JP2000121367A - 光ジャイロ - Google Patents
光ジャイロInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、特別な光学系を用いなくても光の
結合効率が良好な、半導体基板上に半導体レーザーと光
検出手段とを設けた光ジャイロを提供する。 【解決手段】 本発明の光ジャイロは、周回状に光が伝
搬するリング共振型半導体レーザーと、該リング共振型
半導体レーザーから生じたレーザー光に対する全反射面
とを備え、該全反射面に存在するエバッセント光のしみ
出し距離範囲内に、光検出手段を設けたことを特徴とす
る。前記リング共振型半導体レーザーが突起部を有し、
該突起部に近接して前記光検出手段を設けた形態が好ま
しく、前記突起部における、前記リング共振型半導体レ
ーザーを構成する半導体と光の界面への入射角を１６．
６度未満とした形態が望ましい。また、前記光検出手段
を集積化した方がさらに望ましい。
結合効率が良好な、半導体基板上に半導体レーザーと光
検出手段とを設けた光ジャイロを提供する。 【解決手段】 本発明の光ジャイロは、周回状に光が伝
搬するリング共振型半導体レーザーと、該リング共振型
半導体レーザーから生じたレーザー光に対する全反射面
とを備え、該全反射面に存在するエバッセント光のしみ
出し距離範囲内に、光検出手段を設けたことを特徴とす
る。前記リング共振型半導体レーザーが突起部を有し、
該突起部に近接して前記光検出手段を設けた形態が好ま
しく、前記突起部における、前記リング共振型半導体レ
ーザーを構成する半導体と光の界面への入射角を１６．
６度未満とした形態が望ましい。また、前記光検出手段
を集積化した方がさらに望ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ジャイロに係
る。より詳細には、特別な光学系が無くても光の結合効
率が安定な光ジャイロに関する。
る。より詳細には、特別な光学系が無くても光の結合効
率が安定な光ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、移動する物体の角速度を検出する
ために用いるジャイロとしては、回転子や振動子をもつ
機械的なジャイロや、光ジャイロが知られている。特
に、光ジャイロは瞬間起動が可能でダイナミックレンジ
が広いため、ジャイロ技術分野に革新をもたらしつつあ
る。光ジャイロには、リング共振型レーザージャイロ、
光ファイバージャイロ、受動型のリング共振器ジャイロ
などがある。このうち、最も早く開発に着手されたの
が、ガスレーザーを用いたリング共振型レーザージャイ
ロであり、既に航空機用途などで実用化されている。最
近では、小型で高精度なリング共振型半導体レーザージ
ャイロも提案されており、その一例としては特開平５−
２８８５５６号公報に開示されたものが挙げられる。
ために用いるジャイロとしては、回転子や振動子をもつ
機械的なジャイロや、光ジャイロが知られている。特
に、光ジャイロは瞬間起動が可能でダイナミックレンジ
が広いため、ジャイロ技術分野に革新をもたらしつつあ
る。光ジャイロには、リング共振型レーザージャイロ、
光ファイバージャイロ、受動型のリング共振器ジャイロ
などがある。このうち、最も早く開発に着手されたの
が、ガスレーザーを用いたリング共振型レーザージャイ
ロであり、既に航空機用途などで実用化されている。最
近では、小型で高精度なリング共振型半導体レーザージ
ャイロも提案されており、その一例としては特開平５−
２８８５５６号公報に開示されたものが挙げられる。
【０００３】しかしながら、従来のリング共振型半導体
レーザージャイロでは、半導体基板上に半導体レーザー
と光検出手段を集積してはいるが、半導体レーザーと光
検出手段との間に適切な光学系が無いため、光の結合効
率に問題があった。
レーザージャイロでは、半導体基板上に半導体レーザー
と光検出手段を集積してはいるが、半導体レーザーと光
検出手段との間に適切な光学系が無いため、光の結合効
率に問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特別
な光学系を用いなくても光の結合効率が良好な、半導体
基板上に半導体レーザーと光検出手段とを設けた光ジャ
イロを提供するものである。
な光学系を用いなくても光の結合効率が良好な、半導体
基板上に半導体レーザーと光検出手段とを設けた光ジャ
イロを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る光ジャイロ
は、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該リング共振型半導体レーザーから生じたレーザー
光に対する全反射面とを備え、該全反射面に存在するエ
バッセント光のしみ出し距離範囲内に、光検出手段を設
けたことを特徴とする。
は、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該リング共振型半導体レーザーから生じたレーザー
光に対する全反射面とを備え、該全反射面に存在するエ
バッセント光のしみ出し距離範囲内に、光検出手段を設
けたことを特徴とする。
【０００６】上記構成に係るリング共振型レーザーで
は、周回状に光が伝搬するするが、レーザーを回転させ
た場合、右回りのレーザー光と左回りのレーザー光の発
振周波数の差Δｆは、次式で与えられる。
は、周回状に光が伝搬するするが、レーザーを回転させ
た場合、右回りのレーザー光と左回りのレーザー光の発
振周波数の差Δｆは、次式で与えられる。
【０００７】Δｆ＝（４Ｓ／λＬ）Ω （１） ここで、Ｓは光路が囲む閉面積、λはレーザー光の発振
波長、Ｌは光路長、Ωは回転の角速度である。つまり、
半導体レーザーから出射される右回りのレーザー光と左
回りのレーザー光を一つの光検出手段で受ければ、電気
的なビート信号が発生する。また、半導体レーザーがレ
ーザー光に対する全反射面をもっていることから、ミラ
ー損失が無くなるため、レーザーの発振しきい値を低減
できる。さらに、この全反射面にはエバッセント光が存
在し、半導体レーザーの共振器外に光がしみ出してい
る。この光のしみ出している距離範囲内に、光検出手段
を設けることにより、安定した光の結合効率が得られ
る。
波長、Ｌは光路長、Ωは回転の角速度である。つまり、
半導体レーザーから出射される右回りのレーザー光と左
回りのレーザー光を一つの光検出手段で受ければ、電気
的なビート信号が発生する。また、半導体レーザーがレ
ーザー光に対する全反射面をもっていることから、ミラ
ー損失が無くなるため、レーザーの発振しきい値を低減
できる。さらに、この全反射面にはエバッセント光が存
在し、半導体レーザーの共振器外に光がしみ出してい
る。この光のしみ出している距離範囲内に、光検出手段
を設けることにより、安定した光の結合効率が得られ
る。
【０００８】また、前記リング共振型半導体レーザーが
突起部を有し、該突起部に近接して前記光検出手段を設
けることにより、突起部から光検出手段に向けてレーザ
ー光が選択的に出射されるようになる。この出射された
光を光検出手段で受けることによって、回転速度が検出
可能となる。この場合、エバッセント光を光検出手段に
結合するわけではないので、突起部と光検出手段との間
の距離は、しみ出し距離より大きくても構わない。従っ
て、半導体レーザーと光検出手段との配置に関して、設
計の自由度が増す。
突起部を有し、該突起部に近接して前記光検出手段を設
けることにより、突起部から光検出手段に向けてレーザ
ー光が選択的に出射されるようになる。この出射された
光を光検出手段で受けることによって、回転速度が検出
可能となる。この場合、エバッセント光を光検出手段に
結合するわけではないので、突起部と光検出手段との間
の距離は、しみ出し距離より大きくても構わない。従っ
て、半導体レーザーと光検出手段との配置に関して、設
計の自由度が増す。
【０００９】さらに、前記突起部における、前記リング
共振型半導体レーザーを構成する半導体と光の界面への
入射角を、１６．６度未満とした場合には、全反射が生
じなくなることから、突起部から出射される光の強度が
大きくなり、突起部から出射された光に対する光検出手
段の感度が向上する。
共振型半導体レーザーを構成する半導体と光の界面への
入射角を、１６．６度未満とした場合には、全反射が生
じなくなることから、突起部から出射される光の強度が
大きくなり、突起部から出射された光に対する光検出手
段の感度が向上する。
【００１０】さらには、レーザー光を受ける光検出手段
を集積化して設けることにより、検出感度の向上が可能
となる。
を集積化して設けることにより、検出感度の向上が可能
となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下では、本発明に係る光ジャイ
ロの構成及びその作用について、図面を参照して説明す
る。
ロの構成及びその作用について、図面を参照して説明す
る。
【００１２】（第１の実施の形態）図１は、本発明に係
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの一例を示す模式的な斜視図であ
り、半導体レーザーとして円柱状のものを用いた場合を
示す。図１において、１は半導体レーザー、２は光検出
手段、１１は半導体レーザーの上に設けたアノード、１
２は半導体レーザーを構成する活性層、２１は光検出手
段の上に設けたアノード、２２は光検出手段を構成する
吸収層、３１はカソード、５０は半導体レーザー及び光
検出手段を載置する基板である。
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの一例を示す模式的な斜視図であ
り、半導体レーザーとして円柱状のものを用いた場合を
示す。図１において、１は半導体レーザー、２は光検出
手段、１１は半導体レーザーの上に設けたアノード、１
２は半導体レーザーを構成する活性層、２１は光検出手
段の上に設けたアノード、２２は光検出手段を構成する
吸収層、３１はカソード、５０は半導体レーザー及び光
検出手段を載置する基板である。
【００１３】上記構成において、アノード１１から半導
体レーザー１に電流を注入するとともに、アノード２１
を用いて光検出手段２に逆バイアス電圧を印加する。活
性層１２と吸収層２２は厚さが０．１μｍで、１．５５
μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ膜であり、その上下に厚さが
０．３μｍで、１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰからな
る光ガイド層を設け、さらにこれらを挟むようにＩｎＰ
からなるクラッド層が形成されている。半導体と空気で
は屈折率が異なるため、界面で反射が生じる。半導体の
屈折率を３．５とすると、界面に対する法線とレーザー
光とのなす角が１６．６度以上で全反射が生じる。全反
射を受けるモードは、他のモードに比べてミラー損失分
だけ発振しきい利得が小さくなるので、低注入電流レベ
ルで発振が開始する。しかもこの発振モードに利得が集
中するため、他のモードの発振は抑制される。半導体レ
ーザー４０からなる素子の半径が１０μｍ、活性層の厚
さが０．１μｍのとき、発振しきい電流は０．８ｍＡと
なる。半導体レーザー１と光検出手段２との距離は、エ
バッセント光のしみ出し距離と等しい０．８３μｍとし
た。駆動電流３ｍＡのとき、カメラの手ぶれや、自動車
の振動程度の毎秒３０度の回転を活性層１２の面内に受
けると、光検出手段１から電圧振幅１００ｍＶ、周波数
２３．６Ｈｚの信号が得られる。
体レーザー１に電流を注入するとともに、アノード２１
を用いて光検出手段２に逆バイアス電圧を印加する。活
性層１２と吸収層２２は厚さが０．１μｍで、１．５５
μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ膜であり、その上下に厚さが
０．３μｍで、１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰからな
る光ガイド層を設け、さらにこれらを挟むようにＩｎＰ
からなるクラッド層が形成されている。半導体と空気で
は屈折率が異なるため、界面で反射が生じる。半導体の
屈折率を３．５とすると、界面に対する法線とレーザー
光とのなす角が１６．６度以上で全反射が生じる。全反
射を受けるモードは、他のモードに比べてミラー損失分
だけ発振しきい利得が小さくなるので、低注入電流レベ
ルで発振が開始する。しかもこの発振モードに利得が集
中するため、他のモードの発振は抑制される。半導体レ
ーザー４０からなる素子の半径が１０μｍ、活性層の厚
さが０．１μｍのとき、発振しきい電流は０．８ｍＡと
なる。半導体レーザー１と光検出手段２との距離は、エ
バッセント光のしみ出し距離と等しい０．８３μｍとし
た。駆動電流３ｍＡのとき、カメラの手ぶれや、自動車
の振動程度の毎秒３０度の回転を活性層１２の面内に受
けると、光検出手段１から電圧振幅１００ｍＶ、周波数
２３．６Ｈｚの信号が得られる。
【００１４】従って、上記構成により、安定な光の結合
効率を有する光ジャイロが得られることが明らかとなっ
た。
効率を有する光ジャイロが得られることが明らかとなっ
た。
【００１５】なお、ここでは半導体レーザーの形状とし
て円柱状を選んだが、光が周回するような共振器を構成
できれば、半導体レーザーの形状は何であってもかまわ
ない。また、半導体材料として、ＩｎＧａＡｓＰ系のも
のを用いたが、ＧａＡｓ系、ＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＮ
系、ＡｌＧａＮ系などどのような材料系であっても構わ
ない。
て円柱状を選んだが、光が周回するような共振器を構成
できれば、半導体レーザーの形状は何であってもかまわ
ない。また、半導体材料として、ＩｎＧａＡｓＰ系のも
のを用いたが、ＧａＡｓ系、ＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＮ
系、ＡｌＧａＮ系などどのような材料系であっても構わ
ない。
【００１６】（第２の実施の形態）図２は、本発明に係
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの他の一例を示す模式的な斜視図で
あり、光検出手段が半導体レーザーを取り囲むように設
けた点が第１の実施の形態（図１）と異なる。他の点
は、第１の実施の形態と同様とした。
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの他の一例を示す模式的な斜視図で
あり、光検出手段が半導体レーザーを取り囲むように設
けた点が第１の実施の形態（図１）と異なる。他の点
は、第１の実施の形態と同様とした。
【００１７】この構成によれば、半導体レーザー１のす
べての面に存在するエバッセント光を光検出手段２で受
光することができるので、半導体レーザー１の側面に多
少非対称な部分があっても、高い光の結合効率を有する
光ジャイロが得られる。
べての面に存在するエバッセント光を光検出手段２で受
光することができるので、半導体レーザー１の側面に多
少非対称な部分があっても、高い光の結合効率を有する
光ジャイロが得られる。
【００１８】（第３の実施の形態）図３は、本発明に係
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの他の一例を示す模式的な斜視図で
あり、半導体レーザーが突起部を有し、該突起部に近接
して光検出手段を設けた点が第１の実施の形態（図１）
と異なる。他の点は、第１の実施の形態と同様とした。
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの他の一例を示す模式的な斜視図で
あり、半導体レーザーが突起部を有し、該突起部に近接
して光検出手段を設けた点が第１の実施の形態（図１）
と異なる。他の点は、第１の実施の形態と同様とした。
【００１９】この構成によれば、半導体レーザー１の中
で周回するレーザー光に対して、突起部１３のみで半導
体と光の界面への入射角が異なる。突起部１３への入射
角が１６．６度未満になるように突起部を形成すると全
反射が生じなくなり、突起部１３からレーザー光が出射
される。この光を光検出手段２で受けることによって、
回転速度を検出することができる。この場合、エバッセ
ント光を光検出手段２に結合するわけではないので、突
起部１３と光検出手段２との間の距離は、しみ出し距離
よりも大きくてもよい。従って、半導体レーザー１と光
検出手段２の配置に関して、設計の自由度が増す。
で周回するレーザー光に対して、突起部１３のみで半導
体と光の界面への入射角が異なる。突起部１３への入射
角が１６．６度未満になるように突起部を形成すると全
反射が生じなくなり、突起部１３からレーザー光が出射
される。この光を光検出手段２で受けることによって、
回転速度を検出することができる。この場合、エバッセ
ント光を光検出手段２に結合するわけではないので、突
起部１３と光検出手段２との間の距離は、しみ出し距離
よりも大きくてもよい。従って、半導体レーザー１と光
検出手段２の配置に関して、設計の自由度が増す。
【００２０】（第４の実施の形態）図４は、本発明に係
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの他の一例を示す模式的な斜視図で
あり、光検出手段が半導体レーザーを取り囲むように設
けた点が第３の実施の形態（図３）と異なる。他の点
は、第３の実施の形態と同様とした。
る、周回状に光が伝搬するリング共振型半導体レーザー
と、該レーザーから出射された光を受ける光検出手段と
を備えた光ジャイロの他の一例を示す模式的な斜視図で
あり、光検出手段が半導体レーザーを取り囲むように設
けた点が第３の実施の形態（図３）と異なる。他の点
は、第３の実施の形態と同様とした。
【００２１】この構成によれば、突起部１３から色々な
方向に出射されるレーザー光を余すところなく、光検出
手段２で受けることが可能となる。その結果、第３の実
施の形態よりもさらに光の結合効率が増す。
方向に出射されるレーザー光を余すところなく、光検出
手段２で受けることが可能となる。その結果、第３の実
施の形態よりもさらに光の結合効率が増す。
【００２２】なお、上述した全ての実施の形態におい
て、光検出手段の形状を立方体状とした例を示したが、
この形状に制限されるものではない。また、半導体レー
ザー１と光検出手段２を構成する材料系が異なっていて
も構わない。
て、光検出手段の形状を立方体状とした例を示したが、
この形状に制限されるものではない。また、半導体レー
ザー１と光検出手段２を構成する材料系が異なっていて
も構わない。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
周回状に光が伝搬するリング共振型レーザーと、該リン
グ共振型半導体レーザーから生じたレーザー光に対する
全反射面とを備え、該全反射面に存在するエバッセント
光のしみ出し距離範囲内に、光検出手段を設けたことに
より、特別な光学系がなくても光の結合効率が高く、し
かも安定な小型軽量の光ジャイロを提供することが可能
となる。
周回状に光が伝搬するリング共振型レーザーと、該リン
グ共振型半導体レーザーから生じたレーザー光に対する
全反射面とを備え、該全反射面に存在するエバッセント
光のしみ出し距離範囲内に、光検出手段を設けたことに
より、特別な光学系がなくても光の結合効率が高く、し
かも安定な小型軽量の光ジャイロを提供することが可能
となる。
【００２４】上記構成において、リング共振型半導体レ
ーザーが突起部を有し、該突起部に近接して前記光検出
手段を設けることによって、半導体レーザーと光検出手
段の配置に関して、設計の自由度を増すことができる。
ーザーが突起部を有し、該突起部に近接して前記光検出
手段を設けることによって、半導体レーザーと光検出手
段の配置に関して、設計の自由度を増すことができる。
【００２５】また、前記突起部における、前記リング共
振型半導体レーザーを構成する半導体と光の界面への入
射角を１６．６度未満とした場合には、全反射が生じな
くなることから、突起部から出射される光の強度が大き
くなる。したがって、突起部から出射された光に対する
光検出手段の感度が向上する。
振型半導体レーザーを構成する半導体と光の界面への入
射角を１６．６度未満とした場合には、全反射が生じな
くなることから、突起部から出射される光の強度が大き
くなる。したがって、突起部から出射された光に対する
光検出手段の感度が向上する。
【００２６】さらには、レーザー光を受ける光検出手段
を集積化して設けることにより、さらに高い検出感度を
有する光ジャイロを構築できる。
を集積化して設けることにより、さらに高い検出感度を
有する光ジャイロを構築できる。
【図１】本発明に係る、半導体レーザーを備えた光ジャ
イロの一例を示す模式的な斜視図である。
イロの一例を示す模式的な斜視図である。
【図２】本発明に係る、半導体レーザーを備えた光ジャ
イロの他の一例を示す模式的な斜視図である。
イロの他の一例を示す模式的な斜視図である。
【図３】本発明に係る、半導体レーザーを備えた光ジャ
イロの他の一例を示す模式的な斜視図である。
イロの他の一例を示す模式的な斜視図である。
【図４】本発明に係る、半導体レーザーを備えた光ジャ
イロの他の一例を示す模式的な斜視図である。
イロの他の一例を示す模式的な斜視図である。
１ 半導体レーザー、 ２ 光検出手段、 １１ 半導体レーザーの上に設けたアノード、 １２ 半導体レーザーを構成する活性層、 ２１ 光検出手段の上に設けたアノード、 ２２ 光検出手段を構成する吸収層、 ３１ カソード、 ５０ 半導体レーザー及び光検出手段を載置する基板。
Claims (4)
- 【請求項１】 周回状に光が伝搬するリング共振型半導
体レーザーと、該リング共振型半導体レーザーから生じ
たレーザー光に対する全反射面とを備え、該全反射面に
存在するエバッセント光のしみ出し距離範囲内に、光検
出手段を設けたことを特徴とする光ジャイロ。 - 【請求項２】 前記リング共振型半導体レーザーが突起
部を有し、該突起部に近接して前記光検出手段を設けた
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】 前記突起部における、前記リング共振型
半導体レーザーを構成する半導体と光の界面への入射角
を、１６．６度未満としたことを特徴とする請求項２に
記載の光ジャイロ。 - 【請求項４】 前記光検出手段が集積化されていること
を特徴とする請求項１又は２に記載の光ジャイロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10296581A JP2000121367A (ja) | 1998-10-19 | 1998-10-19 | 光ジャイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10296581A JP2000121367A (ja) | 1998-10-19 | 1998-10-19 | 光ジャイロ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000121367A true JP2000121367A (ja) | 2000-04-28 |
Family
ID=17835409
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10296581A Pending JP2000121367A (ja) | 1998-10-19 | 1998-10-19 | 光ジャイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000121367A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005085759A1 (ja) | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Advanced Telecommunications Research Institute International | 半導体レーザを用いたジャイロ |
| JP2006278850A (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Advanced Telecommunication Research Institute International | 半導体発光素子、その製造方法およびその半導体発光素子を用いた半導体レーザジャイロ |
-
1998
- 1998-10-19 JP JP10296581A patent/JP2000121367A/ja active Pending
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