関連出願 本出願は、2018年1月22日に出願された米国特許出願第15/877,110号明細書の継続出願であり、2017年3月23日に出願された米国特許仮出願第62/475,476号明細書の利益を主張するものであり、これらの出願全体の教示が、参照により本明細書に組み込まれる。

光ファイバ・ジャイロスコープ(FOG:fiber optic gyroscope)は、光源を使用して光を生成し、ファイバ検知コイルの回転を検出する際に使用するために、ファイバ検知コイル内に導入される。広帯域光源を使用する利点には、(i)高い光パワー、および(ii)短いコヒーレンス長が含まれる。コヒーレンス長が短いことにより、たとえば、後方反射、後方散乱、および/または偏光の交差結合によって、システム内で生成される様々な寄生波(parastic wave)の干渉のコントラストが低下する。コヒーレンス長が短いことにより、光学的な非相反性を引き起こし、回転測定誤差を生ずる、カーの非線形効果もまた抑制される。

スーパールミネッセンスに基づく端面発光半導体ダイオードは、FOGデバイスで典型的に使用される光源の一種である。かかる光源は、レーザ・ダイオードの高出力および輝度、ならびに従来の発光ダイオードの低いコヒーレンスを兼ね備える。端面発光半導体ダイオードの放射帯域幅は、通常15nmから50nmの間である。次いで、かかる広帯域のスーパールミネッセンス・ダイオード(本明細書では「SLD:superluminescence diode」と呼ばれる)から放出された光は、回転検知光学システムに結合され得る。回転検知光学システムでは、SLDからの光が分割され、光ファイバ検知コイル内を伝搬する対向伝搬光ビームを作成するために使用される。FOGの回転に対応する光ファイバ検知コイルの物理的な回転の結果、対向伝搬波間の位相シフトが発生する。対向伝搬光ビームは、第1の方向性結合器によって光検出器に送られ、そこで光ビームの強度(2つのビーム間で干渉した結果生じる)が測定され、FOGの回転の角速度が判断される。FOGの回転の角速度は、本明細書で「スケール・ファクタ」と呼ばれる用語によって、検知コイル内の光によってもたらされる位相情報に関係づけられる。スケール・ファクタは、2つの光ビーム間の位相変化量を、FOGの回転角速度に関係づけることで、FOGの感度を表す。スケール・ファクタは、SLD光のスペクトルの加重平均である、SLD光の「有効干渉波長」に線形に関係する。

FOGの実用的な用途では、様々な環境条件の範囲にわたって安定した状態で保持されるスケール・ファクタを必要とする。ただし、様々な現象が有効な干渉波長に影響を与え、それによってスケール・ファクタに影響を与える可能性がある。たとえば、SLDは一般に、温度(通常30〜400ppm/℃)および駆動電流(通常10〜40ppm/mA)に対する波長安定性が不十分である。光の帰還が、スペクトル形状を変えるか、またはスペクトルのリップルを加えることで、有効干渉波長に影響を与える可能性もある。さらに、FOGの個々の光学部品が、SLDの光スペクトルの形状を変える可能性がある。こうした光学部品は、SLDの広帯域光に対するスペクトル・フィルタとして機能し、光学部品を透過する光の有効干渉波長を変える可能性がある。フィルタ処理の仕組みは、光源とPMファイバとの間のモード・フィールドの差、ファイバのPIC導波路への接続部での帯域幅の制限、方向性結合器の分割比のスペクトル依存性、または偏波器の透過のスペクトル帯域幅の制限など、様々であり得る。

光学部品はまた、経年変化および/または環境条件に伴い、波長が変化する可能性もある。光源および光学回路が過酷な環境にさらされると、光スペクトルの変化が加速され、スケール・ファクタに大きな誤差が生じる可能性がある。光源の広帯域スペクトル内の相異なる波長が、FOGの光学回路内の部品の経年変化のために、相異なるレベルで減衰する可能性がある。かかる部品には、偏波器、結合器、および光ファイバと集積導波路との間の接続継手が含まれ得るが、それに限定されるものではない。こうした部品の1つまたは複数のばらつきにより、有効干渉波長がシフトし、それによってスケール・ファクタが変わる可能性がある。高精度を必要とする用途で使用されているFOGの場合、こうしたばらつきにより許容できないレベルの誤差が発生する可能性がある。特に放射線や他の外部の影響にさらされるとき、光ファイバ・ジャイロで使用される広帯域ファイバ光源のスケール・ファクタを安定化することが求められている。

説明する実施形態は、概ね、光ファイバ・ジャイロスコープ(FOG)に関し、特に説明する実施形態は、FOGの広帯域光源の光スペクトルの有効干渉波長(EIW:effective interferometric wavelength)の測定に関する。説明する実施形態は、EIWに関する光集積回路(PIC:photonic integrated circuit)に基づく装置を提供する。

現在、大部分のFOGは、約830nmから1550nmの範囲内の波長で動作する。FOGのスケール・ファクタの誤差を100ppm以内に保つために、実効干渉波長は、830nmでは0.083nm、1550nmでは0.155nmの精度を持っている必要があり、これは15〜50nmのスペクトル帯域幅に比べてかなり小さい。

FOGは、FOG光源のスペクトルの相異なる波長に対して、わずかに異なるスケール・ファクタの値で回転に応答する。回転角速度の測定値は、FOG光源スペクトルのすべての増分の応答の加重平均である。全体のスケール・ファクタは、平均波長だけでなく、スペクトルの対称性や微細なスペクトル構造などのスペクトルの形状にも依存する。大抵の微細なスペクトル構造は、スペクトルのリップルである。反射防止コーティングが不完全な場合、リップルは、残留空洞発振(residual cavity oscillation)の結果生じる。図1Aは、SLDの前端面が反射防止コーティングで被覆され、導波路が後端で反射防止形状に微細加工された、SLDの典型的なスペクトルを示している。SLDの温度、SLDの駆動電流、およびSLDの経年変化により、リップルの特性が変化する可能性がある。残留空洞発振はまた、広帯域光源のコヒーレンス関数における残留レーザ構造の原因でもある。

説明する実施形態によれば、FOGがFOGの最も線形の位相バイアス位置またはその近くで動作するとき、スケール・ファクタは、FOGの広帯域光源の重心波数(centroid wavenumber)に線形に関係する。説明する実施形態の波長計システムおよび測定方法は、本明細書で説明するように、回転検知に使用される、同じ有効干渉波長を測定するように考案されている。説明する実施形態の波長計の信号検出および増幅技法では、広帯域光源が電離放射線および他の厳しい環境条件にあるときでも、堅牢な測定を実施することができる。

説明する実施形態の態様は、従来のFOGと組み合わせて利用され、従来のFOG単独のものよりも安定したスケール・ファクタを示す「補正された」FOGを生成することができる。

一態様において、本発明は、光波長を測定するための光学式波長計であり得る。光学式波長計は、相互作用する長さにわたって、広帯域光から得られる光信号の少なくとも一部を誘導し、第1の処理された光信号を生成する、第1の光導波路を備えることができる。光学式波長計は、第2の光導波路のセグメントが第1の光導波路の近位に配置される、第2の光導波路をさらに備えることができる。セグメントは、第2の光導波路が、相互作用する長さに沿ったエバネッセント結合を通じて第1の光導波路から光信号の一部を受信し、第2の処理された光信号を生成するように、相互作用する長さに沿って延在する。光学式波長計は、第1の処理された光信号および第2の処理された光信号に基づいて広帯域光の有効干渉波長を測定する、波長検出器をさらに備えることができる。

別の態様では、本発明は、光学式回転センサに関係するスケール・ファクタを安定化するシステムであり得る。光学式回転センサは、広帯域光を放出する光源と、光信号を生成する回転検知光学システムとを備えることができる。光信号は、広帯域光から得られ、光学式回転センサの回転に応じて生成され得る。光学式回転センサは、光信号および光学式回転センサの回転の関数としての回転測定信号を生成する、センサ検出システムをさらに備えることができる。システムは、光学式回転センサに結合された波長計をさらに備えることができる。波長計は、相互作用する長さにわたって、光信号および広帯域光のいずれかの少なくとも一部を誘導し、第1の処理された光信号を生成する、第1の光導波路を備えることができる。波長計は、第2の光導波路のセグメントが第1の光導波路の近位に配置される、第2の光導波路をさらに備えることができる。セグメントは、第2の光導波路が、相互作用する長さに沿ったエバネッセント結合を通じて第1の光導波路から光信号の一部を受信し、第2の処理された光信号を生成するように、相互作用する長さに沿って延在する。波長計は、第1の処理された光信号および第2の処理された光信号に基づいて広帯域光の有効干渉波長を測定する、波長検出器をさらに備えることができる。システムは、回転測定信号および有効干渉波長に基づいて補正された回転測定信号を生成する、スケール・ファクタ補正システムをさらに備えることができる。

一実施形態では、広帯域光源の有効干渉波長での、第1の光導波路および第2の光導波路のスーパーモードの位相差は、光学式回転センサの位相変調に等しい。光学式回転センサの位相変調は、実質的にπ/2に等しくなり得る。

波長検出器を、干渉縞の鮮明度vを使用することにより、広帯域光の有効干渉波長を測定するよう構成することができ、ここで

である。

波長検出器は、第1の処理された光信号に基づいて広帯域光の有効干渉波長を測定するよう構成され得る。波長検出器は、第2の処理された光信号に基づいて広帯域光の有効干渉波長を測定するよう構成され得る。波長計を、回転検知光学システムとセンサ検出システムとの間の光経路から光信号の少なくとも一部を受信するために、光学式回転センサに接続することができる。2×2導波路方向性結合器を利用して、光学式回転センサからの光信号の少なくとも一部を波長計に結合することができる。マルチモード干渉結合器を利用して、光学式回転センサからの光信号の少なくとも一部を波長計に結合することができる。

一実施形態では、波長計を、広帯域光源と回転検知光学システムとの間の光経路から広帯域光の少なくとも一部を受信するために、光学式回転センサに接続することができる。2×2導波路方向性結合器を利用して、光学式回転センサからの光信号の少なくとも一部を波長計に結合することができる。マルチモード干渉結合器を利用して、光学式回転センサからの光信号の少なくとも一部を波長計に結合することができる。

第1の光導波路および第2の光導波路は、1つまたは複数のSi−CMOS適合性材料を含むことができ、第1および第2の光導波路は、1つまたは複数のSi−CMOS適合プロセスを使用して製造される。第1および第2の光導波路は、導波路のコアとして窒化ケイ素、および導波路のクラッド材料として酸化ケイ素で作られ得る。

波長検出器は、第1の処理された光信号を受信するよう構成された第1の光ダイオードと、第1の光ダイオードからの第1の電流を第1の電圧に変換し、第1の電圧を有効干渉波長測定ユニットに供給する第1のトランスインピーダンス増幅器と、第2の処理された光信号を受信するよう構成された第2の光ダイオードと、第2の光ダイオードからの第2の電流を第2の電圧に変換し、第2の電圧を有効干渉波長測定ユニットに供給する第2のトランスインピーダンス増幅器とを備えることができる。

波長検出器は、第1の処理された光信号および第2の処理された光信号を受信するよう構成された、対称2重素子光ダイオード(symmetric dual − element photodiode)を備えることができる。波長検出器は、2重素子光ダイオードの第1の素子からの第1の電流を第1の電圧に変換し、第1の電圧を有効干渉波長測定ユニットに供給する第1のトランスインピーダンス増幅器をさらに備えることができる。波長検出器は、2重素子光ダイオードの第2の素子からの第2の電流を第2の電圧に変換し、第2の電圧を有効干渉波長測定ユニットに供給する第2のトランスインピーダンス増幅器をさらに備えることができる。

波長検出器は、第1の処理された光信号および第2の処理された光信号を受信するよう構成された、対称2重素子光ダイオードと、第1の入力および第2の入力を選択的に出力に結合するよう構成される電子スイッチとを備えることができる。第1の入力は対称2重素子光ダイオードの第1の素子に結合され、第2の入力は対称2重素子光ダイオードの第2の素子に結合され、出力はトランスインピーダンス増幅器に結合され得る。電子スイッチはさらに、第1および第2の入力を所定の周波数で出力に選択的に結合するよう構成され得る。トランスインピーダンス増幅器は、出力からの電流を電圧に変換し、電圧を有効干渉波長測定ユニットに供給するよう構成され得る。

一実施形態では、波長検出器は、所定の周波数で、第1の処理された光信号および第2の処理された光信号を光ダイオードに交互に誘導するよう構成された光スイッチを備えることができる。波長検出器は、光ダイオードからの電流を電圧に変換し、電圧を有効干渉波長測定ユニットに供給するよう構成されたトランスインピーダンス増幅器をさらに備えることができる。

別の態様では、本発明は、広帯域スペクトル光源から広帯域光を供給するステップと、光学式回転センサの角速度に応答する光信号を生成するために、光学式回転センサ内で広帯域光を処理するステップと、光信号を、光信号に基づいて回転測定信号を生成するよう構成されたセンサ検出システムに渡すステップとを含む、光学式回転センサに関係するスケール・ファクタを安定化する方法であり得る。回転測定信号は、デフォルトの干渉波長による光学式回転センサの角速度を特徴づけることができる。方法は、広帯域光の少なくとも一部を波長計に送るステップと、波長計に送られた広帯域光に基づいて有効干渉波長を波長計で測定するステップと、有効干渉波長に応じて回転測定信号を補正するステップとをさらに含むことができる。

別の態様では、本発明は、FOGの回転の関数としての回転測定信号を生成するよう構成された光学式回転センサと、光学式回転センサに結合された波長計とを備える、光ファイバ・ジャイロスコープ(FOG)に関係するスケール・ファクタを安定化するシステムであり得る。波長計は、相互作用する長さにわたって、光学式回転センサからの広帯域光の少なくとも一部を誘導し、第1の処理された光信号を生成する第1の光導波路と、第2の光導波路とを備えることができる。第2の光導波路のセグメントは、第1の光導波路の近位に配置することができ、セグメントは、第2の光導波路が相互作用する長さに沿ったエバネッセント結合を通じて第1の光導波路から光信号の一部を受信し、第2の処理された光信号を生成するように、相互作用する長さに沿って延在する。波長計は、第1の処理された光信号および第2の処理された光信号に基づいて、広帯域光の有効干渉波長を測定する波長検出器と、回転測定信号および有効干渉波長に基づいて、補正された回転測定信号を生成するスケール・ファクタ補正システムとを、さらに備えることができる。

特許または出願書類のファイルは、カラーで作成された少なくとも1つの図面を含む。要求および必要な料金の支払いに応じて、カラーの図面を含む本特許または特許出願公開のコピーを、Officeで提供することにする。

上記は、添付図面に示すように、例示的な実施形態の、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。添付図面では、相異なる図全体を通して、同様の参照文字は同じ部分を指す。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、代わりに実施形態を例示することに重点が置かれている。

SLDの前端面が反射防止コーティングで被覆され、導波路が後端で反射防止形状に微細加工された、SLDの典型的なスペクトルを示す図である。

本発明による、スケール・ファクタ安定化部110を備える、FOGシステムの例示的な実施形態を示す図である。

図1Bに示すスケール・ファクタ安定化部110を備える、FOGシステムの代替の例示的な実施形態を示す図である。

本発明による、波長計の例示的な実施形態を示す図である。

例示的な波長計の、ある波長への応答を示す図である。

例示的な波長計の、別の波長への応答を示す図である。

例示的な波長計の、別の波長への応答を示す図である。

本発明による、波長計の交差結合導波チャネルの出力光パワーを示す図である。

本発明による、波長検出器の例示的な実施形態を示す図である。

本発明による、波長検出器の別の例示的な実施形態を示す図である。

本発明による、波長検出器のさらに別の例示的な実施形態を示す図である。

本発明による、波長検出器のさらなる例示的な実施形態を示す図である。

本明細書の1つまたは複数の実施形態を実施するために使用することができる処理システムの、例示的な内部構造の概略図である。

例示的な実施形態の説明を続ける。

本明細書に引用されたすべての特許、公開出願、および参考文献の教示は、その全体が参照により組み込まれる。

光ファイバ・ジャイロスコープ(FOG)の例示的な実施形態では、ビーム分割光学系は、スーパールミネッセント・デバイスからの光を等しいパワーPの2つの光ビームで発射し、多く巻いた光ファイバで構成されるコイルを通って時計回りおよび反時計回りの方向に伝搬する。この配置は、サニャック干渉計としても知られるリング干渉計を形成する。光ファイバ・コイルの入口に戻ると、2つの光ビームは、光ファイバ・コイルから出て干渉を受けることが可能になる。

スーパールミネッセント・デバイスから放出される広帯域光がP(k)(ここでk=1/λは波数)で与えられるスペクトル分布を持つ場合で、かつ相異なる波数kの光がコヒーレントでない、すなわち不規則な位相差を持つ場合、リング干渉計を通過する透過光パワーの合計は、異なるkのパワーを加えることにより判明し得る。

ここで、λ=1/kは光の波長であり、γ_cは光源のコヒーレント関数であり、δはリング干渉計内の2つの対向伝搬波の間の光経路差である。一定の範囲内で、方程式(1)の右辺は、P(k)のフーリエ変換のコサイン形式で、P(δ)=F{P(k)}である。

一方、有効干渉波長λ_intは、リング干渉計を広帯域光源とまったく同じように応答させることになる光の波長と定義される。対応する干渉波数(重心波数とも呼ばれる)は、k_int=1/λ_intである。リング干渉計を通って送信される信号の合計は、以下で表すことができる。

方程式(1)および(2)は同じ信号を示しているので、以下のように書き直すことができる。

方程式(3)は、リング干渉計内の光源の干渉波数を決定する一般式である。光経路差δは、干渉波数k_intの値を決定するパラメータである。光位相差に相当する光経路差は、サニャック効果、すなわち位相変調によって生成され得る。従って、例示的実施形態では、位相変調器は、光経路差δ_mを生成することができ、従って2πk_intδ_m=π/2であり、そのため干渉計は、干渉計の最も線形の点2πkδ=π/2+Δφ_sで動作する。ここでΔφ_sは、サニャック位相シフト(すなわち、サニャック効果)である。Δφ_sが小さい場合、sin(2πkΔφ_s)≒2πkΔφ_sである。方程式(3)は、以下となる。

上式は、位相シフトΔφ_sと無関係となる。従って、方程式(4)によれば、回転センサのスケール・ファクタを決定するために、広帯域光を表すのは重心波数k_intである。方程式(4)を波長ドメインに変換して、有効干渉波長は以下となる。

従来のスケール・ファクタ安定化技法は、光スペクトルの離散ウィンドウまたは広帯域光源の重心波長のいずれかの測定に基づき得る。こうした従来技法は、補正されたスケール・ファクタに特定の系統的誤差をもたらし得る。対照的に、本明細書で説明する例示的な実施形態は、重心波数k_intを測定する。

図1Bは、本発明による、スケール・ファクタ安定化部110を備える、FOGシステムの例示的な実施形態を示す。この実施形態は、光学式回転センサ112、波長計114、およびスケール・ファクタ補正システム116を備える。光学式回転センサ112は、回転検知光学システム120に広帯域光を供給する広帯域光源118を備える。回転検知光学システム120は、光ファイバ検知コイル内の対向伝搬光ビームを円滑にして、ひとたび対向伝搬光ビームが光ファイバ検知コイルを出ると、対向伝搬光ビームの相互作用に基づいて光信号122を生成する。センサ検出システム124は、光信号122を受信し、光信号122の関数としての回転測定信号126を生成する。

例示的なセンサ検出システム124は、電圧変調信号を光位相変調器に供給する電子回路、光信号を電気信号に変換するトランスインピーダンス増幅器、アナログからデジタルへの(A/D:analog−to−digital)変換器、およびマイクロプロセッサ・ベースのコントローラを備えることができる。電気信号(たとえば、方形波または正弦波信号)を位相変調器に供給して、2つの対向伝搬する光間に光経路差を生成することができる。マイクロプロセッサ・コントローラは、光信号が、光検出器で、サニャック効果によって生じる位相シフトに線形かつ高精度で応答するように、電気信号の周波数および振幅を制御することができ、周波数は、好ましくは光学システムの固有周波数に等しい、所定の周波数に維持される。固有周波数の周期は、対向伝搬するビームがビーム分波器から位相変調器まで伝搬するのにかかる時間の差の2倍に等しい。マイクロプロセッサ・コントローラは、検出された光信号を変調電気信号と同期させ、好適な復調方法および対応する較正係数を使用して、検出された信号をサニャック位相シフトΔφ_sに変換する。

光学信号122の少なくとも一部はまた、波長計114に受信され、そこで光信号122の一部は、第1の光導波路128に入る。光信号122の一部は、第1の光導波路128を通過し、第1の光信号130として第1の光導波路128を出る。第1の光導波路128との間のエバネッセント結合により、結合された光信号は第2の光導波路132に伝搬し、第2の光信号134として第2の光導波路132から出る。波長検出器136は、第1の光信号130および第2の光信号134の関数としての、有効干渉波長測定信号138を生成する。

波長検出器136の例示的な実施形態の構造を、図5から図8で説明する。波長検出器136の例は、光検出器(502、602、または704)、トランスインピーダンス増幅器(504、604、または706)、図7の例示的な実施形態の電子スイッチ(702)、図8の例示的な実施形態の光スイッチ(802)、および有効干渉波長測定ユニット506を備えることができる。有効干渉波長測定ユニット506は、1つまたは複数の電子フィルタ、A/D変換器、および第2のマイクロプロセッサ・ベースのコントローラを備える。フィルタは、狭帯域通過フィルタと移動平均フィルタとを備えることができる。狭帯域通過フィルタは、周波数の所定の通過帯域を持ち、電圧変調信号の基本周波数または第2高調波周波数を中心とすることができる。移動平均フィルタは、平均化ウィンドウ内に所定数のポイントを持つことができる。第2のマイクロプロセッサ・ベースのコントローラは、本明細書の方程式(14)で定義される干渉縞の鮮明度vを決定し、1つまたは複数の較正係数を使用して干渉縞の鮮明度を有効干渉波長に変換する。フィルタの例示的な一実施形態は、ロックイン増幅器であり得る。フィルタの別の例示的な実施形態は、第2のマイクロプロセッサ・ベースのコントローラに実装されるデジタル・フィルタであり得る。

スケール・ファクタ補正システム116は、有効干渉波長測定信号138に基づいて、回転測定信号126に補正を適用して、補正された回転測定信号140を生成する。スケール・ファクタ補正システム116は、センサ出力の精度を向上させるために、センサ検出システム(124)で測定されたサニャック位相シフト、および波長検出器(136)で測定された有効干渉波長の正確に決定された値をそれぞれ使用して、ジャイロスコープのスケール・ファクタを調整する。

従来のFOGでは、サニャック効果(Δφ_s)によって生じる観測された位相シフトと角速度(Ω)との間のスケール・ファクタ(F)の関係式は、関係式:Δφ_s=FΩ=2π/c・LDkΩにより表されることが知られており、ここで、Lはファイバ・コイルの光ファイバの長さ、Dはコイルの直径、cは光の速度、kは光の波数である。較正プロセス中に、FOGデバイスを、既知の回転速度(Ω_tab)を持つ速度テーブル上に取りつけることができる。較正されたサニャック位相シフトΔφ_calと較正された波数k_calとの両方が、それぞれセンサ検出システム(124)および波長検出器(136)で測定され、スケール・ファクタ補正システム(116)に供給される。較正されたスケール・ファクタは、ここで、F_cal=2π/c・LDk_op=Δφ_cal/Ω_tabと計算される。通常の動作条件の中で、環境または/および経年変化の影響のために、有効干渉波長が較正プロセス中の有効干渉波長と異なる可能性がある場合、センサ検出システム(124)で測定されたサニャック位相シフトおよび波数、ならびに波長検出器(136)からのサニャック位相シフトおよび波数はそれぞれ、Δφ_opおよびk_opである。補正されたスケール・ファクタは、F_corr=F_cal・k_op/k_calで、補正された角速度は、Ω_corr=F_corr・Δφ_opである。スケール・ファクタの補正に関するこうした較正−動作プロセスを、第3のマイクロプロセッサ・コントローラに実装することができる。

概念上、3つのサブシステムのそれぞれは、制御およびデータ処理用に個別のマイクロプロセッサ・ベースのコントローラを備えるが、実際には、3つのマイクロプロセッサ・ベースのコントローラを1つの中央マイクロプロセッサに統合することができる。

図1Cは、図1Bに示すスケール・ファクタ安定化部110を備える、FOGシステムの代替の例示的な実施形態を示す。本明細書で以下に説明するように、波長計114に供給される光信号の一部を、回転検知光学システム120の出力(結合器139aで示す)または広帯域光源118の出力(結合器139bで示す)から結合することができる。

方向性結合器ベースの波長計 図1Bおよび図1Cに示す波長計114に対応する、波長計114の、例示的な実施形態を図2に示す。波長計114は、FOGのスケール・ファクタ安定化のために、本明細書で説明する方程式(3)または方程式(4)のいずれかで求められる、同じ重心波数を測定する。

例示的な波長計114は、光学測定ユニットと、光波長情報を電気的な出力に変換するのに必要な部品とを備える。光学測定ユニットは、図2に示すように、対称2×2(2入力および2出力)方向性結合器202をベースとし、入力導波路204、第1の遷移領域にある2つの入力Sベンド、結合領域としての一対の直線導波路206a、206b、第2の遷移領域としての2つの出力Sベンド、および2つの出力導波路208a、208bを備える。図2に示す2×2方向性結合器の構成を、例示的な実施形態として提示しているが、方向性結合器の他の構成が代替的に他の実施形態で使用され得ることを理解されたい。

結合領域内の2つの直線導波路206a、206bは、以下でより詳細に説明するように、互いに近接して配置され、方向性結合器を形成し、その結果第1の導波路の入力信号は、エバネッセント結合を通して入力信号のパワーの一部を第2の導波路に転送する。本明細書でさらに説明することになるように、第1の導波路の入力信号から第2の導波路に転送される光パワーの量は、入力広帯域光の有効干渉波長によって変化する。

波長検知ユニットの一部としての方向性結合器202は、パラメータw、sおよびlの組によって特徴づけられる。パラメータwは、導波路の幅を示し、結合領域全体にわたって一定である。パラメータsは、結合領域での2つの導波路間の間隔を示す。パラメータlは、結合領域の直線導波路の長さを示す。導波路間のパワー交換は、結合領域内だけでなく、2つの導波路が互いにより近づく遷移領域の一部でも発生する。故に、結合長lと遷移領域を持つ方向性結合器は、有効結合長l’の2つの並列光導波路を備える理想的な方向性結合器と同等であると見なされ、それにより有効結合長l’は、遷移領域のサイズおよび幾何形状と共に、実際の結合長lに依存する。

図2に示すように、パワーpを持つ光が入力導波路に結合される場合、通過導波路および交差結合導波路の出力における光パワーは、以下となる。

ここで、Δn_eは複合導波路構造の対称および反対称スーパーモードの有効屈折率の差であり、対象である波長範囲内の定数と見なすことができる。

測定される広帯域光は、FOGの光学式回転センサ112から結合され、従ってFOGの光源118と同一のスペクトルを持つため、相異なる波数kの光はコヒーレントではない。通過導波路の総出力は、異なるkでのパワーの合計である。

ここで、δ_k=lΔn_eは、結合領域を通って伝搬した後の2つのスーパーモード間の有効光経路差である。一定の範囲内で、方程式(8)の右辺は、p(k)のフーリエ変換のコサイン形式で、p(δ_k)=F{p(k)}である。

交差結合導波路206a、206bの出力信号は、同様の形態をとる。

一方、波長計で測定される波長λ_meaは、波長計を広帯域幅の光源とまったく同じように応答させることになる有効波長と定義される。これは、測定された波数をk_mea=1/λ_meaと定義すると、通過導波路および交差結合導波路の出力信号もまた、以下を満たすことを意味する。

方程式(8)および方程式(10)の右辺は等しく、方程式(9)および方程式(11)の右辺も同様に等しいので、両方の方程式のペアは、方程式(12)という結果になる。

方程式(12)は、波長計114を使用して測定された光源の波数の一般式である。好ましい実施形態では、結合領域内の導波路206a、206bの長さlを、有効光経路差δ_eが、方程式(3)における2つの対向伝搬波の光経路差δに等しくなるように選択することができ、入力導波路に結合された光パワーp(k)を、すべてのk値に対して方程式(3)のP(k)に比例するように選択することができる。こうした条件下では、k_meaはk_intに等しく、波長計が、回転検出用に使用されているのと同じ有効干渉波長を測定することを示す。例示的な実施形態では、結合領域内の直線導波路206a、206bの長さlは、中心波長λ_ctrに関係する所定の中心波数k_ctrで、方程式k_ctr=1/λ_ctrを使って、スーパーモードの位相差2πk_ctrδ_e=π/2となるよう選択される。従って、kでのスーパーモードの位相差は、2πkδ_e=π/2+2πkδ_wと表すことができ、ここでδ_w=(1−λ/λ_ctr)δ_eは、異なる波数kによってもたらされるスーパーモードの経路の差の値の摂動である。Δφ_w=2πkδ_wは、上記で説明したリング干渉計でのサニャック位相シフトΔφ_sに相当することに留意されたい。δ_wは小さな値であり、近似式sin(2πkδ_w)≒2πkδ_wが成り立つと仮定する。同様に、近似式sin(2πk_meaδ_w)≒2πk_meaδ_wもまた成り立つ。どんな高次の誤差も無視すると、両方の近似式を方程式(12)に入れて、以下となる。

方程式(13)と方程式(4)との比較は、p(k)がP(k)に比例し、従ってP(k)=cp(k)である場合、k_meaがk_intに等しいことを示し、ここでcは、すべてのkに対して一定である。これは、有効干渉波長測定のために波長計114に結合される光のスペクトルが、回転検知に使用される光のスペクトルと同じであることを意味する。

例示的な実施形態では、通過導波路および交差結合導波路の個々の信号を検出する代わりに、両方の導波チャネルの信号を検出し、方程式(14)で定義される干渉縞の鮮明度vを計算するために使用することができる。

方程式(8)および(9)、方程式(10)および(11)をそれぞれ方程式(14)に入れて、測定された波数k_meaの式は、方程式(12)および(13)として示される通過導波路信号p₋のものと完全に同じになろう。従って、干渉縞の鮮明度を使用して測定された重心波数は、回転センサのスケール・ファクタの測定に使用された光の重心波数と同じである。方程式(14)による干渉縞の鮮明度vを使用すると、干渉縞の鮮明度は入力パワーp(k)の絶対値に依存せず、検出器のバイアスおよびトランスインピーダンス増幅器のバイアスによってもたらされる誤差がキャンセルされるので、重心波数の測定は他の手法よりも正確である。

例示的な実施形態では、波長計114を、830nm付近の波長で動作するFOGのスケール・ファクタが安定化されるように製造することができる。周囲温度が−50から90℃の範囲で変動する場合、FOGの有効干渉波長は800nmから850nmの範囲で変動し得る。この例示的な波長計の実施形態では、方向性結合器202は、50nm厚および4ミクロン幅で、クラッド材料として酸化シリコンを含む窒化シリコン導波路コアの導波路を備えることができる。例示的な方向性結合器202のパラメータは、s=1.7ミクロン、およびl=4mmである。この実施形態のシミュレーション結果は、図3A、図3B、図3Cおよび図4に示す性能となる。図3A、図3B、および図3Cには、3つの相異なる波長に対する、すなわち図3Aは800nm、図3Bは825nm、図3Cは850nmでの、波長計114の応答が表示されている。各図の左側のグラフは、正規化された光パワー分布の上面図である。各図の右側のグラフは、通過導波路206aの正規化された光学通過パワー302、および交差結合導波路206bの正規化された光交差結合パワー304である。2つの導波路によって導かれる光パワーの合計306もまた、右側のグラフに示されており、これは1に近い直線である。従って、交差結合導波チャネルの出力光パワーは、図4に示すように、波長と共に単調に増加する。この実施形態における波長計の波長感度は、波長変化の1ナノメートル当たりS=1.1%のパワーの変化である。

例示的な実施形態において、1マイクロワットの光パワーは、結合点139から波長計114の入力導波路に結合され得る(p=1μW)。波長計は、スーパーモードの位相差が2πk_ctrδ_e=π/2の場合、最も敏感で線形となる結合距離で動作し、このとき通過導波路および交差結合導波路からの出力光パワーはそれぞれ、p/2=0.5μWである。光検出器(502、602、または704)は、応答性η=0.60A/Wを持つことができる。検出器の光電流i_detは、i_det=ηp/2と判明し得る。量子限界での光電流ノイズは、ショット・ノイズ電流

に関係し、ここで、eは初めの電荷、i_detは検出器の光電流、Δf_Bは検出帯域幅である。波長計の波長感度は、S=(Δi_det/i_det)/Δλとして表され、ここでΔi_detは、波長がΔλ変化するときの検出器の光電流の変化である。ノイズ等価波長密度(NEWD:noise equivalent wavelength density)は

と定義される。i_shot、i_det、およびSの値を入れた結果は、

となる。実際の動作では、サンプリング・レートは1Hzであってもよく、ノイズ透過波長(NEW:noise equivalent wavelength)はNEW=6.6×10⁻⁵nmとなり、2重検出方式の場合、830nmで約0.2ppm以下のスケール・ファクタ誤差に相当する。従って、波長が830nmでスケール・ファクタ誤差100ppmのために必要な0.083nmの波長精度を、十分に満たすことができる。信号をより長時間平均化することにより、さらに向上したNEW値がもたらされるようになる。

波長計114の入力信号は、広帯域光源118から回転検知光学システム120に供給される伝搬経路から結合され得る、広帯域光源118の一部であり得る(たとえば、図1Cの、マルチモード干渉結合器139b参照)。

代替実施形態では、波長計114の入力信号は、回転検知光学システム120からの送信信号の一部であってもよく、センサ検出システム(光検出器を含む)に至る伝搬経路から結合されてもよい。たとえば、図1Cのマルチモード干渉結合器139aを参照されたい。このようにして、回転検知光学システム120の構成要素のフィルタ処理効果によって行われるスペクトルの変更は、有効干渉波長に含まれる。

一実施形態では、光ファイバは、戻りジャイロ信号をFOGの光検出器に導くことができ、追加の光ファイバ結合器は、検出器に至るファイバに配置され、主FOG信号からの戻りジャイロ信号の一部を結合することができる。次いで、戻りジャイロ信号の一部を、入力信号として波長計114の通過導波路に供給することができる。

別の実施形態では、FOGの回転検知光学システム120は、集積光学回路(IOC:integrated optic circuit)の構成要素であり得る。方向性結合器を、戻りジャイロ信号を回転測定用の光検出器に導く導波路に配置して、戻りジャイロ信号の一部を波長計114への入力として波長計114の第1の導波路へ送ることができる。この実施形態では、方向性結合器および波長計114を含むIOCの追加のサブシステムを、FOGのIOCの一部として、回転検知光学システム120と一緒に微細加工することができる。

信号検出および増幅方式 波長は、波長計の2つの出力信号を使用して干渉縞の鮮明度で測定されるため、各信号の安定性および再現性、ならびに温度および時間に対する2つの信号間のバランスは、波長測定の精度および安定性に直接関係する。これには、波長計114の両方の導波路が安定し、バランスが取れていること、2つの導波路間の結合に再現性があること、2つの光検出器の両方が温度および時間によって同じように応答すること、かつ2つのトランスインピーダンス増幅器の係数が温度および時間によって同じように変化することが必要である。この発明では、環境および経年変化が引き起こす測定誤差を最小限にするためのいくつかの実施形態が提供される。

一実施形態では、図5に示すように、2つの同一の光検出器502a、502b、および2つの同一のトランスインピーダンス増幅器(TIA:trans−impedance amplifier)504a、504bを、波長検出器136内で使用することができる。

別の実施形態では、図6に示すように、2重光ダイオード602を波長検出器136内で使用することができる。2重光ダイオード602は、互いに隣接して同じ基板上に同一のプロセスで製造された2つの光ダイオードを備える。光ダイオードのそれぞれからの信号を、一対の同一のTIA604a、604bを使用して予め増幅することができる。

代替実施形態では、電子スイッチ702を使用して、図7に示すように、光電流が同じTIA706によって処理されるように、2重光ダイオード704からの信号間を切り替えることができる。この実施形態の構成により、一対のバランスが取れていないTIAを使用することで引き起こされる誤差をなくすることができる。

別の実施形態では、図8に示すように、2つの導波路からの光信号間を単一の光検出器に対して切り替えるために、方向性結合器202の出力ポートに直接接続される光スイッチ802を使用することができる。この実施形態では、方向性結合器202からの2つの光信号を、1つの検出器で順番に電気信号に変換し、1つのTIAで予め増幅することができる。この実施形態の構成により、一対のバランスが取れていない検出システムによる誤差をなくすることができる。

一実施形態では、光学式波長計を、マイクロ電子回路の製造に適合する材料およびプロセスを使用して、シリコン基板上の平面単一モードおよび単一偏光導波路をベースとして製造することができる。説明した実施形態の波長計の利点は、コンパスのサイズ、低い製造および組立コスト、環境へのわずかな暴露、堅牢な動作、およびFOGの所定のスペクトル範囲内での高いスペクトル分解能である。

図9は、本明細書の1つまたは複数の実施形態を実施するために使用することができる処理システム900の、例示的な内部構造の概略図である。各処理システム900は、システム・バス902を備え、ここでバスは、コンピュータまたは処理システムの構成要素間のデータ転送に使用される1組のハードウェアの線である。システム・バス902は、本質的に、構成要素間の情報の転送を可能にする処理システムの様々な構成要素(たとえば、プロセッサ、ディスク型記憶装置、メモリ、入力/出力ポート、ネットワーク・ポートなど)を接続する、共有される電気線である。

システム・バス902には、様々な入力および出力デバイス(たとえば、キーボード、マウス、ディスプレイ、プリンタ、スピーカなど)を処理システム900に接続するためのユーザI/Oデバイス・インタフェース904が結合されている。ネットワーク・インタフェース906により、コンピュータを、ネットワーク908に結合された様々な他のデバイスに接続することができる。メモリ910は、本明細書で説明する本発明の1つまたは複数の実施形態を実施するために使用されるコンピュータ・ソフトウェア命令などの情報、内部で生成されるデータ、および処理システム900が外部の情報源から受信するデータ用の、揮発性および不揮発性記憶装置を備える。

中央処理装置912もまたシステム・バス902に結合され、メモリ910に格納されたコンピュータ命令を実行する。システムは、サポート電子回路/ロジック914、および通信インタフェース916もまた備えることができる。通信インタフェースは、中央処理装置912により処理されるべき情報、たとえば、センサ検出システム124からの回転測定信号126を、伝達することができる。

一実施形態では、メモリ910に格納される情報は、コンピュータ・プログラム製品を含むことができ、従ってメモリ910は、本発明のシステムのソフトウェア命令の少なくとも一部を供給する、非一時的なコンピュータ可読媒体(たとえば、1つまたは複数のDVD−ROM、CD−ROM、ディスケット、テープなどの取り外し可能な記憶媒体)を含むことができる。当技術分野でよく知られているように、コンピュータ・プログラム製品を、任意の好適なソフトウェアのインストール手順により、インストールすることができる。別の実施形態では、ソフトウェア命令の少なくとも一部を、ケーブル通信および/または無線接続を介してダウンロードすることもできる。

本明細書で説明する1つまたは複数の実施形態を、多くの相異なる形態のソフトウェアおよびハードウェアで実施することができることは明らかであろう。本明細書に記載の実施形態を実施するために使用されるソフトウェア・コードおよび/または専用ハードウェアは、本明細書に記載の本発明の実施形態を限定するものではない。従って、実施形態の動作および挙動を、特定のソフトウェア・コードおよび/または専用ハードウェアを参照せずに説明しており、本明細書の説明に基づいて、実施形態を実施するソフトウェアおよび/またはハードウェアが設計され得るであろうことが理解されよう。

さらに、本明細書で説明する例示的な実施形態のうちの特定の実施形態を、1つまたは複数の機能を実行するロジックとして実装することができる。このロジックは、ハードウェア・ベース、ソフトウェア・ベース、またはハードウェア・ベースとソフトウェア・ベースとの組合せであり得る。ロジックの一部またはすべては、1つまたは複数の有形の非一時的なコンピュータ可読の記憶媒体に格納され、コントローラまたはプロセッサによって実行され得るコンピュータ実行可能命令を含むことができる。コンピュータ実行可能命令は、本発明の1つまたは複数の実施形態を実施する命令を含むことができる。有形の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体は、揮発性でも不揮発性でもよく、たとえば、フラッシュ・メモリ、ダイナミック・メモリ、リムーバブル・ディスク、およびリムーバブルでないディスクを含むことができる。

例示的な実施形態を具体的に示して説明してきたが、添付の特許請求の範囲に含まれる実施形態の範囲から逸脱することなく、範囲の中で形態および詳細の様々な変更を行うことができることを、当業者は理解されよう。