JP2006319104A - Semiconductor ring laser apparatus - Google Patents

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実 滝沢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ring laser apparatus wherein its smaller size, longer life-time, lower consumption power, and lower cost than conventional ones are intended, and its stable oscillation is realized by providing the apparatus wherein, as the laser luminous medium present in its ring resonator, no conventional external exciting light source and no conventional optical focusing lens system are required in addition to the miscellaneous advantages of a conventional SRL. <P>SOLUTION: With respect to the semiconductor ring laser apparatus, a semiconductor laser element having antireflection films applied to both its end surfaces is disposed in the optical path of a ring resonator constituted on a single substrate, and there is adopted the constitution wherein the driving power supply of the semiconductor laser element is so provided as to oscillate the laser element directly by the driving power supply. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は固体リングレーザー装置に関し、更にはそれを用いたリングレーザージャイロ、特に航空機やロケット等の姿勢制御や飛行制御システムにおける角速度・姿勢角度センサーとしての使用に適した半導体リングレーザージャイロに関する。   The present invention relates to a solid-state ring laser device, and more particularly to a ring laser gyro using the same, and more particularly to a semiconductor ring laser gyro suitable for use as an angular velocity / attitude angle sensor in attitude control and flight control systems of aircraft and rockets.

従来のリングレーザー装置はレーザー発光媒体として、He−Neガスなどを使用するガスリングレーザー装置(GRL)と固体レーザー素子を使用する固体リングレーザー装置(SRL)に大別できる。GRLは現在実用段階にあるが、装置が大型であること、真空技術が必要であること、短寿命であり、高電圧が励起に必要なため消費電力が大きい等の問題がある。これに対し、SRLは現在研究開発段階にあり、装置の小型化、長寿命化、低消費電力化、信頼性向上などが期待できる利点があるが、リング共振器内のレーザー固体素子を励起するために半導体レーザー等の励起光源や励起光を固体素子に集光させるためのレンズ系が必要となる。また励起光を吸収して生じるレーザー固体素子内の誘導放射光源の安定性は励起光の安定性に依存し、誘導放射光源の安定性はリングレーザー発振の安定性に影響を与えるなどの問題があり、装置の調整が複雑である。図5はSRLの模式図である。図中2は基盤であって、その上に2枚の全反射ミラーM1、M2と一部透過ミラー(出力ミラー)M3とで三角の閉ループ光路となるように構成されたリング共振器1と、全反射ミラーM2と一部透過ミラーM3間位置に固体レーザー素子3aと、前記三角の閉ループ光路外に固体レーザー素子の励起光源4aと、やはり前記三角の閉ループ光路外に該励起光源4aからの光を、全反射ミラーM1を介して固体レーザー素子3aに集光させる励起光集光レンズ系5が配置され、前記固体レーザー素子の励起光源4aには外部電源6から電力が供給される構成となっている。   Conventional ring laser devices can be roughly classified into a gas ring laser device (GRL) using He—Ne gas or the like as a laser emission medium and a solid ring laser device (SRL) using a solid laser element. Although GRL is currently in a practical stage, there are problems such as a large apparatus, a need for vacuum technology, a short life span, and high power consumption because high voltage is required for excitation. On the other hand, SRL is currently in the research and development stage, and has the advantages that it can be expected to reduce the size of the device, extend its service life, reduce power consumption, improve reliability, etc., but it excites the laser solid state element in the ring resonator. Therefore, an excitation light source such as a semiconductor laser or a lens system for condensing the excitation light on the solid element is required. In addition, the stability of the stimulated emission light source in the laser solid state element generated by absorbing the excitation light depends on the stability of the excitation light, and the stability of the induced emission light source affects the stability of the ring laser oscillation. Yes, the adjustment of the device is complicated. FIG. 5 is a schematic diagram of the SRL. In the figure, reference numeral 2 denotes a base, on which a ring resonator 1 constituted by two total reflection mirrors M1, M2 and a partial transmission mirror (output mirror) M3 to form a triangular closed loop optical path; The solid laser element 3a is located between the total reflection mirror M2 and the partial transmission mirror M3, the excitation light source 4a of the solid laser element is outside the triangular closed loop optical path, and the light from the excitation light source 4a is also outside the triangular closed loop optical path. The excitation light condensing lens system 5 for condensing the light on the solid laser element 3a via the total reflection mirror M1 is disposed, and power is supplied from an external power source 6 to the excitation light source 4a of the solid laser element. ing.

そのため、従来のリングレーザー装置では、固体レーザー素子に集光させる励起光集光レンズ系を配置することが必要であり、装置が大型化してしまう問題の他、長寿命化、低消費電力化、高信頼性化、コスト低減化などの実現が難しい。また、励起光を吸収して生じるレーザー固体素子内の誘導放射光源の安定性は励起光の安定性に依存し、誘導放射光源の安定性はリングレーザー発振の安定性に影響を与えるなどの問題があり、装置の調整が複雑である。
なお、従来のリングレーザー装置には上記したような3個以上の鏡面で共振器を構成するものの他、光ファイバーと光分岐器とで構成するもの(特許文献1参照)や光導波路と反射面で構成するもの(特許文献2参照)などがある。
Therefore, in the conventional ring laser device, it is necessary to arrange an excitation light condensing lens system for condensing on the solid laser element, and in addition to the problem that the device becomes large, the lifespan, low power consumption, Realization of high reliability and cost reduction is difficult. In addition, the stability of the stimulated emission light source in the laser solid element generated by absorbing the excitation light depends on the stability of the excitation light, and the stability of the induced emission light source affects the stability of the ring laser oscillation. And adjustment of the apparatus is complicated.
In addition, the conventional ring laser device includes a resonator composed of three or more mirror surfaces as described above, a device composed of an optical fiber and an optical splitter (see Patent Document 1), an optical waveguide and a reflective surface. There is a component (see Patent Document 2).

従来のリングレーザージャイロについては前述したリングレーザー装置の問題と同様の問題がそのまま持ち込まれる。すなわち、光励起リングレーザージャイロ(SRLG)は現在研究開発段階にあり、装置の小型化、長寿命化、低消費電力化、信頼性向上などの利点があるが、リング共振器内のレーザー固体素子を励起するために半導体レーザーや発光ダーオード等の外部光源が必要である。図6は本発明者らが提示した特許文献3の「光励起リングレーザージャイロ」の模式図である。角速度検出部のレーザー発振効率を高めると共に小型化ができ、且つ厳しい電磁干渉環境下に設置しても、電磁干渉を全く受けず、耐電磁干渉処置を必要としない耐電磁干渉性にすぐれた光励起リングレーザージャイロを得ることを目的としたもので、図中のAは基盤2上にリング共振器1と光学式角速度情報読取装置7が配置された角速度検出部であり、Bは励起光源/信号処理部を構成する光学系、そしてCは励起光源部10と信号処理部11を備えた光励起エネルギー/光信号伝送部である。リング共振器1は一部透過ミラーM1、全反射ミラーM2、M3とからなり、そのミラーM3は固体レーザー素子自身にリング共振器1におけるミラー機能をもたせるようにしたものである。光学式角速度情報読取装置7は全反射ミラーM4、M5と光線干渉器BSとで構成されている。角速度検出部Aと光励起エネルギー/光信号伝送部Cを純光学部品で構成し、角速度検出部Aを電気系で構成される励起光源/信号処理部Bと、光ファイバーを介して接続することにより、電気的に分離したものである。しかし、リング共振器1内のレーザー固体素子を励起するために、レンズ系FLが、励起光源部10から光ファイバーを介して伝送される励起光を全反射ミラー/固体レーザー素子M3に集光させるように構成され、前述のリングレーザー装置と同様に、電源6によって駆動される半導体レーザーや発光ダーオード等の外部励起光源10が必要であり、装置が複雑となる。また固体リングレーザー発振の安定性は固体素子を励起する外部光源の安定性や固体レーザー素子内に生じる誘導放射光源の安定性に依存し、固体リングレーザージャイロの出力性能に影響を与えるなどの問題があった。
特開平6−249750号公報 「光パルス試験器」 平成6年9月9日公開 特開2002−350523号公報 「半導体リングレーザーを用いた磁界検出装置」 平成14年12月4日公開 特開2000−275048号公報 「光励起リングレーザージャイロ」 平成12年10月6日公開
The conventional ring laser gyro has the same problems as those of the ring laser apparatus described above. In other words, the optically pumped ring laser gyro (SRLG) is currently in the research and development stage and has advantages such as downsizing of the device, longer life, lower power consumption and improved reliability. In order to excite, an external light source such as a semiconductor laser or a light emitting diode is required. FIG. 6 is a schematic diagram of an “optically pumped ring laser gyro” disclosed in Patent Document 3 proposed by the present inventors. The laser excitation efficiency of the angular velocity detector can be increased, the size can be reduced, and even when installed in a harsh electromagnetic interference environment, it does not receive any electromagnetic interference and does not require electromagnetic interference treatment. The purpose is to obtain a ring laser gyro. In the figure, A is an angular velocity detector in which the ring resonator 1 and the optical angular velocity information reader 7 are arranged on the substrate 2, and B is an excitation light source / signal. An optical system constituting the processing unit, and C, an optical excitation energy / optical signal transmission unit including the excitation light source unit 10 and the signal processing unit 11. The ring resonator 1 includes a partially transmissive mirror M1 and total reflection mirrors M2 and M3. The mirror M3 is provided so that the solid laser element itself has a mirror function in the ring resonator 1. The optical angular velocity information reading device 7 includes total reflection mirrors M4 and M5 and a light beam interferometer BS. By configuring the angular velocity detection unit A and the optical excitation energy / optical signal transmission unit C with pure optical components, and connecting the angular velocity detection unit A with an excitation light source / signal processing unit B configured with an electric system via an optical fiber, It is electrically separated. However, in order to excite the laser solid state element in the ring resonator 1, the lens system FL causes the excitation light transmitted from the excitation light source unit 10 via the optical fiber to be condensed on the total reflection mirror / solid state laser element M3. Like the above-described ring laser device, an external excitation light source 10 such as a semiconductor laser or a light emitting diode driven by a power source 6 is required, and the device becomes complicated. In addition, the stability of the solid ring laser oscillation depends on the stability of the external light source that excites the solid element and the stability of the stimulated emission light source generated in the solid laser element, and this affects the output performance of the solid ring laser gyro. was there.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-249750 “Optical Pulse Tester” published on September 9, 1994 JP 2002-350523 A "Magnetic Field Detection Device Using Semiconductor Ring Laser" Published on December 4, 2002 JP 2000-275048 “Optically Pumped Ring Laser Gyro” Published October 6, 2000

本発明は上記したSRLの有する諸利点に加え、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の外部励起光源や集光レンズ系を必要としない装置を提供することにより、装置の更なる小型化、長寿命化、低消費電力化、コスト低減化などを図ると共に、安定発振を実現するリングレーザー装置を提供することにある。
また、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の外部励起光の集光レンズ系を必要としない装置を提供することにより、装置の更なる小型化、長寿命化、低消費電力化、コスト低減化などを図り、かつ安定発振を実現してリングレーザージャイロ装置としての安定性を高めることにある。
In addition to the advantages of the SRL described above, the present invention provides a device that does not require a conventional external excitation light source or a condensing lens system as a laser emission medium in the ring resonator, thereby further reducing the size of the device. Another object of the present invention is to provide a ring laser device that achieves stable oscillation while extending life, reducing power consumption, reducing costs, and the like.
In addition, by providing a device that does not require a conventional condensing lens system for external excitation light as a laser emitting medium in the ring resonator, further downsizing, extending the life, reducing power consumption, and cost of the device The aim is to improve the stability of the ring laser gyro device by reducing the frequency and realizing stable oscillation.

本発明の半導体リングレーザー装置は、2枚以上の全反射ミラーと一部透過ミラーにより、一つの基盤上で構成するリング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにした。
また、本発明の他の半導体リングレーザー装置は、リング共振器を光ファイバーと光分岐器で構成すると共に、リング共振器内に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置し、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにした。
In the semiconductor ring laser device of the present invention, a semiconductor laser element having antireflection films on both end faces is disposed in a ring resonator formed on one base by two or more total reflection mirrors and a partial transmission mirror. In addition, a driving power source for the semiconductor laser element is provided.
According to another semiconductor ring laser device of the present invention, the ring resonator is composed of an optical fiber and an optical branching device, and a semiconductor laser element having antireflection films on both end faces is disposed in the ring resonator. An element driving power source is provided.

本発明の半導体リングレーザージャイロは、リング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備えた前記半導体リングレーザー装置と、その半導体リングレーザー装置から出力される光信号から角速度情報を取り出す光学式角速度情報取り出し装置とで角速度検出部を構成し、リングレーザーのサニャック効果を利用して角速度を検出するようにした。
本発明の半導体リングレーザージャイロにおける光学式角速度情報取り出し装置は、2枚の全反射ミラー、2つの直線偏向素子(λ/2素子、λ:波長)、直線偏向光線結合器、非偏向光線分岐器及び2つの光位相切り出し器(λ/4素子)から構成されるようにした。
本発明の半導体リングレーザージャイロは、角速度検出部の他に、光信号伝送器(2本のコネクタ付き光ファイバーコード)と光/電気信号処理器(2つの光/電気変換器と2つの周波数カウンター及び加減算器)から構成する信号処理部及び半導体レーザー駆動電源から構成されるようにした。
また、本発明の半導体リングレーザージャイロの角速度検出部は、前記構成部品を一つの基盤上で組付けて構成するようにした。
The semiconductor ring laser gyro of the present invention includes a semiconductor ring laser device including a semiconductor laser element having antireflection films on both end faces in a ring resonator, and an angular velocity from an optical signal output from the semiconductor ring laser device. An angular velocity detection unit is configured with an optical angular velocity information extraction device that extracts information, and the angular velocity is detected using the Sagnac effect of a ring laser.
The optical angular velocity information extraction device in the semiconductor ring laser gyro of the present invention includes two total reflection mirrors, two linear deflection elements (λ / 2 elements, λ: wavelength), a linear deflection beam combiner, and a non-deflection beam splitter. And two optical phase extractors (λ / 4 elements).
In addition to the angular velocity detector, the semiconductor ring laser gyro of the present invention includes an optical signal transmitter (optical fiber cord with two connectors) and an optical / electrical signal processor (two optical / electrical converters, two frequency counters and The signal processing unit is composed of an adder / subtractor) and a semiconductor laser driving power source.
In addition, the angular velocity detector of the semiconductor ring laser gyro according to the present invention is configured by assembling the above-described components on a single substrate.

本発明の半導体リングレーザー装置は、リング共振器内のレーザー発光媒体として従来の固体レーザー素子に換え両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用することにより、前記固体リングレーザーでは必要である外部励起光源と励起光集光レンズ系を省略することが可能となって、リングレーザー装置の更なる小型・軽量化・低消費電力化、材料費の低コスト化などを図ることが出来る。また、ソリッドステート(全固体形態)に製作でき、真空技術が不要なため、信頼性が高められ、寿命の面でも長期化が図られる。
また、リング共振器内の両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子を直接駆動することにより、安定した誘導放射光源を作り、リングレーザーの安定発振が得られる。
The semiconductor ring laser device of the present invention is necessary for the solid ring laser by using a semiconductor laser element having a high antireflection film on both end faces instead of a conventional solid laser element as a laser emitting medium in a ring resonator. It is possible to omit the external excitation light source and the excitation light condensing lens system, which can further reduce the size, weight, power consumption, and material costs of the ring laser device. . In addition, since it can be manufactured in a solid state (all solid form) and no vacuum technology is required, the reliability is improved and the life is extended.
In addition, by directly driving the semiconductor laser element with the high antireflection film on both ends in the ring resonator, a stable stimulated emission light source can be produced and stable oscillation of the ring laser can be obtained.

本発明の半導体リングレーザージャイロは、リング共振器内のレーザー発光媒体として両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用し、前記固体リングレーザーでは必要である外部光源を省略することにより、ジャイロの更なる小型・軽量化、低消費電力化、材料費の低コスト化などを図ることが出来、航空機等に使用されるジャイロとして大きなメリットがある。また、ソリッドステートに製作でき、真空技術が不要なため、信頼性が高められ、寿命の面でも長期化が図られる。
また、リング共振器内の両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子を直接駆動することにより、安定した誘導放射光源とし、リングレーザーの安定発振を実現して安定した動作のリングレーザージャイロが得られる。
The semiconductor ring laser gyro of the present invention uses a semiconductor laser element having antireflection films on both end faces as a laser emission medium in a ring resonator, and omits an external light source necessary for the solid ring laser, The gyro can be further reduced in size and weight, reduced in power consumption, reduced in material cost, and has great advantages as a gyro used in aircraft and the like. In addition, since it can be manufactured in a solid state and no vacuum technology is required, the reliability is improved and the life is extended.
In addition, by directly driving a semiconductor laser element with a high antireflection film at both ends in the ring resonator, a stable stimulated emission light source can be obtained, and a stable operation of the ring laser can be achieved by realizing a stable oscillation of the ring laser. .

本発明の半導体リングレーザー装置は、SRLの基本構成において、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の固体レーザー素子の代わりに、両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用することにより、外部励起光の集光レンズ系を必要としない装置を提供するようにしたことに基本思想がある。
本発明は、上記課題を解決するための1つの形態として、3個以上の高反射ミラーで構成するリング共振器内に、両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備え、半導体素子を電気的に動作させることにより、その両端面から自然光を出力させ、片方の端面から出た光がリング共振器内を周回し他方の端面から半導体素子に入り、その発光部を通過することにより、誘導放射を得るものであり、また逆方向に周回する光も同様に誘導放射を得る半導体リングレーザー装置を構成する。図1に示すものは2個の全反射ミラーM1、M2と1個の一部透過ミラー(出力ミラー)M3とでリング共振器1を構成し、両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子3を前記2個の全反射ミラーM1、M2間の光路内に配置する。これらの構成要素はすべて基盤2の上に固定して設置され、半導体レーザー素子駆動電源8は基盤2外に設置する構成を採っている。リング共振器1内を伝播する光は時計方向周りCWと反時計方向周りの光CCWが存在し、これらの光は一部透過ミラーM3に至って反射すると共に一部が透過しリング共振器1外へ出射される。
The semiconductor ring laser device of the present invention uses a semiconductor laser element having a high antireflection film on both end faces instead of a conventional solid-state laser element as a laser emission medium in the ring resonator in the basic configuration of the SRL. Thus, the basic idea is to provide an apparatus that does not require a condensing lens system for external excitation light.
As one form for solving the above-described problems, the present invention includes a semiconductor laser element having a high antireflection film on both end faces in a ring resonator composed of three or more high reflection mirrors. By electrically operating the light, natural light is output from both end faces, and light emitted from one end face circulates in the ring resonator, enters the semiconductor element from the other end face, and passes through the light emitting portion. The semiconductor ring laser device that obtains the stimulated emission, and the light that circulates in the opposite direction similarly obtains the stimulated radiation. In FIG. 1, two total reflection mirrors M1 and M2 and one partial transmission mirror (output mirror) M3 constitute a ring resonator 1, and a semiconductor laser element 3 with a high antireflection film on both ends is formed. Arranged in the optical path between the two total reflection mirrors M1 and M2. All of these components are fixedly installed on the base 2 and the semiconductor laser element driving power source 8 is installed outside the base 2. The light propagating in the ring resonator 1 includes the clockwise CW and the counterclockwise light CCW. These lights are partially reflected by the transmission mirror M3 and partially transmitted to be transmitted outside the ring resonator 1. Is emitted.

図2に本発明による半導体リングレーザー装置の他の一実施形態例として8字型半導体リングレーザー装置を示す。本実施形態の半導体レーザー装置は3枚の全反射率ミラーM1、M2、M4及び一部透過ミラー(出力ミラー)M3から8字型光路を描く8字型リング共振器1を基盤2上で構成し、その内部に両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子3を配置して、その発光軸を共振器1の光路軸に一致させ、半導体レーザー素子3を駆動電源8により作動させれば、半導体レーザー素子の左側から放出される光はリング共振器1内を右周り(CW)に周回し、右側端面に戻り、その端面から半導体レーザー素子内に入り、発光部を通過することにより発振しCWの誘導放射光(CWレーザー光)はM3を介して外部へ取り出される。同様に、右端面から放出された光は左周り(CCW)にリング共振器内を周回し、左側端面から半導体レーザー素子に入り、発光部を通過することにより発振し、CCWの誘導放射光(CCWレーザー光)もM3を介して外部へ取り出される。   FIG. 2 shows an 8-shaped semiconductor ring laser device as another embodiment of the semiconductor ring laser device according to the present invention. The semiconductor laser device according to the present embodiment includes an 8-shaped ring resonator 1 on the substrate 2 that draws an 8-shaped optical path from three total reflectance mirrors M1, M2, M4 and a partially transmitting mirror (output mirror) M3. The semiconductor laser element 3 having a high antireflection film on both end faces is disposed inside thereof, the light emission axis thereof is made to coincide with the optical path axis of the resonator 1, and the semiconductor laser element 3 is operated by the drive power source 8. For example, light emitted from the left side of the semiconductor laser element circulates in the clockwise direction (CW) in the ring resonator 1, returns to the right end face, enters the semiconductor laser element from the end face, and passes through the light emitting portion. Oscillated CW induced radiation (CW laser light) is extracted to the outside via M3. Similarly, light emitted from the right end face circulates in the ring resonator in the counterclockwise direction (CCW), enters the semiconductor laser element from the left end face, oscillates by passing through the light emitting unit, and induces CCW induced radiation ( CCW laser light) is also taken out through M3.

本発明による半導体リングレーザー装置は、図3に模式図で示すように、全反射率ミラーM1、M2及び一部透過ミラー(出力ミラー)M3からリング共振器1を基盤2上で構成し、その内部に両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子(LD)3を配置して、その発光軸を共振器内の光路軸に一致させる。この半導体レーザー素子3を駆動させる電源8が備えられ、半導体リングレーザー装置12が構成される。半導体レーザー素子駆動電源8をONして作動させれば、半導体レーザー素子3の左側から放出される光はリング共振器1内を時計方向周り(CW)に周回し、右側端面から半導体レーザー素子3内に入り、発光部を通過することにより共振し、CW光の誘導放射(CWレーザー光)は一部透過ミラーM3を介してリング共振器1外へ取り出される。同様に、右端面から放出された光は反時計方向周り(CCW)にリング共振器1内を周回し、左側端面から半導体レーザー素子に入り、発光部を通過することにより共振し、CCW光の誘導放射(CCWレーザー光)は一部透過ミラーM3を介して取り出される。サニャック効果を生じている2つの光信号は光学式角速度情報取出し装置7を経て信号処理部11で電子的に処理されて2つの光信号の周波数差Δfを出力する。このΔfは角速度Ωに比例した量である。   As shown schematically in FIG. 3, the semiconductor ring laser device according to the present invention comprises a ring resonator 1 on a substrate 2 composed of total reflectance mirrors M1, M2 and a partial transmission mirror (output mirror) M3. Inside, a semiconductor laser element (LD) 3 having a high antireflection film on both end faces is arranged, and its emission axis is made to coincide with the optical path axis in the resonator. A power supply 8 for driving the semiconductor laser element 3 is provided, and a semiconductor ring laser device 12 is configured. When the semiconductor laser element drive power supply 8 is turned on and operated, the light emitted from the left side of the semiconductor laser element 3 circulates in the clockwise direction (CW) in the ring resonator 1 and the semiconductor laser element 3 from the right end face. Resonating by entering inside and passing through the light emitting part, the CW light induced radiation (CW laser light) is extracted out of the ring resonator 1 through a partially transmitting mirror M3. Similarly, the light emitted from the right end face circulates in the ring resonator 1 counterclockwise (CCW), enters the semiconductor laser element from the left end face, resonates by passing through the light emitting part, and receives the CCW light. Stimulated radiation (CCW laser light) is extracted through a partially transmitting mirror M3. The two optical signals causing the Sagnac effect are electronically processed by the signal processing unit 11 via the optical angular velocity information extracting device 7 to output a frequency difference Δf between the two optical signals. This Δf is an amount proportional to the angular velocity Ω.

図4に本発明の半導体リングレーザー装置を採用した1軸型半導体リングレーザージャイロの実施例を示す。本実施形態のジャイロは角速度検出部A、信号処理部11及び半導体レーザー素子駆動電源8から構成されている。角速度検出部Aは、半導体リングレーザー装置12と光学式角速度情報取り出し措置7から構成される。半導体リングレーザー装置12は全反射率ミラーM1、M2及び一部透過ミラー(出力ミラー)M3とからリング共振器1を構成し、その内部に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子3を配置して構成し、半導体レーザー素子3を前記駆動電源8により作動させれば、リングレーザー発振を実現できる。
光学式角速度情報取り出し装置7は、2枚の全反射ミラーM4、M5、2つの直線偏向素子(λ/2素子、λ:波長)P1、P2、直線偏向光線結合器PBS、非偏向光線分岐器NBS及び2つの光位相切り出し器(λ/4素子)PC1、PC2とから構成されている。その機能は半導体リングレーザー装置の出力:CW光、CCW光をそれぞれM4、M5で光軸を変更し、2つの直線偏向素子(λ/2素子)により、それぞれ直線偏向光線p波及びs波にし、それらを直線偏向光線結合器PBSによりCCW光の電気ベクトルが紙面に垂直方向の直線偏向光線であるp波と、CW光の電気ベクトルが紙面に平行方向の直線偏向光線であるs波の光線を合成し、さらにその合成光線を非偏向光線分岐器NBSにより二分し、それらをそれぞれ光位相切り出し器(λ/4素子)PC1とPC2により相対位相が90度になるように処理し、リングレーザーのサニャック効果による入力角速度に比例した角速度情報を含む光信号N1,N2を出力する。この光信号N1は光学式角速度情報取出し装置から出力される、p波の位相に対して45度異なる合成波の光パルス信号(△fに相当)であり、光信号N2は光学式角速度情報取出し装置から出力される、p波の位相に対して135度異なる合成波の光パルス信号である。N1−N2は>0または<0によって角速度の極性すなわち、回転方向を示す。
FIG. 4 shows an embodiment of a uniaxial semiconductor ring laser gyro employing the semiconductor ring laser device of the present invention. The gyro according to the present embodiment includes an angular velocity detection unit A, a signal processing unit 11 and a semiconductor laser element driving power source 8. The angular velocity detection unit A includes a semiconductor ring laser device 12 and an optical angular velocity information extraction measure 7. The semiconductor ring laser device 12 comprises a ring resonator 1 composed of total reflectance mirrors M1 and M2 and a partial transmission mirror (output mirror) M3, and a semiconductor laser element 3 having antireflection films applied to both end faces therein. If the semiconductor laser device 3 is arranged and configured and is operated by the drive power supply 8, ring laser oscillation can be realized.
The optical angular velocity information extracting device 7 includes two total reflection mirrors M4 and M5, two linear deflection elements (λ / 2 elements, λ: wavelength) P1, P2, linear deflection beam coupler PBS, and non-deflection beam splitter. It consists of NBS and two optical phase extractors (λ / 4 elements) PC1 and PC2. Its function is the output of the semiconductor ring laser device: CW light and CCW light are changed to M4 and M5, respectively, and the optical axis is changed to two linear deflection elements (λ / 2 elements) to make linearly polarized light p-wave and s-wave, respectively. The p-wave, in which the electrical vector of the CCW light is a linearly polarized light beam in the direction perpendicular to the paper surface, and the s-wave light beam, in which the electrical vector of the CW light is a linearly polarized light beam in a direction parallel to the paper surface, Then, the combined beam is bisected by the non-polarized beam splitter NBS and processed so that the relative phase is 90 degrees by the optical phase extractors (λ / 4 elements) PC1 and PC2, respectively. The optical signals N1 and N2 including angular velocity information proportional to the input angular velocity due to the Sagnac effect are output. This optical signal N1 is an optical pulse signal (corresponding to Δf) output from the optical angular velocity information extraction device, which is 45 degrees different from the phase of the p wave, and the optical signal N2 is optical angular velocity information extraction. This is an optical pulse signal of a synthesized wave that is output from the apparatus and is 135 degrees different from the phase of the p wave. N1-N2 indicates the polarity of angular velocity, that is, the direction of rotation, by> 0 or <0.

信号処理部11は、光信号伝送器13と光/電気信号処理器14から構成され、光学式角速度情報取り出し装置7の出力信号N1、N2を電気信号に変換し、加減算処理により、入力角速度に対応する角速度情報(大きさ:N1と極性:N1−N2)を出力する。光信号伝送器13は2本のコネクタ付き光ファイバーコードOFで構成し、光学式角速度情報取り出し装置7の出力信号N1、N2を、光ファイバーコードOFを介して光/電気信号処理器14に伝送する。光/電気信号処理器14は2つの光/電気変換器と2つの周波数カウンター及び加減算器から構成し、N1、N2を電気信号に変換し、加減算処理により、入力角速度に対応する角速度情報の大きさと向き情報(極性)を出力する。   The signal processing unit 11 is composed of an optical signal transmitter 13 and an optical / electrical signal processor 14, and converts the output signals N1 and N2 of the optical angular velocity information extracting device 7 into electric signals. Corresponding angular velocity information (size: N1 and polarity: N1-N2) is output. The optical signal transmitter 13 is composed of two optical fiber cords OF with connectors, and transmits the output signals N1 and N2 of the optical angular velocity information extracting device 7 to the optical / electrical signal processor 14 via the optical fiber cords OF. The optical / electrical signal processor 14 includes two optical / electrical converters, two frequency counters, and an adder / subtracter. The optical / electrical signal processor 14 converts N1 and N2 into electric signals, and adds / subtracts the magnitude of angular velocity information corresponding to the input angular velocity. And orientation information (polarity) is output.

本発明による角速度検出の原理は次式に基づくものである。
△f=(4A/Lλ)Ω
ここに、△f:半導体リングレーザー装置の出力CW光とCCW光のビート周波数(N1)
A: 図4におけるミラーM1、M2、M3によるリング共振器のリング光路が 囲む面積
L: リング光路長
λ: リングレーザー発振波長
Ω: A面の垂直軸まわりの入力角速度
したがって、本リングレーザージャイロは△fを測定することにより、Ωを求めることが出来る。
The principle of angular velocity detection according to the present invention is based on the following equation.
Δf = (4A / Lλ) Ω
Δf: Beat frequency (N1) of output CW light and CCW light of semiconductor ring laser device
A: Area surrounded by the ring optical path of the ring resonator by the mirrors M1, M2, and M3 in FIG. 4 L: Ring optical path length λ: Ring laser oscillation wavelength Ω: Input angular velocity around the vertical axis of the A plane Therefore, this ring laser gyro is Ω can be obtained by measuring Δf.

本発明の固体リングレーザー装置の模式図である。It is a schematic diagram of the solid ring laser apparatus of this invention. 本発明の8字型半導体リングレーザー装置の模式図である。It is a schematic diagram of the 8-shaped semiconductor ring laser device of the present invention. 本発明の半導体リングレーザージャイロの模式図である。It is a schematic diagram of the semiconductor ring laser gyro of the present invention. 本発明の固体リングレーザー装置の実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of the solid ring laser apparatus of this invention. 従来の固体リングレーザー装置の模式図である。It is a schematic diagram of the conventional solid ring laser apparatus. 従来の半導体リングレーザージャイロの模式図である。It is a schematic diagram of a conventional semiconductor ring laser gyro.

符号の説明Explanation of symbols

1 リング共振器 2 基盤
3 両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子 3a 固体レーザー素子
4a 固体レーザー素子の励起光源 5 励起光集光レンズ系(FL)
6 電源 7 光学式角速度情報取出し装置
8 半導体レーザー素子駆動電源 11 信号処理部
12 半導体リングレーザー装置 13 光信号伝送器
14 光/電気信号処理器 A 角速度検出部
B 励起光源/信号処理部 C 光励起エネルギー/光信号伝送部
M1,M2,M3,M4,M5 ミラー
CW 時計回りの光 CCW 反時計回りの光
OF 光ファイバ P1,P2 直線偏向器(λ/2素子)
PBS 直線偏向光線結合器 NBS 非偏向光線分岐器
BS 光線干渉器 Ω 入力角速度
PC1,PC2 光位相切り出し器(λ/4素子)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ring resonator 2 Base | substrate 3 Semiconductor laser element with both-ends high antireflection film 3a Solid-state laser element 4a Excitation light source of solid-state laser element 5 Excitation light condensing lens system (FL)
6 Power Supply 7 Optical Angular Velocity Information Extracting Device 8 Semiconductor Laser Element Drive Power Supply 11 Signal Processing Unit 12 Semiconductor Ring Laser Device 13 Optical Signal Transmitter 14 Optical / Electric Signal Processor A Angular Velocity Detection Unit B Excitation Light Source / Signal Processing Unit C Optical Excitation Energy / Optical signal transmission unit M1, M2, M3, M4, M5 Mirror CW Clockwise light CCW Counterclockwise light OF Optical fiber P1, P2 Linear deflector (λ / 2 element)
PBS Linear polarization beam combiner NBS Non-polarization beam splitter BS Beam interferometer Ω Input angular velocity PC1, PC2 Optical phase extractor (λ / 4 element)

Claims (6)

2枚以上の全反射ミラーと一部透過ミラーにより、一つの基盤上で構成するリング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えた半導体リングレーザー装置。   A semiconductor laser element having antireflection films on both end faces is disposed in a ring resonator formed on one base by two or more total reflection mirrors and a partial transmission mirror, and a driving power source for the semiconductor laser element Semiconductor ring laser device with リング共振器を光ファイバーと光分岐器で構成すると共に、リング共振器内に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置し、半導体レーザー素子の駆動電源を備えた半導体リングレーザー装置。   A semiconductor ring laser device comprising a ring resonator composed of an optical fiber and an optical branching device, a semiconductor laser element having antireflection films applied to both end faces in the ring resonator, and a driving power source for the semiconductor laser element. リング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備えた半導体リングレーザー装置と、その半導体リングレーザー装置から出力される光信号から角速度情報を取り出す光学式角速度情報取出し装置とで角速度検出部を構成し、リングレーザーのサニャック効果を利用して角速度の大きさと極性を検出することを特徴とする半導体リングレーザージャイロ。   A semiconductor ring laser device including a semiconductor laser element having antireflection films on both end faces in a ring resonator, and an optical angular velocity information extraction device that extracts angular velocity information from an optical signal output from the semiconductor ring laser device; A semiconductor ring laser gyro that comprises an angular velocity detector and detects the magnitude and polarity of the angular velocity using the Sagnac effect of the ring laser. 前記光学式角速度情報取り出し装置は、2つの直線偏光素子(λ/2素子)、直線偏向光線結合器、非偏向光線分岐器及び2つの光位相切り出し器(λ/4素子)とを備えたものであって、半導体リングレーザー装置の出力であるCW光、CCW光を前記2つの直線偏向素子により、それぞれ直線偏光光線p波及びs波にし、それらを前記直線偏向光線結合器によりp波とs波の光に合成し、さらにその合成光線を前記非偏向光線分岐器により二分し、それらをそれぞれ前記光位相切り出し器により、相対位相が90度になるように処理し、リングレーザーのサニャック効果による入力角速度に比例した角速度情報を含む光信号を出力する請求項3に記載の半導体リングレーザージャイロ。    The optical angular velocity information extraction device includes two linearly polarizing elements (λ / 2 elements), a linearly deflected beam coupler, a non-deflected beam splitter, and two optical phase extractors (λ / 4 elements). The CW light and CCW light, which are the outputs of the semiconductor ring laser device, are converted into linearly polarized light p-waves and s-waves by the two linear deflection elements, respectively, and these are converted into p-waves and s-waves by the linear deflection light beam coupler. The light is combined with the light, and the combined light is further divided into two by the unpolarized light splitter, and each of them is processed by the optical phase extractor so that the relative phase becomes 90 degrees, and by the Sagnac effect of the ring laser 4. The semiconductor ring laser gyro according to claim 3, which outputs an optical signal including angular velocity information proportional to the input angular velocity. 前記信号処理部は、光信号伝送器と光/電気信号処理器とを備えたものであって、該光/電気信号処理器において前記光学式角速度情報取出し装置の出力信号N1,N2を電気信号に変換すると共に、加減算処理により入力角速度情報の大きさと極性を出力する請求項3または4に記載の半導体リングレーザージャイロ。   The signal processing unit includes an optical signal transmitter and an optical / electrical signal processor, and the optical / electrical signal processor outputs electric signals N1 and N2 of the optical angular velocity information extracting device as electric signals. The semiconductor ring laser gyro according to claim 3 or 4, wherein the magnitude and polarity of the input angular velocity information are output by addition / subtraction processing. 角速度検出部は前記構成部品を一つの基盤上で組付けて構成する請求項3乃至5のいずれかに記載の半導体リングレーザージャイロ。   6. The semiconductor ring laser gyro according to claim 3, wherein the angular velocity detection unit is configured by assembling the component parts on a single substrate.
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JP2009036650A (en) * 2007-08-02 2009-02-19 Minebea Co Ltd Semiconductor ring laser gyro
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