JP5027587B2 - 半導体リングレーザジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、半導体を光源に用いた半導体リングレーザジャイロに係り、特に１つの半導体レーザで２軸回りの角速度の計測が可能な半導体リングレーザジャイロに関する。

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、高精度に計測できることから、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）。

図６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。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６０、４つのミラー６１〜６４、干渉光（ビート光）取出用ミラー６５・６６から構成される。半導体レーザ６０は、両端面に反射防止膜が形成され、両端から光を出射する（特許文献３参照）。半導体レーザ６０の両端面からの出射光は、４つのミラー６１〜６４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６０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６０は両端面からレーザ発振する。４つのミラー６１〜６４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る（特許文献２の段落００３７参照）。また、４つのミラー６１〜６４のうち少なくとも一つは、ビート光取出用ミラー６５・６６に光の一部を導くための透過ミラーである。

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△ｆから以下の数１に基づいて角速度Ωが算出される（特許文献３の段落００１５参照）。なお、Ａはリング光路が囲む面積、λはリングレーザ発振波長、Ｌはリング光路長である。

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

ところで、カメラの手ぶれ防止や建設機器の制御のためには、２軸回りの角速度の計測が必要となる。前述のシリコン基板上に形成された半導体リングレーザジャイロは、１軸回りの角速度のみを計測することが可能であり、複数軸回りの角速度の計測が必要な場合には、角速度を計測する軸数に応じた個数の半導体リングレーザジャイロが必要となる。よって、コストが掛かり、かつ、リングレーザジャイロを設置する空間が大きくなるという問題が発生する。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、１つの半導体レーザで２軸回りの角速度を計測することができ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。

請求項１に記載の発明は、両端面から光を出射する１つの半導体レーザと、前記半導体レーザの出射光を２軸方向に分配する分配手段と、前記分配手段により２軸方向に分配された光を反射する複数の反射手段と、前記複数の反射手段により同一平面内で光を周回させて前記半導体レーザの出射端面とは反対側の端面に入射させるように形成された２つの光周回路と、前記２つの光周回路の一方を周回する光を遮光する遮光手段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、１つの半導体レーザが２つの光周回路で共有されるため、１つの半導体レーザで２軸回りの角速度を計測することができる。また、２つの光周回路は、光路を共有しているため、共振が互いに影響しないように、計測しない軸回りの光周回路を周回する光は、遮光手段によって遮光される。本発明によれば、部材点数が減るため、省スペースかつ低コストで２軸回りの角速度を計測可能な半導体リングレーザジャイロを提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記１つの半導体レーザは、同一平面にない前記２つの光周回路が共有する光路に配置されていることを特徴とする。この態様によれば、２軸回りの光周回路が直交する場合だけでなく、３０度、４５度、６０度等の角度をなす場合においても、１つの半導体レーザで２軸回りの角速度を計測可能な半導体リングレーザジャイロを提供することができる。

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、前記分配手段は、第１軸回りの光周回路に光を分配する半透過ミラー面と、前記半透過ミラー面を透過した光を第２軸回りの光周回路に反射する反射面とが形成されたビームスプリッタであることを特徴とする。この態様によれば、１つの分配手段により２つの光周回路へ光が分配されるため、部品点数が減少する。よって、省スペースかつ低コストで２軸回りの角速度を計測可能な半導体リングレーザジャイロを提供することができる。

請求項４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、前記分配手段および前記遮光手段は、偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタと前記半導体レーザとの間に配置された偏光面回転素子とで構成されていることを特徴とする。この態様によれば、半導体レーザの偏光特性を利用して、半導体レーザの出射光は、２つの光周回路へ光量を減衰せずに分配される。すなわち、半導体レーザの出射光の偏光面は、偏光面回転素子により制御され、偏光ビームスプリッタが、その偏光面に応じて分配する光周回路を選択（分配および遮光）することができる。よって、半導体レーザの出射光の全光量を２軸回りの角速度の計測に利用可能な半導体リングレーザジャイロを提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記偏光ビームスプリッタは、誘電体膜またはその多層膜を２つの直角プリズムで挟み込んだキューブ型偏光プリズムであることを特徴とする。この態様によれば、偏光ビームスプリッタは、Ｐ偏光とＳ偏光の透過反射特性に優れた誘電体膜またはその多層膜を利用して、効率よく２つの光周回路に光を分配することができる。また、プレート型偏光プリズムと比較して、キューブ型偏光プリズムは強固なマウント機構が不要なため、２つの光周回路の分岐点として重要な偏光ビームスプリッタの光軸調整は容易となる。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記偏光面回転素子は、液晶素子またはファラデー素子であることを特徴とする。この態様によれば、液晶素子またはファラデー素子は、簡易な構成により高速に入射光の偏光面を制御できるため、省スペースかつ高速に計測軸の選択が可能な半導体リングレーザジャイロを提供することができる。

本発明に係る半導体リングレーザジャイロは、２軸回りの角速度を省スペースかつ低コストに計測することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
１．第１の実施形態
第１の実施形態では、１つの半導体レーザで２軸回りの角速度を計測できる半導体リングレーザジャイロの一例について説明する。

（第１の実施形態の構成）
図１は、半導体リングレーザジャイロの斜視図である。半導体リングレーザジャイロ１は、図１に示すように、基板２３に垂直な第１軸回りの光周回路Ｒ１と、基板２３と平行な第２軸回りの光周回路Ｒ２とが形成されている。なお、この例において、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２は直交しているが、例えば、３０度、４５度、６０度等の角度をなす態様でもよい。すなわち、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２が同一平面にない場合には、半導体リングレーザジャイロは、例えば３０度、４５度、６０度等の角度をなす２軸回りの角速度を計測することができる。

この半導体リングレーザジャイロ１は、半導体レーザ２、図示省略した駆動電源３、２つのコリメータレンズ４・５、２つの分配手段６・７、６つの反射手段８〜１３、２つの遮光手段１４・１５、透過ミラー１６・１７、ビーム合波プリズム１８・１９、受光部２０・２１、および信号処理部２２から構成される。半導体レーザ２は、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２が共有する光路上に配置される。半導体レーザ２は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＡｓ系の材料で形成された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、および電極などで構成される。半導体レーザ２の活性層の両端面には反射防止膜が成膜され、活性層の両端面から可視光、赤外光などの波長の光が出射する。この反射防止膜は、半導体レーザ２の活性層の屈折率、相性などが考慮された誘電体膜またはその多層膜で形成される。

半導体レーザ２の電極には図示省略した駆動電源３が接続される。駆動電源３は、半導体レーザ２の電極間に電圧を印加して半導体レーザ２の活性層から光子を誘導放出させる。誘導放出した光は、活性層の両端面から出射する。半導体レーザ２の一方の端面からの出射光は、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２のうちいずれか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。この現象により、半導体レーザ２はレーザ発振に至る。このようにレーザ光源に半導体レーザを用いた態様によれば、Ｈｅ−Ｎｅガスを用いる場合と比べて、半導体リングレーザジャイロ１は小型化、低消費電力化される。

コリメータレンズ４・５は、石英ガラス（ＳｉＯ_２）、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）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などの材料で形成された平凸レンズ、シリンドリカルレンズ、またはトロイダルレンズである。コリメータレンズ４・５は、半導体レーザ２の出射軸方向の前後に配置される。半導体レーザ２の活性層の両端面からの出射光は、コリメータレンズ４・５により集光されて平行光とされ、分配手段６・７に入射する。なお、コリメータレンズ４・５は、分配手段６・７に接合される態様でもよく、分配手段６・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・５を固定するマウント機構が不要となり、温度変化や振動などの外乱に対する影響が小さくなる。

分配手段６・７は、半導体レーザ２からの出射光を２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２に分配するビームスプリッタである。分配手段６・７は、コリメータレンズ４・５の上述の材料、またはコリメータレンズ４・５と同一材料で形成され、２つの直角プリズムの斜面同士を接合したキューブ型ビームスプリッタである。接合された斜面には半透過ミラー面６ａ・７ａが形成される。半透過ミラー面６ａ・７ａ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）などで形成された半透過膜（ハーフミラー）である。この分配手段６・７は、図１に示すように、半導体レーザ２の出射軸方向の前後に配置され、半透過ミラー面６ａ・７ａは、半導体レーザ２の出射軸に対して４５度傾斜し、第１軸に平行な平面である。また、分配手段６の半透過ミラー面６ａと分配手段７の半透過ミラー面７ａは、半導体レーザ２を中心に対称に配置される。半導体レーザ２からの出射光は、半透過ミラー面６ａ・７ａで２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２に分配される。第１軸を周回する光周回路Ｒ１へ分配される光は、半透過ミラー面６ａ・７ａにおいて反射角４５度で内部反射して反射手段８・９に入射する。一方、第２軸を周回する光周回路Ｒ２へ分配される光は、半透過ミラー面６ａ・７ａをそのまま透過して反射手段１０・１１に入射する。

反射手段８・９は、コリメータレンズ４・５の上述の材料、またはコリメータレンズ４・５と同一材料で形成された直角プリズムである。反射手段８・９の反射面８ａ・９ａは、図１に示すように、分配手段６・７の半透過ミラー面６ａ・７ａと各々対称に配置され、分配手段６・７からの出射光に対して４５度傾斜している。反射手段８・９は、分配手段６・７からの出射光を入射し、反射面８ａ・９ａで反射角４５度で内部反射させて出射する。よって、空気の屈折率が１とすると、反射手段８・９の屈折率ｎは、スネルの法則により以下の数２の式から約１．４以上となる。

上述のように半導体リングレーザジャイロ１の第１軸を周回する光周回路Ｒ１は、２つの分配手段６・７と２つの反射手段８・９の内部反射を利用して四角形状に形成される。一方、半導体リングレーザジャイロ１の第２軸を周回する光周回路Ｒ２は、分配手段６・７により分配された光を反射させる４つの反射手段１０〜１３の内部反射を利用して四角形状に形成される。なお、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２を形成する反射手段は、反射プリズムではなく、プレート型ミラーであってもよく、光周回路Ｒ１・Ｒ２は、三角形状、五角形状など多角形状に形成されてもよい。

反射手段１０・１１は、コリメータレンズ４・５の上述の材料、またはコリメータレンズ４・５と同一材料で形成された２つの直角プリズムの斜面どうしを接合したキューブ型プリズムである。反射手段１０・１１は、図１に示すように、半導体レーザ２の出射軸方向の前後に配置され、反射面１０ａ・１１ａは、半導体レーザ２の出射軸に対して４５度傾斜し、第２軸に平行な平面である。また、反射手段１０の反射面１０ａと反射手段１１の反射面１１ａは、半導体レーザ２を中心に対称に配置される。分配手段６・７により分配された光は、反射面１０ａ・１１ａで反射角４５度で内部反射して反射手段１２・１３に入射する。

反射手段１２・１３は、コリメータレンズ４・５の上述の材料、またはコリメータレンズ４・５と同一材料で形成された直角プリズムである。反射手段１２・１３の反射面１２ａ・１３ａは、図１に示すように、反射手段１０・１１の反射面１０ａ・１１ａと各々対称に配置され、反射手段１０・１１からの出射光に対して４５度傾斜している。反射手段１２・１３は、反射手段１０・１１からの出射光を入射し、反射面１２ａ・１３ａで反射角４５度で内部反射させて出射する。反射手段１０〜１３の屈折率ｎは、上記の数２の式から約１．４以上となる。

このように四角形状に形成された第１軸と第２軸を周回する光周回路Ｒ１・Ｒ２は、半導体レーザ２が配置される光路を共有するため、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２を周回する光がリング共振する際に互いに影響しないように、計測しない軸回りの光周回路を周回する光は、遮光手段１４・１５によって遮光される。

遮光手段１４・１５は、各光周回路のうち共有する光路を除いた光路上のいずれかに配置される。この例において、遮光手段１４は分配手段７と反射手段９との間に配置され、遮光手段１５は反射手段１２と反射手段１３との間に配置されている。遮光手段１４・１５は、例えば、スライド自在な遮光板、２枚の偏光フィルタ、または液晶シャッターなどを利用したものである。遮光手段１４・１５が、スライド自在な遮光板の場合にはモータを駆動源とするスライド機構、２枚の偏光フィルタの場合には１枚の偏光フィルタを回転する回転機構、液晶シャッターの場合は、スイッチング素子を利用した電子回路などで構成される（図示省略）。遮光手段１４・１５は、角速度を計測しない軸回りの光周回路を周回する光を遮光する。すなわち、第１軸回りの角速度が計測される場合には、遮光手段１５が第２軸回りの光周回路Ｒ２を周回する光を遮光し、第２軸回りの角速度が計測される場合には、遮光手段１４が第１軸回りの光周回路Ｒ１を周回する光を遮光する。

このように形成された第１軸と第２軸回りの光周回路Ｒ１・Ｒ２を右回りに周回する光（ＣＷ光）と左回りに周回する光（ＣＣＷ光）の一部は、各光周回路のいずれかの反射手段８〜１３に形成された透過ミラー１６・１７によって取り出される。透過ミラー１６・１７で取り出されたＣＷ光とＣＣＷ光は、ビーム合波プリズム１８・１９で合波して干渉光（ビート光）が生成される。

透過ミラー１６・１７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１６は、第１軸を周回する光周回路Ｒ１を形成する２つの反射手段８・９のいずれかの反射面に成膜される。この例において、透過ミラー１６は、反射手段８の反射面８ａに成膜されている。よって、第１軸を周回する光周回路Ｒ１を周回するＣＷ光とＣＣＷ光の一部は反射面８ａを透過する。透過した２つの光はビーム合波プリズム１８に入射する。一方、透過ミラー１７は、第２軸を周回する光周回路Ｒ２を形成する４つの反射手段１０〜１３のいずれかの反射面に成膜される。この例において、透過ミラー１７は、反射手段１０の反射面１０ａに成膜されている。よって、第２軸を周回する光周回路Ｒ２を周回するＣＷ光とＣＣＷ光の一部は反射面１０ａを透過する。透過した２つの光はビーム合波プリズム１９に入射する。

ビーム合波プリズム１８・１９は、コリメータレンズ４・５の上述の材料、またはコリメータレンズ４・５と同一材料で形成される。ビーム合波プリズム１８は、透過ミラー１６が成膜された反射手段８の反射面８ａに接合される。一方、ビーム合波プリズム１９は、透過ミラー１７が成膜された反射手段１０の反射面１０ａに接合される。これらビーム合波プリズム１８・１９は、ＣＷ光とＣＣＷ光を入射して内部反射させ、ＣＷ光とＣＣＷ光の出射軸が同一に調整される。これにより、ＣＷ光とＣＣＷ光のビート光が取り出される。取り出された第１軸回りのビート光は受光部２０で受光され、第２軸回りのビート光は受光部２１で受光される。なお、第１軸と第２軸回りのビート光は、一つ受光部にミラーで導かれる態様でもよい。この態様によれば、さらに部材点数が減るため、半導体リングレーザジャイロ１は省スペース化、低コスト化の点で有利となる。

受光部２０・２１は、ビーム合波プリズム１８・１９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、またはフォトＩＣで構成される。受光部２０・２１は、ビーム合波プリズム２０・２１が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２２は、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、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（中央演算処理装置）、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（ランダムアクセスメモリ）、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は、受光部２０・２１からのビート信号を入力し、カウンタにビート信号のクロック数（ビート周波数）を計測させる。信号処理部２２は、計測したビート周波数△ｆから角速度Ωを算出する。すなわち、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２軸回りの角速度を検出できる。

（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。従来の半導体リングレーザジャイロは、１軸回りの角速度のみを計測することが可能であった。よって、複数軸回りの角速度の計測が必要な場合には、角速度を計測する軸数に応じた個数の半導体リングレーザジャイロが必要とされた。しかし、第１の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ１は、１つの半導体レーザが２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２で共有されるため、２軸回りの角速度を省スペースかつ低コストで計測することができる。

２．第２の実施形態
第２の実施形態では、１つの半導体レーザで２軸回りの角速度を計測できる半導体リングレーザジャイロにおいて、特に半導体レーザからの出射光を２つの光周回路に分配する分配手段は、第１軸回りの光周回路に光を分配する半透過ミラー面と、半透過ミラー面を透過した光を第２軸回りの光周回路に反射する反射面とが形成されたビームスプリッタである一例について説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については、その内容を援用する。

（第２の実施形態の構成）
図２は半導体リングレーザジャイロの斜視図である。半導体リングレーザジャイロ３０は、図２に示すように、半導体レーザ２、図示省略した駆動電源３、２つのコリメータレンズ４・５、２つの分配手段３１・３２、４つの反射手段８・９・１２・１３、遮光手段１４・１５、透過ミラー１６・１７、ビーム合波プリズム１８・１９、受光部２０・２１、および信号処理部２２から構成される。

分配手段３１・３２は、直交する２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２に光を分配するビームスプリッタである。分配手段３１・３２は、コリメータレンズ４・５の上述の材料、またはコリメータレンズ４・５と同一材料で形成され、１つの立方体の内部に半透過ミラー面３１ａ・３２ａと反射面３１ｂ・３２ｂとを有している。半透過ミラー面３１ａ・３２ａは、半導体レーザ２からの出射光の半分を第１軸回りの光周回路Ｒ１へ反射し、反射面３１ｂ・３２ｂは、半透過ミラー面３１ａ・３２ａを透過した光を第２軸回りの光周回路Ｒ２へ反射する。半透過ミラー面３１ａ・３２ａ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）などで形成された半透過膜（ハーフミラー）であり、反射面３１ｂ・３２ｂは、プリズムの内部反射を利用している。この分配手段３１・３２は、図２に示すように、半導体レーザ２の出射軸方向の前後に配置され、半透過ミラー面３１ａ・３２ａおよび反射面３１ｂ・３２ｂは、半導体レーザ２を中心に対称に配置される。半透過ミラー面３１ａ・３１ａで第１軸を周回する光周回路Ｒ１へ分配された光は、反射手段８・９に入射する。一方、反射面３１ｂ・３２ｂで第２軸を周回する光周回路Ｒ２へ分配された光は、反射手段１２・１３に入射する。

このように分配手段３１・３２で２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２に分配されたＣＷ光とＣＣＷ光の一部は、各光周回路のいずれかの反射面に形成された透過ミラー１６・１７によって取り出される。透過ミラー１６・１７で取り出されたＣＷ光とＣＣＷ光は、ビーム合波プリズム１８・１９で合波されて干渉光（ビート光）となる。この例において、透過ミラー１６は、図２に示すように、反射手段８の反射面８ａに形成され、ビーム合波プリズム１８は、反射手段８の反射面８ａに接合される。一方、透過ミラー１７は、図２に示すように、分配手段３１の反射面３１ｂに形成され、ビーム合波プリズム１９は、分配手段３１の反射面３１ｂに接合される。

（第２の実施形態の優位性）
以下、第２の実施形態の優位性について述べる。第２の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ３０は、１つの分配手段により直交する２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２へ光が分配されるため、部品点数が減少し、装置を省スペース化、低コスト化する点において有利となる。

３．第３の実施形態
第３の実施形態では、１つの半導体レーザで２軸回りの角速度を計測できる半導体リングレーザジャイロにおいて、特に２つの光周回路に光を分配する分配手段および２つの光周回路のうち一方を周回する光を遮光する遮光手段が、偏光ビームスプリッタと偏光面回転素子とで構成された一例について説明する。なお、第１および第２の実施形態と同様の構成については、その内容が援用される。

（第３の実施形態の構成）
図３は第１軸を周回する光周回路に光を分配する場合の半導体リングレーザジャイロの上面図（Ａ）、第２軸を周回する光周回路に光を分配する場合の半導体リングレーザジャイロの上面図（Ｂ）である。半導体リングレーザジャイロ４０は、図３に示すように、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２が共有する光路の両端に配置された偏光ビームスプリッタ４１・４２と、偏光ビームスプリッタ４１・４２と半導体レーザ２との間に配置された偏光面回転素子４３・４４とを備えている。この例において、偏光面回転素子４３・４４は、コリメータレンズ４・５と偏光ビームスプリッタ４１・４２との間に配置されているが、半導体レーザ２とコリメータレンズ４・５との間に配置される態様でもよい。

偏光ビームスプリッタ４１・４２は、半導体レーザの偏光特性を利用して一方の光周回路に光を分配する分配手段であり、かつ、一方の光周回路を周回する光を遮光する遮光手段である。偏光ビームスプリッタ４１・４２としては、例えば、偏光プリズムまたは複屈折プリズムを利用することができる。偏光ビームスプリッタ４１・４２が偏光プリズムの場合は、石英ガラス（ＳｉＯ_２）、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）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などの材料で形成された２つの直角プリズムの斜面で誘電体膜またはその多層膜を挟み込んだキューブ型偏光プリズムが好適である。この態様によれば、偏光ビームスプリッタ４１・４２は、Ｐ偏光とＳ偏光の透過反射特性に優れた誘電体膜またはその多層膜を利用して、効率よく２つの光周回路に光を分配することができる。また、プレート型偏光プリズムと比較して、キューブ型偏光プリズムは強固なマウント機構が不要なため、２つの光周回路の分岐点として重要な偏光ビームスプリッタ４１・４２の光軸調整は容易となる。ただし、偏光ビームスプリッタ４１・４２は、プレート型偏光プリズムを利用してもよい。

一方、偏光ビームスプリッタ４１・４２が複屈折プリズムの場合は、偏光ビームスプリッタ４１・４２は、複屈折性を有する方解石（カルサイト）や水晶で形成された２つの直角プリズムの斜面をカナダバルサムや合成接着剤で接合したグラントムソンプリズム、２つの直角プリズムの斜面にエアギャップを有するグランテーラープリズム、またはグランテーラープリズムのレーザ耐性を高めたグランレーザプリズムが好適となる。このように形成された偏光ビームスプリッタ４１・４２の偏光面４１ａ・４２ａは、図３（Ａ）に示すようにＳ偏光を反射し、図３（Ｂ）に示すようにＰ偏光を透過する。この偏光ビームスプリッタ４１・４２へ入射する光の偏光面は、偏光面回転素子４３・４４によって制御される。

偏光面回転素子４３・４４は、例えば、液晶素子４８またはファラデー素子５０である。まず、偏光面回転素子４３・４４が液晶素子４８の場合について説明する。図４は、液晶素子に電圧が印加されていない場合の概念図（Ａ）、液晶素子に電圧が印加された場合の概念図（Ｂ）である。液晶素子４８は、透明電極４５・４６、透明電極４５・４６に挟まれた２枚の配向膜（図示省略）、および２枚の配向膜に挟まれたツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶４７で構成される。２枚の配向膜は、高分子膜に多数の溝を一方向に形成したものであり、２枚の配向膜の溝は、互いに９０度異なる方向を向いている。ＴＮ液晶は、２枚の配向膜の影響を受けて、螺旋状に９０度回転したツイスト配向となる。一方、透明電極４５・４６に電圧が印加されると、ＴＮ液晶４７は、電界方向に沿って配列するホメオトロピック配向となる。

このような液晶素子４８の態様によれば、図４（Ａ）に示すように、液晶素子４８に電圧が印加されていない場合は、液晶素子４８に入射したＰ偏光は、液晶素子４８を通過すると偏波面が９０度回転したＳ偏光となる。一方、図４（Ｂ）に示すように、液晶素子４８に電圧が印加されている場合は、液晶素子４８に入射したＰ偏光は、液晶素子４８を通過しても偏波面を変えずにＰ偏光のまま出射する。よって、液晶素子４８に電圧が印加されていない場合は、図３（Ａ）に示すように、半導体レーザ２から出射したＰ偏光は、液晶素子４８である偏光面回転素子４３・４４によってＳ偏光となり、Ｓ偏光を入射した偏光ビームスプリッタ４１・４２は第１軸回りの光周回路Ｒ１へＳ偏光を分配する。一方、液晶素子４８に電圧が印加されている場合は、図３（Ｂ）に示すように、半導体レーザ２から出射したＰ偏光は、液晶素子４８である偏光面回転素子４３・４４で偏光面を変えずにそのまま通過し、Ｐ偏光を入射した偏光ビームスプリッタ４１・４２は第２軸回りの光周回路Ｒ２へＰ偏光を分配する。

次に、偏光面回転素子４３・４４がファラデー素子である場合について説明する。図５はファラデー素子のコイルに電流が供給されている場合の概念図（Ａ）、ファラデー素子のコイルに電流が供給されていない場合の概念図（Ｂ）である。ファラデー素子５０は、例えば、イットリウム鉄ガーネットなどの希土類鉄ガーネットの磁性結晶５１、および磁性結晶５１に巻回されたコイル５２で構成される。図５（Ａ）に示すように、コイル５２に電流が供給されている場合は、ファラデー素子５０に入射したＰ偏光は、ファラデー素子５０を通過すると偏波面が９０度回転したＳ偏光となる。一方、図５（Ｂ）に示すように、コイル５２に電流が供給されていない場合は、ファラデー素子５０に入射したＰ偏光は、ファラデー素子５０を通過しても偏光面を変えずにＰ偏光のまま出射する。よって、ファラデー素子５０に電流が供給されている場合は、図３（Ａ）に示すように、半導体レーザ２から出射したＰ偏光は、ファラデー素子５０である偏光面回転素子４３・４４によってＳ偏光となり、Ｓ偏光を入射した偏光ビームスプリッタ４１・４２は第１軸回りの光周回路Ｒ１へＳ偏光を分配する。一方、ファラデー素子５０に電流が供給されていない場合は、図３（Ｂ）に示すように、半導体レーザ２からの出射光であるＰ偏光は、ファラデー素子５０である偏光面回転素子４３・４４で偏光面を変えずにそのまま通過し、Ｐ偏光を入射した偏光ビームスプリッタ４１・４２は第２軸回りの光周回路Ｒ２へＰ偏光を分配する。また、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２を周回して戻ってきた光は、他方の偏光面回転素子４３・４４によってＰ偏光に戻されて半導体レーザ２の他端面に入射する。

（第３の実施形態の優位性）
以下、第３の実施形態の優位性について述べる。一般的に半導体レーザの出射光は、活性層の構造により偏光している。この半導体レーザの偏光特性を利用して、半導体レーザ２の出射光は、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２へ光量を減衰せずに分配される。すなわち、半導体レーザ２の出射光の偏光面は、偏光面回転素子４３・４４により制御され、偏光ビームスプリッタ４１・４２が、その偏光面に応じて分配する光周回路Ｒ１・Ｒ２を選択（分配および遮光）することができる。よって、半導体レーザ２の出射光の全光量を２軸回りの角速度の計測に利用することができる。また、偏光ビームスプリッタ４１・４２が、キューブ型偏光プリズムの場合には、Ｐ偏光とＳ偏光の透過反射特性に優れた誘電体膜またはその多層膜を利用して効率よく２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２に光を分配することができる。また、プレート型偏光プリズムと比較して、キューブ型偏光プリズムは、強固なマウント機構が不要なため、２つの光周回路Ｒ１・Ｒ２の分岐点として重要な偏光ビームスプリッタ４１・４２の光軸調整は容易となる。さらに、液晶素子４８またはファラデー素子５０は、簡易な構成により高速に入射光の偏光面を制御できるため、半導体リングレーザジャイロ４０は、省スペースかつ高速に計測軸を選択することができる。

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、建設機器等の姿勢制御用、自律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。

第１の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロの斜視図である。 第２の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロの斜視図である。 第１軸を周回する光周回路に光を分配する場合の半導体リングレーザジャイロの上面図（Ａ）、第２軸を周回する光周回路に光を分配する場合の半導体リングレーザジャイロの上面図（Ｂ）である。 液晶素子に電圧が印加されていない場合の概念図（Ａ）、液晶素子に電圧が印加された場合の概念図（Ｂ）である。 ファラデー素子のコイルに電流が供給されている場合の概念図（Ａ）、ファラデー素子のコイルに電流が供給されていない場合の概念図（Ｂ）である。 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。

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・５…コリメータレンズ、６・７…分配手段、８〜１３…反射手段、１４・１５…遮光手段、１６・１７…透過ミラー、１８・１９…ビーム合波プリズム、２０・２１…受光部、２２…信号処理部、Ｒ１・Ｒ２…光周回路、４１・４２…偏光ビームスプリッタ、４３・４４…偏光面回転素子。

Claims (6)

1. 両端面から光を出射する１つの半導体レーザと、
   前記半導体レーザの出射光を２軸方向に分配する分配手段と、
   前記分配手段により２軸方向に分配された光を反射する複数の反射手段と、
   前記複数の反射手段により同一平面内で光を周回させて前記半導体レーザの出射端面とは反対側の端面に入射させるように形成された２つの光周回路と、
   前記２つの光周回路の一方を周回する光を遮光する遮光手段と
   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. 前記１つの半導体レーザは、同一平面にない前記２つの光周回路が共有する光路に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体リングレーザジャイロ。
3. 前記分配手段は、第１軸回りの光周回路に光を分配する半透過ミラー面と、前記半透過ミラー面を透過した光を第２軸回りの光周回路に反射する反射面とが形成されたビームスプリッタであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体リングレーザジャイロ。
4. 前記分配手段および前記遮光手段は、偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタと前記半導体レーザとの間に配置された偏光面回転素子とで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体リングレーザジャイロ。
5. 前記偏光ビームスプリッタは、誘電体膜またはその多層膜を２つの直角プリズムで挟み込んだキューブ型偏光プリズムであることを特徴とする請求項４に記載の半導体リングレーザジャイロ。
6. 前記偏光面回転素子は、液晶素子またはファラデー素子であることを特徴とする請求項４に記載の半導体リングレーザジャイロ。

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