(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバジャイロの位相変調器として用いる安定化された集積光回路を提供する。【解決手段】安定化された集積光回路は、少なくとも１つの無機材料から形成された少なくとも１つの集積光チップと、安定化分極性充填ガスと、少なくとも１つの集積光チップと安定化分極性充填ガスを収容する筐体とを含む。少なくとも１つの集積光チップの少なくとも１つの表面は、少なくとも１つの表面上の欠陥を安定化させるように選択された少なくとも１つの処理ガスを用いた処理によって改質されている。安定化分極性充填ガスは、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含む。【選択図】図１
2016176929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの無機材料から形成された少なくとも１つの集積光チップ（１００）であって、前記少なくとも１つの集積光チップの少なくとも１つの表面（２２４）は、前記少なくとも１つの表面上の欠陥を安定化させるように選択された少なくとも１つの処理ガスを用いた処理によって改質されている、集積光チップと、
Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含んだ安定化分極性充填ガス（２２１）と、
前記少なくとも１つの集積光チップと前記安定化分極性充填ガスを収容する筐体（１２５）と、
を備える安定化された集積光回路（１１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの処理ガスは、反応性酸化ガスを含み、前記少なくとも１つの分極性材料は、冷媒を含む、請求項１に記載の安定化された集積光回路（１１０）。
【請求項３】
少なくとも１つの位相変調器（３１０）に結合される光信号を発生させる光源（７０１）と、
ニオブ酸リチウム系材料から形成された少なくとも１つの位相変調器（３１０）であって、前記少なくとも１つの位相変調器の少なくとも１つの表面（２２４）は、前記少なくとも１つの表面上の欠陥を安定化させるように選択された少なくとも１つの処理ガスを用いた処理によって改質されている、位相変調器と、
前記少なくとも１つの位相変調器と安定化分極性充填ガス（２２１）を収容する筐体（１２５）であって、前記安定化分極性充填ガスは、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含み、前記安定化分極性充填ガスは、前記位相変調器の少なくとも１つの改質された表面（２２５）と接触し、前記安定化分極性充填ガス中における前記少なくとも１つの分極性材料の存在は、前記少なくとも１つの位相変調器に電界が印加された時に、前記位相変調器の前記少なくとも１つの改質された表面上における電荷の拡散の影響を低減させる、筐体と、
前記少なくとも１つの位相変調器から信号を受け取り前記少なくとも１つの位相変調器へ信号を出力する結合コンポーネントと共に構成された検知コイル（１２０）と、
を備えるジャイロスコープシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  現在利用可能な高性能の光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は、通常、ニオブ酸リチウム変調器を採用している。ニオブ酸リチウム（ＬＮ）は、ジャイロスコープの閉ループ動作を許容し、広範なダイナミックレンジにわたる百万分率（ｐｐｍ）のオーダーでのスケールファクタ非線形性を可能にする光位相波形の高帯域幅変調にとって、最適な材料である。ニオブ酸リチウム変調器は、環境、特に真空又は他のガスへの曝露に対する感受性を生じさせる、結晶欠陥に悩まされることが知られている。この理由のため、いくつかのＦＯＧの設計は、それがなければ真空又は他のガスへの曝露によって不安定化されるであろうＬＮ欠陥を安定化させるために、酸素系充填ガスを用いた気密封止を採用している。
【０００２】
[0002]  真空中では、ニオブ酸リチウム材料内の非配位サイトは満たされておらず、そのため、バンドギャップが、Ｏ２中のニオブ酸リチウム材料のバンドギャップより下の低いレベルに低下することになる。ＬＮ位相変調器が低いバンドギャップを有している場合には、変調器は電気的なリークを有する。
【０００３】
[0003]  現在利用可能なニオブ酸リチウム位相変調器の別の問題は、ニオブ酸リチウム位相変調器の近くの他のコンポーネントがガス放出する場合に生じ得る。いくつかの放出ガス種は、ＬＮのバンドギャップをより一層低下させ得る。
【０００４】
[0004]  光ジャイロスコープにおいて用いられるプロトン交換ニオブ酸リチウム（ＨＮ）光デバイスもまた、バイアス電圧がＨＮ系光デバイスに印加された場合に性能劣化に悩まされる。バイアス電圧は電荷キャリアの移動を生じさせるからである。
【発明の概要】
【０００５】
[0005]  本出願は、安定化された集積光回路に関する。安定化された集積光回路は、少なくとも１つの無機材料から形成された少なくとも１つの集積光チップと、安定化分極性充填ガスと、少なくとも１つの集積光チップと安定化分極性充填ガスを収容する筐体とを含む。少なくとも１つの集積光チップの少なくとも１つの表面は、少なくとも１つの表面上の欠陥を安定化させるように選択された少なくとも１つの処理ガスを用いた処理によって改質されている。安定化分極性充填ガスは、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
[0006]  図面は例示的な実施態様のみを表し、したがって適用範囲において限定的であるものと見做されてはならないということを理解して、例示的な実施態様が、添付図面の使用を通じてより一層の具体性と詳細さをもって説明される。
【０００７】
【図１】[0007]  図１は、本出願に従って処理ガスで処理された無機材料から形成され安定化分極性充填ガスで満たされた筐体内に配置された、安定化された集積光回路の一実施態様の断面上面図を示す。
【図２】[0008]  図２は、図１の安定化集積光回路の実施態様の断面側面図を示す。
【図３】[0009]  図３は、本出願に従って処理ガスで処理された無機材料から形成され安定化分極性充填ガスで満たされた筐体内に配置された集積光回路を含むジャイロスコープシステムの一実施態様を示す。
【図４】[0010]  図４は、本出願による集積光回路を安定化させる方法の一実施態様のフロー図である。
【図５】[0011]  図５は、本出願に従って安定化分極性充填ガスで満たされた筐体内に配置された２つの安定化された集積光回路の一実施態様の断面上面図を示す。
【０００８】
[0012]  一般的な慣例に従って、説明される様々な特徴は一定の縮尺で描かれず、例示的な実施態様に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0013]  以下の詳細な説明では、その一部をなす添付図面への参照がなされ、添付図面には、具体的な例示の実施態様が実例として示されている。しかしながら、他の実施態様が利用され得ること、並びに、論理的、機械的、及び電気的な変更がなされ得ることが、理解されなければならない。その上、図面及び明細書に提示された方法は、個々のステップが実施される順序を限定するものと解釈されてはならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に捉えられてはならない。
【００１０】
[0014]  「無機材料」は、限定ではないが、「酸化ニオブ系の電気光学無機材料」又は「ニオブ酸リチウム系材料」を含む。用語「ジャイロスコープ」及び「ジャイロ」は、本明細書において交換可能に用いられる。
【００１１】
[0015]  高性能光ファイバジャイロスコープは、ニオブ酸リチウム系材料などの無機材料からなる基板内に形成された変調器を含むことができる。（本明細書においてＬＮとも称される）ニオブ酸リチウムは、室温において電気的に高絶縁性の誘電体材料である。良好なジャイロスコープ性能は、温度変化にわたっての、及び印加電界の下での、無機材料の絶縁特性の安定性に依拠している。ジャイロの性能は、角度ノイズとスケールファクタの非線形性とによって測られる。高性能なジャイロは、興味の対象である或る帯域にわたって１０ａｒｃｓｅｃより小さい角度ノイズと、或る回転ダイナミックレンジにわたって１００ｐｐｍより小さいスケールファクタの非線形性とを有する。
【００１２】
[0016]  当業者に知られているように、結晶性無機材料（例えばＬＮ又はＨＮ）における電気的なリークは、表面欠陥状態に関する電子的バンドギャップの幅に関連する。材料の価電子帯と伝導帯とのエネルギーギャップが動作温度における熱エネルギーに比べて大きい時、固体の伝導度は低い。大きなエネルギーギャップ（バンドギャップ）はより低い伝導度を確保する一方、電子的バンドギャップの幅が小さくなるにつれて電気的なリークは増大する。ジャイロスコープ内の位相変調器における電気的なリークは、ジャイロスコープの角度ノイズとスケールファクタ非線形性とを増加させる。温度変化とバイアス変化に晒されると、先行技術の集積光回路におけるニオブ酸リチウム系導波路は、より伝導的となって、電気的なリークを可能にする。具体的に、ジャイロスコープにおける先行技術の集積光回路がバイアスされると、チップの表面が負に帯電されるようになり、伝導が（あるいは電荷の注入さえもが）生じるだろう。この場合、先行技術の集積光回路のバンドギャップは低下し、ジャイロスコープの性能は同様に低下する。
【００１３】
[0017]  先行技術の集積光回路（ＩＯＣ）に電荷を注入するために電極が用いられる場合、電極の近くで電荷の蓄積が起こり、当該エリアはより負になる一方、電荷の蓄積から最も離れたエリアはより正になる。先行技術のＩＯＣの処理されていない表面における不均一な電荷分布の影響は、相殺するのに時間がかかる。ＩＯＣ材料の処理されていない表面にわたる電荷分布が電界によって引き起こされる場合、電子の再分布はチップの伝導度に依存し、それは電荷が移動するにつれて変化する。プロトンの移動に起因する低速な電荷の再分布も、ＩＯＣに影響を及ぼす。ＩＯＣの絶縁体特性の喪失の程度は、チップの処理されていない表面のうちのどれだけが帯電したかに依存する。その回復は、プロトンがどのくらい遠くまで移動して元の状態に戻ることができるかに依存する。もし元の場所に戻らない電荷に起因して、残留電荷の分極が層にわたって存在するなら、先行技術のＩＯＣにおけるニオブ酸リチウム系材料の絶縁特性は恒久的に劣化する（即ち、恒久的に減少する）。
【００１４】
[0018]  本明細書において説明される安定化集積光回路は、集積光チップを含み、集積光チップは、欠陥を安定化させる処理によって（例えば処理ガスによって）改質された少なくとも１つの表面を持つ無機材料に形成され、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料（分極性ガス）を含む安定化分極性充填ガスで封入される。安定化分極性充填ガスは、回路が電界によってバイアスされ、及び／又は極端な温度変化を受けた場合であっても、改質された表面の表面欠陥状態を除去、防止、又は最小化するように最適に適合される。本明細書において説明される安定化集積光回路の実施態様は、電界によってバイアスされ、及び／又は極端な温度変化を受ける、無機材料に形成された現在利用可能なＩＯＣ（例えばＬＮ系位相変調器）の欠点を克服する。
【００１５】
[0019]  図１は、安定化集積光回路（ＩＯＣ）１１０の一実施態様の断面上面図を示す。安定化ＩＯＣ１１０は、本出願に従って、処理ガスで処理された無機材料から形成されて安定化分極性充填ガス２２１で満たされた筐体１２５に配置された、少なくとも１つの集積光チップ１００を含む。図２は、図１の安定化集積光回路１１０の実施態様の断面側面図を示す。図１の断面図がとられている平面は、図２において切断線１−１によって示されている。図２の断面図がとられている平面は、図１において切断線２−２によって示されている。安定化ＩＯＣ１１０における電子的バンドギャップは、電界によってバイアスされた場合、及び／又は極端な温度変化を受けた場合であっても、先行技術のＩＯＣと同じ程度には経時的に減少しない。したがって、安定化集積光回路１１０を実装した光学システムの性能は、ＩＯＣ１１０の電気的なリークが先行技術のＩＯＣと同じ程度には経時的に増大しないため、経時的に顕著には劣化しない。
【００１６】
[0020]  ＩＯＣ１１０は、（本明細書において「チップ１００」とも称される）例示的な集積光チップ１００、アノード１５１及び１５３、並びにカソード１５２及び１５４を含む。チップ１００は、少なくとも１つの導波路１１１がその内部に形成されており、「酸化ニオブ系の電気光学無機材料」又は「ニオブ酸リチウム系材料」などの少なくとも１つの無機材料を含む。
【００１７】
[0021]  チップ１００の少なくとも１つの表面２２４は、チップ１００と共に充填ガス２２１を使用するのに先立って、表面２２４を改質する少なくとも１つの処理ガスで処理されている。「少なくとも１つの処理ガス」は、本明細書において「処理ガス」とも称される。処理ガスは、表面２２４上の欠陥を安定化させるように選択される。処理ガスによって改質された表面２２４は、全体として２２５において表されており、本明細書において「改質表面２２５」とも称される。「処理ガス（treatment gas）」という用語は、本明細書において「処理ガス（treating gas）」とも称される。導波路１１１の表面２２４が処理ガスによって改質されているので、改質表面２２５は導波路１１１を覆っている。処理ガスは、ＩＯＣ１１０を筐体１２５に封止するのに先立ってＩＯＣ１１０に適用され、したがって図１及び２では見ることができない。
【００１８】
[0022]  ＩＯＣ１１０が確実に且つ効果的に動作するために、改質表面２２５は、時間経過や温度変化にわたって、及び様々な荷電状態に対して、安定なままでなければならない。外部電界、電離放射線、圧電及び／又は焦電効果は、改質表面２２５上に様々な荷電状態を誘起する可能性がある。改質表面２２５上の荷電状態は、改質表面２２５上における処理ガスの結合を変化させる（例えば歪ませる）可能性がある。結合の歪みは、その結果生じるバンドギャップの減少によって状態密度（特に、価電子帯の上部近く、又は価電子帯より上の欠陥状態にあるもの）をシフトさせる。
【００１９】
[0023]  この文書において説明される安定化分極性充填ガス２２１の実施態様は、処理された表面２２５上の処理ガスの効果が時間経過、温度変化、及び荷電状態にわたって安定に維持される不活性な環境を、処理された表面２２５に提供する。処理ガスの作用が時間経過や温度変化にわたって、及び／又は様々な荷電状態に晒された場合に弱まらないことを保証するために、安定化分極性充填ガス２２１は、分子体積が大きく、分子量が大きく、低い双極子モーメントを有し、低い拡散率を有し、分極性である。
【００２０】
[0024]  大きい分子体積、大きい分子量、及び低い双極子モーメントの充填ガス特性は、安定化分極性充填ガス２２１が、静的な非帯電状態（uncharged state）において改質表面２２５上に結合された処理ガス（又は複数の処理ガス）と非反応的且つ非キレート的であることを保証する。低い拡散率は、安定化分極性充填ガス２２１がジャイロ内の他のコンポーネントに浸透し、あるいは筐体１２５から漏出することを防止するのに資するため、望ましい。
【００２１】
[0025]  分極性の充填ガス特性は、安定化分極性充填ガス２２１が改質表面２２５上の荷電状態によって誘起される歪みを最小化又は防止することを保証する。ガスの分極率は、分子の電子雲が外部電荷に応答して歪む程度である。電子雲の歪みは、誘起双極子を表し、外部電界、電離放射線、圧電効果、及び／又は焦電効果に晒された改質表面２２５上に誘起された電荷を効果的に補償する。安定化分極性充填ガス２２１は、帯電状態（charged state）を改質表面結合サイトから安定化分極性充填ガス２２１との非結合的な相互作用へと拡散させる（spread）（即ち、変化させる、オフセットさせる）ことによって、チップ１００のバンドギャップの減少を防止又は最小化する。このようにして、安定化分極性充填ガス２２１は、ＩＯＣ１１０に電界が印加された時に、改質表面２２５において電荷の少なくともいくつかを補償し、ＩＯＣ１１０の改質表面２２５上における電荷の拡散の効果を低減する。不活性ながらも分極性である安定化分極性充填ガス２２１は、改質表面２２５には最適な充填ガスである。それは、非帯電条件下において処理ガスの作用を妨げることがなく、帯電条件下においては改質表面の条件を改善するのに役立つ。
【００２２】
[0026]  分極性であるいくつかの例示的なガスは、パーフルオロ化炭化水素、クロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、パーフルオロカーボン、クロロメタン、及びジクロロメタンを含む。
【００２３】
[0027]  表１は、それぞれの計算された双極子モーメント（デバイ）、分極率、及び、Ｎ２Ｏとそれぞれの分極性ガスとからなる安定化分極性充填ガスの中で負電荷の下にある処理表面に対して計算されたバンドギャップ（ＢＧ）と共に、３つの分極性ガスを示す。全てのケースにおいて、バンドギャップは分極性ガスなしよりも高い。分極性ガスなしのＮ２Ｏからなる充填ガスの中で負電荷の下にある同じ表面は、０．３６ｅＶのバンドギャップを有する。分極性ガスなしのＯ２からなる充填ガスの中で負電荷の下にある同じ表面は、１．５４ｅＶのバンドギャップを有する。Ｏ２は充填ガスとして好ましいバンドギャップを提供するが、強い酸化剤であるので筐体の中では多くの場合望ましくない。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
[0028]  導波路１１１は、当該技術分野において知られているように、光信号の伝搬を支援するように設計され、製造されている。図１に示された例示的な集積光チップ１００では、導波路１１１はＹ分岐の形状を有し、導波路入出力面１１２、１１３−１、及び１１３−２を含んでいる。したがって、導波路１１１は、メイン導波路１１１−３から分岐する第１導波路アーム１１１−１と第２導波路アーム１１１−２を備えたＹ分岐ビームスプリッタ１３０として機能する。
【００２６】
[0029]  Ｙ分岐ビームスプリッタ１３０は、第１入力面１１２において入力された光信号を２つの光信号に分配し、それらは第１導波路アーム１１１−１の入出力面１１３−１と第２導波路アーム１１１−２の入出力面１１３−２から出力される。Ｙ分岐ビームスプリッタ１３０は双方向性であるので、入力面１１３−１において入力され第１導波路アーム１１１−１を伝搬する第１光信号は、入力面１１３−２において入力され第２導波路アーム１１１−２を伝搬する第２光信号と混合される。
【００２７】
[0030]  第１アノード１５１及び第１カソード１５２が、導波路アーム１１１−１に隣接している。第２アノード１５３及び第２カソード１５２が、第２導波路アーム１１１−２に隣接している。図１及び２に示されたＩＯＣ１１０の実施態様において、第１アノード１５１及び第１カソード１５２は、第１導波路アーム１１１−１を伝搬する第１光信号の位相を制御し、その一方、第２アノード１５３及び第２カソード１５４は、第２導波路アーム１１１−２を伝搬する第２光信号の位相を制御する。電荷をＩＯＣ１１０の中に注入するのに用いられる１又は複数の電極（例えばアノード１５１及び／又は１５３）は、電圧バイアス印加の間、チップ１００のニオブ酸リチウム系材料に荷電状態を引き起こす。しかしながら、先行技術のＩＯＣを参照して上述された、電極近傍での電荷の蓄積についての問題は、１）改質表面２２５を作り出す処理と、２）安定化分極性充填ガス２２１との組み合わせによって緩和される。安定化分極性充填ガス２２１に含まれるＮ２Ｏは、改質表面２２５上の処理ガスの効果を安定化させ、安定化分極性充填ガス２２１の分極性材料は、改質表面２２５上におけるＮ２Ｏの拡散速度を低下させる。このようにして、安定化分極性充填ガス２２１は、ＩＯＣ１１０に電界が印加された時に、ＩＯＣ１１０の改質表面２２５上における電荷の拡散の効果を低減させる。
【００２８】
[0031]  ＩＯＣ１１０上において他の光学的機能を提供するために、他の形状及び／又は他の光学的機能を有する導波路が、所望の電極と共に集積光チップ１００上に形成されることが可能である、ということが理解されなければならない。
【００２９】
[0032]  この実施態様の一実装例では、ＩＯＣ１１０はプロトン交換されたニオブ酸リチウム材料に形成された位相変調器である。本明細書において定義されるように、プロトン交換されたニオブ酸リチウム材料は、ニオブ酸リチウム系材料（ＬＮ系材料）である。この実施態様の別の実装例では、ＩＯＣ１１０のＬＮに含まれるリチウムは、部分的に水素と交換される。これは、ニオブ酸リチウムの内部にニオブ酸水素の混合物を作り出す。この実施態様の更に別の実装例では、部分的にプロトン交換されたニオブ酸リチウムは、導波路１１１が集積光チップ１００に形成された材料である。部分的にプロトン交換されたニオブ酸リチウムは、一般に、アニールされたプロトン交換ニオブ酸リチウム（又はＡＰＥニオブ酸リチウム）と称される。この実施態様の更に別の実装例では、完全に水素交換されたニオブ酸リチウムは、ＩＯＣ１１０において用いられるベースの無機材料である。完全に水素交換されたニオブ酸リチウムは、本明細書においてニオブ酸水素（又はＨＮ）と称される。
【００３０】
[0033]  図２に示された実施態様において、処理ガスは、アノード１５１及び１５３、並びにカソード１５２及び１５４をチップ１００上に形成するのに先立って、チップ１００に適用される。この実施態様の一実装例では、処理ガスは、アノード１５１及び１５３、並びにカソード１５２及び１５４をチップ１００上に形成した後に、チップ１００に適用される。
【００３１】
[0034]  図１及び２に示されるように、ＩＯＣ１１０は安定化分極性充填ガス２２１と共に筐体１２５の中に封入され、安定化分極性充填ガス２２１は、Ｎ２Ｏなどの処理ガスと少なくとも１つの分極性材料（分極性ガス）を含む。安定化分極性充填ガス２２１は筐体１２５を満たし、改質表面２２５と接触している。筐体は、当業者に知られた様々な手法を用いて封止される。安定化分極性充填ガス２２１は、以下に説明されるように、少なくとも１つの処理ガスによって処理された改質表面２２５を安定化させる。
【００３２】
[0035]  ＩＯＣ１１０は、筐体１２５内において構造物２５４上に支持される。構造物２５４は、ＩＯＣ１１０を筐体１２５内で安定に保持するための任意の種類の支持構造物であってよい。この実施態様の一実装例では、チップ１００は、限定されたガス放出をするよう設計された接着剤で構造物２５４に取り付けられる。この実施態様の別の実装例では、チップ１００は、半田で構造物２５４に取り付けられる。この実施態様の更に別の実装例では、筐体１２５がＩＯＣ１１０を支持する。
【００３３】
[0036]  この実施態様の一実装例では、封止された筐体１２５は、筐体１２５の封止の有効性を低下させることなく光ファイバが筐体１２５の１又は複数の壁面から突出するのを許容するように構成される。この場合、光ファイバは、ＩＯＣ１１０に含まれる導波路１１１の導波路入出力面１１２、１１３−１、及び１１３−２の中へ、及び導波路入出力面１１２、１１３−１、及び１１３−２から光信号を結合するように構成される。
【００３４】
[0037]  この実施態様の別の実装例では、窓を通じて光ビームが筐体１２５から入出力されることが可能なように、筐体１２５に窓が組み込まれる。この場合、ＩＯＣ１１０は、窓とＩＯＣ１１０に含まれる導波路１１１の導波路入出力面１１２、１１３−１、及び１１３−２との望まれない光学的干渉を防止するように構成される。
【００３５】
[0038]  この実施態様の更に別の実装例では、封止された筐体１２５は、筐体１２５の封止の有効性を低下させることなく、アノード１５１及び１５３並びにカソード１５３及び１５４をバイアスするためのワイヤ又はリード線が筐体１２５から突出するのを許容するように構成される。
【００３６】
[0039]  この実施態様の更に別の実装例では、ＩＯＣ１１０上に改質表面２２５を形成するために、処理ガスは、ＩＯＣ１１０を筐体１２５内に配置した後に表面２２４に適用される。この場合、処理が完了すると処理ガスは筐体から取り除かれ、安定化分極性充填ガス２２１が筐体１２５の中に注入され、安定化分極性充填ガス２２１がＩＯＣ１１０と接触した状態で筐体が封止される。
【００３７】
[0040]  この実施態様の一実装例では、安定化分極性充填ガス２２１中の分極性材料は冷媒である。冷媒は、一般的に、大きな高電子密度中心を含み、そのため固体材料中への低い拡散率を有し、非反応性且つ非キレート性のガスである。好都合なことに、冷媒の大きな分子構造は、封止された筐体１２５からの安定化分極性充填ガス２２１のリークを防止するのに役立つ。
【００３８】
[0041]  フッ素系（F-based）の冷媒では、フルオロカーボンが非反応性で安定である。フッ素は非常に電気陰性度が高いので、ＣＦｘ基におけるフッ素の孤立電子対は、配位のために電子を供与する傾向に欠ける。孤立電子対は、原子中心にある非反応的な電子対である。非反応性であるが、孤立電子対を持つ冷媒分子は、ＩＯＣの改質表面２２５を覆ってより一層高密度な非反応性の被覆層を形成し分極させることによって、電界の存在下において、表面を安定化させるのに十分高い分極率を有する。
【００３９】
[0042]  この実施態様の一実装例では、ＩＯＣ１１０は、Ｎ２Ｏと、パーフルオロ化炭化水素、クロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、パーフルオロカーボン、クロロメタン、及びジクロロメタンのうちの少なくとも１つと共に、筐体１２５の中に封入される。この実施態様の別の実装例では、ＩＯＣ１１０は、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、及び冷媒と共に筐体１２５の中に封入される。
【００４０】
[0043]  この実施態様の一実装例では、チップ１００を前処理するのに用いられる少なくとも１つの処理ガスはＮ２Ｏを含む。この実施態様の別の実装例では、少なくとも１つの処理ガスは、少なくとも第１処理ガスと第２処理ガスを含み、それらは両方とも、チップ１００を安定化分極性充填ガス２２１に晒す前に表面２２４を処理するのに用いられる。この実施態様の更に別の実装例では、チップ１００の表面２２４は、組み合わせた混合物としての第１処理ガスと第２処理ガスに晒される。この実施態様の更に別の実装例では、チップ１００の表面２２４は、初めに第１処理ガス（例えばＮ２Ｏ）に晒され、そして次に、第２処理ガス（例えば不活性ガス）に晒される。
【００４１】
[0044]  この実施態様の更に別の実装例では、第１処理ガスは反応性酸化ガスを含み、第２処理ガスはＮ２Ｏを含む。この実施態様の更に別の実装例では、第１処理ガスはＮ２Ｏであり、第２処理ガスはＮ２である。この実施態様の更に別の実装例では、第１処理ガスは反応性酸化ガスを含み、第２処理ガスは非反応性ガスを含む。例えば、ニオブ酸リチウム系材料を前処理するのに用いられる第１処理ガスは、反応性ガスの以下のリスト：Ｏ３、Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯ、ＳＦ６、及びＮＦ３から選択されることが可能であり、ニオブ酸リチウム系材料が晒される第２処理ガスは、Ｎ２Ｏと不活性又は非反応性ガスとの混合物である。
【００４２】
[0045]  第２処理ガスとしての使用に適した他の非反応性ガスの例は、Ｎ２、ＣＯ２、希ガス、ＣＯ、Ｏ２、及び飽和炭化水素である。真の非反応性ガスであるガスは、希ガスと飽和炭化水素である。Ｎｂ上に配位するが結合を切断しない配位ガスは、Ｎ２、ＣＯ２、ＣＯ、及びＯ２である。Ｎ２Ｏガスは、条件に応じて反応性ガス又は配位ガスのいずれかである。
【００４３】
[0046]  最も高い配位の飽和を得るプロセスは、代替的なガス又は処理によって達成されることができる。例えば、Ｎ２Ｏが、表面を酸化させ、あるいは中性の（Ｎ２Ｏ）配位子を配位させてニオブの配位飽和を実現するために、用いられることができる。
【００４４】
[0047]  Ｎ２Ｏは高温で反応性酸化剤のＯ種を形成することが知られているので、Ｎ２Ｏの反応性の増大は、温度の増加などの様々な方法によって達成されることができる。他の活性化方法を用いなければ、２００−３００℃の範囲の温度が必要となるかもしれない。しかしながら、Ｏ２若しくは空気をガス混合物に添加することによって、及び／又は、アルカリ金属塩の溶液塗布、浸漬、若しくは洗浄手順によって適用され得る表面に含浸したアルカリ活性剤を使用することによって、酸化温度を１００−２００℃程度まで低下させるために、他の活性化方法が用いられることが可能である。アルカリ活性剤は、水の存在下においてＮ２Ｏに対する表面の反応性を維持することにも役立つ。これに関連して、代替的なプロセスは、水分を含まないＩＯＣ表面及び／又はアルカリ金属塩による前処理と、１００℃以上の高温のＯ２又はＯ２混合物（混合物中の他のガスの例として空気、Ｎ２、又はＣＯ２）中で使用されたＮ２Ｏとの組み合わせを用いる。
【００４５】
[0048]  ウェット又はドライエッチングのプロセスは潜在的にＩＯＣ１１０に対する前処理を提供するので、ＩＯＣ１１０のために選ばれた処理は、ＩＯＣ１１０を形成するのに用いられる製造プロセスを考慮してなされるべきである。
【００４６】
[0049]  第１導波路アーム１１１−１と第２導波路アーム１１１−２を伝搬する光信号の位相は、電極１５１−１５４によって制御される。第１電界１６１が、第１アノード１５１から第１カソード１５２へ向いている。第２電界１６２が、第２アノード１５３から第２カソード１５４へ向いている。先行技術のＩＯＣ上にある電極の任意の１つの近傍における電荷の蓄積は、長期間（即ち、分又はそれ以上）の電圧バイアス印加の間にニオブ酸リチウム系材料の伝導状態を変化させることによって、先行技術のＩＯＣの性能を劣化させる可能性を有する。
【００４７】
[0050]  本出願において説明されるＩＯＣ１１０の実施態様は、不活性が高く相互作用しないガスを有した安定化分極性充填ガス２２１が、様々な荷電状態にわたってＬＮ又はＨＮのバンドギャップに対する影響を安定化させ、ＬＮ又はＨＮ材料のバンドギャップを安定化させるため、長期間（即ち、分又はそれ以上）の電圧バイアスの間における伝導状態の変化を最小化する。ＩＯＣ１１０に電界が印加されている時、改質表面２２５におけるＮ２Ｏの拡散速度は、安定化分極性充填ガス２２１のＮ２Ｏと不活性が高く相互作用しない分極性材料との相互作用のため、（先行技術のＩＯＣの表面に対して）比較的安定である。
【００４８】
[0051]  図３は、本出願に従って処理ガスで処理された無機材料から形成され安定化分極性充填ガス２２１で満たされた筐体１２５内に配置された集積光回路１１０を含むジャイロスコープシステム１０の一実施態様を示す。図３に示されたジャイロスコープシステム１０は高性能な干渉光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）システム１０であり、ＩＯＣ１１０は位相変調器３１０を含む。ＩＦＯＧシステム１０の位相変調器３１０は、構造及び機能において、図１及び２を参照して上述されたＩＯＣ１１０と同様である。位相変調器３１０は、図１及び２を参照して上述されたＩＯＣ１１０の実施態様の任意の１つとして形成されることが可能である。ＬＮとＨＮの両方とも、ジャイロスコープに位相変調器３１０を形成するのに用いられる際、同じ性能の懸念を有する。位相変調器３１０は、上述された現在利用可能な位相変調器の問題を克服する。
【００４９】
[0052]  ＩＦＯＧシステム１０は、広帯域光源７０１を含む。広帯域光源７０１は、異なる波長と偏光状態を持った多くの波からなる光信号を発生する。入力ファイバ７０２が広帯域光源７０１をカプラ７０４に結合し、同じファイバ７０２がカプラ７０４からの光を位相変調器３１０の導波路に結合する。カプラ７０４は、入力ファイバ７０２と出力ファイバ７０６の両方を含む。出力ファイバ７０６は、位相変調器３１０からの戻り信号を速度検出器７０８へ搬送し、速度検出器７０８は、検知ファイバ７０３から戻ってきた信号を読み取る。位相変調器３１０は、ビーム分離／混合エレメント１１１、偏光エレメント、及び位相変調器３１０内を伝搬する光ビームの位相変調のために用いられる２つ以上の電極（１５１−１５４）を含む。一実施態様では、ビームスプリッタは、図１及び２を参照して上述された、光信号を２つの光信号に分離するのに用いられるＹ分岐ビームスプリッタ１３０である。いくつかの実施態様では、偏光エレメントは位相変調器３１０の導波路に必須であり、一方、他の実施態様では、偏光エレメントは光路に沿った別個のエレメントである。広帯域光源７０１からの信号は、位相変調器３１０を通過することによって直線的に偏光される。ピグテールファイバ７０９及び７１０が、位相変調器３１０を検知コイル１２０に結合する。一実施態様では、信号は検知コイル１２０と位相変調器３１０の間に配置された偏光解消素子によって無偏光化される。偏光解消素子は、いずれかのピグテールファイバ７０９及び／又は７１０上に配置されることが可能である。検知コイル１２０は、コイル形状に巻回された検知ファイバ７０３を備える。
【００５０】
[0053]  位相変調器３１０は、ガス充填された筐体１２５の中に封入される。筐体１２５は、安定化分極性充填ガス２２１で満たされ、筐体１２５内に安定化分極性充填ガス２１１を保持するべく封止される。位相変調器３１０は、構造物２５４上に支持され、光ファイバ７０２を介して光源７０１からの光ビームを入力し、光を検知ファイバ７０３へ出力するように位置合わせされる。
【００５１】
[0054]  位相変調器３１０は、ＩＦＯＧシステム１０が収容されている乗物の回転を測定するように動作可能なＩＦＯＧシステム１０において機能し得る。当業者には理解できるように、本明細書において説明されるＩＯＣ１１０によって他の種類のジャイロスコープシステムが作られることが可能である。例えば、もし光学システムが共振光ファイバジャイロスコープであるなら、当業者には理解できるように、位相変調器３１０はＣＣＷ変調器及びＣＷ変調器と置換されることが可能である。
【００５２】
[0055]  この実施態様の一実装例では、ＩＦＯＧシステム１０は、安定化分極性充填ガス２２１を、光源７０１、入力ファイバ７０２、出力ファイバ７０６、カプラ７０４、及び速度検出器７０８と接触した状態で収納する。この実施態様では、ＩＦＯＧシステム１０は、チップ１００（図２）の無機材料の性能を安定化させ、安定化分極性充填ガス２２１と共に筐体１２５内に収納されているＩＦＯＧシステム１０の他のコンポーネント／材料（例えば、光源７０１、入力ファイバ７０２、出力ファイバ７０６、カプラ７０４、及び速度検出器７０８）との反応を最小化するように、適切な安定化分極性充填ガス２２１及び／又は処理ガスを用いて設計される。
【００５３】
[0056]  図４は、本出願による集積光回路を安定化させる方法４００の一実施態様のフロー図である。本方法は、図１及び２を参照して説明される。
【００５４】
[0057]  ブロック４０２において、少なくとも１つの無機材料から形成された少なくとも１つの集積光チップ１００が提供される。実施態様では、図１及び２を参照して上述されたように、無機材料はＬＮ又はＨＮである。ブロック４０４において、集積光チップ１００の少なくとも１つの表面２２４が、少なくとも１つの表面２２４上の欠陥を安定化させるように選択された少なくとも１つの処理ガスを用いた処理によって処理される。処理ガスは、表面２２４を改質して改質表面２２５を形成する。処理ガスは、図１及び２を参照して上述された処理ガスの実施態様のいずれかである。この実施態様の一実装例では、少なくとも１つの処理ガスで集積光チップ１００の少なくとも１つの表面２２４を処理することは、反応性酸化ガスで集積光チップ１００の少なくとも１つの表面を処理することを含む。
【００５５】
[0058]  ブロック４０６において、処理された集積光チップ１００が筐体１２５内に配置される。この実施態様の一実装例では、ブロック４０６の工程は、ブロック４０４の工程の前に行われる。この場合、処理されていない（又は部分的に処理された）集積光チップ１００が筐体１２５内に配置され、チップ１００の少なくとも１つの表面２２４が筐体１２５の中にある間に処理されるように処理ガスがチップ１００と共に筐体１２５に注入される。その後、処理ガスが筐体１２５から除去される。
【００５６】
[0059]  ブロック４０８において、筐体１２５が安定化分極性充填ガス２２１で充填される。安定化分極性充填ガス２２１は、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料（例えば少なくとも１つの分極性ガス）を含む。安定化分極性充填ガス２２１は、集積光チップ１００の少なくとも１つの改質表面２２５を安定化させる。安定化分極性充填ガス２２１中における少なくとも１つの分極性材料の存在は、少なくとも１つのニオブ酸リチウム系集積光チップ１００（例えば少なくとも１つの位相変調器３１０）に電界１６１又は１６２が印加された時に、集積光チップ１００の少なくとも１つの改質表面２２５上における電荷の拡散の影響を低減させる。安定化分極性充填ガス２２１は、図１及び２を参照して上述された充填ガス２２１の実施態様のいずれかである。
【００５７】
[0060]  ブロック４１０において、少なくとも１つの集積光チップ１１０と安定化分極性充填ガス２２１を囲むように筐体１２５が封止される。処理された表面２２５と接触した状態にある安定化分極性充填ガス２２１は、処理された表面２２５が時間経過にわたって、及び電荷の存在下において安定化されることを保証する。このようにして、ＩＯＣ１１０は、ジャイロスコープシステム１０（図４）などの光学システムにおける長期間の使用に対して安定化される。安定化されたＩＯＣ１１０は、光コンポーネントを形成するのに用いられる無機材料中の結晶欠陥及び／又は表面欠陥に起因して時間経過にわたって劣化しない光コンポーネントを必要とする任意の種類の光学システムにおいて使用される無機材料から形成された任意の光コンポーネントである。
【００５８】
[0061]  図５は、本出願に従って安定化分極性充填ガス２２１で満たされた筐体１２５内に配置された２つの安定化された集積光回路１１０−１及び１１０−２の一実施態様の断面上面図を示す。２つの安定化された集積光回路１１０−１及び１１０−２は、２つのそれぞれの集積光チップ１００−１及び１００−２を含む。集積光チップ１００−１及び１００−２と集積光回路１１０−１及び１１０−２は、図１、２、及び３を参照して上述された集積光チップ１００及び集積光回路１１０の実施態様と同じ構造並びに機能を有する。図４を参照して上述された方法４００を参照して上述されたように、集積光回路１１０−１及び１１０−２の両方が、筐体１２５の中に収納され、充填ガス２２１と共に封止されることが可能である。
【００５９】
[0062]  安定化されたＩＯＣ１１０−１及び１１０−２は、少なくとも２つの安定化された光コンポーネントを必要とする任意の種類の光学システムにおいて使用される無機材料から形成された任意の光コンポーネントである。
【００６０】
[0063]  本明細書において説明される光コンポーネント（例えば位相変調器）は、電気的なリークがほとんど又は全くなく、高いバンドギャップを有する。これらの光コンポーネントは、安定化分極性充填ガスが集積光チップに適用された処理の安定性を維持し、集積光チップ上における電荷キャリアの移動を低減させるので、光コンポーネントにバイアス電圧が印加された場合であっても、長期間の間劣化することなくシステム内で使用されることが可能である。例えば、本明細書において説明される位相変調器は、広範なダイナミックレンジにわたる百万分率（ｐｐｍ）のオーダーでのスケールファクタ非線形性を有するジャイロスコープシステムにおいて使用されることが可能である。
【００６１】
[0064]  ＜例示的実施態様＞
【００６２】
[0065]  例１は、少なくとも１つの無機材料から形成された少なくとも１つの集積光チップであって、前記少なくとも１つの集積光チップの少なくとも１つの表面は、前記少なくとも１つの表面上の欠陥を安定化させるように選択された少なくとも１つの処理ガスを用いた処理によって改質されている、集積光チップと、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含んだ安定化分極性充填ガスと、前記少なくとも１つの集積光チップと前記安定化分極性充填ガスを収容する筐体と、を備える安定化された集積光回路を含む。
【００６３】
[0066]  例２は、少なくとも１つの無機材料から形成された前記少なくとも１つの集積光チップは、ニオブ酸リチウム系材料から形成された少なくとも１つの位相変調器である、例１に記載の安定化された集積光回路を含む。
【００６４】
[0067]  例３は、前記少なくとも１つの処理ガスは、反応性酸化ガスを含む、例２に記載の安定化された集積光回路を含む。
【００６５】
[0068]  例４は、前記少なくとも１つの分極性材料は、冷媒を含む、例３に記載の安定化された集積光回路を含む。
【００６６】
[0069]  例５は、前記少なくとも１つの処理ガスは、少なくとも第１処理ガスと第２処理ガスを含み、前記第１処理ガスは反応性酸化ガスを含み、前記第２処理ガスはＮ２Ｏを含み、前記少なくとも１つの分極性材料は冷媒である、例２−４のいずれかに記載の安定化された集積光回路を含む。
【００６７】
[0070]  例６は、前記少なくとも１つの処理ガスは、少なくとも第１処理ガスと第２処理ガスを含み、前記第１処理ガスはＮ２Ｏであり、前記第２処理ガスはＮ２であり、前記少なくとも１つの分極性材料は冷媒である、例２−５のいずれかに記載の安定化された集積光回路を含む。
【００６８】
[0071]  例７は、前記少なくとも１つの分極性材料は、パーフルオロ化炭化水素、クロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、パーフルオロカーボン、クロロメタン、及びジクロロメタンのうちの少なくとも１つである、例１−６のいずれかに記載の安定化された集積光回路を含む。
【００６９】
[0072]  例８は、少なくとも１つの材料から形成された前記少なくとも１つの集積光チップは、ニオブ酸リチウム系材料から形成され、前記少なくとも１つの処理ガスは、反応性酸化ガスを含み、前記少なくとも１つの分極性材料は、冷媒を含む、例１−７のいずれかに記載の安定化された集積光回路を含む。
【００７０】
[0073]  例９は、前記少なくとも１つの処理ガスは、少なくとも第１処理ガスと第２処理ガスを含み、前記第１処理ガスは反応性酸化ガスを含み、前記第２処理ガスは非反応性ガスを含み、前記少なくとも１つの分極性材料は冷媒である、例１−８のいずれかに記載の安定化された集積光回路を含む。
【００７１】
[0074]  例１０は、少なくとも１つの位相変調器に結合される光信号を発生させる光源と、ニオブ酸リチウム系材料から形成された少なくとも１つの位相変調器であって、前記少なくとも１つの位相変調器の少なくとも１つの表面は、前記少なくとも１つの表面上の欠陥を安定化させるように選択された少なくとも１つの処理ガスを用いた処理によって改質されている、位相変調器と、前記少なくとも１つの位相変調器と安定化分極性充填ガスを収容する筐体であって、前記安定化分極性充填ガスは、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含み、前記安定化分極性充填ガスは、前記位相変調器の少なくとも１つの改質された表面と接触し、前記安定化分極性充填ガス中における前記少なくとも１つの分極性材料の存在は、前記少なくとも１つの位相変調器に電界が印加された時に、前記位相変調器の前記少なくとも１つの改質された表面上における電荷の拡散の影響を低減させる、筐体と、前記少なくとも１つの位相変調器から信号を受け取り前記少なくとも１つの位相変調器へ信号を出力する結合コンポーネントと共に構成された検知コイルと、を含むジャイロスコープシステムを含む。
【００７２】
[0075]  例１１は、前記少なくとも１つの処理ガスは、反応性酸化ガスを含む、例１０に記載のジャイロスコープシステムを含む。
【００７３】
[0076]  例１２は、前記少なくとも１つの分極性材料は、冷媒を含む、例１０−１１のいずれかに記載のジャイロスコープシステムを含む。
【００７４】
[0077]  例１３は、前記少なくとも１つの処理ガスは、少なくとも第１処理ガスと第２処理ガスを含み、前記第１処理ガスは反応性酸化ガスを含み、前記第２処理ガスはＮ２Ｏを含み、前記少なくとも１つの分極性材料は冷媒である、例１０−１２のいずれかに記載のジャイロスコープシステムを含む。
【００７５】
[0078]  例１４は、前記少なくとも１つの処理ガスは、少なくとも第１処理ガスと第２処理ガスを含み、前記第１処理ガスはＮ２Ｏであり、前記第２処理ガスはＮ２であり、前記少なくとも１つの分極性材料は冷媒である、例１０−１３のいずれかに記載のジャイロスコープシステムを含む。
【００７６】
[0079]  例１５は、前記少なくとも１つの分極性材料は、パーフルオロ化炭化水素、クロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、パーフルオロカーボン、クロロメタン、及びジクロロメタンのうちの少なくとも１つである、例１０−１４のいずれかに記載のジャイロスコープシステムを含む。
【００７７】
[0080]  例１６は、前記少なくとも１つの処理ガスはＮ２Ｏを含み、前記少なくとも１つの分極性材料はパーフルオロ化炭化水素である、例１０−１５のいずれかに記載のジャイロスコープシステムを含む。
【００７８】
[0081]  例１７は、集積光回路を安定化させる方法であって、少なくとも１つの無機材料から形成された少なくとも１つの集積光チップを提供するステップと、前記集積光チップの少なくとも１つの表面を、前記少なくとも１つの表面上の欠陥を安定化させるように前記少なくとも１つの表面を改質すべく選択された少なくとも１つの処理ガスを用いて処理するステップと、前記処理された集積光チップを筐体内に配置するステップと、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含んだ安定化分極性充填ガスで前記筐体を満たすステップと、前記少なくとも１つの集積光チップと前記安定化分極性充填ガスを囲むように前記筐体を封止するステップであって、前記安定化分極性充填ガスは、前記集積光チップの前記少なくとも１つの改質表面を安定化させる、ステップと、を含む方法を含む。
【００７９】
[0082]  例１８は、前記少なくとも１つのニオブ酸リチウム系集積光チップに電界を印加するステップを更に含む、例１７に記載の方法を含む。
【００８０】
[0083]  例１９は、前記集積光チップの前記少なくとも１つの表面を前記少なくとも１つの処理ガスを用いて処理するステップは、前記集積光チップの前記少なくとも１つの表面を反応性酸化ガスで処理するステップを含み、前記安定化分極性充填ガス中における前記少なくとも１つの分極性材料の存在は、前記少なくとも１つのニオブ酸リチウム系集積光チップに電界が印加された時に、前記集積光チップの前記少なくとも１つの改質された表面上における電荷の拡散の影響を低減させる、例１８に記載の方法を含む。
【００８１】
[0084]  例２０は、Ｎ２Ｏと少なくとも１つの分極性材料を含んだ前記安定化分極性充填ガスで前記筐体を満たすステップは、前記筐体をＮ２Ｏと冷媒で満たすステップを含む、例１７−１９のいずれかに記載の方法を含む。
【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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【外国語明細書】
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