JP2010276606A - シリコンオプティカルベンチフロントエンドによる干渉型光ファイバジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

【課題】干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の光学部品を自動組み立てすることによりコストを低減する。
【解決手段】干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）で使用するシリコン基板光学システムのシリコン基板は、光学部品を受け入れるようにエッチングされる。光学部品は、入力光ファイバ、ポンプ源、波長分割乗算器、アイソレータ、偏光アイソレータ、ビーム分割デバイス、ＰＭタップカプラ、相対強度雑音（ＲＩＮ）フォトダイオード、システムフォトダイオード、及び出力光ファイバを含む。光学部品は微細加工されたシリコン基板上に実装される時に正確に位置合わせできるので、そのまま接着硬化し完成する。ＩＦＯＧのサイズ及びコストが削減され、信頼性が増加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンオプティカルベンチフロントエンドによる干渉型光ファイバジャイロスコープに関する。

ジャイロスコープは、回転軸を中心とする回転速度又は角速度の変化を測定するのに使用されてきた。基本的な従来の光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、光源と、ビーム生成デバイスと、ビーム生成デバイスに連結されて或る領域を取り巻く光ファイバコイルとを含む。この光ファイバコイルに垂直な軸を中心とする回転は、このコイルを通る光の伝搬を減速又は加速し、その結果、光の位相に測定可能なシフトが生じる。

干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）では、光源は、光ファイバコイルを通じて反対方向に伝搬する２つのビームに分割される。これら２つの光のビームは、コイルを通じて伝搬した後、コイルから出る際に、位相を比較するために再結合される。ビームを再結合することによって、それぞれのビームの位相を示す干渉パターンが生成される。検出器において、干渉パターンのシフトは、再結合された２つのビーム間の位相差に比例する。干渉パターンのシフトの測定値は、コイルの軸を中心とする回転の速度及び方向を示す。

ＩＦＯＧは、光源からのビーム経路を形成するように光学的に接続しなければならない複数の光ファイバ部品を含む。これらの光学部品を動作するように溶接して必要な光路を形成するのに、融着接続が使用される。融着接続プロセス及び積載（stowage）プロセスによって、多くの手作業のプロセスステップがＩＦＯＧの製造に追加され、したがって、ディスクリートな光学部品のコストと共にＩＦＯＧコストに大きく寄与する。融着及び手作業の組み立てよりもむしろ、当該技術分野においては、自動化された製作方法を活用してＩＦＯＧを作製することが必要とされている。

シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）は、高密度且つ高機能の光学システムを非常に小さなパッケージに低コストで自動製造する能力を提供する新興の技術である。ＳｉＯＢは、シリコン又は同様の半導体材料から形成されたオプティカルベンチである。さまざまな光学部品を保持するために、トラフが、微細加工プロセスを使用して、シリコン材料、すなわち基板にエッチングされる。高精度の微細加工プロセスによって、さまざまなトラフで、光学部品及び光ファイバを相互に正確に位置合わせすることが可能になる。適切に形成されたシリコン基板での配置の際の光学部品の自己位置合わせ品質（self-aligning quality）によって、部品の「受動位置合わせ」が可能になり、さまざまな部品を位置合わせして効率的な光路を適切に形成することを積極的に確保する必要性が削減される。また、レンズ等のような自由空間光学素子類を使用してさまざまな光学部品間で光を方向付けることもできる。

ＳｉＯＢの利益には、作製コストの低減だけでなく、従来の製作技法と比較して向上したジャイロスコープ性能と共にシリコンオプティカルベンチのウェハスケール製作に起因したサイズ及び質量の削減が含まれる。しかしながら、ＳｉＯＢ技術は、ＩＦＯＧのようなより複雑な部品との関連では活用されてきておらず、むしろ、一般に受動部品である通信用途に使用されてきた。

本発明は、ＩＦＯＧ受動光学機能と能動電子光学機能とを単一のシリコン基板上に集積する。シリコン基板は、自己位置合わせ機能を用いるので、シリコン基板光学システムを自動で製造することができ、したがって、ＩＦＯＧのコストは大幅に削減される。さらに、ファイバピグテールを有する長い光学部品が、設計から取り除かれるので、シリコン基板オプティカルフロントエンドによるＩＦＯＧは、はるかに小さくすることができ、したがって、信頼性が増加し、さらにコストが削減される。

本発明の好ましい実施形態及び代替的な実施形態が、次の図面を参照して以下で詳細に説明される。
干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のブロック図である。 本発明の一例示の実施形態によるＩＦＯＧの部分的な概略図である。 図２に示す例示の実施形態のブロック図である。 図３の代替的な図である。 本発明の一代替的な例示の実施形態によるＩＦＯＧの部分的な概略図である。 図５に示す代替的な例示の実施形態を作製する方法の簡略化したブロック図である。 本発明の一例示の実施形態による製作方法のブロック図である。 本発明の一例示の実施形態による製作方法のフローチャートである。

本発明は、干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の受動光学機能と能動電子光機能とを単一のシリコン基板上に集積する。ＩＦＯＧの一例が図１に示されている。市販の既製（ＣＯＴＳ）の光学部品としても知られている光フロントエンド部品を、パッケージされていない形態で購入し、単一のシリコン基板上に組み立てることができ、これによって、ＩＦＯＧのサイズ及びコストが減少する一方、信頼性が増加する。一例示の実施形態では、本発明は、ＣＯＴＳ光学部品がその上に組み立てられるシリコン基板から成るシリコン基板光学システムを含む。このシリコン基板光学システムは、以下の図２で参照される。

図２は、本発明によるＩＦＯＧの部分的な概略図である。一般に、シリコン基板光学システム１２は、複数のＣＯＴＳ光学部品を備える。図２の例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品は、波長分割乗算器（wavelength division multiplier）（ＷＤＭ）２０、ポンプ源２２、偏光アイソレータ（ＰＩＳＯ）２４、偏光保持（ＰＭ）タップカプラ２６、相対強度雑音（ＲＩＮ）フォトダイオード２８、システムフォトダイオード３０、及びサーキュレータ又はタップカプラのようなビーム分割デバイス３２を含む。従来の構成では、各光学部品は、長い光ファイバ又はファイバピグテールによって接続されている。この例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品は、適切に形成されたシリコン基板上に配置される。シリコン基板上に配置する際のＣＯＴＳ光学部品の自己位置合わせ品質によって、ＣＯＴＳ光学部品の「受動位置合わせ」が可能になる。「受動位置合わせ」によって、ＣＯＴＳ光学部品を長い光ファイバと接続する必要性が取り除かれる。シリコン基板光学システム１２は、その後、集積光チップ（ＩＯＣ）１６から出てくる入力ファイバ３４と、兼用エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）／終端ファイバ（combination erbium-doped fiber and termination fiber）１８との間に挿入することができる。「集積光学素子類」という用語は、一般に、適した基板に形成された狭い導波路チャネル内で光を導くと共に制御するためのデバイスの部類を指す。集積光学デバイスには、光導波路、スイッチ、偏光器、位相変調器、及び他の機能デバイスが含まれる。いくつかの機能デバイスを単一の基板、すなわち「光チップ」上に組み合わせることができる。すなわち「集積」することができる。ＩＯＣ１６は、ビームスプリッタ４４及び１つ又は複数の位相変調器４６を集積している。図２の例示のシリコン基板光学システム１２によって、ファイバピグテールを有する長い光学部品を取り除くことが可能になり、それによって、信頼性が増加し、ＩＦＯＧのサイズが削減される。

図２に示すように、シリコン基板上に組み立てられたＣＯＴＳ光学部品は、より効率的でコスト効果が高く、個々の光学部品を長い光ファイバを介して相互に接続したものよりも小さなＩＦＯＧを作製する。電気部品が、カプセル化又はポット化されて、即座により耐久性のあるものにされる。現在のところ、各個々の光学部品間の長い光ファイバは、ＩＦＯＧを収容するシェルの内部に積載するために注意深く巻きつけて束にしければならない。この例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品を接続するのに、長い光ファイバは必要とされない。この例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品を接続するのに、長い光ファイバは必要とされない。その代わり、遮るもののない自由空間経路が、シリコン基板に作られ、ＣＯＴＳ光学部品の自己位置合わせ及び各ＣＯＴＳ光学部品への光信号の形態での光データの伝送を可能にしている。ＩＦＯＧのサイズは、一般に、光学部品の長さを収容する必要性だけでなく、ファイバピグテールを収容するのに必要なシェル容積を収容する必要性によっても規定される。さらに、この容積は、良好な信頼性を犠牲にすることなく達成できるファイバピグテールの最小曲げ半径によって規定される。この例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品の配置は、ＳｉＯＢ上と同様に容易にされ、ＣＯＴＳ部品は、より小さくより安価にすることができ、シリコン内に集積されると、ファイバピグテール接続を必要としない。

図３及び図４は、図２に示す例示の実施形態のブロック図である。ＣＯＴＳ光学部品は、ハイブリッド手段によってシリコン基板３６上に実装される。図３の例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品は、波長分割乗算器（ＷＤＭ）２０、アイソレータ３８、ポンプ源２２、偏光アイソレータ（ＰＩＳＯ）２４、ＰＭタップカプラ２６、相対強度雑音（ＲＩＮ）フォトダイオード２８、システムフォトダイオード３０、及びビーム分割デバイス３２を含む。入力ファイバ３４及び兼用エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）／終端ファイバ１８のための連結光学素子類も、シリコン基板光学システム１２上に示されている。図４は、図２に示す例示の実施形態の側面図を提供し、シリコン基板３６の自己位置合わせ機能を示す。

ハイブリッド手段の使用によるＣＯＴＳ光学部品の配置がシリコン基板３６の使用によって容易にされることにより、ＩＦＯＧ作製のコストが低下するだけでなく、従来の製造技法と比較して、ジャイロスコープの性能が向上すると共に、シリコンオプティカルベンチのウェハスケール製作に起因してサイズ及び質量が削減される。シリコン基板３６の微細加工によって、ＣＯＴＳ光学部品及び光ファイバを実装するのに適したトラフの正確な配置及び寸法合わせが可能になり、したがって、ＣＯＴＳ光学部品及び光ファイバそれ自体が、相互に正確に位置合わせされる。適切に形成されたシリコン基板３６での配置の際のＣＯＴＳ光学部品の自己位置合わせ品質によって、ＣＯＴＳ光学部品の「受動位置合わせ」が可能になり、シリコン基板光学システムのさまざまな光学部品を相互に位置合わせすることを積極的に確保する必要性が削減される。

図５に示すように、一代替的な例示の実施形態では、シリコン基板光学システム４０は、波長分割乗算器（ＷＤＭ）２０、ポンプ源２２、偏光アイソレータ（ＰＩＳＯ）２４、偏ＰＭタップカプラ２６、相対強度雑音（ＲＩＮ）フォトダイオード２８、システムフォトダイオード３０、ビーム分割デバイス３２、及び空間モードフィルタ４８のようなＣＯＴＳ光学部品を含む。加えて、ＩＯＣ１６のＣＯＴＳ光学部品は、この代替的なシリコン基板光学システム４０上に含められる。前述したように、従来の構成では、各光学は、長い光ファイバ又はファイバピグテールによって接続される。この例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品は、適切に形成されたシリコン基板上に配置される。シリコン基板上に配置する際のＣＯＴＳ光学部品の自己位置合わせ品質によって、ＣＯＴＳ光学部品の「受動位置合わせ」が可能になる。「受動位置合わせ」によって、ＣＯＴＳ光学部品を長い光ファイバと接続する必要性が取り除かれる。その後、この代替的なシリコン基板光学システム４０は、ファイバコイル１４と、兼用エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）／終端ファイバ１８との間に挿入することができる。空間モードフィルタ４８は、通常、１本の単一モード光ファイバから成り、ビーム分割デバイス３２とＩＯＣ１６との間に配置される。空間モードフィルタ４８は、ＩＯＣ１６を伝搬できるより高い光モードを取り除くのに必要である。図５の例示の代替的なシリコン基板光学システム４０によって、ファイバピグテール３４を有する追加の長い光学部品を取り除くことが可能になり、信頼性が増加し、さらにＩＦＯＧのサイズが削減される。

ポンプ源２２からの光は、波長分割乗算器（ＷＤＭ）２０を通って兼用エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）／終端ファイバ１８へ送信され、偏光アイソレータ２４、ビーム分割デバイス３２、及びＩＯＣ１６へ送信される。ポンプ源２２は、或る波長光信号をアイソレータ３８を通じてＷＤＭ２０へ出力する。ＷＤＭ２０は、兼用エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）／終端ファイバ１８に光を方向付ける。ＥＤＦは、双方向に光を放出する。順方向に放出された光は、終端ファイバ１８を通ってＥＤＦ１８を出て行き、逆方向に放出された光は、ＷＤＭ２０に向けて後方に放出される。ＥＤＦ１８によってＷＤＭ２０へ後方に放出された光は、ポンプ源２２に接続されていないファイバレッグ（fiber leg）内に結合されるような波長にある。アイソレータ３８は、レーザ源の発振に対する不安定化効果からの伝送性能の悪化のような、ＷＤＭ２０へ後方に放出された光によって引き起こされるあらゆる悪影響を除去する。ＥＤＦ１８から放出された光は、ＷＤＭ２０を通って偏光アイソレータ２４に戻り、ファイバ光源の出力になる。偏光アイソレータ２４は、光を直線偏光する。ＰＭタップカプラ２６は、光を取り込み、その光の一部をＲＩＮフォトダイオード２８へ方向転換する。ビーム分割デバイス３２は、光の他の部分を取り込み、その部分を空間モードフィルタ４８に方向付け、次いでＩＯＣ１６に方向付ける。ＩＯＣ１６は、光を時計回りの波と半計回りの波とに分割する。これらの波は、ファイバコイル１４を伝搬した後、ＩＯＣ１６において再結合して、空間モードフィルタ４８を伝搬し、ビーム分割デバイス３２は、システムフォトダイオード３０へ送信される光を逆方向に処理して、ファイバコイル１４の回転によって引き起こされるサニャック効果（Sagnac effect）を検出する。ＰＭタップカプラ２６及びＲＩＮフォトダイオード２８は、ポンプ源２２によって生成された光の本来的な揺らぎに起因したＲＩＮ雑音を補償するのに用いられる。

図６は、図５に示す代替的な例示の実施形態を作製する方法の簡略化したブロック図である。ＣＯＴＳ光学部品は、シリコン基板３６上にハイブリッド形式で実装される。図５の代替的な例示の実施形態では、ＣＯＴＳ光学部品は、波長分割乗算器（ＷＤＭ）２０、アイソレータ３８、ポンプ源２２、偏光アイソレータ（ＰＩＳＯ）２４、ＰＭタップカプラ２６、相対強度雑音（ＲＩＮ）フォトダイオード２８、システムフォトダイオード３０、及びビーム分割デバイス３２を含む。追加のＣＯＴＳ光学部品は、ミラー４２、４３、及び４５、並びにＩＯＣ１６のためのビームスプリッタ４４及び１つ又は複数の位相変調器４６を含む。ファイバコイル１４のための連結光学素子類、空間モードフィルタ４８のための連結光学素子類、及び兼用エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）／終端ファイバ１８のための連結光学素子類も、この代替的なシリコン基板光学システム４０上に示されている。

図７は、本発明の一例示の実施形態による製作方法のブロック図である。シリコン基板３６は、ＣＯＴＳ光学部品を受け入れるトラフを形成するようにエッチングされる。このようなＣＯＴＳ光学部品及び対応するトラフの一般的な例が図７に示されている。光ファイバ５０は、シリコン基板３６内にエッチングされた対応するＶ字溝５に固着させることができる。ボールレンズ５６及び６２は、ピラミッド型トレンチ５８及び６４に配列される。これらピラミッド型トレンチ５８及び６４も、シリコン基板３６内にエッチングされたものである。アイソレータ６０は、対応する陥凹に配置することができる一方、導波路５４及び６６は、シリコン基板３６上に直接作製することができる。

前述したように、シリコン基板３６の微細加工によって、ＣＯＴＳ光学部品及び光ファイバを実装するのに適したトラフの正確な配置及び寸法合わせが可能になり、したがって、ＣＯＴＳ光学部品及び光ファイバそれ自体が、相互に正確に位置合わせされる。適切に形成されたシリコン基板３６に配置する際のＣＯＴＳ光学部品の自己位置合わせ品質によって、ＣＯＴＳ光学部品の「受動位置合わせ」が可能になり、シリコン基板光学システムのさまざまな光学部品を相互に位置合わせすることを積極的に確保する必要性が削減される。

図８は、本発明の一例示の実施形態による製作方法のフローチャートである。この方法は、ステップ７０において開始する。シリコン基板３６（図４）が、トラフを規定するようにエッチングされる。トラフは、Ｖ字溝５２（図７）、陥凹、スロット、ビア、ピラミッド型トレンチ５８及び６４（図６）、又は他の既知のトラフとすることができるだけでなく、ペデスタルとすることもできる。ステップ７０におけるエッチングには、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、反応性イオンエッチング、又はシリコンをエッチングするための任意の既知の方法のようなウェットエッチングを含めることができる。シリコン基板３６（図４）は、ＣＯＴＳ光学部品を受け入れて光学的に位置合わせするための「受動位置合わせ」のトラフを規定するようにエッチングされる。

ＣＯＴＳ光学部品は、ステップ７２において、シリコン基板３６（図４）上に実装される。ＣＯＴＳ光学部品は、波長分割乗算器（ＷＤＭ）２０（図３）、ポンプ源２２（図３）、偏光アイソレータ（ＰＩＳＯ）２４（図３）、ＰＭタップカプラ２６（図３）、相対強度雑音（ＲＩＮ）フォトダイオード２８（図３）、システムフォトダイオード３０（図３）、ビーム分割デバイス３２（図３）、及びアイソレータ３８（図３）を含む。図５の代替的な例示の実施形態では、ＩＯＣ１６（図５）のＣＯＴＳ光学部品が、代替的なシリコン基板光学システム４０（図５）上に含められる。ＩＯＣ１６（図５）のＣＯＴＳ光学部品は、ビームスプリッタ４４（図６）及び１つ又は複数の位相変調器４６（図６）である。ステップ７２におけるシリコン基板３６（図４）上へのすべてのＣＯＴＳ光学部品の実装は、流体アセンブリ、ピックアンドプレースマシン、重力アシストを有する振動、手作業、又は他の既知の方法によって達成される。

ステップ７４におけるシリコン基板３６（図４）へのＣＯＴＳ光学部品のボンディングは、接着剤、ハンダ、表面張力、陽極ボンディング、ＭＥＭＳクランプ、又は他の既知の方法によって達成される。ステップ７４の接着剤は、ステップ７６において、ＵＶ光露光、熱硬化、空気乾燥、又は他の既知の方法によって硬化される。

上述のように、本発明の好ましい実施形態を図示及び説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されるものではない。その代わり、本発明は、専ら、続く特許請求の範囲を参照することによって判断されるべきである。

Claims (3)

1. シリコン基板光学システム（１２）であって、
   シリコン基板（３６）を備え、該シリコン基板は、１つ又は複数のアイソレータ（６０）を光学的に位置合わせして受け入れるように構成される１つ又は複数の陥凹、１つ若しくは複数のフォトダイオード（２８、３０）又は１つ若しくは複数のポンプ源（２２）を光学的に位置合わせして受け入れるように構成される１つ又は複数のペデスタル、１つ又は複数の光ファイバ（５０）を光学的に位置合わせして受け入れるように構成される１つ又は複数のＶ字溝（５２）、１つ又は複数のビームスプリッタ（４４）を光学的に位置合わせして受け入れるように構成される１つ又は複数のピラミッド型トレンチ（５８、６４）、１つ又は複数の偏光アイソレータ（２４）を光学的に位置合わせして受け入れるように構成される１つ又は複数のスロット、及び１つ又は複数の波長分割乗算器（２０）を光学的に位置合わせして受け入れるように構成される１つ又は複数のビアを、干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）での使用のためにすべて位置合わせして規定する、シリコン基板光学システム。
2. 集積光チップ（１６）をさらに備える、請求項１に記載のシリコン基板。
3. シリコン基板光学システムの製作方法であって、該方法は、
   シリコン基板をエッチングするステップ（７０）であって、該シリコン基板をエッチングするステップは、１つ若しくは複数のアイソレータを受け入れるように構成される１つ若しくは複数の陥凹、１つ若しくは複数のフォトダイオード若しくは１つ若しくは複数のポンプ源を受け入れるように構成される１つ若しくは複数のペデスタル、１つ若しくは複数の光ファイバを受け入れるように構成される１つ若しくは複数のＶ字溝、１つ若しくは複数のビームスプリッタを受け入れるように構成される１つ若しくは複数のピラミッド型トレンチ、１つ若しくは複数の偏光アイソレータを受け入れるように構成される１つ若しくは複数のスロット、又は１つ若しくは複数の波長分割乗算器を受け入れるように構成される１つ若しくは複数のビアを、すべて光学的に位置合わせして規定する、シリコン基板をエッチングするステップ（７０）と、
   前記１つ若しくは複数の陥凹を規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数のアイソレータを、前記１つ若しくは複数のペデスタルを規定する前記シリコン基板上に前記１つ若しくは複数のフォトダイオード若しくは前記１つ若しくは複数のポンプ源を、前記１つ若しくは複数のＶ字溝を規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数の光ファイバを、前記１つ若しくは複数のピラミッド型トレンチを規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数のビームスプリッタを、前記１つ若しくは複数のスロットを規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数の偏光アイソレータを、又は前記１つ若しくは複数のビアを規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数の波長分割乗算器を、流体アセンブリによって、すべて光学的に位置合わせして実装するステップと（７２）、
   前記１つ若しくは複数の陥凹を規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数のアイソレータを、前記１つ若しくは複数のペデスタルを規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数のフォトダイオード若しくは前記１つ若しくは複数のポンプ源を、前記１つ若しくは複数のＶ字溝を規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数の光ファイバを、前記１つ若しくは複数のピラミッド型トレンチを規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数のビームスプリッタを、前記１つ若しくは複数のスロットを規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数の偏光アイソレータを、又は前記１つ若しくは複数のビアを規定する前記シリコン基板に前記１つ若しくは複数の波長分割乗算器を、接着剤を介してボンディングするステップ（７４）と、
   前記接着剤を硬化させるステップ（７６）と
   を含む方法。

Images