DE69801375T2

DE69801375T2 - Integrierte optische schaltung

Info

Publication number: DE69801375T2
Application number: DE69801375T
Authority: DE
Inventors: Peter Harpin; Stuart Mckenzie; Ralf-Dieter Pechstedt; George Rickman
Original assignee: Bookham Technology PLC
Current assignee: Lumentum Technology UK Ltd
Priority date: 1997-09-23
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: JP2001517779A; GB9720085D0; EP1025422B1; GB2329482B; EP1025422A1; US6163632A; DE69801375D1; GB2329482A; AU9175898A; CA2304773A1; WO1999015856A1; IL135194A0

Description

TECHNISCHER BEREICH

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte optische Schaltung für den Einsatz in einem faseroptischen Gyroskop.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Faseroptische Gyroskope zum Messen von Rotationsraten auf der Basis des Sagnac-Effekts sind bekannt. Wenn Licht eine faseroptische Schleife durchläuft, die um eine Achse lotrecht zu ihrer Ebene rotiert, dann variiert die optische Übertragungszeit des Lichts in Abhängigkeit von der Rotationsrate der Schleife. Bei zwei optischen Signalen, die in entgegengesetzten Richtungen durch die Schleife laufen, ist die Sagnac-Phasendifferenz zwischen ihnen proportional zur Rotationsrate.
Integrierte optische Schaltungen für den Einsatz mit solchen faseroptischen Gyroskopen wurden beispielsweise in der US5194917 vorgeschlagen. Sie sind jedoch so aufgebaut, dass sie siliziumfreie passive Funktionselemente beinhalten. Dadurch wird der Herstellungsprozess komplexer und kostspieliger, weil zusätzliche Justierungs- und Herstellungsstufen notwendig sind bei dem Versuch, Probleme aufgrund von Materialfehlanpassungen und/oder Kopplungsverlusten zu vermeiden oder minimal zu halten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Schwierigkeiten in Verbindung mit dem Stand der Technik zu vermeiden oder zu verringern.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine integrierte optische Schaltung für den Einsatz in einem faseroptischen Gyroskop bereitgestellt, das Rotationsraten durch Ermitteln einer Phasenverschiebung aufgrund des Sagnac-Effekts zwischen Lichtstrahlen erfasst, die in entgegengesetzten Richtungen um eine faseroptische Abfühlschleife laufen, wobei die Schaltung auf einem Silizium-auf-Isolator-Chip vorgesehen ist, umfassend eine Siliziumschicht, die durch eine Isolierschicht von einem Substrat getrennt ist, wobei die Schaltung folgendes umfasst: Rippenhohlleiter, die in der Siliziumschicht ausgebildet sind, um Licht von einer Lichtquelle zu empfangen und Licht zu einem auf dem Chip befindlichen Lichtdetektor zu senden, LWL-Verbinder in der Form von Rillen, die in die Siliziumschicht eingeätzt wurden, um die jeweiligen Enden der faseroptischen Abfühlschleife zu empfangen; Rippenhohlleiter, die in der Siliziumschicht ausgebildet sind, um Licht zu und von den genannten LWL- Verbindern zu senden, um Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen um die Abfühlschleife zu leiten und von dort zurückkehrende Lichtstrahlen zu empfangen, und ein Phasenermittlungsmittel, das in die Siliziumschicht integriert ist, um eine Phasenverschiebung zwischen den von der Abfühlschleife zurückkehrenden Lichtstrahlen zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein faseroptisches Gyroskop bereitgestellt, umfassend eine solche integrierte optische Schaltung.
Weitere bevorzugte und fakultative Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Nebenansprüchen der Spezifikation hervor.
Es ist zu bemerken, dass Rippenhohlleiter zuweilen auch als Steghohlleiter bezeichnet werden, die beiden Begriffe sind untereinander austauschbar.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Gyroskops mit einer integrierten optischen Schaltung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Gyroskops mit einer integrierten optischen Schaltung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Gyroskops mit einer integrierten optischen Schaltung gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 4A und 4B schematische Diagramme alternativer Kopplerformen, die in den in Fig. 1 bis 3 gezeigten Schaltungen zum Einsatz kommen können;
Fig. 5, 6, 7 und 8 schematische Diagramme von faseroptischen Gyroskopen mit integrierten optischen Schaltungen, die Koppler wie die in Fig. 4 gezeigten aufweisen;
Fig. 9 ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Gyroskops mit einer integrierten optischen Schaltung gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 10 ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Gyroskops mit einer integrierten optischen Schaltung gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 11 ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Gyroskops mit einer integrierten optischen Schaltung gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung; und
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Form eines Mehrmodus-Interferenzkopplers, der in der sechsten Ausgestaltung zum Einsatz kommt.

BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Das faseroptische Gyroskop gemäß Fig. 1 umfasst eine integrierte optische Schaltung, die auf einem Silizium-auf- Isolator-Chip 1 hergestellt ist. Dieser Chip umfasst eine erste Siliziumschicht, die durch eine Isolierschicht, wie z. B. aus Siliziumdioxid, von einer darunter liegenden Siliziumschicht getrennt ist. Ein solches Substrat umfasst vorzugsweise eine obere Siliziumschicht mit einer Dicke von 3 bis 15 Mikron, die durch eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von wenigstens 0,1 Mikron und vorzugsweise wenigstens 0,3 Mikron von der darunter liegenden Siliziumschicht getrennt ist. Solche Substrate sind im Handel ohne Weiteres erhältlich. Bezugnahmen auf die Siliziumschicht in der nachfolgenden Beschreibung betreffen die oben beschriebene obere Schicht.
Die integrierte optische Schaltung 1 verbindet eine Lichtquelle 2, einen Lichtdetektor 3 und eine faseroptische Schleife 4 miteinander, die das Sensorelement des Gyroskops bildet.
Die integrierte optische Schaltung 1 umfasst einen ersten und einen zweiten LWL-Verbinder 5 und 6 zum Aufnehmen optischer Fasern 7 und 8, die Licht zu und von dem Lichtdetektor 3 und der Quelle 2 übertragen. Die LWL- Verbinder 5 und 6 weisen Rillen, gewöhnlich V-Rillen auf, die in die Siliziumschicht eingeformt sind.
Es sind weitere LWL-Verbinder 9 und 10 vorgesehen, um die Enden der faseroptischen Schleife 4 aufzunehmen. Rippenhohlleiter 11 sind in der Siliziumschicht des Chips ausgebildet, um die LWL-Verbinder 5, 6, 9 und 10 optisch zu verbinden, wobei die Rippenhohlleiter von den Verbindern 5 und 6 sich an einem ersten Y-Übergang 12 vereinen und durch einen Raumfilter 13 und einen Polarisierer 14 passieren, bevor sie sich an einem zweiten Y-Übergang 15 wieder trennen. Die vom zweiten Y-Übergang 15 ausgehenden Hohlleiter verlaufen durch Phasenmodulatoren 16 und 17 und gehen dann zu den Verbindern 9 und 10. Somit dient der Y- Übergang 15 zum Leiten von Licht in beiden Richtungen um die Sensorspule 4, und zum Wiedervereinen des vom Chip 1 empfangenen Rücklichtes. Die Hohlleiter 11 können an den LWL-Hohlleiterverbindungen spitz zulaufen, um eine Modusübereinstimmung und eine gute optische Leistungskopplung zu gewährleisten. Einzelheiten über eine geeignete spitz zulaufende Form befinden sich in der GB-A- 2317023.
Die in Fig. 1 gezeigte integrierte optische Schaltung hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Am wichtigsten ist, dass die Rippenhohlleiter 11, die LWL-Verbinder 5, 6, 9 und 10 sowie die Phasenmodulatoren 16 und 17 alle in derselben Siliziumschicht ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Herstellung der Schaltung erheblich, ermöglicht eine passive Justierung weiterer Komponenten wie Lichtquellen, Lichtdetektoren und Fasern (LWL) auf die Rippenhohlleiter 11 und vermeidet potentielle Probleme in Verbindung mit Materialwechsel und somit der Änderung des Brechungsindex an den Grenzstellen zwischen den Hohlleitern und anderen monolithisch integrierten Komponenten, wie sie im Stand der Technik auftreten.
So werden beispielsweise in der US5194917 mit Phosphor oder Germanium dotierte SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; Hohlleiter verwendet, die auf ein Siliziumsubstrat aufgetragen wurden, und es wird ein Modulator aus Germanium verwendet, der in ein Siliziumsubstrat diffundiert oder auf ein solches epitaxial aufwachsen gelassen oder aus einem Silizium- Germanium-Mischkristall hergestellt wird, was die Gefahr potentieller Kopplungsverluste zwischen den Funktionselementen der Schaltung mit sich bringt.
Ferner können durch die Verwendung eines Silizium-auf- Isolator-Substrats die LWL-Verbinder gemäß der mitanhängigen Anmeldung WO97/42534 der Anmelder hergestellt werden, gemäß der der Rippenhohlleiter so aufgebaut ist, dass er über das Ende der V-Rille hängt, um eine Stoßverbindung des Hohlleiters mit einer in der V-Rille befindlichen optischen Faser zu erleichtern.
Die in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommenden Rippenhohlleiter 11 und LWL-Verbinder 5, 6, 9 und 10 sind auch auf die kristallographischen Ebenen der Siliziumschicht selbstjustiert, und ihre relativen Positionen können während der Herstellung der Schaltung durch einen einzelnen fotolithographischen Schritt ermittelt werden.
Die in der US5194917 offenbarten Hohlleiter und V- Rillen würden in separaten Schritten hergestellt, da die Hohlleiter auf das Substrat aufgebracht und nicht aus dem Substrat selbst gebildet werden. Dies beinhaltet einen komplexeren Herstellungsprozess mit stärkeren Justierungsschwierigkeiten.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zur Signalabfrage können eine p-i-n Diode umfassen, die über einen Rippenhohlleiter wie z. B. dem ausgebildet ist, der in der WO95/08787 offenbart ist, wo dotierte Regionen auf beiden Seiten oder entlang dem Silizium-Rippenhohlleiter vorgesehen sind. Ein an die Diode angelegtes elektrisches Signal hat zur Folge, dass freie Ladungsträger in den Rippenhohlleiter injiziert werden und so dessen effektiven Brechungsindex verändern. Es gibt keine Materialfehlanpassung zwischen den Hohlleitern 11 und solchen Modulatoren, wodurch Kopplungsverluste zwischen diesen vermieden werden. Im Gegensatz dazu gibt es in der in der US5194917 beschriebenen Schaltung eine Materialfehlanpassung zwischen dem Modulator und den auf SiO&sub2; und Si&sub3;N&sub4; basierenden Hohlleitern, was die Komplexität der Schaltungsproduktion erhöht und zu Verlusten aufgrund des Brechungsindexschrittes dazwischen führen kann. Ferner kann es in p-i-n Modulatoren der oben beschriebenen Art zu Modulationen von bis zu vielen Megahertz kommen, was für Gyroskop-Demodulationen für Steuer- und Regelkreissysteme ausreicht.
Anstelle der oben erwähnten p-i-n Dioden können auch thermische Modulatoren verwendet werden. Thermische Modulatoren haben keine oder eine stark reduzierte Amplitudenmodulation im Vergleich zu p-i-n Dioden. Eine in den Phasenmodulatoren erzeugte ungewollte Amplitudenmodulation beeinträchtigt die Vorspannungsstabilität und kann den Skalenfaktor eines Gyroskops verändern. Die übliche Art und Weise, den Effekt der Vorspannungsstabilität zu reduzieren, besteht darin, den Phasenmodulator mit der Eigenfrequenz der faseroptischen Schleife 4 von 1/(2 · Transitzeit durch die Schleife) zu betreiben. Im Allgemeinen haben thermische Phasenmodulatoren eine geringere Bandbreite als p-i-n Diodenmodulatoren, aber bei einem hochempfindlichen Gyroskop, das eine lange faseroptische Schleife hat, können sie auch mit der Eigenfrequenz der Schleife arbeiten. Somit können durch den Einsatz von thermischen Modulatoren mit der Eigenfrequenz der Schleife eventuelle Resteffekte auf Vorspannung und Skalenfaktorstabilität noch weiter reduziert werden. Dies ist in einem hochempfindlichen Gyroskop am wichtigsten, daher wird der thermische Modulator hierfür bevorzugt.
Thermische Modulatoren können in einem Rippenhohlleiter ausgebildet werden, indem Heiz- und/oder Kühlmittel zum Regeln der Temperatur des Hohlleiters vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise mit einer elektrischen Widerstandsheizschaltung erfolgen, die sich auf oder neben dem Hohlleiter befindet, oder durch Vorsehen von n- und p-dotierten Regionen zwischen zwei Rippenhohlleitern und durch Leiten eines Stroms durch die dotierten Regionen über Leiterbahnen auf den Hohleitern, so dass, gemäß dem Prinzip des Peltier-Effekts, aufgrund der Übergänge zwischen ungleichartigen Materialien (den p- und n-dotierten Regionen), die so neben den jeweiligen Hohlleitern entstehen, ein Rippenhohlleiter gekühlt und der andere erhitzt wird. Eine solche Anordnung ist in der mitanhängigen Patentanmeldung GB9809458.4 der Anmelderin näher beschrieben.
Thermische Modulatoren können auch durch Ausbilden eines n-i-n oder eines p-i-p Bauelementes über einen Hohlleiter auf ähnliche Weise wie die oben erwähnte p-i-n Diode vorgesehen werden, wobei jedoch beide Bereiche ndotiert oder beide Bereiche p-dotiert sind. Ein solches Bauelement dient als elektrische Widerstandsheizung, so dass der durch die dotierten Regionen passierende Strom den Hohlleiter erhitzt. Eine solche Anordnung ist in der mitanhängigen Anmeldung Nr. GB9815655.7 der Anmelderin beschrieben.
Ein Phasenmodulator ist vorzugsweise in jedem der Hohlleiter vorgesehen, die zu den jeweiligen Enden der faseroptischen Abfühlschleife führen, obwohl in einigen Anordnungen nur ein einphasiger Modulator benötigt wird.
Der Polarisierer 14 ist ebenfalls vorzugsweise auf dem Chip 1 integriert und kann auch auf einer Silizium- Rippenhohlleiterstruktur basieren, z. B. durch Modifizieren der dielektrischen Kaschierung (z. B. gewöhnlich Siliziumdioxid) und Ersetzen eines Teils davon durch eine Pufferschicht mit einem hohen Brechungsindex und einer Metallbeschichtung wie Aluminium. Eine geeignete Polarisiererform ist in der GB-A-2318647 offenbart. Die Fähigkeit, den Polarisierer auf dem Chip zu integrieren, bietet einen weiteren erheblichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Es können jedoch auch andere Polarisierungsmittel verwendet werden, um das zur Abfühlschleife gesendete Licht zu polarisieren.
Über das oben Gesagte hinaus ist ein Einschluss von Licht in Silizium-Rippenhohlleitern, die auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat ausgebildet sind, weitaus besser als mit auf SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; basierenden Hohlleitern, und zwar aufgrund ihres hohen Brechungsindexes und ihrer Kompatibilität mit Licht mit einer Wellenlänge von 1300 nm oder 1550 nm (dies sind die optimalen Wellenlängen für den Betrieb eines faseroptischen Gyroskops), wodurch die Menge an Streulicht im Substrat reduziert wird, so dass sich ein verbesserter Rauschabstand und ein reduzierter Signaldrift ergeben.
Der Raumfilter 13 soll den Effekt von Streulicht im Substrat in Verbindung mit dem Y-Übergang 12 reduzieren, das sich in den Hohlleiter fortsetzen würde. Das benötigte Maß an Raumfilterung ist abhängig von der Menge an Streulicht (z. B. durch Rückstreuung an Grenzflächen, durch Y-Übergänge und in einem geringeren Ausmaß durch Koppler erzeugt) und hängt von den Anforderungen der Anwendung ab.
Der Raumfilter kann die Form eines gekrümmten Abschnitts eines Rippenhohlleiters (wie in Fig. 1 und 2 gezeigt) haben oder eine scharfe 90-Grad-Krümmung aufweisen, oder er kann mit anderen Mitteln wie beispielsweise mit Hilfe von einem oder mehreren Spiegeln hergestellt werden. Der Raumfilter ist vorzugsweise ebenfalls auf dem Chip integriert.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung ähnlich der von Fig. 1, mit der Ausnahme, dass Lichtquelle und Lichtdetektor 2 und 3 auf dem Silizium-auf-Isolator-Chip und nicht chipextern montiert sind.
Die Lichtquelle 2 umfasst typischerweise eine auf dem Chip 1 integrierte Laserdiode. Die Lichtquelle 2 kann passiv auf den zu diesem führenden Hohlleiter justiert werden, indem sie in einer in der Siliziumschicht ausgebildeten Ausnehmung montiert wird. Die Positionen dieser Ausnehmung und des Hohlleiters können während der Herstellung des Chips in einem einzigen lithographischen Schritt ermittelt werden, so dass sie automatisch aufeinander justiert sind. Der Ort der Laserdiode in der Richtung lotrecht zur Fläche des Chips kann ebenfalls anhand der Position einer Schnittstelle der Isolierschicht im Silizium-auf-Isolator-Chip ermittelt werden, so dass sich eine natürliche Ätzgrenze ergibt. Weitere Einzelheiten über die Justierung einer Laserdiode auf einen Rippenhohlleiter befinden sich in der GB-A-2307786. Superlumineszenzdioden (SLD) und Randleuchtdioden (ELED) können ebenfalls als Lichtquelle 2 verwendet werden.
Der Lichtdetektor 3 umfasst gewöhnlich eine Fotodiode. Sie kann auf dem Chip integriert und darauf auf ähnliche Weise wie die oben beschriebene Laserdiode positioniert werden. Alternativ kann sie über einer Ausnehmung in der Siliziumschicht und einer in der Ausnehmung vorgesehenen abgeschrägten Facette montiert werden, um Licht vom Hohlleiter zur Fotodiode umzuleiten. Die Justierung zwischen der Facette und dem Hohlleiter kann wieder automatisch erzielt werden, während sie in derselben Siliziumschicht ausgebildet werden, und ihre Positionen können durch einen einzigen lithographischen Schritt bestimmt werden. Weitere Einzelheiten hierfür befinden sich in der GB-A-2315595.
Diese Justierungstechniken tragen zur Reduzierung von Kopplungsverlusten bei und vereinfachen den Herstellungsprozess, um ihn schneller und kostenärmer zu machen.
Im Gegensatz zum oben Gesagten gibt es im Stand der Technik, wie z. B. der US5194917, die nicht auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat basiert und keine darin ausgebildeten Silizium-Rippenhohlleiter verwendet, keinen Selbstjustierungsmechanismus aufgrund der Natur der eingesetzten Materialien und Struktur. Der Einsatz eines Silizium-auf-Isolator-Substrats vereinfacht auch die Herstellung von überhängenden Abschnitten des Hohlleiters in den LWL-Verbindern wie oben beschrieben.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung ähnlich der von Fig. 1, aber mit einem konventionell aufgebauten LWL-Koppler 18, der anstelle des Y-Übergangs 12 chipextern vorgesehen ist. Dies verringert die Notwendigkeit für Raumfilterung auf dem Chip.
In den oben beschriebenen Schaltungen können anstatt der Y-Übergänge direktionale Koppler verwendet werden. Fig. 4A zeigt einen 2 · 2 Koppler, Fig. 4B einen 3 · 3 Koppler. Diese Koppler sind konventionell aufgebaut und umfassen Rippenhohlleiter, die nahe beieinander liegen, so dass eine in einem Hohlleiter laufende Lichtwelle mit den anderen Hohlleitern überlappt und so damit gekoppelt ist. Die in den Figuren dargestellte Schleife repräsentiert die Kopplungsregion.
Es können auch andere Typen von Y-Übergängen oder Kopplern verwendet werden (bei Bedarf mit Raumfiltern).
Koppler und Phasenmodulatoren können auch durch einen Mehrmodus-Interferenzkoppler wie unten in Bezug auf die Fig. 11 und 12 beschrieben ersetzt werden.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung ähnlich der von Fig. 1, bei der aber der erste Y-Übergang durch einen ersten 2 · 2 Koppler 19 und der zweite Y-Übergang durch einen zweiten 2 · 2 Koppler 20 ersetzt wurde. Da die Koppler die Menge an Streulicht im Vergleich zu einem Y-Übergang reduzieren, wird auch hier die Notwendigkeit für Raumfilterung reduziert.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung ähnlich der von Fig. 2, bei der aber die Y-Übergänge durch einen 3 · 3 Koppler 21 ersetzt wurden. In der Figur ist ein Polarisierer 14 durch ein Rechteck über dem Koppler 21 dargestellt. Der Polarisierer 14 liegt innerhalb der Kopplungsregion und bedeckt alle Hohlleiter in der Kopplungsregion.
Ein Multiplexieren der Lichtquelle 2 zu einer Mehrzahl von faseroptischen Abfühlschleifen kann auch mit einer entsprechenden Anordnung von Y-Übergängen, Kopplern, Raumfiltern und Polarisierern nach Bedarf wie nachfolgend beschrieben erzielt werden.
Fig. 7 zeigt eine Zweispulen-Anordnung zum Abfühlen der Rotationsrate um zwei Achsen. Vier 2 · 2 Koppler 22A, 22B, 23A und 23B sowie ein Y-Übergang 24 dienen zum Verbinden einer Lichtquelle 2, zwei Detektoren 3A und 3B und zwei Abfühlspulen 4A und 4B miteinander. Auch Polarisierer 14A und 14B sind wie gezeigt zwischen den Kopplern 22A und 23A sowie zwischen den Kopplern 22B und 23B vorgesehen.
Fig. 8 zeigt eine Dreispulen-Anordnung zum Erfassen der Rotationsrate um drei Achsen. Es werden vier 3 · 3 Koppler 25, 26, 27 und 28 zum Verbinden einer Lichtquelle 2, drei Detektoren 3A, 3B und 3C sowie drei Erfassungsspulen 4A, 4B und 4C miteinander verwendet. Auch hier sind Polarisierer 14 innerhalb der einzelnen Kopplungsregionen wie oben beschrieben vorgesehen.
Es ist zu bemerken, dass die Position der Polarisierer 14 in den Fig. 6, 7 und 8 variiert werden kann, solange ein Polarisierer zwischen der Lichtquelle und jeder Abfühlspule 4 sowie zwischen jeder Abfühlspule 4 und jedem Detektor 3 vorgesehen wird. Die Reihenfolge von Polarisierer 14 und Raumfilter 13 ist ebenfalls ohne Bedeutung.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung, in der die Lichtquelle 2 chipextern (wie in Fig. 1) vorgesehen ist, und der Lichtdetektor 3 befindet sich auf dem Chip 1 (wie in Fig. 2). Darüber hinaus ist ein weiterer Lichtdetektor 29 auf dem Chip 1 vorgesehen, um den Leistungsausgang der Lichtquelle 2 zu überwachen, wobei der Lichtdetektor 29 eine Fotodiode und mit dem zur Lichtquelle 2 führenden Hohlleiter durch einen 2 · 2 Koppler 30 verbunden ist. Auch ein Raumfilter 13 und ein Polarisierer 14 können wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt vorgesehen werden. Eine ähnliche Anordnung kann auch in den Fig. 6, 7 und 8 vorgesehen werden, d. h. die Lichtquelle 2 in den in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Ausgestaltungen kann ebenfalls chipextern anstatt auf dem Chip montiert sein.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausgestaltung ähnlich der von Fig. 3, bei der sich aber sowohl die Lichtquelle 2 als auch der Lichtdetektor 3 auf dem Chip befinden (wie in Fig. 2 und 6).
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausgestaltung, in der die oben beschriebenen Koppler durch einen Mehrmodus- Interferenz- (MMI) Koppler 31 ersetzt wurden. Wie in Fig. 12 gezeigt, kann dieser in der Siliziumschicht integriert sein und umfasst eine Mehrmodus-Sektion 32, die in der Siliziumschicht mit daran angeschlossenen Ein- und Ausgangsrippenhohlleitern 11 ausgebildet ist. MMI-Koppler basieren auf einem Selbstabbildungsprinzip, wobei eine Sektion eines planaren Multimodus-Hohlleiters zwischen Ein- und Ausgangshohlleitern eingesetzt wird. Sie profitieren von geringeren Fertigungstoleranzen, sind im Wesentlichen polarisationsunempfindlich, erzeugen stabile Phasenbeziehungen zwischen Ein- und Ausgangsports aufgrund der Art ihres Betriebs und sind mit den Rippenhohlleitern des oben beschriebenen Typs kompatibel.
In der in Fig. 11 gezeigten Anordnung hat der MMI- Koppler 31 einen Port, der zum Empfangen von Licht von einer Lichtquelle 2 geschaltet ist, drei Ports, die zum Senden von Licht zu Lichtdetektoren 3, 3' und 3" geschaltet sind, sowie zwei Ports, die jeweils zum Senden von Licht zu und zum Empfangen von Licht von einem jeweiligen Ende der faseroptischen Schleife 4 geschaltet sind.
Ein weiterer Vorteil eines MMI-Kopplers besteht darin, dass er so ausgelegt werden kann, dass eine stabile ±120º Phasenverschiebung zwischen den in entgegengesetzten Richtungen um die faseroptische Schleife 4 laufenden Lichtstrahlen entsteht. Durch eine Schaltung der Ports wie in Fig. 11 gezeigt werden die Phasenverschiebungen an den Detektorports 3 und 3' jeweils erzielt durch: Δφ = φCCW - φCW = 240º und Δφ = φCCW - φCW = 120º. Dies ergibt ein Signal i&sub1; = 1 +cos(ΔφR - 120º) und I&sub3; = 1 + cos(ΔφR +120º) jeweils am Detektor 3' und Detektor 3, wobei ΔφR die Sagnac- Phasenverschiebung bedeutet, die proportional zur Rotationsrate ist, und φCW und φCCW die Phasen des jeweils im und gegen den Uhrzeigersinn laufenden Strahls sind. Somit simuliert der 3 · 3 MMI die Aktion eines gewöhnlichen thermischen 3 · 3 LWL-Kopplers in einer Gyroskopschaltung. Bei Bedarf kann wie gezeigt ein Lichtdetektor 3" zur Stromüberwachung eingesetzt werden. Die beiden Ausgänge I&sub1; und 13 können direkt zum Extrahieren der Sagnac- Phasenverschiebung verwendet werden, wodurch sich die Bereitstellung aktiver Phasenmodulatoren auf dem Chip erübrigt. Durch den Einsatz eines polarisationsunempfindlichen 3 · 3 MMI Kopplers in der beschriebenen Weise können ungewollte Phasenverschiebungen, die häufig in Gyroskopen mit einem 3 · 3 LWL-Koppler anzutreffen sind und durch zufällige Polarisationsänderungen in der LWL-Spule verursacht werden, erheblich reduziert werden, was zu einer verbesserten Leistung eines passiven und daher kostenarmen Gyroskops führt.
Die in Fig. 11 gezeigte Anordnung kann ohne Polarisationsmittel verwendet werden, aber ein empfindlicheres Gyroskop wird erzielt, wenn Polarisierer (nicht dargestellt) vorgesehen werden, so dass in entgegengesetzten Richtungen um die faseroptische Schleife gesendetes Licht dieselbe Polarisation hat, und in diesem Fall wird vorzugsweise eine die Polarisation haltende Faser verwendet.
Es ist klar, dass die Verwendung eines Silizium-auf- Isolator-Substrats eine monolithische Integration aller Komponenten des Gyroskops (mit Ausnahme von Lichtquelle und Lichtdetektor) in der Siliziumschicht zulässt, um die Zahl der Schnittstellen in der Schaltung zu reduzieren. Auf diese Weise werden optische Leistungskopplungsverluste aufgrund von Brechungsindexschritten mit Änderungen des Hohlleitermaterials vermieden oder eliminiert. Lichtquelle und Lichtdetektor können auf dem Chip hybridisiert werden, und auch die Natur des Silizium-auf-Isolator-Substrats ermöglicht die Selbstjustierung optischer Quellen und Detektoren und eine Selbstjustierung optischer Fasern auf die Rippenhohlleiter wie oben beschrieben. Somit ergeben diese Merkmale der beschriebenen integrierten Schaltung erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Darüber hinaus kann durch den Einsatz von Siliziumhohlleitern, die in einem Silizium-auf-Isolator- Substrat integriert sind, die integrierte Schaltung erheblich kompakter gestaltet werden, als dies im Stand der Technik der Fall ist. Ein faseroptisches Gyroskop mit einer integrierten optischen Schaltung auf einem Silizium-auf- Isolator-Substrat kann typischerweise eine Fläche zwischen 3 · 20 mm für eine Einspulen-Anordnung und bis zu 7 · 20 mm für eine Dreispulen-Anordnung haben. Diese Fläche ist weitaus kleiner, als dies mit dem Stand der Technik möglich ist. Dadurch wird die Produktionsrentabilität verbessert und die Größe des Bauelementes reduziert.
Somit ermöglichen die oben beschriebenen integrierten optischen Schaltungen die Bereitstellung faseroptischer Gyroskope, die sich relativ kostenarm herstellen lassen.

Claims

1. Integrierte optische Schaltung für den Einsatz in einem faseroptischen Gyroskop, das Rotationsraten durch Ermitteln einer Phasenverschiebung aufgrund des Sagnac-Effekts zwischen Lichtstrahlen erfasst, die in entgegengesetzten Richtungen um eine faseroptische Abfühlschleife (4) laufen, wobei die Schaltung auf einem Silizium-auf-Isolator-Chip (1) vorgesehen ist, umfassend eine Siliziumschicht, die durch eine Isolierschicht von einem Substrat getrennt ist, wobei die Schaltung folgendes umfasst: Rippenhohlleiter (11), die in der Siliziumschicht ausgebildet sind, um Licht von einer Lichtquelle (2) zu empfangen und Licht zu einem auf dem Chip (1) befindlichen Lichtdetektor (3) zu senden, LWL-Verbinder (9, 10) in der Form von Rillen, die in die Siliziumschicht eingeätzt wurden, um die jeweiligen Enden der faseroptischen Abfühlschleife zu empfangen; Rippenhohlleiter, die in der Siliziumschicht ausgebildet sind, um Licht zu und von den genannten LWL-Verbindern (9, 10) zu senden, um Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen um die Abfühlschleife (4) zu leiten und von dort zurückkehrende Lichtstrahlen zu empfangen, und ein Phasenermittlungsmittel (16, 17), das in die Siliziumschicht integriert ist, um eine Phasenverschiebung zwischen den von der Abfühlschleife (4) zurückkehrenden Lichtstrahlen zu ermitteln.

2. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 1, bei der das Phasenermittlungsmittel wenigstens einen Phasenmodulator (16, 17) zum Ändern der Phase von wenigstens einem von der Abfühlschleife (4) zurückkehrenden Lichtstrahl umfasst.

3. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 2, bei der ein Phasenmodulator (6, 7) in jedem der zu den LWL-Verbindern (9, 10) führenden Rippenhohlleitern vorgesehen ist, die die jeweiligen Enden der Abfühlschleife (4) aufnehmen.

4. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, die Polarisierungsmittel (14) zum Polarisieren von um die Abfühlschleife (4) gesendetem Licht umfassen.

5. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 4, bei der das Polarisierungsmittel (14) auf dem Chip (1) integriert ist.

6. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 5, bei der das Polarisierungsmittel (14) einen Abschnitt eines Rippenhohlleiters mit einer Pufferschicht und einer darauf vorgesehenen Metallbeschichtung umfasst.

7. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Lichtquelle (2) auf dem Chip integriert ist.

8. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 7, bei der die Lichtquelle (2) in einer Ausnehmung montiert ist, die in der Siliziumschicht auf einen Rippenhohlleiter justiert ausgebildet ist.

9. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtdetektor (3) in einer Ausnehmung montiert ist, die in der Siliziumschicht auf einen Rippenhohlleiter justiert ausgebildet ist.

10. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtdetektor (3) über einer Ausnehmung in der Siliziumschicht montiert und eine abgeschrägte Facette in der Ausnehmung vorgesehen ist, um Licht von einem Rippenhohlleiter zum Lichtdetektor (3) umzulenken.

11. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Rippenhohlleiter Koppler (12, 15) zum Teilen und/oder Vereinen von darin laufendem Licht beinhalten.

12. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen auf dem Chip integrierten Raumfilter (13).

13. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 12, bei der der Raumfilter einen gekrümmten Abschnitt eines Rippenhohlleiters umfasst.

14. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 12, bei der der Raumfilter (13) einen oder mehrere Spiegel umfasst.

15. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die LWL-Verbinder (9, 10) in die Siliziumschicht eingeätzte V-Rillen umfassen und die Hohlleiter über das Ende der V-Rille hängen, um eine Stoßverbindung des Hohlleiters mit einer in der V-Rille positionierten optischen Faser zu erleichtern.

16. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die so angeordnet ist, dass sie eine Mehrzahl von faseroptischen Abfühlschleifen (4A, 4B, 4C) zu einer einzelnen Lichtquelle (2) multiplexiert.

17. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Phasenermittlungsmittel einen Mehrmodus- Interferenzkoppler (31) umfasst.

18. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 17, bei der der Mehrmodus-Interferenzkoppler (31) einen Port, der zum Empfangen von Licht von dir Lichtquelle (2) geschaltet ist, wenigstens zwei Ports, die mit Lichtdetektoren (3, 3') verbunden sind, und zwei Ports, die jeweils zum Senden von Licht zu und zum Empfangen von Licht von einem jeweiligen Ende der Abfühlschleife (4) geschaltet sind, aufweist.

19. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 18, bei der der Koppler (31) eine Phasenverschiebung von 120º zwischen Lichtstrahlen bereitstellt, die in entgegengesetzten Richtungen um die Abfühlschleife (4) gesendet werden.

20. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 17, 18 oder 19, bei der der Mehrmodus-Interferenzkoppler (31) polarisationsunempfindlich ist.

21. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Silizium-auf- Isolator-Chip eine Siliziumschicht mit einer Dicke von 3-15 Mikron umfasst, die durch eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von wenigstens 0,1 Mikron von einem Siliziumsubstrat getrennt ist.

22. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die mit einer oder mehreren faseroptischen Abfühlschleifen (4A, 4B, 4C) verbunden ist und eine Lichtquelle (2) und einen Lichtdetektor (3) aufweist, um ein faseroptisches Gyroskop zu bilden.

23. Faseroptisches Gyroskop, umfassend eine integrierte optische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche.