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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024002147
(43)【公開日】2024-01-11
(54)【発明の名称】ジャイロセンサ及び光ジャイロセンサ
(51)【国際特許分類】
G01C 19/64 20060101AFI20231228BHJP
G02B 6/125 20060101ALI20231228BHJP
【ＦＩ】
G01C19/64 Z
G02B6/125 301
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022101177
(22)【出願日】2022-06-23
(71)【出願人】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】100141139
【弁理士】
【氏名又は名称】及川 周
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100181124
【弁理士】
【氏名又は名称】沖田 壮男
(72)【発明者】
【氏名】平原 大地
【テーマコード（参考）】
2F105
2H147
【Ｆターム（参考）】
2F105AA05
2F105BB02
2F105BB13
2F105DD11
2F105DD13
2F105DE01
2F105DE06
2F105DE21
2H147AA03
2H147AB04
2H147AB05
2H147AB11
2H147BA01
2H147BD03
2H147BE04
2H147BE15
2H147EA13C
2H147EA14A
2H147EA14B
2H147EA35A
2H147EA36A
2H147EA38A
2H147EA39A
(57)【要約】
【課題】本発明は、ジャイロセンサ及び光ジャイロセンサの提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係るジャイロセンサは、電磁波伝搬経路が持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移とそれに伴う位相変化を、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングに応用し、電磁波伝送経路を変化させることで、伝搬する電磁波のサニャック効果を受ける伝搬経路長や周回数を増減させ、角運動量の検出能力を高め、小型集積化を可能とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係るジャイロセンサは、電磁波伝搬経路が持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移とそれに伴う位相変化を、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングに応用し、電磁波伝送経路を変化させることで、伝搬する電磁波のサニャック効果を受ける伝搬経路長や周回数を増減させ、角運動量の検出能力を高め、小型集積化を可能とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電磁波伝搬経路が持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移とそれに伴う位相変化を、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングに応用し、電磁波伝搬経路を変化させることで、伝搬する電磁波のサニャック効果を受ける伝搬経路長や周回数を増減させ、角運動量の検出能力を高め、小型集積化を可能とするジャイロセンサ。
【請求項2】
基板上に離間して設けた第１スラブ導波路および第２スラブ導波路と、
前記第１スラブ導波路の一方の導波面と前記第２スラブ導波路の一方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなる複数の第１導波路を備えた第１導波路アレイと、
前記第１スラブ導波路の他方の導波面と前記第２スラブ導波路の他方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなる複数の第２導波路を備えた第２導波路アレイと、
前記第１スラブ導波路の一部に接続された第１光入出力導波路と、前記第２スラブ導波路の一部に接続された第２光入出力導波路を備えたことを特徴とする光ジャイロセンサ。
前記第１スラブ導波路の一方の導波面と前記第２スラブ導波路の一方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなる複数の第１導波路を備えた第１導波路アレイと、
前記第１スラブ導波路の他方の導波面と前記第２スラブ導波路の他方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなる複数の第２導波路を備えた第２導波路アレイと、
前記第１スラブ導波路の一部に接続された第１光入出力導波路と、前記第２スラブ導波路の一部に接続された第２光入出力導波路を備えたことを特徴とする光ジャイロセンサ。
【請求項3】
角運動を持つ前記導波路アレイに生じるサニャック効果を、前記スラブ導波路内を前記基板の面方向に沿って２次元に自由伝搬する光信号のビームフォーミングに適用し、前記複数の第１導波路あるいは前記複数の第２導波路から、前記第２スラブ導波路あるいは前記第１スラブ導波路に入力した光信号のビームを前記複数の第１導波路に対向する側のいずれかの任意の前記第２導波路に伝搬させるか、前記複数の第２導波路に対向する側のいずれかの任意の前記第１導波路に伝搬させるかを切り換える機能を有したことを特徴とする請求項２に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項4】
前記複数の第１導波路と前記複数の第２導波路は、前記基板上に離間して設けた前記第１導波路アレイおよび前記第２導波路アレイの配置位置の中間に位置する線分に対し、線対称に配置されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項5】
基板上に設けた導波路アレイと、
前記スラブ導波路の一方の導波面と前記スラブ導波路の他方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなるとともに、前記スラブ導波路を介し周回する形状とされた複数の周回導波路を備えた第１導波路アレイと、
前記スラブ導波路の一部に接続された第１光入出力導波路と、前記スラブ導波路の他の一部に接続された第２光入出力導波路を備えたことを特徴とする光ジャイロセンサ。
前記スラブ導波路の一方の導波面と前記スラブ導波路の他方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなるとともに、前記スラブ導波路を介し周回する形状とされた複数の周回導波路を備えた第１導波路アレイと、
前記スラブ導波路の一部に接続された第１光入出力導波路と、前記スラブ導波路の他の一部に接続された第２光入出力導波路を備えたことを特徴とする光ジャイロセンサ。
【請求項6】
角運動を持つ前記導波路アレイに生じるサニャック効果を、前記スラブ導波路内を前記基板の面方向に沿って２次元に自由伝搬する光信号のビームフォーミングに適用し、
前記複数の周回導波路の一方端が前記スラブ導波路の一方の導波面に接続された部分から、前記複数の周回導波路の他方端が前記スラブ導波路の他方の導波面に接続された部分のいずれかに、前記光信号のビームを伝搬させるか、
前記複数の周回導波路の他方端が前記スラブ導波路の他方の導波面に接続された部分から、前記複数の周回導波路の一方端が前記スラブ導波路の一方の導波面に接続された部分のいずれかに、前記光信号のビームを伝搬させるかを切り換える機能を有したことを特徴とする請求項５に記載の光ジャイロセンサ。
前記複数の周回導波路の一方端が前記スラブ導波路の一方の導波面に接続された部分から、前記複数の周回導波路の他方端が前記スラブ導波路の他方の導波面に接続された部分のいずれかに、前記光信号のビームを伝搬させるか、
前記複数の周回導波路の他方端が前記スラブ導波路の他方の導波面に接続された部分から、前記複数の周回導波路の一方端が前記スラブ導波路の一方の導波面に接続された部分のいずれかに、前記光信号のビームを伝搬させるかを切り換える機能を有したことを特徴とする請求項５に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項7】
方向性結合器を備えることを特徴とする請求項２、３、５、６のいずれか一項に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項8】
前記導波路の偏波依存性を各導波路の形状並びに材料もしくは複屈折に対し偏波無依存となるように設定したことを特徴とする請求項２、３、５、６のいずれか一項に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項9】
請求項２、３、５、６のいずれか一項に記載の光ジャイロセンサが、耐放射線性に優れた材料からなることを特徴とする光ジャイロセンサ。
【請求項10】
請求項４に記載の光ジャイロセンサが、耐放射線性に優れた材料からなることを特徴とする光ジャイロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ジャイロセンサ及び光ジャイロセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
回転する物体の角速度を検出する角速度検出装置（ジャイロセンサ）として、光平面回路を用いた光ジャイロが知られている。サニャック効果を得るために光導波路を用いることで集積性が高く小型化が可能とされ、リング状に配置された光導波路に双方向から入出力されたレーザ光のドップラー偏移からなる周波数差を用いて角速度を検出することができる。
【0003】
特許文献１には、基板上にリング状の光路を構成する光導波路を形成し、この光導波路に隣接させて光取り出し部を有する検出路を設けた光ジャイロセンサが開示されている。この光ジャイロセンサは、光導波路から光取り出し部に移行した第１レーザ光と第２レーザ光のそれぞれの一部を合波させて発生するビート信号を信号検出部で検出する。特許文献１の構成では、信号検出部がビート信号を検出することで角速度を検出し、光ジャイロセンサとして機能する。
特許文献２には、第１の固体導波路と利得媒体相互作用領域と媒体励起器と光検出器を備えたリングレーザジャイロスコープが開示されている。特許文献２の構成では、媒体励起器から第１の固体導波路内に反時計回り方向に進行する第１のレーザ場と第２のレーザ場を誘導し、第１の固体導波路に通信可能に結合された光検出器を有する。特許文献２の構成では、光検出器が第１および第２のレーザ場の一部を検出し、ジャイロスコープとして機能する。
特許文献３には、信号用のＮ本の入力導波路に加えて、信号光が分岐して入力される波長監視用のＮ本の入力導波路を信号用の入力導波路からずれた位置に配置したアレイ導波路回折格子光合分波器が開示されている。
特許文献２には、第１の固体導波路と利得媒体相互作用領域と媒体励起器と光検出器を備えたリングレーザジャイロスコープが開示されている。特許文献２の構成では、媒体励起器から第１の固体導波路内に反時計回り方向に進行する第１のレーザ場と第２のレーザ場を誘導し、第１の固体導波路に通信可能に結合された光検出器を有する。特許文献２の構成では、光検出器が第１および第２のレーザ場の一部を検出し、ジャイロスコープとして機能する。
特許文献３には、信号用のＮ本の入力導波路に加えて、信号光が分岐して入力される波長監視用のＮ本の入力導波路を信号用の入力導波路からずれた位置に配置したアレイ導波路回折格子光合分波器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１０－１６４５０４号公報
【特許文献2】特開２０１６－０８５２１５号公報
【特許文献3】特開平０９－０４９９３７号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】D. Hirahara, et al., “Large birefringence in SOI layer and its application to polarization-insensitive AWG,” in IEEE International Conference on Group IV Photonics, July. 2008. DOI: 10.1109/GROUP4.2008.4638216
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、光ジャイロセンサの精度を向上させるためには双方向のレーザ光の間でより多くの角速度による周波数差を生じさせる必要がある。従来から、特許文献１、２の構成に見られるように、リング径を大きくするためにリング状の光導波路、方向性結合器、低損失な交差回路等の基礎回路を用いた多くの方法が提案されているが、いずれの方法も組み合わせの域を出ていない。
【0007】
また、光平面回路では偏波依存性が報告されており、入出力されるレーザ光の全電力を用いるには、偏波回転素子や偏波分離器といった構成も必要となる課題がある。偏波無依存化の手法として回路の形状や材質から複屈折を定義し、設計上で両偏波の動作を一致させる手法が非特許文献１に記載のように提案され、実証されている。
また、その応用先として、従来から偏波依存性が課題とされていた特許文献３に記載のアレイ導波路回折格子が考えられるが、特許文献３に記載の技術は、波長多重通信に関する技術に過ぎない。
また、その応用先として、従来から偏波依存性が課題とされていた特許文献３に記載のアレイ導波路回折格子が考えられるが、特許文献３に記載の技術は、波長多重通信に関する技術に過ぎない。
【0008】
本発明は、以上説明の事情を考慮してなされたものであり、平面回路で構成されるジャイロを超高集積化し、サニャック効果を大幅に向上させてセンサとしての機能を高めることができるジャイロセンサ及び光ジャイロセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、上記課題を解決する手段として、以下の構成を有する。
（１）本形態に係るジャイロセンサは、電磁波伝搬経路が持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移とそれに伴う位相変化を、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングに応用し、電磁波伝送経路を変化させることで、伝搬する電磁波のサニャック効果を受ける伝搬経路長や周回数を増減させ、角運動量の検出能力を高め、小型集積化を可能とする。
（１）本形態に係るジャイロセンサは、電磁波伝搬経路が持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移とそれに伴う位相変化を、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングに応用し、電磁波伝送経路を変化させることで、伝搬する電磁波のサニャック効果を受ける伝搬経路長や周回数を増減させ、角運動量の検出能力を高め、小型集積化を可能とする。
【0010】
本形態によれば、従来技術で用いられているリング形状の大きな導波路を実装するタイプではなく、サニャック効果を電磁波伝搬経路に作用させることで、電磁波伝搬経路ごとに異なる角速度の慣性力による光信号の位相変化を、電磁波伝搬経路での集束点シフトに応用し、周回を続ける電磁波伝搬経路の変化に適用できる。
従って、このジャイロセンサは、従来構成より各段に小型化が可能となる。また、電磁波伝搬経路を電磁波の繰り返し経路として利用できるので、ジャイロセンサ全体の素子サイズを大幅に小型化できる効果も奏する。
従って、このジャイロセンサは、従来構成より各段に小型化が可能となる。また、電磁波伝搬経路を電磁波の繰り返し経路として利用できるので、ジャイロセンサ全体の素子サイズを大幅に小型化できる効果も奏する。
【0011】
（２）本形態に係る光ジャイロセンサは、基板上に離間して設けた第１スラブ導波路および第２スラブ導波路と、前記第１スラブ導波路の一方の導波面と前記第２スラブ導波路の一方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなる複数の第１導波路を備えた第１導波路アレイと、前記第１スラブ導波路の他方の導波面と前記第２スラブ導波路の他方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなる複数の第２導波路を備えた第２導波路アレイと、前記第１スラブ導波路の一部に接続された第１光入出力導波路と、前記第２スラブ導波路の一部に接続された第２光入出力導波路を備えたことを特徴とする。
【0012】
本形態によれば、従来技術で用いられているリング形状の大きな導波路を実装するタイプではなく、サニャック効果を導波路アレイに作用させることで、アレイされた導波路ごとに異なる角速度の慣性力による光信号の位相変化を、スラブ導波路での集光点シフトに応用し、周回を続ける回路伝送経路の変化に適用できる。
従って、光ジャイロセンサは、従来構成より各段に小型化が可能となる。また、導波路アレイを光信号の繰り返し経路として利用できるので、光ジャイロセンサ全体の素子サイズを大幅に小型化できる効果も奏する。
従って、光ジャイロセンサは、従来構成より各段に小型化が可能となる。また、導波路アレイを光信号の繰り返し経路として利用できるので、光ジャイロセンサ全体の素子サイズを大幅に小型化できる効果も奏する。
【0013】
（３）本形態に係る光ジャイロセンサにおいて、角運動を持つ前記導波路アレイに生じるサニャック効果を、前記スラブ導波路内を前記基板の面方向に沿って２次元に自由伝搬する光信号のビームフォーミングに適用し、前記複数の第１導波路あるいは前記複数の第２導波路から、前記第２スラブ導波路あるいは前記第１スラブ導波路に入力した光信号のビームを前記複数の第１導波路に対向する側のいずれかの任意の前記第２導波路に伝搬させるかを切り換え、前記複数の第２導波路に対向する側のいずれかの任意の前記第１導波路に伝搬させるかを切り換える機能を有したことが好ましい。
【0014】
（４）本形態に係る光ジャイロセンサにおいて、前記複数の第１導波路と前記複数の第２導波路は、前記基板上に離間して設けた前記第１導波路アレイおよび前記第２導波路アレイの配置位置の中間に位置する線分に対し、線対称に配置されていることが好ましい。
【0015】
（５）本形態に係る光ジャイロセンサは、基板上に設けた導波路アレイと、前記スラブ導波路の一方の導波面と前記スラブ導波路の他方の導波面を接続し、所定の導波路長で順次長くなるとともに、前記スラブ導波路を介し周回する形状とされた複数の周回導波路を備えた第１導波路アレイと、前記スラブ導波路の一部に接続された第１光入出力導波路と、前記スラブ導波路の他の一部に接続された第２光入出力導波路を備えたことが好ましい。
【0016】
（６）本形態に係る光ジャイロセンサにおいて、角運動を持つ前記導波路アレイに生じるサニャック効果を、前記スラブ導波路内を前記基板の面方向に沿って２次元に自由伝搬する光信号のビームフォーミングに適用し、前記複数の周回導波路の一方端が前記スラブ導波路の一方の導波面に接続された部分から、前記複数の周回導波路の他方端が前記スラブ導波路の他方の導波面に接続された部分のいずれかに、前記光信号のビームを伝搬させるか、前記複数の周回導波路の他方端が前記スラブ導波路の他方の導波面に接続された部分から、前記複数の周回導波路の一方端が前記スラブ導波路の一方の導波面に接続された部分のいずれかに、前記光信号のビームを伝搬させるかを切り換える機能を有したことが好ましい。
【0017】
（７）本形態に係る（２）～（６）のいずれかに記載の光ジャイロセンサにおいて、方向性結合器を備えることが好ましい。
（８）本形態に係る（２）～（７）のいずれかに記載の光ジャイロセンサにおいて、前記導波路の偏波依存性を各導波路の形状並びに材料もしくは複屈折に対し偏波無依存となるように設定したことが好ましい。
（９）本形態に係る光ジャイロセンサにおいて、（２）～（５）のいずれかに記載の光ジャイロセンサが、耐放射線性に優れた材料からなることが好ましい。
（１０）本形態に係る光ジャイロセンサにおいて、（６）～（８）のいずれかに記載の光ジャイロセンサが、耐放射線性に優れた材料からなることが好ましい。
（８）本形態に係る（２）～（７）のいずれかに記載の光ジャイロセンサにおいて、前記導波路の偏波依存性を各導波路の形状並びに材料もしくは複屈折に対し偏波無依存となるように設定したことが好ましい。
（９）本形態に係る光ジャイロセンサにおいて、（２）～（５）のいずれかに記載の光ジャイロセンサが、耐放射線性に優れた材料からなることが好ましい。
（１０）本形態に係る光ジャイロセンサにおいて、（６）～（８）のいずれかに記載の光ジャイロセンサが、耐放射線性に優れた材料からなることが好ましい。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、これまで以上に集積化を進めることができ、超小型化が可能なジャイロセンサ及び光ジャイロセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図2】図２は、第１実施形態に係る光ジャイロセンサにおいてサニャック効果がない場合の光導波経路の一例を示すもので、（Ａ）は第１光入出力導波路から第１スラブ導波路に導入したレーザ光が第１導波路アレイと第２スラブ導波路と第２導波路アレイに至る状態を示す説明図であり、（Ｂ）は第２導波路アレイを通過したレーザ光が再度第１スラブ導波路と第１導波路アレイと第２スラブ導波路を通過して第２光入出力導波路から出力される状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
「第１実施形態」
以下、本発明の第１実施形態を挙げて本発明の詳細について説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に制限されるものではない。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光ジャイロセンサの要部を示す説明図である。
本実施形態の光ジャイロセンサＡは、平面視矩形状の基板１と、この基板１上に図１の左右方向に離間して形成された平面視樽型輪郭の第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂを備えている。第１スラブ導波路２ａと第２スラブ導波路２ｂは、平面視樽型輪郭の平端面２ａ０、２ｂ０を左右に向けて図１に示すように横倒しした形状が採用されている。
光ジャイロセンサＡは、図１に示すように第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂの配列方向に沿う中心線となる線分ａを挟んで線対称に配置された複数の第１導波路３ａ１～３ａ５と、第２導波路３ｂ１～３ｂ５を備えている。
複数の第１導波路３ａ１～３ａ５から第１導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）３ａが構成され、複数の第２導波路３ｂ１～３ｂ５から第２導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）３ｂが構成されている。従って、第１導波路アレイ３ａおよび第２導波路アレイ３ｂの配置位置の中間に位置する線分ａに対し、第１導波路アレイ３ａと第２導波路アレイ３ｂは線対称に配置されている。
また、第１スラブ導波路２ａの一部にレーザ光などの検知光のための第１光入出力導波路１ａが形成され、第２スラブ導波路２ｂの一部にレーザ光などの検知光のための第２光入出力導波路１ｂが形成されている。
以下、本発明の第１実施形態を挙げて本発明の詳細について説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に制限されるものではない。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光ジャイロセンサの要部を示す説明図である。
本実施形態の光ジャイロセンサＡは、平面視矩形状の基板１と、この基板１上に図１の左右方向に離間して形成された平面視樽型輪郭の第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂを備えている。第１スラブ導波路２ａと第２スラブ導波路２ｂは、平面視樽型輪郭の平端面２ａ０、２ｂ０を左右に向けて図１に示すように横倒しした形状が採用されている。
光ジャイロセンサＡは、図１に示すように第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂの配列方向に沿う中心線となる線分ａを挟んで線対称に配置された複数の第１導波路３ａ１～３ａ５と、第２導波路３ｂ１～３ｂ５を備えている。
複数の第１導波路３ａ１～３ａ５から第１導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）３ａが構成され、複数の第２導波路３ｂ１～３ｂ５から第２導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）３ｂが構成されている。従って、第１導波路アレイ３ａおよび第２導波路アレイ３ｂの配置位置の中間に位置する線分ａに対し、第１導波路アレイ３ａと第２導波路アレイ３ｂは線対称に配置されている。
また、第１スラブ導波路２ａの一部にレーザ光などの検知光のための第１光入出力導波路１ａが形成され、第２スラブ導波路２ｂの一部にレーザ光などの検知光のための第２光入出力導波路１ｂが形成されている。
【0021】
第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂ、第１導波路３ａ１～３ａ５、第２導波路３ｂ１～３ｂ５、第１光入出力導波路１ａ、第２光入出力導波路１ｂは、基本構造として、基板１上に積層された上下のクラッド層の間に光導波路となるコア層を設けて構成されている。
例えば、Ｓｉ基板上に火炎堆積法によりＳｉＯ２の下部クラッド層を堆積後、ＧｅＯ２などのドーパントを添加したＳｉＯ２ガラスのコア層を形成し、電気炉等で透明ガラス化した後、図１に示す各導波路の概形にコア層をパターン化し、その後、ＳｉＯ２の上部クラッド層を堆積することで各導波路を備えた光ジャイロセンサＡを作製できる。
図１は説明の簡略化のため、基板１上のコア層の部分のみを示し、クラッド層については記載を略している。
例えば、Ｓｉ基板上に火炎堆積法によりＳｉＯ２の下部クラッド層を堆積後、ＧｅＯ２などのドーパントを添加したＳｉＯ２ガラスのコア層を形成し、電気炉等で透明ガラス化した後、図１に示す各導波路の概形にコア層をパターン化し、その後、ＳｉＯ２の上部クラッド層を堆積することで各導波路を備えた光ジャイロセンサＡを作製できる。
図１は説明の簡略化のため、基板１上のコア層の部分のみを示し、クラッド層については記載を略している。
【0022】
なお、本実施形態において用いるコア層やクラッド層、ならびに必要に応じて同時集積される発光受光素子や変調器は、宇宙空間などの放射線が存在する環境下で光ジャイロセンサＡを用いることを想定し、耐放射線性に優れた材料から構成されていることが望ましい。
耐放射線性に優れた材料の一例として以下に説明する材料を適用することができる。
コア層の構成材料には、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のいずれか１種または２種以上を含むシリカ組成物を用いることができる。また、これらの元素に加え、セリウム（Ｓｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）のいずれか１種または２種以上を含んでいても良い。
クラッド層は、コア層より屈折率の低い材料であれば、その材料に特に制限はない。クラッド層の構成材料として例えば、シリカ（石英ガラス）を使用することができる。
耐放射線性に優れた材料の一例として以下に説明する材料を適用することができる。
コア層の構成材料には、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のいずれか１種または２種以上を含むシリカ組成物を用いることができる。また、これらの元素に加え、セリウム（Ｓｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）のいずれか１種または２種以上を含んでいても良い。
クラッド層は、コア層より屈折率の低い材料であれば、その材料に特に制限はない。クラッド層の構成材料として例えば、シリカ（石英ガラス）を使用することができる。
【0023】
以下、図１に示す平面視矩形状の基板１の横辺１Ａと平行な方向を±Ｘ方向、縦辺１Ｂと平行な方向を±Ｙ方向と定義し、適宜、これらの方向を用いて光ジャイロセンサＡの詳細構造について説明する。
第１スラブ導波路２ａは、平面視樽型であり、＋Ｙ方向側と－Ｙ方向側にそれぞれ外側に膨出するような湾曲面（導波面）２ａ１、２ａ２が形成されている。第２スラブ導波路２ｂは、第１スラブ導波路２ａと同一の平面視形状であり、＋Ｙ方向側と－Ｙ方向側にそれぞれ外側に膨出するような湾曲面（導波面）２ｂ１、２ｂ２が形成されている。
第１スラブ導波路２ａは、平面視樽型であり、＋Ｙ方向側と－Ｙ方向側にそれぞれ外側に膨出するような湾曲面（導波面）２ａ１、２ａ２が形成されている。第２スラブ導波路２ｂは、第１スラブ導波路２ａと同一の平面視形状であり、＋Ｙ方向側と－Ｙ方向側にそれぞれ外側に膨出するような湾曲面（導波面）２ｂ１、２ｂ２が形成されている。
【0024】
第１スラブ導波路２ａの湾曲面２ａ１と第２スラブ導波路２ｂの湾曲面２ｂ１に接続するように第１導波路３ａ１、３ａ２、３ａ３、３ａ４、３ａ５が設けられている。第１導波路３ａ１、３ａ２、３ａ３、３ａ４、３ａ５は、いずれも、平面視±Ｙ方向に若干細長い楕円の円周の半分程度を型取る形状とされ、それらの一端から他端までほぼ同じ幅に形成されている。また、第１導波路３ａ１、３ａ２、３ａ３、３ａ４、３ａ５は略同心楕円状に等間隔で配置されており、それらの一端が第１スラブ導波路２ａの湾曲面２ａ１に接続され、それらの他端が第２スラブ導波路２ｂの湾曲面２ｂ１に接続されている。
【0025】
第１スラブ導波路２ａの湾曲面２ａ２と第２スラブ導波路２ｂの湾曲面２ｂ２に接続するように第２導波路３ｂ１、３ｂ２、３ｂ３、３ｂ４、３ｂ５が設けられている。第２導波路３ｂ１、３ｂ２、３ｂ３、３ｂ４、３ｂ５は、いずれも、平面視±Ｙ方向に若干細長い楕円の円周の半分程度を型取る形状とされ、それらの一端から他端までほぼ同じ幅に形成されている。また、第２導波路３ｂ１、３ｂ２、３ｂ３、３ｂ４、３ｂ５は、略同心楕円状にほぼ等間隔で配置されており、それらの一端が第１スラブ導波路２ａの湾曲面２ａ２に接続され、それらの他端が第２スラブ導波路２ｂの湾曲面２ｂ２に接続されている。
【0026】
第１導波路３ａ１、３ａ２、３ａ３、３ａ４、３ａ５と第２導波路３ｂ１、３ｂ２、３ｂ３、３ｂ４、３ｂ５は、線分ａを挟んで線対称に配置されている。このため、第１導波路３ａ１と第２導波路３ｂ１は、図１に示すように第１スラブ導波路２ａと第２スラブ導波路２ｂを挟んで１つの楕円の円周の大部分を構成するように配置されている。
同様に、第１導波路３ａ２と第２導波路３ｂ２は、図１に示すように第１スラブ導波路２ａと第２スラブ導波路２ｂを挟んで１つの楕円の円周の大部分を構成するように配置されている。以下、第１導波路３ａ３と第２導波路３ｂ３も同様に、１つの楕円の円周の大部分を構成するように、第１導波路３ａ４と第２導波路３ｂ４も同様に、１つの楕円の円周の大部分を構成するように、第１導波路３ａ５と第２導波路３ｂ5も同様に、１つの楕円の円周の大部分を構成するように配置されている。
換言すると、第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂの一側（＋Ｙ方向側）に第１導波路３ａ１～３ａ５が形成され、第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂの他側（－Ｙ方向側）に第２導波路３ｂ１～３ｂ５が形成されている。また、第１導波路３ａ５、３ａ４、３ａ３、３ａ２、３ａ１の各線路長はこれらの順に順次長くなるように形成されている。第２導波路３ｂ５、３ｂ４、３ｂ３、３ｂ２、３ｂ１の各線路長はこれらの順に順次長くなるように形成されている。
なお、第１導波路と第２導波路の本数は複数であれば任意の本数で良く、図１に示す形態は１つの例示に過ぎない。第１導波路と第２導波路の平面視形状は楕円ではなく、円あるいは円に近似する形状であっても良い。あるいは、第１導波路と第２導波路の平面視形状は角の丸い矩形型であっても良い。
同様に、第１導波路３ａ２と第２導波路３ｂ２は、図１に示すように第１スラブ導波路２ａと第２スラブ導波路２ｂを挟んで１つの楕円の円周の大部分を構成するように配置されている。以下、第１導波路３ａ３と第２導波路３ｂ３も同様に、１つの楕円の円周の大部分を構成するように、第１導波路３ａ４と第２導波路３ｂ４も同様に、１つの楕円の円周の大部分を構成するように、第１導波路３ａ５と第２導波路３ｂ5も同様に、１つの楕円の円周の大部分を構成するように配置されている。
換言すると、第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂの一側（＋Ｙ方向側）に第１導波路３ａ１～３ａ５が形成され、第１スラブ導波路２ａおよび第２スラブ導波路２ｂの他側（－Ｙ方向側）に第２導波路３ｂ１～３ｂ５が形成されている。また、第１導波路３ａ５、３ａ４、３ａ３、３ａ２、３ａ１の各線路長はこれらの順に順次長くなるように形成されている。第２導波路３ｂ５、３ｂ４、３ｂ３、３ｂ２、３ｂ１の各線路長はこれらの順に順次長くなるように形成されている。
なお、第１導波路と第２導波路の本数は複数であれば任意の本数で良く、図１に示す形態は１つの例示に過ぎない。第１導波路と第２導波路の平面視形状は楕円ではなく、円あるいは円に近似する形状であっても良い。あるいは、第１導波路と第２導波路の平面視形状は角の丸い矩形型であっても良い。
【0027】
第１スラブ導波路２ａの湾曲面２ａ２において第２導波路３ｂ１を接続した部分より、湾曲面２ａ２の－Ｘ方向の端部よりの位置に、第１光入出力導波路１ａが接続されている。
第２スラブ導波路２ｂの湾曲面２ｂ２において第２導波路３ｂ１を接続した部分より、湾曲面２ｂ２の＋Ｘ方向の端部よりの位置に、第２光入出力導波路１ｂが接続されている。
なお、図１では記載を略したが、第２光入出力導波路１ｂは図２（Ａ）あるいは図３（Ａ）に示すように信号検出器４に接続され、該信号検出器４には角速度算出回路５が電気的に接続されている。
第２スラブ導波路２ｂの湾曲面２ｂ２において第２導波路３ｂ１を接続した部分より、湾曲面２ｂ２の＋Ｘ方向の端部よりの位置に、第２光入出力導波路１ｂが接続されている。
なお、図１では記載を略したが、第２光入出力導波路１ｂは図２（Ａ）あるいは図３（Ａ）に示すように信号検出器４に接続され、該信号検出器４には角速度算出回路５が電気的に接続されている。
【0028】
次に、光ジャイロセンサＡの動作について説明する。
例えば、第１光入出力導波路１ａから入力されたレーザ光は、第１スラブ導波路２ａによる平面回路内で２次元の自由伝搬を経て第１導波路アレイ３ａの各導波路３ａ１～３ａ５に特定の位相差をもって入力される。第１導波路アレイ３ａの各導波路３ａ１～３ａ５を伝搬するレーザ光は、さらに各光導波路長差によって位相差が与えられ、第２スラブ導波路２ｂへ出力される。
例えば、第１光入出力導波路１ａから入力されたレーザ光は、第１スラブ導波路２ａによる平面回路内で２次元の自由伝搬を経て第１導波路アレイ３ａの各導波路３ａ１～３ａ５に特定の位相差をもって入力される。第１導波路アレイ３ａの各導波路３ａ１～３ａ５を伝搬するレーザ光は、さらに各光導波路長差によって位相差が与えられ、第２スラブ導波路２ｂへ出力される。
【0029】
「角速度が存在しない場合」
角速度が存在しない場合、第２スラブ導波路２ｂへの出力時に同位相となるように設計されていれば、レーザ光は図２（Ａ）に示すように第２導波路アレイ３ｂにおいて、Ｘ方向に配列されている中央の導波路３ｂ３に集光され、入力される（図２（Ａ）の（２）参照）。
中央の導波路３ｂ３を経たレーザ光は、第１スラブ導波路２ａに再び入力される（図２（Ｂ）の（３）参照）。
第２導波路アレイ３ｂの中央の導波路３ｂ３を経たレーザ光は、第１スラブ導波路２ａを経て、再び第１導波路アレイ３ａの各光導波路に同相で入力される。第１導波路アレイ３ａを経て各光導波路において位相差を持ったレーザ光は、第２スラブ導波路２ｂに出力される。
第２スラブ導波路２ｂでは、第１光入出力導波路１ａからの入力時と対象的に集光するため、レーザ光は第２光入出力導波路１ｂに集光され出力される（図２（Ｂ）の（４）参照）。
この際、逆方向からのレーザ光とは光ジャイロセンサＡにおいて同相となる。角速度が無い場合、第２導波路アレイ３ｂへの集光位置に関し、導波路アレイの回折次数等で任意に設計できる。
角速度が存在しない場合、第２スラブ導波路２ｂへの出力時に同位相となるように設計されていれば、レーザ光は図２（Ａ）に示すように第２導波路アレイ３ｂにおいて、Ｘ方向に配列されている中央の導波路３ｂ３に集光され、入力される（図２（Ａ）の（２）参照）。
中央の導波路３ｂ３を経たレーザ光は、第１スラブ導波路２ａに再び入力される（図２（Ｂ）の（３）参照）。
第２導波路アレイ３ｂの中央の導波路３ｂ３を経たレーザ光は、第１スラブ導波路２ａを経て、再び第１導波路アレイ３ａの各光導波路に同相で入力される。第１導波路アレイ３ａを経て各光導波路において位相差を持ったレーザ光は、第２スラブ導波路２ｂに出力される。
第２スラブ導波路２ｂでは、第１光入出力導波路１ａからの入力時と対象的に集光するため、レーザ光は第２光入出力導波路１ｂに集光され出力される（図２（Ｂ）の（４）参照）。
この際、逆方向からのレーザ光とは光ジャイロセンサＡにおいて同相となる。角速度が無い場合、第２導波路アレイ３ｂへの集光位置に関し、導波路アレイの回折次数等で任意に設計できる。
【0030】
導波路アレイの回折次数について以下に説明する。
図５は、樽型モデル形状のスラブ導波路１０に対し、スラブ導波路１０の左側の湾曲面（導波面）１０ａに導波路１１ａ１、１１ａ２、１１ａ３、１１ａ４、１１ａ５、１１ａ６、１１ａ７を接続し、右側の湾曲面（導波面）１０ｂに導波路１１ｂ１、１１ｂ２、１１ｂ３、１１ｂ４、１１ｂ５、１１ｂ６、１１ｂ７を接続した構成を示している。
導波路１１ａ１～１１ａ７は放射状にスラブ導波路１０に接続されているので、これらからの出射光は一点に集中する。スラブ導波路１０中の導波路の長さは一定量、例えば、ΔＬずつ増加するように設計する。
図５は、樽型モデル形状のスラブ導波路１０に対し、スラブ導波路１０の左側の湾曲面（導波面）１０ａに導波路１１ａ１、１１ａ２、１１ａ３、１１ａ４、１１ａ５、１１ａ６、１１ａ７を接続し、右側の湾曲面（導波面）１０ｂに導波路１１ｂ１、１１ｂ２、１１ｂ３、１１ｂ４、１１ｂ５、１１ｂ６、１１ｂ７を接続した構成を示している。
導波路１１ａ１～１１ａ７は放射状にスラブ導波路１０に接続されているので、これらからの出射光は一点に集中する。スラブ導波路１０中の導波路の長さは一定量、例えば、ΔＬずつ増加するように設計する。
【0031】
各導波路のスラブ導波路１０に対する接続部における導波路間隔をｄ、スラブ導波路１０の湾曲面１０ａの曲率半径（すなわち焦点距離）をｆ、スラブ導波路１０中でのレーザビームの回折角をθ、出力側の導波路１１ｂ１～１１ｂ７の出力導波路間隔をΔｘ、導波路の実効屈折率をｎｃ、スラブ導波路１０の実効屈折率をｎｓとすると、複数の導波路からのレーザ光が焦点に同位相で到達する条件より、回折角θと波長λと回折次数（整数）ｍは基本原理として以下の（１）式で表示できる。
ｎｃ×ΔＬ＋ｎｓ×ｄｓｉｎθ＝ｍλ …（１）式
また、θ＜＜１の近傍において、回折角θの波長λに対する微係数より、波長と出力位置の関係（線分散）は、以下の（２）式で表示できる。
（ｄｘ／ｄλ）＝｛（ｆ・ｍ）／（ｎｓ・ｄ）｝・（ｎｇ／ｎｃ） …（２）式
ただし、ｎｇ＝ｎｃ－λ（ｄｎ／ｄλ）は導波路の群屈折率を示す。
従ってこれの各式に合致するような各値の条件で図５に示すスラブ導波路１０の形状と導波路を設計すると、上述のように角速度が無い場合、第２導波路アレイ３ｂへの集光位置に関し、任意に設計できる。
ｎｃ×ΔＬ＋ｎｓ×ｄｓｉｎθ＝ｍλ …（１）式
また、θ＜＜１の近傍において、回折角θの波長λに対する微係数より、波長と出力位置の関係（線分散）は、以下の（２）式で表示できる。
（ｄｘ／ｄλ）＝｛（ｆ・ｍ）／（ｎｓ・ｄ）｝・（ｎｇ／ｎｃ） …（２）式
ただし、ｎｇ＝ｎｃ－λ（ｄｎ／ｄλ）は導波路の群屈折率を示す。
従ってこれの各式に合致するような各値の条件で図５に示すスラブ導波路１０の形状と導波路を設計すると、上述のように角速度が無い場合、第２導波路アレイ３ｂへの集光位置に関し、任意に設計できる。
【0032】
「角速度が存在する場合」
角速度が存在する場合、図３（Ａ）に示すように第１光入出力導波路１ａからレーザ光を第１スラブ導波路２ａに入力すると（図３（Ａ）の（５）参照）、第２スラブ導波路２ｂへの出力時（図３（Ａ）の（６）参照）に、角速度の大きさや方向に従ってサニャック効果による正負の位相差がさらに加わる。このため、レーザ光は第２導波路アレイ３ｂの中央の第２導波路３ｂ３から左右いずれかの第２導波路にシフトされて集光され、入力される。図３（Ａ）の場合、一例として第２導波路３ｂ４に入力される状態を示している。
ここでは、先の角速度が存在しない場合に図２（Ａ）の（２）に示したように、第２導波路３ｂ３にレーザ光がビームフォーミングされていた状態から変更され、レーザ光が第２導波路３ｂ４に入力されるようにビームフォーミングされる状態に変更されたこととなる。
従って、角速度を利用し、レーザ光のビームフォーミング状態を変更し、異なる第２導波路にビームフォーミングした状態に変更したこととなる。
また、レーザ光を電磁波の一種として解釈した場合、電磁波伝搬経路としての導波路アレイ３ａが持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移と位相変化により、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングを変更したこととなる。また、各導波路３ａ１～３ａ５を湾曲させて設けることで電磁波の伝搬経路長を長くしてサニャック効果を受ける経路長を確保し、角運動量の検出能力を高めている。
第２導波路アレイ３ｂの中央でない第２導波路３ｂ４を経たレーザ光は、角速度の大きさや方向によって径と線路長の異なる第２導波路３ｂ４を経てさらに角速度によって大小異なるサニャック効果を受け、第１スラブ導波路２ａに再び入力される（図３（Ｂ）の（７）参照）。
角速度が存在する場合、図３（Ａ）に示すように第１光入出力導波路１ａからレーザ光を第１スラブ導波路２ａに入力すると（図３（Ａ）の（５）参照）、第２スラブ導波路２ｂへの出力時（図３（Ａ）の（６）参照）に、角速度の大きさや方向に従ってサニャック効果による正負の位相差がさらに加わる。このため、レーザ光は第２導波路アレイ３ｂの中央の第２導波路３ｂ３から左右いずれかの第２導波路にシフトされて集光され、入力される。図３（Ａ）の場合、一例として第２導波路３ｂ４に入力される状態を示している。
ここでは、先の角速度が存在しない場合に図２（Ａ）の（２）に示したように、第２導波路３ｂ３にレーザ光がビームフォーミングされていた状態から変更され、レーザ光が第２導波路３ｂ４に入力されるようにビームフォーミングされる状態に変更されたこととなる。
従って、角速度を利用し、レーザ光のビームフォーミング状態を変更し、異なる第２導波路にビームフォーミングした状態に変更したこととなる。
また、レーザ光を電磁波の一種として解釈した場合、電磁波伝搬経路としての導波路アレイ３ａが持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移と位相変化により、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングを変更したこととなる。また、各導波路３ａ１～３ａ５を湾曲させて設けることで電磁波の伝搬経路長を長くしてサニャック効果を受ける経路長を確保し、角運動量の検出能力を高めている。
第２導波路アレイ３ｂの中央でない第２導波路３ｂ４を経たレーザ光は、角速度の大きさや方向によって径と線路長の異なる第２導波路３ｂ４を経てさらに角速度によって大小異なるサニャック効果を受け、第１スラブ導波路２ａに再び入力される（図３（Ｂ）の（７）参照）。
【0033】
第２導波路３ｂ４を経て第１スラブ導波路２ａに入力されるレーザ光は、再び第１導波路アレイ３ａの各光導波路に入力される際に位相差をもつ。
第１導波路アレイ３ａを経て各光導波路でさらに位相差とサニャック効果を受けたレーザ光は、再度第２のスラブ導波路２ｂに出力される（図３（Ｂ）の（８）参照）。
ここでも、レーザ光を電磁波の一種として解釈した場合、電磁波伝搬経路としての導波路アレイ３ａが持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移と位相変化により、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングを変更したこととなる。
第２スラブ導波路２ｂに再び入力されたレーザ光は、第１光入出力導波路１ａからの入力時と対象的な集光とはならずに、第２導波路アレイ３ａのいずれかの第２導波路（図３（Ｂ）では第２導波路３ｂ１）に入力される。
ここでは、先の角速度が存在しない場合に図２（Ｂ）の（４）に示したように、第２光入出力導波路１ｂにレーザ光がビームフォーミングされていた状態から変更され、レーザ光が第２導波路３ｂ１に入力されるようにビームフォーミングされる状態に変更されたこととなる。従って、角速度を利用し、レーザ光のビームフォーミング状態を変更し、異なる第２導波路にビームフォーミングした状態に変更したこととなる。
第１導波路アレイ３ａを経て各光導波路でさらに位相差とサニャック効果を受けたレーザ光は、再度第２のスラブ導波路２ｂに出力される（図３（Ｂ）の（８）参照）。
ここでも、レーザ光を電磁波の一種として解釈した場合、電磁波伝搬経路としての導波路アレイ３ａが持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移と位相変化により、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングを変更したこととなる。
第２スラブ導波路２ｂに再び入力されたレーザ光は、第１光入出力導波路１ａからの入力時と対象的な集光とはならずに、第２導波路アレイ３ａのいずれかの第２導波路（図３（Ｂ）では第２導波路３ｂ１）に入力される。
ここでは、先の角速度が存在しない場合に図２（Ｂ）の（４）に示したように、第２光入出力導波路１ｂにレーザ光がビームフォーミングされていた状態から変更され、レーザ光が第２導波路３ｂ１に入力されるようにビームフォーミングされる状態に変更されたこととなる。従って、角速度を利用し、レーザ光のビームフォーミング状態を変更し、異なる第２導波路にビームフォーミングした状態に変更したこととなる。
【0034】
これにより角速度の大きさと方向によってレーザ光は、第１導波路アレイ３ａと第２導波路アレイ３ｂを周回し続け、徐々にスラブ導波路における集光点がシフトしていき、いずれ第２スラブ導波路２ｂにおいて第２光入出力導波路１ｂに集光され、出力される（図３（Ｂ）の第２スラブ導波路２ｂ内に描いた鎖線が示す状態を参照）。第１導波路アレイ３ａと第２導波路アレイ３ｂを周回する回数が増えるほど、サニャック効果による角速度検出能力が高くなる。換言すると、周回する回数の増減に応じた角速度検出能力の調整ができる。
この際、逆方向からのレーザ光と光ジャイロセンサＡにおいて異なる位相差となったレーザ光を信号検出器４が検出する（図３参照）。
この際、逆方向からのレーザ光と光ジャイロセンサＡにおいて異なる位相差となったレーザ光を信号検出器４が検出する（図３参照）。
【0035】
第１光入出力導波路１ａから入力したレーザ光の周波数と第２光入出力導波路１ｂから出力したレーザ光の周波数を角速度算出回路５で比較する。これらレーザ光の間に周波数差が存在する場合には、周波数差に応じ、基板１に作用している角速度を検出することができる。
【0036】
ここで、逆方向のレーザ光の動作としては、角速度がある場合は各部で加わるサニャック効果による位相差正負が逆となるため、導波路アレイへの入力時に集光点が左右逆にシフトし続け、それぞれ第１あるいは第２光入出力導波路１ａ、１ｂから取り出された時には周回分のサニャック効果倍増が得られ、角速度検出能力が顕著となる効果がある。
この場合、第１光入出力導波路１ａに接続するように、信号検出器４を更に設け、第１あるいは第２光入出力導波路１ａ、１ｂの両方からレーザ光検出可能としておくことが好ましい。
この場合、第１光入出力導波路１ａに接続するように、信号検出器４を更に設け、第１あるいは第２光入出力導波路１ａ、１ｂの両方からレーザ光検出可能としておくことが好ましい。
【0037】
角速度算出回路５は、第１光入出力導波路１ａから入力したレーザ光と第２光入出力導波路１ｂから出力したレーザ光を比較し、それらの周波数に差異がある場合は、周波数差の情報から、角速度を検出できる。
なお、上述のように周回分のサニャック効果倍増効果を受けることは、レーザ光を電磁波の一種として解釈した場合、電磁波の伝送経路長や周回数を増加したこととなり、電磁波の角速度検出能力を高め、光ジャイロセンサとしての小型集積化を推進できることになる。
なお、上述のように周回分のサニャック効果倍増効果を受けることは、レーザ光を電磁波の一種として解釈した場合、電磁波の伝送経路長や周回数を増加したこととなり、電磁波の角速度検出能力を高め、光ジャイロセンサとしての小型集積化を推進できることになる。
【0038】
本実施形態に係る光ジャイロセンサＡは、宇宙機（例えば、ロケット、人工衛星、宇宙船）に搭載することができる。そして、宇宙機が航行している場合に、宇宙機に作用する角速度を測定することができる。
宇宙機は、長期間放射線に晒される環境で航行するため、本形態の光ジャイロセンサＡに設けられる各導波路のコア層を構成する材料は、上述した如く耐放射線性に優れた材料を選択することが望ましい。
上述の構成の光ジャイロセンサＡは、特許文献１、２等に記載されているリング形状の大きな導波路を実装するタイプではなく、サニャック効果を導波路アレイ３ａ、３ｂにおいて作用させ、慣性力による光信号の位相変化をスラブ導波路２ａ、２ｂにおける集光点シフトに応用することで回路伝送経路の変化にも拡張している。従って、光ジャイロセンサＡは、特許文献１、２に記載された構成より各段に小型化が可能となる。また、導波路アレイ３ａ、３ｂを光信号の繰り返し経路として利用できるので、サニャック効果を増大させ、検出感度を高めることができるとともに、光ジャイロセンサＡの全体の素子サイズを大幅に小型化できる効果も得ることができる。
宇宙機は、長期間放射線に晒される環境で航行するため、本形態の光ジャイロセンサＡに設けられる各導波路のコア層を構成する材料は、上述した如く耐放射線性に優れた材料を選択することが望ましい。
上述の構成の光ジャイロセンサＡは、特許文献１、２等に記載されているリング形状の大きな導波路を実装するタイプではなく、サニャック効果を導波路アレイ３ａ、３ｂにおいて作用させ、慣性力による光信号の位相変化をスラブ導波路２ａ、２ｂにおける集光点シフトに応用することで回路伝送経路の変化にも拡張している。従って、光ジャイロセンサＡは、特許文献１、２に記載された構成より各段に小型化が可能となる。また、導波路アレイ３ａ、３ｂを光信号の繰り返し経路として利用できるので、サニャック効果を増大させ、検出感度を高めることができるとともに、光ジャイロセンサＡの全体の素子サイズを大幅に小型化できる効果も得ることができる。
【0039】
なお、光ジャイロセンサＡでは、基板１の面方向に沿う２次元方向の角速度のみ計測できる。従って、宇宙機が航行する場合に３次元的に作用する角速度を測定するためには、光ジャイロセンサＡを３組用意し、３組の光ジャイロセンサＡの基板をそれぞれ、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向（Ｘ方向とＹ方向とＺ方向は互いに９０゜異なる向きとする）に向けて配置し、３組の光ジャイロセンサＡの加速度を把握すると、３次元方向の加速度を計測できるようになる。
【0040】
また、平面光回路で問題となる偏波依存性の解消方法として、非特許文献１にあるように、偏波ごとに異なる等価屈折率ならびに群屈折率を、推定もしくは仮定される材料複屈折からなる理論で表現することで偏波ごとの回路設計が可能となる。
これらを応用することで、偏波ごとに異なる材料屈折率と回折次数を用いた偏波ごとの設定結果が、回路上の波長と出力位置の関係（線分散）で一致するように構造複屈折の調整で最適化することができる。
偏波無依存回路となることで、偏波回転回路や偏波分離合成回路などを省略することができさらなる小型化や光損失の低減が可能となる。
これらを応用することで、偏波ごとに異なる材料屈折率と回折次数を用いた偏波ごとの設定結果が、回路上の波長と出力位置の関係（線分散）で一致するように構造複屈折の調整で最適化することができる。
偏波無依存回路となることで、偏波回転回路や偏波分離合成回路などを省略することができさらなる小型化や光損失の低減が可能となる。
【0041】
「第２実施形態」
図４は、本発明に係る光ジャイロセンサの第２実施形態の構成を示す説明図である。
本第２実施形態の光ジャイロセンサＢは、平面視矩形状の基板１と、この基板１上に形成された平面視樽型の１つのスラブ導波路２ａを備えている。
このスラブ導波路２ａの形状と基板１に対し形成されている位置は、先に説明した第１スラブ導波路２ａと同じである。本第２実施形態の光ジャイロセンサＢでは、第２スラブ導波路２ｂが略され、代わりに、スラブ導波路２ａの＋Ｙ方向側の湾曲面（導波面）２ａ１と－Ｙ方向側の湾曲面（導波面）２ａ２を接続し、スラブ導波路２ａを介してスラブ導波路２ａの周囲を周回する平面視逆Ｃ字型の周回導波路１５ａ１～１５ａ５が、略同心円状に設けられている。周回導波路１５ａ１～１５ａ５から、導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）１５ａが形成されている。
図４は、本発明に係る光ジャイロセンサの第２実施形態の構成を示す説明図である。
本第２実施形態の光ジャイロセンサＢは、平面視矩形状の基板１と、この基板１上に形成された平面視樽型の１つのスラブ導波路２ａを備えている。
このスラブ導波路２ａの形状と基板１に対し形成されている位置は、先に説明した第１スラブ導波路２ａと同じである。本第２実施形態の光ジャイロセンサＢでは、第２スラブ導波路２ｂが略され、代わりに、スラブ導波路２ａの＋Ｙ方向側の湾曲面（導波面）２ａ１と－Ｙ方向側の湾曲面（導波面）２ａ２を接続し、スラブ導波路２ａを介してスラブ導波路２ａの周囲を周回する平面視逆Ｃ字型の周回導波路１５ａ１～１５ａ５が、略同心円状に設けられている。周回導波路１５ａ１～１５ａ５から、導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）１５ａが形成されている。
【0042】
周回導波路１５ａ１は、図４に示すようにスラブ導波路２ａを挟んで１つの楕円あるいは円の円周の大部分を構成するように配置されている。
同様に、周回導波路１５ａ２は、図４に示すようにスラブ導波路２ａを挟んで１つの楕円または円の円周の大部分を構成するように配置されている。以下、周回導波路１５ａ３、周回導波路１５ａ４、周回導波路１５ｂ5も同様に、それぞれ１つの楕円または円の円周の大部分を構成するように配置されている。
なお、周回導波路の本数は複数であれば任意の本数で良く、図４に示す形態は１つの例示に過ぎない。周回導波路の平面視形状は、円あるいは円に近似する形状を採用できるが平面視角を丸くした矩形状に近い形状の周回導波路であっても良い。
同様に、周回導波路１５ａ２は、図４に示すようにスラブ導波路２ａを挟んで１つの楕円または円の円周の大部分を構成するように配置されている。以下、周回導波路１５ａ３、周回導波路１５ａ４、周回導波路１５ｂ5も同様に、それぞれ１つの楕円または円の円周の大部分を構成するように配置されている。
なお、周回導波路の本数は複数であれば任意の本数で良く、図４に示す形態は１つの例示に過ぎない。周回導波路の平面視形状は、円あるいは円に近似する形状を採用できるが平面視角を丸くした矩形状に近い形状の周回導波路であっても良い。
【0043】
また、スラブ導波路２ａの湾曲面２ａ２において－Ｘ方向の端部側であって、周回導波路１５ａ１との接続部から離間した位置に、レーザ光などの検知光のための第１光入出力導波路１ａが形成されている。更に、スラブ導波路２ａの湾曲面２ａ１において－Ｘ方向の端部側であって、周回導波路１５ａ１との接続部から離間した位置に、レーザ光などの検知光のための第２光入出力導波路１ｂが形成されている。
【0044】
第２実施形態の光ジャイロセンサＢであっても、第１実施形態の光ジャイロセンサＡと同じように、第１光入出力導波路１ａからレーザ光をスラブ導波路２ａに導入し、周回導波路１５ａ１～１５ａ５に入力して再度、周回導波路１５ａ１～１５ａ５からスラブ導波路２ａに導入し、このスラブ導波路２ａに導入したレーザ光を再度スラブ導波路２ａに導入するという操作を繰り返すことができる。
角速度が存在する場合、スラブ導波路２ａに出力する際に、角速度の大きさや方向に沿ってサニャック効果による正負の位相差が加わり、レーザ光はスラブ導波路２ａに繋がる周回導波路１５ａ１～１５ａ５の中央の周回導波路１５ａ３から左右のいずれかの周回導波路にシフトして集光され、入力される。
この左右いずれかにシフトして入力されたレーザ光は、更にスラブ導波路２ａを通過する際にサニャック効果を受けて位相差が付加されるので、周回導波路１５ａ１～１５ａ５のいずれかを周回する間にいずれ第２光入出力導波路１ｂから出力される。
角速度が存在する場合、スラブ導波路２ａに出力する際に、角速度の大きさや方向に沿ってサニャック効果による正負の位相差が加わり、レーザ光はスラブ導波路２ａに繋がる周回導波路１５ａ１～１５ａ５の中央の周回導波路１５ａ３から左右のいずれかの周回導波路にシフトして集光され、入力される。
この左右いずれかにシフトして入力されたレーザ光は、更にスラブ導波路２ａを通過する際にサニャック効果を受けて位相差が付加されるので、周回導波路１５ａ１～１５ａ５のいずれかを周回する間にいずれ第２光入出力導波路１ｂから出力される。
【0045】
第２光入出力導波路１ｂからのレーザ光を信号検出器４が検出し、入射したレーザ光と信号検出器４が検出したレーザ光を対比することで角速度算出回路５が角速度を算出できる。このため、光ジャイロセンサＢは、先の第１実施形態の光ジャイロセンサＡと同様にジャイロセンサとして利用できる。
【0046】
図６は、図１に示す構成の光ジャイロセンサＡに方向性結合器を備えた第３実施形態の構成を示す。
第１光入出力導波路１ａは第１延長導波路２０に接続され、第２光入出力導波路１ｂは第２延長導波路２１に接続され、第１延長導波路２０の一端側の直線状部分と第２光入出力導波路１ｂの一端側の直線状部分が距離Ｗ離間した平行部分に信号検出領域２２が策定されている。信号検出領域２２において第１延長導波路２０の直線状部分と第２延長導波路２１の直線状部分が近接配置された部分により方向性結合器２３が構成されている。
信号検出領域２２において、第１延長導波路２０と第２延長導波路２１に周波数差を有するレーザ光が導波されると、周波数差に応じたビート信号が発生し、このビート信号を光強度として信号検出器４で検出できる。従って、角速度算出回路５はビート信号の光強度を用いて角速度を算出できる。
なお、図６に示す方向性結合器２３を用いた信号検出手段と方向性結合器２３の構成は一つの例であって、図６に示す構成に限らず、一般的に光回路において用いられている他の構成の方向性結合器や信号検出手段を採用しても良いのは勿論である。
第１光入出力導波路１ａは第１延長導波路２０に接続され、第２光入出力導波路１ｂは第２延長導波路２１に接続され、第１延長導波路２０の一端側の直線状部分と第２光入出力導波路１ｂの一端側の直線状部分が距離Ｗ離間した平行部分に信号検出領域２２が策定されている。信号検出領域２２において第１延長導波路２０の直線状部分と第２延長導波路２１の直線状部分が近接配置された部分により方向性結合器２３が構成されている。
信号検出領域２２において、第１延長導波路２０と第２延長導波路２１に周波数差を有するレーザ光が導波されると、周波数差に応じたビート信号が発生し、このビート信号を光強度として信号検出器４で検出できる。従って、角速度算出回路５はビート信号の光強度を用いて角速度を算出できる。
なお、図６に示す方向性結合器２３を用いた信号検出手段と方向性結合器２３の構成は一つの例であって、図６に示す構成に限らず、一般的に光回路において用いられている他の構成の方向性結合器や信号検出手段を採用しても良いのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【0047】
本発明に係る光ジャイロセンサは、宇宙機（例えば、ロケット、人工衛星、宇宙船）に搭載し、宇宙機の角速度を測定することができる。
【0048】
本発明に係る光ジャイロセンサは、宇宙機（例えば、ロケット、人工衛星、宇宙船）に搭載し、宇宙機の角速度を測定することができる。
【0049】
以上説明した本発明に係る実施形態は、サニャック効果による周波数遷移とそれに伴う位相変化をビームフォーミングに応用したジャイロセンサの一形態にすぎず、本発明は上述の実施形態に限定されない。
例えば、周回する光路をプリズム配置やミラー配置によって形成し、サニャック効果による周波数偏移と位相変化を、プリズムの屈折角やミラーの反射角の変化に応用しても良い。以上の構成により光の伝搬方向をシフトさせながら各プリズムやミラーによる入射角の変化に対応させ、入出射までの光路長を角運動量に対応して周回させることで、サニャック効果を向上させる構成を採用し、光ジャイロセンサを小型化しても良い。
例えば、周回する光路をプリズム配置やミラー配置によって形成し、サニャック効果による周波数偏移と位相変化を、プリズムの屈折角やミラーの反射角の変化に応用しても良い。以上の構成により光の伝搬方向をシフトさせながら各プリズムやミラーによる入射角の変化に対応させ、入出射までの光路長を角運動量に対応して周回させることで、サニャック効果を向上させる構成を採用し、光ジャイロセンサを小型化しても良い。
【0050】
また、上述の周回する光路は電磁波伝搬経路とみなすことができ、この場合、光以外の電磁波の伝搬経路とみなすことができる。
この場合のジャイロセンサは、電磁波伝搬経路が持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移とそれに伴う位相変化を、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングに応用し、電磁波伝搬経路を変化させる。これにより、伝搬する電磁波のサニャック効果を受ける伝搬経路長や周回数を増減させ、角運動量の検出能力を高め、小型集積化を可能とするジャイロセンサであると説明できる。
前述のプリズムやミラーは、電磁波を反射する電磁波反射体に変更し、電磁波の周波数遷移と位相変化を電磁波のビームフォーミングに適用し、電磁波伝搬経路を変化させ、伝搬経路長を変化させることができる。
以上の構成を採用することにより、実施形態において説明した光ジャイロセンサに代えて同等の特徴を有するジャイロセンサを提供できる。
この場合のジャイロセンサは、電磁波伝搬経路が持つ角運動量によってサニャック効果で生じる周波数遷移とそれに伴う位相変化を、電磁波の位相面に伴うビームフォーミングに応用し、電磁波伝搬経路を変化させる。これにより、伝搬する電磁波のサニャック効果を受ける伝搬経路長や周回数を増減させ、角運動量の検出能力を高め、小型集積化を可能とするジャイロセンサであると説明できる。
前述のプリズムやミラーは、電磁波を反射する電磁波反射体に変更し、電磁波の周波数遷移と位相変化を電磁波のビームフォーミングに適用し、電磁波伝搬経路を変化させ、伝搬経路長を変化させることができる。
以上の構成を採用することにより、実施形態において説明した光ジャイロセンサに代えて同等の特徴を有するジャイロセンサを提供できる。
【符号の説明】
【0051】
Ａ、Ｂ…光ジャイロセンサ、１…基板、１ａ…第１光入出力導波路、１ｂ…第２光入出力導波路、２ａ…第１スラブ導波路、２ａ１、２ａ２…湾曲面（導波面）、２ｂ…第２スラブ導波路、２ｂ１、２ｂ２…湾曲面（導波面）、３ａ…第１導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）、３ｂ…第２導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）、３ａ１～３ａ５…第１導波路、３ｂ１～３ｂ５…第２導波路、４…信号検出器、５…角速度算出回路、１５ａ…導波路アレイ（アレイ導波路回折格子）、１５ａ１～１５ａ５…周回導波路、２３…方向性結合器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】