JP2008102057A - Optical gyroscope and gyro system using it - Google Patents
Optical gyroscope and gyro system using it Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008102057A JP2008102057A JP2006285832A JP2006285832A JP2008102057A JP 2008102057 A JP2008102057 A JP 2008102057A JP 2006285832 A JP2006285832 A JP 2006285832A JP 2006285832 A JP2006285832 A JP 2006285832A JP 2008102057 A JP2008102057 A JP 2008102057A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser
- semiconductor
- optical
- optical fiber
- laser light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
この発明は、回転体の回転角速度を検出可能な光ジャイロおよびそれを用いたジャイロシステムに関するものである。 The present invention relates to an optical gyro capable of detecting the rotational angular velocity of a rotating body and a gyro system using the same.
ジャイロは、慣性空間に対する回転を測ることができるセンサであり、絶対回転を測定可能なセンサである。そして、このようなジャイロとして、機械式ジャイロと光ジャイロとがある。 The gyro is a sensor that can measure rotation with respect to inertial space, and is a sensor that can measure absolute rotation. As such gyros, there are mechanical gyros and optical gyros.
機械式ジャイロは、回転体の回転軸が慣性空間に対して常に一定方向を向き続ける性質を用いたジャイロである。しかし、機械式ジャイロは、保守が必要であり、高価であり、振動および加速度に弱い等の理由によって、その適用範囲は、航空機、船舶、ロケットおよび人工衛星等に制限されている。 The mechanical gyro is a gyro that uses the property that the rotating shaft of the rotating body always keeps a fixed direction with respect to the inertial space. However, mechanical gyroscopes require maintenance, are expensive, and are weak in vibration and acceleration, so that their application range is limited to aircraft, ships, rockets, artificial satellites, and the like.
これに対し、最近、サニャック効果を用いた光ジャイロが実用化されている。この光ジャイロは、時計回りの光と反時計回りの光とを光路中で伝搬させ、回転体が回転したことに起因して生じる2つの光(時計回りの光および反時計回りの光)の周波数差が回転角速度に比例することを利用したジャイロである。 On the other hand, an optical gyro using the Sagnac effect has recently been put into practical use. This optical gyro propagates clockwise light and counterclockwise light in the optical path, and generates two light (clockwise light and counterclockwise light) caused by the rotation of the rotating body. This is a gyro using the fact that the frequency difference is proportional to the rotational angular velocity.
そして、光ジャイロは、光ファイバジャイロおよびリングレーザジャイロに大別され、光ファイバジャイロには、干渉式光ファイバジャイロ、共振方式光ファイバジャイロおよびブリルアン光ファイバジャイロの3種類がある(非特許文献1)。
しかし、従来の光ジャイロにおいては、光ファイバ中を時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光との重ね合わせ光を検出しなければ、回転速度を検出できないという問題があった。 However, the conventional optical gyro has a problem that the rotational speed cannot be detected unless the superposition light of the laser light propagating clockwise in the optical fiber and the laser light propagating counterclockwise is detected. .
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを提供することである。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and its purpose is to detect the rotational speed without superimposing the laser light propagating clockwise and the laser light propagating counterclockwise. It is to provide a possible optical gyro.
また、この発明の別の目的は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを備えたジャイロシステムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a gyro system including an optical gyro capable of detecting a rotational speed without superimposing a laser beam propagating clockwise and a laser beam propagating counterclockwise. It is.
この発明によれば、光ジャイロは、リングレーザと、検出手段とを備える。リングレーザは、第1および第2のレーザ光を発振し、その発振した第1および第2のレーザ光を増幅するとともに、第1のレーザ光を時計回りに回転させ、第2のレーザ光を反時計回りに回転させる。検出手段は、リングレーザが所定の平面内で回転しているときにリングレーザ中を伝搬する第1および第2のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいてリングレーザの回転角速度を検出する。 According to the present invention, the optical gyro includes a ring laser and detection means. The ring laser oscillates the first and second laser beams, amplifies the oscillated first and second laser beams, rotates the first laser beam clockwise, and generates the second laser beam. Rotate counterclockwise. The detecting means is a ring laser based on a change frequency of the light intensity of one of the first and second laser beams propagating through the ring laser when the ring laser rotates in a predetermined plane. Detects the rotational angular velocity of.
好ましくは、リングレーザは、半導体光アンプと、導波路とを含む。半導体光アンプは、第1の端面と、第1の端面に対向する第2の端面とを有するとともに、第1および第2のレーザ光を発振して第1および第2の端面からそれぞれ第1および第2のレーザ光を出射する。導波路は、半導体光アンプから出射された第1および第2のレーザ光を伝搬させる。また、導波路は、第1の端面から出射された第1のレーザ光を時計回りに回転させて第2の端面から半導体光アンプに導くとともに、第2の端面から出射された第2のレーザ光を反時計回りに回転させて第1の端面から半導体光アンプへ導く。 Preferably, the ring laser includes a semiconductor optical amplifier and a waveguide. The semiconductor optical amplifier has a first end face and a second end face opposite to the first end face, and oscillates the first and second laser beams to cause the first and second end faces to oscillate from the first and second end faces, respectively. The second laser beam is emitted. The waveguide propagates the first and second laser beams emitted from the semiconductor optical amplifier. The waveguide rotates the first laser light emitted from the first end face clockwise to guide it to the semiconductor optical amplifier from the second end face, and also emits the second laser emitted from the second end face. The light is rotated counterclockwise and guided from the first end face to the semiconductor optical amplifier.
好ましくは、導波路は、光ファイバからなる。 Preferably, the waveguide is made of an optical fiber.
好ましくは、導波路は、第1および第2の光ファイバと、結合器とを含む。第1の光ファイバは、第1のレーザ光を時計回りに回転させ、第2のレーザ光を反時計回りに回転させる。結合器は、第1の光ファイバ中の第1および第2のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の一部を第2の光ファイバへ導く。そして、検出手段は、第2の光ファイバ中のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて、リングレーザの回転角速度を検出する。 Preferably, the waveguide includes first and second optical fibers and a coupler. The first optical fiber rotates the first laser beam clockwise, and rotates the second laser beam counterclockwise. The coupler guides a part of one of the first and second laser lights in the first optical fiber to the second optical fiber. And a detection means detects the rotation angular velocity of a ring laser based on the change frequency of the light intensity of any one laser beam in a 2nd optical fiber.
また、この発明によれば、光ジャイロは、活性化領域と、パッシブ領域と、検出手段とを備える。活性化領域は、第1および第2のレーザ光を発振するとともに、その発振した第1および第2のレーザ光を増幅する。パッシブ領域は、第1のレーザ光を時計回りに回転させ、第2のレーザ光を反時計回りに回転させる。検出手段は、活性化領域およびパッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに活性化領域からパッシブ領域中へ出射された第1および第2のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて活性化領域およびパッシブ領域の回転角速度を検出する。 According to the present invention, the optical gyro includes an activation region, a passive region, and a detection means. The activated region oscillates the first and second laser beams and amplifies the oscillated first and second laser beams. The passive region rotates the first laser light clockwise and the second laser light counterclockwise. The detection means is configured to emit either one of the first and second laser beams emitted from the activation region into the passive region when the activation region and the passive region rotate within a predetermined plane. The rotational angular velocities of the active region and the passive region are detected based on the intensity change frequency.
好ましくは、活性化領域は、半導体光アンプからなり、パッシブ領域は、半導体光アンプの両端に連結された半導体導波路からなる。 Preferably, the activation region is composed of a semiconductor optical amplifier, and the passive region is composed of a semiconductor waveguide connected to both ends of the semiconductor optical amplifier.
好ましくは、活性化領域およびパッシブ領域は、同じ半導体基板上に形成される。 Preferably, the active region and the passive region are formed on the same semiconductor substrate.
更に、この発明によれば、ジャイロシステムは、光ジャイロと、送信装置と、受信装置とを備える。光ジャイロは、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の光ジャイロである。送信装置は、検出手段によって検出された回転角速度を無線信号に変換して送信する。受信装置は、送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して回転角速度を取得する。
Furthermore, according to the present invention, the gyro system includes an optical gyro, a transmission device, and a reception device. The optical gyro is the optical gyro according to any one of
この発明による光ジャイロにおいては、レーザ光源によって発振された時計回りに伝搬する第1のレーザ光と反時計回りに伝搬する第2のレーザ光とを重ね合わせる前の第1および第2のレーザ光のいずれか一方の光強度は、第1のレーザ光と第2のレーザ光とを重ね合わせたときのビート信号の周波数によって変化する。そうすると、この第1および第2のレーザ光のいずれか一方の光強度が変化する周波数を検出すれば、ビート信号の周波数を検出したことになる。そして、第1および第2のレーザ光のいずれか一方の光強度の変化周波数と回転角速度との間には、比例関係が成り立つ。その結果、第1および第2のレーザ光のいずれか一方の光強度の変化周波数が検出されれば、その検出した変化周波数に対応する回転角速度が検出される。 In the optical gyro according to the present invention, the first and second laser beams before the first laser beam propagated clockwise by the laser light source and the second laser beam propagated counterclockwise are superimposed. The light intensity of either of these changes depending on the frequency of the beat signal when the first laser beam and the second laser beam are superimposed. Then, if the frequency at which the light intensity of one of the first and second laser beams changes is detected, the frequency of the beat signal is detected. A proportional relationship is established between the change frequency of the light intensity of one of the first and second laser beams and the rotational angular velocity. As a result, when the change frequency of the light intensity of one of the first and second laser lights is detected, the rotational angular velocity corresponding to the detected change frequency is detected.
従って、この発明によれば、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光と重ね合わせなくても回転速度を検出できる。 Therefore, according to the present invention, the rotational speed can be detected without overlapping the laser light propagating clockwise and the laser light propagating counterclockwise.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による光ジャイロの構成を示す概略図である。図1を参照して、この発明の実施の形態1による光ジャイロ10は、半導体光アンプ(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)1と、光ファイバ2,4と、結合器3と、光検出器5と、スペクトルアナライザ6と、検出器7とを備える。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical gyro according to
半導体光アンプ1は、インジウムガリウム砒素(InGaAs)からなる活性層を有する。そして、半導体光アンプ1は、例えば、1579nmの波長を有するレーザ光を発振するとともに、その発振したレーザ光を時計回りのレーザ光CWと反時計回りのレーザ光CCWとしてそれぞれ端面1A,1Bから光ファイバ2中へ出射する。また、半導体光アンプ1は、光ファイバ2中を1周したレーザ光CW,CCWを誘導放出によって増幅し、その増幅したレーザ光CW,CCWをそれぞれ端面1A,1Bから光ファイバ2へ出射する。
The semiconductor
光ファイバ2は、半導体光アンプ1の両端にループ状に連結され、例えば、3.019mの長さおよび1.448の屈折率(コアの屈折率)を有する。そして、光ファイバ2は、半導体光アンプ1の端面1Aから出射されたレーザ光CWを時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光CWを端面1Bから半導体光アンプ1中へ導くとともに、半導体光アンプ1の端面1Bから出射されたレーザ光CCWを反時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光CCWを端面1Aから半導体光アンプ1中へ導く。
The
結合器3は、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CWが99%であり、光ファイバ4中を伝搬するレーザ光CWが1%となるように、光ファイバ2を光ファイバ4と結合する。
The
光ファイバ4は、結合器3によって光ファイバ2と結合され、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CWの一部(1%)のレーザ光CWを光検出器5に導く。
The
光検出器5は、光ファイバ4中を伝搬するレーザ光CWの光強度を検出し、その検出した光強度をスペクトルアナライザ6へ出力する。
The
スペクトルアナライザ6は、光検出器5によって検出された光強度が変化する周波数Δνを検出し、その検出した周波数Δνを検出器7へ出力する。
The spectrum analyzer 6 detects the frequency Δν at which the light intensity detected by the
検出器7は、スペクトルアナライザ6から周波数Δνを受け、その受けた周波数Δνに基づいて、後述する方法によって、回転体の回転角速度を検出する。
The
なお、半導体光アンプ1は、光ファイバ2が両端に接続されることによって時計回りに回転するレーザ光CWと反時計回りに回転するレーザ光CCWとを発振および増幅可能であるため、半導体光アンプ1および光ファイバ2は、リング共振器型のリングレーザを構成する。即ち、半導体光アンプ1および光ファイバ2からなるリングレーザは、活性化領域(半導体光アンプ1)とパッシブ領域(光ファイバ2)とからなるレーザである。
The semiconductor
光ジャイロ10における周波数Δνと回転角速度との関係を調べる実験を行なう場合、光ジャイロ10は、テーブル20上に載せられる。そして、テーブル20は、サーボ機構30によって各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転される。コントローラ40は、テーブル20を各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転させるようにサーボ機構30を制御する。
When an experiment for examining the relationship between the frequency Δν and the rotational angular velocity in the
図2は、図1に示す半導体光アンプ1の平面図である。図2を参照して、半導体光アンプ1は、活性層11と、光閉込層12,13と、反射防止膜14,15とを含む。活性層11は、光閉込層12,13によって挟まれ、端面1A,1Bと斜めに接する。
FIG. 2 is a plan view of the semiconductor
光閉込層12,13は、バリア層およびクラッド層等からなり、活性層11に接して活性層11の両側に設けられる。反射防止膜14,15は、それぞれ、端面1A,1Bに接して形成される。
The optical confinement layers 12 and 13 are formed of a barrier layer, a cladding layer, and the like, and are provided on both sides of the
図2に示すように、活性層11が端面1A,1Bに対して斜めに配置された構造は、活性層11および光閉込層12,13等を積層した積層体を形成し、その形成した積層体を活性層11が斜めに配置されるようにカッティングすることによって作製される。
As shown in FIG. 2, the structure in which the
電流を活性層11に注入してレーザ発振させると、レーザ光は、光閉込層12,13によって閉じ込められ、活性層11を端面1A,1B方向へ伝搬する。そして、レーザ光は、レーザ光CWとして端面1Aから出射するとともに、レーザ光CCWとして端面1Bから出射する。
When a current is injected into the
レーザ光CWは、光ファイバ2中を時計回りに1周して反射防止膜15を介して端面1Bから活性層11中へ導入される。そして、活性層11中へ導入されたレーザ光CWは、誘導放出によって増幅され、再び、端面1Aから出射される。
The laser light CW goes around the
また、レーザCCWは、光ファイバ2中を反時計回りに1周して反射防止膜14を介して端面1Aから活性層11中へ導入される。そして、活性層11中へ導入されたレーザ光CCWは、誘導放出によって増幅され、再び、端面1Bから出射される。
Further, the laser CCW goes around the
このように、半導体光アンプ1は、レーザ光CW,CCWを発振して光ファイバ2中へ出射するとともに、光ファイバ2中を伝搬したレーザ光CW,CCWを誘導放出によって増幅して、再び、光ファイバ2中へ出射する。
Thus, the semiconductor
従って、レーザ光CW,CCWは、端面1A,1Bを何回も通過する必要があり、レーザ光CW,CCWの強度を保持するために端面1A,1Bにおけるレーザ光CW,CCWの反射率は、10−5以下に設定されている。また、半導体光アンプ1内における多重反射を防止する必要があるために端面1A,1Bにおけるレーザ光CW,CCWの反射率は、10−5以下に設定されている。
Therefore, the laser beams CW and CCW need to pass through the end faces 1A and 1B many times. In order to maintain the intensity of the laser beams CW and CCW, the reflectance of the laser beams CW and CCW at the end faces 1A and 1B is It is set to 10 −5 or less. Further, since it is necessary to prevent multiple reflections in the semiconductor
このように、端面1A,1Bにおける反射率を低く抑えるために、活性層11を端面1A,1Bに対して斜めに配置するとともに、端面1A,1Bに反射防止膜14,15を形成する。
Thus, in order to keep the reflectance at the end faces 1A and 1B low, the
なお、光ファイバ2は、活性層11からのレーザ光CW,CCWがコアに入射するように、半導体光アンプ1の反射防止膜14,15に連結される。
The
図3は、図1に示す結合器3の構成を示す概略図である。図3を参照して、結合器3は、ガイド31,32を有する。ガイド31,32は、相互に接した2つの光ファイバを挟み込むことにより、2つの光ファイバを結合する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the
光ファイバ4を光ファイバ2に結合する場合、光ファイバ4を光ファイバ2に接するようにガイド31,32間に配置する。この場合、光ファイバ2のコア21は、光ファイバ4のコア41に近接して配置される。なお、光ファイバ4の一方端は、ターミネーター42によって終端されている。
When the
光ファイバ2中を時計回りに伝搬するレーザ光CWは、コア21とコア41との近接部において1%がコア21からコア41へ漏れる。そして、コア41へ漏れた1%のレーザ光CWは、光ファイバ4中を伝搬する。
1% of the laser light CW propagating clockwise in the
このように、光ファイバ4中を伝搬するレーザ光CWは、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CWの一部(1%)である。
Thus, the laser beam CW propagating in the
光ジャイロ10においては、レーザ光CWとレーザ光CCWとを重ね合わせずにレーザ光CWの光強度が変化する周波数Δνを検出して回転角速度を検出する。即ち、光ジャイロ10は、レーザ光CWとレーザ光CCWとを合波する合波素子を用いないでサニャックビート信号の周波数を検出して回転角速度を検出する。
In the
そこで、レーザ光CWとレーザ光CCWとを合波する合波素子を用いないでサニャックビート信号の周波数Δνを検出する方法について説明する。 Therefore, a method for detecting the frequency Δν of the Sagnac beat signal without using a multiplexing element that combines the laser beam CW and the laser beam CCW will be described.
この方法は、半導体の相互利得飽和(四光波混)の効果を利用することにより、片方回転の光強度の振動周波数からサニャックビート信号の周波数Δνを観測するものである。 In this method, the frequency Δν of the Sagnac beat signal is observed from the vibration frequency of the light intensity of one-way rotation by utilizing the effect of semiconductor mutual gain saturation (four-wave mixing).
光強度がサニャックビート信号の周波数Δνで振動する原理は、レーザ物理の分野でよく用いられているマクスウェル−ブロッホ(Maxwell−Bloch)方程式によって説明することができる。ここで、リングレーザがパッシブな導波路とアクティブな導波路とから構成されていることのみを仮定する。例えば、光ジャイロ10においては、パッシブな導波路が光ファイバ2であり、アクティブな導波路が半導体光アンプ1である。
The principle that the light intensity oscillates at the frequency Δν of the Sagnac beat signal can be explained by the Maxwell-Bloch equation that is often used in the field of laser physics. Here, it is assumed only that the ring laser is composed of a passive waveguide and an active waveguide. For example, in the
回転角速度Ωで回転するリンクレーザにおけるレーザ光は、回転座標系において導出されたMaxwell−Bloch方程式により記述することができる。Maxwell−Bloch方程式は、レーザ光の状態を記述する一般的な方程式としてよく知られている(非特許文献2〜4)。
The laser beam in the link laser rotating at the rotation angular velocity Ω can be described by the Maxwell-Bloch equation derived in the rotating coordinate system. The Maxwell-Bloch equation is well known as a general equation describing the state of laser light (
光が光ファイバおよび半導体光増幅器により1次元的に閉じ込められていると仮定することにより、次式のMaxwell−Bloch方程式が得られる。 By assuming that light is confined in one dimension by an optical fiber and a semiconductor optical amplifier, the following Maxwell-Bloch equation is obtained.
ここで、sは、リング導波路に沿った座標系であり、n(s),RおよびΩは、それぞれ、リング共振器の屈折率、半径および回転角速度である。β(s)は、リング共振器の損失を表す。式(1)の右辺の最後の項は、分極に対応し、N(s)、κおよびρ(s)は、それぞれ、キャリア密度、結合定数およびマクロな分極項である。N(s)は、半導体増幅器内部でのみ0でない定数とする。レーザ媒質である半導体は、次の式(2),(3)のBloch方程式によって記述される。 Here, s is a coordinate system along the ring waveguide, and n (s), R, and Ω are the refractive index, radius, and rotational angular velocity of the ring resonator, respectively. β (s) represents the loss of the ring resonator. The last term on the right side of Equation (1) corresponds to polarization, and N (s), κ and ρ (s) are the carrier density, coupling constant and macro polarization term, respectively. N (s) is a constant that is not 0 only inside the semiconductor amplifier. A semiconductor that is a laser medium is described by the Bloch equation of the following equations (2) and (3).
ここで、Wは、分布反転を表し、γ⊥およびγ//は、それぞれ、横の緩和定数および縦の緩和定数である。 Here, W represents distribution inversion, and γ ⊥ and γ // are a lateral relaxation constant and a vertical relaxation constant, respectively.
電場E(s,t)および分極ρ(s,t)は、次式のように、回転するリング共振器の固有モードUj(s)により構成される。 The electric field E (s, t) and the polarization ρ (s, t) are constituted by the natural mode U j (s) of the rotating ring resonator as shown in the following equation.
ここで、νjは、モードjの共振周波数である。 Here, ν j is the resonance frequency of mode j.
サニャック効果が生じることを説明するためには、回転角速度が0である時に近縮退状態にあった2つの固有モードの存在を考慮するだけで十分である。従って、電場E(s,t)および分極ρ(s,t)をそれら2モード(j=1,2)によってのみ構成されていることを仮定すると、次の式(5),(6)のように展開される。 In order to explain that the Sagnac effect occurs, it is sufficient to consider the existence of two eigenmodes that were in a near-degenerate state when the rotational angular velocity was zero. Accordingly, assuming that the electric field E (s, t) and the polarization ρ (s, t) are constituted only by these two modes (j = 1, 2), the following equations (5) and (6) Will be expanded as follows.
ここで、Ejおよびψjは、それぞれ、jで示されるモードの振幅および位相である。ν0は、νj(j=1,2)に近い任意の周波数とする(ν0〜ν1〜ν2)。式(5)および式(6)を式(1)に代入することにより、各モードの時間発展方程式を得ることができる。 Here, E j and ψ j are the amplitude and phase of the mode indicated by j, respectively. ν 0 is an arbitrary frequency close to ν j (j = 1, 2) (ν 0 to ν 1 to ν 2 ). By substituting Equation (5) and Equation (6) into Equation (1), the time evolution equations for each mode can be obtained.
半導体レーザは、クラスB(γ⊥>>γ//,<β>)に属する媒質である。そのため、分極に対する方程式は、摂動論により、次式によって表される。 A semiconductor laser is a medium belonging to class B (γ ⊥ >> γ // , <β>). Therefore, the equation for polarization is expressed by the following equation according to the perturbation theory.
従って、分布反転に対する方程式は、次式のようになる(非特許文献4)。 Therefore, the equation for the distribution inversion is as follows (Non-Patent Document 4).
パッシブな導波路(光ファイバ)の長さLがアクティブな導波路の長さlよりも十分に長い時(L>>l)、実効的な光の損失は、パッシブな導波路における損失βpによって決定される。つまり、<β>は、<β>〜βpである。従って、γ//>>βpの特徴があれば、クラスAにおける特徴を持つことができる(半導体光アンプ1および光ファイバ2からなるリング共振器型のリングレーザは、この条件を満たす)。
When the length L of the passive waveguide (optical fiber) is sufficiently longer than the length l of the active waveguide (L >> l), the effective light loss is the loss β p in the passive waveguide. Determined by. In other words, <β> is a <β> ~β p. Therefore, if there is a feature of γ // >> p , it can have a feature in class A (a ring resonator type ring laser comprising the semiconductor
例えば、βp〜103(s−1)(光ファイバ)、βa〜109−1011(s−1)(半導体増幅器)およびγ//〜109(s−1)(半導体)の場合でも、半導体光アンプ1のようにL(〜1−10m)>>l(〜1mm)であれば、<β>〜βp<<γ//の条件を満たすことができるため、クラスAレーザの特徴を持つ。従って、分布反転は、光の状態が定常に緩和する十分前に、ある収束した状態を取ることができる。よく使用されている摂動論によれば、分布反転は、次式のようになる。 For example, β p to 10 3 (s −1 ) (optical fiber), β a to 10 9 -10 11 (s −1 ) (semiconductor amplifier) and γ /// 10 9 (s −1 ) (semiconductor). even if, as long as such a semiconductor optical amplifier 1 L (~1-10m) >> l ( ~1mm), it is possible meet the <β> ~β p << γ // , class a Has the characteristics of a laser. Therefore, the distribution inversion can take a certain converged state sufficiently before the light state is moderately relaxed. According to popular perturbation theory, the distribution inversion is
よって、式(9)を式(7)に代入し、次の式(10)の関係式を用いることによって、モードj=1,2に対する分極を式(11)のように求めることができる。 Therefore, by substituting equation (9) into equation (7) and using the following equation (10), the polarization for modes j = 1 and 2 can be obtained as in equation (11).
次に、式(5)と式(6)とを式(1)に代入すると、次の式を得ることができる。 Next, when Expression (5) and Expression (6) are substituted into Expression (1), the following expression can be obtained.
ここで、Ψ=ψ1−ψ2(位相差)である。Δν=ν1―ν2である。即ち、このΔνが、サニャックビート信号の周波数である。 Here, Ψ = ψ 1 −ψ 2 (phase difference). Δν = ν 1 −ν 2 . That is, this Δν is the frequency of the Sagnac beat signal.
式(12)〜(14)における係数は、次式のように記述される。 The coefficients in the equations (12) to (14) are described as the following equations.
位相差Φが条件Φ>>|F(Φ)|を満たさない場合、よく知られているようにロックイン現象が生じてしまい、dΦ/dt=0となる。しかし、この条件を満足する場合には、Φ(t)=Δνtとなる。この場合において、式(12)および式(13)で示すように、各モードの振幅E1,E2は、変調項を通して周波数Δνで振動することになる。特に、E1=E2=tの場合、つまり、利得中心にあるモードに対しては、次式が成立する。 If the phase difference Φ does not satisfy the condition Φ >> | F (Φ) |, a lock-in phenomenon occurs as is well known, and dΦ / dt = 0. However, if this condition is satisfied, Φ (t) = Δνt. In this case, as shown in the equations (12) and (13), the amplitudes E 1 and E 2 of each mode oscillate at the frequency Δν through the modulation term. In particular, when E 1 = E 2 = t, that is, for a mode at the center of gain, the following equation holds.
ここで、a=(α0−β)、b=s+2c、d=4|Θ|,e=|ξ|、tanδk=−Δν/2a、tanδl=−Δν/aである。 Here, a = (α 0 −β), b = s + 2c, d = 4 | Θ |, e = | ξ |, tan δ k = −Δν / 2a, and tan δ l = −Δν / a.
時計回り(CW)の回転波の振幅ECWと反時計回り(CCW)の回転波の振幅ECCWとは、次式によって得られる。 The amplitude E CCW rotational wave amplitude E CW and counterclockwise rotation wave clockwise (CW) (CCW), is obtained by the following equation.
従って、式(22)を式(5)に代入して式(23)を計算することによって、CW方向とCCW方向との回転波の振幅ICW(CCW)を次式のように得ることができる。 Therefore, by substituting equation (22) into equation (5) and calculating equation (23), the amplitude I CW (CCW) of the rotational wave in the CW direction and the CCW direction can be obtained as follows: it can.
式(24)の右辺の括弧内は、定数であり、E2(t)は、式(22)から明らかなように、サニャックビート信号の周波数Δνによって変化するので、レーザ光CWとレーザ光CCWの振幅ICW(CCW)(=光強度)は、サニャックビート信号の周波数Δνによって変化する。 The value in parentheses on the right side of the equation (24) is a constant, and E 2 (t) varies depending on the frequency Δν of the Sagnac beat signal, as is clear from the equation (22). Therefore, the laser light CW and the laser light CCW The amplitude I CW (CCW) (= light intensity) varies depending on the frequency Δν of the Sagnac beat signal.
従って、レーザ光CWとレーザ光CCWとを合波しなくても、レーザ光CWおよびレーザ光CCWのいずれか一方の振幅ICW(またはICCW)を観測することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出することができる。 Therefore, the frequency Δν of the Sagnac beat signal can be obtained by observing the amplitude I CW (or I CCW ) of one of the laser beam CW and the laser beam CCW without combining the laser beam CW and the laser beam CCW. Can be detected.
このような検出が可能な理由は、式(12)および式(13)の振幅変調項が存在するからである。この項は、パッシブな領域の長さLとアクティブな領域の長さlとの比L/lに比例した値を持つ。従って、この振幅変調項は、リングレーザがアクティブな媒質のみによって構成されている場合には消え、サニャックビート信号の周波数Δνによる振幅変調は生じない。リンクレーザがパッシブな領域とアクティブな領域とから構成されていることが、サニャックビート信号の周波数Δνによる振幅変調項を生じさせる重要な要因である。 The reason why such detection is possible is that there are amplitude modulation terms of Equation (12) and Equation (13). This term has a value proportional to the ratio L / l between the length L of the passive region and the length l of the active region. Therefore, this amplitude modulation term disappears when the ring laser is constituted only by an active medium, and amplitude modulation by the frequency Δν of the Sagnac beat signal does not occur. The fact that the link laser is composed of a passive region and an active region is an important factor causing an amplitude modulation term due to the frequency Δν of the Sagnac beat signal.
以上より、レーザ光CWおよびレーザ光CCWのいずれか一方の振幅ICW(またはICCW)を観測し、式(22)および式(24)を用いてΔνを計算することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出できる。 From the above, by observing the amplitude I CW (or I CCW ) of one of the laser beam CW and the laser beam CCW and calculating Δν using the equations (22) and (24), the Sagnac beat signal The frequency Δν can be detected.
従って、スペクトルアナライザ6は、光検出器5からレーザ光CWおよびレーザ光CCWのいずれか一方のレーザ光の光強度ICW(またはICCW)を受け、その受けた光強度ICW(またはICCW)に基づいて、式(22)および式(24)を用いて周波数Δνを計算することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出する。
Accordingly, the spectrum analyzer 6 receives the light intensity I CW (or I CCW ) of one of the laser light CW and the laser light CCW from the
光ジャイロ10をテーブル20上に載せ、サーボ機構30およびコントローラ40によってテーブル20の回転角速度を変化させてレーザ光CW,CCWを重ね合わせないときのレーザ光CWの光強度ICWに基づいてビート信号の周波数Δνを検出した実験結果について説明する。なお、実験においては、しきい値電流の1.03倍の電流(62.5mA)を注入して半導体光アンプ1を発振させ、レーザ光CW,CCWを生成した。
The
図4は、ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図であり、図5は、ビート信号の周波数と回転角速度との関係を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the power and frequency of the beat signal, and FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the frequency of the beat signal and the rotational angular velocity.
図4において、横軸は、ビート信号の周波数を表し、縦軸は、ビート信号のパワーを表す。なお、図4は、光ジャイロ10を270度/sの回転角速度で回転させたときのビート信号のパワーと周波数との関係を示す。また、図5において、横軸は、回転角速度を表し、縦軸は、ビート信号の周波数およびパワーを表す。
In FIG. 4, the horizontal axis represents the frequency of the beat signal, and the vertical axis represents the power of the beat signal. FIG. 4 shows the relationship between the power and frequency of the beat signal when the
図4を参照して、270度/sの回転角速度においてビート信号のピーク値が観測された。 Referring to FIG. 4, the peak value of the beat signal was observed at a rotational angular velocity of 270 degrees / s.
従って、光ジャイロ10においては、レーザ光CW,CCWを重ね合わせないときのビート信号を観測できることが解った。
Therefore, it was found that the
図5を参照して、直線k1は、周波数と回転角速度との関係を示す。ビート信号の周波数は、回転角速度に対して直線的に変化する。より具体的には、ビート信号の周波数は、回転角速度が負である領域においては、回転角速度に対して直線的に低下し、回転角速度が正である領域においては、回転角速度に対して直線的に高くなる(直線k1参照)。そして、直線k1における比例係数(スケールファクター)は、3.9588(kHz・sec/deg)である。 Referring to FIG. 5, a straight line k1 indicates the relationship between the frequency and the rotational angular velocity. The frequency of the beat signal changes linearly with respect to the rotational angular velocity. More specifically, the frequency of the beat signal decreases linearly with respect to the rotational angular velocity in a region where the rotational angular velocity is negative, and linear with respect to the rotational angular velocity in a region where the rotational angular velocity is positive. (See the straight line k1). The proportionality coefficient (scale factor) on the straight line k1 is 3.9588 (kHz · sec / deg).
従って、ビート信号の周波数Δνを検出することによって回転角速度を検出できる。なお、直線k1においては、−100deg/sec〜+80deg/secの範囲においてビート信号の周波数が観測されていないが、これは、1/(Δν)雑音に埋もれているためである。 Therefore, the rotational angular velocity can be detected by detecting the frequency Δν of the beat signal. On the straight line k1, the frequency of the beat signal is not observed in the range of −100 deg / sec to +80 deg / sec, because it is buried in 1 / (Δν) noise.
ビート信号の周波数Δνは、理論的にΔν=(4A/(nλP))Ωによって表される。 The frequency Δν of the beat signal is theoretically expressed by Δν = (4A / (nλP)) Ω.
但し、Aは、光ファイバ2によって囲まれる領域の面積であり、nは、光ファイバ2の屈折率であり、λは、レーザ光CW,CCWの波長であり、Pは、レーザ光CW,CCWのパス長であり、Ωは、回転角速度である。
Where A is the area of the region surrounded by the
そして、図4および図5に示す実験においては、A=0.3998m2、n=1.448、λ=1578.0nm、およびP=3.019mに設定された。これらの値を式Δν=(4A/(nλP))Ωに代入して比例係数を計算すると、4.045(kHz・sec/deg)の比例係数が得られる。 In the experiments shown in FIGS. 4 and 5, A = 0.998 m 2 , n = 1.448, λ = 15788.0 nm, and P = 3.019 m. By substituting these values into the equation Δν = (4A / (nλP)) Ω and calculating the proportionality coefficient, a proportionality coefficient of 4.045 (kHz · sec / deg) is obtained.
従って、実験的に得られた比例係数(3.958)と、理論的に得られた比例係数4.045との誤差は、2.2%であり、光ジャイロ10は、サニャック効果を利用した光ジャイロであることが解った。
Therefore, the error between the experimentally obtained proportionality factor (3.958) and the theoretically obtained proportionality factor 4.045 is 2.2%, and the
検出器7は、スペクトルアナライザ6からビート信号の周波数Δνを受けると、その受けたビート信号の周波数Δνに対応する回転角速度を直線k1を参照して検出する。これによって、光ジャイロ10において、レーザ光CWとレーザ光CCWとを重ね合わせなくても回転角速度を検出できる。
Upon receiving the beat signal frequency Δν from the spectrum analyzer 6, the
図6は、実施の形態1による他の光ジャイロの構成を示す概略図である。実施の形態1による光ジャイロは、図6に示す光ジャイロ10Aであってもよい。光ジャイロ10Aは、図1に示す光ジャイロ10の結合器3を結合器8に代え、光ファイバ4を光ファイバ9に代えたものであり、その他は、光ジャイロ10と同じである。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of another optical gyro according to the first embodiment. The optical gyro according to the first embodiment may be an
結合器8は、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CCWが99%であり、光ファイバ9中を伝搬するレーザ光CCWが1%となるように、光ファイバ2を光ファイバ9と結合する。
The
光ファイバ9は、結合器8によって光ファイバ2と結合され、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CCWの一部(1%)のレーザ光CCWを光検出器5に導く。
The
図7は、図6に示す結合器8の構成を示す概略図である。図7を参照して、結合器8は、ガイド81,82を有する。ガイド81,82は、相互に接した2つの光ファイバを挟み込むことにより、2つの光ファイバを結合する。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the
光ファイバ9を光ファイバ2に結合する場合、光ファイバ9を光ファイバ2に接するようにガイド81,82間に配置する。この場合、光ファイバ2のコア21は、光ファイバ9のコア91に近接して配置される。なお、光ファイバ9の一方端は、ターミネーター92によって終端されている。
When the
光ファイバ2中を反時計回りに伝搬するレーザ光CCWは、コア21とコア91との近接部において1%がコア21からコア91へ漏れる。そして、コア91へ漏れた1%のレーザ光CCWは、光ファイバ9中を伝搬する。
1% of the laser light CCW propagating counterclockwise in the
このように、光ファイバ9中を伝搬するレーザ光CCWは、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CCWの一部(1%)である。
Thus, the laser light CCW propagating through the
光ジャイロ10Aにおいても、ビート信号の周波数Δνと回転角速度との関係は、図5に示す直線k1によって表される。そして、光ジャイロ10Aにおいては、光検出器5は、光ファイバ9中を伝搬するレーザ光CCWの光強度ICCWを検出し、その検出した光強度ICCWをスペクトルアナライザ6へ出力する。そして、スペクトルアナライザ6は、光検出器5から受けた光強度ICCWに基づいて、式(22)および式(24)を用いてサニャックビート信号の周波数Δνを検出し、その検出した周波数Δνを検出器7へ出力する。検出器7は、スペクトルアナライザ6から周波数Δνを受け、その受けた周波数Δνに対応する回転角速度を直線k1を参照して検出する。これによって、光ジャイロ10Aにおいて、レーザ光CWとレーザ光CCWとを重ね合わせなくても回転角速度が検出される。
Also in the
図8は、図1に示す光ジャイロ10を用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。図8を参照して、ジャイロシステム100は、光検出器7に代えて無線装置60を用いて光ジャイロ10を構成し、その構成した光ジャイロ10にリモートコントローラ70を追加した構成からなる。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a gyro system using the
無線装置60は、デジタイザ61、コントローラ62およびアンテナ63からなる。また、リモートコントローラ70は、パーソナルコンピュータ71と、アンテナ72とからなる。
The
デジタイザ61は、スペクトルアナライザ6からビート信号の周波数Δνを受け、その受けたビート信号の周波数Δνをコントローラ62へ出力する。コントローラ62は、ビート信号の周波数Δνに基づいて、上述した方法によって回転角速度を検出する。そして、コントローラ62は、その検出した回転角速度を所定の方式に変調してアンテナ63を介して送信する。
The
アンテナ72は、無線装置60からの電波を受信し、その受信した電波をパーソナルコンピュータ71へ出力する。パーソナルコンピュータ71は、アンテナ72からの電波を復調等して光ジャイロ10において検出された回転角速度を得る。
The
このように、ジャイロシステム100においては、光ジャイロ10は、検出した回転角速度を無線信号によって送信する無線装置60と、無線装置60からの電波を受信し、光ジャイロ10で検出された回転角速度を取得するリモートコントローラ70とを備えるので、光ジャイロ10がテーブル20上で高速に回転しても、光ジャイロ10によって検出された回転角速度を静止しているリモートコントローラ70において取得できる。
As described above, in the
なお、ジャイロシステム100においては、光ジャイロ10に代えて光ジャイロ10Aが用いられてもよい。
In the
また、上記においては、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CW(またはレーザ光CCW)の1%が光ファイバ4(または光ファイバ9)へ漏れると説明したが、この発明においては、これに限らず、光ファイバ2中を伝搬するレーザ光CW(またはレーザ光CCW)の1%〜10%が光ファイバ4(または光ファイバ9)へ漏れるようにしてもよい。
In the above description, 1% of the laser light CW (or laser light CCW) propagating in the
[実施の形態2]
図9は、実施の形態2による光ジャイロの構成を示す概略図である。実施の形態2による光ジャイロ10Bは、図1に示す光ジャイロ10の半導体光アンプ1、光ファイバ2,4、結合器3および光検出器5を半導体素子110に代えたものであり、その他は、光ジャイロ10と同じである。
[Embodiment 2]
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the optical gyro according to the second embodiment. The
半導体素子110は、レーザ光CWおよびレーザ光CCWを発振し、その発振したレーザ光CWを時計回りに伝搬させ、発振したレーザ光CCWを反時計回りに伝搬させるとともに、レーザ光CWおよびレーザ光CCWのいずれか一方のレーザ光の光強度を検出してスペクトルアナライザ6へ出力する。
The
図10は、図9に示す半導体素子110の斜視図である。半導体素子110は、基板111と、半導体光アンプ112と、半導体導波路113,114と、光検出器115とを含む。そして、半導体導波路114は、その一方端がターミネーター1141によって終端されている。
FIG. 10 is a perspective view of the
基板111は、例えば、n型ガリウム砒素(GaAs)からなる。半導体光アンプ112、半導体導波路113,114および光検出器115は、基板111上に形成される。
The
半導体光アンプ112は、半導体導波路113の円周の一部に設けられる。半導体導波路113は、概略的に略円形形状を有し、断面形状が四角形である。そして、半導体導波路113は、半導体光アンプ112の両端に接する。半導体導波路114は、概略的に円弧の形状を有し、断面形状が四角形である。そして、半導体導波路114は、半導体導波路113に接し、他方端が光検出器115に接する。
The semiconductor
光検出器115は、基板111に垂直な方向に積層されたp型GaAs/GaAs/n型GaAsからなる。
The
図11は、図10に示す半導体光アンプ112の断面図である。半導体光アンプ112は、クラッド層1121,1123と、活性層1122と、コンタクト層1124と、正極電極1125と、負極電極1126とを含む。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the semiconductor
クラッド層1121、活性層1122、クラッド層1123およびコンタクト層1124は、基板111上に順次積層される。正極電極1125は、コンタクト層1124上に形成される。負極電極1126は、基板111の裏面に形成される。
The
クラッド層1121は、例えば、n型Al0.8Ga0.2Asからなる。活性層1122は、3層の井戸層220と、4層の障壁層221とからなる。そして、3層の井戸層220および4層の障壁層221は、交互に積層される。井戸層220は、例えば、GaAsからなり、障壁層221は、例えば、Al0.2Ga0.8Asからなる。即ち、活性層1122は、量子井戸構造からなる。
The
クラッド層1123は、例えば、p型Al0.8Ga0.2Asからなる。コンタクト層1124は、例えば、p型GaAsからなる。
The
半導体光アンプ112は、正極電極1125および負極電極1126から電流が注入されることによって、レーザ発振し、一方の端面112Aからレーザ光CWを出射し、他方の端面112Bからレーザ光CCWを出射する。
The semiconductor
図12は、図10に示す半導体光アンプ112および半導体体導波路113の一部の断面図である。半導体導波路113は、半導体層1131〜1133からなる。半導体層1131は、例えば、n型Al0.8Ga0.2Asからなり、半導体層1132は、例えば、GaAsからなり、半導体層1133は、例えば、p型Al0.8Ga0.2Asからなる。
12 is a cross-sectional view of a part of the semiconductor
半導体層1131は、基板111上に形成され、半導体層1132は、半導体層1131上に形成され、半導体層1133は、半導体層1132上に形成される。また、半導体層1131は、半導体光アンプ112のクラッド層1121に接して設けられ、半導体層1132は、半導体光アンプ112の活性層1122に接して設けられ、半導体層1133は、半導体光アンプ112のクラッド層1123に接して設けられる。そして、半導体層1132は、n1の屈折率を有し、半導体層1131,1133の各々は、n1よりも小さいn2の屈折率を有する。
The
半導体光アンプ112は、レーザ光を発振し、その発振したレーザ光を端面112Aからレーザ光CWとして半導体導波路113中の半導体層1132へ出射するとともに、端面112Bからレーザ光CCWとして半導体導波路113中の半導体層1132へ出射する。そうすると、半導体層1132の上下には、半導体層1132よりも屈折率が小さい半導体層1131,1133が設けられているため、半導体層1132中へ出射されたレーザ光CW,CCWは、基板111に垂直な方向において光学的に閉じ込められる。また、半導体導波路113は、基板111の面内方向において空気と接するので、半導体層1132中へ出射されたレーザ光CW,CCWは、基板111の面内方向においても光学的に閉じ込められる。従って、半導体層1132中へ出射されたレーザ光CW,CCWは、光学的に閉じ込められて半導体導波路113中を伝搬する。
The semiconductor
なお、図10に示す半導体導波路114は、図12に示す半導体導波路113と同じ構成からなる。
Note that the
図13は、図9に示す半導体素子110の平面図である。半導体光アンプ112は、半導体導波路113の円周の一部に配置され、半導体導波路113は、半導体光アンプ112の両側の端面112A,112Bに接するように配置される。
FIG. 13 is a plan view of the
半導体導波路114は、その一方端がターミネーター1141によって終端されており、半導体導波路113に接するとともに、他方端が光検出器115に接するように配置される。そして、半導体導波路113と半導体導波路114との接触部は、半導体導波路113中を伝搬するレーザ光CWの一部を半導体導波路114へ導く結合器116の機能を果たす。
The
半導体光アンプ112は、レーザ光CW,CCWを発振するとともに、その発振したレーザ光CWを端面112Aから半導体導波路113中へ出射し、発振したレーザ光CCWを端面112Bから半導体導波路113中へ出射する。また、半導体光アンプ112は、半導体導波路113中を時計回りに伝搬して端面112Bから入射されたレーザ光CWを増幅し、その増幅したレーザ光CWを端面112Aから半導体導波路113中へ出射する。更に、半導体光アンプ112は、半導体導波路113中を反時計回りに伝搬して端面112Aから入射されたレーザ光CCWを増幅し、その増幅したレーザ光CCWを端面112Bから半導体導波路113中へ出射する。
The semiconductor
半導体導波路113は、レーザ光CWを時計回りに伝搬し、レーザ光CCWを反時計回りに伝搬する。
The
半導体導波路114は、半導体導波路113中を伝搬するレーザ光CWの一部をレーザ光CWとして光検出器115へ伝搬する。
The
光検出器115は、半導体導波路114中を伝搬してきたレーザ光CWの光強度ICWを検出し、その検出し光強度ICWをスペクトルアナライザ6へ出力する。
なお、半導体光アンプ112は、半導体導波路113が両端に接続されることによって時計回りに回転するレーザ光CWと反時計回りに回転するレーザ光CCWとを発振および増幅可能であるため、半導体光アンプ112および半導体導波路113は、リング共振器型のリングレーザを構成する。即ち、半導体光アンプ112および半導体導波路113からなるリングレーザは、活性化領域(半導体光アンプ112)とパッシブ領域(半導体導波路113)とからなるレーザである。
The
The semiconductor
図14から図16は、それぞれ、図9に示す半導体素子110の製造方法を示す第1から第3の工程図である。また、図17は、図14に示す工程(c)および図16に示す工程(i)における半導体素子110の平面図である。
14 to 16 are first to third process diagrams showing a method of manufacturing the
半導体素子110の製造が開始されると、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって、半導体層121〜124が基板111上に順次形成される。半導体層121は、n型Al0.8Ga0.2Asからなり、半導体層122は、GaAsとAl0.2Ga0.8Asとを交互に積層した積層構造からなり、半導体層123は、p型Al0.8Ga0.2Asからなり、半導体層124は、p型GaAsからなる(図14の(a)参照)。
When the manufacture of the
その後、レジストが半導体層124上に塗布され、その塗布されたレジストをパターンニングしてレジストパターン120が半導体層124上に形成される(図14の(b)参照)。この場合、レジストパターン120は、半導体光アンプ112が形成される領域のみを覆うパターンである。
Thereafter, a resist is applied onto the
そして、レジストパターン120をマスクとして半導体層122〜124をエッチングし、レジストパターン120を除去する。これによって、半導体光アンプ112、半導体導波路113,114用の半導体層1131および光検出器115用のn型Al0.8Ga0.2Asが基板111上に形成される(図14の(c)参照)。
Then, the semiconductor layers 122 to 124 are etched using the resist
図14に示す工程(c)が終了した時点においては、半導体光アンプ112および半導体導波路113,114用の半導体層1131が基板111上に形成されている(図17の(a)参照)。
When the step (c) shown in FIG. 14 is completed, the semiconductor
図14に示す工程(c)の後、GaAsからなる半導体層130が基板111の全面にMOCVD法によって形成される(図15の(d)参照)。この場合、半導体層130の膜厚は、活性層1122の厚さと略同じである。
After step (c) shown in FIG. 14, a
引き続いて、半導体導波路113,114および光検出器115が形成される領域の半導体層130の表面に、レジストパターン140が形成される(図15の(e)参照)。
Subsequently, a resist
そして、レジストパターン140をマスクとして半導体層130をエッチングし、レジストパターン140を除去する。その結果、半導体光アンプ112、半導体導波路113,114用の半導体層1131,1132および光検出器115用のn型Al0.8Ga0.2As/GaAsが基板111上に形成される(図15の(f)参照)。
Then, the
その後、p型Al0.8Ga0.2Asからなる半導体層150が基板111の全面にMOCVD法によって形成される(図16の(g)参照)。この場合、半導体層150の膜厚は、クラッド層1123の厚さと略同じである。
Thereafter, a
引き続いて、半導体導波路113,114および光検出器115が形成される領域の半導体層150の表面に、レジストパターン160が形成される(図16の(h)参照)。
Subsequently, a resist
そして、レジストパターン160をマスクとして半導体層150をエッチングし、レジストパターン160を除去する。その結果、半導体光アンプ112、半導体導波路113,114用の半導体層1131〜1133および光検出器115用のn型Al0.8Ga0.2As/GaAs/p型Al0.8Ga0.2Asが基板111上に形成される(図16の(i)参照)。そして、正極電極1125がコンタクト層1124上に形成され、負極電極126が基板111の裏面に形成される(図16の(i)参照)。これによって、半導体素子110が完成する(図17の(b)参照)。
Then, the
半導体素子110においては、半導体光アンプ112がアクティブな領域であり、半導体導波路113,114がパッシブな領域である。従って、半導体導波路113,114中を伝搬するレーザ光CWの光強度ICWは、上述した式(24)によって表され、ビート信号の周波数Δνによって変化する。
In the
その結果、光ジャイロ10Bにおいても、重ね合わせる前のレーザ光CWの光強度ICWを検出することによって回転角速度を検出できる。
As a result, also in the
なお、上記においては、半導体導波路113は、略円形形状を有すると説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体導波路113は、略三角形、略四角形および略五角形等の多角形の形状を有していてもよい。
In the above description, the
また、半導体素子110は、半導体導波路113中を伝搬するレーザ光CCWの一部を光検出器115へ導く半導体導波路を半導体導波路114に代えて備えていてもよい。
In addition, the
更に、この発明によるジャイロシステムは、図9に示す光ジャイロ10Bを備えていてもよい。
Furthermore, the gyro system according to the present invention may include an
その他は、実施の形態1と同じである。 Others are the same as in the first embodiment.
上述した実施の形態1においては、半導体光アンプ1と、光ファイバ2,4とを用いた光ジャイロ10,10Aについて説明し、実施の形態2においては、半導体光アンプ112と、半導体導波路113,114とを用いた光ジャイロ10Bについて説明したが、この発明による光ジャイロは、一般的に、レーザCW,CCWを発振および増幅する活性化領域と、活性化領域からのレーザ光CW,CCWをそれぞれ時計回りおよび反時計回りに回転させるパッシブ領域と、活性化領域およびパッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに活性化領域からパッシブ領域中へ出射されたレーザ光CW,CCWのいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて活性化領域およびパッシブ領域の回転角速度を検出する検出手段とを備えるものであればよい。
In the first embodiment described above, the
この発明においては、光ファイバ2,4は、「導波路」を構成し、半導体導波路113,114は、「導波路」を構成する。
In the present invention, the
また、無線装置60は、「送信装置」を構成する。
The
更に、リモートコントローラ70は、「受信装置」を構成する。
Further, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
この発明は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロに適用される。また、この発明は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを備えたジャイロシステムに適用される。 The present invention is applied to an optical gyro capable of detecting a rotational speed without superimposing a laser beam propagating clockwise and a laser beam propagating counterclockwise. The present invention is also applied to a gyro system including an optical gyro capable of detecting a rotational speed without superimposing a laser beam propagating clockwise and a laser beam propagating counterclockwise.
1,112 半導体光アンプ、1A,1B,112A,112B 端面、2,4 光ファイバ、3,116 結合器、5,115 光検出器、6 スペクトルアナライザ、7 検出器、10,10A,10B 光ジャイロ、11,1122 活性層、12,13 光閉込層、14,15 反射防止膜、20 テーブル、21,41 コア、30 サーボ機構、31,32 ガイド、40,62 コントローラ、42,92,1141 ターミネーター、60 無線装置、61 デジタイザ、63,72 アンテナ、70 リモートコントローラ、100 ジャイロシステム、110 半導体素子、111 基板、113,114 半導体導波路、121〜124,130,150,1131〜1133 半導体層、120,140,160 レジストパターン、220 井戸層、221 障壁層、1121,1123 クラッド層、1124 コンタクト層、1125 正極電極、1126 負極電極。 1,112 semiconductor optical amplifier, 1A, 1B, 112A, 112B end face, 2,4 optical fiber, 3,116 coupler, 5,115 photodetector, 6 spectrum analyzer, 7 detector, 10, 10A, 10B optical gyro , 11, 1122 Active layer, 12, 13 Optical confinement layer, 14, 15 Antireflection film, 20 table, 21, 41 core, 30 Servo mechanism, 31, 32 guide, 40, 62 controller, 42, 92, 1141 Terminator , 60 wireless device, 61 digitizer, 63, 72 antenna, 70 remote controller, 100 gyro system, 110 semiconductor element, 111 substrate, 113, 114 semiconductor waveguide, 121-124, 130, 150, 1131-1133 semiconductor layer, 120 , 140, 160 resist pattern, 20 well layers, 221 barrier layer, 1121 and 1123 cladding layer, 1124 a contact layer, 1125 a positive electrode, 1126 a negative electrode.
Claims (8)
前記リングレーザが所定の平面内で回転しているときに前記リングレーザ中を伝搬する前記第1および第2のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて前記リングレーザの回転角速度を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。 The first and second laser beams are oscillated, the oscillated first and second laser beams are amplified, the first laser beam is rotated clockwise, and the second laser beam is counterclockwise. A ring laser that rotates around,
The ring laser based on the frequency of change of the light intensity of one of the first and second laser beams propagating through the ring laser when the ring laser rotates in a predetermined plane An optical gyro comprising detection means for detecting the rotation angular velocity of the optical gyro.
第1の端面と、前記第1の端面に対向する第2の端面とを有するとともに、前記第1および第2のレーザ光を発振して前記第1および第2の端面からそれぞれ前記第1および第2のレーザ光を出射する半導体光アンプと、
前記半導体光アンプから出射された前記第1および第2のレーザ光を伝搬させる導波路とを含み、
前記導波路は、前記第1の端面から出射された前記第1のレーザ光を前記時計回りに回転させて前記第2の端面から前記半導体光アンプに導くとともに、前記第2の端面から出射された前記第2のレーザ光を前記反時計回りに回転させて前記第1の端面から前記半導体光アンプへ導く、請求項1に記載の光ジャイロ。 The ring laser is
A first end face and a second end face opposite to the first end face, and oscillates the first and second laser beams to cause the first and second end faces to oscillate the first and second end faces, respectively. A semiconductor optical amplifier that emits a second laser beam;
A waveguide for propagating the first and second laser beams emitted from the semiconductor optical amplifier,
The waveguide guides the first laser light emitted from the first end face to the semiconductor optical amplifier from the second end face by rotating the first laser light in the clockwise direction, and emits the first laser light from the second end face. 2. The optical gyro according to claim 1, wherein the second laser light is rotated counterclockwise and guided from the first end face to the semiconductor optical amplifier.
前記第1のレーザ光を前記時計回りに回転させ、前記第2のレーザ光を前記反時計回りに回転させる第1の光ファイバと、
第2の光ファイバと、
前記第1の光ファイバ中の前記第1および第2のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の一部を前記第2の光ファイバへ導く結合器とを含み、
前記検出手段は、前記第2の光ファイバ中の前記いずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて、前記リングレーザの回転角速度を検出する、請求項3に記載の光ジャイロ。 The waveguide is
A first optical fiber that rotates the first laser light in the clockwise direction and rotates the second laser light in the counterclockwise direction;
A second optical fiber;
A coupler for guiding a part of one of the first and second laser lights in the first optical fiber to the second optical fiber;
4. The optical gyro according to claim 3, wherein the detection unit detects a rotational angular velocity of the ring laser based on a change frequency of a light intensity of one of the laser beams in the second optical fiber.
前記第1のレーザ光を時計回りに回転させ、前記第2のレーザ光を反時計回りに回転させるパッシブ領域と、
前記活性化領域および前記パッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに前記活性化領域から前記パッシブ領域中へ出射された前記第1および第2のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて前記活性化領域および前記パッシブ領域の回転角速度を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。 An activation region for oscillating the first and second laser beams and amplifying the oscillated first and second laser beams;
A passive region for rotating the first laser beam clockwise and rotating the second laser beam counterclockwise;
One of the first and second laser beams emitted from the activation region into the passive region when the activation region and the passive region rotate within a predetermined plane. An optical gyro comprising detection means for detecting rotational angular velocities of the activation region and the passive region based on a change frequency of light intensity.
前記パッシブ領域は、前記半導体光アンプの両端に連結された半導体導波路からなる、請求項5に記載の光ジャイロ。 The activation region comprises a semiconductor optical amplifier,
The optical gyro according to claim 5, wherein the passive region includes semiconductor waveguides connected to both ends of the semiconductor optical amplifier.
前記検出手段によって検出された前記回転角速度を無線信号に変換して送信する送信装置と、
前記送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して前記回転角速度を取得する受信装置とを備えるジャイロシステム。 The optical gyro according to any one of claims 1 to 7,
A transmission device that converts the rotational angular velocity detected by the detection means into a radio signal and transmits the radio signal;
A gyro system comprising: a receiving device that receives a radio signal transmitted from the transmitting device, decodes the received radio signal, and acquires the rotational angular velocity.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006285832A JP5097964B2 (en) | 2006-10-20 | 2006-10-20 | Optical gyro and gyro system using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006285832A JP5097964B2 (en) | 2006-10-20 | 2006-10-20 | Optical gyro and gyro system using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008102057A true JP2008102057A (en) | 2008-05-01 |
JP5097964B2 JP5097964B2 (en) | 2012-12-12 |
Family
ID=39436482
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006285832A Expired - Fee Related JP5097964B2 (en) | 2006-10-20 | 2006-10-20 | Optical gyro and gyro system using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5097964B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103175808A (en) * | 2013-03-14 | 2013-06-26 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Laser-induced breakdown spectroscopy analysis system and method |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01246883A (en) * | 1988-03-28 | 1989-10-02 | Sony Corp | Passive type ring laser gyroscope |
JPH02147908A (en) * | 1988-11-30 | 1990-06-06 | Oki Electric Ind Co Ltd | Fiber-optic gyroscope |
JP2001050753A (en) * | 1999-08-12 | 2001-02-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor laser gyro |
-
2006
- 2006-10-20 JP JP2006285832A patent/JP5097964B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01246883A (en) * | 1988-03-28 | 1989-10-02 | Sony Corp | Passive type ring laser gyroscope |
JPH02147908A (en) * | 1988-11-30 | 1990-06-06 | Oki Electric Ind Co Ltd | Fiber-optic gyroscope |
JP2001050753A (en) * | 1999-08-12 | 2001-02-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor laser gyro |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103175808A (en) * | 2013-03-14 | 2013-06-26 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Laser-induced breakdown spectroscopy analysis system and method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5097964B2 (en) | 2012-12-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6937342B2 (en) | Monolithically integrated semiconductor unidirectional ring laser rotation sensor/gyroscope | |
Ciminelli et al. | Photonic technologies for angular velocity sensing | |
US7385177B2 (en) | Light guide rotation rate detector with coupled optical resonators | |
US7106448B1 (en) | Integrated resonant micro-optical gyroscope and method of fabrication | |
JP2722005B2 (en) | Passive ring resonator gyro with polarization rotating ring path | |
JPH09500720A (en) | Optical ring laser rotation sensor for solid medium | |
EP0489847B1 (en) | Interferometer utilizing superfluorescent optical source | |
US7564563B2 (en) | Laser gyro and electronic device using the same | |
EP1826531B1 (en) | Navigation Grade Gyroscope | |
US20040202222A1 (en) | Solid state laser gyro comprising a resonator block | |
Udd | Fiber optic sensors based on the Sagnac interferometer and passive ring resonator | |
JPS60148185A (en) | Semiconductor ring laser gyro | |
US8319973B2 (en) | VCSEL enabled active resonator gyroscope | |
US7663763B2 (en) | Semiconductor solid-state laser gyro having a vertical structure | |
US9562768B2 (en) | Active waveguide optical gyroscope | |
JP5097964B2 (en) | Optical gyro and gyro system using the same | |
JP2007071614A (en) | Optical gyro and gyro system using it | |
Taguchi et al. | Experimental investigation of a semiconductor ring laser as an optical gyroscope | |
JP5034026B2 (en) | Fiber optic gyro | |
Khandelwal et al. | Mathematical model of semiconductor fiber ring laser gyroscope | |
US5191390A (en) | Solid state laser gyro with interferometrically substracted noise | |
JP2007271354A (en) | Ring laser gyroscope | |
JP2008197058A (en) | Ring laser gyro | |
JP2009231633A (en) | Ring type laser device | |
JP2007057457A (en) | Optical gyroscope and gyroscope system using it |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091008 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120327 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120508 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120522 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120821 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120824 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151005 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5097964 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |