JP2000298024A - ジャイロ - Google Patents

ジャイロ

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JP2000298024A
JP2000298024A JP2000025574A JP2000025574A JP2000298024A JP 2000298024 A JP2000298024 A JP 2000298024A JP 2000025574 A JP2000025574 A JP 2000025574A JP 2000025574 A JP2000025574 A JP 2000025574A JP 2000298024 A JP2000298024 A JP 2000298024A
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JP
Japan
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laser
light
gyro
laser device
optical waveguide
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JP2000025574A
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Takaaki Numai
貴陽 沼居
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Canon Inc
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66—Ring laser gyrometers

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザーを用いて回転方向検知が可能なジャ
イロを提供する。 【解決手段】 レーザー光１００と２００の発振周波数
はほぼ等しく、４．７３×１０14Ｈｚであり、注入同期
用のレーザー光１１０の発振周波数ｆ0は、レーザー光
１００より２０ＭＨｚ大きい。この状態で、レーザー１
１から石英管１０にレーザー光１１０を入射する。共振
器の１辺の長さは１０ｃｍである。石英管１０の静止時
は、周波数２０ＭＨｚのビート信号が得られる。石英管
１０が１８０°／ｓの時計回り回転を受けると、反時計
回りのレーザ光２００の発振周波数ｆ2は２４８．３ｋ
Ｈｚだけ増加する。一方、時計回りのレーザー光１００
の発振周波数ｆ1 は注入同期を受けているため変化しな
い。従って、ビート周波数は、２０ＭＨｚ−２４８．３
ｋＨｚとなる。石英管１０が１８０°／ｓの反時計回り
回転を受けると、ビート周波数は２０ＭＨｚ＋２４８．
３ｋＨｚとなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザーを用いた
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。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おり、例えば
特開平５−２８８５５６号公報に開示されている。
【０００３】上記公報によれば、図２９に示すように、
ｐｎ接合を有する半導体基板５７１０上に、リング状の
利得導波路５７１１を形成し、この利得導波路５７１１
内に、電極５７２２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５７１１内を時計方
向及び反時計方向に伝搬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５７１７にて干渉させ、その
干渉光強度を電極５７２３から光電流として取り出して
いる。５７１６はＣＣＷ光、５７１５はＣＷ光、５７１
９，５７１８は出力光である。
【０００４】また、特開昭５７−４３４８６号公報（Ｕ
ＳＰ４，４３１，３０８）には、半導体レーザー素子の
外部に光を取り出さずに、回転に伴って当該素子の端子
電圧が変化することを利用したジャイロが記載されてい
る。図３０中、半導体レーザー素子５７９２は、上下に
電極５７９０、５７９１を有している。５７９３は直流
阻止用コンデンサ、５７９４は出力端子、５７９５は抵
抗である。
【０００５】図３０に示すように、リングレーザー装置
のレーザー素子として半導体レーザー素子を駆動用電源
５７９６に接続し、当該装置にある角速度が加わった場
合に生ずる時計回りと反時計回りの光の周波数差（ビー
ト周波数）をレーザー素子の端子電圧の差として検出す
る。
【０００６】また、特開平４−１７４３１７号公報にお
いても、回転に伴い生じるレーザー素子の端子電圧の変
化を検出する。
【０００７】しかしながら、上記いずれの公報において
も物体の回転方向検知が出来なかった。これは、回転方
向が異なっていても角速度が同じであれば、ビート周波
数は同じになってしまうためである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のリングレーザー
型ジャイロは、ディザ（微小振動）をかけ、ディザの方
向と信号との相関から回転方向を決定していた。
【０００９】また、リングレーザー型ジャイロでは、時
計回りの方向に伝搬するレーザー光（ＣＷ光）と反時計
回りの方向に伝搬するレーザー光（ＣＣＷ光）が存在す
る。そして、ジャイロが静止している場合には、両光の
発振周波数は等しく、ジャイロが回転運動を受けること
により発振周波数差が現れる。しかし、ジャイロが受け
る回転運動の回転速度が小さいときは発振周波数の差が
小さい。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る
ことがある。このロックイン現象を回避するために、リ
ングレーザー型ジャイロにあらかじめ一定方向にディザ
をかけ、ＣＷ光とＣＣＷ光の発振周波数差を大きくする
ことが行われている。
【００１０】本発明は、レーザーを用いて回転方向検知
が可能なジャイロを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明に係るジャイロ
は、互いに反対の周回方向に伝搬する第１及び第２のレ
ーザー光を発振するレーザー装置を備え、該レーザー装
置から電気信号を取り出すジャイロであって、該第１の
レーザー光とは発振周波数の異なる第３のレーザー光
を、該第１のレーザー光と同一の周回方向に伝搬するよ
うに該レーザー装置に入射することを特徴とする。
【００１２】前記第３のレーザー光は、前記レーザー装
置を構成するリングレーザーのコーナーミラーから入射
されたり、前記第３のレーザー光は、注入同期用の光導
波路を介して前記レーザー装置に入射される。
【００１３】なお、前記注入同期用の光導波路は、前記
レーザー装置に光学的に結合する様に近接して配置され
ていたり、前記第３のレーザー光のしみ出し距離以内
に、前記注入同期用の光導波路と前記レーザー装置を配
置したり、前記注入同期用の光導波路が前記レーザー装
置を構成するリングレーザーの導波路に接続されている
ことを特徴とする。
【００１４】前記注入同期用の光導波路の端面の少なく
とも一つは、前記注入同期用の光導波路を伝搬する前記
第３のレーザー光の伝搬方向に垂直な面に対して傾斜し
ていることを特徴とする。
【００１５】また、本発明に係るジャイロは、互いに反
対の周回方向に伝搬する第１及び第２のレーザー光を発
振するレーザー装置、及び該レーザー装置から放出され
る該第１及び第２のレーザー光の干渉光を検出する光検
出器を有するジャイロであって、該第１のレーザー光と
は発振周波数の異なる第３のレーザー光を、該第１のレ
ーザー光と同一の周回方向に伝搬するように該レーザー
装置に入射することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の説明に先立
って、まず、図１８及び数式を参照して、本発明の光ジ
ャイロの動作原理について説明する。
【００１７】図１８に示すように、リングレーザー４０
内を時計回りに周回するレーザー光４００（第１のレー
ザー光）の波長をλ1 とする。また、反時計回りに周回
するレーザー光５００（第２のレーザー光）の波長をλ
2 （＜λ1 ）とする。
【００１８】そして、別のレーザー光３００（第３のレ
ーザー光）（波長λ0（＞λ2 ））を、リングレーザー
に入射させる。第３のレーザー光３００と第１のレーザ
ー光４００の主伝播方向が等しく、発振波長の差が小さ
ければ、注入同期によって、式（１）が成立する。ここ
で、注入同期を行う場合の、ＣＷ光の波長をλ1’とす
る。
【００１９】
【数１】 この時、第２のレーザー光５００と第３のレーザー光３
００の主伝搬方向は互いに逆であるため、第２のレーザ
ー光５００は注入同期を受けない。
【００２０】次に、第３のレーザー光３００の発振源３
０とリングレーザー４０を同時に時計周りに回転させる
ものとする。
【００２１】第１のレーザー光４００は、時計回りに回
転していて注入同期が生じているため、発振周波数ｆ1
は、非回転時の発振周波数ｆ10のままである。一方、第
２のレーザー光５００は、反時計回りに回転していて注
入同期を受けていないため、その発振周波数ｆ2は、非
回転時の発振周波数ｆ20に比べて、式（２）に示すよう
に、
【００２２】
【数２】 だけ増加する。ここで、Ｓ2 は第２のレーザー光５００
の光路が囲む閉面積、Ｌ 2 は第２のレーザー光５００の
光路長である。その結果、第１のレーザー光４００と第
２のレーザー光５００の発振周波数の差、すなわち、式
（３）に示す周波数を持つビート光が発生する。
【００２３】
【数３】 一方、リングレーザー４０が反時計回りに回転したとき
は、式（４）に示す周波数をもつビート光が発生する。
【００２４】
【数４】 レーザーの中に２つ以上の発振モードが存在すると、反
転分布はモードの発振周波数の差に応じた時間変動を示
す。この現象は、反転分布の脈動として知られている。
気体レーザーや半導体レーザーのように、電流を流すレ
ーザーの場合、反転分布とレーザーのインピーダンスに
は１対１の対応関係がある。そして、レーザーの中で光
が干渉すると、それに応じて反転分布が変化し、その結
果、レーザーの電極間のインピーダンスが変化する。こ
の変化の様子は、駆動電源として定電圧源を用いれば、
端子電流の変化として現れる。また、定電流源を用いれ
ば、端子電圧の変化として、光の干渉の様子を信号とし
て取り出すことができる。もちろん、直接インピーダン
スメーターで、インピーダンスの変化を測定することも
できる。
【００２５】したがって、レーザーの電流、電圧または
インピーダンス変化、より具体的には、それらの周波数
変化を検出する端子を設けることで、この端子から回転
に応じたビート信号を取り出すことができる。さらに、
本発明によれば、式（３）、式（４）に示すように、回
転方向に応じてビート周波数が増減する。
【００２６】したがって、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、回転方向を検知するこ
とができる。
【００２７】そして、（ｆ2−ｆ1）が式（５）を満足す
るようにしておけば、回転方向検知とともに、角速度の
正確な検知が可能となる。
【００２８】
【数５】 なお、第１のレーザー光４００と第２のレーザー光５０
０の発振波長が等しければ、式（６）に示すように、
【００２９】
【数６】 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。
【００３０】既述のように、ビート周波数の符号が常に
同一（ただし説明では、符号を正にとっている）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。
【００３１】なお、静止時のＣＷ光、ＣＣＷ光それぞれ
の発振周波数ｆ10、ｆ20に関して、ｆ10≠ｆ20を実現す
る方法を以下に示す。
【００３２】そのためには、注入同期のための第３のレ
ーザー光３００の発振周波数ｆ30が、ｆ30≠ｆ20を満た
すようにする。
【００３３】この場合、注入同期により、ＣＷ光の発振
周波数ｆ10は、ｆ10＝ｆ30となり、結局ｆ10≠ｆ20が実
現される。
【００３４】以上、本発明の動作原理について説明し
た。
【００３５】本発明の実施形態に係るジャイロは、図２
に示すように、周回方向に伝搬するＣＷ光４００、ＣＣ
Ｗ光５００を発振するリングレーザー４０を備え、該リ
ングレーザー４０から電気信号を取り出すジャイロであ
って、該ＣＣＷ光５００とは発振周波数（発振波長）の
異なる第３のレーザー光３００を、該ＣＷ光４００と同
一の周回方向に伝播するように、すなわち該ＣＣＷ光５
００とは反対の周回方向に伝搬するように該リングレー
ザー４０に入射することを特徴とする。
【００３６】かかる構成を取ることにより、ＣＷ光４０
０の発振周波数λ1’は、第３のレーザー光３００の波
長に等しくなり、該リングレーザー４０内には、互いに
発振周波数すなわち発振波長の異なるレーザー光が存在
することになる。
【００３７】従って、既述の通り、該リングレーザー４
０が静止している状態でもビート周波数が、図３中の端
子４４を介して検出できる。
【００３８】図３は、図２のＡーＡ’での模式的断面図
である。
【００３９】図２においては、リングレーザー４０に第
３のレーザー光をミラー３３から入射する（以下、当該
事項を「注入同期を行う」という）。
【００４０】注入同期を行うための他の方法について説
明する。
【００４１】図４に示すように、第３のレーザー光を直
接リングレーザー４０に入射するのではなく、一旦、別
の光導波路３１に入射する。そして、該光導波路３１を
リングレーザー４０と光学的に結合する距離以内に配置
しておく。これにより、第３のレーザー光がリングレー
ザーに結合する。すなわち、第３のレーザー光が光導波
路３１を介してリングレーザーに入射される。第３のレ
ーザー光は、光導波路３１を伝搬するので回折によって
広がることが抑制される。すなわち、光導波路３１内を
伝搬したレーザー光がリングレーザーに結合するよう
に、光導波路とリングレーザーが近接して配置されてい
る。上記構成において、光導波路とリングレーザーが近
接して配置されていることから、この近接している領域
が方向性結合器として機能する。この結果、光導波路内
を伝搬したレーザー光が前記リングレーザーに結合す
る。
【００４２】前記光導波路３１と前記リングレーザー４
０の距離が前記光導波路を伝搬するレーザー光のしみ出
し距離以内であることが好ましい。レーザー光のしみ出
し距離以内に光導波路が存在することで、リングレーザ
ーと光導波路の間の光の結合効率が高くなる。
【００４３】したがって、レーザーから出射された第３
のレーザー光が、光導波路を伝搬したのち、リングレー
ザーに効率よく結合する。
【００４４】かかる場合には、注入同期用の光源である
レーザーが出射するレーザー光の光強度が小さくて済む
とともに、注入同期用光源の駆動電力が低減される。な
お、このようにしみ出している光をエバッセント光とい
う。
【００４５】又、別の方法においては、図６に示すよう
に、前記光導波路３４が前記リングレーザー４０の光導
波路と接続する。前記光導波路を伝搬したレーザー光
が、前記リングレーザーにさらに効率よく結合する。こ
のため、注入同期用の光源であるレーザーが出射するレ
ーザー光の光強度がさらに小さくて済む。この結果、注
入同期用光源の駆動電力がいっそう低減される。
【００４６】なお、前記光導波路３１，３４の端面を前
記レーザー３０の放出したレーザー光および前記光導波
路を伝搬するレーザー光の主伝搬方向を法線とする面に
対して傾斜させている。
【００４７】上記構成において、前記レーザーから出射
されたレーザー光が前記光導波路に入射し、前記光導波
路内を伝搬したのち、前記リングレーザーに光学的に結
合する。この際、前記光導波路の端面で前記レーザー光
の一部が反射する。前記光導波路の端面がレーザー光の
主伝搬方向を法線とする面に対して傾斜していること
で、端面で反射したレーザー光が前記レーザーに戻るの
を防ぐことができる。この結果、光アイソレーターなし
でも前記レーザーにおける戻り光雑音を防ぐことができ
る。
【００４８】なお、前記光導波路の端面がレーザー光の
主伝搬方向を法線とする面に平行であれば、戻り光雑音
を防ぐために光アイソレーターを用いることが好まし
い。
【００４９】次に、リングレーザーから検出される電気
信号について説明する。
【００５０】なお、電気信号はリングレーザーに直接接
続された端子から検出してもよい。
【００５１】また、図１１に示すように、リングレーザ
ー４０内を互いに反対の周回方向に伝搬するＣＷ光、Ｃ
ＣＷ光の干渉光を検出する光検出器３９をリングレーザ
ー４０の外部に配置し、当該検出器３９から電気信号を
とりだしてもよい。
【００５２】ジャイロを構成しているレーザー装置が静
止している時に、得られている電気信号が、時計方向の
回転或いは反時計方向の回転により、どのような信号に
変化するかの概略を示す（図１９（Ａ）〜（Ｃ））。
【００５３】なお、前述の原理説明で用いた式を参照で
きるよう、注入同期後のＣＷ光の波長λ1’、ＣＣＷ光
の波長λ2との関係は、λ2＜λ1’とする。
【００５４】静止時に得られる電気信号を図１９（Ａ）
に示す。
【００５５】当該電気信号の周期をｔAとする。
【００５６】レーザー装置が時計回りに回転すると、ビ
ート周波数すなわち（ｆ2−ｆ1）は前述の式（３）によ
り大きくなる。そして、電気信号の周期ｔBは短くな
る。
【００５７】一方、レーザー装置が時計回りに回転する
と、ビート周波数は式（４）により小さくなる。すなわ
ち、電気信号の周期ｔCは、図１９（Ｃ）に示すように
大きくなる。
【００５８】このように、レーザー装置の静止時の電気
信号の周期（あるいはビート周波数）と、回転時電気信
号の周期（あるいはビート周波数）ととを比較し、それ
らの絶対値から、物体の角速度が分かり、周期（あるい
はビート周波数）の大小関係から方向検知が可能とな
る。
【００５９】以下、ビート周波数に対応した変化を示す
電気信号の検出手段について説明する。
【００６０】レーザー装置からとりだす電気信号は、当
該装置が定電流駆動の場合は電圧信号当該装置が定電圧
駆動の場合は電流信号である。また、レーザー装置のイ
ンピーダンス信号をとりだしてもよい。
【００６１】図２０に示すように、定電流源１９０２を
用意し、レーザー装置として半導体レーザー１９００を
当該電源と抵抗１９０１を介して接続する。そして電圧
検出回路１９０６により半導体レーザー１９００の電気
信号（この場合は電圧信号）を読みとる。
【００６２】図２０のように必要に応じて保護回路とし
てボルテージフォロワ回路１９０５を設けることが好ま
しい。
【００６３】なお、半導体レーザーを例にとり説明して
いるが、もちろん気体レーザーの場合も同様である。
【００６４】また、図２１に、レーザーを定電流駆動
し、半導体レーザー２０００のアノード電位の変化を読
みだし、回転検知を行う回路図の一例を示す。
【００６５】半導体レーザー２０００のアノードは、保
護抵抗２００３を介して、演算増幅器２０１０の出力端
子に接続され、半導体レーザー２０００のカソードは演
算増幅器２０１０の反転入力端子に接続される。
【００６６】マイコンからの入力電位Ｖｉｎに対応し
て、該演算増幅器２０１１は、信号Ｖｏｕｔを出力す
る。この信号Ｖｏｕｔは、角速度に比例したビート周波
数を持つので、当該信号を公知の周波数−電圧変換回路
（Ｆ−Ｖ変換回路）等により電圧に変換し、回転を検知
する。
【００６７】なお、図９に周波数−電圧変換回路（Ｆ−
Ｖ変換回路）の例を示す。この回路は、トランジスタ
ー、ダイオード、コンデンサー、抵抗で構成され、出力
電圧Ｖ c2は式（７）で表される。
【００６８】
【数７】 ここで、Ｅｉは入力電圧のｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋの
値、ｆはビート周波数である。Ｃ2＞＞Ｃ1、ＲOＣ2ｆ＜
１となるように回路パラメータを設計することで、式
（８）に示すようなＶｃ２が得られ、ビート周波数に比
例した電圧出力を得ることが可能になる。
【００６９】
【数８】 次に、レーザー装置の電流変化により回転を検知する場
合について説明する。
【００７０】電源として定電圧源を用いると、回転の角
速度を半導体レーザーに流れる電流の変化として測定す
ることができる。
【００７１】図２２や図２３に示すように、定電圧源と
して電池を用いると、駆動系の小型化、軽量化につなが
る。
【００７２】図２２では、半導体レーザー２２００と直
列に電気抵抗２２０１を接続し、電気抵抗の両端の電圧
の変化として、半導体レーザーに流れる電流を測定して
いる。２２０２は電池、（バッテリー）、２２０６は電
圧計である。
【００７３】一方、図２３では、半導体レーザー２３０
０と直列に電流計２３０６を接続し、じかに半導体レー
ザーに流れる電流を測定している。２３０１は電気抵抗
である。
【００７４】次に、ビート信号を検出するための別の回
路構成について説明する。
【００７５】図２４に、半導体レーザーを定電圧駆動
し、半導体レーザー２４００のアノード電位の変化を読
みだし、回転検知を行う回路図の一例を示す。
【００７６】半導体レーザー２４００のアノードは、抵
抗２４０３を介して、演算増幅器２４１０の出力端子に
接続され、レーザー２４００のカソードは基準電位に接
地されている。
【００７７】マイコン等から、演算増幅器２４１０の反
転入力端子に定電圧（Ｖｉｎ）を与えると、その電位が
常に抵抗２４０３とレーザー２４００にかかる定電圧ド
ライブ構成になる。
【００７８】電気抵抗２４０３は、バッファ用の演算増
幅器２４１１に接続される。
【００７９】該演算増幅器２４１１は、信号Ｖｏｕｔを
出力する。この信号Ｖｏｕｔは、角速度に比例したビー
ト周波数をもつので、公知の周波数−電圧変換回路（Ｆ
−Ｖ変換回路）等により電圧に変換し、回転速度及び回
転方向を検知する。もちろん、演算増幅器２４１１を通
さず、電気抵抗２４０３と等電位部分の信号を直接Ｆ−
Ｖ変換回路に入れて、回転検知してもよい。またビート
信号検出手段として周波数カウンタを用いることもでき
る。
【００８０】次に、図２４と同じ定電圧ドライブ回路構
成に加え、減算回路２５１５を用いて、信号電位の基準
をアースにとる場合を図２５に示す。
【００８１】マイコン等から演算増幅器２５１０の反転
入力端子に定電位Ｖ1を与える。２５００はレーザー、
２５１１、２５１２はボルテージフォロワ、２５０３、
２５１６、２５１７、２５１８、２５１９は電気抵抗で
あり、２５１６と２５１７、２５１８と２５１９の抵抗
値をそれぞれ等しくしている。
【００８２】電気抵抗２５０３の両端の電位Ｖ1、Ｖ
2が、ボルテージフォロワ２５１１，２５１２及び抵抗
２５１６、２５１８を通して、該増幅器２５２０の反転
入力端子、非反転入力端子につなげられている。こうす
ることにより、基準電位をアースにとって、電気抵抗２
５０３にかかる電圧（Ｖ2−Ｖ1）＝Ｖ0の変化を検出す
ることができる。すなわち、レーザー２５００に流れる
電流変化を検出できる。
【００８３】得られる信号をＦ−Ｖ変換回路等を通し
て、回転を検出する。
【００８４】また、電源の種類に関わらず、直接インピ
ーダンスメーター２６０９で、半導体レーザー２６００
のインピーダンスの変化を測定することもできる。２６
０２は、電源である。この場合、端子電圧や素子に流れ
る電流を測定する場合と違って、駆動電源の雑音の影響
が小さくなる。この例を図２６に示す。
【００８５】以上、半導体レーザーを例に取り説明した
が、ガスレーザーの場合も同様である。
【００８６】なお、リングレーザーの発振閾値低減のた
めには、リングレーザー側面が全反射面を有しているこ
とが好ましい。
【００８７】また、注入同期は、ロックイン現象を避け
るためにも、ＣＷ光とＣＣＷ光の発振周波数差が、１０
０Ｈｚ以上、好ましくは、１ｋＨｚ以上、更に好ましく
は１０ｋＨｚ以上であるように行うことが好ましい。
【００８８】リングレーザーとして、半導体レーザーを
用いた場合について説明したが、図１に示した気体レー
ザーを用いることができることはもちろんである。
【００８９】
【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。
【００９０】（第１の実施例）図１は第１の実施例の特
徴を最もよく表す図であり、同図において１０は石英
管、１１はレーザー、１２はミラー、１３はアノード、
１４は端子、１５はカソード、１００は時計回りのレー
ザー光（ＣＷ光）、１１０はレーザー光、２００は反時
計回りのレーザー光（ＣＣＷ光）である。
【００９１】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、端子１４、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、アノードとカソード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、石英管１０
の中で反時計回りのレーザー光１００と時計回りのレー
ザー光２００が発振する。
【００９２】石英管１０が静止しているときは、レーザ
ー光１００とレーザー光２００の発振周波数はほぼ等し
く、４．７３×１０14Ｈｚ、発振波長λは６３２．８ｎ
ｍである。
【００９３】また、注入同期用のレーザー１１が出射す
るレーザー光１１０の発振周波数ｆ 0は、レーザー光１
００の発振周波数ｆ1 より２０ＭＨｚ大きい。この状態
で、レーザー１１から石英管１０にレーザー光１１０を
入射する。石英管１０の中でレーザー光１１０とレーザ
ー光１００の伝搬方向が同一となる領域で、これの２つ
のレーザー光が相互作用する。
【００９４】その結果、レーザー光１００は、レーザー
光１１０に引き込まれ、レーザー光１００の発振周波数
は、レーザー光１１０の発振周波数ｆ0と等しくなる。
この現象を注入同期という。注入同期の結果、石英管１
０の中で時計回りのレーザー光１００の発振周波数は、
反時計回りのレーザー光２００の発振周波数より２０Ｍ
Ｈｚだけ大きくなる。
【００９５】従って、石英管１０の中で、ビート周波数
が２０ＭＨｚの干渉光が発生する。このとき、電源電流
が一定となるよう調整しておき、電極端子１４とカソー
ド１５の間の電圧をモニターすると、振幅１００ｍＶで
周波数２０ＭＨｚの信号が得られる。すなわち、石英管
１０が静止しているときでも、ビート電圧が検出でき
る。
【００９６】さて、石英管１０が毎秒１８０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光２００の発振周波数ｆ2
は２４８．３ｋＨｚだけ増加する。一方、時計回りのレ
ーザー光１００の発振周波数ｆ1 は注入同期を受けてい
るため変化しない。したがって、ビート周波数は、式
（９）に示すように、
【００９７】
【数９】 となる。一方、石英管１０が毎秒１８０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（１０）
に示すように、
【００９８】
【数１０】 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。
【００９９】この実施例では、定電流駆動とし、端子電
圧の変化を測定したが、もし定電圧駆動であれば、端子
に流れる電流の変化を検出することができる。また、イ
ンピーダンスメーターを用いて、放電のインピーダンス
の変化を直接検出してもよい。
【０１００】なお、本実施例では、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、光導波路において、光路が囲む形
状は、四角形だけでなく、六角形や三角形、円その他ど
のような形状でもよい。
【０１０１】（第２の実施例）図２は第２の実施例の特
徴を最もよく表す図であり、同図において３０は半導体
レーザー、４０はリング共振器型半導体レーザー、４３
はアノード、４４は端子、４５はキャップ層、４６はク
ラッド層、４７は光ガイド層、４８は活性層、４９は光
ガイド層、５４は半導体基板、５５はカソード、３００
は第３のレーザー光、４００は時計回りのレーザー光、
５００は反時計回りのレーザー光である。また、図２は
上面図、図３は図２のＡ−Ａ′でカットした断面図であ
る。
【０１０２】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５４
（厚み３５０μｍ）の上に注入同期用の半導体レーザー
３０とリング共振器型半導体レーザー４０を構成する
１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
４９（厚み０．１５μｍ），１．５５μｍ組成のアンド
ープＩｎＧａＡｓＰ活性層４８（厚み０．１μｍ），
１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
４７（厚み０．１５μｍ），ｐ−ＩｎＰクラッド層４６
（厚み２μｍ），１．４μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
キャップ層４５（厚み０．３μｍ）を成長する。
【０１０３】半導体レーザー３０とリング共振器型半導
体レーザー４０を構成する共通の半導体層を同時に成長
させたが、それぞれ別に成長させてもよい。結晶成長
後、スピンコーターを用いて、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ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、リンス後のリング共振器型半導体
レーザー４０の光導波路の幅は５μｍであり、光導波路
の一周は６００μｍである。一方、半導体レーザー３０
の光導波路の幅は５μｍであり、光導波路の一周の長さ
は３００μｍである。
【０１０４】このあと、ウェハーをリアクティブ・イオ
ンビーム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４５の上にアノード４３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５５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。
【０１０５】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。
【０１０６】全反射を受けるモードは、他のモードに比
べてミラー損失がない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。
【０１０７】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。リング共振器型半
導体レーザー４０において、界面に対する法線とレーザ
ー光のなす角は４５度であり、全反射条件を満たす。
【０１０８】なお、光の損失を防ぎ、低電あるいは低電
圧駆動が求められる場合には、活性層を挟む低屈折率層
における光の損失を低減することが望ましい。
【０１０９】具体的に、図２７を参照して説明する。２
８０１は活性層、２８０６及び２８０７は低屈折率層、
２８０３及び２８０４は電極、２８０２は、基板であ
る。
【０１１０】図２８に、図２７の域２８５０を拡大した
図を示す。低電力駆動する場合には、低屈折率層側面
と、該活性層面のなす角θ1 ，θ2 （図２８）が ７５゜≦θ1 ， θ2 ≦１０５゜ 好ましくは、８０゜≦θ1 ，θ2 ≦１００゜ 更に好ましくは、８５゜≦θ1 ，θ2 ≦９５゜を満たす
ように、レーザー装置を作製することが望ましい。
【０１１１】かかる条件を満たすことにより、該低屈折
率層２８０６，２８０７にしみ出している光（エバネッ
セント光）の損失を防げるので、より低電流（あるいは
低電圧）で半導体レーザーを駆動することが可能とな
る。
【０１１２】もちろん、半導体レーザー側面が全反射面
であることも好ましいものである。全反射面において光
のしみだしている領域の９０％以上が活性層面となす角
が、上記範囲内であることが好ましい。
【０１１３】また、低屈折率層の全周にわたる側面が、
上述のθ1 ，θ2 の条件を満たしていることも好ましい
ものである。レーザーの内部側面も上述のθ1 ，θ2 の
条件を満たしていれば更によい。
【０１１４】また、活性層２８０１を挟む低屈折率層側
面の面精度（表面粗さ）は、活性層における媒質内波長
（真空中での波長／媒質の等価屈折率）の２分の１以
下、より好ましくは３分の１以下であることが好まし
い。具体的には、ＩｎＰ系（波長１．５５μｍ、媒質の
等価屈折率３．６）の場合、約０．２２μｍ以下、好ま
しくは、０．１４μｍ以下ということになる。
【０１１５】また、ＧａＡｓ系（波長０．８５μｍ、媒
質の等価屈折率３．６）の場合、約０．１２μｍ以下、
好ましくは、０．０８μｍ以下である。
【０１１６】図２中、リング共振器型半導体レーザー４
０の室温における発振閾電流は２ｍＡ、半導体レーザー
３０の発振閾電流は、１０ｍＡである。
【０１１７】本実施例において、は、半導体レーザーの
３０の駆動電流は２０ｍＡ、リング共振器型半導体レー
ザー４０の駆動電流は３ｍＡとした。
【０１１８】これらのレーザーが静止し、注入同期用半
導体レーザー３０がレーザー光３００を出射していない
時は、リング共振器型半導体レーザー４０の中のレーザ
ー光４００とレーザー光５００の発振波長は等しく、そ
の発振波長λは１．５５μｍである。
【０１１９】一方、半導体レーザー３０が出射するレー
ザー光３００の発振周波数はｆ3はレーザー光４００の
発振周波数はｆ4より１ｋＨｚ大きい。この状態で、レ
ーザー光３００をリング共振器型半導体レーザー４０に
入射すると、レーザー光３００とレーザー光４００の伝
搬方向が同一となる領域で、これら２つのレーザー光が
相互作用する。この結果、レーザー光４００は、レーザ
ー光３００に引き込まれて、注入同期を引き起こし、双
方の発振周波数が等しくなる。従って、時計回りのレー
ザー光４００の発振周波数は、反時計回りのレーザー光
５００の発振周波数より１ｋＨｚだけ大きくなり、リン
グ共振器型半導体レーザー４０の中でビート周波数が１
ｋＨｚの干渉光が発生する。
【０１２０】このとき、電源電流が一定となるよう調整
しておき、端子４４とカソード５５の間の電圧をモニタ
ーすると、振幅１００ｍＶで周波数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。
【０１２１】さて、リング共振器型レーザー４０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５
００の発振周波数ｆ5 は８８．７Ｈｚだけ増加する。一
方、時計回りのレーザー光４００の発振周波数ｆ4 は注
入同期を受けているため変化しない。したがって、ビー
ト周波数は、式（１１）に示すように、
【０１２２】
【数１１】 となる。一方、リング共振器型レーザー４０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（１２）に示すように、
【０１２３】
【数１２】 となる。
【０１２４】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。
【０１２５】この実施例では、定電流駆動とし、端子電
圧の変化を測定したが、もし定電圧駆動であれば、端子
に流れる電流の変化を検出することができる。又、イン
ピーダンスメーターを用いて、放電のインピーダンスの
変化を直接検出してもよい。
【０１２６】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、ＩｎＰ系、ＧａＮ系
等どのような材料系であってもかまわない。又、光導波
路において、光路が囲む形状は、四角形だけでなく、六
角形や三角形、円その他どのような形状でもよい。又、
半導体レーザー３０の構造は、ファブリペロー型、ＤＦ
Ｂ等どのような構造でもよい。又、波長可変レーザーで
あってもよい。又、横モード制御についても、リッジ、
リブ、埋め込み等どのような構造であってもよい。
【０１２７】（第３の実施例）図４は第３の実施例の特
徴を最もよく表す図面であり、同図において３１は第３
のレーザー光３００をリングレーザー４０に結合させる
ための光導波路、３２，３３は光導波路の端面、３０
１，３１０，３２０，３２１はレーザー光である。
【０１２８】図５は図４のＡ−Ａ’での断面図である。
上記構成において、レーザー３０から出射したレーザー
光３００は光導波路３１に入射する。
【０１２９】この結果、いったん光導波路に光学的に結
合したレーザー光３１０は回折によって広がることな
く、光導波路３１に閉じ込められた状態で伝搬する。ま
た、光導波路の端面３２がレーザー光３００の主伝搬方
向を法線とする面に対して７度以上傾斜している。この
ため、レーザー光３００のうち光導波路の端面で反射し
たレーザー光３０１は、半導体レーザー３０には戻らな
い。
【０１３０】そして、レーザー光３１０のうちで光導波
路３１のもう一方の端面３３で反射したレーザー光とリ
ングレーザー内のレーザー光５００の一部が光導波路３
１に結合したレーザー光とから構成されるレーザー光３
２０も光導波路３１の端面３２で伝搬方向が変わり、レ
ーザー光３２１が端面３２から出射される。このレーザ
ー光３２１も半導体レーザー３０には戻らない。
【０１３１】なお、本実施例では端面３３はレーザー光
の主伝搬方向に対して垂直であるが、端面３３もレーザ
ー光の主伝搬方向を法線とする面に対して傾斜していて
もよい。
【０１３２】さて、光導波路３１をレーザー光が伝搬す
るとき、光導波路３１の界面で全反射が生じる。このと
き、界面に沿って進行するエバネッセント光が存在す
る。発振波長が１．５５μｍの場合、エバネッセント光
のしみ出し距離は０．０７５μｍである。エバネッセン
ト光の強度は指数関数的に減衰する（しみ出し距離は、
電界振幅がｌ／ｅに減衰する距離である。ただし、ここ
でｅは自然対数の底である。）。
【０１３３】リング共振器型レーザー４０と光導波路３
１が、しみ出し距離以内の０．０７μｍだけ離れて配置
されており、レーザー光３１０がリング共振器型半導体
レーザー４０に効率よく結合する。このため、レーザー
光４００がレーザー光３１０に引き込まれるのに必要な
レーザー光３００の光強度は第２の実施例よりも小さく
て済む。半導体レーザー３０の駆動電流は、第２の実施
例よりも小さい値である１８ｍＡであった。
【０１３４】電源電流が一定となるよう調整しておき、
電気端子４４とカソード５５の間の電圧をモニターする
と、第２の実施例と同じ振幅１００ｍＶ，周波数１ｋＨ
ｚの信号が得られる。すなわち、リング共振器型半導体
レーザー４０が静止しているときでも、ビート電圧が検
出できる。
【０１３５】そして、リング共振器型半導体レーザー４
０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、第２の実施例と同
じ信号が得られる。
【０１３６】（第４の実施例）図６は第４の実施例の特
徴を最もよく表す図面であり、同図において３４はリン
グ共振器型半導体レーザー４０に接続された光導波路で
ある。図７は、ＡーＡ’での断面図である。光導波路３
４がリング共振器型半導体レーザーに接続されているこ
とから、レーザー光３１０がリング共振器型半導体レー
ザー４０に効率よく結合する。このため、レーザー光４
００がレーザー光３１０に引き込まれるのに必要なレー
ザー光３００の光強度は小さくて済む。この結果、半導
体レーザー３０の駆動電流は、１５ｍＡとなった。
【０１３７】電源電流が一定となるよう調整しておき、
電気端子４４とカソード５５の間の電圧をモニターする
と、第２の実施例と同じ振幅１００ｍＶ、周波数１ｋＨ
ｚの信号が得られる。すなわち、リング共振器型半導体
レーザー４０が静止しているときでも、ビート電圧が検
出できる。
【０１３８】そして、リング共振器型半導体レーザー４
０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、第２の実施例と同
じ信号が得られる。
【０１３９】（第５の実施例）図８は第５の実施例の特
徴を最もよく表す図であり、１は光ジャイロ、２は回転
台、３は電流源、４は抵抗、５は周波数−電圧変換回路
（ＦＶ変換回路）である。
【０１４０】上記構成において、直列に接続した抵抗４
を介して、電流源３から光ジャイロ１に電流を注入す
る。光ジャイロ１が静止した状態でも、光ジャイロ１の
中の２つのレーザー光の発振周波数の差に相当するビー
ト信号が端子電圧の変化として得られる。さらに、回転
台２に載せた光ジャイロ１を回転させると、回転の角速
度に応じたビート信号が現れる。
【０１４１】このビート信号を周波数−電圧変換回路
（ＦＶ変換回路）５を通すことによって、ビート周波数
を電圧値に直すことができる。たとえば、オフセットを
調整して、光ジャイロ１が静止している時の周波数−電
圧変換回路（ＦＶ変換回路）５の電圧出力をゼロとする
と、周波数−電圧変換回路（ＦＶ変換回路）５の出力の
正負によって、回転方向を検出することができる。
【０１４２】図９に周波数−電圧変換回路（ＦＶ変換回
路）の例を示す。この回路は、トランジスター、ダイオ
ード、コンデンサー、抵抗で構成され、出力電圧ＶC2は
式（７）で表される。
【０１４３】ここで、Ｅi は入力電圧のｐｅａｋ−ｔｏ
−ｐｅａｋの値、ｆはビート周波数である。Ｃ2 ＞＞Ｃ
1 ，Ｒ0 Ｃ2 ｆ＜１となるように回路パラメータを設計
することで、式（８）に示すように、ＶC2はＥiＣ1Ｒ0
ｆ／２となり、ビート周波数に比例した電圧出力を得
る。
【０１４４】（第６の実施例）図１０は第６の実施例の
特徴を最もよく表す図であり、同図において１０は石英
管、１１は注入同期用レーザー、１２はミラー、１３は
アノード、１５はカソード、１９は光検出器、１００は
時計回りのレーザー光、１０１はレーザー光、２００は
反時計回りのレーザー光、２０１はレーザー光である。
【０１４５】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
ノードとカソード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、石英管１０の中で時計
回りのレーザー光１００と反時計回りのレーザー光２０
０が発振する。
【０１４６】石英管１０が静止し、外部から石英管にレ
ーザー光が入射していない時は、レーザー光１００とレ
ーザー光２００の発振周波数はほぼ等しく、４．７３×
１０ 14Ｈｚ、発振波長λは６３２．８ｎｍである。又、
注入同期用レーザー１１が出射するレーザー光１１０の
発振周波数ｆ0は、レーザー光１００の発振周波数ｆ1 よ
り２０ＭＨｚ大きい。この状態で、レーザー１１から石
英管１０にレーザー光１１０を入射する。石英管１０の
中でレーザー光１１０とレーザー光１００の伝搬方向が
同一となる領域で、これらの２つのレーザー光が相互作
用する。その結果、レーザー光１００は、レーザー光１
１０に引き込まれ、レーザー光１００の発振周波数は、
レーザー光１１０の発振周波数ｆ0と等しくなる。注入
同期の結果、石英管１０の中で時計回りのレーザー光１
００の発振周波数は、反時計回りのレーザー光２００の
発振周波数より２０ＭＨｚだけ大きくなる。
【０１４７】レーザーの共振器を構成するミラー１２の
うち、一つのミラーの反射率を下げておくことで、この
反射率の低いミラーからレーザー光を取り出すことがで
きる。外部に出射されたレーザー光１０１、２０１を光
検出器１９で同時に受光することによって、光検出器１
９においてレーザー光１０１はレーザー光２０１と干渉
する。この時、光検出器１９の電気出力端子に、振幅５
０ｍＶで周波数２０ＭＨｚの信号が現れる。このビート
信号は、石英管１０が回転していなくても検出される。
【０１４８】さて、石英管１０が毎秒１８０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光２００の発振周波数ｆ2
は２４８．３ｋＨｚだけ増加する。一方、時計回りのレ
ーザー光１００の発振周波数ｆ1 は注入同期を受けてい
るため変化しない。したがって、ビート周波数は、式
（９）に示したように、２０ＭＨｚ−２４８．３ｋＨｚ
となる。
【０１４９】一方、石英管１０が毎秒１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（１０）
に示したように、２０ＭＨｚ＋２４８．３ｋＨｚとな
る。
【０１５０】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。
【０１５１】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。又、光導波路において、光路が囲む形状は、
四角形だけでなく、六角形や三角形、円その他どのよう
な形状でもよい。
【０１５２】（第７の実施例）図１１は第７の実施例の
特徴を最もよく表す図であり、同図において３０は半導
体レーザー、３９は光検出器、４０はリング共振器型半
導体レーザー、４３はアノード、４５はキャップ層、４
６はクラッド層、４７は光ガイド層、４８は活性層、４
９は光ガイド層、５４は半導体基板、５５はカソード、
３００は第３のレーザー光、４００は時計回りのレーザ
ー光、４０１は、レーザー光、５００は反時計回りのレ
ーザー光、５０１はレーザー光である。又、図１１は上
面図、図１２は図１１のＡ−Ａ′でカットした断面図で
ある。
【０１５３】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５４
（厚み３５０μｍ）の上に注入同期用の半導体レーザー
３０とリング共振器型半導体レーザー４０を構成する
１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
４９（厚み０．１５μｍ），１．５５μｍ組成のアンド
ープＩｎＧａＡｓＰ活性層４８（厚み０．１μｍ），
１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
４７（厚み０．１５μｍ），ｐ−ＩｎＰクラッド層４６
（厚み２μｍ），１．４μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
キャップ層４５（厚み０．３μｍ）を成長する。今回
は、半導体レーザー３０、光検出器３９、リング共振器
型半導体レーザー４０を構成する共通の半導体層を同時
に成長させたが、それぞれ別に成長させてもよい。結晶
成長後、スピンコーターを用いて、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
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、リンス後のリング共振器型半
導体レーザー４０の光導波路の幅は５μｍであり、光導
波路の一周は６００μｍである。一方、半導体レーザー
３０の光導波路の幅は５μｍであり、光導波路の一周の
長さは３００μｍである。
【０１５４】このあと、ウェハーをリアクティブ・イオ
ンビーム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４５の上にアノード４３としてＣｒ
／Ａｕを蒸着によって形成した。又、ｎ−ＩｎＰ基板に
カソード５５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。
【０１５５】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がない分
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。リング共振
器型半導体レーザー４０において、界面に対する法線と
レーザー光のなす角は４５度であり、全反射条件を満た
す。但し、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のな
す角を１６．５度とした。
【０１５６】リング共振器型半導体レーザー４０の室温
における発振しきい電流は２ｍＡである。又、半導体レ
ーザー３０の発振閾電流は、１０ｍＡである。本実施例
では、半導体レーザーの３０の駆動電流は２０ｍＡ、リ
ング共振器型半導体レーザー４０の駆動電流は３ｍＡと
した。
【０１５７】これらのレーザーが静止し、半導体レーザ
ー３０がレーザー光３００を出射していない時は、リン
グ共振器型半導体レーザー４０の中のレーザー光４００
とレーザー光５００の発振波長は等しく、その発振波長
λは１．５５μｍである。
【０１５８】一方、半導体レーザー３０が出射するレー
ザー光３００の発振周波数はｆ3はレーザー光４００の
発振周波数はｆ4より１ｋＨｚ大きい。この状態で、レ
ーザー光３００をリング共振器型半導体レーザー４０に
入射すると、レーザー光３００とレーザー光４００の伝
搬方向が同一となる領域で、これら２つのレーザー光が
相互作用する。この結果、レーザー光４００は、レーザ
ー光３００に引き込まれて、注入同期を引き起こし、双
方の発振周波数が等しくなる。従って、時計回りのレー
ザー光４００の発振周波数は、反時計回りのレーザー光
５００の発振周波数より１ｋＨｚだけ大きくなる。従っ
て、リングレーザー４０から出射されたレーザー光４０
１、５０１を同時に光検出器３９で受光すると、光検出
器３９の中でビート周波数が１ｋＨｚの干渉光が発生
し、この周波数を持ち振幅１００ｍＶのビート電圧が検
出される。このビート電圧は、リング共振器型半導体レ
ーザー４０が静止していても、光検出器３９の出力端子
に現れる。
【０１５９】さて、リング共振器型レーザー４０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５
００の発振周波数ｆ5 は８８．７Ｈｚだけ増加する。一
方、時計回りのレーザー光４００の発振周波数ｆ4 は注
入同期を受けているため変化しない。したがって、ビー
ト周波数は、式（１１）に示したように、１ｋＨｚ−１
７７．４Ｈｚとなる。
【０１６０】一方、リング共振器型レーザー４０が、毎
秒３０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（１２）に示したように、１ｋＨｚ＋１７
７．４Ｈｚとなる。
【０１６１】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。
【０１６２】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。又、光導波路において、光路が
囲む形状は、四角形だけでなく、六角形や三角形、円そ
の他どのような形状でもよい。又、半導体レーザー３０
は、ファブリペロー型、ＤＦＢ、ＤＢＲ等どのような構
造でもよい。又、波長可変レーザーであってもよい。横
モード制御についても、リッジ、リブ、埋め込み等どの
ような構造でもよい。
【０１６３】（第８の実施例）図１３は第８の実施例の
特徴を最もよく表す図面であり、同図において３１は第
３のレーザー光３００をリングレーザー４０に結合させ
るための光導波路、３２，３３は光導波路の端面、３０
１，３１０，３２０，３２１はレーザー光である。
【０１６４】なお、図１４は、図１３のＡ−Ａ’での断
面図である。上記構成において、レーザー３０から出射
したレーザー光３００は光導波路３１に入射する。この
結果、いったん光導波路に光学的に結合したレーザー光
３１０は回折によって広がることなく、光導波路３１に
閉じ込められた状態で伝搬する。また、光導波路の端面
３２がレーザー光３００の主伝搬方向を法線とする面に
対して７度以上傾斜している。このため、レーザー光３
００のうち光導波路の端面で反射したレーザー光３０１
は、半導体レーザー３０には戻らない。そして、レーザ
ー光３１０のうちで光導波路３１のもう一方の端面３３
で反射したレーザー光とリングレーザー内のレーザー光
５００の一部が光導波路３１に結合したレーザー光とか
ら構成されるレーザー光３２０も光導波路３１の端面３
２で伝搬方向が変わり、レーザー光３２１が端面３２か
ら出射される。このレーザー光３２１も半導体レーザー
３０には戻らない。なお、本実施例では端面３３はレー
ザー光の主伝搬方向に対して垂直であるが、端面３３も
レーザー光の主伝搬方向を法線とする面に対して傾斜し
ていてもよい。
【０１６５】さて、光導波路３１をレーザー光が伝搬す
るとき、光導波路３１の界面で全反射が生じる。このと
き、界面に沿って進行するエバネッセント光が存在す
る。発振波長が１．５５μｍの場合、エバネッセント光
のしみ出し距離は０．０７５μｍである。エバネッセン
ト光の強度は指数関数的に減衰する（しみ出し距離は、
電界振幅がｌ／ｅに減衰する距離である。ただし、ここ
でｅは自然対数の底である。）。リング共振器型レーザ
ー４０と光導波路３１が、しみ出し距離以内の０．０７
μｍだけ離れて配置されており、レーザー光３１０がリ
ング共振器型半導体レーザー４０に効率よく結合する。
このため、レーザー光４００がレーザー光３１０に引き
込まれるのに必要なレーザー光３００の光強度は第２の
実施例よりも小さくて済む。半導体レーザー３０の駆動
電流は、１８ｍＡであった。
【０１６６】光検出器３９の端子からは第２の実施例と
同じく、振幅１００ｍＶ、周波数１ｋＨｚの信号が得ら
れる。すなわち、リング共振器型半導体レーザー４０が
静止しているときでも、ビート電圧が検出できる。
【０１６７】そして、リング共振器型半導体レーザー４
０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、第２の実施例と同
じ信号が得られる。
【０１６８】（第９の実施例）図１５は第９の実施例の
特徴を最もよく表す図面であり、同図において３４はリ
ング共振器型半導体レーザー４０に接続された光導波路
である。
【０１６９】図１６は、図１５のＡ−Ａ’での断面図で
ある。光導波路３４がリング共振器型半導体レーザー４
０に接続されていることから、第３の実施例よりもさら
にレーザー光３１０がリング共振器型半導体レーザー４
０に効率よく結合する。このため、レーザー光４００が
レーザー光３１０に引き込まれるのに必要なレーザー光
３００の光強度は小さくて済む。この結果、半導体レー
ザー３０の駆動電流は、１５ｍＡとなった。
【０１７０】光検出器３９の端子からは、第２の実施例
と同じく、振幅１００ｍＶ、周波数１ｋＨｚの信号が得
られる。すなわち、リング共振器型半導体レーザー４０
が静止しているときでも、ビート電圧が検出できる。
【０１７１】そして、リング共振器型半導体レーザー４
０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、第２の実施例と同
じ信号が得られる。
【０１７２】（第１０の実施例）図１７は第１０の実施
例の特徴を最もよく表す図であり、１は光ジャイロ、２
は回転台、３は電流源、４は抵抗、５は周波数−電圧変
換回路（ＦＶ変換回路）である。
【０１７３】上記構成において、直列に接続した抵抗４
を介して、電流源３から光ジャイロ１に電流を注入す
る。光ジャイロ１が静止した状態でも、光ジャイロ１の
中の２つのレーザー光の発振周波数の差に相当するビー
ト信号が端子電圧の変化として得られる。さらに、回転
台２に載せた光ジャイロ１を回転させると、回転の角速
度に応じたビート信号が現れる。
【０１７４】このビート信号を周波数−電圧変換回路
（ＦＶ変換回路）５を通すことによって、ビート周波数
を電圧値に直すことができる。たとえば、オフセットを
調整して、光ジャイロ１が静止している時の周波数−電
圧変換回路（ＦＶ変換回路）５の電圧出力をゼロとする
と、周波数−電圧変換回路（ＦＶ変換回路）５の出力の
正負によって、回転方向を検出することができる。
【０１７５】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、回転時の
ビート周波数を観測し、非回転時からの増減を求めるこ
とによって、回転方向を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図２】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図３】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図４】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図５】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図６】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図７】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図８】本発明に係るジャイロを説明するための図であ
る。
【図９】周波数−電圧変換回路の一例である。
【図１０】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１１】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１２】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１３】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１４】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１５】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１６】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１７】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１８】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図１９】電気信号の一例を示す図である。
【図２０】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２１】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２２】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２３】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２４】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２５】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２６】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２７】本発明に係る電気信号を検出するための回路
の一例の回路図である。
【図２８】本発明に係るジャイロを説明するための図で
ある。
【図２９】従来技術を説明するための図である。
【図３０】従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 光ジャイロ ２ 回転台 ３ 電流源 ４ 抵抗 ５ ＦＶ変換回路 １０ 石英管 １１ レーザー １２ ミラー １３ アノード １５ カソード １９ 光検出器 ３０ 半導体レーザー ３１、３４ 光導波路 ３２、３３ 端面 ４０ リング共振器型半導体レーザー ４３ アノード ４４ 端子 ４５ キャップ層 ４６ クラッド層 ４７ 光ガイド層 ４８ 活性層 ４９ 光ガイド層 ５４ 半導体基板 ５５ カソード １００ 時計回りのレーザー光 １１０ レーザー光 ２００ 反時計回りのレーザー光 １０１、２０１、３００，３０１，３１０，３２０、３
２１ レーザー光 ４００ 時計回りのレーザー光 ４０１ レーザー光 ５００ 反時計回りのレーザー光 ５０１ レーザー光 ２８０１ 活性層 ２８０２ 半導体基板 ２８０３ 電極 ２８０６，２８０７ ガイド層 ２８０４ 電極 ２８０６，２８０７ 低屈折率層 ５７１７ 光吸収領域 ５７２２、５７２３ 電極 ５７９０、５７９１ 電極 ５７９２ 半導体レーザー素子 ５７９４ 出力端子

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに反対の周回方向に伝搬する第１及
    び第２のレーザー光を発振するレーザー装置を備え、該
    レーザー装置から電気信号を取り出すジャイロであっ
    て、 該第１のレーザー光とは発振周波数の異なる第３のレー
    ザー光を、該第１のレーザー光と同一の周回方向に伝搬
    するように該レーザー装置に入射することを特徴とする
    ジャイロ。
  2. 【請求項２】 前記第３のレーザー光は、前記レーザー
    装置を構成するリングレーザーのコーナーミラーから入
    射される請求項１記載のジャイロ。
  3. 【請求項３】 前記第３のレーザー光は、注入同期用の
    光導波路を介して前記レーザー装置に入射する請求項１
    記載のジャイロ。
  4. 【請求項４】 前記注入同期用の光導波路は、前記レー
    ザー装置に光学的に結合する様に近接して配置されてい
    る請求項３記載のジャイロ。
  5. 【請求項５】 前記第３のレーザー光のしみ出し距離以
    内に、前記注入同期用の光導波路と前記レーザー装置を
    配置する請求項３記載のジャイロ。
  6. 【請求項６】 前記注入同期用の光導波路が前記レーザ
    ー装置を構成するリングレーザーの導波路に接続されて
    いる請求項３記載のジャイロ。
  7. 【請求項７】 前記注入同期用の光導波路の端面の少な
    くとも一つは、前記注入同期用の光導波路を伝搬する前
    記第３のレーザー光の伝搬方向に垂直な面に対して傾斜
    していることを特徴とする請求項４〜６いずれか１項に
    記載のジャイロ。
  8. 【請求項８】 前記レーザー装置において、前記第１の
    レーザー光とは反対の周回方向に伝搬するレーザー光が
    発振している請求項１記載のジャイロ。
  9. 【請求項９】 前記第１及び第３のレーザー光は、発振
    周波数の差が１００Ｈｚ以上である請求項１記載のジャ
    イロ。
  10. 【請求項１０】 前記第１及び第３のレーザー光は、発
    振周波数の差が１ｋＨｚ以上である請求項１記載のジャ
    イロ。
  11. 【請求項１１】 前記第１及び第３のレーザー光は、発
    振周波数の差が１０ｋＨｚ以上である請求項１記載のジ
    ャイロ。
  12. 【請求項１２】 前記レーザー装置は、リング共振器型
    レーザー装置である請求項１記載のジャイロ。
  13. 【請求項１３】 前記レーザー装置は、半導体レーザー
    により構成される請求項１記載のジャイロ。
  14. 【請求項１４】 前記レーザー装置は、気体レーザーに
    より構成される請求項１記載のジャイロ。
  15. 【請求項１５】 前記電気信号は、前記レーザー装置の
    回転に伴い変化する信号である請求項１記載のジャイ
    ロ。
  16. 【請求項１６】 前記電気信号は、電圧信号あるいは電
    流信号である請求項１記載のジャイロ。
  17. 【請求項１７】 前記電気信号の周波数変化により、物
    体の角速度及び回転方向を検知する請求項１記載のジャ
    イロ。
  18. 【請求項１８】 前記レーザー装置は、前記電気信号を
    取り出す為の電気端子を備える請求項１記載のジャイ
    ロ。
  19. 【請求項１９】 前記電気端子には、周波数−電圧変換
    回路が接続されている請求項１８記載のジャイロ。
  20. 【請求項２０】 前記電気信号は、前記レーザー装置の
    外部に配された光検出器により得られる請求項１記載の
    ジャイロ。
  21. 【請求項２１】 互いに反対の周回方向に伝搬する第１
    及び第２のレーザー光を発振するレーザー装置、及び該
    レーザー装置から放出される該第１及び第２のレーザー
    光の干渉光を検出する光検出器を有するジャイロであっ
    て、 該第１のレーザー光とは発振周波数の異なる第３のレー
    ザー光を、該第１のレーザー光と同一の周回方向に伝搬
    するように該レーザー装置に入射することを特徴とする
    ジャイロ。
  22. 【請求項２２】 前記第３のレーザー光は、前記レーザ
    ー装置を構成するリングレーザーのコーナーミラーから
    入射される請求項２１記載のジャイロ。
  23. 【請求項２３】 前記第３のレーザー光は、注入同期用
    の光導波路を介して前記レーザー装置に入射する請求項
    ２１記載のジャイロ。
  24. 【請求項２４】 前記注入同期用の光導波路は、前記レ
    ーザー装置に光学的に結合するように近接して配置され
    ている請求項２３記載のジャイロ。
  25. 【請求項２５】 前記第３のレーザー光のしみ出し距離
    以内に、前記注入同期用の光導波路と前記レーザー装置
    を配置する請求項２３記載のジャイロ。
  26. 【請求項２６】 前記注入同期用の光導波路が前記レー
    ザー装置を構成するリングレーザーの導波路に接続され
    ている請求項２３記載のジャイロ。
  27. 【請求項２７】 前記注入同期用の光導波路の端面の少
    なくとも一つは、前記注入同期用の光導波路を伝搬する
    前記第３のレーザー光の伝搬方向に垂直な面に対して傾
    斜していることを特徴とする請求項２３〜２６いずれか
    １項に記載のジャイロ。
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