JP5279008B2 - 半導体リングレーザジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザの両端面から出射した光を互いに逆方向に光ファイバループ内を周回させることにより、サニャック効果に起因して発生するビート信号から回転角速度を検出する半導体リングレーザジャイロに関し、特に小型化に適した半導体リングレーザジャイロに関するものである。

サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果を利用して物体の回転角速度（角速度）を計測する光ファイバジャイロが、航空機やロケットなどの分野を中心に多用されている。従来の光ファイバジャイロは、光源の一端面から出射した光を光結合器を介して光ファイバループ内に導くように構成されている。そして、光ファイバループ内を互いに逆方向に周回する光にサニャック効果がもたらす位相の変化から角速度を計測するものである。

これに対して、近年、両端面から光を出射させる半導体レーザを光ファイバループ（光ファイバリング）内に配置させることにより、半導体レーザとともに光ファイバループがレーザの共振回路を構成する光ジャイロ（以下では、半導体リングレーザジャイロという）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１が開示する半導体リングレーザジャイロとしての光ジャイロ５０の構成を示す概略図である。光ジャイロ５０は、半導体光アンプ（ＳＯＡ）５１と、半導体光アンプ５１の両端面５１Ａ，５１Ｂにループ状に連結された光ファイバ５２と、を備えている。この半導体光アンプ５１は、その両端面５１Ａ，５１Ｂからレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを出射させるともに、光ファイバ５２中を互いに逆方向に一周したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅し、その増幅したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを再び光ファイバ５２へ出射させるものである。

光ファイバ５２中を伝搬するレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの一部は、結合器５３により光ファイバ５４に導かれた後、結合器５５によって重ね合わされる。重ね合わされたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、光ファイバ５６を介して光検出器５７に導かれる。光検出器５７では、重ね合わされたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを２乗検波し、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷ間の発振周波数の差に起因して生じるビート信号を検出する。このレーザ光ＣＷ，ＣＣＷ間の発振周波数の差は、光ファイバ５２が半導体光アンプ５１とともにレーザの共振回路を構成していることにより生じるものである。つまり、テーブル６０の回転に伴うサニャック効果に起因して右回りと左回りのレーザ共振器長が変わることによって生じるものである。

光検出器５７により検出されたビート信号は、スペクトルアナライザ５８に入力され、ビート信号の周波数（ビート周波数）ｆ_Ｂが検出される。そして、ビート周波数ｆ_Ｂと角速度Ωとの関係を示す次式から回転体（光ファイバループ）の角速度が検出器５９において算出される。
ｆ_Ｂ＝（４Ａ／ｎλＰ）Ω
ただし、Ａは、光ファイバ５２によって囲まれる領域の面積であり、ｎは、光ファイバ５２の屈折率であり、λは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの波長であり、Ｐは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷのパス長である。

特開２００７−７１６１４号公報

上記構成をなす半導体リングレーザジャイロは、ビート周波数から角速度を検出することから、本質的には検出感度の高い角速度の計測が可能である。しかしながら、本発明者が半導体リングレーザジャイロの小型化を目的に光ファイバループの小径化を検討したところ、例えば光ファイバのループ径が１００ｍｍ程度（いわゆる手のひらサイズ）では角速度の検出が困難または不能になるという問題が発生した。

また、特許文献１においては、スペクトル線幅の狭い（Ｑ値の大きい）レーザ光が得られる半導体光アンプ（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を光源として使用することにより、高い検出感度を実現しているものと推測される。ところが、半導体光アンプは高価であるという問題がある。低価格な半導体リングレーザジャイロを実現するには、例えば、光ディスク装置の光ピックアップに使用されているようなスペクトル線幅は広いが安価な半導体レーザ（ファブリペロー型半導体レーザ）を光源に使用することが望まれる。

また、半導体リングレーザジャイロの検出感度を向上させるには、光ファイバに偏波面保存ファイバを使用することが考えられる。ところが、偏波面保存ファイバおよび偏波面保存ファイバを使用した結合器は高価であるという問題がある。また、光源と偏波面保存ファイバとの結合に高い回転位置決め精度が要求されるという問題がある。

さらに、光ファイバを使用した半導体リングレーザジャイロにおいては、回転方向の検出が困難であるという問題もある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型かつ安価でありながら角速度の検出感度に優れた半導体リングレーザジャイロを提供することを第１の目的とするものである。

ところで、前述の角速度Ωとビート周波数ΔＦ_beat（ｆ_Ｂ）との関係は、光ファイバループの形状を半径（Ｒ）の円と仮定した場合には、ΔＦ_beat＝（２Ｒ／ｎλ）Ωと表される。したがって、光ファイバループの形状が円の場合には、ビート周波数は光ファイバループの半径には依存するものの、光ファイバの長さには依存しないことになる。しかしながら、手のひらサイズ用の比較的小径な光ファイバループを形成した場合には、単に感度が低下するだけではなく、ビート信号を検出することが不能であった。そこで、本発明者は、この現象の解明を試みたところ、ビート信号がレーザ光のリング共振スペクトル（縦モード）の側帯波としても観測される（発生する）という半導体リングレーザジャイロ特有の動作原理に起因するものであることが分かった。そして、小径なボビンに光ファイバを多重巻きして光ファイバの全長を長くすることが、検出感度を向上させる有効な手段であることを見出した。また、角速度の測定範囲に対応して光ファイバの長さを所定の範囲内に制御することが良好な測定感度を得る上で好ましいという知見を得るに至り、さらなる検討を重ねたところ、以下に示す複数の発明を完成させたものである。

そこで、上記課題を解決するために、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レーザ共振回路を構成する光ファイバリングと、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ための光検出部と、を備え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は、光ファイバを多重巻きして形成される感知コイルを有することである。

この場合、リング共振周波数Ｆ_rlg （＝Ｃ／ｎＬ）と角速度の測定範囲の下限値Ω_minに相当するビート周波数ΔＦ_{beat_min}（ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}）とが（１）式の関係を満たすように構成されていることが好ましい。ここで、（１）式は、Ｆ_rlg≦１０ΔＦ_{beat_min}であり、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの全長である。なお、半径ｒの円筒状ボビンに光ファイバを多重巻きして感知コイルを形成した場合のビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}は、ΔＦ_{beat_min}＝２ｒΩ_min／ｎλ（λは波長）で表される。

かかる発明によれば、半導体レーザの両端面から出射した光を周回させる光ファイバリング内に、光ファイバを多重巻きして形成された感知コイルが設けられている。これにより、光ファイバリングを小型に構成することができる。また、光ファイバを多重巻きして光ファイバの全長（光ファイバリングを構成する光ファイバの長さ）を長くすることにより、光ファイバリング中を伝搬するレーザ光のリング共振スペクトル（縦モード）の線幅を狭くすることができる。この結果、リング共振スペクトルの側帯波としても観察されるビート信号を精度よく検出することが可能となる。すなわち、角速度の検出感度に優れた半導体リングレーザジャイロを実現することができる。特に、ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}とリング共振周波数Ｆ_rlgとが、Ｆ_rlg≦１０ΔＦ_{beat_min}の関係を満たすように、リング共振周波数Ｆ_rlg（すなわち、光ファイバの全長）を決定した場合には、ビート周波数の下限値までビート信号を精度よく確実に検出することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記光ファイバリングは、リング共振周波数Ｆ_rlg （＝Ｃ／ｎＬ）と角速度の測定範囲の上限値Ω_maxに相当するビート周波数ΔＦ_{beat_max}（ビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}）とが（２）式の関係を満たすように構成されていることである。ここで、（２）式は、２ΔＦ_{beat_max} ＜Ｆ_rlgであり、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの全長である。なお、半径ｒの円筒状ボビンに光ファイバを多重巻きして感知コイルを形成した場合のビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}は、ΔＦ_{beat_max}＝２ｒΩ_max／ｎλ（λは波長）で表される。

かかる発明によれば、リング共振周波数Ｆ_rlgが、要求される角速度の測定範囲の上限値Ω_maxに相当するビート周波数ΔＦ_{beat_max}（ビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}）の２倍より大きくなるように設定されている。これにより、角速度の測定範囲の上限まで角速度を精度よく検出することが可能となる。その理由は、以下の通りである。すなわち、ビート信号は、前述のように、リング共振スペクトルの側帯波としても観測されるものである。そして、リング共振スペクトルの両側に発生する側帯波のうち、周波数が小さい側に発生する側帯波は、その周波数がビート周波数の増大にともなって小さくなる。これより、ビート周波数が大きくなるにしたがって、ビート信号（ビート周波数に発生する信号）とリング共振スペクトルの側帯波とが周波数軸上において接近する。そして、Ｆ_rlg−ΔＦ_{beat_max}＝ΔＦ_{beat_max}、すなわち、Ｆ_rlg＝２ΔＦ_{beat_max}となると、ビート信号とリング共振スペクトルの側帯波とが重なり、ビート周波数の検出が困難または不能になる。したがって、２ΔＦ_{beat_max} ＜Ｆ_rlgの条件を満たすように、ビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}に対応してリング共振周波数Ｆ_rlg（すなわち、光ファイバの全長）を決定することにより、ビート周波数の上限値までビート信号を精度よく確実に検出することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記光検出部は、前記光ファイバを互いに反対方向に周回する２つの光のそれぞれの一部を外部に取り出す光分岐器と、該光分岐器から外部に取り出された２つの光を干渉させるための合波プリズムと、該合波プリズムにより干渉された光を受光する複数の受光面を有する分割フォトダイオードと、前記合波プリズムと前記分割フォトダイオードとの間に配設され、前記受光面ごとに位相が異なるスリットが形成されたマスクと、により構成されていることである。

かかる発明によれば、光ファイバリング内を互いに逆方向に周回する光の一部をそれぞれ外部に取り出し干渉させている。そして、生成された干渉縞を、独立した複数の受光面を有する分割フォトダイオードに、受光面ごとに位相の異なるスリットを介して入射させている。これにより、干渉縞の移動する速さおよび移動する方向の検出が可能となり、これらの情報からビート周波数（角速度）とともに回転方向を検出することができる。

以下、本発明に係る半導体リングレーザジャイロの実施形態について図面を参照して説明する。

〈第１の実施形態〉
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ１の全体構成を模式的に示す概念図である。半導体リングレーザジャイロ１は、両端面から光を出射させる半導体レーザ２と、半導体レーザ２の両端面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３と、光ファイバリング３を図示右回りに周回する光ＣＷ（以下、ＣＷ光という）および図示左回りに周回する光ＣＣＷ（以下、ＣＣＷ光という）の一部を分岐させる光分岐器７と、光分岐器７から分岐したＣＷ光およびＣＣＷ光によ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ための光検出部９と、を備えている。

半導体レーザ２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り、スペクトル線幅は１０ＭＨｚ前後である。半導体レーザ２の両端面２ａ，２ｂ（左側端面２ａ，右側端面２ｂ）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２は、両端面２ａ，２ｂでの反射光を少なくした状態で両端面２ａ，２ｂから光を出射させることができる。

光ファイバリング３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（偏波面保存ファイバではない通常の光ファイバ）を用いて形成されている。光ファイバリング３は、半導体レーザ２の左側端面２ａに一端が結合される第１の結合光ファイバ４と、半導体レーザ２の右側端面２ｂに一端が結合される第２の結合光ファイバ５と、第１の結合光ファイバ４の他端と第２の結合光ファイバ５の他端とを連結する感知コイル６とから構成されている。

一対の結合光ファイバ４，５は、半導体レーザ２の両端面２ａ，２ｂからそれぞれ出射した光を光ファイバリング３内に導くとともに、光ファイバリング３内を反対方向に周回する光を半導体レーザ２の両端面２ａ，２ｂから半導体レーザ２内に導くためのものである。

感知コイル６は、半径ｒの円筒状のボビン６ａと、ボビン６ａに光ファイバを多重巻きしてなる光ファイバコイル６ｂとから構成されている。ボビン６ａの半径ｒは、本実施形態では、３０ｍｍである。

次に、光分岐器７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。光分岐器７は、本実施形態では、結合光ファイバ５が形成する経路内に配置され、光ファイバリング３内を周回するＣＷ光およびＣＣＷ光の一部（本実施形態では、１０％）を結合光ファイバ５からそれぞれ分岐させる。光分岐器７の分岐側（光ファイバリング３の外周側の入出力ポート）には、光検出部９に連結するループ状の検出用光ファイバ８が連結されている。これにより、光分岐器７により分岐された２つの光は、検出用光ファイバ８内を互いに逆方向に周回した後、光検出部９に導かれ重ね合わされる。

光検出部９は、光の信号を電気信号に変換するフォトダイオード（受光素子）と、フォトダイオードからの出力信号を信号処理する検出回路とを備えている。検出回路では、ＣＷ光とＣＣＷ光とを重ね合わせることによって生成された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、上記の構成をなす半導体リングレーザジャイロ１の作動・効果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２に注入すると、半導体レーザ２の両端面２ａ，２ｂから光が出射する。半導体レーザ２の左側端面２ａから出射したＣＷ光は、一方の結合光ファイバ４を介して感知コイル６に導かれ、光ファイバコイル６ｂを周回する。光ファイバコイル６ｂを周回した光は、他方の結合光ファイバ５を介して半導体レーザ２の右側端面２ｂから半導体レーザ２内に入射する。このように、半導体レーザ２の左側端面２ａから出射したＣＷ光が、半導体レーザ２と光ファイバリング３とから構成される光周回路（レーザ共振回路）を右回り（ＣＷ）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２の右側端面２ｂから出射したＣＣＷ光は、他方の結合光ファイバ５を介して感知コイル６に導かれ、光ファイバコイル６ｂを周回する。光ファイバコイル６ｂを周回したＣＣＷ光は、一方の結合光ファイバ４を介して半導体レーザ２の左側端面２ａから半導体レーザ２内に入射する。このように、半導体レーザ２の出射したＣＣＷ光が、半導体レーザ２と光ファイバリング３とから構成される光周回路を左回り（ＣＣＷ）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３を周回するＣＷ光およびＣＣＷ光の一部が光分岐器７および検出用光ファイバ８を介して光検出部９に導かれる。ここで、半導体リングレーザジャイロ１が静止している状態には、ＣＷ光の周波数（波長）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。この場合、光検出部９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２の光学長と光ファイバリング３の光学長の総和）に対応する複数の縦モード（以下、リング共振スペクトルという）のみが観察される（後述する図２参照）。以下では、１次のリング共振スペクトルの周波数を、リング共振周波数Ｆ_rlg
と称する。

このリング共振周波数Ｆ_rlgは、光速をＣ、光ファイバリング３を構成する光ファイバの屈折率をｎ、光ファイバの全長（光ファイバリング３を構成する光ファイバの長さ）をＬとした場合、半導体レーザ２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＝Ｃ／ｎＬと表される。また、本発明においては、一対の結合光ファイバ４，５の長さが、感知コイル６の光ファイバコイル６ｂを構成する光ファイバの長さ（＝２πｒＮ）に比べて短いことから、光ファイバの全長Ｌは近似的にＬ＝２πｒＮと表される。ここで、Ｎは、感知コイル６のボビン６ａに多重巻きされた光ファイバのターン数である。

次に、半導体リングレーザジャイロ１が回転を伴う移動を開始すると、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、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。この場合には、リング共振スペクトル以外に、ビート信号（ビート信号の周波数（ビート周波数ΔＦ_beat）に発生する信号）と、各次数のリング共振スペクトルの側帯波とが、スペクトルアナライザにより観察される（後述する図３（ｂ）参照）。なお、リング共振スペクトルの周波数と側帯波の周波数との差の絶対値がビート周波数ΔＦ_beatに相当する。このビート周波数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により感知コイル６回りの角速度Ωが算出される。ここで、λは、ＣＷ光およびＣＣＷ光の波長（静止時の波長）である。また、本発明では、光ファイバによって囲まれる領域の面積累計Ａを、半径ｒの感知コイル６（ボビン６ａ）の断面積πｒ^２と光ファイバのターン数Ｎとの積であるＮπｒ^２で近似することができる。また、パス長としての光ファイバの全長Ｌを、前述のように、Ｌ＝２πｒＮで近似できる。したがって、角速度Ωとビート周波数ΔＦ_beatとの関係は、次の式で表される。
Ω＝（ｎλ／２ｒ）ΔＦ_beat

ところで、この式から判断すると、角速度Ωの検出感度は感知コイル６のボビン６ａの半径ｒに依存するものの、光ファイバの全長Ｌ（または光ファイバのターン数Ｎ）には依存しないことになる。ところが、本発明者の検討によると、ボビン６ａの径を小さくすることにともない装置の小型化が達成できるものの、ビート信号の検出が全く不能になるという現象が発生した。そこで、この現象の解明および対策を検討したところ、感知コイル６のボビン６ａに光ファイバを多重巻きすることによって光ファイバの全長Ｌを長くすることが、ビート信号の検出に有効であることが分かった。そして、良好な感度でビート信号を検出するには、ビート信号とリング共振スペクトルとの関係に注目して、光ファイバの全長Ｌを所定の範囲に制御することが好ましいことが判明した。そこで、光ファイバの全長Ｌとビート信号およびリング共振スペクトルとの関係について以下に説明する。

リング共振スペクトルは、図２に模式的に示すように、光ファイバの全長Ｌによって、スペクトル線幅を示すＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）および等間隔に発生する複数のリング共振スペクトルの間隔を示す自由スペクトル空間ＦＳＲ（リング共振周波数Ｆ_rlg（＝Ｃ／ｎＬ）に一致）が変化する。具体的には、光ファイバの全長Ｌが比較的短い場合（図中破線で示す）には、ＦＷＨＭ１が大きくなり、ＦＳＲ１も大きくなる（リング共振周波数Ｆ_rlg１が大きくなる）。それに対して、光ファイバの全長Ｌが比較的長い場合（図中実線で示す）には、ＦＷＨＭ２が小さくなり、ＦＳＲ２も小さくなる（リング共振周波数Ｆ_rlg２が小さくなる）。なお、光ファイバの全長ＬによってＦＷＨＭおよびＦＳＲが変化する現象は、光ファイバリング３が半導体レーザ２とともにレーザ共振回路を形成することにより生じるものであり、半導体リングレーザジャイロ特有の現象である。

一方、ビート信号は、前述のように、リング共振スペクトルの側帯波としても観測される（発生する）ものである。リング共振スペクトルのＦＷＨＭが大きい場合には、図３（ａ）に模式的に示すように、リング共振スペクトルの側帯波がリング共振スペクトルの裾に隠れ（埋もれ）、ビート信号を検出することができない（ビート周波数に信号が発生しない。）したがって、ビート周波数ΔＦ_beatの下限値（ジャイロに要求される角速度の測定範囲の下限値Ω_minに相当するビート周波数であり、以下では、ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}という）寄りのビート信号を検出できるようにするには_、光ファイバの全長Ｌを長くするこが有効である。光ファイバの全長Ｌを長くすることにより、リング共振スペクトルのＦＷＨＭを狭くすることができ、リング共振スペクトルの裾に埋もれていた側帯波を顕在化（表出）させビート信号を発生させることができるからである。この観点から、光ファイバの全長Ｌについての実験による定量的な検討を行なったところ、リング共振周波数Ｆ_rlg（＝Ｃ／ｎＬ）がビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}（＝２πΩ_min／ｎλ）の１０倍以下となるように光ファイバの全長Ｌを長くすることにより、ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}までビート信号を精度よく確実に検出できることが明らかになった。

ところが、光ファイバの全長Ｌをさらに長くした場合には、所定の長さ以上のところでビート周波数ΔＦ_beatの上限値（ジャイロに要求される角速度の測定範囲の上限値Ω_maxに相当するビート周波数であり、以下では、ビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}という）寄りの検出感度が低下または不安定になるという現象が発生した。そこで、さらに検討を進めたところ、この現象も半導体リングレーザジャイロ特有の原因により発生していることが分かった。すなわち、光ファイバの全長Ｌを長くした場合には、前述のように、自由スペクトル空間ＦＳＲ（またはリング共振周波数Ｆ_rlg）が小さくなる。したがって、光ファイバの全長Ｌを所定以上の長さに設定すると、図３（ｂ）に模式的に示すように、ビート信号（ビート周波数に発生する信号）とリング共振スペクトルの側帯波との間隔が狭くなり、ビート信号とリング共振スペクトルの側帯波とに重なりが生じる。この重なりの程度が大きいと、ビート周波数の正確な検出が困難になる。よって、光ファイバの全長Ｌを所定値以上まで長くした場合に、ビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}寄りの検出感度が低下した原因は、ビート信号とリング共振スペクトルの側帯波とが重なったことによるものと考えられる。

ここで、ビート信号とリング共振スペクトルの側帯波とが完全に重なる周波数の条件は、リング共振スペクトルの側帯波の周波数がＦ_rlg−ΔＦ_beatであることから、ΔＦ_beat＝Ｆ_rlg−ΔＦ_beat、すなわち、２ΔＦ_beat＝Ｆ_rlgである。これより、ビート信号とリング共振スペクトルの側帯波とが重なることによる検出感度の低下を抑制するには、リング共振周波数Ｆ_rlg（＝Ｃ／ｎＬ）がビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}（＝２πΩ_max／ｎλ）の２倍より大きく（２ΔＦ_{beat_max}＜Ｆ_rlg）なるように、光ファイバの全長Ｌの上限を制限する必要があることが分かる。ただし、ビート信号およびリング共振スペクトルのＦＷＨＭを考慮すると、リング共振周波数Ｆ_rlgがビート周波数の上限値ΔＦ_{beat_max}の略２．５倍以上（２．５ΔＦ_{beat_maxt}≦Ｆ_rlg）となるようにするのがより好ましい。

以上の検討結果から、半導体リングレーザジャイロ１は、ビート周波数ΔＦ_beat（ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}および上限値ΔＦ_{beat_max}）とリング共振周波数Ｆ_rlgとが２ΔＦ_{beat_max}＜Ｆ_rlg≦１０ΔＦ_{beat_min}（より好ましくは、２．５ΔＦ_{beat_max}≦Ｆ_rlg≦１０ΔＦ_{beat_min}）の関係を満たすように光ファイバの全長Ｌが決定されている。これにより、小径・小型でありながら、ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}から上限値ΔＦ_{beat_max}まで連続してビート信号を良好に検出することが可能となる。すなわち、測定範囲の全範囲にわたって角速度を精度よく確実に検出することができる半導体リングレーザ１を実現することができる。また、上記関係式を用いることにより、所定のビート周波数の測定範囲（ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}および上限値ΔＦ_{beat_max}）に対して好適な光ファイバの全長Ｌを迅速に決定することができ、半導体リングレーザジャイロ１の作製が容易になることが期待できる。（なお、この場合には、ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}と上限値ΔＦ_{beat_max}とが所定の関係を満たすことが要求される。）

それとは逆に、光ファイバの全長Ｌが固定されている場合には、２ΔＦ_{beat_max}＜Ｆ_rlg≦１０ΔＦ_{beat_min}（より好ましくは、２．５ΔＦ_{beat_max}≦Ｆ_rlg≦１０ΔＦ_{beat_min}）の関係を満たすように、ビート周波数の下限値ΔＦ_{beat_min}および上限値ΔＦ_{beat_max}を決定する。これにより、測定範囲の全範囲においてビート周波数、ひいては角速度を良好に検出することが可能な半導体リングレーザジャイロ１を実現できる。また、上記関係式を用いることにより、光ファイバの全長Ｌに対するビート周波数の最大測定範囲を迅速に決定することができ、半導体リングレーザジャイロ１の作製が容易になることが期待できる。

次に、上記効果を確認するため、試作した半導体リングレーザジャイロ１の性能を評価した結果を図４および図５に示す。図４はビート信号の測定結果であり、図５は側帯波の測定結果である。なお、図５では、側帯波の例として３次のリング共振スペクトルの側帯波を示している。この場合、３次のリング共振スペクトルの周波数と側帯波の周波数との差がビート周波数ΔＦ_beatに対応する。図４および図５に示すように、ビート周波数ΔＦ_beatが６０ｋＨｚから２５０ｋＨｚまで（角速度として、０．２ｒｐｍから０．８ｒｐｍまで）を精度よく検出できることが確認された。また、リング共振周波数Ｆ_rlgが約６００ｋＨｚであることから、２ΔＦ_{beat_max}＜Ｆ_rlg≦１０ΔＦ_{beat_min}の関係を満たしている。なお、この場合の感知コイル６の半径ｒは３０ｍｍであるが、半径ｒが１００，２００，３００，４００ｍｍの場合にも良好に角速度を検出できることが確認された。

以上、本発明の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ１について説明したが、本発明に係るジャイロは小型に構成できることから、複数の光周回路を配置して多軸回りの角速度を検出する多軸用のジャイロとして構成することができる。また、一つの感知コイル６をゴニオステージなどを用いて可動させることにより、一つの感知コイル６のみで任意の方向の角速度を検出できるように構成することができる。

〈第２の実施形態〉
次に、本発明の第２の実施形態について図６（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ２１の全体構成を模式的に示す概念図である。半導体リングレーザジャイロ２１は、第１の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ１とは光検出部２９が主として相違するので、以下では光検出部２９について説明し、共通する部材については同一符号を付して説明は省略する。

光検出部２９は、２つの開口を有する筐体２９ａと、筐体２９ａの中央部に配置される合波プリズム２９ｂと、合波プリズム２９ｂの出力側に配置される４分割フォトダイオード（受光素子）２９ｃと、４分割フォトダイオード２９ｃの受光面を覆うように配置されるマスク２９ｄと、を備えている。マスク２９ｄには、図６（ｂ）に示すように、分割フォトダイオード２９ｃの４つの受光面ごとに１本または複数本（本実施形態では、３本）のスリット２９ｄａが形成されている。スリット２９ｄａの伸びる方向は、後述する干渉縞の伸びる方向と一致させている。また、スリット２９ｄａは、４つの受光面ごとに所定の位相（本実施形態では、後述する干渉縞の周期の１／４波長）だけずれるように形成されている。なお、３本のスリット２９ｄａの間隔は、いずれの受光面においても干渉縞の間隔と一致させている。

筐体２９ａの２つの開口には、光分岐器７により分岐されたＣＷ光およびＣＣＷ光の一部を光検出部２９に導くための検出用光ファイバ８ａの両端がそれぞれ配置されている。検出用光ファイバ８ａの両端からそれぞれ出射したＣＷ光およびＣＣＷ光は、合波プリズム２９ｂにより合波される。そして、この合波された光が、マスク２９ｄに形成された複数のスリット２９ｄａを介して４分割フォトダイオード２９ｃの各受光面に入射する。

ここで、半導体リングレーザジャイロ２１が静止している場合には、ＣＷ光とＣＣＷ光の周波数は一致していることから、図６（ｃ）に示すように、静止した干渉縞が形成される。次に、半導体リングレーザジャイロ２１が回転移動を開始すると、サニャック効果により、ＣＷ光の周波数とＣＣＷ光の周波数とに差が生じ、干渉縞がスリット２９ｄａを介して４分割フォトダイオード２９ｃの各受光面上を移動し始める。この干渉縞の移動速度および移動方向は、ビート周波数および回転方向にそれぞれ依存する。したがって、干渉縞の移動速度および移動方向を、受光面ごとに位相をずらして形成されたスリット２９ｄａを有するマスク２９ｄと４分割フォトダイオード２９ｃとを用いて検出することにより、ビート周波数および移動方向が求まる。そして、このビート周波数および移動方向から角速度および回転方向が決定される。

以上の説明から明らかように、第２の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ２１は、第１の実施形態に係る半導体リングレーザジャイロ１と同様の効果を奏する。それに加えて、半導体リングレーザジャイロ２１は、簡易な構成でありながら、角速度を計測できるとともに回転方向を判別することができる。なお、上記実施形態では、４分割フォトダイオード２９ｃを用いて干渉縞の移動速度および移動方向を検出しているが、少なくとも２つ以上の受光面または受光素子を用いることによって、干渉縞の移動速度および移動方向を検出することができる。また、受光面または受光素子を所定の間隔で配置させることにより、マスク２９ｄを設けることなく干渉縞の移動速度および移動方向を検出することも可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、光ファイバリング３を構成する光ファイバは、必ずしも単一モード光ファイバである必要はない。単一モード光ファイバに代えてマルチモード光ファイバを適用してもよい。また、感知コイル６のボビン６ａの形状は、必ずしも円筒状である必要はなく、例えば、断面形状が楕円または多角形である筒状であってもよい。さらに、ボビン６ａを用いることなく、空芯状に光ファイバを多重巻きして感知コイル６を形成してもよい。

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。 リング共振スペクトルを説明するための模式図である。 （ａ）は、光ファイバの全長が比較的短い場合の、リング共振スペクトルに側帯波が埋もれた様子を模式的に示す図であり、（ｂ）は、光ファイバの全長が比較的長い場合の、ビート信号の一部とリング共振スペクトルの側帯波の一部とが互いに重なった様子を模式的に示す図である。 角速度（回転数）とビート周波数との関係を実測した結果を示す図である。 角速度（回転数）と側帯波の周波数との関係を実測した結果を示す図である。 （ａ）は第２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り、（ｂ）は光検出部の一部を示す図であり、（ｃ）は干渉縞を示す図である。 従来の光ジャイロの構成を示す概念図である。

符号の説明

１，２１ 半導体リングレーザジャイロ
２ 半導体レーザ
３ 光ファイバリング
４，５ 結合光ファイバ
６ 感知コイル
６ａ ボビン
６ｂ 光ファイバコイル
７ 光分岐器
８，８ａ 検出用光ファイバ
９，２９ 光検出部
２９ａ 筐体
２９ｂ 合波プリズム
２９ｃ ４分割フォトダイオード
２９ｄ マスク
２９ｄａ スリット

Claims (3)

1. 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レーザ共振回路を構成する光ファイバリングと、
   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回転角速度を検出するための光検出部と、を備え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は、光ファイバを多重巻きして形成される感知コイルを有し、
   前記光ファイバリングは、リング共振周波数Ｆ _rlg と角速度の測定範囲の下限値に相当するビート周波数ΔＦ _{beat_min} とが（１）式の関係を満たすように構成されていることを特徴とする半導体リングレーザジャイロ。
   Ｆ _rlg ≦１０ΔＦ _{beat_min} ・・・（１）式
   ただし、Ｆ _rlg は以下の通りである。
   Ｆ _rlg ＝Ｃ／ｎＬ
   ここで、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの全長である。
2. 前記光ファイバリングは、リング共振周波数Ｆ_rlgと角速度の測定範囲の上限値に相当するビート周波数ΔＦ_{beat_max}とが（２）式の関係を満たすように構成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。
   ２ΔＦ_{beat_max} ＜Ｆ_rlg ・・・（２）式
   ただし、Ｆ_rlgは以下の通りである。
   Ｆ_rlg＝Ｃ／ｎＬ
   ここで、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの全長である。
3. 前記光検出部は、前記光ファイバリングを互いに反対方向に周回する２つの光の一部をそれぞれ外部に取り出す光分岐器と、
   該光分岐器から外部に取り出された２つの光を干渉させる合波プリズムと、
   該合波プリズムにより干渉された光を受光する複数の受光面を有する分割フォトダイオードと、
   前記合波プリズムと前記分割フォトダイオードとの間に配設され、前記受光面ごとに位相が異なるスリットが形成されたマスクと、により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。
   

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