JP2003035540A - 半導体リングレーザー型ジャイロおよび半導体リングレーザー型ジャイロの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信号雑音比の良好な半導体リングレーザー型
ジャイロを提供する。 【解決手段】 希土類元素をドープした周回状の経路２
を含む半導体リングレーザー型ジャイロ。周回状の経路
が、光学長の異なる複数の経路を有し、かつ複数の経路
のうち少なくとも一部が光学的に結合し、かつ光共振器
内を伝搬するレーザー光の周回方向が前記複数の経路に
よって反転しない。周回状の経路が、光学長の異なる複
数の経路を有し、かつ複数の経路のうち少なくとも一部
が光学的に結合した半導体リングレーザー型ジャイロの
駆動方法であって、複数の経路のうち少なくとも一の経
路に注入する電流または印加電圧の大きさを変える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転を検出する光
ジャイロおよびその駆動方法に関し、特に半導体リング
レーザー型の光ジャイロおよびその駆動方法に関するも
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る。そして、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ることができる。

【０００３】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、半導体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半導体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。ま
た、小型で高精度な半導体リングレーザー型ジャイロと
して、半導体レーザー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、例えば特公昭６２−０３９
８３６号公報があり、その構成例を図９（ａ）−（ｅ）
に示す。

【０００４】図９（ａ）は３枚のミラー１０２とレンズ
１１３と半導体レーザー１１０を用いたリング共振器型
半導体レーザー、図９（ｂ）は光ファイバー１１７とレ
ンズ１１３と半導体レーザー１１０を用いたリング共振
器型半導体レーザー、図９（ｃ）は光ファイバー１１７
と半導体レーザー１１０を用いたリング共振器型半導体
レーザー、図９（ｄ）は半導体基板上のリング共振器型
半導体レーザーからなるジャイロの斜視図、図９（ｅ）
は図９（ｄ）の断面図を示している。ここでは、図９
（ｄ）、（ｅ）に示した半導体基板上のリング共振器型
半導体レーザーからなるジャイロについて説明する。

【０００５】図９（ｄ）、（ｅ）において、リング共振
器型半導体レーザー１１８は上下に電極１１９−ａ、１
１９−ｂを有し、この電極１１９−ａ、１１９−ｂ間に
は、ア絶縁層１２０、ｐ型ＧａＡｓ層１２１、ｐ型Ａｌ
_XＧａ_1-XＡｓ層１２２、Ａｌ _XＧａ_1-XＡｓ活性層１２
３、ｎ型Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ層１２４、ｎ型ＧａＡｓ層１
２５が介在する。ただし、ｘは各層で異なる。このリン
グ共振器型半導体レーザー１１８の両電極１１９−ａ、
１１９−ｂ間には抵抗１１１を介して駆動用電源１１２
が接続されるので、注入電流は電極１１９−ａから内部
にリング状に流れてリング状導波路１２３が作られ、リ
ングレーザー発振が行われる。

【０００６】リングレーザー発振が行われると、リング
共振器型半導体レーザー内において、時計回りと反時計
回りのレーザー光が独立して存在し、リングの軸方向に
対してある角速度でリング共振器型半導体レーザーが回
転すると、サニャック効果によって、時計回りと反時計
回りのレーザー光の発振周波数に差が生じビートが発生
する。このビートによって、光強度がビート周波数で変
動し、その結果、リング共振器型半導体レーザー１１８
の端子間におけるインピーダンスが、ビート周波数で変
動する。リング共振器型半導体レーザー１１８が定電流
駆動されている場合は、このインピーダンスの変動は、
リング共振器型半導体レーザー１１８の端子電圧の変化
として、直流阻止用コンデンサ１１４を介して出力端子
１１５から検出することができる。こうして、ビート周
波数を測定することで角速度を検知することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】半導体リングレーザー
型ジャイロにおいて、信号雑音比を大きくするために
は、雑音を低減すればよい。そして、レーザー光の雑音
のうち本質的なものは、発振モードに結合する自然放出
光である。しかしながら、従来の半導体リングレーザー
型ジャイロでは、自然放出光を制御して雑音を低減する
ことに関して、あまり検討されてこなかった。

【０００８】また、半導体レーザーの場合、利得帯域が
１０ｎｍ程度と大きいため、この帯域の中にある共振モ
ードは、発振することができる。つまり、半導体リング
レーザー型ジャイロは、多モード発振しやすい。信号雑
音比をさらに改善するためには、発振モード数を制限す
ることが重要であり、このためには、利得帯域内に存在
する共振モードの数を減らせばよい。しかし、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
用いることはできない。なぜならば、共振型の光フィル
ターは、進行波と後退波を結合させるからである。も
し、共振型の光フィルターを用いると、お互いに反対方
向に周回しているレーザー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う。この現象は、ロ
ックイン現象として知られており、回転数が小さいとき
のように、反対方向に周回しているレーザー光の発振周
波数の差が小さい場合に特に問題となる。このため、進
行波と後退波が結合しない状態で、発振モード数を制限
できる半導体リングレーザー型ジャイロが望まれてい
た。

【０００９】一方で、ロックイン現象を解除するため
に、半導体リングレーザー型ジャイロにディザをかける
ことがよく行われている。また、従来の半導体リングレ
ーザー型ジャイロは、それ単体では回転方向の検出が出
来なかった。このため、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。

【００１０】本発明の目的は、自然放出光による雑音を
抑制し、しかもロックインが生じない方法で発振モード
数を制限することで、信号雑音比の良好な半導体リング
レーザー型ジャイロを提供するものである。また、ディ
ザなどの機械的な機構がなくても、回転方向および回転
速度の検出を行うことができる、半導体リングレーザー
型ジャイロおよびその駆動方法を提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体リングレーザー型ジャイロは、少な
くとも経路の一部に希土類元素をドープした周回状の経
路を含むことを特徴とする。

【００１２】上記本発明の半導体リングレーザー型ジャ
イロにおいて、前記周回状の経路が、光学長の異なる複
数の経路を有し、かつ前記複数の経路のうち少なくとも
一部が光学的に結合し、かつ光共振器内を伝搬するレー
ザー光の周回方向が前記複数の経路によって反転しない
ことが望ましい。

【００１３】上記本発明の半導体リングレーザー型ジャ
イロにおいて、前記周回状の経路が非対称なテーパー部
を少なくとも含み、光共振器内でお互いに反対の周回方
向に伝搬し、かつ光強度の異なるレーザー光が共存する
ことが望ましい。

【００１４】上記本発明の半導体リングレーザー型ジャ
イロにおいて、光共振器内でお互いに反対の周回方向に
伝搬し、かつ発振周波数の異なるレーザー光が共存する
ことが望ましい。なお、周回状の経路は、全反射条件を
満たしていれば、リング共振器となる。

【００１５】上記本発明の半導体リングレーザー型ジャ
イロにおいて、前記周回状の経路のうち、少なくとも一
部を電気的に独立に制御することのできる複数の電極を
備えていることが望ましい。

【００１６】また本発明の半導体リングレーザー型ジャ
イロの駆動方法は、周回状の経路が、光学長の異なる複
数の経路を有し、かつ前記複数の経路のうち少なくとも
一部が光学的に結合した半導体リングレーザー型ジャイ
ロの駆動方法であって、前記複数の経路のうち少なくと
も一の経路に注入する電流または印加電圧の大きさを変
えることを特徴とする。

【００１７】上記本発明の半導体リングレーザー型ジャ
イロの駆動方法において、前記周回状の経路の少なくと
も一部に希土類元素をドープすることが望ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】上記構成において、半導体リング
レーザー型ジャイロの発振モード数が少なくなる理由
と、自然放出光に起因する雑音がどのようにして抑制さ
れるかを、図１と図２を参照しながら説明する。図１
は、本発明の半導体リングレーザー型ジャイロの構造を
模式的に示す上面図であり、周回状の経路（光導波路）
２がリング共振器を構成している。また、同図におい
て、１１は時計回りのレーザー光、１２は反時計回りの
レーザー光である。図２は、光利得スペクトルを表す図
であり、半導体と、ドーピングした希土類元素、それぞ
れの光利得の波長依存性を示している。この図からわか
るように、希土類元素の光利得スペクトルの方が、半導
体のものよりも狭い。発振モードは、光利得スペクトル
の利得帯域内に存在する共振モードで決まるので、光利
得スペクトルの幅が狭いほど、発振モードの数が少なく
なる。

【００１９】次に、共振器を工夫することによって、さ
らに発振モード数を減らし、時計回り、反時計回りのレ
ーザー光をそれぞれ単一モード化する構成について、図
４を参照しながら説明する。内側の経路（１周の長さｄ
₃）と外側の経路（１周の長さｄ₄ ＞ｄ₃）の２つの経路
が、点Ａおよび点Ｂで接続されているとする。なお、図
４では、素子への注入電流をなるべく小さくするため
に、レーザー光がなるべく共通の経路を伝搬するよう
に、内側の経路と外側の経路とが２点で光学的に結合す
る構成としている。両経路の等価屈折率をｎ_effとする
と、内側の経路に対する共振波長λ₃と、外側の経路に
対する共振波長λ₄は、それぞれλ₃＝ｎ_effｄ₃／ｍ₃、
λ₄＝ｎ_effｄ₄／ｍ₄と表される。ここで、ｍ₃、ｍ₄は、
それぞれ正の整数である。等価屈折率ｎ_eff＝３．２の
とき、ｄ₃＝６００μｍ、ｄ₄＝６６０μｍに対する共振
特性をそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示す。同図におい
て、横軸は共振波長（波長）、縦軸はリング共振器のパ
ワー透過率（透過率）である。この図から、複数の透過
率の等しい共振ピークが存在し、かつ図５（ａ）、
（ｂ）で共振モードの間隔がわずかにずれていることが
わかる。

【００２０】内側の経路（１周の長さｄ₃）と外側の経
路（１周の長さｄ₄＞ｄ₃）が、少なくとも１点で光学的
に結合している場合、このリング共振器は、複合共振器
となる。そして、この複合共振器の共振モードは、図５
（ａ）、（ｂ）において、共振波長が重なったところで
決定される。この結果を図５（ｃ）に示す。この図５
（ｃ）からわかるように、共振モードの数が、図５
（ａ）、（ｂ）に比べて格段に減っている。しかも、透
過率の大きい主モードと、透過率の小さい副モードとが
現れている。なお、図４では、内側の経路と外側の経路
とが２点で光学的に結合しているが、リング共振器が複
合共振器となるためには、内側の経路と外側の経路が、
少なくとも１点で光学的に結合していればよいことは、
言うまでもない。

【００２１】前述のように、発振モードは、利得スペク
トルの利得帯域内に存在する共振モードで決まる。図６
（ａ）に、内側の経路だけでリング共振器を構成した場
合の発振スペクトルを、図６（ｂ）に複合共振器におけ
る発振スペクトルを示す。なお、図６は、希土類元素を
ドーピングしていないときのものである。

【００２２】この図を見ると、図６（ａ）のように単一
の経路だけをもつ半導体リングレーザー型ジャイロで
は、多モード発振しやすいのに対して、図６（ｂ）のよ
うな複合共振器では副モードが充分抑制され、縦モード
が単一となっていることがわかる。この例では、光学長
の異なる２つの経路を用いて複合共振器を構成したが、
複合共振器を構成する経路の数が３つ以上でもよいこと
は、言うまでもない。このような複合共振器を用いるこ
とで、ドーピングした希土類元素の光利得の狭スペクト
ル幅とあいまって、安定な単一モード発振が実現され
る。ここで、注意しなければならないことがある。それ
は、レーザー光が複合共振器内を伝搬するうちに、その
周回方向が反転しないということである。もし、レーザ
ー光の周回方向が反転すると、経路の一部で進行波と後
退波が結合し、ロックインが生じるためである。

【００２３】さて、半導体リングレーザーでは、複数の
安定点が存在し、この安定点で発振モードが規定され
る。また、この安定点で決まる複数のモード間でのスイ
ッチング現象が見られる。さらに、ランダムな自然放出
光が発振モードに結合し、発振モードに揺らぎが生じ、
雑音となる。このように、（１）複数の安定点が存在す
る、（２）安定点間でのスイッチングが生じる、（３）
ランダムな生成項あるいは駆動力が存在するという３つ
の条件を満たす場合、確率共鳴現象（StochasticResona
nce）が存在することが知られている。確率共鳴現象と
は、ランダム項がある値の時に雑音がもっとも抑制され
る現象であり、この値よりランダム項が大きくても小さ
くても雑音が大きくなる。この確率共鳴現象は、非線形
な相互作用の結果生じるものであり、レーザーのよう
に、非線形利得をもつ系で生じやすい。ここで、電流注
入あるいは光励起によって、図２と似たようなスペクト
ルをもつ光を発生させる場合を考える。このとき、半導
体で発生した自然放出光と希土類元素により発生した自
然放出光との非線形相互作用により、発振モードに結合
していた自然放出光が抑制される。この結果、発振モー
ドの揺らぎが低減され、信号雑音比の大きな半導体リン
グレーザー形ジャイロが実現される。なお、ここで、半
導体で発生する光のスペクトルと希土類元素で発生する
光のスペクトル分布をシフトさせているのは、半導体で
発生した光が、発振モードそのものに影響を与えないよ
うにするためである。

【００２４】さて、２つのモードのレーザー光が共存す
る場合、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。

【００２５】

【数１】 ここで、Φ_iは位相、Ω_iは共振角周波数、σ_iはモード
の引き込みを表す係数、ρ_iはモードの自己押し出しを
示す係数、τ_ijはモードの相互押し出しを示す係数であ
る。ただし、ここでｉ，ｊ＝１，２；ｉ≠ｊである。い
ま、反対方向に周回する２つのレーザー光の光強度が異
なる、すなわち光子数密度Ｓ₁≠Ｓ₂の場合、式（１）か
らｆ₁≠ｆ₂となる。

【００２６】上述のような半導体リングレーザー型ジャ
イロにおいて、光共振器内でお互いに反対の周回方向に
伝搬し、かつ発振周波数の異なるレーザー光が共存する
と、回転方向検知が可能なジャイロを実現することがで
きる。これから、その原理を説明する。

【００２７】時計回りに周回する第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第２のレ
ーザー光の波長をλ₂（＜λ₁）とする。半導体リングレ
ーザー型ジャイロを時計回りに回転させるとき、時計回
りの第１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、

【００２８】

【数２】 Δｆ₁＝（２Ｓ₁／λ₁Ｌ₁）Ω （２） だけ減少する。ここで、Ｓ₁は第１のレーザー光の光路
が囲む閉面積、Ｌ₁は第１のレーザー光の光路長、Ωは
回転の角速度である。一方、反時計回りの第２のレーザ
ー光の発振周波数ｆ₂は、非回転時の発振周波数ｆ₂₀に
比べて、

【００２９】

【数３】 Δｆ₂＝（２Ｓ₂／λ₂Ｌ₂）Ω （３） だけ増加する。ここで、Ｓ₂は第２のレーザー光の光路
が囲む閉面積、Ｌ₂は第２のレーザー光の光路長であ
る。このとき、半導体リングレーザー型ジャイロの中に
第１のレーザー光と第２のレーザー光が共存する。した
がって、半導体リングレーザー型ジャイロの中で第１の
レーザー光と第２のレーザー光の発振周波数の差、すな
わち、

【００３０】

【数４】 をもつビート光が発生する。一方、半導体リングレーザ
ー型ジャイロが反時計回りに回転したときは、次の周波
数をもつビート光が発生する。

【００３１】

【数５】 半導体リングレーザー型ジャイロの中に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、電流注入型レーザーの場合、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。したがって、半導体リ
ングレーザー型ジャイロの電流、電圧またはインピーダ
ンス変化を回転に応じたビート信号として用いることが
できる。もちろん、半導体リングレーザー型ジャイロの
共振器内をお互いに反対の周回方向に伝搬するレーザー
光を外部に出射し、同時に光検出器に入射すれば、光検
出器からビート信号を取り出すことができる。ビート信
号として、半導体リングレーザー型ジャイロの電流、電
圧またはインピーダンス変化と光検出器からの信号の両
方を用い、平均、差分などの統計処理を行うのも雑音を
低減するうえで好適なものである。

【００３２】さて、本発明によれば、式（４）、（５）
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。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。なお、回転方向を検知できるのは、発振周波数の差
が、次の条件を満たすときである。

【００３３】

【数６】 ｆ₂−ｆ₁≧０ （６） もし、第１のレーザー光と第２のレーザー光の発振波長
が等しければ、

【数７】 ｆ₂₀−ｆ₁₀＝０ （７） 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、同じ信号が検出される
だけなので、この場合は回転方向の検知ができない。こ
れに対して、本発明のように、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。

【００３４】以上説明したように、本発明のジャイロ
は、静止時および回転時にビート信号を発生する。この
信号のビート周波数は、ビート信号を周波数−電圧変換
回路に入力することで、電圧の大きさに変換して出力す
ることができる。また、周波数−電圧変換回路の代わり
に周波数カウンタを用いてもよいことはいうまでもな
い。先にも述べたように、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
変換回路や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。こうして、お互いに反対方向に周回し、か
つ発振周波数の異なるレーザー光を光共振器内に共存さ
せることで、回転方向検知の可能な半導体リングレーザ
ー型ジャイロが実現できる。

【００３５】最後に、複数の経路の少なくとも一部を、
他の経路とは独立に電気制御する理由について説明す
る。注入電流あるいは、印加電圧の大きさを変えること
で、それぞれの経路の屈折率を変調することができる。
このため、電気制御によって、経路の光学長を変えるこ
とができる。複数の経路の光学長の違いによって、共振
モードの数を制限できることから、複数の経路の少なく
とも一部を、他の経路とは独立に電気制御できれば、も
っとも安定な単一縦モード動作が実現できるように、光
学長の差を制御できるようになる。この結果、複数の経
路の屈折率を単一電極によって制御する場合（各経路の
屈折率が同じように変わる）に比べて、光学長の差が最
適となるように制御しやすくなる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００３７】（第１の実施例）図１は、本発明の第１実
施例の半導体リングレーザー型ジャイロの光導波路の上
面図を示している。同図において、２は周回状の経路、
１１は時計回りのレーザー光、１２は反時計回りのレー
ザー光である。

【００３８】上記構成において、周回状の経路２には、
希土類元素の一つであるエルビウムがドーピングされて
いる。

【００３９】図８は、本発明の第１の実施例に係る半導
体リングレーザー型ジャイロの層構造を説明する断面図
である。同図において、１０はＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから
なるカソード、２１はｎ−ＩｎＰ基板（ドーピング濃度
１０¹⁸ｃｍ^-3）、２２はｎ−ＩｎＰバッファー層（ドー
ピング濃度１０¹⁸ｃｍ^-3）、２３はアンドープＩｎＧａ
ＡｓＰ光ガイド層、２４は１．５５μｍ組成のエルビウ
ムドープＩｎＧａＡｓＰ活性層（ドーピング濃度１０¹⁹
ｃｍ^-3），２５はアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド
層、２６はｐ−ＩｎＰクラッド層（ドーピング濃度１０
¹⁸ｃｍ^-3）、２７は１．４μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐキャップ層（ドーピング濃度１０¹⁹ｃｍ ^-3），２８は
Ｃｒ／Ａｕからなるアノードである。

【００４０】注入電流が６ｍＡのとき、エルビウムの遷
移線によってレーザー発振し、時計回り、反時計回りの
レーザー光の光強度は、ともに３ｍＷである。この半導
体リングレーザー型ジャイロが静止しているときは、レ
ーザー光１１とレーザー光１２の発振波長は等しく、発
振波長λは約１．５５μｍである。

【００４１】図１において、周回状の経路２は円形であ
り、１周の長さは６００μｍである。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
回りの回転を受けると、反時計回りのレーザー光１２の
発振周波数は１０３．２２５Ｈｚだけ増加する。一方、
時計回りのレーザー光１１の発振周波数は１０３．２２
５Ｈｚだけ減少する。したがって、ビート周波数は、

【数８】 Δｆ＝２０６．４５Ｈｚ （８） となる。こうして、回転角速度の検知が可能になる。ま
た、半導体で発生した自然放出光によって、時計回りの
レーザー光１１および反時計回りのレーザー光１２と結
合する自然放出光が抑制され、この結果雑音が小さくな
る。従来はビート周波数が１％程度揺らいでいたが、こ
のように確率共鳴によって自然放出光雑音を低減したこ
とで、揺らぎは０．１％程度にまで低減される。

【００４２】なお、本実施例では、リング共振器の形状
を円形としたが、円形に限らず、六角形、四角形、三角
形など、レーザー光がリング共振器の中を周回すること
さえできれば、どのような形状でもよいことは言うまで
もない。また、半導体、希土類元素などの材料系も、本
実施例に限らず、レーザ発振できるものであれば何でも
よい。

【００４３】（第２の実施例）図３は、本発明の第２実
施例の半導体リングレーザー型ジャイロの光導波路の上
面図を示している。同図において、７は非対称なテーパ
ーである。第１の実施例との違いは、この非対称なテー
パー７が周回状の経路の一部に形成されていることであ
る。なお、非対称は時計回り方向と反時計回り方向とで
形状が異なる（ここでは時計回り方向よりも反時計回り
の方が傾斜が長くなっている）ことを意味する。 非対
称なテーパー７があるために、時計回りのレーザー光の
発振しきい値が、反時計回りのレーザー光の発振しきい
値よりも小さくなる。その結果、これら両方のレーザー
光が発振しているときは、時計回りのレーザー光の光強
度が、反時計回りのレーザー光の光強度よりも大きくな
る。注入電流が６ｍＡのとき、時計回り、反時計回りの
レーザー光の光強度は、それぞれ３．３ｍＷ、２．６ｍ
Ｗである。この半導体リングレーザー型ジャイロが静止
しているときは、レーザー光１１とレーザー光１２の発
振波長はほぼ等しく、発振波長λは約１．５５μｍであ
る。しかし、これらのレーザー光の光強度が異なること
から、駆動電流６ｍＡにおいて、レーザー光１１とレー
ザー光１２の発振周波数は２０ｋＨｚだけ異なる。そし
て、半導体リングレーザー型ジャイロの中でレーザー光
１１と１２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ー型ジ
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。

【００４４】図３において、周回状の経路２は円形であ
り、１周の長さは６００μｍである。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ー光１２の
発振周波数は１０３．２２５Ｈｚだけ増加する。一方、
時計回りのレーザー光１１の発振周波数は１０３．２２
５Ｈｚだけ減少する。したがって、ビート周波数は、

【数９】 Δｆ＝２０ｋＨｚ＋２０６．４５Ｈｚ （９） となる。一方、半導体リングレーザー型ジャイロが、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、

【数１０】 Δｆ＝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。また、確率共鳴により自然放出光雑音を低減し
たことで、第１の実施例と同様に、揺らぎは０．１％程
度にまで低減される。

【００４５】なお、本実施例では、リング共振器の形状
を円形としたが、円形に限らず、六角形、四角形、三角
形など、レーザー光がリング共振器の中を周回すること
さえできれば、どのような形状でもよいことは言うまで
もない。

【００４６】（第３の実施例）図４は、本発明の第３実
施例の半導体リングレーザー型ジャイロの光導波路の上
面図を示している。なお、周回状の経路に希土類元素の
一つであるエルビウムがドーピングされている。複数の
経路両方に希土類元素をドープする場合だけでなく、一
方の経路のみにドープすることもある。

【００４７】同図において、内側の経路（１周の長さｄ
₃）２と外側の経路（１周の長さｄ₄ ＞ｄ₃）６が、点Ａ
および点Ｂで接続されている。経路の等価屈折率をｎ
_effとすると、内側の経路に対する共振波長λ₃と、外側
の経路に対する共振波長λ₄は、それぞれλ₃＝ｎ_effｄ₃
／ｍ₃、λ₄＝ｎ_effｄ₄／ｍ₄と表される。ここで、ｍ₃、
ｍ₄は、それぞれ正の整数である。等価屈折率ｎ_eff＝
３．２のとき、ｄ₃＝６００μｍ、ｄ₄＝６６０μｍに対
する共振特性をそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示す。同
図において、横軸は波長、縦軸はリング共振器のパワー
透過率である。この図から、複数の透過率の等しい共振
ピークが存在し、かつ図５（ａ）、（ｂ）で共振モード
の間隔がわずかにずれていることがわかる。

【００４８】図４において、内側の経路（１周の長さｄ
₃）２と外側の経路（１周の長さｄ₄ ＞ｄ₃）６が、点Ａ
と点Ｂで光学的に結合していることから、このリング共
振器は、複合共振器となる。そして、この複合共振器の
共振モードは、図５（ａ）、（ｂ）において、共振波長
が重なったところで決定される。この結果を図５（ｃ）
に示す。この図からわかるように、共振モードの数が、
図５（ａ）、（ｂ）に比べて格段に減っている。しか
も、透過率の大きい主モードと、透過率の小さい副モー
ドとが現れている。なお、図４では、内側の経路と外側
の経路とが２点で光学的に結合しているが、リング共振
器が複合共振器となるためには、内側の経路と外側の経
路が、少なくとも１点で光学的に結合していればよいこ
とは、言うまでもない。また、この例では、光学長の異
なる２つの経路を用いて複合共振器を構成したが、複合
共振器を構成する経路の数が３つ以上でもよいことは、
言うまでもない。

【００４９】さらに、図４のように内側の経路と外側の
経路が光学的に結合することで、レーザー光が複合共振
器内を伝搬するうちに、その周回方向は反転しない。こ
の結果、経路の結合により進行波と後退波が結合するこ
とはない。したがって、ロックインが生じない状態で単
一縦モード化を実現することができる。

【００５０】図４のリング共振器を用いて、半導体リン
グレーザー型ジャイロを構成する。駆動電流６ｍＡにお
いて、この半導体リングレーザー型ジャイロが静止して
いるときの発振波長λは約１．５５μｍである。これら
のレーザー光の光強度が異なることから、駆動電流６ｍ
Ａにおいて、レーザー光１１とレーザー光１２の発振周
波数は２０ｋＨｚだけ異なる。そして、半導体リングレ
ーザー型ジャイロの中でレーザー光１１と１２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ー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。

【００５１】図４において、周回状の経路２は円形であ
り、１周の長さは６００μｍである。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ー光１２の
発振周波数は１０３．２２５Ｈｚだけ増加する。一方、
時計回りのレーザー光１１の発振周波数は１０３．２２
５Ｈｚだけ減少する。したがって、ビート周波数は、

【数１１】 Δｆ＝２０ｋＨｚ＋２０６．４５Ｈｚ （１１） となる。一方、半導体リングレーザー型ジャイロが、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、

【数１２】 Δｆ＝２０ｋＨｚ−２０６．４５Ｈｚ （１２） 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。

【００５２】さて、このときのビート信号をスペクトラ
ムアナライザで計測したときの様子を図７に示す。図７
（ａ）は、多モード発振している場合、図７（ｂ）は単
一モード発振している場合のスペクトルである。どちら
の図も、横軸は中心周波数からの変位、縦軸はスペクト
ル強度である。多モード発振している場合、図７（ａ）
のように、スペクトル幅が広い。これに対して、半導体
リングレーザー型ジャイロが単一縦モード発振している
場合、図７（ｂ）のように、スペクトル幅が狭くなり、
ビート信号検出の信号雑音比が改善される。なお、図７
（ｂ）のスペクトル線幅は、図７（ａ）の１００分の１
である。

【００５３】また、複数の経路の少なくとも一部を、他
の経路とは独立に電気制御するのも好適なものである。
このためには、図４において，経路６と経路８の上に形
成された電極を電気的に分離すればよい。これから、こ
の理由について説明する。注入電流あるいは、印加電圧
の大きさを変えることで、経路の屈折率を変調すること
ができる。このため、電気制御によって、経路の光学長
を変えることができる。複数の経路の光学長の違いによ
って、共振モードの数を制限できることから、複数の経
路の少なくとも一部を、他の経路とは独立に電気制御で
きれば、もっとも安定な単一縦モード動作が実現できる
ように、光学長の差を制御できるようになる。この結
果、複数の経路の屈折率を単一電極によって制御する場
合（各経路の屈折率が同じように変わる）に比べて、光
学長の差が最適となるように制御しやすくなる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
自然放出光による雑音を抑制し、しかもロックインが生
じない方法で発振モード数を制限することで、信号雑音
比の良好な半導体リングレーザー型ジャイロを提供する
ことができる。また、ディザなどの機械的な機構がなく
ても、回転方向および回転速度の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態及び第１の実施例に係る半導
体リングレーザー型ジャイロの構造を説明する上面図で
ある。

【図２】本発明の原理を説明する光利得スペクトルを示
す図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係る半導体リングレー
ザー型ジャイロの構造を説明する上面図である。

【図４】本発明の第３の実施例に係る半導体リングレー
ザー型ジャイロの構造を説明する上面図である。

【図５】本発明の実施形態及び第３の実施例に係る半導
体リングレーザー型ジャイロの共振モードを説明する図
である。

【図６】本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー
型ジャイロの発振スペクトルを説明する図である。

【図７】本発明の第３の実施例に係る半導体リングレー
ザー型ジャイロのビート信号のスペクトルを説明する図
である。

【図８】本発明の第１の実施例に係る半導体リングレー
ザー型ジャイロの層構造を説明する断面図である。

【図９】従来例を説明する図である。

【符号の説明】

２ 周回状の経路 ６ 外側の経路 ７ 非対称なテーパー １０ カソード １１ 時計回りのレーザー光 １２ 反時計回りのレーザー光 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

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも経路の一部に希土類元素をド
   ープした周回状の経路を含むことを特徴とする半導体リ
   ングレーザー型ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記周回状の経路が、光学長の異なる複
   数の経路を有し、かつ前記複数の経路のうち少なくとも
   一部が光学的に結合し、かつ光共振器内を伝搬するレー
   ザー光の周回方向が前記複数の経路によって反転しない
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体リングレーザ
   ー型ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記周回状の経路が非対称なテーパー部
   を少なくとも含み、光共振器内でお互いに反対の周回方
   向に伝搬し、かつ光強度の異なるレーザー光が共存する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体
   リングレーザー型ジャイロ。
4. 【請求項４】 光共振器内でお互いに反対の周回方向に
   伝搬し、かつ発振周波数の異なるレーザー光が共存する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載
   の半導体リングレーザー型ジャイロ。
5. 【請求項５】 前記周回状の経路のうち、少なくとも一
   部を電気的に独立に制御することのできる複数の電極を
   備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
   １項に記載の半導体リングレーザー型ジャイロ。
6. 【請求項６】 周回状の経路が、光学長の異なる複数の
   経路を有し、かつ前記複数の経路のうち少なくとも一部
   が光学的に結合した半導体リングレーザー型ジャイロの
   駆動方法であって、前記複数の経路のうち少なくとも一
   の経路に注入する電流または印加電圧の大きさを変える
   ことを特徴とする半導体リングレーザー型ジャイロの駆
   動方法。
7. 【請求項７】 前記周回状の経路の少なくとも一部に希
   土類元素をドープしたことを特徴とする請求項６に記載
   の半導体リングレーザー型ジャイロの駆動方法。