JP2001159520A - Ring laser gyro and its signal detecting method - Google Patents

Ring laser gyro and its signal detecting method

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JP2001159520A
JP2001159520A JP34359599A JP34359599A JP2001159520A JP 2001159520 A JP2001159520 A JP 2001159520A JP 34359599 A JP34359599 A JP 34359599A JP 34359599 A JP34359599 A JP 34359599A JP 2001159520 A JP2001159520 A JP 2001159520A
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JP
Japan
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ring laser
ring
laser gyro
signal
gyro
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JP34359599A
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Japanese (ja)
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Takaaki Numai
貴陽 沼居
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Canon Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To detect the change of a beat frequency in a short time, even if a ratio S/L is small, assuming an optical path length of a ring laser as L and a closed area enclosed by an optical path as S. SOLUTION: Figures 1, 2 are ring laser gyros having different sizes, respectively. Only a counterclockwise laser beam is shown by an arrow for simplification. For example, when S's are equal mutually, l1, l2 are selected so that S/L's do not become integer-fold mutually. When signals of the ring laser gyros 1, 2 are synchronized and overlapped, overlapping of the two signals is changed in response to the difference between beat frequencies of the ring laser gyros 1, 2. The height and the width of the pulse of the signal are measured relative to plural pulses, then the difference between beat frequencies is known, to thereby detect the angular velocity of rotation. A measuring time can be shortened in this way, compared with the case where the beat frequency is obtained by counting the number of pulses.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、リング共振器型の
レーザージャイロに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ring resonator type laser gyro.

【0002】[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
化された半導体リングレーザージャイロは、たとえば、
特開平5−288556号公報に開示されている。リン
グレーザー型ジャイロでは、回転に伴い時計回りのレー
ザー光と反時計回りのレーザー光の発振周波数がシフト
する。そして、この発振周波数の差から生じるビート周
波数を測定して、回転の角速度を検出している。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a gyro for detecting an angular velocity of a moving object, a mechanical gyro having a rotor and a vibrator and an optical gyro are known. In particular, optical gyros are being revolutionized in the gyro technical field because they can be activated instantaneously and have a wide dynamic range. The optical gyro includes a ring laser gyro, an optical fiber gyro, a passive ring resonator gyro, and the like. Of these, the first to be developed is a ring laser type gyro using a gas laser, which has already been put to practical use in aircraft and the like. Recently, a semiconductor ring laser gyro integrated on a semiconductor substrate as a small, high-precision ring laser type gyro is, for example,
It is disclosed in JP-A-5-288556. In the ring laser gyro, the oscillation frequency of the clockwise laser light and the counterclockwise laser light shift with rotation. Then, the beat frequency generated from the difference between the oscillation frequencies is measured to detect the angular velocity of rotation.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、ビート周波数
は、リングレーザーの光路長Lと光路が囲む閉面積Sと
の比S/Lに比例するため、小型のリングレーザーのよ
うにS/Lが小さくなるとビート周波数が小さくなる。
このため、S/Lが小さい場合、ビート周波数の変化を
測定するのに時間がかかるという問題があった。
However, since the beat frequency is proportional to the ratio S / L of the optical path length L of the ring laser and the closed area S surrounded by the optical path, the S / L is smaller than that of a small ring laser. As the frequency decreases, the beat frequency decreases.
Therefore, when the S / L is small, there is a problem that it takes time to measure the change in the beat frequency.

【0004】そこで、本発明は、小型のリングレーザー
のようにS/Lが小さい場合でも、短時間でビート周波
数の変化を検出することを課題としている。
Accordingly, an object of the present invention is to detect a change in beat frequency in a short time even when the S / L is small as in a small ring laser.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の光ジャイロにおいては、複数のリングレー
ザーを含み、回転時に生じるビート周波数を非整数倍に
なるようにしている。
An optical gyro according to the present invention for solving the above-mentioned problems includes a plurality of ring lasers, and a beat frequency generated at the time of rotation becomes a non-integer multiple.

【0006】又、本発明方法においては、上述したレー
ザージャイロを使用して、複数のリングレーザージャイ
ロの信号を同期させて重ね合わせ、その重ね合わせた信
号パルスの強度およびパルス幅を検出している。
In the method of the present invention, the signals of a plurality of ring laser gyros are superposed in synchronization with each other using the above-mentioned laser gyro, and the intensity and pulse width of the superposed signal pulses are detected. .

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1は、本発明のリングレ
ーザージャイロの上面図である。簡単のため反時計回り
のレーザー光のみを矢印で示してある。1と2はそれぞ
れサイズの異なるリングレーザージャイロであり、たと
えば、Sが互いに等しい場合には、S/Lが互いに整数
倍とならないように、l1、l2を選択する。一般的に
は、S/Lが互いに整数倍とならないようにする。この
ようにするのは、ビート信号がある周期の整数倍で重な
るのを避けるためである。もしビート信号が整数倍で重
なるとパルスのズレを検出することができなくなるから
である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a top view of the ring laser gyro of the present invention. For simplicity, only the counterclockwise laser light is indicated by arrows. Reference numerals 1 and 2 denote ring laser gyros having different sizes. For example, when S is equal to each other, l 1 and l 2 are selected so that S / L does not become an integral multiple of each other. In general, S / L is not set to be an integral multiple of each other. This is to prevent beat signals from overlapping at an integral multiple of a certain period. This is because if the beat signal overlaps at an integral multiple, it is impossible to detect a pulse shift.

【0008】図2は、この半導体リングレーザーの製造
工程を説明するための平面図及び断面図である。この半
導体リングレーザーを製造するには、まず、有機金属気
相成長法を用いて、n−InP基板21(厚み350μ
m)の上にInPバッファー層21(厚み0.05μ
m)、1.3μm組成のアンドープInGaAsP光ガ
イド層23(厚み0.15μm)、1.55μm組成の
アンドープInGaAsP活性層24(厚み0.1μ
m)、1.3μm組成のアンドープInGaAsP光ガ
イド層25(厚み0.15μm)、P−InPクラッド
層26(厚み2μm)、1.4μm組成のP−InGa
AsPキャップ層27(厚み0.3μm)を成長する。
結晶成長後、P−InPキャップ27層の上にアノード
材料28としてCr/Auを蒸着によって形成する。そ
して、スピンコーターを用いて、アノード材料28の上
にフォトレジスト31として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分行った後、ウェハーにマスクをかけて
露光する。現像、リンス後のフォトレジスト31は、や
やテーパー形状をしている。また、ストライプの幅は5
μm、リングレーザージャイロの光路の1辺の長さは、
それぞれl1 =110μm、l2 =100μm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、フォトレジスト31をエッチングマスク
として、アノード材料28のCr/Auをドライエッチ
ングする。エッチングに用いたガスは、Auに対してA
r、Crに対してCF4 である。次に、塩素ガスを用い
て、光導波路の高さが3.2μmとなるように半導体層
をエッチングした後、フォトレジスト31を剥離する。
その後、アノード28を水素雰囲気中でアニールし、オ
ーミック接触を実現する。次に、n−InP基板21に
カソード11として、AuGe/Ni/Auを蒸着す
る。最後に水素雰囲気中でアニールし、オーミック接触
をとる。
FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor ring laser. In order to manufacture this semiconductor ring laser, first, an n-InP substrate 21 (having a thickness of 350 μm) was formed using a metal organic chemical vapor deposition method.
m) on the InP buffer layer 21 (0.05 μm thick).
m) 1.3 μm undoped InGaAsP light guide layer 23 (0.15 μm thickness), 1.55 μm undoped InGaAsP active layer 24 (0.1 μm thickness)
m) 1.3-μm undoped InGaAsP optical guide layer 25 (0.15 μm thickness), P-InP cladding layer 26 (2 μm thickness), 1.4 μm P-InGa composition
A AsP cap layer 27 (0.3 μm thick) is grown.
After crystal growth, Cr / Au is formed as an anode material 28 on the P-InP cap 27 layer by vapor deposition. Then, using a spin coater, AZ-1350 (made by Hoechst) is applied as a photoresist 31 on the anode material 28 so as to have a film thickness of 1 μm. After pre-baking at 80 ° C. for 30 minutes, the wafer is exposed with a mask. The photoresist 31 after development and rinsing has a slightly tapered shape. The width of the stripe is 5
μm, the length of one side of the optical path of the ring laser gyro is
L 1 = 110 μm and l 2 = 100 μm, respectively.
Thereafter, the wafer is introduced into a reactive ion etching apparatus, and Cr / Au of the anode material 28 is dry-etched using the photoresist 31 as an etching mask. The gas used for etching is Au
CF 4 is used for r and Cr. Next, after the semiconductor layer is etched using chlorine gas so that the height of the optical waveguide becomes 3.2 μm, the photoresist 31 is peeled off.
Thereafter, the anode 28 is annealed in a hydrogen atmosphere to realize ohmic contact. Next, AuGe / Ni / Au is deposited on the n-InP substrate 21 as the cathode 11. Finally, annealing is performed in a hydrogen atmosphere to obtain ohmic contact.

【0009】ここでは半導体材料として、InGaAs
P系のものを用いたが、GaAs系、ZnSe系、In
GaN系、Al−GaN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1のように四角形だけでなく、円、六角形、三角
形等であってよく、一般的には、形状に制限はない。更
に、リングレーザージャイロの数も2個に限定する必要
はなく、複数であればよい。
Here, InGaAs is used as a semiconductor material.
Although a P type was used, a GaAs type, a ZnSe type, and an In type
Any material system such as a GaN system and an Al-GaN system may be used. The shape of the optical waveguide is not limited to a square as shown in FIG. 1, but may be a circle, a hexagon, a triangle, or the like, as shown in FIG. 1. In general, the shape is not limited. Further, the number of ring laser gyros does not need to be limited to two, but may be plural.

【0010】次に、半導体リングレーザージャイロの動
作を説明する。リングレーザージャイロ1,2の室温に
おける発振しきい値は、それぞれ2.2mA,2.0m
Aである。駆動電流は3mAであり、このレーザーが静
止しているときは、真空中の発振波長λ0 は1.55μ
mである。
Next, the operation of the semiconductor ring laser gyro will be described. The oscillation threshold values of the ring laser gyros 1 and 2 at room temperature are 2.2 mA and 2.0 m, respectively.
A. The driving current is 3 mA, and when this laser is stationary, the oscillation wavelength λ 0 in vacuum is 1.55 μm.
m.

【0011】リングレーザージャイロが、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、リングレーザージャイロ1から13
0.1Hzのビート周波数が得られる。また、リングレ
ーザージャイロ2から118.2Hzのビート周波数が
得られる。
When the ring laser gyro is rotated clockwise at a rate of 30 degrees per second, such as camera shake or automobile vibration, the ring laser gyros 1 to 13 are rotated.
A beat frequency of 0.1 Hz is obtained. A beat frequency of 118.2 Hz is obtained from the ring laser gyro 2.

【0012】図3(a),(b)に、リングレーザージ
ャイロ1,2の信号をそれぞれ示す。
FIGS. 3A and 3B show signals of the ring laser gyros 1 and 2, respectively.

【0013】図3(c)には、これらの信号を同期させ
て重ね合わせた信号を示す。リングレーザージャイロ
1,2の信号を同期させて重ね合わせると、リングレー
ザージャイロ1,2のビート周期の違いに応じて、2つ
の信号の重なりが変化する。この信号のパルスの高さと
幅を、複数のパルスについて計測すれば、ビート周波数
の違いがわかり、回転の角速度が検出できる。こうする
ことで、パルス数をカウントしてビート周波数を求める
場合に比べて、計測時間が短縮される。
FIG. 3C shows a signal obtained by synchronizing these signals and superimposing them. When the signals of the ring laser gyros 1 and 2 are superposed in synchronization, the overlap of the two signals changes according to the difference in the beat cycle of the ring laser gyros 1 and 2. If the height and width of the pulse of this signal are measured for a plurality of pulses, the difference in beat frequency can be determined, and the angular velocity of rotation can be detected. By doing so, the measurement time is reduced as compared with the case where the beat frequency is obtained by counting the number of pulses.

【0014】図4は、リングレーザージャイロ1の信号
にリングレーザージャイロ2の信号を反転させて重ね合
わせたものである。この場合もパルスの振幅とパルス幅
を測定することで、ビート周波数の差がわかるので、回
転の角速度を決定できる。
FIG. 4 shows a signal obtained by inverting the signal of the ring laser gyro 2 on the signal of the ring laser gyro 1 and superimposing them. In this case as well, the difference in beat frequency can be determined by measuring the pulse amplitude and pulse width, so that the angular velocity of rotation can be determined.

【0015】[0015]

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、回転にと
もなうビート周波数が小さい場合でも短時間で回転の角
速度の検出ができる。
According to the present invention described above, the angular velocity of rotation can be detected in a short time even when the beat frequency accompanying rotation is small.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のリングレーザージャイロの構造を説明
する上面図
FIG. 1 is a top view illustrating the structure of a ring laser gyro according to the present invention.

【図2】本発明のリングレーザージャイロの製造工程を
説明するための平面図及び断面図
FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the ring laser gyro of the present invention.

【図3】本発明のリングレーザージャイロの信号を説明
する波形図
FIG. 3 is a waveform diagram illustrating a signal of the ring laser gyro of the present invention.

【図4】本発明のリングレーザージャイロの信号を説明
する波形図
FIG. 4 is a waveform diagram illustrating signals of the ring laser gyro of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 リングレーザー 10,20 レーザー光の光路 11 カソード材料 12 リングレーザー 13 光メモリ 14 リングレーザー 15 光メモリ 20 信号を出力する端子 21 基板 22 バッファー層 23 光ガイド層 24 活性層 25 光ガイド層 26 クラッド層 27 キャップ層 28 アノード材料 Reference Signs List 1, 2 Ring laser 10, 20 Optical path of laser beam 11 Cathode material 12 Ring laser 13 Optical memory 14 Ring laser 15 Optical memory 20 Signal output terminal 21 Substrate 22 Buffer layer 23 Optical guide layer 24 Active layer 25 Optical guide layer 26 Cladding layer 27 Cap layer 28 Anode material

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数のリングレーザーを含み、回転時に
生じるビート周波数が互いに非整数倍となるリングレー
ザーの組を含むことを特徴とするリングレーザージャイ
ロ。
1. A ring laser gyro including a plurality of ring lasers, wherein a set of ring lasers whose beat frequencies generated during rotation are non-integer multiples is included.
【請求項2】 光路長Lと光路が囲む閉面積Sとの比S
/Lが非整数倍である複数のリングレーザーを含むこと
を特徴とする請求項1記載のリングレーザージャイロ。
2. A ratio S of an optical path length L to a closed area S surrounded by the optical path.
2. The ring laser gyro according to claim 1, wherein the ring laser gyro includes a plurality of ring lasers whose / L is a non-integer multiple.
【請求項3】 複数のリングレーザーを含み、回転時に
生じるビート周波数が非整数倍であるリングレーザージ
ャイロを使用するリングレーザージャイロの信号検出方
法であって、 前記複数のリングレーザージャイロの信号を同期させて
重ね合わせ、その重ね合わせた信号パルスの強度および
パルス幅を検出することを特徴とするリングレーザージ
ャイロの信号検出方法。
3. A method for detecting a signal of a ring laser gyro using a ring laser gyro including a plurality of ring lasers and having a beat frequency generated at the time of rotation being a non-integer multiple, wherein the signals of the plurality of ring laser gyros are synchronized A method for detecting a signal of a ring laser gyro, characterized by detecting the intensity and pulse width of the superposed signal pulses.
【請求項4】 前記複数のリングレーザージャイロの信
号のうち少なくとも一つのリングレーザージャイロの信
号の符号を反転させ、かつ同期させて重ね合わせ、その
重ね合わせた信号パルスの強度およびパルス幅を検出す
ることを特徴とする請求項3記載のリングレーザージャ
イロの信号検出方法。
4. A signal of at least one ring laser gyro of the plurality of ring laser gyros is inverted and synchronously superimposed, and the intensity and pulse width of the superimposed signal pulse are detected. 4. The signal detection method for a ring laser gyro according to claim 3, wherein:
JP34359599A 1999-12-02 1999-12-02 Ring laser gyro and its signal detecting method Pending JP2001159520A (en)

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