光ジャイロ素子
【課題】製造が容易で消費電力が少ない新規な光ジャイロ素子を提供する。
【解決手段】本発明の光ジャイロ素子は、環状の光路５０を互いに逆方向に伝播するレーザ光Ｌ１およびＬ２の周波数差から回転角速度を求める。この光ジャイロ素子は、第１の基板１０に形成された光導波路１１と、第２の基板に形成された半導体光増幅器４０と、レーザ光Ｌ１およびＬ２の一部を環状の光路５０から引き出す引き出し手段と、レーザ光Ｌ１およびＬ２の周波数差を観測するフォトダイオード３１と、実装基板７０とを備える。半導体光増幅器４０は、少なくとも一部が光増幅領域である光導波路２２を含む。光導波路１１の２つの端部と光導波路２２の２つの端部とが結合されるように、第１の基板１０および半導体光増幅器４０が実装基板７０上に配置されている。そして、光導波路１１と光導波路２２とによって環状の光路５０が形成されている。
【解決手段】本発明の光ジャイロ素子は、環状の光路５０を互いに逆方向に伝播するレーザ光Ｌ１およびＬ２の周波数差から回転角速度を求める。この光ジャイロ素子は、第１の基板１０に形成された光導波路１１と、第２の基板に形成された半導体光増幅器４０と、レーザ光Ｌ１およびＬ２の一部を環状の光路５０から引き出す引き出し手段と、レーザ光Ｌ１およびＬ２の周波数差を観測するフォトダイオード３１と、実装基板７０とを備える。半導体光増幅器４０は、少なくとも一部が光増幅領域である光導波路２２を含む。光導波路１１の２つの端部と光導波路２２の２つの端部とが結合されるように、第１の基板１０および半導体光増幅器４０が実装基板７０上に配置されている。そして、光導波路１１と光導波路２２とによって環状の光路５０が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ジャイロ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。光ジャイロでは、環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて回転角速度の検出を行う。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。
【０００３】
また、消費電力が少ない光ジャイロとして、三角環状の共振器（活性層）を備える半導体レーザ素子を用いたジャイロが提案されている（たとえば特許文献２参照）。この半導体レーザジャイロは、半導体レーザ素子に加えて、レーザ光の干渉縞を観測するための受光素子を備える。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記半導体レーザジャイロは製造工程が複雑であり、特に、上記半導体レーザジャイロを構成する複数の素子を１つの基板上にモノリシックに形成しようとすると、製造工程が極めて複雑になる。
【０００５】
このような状況において、本発明は、製造が容易で消費電力が少ない新規な光ジャイロ素子を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の光ジャイロ素子は、環状の光路を互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光の周波数差から回転角速度を求める光ジャイロ素子であって、第１の基板に形成された第１の光導波路と、第２の基板に形成された半導体光増幅器と、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記環状の光路から引き出す引き出し手段と、引き出された前記第１および第２のレーザ光の周波数差を観測する観測手段と、実装基板とを備え、前記半導体光増幅器は、少なくとも一部が光増幅領域である第２の光導波路を含み、前記第１の光導波路の第１および第２の端部が、前記第１の基板の１つの側面側に存在し、前記第２の光導波路の第１および第２の端部が、前記第２の基板の１つの側面側に存在し、前記第１の光導波路の前記第１の端部と前記第２の光導波路の前記第１の端部とが結合され、且つ、前記第１の光導波路の前記第２の端部と前記第２の光導波路の前記第２の端部とが結合されるように、前記第１の基板および前記半導体光増幅器が前記実装基板上に配置されており、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とによって前記環状の光路が形成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光ジャイロ素子では、半導体光増幅器が形成された基板と光導波路が形成された基板とを突き合わせることによって、環状の光導波路を簡単に形成できる。そのため、従来の光ジャイロに比べて製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【０００９】
［光ジャイロ素子（光ジャイロ）］
本発明の光ジャイロ素子は、環状の光路を互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光の周波数差から回転角速度を求める光ジャイロ素子である。この光ジャイロ素子は、第１の基板に形成された第１の光導波路と、第２の基板に形成された半導体光増幅器と、引き出し手段と、観測手段と、実装基板とを備える。
【００１０】
第１の光導波路は、第１の基板に形成されている。第１の光導波路の２つの端部（第１および第２の端部）は、第１の基板の１つの側面側に存在する。第１の基板に限定はなく、基板上に第１の光導波路を形成できるものであればよい。
【００１１】
典型的な一例では、第１の光導波路は、コア層と、コア層の周囲に配置されコア層よりも屈折率が低いクラッド層とによって構成される。コア層の幅、厚さおよび長さに特に限定はないが、高次モードが抑制された基本モードになるようにコア層の幅および厚さを設計することが好ましく、コア層およびクラッド層の屈折率と発振波長とに基づいてこれらの値を決定することが好ましい。第１の光導波路は、第１および第２のレーザ光の損失ができるだけ小さい材料で形成されることが好ましい。第１の光導波路の好ましい一例では、コア層がＧｅドープのＳｉＯ2からなり、クラッド層がノンドープのＳｉＯ2からなる。
【００１２】
本発明の効果が得られる限り、第１の光導波路の長さに限定はない。一例では、第１の光導波路の長さは１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあってもよい。
【００１３】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）は、第２の基板に形成される。第２の基板に限定はなく、半導体光増幅器を形成できるものであればよい。
【００１４】
半導体光増幅器は、少なくとも一部が光増幅領域である光導波路（第２の光導波路）を含む。光増幅領域における第２の光導波路は、活性層を含む。活性層に電流が注入されることによって、第２の光導波路を通過する光が増幅される。活性層に注入される電流が閾値を超えると、レーザ光が励起される。
【００１５】
第２の光導波路は、その全体が光増幅領域であってもよい。また、第２の光導波路の一部は光増幅領域でなくてもよい。たとえば、第２の光導波路の一部は光を増幅しないパッシブ領域であってもよい。また、第２の光導波路の２つの端部は、モードフィールド変換領域（スポットサイズ変換領域）であってもよい。光増幅領域以外の第２の光導波路は、第１および第２のレーザ光の損失が小さい材料で形成されることが好ましい。
【００１６】
本発明の効果が得られる限り、第２の光導波路の長さに限定はない。一例では、第２の光導波路の長さは０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にあってもよい。
【００１７】
本発明の効果が得られる限り、半導体光増幅器の構造に特に限定はない。半導体光増幅器の光増幅領域の構造は、励起する第１および第２のレーザ光に応じて選択される。たとえば、III−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を備える半導体光増幅器を用いることができる。そのような半導体光増幅器によって励起される第１および第２レーザ光の波長は、たとえば０．２５μｍ〜３μｍの範囲にある。半導体光増幅器の一例は、２つの電極と、それらの電極の間に配置された２つのクラッド層と、それらのクラッド層の間に配置された活性層とを含む。
【００１８】
第２の光導波路の２つの端部（第１および第２の端部）は、第２の基板の１つの側面側に存在する。そして、第１の光導波路の第１の端部と第２の光導波路の第１の端部とが結合され、且つ、第１の光導波路の第２の端部と第２の光導波路の第２の端部とが結合されるように、第１の基板および半導体光増幅器（第２の基板）が実装基板上に配置されている。これらの端部の結合によって、環状の光路が形成される。すなわち、第１の光導波路と第２の光導波路とによって、環状の光路が形成されている。
【００１９】
通常、実装基板上には受光素子も実装される。実装基板の表面には、通常、半導体光増幅器の１つの電極と接続される電極パッド、および受光素子の１つの電極と接続される電極パッドが形成される。
【００２０】
本発明の光ジャイロ素子では、第１および第２の光導波路で形成された環状の光路を、互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光が励起される。環状の光路の形状は、第１および第２のレーザ光が励起される形状である限り、特に限定はない。環状の光路は、円環状であってもよいし、円環状でなくてもよい。環状の光路の形状は、たとえば、第２の光導波路の部分が外側に突き出した環状の形状であってもよい。
【００２１】
引き出し手段は、第１および第２のレーザ光の一部を環状の光路から引き出す。具体的には、引き出し手段は、第２の光導波路から第１および第２のレーザ光の一部を引き出す。引き出し手段は、第２の光導波路から第１および第２のレーザ光を引き出すための光結合器を含んでもよい。そのような引き出し手段の一例は、光結合器として機能する光導波路である。
【００２２】
観測手段は、環状の光路から引き出された第１および第２のレーザ光の周波数差を観測する。観測手段は、第１および第２のレーザ光を観測するための少なくとも１つの受光素子を含む。観測手段の典型的な一例は、引き出し手段によって引き出された第１および第２のレーザ光を重ね合わせるための重ね合わせ手段と、重ね合わされた第１および第２のレーザ光を観測する受光素子とを含む。重ね合わせ手段には、光結合器を用いることができる。本発明の典型的な一例では、引き出し手段として機能する光導波路と、重ね合わせ手段として機能する光導波路とが第１の基板に形成される。１つの光導波路が、引き出し手段として機能する光導波路、および、重ね合わせ手段として機能する光導波路を兼ねてもよい。
【００２３】
受光素子には、フォトダイオードやフォトトランジスタを用いることができる。受光素子は、第１および第２の基板とは異なる基板に形成されることが好ましい。そして、受光素子が形成された基板と第１の基板とを突き合わせることによって、受光素子と、重ね合わされた第１および第２のレーザ光が伝播する光導波路とを結合させることが好ましい。光導波路との結合を容易にするため、受光素子には、導波路型のフォトダイオードを用いることが好ましい。その場合、フォトダイオードの端面において反射されたレーザ光が光導波路に戻らないように、フォトダイオードの導波路の端面を、光軸に対して数度だけ斜めにすることが好ましい。
【００２４】
観測手段の受光素子からは、第１および第２のレーザ光の周波数に関する情報を含む信号が出力される。この信号に基づいて、ジャイロの回転角速度が求められる。受光素子の出力信号は、たとえば、スペクトルアナライザに入力されて処理・解析される。
【００２５】
実装基板の表面の形状に限定はなく、第１の基板および半導体光増幅器（および受光素子）を正確な位置に実装しやすい形状であればよい。実装基板の表面は、平坦であってもよいし、平坦でなくてもよい。表面が平坦な実装基板を用いることによって、第１の基板および半導体光増幅器の配置や交換が容易になる。同様に、受光素子の正確な配置が容易になる。
【００２６】
本発明の効果が得られる限り、第２の光導波路の平面形状に限定はない。第２の光導波路の平面形状は、Ｕ字状であってもよい。また、第２の光導波路の平面形状は、円弧状であってもよい。
【００２７】
本発明の光ジャイロ素子の一例では、観測手段が、引き出された第１および第２のレーザ光を重ね合わせるための少なくとも１つの光導波路（第３の光導波路）と、重ね合わされた第１および第２のレーザ光を観測する受光素子とを含む。この一例では、第３の光導波路（少なくとも１つの光導波路）が第１の基板に形成されており、受光素子が実装基板上に配置されている。第３の光導波路の一部は、引き出し手段として機能させることが可能である。
【００２８】
なお、本発明の光ジャイロ素子では、必要に応じて、導波路型の光学素子や光学装置を光導波路の途中に配置してもよい。
【００２９】
［光ジャイロ素子の製造方法］
以下、本発明の光ジャイロ素子を製造する方法について説明する。本発明の製造方法の個々の工程は、半導体装置の製造方法で用いられる一般的な方法を用いて実施できる。
【００３０】
光ジャイロ素子の製造方法は、以下の工程（ｉ）を含む。工程（ｉ）では、第１の基板に形成された第１の光導波路と、半導体光増幅器の第２の光導波路とが結合して環状の光路を形成するように、第１の基板と半導体光増幅器とを実装基板上に配置する。通常、第１の基板を実装基板上に配置してから、半導体光増幅器を実装基板上に配置する。第１の基板、第１の光導波路、半導体光増幅器、および実装基板については上述したため、重複する説明は省略する。これらはそれぞれ、公知の方法で形成できる。
【００３１】
なお、第１の光導波路の２つの端面は、第１の基板の１つの側面側に存在するため、それらの端面を覆う反射防止膜は一度に形成できる。第２の光導波路の２つの端面は、第２の基板の１つの側面側に存在するため、それらの端面を覆う反射防止膜は一度に形成できる。
【００３２】
光ジャイロ素子の製造方法は、受光素子を実装基板上に配置する工程を含んでもよい。この工程は、工程（ｉ）の前、途中、または後に行うことができる。通常、第１の基板を実装基板上に配置してから、第１の基板および受光素子を実装基板上に配置する。受光素子については上述したため、重複する説明を省略する。受光素子は、環状の光路から引き出されて重ね合わされた第１および第２のレーザ光を受光できる位置に実装される。
【００３３】
第１の基板、半導体光増幅器、および受光素子は、それらの相対的な位置が所定の位置になるように、正確に配置される必要がある。これらの正確な配置には、半導体素子の実装技術で用いられる公知の方法を適用してもよい。たとえば、それぞれにアライメントマークを形成し、アライメントマークを用いて位置あわせをしてもよい。
【００３４】
［光ジャイロ素子の一例］
本発明の光ジャイロ素子の一例について、構成を図１に模式的に示す。
【００３５】
図１の光ジャイロ素子１００は、実装基板７０と、実装基板７０上に実装された第１の基板１０、半導体光増幅器４０およびフォトダイオード３１とを含む。第１の基板１０には、第１の光導波路１１と第３の光導波路１３とが形成されている。また、半導体光増幅器４０は、第２の光導波路２２を含む。第１の光導波路１１と第２の光導波路２２とによって、環状の光路５０が形成されている。
【００３６】
第１の光導波路１１と第３の光導波路１３とは、一部で接近している。この部分は、光結合器５１として機能する。また、第３の光導波路１３の一部と他の一部とは、互いの光軸が平行となるように近接している。この部分は、光結合器５２として機能する。
【００３７】
光結合器５１は、第１の光導波路１１を進行するレーザ光が第３の光導波路１３に伝播するように形成される。一例の光結合器では、第３の光導波路１３のコア層の一部が、第１の光導波路１１のコア層の一部の接線に、隣接して且つほぼ平行に配置される。このカップリング部分における、第１の光導波路１１のコア層と第３の光導波路１３のコア層との最短距離は、たとえば、発振波長の数倍程度か、あるいはそれ以下の距離に設定される。同様に、光結合器５２も、第３の光導波路１３の一部と第３の光導波路１３の他の一部とが隣接して平行に配置されることによって形成される。この一例では、第３の光導波路１３は、レーザ光の引き出し手段およびレーザ光の重ね合わせ手段として機能する。
【００３８】
図１の線IIａ−IIａにおける断面図を図２（ａ）に示す。第１の基板１０は、石英基板である。第１の基板１０上には、Ｇｅドープのコア層１４が形成されている。第１の基板１０およびコア層１４を覆うように、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１５が形成されている。コア層１４の断面のサイズは、たとえば５μｍ角程度である。上部クラッド層１５の厚さは、たとえば２０μｍ程度である。
【００３９】
第１の基板１０および上部クラッド層１５のうち、コア層１４に隣接する部分は光閉じ込め層として機能する。コア層１４およびそれに隣接する光閉じ込め層は、第１の光導波路１１を構成する。第３の光導波路１３は、第１の光導波路１１と同じ構造を有する。したがって、図１の線Ｉ−Ｉにおける断面図は、図２（ａ）に示す断面図と同じである。なお、この一例では第１の基板１０の一部が光閉じ込め層である場合について示しているが、すべての光閉じ込め層が第１の基板上に形成されていてもよい。
【００４０】
第１の光導波路１１の２つの端部が露出している側の端面を図２（ｂ）に示す。第１の光導波路１１の第１の端部１１ｍと第２の端部１１ｎとは、第１の基板１０の１つの側面１０ｓ側に存在する。
【００４１】
半導体光増幅器４０における第２の光導波路２２の配置を図３に示す。第２の光導波路２２の平面形状はＵ字状である。ただし、２つの端部およびその近傍の領域２２ａは、わずかに外側に拡がっている。これは、端面で反射した光が光導波路に戻らないようにするためである。
【００４２】
図３の線IVａ−IVａにおける断面図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）を参照して、半導体光増幅器４０は、第２の基板２０と、第２の基板２０上に積層された、活性層４１、ｐ型クラッド層４２、ｐ型オーバークラッド層４３、キャップ層４４および上部電極４５と、下部電極４６とを含む。また、半導体光増幅器４０は、第２の基板２０上に積層されたｐ−ＩｎＰ層４７と、ｎ−ＩｎＰ層４８とを含む。
【００４３】
第２の基板２０はｎ−ＩｎＰ基板である。活性層４１はＧａＩｎＡｓＰからなる。ｐ型クラッド層４２はｐ−ＩｎＰからなる。ｐ型オーバークラッド層４３はｐ−ＩｎＰからなる。キャップ層４４はｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。上部電極４５は、ＡｕＺｎＮｉ層とＡｕ層との積層膜である。下部電極４６は、ＡｕＧｅＮｉ層とＡｕ層との積層膜である。
【００４４】
活性層４１の周囲の基板および層は、活性層４１よりも屈折率が低い。そのため、基板および層のうち活性層４１に隣接する部分は、光閉じ込め層として機能する。活性層４１およびその周囲の光閉じ込め層によって、第２の光導波路２２が構成される。活性層４１には、上部電極４５および下部電極４６によって電流が注入される。ｐ−ＩｎＰ層４７およびｎ−ＩｎＰ層４８が存在するため、電流は、活性層４１に選択的に注入される。
【００４５】
なお、この一例では第２の光導波路２２の全体が、光増幅領域である場合について示しているが、第２の光導波路２２の一部は光増幅領域でなくてもよい。
【００４６】
第２の基板２０の側面のうち第２の光導波路２２の２つの端面が露出している側面２０ｓを、図４（ｂ）に示す。第１の光導波路２２の第１の端部２２ｍと第２の端部２２ｎとは、第２の基板２０の１つの側面２０ｓ側に存在する。側面２０ｓは、半導体光増幅器４０を形成した基板をへき開することによって形成される。なお、第１の端部２２ｍと第２の端部２２ｎとを覆うように、反射防止膜（図示せず）が形成されている。
【００４７】
光ジャイロ素子１００では、第１の基板１０の側面１０ｓと第２の基板２０の側面２０ｓとが突き合わされる。これによって、第１の光導波路１１の第１の端部１１ｍと第２の光導波路２２の第１の端部２２ｍとが互いに突き合わされて結合している。また、第１の光導波路１１の第２の端部１１ｎと第２の光導波路２２の第２の端部２２ｎとが互いに突き合わされて結合している。第１の光導波路１１と半導体光増幅器４０とによって、１つのリングレーザが構成される。
【００４８】
図５に、側面１０ｓおよび側面２０ｓ近傍における、第１の光導波路１１と第２の光導波路２２の配置を模式的に示す。第１の光導波路１１の２つの端部における光軸は、側面１０ｓに垂直な方向に対して角度αだけ傾いている。また、第２の光導波路２２の２つの端部における光軸は、側面２０ｓに垂直な方向に対して、角度βだけ傾いている。角度αおよび角度βは、第１の光導波路１１および第２の光導波路２２の実効屈折率を考慮して決定される。第２の光導波路２２の実効屈折率が第１の光導波路１１の実効屈折率よりも大きい場合、α＞βとなる。
【００４９】
図６を参照して、光ジャイロ素子１００の機能について説明する。半導体光増幅器４０の活性層に電流が注入されると光が発生する。発生した光は、環状の光路５０に沿って、時計回りおよび反時計回りに進行する。この光は、半導体光増幅器４０において増幅される。活性層に注入される電流が閾値を超えると、光路５０を時計回りに伝播する第１のレーザ光Ｌ１と、光路５０を反時計回りに伝播する第２のレーザ光Ｌ２とが励起される。
【００５０】
第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の一部は、光結合器５１において第３の光導波路１３に伝播する。また、第３の光導波路１３を進行する第１のレーザ光Ｌ１の一部は、光結合器５２において、隣接する第３の光導波路１３に伝播する。その結果、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とは、重ね合わされてフォトダイオード３１に入射する。第１のレーザ光Ｌ１の周波数と第２のレーザ光Ｌ２の周波数との間に差が存在する場合、フォトダイオード３１では両者の周波数差に基づくビート信号が検出される。
【００５１】
なお、第３の光導波路１３を２つの光導波路で置き換えてもよい。そのような光ジャイロ素子の一例について、光導波路の配置を図７に示す。図７の光ジャイロ素子は、第１の基板１０上に形成された光導波路７１および７２を含む。光導波路７１の一部は、第１の光導波路１１に近接している。光導波路７１と第１の光導波路１１とが近接している部分は、光結合器７１ａとして機能する。光導波路７２の一部は、第１の光導波路１１に近接している。光導波路７２と第１の光導波路１１とが近接している部分は、光結合器７２ａとして機能する。また、光導波路７１の一部と光導波路７２の一部とは、互いに平行になるように近接している。この部分は、光結合器７１ｂとして機能する。光結合器７１ａにおいて、第１のレーザ光Ｌ１の一部が光導波路７１に伝播する。また、光結合器７２ａにおいて、第２のレーザ光Ｌ２の一部が光導波路７２に移行する。また、光結合器７１ｂにおいて、第２のレーザ光Ｌ２の一部が光導波路７１に移行する。その結果、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とが重ね合わされ、フォトダイオード３１で受光される。
【００５２】
光ジャイロ素子１００の製造方法の一例について、以下に説明する。光ジャイロ素子１００では、半導体光増幅器４０、第１の光導波路１１、およびフォトダイオード３１が、異なる基板に形成されている。したがって、これらのそれぞれを形成したのち、これらを実装基板上に正確に配置する必要がある。
【００５３】
まず、図８（ａ）に示すように、パッド電極８１および８２が形成された実装基板７０を用意する。実装基板７０は、半導体光増幅器４０の材料と熱膨張係数が近く且つ熱伝導率が高い材料からなる基板であることが好ましい、実装基板７０としては、たとえば、ＡｌＮ基板、石英基板、シリコン基板などを用いることができる。
【００５４】
次に、第１および第３の光導波路１１および１３が形成された第１の基板１０を形成する。図９に示すように、第１の基板１０は、第１および第３の光導波路１１および１３を長めに形成したのちに、側面を線Ａ−Ａおよび線Ｂ−Ｂまで研磨することによって形成することが好ましい。このとき、半導体光増幅器４０およびフォトダイオード３１の位置合わせを行うためのアライメントマーク９１および９３を、上部クラッド層１５の表面に形成しておく。また、半導体光増幅器４０およびフォトダイオード３１をそれぞれ形成する。
【００５５】
次に、図８（ｂ）に示すように、第１および第３の光導波路１１および１３が形成された第１の基板１０を、実装基板７０上に接着する。第１の基板１０は、たとえば、光学部品用のＵＶ硬化型接着剤によって実装基板７０に接着される。
【００５６】
次に、図８（ｃ）に示すように、実装基板７０上に、半導体光増幅器４０を接着する。半導体光増幅器４０は、第２の光導波路２２の２つの端部と、第１の光導波路１１の２つの端部とが光学的に結合するように、正確に位置決めして実装基板７０上に接着される。このとき、実装基板７０上のパッド電極８１と、半導体光増幅器４０の下部電極４６とを接続する。たとえば、金−錫の接合技術を用いて、半導体光増幅器４０を実装基板７０上に実装する。
【００５７】
半導体光増幅器４０を正確に位置決めして実装するために、アライメントマークを用いる。具体的には、図１０に示すように、第１の基板１０上の上部クラッド層１５の表面にアライメントマーク９１を形成し、半導体光増幅器４０の上部電極４５の表面にアライメントマーク９２を形成する。そして、それらのアライメントマークが一致するように半導体光増幅器４０を配置することによって、水平方向に正確に半導体光増幅器を実装することが可能である。なお、垂直方向の正確な配置は、パッド電極の厚さ、基板の厚さ、光導波路を構成する各層の厚さなどを調整することによって行うことができる。
【００５８】
次に、図８（ｄ）に示すように、フォトダイオード３１を実装基板７０上に実装する。フォトダイオード３１は、パッド電極８２とフォトダイオード３１の下部電極とが接続されるように実装される。フォトダイオード３１は、第３の光導波路１３から出射されるレーザ光を受光できるように、正確に位置決めして実装される。フォトダイオード３１も、アライメントマークを用いて位置決めされる。具体的には、図１０に示すように、上部クラッド層１５の表面にアライメントマーク９３を形成し、フォトダイオード３１の表面にアライメントマーク９４を形成する。そして、それらのアライメントマークが一致するようにフォトダイオード３１を配置することによって、水平方向に正確にフォトダイオード３１を実装することが可能である。なお、垂直方向の正確な配置は、パッド電極の厚さ、基板の厚さ、光導波路およびフォトダイオードを構成する各層の厚さなどを調整することによって行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、光ジャイロに適用できる。本発明の光ジャイロ素子は、物体の回転の検出が必要な様々な電子機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明の光ジャイロ素子は、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。また、本発明のジャイロは小型で消費電力が低いという利点を生かし、携帯電話や小型のパーソナルコンピュータといった携帯情報端末、玩具、カメラなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の光ジャイロ素子について、一例の構成を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）第１の光導波路の断面図、および（ｂ）第１の光導波路の端部が露出している第１の基板の側面を示す図である。
【図３】半導体光増幅器に含まれる第２の光導波路の配置を示す上面図である。
【図４】（ａ）半導体光増幅器の一部断面図、および（ｂ）第２の光導波路の端部が露出している第２の基板の側面を示す図である。
【図５】第１の光導波路と第２の光導波路との結合の状態を模式的に示す図である。
【図６】本発明の光ジャイロ素子の機能を示す図である。
【図７】本発明の光ジャイロ素子の他の一例について、一例の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の光ジャイロ素子の製造方法の一例を示す工程図である。
【図９】第１の基板上に光導波路を形成する方法の一例を示す図である。
【図１０】半導体光増幅器およびフォトダイオードの配置の方法の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００ 光ジャイロ素子
１０ 第１の基板
１０ｓ 第１の基板の側面
１１ 第１の光導波路
１１ｍ 第１の光導波路の第１の端部
１１ｎ 第１の光導波路の第２の端部
１３ 第３の光導波路
１４ コア層
１５ 上部クラッド層
２０ 第２の基板
２２ 第２の光導波路
２２ｍ 第２の光導波路の第１の端部
２２ｎ 第２の光導波路の第２の端部
２０ｓ 第２の基板の側面
３１ フォトダイオード（観測手段）
４０ 半導体光増幅器
５０ 環状の光路
５１ 光結合器（引き出し手段）
５２ 光結合器（重ね合わせ手段：観測手段）
７０ 実装基板
７１、７２ 光導波路（第３の光導波路）
９１、９２、９３、９４ アライメントマーク
Ｌ１、Ｌ２ レーザ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ジャイロ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。光ジャイロでは、環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて回転角速度の検出を行う。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。
【０００３】
また、消費電力が少ない光ジャイロとして、三角環状の共振器（活性層）を備える半導体レーザ素子を用いたジャイロが提案されている（たとえば特許文献２参照）。この半導体レーザジャイロは、半導体レーザ素子に加えて、レーザ光の干渉縞を観測するための受光素子を備える。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記半導体レーザジャイロは製造工程が複雑であり、特に、上記半導体レーザジャイロを構成する複数の素子を１つの基板上にモノリシックに形成しようとすると、製造工程が極めて複雑になる。
【０００５】
このような状況において、本発明は、製造が容易で消費電力が少ない新規な光ジャイロ素子を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の光ジャイロ素子は、環状の光路を互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光の周波数差から回転角速度を求める光ジャイロ素子であって、第１の基板に形成された第１の光導波路と、第２の基板に形成された半導体光増幅器と、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記環状の光路から引き出す引き出し手段と、引き出された前記第１および第２のレーザ光の周波数差を観測する観測手段と、実装基板とを備え、前記半導体光増幅器は、少なくとも一部が光増幅領域である第２の光導波路を含み、前記第１の光導波路の第１および第２の端部が、前記第１の基板の１つの側面側に存在し、前記第２の光導波路の第１および第２の端部が、前記第２の基板の１つの側面側に存在し、前記第１の光導波路の前記第１の端部と前記第２の光導波路の前記第１の端部とが結合され、且つ、前記第１の光導波路の前記第２の端部と前記第２の光導波路の前記第２の端部とが結合されるように、前記第１の基板および前記半導体光増幅器が前記実装基板上に配置されており、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とによって前記環状の光路が形成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光ジャイロ素子では、半導体光増幅器が形成された基板と光導波路が形成された基板とを突き合わせることによって、環状の光導波路を簡単に形成できる。そのため、従来の光ジャイロに比べて製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【０００９】
［光ジャイロ素子（光ジャイロ）］
本発明の光ジャイロ素子は、環状の光路を互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光の周波数差から回転角速度を求める光ジャイロ素子である。この光ジャイロ素子は、第１の基板に形成された第１の光導波路と、第２の基板に形成された半導体光増幅器と、引き出し手段と、観測手段と、実装基板とを備える。
【００１０】
第１の光導波路は、第１の基板に形成されている。第１の光導波路の２つの端部（第１および第２の端部）は、第１の基板の１つの側面側に存在する。第１の基板に限定はなく、基板上に第１の光導波路を形成できるものであればよい。
【００１１】
典型的な一例では、第１の光導波路は、コア層と、コア層の周囲に配置されコア層よりも屈折率が低いクラッド層とによって構成される。コア層の幅、厚さおよび長さに特に限定はないが、高次モードが抑制された基本モードになるようにコア層の幅および厚さを設計することが好ましく、コア層およびクラッド層の屈折率と発振波長とに基づいてこれらの値を決定することが好ましい。第１の光導波路は、第１および第２のレーザ光の損失ができるだけ小さい材料で形成されることが好ましい。第１の光導波路の好ましい一例では、コア層がＧｅドープのＳｉＯ2からなり、クラッド層がノンドープのＳｉＯ2からなる。
【００１２】
本発明の効果が得られる限り、第１の光導波路の長さに限定はない。一例では、第１の光導波路の長さは１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあってもよい。
【００１３】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）は、第２の基板に形成される。第２の基板に限定はなく、半導体光増幅器を形成できるものであればよい。
【００１４】
半導体光増幅器は、少なくとも一部が光増幅領域である光導波路（第２の光導波路）を含む。光増幅領域における第２の光導波路は、活性層を含む。活性層に電流が注入されることによって、第２の光導波路を通過する光が増幅される。活性層に注入される電流が閾値を超えると、レーザ光が励起される。
【００１５】
第２の光導波路は、その全体が光増幅領域であってもよい。また、第２の光導波路の一部は光増幅領域でなくてもよい。たとえば、第２の光導波路の一部は光を増幅しないパッシブ領域であってもよい。また、第２の光導波路の２つの端部は、モードフィールド変換領域（スポットサイズ変換領域）であってもよい。光増幅領域以外の第２の光導波路は、第１および第２のレーザ光の損失が小さい材料で形成されることが好ましい。
【００１６】
本発明の効果が得られる限り、第２の光導波路の長さに限定はない。一例では、第２の光導波路の長さは０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にあってもよい。
【００１７】
本発明の効果が得られる限り、半導体光増幅器の構造に特に限定はない。半導体光増幅器の光増幅領域の構造は、励起する第１および第２のレーザ光に応じて選択される。たとえば、III−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を備える半導体光増幅器を用いることができる。そのような半導体光増幅器によって励起される第１および第２レーザ光の波長は、たとえば０．２５μｍ〜３μｍの範囲にある。半導体光増幅器の一例は、２つの電極と、それらの電極の間に配置された２つのクラッド層と、それらのクラッド層の間に配置された活性層とを含む。
【００１８】
第２の光導波路の２つの端部（第１および第２の端部）は、第２の基板の１つの側面側に存在する。そして、第１の光導波路の第１の端部と第２の光導波路の第１の端部とが結合され、且つ、第１の光導波路の第２の端部と第２の光導波路の第２の端部とが結合されるように、第１の基板および半導体光増幅器（第２の基板）が実装基板上に配置されている。これらの端部の結合によって、環状の光路が形成される。すなわち、第１の光導波路と第２の光導波路とによって、環状の光路が形成されている。
【００１９】
通常、実装基板上には受光素子も実装される。実装基板の表面には、通常、半導体光増幅器の１つの電極と接続される電極パッド、および受光素子の１つの電極と接続される電極パッドが形成される。
【００２０】
本発明の光ジャイロ素子では、第１および第２の光導波路で形成された環状の光路を、互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光が励起される。環状の光路の形状は、第１および第２のレーザ光が励起される形状である限り、特に限定はない。環状の光路は、円環状であってもよいし、円環状でなくてもよい。環状の光路の形状は、たとえば、第２の光導波路の部分が外側に突き出した環状の形状であってもよい。
【００２１】
引き出し手段は、第１および第２のレーザ光の一部を環状の光路から引き出す。具体的には、引き出し手段は、第２の光導波路から第１および第２のレーザ光の一部を引き出す。引き出し手段は、第２の光導波路から第１および第２のレーザ光を引き出すための光結合器を含んでもよい。そのような引き出し手段の一例は、光結合器として機能する光導波路である。
【００２２】
観測手段は、環状の光路から引き出された第１および第２のレーザ光の周波数差を観測する。観測手段は、第１および第２のレーザ光を観測するための少なくとも１つの受光素子を含む。観測手段の典型的な一例は、引き出し手段によって引き出された第１および第２のレーザ光を重ね合わせるための重ね合わせ手段と、重ね合わされた第１および第２のレーザ光を観測する受光素子とを含む。重ね合わせ手段には、光結合器を用いることができる。本発明の典型的な一例では、引き出し手段として機能する光導波路と、重ね合わせ手段として機能する光導波路とが第１の基板に形成される。１つの光導波路が、引き出し手段として機能する光導波路、および、重ね合わせ手段として機能する光導波路を兼ねてもよい。
【００２３】
受光素子には、フォトダイオードやフォトトランジスタを用いることができる。受光素子は、第１および第２の基板とは異なる基板に形成されることが好ましい。そして、受光素子が形成された基板と第１の基板とを突き合わせることによって、受光素子と、重ね合わされた第１および第２のレーザ光が伝播する光導波路とを結合させることが好ましい。光導波路との結合を容易にするため、受光素子には、導波路型のフォトダイオードを用いることが好ましい。その場合、フォトダイオードの端面において反射されたレーザ光が光導波路に戻らないように、フォトダイオードの導波路の端面を、光軸に対して数度だけ斜めにすることが好ましい。
【００２４】
観測手段の受光素子からは、第１および第２のレーザ光の周波数に関する情報を含む信号が出力される。この信号に基づいて、ジャイロの回転角速度が求められる。受光素子の出力信号は、たとえば、スペクトルアナライザに入力されて処理・解析される。
【００２５】
実装基板の表面の形状に限定はなく、第１の基板および半導体光増幅器（および受光素子）を正確な位置に実装しやすい形状であればよい。実装基板の表面は、平坦であってもよいし、平坦でなくてもよい。表面が平坦な実装基板を用いることによって、第１の基板および半導体光増幅器の配置や交換が容易になる。同様に、受光素子の正確な配置が容易になる。
【００２６】
本発明の効果が得られる限り、第２の光導波路の平面形状に限定はない。第２の光導波路の平面形状は、Ｕ字状であってもよい。また、第２の光導波路の平面形状は、円弧状であってもよい。
【００２７】
本発明の光ジャイロ素子の一例では、観測手段が、引き出された第１および第２のレーザ光を重ね合わせるための少なくとも１つの光導波路（第３の光導波路）と、重ね合わされた第１および第２のレーザ光を観測する受光素子とを含む。この一例では、第３の光導波路（少なくとも１つの光導波路）が第１の基板に形成されており、受光素子が実装基板上に配置されている。第３の光導波路の一部は、引き出し手段として機能させることが可能である。
【００２８】
なお、本発明の光ジャイロ素子では、必要に応じて、導波路型の光学素子や光学装置を光導波路の途中に配置してもよい。
【００２９】
［光ジャイロ素子の製造方法］
以下、本発明の光ジャイロ素子を製造する方法について説明する。本発明の製造方法の個々の工程は、半導体装置の製造方法で用いられる一般的な方法を用いて実施できる。
【００３０】
光ジャイロ素子の製造方法は、以下の工程（ｉ）を含む。工程（ｉ）では、第１の基板に形成された第１の光導波路と、半導体光増幅器の第２の光導波路とが結合して環状の光路を形成するように、第１の基板と半導体光増幅器とを実装基板上に配置する。通常、第１の基板を実装基板上に配置してから、半導体光増幅器を実装基板上に配置する。第１の基板、第１の光導波路、半導体光増幅器、および実装基板については上述したため、重複する説明は省略する。これらはそれぞれ、公知の方法で形成できる。
【００３１】
なお、第１の光導波路の２つの端面は、第１の基板の１つの側面側に存在するため、それらの端面を覆う反射防止膜は一度に形成できる。第２の光導波路の２つの端面は、第２の基板の１つの側面側に存在するため、それらの端面を覆う反射防止膜は一度に形成できる。
【００３２】
光ジャイロ素子の製造方法は、受光素子を実装基板上に配置する工程を含んでもよい。この工程は、工程（ｉ）の前、途中、または後に行うことができる。通常、第１の基板を実装基板上に配置してから、第１の基板および受光素子を実装基板上に配置する。受光素子については上述したため、重複する説明を省略する。受光素子は、環状の光路から引き出されて重ね合わされた第１および第２のレーザ光を受光できる位置に実装される。
【００３３】
第１の基板、半導体光増幅器、および受光素子は、それらの相対的な位置が所定の位置になるように、正確に配置される必要がある。これらの正確な配置には、半導体素子の実装技術で用いられる公知の方法を適用してもよい。たとえば、それぞれにアライメントマークを形成し、アライメントマークを用いて位置あわせをしてもよい。
【００３４】
［光ジャイロ素子の一例］
本発明の光ジャイロ素子の一例について、構成を図１に模式的に示す。
【００３５】
図１の光ジャイロ素子１００は、実装基板７０と、実装基板７０上に実装された第１の基板１０、半導体光増幅器４０およびフォトダイオード３１とを含む。第１の基板１０には、第１の光導波路１１と第３の光導波路１３とが形成されている。また、半導体光増幅器４０は、第２の光導波路２２を含む。第１の光導波路１１と第２の光導波路２２とによって、環状の光路５０が形成されている。
【００３６】
第１の光導波路１１と第３の光導波路１３とは、一部で接近している。この部分は、光結合器５１として機能する。また、第３の光導波路１３の一部と他の一部とは、互いの光軸が平行となるように近接している。この部分は、光結合器５２として機能する。
【００３７】
光結合器５１は、第１の光導波路１１を進行するレーザ光が第３の光導波路１３に伝播するように形成される。一例の光結合器では、第３の光導波路１３のコア層の一部が、第１の光導波路１１のコア層の一部の接線に、隣接して且つほぼ平行に配置される。このカップリング部分における、第１の光導波路１１のコア層と第３の光導波路１３のコア層との最短距離は、たとえば、発振波長の数倍程度か、あるいはそれ以下の距離に設定される。同様に、光結合器５２も、第３の光導波路１３の一部と第３の光導波路１３の他の一部とが隣接して平行に配置されることによって形成される。この一例では、第３の光導波路１３は、レーザ光の引き出し手段およびレーザ光の重ね合わせ手段として機能する。
【００３８】
図１の線IIａ−IIａにおける断面図を図２（ａ）に示す。第１の基板１０は、石英基板である。第１の基板１０上には、Ｇｅドープのコア層１４が形成されている。第１の基板１０およびコア層１４を覆うように、ＳｉＯ2からなる上部クラッド層１５が形成されている。コア層１４の断面のサイズは、たとえば５μｍ角程度である。上部クラッド層１５の厚さは、たとえば２０μｍ程度である。
【００３９】
第１の基板１０および上部クラッド層１５のうち、コア層１４に隣接する部分は光閉じ込め層として機能する。コア層１４およびそれに隣接する光閉じ込め層は、第１の光導波路１１を構成する。第３の光導波路１３は、第１の光導波路１１と同じ構造を有する。したがって、図１の線Ｉ−Ｉにおける断面図は、図２（ａ）に示す断面図と同じである。なお、この一例では第１の基板１０の一部が光閉じ込め層である場合について示しているが、すべての光閉じ込め層が第１の基板上に形成されていてもよい。
【００４０】
第１の光導波路１１の２つの端部が露出している側の端面を図２（ｂ）に示す。第１の光導波路１１の第１の端部１１ｍと第２の端部１１ｎとは、第１の基板１０の１つの側面１０ｓ側に存在する。
【００４１】
半導体光増幅器４０における第２の光導波路２２の配置を図３に示す。第２の光導波路２２の平面形状はＵ字状である。ただし、２つの端部およびその近傍の領域２２ａは、わずかに外側に拡がっている。これは、端面で反射した光が光導波路に戻らないようにするためである。
【００４２】
図３の線IVａ−IVａにおける断面図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）を参照して、半導体光増幅器４０は、第２の基板２０と、第２の基板２０上に積層された、活性層４１、ｐ型クラッド層４２、ｐ型オーバークラッド層４３、キャップ層４４および上部電極４５と、下部電極４６とを含む。また、半導体光増幅器４０は、第２の基板２０上に積層されたｐ−ＩｎＰ層４７と、ｎ−ＩｎＰ層４８とを含む。
【００４３】
第２の基板２０はｎ−ＩｎＰ基板である。活性層４１はＧａＩｎＡｓＰからなる。ｐ型クラッド層４２はｐ−ＩｎＰからなる。ｐ型オーバークラッド層４３はｐ−ＩｎＰからなる。キャップ層４４はｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。上部電極４５は、ＡｕＺｎＮｉ層とＡｕ層との積層膜である。下部電極４６は、ＡｕＧｅＮｉ層とＡｕ層との積層膜である。
【００４４】
活性層４１の周囲の基板および層は、活性層４１よりも屈折率が低い。そのため、基板および層のうち活性層４１に隣接する部分は、光閉じ込め層として機能する。活性層４１およびその周囲の光閉じ込め層によって、第２の光導波路２２が構成される。活性層４１には、上部電極４５および下部電極４６によって電流が注入される。ｐ−ＩｎＰ層４７およびｎ−ＩｎＰ層４８が存在するため、電流は、活性層４１に選択的に注入される。
【００４５】
なお、この一例では第２の光導波路２２の全体が、光増幅領域である場合について示しているが、第２の光導波路２２の一部は光増幅領域でなくてもよい。
【００４６】
第２の基板２０の側面のうち第２の光導波路２２の２つの端面が露出している側面２０ｓを、図４（ｂ）に示す。第１の光導波路２２の第１の端部２２ｍと第２の端部２２ｎとは、第２の基板２０の１つの側面２０ｓ側に存在する。側面２０ｓは、半導体光増幅器４０を形成した基板をへき開することによって形成される。なお、第１の端部２２ｍと第２の端部２２ｎとを覆うように、反射防止膜（図示せず）が形成されている。
【００４７】
光ジャイロ素子１００では、第１の基板１０の側面１０ｓと第２の基板２０の側面２０ｓとが突き合わされる。これによって、第１の光導波路１１の第１の端部１１ｍと第２の光導波路２２の第１の端部２２ｍとが互いに突き合わされて結合している。また、第１の光導波路１１の第２の端部１１ｎと第２の光導波路２２の第２の端部２２ｎとが互いに突き合わされて結合している。第１の光導波路１１と半導体光増幅器４０とによって、１つのリングレーザが構成される。
【００４８】
図５に、側面１０ｓおよび側面２０ｓ近傍における、第１の光導波路１１と第２の光導波路２２の配置を模式的に示す。第１の光導波路１１の２つの端部における光軸は、側面１０ｓに垂直な方向に対して角度αだけ傾いている。また、第２の光導波路２２の２つの端部における光軸は、側面２０ｓに垂直な方向に対して、角度βだけ傾いている。角度αおよび角度βは、第１の光導波路１１および第２の光導波路２２の実効屈折率を考慮して決定される。第２の光導波路２２の実効屈折率が第１の光導波路１１の実効屈折率よりも大きい場合、α＞βとなる。
【００４９】
図６を参照して、光ジャイロ素子１００の機能について説明する。半導体光増幅器４０の活性層に電流が注入されると光が発生する。発生した光は、環状の光路５０に沿って、時計回りおよび反時計回りに進行する。この光は、半導体光増幅器４０において増幅される。活性層に注入される電流が閾値を超えると、光路５０を時計回りに伝播する第１のレーザ光Ｌ１と、光路５０を反時計回りに伝播する第２のレーザ光Ｌ２とが励起される。
【００５０】
第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の一部は、光結合器５１において第３の光導波路１３に伝播する。また、第３の光導波路１３を進行する第１のレーザ光Ｌ１の一部は、光結合器５２において、隣接する第３の光導波路１３に伝播する。その結果、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とは、重ね合わされてフォトダイオード３１に入射する。第１のレーザ光Ｌ１の周波数と第２のレーザ光Ｌ２の周波数との間に差が存在する場合、フォトダイオード３１では両者の周波数差に基づくビート信号が検出される。
【００５１】
なお、第３の光導波路１３を２つの光導波路で置き換えてもよい。そのような光ジャイロ素子の一例について、光導波路の配置を図７に示す。図７の光ジャイロ素子は、第１の基板１０上に形成された光導波路７１および７２を含む。光導波路７１の一部は、第１の光導波路１１に近接している。光導波路７１と第１の光導波路１１とが近接している部分は、光結合器７１ａとして機能する。光導波路７２の一部は、第１の光導波路１１に近接している。光導波路７２と第１の光導波路１１とが近接している部分は、光結合器７２ａとして機能する。また、光導波路７１の一部と光導波路７２の一部とは、互いに平行になるように近接している。この部分は、光結合器７１ｂとして機能する。光結合器７１ａにおいて、第１のレーザ光Ｌ１の一部が光導波路７１に伝播する。また、光結合器７２ａにおいて、第２のレーザ光Ｌ２の一部が光導波路７２に移行する。また、光結合器７１ｂにおいて、第２のレーザ光Ｌ２の一部が光導波路７１に移行する。その結果、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とが重ね合わされ、フォトダイオード３１で受光される。
【００５２】
光ジャイロ素子１００の製造方法の一例について、以下に説明する。光ジャイロ素子１００では、半導体光増幅器４０、第１の光導波路１１、およびフォトダイオード３１が、異なる基板に形成されている。したがって、これらのそれぞれを形成したのち、これらを実装基板上に正確に配置する必要がある。
【００５３】
まず、図８（ａ）に示すように、パッド電極８１および８２が形成された実装基板７０を用意する。実装基板７０は、半導体光増幅器４０の材料と熱膨張係数が近く且つ熱伝導率が高い材料からなる基板であることが好ましい、実装基板７０としては、たとえば、ＡｌＮ基板、石英基板、シリコン基板などを用いることができる。
【００５４】
次に、第１および第３の光導波路１１および１３が形成された第１の基板１０を形成する。図９に示すように、第１の基板１０は、第１および第３の光導波路１１および１３を長めに形成したのちに、側面を線Ａ−Ａおよび線Ｂ−Ｂまで研磨することによって形成することが好ましい。このとき、半導体光増幅器４０およびフォトダイオード３１の位置合わせを行うためのアライメントマーク９１および９３を、上部クラッド層１５の表面に形成しておく。また、半導体光増幅器４０およびフォトダイオード３１をそれぞれ形成する。
【００５５】
次に、図８（ｂ）に示すように、第１および第３の光導波路１１および１３が形成された第１の基板１０を、実装基板７０上に接着する。第１の基板１０は、たとえば、光学部品用のＵＶ硬化型接着剤によって実装基板７０に接着される。
【００５６】
次に、図８（ｃ）に示すように、実装基板７０上に、半導体光増幅器４０を接着する。半導体光増幅器４０は、第２の光導波路２２の２つの端部と、第１の光導波路１１の２つの端部とが光学的に結合するように、正確に位置決めして実装基板７０上に接着される。このとき、実装基板７０上のパッド電極８１と、半導体光増幅器４０の下部電極４６とを接続する。たとえば、金−錫の接合技術を用いて、半導体光増幅器４０を実装基板７０上に実装する。
【００５７】
半導体光増幅器４０を正確に位置決めして実装するために、アライメントマークを用いる。具体的には、図１０に示すように、第１の基板１０上の上部クラッド層１５の表面にアライメントマーク９１を形成し、半導体光増幅器４０の上部電極４５の表面にアライメントマーク９２を形成する。そして、それらのアライメントマークが一致するように半導体光増幅器４０を配置することによって、水平方向に正確に半導体光増幅器を実装することが可能である。なお、垂直方向の正確な配置は、パッド電極の厚さ、基板の厚さ、光導波路を構成する各層の厚さなどを調整することによって行うことができる。
【００５８】
次に、図８（ｄ）に示すように、フォトダイオード３１を実装基板７０上に実装する。フォトダイオード３１は、パッド電極８２とフォトダイオード３１の下部電極とが接続されるように実装される。フォトダイオード３１は、第３の光導波路１３から出射されるレーザ光を受光できるように、正確に位置決めして実装される。フォトダイオード３１も、アライメントマークを用いて位置決めされる。具体的には、図１０に示すように、上部クラッド層１５の表面にアライメントマーク９３を形成し、フォトダイオード３１の表面にアライメントマーク９４を形成する。そして、それらのアライメントマークが一致するようにフォトダイオード３１を配置することによって、水平方向に正確にフォトダイオード３１を実装することが可能である。なお、垂直方向の正確な配置は、パッド電極の厚さ、基板の厚さ、光導波路およびフォトダイオードを構成する各層の厚さなどを調整することによって行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、光ジャイロに適用できる。本発明の光ジャイロ素子は、物体の回転の検出が必要な様々な電子機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明の光ジャイロ素子は、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。また、本発明のジャイロは小型で消費電力が低いという利点を生かし、携帯電話や小型のパーソナルコンピュータといった携帯情報端末、玩具、カメラなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の光ジャイロ素子について、一例の構成を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）第１の光導波路の断面図、および（ｂ）第１の光導波路の端部が露出している第１の基板の側面を示す図である。
【図３】半導体光増幅器に含まれる第２の光導波路の配置を示す上面図である。
【図４】（ａ）半導体光増幅器の一部断面図、および（ｂ）第２の光導波路の端部が露出している第２の基板の側面を示す図である。
【図５】第１の光導波路と第２の光導波路との結合の状態を模式的に示す図である。
【図６】本発明の光ジャイロ素子の機能を示す図である。
【図７】本発明の光ジャイロ素子の他の一例について、一例の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の光ジャイロ素子の製造方法の一例を示す工程図である。
【図９】第１の基板上に光導波路を形成する方法の一例を示す図である。
【図１０】半導体光増幅器およびフォトダイオードの配置の方法の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００ 光ジャイロ素子
１０ 第１の基板
１０ｓ 第１の基板の側面
１１ 第１の光導波路
１１ｍ 第１の光導波路の第１の端部
１１ｎ 第１の光導波路の第２の端部
１３ 第３の光導波路
１４ コア層
１５ 上部クラッド層
２０ 第２の基板
２２ 第２の光導波路
２２ｍ 第２の光導波路の第１の端部
２２ｎ 第２の光導波路の第２の端部
２０ｓ 第２の基板の側面
３１ フォトダイオード（観測手段）
４０ 半導体光増幅器
５０ 環状の光路
５１ 光結合器（引き出し手段）
５２ 光結合器（重ね合わせ手段：観測手段）
７０ 実装基板
７１、７２ 光導波路（第３の光導波路）
９１、９２、９３、９４ アライメントマーク
Ｌ１、Ｌ２ レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の光路を互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光の周波数差から回転角速度を求める光ジャイロ素子であって、
第１の基板に形成された第１の光導波路と、第２の基板に形成された半導体光増幅器と、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記環状の光路から引き出す引き出し手段と、引き出された前記第１および第２のレーザ光の周波数差を観測する観測手段と、実装基板とを備え、
前記半導体光増幅器は、少なくとも一部が光増幅領域である第２の光導波路を含み、
前記第１の光導波路の第１および第２の端部が、前記第１の基板の１つの側面側に存在し、
前記第２の光導波路の第１および第２の端部が、前記第２の基板の１つの側面側に存在し、
前記第１の光導波路の前記第１の端部と前記第２の光導波路の前記第１の端部とが結合され、且つ、前記第１の光導波路の前記第２の端部と前記第２の光導波路の前記第２の端部とが結合されるように、前記第１の基板および前記半導体光増幅器が前記実装基板上に配置されており、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とによって前記環状の光路が形成されている、光ジャイロ素子。
【請求項２】
前記実装基板の表面が平坦である請求項１に記載の光ジャイロ素子。
【請求項３】
前記観測手段は、引き出された前記第１および第２のレーザ光を重ね合わせるための少なくとも１つの光導波路と、重ね合わされた前記第１および第２のレーザ光を観測する受光素子とを含み、
前記少なくとも１つの光導波路が前記第１の基板に形成されており、
前記受光素子が前記実装基板上に配置されている請求項１に記載の光ジャイロ素子。
【請求項１】
環状の光路を互いに逆方向に伝播する第１および第２のレーザ光の周波数差から回転角速度を求める光ジャイロ素子であって、
第１の基板に形成された第１の光導波路と、第２の基板に形成された半導体光増幅器と、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記環状の光路から引き出す引き出し手段と、引き出された前記第１および第２のレーザ光の周波数差を観測する観測手段と、実装基板とを備え、
前記半導体光増幅器は、少なくとも一部が光増幅領域である第２の光導波路を含み、
前記第１の光導波路の第１および第２の端部が、前記第１の基板の１つの側面側に存在し、
前記第２の光導波路の第１および第２の端部が、前記第２の基板の１つの側面側に存在し、
前記第１の光導波路の前記第１の端部と前記第２の光導波路の前記第１の端部とが結合され、且つ、前記第１の光導波路の前記第２の端部と前記第２の光導波路の前記第２の端部とが結合されるように、前記第１の基板および前記半導体光増幅器が前記実装基板上に配置されており、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とによって前記環状の光路が形成されている、光ジャイロ素子。
【請求項２】
前記実装基板の表面が平坦である請求項１に記載の光ジャイロ素子。
【請求項３】
前記観測手段は、引き出された前記第１および第２のレーザ光を重ね合わせるための少なくとも１つの光導波路と、重ね合わされた前記第１および第２のレーザ光を観測する受光素子とを含み、
前記少なくとも１つの光導波路が前記第１の基板に形成されており、
前記受光素子が前記実装基板上に配置されている請求項１に記載の光ジャイロ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１４５１１０（Ｐ２００９−１４５１１０Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２０８１０（Ｐ２００７−３２０８１０）
【出願日】平成１９年１２月１２日（２００７．１２．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１２日（２００７．１２．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]