JP2010249773A

JP2010249773A - Semiconductor ring laser gyro

Info

Publication number: JP2010249773A
Application number: JP2009101979A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kitamura; 厚北村
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-20
Also published as: JP5275886B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor ring laser gyro for determining a rotating direction in a simple composition. <P>SOLUTION: The semiconductor ring laser gyro 10 includes: a semiconductor laser 11 for emitting lights from both-end faces; an optical fiber ring 12 for mutually revolving the lights emitted from both-end faces of the semiconductor laser 11 to reverse directions to compose a resonator together with the semiconductor laser 11; a first optical branching unit 14 for branching the two lights mutually revolving the inside of the optical fiber ring 12 to reverse directions; and a first detector 16 for detecting an angular velocity from a beat frequency generated by overlapping the two lights branched with the first branching unit 14. In addition, the semiconductor ring laser gyro 10 includes a second light branching unit 17 for branching a part of CW light, and a second detector 19 for detecting a code of a value varied for a frequency when the frequency of a vertical mode of the CW light branched with the second light branching unit 17 is stationary and determining a rotating direction from the code. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体レーザおよび光ファイバリングからなる半導体リングレーザジャイロに関し、特に回転方向の判別が可能な半導体リングレーザジャイロに関する。 The present invention relates to a semiconductor ring laser gyro comprising a semiconductor laser and an optical fiber ring, and more particularly to a semiconductor ring laser gyro capable of determining the rotational direction.

近年、サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果を利用して移動体の角速度を計測する光ファイバジャイロの一形態として、両端面から光を出射させる半導体レーザを光ファイバリング（光ファイバループ）の途中に配置させてなる半導体リングレーザジャイロが注目されている。半導体リングレーザジャイロでは、半導体レーザとともに光ファイバリングがレーザの共振器を構成する。これより、半導体レーザの両端面からそれぞれ出射した２つの光を互いに逆方向に光ファイバリング内を周回させた状態において、半導体リングレーザジャイロが回転すると、サニャック効果に起因して２つの光の周波数に差が生じる。このため、これら周波数が互いに異なる２つの光を重ね合わせるとビート信号が発生し、そのビート信号の周波数から所定の関係式に基づき角速度を算出することができる（例えば、特許文献１参照）。 In recent years, as one form of an optical fiber gyro that measures the angular velocity of a moving body using the Sagnac effect, a semiconductor laser that emits light from both end faces is arranged in the middle of an optical fiber ring (optical fiber loop). A semiconductor ring laser gyro is attracting attention. In a semiconductor ring laser gyro, an optical fiber ring together with a semiconductor laser constitutes a laser resonator. Thus, when the semiconductor ring laser gyro is rotated in a state where the two lights respectively emitted from both end faces of the semiconductor laser are circulated in the optical fiber ring in opposite directions, the frequency of the two lights is caused by the Sagnac effect. There will be a difference. For this reason, when these two lights having different frequencies are superimposed, a beat signal is generated, and the angular velocity can be calculated from the frequency of the beat signal based on a predetermined relational expression (see, for example, Patent Document 1).

通常の半導体リングレーザジャイロは、比較的簡単な構成で角速度を検出することができるが、回転方向を判別することが困難である。そこで、角速度と併せて回転方向を判別することができる半導体リングレーザジャイロとして、例えば、図３に示す光ファイバジャイロ５０が提案されている（特許文献２参照）。 A normal semiconductor ring laser gyro can detect the angular velocity with a relatively simple configuration, but it is difficult to determine the rotation direction. Thus, for example, an optical fiber gyro 50 shown in FIG. 3 has been proposed as a semiconductor ring laser gyro capable of discriminating the rotational direction together with the angular velocity (see Patent Document 2).

光ファイバジャイロ５０は、環状の光ファイバ５１と、光ファイバ５１の両端に結合され光ファイバ５１とともにリング共振器を構成する半導体光増幅器５２と、結合器５３と、７本の光ファイバ５４〜６０と、２つの分岐器６１，６２と、可変位相器６３と、２つの結合器６４，６５と、２つのフォトダイオード６６，６７と、を備えている。 The optical fiber gyro 50 includes an annular optical fiber 51, a semiconductor optical amplifier 52 coupled to both ends of the optical fiber 51 to form a ring resonator together with the optical fiber 51, a coupler 53, and seven optical fibers 54 to 60. And two branching devices 61 and 62, a variable phase shifter 63, two couplers 64 and 65, and two photodiodes 66 and 67.

半導体光増幅器５２の両端からそれぞれ出射したレーザ光Ｌ_１，Ｌ_２は、各結合器５３，６４，６５と、分岐器６１，６２と、光ファイバ５４〜６０とを組み合わせてなる４つの光路を通って、フォトダイオード６６，６７にレーザ光Ｌ_１１+Ｌ_２１，Ｌ_１２＋Ｌ_２２としてそれぞれ入光される。 The laser beams L ₁ and L ₂ respectively emitted from both ends of the semiconductor optical amplifier 52 have four optical paths formed by combining the couplers 53, 64 and 65, the branching devices 61 and 62, and the optical fibers 54 to 60. The laser beams L ₁₁ + L _{21 and} L ₁₂ + L ₂₂ are incident on the photodiodes 66 and 67, respectively.

このとき、レーザ光Ｌ_２２が伝播する光路の光路長（位相）を可変位相器６３によって調整することによって４つの光路の光路長差（位相差）を所定の値に設定すると、レーザ光Ｌ_１とレーザ光Ｌ_２との周波数差Δｆの符号に応じて、フォトダイオード６６の出力電流ｉ_１を基準とするフォトダイオード６７の出力電流ｉ_２の符号を変化させることができる。すなわち、フォトダイオード６６の出力とフォトダイオード６７の出力とを検波することによって、Δｆの符号が正であるか負であるかが判断できる。Δｆの符号は、回転方向に応じて変化することから、Δｆの符号により回転方向を判別することができる。 At this time, if the optical path length difference (phase difference) of the four optical paths is set to a predetermined value by adjusting the optical path length (phase) of the optical path through which the laser light L ₂₂ propagates by the variable phase shifter 63, the laser light L ₁ The sign of the output current i ₂ of the photodiode 67 with reference to the output current i ₁ of the photodiode 66 can be changed according to the sign of the frequency difference Δf between the laser light L ₂ and the laser beam L ₂ . That is, by detecting the output of the photodiode 66 and the output of the photodiode 67, it can be determined whether the sign of Δf is positive or negative. Since the sign of Δf changes according to the rotation direction, the rotation direction can be determined by the sign of Δf.

特開２００７−７１６１４号公報JP 2007-71614 A 特開２００９−４２１５３号公報JP 2009-42153 A

上記のように、特許文献２が開示する回転方向の判別方法は、複数の光路を要し、また、複数の光路間の位相差を調整する可変位相器などの手段を必要とすることから、半導体リングレーザジャイロの低コスト化および小型化が困難になるという問題がある。また、光回路系および信号処理系が複雑になるという問題がある。 As described above, the rotational direction determination method disclosed in Patent Document 2 requires a plurality of optical paths, and also requires means such as a variable phase shifter that adjusts the phase difference between the plurality of optical paths. There is a problem that it is difficult to reduce the cost and size of the semiconductor ring laser gyro. There is also a problem that the optical circuit system and the signal processing system become complicated.

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型で簡便な構成でありながらも回転方向の判別機能を有する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。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a semiconductor ring laser gyro having a rotational direction discriminating function while having a small and simple configuration.

本発明は、半導体リングレーザジャイロが回転すると、光ファイバリング内を周回するレーザ光の縦モードの周波数が変化するが、回転時の縦モードの周波数が静止時の縦モードの周波数に対して変化する値（偏差）の符号が回転する方向によって異なる、という本発明者の検討によって得られた知見に基づいてなされたものである。なお、偏差の符号とは、回転時の縦モードの周波数から静止時の縦モードの周波数を引いた値の正負である。 In the present invention, when the semiconductor ring laser gyro rotates, the frequency of the longitudinal mode of the laser light that circulates in the optical fiber ring changes, but the frequency of the longitudinal mode during rotation changes with respect to the frequency of the longitudinal mode at rest. This is based on the knowledge obtained by the inventor's examination that the sign of the value (deviation) varies depending on the direction of rotation. The sign of the deviation is the sign of a value obtained by subtracting the frequency of the longitudinal mode at rest from the frequency of the longitudinal mode at rotation.

そこで、本発明の特徴は、両端面から光を出射させる半導体レーザと、該半導体レーザの両端面から出射した光を互いに反対方向に周回させ、前記半導体レーザとともに共振器を構成する光ファイバからなる光ファイバリングと、を備え、該光ファイバリング内を互いに反対方向に周回する２つの光のビート周波数から角速度を検出する半導体リングレーザジャイロにおいて、前記光ファイバリング内を互いに反対方向に周回する２つの光のうち、少なくとも一方の光における縦モードの周波数が静止時の該縦モードの周波数に対して変化する値の符号から回転方向を判別する手段を有することである。 Therefore, a feature of the present invention includes a semiconductor laser that emits light from both end faces, and an optical fiber that circulates light emitted from both end faces of the semiconductor laser in opposite directions and forms a resonator together with the semiconductor laser. A semiconductor ring laser gyro that detects angular velocities from beat frequencies of two lights that circulate in opposite directions in the optical fiber ring, and circulates in the optical fiber ring in opposite directions. It has means for discriminating the rotation direction from the sign of the value in which the longitudinal mode frequency in at least one of the two lights changes with respect to the longitudinal mode frequency at rest.

かかる発明においては、光ファイバリング内を互いに反対方向に周回する２つの光のうち、一方の光における縦モードの周波数が静止時（角速度がゼロの時）の周波数に対して変化する値の符号を検出するのみで、回転方向を判別することができる。このため、従来技術と比べて部品点数が少なくすることができ、小型で簡便な構成でありながら回転方向の判別が可能な半導体リングレーザジャイロを実現することができる。 In such an invention, the sign of a value that changes the frequency of the longitudinal mode of one of the two lights circulating in the opposite directions in the optical fiber ring with respect to the frequency when stationary (when the angular velocity is zero). The rotation direction can be determined only by detecting For this reason, the number of parts can be reduced as compared with the prior art, and a semiconductor ring laser gyro capable of discriminating the rotation direction with a small and simple configuration can be realized.

第１の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロの全体構成を模式的に示す概念図である。1 is a conceptual diagram schematically showing an overall configuration of a semiconductor ring laser gyro according to a first embodiment. 回転により縦モードの周波数が変化する様子を測定した結果を示す図であり、（ａ）はＣＷ方向に回転する場合であり、（ｂ）はＣＣＷ方向に回転する場合である。It is a figure which shows the result of having measured the mode that the frequency of a longitudinal mode changes by rotation, (a) is a case where it rotates to a CW direction, (b) is a case where it rotates to a CCW direction. 従来の半導体リングレーザジャイロの構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the conventional semiconductor ring laser gyro.

以下、本発明の実施形態の一例として半導体リングレーザジャイロ１０を図面を参照して説明する。 Hereinafter, a semiconductor ring laser gyro 10 will be described with reference to the drawings as an example of an embodiment of the present invention.

半導体リングレーザジャイロ１０は、図１に示すように、両端面から光を出射させる半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の右側端面１１ａおよび左側端面１１ｂから出射した光を互いに反対方向に周回させる光ファイバリング１２と、光ファイバリング１２を図示右回り（ＣＷ）に周回する光ＣＷ（以下、ＣＷ光という）および図示左回り（ＣＣＷ）に周回する光ＣＣＷ（以下、ＣＣＷ光という）の一部をそれぞれ分岐させる第１光分岐器１４と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the semiconductor ring laser gyro 10 includes an optical fiber that circulates light emitted from both end faces and light emitted from the right end face 11a and the left end face 11b of the semiconductor laser 11 in opposite directions. The ring 12 and a part of the light CW (hereinafter referred to as CW light) that circulates around the optical fiber ring 12 in the clockwise direction (CW) in the figure and part of light CCW that circulates in the counterclockwise direction (CCW) in the figure as shown And a first optical branching device 14 for branching.

また、半導体リングレーザジャイロ１０は、第１光分岐器１４により分岐されたＣＷ光およびＣＣＷ光を互いに反対方向にそれぞれ伝播させる一対の第１検出用光ファイバ１５，１５と、一対の第１検出用光ファイバ１５，１５をそれぞれ伝播するＣＷ光およびＣＣＷ光を重ねることによって発生するビート信号の周波数（ビート周波数）から角速度を検出する第１検出器１６と、一方の第１検出用光ファイバ１５の途中に配置されＣＷ光の一部を分岐する第２光分岐器１７と、第２光分岐器１７により分岐されたＣＷ光を伝播させる第２検出用光ファイバ１８と、第２検出用光ファイバ１８を伝播するＣＷ光における縦モードの周波数が静止時の周波数に対して変化する値の符号（以下、単に偏差の符号ともいう）から回転方向を判別する手段としての第２検出器１９と、を備えている。以下、各構成要素について説明する。 Further, the semiconductor ring laser gyro 10 includes a pair of first detection optical fibers 15 and 15 for propagating the CW light and the CCW light branched by the first optical splitter 14 in opposite directions, and a pair of first detections. A first detector 16 for detecting an angular velocity from a frequency (beat frequency) of a beat signal generated by superimposing CW light and CCW light propagating through the optical fibers 15 and 15 for use, and one first detection optical fiber 15, respectively. , A second optical branching device 17 that branches a part of the CW light, a second detection optical fiber 18 that propagates the CW light branched by the second optical branching device 17, and a second detection light. The direction of rotation is discriminated from the sign of the value in which the longitudinal mode frequency in the CW light propagating through the fiber 18 changes with respect to the stationary frequency (hereinafter also simply referred to as the deviation sign). A second detector 19 as a stage, and a. Hereinafter, each component will be described.

半導体レーザ１１は、本実施形態では、波長８５０ｎｍの光を発光するＧａＡｓ系の材料で形成されたファブリペロー型半導体レーザである。半導体レーザ１１の両端面１１ａ，１１ｂには反射防止膜が成膜されている。これにより、半導体レーザ１１は、両端面１１ａ，１１ｂでの反射光を少なくした状態で両端面１１ａ，１１ｂから光を出射させることができる。 In the present embodiment, the semiconductor laser 11 is a Fabry-Perot type semiconductor laser formed of a GaAs-based material that emits light having a wavelength of 850 nm. Antireflection films are formed on both end faces 11 a and 11 b of the semiconductor laser 11. Thereby, the semiconductor laser 11 can emit light from the both end surfaces 11a and 11b in a state where the reflected light at the both end surfaces 11a and 11b is reduced.

光ファイバリング１２は、本実施形態では、コア径が５μｍ、屈折率が１．４５、長さが３４０ｍの単一モード光ファイバにより形成されている。光ファイバリング１２の両端は、半導体レーザ１１の両端面１１ａ，１１ｂにそれぞれ結合されている。なお、本実施形態では、光ファイバリング１２を形成する単一モード光ファイバは、半径３０ｍｍのボビン（図示せず）に巻回され、光ファイバコイル１３を形成している。 In this embodiment, the optical fiber ring 12 is formed of a single mode optical fiber having a core diameter of 5 μm, a refractive index of 1.45, and a length of 340 m. Both ends of the optical fiber ring 12 are coupled to both end faces 11a and 11b of the semiconductor laser 11, respectively. In the present embodiment, the single mode optical fiber forming the optical fiber ring 12 is wound around a bobbin (not shown) having a radius of 30 mm to form the optical fiber coil 13.

第１光分岐器１４は、本実施形態では、２本の光ファイバを溶融延伸してなる２入力２出力型の光方向性結合器である。第１光分岐器１４は、光ファイバリング１２の途中に配置され、光ファイバリング１２内を周回するＣＷ光およびＣＣＷ光の一部（本実施形態では、１０％）を分岐させる。 In the present embodiment, the first optical splitter 14 is a two-input two-output type optical directional coupler formed by melting and stretching two optical fibers. The first optical branching device 14 is arranged in the middle of the optical fiber ring 12 and branches a part of CW light and CCW light (10% in the present embodiment) circulating around the optical fiber ring 12.

第１光分岐器１４により分岐されたＣＷ光およびＣＣＷ光は、一端が第１光分岐器１４の入出力端にそれぞれ結合された一対の第１検出用光ファイバ１５，１５を介して第１検出器１６に導かれ、互いに重ね合わされる。 The CW light and the CCW light branched by the first optical splitter 14 are first transmitted through a pair of first detection optical fibers 15 and 15 each having one end coupled to the input / output end of the first optical splitter 14. Guided to detector 16 and superimposed on each other.

第１検出器１６は、ＣＷ光およびＣＣＷ光を重ね合わせる光結合器と、重ね合わされた光の信号を電気信号に変換する第１フォトダイオード（第１受光素子）と、第１フォトダイオードからの出力信号を信号処理する第１信号処理部（いずれも図示せず）とを備えている。第１信号処理部では、ＣＷ光とＣＣＷ光とを重ね合わせることによって生成されるビート信号を検出し、そのビート信号の周波数に基づいて角速度が算出される。 The first detector 16 includes an optical coupler that superimposes CW light and CCW light, a first photodiode (first light receiving element) that converts a signal of the superimposed light into an electrical signal, and a first photodiode A first signal processing unit (not shown) for processing the output signal. The first signal processing unit detects a beat signal generated by superimposing CW light and CCW light, and calculates an angular velocity based on the frequency of the beat signal.

次に、一方の第１検出用光ファイバ１５の途中に配置される第２光分岐器１７は、本実施形態では、２本の光ファイバを溶融延伸してなる２入力１出力型の光方向性結合器である。第２光分岐器１７は、一方の第１検出用光ファイバ１５を伝播するＣＷ光の一部（本実施形態では、１０％）を分岐させる。第２光分岐器１７により分岐されたＣＷ光は、第２検出用光ファイバ１８を介して第２検出器１９に導かれる。 Next, the second optical branching device 17 disposed in the middle of one of the first optical fibers for detection 15 is, in this embodiment, a two-input one-output type light direction formed by melting and stretching two optical fibers. It is a sex coupler. The second optical branching device 17 branches a part (10% in this embodiment) of the CW light propagating through one first detection optical fiber 15. The CW light branched by the second optical splitter 17 is guided to the second detector 19 via the second detection optical fiber 18.

第２検出器１９は、光の信号を電気信号に変換する第２フォトダイオード（受光素子）と、第２フォトダイオードからの出力信号を信号処理する第２信号処理部（いずれも図示せず）と、を備えている。第２信号処理部は、周波数を電圧信号に変換するＦ−Ｖ変換回路を有し、第２フォトダイオードに入光したＣＷ光における所定次数（本実施形態では３次）の縦モードの周波数を電圧信号として検出する。また、第２信号処理部は、演算処理回路を有し、光ファイバリング１２が回転していない静止時の縦モード（以下では、リング共振スペクトルともいう）の周波数（電圧）と回転時の縦モード（以下では、側帯波ともいう）の周波数（電圧）とを比較し、その偏差の符号（大小関係）から回転方向を判別する。偏差の符号から回転時の回転方向が判別できる原理については後述する。 The second detector 19 includes a second photodiode (light receiving element) that converts a light signal into an electric signal, and a second signal processing unit (none of which is shown) that processes an output signal from the second photodiode. And. The second signal processing unit includes an FV conversion circuit that converts a frequency into a voltage signal, and sets the frequency of a longitudinal mode of a predetermined order (third order in the present embodiment) in the CW light incident on the second photodiode. Detect as a voltage signal. The second signal processing unit includes an arithmetic processing circuit, and the frequency (voltage) of the longitudinal mode (hereinafter also referred to as a ring resonance spectrum) when the optical fiber ring 12 is not rotating and the longitudinal mode when rotating. The frequency (voltage) of the mode (hereinafter also referred to as a sideband) is compared, and the rotation direction is determined from the sign (magnitude relationship) of the deviation. The principle by which the rotation direction during rotation can be determined from the sign of the deviation will be described later.

次に、上記の構成をなす半導体リングレーザジャイロ１０の作動について図面を参照して説明する。 Next, the operation of the semiconductor ring laser gyro 10 having the above configuration will be described with reference to the drawings.

駆動回路（図示せず）から供給される電流を半導体レーザ１１に注入すると、半導体レーザ１１の両端面１１ａ，１１ｂから光が出射する。半導体レーザ１１の左側端面１１ａから出射したＣＷ光は、光ファイバリング１２を右回りに周回する。光ファイバリング１２を周回したＣＷ光は、半導体レーザ１１の右側端面１１ｂから半導体レーザ１１内に入射する。このように、半導体レーザ１１の左側端面１１ａから出射したＣＷ光が、半導体レーザ１１および光ファイバリング１２から構成される光周回路（レーザ共振器）を右回りに周回することによりレーザ発振する。 When a current supplied from a drive circuit (not shown) is injected into the semiconductor laser 11, light is emitted from both end faces 11 a and 11 b of the semiconductor laser 11. The CW light emitted from the left end surface 11a of the semiconductor laser 11 circulates around the optical fiber ring 12 clockwise. The CW light circulating around the optical fiber ring 12 enters the semiconductor laser 11 from the right end surface 11 b of the semiconductor laser 11. As described above, the CW light emitted from the left end face 11 a of the semiconductor laser 11 oscillates by rotating clockwise around the optical circuit (laser resonator) including the semiconductor laser 11 and the optical fiber ring 12.

一方、半導体レーザ１１の右側端面１１ｂから出射したＣＣＷ光は、光ファイバリング１２を左回りに周回する。光ファイバリング１２を周回したＣＣＷ光は、半導体レーザ１１の左側端面１１ａから半導体レーザ１１内に入射する。このように、半導体レーザ１１の右側端面１１ｂから出射したＣＣＷ光が、半導体レーザ１１および光ファイバリング１２から構成される光周回路を左回りに周回することによりレーザ発振する。 On the other hand, the CCW light emitted from the right end surface 11b of the semiconductor laser 11 circulates around the optical fiber ring 12 counterclockwise. The CCW light that circulates around the optical fiber ring 12 enters the semiconductor laser 11 from the left end surface 11 a of the semiconductor laser 11. As described above, the CCW light emitted from the right end face 11 b of the semiconductor laser 11 oscillates by rotating counterclockwise around the optical circuit constituted by the semiconductor laser 11 and the optical fiber ring 12.

そして、光ファイバリング１２を周回するＣＷ光およびＣＣＷ光の一部が第１光分岐器１４および一対の第１検出用光ファイバ１５，１５を介して第１検出器１６に導かれる。ここで、半導体リングレーザジャイロ１０が搭載された移動体（被検出体）が静止している状態では、ＣＷ光の周波数とＣＣＷ光の周波数とは一致していることから、ビート信号は発生しない。 A part of the CW light and the CCW light that circulates in the optical fiber ring 12 is guided to the first detector 16 via the first optical splitter 14 and the pair of first detection optical fibers 15 and 15. Here, when the moving body (detected body) on which the semiconductor ring laser gyro 10 is mounted is stationary, the frequency of the CW light and the frequency of the CCW light coincide with each other, so that no beat signal is generated. .

次に、移動体の回転移動に伴い半導体リングレーザジャイロ１０が回転移動を開始すると、サニャック効果に起因してＣＷ光の周波数とＣＣＷ光の周波数とに差が生じることから、ＣＷ光とＣＣＷ光とを重ね合わせることによりビート信号が発生する。このビート信号の周波数（ビート周波数）ΔＦ_beatから、角速度Ωとビート周波数ΔＦ_beatとの関係を示す式、すなわち、Ω＝（ｎλＬ／４Ａ）ΔＦ_beatを用いて角速度Ωが算出する。ここで、λは、ＣＷ光およびＣＣＷ光の波長（静止時の波長）であり、Ａは、光ファイバリング１２を形成する光ファイバによって囲まれる領域の面積累計である。 Next, when the semiconductor ring laser gyroscope 10 starts rotating with the rotation of the moving body, a difference occurs between the frequency of the CW light and the frequency of the CCW light due to the Sagnac effect. And a beat signal is generated. From the beat signal frequency (beat frequency) ΔF _beat , the angular velocity Ω is calculated using an equation indicating the relationship between the angular velocity Ω and the beat frequency ΔF _beat , that is, Ω = (nλL / 4A) ΔF _beat . Here, λ is the wavelength of CW light and CCW light (wavelength at rest), and A is the total area of the region surrounded by the optical fibers forming the optical fiber ring 12.

半導体リングレーザジャイロ１０は、上記のようにして移動体の角速度を検出すると同時に、第２光分岐器１７により分岐されたＣＷ光の一部を第２検出用光ファイバ１８を介して第２検出器１９に導き、移動体の回転方向を判別する。この第２検出器１９による移動体の回転方向の判別が本発明の特徴部分である。そこで、以下では、第２検出器１９により回転方向を判別する原理について図２を参照して詳しく説明する。 The semiconductor ring laser gyro 10 detects the angular velocity of the moving body as described above, and at the same time, detects part of the CW light branched by the second optical splitter 17 via the second optical fiber 18 for detection. It guides to the container 19 and discriminate | determines the rotation direction of a moving body. The determination of the rotational direction of the moving body by the second detector 19 is a characteristic part of the present invention. Therefore, in the following, the principle of determining the rotation direction by the second detector 19 will be described in detail with reference to FIG.

移動体が静止している場合、第２検出器１９の第２フォトダイオードからの出力信号をスペクトルアナライザによりスペクトラム解析すると、レーザ共振器長（半導体レーザ１１の光学長および光ファイバリング１２の光学長との総和）に対応する複数の縦モードが観察される。 When the moving body is stationary, when the spectrum of the output signal from the second photodiode of the second detector 19 is analyzed by a spectrum analyzer, the laser resonator length (the optical length of the semiconductor laser 11 and the optical length of the optical fiber ring 12) is obtained. A plurality of longitudinal modes corresponding to the sum of

この静止時の縦モードの周波数（リング共振周波数）Ｆ_rlgは、半導体レーザ１１の光学長が光ファイバの光学長と比較して短いことから、近似的にＦ_rlg＝ｍＣ／ｎＬと表される。ここで、Ｃは光速、ｎは光ファイバリング１２を形成する光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの全長、ｍは縦モードの次数を表す。本実施形態におけるＦ_rlgは、次数ｍが例えば３の場合、１８２０ｋＨｚである。 This stationary longitudinal mode frequency (ring resonance frequency) F _rlg is approximately expressed as F _rlg = _mC / nL since the optical length of the semiconductor laser 11 is _shorter than the optical length of the optical fiber. . Here, C is the speed of light, n is the refractive index of the optical fiber forming the optical fiber ring 12, L is the total length of the optical fiber, and m is the order of the longitudinal mode. F _rlg in the present embodiment is _{1820 kHz} when the order m is 3, for example.

ここで、移動体の回転移動に伴い半導体リングレーザジャイロ１０がＣＷ方向に回転すると、光ファイバリング１２をＣＷ方向に周回するＣＷ光にとっては、光ファイバリング１２の全長Ｌが角速度の大きさに依存して実効的に長くなる。このため、縦モードの周波数（＝ｍＣ／ｎＬ）は、角速度が大きくなるほど小さくなる。例えば、図２（ａ）に示すように、静止時には３次リング共振スペクトル（静止時の３次縦モード）が約１８００ｋＨｚに発生するが、移動体が角速度０．５ｄｅｇ／ｓｅｃでＣＷ方向に回転すると、側帯波（回転時の３次縦モード）が１８００ｋＨｚよりも小さい１６３０ｋＨｚに発生する。 Here, when the semiconductor ring laser gyroscope 10 rotates in the CW direction along with the rotational movement of the moving body, the total length L of the optical fiber ring 12 becomes the magnitude of the angular velocity for the CW light that circulates the optical fiber ring 12 in the CW direction. Depending on the effective length. Therefore, the longitudinal mode frequency (= mC / nL) decreases as the angular velocity increases. For example, as shown in FIG. 2 (a), the third-order ring resonance spectrum (third-order longitudinal mode at rest) occurs at about 1800 kHz when stationary, but the moving body rotates in the CW direction at an angular velocity of 0.5 deg / sec. Then, a sideband (third longitudinal mode during rotation) is generated at 1630 kHz, which is smaller than 1800 kHz.

次に、移動体の回転移動に伴い半導体リングレーザジャイロ１０がＣＣＷ方向に回転すると、光ファイバリング１２をＣＷ方向に周回するＣＷ光にとっては、光ファイバリング１２の全長Ｌが角速度の大きさに依存して実効的に短くなる。このため、縦モードの周波数は、角速度が大きくなるほど大きくなる。例えば、図２（ｂ）に示すように、移動体が角速度０．５ｄｅｇ／ｓｅｃでＣＣＷ方向に回転すると、側帯波が１８００ｋＨｚよりも大きい１９８０ｋＨｚに発生する。なお、図２（ａ）（ｂ）は、第２検出器１９の第２フォトダイオードからの出力信号をスペクトルアナライザによりスペクトラム解析した結果である。 Next, when the semiconductor ring laser gyroscope 10 rotates in the CCW direction as the moving body rotates, the total length L of the optical fiber ring 12 becomes the magnitude of the angular velocity for the CW light that circulates the optical fiber ring 12 in the CW direction. Depending on the effective shortening. For this reason, the frequency in the longitudinal mode increases as the angular velocity increases. For example, as shown in FIG. 2B, when the moving body rotates in the CCW direction at an angular velocity of 0.5 deg / sec, a sideband is generated at 1980 kHz, which is larger than 1800 kHz. 2A and 2B show the results of spectrum analysis of the output signal from the second photodiode of the second detector 19 using a spectrum analyzer.

このように、移動体が回転すると縦モードの周波数が変化するが、移動体の回転方向に依存して偏差の符号（（回転時の縦モードの周波数−静止時の縦モードの周波数）の正負）が変わる。具体的には、移動体がＣＷ方向に回転すると偏差の符号がマイナスになり、移動体がＣＣＷ方向に回転すると偏差の符号がプラスになる。これらの関係から、ＣＷ光における縦モードの周波数が静止時と比較して小さくなった場合（符号がマイナスの場合）には、ＣＷ方向に回転していると判別することができる。逆に、ＣＷ光における縦モードの周波数が静止時と比較して大きくなった場合（符号がプラスの場合）には、ＣＣＷ方向に回転していると判別することができる。 As described above, when the moving body rotates, the frequency of the longitudinal mode changes. However, depending on the direction of rotation of the moving body, the sign of the deviation (the frequency of the longitudinal mode during rotation-the frequency of the longitudinal mode when stationary) is positive or negative. ) Will change. Specifically, the sign of the deviation becomes negative when the moving body rotates in the CW direction, and the sign of the deviation becomes positive when the moving body rotates in the CCW direction. From these relationships, when the frequency of the longitudinal mode in CW light is smaller than when stationary (when the sign is negative), it can be determined that the CW light is rotating in the CW direction. On the contrary, when the frequency of the longitudinal mode in the CW light is larger than that at rest (when the sign is positive), it can be determined that the CW light is rotating in the CCW direction.

以上のように、本発明の係る半導体リングレーザジャイロ１０は、光ファイバリング１２内を周回するＣＷ光における任意の縦モードの周波数が静止時の周波数に対して変化する値の符号から回転方向を判別する。このため、従来技術のように複数の光路を要せず、また、各光路の位相を調整する必要がない。これにより、半導体リングレーザジャイロ１０の構成が簡便となり、小型で安価でありながらも回転方向の判別機能を有する半導体リングレーザジャイロ１０を実現することができる。 As described above, the semiconductor ring laser gyro 10 according to the present invention changes the rotation direction from the sign of the value at which the frequency of any longitudinal mode in the CW light circulating in the optical fiber ring 12 changes with respect to the frequency at rest. Determine. For this reason, unlike the prior art, a plurality of optical paths are not required, and it is not necessary to adjust the phase of each optical path. As a result, the configuration of the semiconductor ring laser gyro 10 is simplified, and the semiconductor ring laser gyro 10 having a function of discriminating the rotation direction while being small and inexpensive can be realized.

以上、本発明の好ましい実施形態の一例について説明したが、実施の形態については上記に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 Although an example of a preferred embodiment of the present invention has been described above, the embodiment is not limited to the above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態では、ＣＷ光により回転方向を判別する構成としたが、これに代えて、ＣＣＷ光により回転方向を判別するように構成してもよい。また、回転方向の判別精度を向上させるために、ＣＷ光およびＣＣＷ光のいずれをも用いて回転方向を判別するように構成してもよい。 For example, in the above embodiment, the rotation direction is determined by the CW light. However, instead of this, the rotation direction may be determined by the CCW light. Further, in order to improve the determination accuracy of the rotation direction, the rotation direction may be determined using both CW light and CCW light.

なお、ＣＣＷ光を用いて回転方向を判別する場合には、縦モードの周波数が静止時の周波数と比較して大きくなった場合にＣＷ方向に回転していると判別され、小さくなった場合にＣＣＷ方向に回転していると判別される。 When the rotation direction is determined using CCW light, it is determined that the rotation is in the CW direction when the frequency in the longitudinal mode is larger than the frequency at rest, and the rotation direction is smaller. It is determined that the motor is rotating in the CCW direction.

また、上記実施形態では、第２光分岐器１７が第１検出用光ファイバ１５の途中に配置されているが、これに代えて、光ファイバリング１２の途中に配置されていてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the 2nd optical splitter 17 is arrange | positioned in the middle of the 1st optical fiber 15 for detection, it may replace with this and may be arrange | positioned in the middle of the optical fiber ring 12. FIG.

また、リング共振周波数と側帯波の周波数との差がビート周波数に相当することから、検出精度が低下するおそれはあるが、第２検出器１９で検出される情報（リング共振周波数および側帯波の周波数）に基づいて角速度を算出する構成としてもよい。 In addition, since the difference between the ring resonance frequency and the sideband frequency corresponds to the beat frequency, there is a possibility that the detection accuracy may be lowered. However, the information detected by the second detector 19 (the ring resonance frequency and the sideband frequency) The angular velocity may be calculated based on the frequency.

１０半導体リングレーザジャイロ
１１半導体レーザ
１１ａ左側端面
１１ｂ右側端面
１２光ファイバリング
１３光ファイバコイル
１４第１光分岐器
１５第１検出用光ファイバ
１６第１検出器
１７第２光分岐器
１８第２検出用光ファイバ
１９第２検出器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor ring laser gyro 11 Semiconductor laser 11a Left end surface 11b Right end surface 12 Optical fiber ring 13 Optical fiber coil 14 First optical branching device 15 First detection optical fiber 16 First detector 17 Second optical branching device 18 Second detection Optical fiber 19 second detector

Claims

A semiconductor laser that emits light from both end faces;
An optical fiber ring made of an optical fiber that circulates light emitted from both end faces of the semiconductor laser in opposite directions and forms a resonator together with the semiconductor laser, and
In a semiconductor ring laser gyro for detecting an angular velocity of a moving body from a beat frequency generated by superimposing two lights that circulate in opposite directions in the optical fiber ring,
Of the two lights that circulate in opposite directions in the optical fiber ring, the rotational direction is determined from the sign of the value at which the longitudinal mode frequency of at least one of the lights changes with respect to the longitudinal mode frequency when stationary. A semiconductor ring laser gyro characterized by having means.