説明

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

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
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。
【図1】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。
【図2】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3】図2に示す例示の実施形態のブロック図である。
【図4】図3の代替的な図である。
【図5】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6】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。
【図7】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。
【図8】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。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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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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