(57)【要約】【課題】検出精度が高く、且つ小型の光ジャイロセンサを提供する。【解決手段】基板１と、リング状の光路を構成するように基板１上に配置され、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が互いに異なる周回方向に伝搬する光導波路２０と、光導波路２０を囲むように基板１上に配置され、光導波路２０から第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部が移行する光取り出し距離ｄAで光取り出し長ＬAにわたって光導波路２０の一部に隣接して配置された光取り出し部３０１を有する検出路３０と、光導波路２０から光取り出し部３０１に移行した第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部が合波して検出路３０に生じるビート信号を検出する信号検出器４０とを備える。【選択図】図１
2010164504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
リング状の光路を構成するように前記基板上に配置され、第１及び第２レーザ光が互いに異なる周回方向に伝搬する光導波路と、
前記光導波路を囲むように前記基板上に配置され、前記光導波路から前記第１及び第２レーザ光のそれぞれ一部が移行する光取り出し距離で光取り出し長にわたって前記光導波路に隣接して配置された光取り出し部を有する検出路と、
前記光導波路から前記光取り出し部に移行した前記第１及び第２レーザ光のそれぞれ一部が合波して前記検出路に生じるビート信号を検出する信号検出器と
を備えることを特徴とする光ジャイロセンサ。
【請求項２】
前記光取り出し部が、前記光取り出し距離で前記光取り出し長にわたって前記光導波路と平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項３】
前記リング状の光路の一部をなすように前記基板上に配置された光増幅器を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項４】
前記光増幅器が半導体光増幅器であることを特徴とする請求項３に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項５】
前記光導波路が、入れ子状に互いに離間してリング状に配置された複数の結合周回路を備え、前記複数の結合周回路のそれぞれが、隣接する前記結合周回路間を前記第１及び第２レーザ光が１００％移行する光結合距離で光結合長にわたって隣接する他の前記結合周回路と平行に配置された結合部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項６】
前記複数の結合周回路のうちの最内側の結合周回路と前記光増幅器とがリング状の光路を構成することを特徴とする請求項５に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項７】
前記光導波路がコア層と該コア層の周囲を囲むクラッド層からなる積層構造を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の光ジャイロセンサ。
【請求項８】
前記信号検出器がフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ジャイロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ジャイロセンサに係り、特に光増幅器と光導波路が同一基板上に配置された光ジャイロセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の角速度を検出する角速度検出装置（ジャイロセンサ）には、動作原理や構造、駆動方式等によって様々な種類がある。例えば光ジャイロセンサは、リング状に配置された光導波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角速度を検出する。
【０００３】
光ジャイロセンサの低消費電力化の要求に伴い、基板上にリング状に配置された光導波路と、光導波路を伝搬するレーザ光を引き出してビート信号を観測する光結合器を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された光ジャイロセンサは光導波路に囲まれる領域と光結合器に囲まれる領域をそれぞれ有するため、基板の面積が増大するという問題があった。また、光ジャイロセンサの検出精度を向上させるためには、レーザ光が伝搬する光導波路を長くすることが効果的である。しかし、特許文献１に記載された光ジャイロセンサの光導波路を長くするためには、リング状の光導波路のリング径を大きくする必要があり、基板の面積が増大する。このため、光ジャイロセンサの小型化が阻害される。
【０００６】
上記問題点を鑑み、本発明は、検出精度が高く、且つ小型の光ジャイロセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（イ）基板と、（ロ）リング状の光路を構成するように基板上に配置され、第１及び第２レーザ光が互いに異なる周回方向に伝搬する光導波路と、（ハ）光導波路を囲むように基板上に配置され、光導波路から第１及び第２レーザ光のそれぞれ一部が移行する光取り出し距離で光取り出し長にわたって光導波路に隣接して配置された光取り出し部を有する検出路と、（ニ）光導波路から光取り出し部に移行した第１及び第２レーザ光のそれぞれ一部が合波して検出路に生じるビート信号を検出する信号検出器とを備える光ジャイロセンサが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、検出精度が高く、且つ小型の光ジャイロセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの構成を示す模式図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った断面図である。
【図４】光路間を移行するレーザ光のパワーの比率を算出する例を説明するための光路の模式図である。
【図５】図４に示した光路における光強度の算出例を示すグラフであり、図５（ａ）はスルーポートにおける光強度を示し、図５（ｂ）はクロスポートにおける光強度を示す。
【図６】｛Ｘ−Ｚ｝面内の屈折率｛Ｎ｝分布の例を示すグラフである。
【図７】｛Ｘ−Ｚ｝面内の光強度分布｛Optical Field｝の例を示すグラフである。
【図８】ＸＹＺ軸の設定を示す模式図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの光増幅器の配置例を示す上面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサの光取り出し領域のレイアウト例を示し、図１５（ｂ）は他のレイアウト例を示す。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る光ジャイロセンサの構成を示す模式図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光ジャイロセンサの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１１】
又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサは、図１（ａ）に示すように、基板１と、リング状の光路を構成するように基板１上に配置され、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が互いに異なる周回方向に伝搬する光導波路２０と、光導波路２０を囲むように基板１上に配置され、光導波路２０から第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部が移行する光取り出し距離ｄAで光取り出し長ＬAにわたって光導波路２０の一部に隣接して配置された光取り出し部３０１を有する検出路３０と、光導波路２０から光取り出し部３０１に移行した第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部が合波して検出路３０に生じるビート信号を検出する信号検出器４０とを備える。
【００１３】
後述するように、光取り出し部３０１が、光取り出し長ＬAにわたって光導波路２０との間隔が光取り出し距離ｄAであるように光導波路２０と隣接して配置された場合に、光導波路２０から光取り出し部３０１に第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部が移行する。つまり、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の一部が光導波路２０から光取り出し部３０１に移行する条件を満足する間隔（光取り出し距離ｄA）及び長さ（光取り出し長ＬA）で、光導波路２０と光取り出し部３０１が配置されている。例えば、光導波路２０から光取り出し部３０１に第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の１〜１０％程度が移行するように、光導波路２０と光取り出し部３０１が配置される。
【００１４】
更に検出路３０は、光導波路２０から光取り出し部３０１に移行した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部である第１検出レーザ光Ｌ１ａ及び第２検出レーザ光Ｌ２ａが合波してビート信号を生じる検出部３０２を有する。つまり信号検出器４０は、検出部３０２に生じるビート信号を検出する。
【００１５】
図１（ａ）に示した光ジャイロセンサでは、リング状に配置された光導波路２０の一部を削除した領域に光増幅器１０が配置され、光増幅器１０と光導波路２０とがリング状の光路を構成する。そして、光増幅器１０の出力面１１から出力される第１レーザ光Ｌ１が、光導波路２０を伝搬した後、光増幅器１０の出力面１２に入力する。また、光増幅器１０の出力面１２から出力される第２レーザ光Ｌ２が、光導波路２０を伝搬した後、光増幅器１０の出力面１１に入力する。以下では、第１レーザ光Ｌ１が光導波路２０を時計方向に伝搬し、第２レーザ光Ｌ２が光導波路２０を反時計方向に伝搬する場合を例示的に説明する。
【００１６】
光導波路２０を伝搬する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の一部は、光取り出し領域Ａにおいて、光導波路２０から検出路３０に移行する。つまり、光取り出し領域Ａにおける光導波路２０及び検出路３０は光結合器として機能する。第１レーザ光Ｌ１の一部が光導波路２０から検出路３０に移行した第１検出レーザ光Ｌ１ａは、光取り出し領域Ａから時計方向に検出路３０を伝搬する。一方、第２レーザ光Ｌ２の一部が光導波路２０から検出路３０に移行した第２検出レーザ光Ｌ２ａは、光取り出し領域Ａから反時計方向に検出路３０を伝搬する。
【００１７】
図１（ａ）に示したように、検出路３０の第１検出レーザ光Ｌ１ａが伝搬する領域と第２検出レーザ光Ｌ２ａが伝搬する領域とは、信号検出領域Ｂにおいて距離ｗの間隔で隣接して平行に配置される。信号検出領域Ｂにおいて、第１検出レーザ光Ｌ１ａと第２検出レーザ光Ｌ２ａは同じ方向に伝搬する。
【００１８】
信号検出領域Ｂにおける検出路３０間の距離ｗは、第１検出レーザ光Ｌ１ａと第２検出レーザ光Ｌ２ａそれぞれの一部（例えば約５０％）が、隣接する検出路３０に移行する距離に設定される。つまり、信号検出領域Ｂにおける検出路３０は光結合器として機能する。距離ｗは、第１検出レーザ光Ｌ１ａや第２検出レーザ光Ｌ２ａの波長の数倍程度（例えば５倍）か、或いはそれ以下に設定される。
【００１９】
その結果、信号検出領域Ｂにおいて第１検出レーザ光Ｌ１ａと第２検出レーザ光Ｌ２ａが合波する。そして、第１検出レーザ光Ｌ１ａの周波数と第２検出レーザ光Ｌ２ａの周波数との間に周波数差が存在する場合には、検出部３０２で第１検出レーザ光Ｌ１ａと第２検出レーザ光Ｌ２ａとが重ね合わさったビート信号が生じる。検出部３０２に生じたビート信号は、検出部３０２から第２検出レーザ光Ｌ２ａの進行方向、即ち検出路３０の端部に近い位置に配置された信号検出器４０により検出される。信号検出器４０には、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ等の受光素子等が採用可能である。
【００２０】
光導波路２０の周回方向に時計回り或いは反時計周り等に基板１が回転している場合には、サニャック効果によって、光導波路２０の光路長が第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とで異なってみえ、このみかけ上の光路長の違いが第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２との周波数差を生じさせる。この周波数差が第１検出レーザ光Ｌ１ａと第２検出レーザ光Ｌ２ａとのビート信号の光強度として観測される。したがって、検出部３０２で生じるビート信号の光強度の変化を用いて、基板１の角速度を算出できる。
【００２１】
具体的には、信号検出器４０により検出されたビート信号が、電気信号として信号検出器４０から角速度検出回路５０に出力される。角速度検出回路５０はビート信号の光強度を用いて基板１の角速度を算出する。
【００２２】
なお、角速度検出回路５０を基板１上に形成してもよい。つまり、図１（ａ）に示す光ジャイロセンサを１チップ化することにより、光ジャイロセンサがより小型化される。
【００２３】
また、図１（ａ）に示す光ジャイロセンサでは、光増幅器１０と信号検出器４０を基板１の同一辺側に配置できる。このため、光増幅器１０と信号検出器４０を駆動するための電極端子を基板１の一つの辺に集中して配置できる。なお、図１（ａ）では、基板１に配置される電極端子、及び電極端子と光増幅器１０及び信号検出器４０とを接続する配線は図示を省略している。
【００２４】
光増幅器１０には、光導波路２０を周回するレーザ光を増幅する機能を有し、且つ出力面１１、１２でのレーザ光の反射が少ない素子であれば、種々の素子を使用できる。例えば、光増幅器１０に半導体光増幅器（ＳＯＡ）等が採用可能である。ＳＯＡは、例えば図２に示すように、下部電極１０１と上部電極１０５間に、下部クラッド層１０２、活性層１０３及び上部クラッド層１０４が積層された構造である。図２は、図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。
【００２５】
下部電極１０１と上部電極１０５間に電流を流すことにより、ＳＯＡは反転分布状態になる。光増幅器１０の出力面１１及び出力面１２から光導波路２０にそれぞれ出力された第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、光導波路２０を周回した後、それぞれ出力面１２及び出力面１１から光増幅器１０に入力する。反転分布状態のＳＯＡに第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が入力すると、活性層１０３内で電子と正孔が再結合して誘電放出が起こる。この結果、入力した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は増幅され、それぞれ出力面１１及び出力面１２から出力される。なお、下部電極１０１と上部電極１０５に外部から電圧を印加するための引き出し電極が基板１に配置されるが、この引き出し電極は図１（ａ）において図示を省略している。
【００２６】
光増幅器１０には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素と窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等のＶ族元素であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層１０３を有するＳＯＡ等が採用可能である。下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０４は、活性層１０３で発生した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を活性層１０３内に閉じ込めるための層である。このため、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０４には、活性層１０３よりバンドギャップが大きい材料が選択される。
【００２７】
光導波路２０には、光導波路を形成する物質であれば構造や材料に制限は無く、ポリマー、樹脂、ガラス、半導体等が採用可能である。例えば図２及び図３に示すように、コア層２０１と、コア層２０１の周囲に配置されたクラッド層２０２からなる積層構造を光導波路２０に採用できる。第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の波長、コア層２０１とクラッド層２０２の屈折率等に応じて、コア層２０１のレーザ光の伝搬方向に垂直な断面積、クラッド層２０２の厚さ等が設定される。図３は、図１（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った光導波路２０の断面構造図の例である。図３に示した例では、コア層２０１のレーザ光の伝搬方向に垂直な断面の高さｈ１及び幅ｈ２は、例えばｈ１＝１μｍ程度、ｈ２＝３μｍ程度に設定される。また、コア層２０１を囲むクラッド層２０２の厚さｔは、例えばｔ＝５〜８μｍ程度に設定される。
【００２８】
光導波路２０のコア層２０１に第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を閉じ込めるために、クラッド層２０２にはコア層２０１より屈折率が小さい材料が選択される。例えば、クラッド層２０２とコア層２０１との比屈折率の差は１．５％程度に設定される。具体的には、例えばコア層２０１にゲルマニウム（Ｇｅ）ドープの酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を採用し、クラッド層２０２にＳｉＯ2膜を採用可能である。なお、光導波路２０を第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の吸収が少ない材料で形成することが好ましい。このように光導波路２０を形成することにより、レーザ光が伝搬する光導波路をＳＯＡの活性層と同じ材料で形成した光ジャイロセンサに比べて、図１（ａ）に示した光ジャイロセンサを低い電力で駆動できる。
【００２９】
光増幅器１０にＳＯＡを採用した場合、ＳＯＡのモードフィールドの中心と光導波路２０のコア層２０１の中心とが一致するように、光増幅器１０が基板１上に配置される。このように配置することにより、活性層１０３で発生した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、効率よくコア層２０１に伝搬する。
【００３０】
検出路３０は、光導波路２０と同様に、コア層２０１と、コア層２０１の周囲に配置されたクラッド層２０２からなる積層構造が採用可能である。このため、検出路３０と光導波路２０は同一の製造工程で基板１上に同時に形成可能である。例えば、光導波路２０と検出路３０のコア層２０１を同一層に形成できる。
【００３１】
以下に、光取り出し距離ｄA及び光取り出し長ＬAについて説明する。光取り出し領域Ａにおいて光導波路２０から検出路３０に第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の一部を移行させるために、検出路３０の光取り出し部３０１が、光取り出し長ＬAにわたって光導波路２０に隣接して配置される。光取り出し距離ｄAは、光導波路２０と光取り出し部３０１との間隔が光取り出し距離ｄAである場合に、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部が、光導波路２０から検出路３０に移行する距離である。図１（ａ）に示した例では、光取り出し部３０１が、光導波路２０から光取り出し距離ｄAで、光取り出し長ＬAにわたって光導波路２０と平行に配置されている。
【００３２】
光導波路２０から検出路３０に移行する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のパワーの比率は、シミュレーション等により算出可能である。以下に、ビーム・プロパゲイション・メソッド（ＢＰＭ）によって、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の移行するパワーの比率を算出する例を説明する。
【００３３】
ここでは、光導波路２０及び検出路３０のコア層２０１の屈折率ＮCOが１．５２８６、クラッド層２０２の屈折率ＮCLが１．５２１４であり、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の波長λが１５５０ｎｍである場合を例示的に説明する。このとき、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２がシングルモードで光導波路２０及び検出路３０を伝搬するためのコア層２０１のシングルモード伝搬コア径は、７μｍ以下程度であればよいと考えられる。このため、以下の説明では、コア層２０１のコア径Ｗを６μｍに設定する。また、光導波路２０の円弧部分の中心から光導波路２０の円弧部分までの距離は、導波路最小曲げ半径Ｒ以上であるとする。「導波路最小曲げ半径」は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の光導波路２０での伝搬損失が発生しない半径である。上記の条件においては、導波路最小曲げ半径Ｒを１５ｍｍにすることにより、伝搬損失の発生をほぼ無視できる。光導波路２０及び検出路３０の各曲線部における曲率半径は、導波路最小曲げ半径Ｒ以上に設定される。例えば、図１（ｂ）に示した検出路３０の光取り出し領域Ａ近傍での曲線部の曲率半径Ｒ１、Ｒ２は、導波路最小曲げ半径Ｒ以上である。
【００３４】
図４を参照して、光路間を移行するレーザ光のパワーの比率をＢＰＭによって算出する例を説明する。図４は、図１（ａ）の光取り出し領域Ａをシミュレーションモデル化した図であり、図４のスルーポート４０１が図１（ａ）に示した光導波路２０に相当し、クロスポート４０２が検出路３０に相当する。つまり、スルーポート４０１及びクロスポート４０２のコア層の屈折率は１．５２８６、クラッド層の屈折率は１．５２１４である。比屈折率差Δは、０．４７％である。
【００３５】
図４に示したスルーポート４０１の入力端４０１ａにレーザ光ＬINが入力されると、スルーポート４０１をレーザ光ＬINが伝搬し、レーザ光ＬINの一部がスルーポート４０１に隣接して配置されたクロスポート４０２に移行する。ここで、スルーポート４０１とクロスポート４０２との間隔ｄｗが４μｍであるとする。この場合の、スルーポート４０１における光強度ＬＩ１と、クロスポート４０２における光強度ＬＩ２の算出結果例を、図５（ａ）と図５（ｂ）にそれぞれ示す。図５（ａ）と図５（ｂ）の横軸は、入力端４０１ａからの直線部分の距離ｔである。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、距離ｔ＝１．７８３ｍｍにおいて、光強度ＬＩ１が０である。一方、図５（ｂ）に示すように、距離ｔ＝１．７８３ｍｍにおいて、光強度ＬＩ２が１である。つまり、スルーポート４０１とクロスポート４０２との間隔ｄｗが４μｍである場合に、距離ｔが１．７８３ｍｍ付近において、スルーポート４０１からクロスポート４０２にレーザ光ＬINが１００％移行する。また、距離ｔ＝３０８０μｍ付近において、移行するレーザ光ＬINのパワーが約１０％である。つまり、１０／９０の結合率が得られる。距離ｔ＝３３６７μｍ付近において、レーザ光ＬINの移行するパワーが約１％である。つまり、１／９９の結合率が得られる。
【００３７】
図６〜図７に、結合長が５３０μｍの場合のＢＰＭ計算結果を示す。図６は、｛Ｘ−Ｚ｝面内の屈折率｛Ｎ｝分布の計算結果である。図６に示した数値（1.521〜1.529）は屈折率である。また、図７は、｛Ｘ−Ｚ｝面内の光強度分布｛Optical Field｝の計算結果である。図７に示した数値（0〜1.002）は、１を最大とした場合の光強度分布である。なお、図６及び図７のＸＹＺ軸は図８に示すように設定されている。
【００３８】
以上に示したＢＰＭの結果から、例えば光取り出し距離ｄAが４μｍの場合に、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ１％〜１０％程度を光導波路２０から検出路３０に移行させるには、光取り出し長ＬAを、３０８０μｍ〜３３６７μｍ程度にする。ただし、コア層２０１の屈折率ＮCOが１．５２８６、クラッド層２０２の屈折率ＮCLが１．５２１４、コア層２０１のコア径が６μｍであり、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の波長λが１５５０ｎｍの場合である。
【００３９】
以上に説明したように、光取り出し距離ｄA及び光取り出し長ＬAは、コア層２０１の屈折率ＮCO、クラッド層２０２の屈折率ＮCL、コア層２０１のコア径、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の波長λ等に応じて、設定される。
【００４０】
なお、光取り出し領域Ａ以外の領域において光導波路２０から検出路３０に第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が移行することを防止するために、光取り出し部３０１以外の検出路３０と光導波路２０との距離は、光取り出し距離ｄAより大きくする必要があり、０％伝搬導波路間隔ｒ以上に設定されることが好ましい。「０％伝搬導波路間隔」は隣接する光導波路間で光移行が生じない間隔として規定される。０％伝搬導波路間隔ｒは、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の波長λの数倍程度に設定される。例えば、波長λが１５５０ｎｍの場合、０％伝搬導波路間隔ｒは５μｍ以上に設定される。
【００４１】
基板１は、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、インジウムリン（ＩｎＰ）基板等が採用可能である。基板１に形成される光導波路２０や検出路３０の材料に応じて、基板１は選択される。また、光増幅器１０を基板１上に形成するエッチドミラータイプの場合は、所望の周波数の光が出力されるように、基板１が選択される。
【００４２】
図９〜図１３を参照して、図１（ａ）及び図２に示した基板１の製造方法を説明する。なお、以下に述べる製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。図９〜図１３のそれぞれにおいて、図（ａ）は図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ方向に沿った工程断面図、図（ｂ）は図１（ａ）のＩＩＶ−ＩＶ方向に沿った工程断面図である。
【００４３】
（イ）図９に示すように、基板１上にクラッド層２０２の下側領域となる下側クラッド層２０２Ａ、及びコア層２０１を積層する。このとき、光増幅器１０や信号検出器４０を形成する領域にも下側クラッド層２０２Ａ及びコア層２０１を形成する。
【００４４】
（ロ）図１０に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジスト膜をマスクとしてエッチングする等して、光導波路２０及び検出路３０の所望の形状に応じてコア層２０１をパターニングする。その後、図１１に示すように、クラッド層２０２の上側領域となる上側クラッド層２０２Ｂを形成して、光導波路２０及び検出路３０が完成する。
【００４５】
（ハ）図１２に示すように、光増幅器１０を配置する領域の光導波路２０のクラッド層２０２及びコア層２０１をエッチング除去して、空洞１０Ａを形成する。同時に、図示を省略するが、信号検出器４０を配置する検出路３０の端部のクラッド層２０２及びコア層２０１をエッチング除去して空洞を形成する。このとき、基板１の上部の一部をエッチング除去してもよい。
【００４６】
（ニ）図１３に示すように、基板１の外部から光増幅器１０に電圧を印加するための引き出し電極１１０を、空洞１０Ａに形成する。その後、引き出し電極１１０と下部電極１０１とを半田付けする等して、基板１に光増幅器１０をマウントする。信号検出器４０も同様にして基板１にマウントする。以上により、図１（ａ）及び図２に示した基板１が完成する。
【００４７】
上記の各プロセスにおけるパターニングには、半導体プロセスで一般的に使用されるフォトリソグラフィ技術やエッチング法等を適用可能である。
【００４８】
なお、例えばＳＯＡを光増幅器１０に採用する場合には、ＳＯＡのキャビティと光導波路２０のコア層２０１とが光学的に結合するようにＳＯＡが基板１にマウントされる。また、例えばフォトダイオードを信号検出器４０に採用する場合には、フォトダイオードの受光領域が検出路３０のコア層２０１と光学的に結合するように、フォトダイオードが基板１にマウントされる。
【００４９】
更に、活性層１０３とコア層２０１との界面における第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の反射によって光ジャイロセンサの性能が受ける影響を低減するように、光増幅器１０を基板１に実装する方法を工夫することが好ましい。例えば、レーザ光が伝搬する方向の活性層１０３の中心軸方向と光導波路２０の中心軸方向とが一致しないように、互いの中心軸方向が数度の角度をなすように光増幅器１０を基板１に実装する。図１４に示す例は、レーザ光が伝搬する光増幅器１０のストライプが光増幅器１０の出力面１１、１２と垂直ではなく、出力面１１、１２の面法線方向と一定の角度θ（例えばθ＝７〜８°程度）をなすように、光増幅器１０を形成した例である。このとき、ストライプの中心軸と光導波路２０の中心軸は出力面１１、１２において一致させる。また、活性層１０３とコア層２０１との界面に反射防止（ＡＲ）コーティングを行ってもよい。
【００５０】
以上に説明した製造方法では、光導波路２０及び検出路３０を形成した基板１上に光増幅器１０と信号検出器４０をマウントすることにより、図１（ａ）に示した光ジャイロセンサを容易に製造できる。このため、歩留まりが向上し、製造コストを低減できる。
【００５１】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る光ジャイロセンサでは、光導波路２０の周囲を囲むように検出路３０が配置されるため、基板１の面積の増大が抑制される。そのため、図１（ａ）に示す光ジャイロセンサによれば、検出精度が高く、且つ小型の光ジャイロセンサを実現することができる。
【００５２】
以上の説明では、光取り出し領域Ａにおいて、検出路３０の光取り出し部３０１が、光導波路２０と光取り出し長ＬAにわたって平行に配置された例を示した。しかし、光取り出し部３０１と光導波路２０が平行でなくてもよい。例えば、図１５（ａ）に示すように、光取り出し領域Ａにおける光取り出し部３０１が直線であり、光導波路２０が曲線であってもよい。或いは、光取り出し領域Ａにおける光取り出し部３０１が曲線であり、光導波路２０が直線であってもよい。または、図１５（ｂ）に示すように、光取り出し部３０１と光導波路２０が共に曲線であってもよい。
【００５３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る光ジャイロセンサは、図１６に示すように、光導波路２０が、入れ子状に互いに離間してリング状に配置された複数の結合周回路２１〜２３を備える。結合周回路２１〜２３のそれぞれは、隣接する他の結合周回路２１〜２３との間隔が、光結合長ＬCにわたって光結合距離ｄCである結合部２１０を有する。結合周回路２１〜２３の結合部２１０が配置された光結合領域Ｃ１、Ｃ２において、結合周回路２１〜２３間を第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が１００％移行する。つまり、隣接する結合周回路２１〜２３間を第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が１００％移行する条件を満足する間隔（光結合距離ｄC）及び長さ（光結合長ＬC）で、結合周回路２１〜２３が配置されている。
【００５４】
図１６に示した光ジャイロセンサでは、複数の結合周回路２１〜２３のうちの最内側に配置された結合周回路２１が光増幅器１０と接合して、光増幅器１０とともにリング状の光路を構成する。また、結合周回路２１〜２３のうちの最外側に配置された結合周回路２３の一部は、光取り出し領域Ａにおいて、光取り出し長ＬAにわたって光取り出し距離ｄAで検出路３０の光取り出し部３０１に隣接する。
【００５５】
つまり、図１６に示すジャイロセンサは、光導波路２０が互いに離間して配置された複数の周回路を有することが図１（ａ）に示した光ジャイロセンサと異なる点である。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００５６】
結合周回路２１〜２３には、第１の実施の形態で説明した光導波路２０や検出路３０と同様に、コア層２０１と、コア層２０１の周囲に配置されたクラッド層２０２からなる積層構造が採用可能である。このため、結合周回路２１〜２３は、第１の実施の形態で説明した製造方法と同様に形成可能である。
【００５７】
図１６に示した光ジャイロセンサでは、光増幅器１０が出力する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が結合周回路２１を伝搬する。以下では、光増幅器１０の出力面１１から出力された第１レーザ光Ｌ１が結合周回路２１を時計方向に伝搬し、出力面１２から出力された第２レーザ光Ｌ２が結合周回路２１を反時計方向に伝搬する例を説明する。図１６に示した例では、出力面１１から光結合領域Ｃ１までの光路長と出力面１２から光結合領域Ｃ１までの光路長は同じである。
【００５８】
結合周回路２１を伝搬する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、光結合領域Ｃ１において、結合周回路２１から結合周回路２２に１００％移行する。つまり、光結合領域Ｃ１における結合周回路２１及び結合周回路２２は光結合器として機能する。
【００５９】
光結合領域Ｃ１において第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を結合周回路２１から結合周回路２２に１００％移行させるために、結合周回路２１の結合部２１０と結合周回路２２の結合部２１０は、光結合長ＬCにわたって光結合距離ｄCで配置される。図１６に示した例では、結合周回路２１の結合部２１０と結合周回路２２の結合部２１０は、平行に配置されている。
【００６０】
既に説明したように、光導波路２０から検出路３０に移行する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のパワーの比率は、ＢＰＭ等のシミュレーション等により算出可能である。第１の実施の形態で説明したＢＰＭの結果から、例えば光結合距離ｄCが４μｍの場合に、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ１００％を結合周回路２１から結合周回路２２に移行させるには、光結合長ＬCを、１７８３μｍ程度にする。ただし、コア層２０１の屈折率ＮCOが１．５２８６、クラッド層２０２の屈折率ＮCLが１．５２１４、コア層２０１のコア径が６μｍであり、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の波長λが１５５０ｎｍの場合である。
【００６１】
以上に説明したように、光結合距離ｄA及び光結合長ＬCは、コア層２０１の屈折率ＮCO、クラッド層２０２の屈折率ＮCL、コア層２０１のコア径、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の波長λ、等に応じて設定される。
【００６２】
結合周回路２１から結合周回路２２に移行した第１レーザ光Ｌ１は、光結合領域Ｃ１から光結合領域Ｃ２に向かって結合周回路２２を時計方向に伝搬する。一方、結合周回路２１から結合周回路２２に移行した第２レーザ光Ｌ２は、光結合領域Ｃ１から光結合領域Ｃ２に向かって結合周回路２２を反時計方向に伝搬する。図１６に示した結合周回路２２では、光結合領域Ｃ１から光結合領域Ｃ２までの光路長は左右の経路で同一である。
【００６３】
光結合領域Ｃ２において、結合周回路２２と結合周回路２３のそれぞれの結合部２１０は、光結合長ＬCにわたって光結合距離ｄCの間隔で配置される。このため、結合周回路２２を伝搬する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、光結合領域Ｃ２において結合周回路２２から結合周回路２３に１００％移行する。つまり、光結合領域Ｃ２における結合周回路２２及び結合周回路２３は光結合器として機能する。
【００６４】
結合周回路２２から結合周回路２３に移行した第１レーザ光Ｌ１は、光結合領域Ｃ２から光取り出し領域Ａに向かって時計方向に結合周回路２３を伝搬する。一方、結合周回路２２から結合周回路２３に移行した第２レーザ光Ｌ２は、光結合領域Ｃ２から光取り出し領域Ａに向かって反時計方向に結合周回路２３を伝搬する。図１６に示した結合周回路２３では、光結合領域Ｃ２から光取り出し領域Ａまでの光路長は左右の経路で同一である。
【００６５】
なお、光結合領域Ｃ１、Ｃ２以外の領域において第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の移行が生じないように、結合部２１０以外の結合周回路２１〜２３間の間隔は、光結合距離ｄCより大きくする必要があり、０％伝搬導波路間隔ｒ以上に設定されることが好ましい。更に、光導波路２０における第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光の損失を抑制するために、結合周回路２１〜２３の各曲線部の曲率半径は、導波路最小曲げ半径Ｒ以上に設定される。
【００６６】
上記のように、図１６に示した光ジャイロセンサでは、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が、隣接する結合周回路２１〜２３間を１００％移行する。このため、移行時におけるレーザ光の反射がなく、光導波路２０内での雑音の発生を抑制できる。
【００６７】
第１の実施の形態と同様に、結合周回路２３を伝搬する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の一部は、光取り出し領域Ａにおいて、結合周回路２３から検出路３０に移行する。第１レーザ光Ｌ１の一部が結合周回路２３から検出路３０に移行した第１検出レーザ光Ｌ１ａは、光取り出し領域Ａから信号検出領域Ｂに時計方向に検出路３０を伝搬する。一方、第２レーザ光Ｌ２の一部が結合周回路２３から検出路３０に移行した第２検出レーザ光Ｌ２ａは、光取り出し領域Ａから信号検出領域Ｂに反時計方向に検出路３０を伝搬する。
【００６８】
検出路３０を伝搬する第１検出レーザ光Ｌ１ａ及び第２検出レーザ光Ｌ２ａは、信号検出領域Ｂにおいて合波する。そして、第１検出レーザ光Ｌ１ａの周波数と第２検出レーザ光Ｌ２ａの周波数との間に周波数差が存在する場合には、第１検出レーザ光Ｌ１ａと第２検出レーザ光Ｌ２ａとが重ね合わさったビート信号が検出部３０２で生じる。検出部３０２に生じたビート信号は、信号検出器４０により検出される。
【００６９】
検出されたビート信号の光強度の変化を用いて、基板１の角速度を算出できる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００７０】
以上に説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る光ジャイロセンサでは、入れ子状に配置された複数の結合周回路２１〜２３を光結合させることによって、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が伝搬する光導波路２０の全周回路長を長くでき、且つ光導波路２０の周回路が囲む面積を実質的に大きくできる。そのため、基板１の面積の増大を抑制しつつ、角速度の検出精度を向上できる。
【００７１】
なお、図１６では、光導波路２０の有する結合周回路数が３である例を示したが、結合周回路が４つ以上であってもよい。つまり、互いに光結合長ＬCにわたって光結合距離ｄCの間隔で平行に配置された結合部２１０をそれぞれ有するｎ個の結合周回路２１〜２ｎで光導波路２０を構成できる（ｎ：２以上の整数）。そして、最外周に配置された結合周回路２ｎの一部と検出路３０との距離が、光取り出し長ＬAにわたって光取り出し距離ｄAになるよう光導波路２０を配置すればよい。
【００７２】
以上の説明では、光結合領域Ｃ１、Ｃ２において、結合周回路２１〜２３が互いに平行に配置された例を示した。しかし、結合周回路２１〜２３の間隔が光結合距離ｄCである長さが光結合長ＬCであれば、光結合領域Ｃ１、Ｃ２において結合周回路２１〜２３が平行でなくてもよい。
【００７３】
＜変形例＞
図１６では、結合周回路２１〜２３のうちの最内側の結合周回路２１と光増幅器１０とがリング状の光路を構成する光ジャイロセンサの例を示した。しかし、光増幅器１０を周回路の一部に含めずに、光導波路２０の外部に光源を配置した光ジャイロセンサでも、リング状に配置された複数の周回路を光結合させることにより、光導波路２０の全周回路長及び光導波路２０の周回路が囲む面積を増大させて検出精度を向上する効果は得られる。
【００７４】
例えば、図１７に示すような光拡散型光ファイバジャイロ（Ｒ−ＦＯＧ）タイプの光ジャイロセンサにおいても、周回路長を長くすることにより検出精度を向上することができる。光導波路２０の内側に配置された光源６０から出力されたレーザ光Ｌ６０が光導入器６５で５０％ずつに分岐されて、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２として光導波路２０に導入される。光源６０には、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等が採用可能である。光源６０を光導波路２０の外側に配置してもよい。
【００７５】
第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、光結合領域Ｃ１で１００％移行しながら光導波路２０を周回する。つまり、光導波路２０はセンシングコイルと同様の機能を果たす。そして、光取り出し領域Ａにおいて第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のそれぞれ一部が光導波路２０から検出路３０に移行し、第１検出レーザ光Ｌ１ａ及び第２検出レーザ光Ｌ２ａが検出路３０を伝搬する。第１検出レーザ光Ｌ１ａ及び第２検出レーザ光Ｌ２ａにより生じるビート信号が検出器７０で検出され、角速度が検出される。
【００７６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００７７】
既に述べた第１及び第２の実施の形態の説明においては、検出路３０の備える光取り出し部３０１が１箇所であったが、光取り出し部３０１を２箇所備え、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の取り出しを異なる光取り出し部３０１で行ってもよい。
【００７８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の光ジャイロセンサは、ジャイロセンサを製造する製造業を含む電子機器産業に利用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１…基板
１０…光増幅器
１１、１２…出力面
２０…光導波路
２１〜２３…結合周回路
３０…検出路
４０…信号検出器
５０…角速度検出回路
６０…光源
６５…光導入器
７０…検出器
１０１…下部電極
１０２…下部クラッド層
１０３…活性層
１０４…上部クラッド層
１０５…上部電極
２０１…コア層
２０２…クラッド層
２１０…結合部
３０１…光取り出し部
３０２…検出部
Ａ…光取り出し領域
Ｂ…信号検出領域
Ｃ１、Ｃ２…光結合領域
Ｌ１…第１レーザ光
Ｌ１ａ…第１検出レーザ光
Ｌ２…第２レーザ光
Ｌ２ａ…第２検出レーザ光
【図１】
2010164504.tif 000003
【図２】
2010164504.tif 000004
【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】
2010164504.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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