JP2002277250A

JP2002277250A - ジャイロ装置

Info

Publication number: JP2002277250A
Application number: JP2001074347A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Numai; 貴陽沼居
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化、軽量化しても駆動電力が大きくなら
ないようにする。【解決手段】互いに反対方向に周回する発振波長が異
なる２つのレーザ光を全反射する面を有する光導波路を
備えたジャイロ装置において、光導波路の外周壁１を各
レーザ光が全反射するように形成し、光導波路の内周壁
２を各レーザ光が全反射しないように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロ装置に関
し、特に、リング状リッジ型構造の半導体レーザジャイ
ロ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ジャイロは、移動する物体の角速度を検
出するためのセンサであり、航空機やロボットの姿勢制
御、カーナビゲーションでの位置検出、車の横滑り検知
や、銀塩カメラ、デジタルカメラ、ビデオカメラの手ぶ
れ防止などに用いられている。

【０００３】ジャイロには種々のタイプがあり、回転子
や振動子をもつ機械的なジャイロや、光ジャイロがよく
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。

【０００４】光ジャイロには、リングレーザ型ジャイ
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、気体レーザを用いたリングレーザ型ジャイロであ
り、すでに航空機などで実用化されている。また、小型
で高精度なリングレーザ型ジャイロとして、半導体レー
ザを用いたジャイロも提案されている。この公知文献と
しては、たとえば特公昭６２−０３９８３６号公報があ
る。

【０００５】図１７（ａ）は、上記公報に記載されてい
るジャイロの斜視図である。図１７（ｂ）は、図１７
（ａ）のＡ−Ａ’間の断面の拡大図である。

【０００６】図１７（ａ），図１７（ｂ）に示すよう
に、従来のジャイロは、電極１９−ａ，１９−ｂ間に抵
抗１１を介して駆動用電源１２が接続された半導体レー
ザ素子１８を備えている。半導体レーザ素子１８は半導
体層２４，２５を有し、また、半導体レーザ素子１８と
電極１９−ａとの間には、半導体層等２０〜２２及びリ
ング状導波路２３を有している。

【０００７】ここで、リング状に導波路２３を成形した
り、図１７（ｂ）に示すように絶縁層２０により実質的
に導波路の外側周囲にのみ電流が注入されるようにする
と駆動電力を小さくできるというメリットがある。その
ため、リングレーザ型ジャイロの携帯機器などへの搭載
が容易に可能となる。また、リング状に導波路２３が成
形されるようにすると、リング共振器の形状が、設計値
からずれにくいというメリットもある。

【０００８】つぎに、図１７（ａ），図１７（ｂ）に動
作について説明する。図１７（ａ）等に示すジャイロに
電流を注入すると、電極１９−ａから内部にリング状に
流れて、リング状導波路２３が成形され、リングレーザ
発振が行われる。

【０００９】さらに、この装置に角速度が加わると、時
計回りと反時計回りとの光の周波数に差が生じ、この差
がビート信号として半導体レーザ素子１０の端子電圧に
生じる。したがって、このビート信号は直流素子用コン
デンサ１４を介して端子１５から検出することができ
る。

【００１０】ところで、従来のリングレーザ型ジャイロ
では、回転速度が遅いときは、媒質の非線形性によっ
て、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、リングレーザ型ジャイロにディザ（微少振動）を
かけることがよく行われている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術の
ように、リング状導波路を成形している場合には、導波
路を伝搬する導波モードは、導波路の外周と内周との各
界面での反射を利用しているので、たとえばリングレー
ザ型ジャイロの小型化、軽量化のために、電極１９−ａ
の径、すなわち素子サイズを小さくしようとすると、導
波モードに対する曲げ損失が増大し、駆動電流が大きく
なる場合がある。駆動電流が大きくなると電力消費量が
上がり、携帯機器などへの搭載に向かなくなる。

【００１２】ところで、リングレーザ型ジャイロにおい
て、信号雑音比を高くするためには、発振モード数をな
るべく少なくすることが望ましく、具体的には、利得帯
域内（１０ｎｍ）に存在する共振モードの数を減らせば
よい。最も望ましいのは、時計回り、反時計回りにつ
き、それぞれ単一モードとすることである。

【００１３】しかし、従来の技術では、発振モード数を
制限することに関して、あまり検討されておらず、ま
た、利得帯域中にある共振モードは、発振することが多
いので、半導体リングレーザ型ジャイロは、多モード発
振しやすい。

【００１４】また、共振モードの数を減らすために、フ
ァブリペロー共振器や回折格子などの共振型の光フィル
ターを用いることも考えられるが、共振型の光フィルタ
ーは、進行波と後退波とを結合させるため、お互いに反
対方向に周回しているレーザ光どうしが強結合となり、
一方のモードの発振が抑制されてしまい妥当でない。こ
の現象は、ロックインとして知られており、回転数が少
ないときなどのように、反対方向に周回しているレーザ
光の発振周波数の差が小さい場合に特に問題となる。こ
のため、進行波と後退波とが結合しない状態で、発振モ
ード数を制限できるリングレーザ型ジャイロが望まれ
る。

【００１５】さらに、従来のリングレーザ型ジャイロ
は、ディザ等の機械的機構を用意しなければ、単体では
移動体の回転方向の検出ができず、その改善が望まれて
いた。

【００１６】そこで、本発明は、小型化、軽量化しても
駆動電力が大きくならないようにすることを課題とす
る。

【００１７】また、本発明は、ジャイロ装置の信号雑音
比を高めることを課題とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、互いに反対の周回方向に２つのレーザ光
が伝搬するリング状リッジ型構造のジャイロ装置であっ
て、該レーザ装置の発振主モードがウィスパリング・ギ
ャラリー・モードとなるように、少なくとも活性層上の
クラッド層が円形状の外周壁、及び非円形状の内周壁を
有することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を用いて説明する。

【００２０】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１のリングレーザ型ジャイロの光導波路及びその周辺の
模式的な平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’の断面
図である。図１，図２において、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，２８はアノード，１は半導体層
等２２〜２８の外周，２は半導体層等２２〜２８の内周
である。

【００２１】本実施形態では、図１に示すように、光導
波路の内周壁２と外周壁１との幅を、位置に応じて異な
らせており、具体的には、外周壁１の形状は円形状のま
まで、内周壁２の形状をたとえば楕円のように非円形状
としている。図２では、半導体層等２２〜２８全体をリ
ング状のリッジ型構造としているが、少なくとも活性層
上の上部クラッド層２６がリング状リッジ型構造であれ
ばよい。

【００２２】このため、外周壁１にそって螺旋状に伝搬
するウィスパリング・ギャラリーモード(Whispering Ga
llery Mode)をレーザ発振させ、かつ、導波モードはレ
ーザ発振させないようにすることができ、したがって、
たとえばリングレーザ型ジャイロの小型化、軽量化のた
めに素子サイズを小さくしても、余分な損失が生じない
ので、駆動電流が上昇しない。

【００２３】また、図１に示すような形状の光導波路を
成形すると、図１６に示すような四角の経路４や六角形
の経路５を通るようなモードの発振も抑制される。

【００２４】これは、これらのモードに対する全反射条
件が満たされず、損失が大きくなるためである。この結
果、光利得は、ウィスパリング・ギャラリーモードに集
中し、信号雑音比が高くなる。なお、図１，図１６で
は、内周壁２をたとえば楕円形状にしている様子を図示
しているが、内周壁２の形状はこれに限られず、ウィス
パリング・ギャラリーモードが発振主モードとなるよう
な非円形であれば多角形などでもよい。

【００２５】なお、光などの全反射は、光導波路と外部
空間との境界部における複素屈折率の差によって生じ
る。図２の場合では、半導体層２２〜２７と空気との境
界部における屈折率の差により全反射が起こる。屈折率
の実部に差を与えるには、この境界部に図２に示すよう
な壁、すなわちリッジの側面を設けるとよい。もちろ
ん、活性層２４よりも屈折率の低い材料であれば、空気
の代わりに何を用いてもよい。

【００２６】一方、屈折率の虚部に差を与えるには、図
１７に示したように、境界部で光利得に差を与えるよう
にすればよい。

【００２７】また、駆動電流を低減するために、後述す
るように、発光部である活性層２４のみに効率よく電流
を注入するためには、非発光部である光ガイド層２３を
高抵抗化するのも有効である。このための手法として、
非発光部を絶縁膜で被覆したり、非発光部にプロトン注
入したりという構造などが考えられる。ただし、あくま
でも内周壁２の形状は、非円形であることが低消費電力
化のためには必須である。

【００２８】図３〜図９は、図１，図２の製造工程図で
ある。なお、図５〜図７において、３１はフォトレジス
トである。図３〜図９を参照しながら、図１，図２のリ
ングレーザ型ジャイロの製造工程について説明する。

【００２９】まず、図３に示すように、半導体基板２１
であるところのｎ−ＩｎＰ基板に、バッファー層２２と
してＩｎＰバッファー層，光ガイド層２３としてアンド
ープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層，活性層２４として１．
５５μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層，光ガ
イド層２５としてアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド
層，クラッド層２６としてｐ−ＩｎＰクラッド層，キャ
ップ層２７としてｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層を形成
する。

【００３０】具体的には、有機金属気相成長法などを用
いて、たとえば厚みが３５０μｍのｎ−ＩｎＰ基板２１
の上に、厚みが０．０５μｍ程度のＩｎＰバッファー層
２２、厚みが０．１５μｍ程度のアンドープＩｎＧａＡ
ｓＰ光ガイド層２３、厚みが０．１μｍ程度の１．５５
μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層２４、厚み
が０．１５μｍ程度の１．３μｍ組成のアンドープＩｎ
ＧａＡｓＰ光ガイド層２５、厚みが２μｍ程度のｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層２６、厚みが０．３μｍ程度の１．４μ
ｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２７を成長す
る。

【００３１】結晶成長後、図４のように、ｐ−ＩｎＧａ
ＡｓＰキャップ層２７の上にアノード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）を膜厚がたとえば１μ
ｍとなるように塗布する。

【００３２】プリベークとして、８０℃程度で３０分間
の熱処理を行った後、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、図５に示
すようにややテーパ形状をしている。また、ストライプ
は、たとえば最小幅が５μｍ、最大幅が２０μｍ、外周
の1周の長さが６００μｍである。

【００３３】この後、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。
つぎに、塩素ガスを用いて、光導波路の高さが３．２μ
ｍ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。

【００３４】そして、図８のように、フォトレジスト３
１を剥離する。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。

【００３５】つぎに、図９のように、ｎ−ＩｎＰ基板２
１にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着して、カソード１１を
形成する。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。

【００３６】以下で、本実施形態のリングレーザ型ジャ
イロの動作について説明する。駆動用電源により、図
１，図２に示すジャイロに電流を注入すると、アノード
２８から光導波路内部に電流が流れて、発振しきい値を
越えるとレーザ発振が始まる。この状態で、リングレー
ザ型ジャイロに角速度が加わると、時計回りと反時計回
りとの光の発振周波数に差が生じる。発振周波数の差
は、周波数―電気変換回路や周波数カウンタに入力する
ことでビート信号として検出用端子によって検出するこ
とができる。

【００３７】なお、駆動用電源として定電圧源を用いれ
ば、検出用端子には端子電流のレベルの変化が現れ、ま
た、駆動用電源として定電流源を用いれば端子電圧のレ
ベルの変化が現れるので、その変化により、角速度が加
わったことを検出することができる。もちろん、角速度
が加わったことの検出は、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によって行う
こともできる。

【００３８】さらに、リングレーザ型ジャイロの共振器
内を、互いに反対の周回方向に伝搬するレーザ光を外部
に出射し、出射した各レーザ光を同時に光検出器に入射
して光検出器からビート信号を取り出すことで、角速度
が加わったことを検出してもよい。

【００３９】特に、ビート信号を、リングレーザ型ジャ
イロ側と光検出器との双方で検出し、これらの平均、差
分などの統計処理を行えば、雑音などの外乱の影響の少
ない角速度の検出を行えるので好適である。

【００４０】ビート周波数は、回転の角速度に比例した
成分を含むため、回転速度と周波数―電圧変換回路、周
波数カウンタの出力との関係をあらかじめ求めておくこ
とで、これらの出力を角速度に換算することができる。

【００４１】つづいて、角速度に応じたビート信号の発
生メカニズムについて説明する。一般に、２つのモード
のレーザ光が共存する場合には、発振周波数ｆ_iと光子
数密度Ｓ_i（ｉ＝１，２）との間には、次のような関係
があることが知られている。

【００４２】

【００４３】ここでは、時計回りのレーザ光に対する損
失が、反時計回りのレーザ光に対する損失よりも小さく
なるので、時計回りのレーザ光の強度が、反時計回りの
レーザ光の強度よりも大きくなる。このように光強度が
異なる場合、すなわち光子数密度Ｓ₁＝Ｓ₂の場合には、
数式（１），数式（２）から２つの発振周波数が異なる
ことになる。

【００４４】数式（１），数式（２）において、時計回
りに周回する第１のレーザ光については添字１、反時計
回りに周回する第２のレーザ光については添字２で表せ
ば、リングレーザ型ジャイロが時計回りに回転するとき
に、第１のレーザ光の発振周波数ｆ₁は、非回転時の発
振周波数をｆ₁₀に比べて、 Δｆ₁＝２Ｓ₁Ω／λ₁Ｌ₁…（３）だけ減少する。

【００４５】ここで、Ｓ₁は第１のレーザ光の光路が囲
む閉面積、Ｌ₁は第１のレーザ光の光路長、Ωは回転の
角速度である。

【００４６】一方、リングレーザ型ジャイロが時計回り
に回転するときに、第２のレーザ光の発振周波数ｆ
₂は、非回転時の発振周波数ｆ₂₀に比べて、 Δｆ₂＝２Ｓ₂Ω／λ₂Ｌ₂…（４）だけ増加する。

【００４７】ここで、Ｓ₂は第２のレーザ光の光路が囲
む閉面積、Ｌ₂は第２のレーザ光の光路長である。

【００４８】このとき、リングレーザ型ジャイロの中
に、第１のレーザ光と第２のレーザ光とが共存するの
で、リングレーザ型ジャイロの中で各レーザ光の発振周
波数の差（ビート周波数）ｆ₂−ｆ₁は、ｆ₂−ｆ₁＝（ｆ₂₀＋Δｆ₂）−（ｆ₁₀−Δｆ₁）＝ｆ₂₀−ｆ₁₀＋（２Ｓ₂Ω／λ₂Ｌ₂＋２Ｓ₁Ω／λ₁Ｌ₁）…（５）となり、この差を有するビート光が発生する。

【００４９】逆に、リングレーザ型ジャイロが反時計回
りに回転するときは、上記の理由と同様の理由により、
次の発振周波数の差を有するビート光が発生する。

【００５０】ｆ₂−ｆ₁＝（ｆ₂₀−Δｆ₂）−（ｆ₁₀＋Δｆ₁）＝ｆ₂₀−ｆ₁₀−（２Ｓ₂Ω／λ₂Ｌ₂＋２Ｓ₁Ω／λ₁Ｌ₁）…（６）以上が、図１，図２に示すリングレーザ型ジャイロで角
速度を検出する際の動作である。

【００５１】つぎに、リングレーザ型ジャイロで回転方
向を検知する方法について説明する。上記のように、回
転方向に応じてビート光が発生し、数式（５），数式
（６）に示すように、ビート周波数の非回転時からの増
減に基づいて角速度を検知することができるが、リング
レーザ型ジャイロで回転方向を検知することができるの
は、回転時の発振周波数ｆ₁，ｆ₂の間に、たとえば以下
の関係が成立する場合である。すなわち、ｆ₂−ｆ₁≧０ …（７）が成立する場合である。このように、ビート周波数の符
号が常に同一(ただし、ここでは、符号を正としている)
で、その絶対値だけが回転方向によって変化するように
構成すれば、回転方向の検知が可能となる。

【００５２】一方、このように構成しないと、第１のレ
ーザ光と第２のレーザ光の発振波長が等しければ、非回
転時の発振周波数ｆ₁₀とｆ₂₀とが等しくなる。ビート周
波数ｆ₂−ｆ₁は正負の値になり、ビート周波数の絶対値
が等しければ、同じ信号が検出されるだけなので、回転
方向の検知ができない。

【００５３】なお、上記のように、ビート周波数の符号
が常に同一となるようにしておけば、符号を負と設定し
てもよい。

【００５４】図１５（ａ）は、図１に示す光導波路を有
するリングレーザ型ジャイロのレーザ発振モードの光強
度を示す３次元プロット図であり、縦軸に光強度、横軸
に位置をそれぞれ図示している。図１５（ｂ）は、図１
５（ａ）の光強度の等高線図である。

【００５５】ちなみに、本実施形態のリングレーザ型ジ
ャイロは、注入電流が６ｍＡのときに、時計回り、反時
計回りのレーザ光の光強度が、どちらも４ｍＷとなる。
また、リングレーザ型ジャイロが静止しているときは、
時計回りのレーザ光と反時計回りのレーザ光との発振波
長は等しく、発振波長λはともに１．５５μｍとなる。

【００５６】そして、カメラの手ぶれや自動車の振動程
度で、一般的に生じると考えられる毎秒３０度の速度
で、たとえば時計回りの回転を受けると、数式（３）、
数式（４）において、外周がＬ₁＝Ｌ₂＝６００μｍの円
であり、真空中のレーザー光の波長λ₁＝λ₂＝１．５５
μｍゆえ、反時計回りのレーザ光の発振周波数は１０
３．２２５Ｈｚだけ増加する。なお、光導波路の等価屈
折率は、３．２である。一方、時計回りのレーザ光の発
振周波数は１０３．２２５Ｈｚだけ減少する。

【００５７】したがって、ビート周波数Δｆは、 Δｆ＝ｆ₂−ｆ₁＝２０６．４５Ｈｚ …（８）となる。

【００５８】本実施形態では、光導波路の外周壁１を円
形状とし、内周壁２を楕円状とすることによって、内周
壁２と外周壁１との幅を位置に応じて異ならせているの
で、ウィスパリング・ギャラリーモードでは、素子サイ
ズを小さくしても余分な損失が生じず、素子サイズを縮
小しても、駆動電流が上昇しない。本発明においては、
リング形状の曲率半径が、１００μｍ以下の場合に顕著
な効果がある。

【００５９】（実施形態２）図１０は、本発明の実施形
態２のリングレーザ型ジャイロの光導波路の断面図であ
り、図２に相当するものである。図１０において、３０
はＳｉＮやＳｉＯ₂などの絶縁膜である。なお、図１０
において図２に示した部分と同様の部分については同一
符号を付している。

【００６０】つぎに、図１０に示すリングレーザ型ジャ
イロの製造方法について説明する。まず、図１，図２に
示すようなリングレーザ型ジャイロの製造時と同様に、
図３〜図５のように各半導体層等２２〜２７を、半導体
基板２１に積層する。なお、ここでは、図４に示すよう
にアノード２８を形成しない。

【００６１】つづいて、図６，図７のように、フォトレ
ジスト３１を塗布した状態で、ドライエッチング等を行
い半導体層等２２〜２７を除去して、所要の形状の光導
波路を形成する。それから、フォトレジスト３１を外し
て、絶縁層３０を形成する。そして、アノード２８及び
カソード１１を形成して、図１０に示すようなリングレ
ーザ型ジャイロが完成する。

【００６２】図１０に示すように、絶縁膜３０を形成す
ると、活性層２４である発光部のみに効率よく電流が注
入されるようになる。また、絶縁膜３０が物理的に、リ
ッジ側面を保護することになるので、リッジの強度が上
がり素子の信頼性が向上する。

【００６３】（実施形態３）図１１は、本発明の実施形
態３のリングレーザ型ジャイロの光導波路の断面図であ
り、図２に相当するものである。図１１において、４０
はＦｅドープ抵抗層やｐｎｐｎ構造などの多層構造又は
ポリイミドなどを用いた高抵抗層である。なお、高抵抗
層４０は、活性層２４に効率よく光を閉じ込めるため
に、活性層２４よりも屈折率を低くしている。また、図
１１において図２に示した部分と同様の部分については
同一符号を付している。

【００６４】つぎに、図１１に示すリングレーザ型ジャ
イロの製造方法について説明する。まず、図１，図２に
示すようなリングレーザ型ジャイロの製造時と同様に、
図３〜図５のように各半導体層等２２〜２７を、半導体
基板２１に積層する。なお、ここでは、図４に示すよう
にアノード２８を形成しない。

【００６５】つづいて、図６，図７のように、フォトレ
ジスト３１を塗布した状態で、ドライエッチング等を行
い半導体層等２２〜２７を除去して、所要の形状の光導
波路を形成する。そして、フォトレジスト３１を外し
て、キャップ層２７が埋まるような厚さでポリイミド等
を塗布する。

【００６６】それから、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）な
どにより、塗布しているポリイミド等をキャップ層２７
の表面が露出する程度まで研磨して除去することで、高
抵抗層４０を形成する。そして、アノード２８及びカソ
ード１１を形成して、図１１に示すようなリングレーザ
型ジャイロが完成する。

【００６７】なお、高抵抗層４０として半導体を用い、
これを選択成長によって形成する場合も想定しており、
図１１の製造方法は、上記製造工程に限定されるもので
はない。

【００６８】図１１に示すように、高抵抗層４０を形成
すると、活性層２４である発光部のみに効率よく電流が
注入されるようになる。また、高抵抗層４０が物理的
に、リッジを固定することになるので、リッジの強度が
上がり素子の信頼性が向上する。

【００６９】（実施形態４）図１２は、本発明の実施形
態４のリングレーザ型ジャイロの光導波路の断面図であ
り、図１０に相当するものである。なお、図１２におい
て図１０に示した部分と同様の部分については同一符号
を付している。

【００７０】図１２と図１０との各リングレーザ型ジャ
イロは、クラッド層２６の高さの点と、活性層２４に適
用可能な材料の種類の多少の点とが異なる。すなわち、
図１２に示すように、半導体層等２２〜２５を除去しな
いようにすると、活性層２４のうち光導波路が空気にさ
らされなくなるので、活性層２４の材料として酸化しや
すいＡｌＧａＡｓ系のものなどを用いることができる。

【００７１】ちなみに、半導体層等２２〜２８を図１２
に示すような形状とするには、インサイチュモニタしな
がら、ドライエッチングを行い、不要な箇所の半導体層
等２２〜２８を除去している。なお、他の製造工程は、
図１０の製造工程と同様である。

【００７２】以上説明したように、図１２に示すリング
レーザ型ジャイロは、酸化しやすい材料かどうかに拘わ
らず、所要の材料を活性層２４の材料とすることができ
るので、材料選択の幅が拡がる。

【００７３】（実施形態５）図１３は、本発明の実施形
態５のリングレーザ型ジャイロの光導波路の断面図であ
り、図１２に相当するものである。図１３において４０
は高抵抗層である。なお、図１３において図１２に示し
た部分と同様の部分については同一符号を付している。

【００７４】図１３と図１２との各リングレーザ型ジャ
イロは、高抵抗層４０の有無の点で相違する。すなわ
ち、図１３に示すリングレーザ型ジャイロは、高抵抗層
４０を活性層２４等であって、リッジ下以外の部分にプ
ロトン中により形成している。

【００７５】このため、図１３に示すリングレーザ型ジ
ャイロは、酸化しやすい材料かどうかに拘わらず、所要
の材料を活性層２４の材料とすることができるととも
に、効率よく発光部であるリッジ下の活性層２４に電流
が注入されることになる。

【００７６】（実施形態６）図１４は、本発明の実施形
態６のリングレーザ型ジャイロの光導波路の平面図であ
り、図１に相当するものである。図１４には、光導波路
の内周壁２に時計回りのレーザ光の照射面と反時計回り
のレーザ光の照射面との広さが異なるテーパ３を形成し
ている。

【００７７】テーパ３により、内周部にしみ出したウィ
スパリング・ギャラリーモードに対して、照射面の面積
の差に応じた曲げ損失に差が生じる。ここでは、テーパ
３は、時計回りのレーザ光の照射面の方が反時計回りの
レーザ光の照射面より広いので、時計回りのレーザ光に
対する損失が、反時計回りのレーザ光に対する損失より
も小さくなる。

【００７８】このため、時計回りのレーザ光の発振しき
い値が、反時計回りのレーザ光の発振しきい値よりも小
さくなり、この結果、両方のレーザ光が発振していると
きは、時計回りのレーザ光の光強度が、反時計回りのレ
ーザ光の光強度よりも大きくなる。

【００７９】ちなみに、注入電流が６ｍＡのとき、時計
回り、反時計回りのレーザ光の光強度は、それぞれ３．
３mＷ、２．６ｍＷである。この半導体リングレーザ型
ジャイロが静止しているときは、両方のレーザ光の発振
波長はほぼ等しく、発振波長λは約１．５５μｍであ
る。

【００８０】しかし、これらのレーザ光の光強度が異な
ることから、駆動電流６ｍＡにおいて、時計回りのレー
ザ光と反時計回りのレーザ光の発振周波数は２０ｋＨｚ
だけ異なる。２０ｋＨｚの発振周波数差は、テーパ３を
構成する第１のテーパ部１００と第２のテーパ部１０１
とのの長さ及び両者のなす角を適宜調整することにより
得られる。

【００８１】そして、半導体リングレーザ型ジャイロの
中でこれらのレーザ光が干渉する。このとき、電源電流
が一定となるよう調整しておき、アノードとカソードと
の間の電圧をモニターすると、振幅１００ｍＶで周波数
２０ｋＨｚの信号が得られる。すなわち、半導体リング
レーザ型ジャイロが静止しているときでも、ビート信号
が検出できる。

【００８２】このとき、カメラの手ぶれや自動車の振動
程度の毎秒３０度の速度で時計回りに回転を受けると、
反時計回りのレーザ光の発振周波数は１０３．２２５Ｈ
ｚだけ増加する。一方、時計回りのレーザ光の発振周波
数は１０３．２２５Ｈｚだけ減少する。したがって、ビ
ート周波数は Δｆ＝２０ｋＨｚ＋２０６．４５Ｈｚ …（９）となる。

【００８３】一方、半導体リングレーザ型ジャイロが、
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、 Δｆ＝ｆ₂−ｆ₁＝２０ｋＨｚ−２０６．４５Ｈｚ …（１０）となる。こうして、静止時からのビート周波数の増減に
よって、回転角速度だけでなく、回転方向の検知が可能
になる。回転方向検知のために、既述のディザなどの機
械的な機構を更に付加しても良い。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
発振主モードがウィスパリング・ギャラリー・モードと
なるようにしているので、ジャイロ装置の小型化に伴う
駆動電力の増大を抑制し、かつ信号雑音比を高くするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１のリングレーザ型ジャイロ
の光導波路及びその周辺の模式的な平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’の断面図である。

【図３】図１，図２の製造工程図である。

【図４】図１，図２の製造工程図である。

【図５】図１，図２の製造工程図である。

【図６】図１，図２の製造工程図である。

【図７】図１，図２の製造工程図である。

【図８】図１，図２の製造工程図である。

【図９】図１，図２の製造工程図である。

【図１０】本発明の実施形態２のリングレーザ型ジャイ
ロの光導波路の断面図である。

【図１１】本発明の実施形態３のリングレーザ型ジャイ
ロの光導波路の断面図である。

【図１２】本発明の実施形態４のリングレーザ型ジャイ
ロの光導波路の断面図である。

【図１３】本発明の実施形態５のリングレーザ型ジャイ
ロの光導波路の断面図である。

【図１４】本発明の実施形態６のリングレーザ型ジャイ
ロの光導波路の断面図である。

【図１５】図１に示す光導波路を有するリングレーザ型
ジャイロのレーザ発振モードの光強度を示す３次元プロ
ット図及び光強度の等高線図である。

【図１６】図１に示す光導波路内を進行するレーザ光を
示す図である。

【図１７】従来のジャイロの斜視図及び拡大図である。

【符号の説明】

１外周壁２内周壁３非対称なテーパ４レーザ光の光路５レーザ光の光路１１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３０絶縁膜３１フォトレジスト４０高抵抗層１００第１のテーパ部１０１第２のテーパ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに反対の周回方向に２つのレーザ光
が伝搬するリング状リッジ型構造のジャイロ装置であっ
て、該レーザ装置の発振主モードがウィスパリング・ギャラ
リー・モードとなるように、少なくとも活性層上のクラ
ッド層が円形状の外周壁、及び非円形状の内周壁を有す
ることを特徴とするジャイロ装置。
【請求項２】前記外周壁と前記内周壁との幅を、位置
に応じて異ならせていることを特徴とする請求項１記載
のジャイロ装置。
【請求項３】前記内周壁は、一方の前記レーザ光の反
射損を他方の前記レーザ光の反射損よりも小さくさせる
テーパ部が形成されており、互いに反対の周回方向に伝
搬する２つのレーザ光の発振周波数が互いに異なってい
ることを特徴とする請求項１記載のジャイロ装置。
【請求項４】前記外周壁及び内周壁を、該クラッド層
よりも高抵抗な高抵抗層で覆うことを特徴とする請求項
１から３のいずれか１項記載のジャイロ装置。
【請求項５】前記活性層側面を、該活性層が酸素に曝
されないように絶縁層で覆うことを特徴とする請求項１
から４のいずれか１項記載のジャイロ装置。