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公開番号2025029068
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-05
出願番号2024209470,2021519142
出願日2024-12-02,2019-10-11
発明の名称フォトニック集積回路および干渉型光ファイバジャイロスコープ
出願人ケーブイエイチインダストリーズインク
代理人個人,個人,個人
主分類G02B 6/126 20060101AFI20250226BHJP(光学)
要約【課題】光ファイバジャイロスコープ(FOG)の製造に適した多機能フォトニック集積回路(PIC)を提供する。
【解決手段】多機能フォトニック集積回路(PIC)102は、実質的に高い安定性及び精度のスケールファクタを示すように構成及び配置される。PIC102は、例えば、高い光複屈折率及び低い伝搬損失の導波路、低い波長依存性の分波比Y接合部114,116、高い消光比の線形偏光子118、並びに高い効率のファイバ-導波路モードサイズ変換器を備え得る。高いレベルのFOG性能を確保するための検討が、例えば、導波路構造、個々の構成要素の機能要件及び回路レイアウトの合成効果の最適化によって取り組まれる。偏波保持光ファイバコイル、光源及び光検出器を接続すると、ハイエンドで戦術的グレードのFOGが、開示のPICを用いて構築され得る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
フォトニック集積回路（ＰＩＣ）であって、
偏光子導波路を備えるとともに第１の偏光子ポート及び第２の偏光子ポートを有する偏光子であって、前記ＰＩＣの動作波長の範囲内に少なくとも７５ｄＢの偏波消光比（ＰＥＲ）及び少なくとも０．０１２の複屈折率を有するように構成された偏光子と、
（ｉ）偏波保持型（ＰＭ）であり、（ｉｉ）関連する偏光解消長を有し、かつ（ｉｉｉ）光の単一横モードを維持するように構成された、ベース導波路、第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路を有し、さらに前記第１の分岐導波路は、前記第２の分岐導波路よりも長く、かつ、前記第１の分岐導波路の長さが前記偏光解消長を超える干渉Ｙ接合部と、
光源に接続されるように構成された第１のコネクタと、
光検出器に接続されるように構成された第２のコネクタと、
ファイバコイルの第１のポートに接続されるように構成された第３のコネクタと、
前記ファイバコイルの第２のポートに接続されるように構成された第４のコネクタと、
ベース導波路、第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路を有するソースＹ接合部と
を備え、
前記ソースＹ接合部の前記第１の分岐導波路は前記第１のコネクタに光学的に結合され、前記ソースＹ接合部の前記第２の分岐導波路は前記第２のコネクタに光学的に結合され、前記ソースＹ接合部の前記ベース導波路は前記第１の偏光子ポートに光学的に結合され、
前記干渉Ｙ接合部の前記第１の分岐導波路は前記第３のコネクタに光学的に結合され、前記干渉Ｙ接合部の前記第２の分岐導波路は前記第４のコネクタに光学的に結合され、前記干渉Ｙ接合部の前記ベース導波路は前記第２の偏光子ポートに光学的に結合され、
前記ベース導波路及び前記分岐導波路は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のコア厚及び１ミクロン以上１０ミクロン以下のコア幅を有する薄型Ｓｉ
３
Ｎ
４
導波路を備える、フォトニック集積回路。
続きを表示（約 930 文字）【請求項２】
前記偏光子導波路、前記ベース導波路、前記第１の分岐導波路及び前記第２の分岐導波路の各々のＨパラメータが、－４０ｄＢ／ｍ未満である、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項３】
前記第１の分岐導波路と前記第２の分岐導波路の間の導波路長の差は、前記第１の分岐導波路及び前記第２の分岐導波路の偏光解消長よりも大きい、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項４】
前記偏光子導波路、前記第１の分岐導波路及び前記第２の分岐導波路は、各々ＳｉＯ
２
クラッド材料に囲まれたＳｉ
３
Ｎ
４
コアを備える、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項５】
前記Ｓｉ
３
Ｎ
４
コアは、少なくとも５０の幅－高さアスペクト比を有する、請求項４に記載のフォトニック集積回路。
【請求項６】
前記導波路は、光学的に直列接続された複数の導波路屈曲部を備え、該複数の導波路屈曲部は第１の１８０度屈曲部、第２の１８０度屈曲部、及び少なくとも９０度の少なくとも１つの追加屈曲部を備える、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項７】
前記導波路の側部に沿って形成された少なくとも１つのトレンチをさらに備え、該トレンチは、迷光が前記ＰＩＣに結合するのを防止するように前記導波路から放射される光を前記ＰＩＣから離れる方向に逸らすように構成された、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項８】
前記ベース導波路及び前記分岐導波路は、少なくとも０．０１２の複屈折率を有する、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項９】
前記ベース導波路及び前記分岐導波路は、０．５ｄＢ／ｃｍ未満の伝搬損失を有する、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項１０】
前記偏光子導波路は、ｍ字形状を形成するように相互に連続して結合された３個の１８０度曲線部を備える、請求項１に記載のフォトニック集積回路。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年１０月１１日出願の米国仮特許出願第６２／７４４,５０５号の利益を主張する。上記出願の教示全体が、参照によりここに取り込まれる。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）、加速度計及びＦＯＧによる慣性航法装置（ＩＮＳ）は、高精度自律車両（自動車など）の性能に必須の集積センサシステムの鍵となる部分を構成する。ＩＮＳは、車両の位置及び向きを検知するのに使用される。車両位置推定のために、車両は、全地球測位システム（ＧＰＳ）及びＩＮＳを組み合わせて用いることがある。ＧＰＳシステムの精度は、２０００年以来大幅に改善されてきた。ＧＰＳシステムは、９５％の確率で７．８ｍ未満の全体平均ユーザ範囲誤差（ＵＲＥ）を容易化する信号を特定する。実際の性能は仕様を超えることが多いものの、ＧＰＳ自体は自律車両のための位置推定値のための充分な精度を与えることができない。一方で、ＧＰＳは、位置測定における良好な長期安定性を与える。これに対して、ＩＮＳは、短期的には高精度となり得るが、位置測定における長期ドリフトを受けてしまう。
【０００３】
各個々の位置検知システムの不利な点を克服するのに、ＧＰＳ及びＩＮＳが組み合わされて用いられることがある。ＧＰＳの精度は建物、橋及び樹木の近くで劣化するので、この組み合わされた動作は自律自動車用途において一層重要となる。このような環境では、ＧＰＳ受信機は充分な数の衛星から信号を取得できなくなることがあり、劣化した性能がもたらされる。ＧＰＳ可用性が非常に制限されてしまう「都会の渓谷」を超高層ビル群が形成する都会の地域では大きな懸念がある。ＩＮＳは、ＧＰＳの精度を向上するとともに都会の渓谷によってもたらされるような性能の乖離を埋めるのに使用され得る。ＧＰＳに結合されたＩＮＳは、外部参照を必要とすることなく連続的に、現在位置に推測航法を行い、向き及び速度を計算することができる。
【０００４】
自動車姿勢推定のために、ＩＮＳセンサは、ＧＰＳ信号と融合されて、移動する自動車のロール、ピッチ及びヘディングを瞬時に検出し得る。正確な回転角の特定は、自律車両制御システムが安全性を確保するために重要なタスクであり、それは自律車両に関連付けられたジャイロスコープの高精度でかつ安定したスケールファクタを要求する。
【発明の概要】
【０００５】
ここに記載される幾つかの実施形態は、干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）に向けられる。ＩＦＯＧの例示実施形態は、ここに記載されるように、所定の安定性閾値を超える安定性及び所定の精度閾値を超える精度を有するスケールファクタを示すように構成され得る。
【０００６】
ここに記載される他の実施形態は、Ｓｉ
３
Ｎ
４
コア及びＳｉＯ
２
を含むクラッド材料を有する高偏波保持（ＰＭ）導波路に基づくフォトニック集積回路（ＰＩＣ）などのＩＦＯＧ構成要素に向けられる。受動機能性ＦＯＧ構成要素が、ＰＩＣに集積されてもよい。そのような構成要素は、サニャック干渉計及び光源／検出器送受信機に使用される低損失カプラ、高偏波消光比（ＰＥＲ）偏光子、高効率ファイバ接続モードサイズ変換器、及び迷光の消去のための１以上の構成を備え得る。
【０００７】
一態様では、本発明は、偏光子及び干渉Ｙ接合部を備えるフォトニック集積回路（ＰＩＣ）であり得る。偏光子は、偏光子導波路を備え、第１の偏光子ポート及び第２の偏光子ポートを有し得る。偏光子は、ＰＩＣの動作波長の範囲内に少なくとも７５ｄＢの偏波消光比（ＰＥＲ）及び少なくとも０．０１２の複屈折率を有するように構成され得る。干渉Ｙ接合部は、偏波保持（ＰＭ）型であるベース導波路、第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路を有し、相互に対して所定の長さの差を有し、単一横モードの光を維持するように構成され得る。
【０００８】
一実施形態では、偏光子導波路、ベース導波路、第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路の各々のＨパラメータは－４０ｄＢ／ｍ未満である。
【０００９】
他の実施形態では、第１の分岐導波路と第２の分岐導波路との間の導波路長の差が、第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路の偏光解消長よりも大きくてもよい。偏光子導波路、第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路は、各々ＳｉＯ
２
クラッド材料に囲まれたＳｉ
３
Ｎ
４
コアを備え得る。コアは、少なくとも５０の幅－高さのアスペクト比を有し得る。導波路は、光学的に直列接続される複数の導波路屈曲部を備え得る。複数の導波路屈曲部は、第１の１８０度屈曲部、第２の１８０度屈曲部、及び少なくとも９０度の少なくとも１つの追加屈曲部を備え得る。
【００１０】
一実施形態は、導波路の側部に沿って形成された少なくとも１つのトレンチをさらに備え得る。トレンチは、迷光がＰＩＣに結合するのを防止するように、導波路から放射された光をＰＩＣから離れる方向に逸らすように構成され得る。
（【００１１】以降は省略されています）

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