JP2008197058A - リングレーザジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】小型・高精度なリングレーザジャイロを提供する。
【解決手段】リング状の光導波路共振器構造を有するリングレーザ５１、光導波路５２〜５５及び光検出器５６を基板５０上に有する。光導波路５２，５３はリングレーザ５１内を互いに反対回りに伝播する２つの発振光のそれぞれに方向性結合器６１を介して結合し、光導波路５４は光導波路５３と反射面６２を介して結合している。光導波路５５は光導波路５２，５４と結合し、それら光導波路５２，５４の伝播光の合波光が伝播する。光検出器５６はその合波光を検出するように基板５０上に集積される。
【選択図】図１

Description

この発明は光導波路型のリングレーザを用いる構造のリングレーザジャイロに関する。

図２はこの種のリングレーザジャイロの従来例として、特許文献１に記載されている構成を示したものであり、この例では基板（半導体基板）１０上に四角形状の光導波路共振器構造を有するリングレーザ１１が構成されている。リングレーザ１１の４隅には反射面１２が形成されており、そのうち２箇所の反射面１２には光出力面１３，１４が形成されている。光出力面１３はリングレーザ１１内を時計回りに伝播する光１５の一部を出力光１８として出射し、光出力面１４はリングレーザ１１内を反時計回りに伝播する光１６の一部を出力光１９として出射する。

これら２箇所の光出力面１３，１４から出射された出力光１８，１９は基板１０上に設けられた光検出器１７の位置において重ね合わされる。図２中、２２はリングレーザ１１に電流を流し、レーザ発振を生じさせるための電極を示し、２３は光検出器１７の電極を示す。

このような構成を有するリングレーザジャイロでは基板面に垂直な軸回りに回転角速度が入力すると、サニャック効果により入力角速度に応じたレーザ発振周波数差が時計回りに伝播する光１５と反時計回りに伝播する光１６との間に生じ、つまり２つの出力光１８，１９の間に周波数差が発生し、それら２つの出力光１８，１９の干渉によるビート周波数を光検出器１７によって検出することにより、入力回転角速度を検出することができるものとなっている。なお、２つの出力光１８，１９は図２に示した構成では空間を広がりながら伝播するものとなっている。

一方、図３は特許文献２に記載されているリングレーザジャイロの構成を示したものであり、この例では基板３０上に入力光導波路３１とリング状の光導波路共振器構造を有するリングレーザ３２とＵ字形の出力光導波路３３とが形成されている。入力光導波路３１とリングレーザ３２とは方向性結合器（カプラ）３４を介して結合されており、出力光導波路３３とリングレーザ３２とは方向性結合器３５を介して結合されている。

基板３０の外にはレーザダイオード３６及び光検出器３７が配置され、レーザダイオード３６と入力光導波路３１とは光ファイバ３８を介して接続されている。また、出力光導波路３３の２つの脚部３３ａ，３３ｂには光ファイバ４１，４２が接続されている。なお、図３中、４３は信号プロセッサを示し、４４，４５は位相変調器を示す。

この構成ではレーザダイオード３６から出射された光は光ファイバ３８を介して入力光導波路３１に入力され、入力光導波路３１を伝播する光が方向性結合器３４を介してリングレーザ３２に結合される。これにより、リングレーザ３２内に時計回り、反時計回りに伝播する２つのレーザ発振光が生じ、それら２つの発振光のそれぞれ一部が方向性結合器３５を介して出力光導波路３３の脚部３３ａ，３３ｂにそれぞれ結合される。光ファイバ４１，４２は両脚部３３ａ，３３ｂからの光を光検出器３７に導き、光検出器３７はそれら２つの光の干渉光を電気信号として検出し、その検出出力より入力回転角速度が検知されるものとなっている。なお、位相変調器４４，４５は周波数ロック及び単一方向レーザ発振を防止すべく、機能する。
特許第３２２１５７６号公報 特表平９−５００７２０号公報

しかるに、図２に示した構成のリングレーザジャイロでは２箇所の光出力面１３，１４から出射する出力光１８，１９を重ね合わせるためには相応の距離が必要であり、つまり光出力面１３，１４と光検出器１７との間に相応の距離が必要であり、その分基板１０が大型化し、リングレーザジャイロの小型化が制限されるものとなっていた。

また、出力光１８，１９が空間伝播中に基板１０の表面にて散乱される可能性があり、検出されるビートがなまってしまうために検出誤差が生じ、高精度の角速度測定を行えないといった問題もある。

このような問題を解消するためには光出力面１３，１４から出射する出力光１８，１９がより短かい距離で効率よく重なり合うようにすべく、出力光１８，１９の基板面内方向の広がり角を大きくする必要があり、一方基板面垂直方向では出力光１８，１９の広がり角を小さくする必要がある。そのためには、例えば光出力面１３，１４を単なる平面ではなく、所定の曲率を有する面としたり、リングレーザ１１の光導波路断面を幅の狭い高アスペクト比構造とするといったことが考えられるが、このような構成の採用はリングレーザジャイロの作製の難易度が増すことになる。加えて、光出力面１３，１４を単なる平面ではない構造とすると、光出力面１３，１４における後方散乱が生じ、結果として角速度測定精度が低下するといった状況が生じうる。

一方、図３に示した構成のリングレーザジャイロではリングレーザ３２内の時計回り、反時計回りの２つの発振光を方向性結合器３５を介して取り出すように光導波路が構成されており、基板３０自体は図２における基板１０よりも小型化が可能であるものの、例えば光検出器３７は基板３０の外部に配置されており、その点で集積化が不十分であって、リングレーザジャイロ全体として小型化が制限されるものとなっていた。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、小型化でき、かつ回転角速度を高精度に検出することができるリングレーザジャイロを提供することにある。

請求項１の発明によれば、リング状の光導波路共振器構造を有するリングレーザ、そのリングレーザに結合する光導波路及び光検出器を基板上に有し、基板面に垂直な軸回りの回転角速度を検出するリングレーザジャイロは、基板上に、リングレーザ内を互いに反対回りに伝播する２つの発振光のそれぞれに同一の方向性結合器を介してそれぞれ結合する第１及び第２の光導波路と、その第２の光導波路と反射面を介して結合する第３の光導波路と、その第３の光導波路と第１の光導波路とに結合し、それら第１及び第３の光導波路の伝播光の合波光が伝播する第４の光導波路とが形成され、光検出器は第４の光導波路を伝播する合波光を検出するように基板上に集積される。
請求項２の発明では請求項１の発明において、反射面に基板の劈開面を用いる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、基板が化合物半導体で構成され、リングレーザはリング状の光導波路共振器構造に電流注入電極を具備してなる半導体リングレーザとされる。

この発明によれば、小型化を図ることができ、かつ回転角速度を高精度に検出することができるリングレーザジャイロを実現することができ、例えば携帯端末や輸送機械、入力デバイス等の用途に用いて好適なリングレーザジャイロを提供することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるリングレーザジャイロの一実施例の構成を示したものであり、この例では化合物半導体よりなる基板５０上にリング状の光導波路共振器構造を有するリングレーザ５１と、第１〜第４の光導波路５２〜５５と、光検出器５６とを有する構造となっており、リングレーザ５１はリング状の光導波路共振器構造に電流を注入するための電極５７を具備してなる半導体リングレーザとされている。図１中、５８は光検出器５６の電極を示す。また、矢印は光の進行方向を示す。

基板（化合物半導体基板）５０は例えばＩｎＰ基板とされ、リングレーザ５１はこのＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓＰ結晶による利得導波路にて構成される。

第１の光導波路５２と第２の光導波路５３とは互いに連結されて、その連結部がリングレーザ５１の一部に近接平行配置されており、この連結部によってリングレーザ５１より光を取り出すための方向性結合器６１が構成されている。

第１の光導波路５２と第２の光導波路５３とは連結部（方向性結合器６１）から互いに反対方向に延伸されており、第１の光導波路５２は第４の光導波路５５に至り、第２の光導波路５３は基板５０の端面に至る。第３の光導波路５４は基板５０の端面に構成された反射面６２を介して第２の光導波路５３と結合されており、他端は第４の光導波路５５に結合されている。第１の光導波路５２と第３の光導波路５４とが結合された第４の光導波路５５は図１に示したように、光検出器５６に至るものとされる。

これら第１〜第４の光導波路５２〜５５もリングレーザ５１と同様、基板５０上にエピタキシャル成長した結晶により構成することができる。このようにエピタキシャル成長による光導波路を基板５０上に構成することにより、反射面６２として完全に平坦な面である基板劈開面を用いることができるので、反射面６２における散乱の防止という点で好ましい。なお、反射面６２にはこの例では高反射コーティングを施してある。

上記のような構成を有するリングレーザジャイロではリングレーザ５１内で励起され、互いに反対回り（時計回り、反時計回り）に伝播する２つの発振光のそれぞれ一部は方向性結合器６１によって取り出されてそれぞれ第１及び第２の光導波路５２，５３に結合され、第２の光導波路５３を伝播する光は反射面６２で反射され、第３の光導波路５４を伝播して第４の光導波路５５に至り、第４の光導波路５５において第１の光導波路５２の伝播光と合波されて、合波光が光検出器５６に入射される。

リングレーザ５１内を互いに反対回りに伝播する２つの発振光はこのようにして最終的に第４の光導波路５５によって合波されて光検出器５６に入射され、よって基板面に垂直な軸回りに回転角速度が入力した時にサニャック効果により生じる両発振光の周波数差により生じる合波光のビート周波数を光検出器５６によって検出することにより入力回転角速度を検出することができる。

以上説明したように、この例によればリングレーザ５１からの光取り出しは方向性結合器６１によって行われ、取り出された２方向の光は導波路中を伝播し、そのうち一方は反射により方向を変えた後に、それら２方向の光が合波されて、基板５０上に集積された光検出器５６に入射する構造となっている。

従って、図２や図３に示した従来のリングレーザジャイロに比し、この例によればリングレーザジャイロ全体を極めて小型に構成することができる。また、光検出器５６に至る光は光導波路を伝播する構成のため、図２に示した従来例のような散乱は発生せず、結果として回転角速度を高精度に検出することができる。

なお、上述した例では第１〜第４の光導波路５２〜５５をリングレーザ５１と同様、エピタキシャル成長により形成するものとしているが、リングレーザ５１以外の光導波路はポリマー塗布によって作製しても良く、またＳＯＧ（Spin on glass）の手法によってポリマーや酸化物によって作製してもよい。この場合、第２の光導波路５３と第３の光導波路５４とを結合するための反射面はドライエッチングなどの手法により形成することとなる。

また、上述した例ではリングレーザ５１は半導体リングレーザとしているが、これに限るものではなく、この発明は光学結晶その他の固体基板導波路に利得媒質を有して形成され、別途の光源のポンピング光その他のエネルギ源でポンピングされるリングレーザ、その他あらゆる形式の基板導波路型のリングレーザを利用してなるリングレーザジャイロに適用することができる。

この発明によるリングレーザジャイロの一実施例を示す平面図。 リングレーザジャイロの従来構成の一例を示す平面図。 リングレーザジャイロの従来構成の他の例を示す平面図。

Claims (3)

1. リング状の光導波路共振器構造を有するリングレーザ、そのリングレーザに結合する光導波路及び光検出器を基板上に有し、基板面に垂直な軸回りの回転角速度を検出するリングレーザジャイロであって、
   前記基板上に、前記リングレーザ内を互いに反対回りに伝播する２つの発振光のそれぞれに同一の方向性結合器を介してそれぞれ結合する第１及び第２の光導波路と、その第２の光導波路と反射面を介して結合する第３の光導波路と、その第３の光導波路と前記第１の光導波路とに結合し、それら第１及び第３の光導波路の伝播光の合波光が伝播する第４の光導波路とが形成され、
   前記光検出器は前記第４の光導波路を伝播する前記合波光を検出するように前記基板上に集積されていることを特徴とするリングレーザジャイロ。
2. 請求項１記載のリングレーザジャイロにおいて、
   前記反射面に前記基板の劈開面を用いることを特徴とするリングレーザジャイロ。
3. 請求項１又は２記載のリングレーザジャイロにおいて、
   前記基板は化合物半導体で構成され、
   前記リングレーザは前記リング状の光導波路共振器構造に電流注入電極を具備してなる半導体リングレーザであることを特徴とするリングレーザジャイロ。

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