JP2008102057A - Optical gyroscope and gyro system using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical gyroscope detecting a rotation speed even when laser light propagating clockwise and laser light propagating counterclockwise are not overlapped. <P>SOLUTION: A semiconductor optical amplifier 1 oscillates pieces of laser light CW, CCW, amplifies the pieces of the laser light CW, CCW by induction discharge, and radiates the pieces of the laser light CW, CCW into an optical fiber 2 from end faces 1A, 1B respectively. A coupler 3 branches the laser light CW of the optical fiber 2 into the optical fiber 4 at a rate of 99%:1%. An optical detector 5 detects light intensity of the laser light CW of the optical fiber 4 and outputs the detected light intensity to a spectral analyzer 6. The spectral analyzer 6 detects a change frequency of the light intensity corresponding to the frequency of a beat signal obtained by square-detecting overlapped light of the pieces of the laser light CW, CCW and outputs the detected change frequency to a detector 7. The detector 7 detects a rotational angle speed corresponding to the change frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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)。
保立 和夫,“光ファイバジャイロの実用化と次世代技術の展開”,レーザー研究,第26巻第4号,1998年4月,p297−303. L. N. Menegozzi and W. E. Lamb, Jr. Phys. Rev. A, 8, 2103, (1971). E. Landau and E. Lifshits, The Classical Theory of Fields, 2nd ed. (Addison-Wesley, Reading, Mass., 1962) P.メスター,M.サージェントIII著,“量子光学の基礎”,シュプリンガーフェアラーク東京株式会社(1995).
Optical gyros are roughly classified into optical fiber gyros and ring laser gyros, and there are three types of optical fiber gyros: interference optical fiber gyros, resonant optical fiber gyros, and Brillouin optical fiber gyros (Non-Patent Document 1). ).
Kazuo Hotate, “Practical application of optical fiber gyro and development of next generation technology”, Laser Research, Vol. 26, No. 4, April 1998, p297-303. LN Menegozzi and WE Lamb, Jr. Phys. Rev. A, 8, 2103, (1971). E. Landau and E. Lifshits, The Classical Theory of Fields, 2nd ed. (Addison-Wesley, Reading, Mass., 1962) P. Mester, M.M. Sargent III, “Basics of Quantum Optics”, Springer Fairlark Tokyo Ltd. (1995).

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 claims 1 to 7. The transmission device converts the rotational angular velocity detected by the detection means into a radio signal and transmits it. The receiving device receives the radio signal transmitted from the transmitting device, decodes the received radio signal, and acquires the rotational angular velocity.

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 Embodiment 1 of the present invention. Referring to FIG. 1, an optical gyro 10 according to Embodiment 1 of the present invention includes a semiconductor optical amplifier (SOA) 1, optical fibers 2 and 4, a coupler 3, a photodetector 5, and a semiconductor optical amplifier (SOA). The spectrum analyzer 6 and the detector 7 are provided.

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 optical amplifier 1 has an active layer made of indium gallium arsenide (InGaAs). The semiconductor optical amplifier 1 oscillates laser light having a wavelength of 1579 nm, for example, and emits the oscillated laser light from the end faces 1A and 1B as clockwise laser light CW and counterclockwise laser light CCW, respectively. The light is emitted into the fiber 2. Further, the semiconductor optical amplifier 1 amplifies the laser beams CW and CCW that have made one round in the optical fiber 2 by stimulated emission, and emits the amplified laser beams CW and CCW to the optical fiber 2 from the end faces 1A and 1B, respectively.

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 optical fiber 2 is connected to both ends of the semiconductor optical amplifier 1 in a loop shape, and has a length of 3.019 m and a refractive index (core refractive index) of 1.448, for example. Then, the optical fiber 2 rotates the laser light CW emitted from the end face 1A of the semiconductor optical amplifier 1 clockwise, guides the rotated laser light CW from the end face 1B into the semiconductor optical amplifier 1, and transmits the semiconductor light. The laser light CCW emitted from the end face 1B of the amplifier 1 is rotated counterclockwise, and the rotated laser light CCW is guided from the end face 1A into the semiconductor optical amplifier 1.

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 coupler 3 couples the optical fiber 2 with the optical fiber 4 so that the laser light CW propagating through the optical fiber 2 is 99% and the laser light CW propagating through the optical fiber 4 is 1%.

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 optical fiber 4 is coupled to the optical fiber 2 by the coupler 3, and guides a part (1%) of the laser light CW propagating through the optical fiber 2 to the photodetector 5.

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 photodetector 5 detects the light intensity of the laser light CW propagating through the optical fiber 4 and outputs the detected light intensity to the spectrum analyzer 6.

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 photodetector 5 changes, and outputs the detected frequency Δν to the detector 7.

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 detector 7 receives the frequency Δν from the spectrum analyzer 6 and detects the rotational angular velocity of the rotating body based on the received frequency Δν by a method described later.

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 optical amplifier 1 can oscillate and amplify the laser light CW that rotates clockwise and the laser light CCW that rotates counterclockwise by connecting the optical fiber 2 to both ends. 1 and the optical fiber 2 constitute a ring resonator type ring laser. That is, the ring laser comprising the semiconductor optical amplifier 1 and the optical fiber 2 is a laser comprising an activation region (semiconductor optical amplifier 1) and a passive region (optical fiber 2).

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 optical gyro 10 is performed, the optical gyro 10 is placed on the table 20. The table 20 is rotated clockwise or counterclockwise by the servo mechanism 30 at various rotational angular velocities. The controller 40 controls the servo mechanism 30 to rotate the table 20 clockwise or counterclockwise at various rotational angular velocities.

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 optical amplifier 1 shown in FIG. Referring to FIG. 2, the semiconductor optical amplifier 1 includes an active layer 11, optical confinement layers 12 and 13, and antireflection films 14 and 15. The active layer 11 is sandwiched between the light confinement layers 12 and 13 and is in contact with the end faces 1A and 1B obliquely.

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 active layer 11 in contact with the active layer 11. The antireflection films 14 and 15 are formed in contact with the end faces 1A and 1B, respectively.

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 active layer 11 is disposed obliquely with respect to the end faces 1A and 1B forms a stacked body in which the active layer 11, the optical confinement layers 12 and 13 and the like are stacked, and is formed. The laminate is manufactured by cutting so that the active layer 11 is disposed obliquely.

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 active layer 11 to cause laser oscillation, the laser light is confined by the light confinement layers 12 and 13 and propagates in the active layer 11 in the direction of the end faces 1A and 1B. The laser beam is emitted from the end surface 1A as the laser beam CW and is emitted from the end surface 1B as the laser beam CCW.

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 optical fiber 2 clockwise and is introduced into the active layer 11 from the end face 1B through the antireflection film 15. The laser beam CW introduced into the active layer 11 is amplified by stimulated emission and is emitted from the end face 1A again.

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 optical fiber 2 counterclockwise and is introduced into the active layer 11 from the end face 1A via the antireflection film 14. The laser light CCW introduced into the active layer 11 is amplified by stimulated emission and is emitted from the end face 1B again.

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 optical amplifier 1 oscillates and emits the laser beams CW and CCW into the optical fiber 2, amplifies the laser beams CW and CCW propagated in the optical fiber 2 by stimulated emission, and again, The light is emitted into the optical fiber 2.

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 optical amplifier 1, the reflectances of the laser beams CW and CCW at the end faces 1A and 1B are set to 10 −5 or less.

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 active layer 11 is disposed obliquely with respect to the end faces 1A and 1B, and the antireflection films 14 and 15 are formed on the end faces 1A and 1B.

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 optical fiber 2 is connected to the antireflection films 14 and 15 of the semiconductor optical amplifier 1 so that the laser beams CW and CCW from the active layer 11 enter the core.

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 coupler 3 shown in FIG. Referring to FIG. 3, the coupler 3 includes guides 31 and 32. The guides 31 and 32 couple the two optical fibers by sandwiching the two optical fibers in contact with each other.

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 optical fiber 4 is coupled to the optical fiber 2, the optical fiber 4 is disposed between the guides 31 and 32 so as to contact the optical fiber 2. In this case, the core 21 of the optical fiber 2 is disposed close to the core 41 of the optical fiber 4. Note that one end of the optical fiber 4 is terminated by a terminator 42.

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 optical fiber 2 leaks from the core 21 to the core 41 in the vicinity of the core 21 and the core 41. Then, 1% of the laser light CW leaked to the core 41 propagates through the optical fiber 4.

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 optical fiber 4 is a part (1%) of the laser beam CW propagating in the optical fiber 2.

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 optical gyro 10, the rotational angular velocity is detected by detecting the frequency Δν at which the light intensity of the laser light CW changes without superimposing the laser light CW and the laser light CCW. That is, the optical gyro 10 detects the rotational angular velocity by detecting the frequency of the Sagnac beat signal without using a multiplexing element that combines the laser light CW and the laser light CCW.

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 optical gyro 10, the passive waveguide is the optical fiber 2, and the active waveguide is the semiconductor optical amplifier 1.

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 (Non-Patent Documents 2 to 4).

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.

Figure 2008102057
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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).

Figure 2008102057
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Figure 2008102057
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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U(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.

Figure 2008102057
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ここで、ν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.

Figure 2008102057
Figure 2008102057

Figure 2008102057
Figure 2008102057

ここで、Eおよびψ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。νは、ν(j=1,2)に近い任意の周波数とする(ν〜ν〜ν)。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.

Figure 2008102057
Figure 2008102057

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).

Figure 2008102057
Figure 2008102057

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βによって決定される。つまり、<β>は、<β>〜βである。従って、γ//>>β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 optical amplifier 1 and the optical fiber 2 satisfies this condition).

例えば、β〜10(s−1)(光ファイバ)、β〜10−1011(s−1)(半導体増幅器)およびγ//〜10(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>〜β<<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

Figure 2008102057
Figure 2008102057

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).

Figure 2008102057
Figure 2008102057

Figure 2008102057
Figure 2008102057

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.

Figure 2008102057
Figure 2008102057

Figure 2008102057
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Figure 2008102057
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ここで、Ψ=ψ−ψ(位相差)である。Δν=ν―ν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.

Figure 2008102057
Figure 2008102057

Figure 2008102057
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Figure 2008102057
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Figure 2008102057
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Figure 2008102057
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Figure 2008102057
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Figure 2008102057
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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E,Eは、変調項を通して周波数Δνで振動することになる。特に、E=E=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.

Figure 2008102057
Figure 2008102057

ここで、a=(α−β)、b=s+2c、d=4|Θ|,e=|ξ|、tanδ=−Δν/2a、tanδ=−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.

Figure 2008102057
Figure 2008102057

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.

Figure 2008102057
Figure 2008102057

式(24)の右辺の括弧内は、定数であり、E(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 photodetector 5 and receives the received light intensity I CW (or I CCW). ), The frequency Δν of the Sagnac beat signal is detected by calculating the frequency Δν using the equations (22) and (24).

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 optical gyro 10 is placed on the table 20, and the beat signal is based on the light intensity I CW of the laser beam CW when the servo mechanism 30 and the controller 40 change the rotational angular velocity of the table 20 and the laser beams CW and CCW are not superimposed. The experimental result of detecting the frequency Δν of will be described. In the experiment, a current (62.5 mA) 1.03 times the threshold current was injected to oscillate the semiconductor optical amplifier 1 to generate laser beams CW and CCW.

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 optical gyro 10 is rotated at a rotational angular velocity of 270 degrees / s. In FIG. 5, the horizontal axis represents the rotational angular velocity, and the vertical axis represents the frequency and power of the beat signal.

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 optical gyroscope 10 can observe the beat signal when the laser beams CW and CCW are not superimposed.

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 optical fiber 2, n is the refractive index of the optical fiber 2, λ is the wavelength of the laser light CW, CCW, and P is the laser light CW, CCW. Ω is the rotational angular velocity.

そして、図4および図5に示す実験においては、A=0.3998m、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 optical gyroscope 10 uses the Sagnac effect. It turns out that it is a light gyro.

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 detector 7 detects the rotational angular velocity corresponding to the received beat signal frequency Δν with reference to the straight line k 1. Thereby, in the optical gyro 10, the rotational angular velocity can be detected without superimposing the laser light CW and the laser light CCW.

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 optical gyro 10A shown in FIG. The optical gyro 10A is the same as the optical gyro 10 except that the coupler 3 of the optical gyro 10 shown in FIG. 1 is replaced with the coupler 8 and the optical fiber 4 is replaced with the optical fiber 9.

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 coupler 8 couples the optical fiber 2 with the optical fiber 9 so that the laser light CCW propagating through the optical fiber 2 is 99% and the laser light CCW propagating through the optical fiber 9 is 1%.

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 optical fiber 9 is coupled to the optical fiber 2 by the coupler 8, and guides a part (1%) of the laser light CCW propagating through the optical fiber 2 to the photodetector 5.

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 coupler 8 shown in FIG. Referring to FIG. 7, the coupler 8 includes guides 81 and 82. The guides 81 and 82 couple the two optical fibers by sandwiching the two optical fibers in contact with each other.

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 optical fiber 9 is coupled to the optical fiber 2, the optical fiber 9 is disposed between the guides 81 and 82 so as to contact the optical fiber 2. In this case, the core 21 of the optical fiber 2 is disposed close to the core 91 of the optical fiber 9. Note that one end of the optical fiber 9 is terminated by a terminator 92.

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 optical fiber 2 leaks from the core 21 to the core 91 in the vicinity of the core 21 and the core 91. Then, 1% of the laser light CCW leaked to the core 91 propagates through the optical fiber 9.

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 optical fiber 9 is a part (1%) of the laser light CCW propagating through the optical fiber 2.

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 optical gyro 10A, the relationship between the beat signal frequency Δν and the rotational angular velocity is represented by a straight line k1 shown in FIG. In the optical gyro 10 </ b> A, the photodetector 5 detects the light intensity I CCW of the laser light CCW propagating through the optical fiber 9 and outputs the detected light intensity I CCW to the spectrum analyzer 6. Then, the spectrum analyzer 6 detects the frequency Δν of the Sagnac beat signal based on the light intensity I CCW received from the photodetector 5, using the equations (22) and (24), and the detected frequency Δν Output to the detector 7. The detector 7 receives the frequency Δν from the spectrum analyzer 6 and detects the rotational angular velocity corresponding to the received frequency Δν with reference to the straight line k1. Thereby, in the optical gyro 10A, the rotational angular velocity is detected without superimposing the laser light CW and the laser light CCW.

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 optical gyro 10 shown in FIG. Referring to FIG. 8, the gyro system 100 includes a configuration in which the optical gyro 10 is configured using a wireless device 60 instead of the photodetector 7, and a remote controller 70 is added to the configured optical gyro 10.

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 wireless device 60 includes a digitizer 61, a controller 62, and an antenna 63. The remote controller 70 includes a personal computer 71 and an antenna 72.

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 digitizer 61 receives the beat signal frequency Δν from the spectrum analyzer 6 and outputs the received beat signal frequency Δν to the controller 62. The controller 62 detects the rotational angular velocity by the above-described method based on the beat signal frequency Δν. Then, the controller 62 modulates the detected rotational angular velocity into a predetermined method and transmits it through the antenna 63.

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 antenna 72 receives radio waves from the wireless device 60 and outputs the received radio waves to the personal computer 71. The personal computer 71 obtains the rotational angular velocity detected by the optical gyro 10 by demodulating radio waves from the antenna 72.

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 gyro system 100, the optical gyro 10 receives the radio device 60 that transmits the detected rotation angular velocity by a radio signal and the radio wave from the radio device 60 and detects the rotation angular velocity detected by the optical gyro 10. Therefore, even if the optical gyro 10 rotates at high speed on the table 20, the rotational angular velocity detected by the optical gyro 10 can be acquired by the stationary remote controller 70.

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 gyro system 100, an optical gyro 10A may be used instead of the optical gyro 10.

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 optical fiber 2 is leaked to the optical fiber 4 (or optical fiber 9). However, the present invention is not limited to this. Instead, 1% to 10% of the laser light CW (or laser light CCW) propagating through the optical fiber 2 may leak into the optical fiber 4 (or optical fiber 9).

[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 optical gyro 10B according to the second embodiment is obtained by replacing the semiconductor optical amplifier 1, the optical fibers 2 and 4, the coupler 3, and the photodetector 5 of the optical gyro 10 shown in FIG. The same as the optical gyroscope 10.

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 semiconductor element 110 oscillates the laser beam CW and the laser beam CCW, propagates the oscillated laser beam CW clockwise, propagates the oscillated laser beam CCW counterclockwise, and also transmits the laser beam CW and the laser beam CCW. Is detected and output to the spectrum analyzer 6.

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 semiconductor element 110 shown in FIG. The semiconductor element 110 includes a substrate 111, a semiconductor optical amplifier 112, semiconductor waveguides 113 and 114, and a photodetector 115. The semiconductor waveguide 114 is terminated at one end by a terminator 1141.

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 substrate 111 is made of, for example, n-type gallium arsenide (GaAs). The semiconductor optical amplifier 112, the semiconductor waveguides 113 and 114, and the photodetector 115 are formed on the substrate 111.

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 optical amplifier 112 is provided on a part of the circumference of the semiconductor waveguide 113. The semiconductor waveguide 113 has a substantially circular shape and has a square cross-sectional shape. The semiconductor waveguide 113 is in contact with both ends of the semiconductor optical amplifier 112. The semiconductor waveguide 114 has a generally arc shape and has a quadrangular cross section. The semiconductor waveguide 114 is in contact with the semiconductor waveguide 113 and the other end is in contact with the photodetector 115.

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 photodetector 115 is made of p-type GaAs / GaAs / n-type GaAs stacked in a direction perpendicular to the substrate 111.

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 optical amplifier 112 shown in FIG. The semiconductor optical amplifier 112 includes cladding layers 1121 and 1123, an active layer 1122, a contact layer 1124, a positive electrode 1125, and a negative electrode 1126.

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 cladding layer 1121, the active layer 1122, the cladding layer 1123, and the contact layer 1124 are sequentially stacked on the substrate 111. The positive electrode 1125 is formed on the contact layer 1124. The negative electrode 1126 is formed on the back surface of the substrate 111.

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 clad layer 1121 is made of, for example, n-type Al 0.8 Ga 0.2 As. The active layer 1122 includes three well layers 220 and four barrier layers 221. The three well layers 220 and the four barrier layers 221 are alternately stacked. The well layer 220 is made of, for example, GaAs, and the barrier layer 221 is made of, for example, Al 0.2 Ga 0.8 As. That is, the active layer 1122 has a quantum well structure.

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 clad layer 1123 is made of, for example, p-type Al 0.8 Ga 0.2 As. The contact layer 1124 is made of, for example, p-type GaAs.

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 optical amplifier 112 laser-oscillates when current is injected from the positive electrode 1125 and the negative electrode 1126, emits laser light CW from one end face 112A, and emits laser light CCW from the other end face 112B.

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 optical amplifier 112 and the semiconductor waveguide 113 shown in FIG. The semiconductor waveguide 113 is composed of semiconductor layers 1131 to 1133. The semiconductor layer 1131 is made of, for example, n-type Al 0.8 Ga 0.2 As, the semiconductor layer 1132 is made of, for example, GaAs, and the semiconductor layer 1133 is, for example, p-type Al 0.8 Ga 0.2 As. Consists of.

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 semiconductor layer 1131 is formed over the substrate 111, the semiconductor layer 1132 is formed over the semiconductor layer 1131, and the semiconductor layer 1133 is formed over the semiconductor layer 1132. The semiconductor layer 1131 is provided in contact with the cladding layer 1121 of the semiconductor optical amplifier 112, the semiconductor layer 1132 is provided in contact with the active layer 1122 of the semiconductor optical amplifier 112, and the semiconductor layer 1133 is provided in the semiconductor optical amplifier 112. It is provided in contact with the cladding layer 1123. The semiconductor layer 1132 has a refractive index of n1, and each of the semiconductor layers 1131 and 1133 has a refractive index of n2 smaller than n1.

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 optical amplifier 112 oscillates laser light, emits the oscillated laser light as laser light CW from the end face 112A to the semiconductor layer 1132 in the semiconductor waveguide 113, and from the end face 112B as semiconductor laser 113 as the laser light CCW. The light is emitted to the inner semiconductor layer 1132. Then, since the semiconductor layers 1131 and 1133 having a refractive index lower than that of the semiconductor layer 1132 are provided above and below the semiconductor layer 1132, the laser beams CW and CCW emitted into the semiconductor layer 1132 are perpendicular to the substrate 111. Optically confined in any direction. Further, since the semiconductor waveguide 113 is in contact with air in the in-plane direction of the substrate 111, the laser beams CW and CCW emitted into the semiconductor layer 1132 are optically confined also in the in-plane direction of the substrate 111. Therefore, the laser beams CW and CCW emitted into the semiconductor layer 1132 are optically confined and propagate in the semiconductor waveguide 113.

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 semiconductor waveguide 114 shown in FIG. 10 has the same configuration as the semiconductor waveguide 113 shown in FIG.

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 semiconductor element 110 shown in FIG. The semiconductor optical amplifier 112 is disposed on a part of the circumference of the semiconductor waveguide 113, and the semiconductor waveguide 113 is disposed so as to be in contact with both end faces 112 </ b> A and 112 </ b> B of the semiconductor optical amplifier 112.

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 semiconductor waveguide 114 is terminated so that one end thereof is terminated by a terminator 1141 and is in contact with the semiconductor waveguide 113, and the other end is in contact with the photodetector 115. The contact portion between the semiconductor waveguide 113 and the semiconductor waveguide 114 functions as a coupler 116 that guides part of the laser light CW propagating through the semiconductor waveguide 113 to the semiconductor waveguide 114.

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 optical amplifier 112 oscillates the laser beams CW and CCW, emits the oscillated laser beam CW from the end surface 112A into the semiconductor waveguide 113, and oscillates the oscillated laser beam CCW from the end surface 112B into the semiconductor waveguide 113. Exit. In addition, the semiconductor optical amplifier 112 amplifies the laser light CW that propagates clockwise through the semiconductor waveguide 113 and is incident from the end face 112B, and emits the amplified laser light CW from the end face 112A into the semiconductor waveguide 113. To do. Further, the semiconductor optical amplifier 112 amplifies the laser light CCW that has been propagated counterclockwise in the semiconductor waveguide 113 and entered from the end face 112A, and the amplified laser light CCW enters the semiconductor waveguide 113 from the end face 112B. Exit.

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 semiconductor waveguide 113 propagates the laser light CW clockwise and propagates the laser light CCW counterclockwise.

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 semiconductor waveguide 114 propagates a part of the laser light CW propagating in the semiconductor waveguide 113 to the photodetector 115 as the laser light CW.

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 photodetector 115 detects the light intensity I CW of the laser light CW propagating through the semiconductor waveguide 114, detects the light intensity I CW , and outputs the light intensity I CW to the spectrum analyzer 6.
The semiconductor optical amplifier 112 can oscillate and amplify the laser light CW rotating clockwise and the laser light CCW rotating counterclockwise by connecting the semiconductor waveguide 113 to both ends. The amplifier 112 and the semiconductor waveguide 113 constitute a ring resonator type ring laser. That is, the ring laser including the semiconductor optical amplifier 112 and the semiconductor waveguide 113 is a laser including an activation region (semiconductor optical amplifier 112) and a passive region (semiconductor waveguide 113).

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 semiconductor element 110 shown in FIG. 9, respectively. FIG. 17 is a plan view of the semiconductor element 110 in the step (c) shown in FIG. 14 and the step (i) shown in FIG.

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 semiconductor element 110 is started, the semiconductor layers 121 to 124 are sequentially formed on the substrate 111 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The semiconductor layer 121 is made of n-type Al 0.8 Ga 0.2 As, the semiconductor layer 122 is made of a laminated structure in which GaAs and Al 0.2 Ga 0.8 As are alternately laminated, and the semiconductor layer 123 is made of P type Al 0.8 Ga 0.2 As, and the semiconductor layer 124 is made of p type GaAs (see FIG. 14A).

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 semiconductor layer 124, and the applied resist is patterned to form a resist pattern 120 on the semiconductor layer 124 (see FIG. 14B). In this case, the resist pattern 120 is a pattern that covers only a region where the semiconductor optical amplifier 112 is formed.

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 pattern 120 as a mask, and the resist pattern 120 is removed. As a result, the semiconductor optical amplifier 112, the semiconductor layer 1131 for the semiconductor waveguides 113 and 114, and the n-type Al 0.8 Ga 0.2 As for the photodetector 115 are formed on the substrate 111 (FIG. 14 ( c)).

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 optical amplifier 112 and the semiconductor layer 1131 for the semiconductor waveguides 113 and 114 are formed on the substrate 111 (see FIG. 17A).

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 semiconductor layer 130 made of GaAs is formed on the entire surface of the substrate 111 by MOCVD (see FIG. 15D). In this case, the thickness of the semiconductor layer 130 is substantially the same as the thickness of the active layer 1122.

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 pattern 140 is formed on the surface of the semiconductor layer 130 in a region where the semiconductor waveguides 113 and 114 and the photodetector 115 are formed (see FIG. 15E).

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 semiconductor layer 130 is etched using the resist pattern 140 as a mask, and the resist pattern 140 is removed. As a result, semiconductor optical amplifier 112, semiconductor layers 1131 and 1132 for semiconductor waveguides 113 and 114, and n-type Al 0.8 Ga 0.2 As / GaAs for photodetector 115 are formed on substrate 111 ( (Refer to (f) of FIG. 15).

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 semiconductor layer 150 made of p-type Al 0.8 Ga 0.2 As is formed on the entire surface of the substrate 111 by MOCVD (see FIG. 16G). In this case, the thickness of the semiconductor layer 150 is substantially the same as the thickness of the cladding layer 1123.

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 pattern 160 is formed on the surface of the semiconductor layer 150 in a region where the semiconductor waveguides 113 and 114 and the photodetector 115 are formed (see (h) of FIG. 16).

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 semiconductor layer 150 is etched using the resist pattern 160 as a mask, and the resist pattern 160 is removed. As a result, the semiconductor optical amplifier 112, the semiconductor layers 1131 to 1133 for the semiconductor waveguides 113 and 114, and the n-type Al 0.8 Ga 0.2 As / GaAs / p-type Al 0.8 Ga 0 for the photodetector 115. .2 As is formed on the substrate 111 (see (i) of FIG. 16). Then, the positive electrode 1125 is formed on the contact layer 1124, and the negative electrode 126 is formed on the back surface of the substrate 111 (see (i) of FIG. 16). Thus, the semiconductor element 110 is completed (see FIG. 17B).

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 semiconductor element 110, the semiconductor optical amplifier 112 is an active region, and the semiconductor waveguides 113 and 114 are passive regions. Therefore, the light intensity I CW of the laser beam CW propagating through the semiconductor waveguides 113 and 114 is expressed by the above-described equation (24), and changes depending on the beat signal frequency Δν.

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 optical gyro 10B, the rotational angular velocity can be detected by detecting the light intensity I CW of the laser light CW before superposition.

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 semiconductor waveguide 113 has a substantially circular shape. However, in the present invention, the semiconductor waveguide 113 is not limited thereto, and the semiconductor waveguide 113 has a polygonal shape such as a substantially triangular shape, a substantially rectangular shape, and a substantially pentagonal shape. You may have the shape of.

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 semiconductor element 110 may include a semiconductor waveguide that guides a part of the laser light CCW propagating through the semiconductor waveguide 113 to the photodetector 115 instead of the semiconductor waveguide 114.

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 optical gyro 10B shown in FIG.

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 optical gyros 10 and 10A using the semiconductor optical amplifier 1 and the optical fibers 2 and 4 will be described. In the second embodiment, the semiconductor optical amplifier 112 and the semiconductor waveguide 113 are described. The optical gyro 10B using the optical regions of the optical gyro 10B is generally described. The optical gyro according to the present invention generally includes an activation region for oscillating and amplifying the lasers CW and CCW, and laser beams CW and CCW from the activation region. A passive region that is rotated clockwise and counterclockwise, and any of laser light CW and CCW emitted from the activation region into the passive region when the activation region and the passive region are rotated in a predetermined plane. Detecting means for detecting the rotational angular velocities of the active region and the passive region based on the change frequency of the light intensity of one of the laser beams It may be one.

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 optical fibers 2 and 4 constitute a “waveguide”, and the semiconductor waveguides 113 and 114 constitute a “waveguide”.

また、無線装置60は、「送信装置」を構成する。   The wireless device 60 constitutes a “transmitting device”.

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 remote controller 70 constitutes a “receiving device”.

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.

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。It is the schematic which shows the structure of the optical gyro according to Embodiment 1 of this invention. 図1に示す半導体光アンプの平面図である。It is a top view of the semiconductor optical amplifier shown in FIG. 図1に示す結合器の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the coupler shown in FIG. ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the power and frequency of a beat signal. 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。It is a figure which shows the relationship between the frequency of a beat signal, and a rotation angular velocity. 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。It is the schematic which shows the structure of the other optical gyroscope by Embodiment 1. FIG. 図6に示す結合器の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the coupler shown in FIG. 図1に示す光ジャイロを用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the gyro system using the optical gyro shown in FIG. 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。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration of an optical gyro according to a second embodiment. 図9に示す半導体素子の斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of the semiconductor element shown in FIG. 9. 図10に示す半導体光アンプの断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor optical amplifier shown in FIG. 図10に示す半導体光アンプおよび半導体体導波路の一部の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of part of the semiconductor optical amplifier and the semiconductor waveguide shown in FIG. 10. 図9に示す半導体素子の平面図である。FIG. 10 is a plan view of the semiconductor element shown in FIG. 9. 図9に示す半導体素子の製造方法を示す第1の工程図である。FIG. 10 is a first process diagram showing a method of manufacturing the semiconductor element shown in FIG. 9. 図9に示す半導体素子の製造方法を示す第2の工程図である。FIG. 10 is a second process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor element illustrated in FIG. 9. 図9に示す半導体素子の製造方法を示す第3の工程図である。FIG. 10 is a third process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor element illustrated in FIG. 9. 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の平面図である。It is a top view of the semiconductor element in the process (c) shown in FIG. 14, and the process (i) shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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)

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、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リングレーザと、
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.
前記リングレーザは、
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.
前記導波路は、光ファイバからなる、請求項1または請求項2に記載の光ジャイロ。   The optical gyro according to claim 1, wherein the waveguide is made of an optical fiber. 前記導波路は、
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.
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活性化領域と、
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.
前記活性化領域は、半導体光アンプからなり、
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.
前記活性化領域および前記パッシブ領域は、同じ半導体基板上に形成される、請求項5または請求項6に記載の光ジャイロ。   The optical gyro according to claim 5 or 6, wherein the activation region and the passive region are formed on the same semiconductor substrate. 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と、
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.
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