JP2009036650A - 半導体リングレーザジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで生産性が高く、外乱による計測精度への影響が小さく、さらに計測精度が安定した半導体リングレーザジャイロを得る。
【解決手段】リング共振構造を有する半導体リングレーザジャイロにおいて、励起源として、発光領域の幅が発振波長の１０倍以上である半導体レーザ素子、あるいは発光領域のアスペクト比が１：１０以上である半導体レーザ素子を利用し、集光レンズに要求される光学特性を緩和し、また反射部材の光軸精度の許容範囲を確保する。これにより、低コストで生産性が高く、外乱による計測精度への影響が小さく、さらに計測精度が安定した半導体リングレーザジャイロを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを光源に用いた半導体リングレーザジャイロに関し、特に光源である半導体レーザで生成されるレーザ光のビーム形状に特徴を有する構成に関する。

従来、物体の角速度を計測する手段の一つとして、ジャイロスコープが知られている。その中でも、サニャック効果を利用して角速度を計測するリングレーザジャイロは、高精度な計測を行うことができることから、航空機やロケットの分野を中心に多用されている。このリングレーザジャイロを構成するレーザ光源は、主にＨｅ−Ｎｅガスが利用されているが、近年では、装置の小型化や低消費電力化に有利な半導体レーザの適用が試みられている（例えば、特許文献１〜３）。この半導体レーザを用いたリングレーザジャイロ（以下半導体リングレーザジャイロと称する）は、従来の回転体を利用したジャイロに比較して、小型軽量化でき、さらに低消費電力化できるといった点で優れている。また、電子的に動作し、機構部品を用いないので、従来のジャイロに比較して低コスト化を計ることができ、また高信頼性であるという優位性もある。

図７は、従来の半導体リングレーザジャイロの一例を示す上面図である。図７に示す半導体リングレーザジャイロは、シリコン基板上に搭載された半導体レーザ３０、４つのミラー３１〜３４、干渉光（ビート光）取出用ミラー３５および３６から構成されている。半導体レーザ３０は、両端面に反射防止膜が形成され、両端から光を出力する（特許文献３参照）。半導体レーザ３０の両端面からの出力光は、４つのミラー３１〜３４により右回りと左回りにつつみ状に周回し、半導体レーザ３０の他端面に入射する。この光周回路はリング共振器として機能し、半導体レーザ３０は両端面からレーザ発振する。４つのミラー３１〜３４は、シリコン基板の異方性エッチング（シリコンマイクロマシーニング技術）により形成され、金属膜または誘電体多層膜が成膜されている（特許文献２の段落００３７参照）。また、４つのミラー３１〜３４のうち少なくとも一つは、ビート光取出用ミラー３５および３６に光の一部を導くための透過ミラーとして機能する。

この半導体リングレーザジャイロによれば、シリコン基板の法線を回転軸（感度軸）として物体が回転すると、サニャック効果により右回りと左回りの光の光路差が生じ、発振周波数の差に基づくビート信号が検出される。このビート信号の周波数から角速度が算出される（特許文献３の段落００１５参照）。

特開２００１−５０７５３号公報 特開２００３−１３９５３９号公報 特開２００６−３１９１０４号公報

上述のシリコンマイクロマシーニング技術を応用した半導体リングレーザジャイロは、複数のミラーを高い位置決め精度で作成できる点で優れている。しかしながら、シリコンマイクロマシーニング技術は、半導体製造装置や専用のクリーンルーム設備を必要とし、製造コストが高くなる。また、シリコン基板は、薄く強度が足りないので、そのままジャイロ本体として利用することはできず、それを支持する基板（通常はガラス基板が利用される）に接合する必要がある。この接合として、陽極接合が用いられるが、陽極接合には、高価な製造装置が必要となる。

また、シリコンの反射率は波長依存性が大きいため、使用可能な半導体レーザの波長が制約される。また、所定の波長に対する反射率を大きくするため、ミラーに反射膜を成膜する方法も採り得るが、シリコン基板上で垂直に隆起するエッチング面に反射膜として金属膜または誘電体多層膜を均一に成膜させるには、コストや生産性の点で不利な高度の成膜技術が必要となる。

図７に示す構造ではなく、反射面を通常のミラーで構成する構造は、低コスト化を計れるが、ミラーの光軸合わせが必要となる。特にミラーの光周回路面に垂直な軸回りの角度合わせは、レーザ発振状態が安定して生じるように調整する必要があるので、そのための作業が必要となる。しかしながら、この作業は、クリチカルな調整を必要とする。そのため、生産性が悪く、製造コストが高くなる。

また、リングレーザジャイロは、回転速度を計測する装置であるから、衝撃、加速度あるいは振動等の外乱が加わる環境下で利用される。しかしながら、このような環境下では、上記反射ミラーの光軸ずれが発生し易い。特にミラーの光周回路面内の角度設定は、上述したように調整が可能な構造であり、外乱による影響を受け易い。なお、光周回路面に垂直な面内における軸合わせは、部品精度によって確保できるので、上述した調整時の問題は発生せず、また外乱にも強い構造とすることができる。

ところで、リングレーザジャイロは、周回した閉じた光路が共振器となるため、その光路中に半導体レーザ素子が置かれる。つまり、半導体レーザ素子内で共振器が完結せず、周回する光路全体が共振器であり、その一部に半導体レーザ素子が挿入された状態となる。一方、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光は、放射状に出射し、平行光でない。したがって、そのままでは、周回した閉じた光路における共振（リング共振）を発生させることはできない。そのため、半導体レーザから出射するレーザ光をビーム成形し、平行光とするためのレンズ系が必要となる。

一方、半導体リングレーザジャイロに利用される半導体レーザ素子（半導体レーザチップ）は、低消費電力が要求される関係で発光領域の幅の狭い半導体レーザ素子が利用される。一般に、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光は、発光領域の幅が波長の３倍程度（例えば、波長が１μｍの場合に、発光領域の幅が３μｍ程度）以下のものが選択される。

発光領域の幅が波長の３倍程度以下の半導体レーザ素子を用いた場合、上述の平行光を得るための光学系として、焦点距離が短く、且つ収差の小さい集光レンズを採用する必要がある。しかしながら、発光領域の幅が波長の３倍程度以下の光を短い焦点距離で、且つ低収差で平行光にするレンズは、高コストであり、装置全体の価格を押し上げる要因となる。

またこの場合、集光レンズの焦点距離が短いので、高い精度での光軸合わせが必要となる。半導体リングレーザジャイロでは、半導体レーザ素子の一端から出力されたレーザ光を、光周回路を周回させた後に、他端から入射させることで、光路全体を共振器としたレーザ共振を発生させる。したがって、半導体レーザ素子の両端に配置される集光レンズの光軸合わせは、確実なレーザ発振を行わせるために重要である。しかしながら、上述した短い焦点距離の集光レンズを用いた場合、集光レンズの光軸調整が微妙なものとなり、そのための手間がかかる。そのため、生産性が悪く、製造コストが増大する。また、光軸調整が微妙であるが故に、外乱の影響を受け易くなる。

また、リングレーザジャイロは、ロックイン現象を防止する手段の一つとして、ビート周波数よりも高い周波数でリングレーザジャイロを感度軸に対して振動（ディザリング）させる方法が採用されているが、このディザリングによっても光軸ずれが発生する虞がある。

光軸ずれが発生すると、共鳴条件が不安定になり、レーザ発振が不安定になる、さらにはレーザ発振が停止する等の問題が発生する。レーザ発振が不安定になると、計測精度に悪影響が出、またレーザ発振が停止すれば、角速度の計測が行えなくなる。

そこで本発明は、低コストで生産性が高く、外乱による計測精度への影響が小さく、さらに計測精度が安定した半導体リングレーザジャイロを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、周回する閉じた光路と、前記光路を構成する複数の反射部材と、前記光路上に配置され、両端面からレーザ光を出力し、発光領域の幅が前記レーザ光の波長の１０倍以上である半導体レーザ素子と、前記両端面から出力するレーザ光のビーム成形を行う一対の光学系とを備えることを特徴とする半導体リングレーザジャイロである。

請求項１に記載の発明によれば、半導体レーザ素子として、発光領域が発光する波長に対して１０倍以上の幅を有するものが利用される。発光領域の幅を波長に対して１０倍以上とすることで、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光のビーム成形を行う光学系のレンズに要求される焦点距離と収差に関する要求値が緩和される。このため、当該光学系に要するコストを抑えることができる。例えば、コリメータレンズとして、波面収差の大きい安価なボールレンズや樹脂レンズを採用することができ、レンズ系が占めるコストを抑えることができる。

また、光路を周回する光束の幅が波長に比較して十分に大きな値（数十倍以上）となるので、要求される光軸調整の精度が緩和される。このため、組み立て時におけるレンズや反射部材の調整作業が容易となる。また、光軸ずれの許容範囲が広がるので、外乱の影響を受け難くすることができる。特に光学系に用いられるレンズの焦点距離を無闇に短くする必要がないので、光学系の光軸調整の手間が緩和され、また外乱時に発生する当該光学系の光軸ずれの許容値を大きく確保することができる。

また、本発明では、幅広のビームを出力する半導体レーザ素子を利用しても当該半導体レーザ素子を通常の半導体レーザ素子として利用する場合（例えば、通信用途に利用する場合等）に比較して、低い消費電力で利用することができる。このため、装置全体の消費電力の上昇、半導体レーザ素子や電源の発熱、大電流を扱うことに起因する部品コストの上昇といった問題の発生を抑えることができる。

以下、この通常の利用法に比較して低消費電力化できる理由を説明する。すなわち、レーザジャイロでは、光周回路全体を共振器として共振させることで、レーザ発振を発生させる。この際、光周回路外に出力されるのは、互いに逆回りに周回する光の干渉を計測するための観測光だけである。この観測光は、２つのレーザ光の干渉を計測できればよいので、微弱でよい。そのため、半導体レーザ素子を含めた光周回路内での光の損失は、通常のレーザ共振器よりも低くなる。

これに対して、通常のレーザ共振器は、反射部材間でレーザ共振を起こさせ、生成したレーザ光の一部を一方の反射部材のハーフミラー特性を利用して外部に取り出し、それを所定の用途に利用する。この際、この共振器外に取り出したレーザ光のエネルギーは、共振器の損失となる。したがって、レーザ共振器の損失は、ある程度高くせざるを得ない。

本発明の利用法による半導体レーザ素子においては、共振器の外部に取り出すのは、干渉により生じるビート光を検出できる程度の光であるので、この共振器内の損失を低く抑えることができる。このため、レーザ発振を起こすために必要な注入電流の閾値を、通常の利用法に比較して低くすることができ、消費電力を抑えることができる。

なお、発光領域の幅が半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長の１０倍を下回ると、光学系の集光レンズとして、コスト高となる短焦点距離で低収差なものを用いる必要性が出てくるので、好ましくない。また、光軸ずれの許容範囲が狭くなり、調整の手間の増大、外乱に対する耐性の低下が顕著になる。より好ましい発光領域の幅は、出力されるレーザ光の波長の３０〜１００倍の範囲である。この範囲を超えると、半導体レーザ素子の消費電力が増大し、また発熱問題が顕在化する。また、この範囲を超えた発光領域の幅としても、調整の容易性や外乱に対する耐性は向上しない。

請求項２に記載の発明は、周回する閉じた光路と、前記光路を構成する複数の反射部材と、前記光路上に配置され、両端面からレーザ光を出力し、前記両端面における発光領域のアスペクト比が１：１０以上である半導体レーザ素子と、前記両端面から出力されるレーザ光のビーム成形を行う一対の光学系とを備えることを特徴とする半導体リングレーザジャイロである。

請求項２に記載の発明によれば、厚みと幅の比率が、１：１０以上となる幅広の帯状（リボン状）のレーザビームが半導体レーザ素子から出力される。このため、請求項１に記載の発明と同様な作用効果を得ることができる。発光領域のアスペクト比が、１：１０を下回ると、請求項１に関して述べたのと同様の理由により、発明の効果が得られず好ましくない。より好ましい発光領域のアスペクト比は、１：３０〜１：１００の範囲である。また、この範囲を超えると、消費電力が増加し、また発光領域の幅を広くする効果が得られなくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、半導体レーザ素子の発光領域の幅がレーザ光の波長の１０倍以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、周回する閉じた光路は、平面内に形成され、半導体レーザ素子の両端面から出力されるレーザ光の幅の広い方向が、前記平面に平行であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、光軸合わせおよび光軸ずれが問題となる光周回路面内における光軸合わせの精度が緩和される。すなわち、発光領域が幅広となる方向を、光周回路面に一致させることで、光周回路面内における光軸の合わせの精度に余裕ができる。このため、光周回路面内における光軸合わせの作業がより容易となる。また、安定したレーザ発振のための、外乱に起因する光周回路面内における光軸ずれの許容範囲を大きく確保することができる。そのため、外乱の影響を受け難い半導体リングレーザジャイロを得ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、光学系が樹脂レンズまたはホールレンズにより構成されていることを特徴とする。請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明によれば、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を平行光にする集光レンズ（一般にコリメートレンズと称する）には、収差がある程度許容される。これは、集光レンズに長焦点距離のものを利用できるので、平行光を得る光学機能、および平行光を集光する光学機能に及ぶ収差の影響が相対的に小さくなるからである。この理由により、安価であるが収差の点で不利となる樹脂レンズやボールレンズを利用しても、リング共振に悪影響を与えない光学系を構成することができる。このため、レンズ系に必要なコストを下げることができる。

本発明によれば、低コストで生産性が高く、外乱による計測精度への影響が小さく、さらに計測精度が安定した半導体リングレーザジャイロを得ることができる。

以下、本発明を利用した半導体リングレーザジャイロの一例を説明する。
（１）第１の実施形態
（第１の実施形態の構成）
図１は、本発明を利用した半導体リングレーザジャイロの一例を示す斜視図であり、図２はその上面図である。図１には、半導体リングレーザジャイロ１が示されている。半導体リングレーザジャイロ１は、半導体レーザ素子２、駆動電源３、２つのコリメータレンズ４および５、２つの直角プリズム６および７、台形プリズム８、透過ミラー９、ビーム合波プリズム１０、受光部１１、信号処理部１２を備えている。

半導体レーザ素子２としては、固体レーザ励起用として開発された発振波長が８００ｎｍ帯（近赤外）のものや、光通信用途として開発された発振波長が１４８０ｎｍ帯（赤外光）の発振素子を利用することができる。例えば、半導体レーザ素子２は、可視光、赤外光などの波長の光を発光するＡｌＧａＡｓ系、ＧａＡｓ系の材料で形成される。半導体レーザ素子２は、一般的なダブルへテロ構造のｎ型クラッド層／活性層／ｐ型クラッド層、および電極を備え、活性層の両端面には反射防止膜が成膜されている。

図３は、半導体レーザ素子２の一例を示す概念図である。図３に示す半導体レーザ素子２は、ｎ型のＧａＡｓ基板２０１を利用して構成されている。ＧａＡｓ基板２０１の下面には、負電極２０２が設けられている。負電極２０２は、適当な金属膜により構成されている。ＧａＡｓ基板２０１上には、ＧａＡｓ基板２０１より強いｎ型とされたｎ^＋型のクラッド層２０３が設けられ、その上に導電型がｉまたはｎ⁻型の活性層２０４が設けられ、さらにその上にｐ型のクラッド層２０５が設けられている。各層は、各種の一導電型を付与する不純物のドーピング手法や成膜手法により形成される。

クラッド層２０５上には、酸化膜等の絶縁膜２０６および２０７が、距離Ｗｓを隔てて設けられている。活性層２０４、絶縁膜２０６および絶縁膜２０７を覆って、正電極２０８が設けられている。正電極２０８は適当な金属材料の薄膜で構成されている。また、正電極２０８には、配線ワイヤ２１０が接続されている。

正電極２０８と負電極２０２との間に電圧を加えると、活性層２０４に電子と正孔が注入され、それらが再結合する。この際、光子が誘導放出され、発光領域２１１から図のＹ軸の正負２方向に光が出力される。この出力光が後述する閉じた光路を周回することにより、他方の出力側に入力し、この際、所定の共振条件が満足されることで、レーザ発振が生じる。

ちなみに、通常の半導体レーザ素子では、半導体レーザ素子２のＹ軸方向の長さ（この長さを共振器長という）を当該発光波長での共振が発生する光学的な長さとし、また活性層２０４の端面の一方に内側への反射面を形成し、他方の端面に所定の割合で透過特性を有するやはり内側への反射面を形成する。そして、これら反射面間を、発光した光が往復し、共振状態となることで、活性層２０４における上記誘導放出が継続的に生じ、雪崩的に放出光量が増加する。これにより、レーザ発振が生じる。

発光領域２１１の幅Ｗｏ（活性層２０４に沿った方向の寸法）は、Ｗｓの幅とほぼ同じとなる。また、その高さｈは、活性層２０４の厚みよりもやや厚くなる。この例では、Ｗｏが５０μｍであり、ｈが１μｍである。つまり、発光領域のアスペクト比は、１：５０である。また、Ｗｏの方向は、光周回路の面（図１〜３のＸ−Ｙ平面）に沿う方向に一致させている。

発光領域２１１の端面には、図示省略した反射防止膜が形成されている。この反射防止膜は、半導体レーザ素子２の活性層２０４の屈折率、相性などが考慮された金属膜または誘電体多層膜で形成され、反射率は中心発振波長においてほぼ０％にされている。

幅広の発光領域を有する半導体レーザ素子の構造としては、接合方向に光が広がるのを抑え、動作電流を下げるために開発された構造のものを利用することができる。具体的には、プレーナストライプ型、メサストライプ型、横接合ストライプ型、ヘテロアイソレーションストライプ型、埋め込みヘテロストライプ型、ネイティブオキサイドストライプ型といった構造を備えた半導体レーザ素子を利用することができる。

図１に戻り、半導体レーザ素子２の電極には駆動電源３が接続される。コリメータレンズ４および５は、集光レンズとして機能するレンズであり、プラスチックなどの透明樹脂（例えば、熱可塑性樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等）材料で形成された平凸レンズである。コリメータレンズ４および５は、半導体レーザ素子２の出射軸方向の前後に配置される。半導体レーザ素子２から相反する２方向に出射された光の一方は、コリメータレンズ４により集光されて平行光とされ、直角プリズム６に入射する。また、他方の出射光は、コリメータレンズ５により集光されて平行光とされ、直角プリズム７に入射する。なお、コリメータレンズ４または５は、直角プリズム６または７に接合される態様でもよく、直角プリズム６または７の入射面を非球面形状に切削した一体型の態様でもよい。この態様によれば、コリメータレンズ４および５を固定するマウント機構が不要となり、ロックイン現象防止用のディザリングなどの外乱に対する影響が小さくなる。

直角プリズム６および７は、光周回路を構成する反射部材として機能するもので、半導体レーザ素子２の出射軸方向の前後に配置される。直角プリズム６の反射面６ａ、さらに直角プリズム７の反射面７ａは、図２に示すように、半導体レーザ素子２の出射軸に対して４５度傾斜している。また、直角プリズム６の反射面６ａと直角プリズム７の反射面７ａは、半導体レーザ素子２を中心に対象に配置されている。直角プリズム６には、コリメータレンズ４からの平行光が入射し、この入射光は、反射面６ａで反射角４５°で内部反射されて、直角プリズム６の外部に出力される。また、直角プリズム７には、コリメータレンズ５からの平行光が入射し、この入射光は、反射面７ａで反射角４５°で内部反射されて、直角プリズム７の外部に出力される。これら直角プリズム６および７から出射した光は、台形プリズム８に入射する。なお、空気の屈折率を１とすると、直角プリズム６および７の屈折率ｎは、スネルの法則により以下の数１の式から約１．４以上となる。

台形プリズム８は、光周回路を構成する反射部材として機能するもので、２つの直角プリズム６および７に対向して配置される。台形プリズム８の２つの反射面８ａおよび８ｂは、直角プリズム６および７からの出射軸に対して４５度傾斜し、直角プリズム６の反射面６ａおよび直角プリズム７の反射面７ａと各々対称に配置される。台形プリズム８には、直角プリズム６および７からの出射光が入射し、各入射光は、反射面８ａ、８ｂにおいて反射角４５度で２回内部反射されて、台形プリズム８外に出力される。よって、台形プリズム８の屈折率ｎも、上記の数１の式から約１．４以上となる。

半導体リングレーザジャイロ１の光周回路は、上述の２つの直角プリズム６および７と、台形プリズム８の内部反射を利用した四角形状の閉じた光路構造により構成される。この光路構造によれば、半導体レーザ２からＹ軸の正方向に出力された光は、コリメータレンズ４→直角プリズム６→台形プリズム８→直角プリズム７→コリメータレンズ５と周回し、半導体レーザ２に戻る。また、半導体レーザ２からＹ軸の負方向に出力された光は、コリメータレンズ５→直角プリズム７→台形プリズム８→直角プリズム６→コリメータレンズ４と周回し、半導体レーザ２に戻る。この光の周回により、半導体レーザ素子２内で継続的な電子の誘導放出が誘発され、光路全体を共振器（つまりリング共振器）としたレーザ発振が行われる。

透過ミラー９は、高屈折率膜Ｈと低屈折率膜Ｌを交互に重ねた誘電体多層膜（例えば、Ｈ：ＴｉＯ_２、Ｌ：ＳｉＯ_２）または金属膜（Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ等）などで形成された一部透過膜または半透過膜（ハーフミラー）である。透過ミラー９は、光周回路を形成する直角プリズム６、７または台形プリズム８の反射面のいずれかに成膜される。この例において、透過ミラー９は、図１および図２に示すように、直角プリズム７の反射面７ａに成膜されている。

上記のレーザ発振の状態において、光周回路を右回りに周回するＣＷ光と左回りに周回するＣＣＷ光の一部が反射面７ａを透過する。透過ミラー９は、後述する受光部１１において、ＣＷ光とＣＣＷ光のビート光が検出できる程度の透過率とする。なお、透過した２つの光はビーム合波プリズム１０に入射する。

ビーム合波プリズム１０は、光周回路を形成する直角プリズム６、直角プリズム７または台形プリズム８のいずれかの反射面に透過ミラー９を介して接合される。この例において、ビーム合波プリズム１０は、透過ミラー９が成膜された直角プリズム７の反射面７ａに接合される。ビーム合波プリズム１０は、入射したＣＷ光とＣＣＷ光を内部反射させ、ＣＷ光とＣＣＷ光の出射軸を合致させる機能を有する。この機能により、ＣＷ光とＣＣＷ光の合成波、すなわち干渉光（ビート光）が取り出される。ＣＷ光とＣＣＷ光のビート光は受光部１１に入射する。

受光部１１は、ビーム合波プリズム１０が出射する出射軸上に配置され、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトＩＣなどで構成される。受光部１１は、ビーム合波プリズム１０から出射したビート光を受光して光量を電流値に変換する。また、電流はオペアンプにより適宜増幅され、可変抵抗等を介して電圧値に変換される。電圧値は、図示省略するコンパレータにより基準電圧値と比較され、０または１のパルス信号（ビート信号）に変換される。

信号処理部１２は、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ、ＲＯＭに記憶されたプログラムに基づいて演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラムおよびデータを一時的に記憶するＲＡＭ、パルス信号のクロック数を計測するカウンタ、およびクロック発振器などから構成されるマイクロコンピュータである。信号処理部１２には、受光部１１からのビート信号が入力され、内蔵するカウンタにおいてビート信号のクロック数（ビート周波数）が計測させる。信号処理部１２は、以下の数２に基づいて計測したビート周波数△ｆから角速度Ωを算出する。なお、数２において、Ａはリング共振器の光周回路が囲む面積、Ｌは光周回路長、λはリング共振器の発振波長である。こうして、半導体リングレーザジャイロ１は、物体が回転したときに生じるサニャック効果（ＣＷ光とＣＣＷ光との光路差）を利用して、物体の回転角速度を検出する。

なお、数２は、原理式であり、実際には、パラメータＡやＬは、光路中に存在する部材の屈折率等の影響を考慮した値、あるいはその影響を反映した値が採用される。この補正は、解析的あるいは実験的に求めた補正値や補正関数を信号処理部１２内のＲＯＭに格納しておき、それを用いて行われる。

（第１の実施形態の動作）
図１に示す駆動電源３から、図３に示す半導体レーザ素子２の正電極２０８と負電極２０２との間に電圧が印加されると、半導体レーザ素子２の活性層２０３から光子が誘導放出される。誘導放出された光は、活性層３両端面の発光領域（その一方は、符号２１１で図示）から出力される。半導体レーザ素子２の一方の端面からの出射光は、光周回路を周回して他方の端面の活性層内に入射し、新たに光子を誘導放出する。この現象が両方の周回方向において継続的に生じることで、半導体レーザ素子２を励起源とした光によるレーザ発振が発生する。

このレーザ発振状態において、ＣＷ光とＣＣＷ光とがビーム合波プリズム１０で合成されて出力され、それが受光部１１で受光される。半導体リングレーザジャイロ１が図２に示すように角速度Ωの回転（またはその逆の回転）をすると、サニャック効果により、ＣＷ光とＣＣＷ光の周波数に差が生じ、それがビート信号として受光部１１から出力される。このビート信号に基づいて信号処理部１２において、上記数２に基づく演算が行われ、角速度Ωが検出される。また、ビート周波数の変化の方向を計測することで、回転方向に関する情報が得られる。

（第１の実施形態の優位性）
以下、第１の実施形態の優位性について述べる。この例では、図３に示す発光領域Ｗｏの幅が５０μｍであり、また発光領域２１１のアスペクト比が大きく、幅広のビーム形状とされている。このため、平行光を得るためのコリメータレンズ４および５の焦点距離を極端に短くする必要がなく、また収差に対する要求値も緩和されている。

図４は、集光レンズの光学特性を説明する概念図である。集光レンズの光学特性を示すパラメータとしてＮＡ値がある。ＮＡ値が大きい程、集光レンズの焦点距離を短くしなくてはならず、収差の点で不利となる。すなわち、レンズのＮＡ値を小さくすると、収差が増大する傾向があり、収差を抑えた状態でＮＡ値を大きくするのは困難となる。特にこの傾向は、Ｗの寸法が数波長程度以下となると顕著になる。収差を抑えた状態でＮＡ値を大きくしたレンズ製造することは不可能ではないが、高コストなものとなる。

本実施形態では、コリメータレンズ４および５の光学設計において、集光後のビーム幅Ｗを図３に示す発光領域の幅Ｗｏとすればよい。そのため、従来技術のように、Ｗｏが小さい場合に比較して、ＮＡ値を小さくすることができ、収差の点で有利となり、低コストで入手できるレンズを用いることができる。例えば、収差の点では不利であるモールド成型によって製造される樹脂レンズを利用することができる。このため、ジャイロ装置の価格を抑えることができる。

また、これに関連して、低ＮＡ値の集光レンズを利用することができるので、集光レンズであるコリメータレンズ４および５のＸ−Ｙ平面内における光軸調整の手間が緩和される。このため、製造コストを下げることができる。また、外乱が加わった際に発生するコリメータレンズ４および５の光軸ずれの許容値を大きく確保することができる。このため、外乱の影響を受け難いジャイロ装置を得ることができる。

また、図３に示すような幅広の発光領域を有する半導体レーザ素子２を用いても、同様な半導体レーザ素子を通常の方法で利用する場合に比較して、低い消費電力で利用することができる。すなわち、本実施形態では、閉じた光路内でレーザ発振を行わせ、この光路外に取り出す光は干渉を計測できる程度の強さで良い。このため、レーザ共振器の損失を低く抑えることができ、相対的に低い注入電流でレーザ発振を行わすことができる。このため、幅広の発光領域を有する半導体レーザ素子を用いても、そうでない場合に比較して消費電力の増加を抑えることができる。

これに対して、通常の半導体レーザ素子では、半導体レーザ素子の発光領域の両端面の一方に反射ミラー、他方にハーフ反射ミラーを設け、両反射ミラー間でレーザ共振を起こさせるのと同時に、ハーフ反射ミラーから外部に光を取り出し、それを通信、情報書き込み／読み出し等に利用する。このため、利用するレーザ光の出力が大きくなると、その分、レーザ共振器としての損失は大きくなり、レーザ発振のための注入電流は相対的に大きなものが必要とされる。

図５は、半導体レーザ素子における注入電流の値と光出力との関係を示す概念図である。図５において、横軸が注入電流の値Ｉ（相対値）であり、縦軸が光出力Ｌである。ここで光出力Ｌは、共振器内部における光量である。

特性５０１は、図３に示すような広ストライプの発光を行う半導体レーザ素子を通常の方法で利用する場合の特性である。特性５０２は、同じ半導体レーザ素子を本実施形態で示す構成で用いた場合の特性である。両特性を比較すれば分かるように、同じ半導体レーザ素子の基本構造であっても、本実施形態では、共振器外に取り出す光量が微量で済むので、レーザ発振に必要な注入電流を相対的に抑えることができる。特性５０３は、発光領域のアスペクト比が１：３の半導体レーザ素子の場合の特性である。この場合、より低い注入電流でレーザ発振を行うことができる。

（２）第２の実施形態
半導体レーザ素子の両端から出力されるレーザ光を集光する光学系として、ボールレンズを用いることもできる。ボールレンズは安価であるので、部品コストを抑えることができる。また、図４を用いて説明したＮＡ値を小さくできるので、光軸合わせの精度がシビアでなく、また外乱による光軸ずれの許容値を大きくすることができる。

以下、ボールレンズを利用し、さらに第１の実施形態と異なる構造の反射部材を用いた半導体リングレーザジャイロの構成の一例を説明する。図６は、本発明を利用した半導体リングレーザジャイロの他の一例を示す概念図である。図６には、半導体リングレーザジャイロ６００が示されている。半導体リングレーザジャイロ６００は、反射ミラー６０１と６０２、透過ミラー６０３を備えている。反射ミラー６０１と６０２は、表面に金属膜を成膜した通常の鏡である。透過ミラー６０３は、図１および図２の透過ミラー９と同じ構造を有し、図示省略した受光部が干渉光を検出可能な程度の透過性を有するミラーである。

反射ミラー６０１と６０２、透過ミラー６０３により、略３角形の閉じた光路（光周回路）が構成されている。この光周回路には、光出力端側にボールレンズ６０６と６０７を配置した半導体レーザ素子６０５が配置されている。ボールレンズ６０６と６０７は、集光レンズとして機能する。半導体レーザ素子６０５は、図３の半導体レーザ素子２と同じものを用いている。

透過ミラー６０３には、ビーム合波プリズム６０７が接合されている。ビーム合成プリズム６０７は、光周回路中を周回するＣＷレーザ光とＣＣＷ光とを合成する。両レーザ光の周波数に差がある場合、ビーム合成プリズム６０７から干渉光であるビート光が出力される。ビーム合成プリズム６０７の出力側には、図１に示す例と同様な受光部および信号処理部（共に図示省略）が配置されている。

半導体レーザ素子６０５を発光させると、その両端から光が出力される。この際、反射ミラー６０１と６０２、透過ミラー６０３により構成された光周回路がレーザ共振器となり、レーザ発振が起こる。そして、回転速度Ωで図示する方向（あるいはその逆方向）の回転が生じると、サニャック効果により、干渉光がビーム合成プリズム６０７から出力され、その出力に基づいて回転速度Ωと回転方向が検出される。

図６に示す半導体リングレーザジャイロ６００は、ボールレンズを用いるので、部品コストを抑えることができる。また、ボールレンズは、低ＮＡ値であるので、光軸調整が困難でなく、調整に要するコストを抑えることができる。また、光軸ずれの許容範囲を大きくできるので、外乱に強いジャイロとすることができる。この光軸ずれに関する優位性は、反射ミラー６０１および６０２においても同様である。

本発明は、航空機、ロケット、人工衛星、潜水艦、ロボット、自動車等の姿勢制御用、航法用の半導体リングレーザジャイロに利用することができる。

発明を利用した半導体リングレーザジャイロの一例を示す斜視概念図である。 発明を利用した半導体リングレーザジャイロの一例を示す平面概念図である。 発明に適用可能な半導体レーザの一例を示す斜視概念図（Ａ）および発光領域を示す概念図（Ｂ）である。 集光レンズの光学特性を説明する概念図である。 半導体レーザ素子における注入電流の値と光出力との関係を示す概念図である。 発明を利用した半導体リングレーザジャイロの他の一例を示す平面図である。 従来技術における半導体リングレーザジャイロの概要を示す平面図である。

符号の説明

１…半導体リングレーザジャイロ、２…半導体レーザ、４…コリメータレンズ、５…コリメータレンズ、６…直角プリズム、７…直角プリズム、８…台形プリズム、９…透過ミラー、１０…ビーム合波プリズム、１１…受光部、１２…信号処理部、２０１…ＧａＡｓ基板、２０２…負電極、２０３…クラッド層、２０４…活性層、２０５…クラッド層、２０６…絶縁膜、２０７…絶縁膜、２０８…正電極、２１１…発光領域。

Claims (5)

1. 周回する閉じた光路と、
   前記光路を構成する複数の反射部材と、
   前記光路上に配置され、両端面からレーザ光を出力し、発光領域の幅が前記レーザ光の波長の１０倍以上である半導体レーザ素子と、
   前記両端面から出力されるレーザ光のビーム成形を行う一対の光学系と
   を備えることを特徴とする半導体リングレーザジャイロ。
2. 周回する閉じた光路と、
   前記光路を構成する複数の反射部材と、
   前記光路上に配置され、両端面からレーザ光を出力し、前記両端面における発光領域のアスペクト比が１：１０以上である半導体レーザ素子と、
   前記両端面から出力されるレーザ光のビーム成形を行う一対の光学系と
   を備えることを特徴とする半導体リングレーザジャイロ。
3. 前記半導体レーザ素子の発光領域の幅が前記レーザ光の波長の１０倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の半導体リングレーザジャイロ。
4. 前記周回する閉じた光路は、平面内に形成され、
   前記両端面から出力されるレーザ光の幅の広い方向が、前記平面に平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体リングレーザジャイロ。
5. 前記光学系が樹脂レンズまたはホールレンズにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体リングレーザジャイロ。

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