JP2000205864A

JP2000205864A - 光ジャイロ

Info

Publication number: JP2000205864A
Application number: JP11011098A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Numai; 貴陽沼居
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ディザ（微小振動）などの機械的な機構がな
い状態で回転方向の検出が可能で、ロックインが生じに
くく、かつ光検出器の不要なリングレーザー型ジャイロ
を提供する。【解決手段】光導波路の一部に１又は２以上のテーパ
ー部を設けたリングレーザーと、前記リングレーザー２
０から放出されたレーザー光を選択的に透過又は反射す
る光フィルター３と、前記光フィルターの透過光又は反
射光を受光する光検出器４とを備えた光ジャイロにおい
て、前記テ−パー部は、一つの方向に周回するレーザー
光の反射損を、他の方向に周回するレーザー光の反射損
より小さくさせて、前記一つの方向に周回するレーザ光
を発振させ、前記光フィルター３は、前記レーザ光の発
振周波数に応じて反射光の強度を変化させ、前記光検出
器の出力に基いて、前記リングレーザーの回転数及び回
転方向を検知するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ジャイロに関
し、特に半導体基板上に集積されたリングレーザー型の
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
ためのジャイロとしては、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、リングレーザー型ジャイロ、光ファイバー
ジャイロ、受動型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、気体レーザー
を用いたリングレーザー型ジャイロであり、すでに航空
機などで実用化されている。最近では、小型で高精度な
リングレーザー型ジャイロとして、半導体基板上に集積
化された半導体レーザージャイロも提案されている。こ
の公知文献としては、例えば特開平５−２８８５５６号
公報（「半導体レーザジャイロ」）がある。

【０００３】上記の公報によれば、図８に示すように、
ｐｎ接合を有する半導体基板１０００上に、リング状の
利得導波路１１００を形成し、この利得導波路１１００
内に、電極２２００からキャリアを注入してレーザ発振
を生じさせる。そして、利得導波路１１００内を時計方
向及び反時計方向に伝播するレーザ光のそれぞれの一部
を取り出して、光吸収領域１７００にて干渉させ、その
干渉光強度を電極２３００から光電流として取り出して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のリング
レーザー型ジャイロは、回転方向の検出が出来なかっ
た。このため、ディザ（微小振動）をかけ、ディザ（微
小振動）の方向と信号との相関から回転方向を決定して
いた。

【０００５】また、リングレーザー型ジャイロでは、回
転に伴い発振周波数が２つに分離する。しかし、回転数
が小さいときは発振周波数の差が小さくなる。この場
合、媒質の非線形性のため、発振周波数が一方のモード
に引き込まれるロックイン現象が生じていた。このロッ
クイン現象を解除するために、リングレーザー型ジャイ
ロに前述のディザ（微小振動）をかけることが行われて
いる。

【０００６】そこで、本発明は、ディザ（微小振動）な
どの機械的な機構がない状態で回転方向の検出が可能
で、ロックインが生じにくく、かつ光検出器の不要なリ
ングレーザー型ジャイロを提供することを課題としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明は、光導波路内を一つの方向に周回するレー
ザー光を主モードとして発生するリングレーザーと、前
記リングレーザーから放出されたレーザー光をその波長
に応じた強度にフィルタリングする光フィルターと、前
記フィルタリングされた光を検出する光検出器とを備え
る。

【０００８】又、本発明は、光導波路の１又は２以上の
個所にテーパー部を設けたリングレーザーと、前記リン
グレーザーから放出されたレーザー光をその波長に応じ
た強度にフィルタリングする光フィルターと、前記フィ
ルタリングされた光を検出する光検出器とを備える。

【０００９】又、本発明は、光導波路の一部に１又は２
以上の光学素子を設けたリングレーザーと、前記リング
レーザーから放出されたレーザー光をその波長に応じた
強度にフィルタリングする光フィルターと、前記フィル
タリングされた光を検出する光検出器とを備えた光ジャ
イロであって、前記光学素子は、前記光導波路内を一つ
の方向に周回するレーザー光の透過損を、他の方向に周
回するレーザー光の透過損より小さくする。

【００１０】又、本発明は、光導波路内を一つの方向に
周回するレーザー光を主モードとして発生するリングレ
ーザーと、前記リングレーザーから放出されたレーザー
光を受光する別のレーザーと、前記別のレーザーにおけ
る電圧、電流、又はインピーダンスの変化を検出するた
めの電気端子とを備える。

【００１１】又、本発明は、光導波路の一部に１又は２
以上の光学素子を設けたリングレーザーと、前記リング
レーザーから放出されたレーザー光を受光する別のレー
ザーと、前記別のレーザーにおける電圧、電流、又はイ
ンピーダンスの変化を検出するための電気端子とを備え
る。

【００１２】又、本発明は、光導波路の一部に１又は２
以上の光学素子を設けたリングレーザーと、前記リング
レーザーから放出されたレーザー光を受光する別のレー
ザーと、前記別のレーザーにおける電圧、電流、又はイ
ンピーダンスの変化を検出するための電気端子とを備え
た光ジャイロであって、前記光学素子は、前記光導波路
内を一つの方向に周回するレーザー光に対する透過損
を、他の方向に周回するレーザー光に対する透過損より
小さくする。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の説明に先立
ち、まず、数式を参照して、本発明の光ジャイロの動作
原理について説明する。

【００１４】本発明において、光導波路内を一つの方向
に周回するレーザー光を主モードとして発生するリング
レーザーとは、光導波路内を一つの方向に周回するレー
ザー光のみを発生するリングレーザー、又は、光導波路
内を一つの方向に周回するレーザー光の強度が他の方向
に周回するレーザー光の強度よりはるかに大きいリング
レーザーをいう。本発明の光ジャイロによって検出され
る信号のSN比は、一つの方向に周回する主モードのレー
ザー光と、他の方向に周回する副モードのレーザー光と
の強度比によって影響を受ける。従って、本発明におい
ては、主モードのレーザー光のみを発生させることが好
ましい。しかし、光ジャイロによって検出される信号の
SN比を十分な値に確保することができる範囲であれば、
副モードのレーザー光が発生しても構わない。

【００１５】リングレーザー内のレーザー光が時計回り
に周回するとし、その波長をλ₁とする。前記リングレ
ーザーを時計回りに回転させるとき、時計回りのレーザ
ー光の発振周波数ｆ₁は、非回転時の発振周波数ｆ₁₀に
比べて、式（１）に示すように、

【００１６】

【数１】だけ減少する。ここで、Ｓ₁はレーザー光の光路が囲む
閉面積、Ｌ₁はレーザー光の光路長、Ωは回転の角速度
である。一方、前記リングレーザーを反時計回りに回転
させると、時計回りのレーザー光の発振周波数ｆ₁は、
非回転時の発振周波数ｆ₁₀に比べて、式（２）に示すよ
うに、

【００１７】

【数２】だけ増加する。

【００１８】前記リングレーザーから出射されたレーザ
ー光を光フィルターに入射すると、レーザー光の発振周
波数に応じて、透過光および反射光の強度が変化する。
したがって、前記光フィルターの透過光あるいは反射光
を光検出器に入射すれば、発振周波数の変化を電気信号
として検出することができる。

【００１９】あらかじめ、非回転時の発振周波数と光フ
ィルターの透過波長又は反射波長との関係を定めてお
き、発振周波数の増減と前記リングレーザーに入射する
レーザー光の強度の増減が１対１に対応するようにして
おくことで、回転速度だけではなく、回転方向も検知す
ることができる。

【００２０】なお、回転に伴う発振周波数の変化は小さ
いため、光フィルターとしては、スペクトルの急峻なも
のが必要である。たとえば、セルに気体を封入して原子
や分子の吸収線を利用したり、レーザーの発振スペクト
ル線幅を利用するなどの方法がある。原子や分子の吸収
線を用いる場合は、たとえばレーザー分光で用いられて
いるシュタルク効果のように、電界印加によるスペクト
ル線のシフトなどを利用すれば、リングレーザーの発振
周波数と光フィルターの共鳴周波数との関係を制御する
ことができる。

【００２１】さて、リングレーザーの中で、一つの方向
に周回状に伝搬するレーザー光のみを発振させるために
は、反対方向に周回状に伝搬する光にだけ損失を与えれ
ばよい。たとえば、光導波路の一部にテーパー部を設け
ることで、前記テーパー部に入射する光に対して、全反
射条件がずれる。このため、前記テーパー部に入射した
光に対してミラー損が生ずる。光の周回方向によって、
テーパー部への入射角が異なるので、ある方向に周回す
るレーザー光に対して発振が不可能となるほど損失が大
きく、その反対方向に周回する光に対して損失を小さく
することができる。この結果、一つの方向に周回状に伝
搬するレーザー光のみを発振させることができる。ここ
で、本発明において、テーパー部は、たとえば、レーザ
ー光の伝搬方向の一方向に沿って徐々に光導波路の幅が
広くなる部分として形成される。この場合、周回するレ
ーザー光の伝搬路を含む平面に平行な平面におけるテー
パー部の形状は鋸歯状である。

【００２２】また、光導波路の一部にテーパー部を設け
る代わりに、光路中に光アイソレーターのような光学素
子を挿入してもよい。光アイソレーターは、ある偏波方
向の定まった光を一方向にのみ通す。したがって、光ア
イソレーターを挿入することで、通常のレーザーのよう
にお互いに反対方向に周回する光の偏波が等しい場合、
一つの方向に周回状に伝搬する光のみが存在するリング
レーザーを作ることができる。もちろん、光を一方向に
のみ通す機能を持った光学素子ならば、光アイソレータ
ーに限らず、光サーキュレーターなど、他の光学素子で
もよいことは言うまでもない。

【００２３】ところで、前記第１のリングレーザーから
出射された第１のレーザー光を前記第２のレーザーに入
射すると、前記第２のレーザーの中で、前記第１のレー
ザー光と、もともと前記第２のレーザーの中に存在する
第２のレーザー光とが干渉する。非回転時の前記第１の
レーザー光と前記第２のレーザー光の発振周波数が異な
るようにしておくことで、この発振周波数の差に応じた
ビート光が非回転時に生じる。この状態で、前記第１の
リングレーザーと前記第２のリングレーザーを同時に回
転させると、式（１）および式（２）に応じて、前記第
１のレーザー光の発振周波数が変化する。この結果、前
記第２のレーザーの中でビート周波数が変化する。この
とき、前記第２のレーザーが、電圧、電流あるいはイン
ピーダンスを検出する電気端子を備えていれば、この電
気端子からビート信号を検出することができる。このビ
ート信号は、定電流駆動であれば、端子電圧の変化とし
て検出することができる。一方、定電圧駆動であれば、
注入電流の変化として観測される。また、インピーダン
スメーターを用いて、直接アノードとカソード間のイン
ピーダンスの変化を測定してもよい。

【００２４】回転方向の検知は、ビート周波数の非回転
時からの増減を観測することによって可能となる。ただ
し、回転方向を検知できるのは、第１のレーザー光の発
振周波数をｆ₁、第２のレーザー光の発振周波数をｆ₂
（＞ｆ₁）とするとき、発振周波数の差が式(3)を満た
すときである。

【００２５】

【数３】もし、第１のレーザー光と第２のレーザー光の非回転時
の発振波長が等しければ、式(4）に示すように、

【００２６】

【数４】となり、ビート周波数ｆ₂−ｆ₁は正負の値をとる。ビ
ート周波数の絶対値が等しければ、端子から同じ信号が
出るので、この場合は回転方向の検知ができない。これ
に対して、ビート周波数の符号が常に同一（ただし説明
では、符号を正にとった）で、その絶対値だけが回転方
向によって変化する構成にすれば、回転方向の検知が可
能となる。

【００２７】以上、本発明の光ジャイロの動作原理につ
いて説明した。

【００２８】本発明の第１の実施形態においては、一つ
の方向に周回状に伝搬するレーザー光のみが存在するよ
うに、少なくとも光導波路の一部にテーパー状の光導波
路を含むリングレーザーと、前記リングレーザーから放
出されたレーザー光を選択的に透過あるいは反射する光
フィルターと、前記光フィルターの透過光あるいは反射
光を受光する光検出器を備えている。

【００２９】第２の実施形態においては、一つの方向に
周回状に伝搬するレーザー光のみが存在するような光学
素子を少なくとも光導波路の一部に含むリングレーザー
と、前記リングレーザーから放出されたレーザー光を選
択的に透過あるいは反射する光フィルターと、前記光フ
ィルターの透過光あるいは反射光を受光する光検出器を
備えている。

【００３０】第３の実施形態においては、前記リングレ
ーザーの光導波路が、全反射面をもつ。この記構成にお
いて、リングレーザーが全反射面を備えて、この全反射
面のみでリング型共振器を構成すれば、ミラー損失がな
くなるため、レーザーの発振しきい値が低減される。

【００３１】第４の実施形態においては、前記リングレ
ーザーと前記光フィルターが光導波路で光学的に結合さ
れている。

【００３２】第５の実施形態においては、前記光導波路
が前記リングレーザーを構成する光導波路の一部であ
る。この構成において、前記リングレーザーから出射し
たレーザー光が、前記光導波路の中を伝搬して前記光フ
ィルターに入射することから、前記リングレーザーと前
記光フィルターとの間の光の結合効率が高くなる。さら
に、前記リングレーザーと前記光フィルターとを光学的
に接続する光導波路が、前記リングレーザーを構成する
光導波路の一部であれば、前記リングレーザーと前記光
導波路との間の光の結合効率も高くできる。

【００３３】第６の実施形態においては、一つの方向に
周回状に伝搬するレーザー光のみが存在するように、少
なくとも光導波路の一部にテーパー状の光導波路を含む
第１のリングレーザーと、前記第１のリングレーザーか
ら放出されたレーザー光を受光する第２のレーザーを備
え、かつ前記第２のレーザーが、電圧、電流あるいはイ
ンピーダンスを検出する電気端子を備えている。

【００３４】第７の実施形態においては、一つの方向に
周回状に伝搬するレーザー光のみが存在するような光学
素子を少なくとも光導波路の一部に含む第１のリングレ
ーザーと、前記第１のリングレーザーから放出されたレ
ーザー光を受光する第２のレーザーを備え、かつ前記第
２のレーザーが、電圧、電流あるいはインピーダンスを
検出する電気端子を備えている。この構成において、た
とえば前記第２のレーザーを導波型レーザーとする。こ
の場合、前記第２のレーザーは、回転を受けても発振周
波数は変化しない。

【００３５】第８の実施形態においては、前記第１のリ
ングレーザーと前記第２のレーザーが光導波路で光学的
に結合されている。

【００３６】第９の実施形態においては、前記光導波路
が前記リングレーザーを構成する光導波路の一部であ
る。この構成において、前記リングレーザーから出射し
たレーザー光が、前記光導波路の中を伝搬して前記光フ
ィルターあるいは前記第２のレーザーに入射することか
ら、前記リングレーザーと前記光フィルター、あるいは
前記第１のリングレーザーと前記第２のレーザーとの間
の光の結合効率が高くなる。さらに、前記リングレーザ
ーと前記光フィルターとを光学的に接続する光導波路
が、前記リングレーザーを構成する光導波路の一部であ
れば、前記リングレーザーと前記光導波路との間の光の
結合効率も高くできる。

【００３７】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて説明する。

【００３８】（第１の実施例）図１は本発明の特徴を最
もよく表す図画であり、同図において３は光フィルタ
ー、４は光検出器、１０は石英管、１１は光導波路の非
対称テーパー部、１２はミラー、１３はアノード、１５
はカソード、１００は反時計回りのレーザー光、１０１
はミラーから出射したレーザー光、１０２は光フィルタ
ーを透過したレーザー光である。

【００３９】上記構成において、石英のブロックをドリ
ルを用いてくり抜き、石英管１０を形成した。その後、
石英管１０にミラー１２を取り付けた。さらに、石英管
１０にアノード１３、カソード１５を取り付けた。次に
石英管１０の中にヘリウムガスとネオンガスを入れ、ア
ノード１３とカソード１５間に電圧をかけると放電が始
まり、電流が流れるようになる。そして、光導波路のテ
ーパー部１１のために、時計回りのレーザー光に対する
損失が大きく、この結果、石英管１０の中で反時計回り
のレーザー光１００のみが発振する。したがって、お互
いに反対方向に周回状に伝搬するレーザー光の間で生じ
る引き込み、すなわちロックインは起きない。

【００４０】さて、光フィルター３としては、石英セル
の中にヘリウムガスとネオンガスを入れた気体セルを用
いた。さらに気体セルの中に電極を挿入し、ガスに電界
をかけた。ただし、放電が生じない条件とした。このと
き、シュタルク効果によって吸収スペクトルの位置が変
化する。こうして、レーザー光１００の発振周波数と吸
収スペクトルの位置関係を制御することができる。な
お、ここでは光フィルターとして気体セルを用いたが、
光フィルターとして、レーザーを用いてもよい。レーザ
ーに対して、レーザー光の発振周波数付近の光を入射す
ると、選択的に増幅することができる。しかも、レーザ
ー光の発振スペクトル幅は狭いので、レーザーを急峻な
選択性をもつ光フィルターとして利用することができ
る。ただし、注入同期が生じない程度に入射光の光強度
を抑えておくことが重要である。

【００４１】石英管１０が静止しているときは、レーザ
ー光１００の発振周波数は４．７３×１０¹⁵Ｈｚ、発振
波長λは６３２．８ｎｍである。光共振器を構成するミ
ラーの一部からレーザー光１０１が出射し、光フィルタ
ー３に入射する。光フィルター３を透過したレーザー光
１０２が光検出器４に入射すると、光検出器４から１０
ｍＶの信号が得られる。

【００４２】さて、石英管１０が毎秒１度の速度で時計
回りに回転を受け、共振器の１辺の長さが１０ｃｍのと
き、反時計回りのレーザー光１００の発振周波数ｆ₁は
２４８．３ｋＨｚだけ増加する。この発振周波数に対し
て、光フィルター３の透過率が大きいため、レーザー光
１０２の光強度が増加する。この結果、石英管１０が回
転しないときに比べて光検出器４の出力電圧が５ｍＶ増
加する。一方、石英管１０が毎秒１度の速度で反時計回
りに回転すると、レーザー光１００の発振周波数ｆ₁は
２４８．３ｋＨｚだけ減少する。この場合、光フィルタ
ー３の透過率が小さいため、レーザー光１０２の光強度
が減少する。この結果、石英管１０が回転しないときに
比べて光検出器４の出力電圧が５ｍＶ減少する。

【００４３】このように光検出器４の出力電圧の増減に
よって、回転方向を検知することができる。しかも、電
位の変化量の絶対値が回転速度と１対１に対応している
ので、回転速度も測定することができる。すなわち、本
発明によって、回転速度と回転方向を同時に検知するこ
とができる。

【００４４】なお、ここでは、ヘリウムガスとネオンガ
スを用いたが、レーザー発振する気体であれば何であっ
てもよい。また、光導波路も、光路が囲む形状が、図１
のように四角形だけでなく、六角形や三角形、あるいは
円などどのような形状でもよい。

【００４５】（第２の実施例）図２は本発明の特徴を最
もよく表す図面であり、同図において１０３は光フィル
ター３で反射したレーザー光である。

【００４６】上記構成において、第１の実施例との違い
は、光検出器４に光フィルター３の透過光ではなく、反
射光を入射したことだけである。したがって、第１の実
施例で説明したのと同様な原理で、回転方向と回転速度
を検出することができる。

【００４７】（第３の実施例）図３は本発明の特徴を最
もよく表す図画であり、同図において１６は光アイソレ
ーターである。

【００４８】上記構成において、図１との違いは、テー
パー状の光導波路１１の代わりに光アイソレーター１６
を用いたことである。光アイソレーターは、ある偏波方
向の定まった光を一方向にのみ通す。したがって、光ア
イソレーターを挿入することで、通常のレーザーのよう
にお互いに反対方向に周回する光の偏波が等しい場合、
一つの方向に周回状に伝搬する光のみが存在するリング
レーザーを作ることができる。もちろん、光を一方向に
のみ通す機能を持った光学素子ならば、光アイソレータ
ーに限らず、光サーキュレーターなど、他の光学素子で
もよいことは言うまでもない。

【００４９】（第４の実施例）図４は本発明の特徴を最
もよく表す図画である。

【００５０】上記構成において、第３の実施例との違い
は、光検出器４に光フィルター３の透過光ではなく、反
射光を入射したことだけである。したがって、第３の実
施例で説明したのと同様な原理で、回転方向と回転速度
を検出することができる。

【００５１】（第５の実施例）図５は第５の実施例の特
徴を最もよく表す図画であり、同図において２０はリン
グ共振器型半導体レーザー、２１は光導波路の非対称テ
ーパー部、２３はアノード、２５はキャップ層、２６は
クラッド層、２７は光ガイド層、２８は活性層、２９は
光ガイド層、３４は半導体基板、３５はカソード、２０
０は反時計回りのレーザー光、２０１は出射したレーザ
ー光、２０２は光フィルター３を透過したレーザー光で
ある。また、上の図は上面図、下の図は上の図のＡ−
Ａ’でカットした断面図である。

【００５２】上記構成における製造方法を説明する。ま
ず、有機金属気相成長法を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板３４
（厚み３５０μｍ）の上にリング共振器型半導体レーザ
ー２０を構成する１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａ
ＡｓＰ光ガイド層２９（厚み０．１５μｍ）、１．５５
μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層２８（厚み
０．１μｍ）、１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡ
ｓＰ光ガイド層２７（厚み０．１５μｍ）、ｐ−ＩｎＰ
クラッド層２６（厚み２μｍ）、１．４μｍ組成のｐ−
ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２５（厚み０．３μｍ）を成
長する。結晶成長後、スピンコーターを用いて、ｐ−Ｉ
ｎＰキャップ層の上にフォトレジストＡＺ−１３５０
（ヘキスト製）を膜厚が１μｍとなるように塗布する。
プリベークを８０℃で３０分おこなった後、ウェハーに
マスクをかけて露光した。現像、リンス後の光導波路の
幅は５μｍであり、テーパー部２１では、光導波路の幅
の最大値は８μｍ、最小値は５μｍである。また、光導
波路１周の長さは、６００μｍである。このあと、ウェ
ハーをリアクティブ・イオンエッチング装置に導入し、
塩素ガスを用いて、深さが３μｍとなるようにエッチン
グした。最後に、ｐ−ＩｎＰキャップ層２５の上にアノ
ード２３としてＣｒ／Ａｕを蒸着によって形成した。ま
た、ｎ−ＩｎＰ基板にカソード３５として、ＡｕＧｅ／
Ｎｉ／Ａｕを蒸着した。その後、水素雰囲気中でアニー
ルし、オーミック接触をとった。

【００５３】上記構成において、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
振しきい値が小さくなるので、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。図５において、界
面に対する法線とレーザー光とのなす角は４５度であ
り、全反射条件を満たす。ただし、レーザー光を取り出
す界面のみ、全反射条件からずれるように、界面に対す
る法線とレーザー光とのなす角が１６．５度となるよう
にした。室温における発振しきい値は３ｍＡである。リ
ング共振器型レーザー２０の駆動電流は４．５ｍＡであ
り、このレーザーが静止しているときは、レーザー光２
００の発振波長λは１．５５μｍである。光フィルター
３を透過したレーザー光２０２が光検出器４に入射する
と、透過光２０２が存在しないときに比べて光検出器４
の出力電圧が１０ｍＶ増加する。

【００５４】さて、リング共振器型レーザー２０が、カ
メラの手ぶれや自動車の振動程度の毎秒３０度の速度で
時計回りに回転を受けると、反時計回りのレーザー光２
００の発振周波数ｆ₃は１３０Ｈｚだけ増加する。この
発振周波数に対して、光フィルター３の透過率が大きい
ため、レーザー光２０２の光強度が増加する。この結
果、リング共振器型レーザー２０が回転しないときに比
べて光検出器４の出力電圧が５ｍＶ増加する。一方、リ
ング共振器型レーザー２０が毎秒３０度の速度で反時計
回りに回転すると、レーザー光２００の発振周波数ｆ₃
は１３０Ｈｚだけ減少する。この場合、光フィルター３
の透過率が小さいため、レーザー光２０２の光強度が減
少する。この結果、リング共振器型レーザー２０が回転
しないときに比べて光検出器４の出力電圧が５ｍＶ減少
する。

【００５５】このように光検出器４の出力電圧の増減に
よって、回転方向を検知することができる。しかも、電
位の変化量の絶対値が回転速度と１対１に対応している
ので、回転速度も測定することができる。すなわち、本
発明によって、回転速度と回転方向を同時に検知するこ
とができる。

【００５６】なお、ここでは半導体材料として、ＩｎＧ
ａＡｓＰ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
であってもかまわない。また、光導波路も、光路が囲む
形状が、図５のように四角形だけでなく、六角形や三角
形、あるいは円などどのような形状でもよい。また、光
フィルター３で反射した光を光検出器４に入射する構成
としてもよいことは言うまでもない。

【００５７】（第６の実施例）図６は第６の実施例の特
徴を最もよく表す図画であり、同図において５は光導波
路、２１０は光導波路５を伝搬するレーザー光、２１１
は光導波路５から出射されたレーザー光、２１２は光フ
ィルター３を透過したレーザー光である。

【００５８】上記構成において、リング共振器型レーザ
ー２０と光フィルター３が、光導波路５によって光学的
に結合していることから、結合効率が向上する。したが
って、第５の実施例と同じ駆動条件で、光検出器４から
得られる信号電圧の振幅が７ｍＶになった。

【００５９】（第７の実施例）図７は第７の実施例の特
徴を最もよく表す図画であり、同図において２２は光導
波路である。

【００６０】上記構成において、リング共振器型レーザ
ー２０の光導波路と光導波路２２が接続されていること
から、結合効率が向上する。したがって、第５の実施例
や第６の実施例と同じ駆動条件で、光検出器４から得ら
れる信号電圧の振幅が１０ｍＶになった。

【００６１】（第８の実施例）図８は本発明の特徴を最
もよく表す図画であり、同図において４はレーザー、４
１はアノード、４２はカソード、４３は電気端子であ
る。

【００６２】上記構成において、レーザー４として、石
英管の中にヘリウムガスとネオンガスを入れたＨｅ−Ｎ
ｅレーザーを用いた。アノード４１とカソード４２の間
に電流を流すことで、レーザー４が発振する。このと
き、共振器のＱ値を制御しておくことで、発振周波数を
制御することができる。

【００６３】石英管１０が静止しているときは、レーザ
ー光１００の発振周波数ｆ₁は４．７３×１０¹⁵Ｈｚ、
発振波長λは６３２．８ｎｍである。レーザー４の発振
周波数ｆ₂はｆ₁よりも２０ＭＨｚだけ小さい。光共振
器を構成するミラーの一部からレーザー光１０１が出射
し、レーザー４に入射すると、レーザー４の中で周波数
２０ＭＨｚのビート光が発生する。この結果、レーザー
４の電気端子４３とカソード４２の間に周波数２０ＭＨ
ｚ、振幅１００ｍＶの電気信号が発生する。

【００６４】さて、石英管１０が毎秒１度の速度で時計
回りに回転を受け、共振器の１辺の長さが１０ｃｍのと
き、反時計回りのレーザー光１００の発振周波数ｆ₁は
２４８．３ｋＨｚだけ増加する。この結果、レーザー４
の電気端子４３とカソード４２の間にビート周波数は、
式（５）に示すように、

【００６５】

【数５】で、振幅１００ｍＶの電気信号が発生する。一方、石英
管１０が毎秒１度の速度で反時計回りに回転すると、レ
ーザー光１００の発振周波数ｆ₁は２４８．３ｋＨｚだ
け減少する。この場合、レーザー４の電気端子４３とカ
ソード４２の間にビート周波数は、式（６）に示すよう
に、

【００６６】

【数６】で、振幅１００ｍＶの電気信号が発生する。

【００６７】このようにビート周波数の増減によって、
回転方向を検知することができる。しかも、電位の変化
量の絶対値が回転速度と１対１に対応しているので、回
転速度も測定することができる。すなわち、本発明によ
って、回転速度と回転方向を同時に検知することができ
る。

【００６８】なお、ここでは、レーザー４として気体レ
ーザーを用いたが、色素、固体、半導体など、どのよう
な媒質を用いたレーザーでもよい。

【００６９】（第９の実施例）図９は本発明の特徴を最
もよく表す図画である。

【００７０】上記構成において、図８との違いは、テー
パー状の光導波路１１の代わりに光アイソレーター１６
を用いたことである。光アイソレーターは、ある偏波方
向の定まった光を一方向にのみ通す。したがって、光ア
イソレーターを挿入することで、通常のレーザーのよう
にお互いに反対方向に周回する光の偏波が等しい場合、
一つの方向に周回状に伝搬する光のみが存在するリング
レーザーを作ることができる。もちろん、光を一方向に
のみ通す機能を持った光学素子ならば、光アイソレータ
ーに限らず、光サーキュレータ等の他の光学素子でも良
い。

【００７１】（第１０の実施例）図１０は第１０の実施
例の特徴を最もよく表す図画である。

【００７２】上記構成において、レーザー２０が静止し
ているとき、レーザー光２００の発振周波数ｆ₃は、レ
ーザー４の発振周波数ｆ₄よりも１ｋＨｚ大きい。ま
た、レーザー光を取り出す界面のみ、全反射条件からず
れるように、界面に対する法線とレーザー光とのなす角
が１６．５度となるようにした。リング共振器型レーザ
ー２０から出射されたレーザー光２０１をレーザー４に
入射することで、レーザー４の中でレーザー光２０１と
レーザー４の放出光が干渉する。この結果、レーザー４
の電気端子４３とカソード４２の間から振幅５０ｍＶ、
周波数１ｋＨｚの信号が得られる。すなわち、リング共
振器型レーザー２０が静止しているときでも、ビート電
圧が検出できる。

【００７３】さて、リング共振器型レーザー２０が、カ
メラの手ぶれや自動車の振幅程度の毎秒３０度の速度で
時計回りに回転を受けると、反時計回りのレーザー光２
００の発振周波数ｆ₃は１３０Ｈｚだけ増加する。した
がって、ビート周波数は、式（７）に示すように、

【００７４】

【数７】となる。一方、リング共振器型レーザー２０が、毎秒３
０度の速度で反時計回りに回転を受けると、ビート周波
数は、式（８）に示すように、

【００７５】

【数８】となる。ビート周波数の増減量の絶対値は、回転速度に
比例しているので、回転速度の検出ができるだけでな
く、回転方向とビート周波数の増減が１対１に対応して
いるので、回転方向の検知が可能となる。

【００７６】（第１１の実施例）図１１は第１１の実施
例の特徴を最もよく表す図画である。

【００７７】上記構成において、リング共振器型レーザ
ー２０とレーザー４が、光導波路５によって光学的に結
合していることから、結合効率が向上する。したがっ
て、第６の実施例と同じ駆動条件で、電気端子４３から
得られる信号電圧の振幅が７ｍＶになった。

【００７８】（第１２の実施例）図１２は第１２の実施
例の特徴を最もよく表す図画である。

【００７９】上記構成において、リング共振器型レーザ
ー２０の光導波路と光導波路２２が接続されていること
から、結合効率が向上する。したがって、第６の実施例
や第８の実施例と同じ駆動条件で、電気端子４３から得
られる信号電圧の振幅が１０ｍＶになった。

【００８０】

【発明の効果】以上説明した本発明の第１の実施形態及
び第２の実施形態によれば、回転時の端子電圧を観測
し、非回転時からの増減を求めることによって、回転方
向と回転速度を検知することができる。また、一つの方
向に周回状に伝搬するレーザー光だけが存在することか
ら、ロックインのない光ジャイロを実現することができ
る。

【００８１】また、第３の実施形態によれば、ミラー損
失がなくなるため、レーザーの発振しきい値が低減され
る。この結果、低消費電力の光ジャイロが実現できる。

【００８２】また、第４の実施形態及び第５の実施形態
によれば、光学損失が小さくなり、消費電力の小さい光
ジャイロを実現することができる。

【００８３】又、実施形態６及び実施形態７によれば、
回転時の端子電圧を観測し、非回転時からの増減を求め
ることによって、回転方向と回転速度を検知することが
できる。また、一つの方向に周回状に伝搬するレーザー
光だけが存在することから、ロックインのない光ジャイ
ロを実現することができる。

【００８４】又、実施形態８及び実施形態９によれば、
ミラー損失がなくなるため、レーザーの発振しきい値が
低減される。この結果、低消費電力の光ジャイロが実現
できる。又、光学損失が小さくなり、消費電力の小さい
光ジャイロを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図４】本発明の第４の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図５】本発明の第５の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図６】本発明の第６の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図７】本発明の第７の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図８】本発明の第８の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図９】本発明の第９の実施例に係る光ジャイロを説明
する図である。

【図１０】本発明の第１０の実施例に係る光ジャイロを
説明する図である。

【図１１】本発明の第１１の実施例に係る光ジャイロを
説明する図である。

【図１２】本発明の第１２の実施例に係る光ジャイロを
説明する図である。

【図１３】従来の半導体レーザジャイロの平面図であ
る。

【符号の説明】

３光フィルター４光検出器５光導波路１０石英管１１光導波路の非対称テーパー部１２ミラー１３アノード１５カソード１６光アイソレーター２０リング共振器型半導体レーザー２１光導波路のテーパー部２２光導波路２３アノード２５キャップ層２６クラッド層２７光ガイド層２８活性層２９光ガイド層３４半導体基板３５カソード４１アノード４２カソード４３電気端子１００反時計回りのレーザー光１０１レーザー光１０２レーザー光１０３レーザー光２００反時計回りのレーザー光２０１、２０２、２１０、２１１、２１２レーザー光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路内を一つの方向に周回するレー
ザー光を主モードとして発生するリングレーザーと、前
記リングレーザーから放出されたレーザー光をその波長
に応じた強度にフィルタリングする光フィルターと、前
記フィルタリングされた光を検出する光検出器とを備え
ることを特徴とする光ジャイロ。
【請求項２】光導波路の１又は２以上の個所にテーパ
ー部を設けたリングレーザーと、前記リングレーザーか
ら放出されたレーザー光をその波長に応じた強度にフィ
ルタリングする光フィルターと、前記フィルタリングさ
れた光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする
光ジャイロ。
【請求項３】光導波路の一部に１又は２以上の光学素
子を設けたリングレーザーと、前記リングレーザーから
放出されたレーザー光をその波長に応じた強度にフィル
タリングする光フィルターと、前記フィルタリングされ
た光を検出する光検出器とを備えた光ジャイロであっ
て、前記光学素子は、前記光導波路内を一つの方向に周回す
るレーザー光の透過損を、他の方向に周回するレーザー
光の透過損より小さくすることを特徴とする光ジャイ
ロ。
【請求項４】前記光導波路が、全反射面をもつことを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載された
光ジャイロ。
【請求項５】前記リングレーザーと前記光フィルター
とを光学的に結合する結合光導波路とを備えることを特
徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載された光
ジャイロ。
【請求項６】前記結合光導波路は、前記リングレーザ
ーを構成する前記光導波路の一部であることを特徴とす
る請求項５記載の光ジャイロ。
【請求項７】光導波路内を一つの方向に周回するレー
ザー光を主モードとして発生するリングレーザーと、前
記リングレーザーから放出されたレーザー光を受光する
別のレーザーと、前記別のレーザーにおける電圧、電
流、又はインピーダンスの変化を検出するための電気端
子とを備えることを特徴とする光ジャイロ。
【請求項８】光導波路の一部に１又は２以上の光学素
子を設けたリングレーザーと、前記リングレーザーから
放出されたレーザー光を受光する別のレーザーと、前記
別のレーザーにおける電圧、電流、又はインピーダンス
の変化を検出するための電気端子とを備えることを特徴
とする光ジャイロ。
【請求項９】光導波路の一部に１又は２以上の光学素
子を設けたリングレーザーと、前記リングレーザーから
放出されたレーザー光を受光する別のレーザーと、前記
別のレーザーにおける電圧、電流、又はインピーダンス
の変化を検出するための電気端子とを備えた光ジャイロ
であって、前記光学素子は、前記光導波路内を一つの方向に周回す
るレーザー光に対する透過損を、他の方向に周回するレ
ーザー光に対する透過損より小さくすることを特徴とす
る光ジャイロ。
【請求項１０】前記光導波路は、全反射面を持つこと
を特徴とする請求項７乃至９のいずれか一つに記載され
た光ジャイロ。
【請求項１１】前記リングレーザーと前記別のレーザ
ーを光学的に結合する結合光導波路を備えることを特徴
とする請求項７乃至１０のいずれか一つに記載された光
ジャイロ。
【請求項１２】前記結合光導波路は、前記リングレー
ザーを構成する光導波路の一部であることを特徴とする
請求項１１記載の光ジャイロ。