特許 7594006 多層窒化ケイ素導波路ベースの集積フォトニクス光ジャイロスコープチップ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】多層窒化ケイ素導波路ベースの集積フォトニクス光ジャイロスコープチップ

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/64 20060101AFI20241126BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20241126BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

G01C19/64 Z

G02B6/12 371

G02B6/12 301

G02B6/125 301

【請求項の数】 23

(21)【出願番号】P 2022526769

(86)(22)【出願日】2020-11-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-12-28

(86)【国際出願番号】 US2020060289

(87)【国際公開番号】W WO2021097132

(87)【国際公開日】2021-05-20

【審査請求日】2023-08-28

(31)【優先権主張番号】62/934,184

(32)【優先日】2019-11-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/095,272

(32)【優先日】2020-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】522009972

【氏名又は名称】アネロ フォトニクス インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100168871

【弁理士】

【氏名又は名称】岩上 健

(72)【発明者】

【氏名】パニシア マリオ

【審査官】櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１０１３９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０２９１２７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２５９３３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００１－５１７７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－００２９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２８８５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５７２４４６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００８－０８９５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／００７９９４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０８５２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９２１２９１２（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許第０６１６３６３２（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２２９８１４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １９／００－１９／７２

Ｇ０２Ｂ ６／１２ー ６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォーム上に作製された集積フォトニクス光ジャイロスコープであって、
回転感知素子を構成するＳｉＮ導波路を含む第１の部分と、
前記回転感知素子に光を送出し該回転感知素子から光を受け取るフロントエンドチップを構成する追加のＳｉＮ導波路ベースの光学構成要素を含む第２の部分と、
を備え、
前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第２の部分は、前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分とは物理的に別個の層にあり、前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分の前記回転感知素子と垂直に結合している、
集積フォトニクス光ジャイロスコープ。

【請求項2】

前記フロントエンドチップと突き合わせ結合又はハイブリッドに集積され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む光源を更に備える、請求項１に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項3】

前記光源及び１又は２以上の光検出器は、前記フロントエンドチップを含む前記第２の部分に位置合わせされた共通基板上に集積されている、請求項２に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項4】

前記共通基板上の前記光源及び前記１又は２以上の検出器の間の物理的離隔距離は、前記フロントエンドチップ上のＳｉＮ導波路ベースの光学構成要素間の対応する離隔距離と一致することにより、前記光源が前記フロントエンドチップ上の対応するＳｉＮ導波路と整列したときに、前記１又は２以上の検出器が前記フロントエンドチップ上の対応するＳｉＮ導波路と自動的に整列される、請求項３に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項5】

前記回転感知素子が、複数のターンを有するコイル又はマイクロ共振器リングを含む、請求項１に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項6】

前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分と前記第２の部分は、互いに対して垂直方向にスタックされている、請求項１に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項7】

光が、前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分と前記第２の部分との間でエバネセント結合する、請求項６に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項8】

前記回転感知素子の部分が、２以上のサブ層間で分散されている、請求項１に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項9】

前記回転感知素子の前記２以上のサブ層間で光がエバネセント結合する、請求項８に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項10】

あるサブ層におけるＳｉＮ導波路は、垂直クロストークを最小にするために別のサブ層におけるＳｉＮ導波路から横方向にオフセットされている、請求項８に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項11】

ＳｉＮ導波路を含む前記回転感知素子の第１の端部と第２の端部と、
前記回転感知素子の前記第１の端部及び前記第２の端部の少なくとも一方に結合された位相シフタと、
を更に備える、請求項１に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項12】

前記位相シフタは、ＳｉＮ以外の材料から作られた別個の層上に作製され、前記位相シフタを有する前記別個の層は、前記回転感知素子を含む前記第１の部分にハイブリッドに集積される、請求項１１に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項13】

前記位相シフタは、前記回転感知素子を含む前記第１の部分上に金属又は圧電セラミック材料（ＰＺＴ）を堆積することによって作製される、請求項１２に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項14】

前記位相シフタは、前記回転感知素子を含む前記第１の部分上にＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料を成長、ウェーハ結合又は付着させることによって作製される、請求項１２に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項15】

前記位相シフタは、前記回転感知素子を含む前記第１の部分上にシリコンフォトニクスウェーハを成長、ウェーハ結合又は付着させることによって作製される、請求項１２に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項16】

前記位相シフタは、前記回転感知素子にエバネセント結合される、請求項１１に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項17】

前記位相シフタを有する前記別個の層が、ＳｉＮ導波路プラットフォームにエッチングされたキャビティ内に配置される、請求項１２に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項18】

前記光源及び前記１又は２以上の光検出器を有する前記共通基板が、前記フロントエンドチップを構成する前記追加のＳｉＮ導波路ベースの光学構成要素を含む前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分にエッチングされたキャビティに配置される、請求項３に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項19】

前記光源及び前記１又は２以上の光検出器を有する前記共通基板が、前記フロントエンドチップを構成する前記追加のＳｉＮ導波路ベースの光学構成要素を含む前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分にウェーハ結合されるか又は前記第１の部分の上に成長される、請求項３に記載の光ジャイロスコープ。

【請求項20】

窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォーム上に作製された集積フォトニクス光ジャイロスコープであって、
回転感知素子を構成するＳｉＮ導波路を含むＳｉＮ導波路プラットフォームの第１の部分と、
前記回転感知素子に光を送出し且つ前記回転感知素子から光を受け取るフロントエンドチップを構成する追加のＳｉＮ導波路ベースの光学構成要素を含む前記ＳｉＮ導波路プラットフォームの第２の部分であって、前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第２の部分が、前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分とは物理的に別個の層にあり、前記窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォームの前記第１の部分の前記回転感知素子と垂直に結合している、前記ＳｉＮ導波路プラットフォームの第２の部分と、
前記ＳｉＮ導波路プラットフォーム以外の材料プラットフォームを使用して作製された光学素子を含む、前記ＳｉＮ導波路プラットフォームに集積された１又は２以上の追加のチップと、
を備える、集積フォトニクス光ジャイロスコープ。

【請求項21】

前記１又は２以上の追加のチップのうちの少なくとも１つは、前記フロントエンドチップと突き合わせ結合、成長、付着、ウェーハ結合、又はハイブリッドに集積された光源を備え、前記光源は、ＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を含む、請求項２０に記載の集積フォトニクス光ジャイロスコープ。

【請求項22】

前記１又は２以上の追加のチップのうちの少なくとも１つは、前記回転感知素子と結合、成長、付着、ウェーハ結合、又はハイブリッドに集積された位相シフタを備える、請求項２１に記載の集積フォトニクス光ジャイロスコープ。

【請求項23】

前記位相シフタは、金属、ＰＺＴ、ＩＩＩ－Ｖ化合物半導体、又はシリコンフォトニクス構成要素から作られる、請求項２２に記載の集積フォトニクス光ジャイロスコープ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、窒化ケイ素導波路をベースとする集積フォトニクス光ジャイロスコープのシステムレベルの集積に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ジャイロスコープ（「ジャイロ」とも呼ばれることがある）は、角速度を感知することができるデバイスである。ジャイロスコープは、機械式又は光学式であり、精度、性能、コスト及びサイズが異なる場合がある。用途としては、限定ではないが、軍事、航空機のナビゲーション、ロボット工学、自律走行車両、仮想現実、拡張現実、ゲーム、その他が挙げられる。光ジャイロスコープは、典型的には、最も高い性能を有し、干渉計測とサニャック効果（干渉分光法で遭遇する、回転によって引き起こされる現象）に基づいている。光ジャイロは、可動部品を有していないので、可動部品を備えた機械式ジャイロに比べて、衝撃、振動、及び温度変化の影響に堪えることができる、機械式ジャイロに優る利点を有する。最も一般的な光ジャイロスコープは、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）である。ＦＯＧの構成は、典型的には、偏波保持（ＰＭ）ファイバの複数回ループ／ターンを含むコイルを含む。レーザ光は、ＰＭファイバコイルの両端に送出され、反対方向に進む。コイルが動いている場合、反対方向に進む光ビームは、互いに対して異なる光路長を生じる。干渉計システムを設定することにより、囲まれたループの面積と回転ファイバコイルの角速度に比例した小さな光路長差を測定することができる。

【0003】

光ジャイロの位相信号は、次式で示されるように、サニャック効果と回転角速度を乗算したものに比例する。
Δφ＝（８πＮＡ／λｃ）Ω
ここで、Ｎ＝ジャイロの巻数、Ａ＝囲まれた面積、Ω＝回転角速度、Δφ＝光位相差信号、λ＝光の波長、ｃ＝光の速度である。

【0004】

これらのＦＯＧは、極めて高い精度を有することができるが、同時に寸法が大きく、極めて高価であり、これらのデバイスが正確に位置合わせする必要のある別個の光学構成要素に基づいて構築されていることに起因して、組み立てが困難である。多くの場合、手作業による位置合わせが伴い、大量生産のためにスケールアップすることが困難である。

【発明の概要】

【0005】

以下は、本開示の幾つかの態様の基本的な理解を提供するために、本開示の簡略化された概要である。この概要は、本開示の広範な概説ではない。この概要は、本開示の主要な又は必須の要素を特定することを意図せず、また本開示の特定の実施構成の範囲又は特許請求の範囲の何れかの範囲を正確に記述することも意図していない。その唯一の目的は、以下で提示されるより詳細な説明の前段階として、本開示の幾つかの概念を簡略化した形で提示することである。

【0006】

本開示の一態様では、窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォーム上に作製された集積フォトニクス光ジャイロスコープは、回転感知素子を構成する窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路を有する第１の部分と、回転感知素子に光を送出し回転感知素子から光を受け取るフロントエンドチップを構成する追加の窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路を有する光学構成要素を有する第２の部分とを備えている。回転感知素子は、複数のターンを有するコイル又はマイクロ共振器リングを備える。外部素子（例えば、レーザ、検出器、位相シフタ、その他）は、ＳｉＮとは異なる材料プラットフォームで作ることができ、ＳｉＮ導波路プラットフォームとハイブリッドに集積することができる。

【0007】

２つの部分は、互いに結合された多層構成を有するように共にスタックすることができる。本明細書及び図面における「層」という用語は、デバイスプラットフォームの機能部分又はセクションを包含するように広範に定義されている点に留意されたい。同じ物理層は、複数の部分を有することができる。例えば、フロントエンドチップは「層１」として記述され、回転感知コイルは「層２」として記述されるが、これらは両方とも同じ物理層において存在することができる。実際、幾つかの実施形態では、回転感知素子の一部は、フロントエンドチップを含むＳｉＮ導波路プラットフォームの第２の部分に物理的に配置することができる。

【0008】

幾つかの実施形態において、ＳｉＮ導波路プラットフォームの第１の部分及び第２の部分は、２つの別個の物理層において互いに対して垂直にスタックすることができ、光は、ＳｉＮ導波路プラットフォームの第１の部分と第２の部分との間でエバネセント結合される。特定の実施形態では、回転感知素子の部分は、２以上のサブ層間に分配することができ、光は、回転感知素子の垂直サブ層間でエバネセント結合する。あるサブ層におけるＳｉＮ導波路は、垂直クロストークを最小化するために、別のサブ層におけるＳｉＮ導波路から横方向にオフセットすることができる。

【0009】

本開示の別の態様では、窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路プラットフォーム上に作製された集積フォトニクス光ジャイロスコープが開示され、ここで、ジャイロスコープは、回転感知素子を構成するＳｉＮ導波路を含むＳｉＮ導波路プラットフォームの第１の部分と、回転感知素子に光を送出し回転感知素子から光を受け取るフロントエンドチップを構成する追加のＳｉＮ導波路ベースの光学構成要素を含むＳｉＮ導波路プラットフォームの第２の部分と、ＳｉＮ導波路プラットフォーム以外の材料プラットフォームを使用して作製された光学要素を含む、ＳｉＮ導波路プラットフォームに集積された１又は２以上の追加のチップと、を備える。

【0010】

追加の態様において、請求項１の光ジャイロスコープは更に、回転感知素子の第１の端部及び第２の端部を備え、回転感知素子の第１の端部及び第２の端部は、ＳｉＮ導波路を含み、位相シフタは、回転感知素子の第１の端部及び第２の端部の少なくとも１つに結合される。

【0011】

位相シフタは、ＳｉＮ以外の材料から作られた別個の層上に作製することができ、位相シフタを有する別個の層は、回転感知素子を含む第１の部分に対してハイブリッドに集積されている。例えば、回転感知素子を含む第１の部分上に金属又は圧電セラミック材料（ＰＺＴ）を堆積させることによって、位相シフタを作製することができる。或いは、位相シフタは、回転検知要素を含む第１の部分上にＩＩＩ－Ｖ化合物半導体材料を成長、ウェーハ結合、又は付着させることによって作製することができる。更に別の代替的な実施形態では、位相シフタは、回転感知要素を含む第１の部分上にシリコンフォトニクスウェーハを成長、ウェーハ結合、又は付着させることによって作製することができる。

【0012】

幾つかの実施形態では、位相シフタは、回転感知素子にエバネセント結合される。位相シフタを有する別個の層は、ＳｉＮ導波路プラットフォームにエッチングされたキャビティに配置することができる。

【0013】

幾つかの態様において、光源及び１又は２以上の検出器を有する共通基板は、フロントエンドチップを構成する追加のＳｉＮ導波路ベースの光学構成要素を含むＳｉＮ導波路プラットフォームの第１の部分にエッチングされたキャビティに配置することができる。

【0014】

光源及び検出器を有する共通基板は、ＳｉＮ導波路プラットフォームの第１の部分にウェーハ結合されるか、又はその上に成長させることができる。

【0015】

本開示は、以下で与えられる詳細な説明と、本開示の様々な実施構成の添付図面とからより完全に理解されるであろう。図示の寸法は、例示の目的のものであり、縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示の一実施形態による、別個のＳｉＮ導波路ベースの感知チップに結合する集積フォトニクスフロントエンドチップの概略図である。

【図2】本開示の一実施形態による、オフチップレーザが集積フォトニクスフロントエンドチップに結合され、これが別個のＳｉＮ導波路ベースの感知チップに結合される光ジャイロスコープの簡易概略図である。

【図3】本開示の一実施形態による、導波路コイルが２つの層の間に分配される、多層窒化ケイ素導波路ベースの集積フォトニクス光ジャイロスコープの異なる層の概略等角図である。

【図4】本開示の一実施形態による、多層窒化ケイ素導波路ベースの集積フォトニクス光ジャイロスコープの概略長手方向断面図（すなわち、側面図）である。

【図5A】本開示の一実施形態による、集積フォトニクス光ジャイロスコープの２つの層のうちの第１の層における窒化ケイ素導波路構成要素の分布を概略的に示す図である。

【図5B】図５Ａに示される本開示の実施形態による、集積フォトニクス光ジャイロスコープの２つの層のうちの第２の層における窒化ケイ素導波路構成要素の分布を概略的に示す図である。

【図6A】レーザ及びサニャック検出器が、第１の層における集積フォトニクス構成要素と自己整合結合するために共通の基板上に収容されている、本開示の別の実施形態による、集積フォトニクス光ジャイロスコープの３つの層のうちの第１の層における窒化ケイ素導波路構成要素の分布を概略的に示す図である。

【図6B】図６Ａに示される本開示の実施形態による、集積フォトニクス光ジャイロスコープの３層のうちの第２の層及び第３の層における窒化ケイ素導波路構成要素の分布を概略的に示す図である。

【図7】本開示の一実施形態による、最上層にシリコン窒化物導波路ベースの感知コイルを示し、他のフォトニクス構成要素は最上層の下の最下層にある、集積フォトニクス光ジャイロスコープの上面図を概略的に示す図である。

【図8A】本開示の一実施形態による、レーザ及び検出器モジュールが窒化ケイ素の第１の層上のフォトニクス構成要素に結合され、感知コイルを有する窒化ケイ素の第２の層が第１の層の下方にある、集積フォトニクス光ジャイロスコープの上面図を示す。

【図8B】図８Ａの実施形態に示される集積フォトニクス光ジャイロスコープの側面図である。

【図8C】本開示の一実施形態による、フォトニクス構成要素を有する窒化ケイ素の第１の層にエッチングされたキャビティにレーザ及び検出器モジュールが挿入され、感知コイルを有する窒化ケイ素の第２の層が第１の層の下方にある、集積フォトニクス光ジャイロスコープの側面図である。

【図8D】図８Ｃに示される集積フォトニクス光ジャイロスコープの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本開示の態様は、光ジャイロスコープ用途のための他のシステムレベル集積フォトニクス構成要素とコンパクトな超低損失窒化ケイ素導波路ベースの角回転感知構成要素の集積に向けられる。システム集積は、集積フォトニクス光ジャイロスコープの大量生産を容易にするために、大規模製造を念頭に置いて行われる。

【0018】

集積光ジャイロスコープは、回転感知素子からの光を送出し及び受け取ることができる集積フォトニクス構成要素から作られるフロントエンドチップを有することができる。光ジャイロスコープの回転感知要素は、ファイバループ又は別の集積フォトニクス導波路チップ（例えば、窒化ケイ素導波路ベースのコイル又はマイクロ共振器リング）を備えることができる。図１は、回転感知要素として作用している別個の及び異なる導波路ベースの感知チップに結合する集積フォトニクスフロントエンドチップ１００の一実施形態の概略図である。導波路ベースの感知チップと結合した集積フォトニクスフロントエンドチップは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）パッケージの一部とすることができる集積フォトニクス光ジャイロスコープモジュールを構成する。尚、ＩＭＵは、光ジャイロスコープモジュール以外に、加速度計など他の構成要素を有することができる点に留意されたい。このため、光ジャイロスコープモジュールを小型化することで、ＩＭＵ全体のサイズ、重量、電力、コストを軽減することができる。この重量軽減は、例えば、軽量無人航空機など特定の用途では極めて重要である。ＩＭＵは、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：光検出及び測距）、レーダー及びカメラなど、次世代の自律走行車（地上及び航空の両方）で使用されることになる、自律走行車のより確立された感知技術にとって切望される技術要素とすることができる。

【0019】

導波路ベースの感知チップ（「ジャイロチップ」とも呼ばれることがある）において、低損失導波路コアは、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）で作ることができ、導波路クラッドは、溶融シリカ又は酸化物で作ることができる。この導波路構造はまた、単にＳｉＮ導波路とも呼ばれ、ＳｉＮ導波路を含むチップは、図においてＳｉＮ導波路チップと呼ばれる。両方の構成（すなわち、溶融シリカ中のＳｉＮコア又は酸化物中のＳｉＮコア）の製造プロセスは、２０２０年６月５日に出願された「集積シリコンフォトニクス光ジャイロスコープ用の単層及び多層構造」と題する米国特許出願第１６／８９４，１２０号、及び２０２０年９月１７日に出願された「集積フォトニクス光ジャイロスコープを製造するための化学的－機械的研磨」と題する米国特許仮出願第６３／０７９，９２８号に記載されており、これらの両方は、引用により本明細書に組み込まれる。

【0020】

図１及び２に示される設計において、フロントエンドチップ１００上の導波路ベースの構成要素は、Ｓｉ又はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、又はこれらの組み合わせに基づくことできる。以下で図５Ａ及び５Ｂと共に示されるように、フロントエンドチップ１００の導波路ベースの構成要素は、ＳｉＮを使用することもできる。

【0021】

図１に戻って、光源（図１には示されていないが、図２のレーザ２０１と同様）は、ファイバを介して集積フォトニクスフロントエンドチップ１００に結合され、又はレンズと整列され、又は突き合わせ結合することができる。光源は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から作られた半導体レーザとすることができる。ファイバとレーザを結合する場合、典型的には、シングルモード（ＳＭ）ファイバが用いられる。ＳＭファイバのコアサイズは、典型的には、８～１０μｍの範囲である。集積フォトニクスフロントエンドチップ１００上の入力導波路は、レーザ光源から集積フォトニクスフロントエンドチップに光信号を伝送するＳＭファイバと効率的に結合するために、フレア端部（入力カプラ１０２）を用いて設計しなければならない場合がある。光タップ（例えば、０．５～１％又は他の目標量の光パワー）は、光信号の一部を検出器に送り、レーザ光源と集積フォトニクスフロントエンドチップとの間の結合効率を測定することができる（光タップは、簡単にするために図に示されていない）。任意選択的に、光位相変調器を、最終的には２×２光スプリッタ１０６及び１０８につながる光路に挿入することができる。尚、特定の設計においては、２×２スプリッタの代わりにＹカプラ／Ｙスプリッタが使用されてもよい。

【0022】

スプリッタ及び／又は方向性結合器は、感知チップから戻ってくる光を検出器１３８に導くようにオンチップで設計されている。検出器１３８は、サニャック検出器と呼ばれることがあり、これは、位相測定のための集積フォトニクスフロントエンドチップ１００における重要な検出器である。検出器１３８は、迷光を遮断するために、その周りにインプラント（図示せず）により隔離されなければならない場合がある。サニャック検出器１３８に加えて、追加の検出器１３６及び１３７が、集積シリコンフォトニクスチップに沿った様々な場所での伝播損失及び結合損失を測定（試験及び／又は監視のために）するため、並びに集積シリコンフォトニクスチップとＳｉＮ導波路チップとの間の結合効率を測定するために組み込むことができる。検出器は、光を電気信号に変換するＰＩＮフォトダイオード又はアバランシェフォトダイオードとすることができる。尚、チップ内で跳ね回る迷光を最小限に抑えるために、（サニャック検出器に加えて）スプリッタ、カプラ、その他などの他の導波路ベースの構成要素の周りにインプラント領域を作成することもできることに留意されたい。

【0023】

位相変調器は、感知コイル／リング共振器を有するＳｉＮ導波路ベースの感知チップにカップリングアウトするために最適化された出力カプラ１３２ａ及び１３２ｂにつながる導波路の２つの出力ブランチの一方又は両方に組み込むことができる。図１に示す非限定的な実施形態では、出力ブランチの両方に位相変調器／位相シフタ１２０及び１２２が存在する。各ブランチは、高速変調器（１２０ａ及び１２２ａ）及び熱変調器（１２０ｂ及び１２２ｂ）の両方を有してもよいし、高速変調器だけ、又は熱変調器だけを有することもできる。また、幾つかの実施形態では、１つのブランチのみが位相変調器（高速、熱、又は高速と熱の組み合わせ）を有し、他のブランチは、位相変調器を有していない。更に、モード選択フィルタ（横磁界（ＴＭ）モードの大部分をフィルタ除去する一方で横電界（ＴＥ）モードを通過させるＴＭフィルタなど）は、光ビームの経路に沿って様々な位置（例えば、１６０、１６２、１６４及び１６６）に配置することができる。ＴＭフィルタは、ＴＥモードとＴＭモードの間の消光比を改善するために、多段に配置することができる。モード選択フィルタ及び導波路構造の詳細は、２０１９年９月２３日に出願された「モード選択導波路を有するシリコンフォトニクス光ジャイロスコープのシステムアーキテクチャ」と題する同時係属の共同所有である米国特許仮出願第６２／９０４，４４３号で取り上げられており、２０１９年１０月２１日に出願された「集積フォトニクス光ジャイロスコープのシステムアーキテクチャ」と題する米国特許本出願第１６／６５９，４２４号に変更され、米国特許として発行されている。

【0024】

図２は、オフチップレーザ２０１が入力カプラ２０２（１０２のようなファイバカプラとすることができ、又は突き合わせ結合に最適化することができる）を介して集積フォトニクスフロントエンドチップ１００に結合される光ジャイロスコープの簡易概略図である。尚、レーザはまた、オンチップ、すなわちボンディング又はハイブリッドレーザ手法を介してフロントエンドチップ１００上に集積できる点に留意されたい。フロントエンドチップ１００は、本開示の一実施形態による、別個のＳｉＮ導波路ベースの感知チップ２００に結合する。尚、簡略化のために、図１に示されるフロントエンドチップ１００の幾つかの構成要素は、図２には示されていない点に留意されたい。感知チップ２００は、図２に示すように、導波管ベースの感知コイル２０５を有することができ、又は特定の実施形態においてリング共振器を有することができる。

【0025】

感知チップ２００におけるＳｉＮ導波路の非限定的で例示的な寸法は、９０ｎｍの高さ（すなわち、パターン化された導波路コア層の厚さ）及び２．８μｍの横方向幅である。当業者であれば、明細書に記載されたこれらの例示的な寸法値は、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されるであろう。導波管損失を低減するために、ＳｉＮコアの周りに対称的な上部及び下部クラッディングを有することが有用である場合がある。この構造は、溶融シリカウェーハ又は酸化物のような他の適切な材料のウェーハ結合を介して得ることができる。導波路ＳｉＮ層の厚さは、６０～１００ｎｍの間で変化することができ、幅は、所望の光学モードに応じて２～５μｍの間で変化することができる。出力カプラ１３２ａ及び１３２ｂの設計は、ＳｉＮ導波路ベース感知チップ２００上の導波路寸法に基づいて変化する。

【0026】

本発明者らは、ＳｉＮ導波路ベースの感知コイル２０５を異なる層（例えば、２以上の層）に分配することが、フォームファクタを増加させることなくより良い性能につながることを認識している。図４のＳｉＮチップの断面に示すように、多層設計は、最下層の入力導波路４６０で結合された光が、最下層から最上層（導波路ベースの感知コイルの部分４７５及び４８０が存在する）へカップルアップし、その後再び最上層から最下層へカップルダウンして、出力導波路４７０にて結合できることが必要とされる。尚、多層構成は、ダイスタックを介して、又は多層の材料の成長及び加工を介して達成することができることに留意されたい。

【0027】

多層ジャイロ構成の詳細は、２０１９年６月７日に出願された、「溶融シリカプラットフォーム上の集積シリコンフォトニクス光ジャイロスコープ」と題する同時係属の共同所有である米国特許仮出願第６２／８５８，５８８号において取り上げられている。２０１９年９月５日に出願された「集積シリコンフォトニクス光ジャイロスコープ用の単層及び多層構造」と題する後続の米国特許仮出願第６２／８９６，３６５号には、追加の実施形態が記載されている。これら２つの仮出願は、２０２０年６月５日に出願された「Ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」と題する米国特許出願第１６／８９４，１２０号に変更されている。これらの出願は、引用により本明細書に組み込まれる。

【0028】

図３は、出力ＳｉＮ導波路が導波路ベースの感知コイルのターンと交差しない、スパイラル導波路ベースのＳｉＮ感知チップ３００の分解透視図である。上面と下面の両方にコイルの部分があり、出力ＳｉＮ導波路は、入力ＳｉＮ導波路と同じ平面から出る。外部構成要素（例えば、レーザ、検出器、その他）との効率的な結合は、出力ＳｉＮ導波路と入力ＳｉＮ導波路が同一平面上にあることによって決まるので、このことは重要な設計態様である。また、感知コイルの全長を２つの層（上及び下）間で分配することで、従来のフォトニックジャイロの問題であった光の伝播方向が感知コイル内で同じであるＳｉＮ導波路の交差を回避することができる。更に、導波路の交差は散乱損失を増加させるが、図３の設計ではこれを回避することができる。

【0029】

図３において、基板３２０は、溶融シリカであるか、又は他の材料処理（例えば、Ｓｉ及び酸化物）を通じて達成することができる。例えば、層３１０、３３０、３４０、３９０及び３９５はまた、酸化物及び窒化物成長を介して製造される（感知コイルの螺旋導波路は、酸化物クラッドによって囲まれた窒化物コードである）。光信号を受け取る感知コイルの入力端部は、３６０として表記され、出力端部は３７０として表記される。導波管ベースの感知コイルは、テーパー付き先端部３５５に向かって内側に螺旋状になった底部３５０を有し、ここで導波管ベースの感知コイルの残りの部分（頂部３９９）を有する最上層３９５まで結合される。層３９０の厚さ（典型的には層３４０と３９５の間の酸化物層）が結合ギャップを設定する。導波路型感知コイルの頂部３９９は、テーパー付き先端部３７５から始まり、他方のテーパー付き先端部３８０まで外側に螺旋状になり、ここから光が、低面上の導波路のテーパー付き先端部３８５に結合して出力ポート３７０を介して外に出る（検出器又は他の光学系構成要素に向かう）。矢印付きの破線は、２つの平面におけるテーパー付き先端部の間のカップリングアップとカップリングダウンを示している。テーパー設計と導波路を有する２つの層間の垂直方向の離隔は、２つの平面間の結合効率を決定付ける。光が２つの垂直平面間で結合するためには、テーパー付き先端部３５５及び３７５が、ある程度の重なり合いを有する必要があり、また、テーパー付き先端部３８０と３８５が、ある程度重なり合いを有する必要がある。

【0030】

図５Ａ及び図５Ｂは、本開示の実施形態による、多層構成における２以上の層における窒化ケイ素導波路構成要素の分布を概略的に示す図である。簡単に言えば、フロントエンドチップ及び導波路ベースの感知コイル５０５において典型的である集積フォトニクス導波路ベースの光構成要素は全て、同じＳｉＮ導波路製造技術を使用して製造されたＳｉＮ導波路から構成され、２以上のＳｉＮ層の間に分布されている。レーザ５０１及び検出器５３６、５３７、５３８は、異なる材料系（すなわち、ＳｉＮではない）を用いて作製されるので、これらは、多層ＳｉＮダイの外側にある唯一の構成要素となるであろう。レーザ５０１、入力カプラ５０２、スプリッタ５０６及び５０８、ＴＭフィルタ５６４、出力カプラ５３２ａ及び５３２ｂ、並びに検出器５３６、５３７、５３８は、図２に示す要素２０１、２０２、１０６、１０８、１３２ａ、１３２ｂ、１３６、１３７及び１３８と機能的に等価である。

【0031】

具体的には、図５Ａは、２層ＳｉＮダイ構成を示す。この実施形態では、ＳｉＮの第１の層５００Ａは、入力及び出力カプラ、方向性カプラ、スプリッタ、及びフィルタを備えるが、導波路の出力ブランチ上の位相変調器は備えない。代わりに、位相シフタ５２０が、ＳｉＮの第２の層５００Ｂの感知コイル５０５の一方の端部と集積されている。任意選択として、感知コイルの他方の端部にも追加の位相シフタ５２２が存在することができることに留意されたい。位相シフタは、金属ヒーター（熱位相シフタ）又は圧電ベースの位相シフタとすることができる。これは、金属又はＰＺＴ材料を堆積することによって、又はＩＩＩ－Ｖウェーハ又はシリコンフォトニクスウエーハのウェーハ結合を介して達成することができる。この実施例では、感知コイル５０５全体が第２の層５００Ｂ上に示されているが、当業者は、感知コイル５０５の一部が、図３に示されているものと同様の代替の実施形態において第１の層５００Ａにも存在できることを理解するであろう。また、出力カプラ５３２ａ及び５３２ｂは、１つの層における伝播方向に沿ったモード整合を支援するのではなく、（図３で議論したように）ＳｉＮの２つの層間の垂直結合を可能にすることができる。尚、レーザ５０１及び検出器はＳｉＮチップの外側であるので、これらは、ＳｉＮ層５００Ａ上の対応する導波路構成要素と位置合わせする必要がある点に留意されたい。図６Ａは、レーザ及びサニャック検出器５３８が、モジュール６００において同じ基板によって支持することができ、モジュール６００における同じ基板は、ＳｉＮダイの層５００Ａに整列されることを示している。レーザ５０１と検出器５３８との間の物理的離隔距離は、ＳｉＮ層５００Ａ上の導波路の物理的離隔距離に一致すべきである。レーザが入力カプラ５０２に位置合わせされると、検出器は、レーザとサニャック検出器を別々に位置合わせする必要もなく、検出器が方向性カプラ５０３に自動的に位置合わせされる。この設計はまた、層５００Ａの基板に漏れる可能性のある不要な迷光からサニャック検出器を自動的に離隔する。

【0032】

図６Ａは、幾つかの実施形態において、検出器５３６及び５３７を有する代わりに、導波路端部が、光を吸収するためのインプラント領域６０１及び６０２につながることができることを示している。尚、インプラント領域は、チップ内で跳ね回る迷光を最小限にするために、他の導波路ベースの集積フォトニクス構成要素（例えば、スプリッタ、カプラ、その他）の周りに作成できることに留意されたい。迷光は、導波路部品（スプリッタ／カプラ、その他）からも、他の層からも発生する可能性がある。導波路ベースの集積フォトニクス構成要素の周りのインプラントの例は、２０１９年１０月２１日に出願された「集積フォトニクス光ジャイロスコープのためのシステムアーキテクチャ」と題する共同所有の米国特許出願第１６／６５９，４２４号（現在は米国特許第１０，７３１，９８８号として発行）に記載されており、当該米国特許出願は、２０１９年７月１０日に出願された「シリコンフォトニクス光ジャイロスコープのシステムアーキテクチャ」と題する米国仮特許出願第６２／８７２，６４０号、及び２０１９年９月２３日に出願された「モード選択導波路を有するシリコンフォトニクス光ジャイロスコープのシステムアーキテクチャ」と題する米国特許仮出願第６２／９０４，４４３号からの優先権を主張し、これらの全体は引用により本明細書に組み込まれる。

【0033】

図６Ｂは、図３に示された概念に従って、図５Ｂに示された導波路ベースの感知コイル５０５が、２以上の垂直層の間に分布することができることを示す。これにより、感知コイルのフットプリントを増加させることなく、１つの層ではなく２以上の層により多くの導波管ターンを収容することができるので、光位相差に対するより大きな信号が可能になる。具体的には、図６Ｂは、ＳｉＮチップの第１の層５００Ａが、感知コイル５０５の部分５０５ｃを有する層５００Ｃ（層２ ＳｉＮ）に垂直に結合されることを示す。感知コイルの部分５０５ｃは、感知コイル５０５の部分５０５ｄを有する層５００Ｄ（層３ ＳｉＮ）に垂直に結合される。尚、部分５０５ｃと５０５ｄの光の方向は同じであることが必要である点に留意されたい。位相シフタ５２０（及び任意選択的に位相シフタ５２２）は、層５００Ｄ上に作製することができる。尚、例示的に明瞭にするために、２つの層５００Ｄ及び５００Ｃは、互いにわずかに横方向にオフセットして示されているが、実際には、感知コイル部分５０５ｃ及び５０５ｄは、上から見たときに、層５００Ｃが層５００Ｄによって視界から遮断されるように垂直方向に整列することができる点に留意されたい。

【0034】

図７は、本開示の実施形態による、集積フォトニクス光ジャイロスコープ７００の上面図を概略的に示し、最上層にある窒化ケイ素導波路ベースの感知コイル５０５（又はその部分５０５ｄ）を示し、他のＳｉＮ導波路ベースの集積フォトニクス構成要素は最上層の下方の底層（従って、上からは見えない）であることを示している。

【0035】

尚、特定の実施形態において、レーザ及び検出器モジュール６００は、図８Ａ～８Ｄに示すように、上からＳｉＮ光ジャイロスコープチップに結合されてもよい点に留意されたい。レーザ及び検出器モジュール６００は、ＳｉＮ光ジャイロスコープチップに接着／成長されるか、又はＳｉＮ光ジャイロスコープチップにエッチングされたスロットに挿入することができる。

【0036】

具体的には、図８Ａ～８Ｂは、レーザ及び検出器モジュール６００が、典型的には全てＳｉＮ導波路に基づく入力及び出力カプラ、方向性カプラ、スプリッタ、及びフィルタを有する第１のＳｉＮ層５００Ａの上部に接着又は成長されることを（それぞれ上部ビュー８００Ａ及び側面ビュー８００Ｂで）示している。光は、エバネセント的に（又は物理的な導波路を介して）第１のＳｉＮ層５００Ａへの入力カプラに結合され、第１のＳｉＮ層５００Ａから検出器に結合される。感知コイル（破線で示す）は、第１のＳｉＮ層５００Ａの下方の第２のＳｉＮ層５００Ｂに少なくとも部分的に存在する。位相シフタ５２０（及び任意選択的に５２２）は、第１のＳｉＮ層５００Ａ上にあってもよい。図８Ｂに示すように、第１のＳｉＮ層５００Ａ及び第２のＳｉＮ層５００Ｂは、層５００Ａ及び５００Ｂの間のエバネセント結合に役立つ層８０２によって垂直方向に離隔することができる。また、幾つかの実施形態では、層５００Ｂは、複数のサブ層（例えば、層５００Ｃ及び５００Ｄ、ただし３又はそれ以上の層も可能）に細分化することができ、各サブ層は、感知コイルの一部を有する。

【0037】

図８Ｃ～８Ｄは、レーザ及び検出器モジュール６００が、ＳｉＮ層５００Ａにエッチングされたキャビティに挿入されることを示す（それぞれ側面図８００Ｃ及び上面図８００Ｄ）。エッチングされたキャビティは、レーザ及び検出器モジュール６００と、ＳｉＮ層５００Ａ内の対応するＳｉＮ集積フォトニクス導波路構成要素との自己整列を容易にする。図８Ｃ及び図８Ｄでは、感知コイルは示されていないが、図８Ｂと同様に、感知コイルは、感知コイルの部分を有するサブ層５００Ｃ及び５００Ｄに細分化することができる層５００Ｂに存在することができる。

【0038】

上述の明細書において、本開示の実施構成は、その具体的な例示的な実施構成を参照して説明されている。添付の特許請求の範囲に記載される本開示の実施構成のより広い精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされ得ることは明らかであろう。従って、本明細書及び図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味で見なされるべきものである。更に、方向性の用語、例えば、「上」、「下」、その他は、本開示の範囲を任意の固定された方向に限定するものではなく、方向性の様々な並び替え及び組み合わせを包含する。

【符号の説明】

【0039】

５０１ レーザ
５０５ 感知コイル
５２０ 位相シフタ
５３８ レーザ及びサニャック検出器
６００ モジュール
７００ 集積フォトニクス光ジャイロスコープ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】