(57)【要約】  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は、光学式回転センサの回転に応じて光信号を生成する光学式回転センサを備える。センサ検出システムは、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信号を生成する。第１の導波路は、相互作用する長さにわたって、光信号の一部を誘導し、第１の処理された光信号を生成する。第２の導波路は、エバネッセント結合を通じて、第１の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。波長検出器は、光信号を受信し、光信号に基づく光の有効干渉波長（ＥＩＷ）を測定する。スケール・ファクタ補正システムは、回転信号およびＥＩＷを受信し、回転信号およびＥＩＷを処理することにより正しい回転信号を測定する。
2020513102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光波長を測定する光学式波長計であって、
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の光導波路と、
第２の光導波路のセグメントが、前記第１の光導波路の近位に配置され、前記セグメントは、前記第２の光導波路が前記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の光導波路から前記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第２の光導波路と、
前記第１の処理された光信号および前記第２の処理された光信号に基づいて、前記広帯域光の有効干渉波長を測定する、波長検出器と
を備える光学式波長計。
【請求項２】
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って、
広帯域光を放出する光源、
光信号を生成する回転検知光学システムであって、前記光信号は前記広帯域光から得られ、前記光学式回転センサの回転に応じて生成される回転検知光学システム、および
前記光信号および前記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
を具備する光学式回転センサと、
前記光学式回転センサに結合される波長計であって、
相互作用する長さにわたって、前記広帯域光の前記光信号の１つ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、
第２の光導波路のセグメントが、前記第１の光導波路の近位に配置され、前記セグメントは、前記第２の光導波路が前記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の光導波路から前記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第２の光導波路、および
前記第１の処理された光信号および前記第２の処理された光信号に基づいて、前記広帯域光の有効干渉波長を測定する波長検出器
を具備する波長計と、
前記回転測定信号および前記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
を備えるシステム。
【請求項３】
前記広帯域光源の前記有効干渉波長での、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のスーパーモードの位相差は、前記光学式回転センサの位相変調に相当する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記光学式回転センサの前記位相変調は、実質的にπ／２に等しい、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記波長検出器は、干渉縞の鮮明度ｖを使用することにより、前記広帯域光の前記有効干渉波長を測定するよう構成され、ここで
【数１】
2020513102.tif 000021
である、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記波長検出器は、前記第１の処理された光信号に基づいて前記広帯域光の前記有効干渉波長を測定するよう構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記波長検出器は、前記第２の処理された光信号に基づいて前記広帯域光の前記有効干渉波長を測定するよう構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記波長計は、前記回転検知光学システムと前記センサ検出システムとの間の光経路から前記光信号の少なくとも一部を受信するために、前記光学式回転センサに接続される、請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
２×２導波路方向性結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
マルチモード干渉結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記波長計は、前記広帯域光源と前記回転検知光学システムとの間の光経路から前記広帯域光の少なくとも一部を受信するために、前記光学式回転センサに接続される、請求項２に記載のシステム。
【請求項１２】
２×２導波路方向性結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
マルチモード干渉結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、１つまたは複数のＳｉ−ＣＭＯＳ適合性材料を含み、前記第１および前記第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、請求項２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１および前記第２の光導波路は、前記導波路のコアとして窒化ケイ素、および前記導波路のクラッド材料として酸化ケイ素を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記波長検出器は、
前記第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、
前記第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、前記第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、
前記第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、
前記第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、前記第２の電圧を前記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、請求項２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記波長検出器は、
前記第１の処理された光信号および前記第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、
前記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、前記第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、
前記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、前記第２の電圧を前記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、請求項２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記波長検出器は、
前記第１の処理された光信号および前記第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であって、前記第１の入力は前記対称２重素子光ダイオードの第１の素子に結合され、前記第２の入力は前記対称２重素子光ダイオードの第２の素子に結合され、前記出力はトランスインピーダンス増幅器に結合され、前記電子スイッチはさらに、前記第１および前記第２の入力を所定の周波数で前記出力に選択的に結合するよう構成される、電子スイッチと
を備え、
前記トランスインピーダンス増幅器は、前記出力からの電流を電圧に変換し、前記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る、請求項２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記波長検出器は、
所定の周波数で、前記第１の処理された光信号および前記第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と、
前記光ダイオードからの電流を電圧に変換し、前記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るトランスインピーダンス増幅器と
を備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項２０】
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って、
広帯域スペクトル光源からの広帯域光を供給するステップと、
前記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前記広帯域光を処理するステップと、
前記光信号を、前記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であって、前記回転測定信号は、デフォルトの干渉波長による前記光学式回転センサの前記角速度を特徴づけるステップと、
波長計に前記広帯域光の少なくとも一部を送るステップと、
前記波長計で、前記波長計に送られた前記広帯域光に基づいて、有効干渉波長を測定するステップと、
前記有効干渉波長に応じて前記回転測定信号を補正するステップと
を含む、方法。
【請求項２１】
前記広帯域光源の前記有効干渉波長での、前記波長計の導波路のスーパーモードの位相差は、前記光学式回転センサの位相変調に等しい、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光学式回転センサの前記位相変調は、実質的にπ／２に等しい、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
波長検出器は、干渉縞の鮮明度ｖを使用することにより、前記広帯域光の前記有効干渉波長を測定するよう構成され、ここで
【数２】
2020513102.tif 000022
である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
波長検出器は、第１の処理された光信号に基づいて前記広帯域光の前記有効干渉波長を測定するよう構成される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
波長検出器は、第２の処理された光信号に基づいて前記広帯域光の前記有効干渉波長を測定するよう構成される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記波長計は、回転検知光学システムと前記センサ検出システムとの間の光経路から前記光信号の少なくとも一部を受信するために、前記光学式回転センサに接続される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
２×２導波路方向性結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
マルチモード干渉結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記波長計は、前記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前記光信号の少なくとも一部を受信するために、前記光学式回転センサに接続される、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
２×２導波路方向性結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
マルチモード干渉結合器は、前記光学式回転センサからの前記光信号の少なくとも一部を前記波長計に結合するために利用される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記波長計の波長検出器は、
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、
前記第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、前記第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、
前記第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、前記第２の電圧を前記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、請求項２０に記載の方法。
【請求項３３】
前記波長計の波長検出器は、
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、
前記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、前記第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、
前記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、前記第２の電圧を前記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、請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
前記波長計の波長検出器は、
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であって、前記第１の入力は前記対称２重素子光ダイオードの第１の素子に結合され、前記第２の入力は前記対称２重素子光ダイオードの第２の素子に結合され、前記出力はトランスインピーダンス増幅器に結合され、前記電子スイッチはさらに、前記第１および前記第２の入力を所定の周波数で前記出力に選択的に結合するよう構成される、電子スイッチと
を備え、
前記トランスインピーダンス増幅器は、前記出力からの電流を電圧に変換し、前記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る、請求項２０に記載の方法。
【請求項３５】
前記波長計の波長検出器は、
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と、
前記光ダイオードからの電流を電圧に変換して、有効干渉波長測定ユニットに供給するよう構成されるトランスインピーダンス増幅器と
を備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項３６】
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って、
前記ＦＯＧの回転の関数として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、
前記光学式回転センサに結合される波長計であって、
相互作用する長さにわたって、前記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、
第２の光導波路のセグメントが、前記第１の光導波路の近位に配置され、前記セグメントは、前記第２の光導波路が前記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の光導波路から前記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第２の光導波路、および
前記第１の処理された光信号および前記第２の処理された光信号に基づいて、前記広帯域光の有効干渉波長を測定する波長検出器
を具備する波長計と、
前記回転測定信号および前記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
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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
【数１】
2020513102.tif 000003
である。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】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。
【図１Ｂ】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１Ｃ】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。
【図２】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。
【図３Ａ】例示的な波長計の、ある波長への応答を示す図である。
【図３Ｂ】例示的な波長計の、別の波長への応答を示す図である。
【図３Ｃ】例示的な波長計の、別の波長への応答を示す図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
例示的な実施形態の説明を続ける。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【数２】
2020513102.tif 000004
【００３１】
ここで、λ＝１／ｋは光の波長であり、γｃ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。
【００３２】
一方、有効干渉波長λｉｎｔ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、ｋｉｎｔ＝１／λｉｎｔ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。
【数３】
2020513102.tif 000005
【００３３】
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。
【数４】
2020513102.tif 000006
【００３４】
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ｋｉｎｔ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δｍを生成することができ、従って２πｋｉｎｔδｍ＝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＋Δφｓで動作する。ここでΔφｓ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。Δφｓが小さい場合、ｓｉｎ（２πｋΔφｓ）≒２πｋΔφｓである。方程式（３）は、以下となる。
【数５】
2020513102.tif 000007
上式は、位相シフトΔφｓ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ｋｉｎｔ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。
【数６】
2020513102.tif 000008
【００３５】
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ｋｉｎｔを測定する。
【００３６】
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。
【００３７】
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Δφｓに変換する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
従来のＦＯＧでは、サニャック効果（Δφｓ）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：Δφｓ＝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（Ωｔａｂ）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Δφｃａｌと較正された波数ｋｃａｌ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、Ｆｃａｌ＝２π／ｃ・ＬＤｋｏｐ＝Δφｃａｌ／Ωｔａｂ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、Δφｏｐおよびｋｏｐである。補正されたスケール・ファクタは、Ｆｃｏｒｒ＝Ｆｃａｌ・ｋｏｐ／ｋｃａｌで、補正された角速度は、Ωｃｏｒｒ＝Ｆｃｏｒｒ・Δφｏｐ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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【数７】
2020513102.tif 000009
【数８】
2020513102.tif 000010
【００４９】
ここで、Δｎｅ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。
【００５０】
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。
【数９】
2020513102.tif 000011
ここで、δｋ＝ｌΔｎｅ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（δｋ）＝Ｆ｛ｐ（ｋ）｝である。
【００５１】
交差結合導波路２０６ａ、２０６ｂの出力信号は、同様の形態をとる。
【数１０】
2020513102.tif 000012
【００５２】
一方、波長計で測定される波長λｍｅａ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ｋｍｅａ＝１／λｍｅａ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。
【数１１】
2020513102.tif 000013
【数１２】
2020513102.tif 000014
【００５３】
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。
【数１３】
2020513102.tif 000015
【００５４】
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δｅ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、ｋｍｅａはｋｉｎｔ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λｃｔｒに関係する所定の中心波数ｋｃｔｒで、方程式ｋｃｔｒ＝１／λｃｔｒを使って、スーパーモードの位相差２πｋｃｔｒδｅ＝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、２πｋδｅ＝π／２＋２πｋδｗと表すことができ、ここでδｗ＝（１−λ／λｃｔｒ）δｅ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。Δφｗ＝２πｋδｗ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Δφｓに相当することに留意されたい。δｗは小さな値であり、近似式ｓｉｎ（２πｋδｗ）≒２πｋδｗが成り立つと仮定する。同様に、近似式ｓｉｎ（２πｋｍｅａδｗ）≒２πｋｍｅａδｗ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。
【数１４】
2020513102.tif 000016
【００５５】
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、ｋｍｅａがｋｉｎｔ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。
【００５６】
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。
【数１５】
2020513102.tif 000017
【００５７】
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ｋｍｅａ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。
【００５８】
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。
【００５９】
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２πｋｃｔｒδｅ＝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ｉｄｅｔは、ｉｄｅｔ＝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
【数１６】
2020513102.tif 000018
に関係し、ここで、ｅは初めの電荷、ｉｄｅｔは検出器の光電流、ΔｆＢは検出帯域幅である。波長計の波長感度は、Ｓ＝（Δｉｄｅｔ／ｉｄｅｔ）／Δλとして表され、ここでΔｉｄｅｔ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
【数１７】
2020513102.tif 000019
と定義される。ｉｓｈｏｔ、ｉｄｅｔ、およびＳの値を入れた結果は、
【数１８】
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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。
【００６０】
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）。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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