JP2696269B2 - 集積光学チップ - Google Patents

集積光学チップ

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、一般的には光ファイバを集積光学チップ
に接続するための装置および方法に関する。特に、この
発明は、サニャックリング回転センサを形成する上で使
用される光ファイバと集積光学チップとをインタフェイ
スするための装置および方法に関する。
多くの光学システムは集積光学装置と光ファイバの双
方を含む。たとえば光ファイバのコイルの逆伝搬波の間
の位相差を使用する回転センサを形成するためのある技
術は集積光学チップ上の光学信号を処理しかつ制御する
ための装置を形成するステップと、チップに形成された
導波路に光ファイバのコイルの端部を接続するステップ
とを含む。集積光学チップの３つの光学導波路の交点に
Ｙ字形のカプラが形成される。光源からの光は導波路の
１つに入れられ、その導波路はそれから入れられた光を
Ｙ字形のカプラに導く。Ｙ字形のカプラはそれからその
光を、光ファイバ検知コイル内に逆伝搬波を形成する２
つのビームへ分割する。
光ファイバを集積光学チップに接続する先行技術の方
法は典型的にはシリコンの基板にＶ字形の溝を形成する
ステップを含む。集積光学チップに光ファイバの回転検
知コイルを装着するために、ファイバは、光ファイバの
コイルの端部が、ファイバが接続されるべき集積光学導
波路の端部の間の距離に等しい距離で間隔をあけられる
ようにファイバを位置決めするＶ字形の溝におかれる。
集積光学チップに光ファイバを十分にねじり巻くため
に、集積光学チップとＶ字形の溝の端部面双方が研磨さ
れなければならない。光ファイバと集積光学チップとの
間の突合せ継手でのフレネル反射を低減するためにＶ字
形の溝のアセンブリと集積光学チップ双方に角度をつけ
られた面が必要である。
偏光クロス結合では、一方の偏光の光がもう一方の偏
光へ結合するが、それは光ファイバ回転センサにおける
エラーの原因である。多くの光ファイバ回転センサシス
テムでは複屈折光ファイバと集積光学導波路の基軸が偏
光クロス結合を最小限にするべく正確に整列されなけれ
ばならない。基軸を整列させることは大変労力を要する
ことでありかつしたがって高価格である。加えて、ピグ
テイルの集積光学チップと光ファイバを従来の方法で接
続することによっては、光ファイバ回転センサを含む航
法または誘導システムが受け得る激しい衝撃および振動
に耐える十分な剛性をもった接合点がもたらされない。
発明の要約 この発明は時間がかかりかつ高価格な光ファイバ検知
コイルと、集積光学チップに形成された光学導波路の軸
の整列を必要とせず、光ファイバ回転センサでの偏光ク
ロス結合により引起こされる問題を除去する集積光学チ
ップを提供する。
この発明に従う集積光学チップは光学活性材料からな
りかつそこに形成されたスロットを有する基板を含む。
集積光学チップに光学導波路が形成され、スロットの端
壁が光学導波路の端部表面を含むように選択された伝搬
軸に沿って光学信号を導く。光学導波路の端部表面は光
学導波路の端部表面で反射された光の量を低減するため
に、光学導波路の光の伝搬方向と角度をつけるように形
成される。
スロットは、光学導波路の端部表面に突合せ結合され
た光ファイバの長さを受入れるように形成され、光学導
波路と光ファイバとの間を光が伝搬し得るようにインタ
フェイスを形成する。光学導波路の端部の角度は、イン
タフェイスで反射され光ファイバへ戻る光が、コアから
クラッドへの屈折を可能にする角度でコア／クラッドの
境界上に射突するよう形成される。光学導波路の端部の
角度は好ましくは５°から25°の範囲である。
この発明に従う集積光学チップは好ましくは、選択さ
れた伝搬軸に沿って光学信号を導くために基板内に形成
された第１、第２および第３の光学導波路を含む。集積
光学チップのスロットは各スロットの端壁が対応する光
学導波路の端部表面を含むように光学導波路に対応する
集積光学チップの端縁に形成される。第１、第２および
第３の光学導波路は、第１の光学導波路で集積光学チッ
プに入力される光学信号がＹカプラへ伝搬しかつ第１お
よび第２の光学導波路で分かれ、第２および第３の光学
導波路で集積光学チップへ入力された光学信号が、Ｙカ
プラで組合されかつ互いに干渉し合うようにＹカプラを
形成するべく接合点で接続される。
この発明は上記の集積光学チップを含み形成された光
ファイバ回転センサを含んでもよい。
好ましい実施例の説明 第１図および第２図を参照して、集積光学チップ10は
好ましくはニオブ酸リチウム等の光学活性材料で形成さ
れる。３つの光学導波路12、14および16が集積光学チッ
プ10内に形成される。1990年２月27日付でチャン（Chan
g）に対し発行されかつ本件発明の譲受人により所有さ
れる米国特許第4,904,038号に記載された技術を使用し
て光学導波路は基板をマスキングしかつチタンイオンで
基板をドーピングすることにより形成され得る。
導波路12、14および16は接合点18で出会う。したがっ
て、第１図に見られ左から導波管12へ入る光が接合点18
で導波路14と16との間で分かれる。導波路14および16に
入る光は接合点18で結合し導波路12に入る。
スロット22は、導波路12の端部23がスロット22内の端
壁25に当接するように集積光学チップ10の端部面24で形
成される。導波路14および16は、集積光学チップ10の端
部面30に形成されたスロット26および28にそれぞれ当接
する。スロットのうちの２つ、たとえばスロット22およ
び26は、それらが集積光学チップ10の異なる端面上に形
成されるという本質的な違いを除いては実質的に同一で
よい。
しかしながら、スロット26および28はそれらのうち１
つ、たとえばスロット28がスロット26より長い距離にわ
たって集積光学チップ10内に延びるよう形成される。ス
ロット26は長さl1を有し、それはスロット28の長さl2よ
り短い。スロットの長さの違いはΔｌ＝l2−l1である。
導波路14および16はしたがって長さにしてΔｌだけ異な
る。
第３図を参照して、集積光学チップ10が光学信号源3
6、光ファイバ38およびそこに形成された検知コイル41
を有する光ファイバ40を含む回転検知システム34におい
て使用されてもよい。複数の電極43A−43Dが基板10上に
形成され、導波路14および16により導かれる光学信号の
位相を偏光しかつ変調するための手段を提供し得る。電
極43Aおよび43Bは導波路14の対向する側面上に形成され
てもよくかつ電極43Cおよび43Dは導波路16の対向する側
面上に形成されてもよい。他の電極（図示せず）が接合
点18の副屈折を変調するためまたは導波路12により導か
れる光学信号を偏光するために基板上に形成されてもよ
い。
光ファイバ38はスロット22内に装着されかつ導波路12
に突合せ結合される。第２図、第４図および第５図に示
されるように、光ファイバ40はコア46と、コア46を囲む
クラッド48を含む。コアおよびクラッドは図面では一定
の割合で示されていない。クラッドの直径はコアの直径
より何倍も大きい。
第６図はスロット26の端部と導波路14を示す。導波路
12、14および16のすべてが実質的に同一に形成され得
る。したがって、導波路14の記述は導波路12および16に
も当てはまる。導波路14は断面では包括的に長方形でよ
い。導波路14は第６図に示されるようにいくらか丸みの
あるかど50および51を基板10の内側に有する。導波路14
の断面積は好ましくは、導波路14と光ファイバ40との間
の光の効率的な結合をもたらすためにコア46の断面積と
ほぼ同じである。
スロット26の幅は第６図にみられるように好ましくは
クラッド48の直径よりわずかに大きい。光ファイバ40の
端部42は様々な技術によりスロット26内に装着され得
る。ファイバをスロット内に固定するために容易に利用
可能な技術の１つはエポキシ樹脂等の接着剤の使用であ
る。もう１つの適当な技術はスロット26内および光ファ
イバ40の周囲に溶融シリカ等の誘電体を配置するステッ
プを含む。さらにもう１つの適当な技術はスロット26内
に金属膜を堆積し、光ファイバの端部44をメタライズし
かつそのメタライズされたファイバをスロット内に配置
するステップを含む。
第３図を参照して、光学信号源36および光ファイバ38
は、光ファイバ38が光学信号源36から出力された光学信
号を受けかつそれらを導波路12へ導くように配列され
る。導波路12は光学信号源36からの光を接合点18へ導
き、そこで源の光が導波路14と16の間で分かれる。光フ
ァイバ検知コイル41の端部42および44は、光ファイバ検
知コイル41の端部が対応する導波路へ突合せ結合される
ようにそれぞれスロット26および28内に装着される。源
からの光はしたがって導波路14および16を出て、光ファ
イバ検知コイル41の端部42および44にそれぞれ入り、サ
ニャック効果による回転の検知に必要な２つの逆伝搬波
を形成する。第３図にみられるように、光ファイバ検知
コイル41の端部42へ入る光が逆時計回りの波を形成しか
つ端部44に入る光が時計回りの波を形成する。
逆伝搬波は光ファイバ検知コイル41を通って移動しか
つ光ファイバ検知コイル41がコイルの面に直角をなす線
のまわりを回転しているならば位相シフトする。時計回
りの波はそこで導波路16に入りかつ逆時計回りの波は導
波路14に入る。位相シフトされた波はそこで、干渉パタ
ーンを形成するべくそれらが結合する接合点18へ伝搬す
る。光ファイバカプラ49が、接合した波をファイバ38か
ら出しかつ光ファイバ51へ結合するべく採用されてもよ
い。ファイバ51は光を、干渉パターンを表わす電気的信
号を形成する検知器53へ導く。信号処理回路はそこで光
ファイバ検知コイル41の回転速度を決定する。
第４図を参照して、導波路14をスロット26内に装着す
るところが第３図よりもより詳細に示される。光ファイ
バ検知コイル41のコアは約n1＝1.45の屈折率を有し、一
方導波路14は約n2＝2.2の屈折率を有する。光が、異な
る屈折率を有する誘電材料の間のインタフェイスに射突
するとき、光の一部が一方の材料から他方の材料へイン
タフェイスを横切って屈折しかつ残りの光がインタフェ
イスから反射することは電磁気理論から周知である。こ
の反射はときにフレネル反射と呼ばれる。光の反射した
部分は反射係数により特徴づけられる。インタフェイス
への通常の入射の場合は反射係数は となりこれは入射光の約21％が、光が光ファイバ検知コ
イル41を横切った後に導波路に射突するとき光ファイバ
検知コイル41へ反射して戻るであろうということを意味
している。この光ファイバ検知コイル41へ戻る波の反射
は時計回りと逆時計回りの波を混ぜかつ光ファイバ回転
検知システムの出力に深刻なエラーを引起こす。
光ファイバ検知コイル41に残存する反射光の量を最小
限にするために、スロットは、光が第２図および第４図
に示されるように10°ないし15°の角度で光ファイバ／
導波路のインタフェイスに入射するように形成される。
光ファイバ検知コイル41の端部と導波路14が突合せ結合
されしたがってファイバのコア46は導波路と整列する。
矢印51はコア46と導波路14との間のインタフェイス52
へ向かってコア46内を伝搬する光を表わす。インタフェ
イス52に向かってファイバ内を伝搬する光の一部分が導
波路16内へ屈折して入りかつ光の一部分が反射する。矢
印54はインタフェイス52で反射する光を表わす。矢印56
はコア／クラッドのインタフェイスで屈折することによ
りコア46を出る反射光の部分を表わす。矢印58はインタ
フェイス52で反射しかつコア46に導かれ残存する光部分
を表わす。矢印60はインタフェイス52で屈折し光ファイ
バ40から導波路14内へ移動する入射光部分を表わす。
反射に関するスメルの法則に従い、インタフェイス52
に関する法線に対しての反射光の角度θは入射の角度φ
に等しい。この反射光のほとんどがそこで全内部反射に
関する臨界角より小さい角度でコア／クラッドのインタ
フェイスを打ちかつしたがって屈折してコアを出、クラ
ッドに入る。コア／クラッドのインタフェイスへの入射
光のわずかな部分が、コアがその部分を導くことを可能
にする角度で反射してコア内に入る。インタフェイスの
表面の凹凸はコアが散乱した光のわずかな部分を導くよ
うな角度でいくらかの光を散乱して、コア内に戻す。し
かしながら、10°ないし15°の角度でのファイブ／導波
路のインタフェイスへの光の入射は約60dB反射光を低減
する。
しかしながら、導波路と光ファイバとの副屈折はこの
発明が克服しようとする付加的な難点を定義する。光学
信号は２つの直交する直線偏光成分を有する。副屈折に
より２つの偏光成分がわずかに異なる伝搬速度をもつこ
とになる。光ファイバ回転センサを製造しようとする、
以前の試みは、光ファイバ検知コイル41の副屈折の軸と
導波路14および16の軸を整列させるステップを含むもの
であった。ファイバと、ファイバが突合せ結合される導
波路の軸が整列していない状態ではファイバにおける２
つの偏光が導波路における双方の軸に沿う成分をもつこ
とになる。同様に、導波路における双方の偏光がファイ
バ内の双方の軸に沿った成分を有する。したがって、光
信号がファイバ／導波路のインタフェイスを横切るとき
はいつも、２つの偏光の重大なクロス結合が存在するこ
とになる。以前のシステムにおいては、この偏光クロス
結合が訂正不可能なシヌソイドに変化するバイアスエラ
ーを引起こす。
典型的な光ファイバ回転検知システムにおいて使用さ
れる光学信号源は、約590μｍのコヒーレンスの長さλ
cohを有する光学信号を出力する広帯域の装置である。
導波路は副屈折性があるので、２つの偏光成分が、軸の
一方に沿った偏光成分ともう一方の軸に沿った偏光成分
との間で識別可能な関係が存在しないような非相関関係
になる。偏光成分が非相関関係になるために必要な距離
が偏光解消距離である。
副屈折の軸を整列することは大変労力を要することで
ありかつしたがって高価格になる。偏光クロス結合を除
去するに足る近さにファイバの軸と導波路の軸を整列す
ることは不可能であることがわかっている。
この発明は、導波路14および16の副屈折の軸と光ファ
イバ検知コイル41の端部42および44の軸との整列に関し
て厳しい要件を設けずに偏光クロス結合の難点を克服し
ようとするものである。導波路14と16の長さの違いはコ
ヒーレンス距離より大きく作られる。導波路14および16
の長さの違いにより偏光クロス結合内にアシメトリーが
生じる。偏光クロス結合内にこのアシメトリーを設ける
ことで、信号処理技術を使用するクロス結合により生じ
るエラー除去が可能になる。
スロット22、26および28は集積光学チップを製造する
上で使用される都合のよい技術であればどのような技術
によって形成されてもよい。特に、レーザ駆動による融
合エッチング法または反応性イオンエッチング法がスロ
ットの形成に適する。レーザ駆動による融合は他の技術
よりも高いエッチング速度を提供する利点を有する。反
応性イオンエッチング（RIE）はデビッドJ.エリオット
（David J.Elliot）による「集積回路製造技術」（Inte
grated Circuit Fabrication Technology）p.282（マグ
ローヒル社1982年）に記載される。RIEは、イオンが、
基板材料を物理的に置換することと化学反応の双方によ
りイオンがエッチングする基板にイオンを加速し向ける
ステップを含む。
レーザ駆動による融合エッチングは表面を反応材料の
層でコーティングしたイオン性の基板に放射を向けるス
テップを含む。放射は、好ましくはレーザ（図示せず）
からの光であるがこれは反応材料による基板表面での局
在溶解の誘導を引起こす。この基板の溶解により基板お
よび反応物が融合反応を受けることを可能にする。そこ
で適当な溶剤がこの融合反応により生じたものを取除く
べく使用されてもよい。レーザ駆動による融合エッチン
グ法は1989年６月13日にアッシュビー（Ashby）ほかに
対し発行された米国特許第4,838,989号に詳細に記載さ
れる。ニオブ酸リチウムをエッチングするためにレーザ
駆動による融合を使用する方法はアッシュビーほかによ
り1986年８月25日付Appl.Phys.Lett.49（８）475頁から
477頁に開示されている。
ニオブ酸リチウムに適用されたように、レーザ駆動に
よる融合方法はLiNbO3（4.0eV、310mm）の帯域ギャップ
を超える光子エネルギを有する高出力密度のレーザパル
スによるLiNbO3の空間的局在溶解のステップを含み、こ
れが力の堆積を表面領域に局限する。光子エネルギはLi
NbO3表面上に位置する固型フッ化カリウム（KF）の層を
効率的に伝達することが可能な十分な低さでなければな
らない。レーザによって溶解したLiNbO3はKFと反応して
塩の融合による複合ニオブオキシフッ化物アニオンを形
成する。結果として得られる固体はかなり水に溶けやす
いものだが、LiNbO3は水に溶けない。したがって、材料
は水を使って、放射された領域のみから除去され得る。
反応性イオンエッチングおよびレーザ駆動による融合
の技術双方により導波路／ファイバのインタフェイスで
検知コイルへ余剰の量の光が反射して戻ることを防ぐた
めに望ましい、集積光学チップの端縁上の10°から15°
の角度での鏡面質の端面がもたらされる。結合溝を形成
するためにこれまで使用された技術は光ファイバが集積
光学チップ内の導波路に結合され得るように基板の端縁
を研磨するステップを含んでいた。
ここに開示された構造および方法がこの発明の原則を
示す。この発明は、この精神または本質的な特徴から逸
脱することなく他の特定の形式で実施され得る。したが
って、記載の実施例は制限的ではなくむしろすべての点
で例次的例証的なものとして考慮されるべきものであ
る。したがって、記載よりもむしろ先行の請求項が発明
の範囲を定義する。請求項と同一の意味および範囲にあ
るここに記載された実施例へのすべての修正はこの発明
の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明に従い、集積光学チップ上にＹ字形カ
プラを形成する導波路の端部に形成された結合溝を示す
集積光学チップの斜視図である。 第２図は第１図の集積光学チップの平面図である。 第３図は光ファイバ検知コイルおよびチップ上に形成さ
れた導波路へ光を入れる光ファイバに接続された第１図
および第２図の集積光学チップを示す端面図である。 第４図は光ファイバの端部と集積光学チップ内に形成さ
れた導波路の１つとの間の接続を模式的に示す図であ
る。 第５図は第４図の光ファイバの端面図である。 第６図は集積光学導波路を示す第１図ないし第３図の集
積光学チップの部分の端面図である。 図において、10は集積光学チップ、12、14および16は光
学導波路、18は接合点、22はスロット、25は端壁、26お
よび28はスロット、34は回転検知システム。36は光学信
号源、38および40は光ファイバ、41は検知コイル、43は
電極、46はコア、48はクラッド、49は光ファイバカプ
ラ、51は光ファイバ、53は検知器である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】集積光学チップであって、 光学活性材料で形成された基板と、 選択された伝搬軸に沿って光学信号を導くように前記基
    板内に形成された第１、第２および第３の光学導波路と
    を備え、前記第２および第３の光学導波路は、入力光の
    コヒーレンス距離よりも大きい長さの差を有するように
    形成され、 第１、第２および第３のスロットが前記光学導波路に対
    応して前記集積光学チップの端縁に、各スロットの端壁
    に対応する前記光学導波路の端部表面を含むように形成
    され、 前記光学導波路の端部表面が前記光学導波路内の光の伝
    搬方向に対して選択された角度を作るように形成され、 前記第１の光学導波路で前記集積光学チップへ入力され
    た光学信号がＹ字形カプラに伝搬しかつ前記第２および
    第３の光学導波路の間で分かれ、かつ前記第２および第
    ３の光学導波路で前記集積光学チップへ入力された光学
    信号が前記Ｙ字形カプラで結合しかつ互いに干渉し合う
    ように、前記第１、第２および第３の光学導波路が接合
    点で接続されて前記Ｙ字形カプラを形成する、集積光学
    チップ。
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