JP2000515260A - 方向に左右されないパルス応答を持った電気光学位相変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特に光ファイバージャイロスコープ（ＦＯＧ）に用いられる、本発明に係る電気光学位相変調器は、光の循環時間が動作周期に一致している限り、光の両方の通過方向について同一のパルス応答が得られることを特徴としている。変調電極の電位および電極間の電界の時空的伝搬によって、常に対称的に分配されるようなパルス応答が生まれるように、共通の対向電極（１２）に対して変調電極（１３、１４、…）を配置することによって、このことが達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 方向に左右されないパルス応答を持った電気光学位相変調器 本発明は、集積された光学波動ガイドと、その波動ガイドに沿って光軸から一 定の相互間隔で両側に設けられた変調電極とを有する電気光学位相変調器に関す るものである。 この範疇の位相変調器は、主に、光ファイバーのジャイロスコープ（ＦＯＧ） の回転速度を図る実際の器具を形成する光ファイバーのサグナック干渉計に用い られる。またあるいは、例えばマッハ−ツェンダー干渉計等の、他の干渉計的な 測定機器における中心要素として用いられる。 しかしながら、以下の説明では、光ファイバージャイロスコープを例にとって 、本発明に存在する複雑な問題および課題対象について説明する。 現代的な構造を持った光ファイバージャイロスコープでは、一般には入り口側 に、集積された偏光器を持ち、また、Ｙ分岐と２つの位相変調器の２つの電極と をも持った、集積光学チップ（ＩＯチップ）がよく用いられる。この電極は、具 体的な構造においては、Ｙ分岐の後ろで、光軸に沿って等しい間隔で配置される 。また、この位相変調器は、ファイバーコイルの末端に注入された２つの光ビー ムを反対方向に変調する。この変調方法の詳細を以下に述べる。このような位相 変調器やデジタル位相遷移器の様々な例が、米国特許５１３７３５９号公報、米 国特許５２３７６２９号公報、米国特許５４００１４２号公報に記載されている 。このタイプの位相変調器を持ったＦＯＧは、位相変調器へ分散された外乱信号 に感度を持っている。 このような外乱信号の、位相変調器を含んだＭＩＯＣ経路（ＭＩＯＣ＝変調Ｉ Ｏチップ）への結合について以下に説明する。 ＭＩＯＣ経路へ結合する外乱信号は、ある条件下ではバイアスエラーを生じる 。以下の説明では、光がファイバーを通過する時間と比べてジャイロスコープの 走査周期を誤調整したときに周期的な外乱信号がどのように挙動するかについて 調べる。なお、このような結合への感度増大の他にも、誤調整によって、例えば ランダムウオークの増大のような、さらなる外乱効果も起こる。しかしながら、 これらの効果についてはここでは調べない。ランダム変調やクローズドリセット コントロールループを持ったサグナック干渉計の操作形態については、欧州特許 ０４９８９０２号公報、欧州特許０５５１５３７号公報を参照されたい。 誤調整の場合の外乱結合の効果を記録できるようにするには、オープンコント ロールループ（図１参照）を持ったサグナック干渉計を検討すれば充分である。 システムの走査周期をＴとし、また同時に、これが結合外乱電圧の周期でもある とする。光の、そこからそれた通過時間をＴ₀とし、変調器により生じる位相変 調をφ(t)とし、サグナック位相をφ_S(t)とする。検出経路内の直流電圧成分や 増幅因子を無視すれば、干渉計の出力信号y(t)は以下のようになる。 y(t)＝cos(φ(t)−φ(t-T₀)＋φ_S(t)) （１） ここでもし、周期Ｔで挙動して公知の方法で信号φ(t)に重ねられる好適な変 調電圧を用いて干渉計特性の変わり目に対する変調制御を行い、周期Ｔで同様に 挙動する復調信号によって特性の勾配の各実効的な符号を補償すると仮定すれば 、変調信号および復調信号がない場合には、干渉計は、近似的に、以下のような 特性にて記述される。 y(t)＝sin(φ(t)−φ(t−T₀)＋φ_S(t)) （２） 厳密にいえば、この近似は、Ｔ＝Ｔ₀の場合のみ適用できる。Ｔ≠Ｔ₀の場合は、 狭い遷移領域でさらに遷移が起こる。この遷移は上記等式では考慮されていない 。これらの遷移はランダムウオークの増大にのみ貢献するので、また、計算を簡 略化するため、誤調整が過度に大きくない限り、（２）がＴ≠Ｔ₀のときも有効 であると仮定する。正弦波関数の線形化によりさらに簡略化する。 y(t)＝φ(t)−φ(t-T₀)＋φ_S(t) （３） この信号は、データ経路に配置されたフィルターでフィルター処理された後、 サンプリングされる。この場合、ｎ番目のサンプリング値ｙ_nは、間隔〔（ｎ− １）Ｔ，ｎＴ〕の間での加重平均により求められる。加重関数はフィルターのパ ルス応答ｈ（ｔ）である。このパルス応答は時間軸に反映される。間隔の外では 、パルス応答がそこで消えなかったとしても、なにも貢献しない。これは、統計 上の変調であるため、復調された信号成分が上記間隔外では無関係であるからで ある。したがって、 となる。 矛盾がない限り、関数ｈ（ｔ）は以下のように標準化されるとする。 平均回転速度は以下の式から得られる。 それゆえ、以下の式のようになる。 充分に安定した信号の場合は、配列Ｘ_nに対する平均値の算出は、指標のずれ と無関係であり、すなわち、以下の式のようになる。 そこで、式（７）の２番目の積分において指標ｎをｎ＋１で置き換える。ΔＴ ＝Ｔ₀−Ｔを周期のずれであるとする。すると、以下のようになる。 充分小さなΔＴでは、φ'(ｔ)ΔＴ≒φ（ｔ）−φ（ｔ−Δｔ）である。この 近似を用いて、最終的には以下のようになる。 ここで、φ（ｔ）＝φ（ｔ＋ｎＴ）をＴで周期的な信号とする。さらに、φ_S （ｔ）＝φ_S＝定数とする。このとき、以下のようになる。 例 例として、ｔ＜Ｔ／２のときｈ（ｔ）＝２／Ｔであり、ｔ＞Ｔ／２のときｈ（ ｔ）＝０とする。φ（ｔ）としては、ｔ∈〔０，ｔ）の範囲内で、ｔ∈〔０，Ｔ ／４）またはｔ∈〔３Ｔ／４，Ｔ）のときφ（ｔ）＝φ₀、ｔ∈〔Ｔ／４，３Ｔ ／４）のときφ（ｔ）＝−φ₀とする。ｔ∈〔０，ｔ）の範囲外では、φ（ｔ） は、φ（ｔ）＝φ（ｔ＋ｎＴ）に基づいて周期的に連続するとする。振幅φ₀に比例する。もし上記相対的なずれが１００ｐｐｍ（ΔＴ／Ｔ＝１０^-4 であると仮定し、ピックアップの振幅がφ₀＝２π・１０^-2であると仮定すると 、２０００°／ｓの２π回転速度を持つジャイロスコープの場合には、ピックア ップのバイアスエラーは以下のようになる。 本発明の目的は、光ファイバー干渉計、特に光ファイバージャイロスコープの ためのものであって、検出される外乱信号に対して従来みられた感度が完全にあ るいは少なくとも広範囲に消失するような、電気光学位相変調器を提供すること にある。 本発明の出発点は、次のことを認識することにある。すなわち、もし、干渉計 やジャイロスコープの動作周期時間が、光が第１の位相変調器からファイバーコ イルを通って反対側の位相変調器へと達する循環時間に一致していれば、上記タ イプの電気光学位相変調器の感度が理論的には０に引き下げられうるということ である。この目的のためには、位相変調器が光の両方の循環方向において同一の パルス応答を持っていることを確かめる測定を行う必要があることが認識された 。 したがって、本発明の技術的開示は、集積された光学波動ガイドと、その波動 ガイドに沿って光軸から一定の相互間隔で両側に設けられた変調電極とを有する 電気光学位相変調器に対して、その電極の電位と電極間の電界との時空的伝播に より、対称的に分配されるパルス応答が生まれるように電極が配置されているこ とを特徴としている。 本発明の基本概念は、ＦＯＧに用いられる場合は、アナログおよびデジタルの 位相変調器に適用可能である。 デジタル位相変調器に関しては、以下のようなものが好適な実施形態として把 握できよう。すなわち、複数対の電極が設けられている。その電極は平行に駆動 されることができる。また、その電極は、それらの長手方向に二重に段付けされ ている。この二重に段付けされた電極間には対向電極が配置されている。各二重 の段は２つの部分的な電極から成り、全ての二重段の対称点が一致する。このた め、全体の電極配置によって、対称的に分配されるパルス応答が生まれるように なっている。 以下の説明では、条件を導きとともに、本発明に基づき光の両循環方向におい て同一のパルス応答が行われる、位相変調器の個々の構成形態を説明する。 集積された光学チップ上のこのような位相変調器の、今日用いられる構成形態 の場合、特にデジタル型の場合（米国特許５１３７３５９号公報参照）には、一 般に、以下の説明にて導かれる対称条件は満たされない。したがって、非常に正 確な光ファイバー測定装置の場合、特にＦＯＧの場合には、必要とされる、サン プリング周期が光通過時間にバランスすることが、不可能である。 第１の例では、理想的に変調されたサグナック干渉計の条件を述べる。 理想的に変調されたサグナック干渉計の場合は、変調信号を除去する復調の後 での光検出器での再生関数は、変調過程とは独立して、すでに述べたように、以 下のようになる。 y(t)＝αu(t)−αu(t−T₀)＋φ_S(t) （１４） この表現において、ｕ（ｔ）は位相変調器で動作するリセット電圧（または外 乱電圧）であり、αは電気光学遷移因子であり、φ_S(t)はサグナック位相であり 、Ｔ₀は、光がＦＯＧのコイルを通って位相変調器の中心から中心へと通過す る時間である。以下の説明で、 u(t)＝u(ｔ＋Ｔ) （１５） か、作動周期Ｔを持った周期的な外乱電圧であるとする。これを用い、φ_S＝０ とすると、 y(t)＝α(u(t)-u(t−T₀＋Ｔ)） （１６） となる。 理想的な調整の場合、Ｔ＝Ｔ₀であるため、ｙ（ｔ）＝０となる。 実際の光ファイバー干渉計の構成は、添付図面の図１に表されている。 光源Ｄから発した光は、Ｙ型分岐Ｙで２つに分かれ、その後、変調器ｍ₁とｍ₂ とを通る。それから、逆方向にコイルＳを通り、そして再び２つの変調器ｍ₁と ｍ₂とを通る。光ビームは、相互に位相シフト φ=φ_m＋φ_S （１７） をして再び結合する。ここで、φ_mは変調器により生成した位相であり、φ_Sはサ グナック位相である。両変調器は、同じ電圧ｕ（ｔ）で駆動される。変調器ｍ₁ の中心から変調器ｍ₂の中心への光の通過時間をＴ₀とする。すると、２つの変調 器の逆極性の場合の位相φ_mとしては以下のように得られる。 変調器ｍ_n（ｎ＝１，２）の電気光学パルス応答である。星＊は以下のように規 定される。 もし今、干渉計がＴ＝Ｔ₀で操作され、Ｔで周期的である電圧ｕ（ｔ）で駆動 されるとすると、結果は以下のようになる。 以下の説明では、本発明とその利点の詳細を、図面を参照してより詳細に説明 する。図面において、 図１は、すでに簡単に述べたように、理想的なサグナック干渉計の基本構造を 示すものであり、 図２は、分配パルス応答を持ったシステムとして本発明に係る電気光学位相変 調器を示すものであり、 図３は、本発明に係る最適化された分配パルス応答を持つ電気光学デジタル位 相変調器の基本的な解決例としての電極の配置を図式的に示すものであり、 図４は、印加電位の時空的伝播に関して、本発明に係る対称性の要件を満たす デジタル位相変調器のための電極配置のさらなる基本的な実施形態を示すもので あり、 図５Ａ、図５Ｂは、本発明に係るアナログ位相変調器の電極配置を図示的に示 すものであり、図５Ａは、鏡面対称な電極配置を示し、図５Ｂは、点対称な電極 配置を示している。 本発明に係る位相変調器は、基本的に、図２に示されるように構成されている 。図示された矩形Ｒにより特徴付けられる光学的に活動的な領域は、右から左へ 伸びるｘ軸に沿って伸びている。この場合、その範囲は、間隔〔−ｘ₀，ｘ₀〕に より制限されている。ここで、制御電圧は、ｘに依存するパルス応答ｈ（ｘ，ｔ ）を持って、活動的な領域の各点に結合し、またそこで、増加するパルスシフト を生む。ここで、活動的な領域中の光の伝播速度をｖとすると、電気光学パルス 応答は以下のようになる。 目的は、式（２０）のｙ（ｔ）を０にすることである。本発明によれば、これ を行うには２つの可能性かある。一つ目は、となるように選ぶことである。 式（２１）および（２２）により、これは、 ｈ_n（ｘ，ｔ）＝ｈ_n（−ｘ，ｔ） （２４） とすることにより満たされる。 二つ目の可能性としては、 となるように選ぶことである。 ここから、 ｈ₁（ｘ，ｔ）＝ｈ₂（−ｘ，ｔ） （２６） となり、それにより ｈ₂（ｘ，ｔ）＝ｈ₁（−ｘ，ｔ） （２７） であり、したがって が自動的に満たされる。最終的に、この結果、ｙ（ｔ）＝０となる。 本発明の条件を満たす電極配置に関する対称性の要件を以下に説明する。 本発明に係るタイプの、特に光ファイバージャイロスコープのための位相変調 器は、集積された光学部材（チップ）として製造することができる。この場合、 光学的な波動ガイドが、適切な材料、特にＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃中へ分散し ている。この波動ガイドは、印加される電界に依存する光学的屈折率を有する。 必要な電界は、波動ガイドに平行な部材の表面に配置された電極によって生み出 される。 図３に、対称的に構成された位相変調器ｍ₁、ｍ₂の対の活動経路１に対する、 上述の一つ目の場合（等式（２３））に対応する電極構成を示す。デジタル変調 器の二重に駆動可能な電極の電極末端を２で示す。参照符号４は、両変調器ｍ₁ 、ｍ₂に共通に配置された対向電極を示す。 したがって、分配パルス応答ｈ（ｘ，ｔ）は、生成された電界の時空的分配に 依存する。分配パルス応答ｈ_n（ｘ，ｔ）に関して前述の説明で導いた対称性の 要件は、位相変調器における対称的な電極配置により満たされる。この場合、電 極電位の時空伝播も、対称性の要件を満たさねばならない。これは、デジタル（ 図３、４）およびアナログ（図５Ａ、Ｂ）変調器の両方に当てはまる。 デジタル変調器の場合（図３参照）には、各ビットの重み付けのために、独自 の電極配置が採用されている。この場合、重み付けは、対応する面積の比によっ て実現される。対称性の条件は、個々のビットについて満たされなければならな い。この場合、全ビットの対称点が一致しなければならない。それによって、最 終的な分析において、全体的な電極配置に対する対称性の要件が満たされる。 それゆえ、上述の両方の解決事例において、デジタル変調器としては以下のよ うな配置を行う。 一つ目の事例では、変調器は、軸ｘ＝０に対して鏡面対称な電極配置を持つ必 要がある。これにより、この軸に対して時空的にも対称である伝播が保証される 。デジタル変調器については、この結果は、例えば図３の配置である。光学的波 動ガイドは、電極間の中心で伸びる矢印（活動経路１）で表されている。２つの 変調器のうちの一つだけを図示しており、他方は、それに相応する方法で設計す る必要かある。 二つ目の事例では、２つの変調器の電極が回転により１８０°離れたような幾 何学的形状の電極配置となる。図４は、このような電極配置の基本例を示してい る。この基本例では、変調器ｍ₁の活動経路は１０で示されている。変調器ｍ₂の 活動経路は１１で示されている。共通対向電極を１２、変調器ｍ₁の二重電極配 列を１３、変調器ｍ₂の二重電極配列、すなわち、１８０°回転した配置のもの を１４とする。 本発明に係るタイプのアナログ位相変調器の電極配置の鏡面対称または点対称 設計に関連する対応条件は、その技術の熟練者の見地からすれば、図５Ａおよび ５Ｂからそれぞれただちに認識できる。 本発明によれば、サグナック干渉計のための少なくとも２つのタイプの電極配 置、そして実際に、アナログおよびデジタルの位相変調器の両方の電極配置は、 理想的な動作周期の調整をした場合には、周期的な外乱信号の影響を顕著に抑制 するような方法で実現することが可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年４月２２日（１９９８．４．２２） 【補正内容】 請求の範囲 １． 集積された光学波動ガイドと、その波動ガイドに沿って光軸から一定の相 互間隔で両側に設けられた変調電極とを有する電気光学位相変調器において、上 記変調電極が、平行に駆動されて表面状態について二重に段付けられた複数の電 極対と、これらの二重に段付けられた電極の間に配置された対向電極（４）とを 含んでおり、全体の電極配置によって、対称的に分配されるパルス応答が生まれ るように、各二重の段が２つの部分的な電極から成り、全ての二重の段の対称点 が一致することを特徴とする電気光学位相変調器。 ２． 集積光学チップにともに集積された２つの位相変調器とＹ分岐とを有して おり、その位相変調器の少なくとも一つが請求項１に記載の電気光学位相変調器 である集積光学配置。 ３． 位相変調器の一つ（ｍ₁）の変調電極の配置が、他の位相変調器（ｍ₂）の 変調電極に対して１８０°回転していることを特徴とする請求項２に記載の集積 光学配置。 ４． ＩＯチップにさらに偏光素子が集積されていることを特徴とする請求項２ または３に記載の集積光学配置。 ５． 上記偏光素子が、ＬｉＮｂＯ₃またはＬｉＴａＯ₃の基板中に、積層された 波動ガイドとともに、陽子交換技術により形成されていることを特徴とする請求 項４に記載の集積光学配置。 ６． 光ファイバーのサグナック干渉計の光学的構造の一部としての、請求項１ に記載の電気光学位相変調器の使用方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 集積された光学波動ガイドと、その波動ガイドに沿って光軸から一定の相 互間隔で両側に設けられた変調電極とを有する電気光学位相変調器において、そ の電極の電位と電極間の電界との時空的伝播によって、対称的に分配されるパル ス応答が生まれるように、電極（２；１３、１４）が配置されていることを特徴 とする電気光学位相変調器。 ２． 平行に駆動されて表面状態について二重に段付けられた複数の電極対と、 これらの二重に段付けられた電極の間に配置された対向電極とを含んでおり、全 体の電極配置によって、対称的に分配されるパルス応答が生まれるように、各二 重の段が２つの部分的な電極から成り、全ての二重の段の対称点が一致すること を特徴とする請求項１に記載の電気光学位相変調器。 ３． ２つの位相変調器が、Ｙ分岐とともにＩＯチップに集積されていることを 特徴とする請求項１または２に記載の電気光学位相変調器。 ４． 位相変調器の一つ（ｍ₁）の変調電極の配置が、他の位相変調器（ｍ₂）の 変調電極に対して１８０°回転していることを特徴とする請求項３に記載の電気 光学位相変調器。 ５． ＩＯチップにさらに偏光素子が集積されていることを特徴とする請求項３ または４に記載の電気光学位相変調器。 ６． 上記偏光素子が、ＬｉＮｂＯ₃またはＬｉＴａＯ₃の基板中に、積層された 波動ガイドとともに、陽子交換技術により形成されていることを特徴とする請求 項５に記載の電気光学位相変調器。 ７． 既出の請求項のうちの一つに記載の電気光学位相変調器の使用方法におい て、これが光ファイバーのサグナック干渉計の光学的構造の一部であることを特 徴とする電気光学位相変調器の使用方法。