JP2003042769A - Optical gyro and driving method therefor - Google Patents
Optical gyro and driving method thereforInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、リング共振器型半
導体レーザを用いて回転を検知する光ジャイロおよび光
ジャイロの駆動方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical gyro for detecting rotation using a ring resonator type semiconductor laser and a method for driving the optical gyro.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、回転角速度の検知には、角運動量
保存則を利用した回転子を用いたジャイロや、コリオリ
力を利用した振動ジャイロ等の機械的ジャイロ、そして
サニャック効果を利用した光ジャイロが用いられてき
た。光ジャイロには、リングレーザ型ジャイロ、光ファ
イバジャイロ、受動型リング共振器型ジャイロなどがあ
る。これら光ジャイロは、機械的な可動部を必要としな
いため、機械的摩耗がなく、長寿命化が可能である。さ
らに、瞬間起動が可能でダイナミックレンジが広いとい
う利点があり、ジャイロ分野において画期的発明であっ
た。しかし、光ジャイロは振動ジャイロに比べて大型化
するという問題点があり、たとえばカメラの手ぶれ補正
装置に組み込むにも、光ジャイロではカメラ内部に大き
なスペースを必要とするため、その地位は振動ジャイロ
に譲るしかなかった。最近になって、小型でかつ高精度
なリングレーザ型ジャイロとして、半導体基板上のリン
グ共振器型半導体レーザからなる革新的なジャイロが提
案された。この公知文献として、特公昭62−3983
6号公報、特開平4−174317号公報、特公平6−
38529号公報がある。2. Description of the Related Art Conventionally, to detect a rotational angular velocity, a gyro using a rotor that uses the law of conservation of angular momentum, a mechanical gyro such as a vibration gyro that uses Coriolis force, and an optical gyro that uses the Sagnac effect are used. Has been used. The optical gyro includes a ring laser gyro, an optical fiber gyro, a passive ring resonator gyro, and the like. Since these optical gyros do not require a mechanically movable part, they have no mechanical wear and can have a long life. Furthermore, it has the advantage that it can be activated instantaneously and has a wide dynamic range, which was an epoch-making invention in the gyro field. However, the optical gyro has a problem in that it is larger than the vibration gyro. For example, even if it is installed in a camera shake correction device, the optical gyro requires a large space inside the camera, so its position becomes the vibration gyro. I had to give up. Recently, as a compact and highly accurate ring laser type gyro, an innovative gyro composed of a ring resonator type semiconductor laser on a semiconductor substrate has been proposed. As this publicly known document, Japanese Patent Publication No. 62-3983
No. 6, JP-A-4-174317, JP-B-6-
There is 38529 publication.
【0003】この従来技術について図7を用いて説明す
る。図7は、特公昭62−39836号公報に記載のリ
ング共振器型半導体レーザジャイロを示し、図7(a)
は半導体基板上のリング共振器型半導体レーザからなる
ジャイロの平面図、図7(b)はその断面図を示してい
る。This conventional technique will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a ring resonator type semiconductor laser gyro disclosed in Japanese Patent Publication No. Sho 62-39836, and FIG.
Is a plan view of a gyro composed of a ring resonator type semiconductor laser on a semiconductor substrate, and FIG. 7B is a sectional view thereof.
【0004】図7において、リング共振器型半導体レー
ザ505は上下に電極506、507を有し、この電極
506、507間には、絶縁層508、p型GaAs層
509、p型AlXGa1-XAs層510、n型AlXG
a1-XAs層[導波路]511、n型AlXGa1-XAs
層512、n型GaAs層513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5
05の両電極506、507間には抵抗501を介して
駆動用電源502が接続されるので、注入電流は電極5
06から内部にリング状に流れてリング状導波路511
が作られ、リングレーザ発振が行われる。In FIG. 7, a ring resonator type semiconductor laser 505 has electrodes 506 and 507 on the upper and lower sides, and an insulating layer 508, a p-type GaAs layer 509, and a p-type Al X Ga 1 are provided between the electrodes 506 and 507. -X As layer 510, n-type Al X G
a 1-X As layer [waveguide] 511, n-type Al X Ga 1-X As
The layer 512 and the n-type GaAs layer 513 are interposed. However,
x is different in each layer. This ring resonator type semiconductor laser 5
Since the driving power source 502 is connected between both electrodes 506 and 507 of No. 05 via the resistor 501, the injection current is
The ring-shaped waveguide 511 flows in a ring shape from 06.
Is produced and ring laser oscillation is performed.
【0005】リングレーザ発振が行われると、リング共
振器型半導体レーザ内において、時計回りと反時計回り
のレーザ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505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505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505の端子電圧の変化として、直流阻
止用コンデンサ503を介して出力端子504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。When the ring laser oscillation is performed, clockwise and counterclockwise laser lights exist independently in the ring resonator type semiconductor laser, and the ring resonator type is present at a certain angular velocity with respect to the axial direction of the ring. When the semiconductor laser rotates, a difference occurs between the oscillation frequencies of the clockwise and counterclockwise laser light due to the Sagnac effect, and a beat occurs. Due to this beat, the light intensity changes at the beat frequency, and as a result, the impedance between the terminals of the ring resonator type semiconductor laser 505 changes at the beat frequency. When the ring resonator type semiconductor laser 505 is driven by a constant current, the change in the impedance is detected from the output terminal 504 via the DC blocking capacitor 503 as a change in the terminal voltage of the ring resonator type semiconductor laser 505. can do. Thus, the angular velocity can be detected by measuring the beat frequency.
【0006】このような方式のため、リング共振器型半
導体レーザジャイロは、受光器や後方散乱対策用の光ア
イソレータなどを必要としない。したがって、振動ジャ
イロよりも小型であり、かつ、消費電力が低減でき、起
動時間を短縮できるという特徴をもっている。用途とし
ては、たとえば、スチルカメラおよびビデオカメラの手
ぶれ防止装置、車両のナビゲーションシステムに使用す
るのに好適である。Due to such a system, the ring resonator type semiconductor laser gyro does not require a photodetector or an optical isolator as a countermeasure against backscattering. Therefore, it is smaller than the vibrating gyro, and has features that power consumption can be reduced and start-up time can be shortened. It is suitable for use as, for example, an image stabilization device for still cameras and video cameras, and a vehicle navigation system.
【0007】さて、このようなジャイロを車両に搭載
し、車両の位置検出、すなわちカー・ナビゲーションに
利用する場合を考える。カー・ナビゲーションの位置検
出部においては、車両の移動距離と、車両の進行方位が
常時測定され、車両の初期位置が既知ならば、以後の車
両の現在位置が計算により求まる。このカー・ナビゲー
ションにおいて、車両の進行方位の検出には、地磁気セ
ンサやジャイロが用いられる。Now, let us consider a case where such a gyro is mounted on a vehicle and used for detecting the position of the vehicle, that is, for car navigation. In the position detector of the car navigation, the moving distance of the vehicle and the traveling direction of the vehicle are constantly measured, and if the initial position of the vehicle is known, the subsequent current position of the vehicle can be calculated. In this car navigation, a geomagnetic sensor and a gyro are used to detect the traveling direction of the vehicle.
【0008】カー・ナビゲーションにおいて車両の進行
方位の検出にジャイロを用いる場合、車両の走行時と停
止時に対して要求される角速度検出の精度が異なること
が知られている。すなわち、車両の走行時においては、
検出精度よりも角速度変動に関して高速応答が求められ
るのに対し、車両の停止時においては、角速度変動に対
する高速応答は必要なく、ジャイロの角速度検出に対し
て高精度であることが求められる。つまり、角速度の測
定精度についてのみ述べるなら、車両の停止時において
要求される精度は、走行時における精度よりも高い。そ
の理由は、車両の進行方位は、ジャイロが検知した角速
度を時間積分することによって得られるが、検知した信
号にノイズが加わっていると、それが積分誤差として蓄
積されてしまい、特に車両が停止している期間において
は、角速度検出に関わるノイズの全てが、方位検出誤差
として蓄積されるからである。It is known that when a gyro is used to detect the traveling direction of a vehicle in car navigation, the required accuracy of angular velocity detection differs when the vehicle is running and when it is stopped. That is, when the vehicle is running,
A high-speed response to the angular velocity fluctuation is required rather than the detection accuracy, but a high-speed response to the angular velocity fluctuation is not required when the vehicle is stopped, and high accuracy is required for the gyro angular velocity detection. That is, if only the measurement accuracy of the angular velocity is described, the accuracy required when the vehicle is stopped is higher than the accuracy when the vehicle is running. The reason for this is that the heading of the vehicle can be obtained by time-integrating the angular velocity detected by the gyro, but if noise is added to the detected signal, it will be accumulated as an integration error and the vehicle will stop in particular. This is because all the noises related to the angular velocity detection are accumulated as the azimuth detection error during the period in which the detection is performed.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】以上のように、移動物
体の状態によってジャイロに要求される角速度測定精度
は異なる場合がある。さて、リング共振器型半導体レー
ザジャイロが検出する角速度精度は、リング共振器型半
導体レーザ内を時計回り、反時計回りするレーザ光のス
ペクトル線幅によって定まる。時計回り、反時計回りの
レーザ光それぞれのスペクトル線幅が狭い程、この2つ
のレーザ光によって生じるビートのスペクトル線幅が狭
くなる。リング共振器型半導体レーザジャイロは角速度
をビートの周波数に変換するため、このビートの周波数
スペクトル線幅が狭いほど、角速度検知の精度が上が
る。レーザ光のスペクトル線幅を狭域化するためには、
リング共振器型半導体レーザへの注入電流を増加させ、
レーザ光強度を大きくすればよい。しかし、注入電流を
増加させることは、消費電力を高め、リング共振器型半
導体レーザの劣化を早めることにつながる。As described above, the angular velocity measurement accuracy required for the gyro may differ depending on the state of the moving object. The angular velocity accuracy detected by the ring resonator type semiconductor laser gyro is determined by the spectral line width of the laser light rotating clockwise and counterclockwise in the ring resonator type semiconductor laser. The narrower the spectral line width of each of the clockwise and counterclockwise laser beams, the narrower the spectral line width of the beat generated by these two laser beams. Since the ring resonator type semiconductor laser gyro converts an angular velocity into a beat frequency, the narrower the frequency spectrum line width of this beat, the higher the accuracy of angular velocity detection. In order to narrow the spectral line width of laser light,
Increase the injection current to the ring resonator type semiconductor laser,
The laser light intensity may be increased. However, increasing the injection current leads to higher power consumption and faster deterioration of the ring resonator type semiconductor laser.
【0010】そこで、車両のナビゲーションに用いる場
合において、角速度検出精度が要求される車両の停止期
間においては注入電流を高め、一方、車両の走行期間に
おいては注入電流を下げるようにして、車両の状態に応
じて注入電流を切り替えて、要求精度の達成と消費電力
低減の両立を図る方法が考えられる。Therefore, when the vehicle is used for navigation, the injected current is increased during the stop period of the vehicle where the accuracy of angular velocity detection is required, while the injected current is decreased during the traveling period of the vehicle so that the state of the vehicle is reduced. It is conceivable that the injection current is switched according to the above conditions to achieve both required accuracy and reduced power consumption.
【0011】しかし、この方法を時計回りと反時計回り
のレーザ光に損失差を与えるリング共振器型半導体レー
ザジャイロにおいて利用することを考えると、新たに別
の問題が生じる。すなわち、上記リング共振器型半導体
レーザジャイロにおいては、時計回り、反時計回りのレ
ーザ光の強度差が、注入電流によって変化し、それによ
って、ビート周波数の角速度に対する依存性が変化す
る。したがって、ビート周波数の測定帯域を、注入電流
の増減によって生じるビート周波数の移動範囲にまで広
域化しなければならない。ところが、ビートによる端子
電圧の変動は微弱であり、ジャイロの信号出力段におい
ては信号増幅のためのアンプを配置しなければならない
が、測定帯域を広域化することは、このアンプの帯域を
広域化することにつながる。すると、半導体レーザのシ
ョット雑音、および、半導体レーザの直列抵抗分の熱雑
音が、アンプによって増幅され、アンプ後に得られる信
号に乗るノイズは、増幅する周波数帯域幅に比例して増
大し、測定精度を劣化させることになる。さらに、測定
帯域を広域化することは、ジャイロからの高域の信号を
も信号処理回路が検出するように高機能化することにつ
ながり、必然的に高コスト化の道をたどることになる。However, considering the use of this method in a ring resonator type semiconductor laser gyro which gives a loss difference to clockwise and counterclockwise laser beams, another problem arises. That is, in the ring resonator type semiconductor laser gyro, the intensity difference between the clockwise and counterclockwise laser light changes due to the injection current, which changes the dependence of the beat frequency on the angular velocity. Therefore, the measurement band of the beat frequency must be widened to the range of movement of the beat frequency caused by the increase / decrease of the injection current. However, the fluctuation of the terminal voltage due to the beat is weak, and an amplifier for signal amplification must be arranged at the signal output stage of the gyro.However, widening the measurement band means widening the band of this amplifier. Lead to doing. Then, the shot noise of the semiconductor laser and the thermal noise of the series resistance of the semiconductor laser are amplified by the amplifier, and the noise on the signal obtained after the amplifier increases in proportion to the frequency bandwidth to be amplified, and the measurement accuracy is increased. Will be deteriorated. Further, widening the measurement band leads to high functionality so that the signal processing circuit can detect a high-frequency signal from the gyro, and inevitably follows the path of high cost.
【0012】上述した従来例の、特公昭62−3983
6号公報、特開平4−174317号公報、特公平6−
38529号公報においては、ジャイロの測定精度およ
び信号処理については言及されていない。The above-mentioned conventional example, Japanese Examined Patent Publication No. 62-3983.
No. 6, JP-A-4-174317, JP-B-6-
Japanese Patent No. 38529 does not mention the measurement accuracy of the gyro and the signal processing.
【0013】本発明の目的は、狭帯域の測定帯域を維持
し、必要に応じて角速度測定精度を切り替え、かつ、低
消費電力で駆動できる光ジャイロを、低コストで提供す
ることにある。It is an object of the present invention to provide an optical gyro that can maintain a narrow measurement band, switch the angular velocity measurement accuracy as needed, and can be driven with low power consumption at low cost.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明の光ジャイロは、光導波路の一部に、レーザ光
の一進行方向と、該一進行方向と反対のレーザ光の進行
方向とで非対称なテーパ部を有する、複数のリング状共
振器型半導体レーザを有し、該複数のリング状共振器型
半導体レーザはそれぞれ傾きの異なる前記テーパ部を有
する光ジャイロである。The optical gyroscope of the present invention for achieving the above object is provided, in a part of an optical waveguide, with one traveling direction of laser light and a traveling direction of laser light opposite to the one traveling direction. A plurality of ring-shaped resonator type semiconductor lasers having tapered portions asymmetrical with respect to each other are provided, and the plurality of ring-shaped resonator type semiconductor lasers are optical gyros having the tapered portions having different inclinations.
【0015】また本発明の光ジャイロの駆動方法は、一
進行方向のレーザ光と該一進行方向と反対の進行方向の
レーザ光との発振しきい値電流差が異なる複数のリング
共振器型半導体レーザを有する光ジャイロの駆動方法で
あって、それぞれのリング共振器型半導体レーザに対応
した電流を注入する光ジャイロの駆動方法である。Further, the optical gyro driving method of the present invention comprises a plurality of ring resonator type semiconductors having different oscillation threshold current differences between the laser light in one traveling direction and the laser light in the traveling direction opposite to the one traveling direction. A method for driving an optical gyro having a laser, which is a method for driving an optical gyro that injects a current corresponding to each ring resonator type semiconductor laser.
【0016】本発明は、リング共振器型半導体レーザの
光導波路の一部に非対称テーパを備え、リング共振器型
半導体レーザ内の一進行方向(例えば反時計回り)と該
一進行方向と反対の進行方向(例えば時計回り)のレー
ザ光に対し損失差を与えることにより、時計回りと反時
計回りのレーザ光の発振しきい値電流に差があるように
したものである。In the present invention, a part of the optical waveguide of the ring resonator type semiconductor laser is provided with an asymmetric taper, and one traveling direction (for example, counterclockwise) in the ring resonator type semiconductor laser and a direction opposite to the one traveling direction are provided. By providing a loss difference to the laser light in the traveling direction (clockwise, for example), there is a difference between the oscillation threshold currents of the clockwise and counterclockwise laser lights.
【0017】そして、一進行方向(例えば反時計回り)
と該一進行方向と反対の進行方向(例えば時計回り)の
レーザ光の発振しきい値電流の差が互いに異なるよう
に、テーパの非対称性が互いに異なる2つ以上のリング
共振器型半導体レーザを備える。Then, one traveling direction (eg counterclockwise)
And two or more ring resonator type semiconductor lasers having different taper asymmetries so that the difference in the oscillation threshold current of the laser light in the traveling direction opposite to the one traveling direction (for example, clockwise) is different from each other. Prepare
【0018】前記2つ以上のリング共振器型半導体レー
ザを駆動する場合に、測定角速度範囲に対応するビート
周波数の範囲が、測定周波数帯域内に収まるように、そ
れぞれのリング共振器型半導体レーザに対する駆動電流
を定め、その駆動電流で、それぞれのリング共振器型半
導体レーザを、駆動する機能を、駆動系は有する。When driving the two or more ring resonator type semiconductor lasers, the beat frequency range corresponding to the measurement angular velocity range is set within the measurement frequency band for each ring resonator type semiconductor laser. The drive system has a function of determining a drive current and driving each of the ring resonator type semiconductor lasers with the drive current.
【0019】前記2つ以上のリング共振器型半導体レー
ザのそれぞれが、前記駆動電流で駆動された場合、それ
ぞれのリング共振器型半導体レーザにおけるスペクトル
線幅が異なっており、移動物体の運動状況に応じて、適
宜、駆動するリング共振器型半導体レーザを選択する。When each of the two or more ring resonator type semiconductor lasers is driven by the driving current, the spectrum line widths of the respective ring resonator type semiconductor lasers are different from each other, which causes a movement condition of a moving object. Accordingly, a ring resonator type semiconductor laser to be driven is appropriately selected.
【0020】[0020]
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図1、図2、図3、図4、図5、図6に基づいて詳細
に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, and 6.
【0021】(第1の実施形態)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。(First Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0022】図1(a)は、本発明の光ジャイロの第一
の実施形態の平面図、図1(b)は図1(a)のA−
A’線の断面図である。10は光ジャイロ、11,12
はそれぞれリング共振器型半導体レーザ、13,14
は、光導波路の一部に設けた導波路幅の変化する部分、
すなわちテーパ部である。リング共振器型半導体レーザ
内部では、反時計回りの周回モード15と、時計回りの
周回モード16が共存している。FIG. 1 (a) is a plan view of a first embodiment of an optical gyro of the present invention, and FIG. 1 (b) is A- of FIG. 1 (a).
It is a sectional view of an A'line. 10 is an optical gyro, 11 and 12
Are ring resonator type semiconductor lasers, 13 and 14, respectively.
Is a portion of the optical waveguide where the waveguide width changes,
That is, it is a tapered portion. Inside the ring resonator type semiconductor laser, the counterclockwise orbiting mode 15 and the clockwise orbiting mode 16 coexist.
【0023】2つのリング共振器型半導体レーザ11、
12は以下のようにして作製した。はじめに、図1の素
子断面図に示す半導体多層構造を有機金属気相成長法に
より成膜した。すなわち、n−InP基板102上に、
1.3μm組成のアンドープInGaAsP光ガイド層
103(厚さ0.15μm)、1.55μm組成のアン
ドープInGaAsP活性層104(厚さ0.1μ
m)、1.3μm組成のアンドープInGaAsP光ガ
イド層105(厚さ0.15μm)、p−InPクラッ
ド層106(厚さ1.5μm)、p−InGaAsキャ
ップ層107を結晶成長した。フォトレジストを塗布
し、マスクパタンを露光、現像してリング共振器状のレ
ジストパタンを形成した。塩素ガスを用いたリアクティ
ブイオンエッチングによって、高さ3μmのハイメサ形
状のリッジ導波路からなるリング共振器型半導体レーザ
を形成した。Cr/Auをリッジ導波路上部に蒸着し
て、p−電極108とした。ウェハの下側にはAuGe
/Ni/Auを蒸着してn−電極101とした。水素雰
囲気中でアロイ化して、p、nの電極と半導体の界面を
オーミック接触とした。Two ring resonator type semiconductor lasers 11,
12 was produced as follows. First, the semiconductor multilayer structure shown in the element cross-sectional view of FIG. 1 was formed by a metal organic chemical vapor deposition method. That is, on the n-InP substrate 102,
An undoped InGaAsP optical guide layer 103 having a composition of 1.3 μm (thickness 0.15 μm) and an undoped InGaAsP active layer 104 having a composition of 1.55 μm (thickness 0.1 μm)
m), a 1.3 μm composition undoped InGaAsP optical guide layer 105 (thickness 0.15 μm), a p-InP clad layer 106 (thickness 1.5 μm), and a p-InGaAs cap layer 107 were crystal-grown. A photoresist was applied, and the mask pattern was exposed and developed to form a ring resonator-shaped resist pattern. A ring resonator type semiconductor laser having a height of 3 μm and made of a high-mesa ridge waveguide was formed by reactive ion etching using chlorine gas. Cr / Au was vapor-deposited on the ridge waveguide to form the p-electrode 108. AuGe on the underside of the wafer
/ Ni / Au was vapor-deposited to form the n-electrode 101. After being alloyed in a hydrogen atmosphere, the interface between the p and n electrodes and the semiconductor was brought into ohmic contact.
【0024】それぞれのリング共振器型半導体レーザ1
1、12が光学的独立でなければ、レーザ光が他のリン
グ共振器型半導体レーザに反射して戻り、発振周波数が
影響されるなどして、純粋に回転によるビート信号が得
られない状態となる。したがって、リング共振器型半導
体レーザ11、12は互いに光学的に独立とする。Each ring resonator type semiconductor laser 1
If 1 and 12 are not optically independent, the laser beam is reflected back to the other ring resonator type semiconductor laser, the oscillation frequency is affected, and the beat signal due to rotation cannot be obtained purely. Become. Therefore, the ring resonator type semiconductor lasers 11 and 12 are optically independent of each other.
【0025】リング共振器型半導体レーザ11、12が
互いに光学的に独立であるために、同一基板上に形成さ
れる複数のリング共振器型半導体レーザ11、12の配
置に際しては、互いのレーザ光が結合しないようにレー
ザの間隔をあけて配置する。エバネッセント光の影響を
避けるためにはおよそ15μm以上の間隔とされてい
る。Since the ring resonator type semiconductor lasers 11 and 12 are optically independent of each other, when the plurality of ring resonator type semiconductor lasers 11 and 12 formed on the same substrate are arranged, the laser light beams of the ring resonator type semiconductor lasers 11 and 12 are mutually separated. The lasers are spaced so that they do not combine. In order to avoid the influence of evanescent light, the interval is set to approximately 15 μm or more.
【0026】各々のリング共振器型半導体レーザ11、
12のテーパ部13、14は、それぞれのリング共振器
型半導体レーザ内部における反時計回りのレーザ光15
と時計回りのレーザ光16に損失差を付加するためにあ
る。これにより、リング共振器型半導体レーザ内におけ
る時計回りと反時計回りのレーザ光の発振しきい値電流
に差が生じる。そしてこの差は、リング共振器型半導体
レーザ11よりもリング共振器型半導体レーザ12のほ
うが大きくなるように設計されている。Each ring resonator type semiconductor laser 11,
The tapered portions 13 and 14 of 12 are counterclockwise laser light 15 inside the respective ring resonator type semiconductor lasers.
Is to add a loss difference to the clockwise laser light 16. This causes a difference between the oscillation threshold currents of the clockwise and counterclockwise laser light in the ring resonator type semiconductor laser. This difference is designed so that the ring resonator type semiconductor laser 12 is larger than the ring resonator type semiconductor laser 11.
【0027】図2に、本発明による光ジャイロの信号処
理系を示す。図2において、10は光ジャイロ、11,
12はそれぞれ、図1に示したリング共振器型半導体レ
ーザである。201は注入電流Iaを出力する定電流
源、202は注入電流Ibを出力する定電流源、203
はスイッチ、204はアンプ、205はコンパレータ、
206はカウンタ、207は信号処理回路である。FIG. 2 shows a signal processing system of the optical gyro according to the present invention. In FIG. 2, 10 is an optical gyro, 11,
Reference numerals 12 are the ring resonator type semiconductor lasers shown in FIG. 201 is a constant current source that outputs an injection current I a ; 202 is a constant current source that outputs an injection current I b ;
Is a switch, 204 is an amplifier, 205 is a comparator,
206 is a counter and 207 is a signal processing circuit.
【0028】リング共振器型半導体レーザ11は定電流
源201によって注入電流Iaで駆動され、リング共振
器型半導体レーザ12は定電流源202によって注入電
流I bで駆動され、それぞれは同時に駆動されないよう
に、スイッチ203は設計されている。The ring resonator type semiconductor laser 11 has a constant current.
Injection current I by source 201aDriven by, ring resonance
The semiconductor laser 12 is injected by the constant current source 202.
Flow I bSo that they are not driven at the same time
In addition, the switch 203 is designed.
【0029】光ジャイロ10の駆動時において、回転角
速度が印加されたとき、角速度に応じて、リング共振器
型半導体レーザ11もしくは12から出力される端子間
電圧変動周波数信号は、まず、交流結合入力をもつアン
プ204によって特定の周波数帯域の中で増幅され、コ
ンパレータ205によって検知可能な大きさの電圧変動
となる。コンパレータ205は、周波数信号を矩形波状
に整形する。その後、カウンタ206によってパルス数
をカウントする。そして信号処理回路207によって、
パルス数から角速度を算出する。When the rotational angular velocity is applied while the optical gyro 10 is driven, the voltage fluctuation frequency signal between the terminals output from the ring resonator type semiconductor laser 11 or 12 is first AC-coupled input depending on the angular velocity. Amplified in a specific frequency band by the amplifier 204 having a voltage fluctuation of a magnitude detectable by the comparator 205. The comparator 205 shapes the frequency signal into a rectangular wave. After that, the counter 206 counts the number of pulses. Then, by the signal processing circuit 207,
The angular velocity is calculated from the number of pulses.
【0030】さて、リング共振器型半導体レーザ11が
定電流源201によって駆動されている場合を考える。Now, consider the case where the ring resonator type semiconductor laser 11 is driven by the constant current source 201.
【0031】このとき、リング共振器型半導体レーザ1
1内部においては、反時計回りのレーザ光15と時計回
りのレーザ光16が生じ、この2つのレーザ光において
は、たとえ静止時においても発振周波数が異なってい
る。これは以下にのべるように、リング共振器型半導体
レーザ11の非対称なテーパ部13の作用による。レー
ザ光は光導波路界面で全反射を繰り返しながら伝搬して
ゆくが、テーパ部13においては、光導波路界面への入
射角度が変化するので導波損が生じる。このテーパ部1
3が周回方向に対して非対称な形状なので、周回方向に
よって、テーパ部13での入射角が異なり、損失差が生
じる。At this time, the ring resonator type semiconductor laser 1
Inside 1, the counterclockwise laser beam 15 and the clockwise laser beam 16 are generated, and the oscillation frequencies of these two laser beams are different even at rest. This is due to the action of the asymmetric taper portion 13 of the ring resonator type semiconductor laser 11, as described below. The laser light propagates while repeating total reflection at the interface of the optical waveguide, but in the tapered portion 13, the incident angle to the interface of the optical waveguide changes, so that waveguide loss occurs. This taper part 1
Since 3 is an asymmetrical shape with respect to the orbiting direction, the incident angle at the taper portion 13 is different depending on the orbiting direction, resulting in a loss difference.
【0032】このレーザ光の周回方向による共振器損失
差によって、反時計回りのレーザ光15と時計回りのレ
ーザ光16の光子数密度に差が生じる。2つのレーザ光
が共存する状態では、非線形光学効果が生じる。共存す
る2つのレーザ光の発振周波数fjと光子数密度Sjの間
には以下の関係があり、光子数密度に差があれば、2つ
のレーザ光の発振周波数に差が生じることがわかる。Due to the resonator loss difference due to the circulating direction of the laser light, a difference occurs in the photon number density between the counterclockwise laser light 15 and the clockwise laser light 16. A non-linear optical effect occurs when two laser beams coexist. There is the following relationship between the oscillating frequencies f j of two coexisting laser beams and the photon number density S j , and it can be seen that if the photon number densities are different, the oscillating frequencies of the two laser beams are different. .
【0033】
2πf1+dΦ1/dt=ω+σ1−ρ1S1−τ12S2 (1)
2πf2+dΦ2/dt=ω+σ2−ρ2S2−τ21S1 (2)
ここで、Φjは位相、ωは共振角周波数、σiはモード引
き込み係数、ρiはモードの自己押し出しを示す係数、
τijは、モードの相互押し出しを示す係数である。ただ
し、i、j=1、2;i≠jである。2πf 1 + dΦ 1 / dt = ω + σ 1 −ρ 1 S 1 −τ 12 S 2 (1) 2πf 2 + dΦ 2 / dt = ω + σ 2 −ρ 2 S 2 −τ 21 S 1 (2) where Φ j is the phase, ω is the resonance angular frequency, σ i is the mode pull-in coefficient, ρ i is the coefficient indicating the mode self-extrusion,
τ ij is a coefficient indicating mutual extrusion of modes. However, i, j = 1, 2; i ≠ j.
【0034】以上から、静止時にレーザ光の発振周波数
f10とf20が異なっているので、
Δf0=f20−f10 (3)
という周波数でビートが生じる。From the above, since the oscillation frequencies f 10 and f 20 of the laser light are different when stationary, a beat occurs at a frequency Δf 0 = f 20 −f 10 (3).
【0035】こうして、リング共振器型半導体レーザジ
ャイロ内部において、2つのレーザ光の光子数密度Sj
に差があれば、発振時において静止時ビート周波数Δf
0が生じることが分かるが、この静止時ビート周波数Δ
f0が、リング共振器型半導体レーザ11の注入電流値
に依存することが、以下の考察でわかる。Thus, inside the ring resonator type semiconductor laser gyro, the photon number density S j of the two laser beams is
If there is a difference in the
It can be seen that 0 occurs, but this stationary beat frequency Δ
It will be understood from the following consideration that f 0 depends on the injection current value of the ring resonator type semiconductor laser 11.
【0036】図3(a)は、リング共振器型半導体レー
ザ11における、時計回りの光と反時計回りの光の、注
入電流(I)−光強度(L)特性を図示したものであ
る。また図3(b)は、リング共振器型半導体レーザ1
2における、時計回りの光と反時計回りの光の、注入電
流(I)−光強度(L)特性を図示したものである。
今、リング共振器型半導体レーザ11に関するI−L特
性である、図3(a)に注目する。FIG. 3A shows injection current (I) -light intensity (L) characteristics of clockwise light and counterclockwise light in the ring resonator type semiconductor laser 11. Further, FIG. 3B shows a ring resonator type semiconductor laser 1
3 is a graph showing injection current (I) -light intensity (L) characteristics of clockwise light and counterclockwise light in FIG.
Attention is now directed to FIG. 3A, which is the IL characteristic of the ring resonator type semiconductor laser 11.
【0037】上述したように、非対称テーパ部13によ
って、互いに反対方向に周回するレーザ光の強度に差が
生じるため、図3(a)に示すように、発振後におけ
る、各々のレーザ光のI−L特性は、異なる傾きの直線
を描く。そのために、2つのレーザ光間の強度差ΔL
は、注入電流値Iに対して変化することがわかる。すな
わち、この実施形態においては、リング共振器型半導体
レーザ11には注入電流I aしか流せないが、注入電流
Ibをも流せるものと、今だけ考えると、図3(a)に
おいて、注入電流値がIaならば強度差はΔLaとなり、
注入電流値がIbならば強度差はΔLbとなる具合であ
る。As described above, the asymmetric taper portion 13
Therefore, there is a difference in the intensity of the laser light that circulates in opposite directions.
Therefore, as shown in FIG.
The I-L characteristics of each laser beam are straight lines with different slopes.
Draw. Therefore, the intensity difference ΔL between the two laser beams
It can be seen that changes with respect to the injection current value I. sand
That is, in this embodiment, a ring resonator type semiconductor is used.
The injection current I is applied to the laser 11. aCan only flow, but injection current
IbIf you think now that you can also flow, you can see in Fig. 3 (a).
The injection current value is IaThen the intensity difference is ΔLaNext to
Injection current value is IbThen the intensity difference is ΔLbTo be
It
【0038】さて、上述した、2つのレーザ光間におけ
る非線形光学効果をあらわす式(1)、(2)によれ
ば、2つのレーザ光の光子密度S1、S2の差が変化すれ
ば、それに応じて2つのレーザ光の発振周波数f1、f
2 の差が変化することが分かる。したがって、静止時に
おいて注入電流を変化させた場合、それに応じて2つの
レーザ光強度差が変化し、静止時におけるビート周波数
が変化する。According to the equations (1) and (2) representing the nonlinear optical effect between the two laser lights, if the difference between the photon densities S 1 and S 2 of the two laser lights changes, Accordingly, the oscillation frequencies f 1 and f of the two laser beams are
It can be seen that the difference of 2 changes. Therefore, when the injection current is changed in the stationary state, the difference between the two laser light intensities changes accordingly, and the beat frequency in the stationary state changes.
【0039】さて、スイッチ203によって、定電流源
201がリング共振器型半導体レーザ11を駆動してい
る状態において、光ジャイロ10が角速度Ωで時計回り
に回転すると、リング共振器型半導体レーザ11内の時
計回りの第一のレーザ光16の発振周波数f1Ωは、
f1Ω=f10―2SΩ/(λ1L) (4)
ここで、Sはリング共振器型半導体レーザが囲む面積、
Lは光路長、λ1は静止時の時計回りのレーザ光の媒質
内波長である。また同時に反時計回りの第二のレーザ光
15の発振周波数f2Ωは、
f2Ω=f20+2SΩ/(λ2L) (5)
λ2は静止時の反時計回りのレーザ光の媒質内波長であ
る。When the optical gyro 10 is rotated clockwise at the angular velocity Ω while the constant current source 201 is driving the ring resonator type semiconductor laser 11 by the switch 203, the inside of the ring resonator type semiconductor laser 11 is rotated. The oscillation frequency f 1 Ω of the clockwise first laser light 16 is f 1 Ω = f 10 −2SΩ / (λ 1 L) (4) where S is the area surrounded by the ring resonator type semiconductor laser,
L is the optical path length, and λ 1 is the wavelength of the clockwise clockwise laser light in the medium. At the same time, the oscillation frequency f 2 Ω of the counterclockwise second laser light 15 is f 2 Ω = f 20 + 2SΩ / (λ 2 L) (5) λ 2 is the medium of the counterclockwise laser light at rest It is the inner wavelength.
【0040】リング共振器型半導体レーザジャイロ内
で、時計回りの第一のレーザ光と反時計回りの第二のレ
ーザ光が共存しているので、第一のレーザ光と第二のレ
ーザ光の発振周波数との差の周波数をもったビート光が
発生する。回転時のビート周波数ΔfΩは、
ΔfΩ=f2Ω―f1Ω
=f20+2SΩ/(λ2L)―f10+2SΩ/(λ1L)
=f20―f10+(2SΩ/L)・(1/λ2+1/λ1)
=Δf0+(2SΩ/L)・(1/λ2+1/λ1) (6)
である。ビート光は、ビート周波数ΔfΩで反転分布の
脈動を引き起こし、端子間インピーダンスを変動させ
る。そこで、定電流駆動をしている場合には、端子間電
圧に、上記ΔfΩという周波数で電圧変動が観測され
る。ただし、観測できる周波数は常に正なので、
|ΔfΩ|
がえられる。Since the clockwise first laser light and the counterclockwise second laser light coexist in the ring resonator type semiconductor laser gyro, the first laser light and the second laser light are combined. Beat light having a frequency different from the oscillation frequency is generated. The beat frequency ΔfΩ during rotation is ΔfΩ = f 2 Ω−f 1 Ω = f 20 + 2SΩ / (λ 2 L) −f 10 + 2SΩ / (λ 1 L) = f 20 −f 10 + (2SΩ / L). (1 / λ 2 + 1 / λ 1 ) = Δf 0 + (2SΩ / L) · (1 / λ 2 + 1 / λ 1 ) (6) The beat light causes the pulsation of the population inversion at the beat frequency ΔfΩ and changes the impedance between terminals. Therefore, when the constant current driving is performed, the voltage fluctuation is observed in the voltage between terminals at the frequency of ΔfΩ. However, since the observable frequency is always positive, | ΔfΩ | is obtained.
【0041】さて、前に述べたように、もし、リング共
振器型半導体レーザ11への注入電流値を変えると、そ
れに応じて、反時計回りのレーザ光15と時計回りのレ
ーザ光16において強度差が変化し、静止時のビート周
波数が変化する。この実施形態においては、リング共振
器型半導体レーザ11には注入電流Iaしか印加されな
いが、注入電流の違いによる、ビート周波数の角速度に
対する依存性の変化をはっきりさせるために、注入電流
Ibをも流せるとすると、その場合、注入電流値がIaの
場合では、静止時ビート周波数はΔf0a、注入電流値が
Ibの場合では、静止時ビート周波数はΔf0bといった
ように、異なる静止時ビート周波数をとるため、この2
つの異なる注入電流値においては、回転角速度Ωに対す
るビート周波数ΔfΩの関数も、それぞれ固有の形とな
る。その関数の絶対値を以下に示す。As described above, if the injection current value to the ring resonator type semiconductor laser 11 is changed, the intensities of the counterclockwise laser light 15 and the clockwise laser light 16 are correspondingly changed. The difference changes and the beat frequency at rest changes. In this embodiment, only the injection current I a is applied to the ring resonator type semiconductor laser 11, but the injection current I b is changed in order to clarify the change in the dependence of the beat frequency on the angular velocity due to the difference in the injection current. If the injection current value is I a , the stationary beat frequency is Δf 0a , and if the injection current value is I b , the stationary beat frequency is Δf 0b. Since it takes a beat frequency, this 2
At three different injection current values, the function of the beat frequency ΔfΩ with respect to the rotational angular velocity Ω also has its own form. The absolute value of the function is shown below.
【0042】
|ΔfΩa|=|Δf0a+(2SΩ/L)・(1/λ2a+1/λ1a)|
(7)
|ΔfΩb|=|Δf0b+(2SΩ/L)・(1/λ2b+1/λ1b)|
(8)
ここで、ΔfΩaは注入電流値Iaにおいての角速度Ωに
対するビート周波数、ΔfΩbは注入電流値Ibにおいて
の角速度Ωに対するビート周波数であり、λ1aは注入電
流Iaでの静止時における時計回りのレーザ光の媒質内
波長、λ2aは注入電流Iaでの静止時における反時計回
りのレーザ光の媒質内波長、λ1bは注入電流Ibでの静
止時における時計回りのレーザ光の媒質内波長、λ2bは
注入電流Ibでの静止時における反時計回りのレーザ光
の媒質内波長である。| ΔfΩ a | = | Δf 0a + (2SΩ / L) · (1 / λ 2a + 1 / λ 1a ) | (7) | ΔfΩ b | = | Δf 0b + (2SΩ / L) · (1 / λ 2b + 1 / λ 1b ) | (8) where ΔfΩ a is the beat frequency for the angular velocity Ω at the injection current value I a , ΔfΩ b is the beat frequency for the angular velocity Ω at the injection current value I b , and λ 1a Is the in-medium wavelength of the clockwise laser light at rest with injection current I a , λ 2a is the in-medium wavelength of the counterclockwise laser light at rest with injection current I a , and λ 1b is the injection current I b The in-medium wavelength of the clockwise laser light in the stationary state at λ 2b is the in-medium wavelength of the counterclockwise laser light in the stationary state at the injection current I b .
【0043】図4において、実線a、bは、それぞれ、
注入電流値Ia、Ibにおいて、リング共振器型半導体レ
ーザ11から、出力される端子間電圧変動周波数の角速
度Ωに対する関数を図示している。In FIG. 4, solid lines a and b respectively indicate
The figure shows the function of the voltage variation frequency between terminals output from the ring resonator type semiconductor laser 11 with respect to the angular velocity Ω at the injection current values I a and I b .
【0044】ここで、式(7)、(8)で示される関数
は、実線a、bの直線部とそれを延長した波線で示され
る。波線部においては、リング共振器型半導体レーザジ
ャイロ10内の時計回りと反時計回りのレーザ光16、
15は強結合状態となって、2モード独立のレーザ発振
ができなくなる場合がある。このとき、光のビートおよ
び端子間電圧変動は観測できない。このような現象をロ
ックインと呼ぶ。このロックイン現象のために、実際に
観測される端子間電圧変動周波数の角速度Ωに対する関
数は、実線a、bのように振る舞う。Here, the functions represented by the equations (7) and (8) are represented by the straight line portions of the solid lines a and b and the wavy line extending them. In the wavy line portion, the clockwise and counterclockwise laser light 16 in the ring resonator type semiconductor laser gyro 10,
There is a case where 15 becomes a strong coupling state and two-mode independent laser oscillation cannot be performed. At this time, the beat of light and the voltage fluctuation between terminals cannot be observed. This phenomenon is called lock-in. Due to this lock-in phenomenon, the function of the actually observed terminal voltage fluctuation frequency with respect to the angular velocity Ω behaves as shown by solid lines a and b.
【0045】図4における斜線領域は、図2に示すアン
プ204によって、リング共振器型半導体レーザジャイ
ロの端子間電圧変動信号を増幅する帯域を示しており、
この領域が測定可能帯域となる。リング共振器型半導体
レーザの端子間電圧変動は微弱であるために、実際に
は、この斜線領域の周波数帯域内の信号しか検知するこ
とはできない。しかしながら、この測定帯域の幅を広げ
ると、半導体レーザのショット雑音、および、半導体レ
ーザの直列抵抗分の熱雑音を源とするノイズが、アンプ
後に測定帯域幅に比例して増大する。したがって、広い
角速度の範囲を測定するために、測定帯域を拡大する
と、高精度測定を犠牲にすることになる。The shaded area in FIG. 4 indicates the band in which the voltage fluctuation signal between the terminals of the ring resonator type semiconductor laser gyro is amplified by the amplifier 204 shown in FIG.
This area is the measurable band. Since the voltage variation between the terminals of the ring resonator type semiconductor laser is weak, only the signal within the frequency band in the shaded region can be actually detected. However, when the width of the measurement band is widened, the shot noise of the semiconductor laser and the noise caused by the thermal noise of the series resistance of the semiconductor laser increase in proportion to the measurement bandwidth after the amplification. Therefore, expanding the measurement band to measure a wide angular velocity range sacrifices high precision measurement.
【0046】図4で示すように、静止時Ω=0において
は、実線aが測定帯域内にあり、したがって、リング共
振器型半導体レーザ11を注入電流Iaで駆動するとき
は、静止時ビート周波数|Δf0a|を発し、静止時であ
ることを認知することができる。一方、注入電流I
b (<Ia)で駆動するときは、リング共振器型半導体
レーザ11は静止時ビート周波数|Δf0b|を発する。
これは、図4に示すように測定帯域外であるので、静止
時を知ることができない。As shown in FIG. 4, when Ω = 0 at rest, the solid line a is within the measurement band. Therefore, when the ring resonator type semiconductor laser 11 is driven by the injection current I a , a beat at rest is obtained. It emits the frequency | Δf 0a | and can recognize that it is stationary. On the other hand, the injection current I
When driven with b (<I a ), the ring resonator type semiconductor laser 11 emits a beat frequency | Δf 0b | at rest.
Since this is outside the measurement band as shown in FIG. 4, the stationary time cannot be known.
【0047】次に、リング共振器型半導体レーザ12を
駆動する場合を考える。リング共振器型半導体レーザ1
2はリング共振器型半導体レーザ11と比較して、時計
回りと反時計回りのレーザ光の発振しきい値電流差がよ
り大きくなるようにテーパ部14が設計されている。そ
れゆえ、もしリング共振器型半導体レーザ11に注入す
る電流と同じ注入電流でリング共振器型半導体レーザ1
2を駆動すると、時計回りと反時計回りのレーザ光の強
度差がリング共振器型半導体レーザ12のほうが大きく
なる。故に、リング共振器型半導体レーザ12において
は、リング共振器型半導体レーザ11よりも周波数の大
きい静止時ビートが生じる。したがって、前記注入電流
Ia 、Ib における、リング共振器型半導体レーザ12
の、角速度にたいするビート周波数の関数は、図5に示
す格好になる。すなわち、注入電流Ib(<Ia)におい
ては、図5における実線bに示すように、ビート周波数
が角速度に対して振る舞い、測定帯域内にビート周波数
が収まるが、注入電流Iaにおいては、時計回りと反時
計回りのレーザ光の強度差が大きくなりすぎるため、図
5における実線aに示すように、測定帯域の外に出る。Next, consider the case where the ring resonator type semiconductor laser 12 is driven. Ring resonator type semiconductor laser 1
2, the taper portion 14 is designed so that the oscillation threshold current difference between the clockwise and counterclockwise laser light is larger than that of the ring resonator type semiconductor laser 11. Therefore, if the injection current is the same as the injection current to the ring resonator type semiconductor laser 11, the ring resonator type semiconductor laser 1
When 2 is driven, the intensity difference between the clockwise and counterclockwise laser light becomes larger in the ring resonator type semiconductor laser 12. Therefore, in the ring resonator type semiconductor laser 12, a stationary beat having a frequency higher than that of the ring resonator type semiconductor laser 11 is generated. Therefore, at the injection currents I a and I b , the ring resonator type semiconductor laser 12 is obtained.
The function of the beat frequency with respect to the angular velocity is as shown in FIG. That is, at the injection current I b (<I a ), as shown by the solid line b in FIG. 5, the beat frequency behaves with respect to the angular velocity and the beat frequency falls within the measurement band, but at the injection current I a , Since the intensity difference between the clockwise and counterclockwise laser light becomes too large, it goes out of the measurement band as shown by the solid line a in FIG.
【0048】以上の考察より、リング共振器型半導体レ
ーザ11および12から生じるビート周波数を測定帯域
内に収めるためには、リング共振器型半導体レーザ11
を注入電流Ia 、リング共振器型半導体レーザ12を注
入電流Ib (<Ia)で駆動する。From the above consideration, in order to keep the beat frequency generated from the ring resonator type semiconductor lasers 11 and 12 within the measurement band, the ring resonator type semiconductor laser 11 is used.
With the injection current I a and the ring resonator type semiconductor laser 12 with the injection current I b (<I a ).
【0049】図3には、リング共振器型半導体レーザ1
1における時計回りと反時計回りのレーザ光のI−L特
性(図3(a))とリング共振器型半導体レーザ12に
おける時計回りと反時計回りのレーザ光のI−L特性
(図3(b))を示しているが、リング共振器型半導体
レーザ11を注入電流Ia で駆動した場合の時計回りと
反時計回りの光強度は、リング共振器型半導体レーザ1
2を注入電流Ib (<I a)で駆動した場合の、時計回
りと反時計回りの光強度よりも大きい。したがって、リ
ング共振器型半導体レーザ11で生じるビート信号のス
ペクトル線幅は、リング共振器型半導体レーザ12のス
ペクトル線幅よりも狭く、リング共振器型半導体レーザ
11を駆動した場合は、より分解能が高い角速度測定が
可能となる。一方、リング共振器型半導体レーザ12を
駆動した場合には、リング共振器型半導体レーザ11よ
りもビート信号のスペクトル線幅が広いため分解能は劣
るが、注入電流が低いために、低消費電力での駆動が可
能である。FIG. 3 shows a ring resonator type semiconductor laser 1.
I and L characteristics of the clockwise and counterclockwise laser light in 1
(Fig. 3 (a)) and ring resonator type semiconductor laser 12
IL characteristics of clockwise and counterclockwise laser light in
(FIG. 3B) shows a ring resonator type semiconductor
Laser 11 is injected current IaClockwise when driven with
The counterclockwise light intensity is equivalent to that of the ring resonator type semiconductor laser 1.
2 is the injection current Ib(<I a) Clockwise when driven by
It is greater than the light intensity counterclockwise. Therefore,
Of the beat signal generated in the ring resonator type semiconductor laser 11.
The spectrum line width is the same as that of the ring resonator type semiconductor laser 12.
Ring cavity type semiconductor laser narrower than the line width of a spectrum
When driving 11, the angular velocity measurement with higher resolution
It will be possible. On the other hand, the ring resonator type semiconductor laser 12
If it is driven, the ring resonator type semiconductor laser 11
The resolution is inferior because the spectral line width of the beat signal is wide.
However, since the injection current is low, it can be driven with low power consumption.
Noh.
【0050】こうして、以上に示した方法によって、注
入電流および駆動するリング共振器型半導体レーザを適
宜切り替えることによって、角速度測定の精度と消費電
力を、状況に合わせて選択することができ、かつ、狭帯
域の測定を可能とする。Thus, by appropriately switching the injection current and the ring resonator type semiconductor laser to be driven by the method described above, the accuracy of angular velocity measurement and power consumption can be selected according to the situation, and Enables narrow band measurement.
【0051】以上に示した2つのリング共振器型半導体
レーザの駆動は、手動で切り替えてもよいし、また、時
分割で共用してもよい。すなわち、リング共振器型半導
体レーザ11、12のオンの状態の時間が、たとえば
1:1になるように、スイッチの切り替えを設定しても
よいし、または、必要に応じてこの比を変更してもよ
い。この実施形態では半導体材料としてInGaAsP
/InP系を用いたが、GaAs系、ZnSe系、In
GaN系などの電流注入によってレーザ発振させること
のできる材料系であってもかまわない。The driving of the two ring resonator type semiconductor lasers described above may be manually switched, or may be shared by time division. That is, the switching of the switches may be set such that the time of the ON state of the ring resonator type semiconductor lasers 11 and 12 is, for example, 1: 1 or the ratio may be changed as necessary. May be. In this embodiment, InGaAsP is used as the semiconductor material.
/ InP system was used, but GaAs system, ZnSe system, In
A material system such as a GaN system that can cause laser oscillation by current injection may be used.
【0052】(第2の実施形態)図6にしたがって、本
発明の光ジャイロの第2の実施形態を説明する。図6に
おいて、400は光ジャイロであり、401、402、
403はそれぞれ、時計回りと反時計回りのレーザ光の
発振しきい値電流差が互いに異なるリング共振器型半導
体レーザであり、それぞれ、電流値Ia、Ib、Icを出
力する定電流源404、405、406によって駆動さ
れる。407はスイッチ、408はアンプ、409は周
波数(f)−電圧(V)変換回路、410は信号処理回
路である。(Second Embodiment) A second embodiment of the optical gyro of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 6, 400 is an optical gyro, and 401, 402,
Reference numerals 403 are ring resonator type semiconductor lasers having respectively different oscillation threshold current differences between clockwise and counterclockwise laser lights, and constant current sources for outputting current values I a , I b , and I c , respectively. Driven by 404, 405, 406. Reference numeral 407 is a switch, 408 is an amplifier, 409 is a frequency (f) -voltage (V) conversion circuit, and 410 is a signal processing circuit.
【0053】光ジャイロ400は、リング共振器型半導
体レーザが3つになった以外は、第1の実施形態と同様
の構造である。リング共振器型半導体レーザ401、4
02、403の順に、時計回りと反時計回りのレーザ光
の発振しきい値電流差がより大きくなるようにテーパ部
が設計されている。The optical gyro 400 has the same structure as that of the first embodiment except that the number of ring resonator type semiconductor lasers is three. Ring resonator type semiconductor lasers 401, 4
The taper portion is designed so that the oscillation threshold current difference between the clockwise and counterclockwise laser light becomes larger in the order of 02 and 403.
【0054】リング共振器型半導体レーザ401または
402、403から出力される端子間電圧変動周波数信
号はアンプ408によって限られた帯域内で増幅され、
f−V変換回路409によってビート信号の周波数に応
じた電圧を取り出し、信号処理回路410によって、入
力された電圧にしたがい角速度を算出する。The inter-terminal voltage fluctuation frequency signal output from the ring resonator type semiconductor laser 401 or 402, 403 is amplified by the amplifier 408 within a limited band,
The f-V conversion circuit 409 extracts a voltage corresponding to the frequency of the beat signal, and the signal processing circuit 410 calculates an angular velocity according to the input voltage.
【0055】リング共振器型半導体レーザに与えられ
る、時計回りと反時計回りのレーザ光の発振しきい値電
流差は、リング共振器型半導体レーザ401、402、
403の順に大きく、注入電流はIa、Ib、Icの順に
大きく、第1の実施形態と同様に、すべて、測定角速度
範囲に対応するビート周波数範囲が測定帯域内にあるよ
うに、注入電流Ia、Ib、Ic が定められている。The difference between the oscillation threshold currents of the clockwise and counterclockwise laser light given to the ring resonator type semiconductor laser is the ring resonator type semiconductor lasers 401, 402,
403 in order, and the injection current increases in order of I a , I b , and I c , and as in the first embodiment, injection is performed so that the beat frequency range corresponding to the measurement angular velocity range is within the measurement band. The currents I a , I b and I c are defined.
【0056】それぞれのリング共振器型半導体レーザの
ビート信号のスペクトル線幅は、リング共振器型半導体
レーザ401、402、403の順に狭く、一方、消費
電力は401、402、403の順に大きい。この実施
形態によると、測定状況に応じて3段階に、測定精度を
切り替えることが可能である。The spectral line width of the beat signal of each ring resonator type semiconductor laser is narrow in the order of the ring resonator type semiconductor lasers 401, 402 and 403, while the power consumption is large in the order of 401, 402 and 403. According to this embodiment, it is possible to switch the measurement accuracy in three stages according to the measurement situation.
【0057】[0057]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定帯域を狭域に保ったままで、物体(特に車両)の運
動状況に応じて、適宜、測定精度及び消費電力を切り替
えることができる。As described above, according to the present invention,
The measurement accuracy and power consumption can be appropriately switched according to the motion state of the object (particularly the vehicle) while keeping the measurement band in a narrow range.
【0058】また、測定帯域にDC近傍を含ませないこ
とにより、測定からロックインの効果を取り除くことが
できる。Further, the effect of lock-in can be removed from the measurement by not including DC near the measurement band.
【0059】こうして、測定帯域が狭く抑えられること
により、測定帯域幅に比例して増加するノイズの影響を
小さくし、かつ、検出器の帯域の高域化を防ぐことによ
り、低コスト化を実現することができる。In this way, by suppressing the measurement band to be narrow, the influence of noise that increases in proportion to the measurement band width is reduced, and the high band of the detector is prevented, so that the cost is reduced. can do.
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる光ジャイロを
説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an optical gyro according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施形態に係わる光ジャイロの
駆動系、信号処理系を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a drive system and a signal processing system of the optical gyro according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の実施形態に係わる光ジャイロを
構成する2つのリング共振器型半導体レーザ内の時計回
りのレーザ光と反時計回りのレーザ光のI−L特性を説
明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining IL characteristics of clockwise laser light and counterclockwise laser light in two ring resonator type semiconductor lasers constituting the optical gyro according to the first embodiment of the present invention. Is.
【図4】本発明の第1の実施形態に係わる光ジャイロを
構成する一方のリング共振器型半導体レーザの、角速度
に対するビート信号周波数の関数を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a function of a beat signal frequency with respect to an angular velocity of one of the ring resonator type semiconductor lasers constituting the optical gyro according to the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第1の実施形態に係わる光ジャイロを
構成する他のリング共振器型半導体レーザの、角速度に
対するビート信号周波数の関数を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a function of a beat signal frequency with respect to an angular velocity of another ring resonator type semiconductor laser which constitutes the optical gyro according to the first embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第2の実施形態に係わる光ジャイロの
駆動系、信号処理系を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an optical gyro drive system and a signal processing system according to a second embodiment of the present invention.
【図7】従来のリング共振器型半導体レーザジャイロを
説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a conventional ring resonator type semiconductor laser gyro.
10 光ジャイロ 11 リング共振器型半導体レーザ 12 リング共振器型半導体レーザ 13 テーパ部 14 テーパ部 15 反時計回りのレーザ光 16 時計回りのレーザ光 101 n−電極 102 n−InP基板 103 InGaAsP光ガイド層 104 InGaAsP活性層 105 InGaAsP光ガイド層 106 p−InPクラッド層 107 p−InGaAsPキャップ層 108 p−電極 201 電流Iaを出力する定電流源 202 電流Ibを出力する定電流源 203 スイッチ 204 アンプ 205 コンパレータ 206 カウンタ 207 信号処理回路 401 リング共振器型半導体レーザ 402 リング共振器型半導体レーザ 403 リング共振器型半導体レーザ 404 電流Iaを出力する定電流源 405 電流Ibを出力する定電流源 406 電流Icを出力する定電流源 407 スイッチ 408 アンプ 409 f−V変換回路 410 信号処理回路 501 抵抗 502 電源 503 コンデンサ 504 出力端子 505 リング共振器型半導体レーザ 506 電極 507 電極 508 絶縁層 509 p型GaAs層 510 p型AlXGa1-XAs層 511 n型AlXGa1-XAs層[導波路] 512 n型AlXGa1-XAs層 513 n型GaAs層10 Optical Gyro 11 Ring Resonator Type Semiconductor Laser 12 Ring Resonator Type Semiconductor Laser 13 Tapered Part 14 Tapered Part 15 Counterclockwise Laser Light 16 Clockwise Laser Light 101 n-Electrode 102 n-InP Substrate 103 InGaAsP Light Guide Layer 104 InGaAsP active layer 105 InGaAsP optical guide layer 106 p-InP clad layer 107 p-InGaAsP cap layer 108 p-electrode 201 Constant current source 202 that outputs the current I a 203 Constant current source 203 that outputs the current I b 203 Switch 204 Amplifier 205 comparator 206 counter 207 signal processing circuit 401 ring resonator type semiconductor laser 402 ring resonator type semiconductor laser 403 ring resonator type semiconductor laser 404 current outputs the I a and outputs a constant current source 405 current I b the constant current source 406 current I Constant current source 407 that outputs c Switch 408 Amplifier 409 f-V conversion circuit 410 Signal processing circuit 501 Resistor 502 Power supply 503 Capacitor 504 Output terminal 505 Ring resonator type semiconductor laser 506 Electrode 507 Electrode 508 Insulating layer 509 p-type GaAs layer 510 p-type Al X Ga 1-X As layer 511 n-type Al X Ga 1-X As layer [waveguide] 512 n-type Al X Ga 1-X As layer 513 n-type GaAs layer
Claims (5)
向と、該一進行方向と反対のレーザ光の進行方向とで非
対称なテーパ部を有する、複数のリング状共振器型半導
体レーザを有し、 該複数のリング状共振器型半導体レーザはそれぞれ傾き
の異なる前記テーパ部を有する光ジャイロ。1. A plurality of ring resonator type semiconductor lasers, each of which has, in a part of an optical waveguide, a taper portion which is asymmetrical in one traveling direction of laser light and in a traveling direction of laser light opposite to the one traveling direction. An optical gyro having a plurality of ring resonator type semiconductor lasers, each of which has the taper portion having a different inclination.
反対の進行方向のレーザ光との発振しきい値電流差が異
なる複数のリング共振器型半導体レーザを有する光ジャ
イロの駆動方法であって、それぞれのリング共振器型半
導体レーザに対応した電流を注入する光ジャイロの駆動
方法。2. A method of driving an optical gyro having a plurality of ring resonator type semiconductor lasers having different oscillation threshold current differences between a laser beam in one traveling direction and a laser beam in a traveling direction opposite to the one traveling direction. There is a method of driving an optical gyro that injects a current corresponding to each ring resonator type semiconductor laser.
導体レーザのそれぞれから出力されるビート信号が、測
定帯域内に入るように、定められていることを特徴とす
る、請求項2に記載の光ジャイロの駆動方法。3. The value of the current is set so that a beat signal output from each of the ring resonator type semiconductor lasers is within a measurement band. A method for driving the described optical gyro.
から出力されるビート信号のスペクトル線幅は、互いに
異なっていることを特徴とする、請求項2に記載の光ジ
ャイロの駆動方法。4. The method of driving an optical gyro according to claim 2, wherein the spectral line widths of beat signals output from the plurality of ring resonator type semiconductor lasers are different from each other.
ザは、光導波路の一部に、レーザ光の一進行方向と、該
一進行方向と反対のレーザ光の進行方向とで非対称なテ
ーパ部を有し、該複数のリング状共振器型半導体レーザ
はそれぞれ傾きの異なる前記テーパ部を有する、請求項
2に記載の光ジャイロの駆動方法。5. The plurality of ring-shaped resonator type semiconductor lasers have a tapered portion in a part of an optical waveguide, which is asymmetrical in one traveling direction of laser light and in a traveling direction of laser light opposite to the one traveling direction. 3. The method for driving an optical gyro according to claim 2, wherein the plurality of ring resonator type semiconductor lasers have the tapered portions having different inclinations.
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JP2001226197A JP2003042769A (en) | 2001-07-26 | 2001-07-26 | Optical gyro and driving method therefor |
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