만족하다.

본 발명은 간섭계식 광섬유 자이로스코프용 중앙 모듈이 있는 집적 광칩으로 구성되어 있다. 본 발명은 종래의 광섬유 회전 센서를 능가하는 장점을 제공하는 방법으로 간섭계식 섬유자이로스코프를 위한 필요한 기능을 수행하기 위해 집적 광칩상에 형성된 광부품을 포함하고 있다. 본 발명은 바이어스 감소, 노이즈 감소, 및 척도 인자 선형성(scale factor linerarity) 및 반복성(repeatability)의 개량을 제공한다.

칩은 LiNbO₃내로 티타늄 주입과 같은 종래의 도파관 제조기술을 사용하는 전기 광학(electro-optic)물질로부터 제조될 수 있다. 3개의 집적 광 도파관들은 제1도파관이 Y스템(stem)을 형성하고 제2 및 제3 도파관이 레그들(leg)을 형성하는 Y-결합기(Y-coupler)를 형성한다. 제1광섬유로부터의 "Y"스템 내에 입사하는 광선은 "Y"의 2개의 레그들 사이에서 동일하게 분할되고 제2 및 제3광섬유 각각에 결합된다. 이와 마찬가지로, 제2 및 제3섬유로부터의 "Y"레그들 상의 입사 광선은 "Y"의 스텝 내에서 혼합하고 제1섬유내에서 결합한다. Y-결합기의 레그들은 양호하게도 광선의 최소한 개의 코히어런스(coherence) 길이에 의한 길이에서 상이하다. Y-결합기와 스텝 상에 형성된 편광 수단 사이의 거리는 양호하게도 광선의 감극(depolarization)길이 보다 길다.

본 발명은 3개의 광 도파관들 각각 내에서 전달되는 광신호를 편광시키기 위해 기판 상에 형성된 수단을 포함하고 있다. 본 발명은 또한 접합부의 복굴절(birefingence)을 변조시키기 위해 접합부에 인접한 기판상에 형성도니 수단을 포함하고 있다. 본 발명은 또한 제2 및 제3도파관들 내에서 전달되는 광파들 사이의 위상차 및 복굴절을 변조시키기 위해 기판 상에 형성된 미분 위상 변조기를 포함하고 있다. 본 발명은 또한 양호하게도 Y-결합기의 스템을 형성하는 도파관의 복굴절을 변조시키기 위한 수단을 포함하고 있다.

편광 수단은 양호하게도 대응 광섬유를 갖는 접속하여 인접한 각각의 도파관의 표면 상에 피착된 제1금속막(metalfilm)으로 구성되어 있다. 각각의 도파관용 편광 수단은 양호하게도 기판의 각각의 인접 연부(edge)로부터 광선의 최소한 1개의 감극 길이이다.

접합부의 복굴절을 변조시키기 위한 수단은 양호하게도 기판 상에 형성된 다수의 전극들로 구성되어 있다. 제1전극은 도파관들의 접합부와 떨어져 있다. 제2전극은 접합부가 제1 및 제2전극들 사이에 있도록 도파관들이 접합부들과 떨어져있다. 제3전극은 제3도파관들의 접합부 위의 제1 및 제2 전극들 사이에 놓여 있다. 이 장치는 또한 도파관들의 굴절율을 조정하기 위해 3개의 도파관들이 각각에서 2개의 수직 전극 부품들을 형성하도록 3개의 전극들에 전기 신호를 인가시키기 위한 수단을 포함하고 있다.

미분 위상 변조 수단은 또한 양호하게도 기판 상에 형성된 다수의 전극으로 구성되어 있다. 제1전극은 제2 및 제3도파관들 사이에 놓여 있다. 제2전극은 제2도파관이 제1 및 제2전극들 사이에 있도록 기판상에 형성된다. 제3전극은 제3도파관이 제1 및 제3전극들 사이에 있도록 기판 상에 형성된다. 본 발명은 또한 제2도파관의 굴절율을 제어하도록 제1 및 제2전극들 사이에 제1전기 신호를 인가시키기 위한 수단, 및 제3도파관의 굴절율을 제어하도록 제1 및 제3전극들 사이에 제2전기 신호를 인가시키기 위한 수단을 포함하고 있다. 본 발명은 또한 양호하게도 제2 및 제3도파관들의 복굴절을 제어하기 위한 전극에 전기 신호를 인가시키기 위한 수단을 포함하고 있다.

본 발명은 Y-결합기의 스텝 내에 편광기로부터의 최소한 1개의 감극 위치를 배치할 결합 수단을 포함하고 있다. 다른 2개의 도파관들의 단부들은, 그들의 길이가 초발광 다이오드(superlumlnesoent diode)가 약 50μ인 1개 이상의 코히어런스 파장과 상이하도록 각지게 연마(polish)된다.

제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 집적 광 모듈(10)은 거기에 형성된 3개의 광 도파관들(14-16)을 갖고 있는 집적광칩 또는 기판(12)를 포함하고 있다. 기판(12)는 양호하게도 리튬 니오베이트(lithium niobate)와 같은 전기 광학적으로 활성화 물질(acitve material)로 이루어져 있다. 그러나 본 발명은 제어할 수 있는 반사율을 갖는 다른 기판 물질들을 사용하여 실행될 수 있다. 기판은 자기 광학적 물질, 음향 광학적 활성화 물질, 또는 열광학적 활성화 물질을 포함하도록 이루어질 수 있다. 도파관(14-16)은 Y-형결합기(18)을 형성하도록 접합부(17)에서 교차한다. 회전 센서(19)형성에 사용되는 광부품은 기판(12)상에 형성되고 차후에 기술된다. 집적 광 모듈(10)을 사용하여 형성된 회전 센서는 차후에 상세히 기술되는 제4a도, 제4b도에 도시되어 있다.

제8a도-제8e도는 기판(12) 내의 광 도파관(14)의 형성을 도시하고 있다. 초기에, 기판(12)는 금속층(20) 및 다음 포토레지스트(photoresist)층(21)로 덮혀진다. 유리 포토마스크 플레이트(photomask plate, 22)는 포토레지스트층(21)상에 배치된다. 플레이트(22)는 부분(24 및 26)이 불투명하고 신장한 투명 장방형 부분(elongate transparent rectangular portion, 27)을 남게하도록 떨어진 바림작한 패턴을 발생시키려는 표준 광환원(standard photoreduction) 기술을 사용함으로써 준비된다. 제8a도의 화살표는 유리 플레이트(22) 및 포토레지스트층(21)의 노출부(27)상에 충돌하는 자외(UV)선을 표시하고 있다. 부분(24 및 26)은 UV선이 포토레지스트층(21)의 노출부(27)에만 영향을 주도록 UV선에 불투명하다. 제8b도를 참조하면, 적당한 현탁액(developer)내에 포토레지트스부(27)을 배치하면, 개별적으로 투명 영역(27) 바로 아래에 있는 포토레지스트부(30)만이 기판(12)에 부착된다.

제8c도를 참조하면, 티타늄 스트립(34)는 그것이 포토마스크(30)에 의해 보호되는 것을 제외하고는 티타늄을 제거하는 적당한 부식제(etchant)내에 클립(clip)을 배치시킴으로써 기판(12)상에 형성된다.

포토레지스트부(30)을 제거하는 아세톤(acetone)과 같은 용매 내에 기판(12)을 배치하면 제8d도에 도시된 기판(12)상의 티타늄의 명확한 층(34)만 남게 된다. 층(34)은 제8d도에 도시된 바와 같이 실제로 장방형 단면을 갖고 있다. 티타늄층(34)를 갖는 기판(12)는 본 분야에서 공지된 바와 같이 고온 가마(oven)내에 배치되고, 제8e도에 도시된 바와 같이 일반적으로 장방형 도파관(14)를 형성하기 위해 기판(12)내로 Ti⁺⁺이온의 확산을 발생시키기에 충분한 시간 동안 굽는다.

제1도를 다시 참조하면, 집적 광 모듈(10)은 광섬유 회전센서를 형성시키기 위해 사용될 수 있다. 회전센서의 형성에 있어서, 광섬유(42-44)는 각각 도파관(14-16)에 버트-결합(butt-couple)될 수 있다. 광섬유(42 및 43)는 분리 섬유들일 수 있거나 또는 광섬유들이 제4a도에 도시된 바와 같이 감지루프(46)과 같이 구성된 1개의 섬유 대향 단부일 수도 있다.

광선은 광섬유들(42-44)중의 소정의 것으로부터 칩(12)내로 전달될 수 있다. 섬유(42)로부터 칩에 입사하는 광선은 y-형 결합기(18)의 스템을 형성하는 도파관(14)내에 결합한다. 도파관(14-16)의 접합부에 도달하자마자, 섬유(42)로부터 입력되는 광선은 도파관들(15 및 16)사이에서 동일하게 분할한다. 섬유(43)으로부터 칩(12)에 입사되는 광선은 도파관(15) 내로 결합된 다음 도파관(14)로 진입하는 접합부(17)에 전달된다. 이와 마찬가지로, 섬유(44)로부터 칩(12)에 입사되는 광선은 도파관(16) 내로 결합하고 접합부(17)에 전달한다. 도파관(15 및 16)내의 접합부(17)을 향해 전달되는 광비임은 공지된 원리인 중첩에 따라 결합되고 섬유(42)를 향해 도파관(14)내에 전달된다.

제4a도를 참조하면, 광섬유 회전 센서(45)는 양호하게도 편광 유지 섬유인 광섬유(42)에 광선을 제공하는 광원(48)을 포함하고 있다. 광원(48)은 초발광 다이오드(SLD)일 수 있다. 편광 유지 섬유는 2개의 직교 선형 편광에 대해 상당한 굴절율을 갖는다. 통상의 광섬유는 두 편광이 거의 동일한 굴절율을 갖는다. 전자기파는 파를 전달되는 매질의 굴절율의 함수인 전달 상수(propagation constant)에 의해 특징지워질 수 있다. 동일한 도파관 내의 편광 부품(편광 모드)에 대한 전달 상수가 거의 동일하다면, 에너지는 그들 사이에서 쉽게 결합한다. 이 결과는 회전 감지 시스템 내에서 바람직하지 않은 변화 편광 신호이다. 편광 유지 섬유는 2개의 편광들 사이에서 적당한 결합을 방지하기 위해 상당히 상이한 전달 상수를 갖는다. 그러므로, 각 편광의 세기는 일정하고 순수한 편광을 일정하다.

섬유(42)에 입력되는 광선이 섬유축 모두를 따라 편광 성분을 갖기 때문에, 이편광들 모두는 편광 유지 섬유 내에서 함께 혼합함이 없이 섬유 내에서 전달될 것이다. 편광 유지섬유(42)는 차후에 기술되는 기술변화에 의해 형성될 수 있다. 모든 편광 유지 섬유들이 실제로 동일하기 때문에, 이러한 섬유에 대한 차후의 설명은 섬유(42)만 언급된다. 1985년 5월 15일자 출원되고 본 발명의 소유자인 리톤 시스템즈, 인크. (Litton System, Inc.)에 양도된 미합중국 특허 출원 제 734,211호는 회전 센서(10)을 형성하느데 사용될 수 있는 편광 유지 광 섬유의 구조 및 제조 방법을 기술하고 있다.

섬유(42) 내에서의 광속은 v=c/n이고, 역에서 c는 진공내의 광속이고 n은 고려사항 하에 특정 편광에 대한 섬유의 굴절율이기 때문에, 2개의 편광은 섬유 내에서 상이한 속도를 갖는다. 저속파는 속도 v_a=c/n_x및 고속파는 속도 v_t=c/n_y를 갖고, 여기에서 n_y＜n_x이다.

편광 유지 섬유의 한 종류는 제12도에 도시된 바와 같이 층을 이룬 코어(core, 70) 및 주위 피복 (cladding 72)를 갖고 있다. 코어(70)은 코어의 전달 상수가 편광-종속(polarization-dependent)되도록 상이한 편광의 파에 대해 상이한 굴절율을 갖는다. 코어(70) 및 피복(72)는 피복 굴절율이 코어 모두의 굴절율들 보다 작도록 굴절율들을 갖는다. 그러므로, 편광 유지 섬유는 모두의 광선을 유도한다. 코어의 전달 상수가 2개의 편광에 대해 상이하거나 비퇴화(non-degenerate)하기 때문에, 에너지는 그들 사이에서 쉽게 결합하지 않는다. 그러므로, 편광 유지 섬유(42)에 의해 전달된 광선분 편광에서 변화하지 않는다.

복굴절성을 갖는 코어는 제13도에 도시된 바와 같이 특정 반사율을 갖도록 코어층에 대한 물질을 적당히 선택하고 부분적인 두께 f₁및 f₂를 적당히 선택함으로써 합성될 수 있다. 제12도를 참조하면, 코어(70)은 제1물질의 층(78-80) 및 제1물질과 상이한 굴절율을 갖는 제2물질의 층(82 및 84)로 구성되어 있다. 코어(70)은 2개의 물질의 다수의 층으로 구성되어 있으나, 5개의 층(78-80 및 82 및 84)만이 편의 도모를 위해 도시되고 기술되어 있다.

통상의 광섬유와 달리, 형성 복굴절 단일 모드 섬유(42)는 그 안에 전달되는 파의 편광 상태를 유지할 것이다. 섬유(42)에 있어서, 2개의 편광에 대한 굴절율들 사이의 차이는 2개의 직교 편광을 갖는 파의 전달 상수들 사이의 실제차이보다 상당히 크다. 전달 상수들 사이의 차이는 편광상태들 사이의 퇴화를 제거하고 통상 상태 하에 한 편광의 파를 다른 편광과 결합을 방해한다. 파들 사이의 에너지 결합은 파들이 실제로 동일한 속도르 갖는 것을 요구한다. 속도들이 상이하면, 2개의 상태들 사이에서 감지할 수 있을 만큼의 결합은 없다.

제13도를 참조하면, 제12도에 도시된 편광 유지 섬유 제조방법은 상이한 굴절율을 갖는 물질(87 및 88)의 교대층(alternatin layer)의 제1형성 스택(86)을 포함하고 있다. 스택(86)은 실제로 단일 블럭을 형성하기 위해 가열된다.

그때, 블럭은 그 크기를 코어(70)과 같이 사용하기 위해 적당한 값으로 감소시키도록 연속 다이(die)를 뽑아내거나 그렇지 않으면 본 기술분야에서 공지된 방법에 의해 신장될 수 있다. 뽑아내기 전에, 블럭은 원형 단면을 갖는 코어를 발생시키기 위해 원통(cylinder)을 형성하는데 기초를 둘 수 있다. 코어(70)의 굴절율들 모두 보다 작은 굴절율을 갖는 피복은 코어상으로 벌크(bulk) 이산화실리콘 SiO₂용융, 코어 상으로 SiO₂튜빙(tubing) 붕괴와 같은 여러가지 표준 기술들 중 소정의 기술에 의해, 또는 가스 혼합으로부터의 SiO₂의 반응 피착에 의해 코어에 부가될 수 있다.

GeO₂(n₂=1.593)은 스택(86) 내의 고굴절율(high index)성분으로서 사용될 수 있고, SiO₂는 저굴절을 성분에서 사용될 수 있다. 실리카(silica) 및 게르마니아(germania)는 그들의 저손실 및 물리적 호환성 때문에 실제로 단일 모드 및 다중모드 섬유 모두에 사용된다. 적당히 부분적인 두께로 불균일 하게 결합되면, 그들은 용융된 실리카에 의해 피복되기 위해 충분히 큰 n_x및 n_y모두를 갖는 코어(70)을 형성한다.

잘 확립된 광제조 기술은 순수한 벌크 SiO₂로부터 SiO₂플레이트를 제조하도록 사용될 수 있다. GeO₂성분은 기계적 제조 기술에 의해 형성되기 위해 아주 얇을 수 있다. GeO₂층은 SiO₂기판 상으로 GeO₂막을 스퍼터링(sputtering) 시킴으로써 형성될 수 있다. GeO₂층은 또한 Ge층으로 SiO₂를 피복하고 튜브 가마 내에서 GeO₂로 그것을 산화시킴으로써 형성될 수 있다.

편광 유지 섬유(42)로서 사용하기 위해 적당한 높은 복굴절 섬유와 섬유의 다른 종류는 다음에 리스트된 미합중극 특허 :

편광-유지 단일-모드 광 도파관(Polarization-Retaining Single-Mode Optical Waveguide)에 관한 Bhagavatula등에 1985년 10월 29일자로 허여된 미합중국 특허 제4,549,781호 : 고복굴절 섬유의 제조 방법(Method of Fabricating High Birefingence Fibers)에 관한 Pleibel등에 1985년 7월 16일자로 허여된 미합중국 특허 제4,529,426호 : 도파관 및 그 제조방법(Waveguide and Method of Manufactrring Same)에 관한 Huber등에 1984년 8월 14일자로 허여된 미합중국 특허 제4, 465,336호 ; 및 편광 유지 광섬유의 제조방법(Method of Marking Polarizaiton Preserving Optical Fiber)에 관한 Berkey에 1985년 12월 31일자로 허용된 미합중국 특허 제 4,561,871호에 기술되어 있다.

광원(48)로부터의 광선은 종래의 수단에 의해 편광 유지섬유(42) 내로 발사된다. 그때 광선은 입사 광선 부분이 섬유(51)의 자유단으로 결합되는 결합기(50)에 절단된다. 그때, 섬유(42)내에 남아 있는 광선은 제 1도에 상세히 도시된 바와 같이 모듈(10)에 도달한다. 결합기(17)는 시계방향 및 반시계 방향 파를 형성하도록 감지 코일(46)과 연합한 도파관들(15 및 16)에서 실제로 동일하게 광원을 분할한다.

다시 제4a도를 참조하면, 시계 방향 및 반시계 방향 파는 감지 루프(46)을 횡단한 다음 간섭 패턴을 형성시키기 위해 접합부(17)에서 결합한다. 이 간섭 패턴을 형성하는 파는 도파관(14) 내에서 섬유(42)로 전달된다. 삼유(42)내에 형성되는 광 결합기(50)은 검출기(52)에 광선을 유도하는 섬유(51)내로 간섭 패턴을 포함하는 광신호의 일부분과 결합한다. 검출기(52)는 간섭 패턴을 표시하는 전기 신호를 형성한다. 그때 이 전기 신호들은 회전율 및 각 변위(angular displcement)를 결정하도록 처리된다. 회전율 및 각 변위를 결정하기 위한 처리 회로는 미합중국 특허 출원 제 031,323호에 기술되어 있다.

제1도 및 제4a도를 참조하면, 광원(48)로부터의 도파관(14)에 입력된 광선은 기판(12) 상에 형성된 제1편광기(54)를 통해 전달된다. 편광기(54)는 도파관(14)의 국부화 영역 상에 유전(dielectric) 및 금속 과피복물(overcoating)로부터 제조될 수 있다. 도파관(14)에 입력되는 광선 내의 바람직하지 않은 편광 성분은 도파관(14)로부터 편광기(54)를 형성하는 물질내로 결합한다. 바람직한 편광의 광선은 도파관(14)내에 유지하고 있다. 본 발명을 간단히 설명하기 위해, 바람직한 편광 성분은 기판(12)의 플레인 내에 놓여 있고 제1도를 포함하는 페이지의 상부에 상부를 향해 있다.

편광기(40,41 및 54)가 향호하게도 실제로 동일하기 때문에, 편광기(54)만이 본 명세서에 상세히 기술되어 있다. 제11도를 참조하면, 금속 스트립(106)이 도파관(14) 위의 리튬니오베이트 칩(12)상에 배치된다. 금속 스트립(106)은 양호하게도 알루미늄으로 형성되어 있고, 유전 버퍼층(112)는 스트립(106)는 리튬 니오베이트 칩(12) 사이에 배치될 수 있다. 편광기(54)는 입사 광선의 수평 편광 성분을 통과시키고 수직 편광 성분을 감쇠시킨다. 제3도에 도시된 바와 같이, 편광기 (54)는 양호하게도 편광기와 섬유(42)에 인접한 기판(42)의 연부 사이의 거리가 광원(48)로부터 출력되는 광선의 최소한 1개의 감극 길이되도록 배치된다. 감극 길이는 상관(correlation)을 손실하도록 입력광의 편광을 위해 요구되는 전달거리이다. 모듈(10)을 포함하는 회전 센서를 구성하는 양호한 방법으로, 편광기(54)와 복굴절 변조기(18)사이의 통과 편광은 비상관된다.

이와 마찬가지로, 편광기(40 및 41)과 기판(12)의 인접연부 사이의 거리들은 각각 광원(48)로부터의 광선의 감극길이와 동일하다. 편광기(40 및 41)에 인접한 기판(12)의 연부는 양호하게도 도파관(14 및 15)가 상이한 길이를 갖도록 각지게 연마된다. 도파관(14 및 15)의 길이차는 양호하게도 후방 반사를 간섭 패턴 및 바이어스 에러에 상관되고 발생하는 것을 방해하도록 광원(48)로부터 출력되는 광선의 코히어런스길이 보다 길다. 섬유(42-44)의 단부 및 기판(12)의 인접여부는 양호하게도 섬유와 기판 사이의 간섭에서의 굴절이 후방반사를 회소화시키기 위해 브루스터 각(Brewster angle)이 되도록 연마된다.

다시 제1도 및 제4a도를 참조하면, 편광기(54) 후방에 전달한 후, 광원(48)로부터 모듈(10)에 입력되는 광선은 도파관(14)의 대향측 상에 형성되는 전극(132 및 134)의 쌍으로 구성된 복굴절 변조기(130)을 통해 전달된다. 복굴절 변조기(130)은 도파관(14)의 복굴절을 제어한다.

그때, 제1도파관(14)내의 광선은 복굴절 변조기(18)을 통해 전달된다. 복굴절 변조기(18) 및 편광기(54)는 양호하게도 도파관(14)내의 광선의 감극 길이와 동일한 길이로 분리된다. 복굴절 변조기(18)은 유도될 수 있는 2개의 편광을 위해 접합부(17)의 굴절율을 제어한다. 접합부(17)은 유도될 수 있는 광선의 편광에 좌우되는 굴절율을 갖는다. 전달방향이 y-축이면, 그때 선형 편광 성분은 x 및 z-축을 따라 있다. 그러므로 도파관 내의 광선의 굴절율은 n_x및 n_y로 쓰여진다. 도파관에 대한 굴절율 n_x와 n_y사이의 차이는 도파관의 복굴절이다.

접합부(17)내의 광속이 예를 들어 c가 광선의 자유 공간 속도인 v=c/h이기 때문에, 반사율의 변화는 복굴절 변조기(18)의 영역 내의 파의 속도를 변화시킨다. 복굴절 변조기(18)을 통하는 파의 주행 시간(transit time)은 파의 속도에 좌우된다. 그러므로, 파의 속도 변화는 그 주행 속도를 변화시킨다. 주행 시간의 변화는 복굴절 변조기(18)의 출력 단부에 존재하는 정현(sinusoidal)광선의 일부분을 변화하여 알게 된다. 그러므로, 굴절율의 변화는 상이한 방법으로 광선의 2개의 선형 편광의 위상을 변화시키거나 변조시킨다. 복굴절 변조기(18 및 55)는 접합분에서 달성될 수 있는 최소한 2π래디안(radian)의 2개의 선형 편광들 사이에 제어할 수 있는 위상 지연(retardation)을 제공한다.

제1도 및 제6-8도를 참고하면, 복굴절 변조기(18)은 접합부(17) 위에 바로 배치되고 3개의 도파관(14-16) 모두의 일부분에 인접한 전극(60)을 포함하고 있다. 복굴절 변조기(18)은 또한 전극(60)의 대향측 상의 리튬 니오베이트 칩(12)상에 형성되고 거기에 측면으로 배치된 전극(62 및 64)쌍을 포함하고 있다. 제7도를 참조하면, 접합부(17)내에 전계를 형성시키도록 제1전원 V₁은 중앙 전극(60)과 전극(62) 사이에 접속되고 제2전원 V₂는 전극(60 및 64)사이에 접속되어 있다. 이 전계들은 또한 접합부(17)에 도시된 것과 유사한 방법으로 도파관(14-16)을 통해 연장한다.

제7도에 도시된 바와 같이, 전극(60 및 64, 및 62 및 64)로부터의 전계는 접하부(17)과 수직이다. 제7도를 참조하면, 중앙 전극(60)과 전극(62) 사이의 전계는 주로 도면에 도시된 바와 같이 접합부(17)에 수직이다.

기판(12)는 n_o가 굴절율의 정수 성분이고 n₁(E)는 인가된 전계 E의 함수인 n=n₀+n₁(E) 형태의 굴절율을 갖는 리튬 니오베이트와 같은 전기 광학적 활성화 물질로 형성된다. 접합부 내의 전계가 제7도에 도시된 바와 같이 실제로 수직 방향이기 때문에, 전계의 수직 성분만이 반사율에 영향을 미친다. 접합부(17)의 굴절 변화는 유효 광 길이를 변화시킨다. 그러므로, 접합부(17)에 인가된 전계를 제어하는 것은 2개의 편광들에 대해 접합부(17)의 반사율들 사이의 차이를 제어하기 위한 수단을 제공한다. 복굴절 변조기(18)은 양호하게도 접합부에 최소한 2π래디안의 제안할 수 있는 위상지연을 제공하도록 접합부(17)의 굴절율을 조정할 수 있다. 복굴절 변조기(18)은 접합부(17)에서 기판(12)상에 정착되었기 때문에, Y-결합기의 결합영역은 2π래디안 지연을 제공하기에 적합한 전계 응용을 허용하기 위해 충분한 길이를 가져야만 한다. 복굴절 변조기(18) 및 편광기(54)는 모듈(10)을 포함하는 광섬유 회전 센서 내의 노이즈 및 바이어스 에러를 감소시키도록 연합하여 있다.

제1도, 제9도 제10도를 참조하면, 도파관(15 및 16)내의 전달 광선은 미분 위상 변조기(100)을 통과한다. 미분위상 변조기(100)은 기판(12)에 장착된 3개의 전극(101-103)을 포함하고 있다. 전극(101)은 도파관(15 및 16) 사이에 장착된, 전극(102 및 103)은 도파관(15)가 전극(101 및 102) 사이에 있고 도파관(16)이 전극(101 및 103) 사이에 있도록 기판(12)에 장착된다. 전극 쌍(101 및 102, 101 및 103) 각각은 개별적으로 위상 변조기(104) 및 위상 변조기(105)로 구성된다. 결합시에 2개의 위상 변조기들은 2개의 도파관(15 및 16)내의 전달 광선의 위상 차이를 제공하도록 작용한다.

위상 변조기(104 및 105)는 실제로 동일한 구조를 갖고 있기 때문에, 위상 변조기(104) 만이 상세히 기술되어 있다. 제10도 및 제11도를 참조하면, 위상 변조기(104)는 광 도파관(15)의 일부분 및 전극(101 및 102)로 구성되어 있다. 전극 (101 및 102)는 알루미늄 증착에 의해 기판(12) 상에 형성될 수 있다. 전극(101 및 102) 양단의 전압 인가는 도파관(15) 내에 수평 전계를 발생시키고 복굴절 변조기에 대해 상기 기술된 바와 같이 전기광학 효과(electro-optic effect)에 의해 그것의 굴절율(15)를 변화시킨다. 위상 변조기(104)를 통과한 광선의 주행 시간은 전극(101 및 102)에 영향을 받는 도파관(15)의 길이 및 진공 내의 광속에 의해 분할되는 도파관(15)의 굴절율의 적이다. 광선으로 구성되는 전자기장의 정현성 때문에, 주행 시간의 변화는 파의 위상 변화라 생각한다. 미분위상 변조기(100)은 광섬유 회전 센서의 폐쇄 루프 동작에 대한 세로다인(serrodyne) 기술을 사용한다.

미분 위상 변조기(100)에서, 광선의 위상은 도파관(15 또는 16) 중 1개의 도파관 내에 진행되고 다른 도파관 내에서 지연된다. 그때 도파관(15) 내의 광선은 광섬유(43)에 도달하기 전에 제2편광기(40)을 통해 전달된다. 도파관(16)내의 광선은 광섬유(44)에 도달하기 전에 제3편광기(41)을 통해 전달된다. 섬유(43 및 44)는 섬유 코어들이 그 사이에 광선을 전달시키기 위해 도파관들과 정렬되도록 기판과 결합된 버트일 수 있으나 본 발명은 이 종류의 결합으로 제한되지 않는다. 제2 및 제3편광기(40 및 41)은 개별적인 도파관(15 및 16)에 유도되는 광선에 동일한 편광 효과를 적용한다. 미분 위사 변조기(100) 및 편광기(40 및 41)은 고척도 인자 선형성 및 반복성을 보증하도록 연합한다.

미분 위상 변조기(100)은 또한 복굴절 변조기로서 동작될 수 있다. 전극(101-103)에 적당한 전압 인가는 도파관(15 및 16)의 복굴절로 이루어지도록 제어할 수 있는 변화를 허용한다.

제2도를 참조하면, 본 발명의 집적 모듈의 좌측 연부는 양호하게도 결합 영역(17)로부터 연장하는 2개의 도파관(15 및 16)의 길이가 유도되는 광선의 1개 이상의 코히런스 길이 L_coh에 길이에서 상이하도록 연마된 모퉁이이다. 초발광 다이오드(SLD) 광원에서 코히어런스 길이는 약 50㎛이다. 섬유(43 및 44)의 단부는 굴절이 섬유 내로 도파관을 형성하거나, 그 역으로 섬유/도파관 인터페이스에서 전송을 최대화하기 위해 스넬의 법(Snell's Law)을 만족하도록 연마된다. 부수적으로 제2 및 제3편광기(40 및 41)은 양호하게도 도파관(15 및 16)에 결합된 섬유(43 및 44)가 개별적으로 최소한 1개의 감극 길이(Lγ)인, 편광기로 부터 기판(12)의 인접 연부(114)까지의 거리에 배치되어 있다.

제3도를 참조하면, 편광기(54)는 또한 양호하게도 기판(12)의 연부(116)으로부터 최소한 1개의 감극 길이로 배치되어 있다. 연부(116) 및 연부(116)에 인접한 섬유(42)의 단부는 또한 스넬의 법칙이 최대 전송을 달성하기 위해 만족되도록 선택된다.

광섬유(42), 편광기(54) 및 복굴절 변조기(18 및 55)는 집적 광 모듈을 사용하여 형성된 광섬유 회전 센서 내의 노이즈 및 바이어스 에러를 감소시키도록 함께 동작한다. 미분 위상 변조기(100)은 광섬유 자이로스코프의 폐쇄 루프 동작에 대한 세로다인 기술을 실행시킨다. 미분 위상 변조기는 도파관(15 및 16) 각각의 복굴절을 제어하고 이 도파관들의 복굴절의 차이를 제어하도록 사용될 수 있다. 제2 및 제3편광기(40 및 41)은 1개의 편광만이 변조기를 통과하도록 미분 위상 변조기(100)을 적당히 동작시키기 위해 사용된다. 편광기(40 및 41)은 원하지 않던 편광을 여과시킴으로써 고척도 인자 선형성 및 반복성을 보증한다.

제4a도는 편광된 광선을 갖는 본 발명의 동작을 도시한 것이다. 편광 유지 방향 결합기(50)은 광원(48)로부터 모듈(10)까지 광선을 유도한다. 편광 유지 섬유(42,43 및 44)의 주 축은 직접 광 모듈(10)내의 도파관(14-16)의 주축과 일렬 정렬되고 초발광 다이오드(48)내의 p-n접합부(도시하지 않음)와 수직이다. 이 구성은 초발광 다이오드(48)로부터의 최대광 신호 출력을 광 검출기(52)에 제공한다.

모듈(10)에 입력되는 광선은 접합부(17)에서 분할되고 제2광 섬유(43) 및 제3광 섬유(44) 외부로 전달된다. 집적 광 모듈(10)에서 출력되자마자, 광선은 본 발명의 편광 동작을 위한 편광 유지 섬유로 또한 형성되는 감지 코일(46)으로의 입력을 형성한다. 모듈(10)에서 출력되는 2개의 광선 비임은 감지 코일(46)내의 역전달 광선 비임으로 된다. 감지 코일(46)을 횡단하고 코일의 평면을 통하여 라인 주위의 코일(46)의 회전율을 표시하는 위상 시프트된 이후에, 광선은 집적 광 모듈(10)에 재진입한다.

2개의 광선 비임은 도파관(15 및 16)에서 집적 광 모듈(10)에 재진입한다. 도파관(15)에 진입한 파는 접합 영역(17)에 도달하기 전에 편광기(40) 및 미분 위상 변조기(10)을 통하여 전달된다. 도파관(16)에 진입한 파는 2개의 파가 재결합하는 접합 영역(17)에 도달하기 전에 편광기(41) 및 미분 위상 변조기(100)통하여 전달된다. 복굴절 변조기(18)은 접합부(17)의 복굴절을 제어한다. 미분 위상 변조기(100)은 또한 복굴절 변조기로서 작용한다. 재결합된 파들은 감지 코일(46)내의 파의 사냑 위상 시프트를 표시하는 간섭 신호 패턴을 형성한다. 접합부(17)에서 재결한 이후에, 파들은 복굴절 변조기(130) 및 편광기(54)를 통하여 전달된다. 그러므로, 복굴절 변조는 접합부(17) 및 각각의 도파관들(14-16)에 제공된다.

간섭 패턴을 갖고 있는 신호는 복굴절 변조기를 지나서 편광기(54)의 스텝(14)로 전달되고 제1편광기(12)를 통하여 광섬유(42) 내로 전달된다. 방향 결합기(50)은 신호를 광 검출기(52)로 유도하는 광 섬유내로 신호를 결합한다. 광 검출기(52)는 자이로스코프(45)로부터 전달되는 광의 간섭 패턴의 세기를 나타내는 전기 신호를 발생시킨다.

자이로스코프(45)의 회전이 변화는 간섭 패턴의 세기를 변화시키고, 다시 간섭 패턴의 세기를 나타내기 위해서 광 검출기에 의해 발생된 전기 신호의 세기를 변화시킨다.

제4b도는 비편광 광선을 갖는 본 발명의 동작을 도시한 것이다 제4b도에서, 편광 유지 섬유(55)의 길이는 광원(48)로부터 광선을 수신한다. 편광 유지 섬유는 광선을 단일 모드 결합기(53)에 유도하는 단일 모드섬유(57)에 버트-결합된다. 소정의 광선은 섬유(57)내에서 모듈(10)에 전달된다. 편광유지 섬유(61)의 길이는 도파관(15)와 감지 코일(63) 사이에 장착되는데, 통상적인 단일 모드 섬유로 형성된다. 편광 유지 섬유(55 및 61)는 양호하게 1 내지 10m의 길이를 갖는다.

2개의 편광 유지 섬유 길이(55)의 주 축은 모듈내의 도파관(15)의 주축으로의 광원(48)내의 반도체 접합과 45°로 배향된다. 이 구성은 제4a도를 참조하여 상기 기술된 것과 같은 편광 광선을 갖는 본 발명과 관련된 손실 이상으로 광원(48)로 부터의 부수적인 6db의 손실을 광검출기(52)에 제공한다. 그러나, 제4b도에 도시한 이 구성은 기구의 비용을 감소시킬 수 있는 종래의 단일 모드 섬유 코일(53) 및 부품을 사용할 수 있다.

제1도의 집적 모듈(10)은 소정의 광 섬유 자이로스코프 구조에 사용될 수 있다. 편광 동작만이 요구된다면, 제2 및 제3편광기(40 및 41)은 생략될 수 있다. 높은 바이어스 에러가 허용될 수 있다면, 복굴절 변조기(18)가 생략될 수 있다. 미분 위상 변조기(100)은 도파관(15 및 16)의 복굴절을 제어하기 위해서 복굴절 변조기로서 동작될 수 있다. 복굴절 변조기(130)은 도파관(14)의 복굴절을 제어한다. 높은 바이어스 에러가 허용될 수 있다면, 미분 위상 변조기(100) 및 복굴절 변조기(130)은 모듈(10)내의 복굴절을 적당히 제어할 수 있다. 더욱 높은 섬유 레벨의 바이어스 에러가 특정한 응용에서 허용된다면 편광기(54)도 또한 생략될 수 있다.

제5도를 참조하면, 비가역 구성은 가장 낮은 정밀성 응용을 위해 사용될 수 있다. 이 구성에서, 광원(126) 및 광검출기(128)은 도파관(14-16), 결합기(18), 및 미분 위상 변조기(100)만을 포함하는 집적 모듈(124)의 우측 연부에 부착된다. 제5b도를 참조하면, 광원은 도파관(14)의 단부상에 직접 장착된다. 모듈의 연부는 손실 및 후방 반사를 최소화 시키기 위서서 연마된 모퉁이로 될 수 있다. 검출기는 도파관(14)로부터의 비가역 파를 차단하기 위해서 광원 아래에 배치된다. 이 구성은 광 상호 접속부의 적은 수가 필요하게 되는 고가속 환경속에서 유리할 수 있다.

복굴절 변조를 제공하기 위해 제1도를 참조하여 기술된 1개 이상의 장치는 비가역성을 감소시키는데 필요하다면 제5도의 장치 내 포함될 수 있다.

Claims (2)

1. 광원(48)로부터 광선을 수신하는 광섬유(42)의 광회전 센서(19)를 형성하기 위한 광섬유 감지코일(46)사이에 정착시키기 위한 집적 광 모듈(10)에 있어서, 제어할 수 있는 굴절율을 갖는 광학적 활성 물질로 구성된 기판(12), 제1도파관(14)가 광원(48)로부터 광신호를 수신하기 위해 광섬유(42)에 접속하여 구성되고 제2 및 제3도파관(15,16)이 광섬유 감지 코일(46)의 대향 단부에 접속하여 구성된, 기판(12) 내에 형성되고 접합부(17)에 접속된 다수의 광 도파관들(14,15,16), 3개의 광 도파관들(14,15,16)의 각각에 전달되는 광 신호들을 편광시키기 위해 기판(12)상에 형성된 수단(40,41,54), 접합부(17)의 복굴절을 변조시키기 위해 접합부(17) 위의 기판(12) 형성된 수단(18), 접합부의 복굴절을 변조시키기 위해 제1도파관(14)의 일부분 위의 기판(12) 상에 형성된 수단, 및 제2 및 제3도파관(15,16)내에 전달되는 광파들 사이의 위상차를 변조시키고, 제2 및 제3도파관들(15,16)의 복굴절을 변조시키기 위해 기판(12) 상에 형성된 미분 위상변조기 수단(100)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집접 광 모듈(10).
2. 광원(48)로부터 광선을 수신하는 광섬유(42)와 광회전 센서(19)를 형성하기 위한 광섬유 감지코일(46)사이에 장착시키기 위한 집적 광 모듈(10)을 형성하는 방법에 있어서, 제어할 수 있는 굴절율을 갖는 광학적 활성 물질로 기판(12)를 형성하는 단계, 기판(12)내에 다수의 광 도파관들(14,15,16)을 형성하는 단계, 광원(48)로 부터 광신호를 수신하는 광섬유(42)에 접속하기 위해 도파관들중 제1도파관(14)를 구성하는 단계, 광섬유 감지 코일(46)의 대향 단부에 접속하기 위해 제2 및 제3도파관(15,16)을 구성하는 단계, 결합기(18)을 형성하기 위해 접합부(17)에서 광도파관(14 내지 16)을 접속하는 단계, 3개의 광도파관들(14,15,16)의 각각에 전달되는 광신호들을 편광시키기 위해 기판(12)상에 수단을 형성하는 단계, 3개의 광도파관(14,15,16)의 복굴절을 변조시키기 위해 접합부(17)에 인접한 기판(12)상에 수단을 형성하는 단계, 및 제2 및 제3광도파관(15,16)내에 전달되는 광파들 사이의 위상차를 변조시키기 위해 기판(12)사에 미분 위상 변조기 수단을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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