JP5275886B2

JP5275886B2 - 半導体リングレーザジャイロ

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Publication number: JP5275886B2
Application number: JP2009101979A
Authority: JP
Inventors: 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: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-04-20
Also published as: JP2010249773A

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

特開２００７−７１６１４号公報特開２００９−４２１５３号公報

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。

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。

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。

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、前記光ファイバが巻回されるボビンと、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と、を有することである。ここで、縦モードの周波数は、ｍＣ／ｎＬ（ｍは縦モードの次数、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの長さ）で近似的に表される。

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。

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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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つの光を重ねることにより発生するビート周波数から移動体の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、
前記光ファイバが巻回されるボビンと、
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、ｍＣ／ｎＬ（ここで、ｍは縦モードの次数、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの長さ）で近似的に表され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と、を有することを特徴とする半導体リングレーザジャイロ。
前記回転方向を判別する手段は、光の信号を電気信号に変換する受光素子と、該受光素子からの出力信号を信号処理する信号処理部と、を備え、
該信号処理部は、前記縦モードの周波数を電圧信号に変換するＦ−Ｖ変換回路と、静止時の前記縦モードの周波数に対応する電圧および回転時の前記縦モードの周波数に対応する電圧を比較し、その偏差の符号から回転時の方向を判別する信号処理部と、を有す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。
前記回転方向を判別する手段が、さらに、前記静止時の縦モードの周波数に対応する電圧および前記回転時の縦モードの周波数に対応する電圧の差から、前記移動体の角速度を算出するように構成されてい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。