JP2001201349A

JP2001201349A - リングレーザージャイロ、リングレーザージャイロの駆動方法

Info

Publication number: JP2001201349A
Application number: JP2000342152A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Numai; 貴陽沼居
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ディザをかけなくても回転方向の検知を行
う。【解決手段】互いに周回方向の異なる第１及び第２の
レーザー光が伝搬するリングレーザージャイロにおい
て、リングレーザーを構成する光導波路上に複数の電極
領域１〜４を備え、電極領域に注入される電流あるいは
印加される電圧を制御して、リングレーザージャイロの
静止時における第１及び第２のレーザー光の発振周波数
を互いに異ならせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザージャイロ、
レーザージャイロの駆動方法に関し、特にリング共振器
型のレーザージャイロに関するものである。

【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。

【０００３】光ジャイロには、レーザージャイロ、光フ
ァイバージャイロ、受動型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
ーを用いたレーザージャイロであり、すでに航空機など
で実用化されている。

【０００４】最近では、小型で高精度なレーザージャイ
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５−２８８５
５６号公報に記載されている。当該公報は、リング状リ
ッジ型のレーザー素子から時計回転方向及び反時計回転
方向に伝搬するレーザー光をそれぞれ取り出し、そして
干渉させ干渉強度を光電流として、取り出す技術を開示
する。

【０００５】また、特開昭５７−４３４８６号公報（米
国特許第４，４３１,３０８号）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。

【０００６】図３１において、半導体レーザー素子５７
９２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。図３１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
差として検出する旨記載されている。

【０００７】また、特開平４−１７４３１７号公報に
も、回転に伴い生じるレーザー素子の端子電圧の変化を
検出する旨記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザージャイロは、回転方向の検出が出来なかった。
これは、半導体レーザー素子の回転方向が時計回り、反
時計回りにかかわらず、端子電圧から検出されるビート
周波数としては同じ値となってしまうためである。この
ため、ディザをかけ、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、レーザージャイロでは、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、レーザージャイロに前述のディザを
かけることが行われている。

【００１０】本発明の目的は、ディザなどの機械的な機
構を設けない場合であっても回転方向の検出が可能で、
かつロックイン現象の生じにくいレーザージャイロ、レ
ーザージャイロの駆動方法を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
リングレーザージャイロは、互いに周回方向の異なる第
１及び第２のレーザー光が伝搬するリングレーザージャ
イロにおいて、該リングレーザーを構成する光導波路上
に複数の電極領域を備え、該電極領域に注入される電流
あるいは印加される電圧を制御して、該リングレーザー
ジャイロの静止時における該第１及び第２のレーザー光
の発振周波数を互いに異ならせることを特徴とする。

【００１２】前記制御は、前記光導波路の屈折率が変調
される空間が、時間とともに前記第１あるいは第２のレ
ーザー光の周回方向と同一の方向に移動するように前記
複数の電極に電流注入を行うものである。

【００１３】また、前記制御は、前記第１あるいは第２
のレーザー光の周回方向と同一の方向に注入電流を周回
させるものである。

【００１４】本発明に係るリングレーザージャイロの駆
動方法は、光導波路の屈折率が変調される空間が、時間
とともに１つの周回方向に移動することを特徴とする。

【００１５】また、本発明に係るリングレーザージャイ
ロの駆動方法は、複数の電極を有するリングレーザージ
ャイロの駆動方法であって、変調される順番が周回方向
となるように、各電極間で時間差をもって前記複数の電
極に印加する電圧あるいは注入電流を変調することを特
徴とする。

【００１６】また、本発明に係るリングレーザージャイ
ロの駆動方法は、電流を流しレーザー発振を生じさせ
て、一つの周回方向及び該一つの周回方向とは反対の周
回方向に光を周回させるレーザージャイロの駆動方法に
おいて、前記電流の流れる方向を前記一つの周回方向に
限定したことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を用いて具体
的に説明する。なお、ここではレーザージャイロとして
半導体レーザージャイロの例を取りあげて説明するが、
これに限定されるものではなく、例えば気体レーザージ
ャイロにも本発明を適用することができる。

【００１８】（第１の実施形態）図１０（ａ）は半導体
レーザージャイロの上面図、図１０（ｂ）は各電極への
注入電流のタイミングチャートである。同図において、
１，２，３，４はアノードであり、各電極間は電気的に
分離してある。この状態で、図１０（ｂ）に示すよう
に、時間差を設けてアノード１，２，３に電流を注入す
る。なお、電極１〜４の形状は、図に記載の形状に限る
ことなく、図１０（ｂ）に示すようなタイミングチャー
トで電流注入できればよい。半導体では、発熱の効果が
無視できるときは、電流注入にともなう自由キャリアプ
ラズマ効果によって、屈折率が減少する。一方、電流注
入にともなってジュール熱による発熱が支配的なとき
は、屈折率が増加する。いずれの場合も、電流が大きい
ときは、電流が小さいときに比べて屈折率が変化する。
いま、光導波路の等価屈折率を注入電流が３ｍＡのとき
ｎ ₀、注入電流が４ｍＡのときｎ_pとする。

【００１９】図１０（ｂ）では、注入電流が４ｍＡとな
る電極が時間とともに、電極３、電極２、電極１と変化
している。このことは、屈折率ｎ_pをもった領域が、時
間とともに反時計回りに周回していることになる。そし
て、周回速度ｖは、電極の１辺の長さをｌ、電流パルス
の幅をｔ_pとすると、

【００２０】

【数１】で与えられる。

【００２１】さて、上記のように等価屈折率ｎ_pをもつ
領域が反時計回りに移動しているとする。このとき、リ
ング共振器に固定した系から、等価屈折率ｎ_pをもつ領
域の中の光の速度ｖ_Lを観測すると、特殊相対性理論か
ら次式のようになる。

【００２２】

【数２】ここで、ｃは真空中の光速である。この結果、反時計回
りの光の共振周波数ｆ ₁と時計回りの光の共振周波数ｆ
₂には、次の差Δｆ_nが生じる。

【００２３】

【数３】ここで、ｍは電流を変調する電極の数であり、図１０
（ｂ）では電極１，２，３を用いたのでｍ＝３である。
もちろんｍ＝２あるいはｍ＝４であってもよい。たとえ
ば、ｍ＝２のときは、電流を変調しない残り２つの電極
には、直流電流を流す。また、Ｌは全共振器長、λ₀は
光共振器の等価屈折率がｎ₀のときの真空中における発
振波長である。なお、電極４には一定の電流（例えば４
ｍＡ）を流す。もちろん電流は流さなくてもよい。

【００２４】この結果、ビート周波数Δｆ_nをもつビー
ト光が半導体レーザー内部で発生し、半導体レーザー内
部でのトータルの光強度がビート周波数Δｆで変動す
る。これに応じて、活性層におけるキャリア濃度がビー
ト周波数で変動し、半導体レーザーに一定の電流を流し
ておくと、端子電圧がビート周波数で変化する。こうし
て、この素子が静止している状態でも、素子の電気端子
からビート信号が観測される。

【００２５】次に、この素子が反時計回りに角速度Ωで
回転した場合を考える。このとき、反時計回りの光の周
波数ｆ_1Rと時計回りの光の周波数ｆ_2Rは、サニャック効
果によって、それぞれ次のようになる。

【００２６】

【数４】

【００２７】

【数５】ここで、Ｓはリング共振器の光路が囲む面積、Ｌはリン
グ共振器の光路の長さである。この結果、素子の電気端
子から次のビート信号が得られる。ただし、二次の微小
項は無視した。

【００２８】

【数６】この結果から、電子の周回方向と素子の回転方向が等し
い場合、ビート周波数が静止時よりも大きくなることが
わかる。

【００２９】一方、電子の周回方向と素子の回転方向が
反対の場合、ビート周波数は

【００３０】

【数７】のように、静止時よりも小さくなる。このように、静止
時におけるビート周波数からの増減によって、回転方向
を検知することが可能となる。

【００３１】なお、一つの周回方向という場合には、図
１１（ａ）のように図１０（ａ）の電極２を分割し、直
線上に並んだ電極２０１，２０２，２０３に順番に変調
をかける場合も含まれることは、もちろんである。ま
た、この例では電流を変調したが電圧を変調してもよ
い。更に光導波路に量子井戸構造を用いれば、量子閉じ
込めシュタルク効果を利用して、電圧で屈折率を制御す
ることができる。

【００３２】（第２の実施形態）また、本発明に係る半
導体レーザージャイロは、注入する電流を一つの周回方
向に流すことを特徴とするが電流の流れる方向が一つの
周回方向である場合、キャリアの周回方向も一つにな
る。

【００３３】ただし、電子と正孔の周回方向はお互いに
反対方向であるが、電子の速度の方が正孔よりも速いの
で、キャリアの周回の影響は主に電子によって支配され
る。

【００３４】なお、半導体レーザーの場合、キャリア
は、半導体層の成長方向についてはダブルヘテロ構造に
よって閉じ込められるが、半導体層の面内については自
由に動くことができる。本発明は、この半導体層の面内
のキャリア（主に電子）の運動を利用したものであるの
で、半導体レーザーに注入される電流が、少なくとも一
部領域において一方向に周回する駆動手段を有していれ
ばよい。

【００３５】図１５（ａ）に示すような電極構造（１〜
４はアノード、１１〜１４はカソードである。）を有す
る半導体レーザーを用いて、素子に流れる電流を一つの
周回方向に流す場合について説明する。アノード１とカ
ソード１１、アノード２とカソード１２、アノード３と
カソード１３及びアノード４とカソード１４をそれぞれ
１組として各電極間に電流を流す。

【００３６】いま、半導体層の面内で、電子の周回方向
が一つになっているとする。このとき、ドップラー効果
によって、時計回りに周回する光と反時計回りに周回す
る光に対してでは、もっとも利得の大きくなる共振周波
数が異なる。たとえば、電子が反時計回りに周回してい
るとし、その速度ｖをｖ＞０とする。このとき、反時計
回りの光の共振周波数ｆ₁、時計回りの光の共振周波数
ｆ₂は、それぞれ次のようになる。

【００３７】

【数８】

【００３８】

【数９】ここで、ｆ₀はドップラー効果のないときの光の共振周
波数、ｃは真空中の光速、ｎは半導体の屈折率である。

【００３９】さらに後方散乱が無視できる場合、お互い
に反対方向に周回する２つの発振モード間の結合は、弱
結合となる。この結果、これらのモードはお互いに独立
にレーザ発振する。つまり、リング共振器の中には、ド
ップラー効果によって発振周波数がシフトした、二つの
お互いに反対方向に周回する発振モードが共存する。こ
のとき、二つの発振周波数の差（Δｆ）

【００４０】

【数１０】に応じたビート光が半導体レーザー内部で発生し、半導
体レーザー内部でのトータルの光強度がビート周波数Δ
ｆで変動する。これに応じて、活性層におけるキャリア
濃度がビート周波数で変動し、半導体レーザーに一定の
電流を流しておくと、端子電圧がビート周波数で変化す
る。こうして、この素子が静止している状態でも、素子
の電気端子からビート信号が観測される。

【００４１】つぎに、この素子が反時計回りに角速度Ω
で回転した場合を考える。このとき、反時計回りの光の
周波数ｆ_1Rと時計回りの光の周波数ｆ_2Rは、サニャック
効果によって、それぞれ次のようになる。

【００４２】

【数１１】

【００４３】

【数１２】ここで、Ｓはリング共振器の光路が囲む面積、Ｌはリン
グ共振器の光路の長さである。この結果、素子の電気端
子から次のビート信号が得られる。ただし、二次の微小
項は無視した。

【００４４】

【数１３】この結果から、電子の周回方向と素子の回転方向が等し
い場合、ビート周波数が静止時よりも大きくなることが
わかる。一方、電子の周回方向と素子の回転方向が反対
の場合、ビート周波数は

【００４５】

【数１４】のように、静止時よりも小さくなる。このように、静止
時におけるビート周波数からの増減によって、回転方向
を検知することが可能となる。

【００４６】なお、半導体レーザーに流れる電流を効果
的に一方向に周回させるには、半導体レーザーがリング
形状であることが好ましい。

【００４７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。

【００４８】（実施例１）図１及び図２は本発明の特徴
を最もよく表す図面であり、図１（ａ）は本発明の半導
体レーザージャイロの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）
のＡ−Ａ′線の断面図である。同図において、１，２，
３，４はアノード、１１はカソード、２１は半導体基
板、２２はバッファー層、２３は光ガイド層、２４は活
性層、２５は光ガイド層、２６はクラッド層、２７はキ
ャップ層である。なお、図１（ａ）におけるアノード同
士が一部接触しているような図になっているが、実際に
は、図２のようにアノード同士は離しておく。

【００４９】また、図３〜図９は本発明の半導体レーザ
ージャイロの作製工程を説明する断面図である。なお、
図１及び図２と同一構成部材については同一符号を付す
る。各図において、２８はアノード材料、３１はフォト
レジストである。

【００５０】まず、図３〜図９を参照しながら、本発明
の半導体レーザージャイロの作製工程を説明する。ま
ず、図３に示すように、有機金属気相成長法を用いて、
ｎ−ＩｎＰ基板２１（厚み３５０μｍ）の上にＩｎＰバ
ッファー層２２（厚み０．０５μｍ）、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ＩｎＧａＡ
ｓＰ活性層２４（厚み０．１μｍ）、１．３μｍ組成の
アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２５（厚み０．１
５μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６（厚み２μｍ）、
１．４μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２７
（厚み０．３μｍ）を成長する。結晶成長後、図４のよ
うに、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２７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
クとして８０℃で３０分間の熱処理をおこなった後、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、図５に示すようにややテーパー形
状をしている。また、ストライプの幅は５μｍ、電極１
辺の長さは、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、図６の
ように、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Ａｒ、
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
ッチングする。この様子を図７に示す。そして、図８の
ように、フォトレジスト３１を剥離する。続いて、再度
フォトレジストをパターニングして、コーナー部のＣｒ
／Ａｕとキャップ層をエッチングしてアノード間を電気
的に絶縁する。アノード間の分離抵抗は１ｋΩである。
その後、アノード２８を水素雰囲気でアニールし、オー
ミック接触を実現する。次に、図９のように、ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板２１にカソード１１として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａ
ｕ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。

【００５１】次に、図１０を用いて、半導体レーザージ
ャイロの動作を説明する。この実施例では、図１０
（ａ）に示すように、アノードを４つに分割し、アノー
ド１個とカソード１個を一組として用いる。そして、図
１０（ｂ）のようなタイミングでアノード１，２，３に
電流を流す。このとき、電極４には一定の電流４ｍＡを
流す。

【００５２】さて、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ｎ＝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１
６．６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。

【００５３】図１０の半導体レーザージャイロにおい
て、４つのコーナーでのレーザー光の入射角は４５度で
あり、全反射条件を満たす。この結果、室温における発
振しきい値は、わずか２ｍＡである。駆動電流は３ｍＡ
であり、このレーザーが静止し、かつ４つの電極に一様
な電流を流しているときは、真空中の発振波長λ₀は
１．５５μｍである。

【００５４】次に、静止時のビート周波数を考える。電
極の１辺の長さｌ＝１００μｍ、変調周期ｔ_p＝１００
ｍｓとすると、式（１）から、ｖは

【００５５】

【数１５】となる。また、真空中の発振波長λ₀＝１．５５μｍ、
半導体の屈折率ｎ₀＝３．５であり、このとき静止時の
ビート周波数Δｆ_nは、式（３）から

【００５６】

【数１６】である。

【００５７】さらに、図１０の半導体レーザージャイロ
が、カメラの手ぶれや自動車の振動程度の毎秒３０度の
速度で反時計回りに回転を受けると、時計回りのレーザ
ー光の発振周波数ｆ₂は５９．１Ｈｚだけ増加する。一
方、反時計回りのレーザー光の発振周波数ｆ₁は５９．
１Ｈｚだけ減少する。この結果、式（６）のように、半
導体レーザージャイロが静止しているときに比べて、ビ
ート周波数は１１８．２Ｈｚだけ増加する。一方、半導
体レーザージャイロが毎秒３０度の速度で時計回りに回
転を受けると、式（７）のように、半導体レーザージャ
イロが静止しているときに比べて、ビート周波数は１１
８．２Ｈｚだけ減少する。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、ビート周波数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。なお、このビート周波数
は、半導体レーザーに一定の電流を流しておくと、端子
電圧の変化から観測される。

【００５８】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１０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。さらに、
アノードやカソードの数も本実施例のように４に限ら
ず、複数であれば何でもよい。

【００５９】なお、一つの周回方向という場合には、図
１１（ａ）のように図１０（ａ）の電極２を分割し、直
線上に並んだ電極に順番に変調をかける場合も含まれる
ことは、もちろんである。また、この例では電流を変調
したが、光導波路に量子井戸構造を用いれば、量子閉じ
込めシュタルク効果を利用して、電圧で屈折率を制御す
ることができる。

【００６０】（実施例２）図１２は本発明に係わる周回
状に光が伝搬する共振器型ガスレーザーを備えた光ジャ
イロの一例を示す模式的な平面図であり、レーザー光の
周回経路を四角形とした場合である。図１２において、
１５１は放電管、１５３はミラー、５２１，５２２，５
２３，５２４は屈折率変調素子、６１は時計回りのレー
ザー光、６２は反時計回りのレーザー光である。

【００６１】上記構成において、放電管１５１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と
の間に電圧をかけると放電が始まり、電流が流れる状態
となる。ミラー１５３間の距離は１０ｃｍとした。この
光ジャイロが静止しているときは、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は全く等しく、４．
７３×１０¹⁴Ｈｚ、発振波長λは６３２．８ｎｍであ
る。一方、屈折率変調素子５２１，５２２，５２３，５
２４は、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃屈折率変調素子であり、
電気光学効果を用いて屈折率を変化させている。この素
子の模式的な斜視図を図１３に示す。レーザー光の伝搬
方向に対する屈折率ｎ_pは２．２８６である。そして、
屈折率変調素子５２１，５２２，５２３に、図１４のよ
うなタイミングで電圧をかける。このとき、電圧はすべ
て一定で５Ｖである。

【００６２】次に、静止時のビート周波数を考える。屈
折率変調素子の素子長ｌ＝１ｍｍ、変調周期ｔ_p＝１ｍ
ｓとすると、式（１）から、ｖは

【００６３】

【数１７】となる。また光共振器は主にガス及び空気から成り立つ
ので、その屈折率はｎ₀＝１としてよい。このとき、静
止時のビート周波数Δｆｎは、式（３）から

【００６４】

【数１８】となる。

【００６５】さらに、図１２の気体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
で反時計回りに回転を受けると、時計回りのレーザ光の
発振周波数ｆ₂は４１．４ｋＨｚだけ増加する。一方、
反時計回りのレーザー光の発振周波数ｆ₁は４１．４ｋ
Ｈｚだけ減少する。この結果、式（６）のように、気体
レーザージャイロが静止しているときに比べてビート周
波数は８２．８ｋＨｚだけ増加する。一方、気体レーザ
ージャイロが毎秒３０度の速度で時計回りに回転を受け
ると、式（７）のように、気体レーザージャイロが静止
しているときに比べてビート周波数は８２．８ｋＨｚだ
け減少する。

【００６６】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、ビート
周波数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。なお、このビート周波数は気体レー
ザーを構成する放電管に一定の電流を流しておくと、放
電管の端子電圧の変化から観測される。

【００６７】なお、上記構成の光ジャイロでは、ヘリウ
ムガスとネオンガスを用いた例を示したが、レーザー発
振する気体であれば何であっても良い。さらに、共振器
の形状も四角形に限らず、六角形や三角形などどのよう
な形状であってもよい。

【００６８】屈折率変調素子についても電気光学効果だ
けでなく、音響光学効果や熱による効果を用いた素子で
もよい。

【００６９】以下、半導体レーザージャイロ、気体レー
ザージャイロ等のレーザージャイロの電圧変化（電圧の
周波数変化）から回転を検知する方法について説明す
る。ここでは、半導体レーザージャイロの例について取
りあげるが気体レーザージャイロについても同様な方法
を用いることができる。図２６に半導体レーザージャイ
ロ４０の電圧変化（電圧の周波数変化）から回転を検知
する方法を示す。図２６において、４０は半導体レーザ
ージャイロ、４１は電気抵抗、４２は定電流源、４６は
電圧検出回路である。半導体レーザージャイロの検出端
子に保護回路を設けることで半導体レーザージャイロの
劣化あるいは破壊を防ぐことができる。保護回路として
は、例えば図２６のようにボルテージフォロワ４５を接
続する。

【００７０】ビート信号を検出するための回路構成につ
いてより詳しく説明する。

【００７１】図２７に示すように、半導体レーザージャ
イロ４０のアノードをバッファ用の演算増幅器４５に接
続する。そして、該増幅器４５から出力される信号は角
速度に対応した周波数を有しているので、これを公知の
周波数−電圧変換回路（Ｆ−Ｖ変換回路）５０により電
圧に変換して回転検出器５１により回転を検知する。も
ちろん、所望の特性が得られれば、演算増幅器４５（ボ
ルテージフォロワ）は省略することもできる。

【００７２】図２８に半導体レーザージャイロを定電流
駆動し、半導体レーザージャイロ４０のアノード電位の
変化を読み出し回転検知を行う回路の他の構成例を示
す。図２６と同一構成部材については同一符号を付す
る。

【００７３】半導体レーザージャイロ４０のアノードは
保護抵抗５２を介して、演算増幅器５５の出力端子に接
続され、半導体レーザージャイロ４０のカソードは演算
増幅器５５の反転入力端子に接続される。また、抵抗５
３は演算増幅器５５の反転入力端子と基準電位の間に接
続されている。

【００７４】ここで、演算増幅器５５の非反転入力端子
にマイコン５４等から定電位（Ｖin）を与えると、その
電位と抵抗５３で求められる電流が半導体レーザージャ
イロ４０に流れる定電流ドライブ構成になる。半導体レ
ーザージャイロ４０のアノードは演算増幅器４５に接続
される。該演算増幅器４５は信号Ｖoutを出力する。こ
の信号は、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）５０等
により電圧に変換され、回転検出器５１により回転を検
知する。

【００７５】なお、図２９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（１９）で表される。

【００７６】

【数１９】ここで、Ｅ₁は入力電圧のｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋの
値、ｆはビート周波数である。Ｃ₂＞＞Ｃ₁，Ｒ₀Ｃ₂ｆ＜
１となるように回路パラメータを設計することで、式
（２０）に示すように、

【００７７】

【数２０】となり、ビート周波数に比例した電圧出力を得ることが
可能となる。

【００７８】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４９で、半導体レーザーのインピーダ
ンスの変化を測定することもできる。４４は電源であ
る。この場合、端子電圧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３０に示
す。

【００７９】（実施例３）図１５及び図１６は本発明の
特徴を最もよく表す図面であり、図１５（ａ）は本発明
の半導体レーザージャイロの上面図、図１５（ｂ）は図
１５（ａ）のＡ−Ａ′線の断面図である。同図におい
て、１，２，３，４はアノード、１１，１２，１３，１
４はカソード、２１は半導体基板、２２はバッファー
層、２３は光ガイド層、２４は活性層、２５は光ガイド
層、２６はクラッド層、２７はキャップ層である。ま
た、図１７〜図２５は、本発明の半導体レーザージャイ
ロの作製工程を説明する断面図である。同図において、
２８はアノード材料、２９はカソード材料、３１，３２
はフォトレジストである。なお、図１６（ａ）は図１５
（ａ）におけるＢ−Ｂ′間の断面図を、図１６（ｂ）は
図１５（ａ）におけるＣ−Ｃ′間の断面図を示す。

【００８０】以下、図１７〜図２５を参照しながら、本
発明の半導体レーザージャイロの作製工程を説明する。
まず、図１７に示すように、有機金属気相成長法を用い
て、半絶縁性ＩｎＰ基板１２１（厚み３５０μｍ）の上
にＩｎＰバッファー層２２（厚み０．０５μｍ）、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０．１μｍ）、１．３
μｍ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−ＩｎＧａＡｓＰキャ
ップ層２７（厚み０．３μｍ）を成長する。結晶成長
後、図１８のように、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２
７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−１
３５０（ヘキスト製）を膜厚が１μｍとなるように塗布
する。プリベークとして８０℃の熱処理を３０分間おこ
なった後、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、図１９に示すように
ややテーパー形状をしている。また、ストライプの幅は
５μｍ、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、図２０のように、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Ａｒ、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する。この様子を図２１に
示す。そして、図２２のように、フォトレジスト３１を
剥離する。続いて、フォトレジストをパターニングし
て、コーナー部のＣｒ／Ａｕとキャップ層をエッチング
してアノード間を電気的に絶縁する。アノード間の分離
抵抗は１ｋΩである。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、
リフトオフによってカソードを形成するために、スピン
コーターを用いて、ウェハー全面を覆うようにフォトレ
ジスト３２を塗布する。フォトレジスト３２はＲＤ−２
０００Ｎ（日立化成製）であり、膜厚は１μｍである。
プリベークを９０℃で３０分おこなった後、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３２は、図２３のように、リフトオフに適した逆テ
ーパー形状をしている。続いて、図２４のように、ｎ−
ＩｎＰ基板２１の上にカソード材料２９として、ＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着する。その後、このウェハーを有
機溶剤中で超音波洗浄することにより、図２５のように
選択的にカソード２９が形成される。そして、各組のア
ノード／カソード間のみに電流が流れるように、イオン
注入などを用いてカソード間も絶縁する。また、パター
ニングによりカソード間を分離してもよい。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。

【００８１】次に、図１５及び図１６を用いて、半導体
レーザージャイロの動作を説明する。この実施例では、
アノードとカソードをそれぞれ４つに分割し、アノード
１個とカソード１個を一組として用いる。そして、アノ
ード１とカソード１１、アノード２とカソード１２、ア
ノード３とカソード１３、アノード４とカソード１４を
それぞれ組み合わせ、この各組の電極間に電流を流す。
アノード電極とカソード電極が、それぞれ独立している
ので、例えばアノード２とカソード１１間では電流は流
れない。図１５（ａ）では、アノード１，２同士が接触
しているように描かれているが、実際には、図２のよう
に分離している。このとき、図１５（ａ）において、電
子は反時計方向に運動する。

【００８２】さて、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ｎ＝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１
６．６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。図１５及び図１６の半
導体レーザージャイロにおいて、４つのコーナーでのレ
ーザー光の入射角は４５度であり、全反射条件を満た
す。この結果、室温における発振しきい値は、わずか３
ｍＡである。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、真空中の発振波長λ₀は１．
５５μｍである。

【００８３】次に、静止時のビート周波数を考える。電
子の拡散長Ｌ_n＝２μｍ、再結合寿命τ_n＝１０^-8ｓだ
から、電子の速度ｖは

【００８４】

【数２１】となる。また、真空中の発振波長λ₀＝１．５５μｍ、
半導体の屈折率ｎ＝３．５であり、このとき静止時のビ
ート周波数Δｆは、式（１０）から

【００８５】

【数２２】である。

【００８６】さらに、図１５の半導体レーザージャイロ
が、カメラの手ぶれや自動車の振動程度の毎秒３０度の
速度で反時計回りに回転を受けると、時計回りのレーザ
ー光の発振周波数ｆ₂は８８．７Ｈｚだけ増加する。一
方、反時計回りのレーザー光発振周波数ｆ₁は８８．７
Ｈｚだけ減少する。この結果、式（１３）のように、半
導体レーザージャイロが静止しているときに比べて、ビ
ート周波数は１７７．４Ｈｚだけ増加する。一方、半導
体レーザージャイロが毎秒３０度の速度で時計回りに回
転を受けると、式（１４）のように、半導体レーザージ
ャイロが静止しているときに比べて、ビート周波数は１
７７．４Ｈｚだけ減少する。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、ビート周波数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。なお、このビート周波数
は、半導体レーザーに一定の電流を流しておくと、端子
電圧の変化から観測される。なお、図１５（ａ）におい
ては、アノードとカソードの組を４つ用いる場合を示し
ているが、電極領域の一部にレーザー光と同一方向に流
れる電流領域があればよい。

【００８７】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１５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。さらに、
アノードやカソードの数も本実施例のように４に限ら
ず、複数であれば何でもよい。

【００８８】なお、半導体レーザージャイロの電圧変化
（電圧の周波数変化）から回転を検知する方法について
は、既述の方法を用いることができる。

【００８９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ディザをかけなくても回転方向の検知ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体レーザージャイロの構造を
示す上面図と断面図である。

【図２】本発明に係る半導体レーザージャイロの構造を
示す上面図である。

【図３】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製工
程を説明する断面図である。

【図４】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製工
程を説明する断面図である。

【図５】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製工
程を説明する断面図である。

【図６】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製工
程を説明する断面図である。

【図７】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製工
程を説明する断面図である。

【図８】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製工
程を説明する断面図である。

【図９】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製工
程を説明する断面図である。

【図１０】本発明に係る半導体レーザージャイロの構造
を示す上面図と各電極への注入電流のタイミングチャー
トを説明する図である。

【図１１】本発明に係る半導体レーザージャイロの構造
を示す上面図と各電極への注入電流のタイミングチャー
トを説明する図である。

【図１２】本発明に係る気体レーザージャイロの構造を
示す上面図である。

【図１３】本発明に係る屈折率変調素子を説明する斜視
図である。

【図１４】本発明に係る屈折率変調素子に加える電圧の
タイミングチャートを説明する図である。

【図１５】本発明に係る半導体レーザージャイロの構造
を示す上面図と断面図である。

【図１６】本発明に係る半導体レーザージャイロの構造
を示す断面図である。

【図１７】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図１８】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図１９】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図２０】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図２１】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図２２】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図２３】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図２４】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図２５】本発明に係る半導体レーザージャイロの作製
工程を説明する断面図である。

【図２６】半導体レーザージャイロの電圧変化（電圧の
周波数変化）から回転を検知する方法を示す図である。

【図２７】ビート信号を検出するための回路構成につい
てより詳しく説明する図である。

【図２８】半導体レーザージャイロを定電流駆動し、半
導体レーザージャイロ４０のアノード電位の変化を読み
出し回転検知を行う回路の他の構成例を示す図である。

【図２９】周波数−電圧変換回路（Ｆ−Ｖ変換回路）の
例を示す図である。

【図３０】インピーダンスメーターで、半導体レーザー
ジャイロのインピーダンスの変化を測定する場合を示す
図である。

【図３１】従来例を説明する為の図である。

【符号の説明】

１，２，３，４，２０１，２０２，２０３アノード１１，１２，１３，１４カソード２１半導体基板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３１，３２フォトレジスト４０半導体レーザージャイロ４１電気抵抗４２定電流源４５ボルテージフォロワ４６電圧検出回路４９インピーダンスメーター５０周波数−電圧変換回路（Ｆ−Ｖ変換回路）５１回転検出器５２保護抵抗５３抵抗５４マイコン５５演算増幅器６１時計回りのレーザー光６２反時計回りのレーザー光１５１放電管１５３ミラー５２１，５２２，５２３，５２４屈折率変調素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに周回方向の異なる第１及び第２の
レーザー光が伝搬するリングレーザージャイロにおい
て、該リングレーザーを構成する光導波路上に複数の電極領
域を備え、該電極領域に注入される電流あるいは印加さ
れる電圧を制御して、該リングレーザージャイロの静止
時における該第１及び第２のレーザー光の発振周波数を
互いに異ならせることを特徴とするリングレーザージャ
イロ。
【請求項２】前記制御は、前記光導波路の屈折率が変
調される空間が、時間とともに前記第１あるいは第２の
レーザー光の周回方向と同一の方向に移動するように前
記複数の電極に電流注入を行う請求項１記載のリングレ
ーザージャイロ。
【請求項３】前記制御は、前記第１あるいは第２のレ
ーザー光の周回方向と同一の方向に注入電流を周回させ
る請求項１記載のリングレーザージャイロ。
【請求項４】前記複数の電極領域はアノードであり、
該一のアノードに対して一のカソードがそれぞれ設けら
れている請求項３記載のリングレーザージャイロ。
【請求項５】光導波路の屈折率が変調される空間が、
時間とともに１つの周回方向に移動することを特徴とす
るリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項６】複数の電極を有するリングレーザージャ
イロの駆動方法であって、変調される順番が周回方向と
なるように、各電極間で時間差をもって前記複数の電極
に印加する電圧あるいは注入電流を変調することを特徴
とするリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項７】電流を流しレーザー発振を生じさせて、
一つの周回方向及び該一つの周回方向とは反対の周回方
向に光を周回させるレーザージャイロの駆動方法におい
て、前記電流の流れる方向を前記一つの周回方向に限定した
ことを特徴とするレーザージャイロの駆動方法。