(57)【要約】【課題】結合損失の発生を防止し、実装技術や歩留りの問題を解消した光ジャイロを提供する。【解決手段】基板１とバッファ層１０上に形成された光導波路３、直線状の光導波路７、基板１上に配置された励起光源６、検出器８等を備えている。光導波路３は、閉じた形状を有している。光導波路３の一部には、光増幅材料が添加された発光領域が形成されている。励起光源６からの励起光が発光領域に照射されることにより、発光領域は導波路３内に周回光を発生させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生するための励起光源と、
光を周回させるための閉じた導波路とを備え、
前記導波路の少なくとも一部には光増幅材料が添加された発光領域が形成され、前記励起光源からの励起光が該発光領域に照射されることにより、前記導波路内に周回光を発生させることを特徴とする光ジャイロ。
【請求項２】
前記光増幅材料は、前記導波路の全領域に添加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。
【請求項３】
前記光増幅材料は、希土類金属であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の角速度を検出するためにジャイロが用いられているが、特に光ジャイロは精度が高い。光ジャイロには、半導体レーザジャイロ、光ファイバージャイロ等がある。半導体レーザジャイロは、製造工程が複雑である。そこで、製造工程を簡単にし、また消費電力を小さくするために、ハイブリッド型光ジャイロが提案されており、新しい光ジャイロとして期待されている。このハイブリッド型光ジャイロの基本構成は、例えば特許文献１に示されるように、半導体光源と光導波路を周回上に配置し、光を取り出すための光結合器、半導体光検出器等を備えた構成になっている。
【特許文献１】特開平２００８−２９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の構成では、半導体光源と光導波路の配置は、光導波路のコア中心と半導体光源のモードフィールドの中心とがほぼ一致するように結合しなければならない。また、半導体光源と光導波路との間にできる隙間による結合効率の低下を防ぐために、隙間を極力小さくしたり、特別な工夫を行うことが必要である。このように、製造上のアライメントが難しく、結合損失が大きいという問題があった。
【０００４】
また、仮に隙間をなくして、半導体光源と光導波路を接合できたとしても、半導体光源と光導波路とでは屈折率が異なるので、半導体光源と光導波路の境界では、光が反射する。この光の反射によって、結合損失が大きくなり、光の増幅度が弱くなる。さらに、実装する際には、半導体光源を光導波路にアライメントしつつ、半田による固定を行わなければならず、高度な実装技術が要求される。このため、歩留りの問題が発生し、生産性にも問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、結合損失の発生を防止し、実装技術や歩留りの問題を解消した光ジャイロを提供することを目的としている。
【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、請求項１記載の発明は、励起光を発生するための励起光源と、光を周回させるための閉じた導波路とを備え、前記導波路の少なくとも一部には光増幅材料が添加された発光領域が形成され、前記励起光源からの励起光が該発光領域に照射されることにより、前記導波路内に周回光を発生させることを特徴とする光ジャイロである。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、前記光増幅材料は、前記導波路の全領域に添加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である。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、前記光増幅材料は、希土類金属であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光ジャイロである。  
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光ジャイロでは、光導波路内を周回させる光を発生させる発光領域を、光導波路の一部に光増幅材料が添加して形成しているので、従来のように半導体光源と光導波路との複雑なアライメントの必要がない。また、発光領域は、光導波路の一部に光増幅材料が添加して形成されているので、基本的には光導波路と発光領域とは同じ構成材料である。
【００１０】
したがって、従来のように光導波路の端面での反射が、ほとんどない。したがって、発光領域（光源）と光導波路との結合損失は、ほとんど発生しない。また、製造工程中に複雑なアライメントを行う作業が発生しないので、歩留まりが解消され、生産効率を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。本発明の光ジャイロの構成例を図１に示す。図１は、光ジャイロを上から見た平面図である。
【００１２】
基板１上に形成された光導波路３、直線状の光導波路７、基板１上に配置された励起光源６、検出器８等を備えている。光導波路３は、閉じた形状を有しており、環状に形成されている。光導波路３について、より具体的には、図１のＡ−Ａ断面に相当する図５（ｈ）に示されるように、基板１上にバッファ層１０を介して下部クラッド層２が形成され、その上に光導波路３が形成される。また、光導波路３上に上部クラッド層５が形成される。光導波路７についても同様で、基板１上にバッファ層１０、下部クラッド層２、光導波路７、上部クラッド層５と積層された構造となっている。このように、光導波路３、７ともに、クラッド層により挟み込まれた構造となっている。
【００１３】
一方、光導波路（パッシブ領域）３の少なくとも一部には、図１の斜線で示されるように、発光領域が形成されている。この発光領域（アクティブ領域）は、図５（ｈ）に示されるように、光増幅材料添加層４として形成される。光増幅材料添加層４（発光領域）は、光導波路３を構成する材料に光増幅材料が添加（ドープ）された構成となっている。例えば、光増幅材料としては、日立化成工業の光増幅ポリイミド材料等が有効であると考えられる。この材料は、母材となるフッ素化ポリイミド材料にＥｒ（エルビウム）錯体を添加したものである。
【００１４】
そこで、光導波路３には、例えばフッ素化ポリイミド材料を用い、光増幅材料添加層４には、希土類金属ＥｒをＥｒ錯体にして、光導波路３のフッ素化ポリイミド材料に添加したものを用いることができる。このような材料構成により、短距離での光増幅が可能となる。発光領域に添加する希土類については、Ｅｒに限らず、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、プラセオジウム（Ｐｒ）等を用いることができる。その他にユーロピウム（Ｅｕ）等短波長で発光する添加材料がある。しかし、フッ素化ポリイミド材料による光導波路に限定した場合、導波路損失が低い長波長側が有利である。したがって、短波長で発光する添加材料を利用する場合は、アクリル、エポキシ系の光導波路材料が望ましい。また、光導波路７については、光導波路３と同様の材料で構成される。
【００１５】
上記のように、発光領域自体を光導波路と基本的に同じ構成材料とすることで、屈折率差をなくし、発光領域（アクティブ領域）と光導波路（パッシブ領域）の境界面における反射を防止することができる。このように、屈折率の違いによって生じる結合損失を低減できるとともに、リング形状作製の際も通常のフォトリソグラフィー技術でアクティブ領域とパッシブ領域の結合が容易にでき、生産性が向上する。
【００１６】
ここで、下部クラッド層２及び上部クラッド層５の屈折率Ｎ１と光導波路３の屈折率Ｎ２及び光導波路７の屈折率Ｎ３とは異なるように、かつＮ１よりもＮ２、Ｎ３の方が大きくなるように構成されている。すなわち、光路となる光導波路３、７を進む光が、光導波路とクラッド層の境界面で全反射を起こす。このようにして、光導波路を進行するレーザ光は、光導波路内に閉じ込められ、光はほぼロスなく進行する。
【００１７】
励起光源６には、必要とする波長を持つ励起光が発生させられる光源で構成する。励起光源６については、小型化を考えるには、半導体光源が良く、ファブリペロー共振型ＬＤ等を用いる。他方、ライン状の光源を作製する場合は、ＶＣＳＥＬ、ＲＣＬＥＤ、アレイ状フォトニック結晶ＬＤ等、半導体ＬＤであることが望ましい。
【００１８】
図１の構成の具体例を挙げると、光導波路３の全長が１２ｃｍ程度、発光領域（光増幅材料添加層４）の長さを２〜８ｍｍ程度に形成することができる。閉じた光導波路３の形状は、環状、特に円環状（リング状）に形成することができるが、特に限定されるものではなく、発光領域での発光が周回できる構造になっていれば良い。また、クラッド層材料と光導波路材料との比屈折率差をつけることにより、リング部の最小曲げ半径を小さくできる。そこで、比屈折率差を大きくすることで、より小型の光ジャイロを作製することが可能である。比屈折率差は、０．４〜０．６程度とすることができる。このときのクラッド層材料には、フッ素化ポリイミド材料を用いることができる。  
【００１９】
光導波路３にポリイミド材料を、光増幅材料添加層４に添加する材料は、Ｅｒ（エルビウム）を用いた。この場合、光導波路３がリング形状でレーザ発振する必要がある。したがって、Ｅｒ量はリング形状トータルでの損失（伝播損失、吸収損失、方向性結合器による損失）よりも、光増幅材料添加層４のゲインが上回る程度になることが必要である。ポリイミド材料の光導波路の伝播損失が、良くても０．０７ｄＢ／ｃｍなので，０．０７×１２ｃｍ＝０．８４ｄＢ以上のゲインが光増幅材料添加層４で得られることが必要となる。
【００２０】
しかし、接続損や方向性結合器での損失、発光領域自体の損失があるので実際には光増幅材料添加層４では、１０ｄＢ以上のゲインがあることが望ましい。そこで、１０ｄＢ以上のゲインが得られるようにＥｒ量を調整する。環状の光導波路３を作製するための基板１としては、Ｓｉ基板やポリイミド基板等を用いることができる。Ｓｉ基板ならばその後の実装で自由度が高く、ポリイミド基板ならば導波路自体の伝播損失が低減できる可能性があるため、より高精度な光ジャイロを作製可能である。また、基板１上に積層されるバッファ層１０には、ＳｉＯ２等を用いることができ、その膜厚は１μｍ程度に形成される。
【００２１】
図２の光ジャイロは、図１とは少し異なる構成例を示す。図１と同じ符号は同じ構成を示す。図１と異なるのは、光導波路３と光結合する光導波路７１が直線状ではなく、リング状に形成されていることである。このように、検出器８により光を検出するために用いられる光導波路については、特に形状が限定されるわけではないが、図１のように直線状の光導波路７とした方が光ジャイロを小型化できるので望ましい。
【００２２】
また、図１では、光増幅材料添加層４を光導波路３の一部に形成して、発光領域としたが、光導波路３の全周に渡って光増幅材料添加層４とし、光導波路３の全ての領域を発光領域とするようにしても良い。この場合、後述する製造工程の図４（ｂ）〜図４（ｄ）及び図５（ｅ）の工程を省略することができ、より生産性を向上させることができる。
【００２３】
このように構成した光ジャイロの動作について説明する。まず、発光原理は、通信分野で既に使用されているＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバアンプリファイアー）と呼ばれる幹線系光信号増幅器で使用されているものと同じである。これは、図３に示されるように、Ｅｒを添加したエルビウムドープファイバに９８０ｎｍの励起光を照射し、１．５５μｍ帯に反転分布をファイバ中に形成させ、そこにファイバ中を伝搬し、弱ってきた信号光を増幅させるものである。
【００２４】
このＥＤＦ部分を光導波路で作製したものがＥＤＷ（エルビウムドープドウェーブガイド）であり、本発明の光ジャイロの発光領域の一例に相当する。まず、励起光源６から放射された励起光（例えば９８０ｎｍ）が、光導波路３の発光領域に到達すると、光増幅材料添加層４の作用により、励起光と増幅材料に基づいてＡＳＥ光（Amplified Spontaneous Emission 光：上記例では１．５５μｍ）が発生し、導波路３内を周回して伝搬するとともに、光増幅材料添加層４により、レーザが発振する。
【００２５】
発光領域からのレーザ光には、光導波路３内を時計回りに周回する第１のレーザ光と、導波路３内を反時計回りに周回する第２のレーザ光とが存在する。光導波路３は直線状の光導波路７とほぼ平行になっている領域において、光導波路７と結合し、この結合部で、光導波路７側に第１のレーザ光及び第２のレーザ光が取り出される。
【００２６】
取り出されるレーザ光量は、結合部における光導波路３と光導波路７との間の距離等によって変化する。結合部で取り出された第１のレーザ光及び第２のレーザ光は、光導波路７の端面から出射され、検出器８で検知される。第１のレーザ光と第２のレーザ光の周波数が異なる場合には、検出器８でビート信号が検出される。
【００２７】
図１、２の光ジャイロの発光領域を含んだ部分の製造方法を図４、５を用いて説明する。図４は前半の製造工程を、図５は後半の製造工程を示し、特に、図１のＡ−Ａ断面の発光領域を含む一部を拡大して示したものである。
【００２８】
まず、図４（ａ）に示すように、単結晶シリコンの基板１上に、図１の上部クラッド層４の領域に相当する四角形状に、バッファ層１０、下部クラッド層２、光導波路層３Ａを順に形成する。次にマスクパターン１１を形成する。
【００２９】
マスクパターン１１は、一般的なフォトリソグラフィーで形成できる。マスクパターン１１は、図４（ｂ）のように、最終的に光増幅材料添加層４が光導波路３の一部を構成するように、光増幅材料添加層４が形成される部分を除いて全面に被覆される。マスクパターン１１を形成した後、ＲＩＥ等のドライエッチング、またはウエットエッチングによって、図４（ｃ）のように光導波路３の一部を除去する。
【００３０】
次に、図４（ｄ）に示すように、マスクパターン１１上から全面に光増幅材料添加材を塗布して焼成し、光増幅材料添加層４を形成する。次に、エッチバックにより、図５（ｅ）のように、光導波路層３Ａと同じ高さ部分までの光増幅材料添加層４を残し、他の領域を除去する。四角形状に形成されていたマスクパターン１１を除去し、図５（ｆ）に示すように、光導波路３の形状に沿ったマスクパターン１２を形成する。ＣＦ４又はＯ２等によるポリマーエッチングにより、マスクパターン１２で覆われている光導波路層３Ａを残し、他の光導波路層を除去して、図５（ｇ）のように環状の光導波路３を得る。
【００３１】
次に、マスクパターン１２を除去して、光導波路３の上部を覆い、下部クラッド層２の全面を覆うように上部クラッド層４を形成する。なお、下部クラッド層２、光導波路層３Ａ、上部クラッド層４は、例えば、スピンコートと焼成により形成できる。
【００３２】
次に、図１の平面図に示すように、フォトダイオード等から構成される検出器８、半導体発光素子等からなる励起光源６を配置する。検出器８は、その受光領域が光導波路７と光学的に結合するように取り付けられる。このようにして、図１に示す光ジャイロが完成する。
【００３３】
なお、光導波路３の全周を光増幅材料添加層４（発光領域）にする場合、基板１、バッファ層１０、下部クラッド層２、光導波路層３Ａを積層した後に、すぐに光導波路３の形状の作製（図５（ｆ））から始めれば良いので、製造工程の図４（ｂ）〜図４（ｄ）及び図５（ｅ）の工程を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の光ジャイロの構成例を示す平面図である。
【図２】光ジャイロの他の構成例を示す平面図である。
【図３】エルビウム添加材料の発光原理を示す図である。
【図４】本発明の光ジャイロの前半の製造工程を示す図である。
【図５】本発明の光ジャイロの後半の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      基板
２      下部クラッド層
３      光導波路
４      光増幅材料添加層
５      上部クラッド層
６      励起光源
７      光導波路
８      検出器
１０    バッファ層
【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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