説明

集積光源付光ファイバージャイロスコープ

【課題】集積光源付光ファイバージャイロスコープシステムの形成方法の提供。
【解決手段】光ファイバージャイロスコープシステム用の集積モジュールはサニャック効果を介して感知軸周りの回転を感知するように配した光ファイバー感知コイルと、基板と、基板上に形成した希土類ドープ光導波路とそして光源とを含む。光源と希土類ドープ光導波路26は光ファイバー感知コイル内に互いに逆向きの光波を生成するように配される。希土類ドープ光ポリマー導波路を使用してこれらの構成要素を形成することによって、製造時間を短縮し、工程を簡略化し、低いコストで製造できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は一般に光導波路に関し、詳しくは光ポリマー導波路ならびにこのような導波路の、光ファイバー回転センサーシステムにおける使用に関する。
【背景技術】
【0002】
エルビウム、プラセオジムおよびネオジミウムのような希土類イオンでドープした光ファイバーは周知である。光増幅器、超蛍光光源そしてファイバーレーザーがドープファイバーテクノロジーを用いて製造されている。先行技術の導波路の製造では、導波路は光学的に透明な基板内に形成される必要がある。希土類イオンが次いで基板の導波路領域に拡散される。先行技術の工程は時間がかかり、プロセスエラーが発生する可能性がある多くの工程を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
この発明は希土類ドープ光ポリマー導波路および変調器を使用する。この使用の、他のドープ導波路を越える利点は製造方法と、光ファイバーのそれに匹敵して接近した屈折率にある。
【0004】
ドープポリマー導波路の製造はより簡素で、より短い製造時間で、エラーの可能性が少なく、先行技術による導波路の製造より低いコストであることを証明する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
サニャック効果を介して感知軸まわりの回転を感知するように配置した光ファイバー感知コイルを包有する光ファイバージャイロスコープシステムのための集積モジュールは、基板と、基板上に形成した光導波路と、基板上に形成したドープ導波路を有する光源とを含み、光源ならびに光導波路は光ファイバー感知コイル内に逆方向に伝播する光波を生じるように配置してあり、そして集積モジュールは、基板に形成されて光ファイバー感知コイル内の光波の位相を変調する位相変調器を構成する複数の電極を有する。
【0006】
光源は希土類ドープポリマー導波路とこの希土類ドープポリマー導波路に光結合したポンプ光源とを含むように形成できる。光源はまた、希土類ドープポリマー導波路の第1の端部に位置する第1の光反射器と希土類ドープポリマー導波路の第2の端部に位置する第2の光反射器とを含み、第2の光反射器は部分透過性として光信号を希土類ドープ光導波路から出力させるものとしてもよい。第1と第2の光反射器は鏡またはブラッグ格子として形成しても良い。
【0007】
光源は、あるいはまた、第1の端部と第2の端部を有する希土類ドープポリマー導波路と、第1と第2の端部間で希土類ドープポリマー導波路内に光を結合するように配置した光結合器と、希土類ドープポリマー導波路に入力されるポンプ光を光結合器に送るように配置したポンプ光源とを含む。光源は更に、希土類ドープポリマー導波路の第1の端部近傍に位置する光反射器として機能するように配置した第1のブラッグ格子と、希土類ドープポリマー導波路の第1の端部と光結合器との間に位置する光反射器として機能するように配置した第2のブラッグ格子とを含み、第2のブラッグ格子は光信号を希土類ドープ光導波路から出力させるように部分透過性とする。
【0008】
請求項7の集積モジュールは、更に、第2のブラッグ格子の温度を制御して波長の安定性を維持し、集積モジュールを選択波長に同調するように配置した温度制御装置を含む。
【0009】
光源は希土類ドープガラス導波路およびこの希土類ドープガラス導波路に光結合したポンプ光源を有しても良い。光結合器が基板上のポンプ光源と希土類ドープガラス導波路との間に形成され、波長分割マルチプレクサが基板上の光結合器と希土類ドープガラス導波路との間に形成されて、希土類ドープガラス導波路内に形成された光信号が波長分割マルチプレクサに伝播するようにしても良い。光源は更に、波長分割マルチプレクサに光結合されて光信号を該マルチプレクサから受ける光アイソレーターと、光アイソレーターに結合されて光信号を複数の光ファイバー感知コイルに送るように配置した光信号スプリッターとを含んでも良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例1】
【0011】
図1について、光ファイバージャイロスコープ20はポリマー基板24上に形成したモジュール22を含む。ポリマー基板24の第1の区分は希土類材でドープされて希土類ドープポリマー導波路(REDPW)26を形成する。REDPW26は基板24の対向縁28および30の間を横切って延びる。ポンプ光源32が光ファイバー36によってREDPW26の一端34に接続される。ポンプ光波とREDPWとの相互作用で拡大自然放出(ASE)光源38を形成する。
【0012】
ポリマー基板24の第2と第3の区分はドープされて光導波路40および42を形成する。光導波路40および42はそれぞれ、望ましくは平行な区分44と46の各々を有する。光導波路40および42はまた、互いに収束して光結合器52を形成する区分48および50の各々を有する。
【0013】
光導波路40および42の平行な区分44および46は、それぞれ、光ファイバー感知コイル54に光結合される。光導波路42の一端56はREDPW26に光結合される。光導波路40の一端58は光ファイバー60に光結合される。
【0014】
モジュール22はまた、基板24上に形成した電極64−66を含む位相変調器62を包有する。基板24は望ましくは電子光学的な活動を有するポリマーチェーンを有するものとして形成される。これらポリマーチェーンはクロマフォアーと呼ばれ、適切な電圧が印加されると反応する。電極64−66は制御エレクトロニクスシステム68に接続される。
【0015】
光源38からの光信号は光導波路42内に結合される。光結合器52は望ましくは光導波路42からの光源光の半分を光導波路40に結合する3dB装置である。光導波路40および42内の光信号は、それぞれ、時計方向と反時計方向の光波として光ファイバー感知コイル54に入力される。光ファイバー感知コイル54がその平面に直角な感知軸について回転すると、時計方向と反時計方向の光波はサニャック効果に従って光ファイバー感知コイル54内で異なる通過時間を持つことになる。光ファイバー感知コイル54を通過したあと、時計方向と反時計方向の光波は光結合器52に伝播して戻り、そこで光波は結合して干渉パターンを形成する。結合された時計方向と反時計方向の光波を光導波路が光ファイバー60に導波し、光ファイバー60はこれら光波を光検出器70に導波する。光検出器70は光ファイバー感知コイル54の回転速度の決定のために処理される電気信号を生成する。
【0016】
ポリマー導波路の製造には他のフォトリシック処理に用いられるものと同じ技術を用いる。ここでは光導波路は、紫外線(UV)養生可能な材料から作られ、フォトマスクされ、露出され、UV照射下で養生されて、ポリマー材料にパターンが付与されて、光導波路が形成される。候補となるドープ用イオンには、ほんのいくつかを挙げると、エルビウム(Er+3)、ネオジム(Nd+3)、プラセオジミューム(Pr+3)が含まれる。これらのイオンは光ファイバー産業ではドープ用材料として一般に用いられているため名指すが、これらのみをもって考慮すべき材料とすべきではない。
【実施例2】
【0017】
図2は本発明に従って形成した3軸の光ファイバージャイロスコープ72を示す。この光ファイバージャイロスコープ72は3個の光ファイバー感知コイル74−76を含む。これら光ファイバー感知コイル74−76は互いに直角の3個の軸(図示しない)についての回転を感知するように配置されることを理解すべきである。光ファイバージャイロスコープ72はポリマー基板80上に形成した集積化光信号源・位相変調器アセンブリー78を含む。この集積化光信号源・位相変調器アセンブリー78は3個の位相変調器82−84と、6個の光導波路86−91と、3個の光結合器94−96と、そしてASE光源として機能する3個の希土類ドープ光導波路98−100とを含む。光ファイバー列ユニット102は6個の光ファイバー104−109を含む。光ファイバー104,106,108はそれぞれ光導波路86,88および90に光結合される。光ファイバー105,107,109はそれぞれ希土類ドープ光導波路98−100に光結合される。ポンプレーザー112−114が光ファイバー105,107,109に光結合される。光検出器116−118が光ファイバー104,106,108により導波される光信号を受けるように配置される。光検出器116−118は電気信号を制御エレクトロニクスモジュール120に提供し、制御エレクトロニクスモジュール120はまたポンプレーザー112−114を制御するように配置される。
【0018】
ポンプレーザー112−114からのポンプ光はそれぞれ光ファイバー105,107および109内を希土類ドープ光導波路98−100へ伝播する。ポンプ光は希土類ドープ光導波路98−100と反応してそれらをASE光源として機能させるようにする。光結合器94−96はASE光を感知コイル74−76内の時計方向の光波と反時計方向の光波とに分割する。感知コイル74−76がそれらの感知軸について回転すると、サニャック効果に従って、各コイル内を逆方向に伝播する光波に各コイルのそれぞれの回転速度を表す位相シフトが生じる。位相シフトした光波は感知コイル74−76を通過した後光結合器内で組み合わさり、干渉パターンの形で出力信号を生成する。光導波路86、88および90は光結合器94−96からの出力信号を光ファイバー104,106,108に導波し、これら光ファイバーは出力信号を更に光検出器116−118まで導波する。制御エレクトロニクスモジュール120が光検出器116−118から電気信号を受け、これら信号を処理して感知コイル74−76の各々について回転速度を決定する。制御エレクトロニクスモジュール120はまた位相変調器82−84(PM1、PM2およびPM3とも表記)に信号を送って3個の感知コイル74−76の各々における時計方向と反時計方向の光波の位相差を取消す。
【実施例3】
【0019】
図3は本発明による光ファイバージャイロスコープの形成に用い得るモジュール130を示す。このモジュール130は、シリコン上のシリカのようなドープガラスでなる基板132上に形成され得る。モジュール130はエルビウムドープ導波路134と、波長分割マルチプレクサ(WDM)136と、ジャンクション142において交差する一対の導波路138および140と、ポンプレーザー144とを含む。基板132上に形成される光導波路は、望ましくは当業で周知の、コンパクトな平面状光波回路として形成される。ポンプレーザー144はポンプ光を光導波路138に送り、光導波路138はポンプ光をWDM136に導波する。WDM136はエルビウムドープ導波路134と光結合される。ポンプ光はエルビウムドープ導波路をASE光信号源として機能させるようにする。エルビウムドープ導波路134を発した光はWDM136を通って光導波路140に伝播する。
【0020】
光導波路140はWDM136からの光信号を基板132上に形成し得る光アイソレーター146に導波する。光アイソレーター146は光信号を一方向にのみ伝播させる。光アイソレーター146を通過した後、光信号は光導波路148を通ってジャンクション150に伝播し、ジャンクション150は1×3光結合器として機能する。光信号強度のおおむね3分の1が光導波路148内に留まり、残余は二つの光導波路152および154の間で分割される。
【0021】
光導波路148,152および154は各々光信号を基板132上に形成したブラッグ格子156に導波する。ブラッグ格子156を越えて伝播した後、光信号は光導波路148,152および154から対応する光ファイバー158−160に結合され、図2に示すような光ファイバー感知コイルに入力される。
【0022】
感知コイルから戻った信号は光導波路148,152および154から光導波路162−164に結合し、次いで光検出器166−168により検出される。光検出器166―168から出力される電気信号は図2について前述したように制御エレクトロニクスモジュールによって処理され、互いに直角の3個の感知軸についての回転速度を決定する。
【0023】
図4−9は光ファイバージャイロスコープ回転センサーシステムに用いるに適した光信号源のための希土類ポリマー導波路を含む各種構成を示す。図4について、光源170はポンプ光を光導波路174内に注入するように配した光ポンプ172を含む。ポンプ光は光導波路174内を、ポリマー基板178内に形成した希土類ドープポリマー導波路176に伝播する。ポンプ光はドーパントとの相互作用により拡大自然放出(ASE)又は超蛍光(SFS)光信号出力を生成する。
【0024】
図5は逆ポンプ光源180を示す。光導波路182は光ポンプ172からのポンプ光をポリマー基板178内の光結合器に導波する。ポンプ光は希土類ドープポリマー導波路176内に結合して、図4について前述したように光出力を生成する。光源180内のポンプ光は光出力から反対方向に伝播し、光源180の光出力には含まれない。
【0025】
図6について、逆ポンプされ狭い線幅のレーザー源186は希土類ドープポリマー導波路176の両端192および194を終わらせるように配置した鏡188および190を含む。鏡188は非常に高い反射性を有するのに対し、鏡190は部分透光性である。これら鏡188および190は発射光のモードを制限して少しのレージングモードのみを選択してレーザー出力として鏡190を通過させる。
【0026】
図7について、逆ポンプレーザー構成196は、希土類ドープポリマー導波路176の両端近くに位置させてゲインキャビティを形成する一対のブラッグ格子198および200を用いる。ブラッグ格子200はレーザー光をゲインキャビティから出させる。
【0027】
図8は、図7におけるように希土類ドープポリマー導波路176の一端近くに位置するブラッグ格子198を有する逆ポンプレーザー構成202を示す。光結合器184が第2のブラッグ格子204と希土類ドープポリマー導波路176の出力端との間にくるように、第2のブラッグ格子204が配置される。
【0028】
図9は、希土類ドープポリマー導波路176の一端の鏡208と、図8に示すように鏡208と光結合器184との間に配したブラッグ格子204とを含む逆ポンプレーザー構成206を示す。鏡208とブラッグ格子204はレージングキャビティを区画し、ブラッグ格子204はまたレーザービームとしてレージングキャビティから出力される波長を選択するために使用される。レーザー構成206にまた小型の熱電装置210を含めれば、ブラッグ格子204の温度を制御して波長安定性を維持し、レーザーを選択波長に同調するために使用できる。
【0029】
光結合器184は光導波路216からの光を希土類ドープポリマー導波路176に結合するよう形成される。ポンプ光源212はポンプ光を光導波路216に送るように配される。アイソレーター214がポンプ光源212と光導波路216の間におかれる。光検出器218が光導波路216からのポンプ光の一部を受けてポンプ光源の強度を監視するよう配置される。レーザー出力は光ファイバーピグテールに結合できる。
【0030】
レーザー構成206の構成要素は、レーザー構成206の温度制御を行うために配置した熱電装置222上に取り付けられ得る。熱電装置222は、シリコンまたは他の適宜の材料で形成したベース224上に取り付けられ得る。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明による光ファイバージャイロスコープの第1の実施例を示す。
【図2】本発明による光ファイバージャイロスコープの第2の実施例を示す。
【図3】本発明による光ファイバージャイロスコープの第3の実施例を示す。
【図4】本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成する光ポンプに接続したストレートチャンネル希土類ドープポリマー導波路(REDPW)を示す。
【図5】本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するための3dBスプリッターを用いた逆ポンプREDPWを含む光源を示す。
【図6】本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにゲインキャビティを形成する鏡を用いたREDPWレーザー構成を示す。
【図7】本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにゲインキャビティを形成するブラッグ格子の第1の配列を用いたREDPWレーザー構成を示す。
【図8】本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにゲインキャビティを形成するブラッグ格子の第2の配列を用いたREDPWレーザー構成を示す。
【図9】本発明による光ファイバージャイロスコープに含まれ得る光源を形成するためにレーザーキャビティを形成する鏡とブラッグ格子を用いたREDPWレーザー構成を示す。
【符号の説明】
【0032】
20 光ファイバージャイロスコープ
22 集積モジュール
24 ポリマー基板
26 希土類ドープポリマー導波路
32 ポンプ光源
36 光ファイバー
38 拡大自然放出(ASE)光源
40,42 光導波路
52 光結合器
54 光ファイバー感知コイル
60 光ファイバー
62 位相変調器
64−66 電極
68 制御エレクトロニクスシステム
70 光検出器
72 光ファイバージャイロスコープ
74−76 光ファイバー感知コイル
78 集積化光信号源・位相変調器アセンブリー
80 基板
86−91 光導波路
94−96 光結合器
98−100 希土類ドープ光導波路
102 光ファイバー列ユニット
104−109 光ファイバー
116−118 光検出器
120 制御エレクトロニクスモジュール
130 モジュール
132 基板
134 エルビウムドープ導波路
136 波長分割マルチプレクサ
138,140 光導波路
144 ポンプレーザー
146 光アイソレーター
148,152,154 光導波路
150 ジャンクション
156 ブラッグ格子
158−160 光ファイバー
162−164 光導波路
166−168 光検出器
170 光源
172 光ポンプ
174 光導波路
176 希土類ドープポリマー導波路
178 ポリマー基板
180 逆ポンプ光源
182 光導波路
184 光結合器
186 レーザー源
188,190 鏡
196 逆ポンプレーザー構成
198,200 ブラッグ格子
202 逆ポンプレーザー構成
204 ブラッグ格子
206 逆ポンプレーザー構成
208 鏡
210 熱電装置
212 ポンプ光源
214 アイソレーター
216 光導波路
218 光検出器
222 熱電装置
224 ベース

【特許請求の範囲】
【請求項1】
サニャック効果を介して感知軸まわりの回転を感知するように配した光ファイバー感知コイル(54)を含む光ファイバージャイロスコープシステム用の集積モジュール(22)であって、
基板(24)と、
基板(24)上に形成した希土類ドープ光導波路(26)と、
希土類ドープ光導波路(26)を含む光源(38)であってこの光源(38)と希土類ドープ光導波路(26)は光ファイバー感知コイル(54)内に逆方向に伝播する光波を生じるように配置されたものと、
基板(24)上に形成されて光ファイバー感知コイル(54)内の光波の位相を変調する位相変調器(62)を形成する複数の電極(64−66)と
を有する光ファイバージャイロスコープシステム用の集積モジュール(22)。
【請求項2】
希土類ドープ光導波路(176)を包有し、ポリマーならびに希土類ドープポリマー導波路(176)と光結合したポンプ光源(172)を有する光源(180)を含む請求項1の集積モジュール(22)。
【請求項3】
光源(186)を含み、光源(186)は
希土類ドープポリマー光導波路(176)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)に光結合されたポンプ光源(172)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)の第1の端部(192)に位置する第1の光反射器(188)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)の第2の端部(194)に位置し、部分透過性で光信号を希土類ドープポリマー光導波路(176)から出力させる第2の光反射器(190)と
を包有する請求項1の集積モジュール(22)。
【請求項4】
第1と第2の光反射器(188,190)は鏡として形成される請求項1の集積モジュール。
【請求項5】
第1と第2の光反射器(188,190)はブラッグ格子(196,200)として形成される請求項1の集積モジュール。
【請求項6】
光源(38)は、
第1の端部(192)と第2の端部(194)を有する希土類ドープポリマー光導波路(176)と、
第1と第2の端部(192,194)の間の希土類ドープポリマー光導波路(176)内に光を結合するように配した光結合器(184)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)への入力用としてポンプ光を光結合器(184)に提供するように配したポンプ光源(172)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)の第1の端部(188)近傍に位置する光反射器として機能するように配した第1のブラッグ格子(198)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)の第2の端部(194)近傍に位置する光反射器として機能するように配し、希土類ドープポリマー光導波路(176)から光信号を出力させるように部分透過性である第2のブラッグ格子(200)と
を有する請求項1の集積モジュール(22)。
【請求項7】
光源(38)は、
第1の端部(192)と第2の端部(194)を有する希土類ドープポリマー光導波路(176)と、
第1と第2の端部(192,194)間の希土類ドープポリマー光導波路(176)内に光を結合するように配した光結合器(184)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)への入力用としてポンプ光を光結合器(184)に提供するように配したポンプ光源(172)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)の第1の端部(192)近傍に位置する光反射器として機能するように配した第1のブラッグ格子(198)と、
希土類ドープポリマー光導波路(176)の第1の端部(192)と光結合器(184)との間に位置する光反射器として機能するように配し、希土類ドープポリマー光導波路(176)から光信号を出力させるように部分透過性である第2のブラッグ格子(200)と
を有する請求項1の集積モジュール(22)。
【請求項8】
第2ブラッグ格子(200)の温度を制御して波長の安定性を維持すると共にモジュール(22)を選択した波長に同調させるように配した温度制御装置(210)を更に備える請求項7の集積モジュール(22)。
【請求項9】
ポンプ光源と希土類ドープガラス導波路(134)の間に形成された光結合器(142)と、
光結合器(142)と希土類ドープガラス導波路との間の、希土類ドープガラス導波路(134)内で形成された光信号が伝播する波長分割マルチプレクサ(136)と、
波長分割マルチプレクサ(136)と光結合されて該マルチプレクサから光信号を受信する光アイソレーター(146)と、
光アイソレーター(146)に結合されて光信号を複数の光ファイバー感知コイルに提供するように配した光信号スプリッター(150)と
を更に包有する請求項1の集積モジュール(22)。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2008−292490(P2008−292490A)
【公開日】平成20年12月4日(2008.12.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−134495(P2008−134495)
【出願日】平成20年5月22日(2008.5.22)
【出願人】(507408316)ノースロップ グラマン ガイダンス アンド エレクトロニクス カンパニー,インコーポレーテッド (8)
【氏名又は名称原語表記】NORTHROP GRUMMAN GUIDANCE AND ELECTRONICS COMPANY, INC.
【住所又は居所原語表記】1840 Century Park East, Los Angeles, CA 90067−2101, U.S.A.
【Fターム(参考)】