JPH0572338A - レーザドツプラー速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各光学部品のアライメント調整が不要で、し
かも耐振動性に優れたレーザドップラー速度計を提供す
ることを目的とする。 【構成】 レーザドップラー速度計は、半導体レーザ
４、フォトダイオード５、光導波路６、７、８、及び３
ｄＢカプラ９、１０を半導体基板３上に集積化して一体
的に形成した干渉器１と、フォトダイオード５で光学的
にヘテロダイン検波された出力信号を計測する計測器２
とで構成する。半導体レーザ４から出射されたレーザ光
は３ｄＢカプラ９で分岐され、一方は移動物体１１に向
けて出射され、その反射光が光導波路７に入射し、他方
は光導波路８を伝播して進行方向を変え、３ｄＢカプラ
１０を介して光導波路７に入射する。このレーザ光は、
光導波路７内で前述した反射光と合波され、この合波光
がフォトダイオード５で受光される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光を移動物体に照
射し、その反射光のドップラーシフトを干渉器を用いて
計測するレーザドップラー速度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、物体の移動速度を計測する装
置として光の干渉を利用したレーザドップラー速度計
（以下、速度計という）が知られている。この速度計の
測定原理は、移動する物体にレーザ光を照射すると、そ
の反射光の周波数はドップラー効果を受け、もとの周波
数ｆ_O から周波数ｆ_O ＋ｆ_D にシフトするため、干渉計
を用いて、この周波数ｆ_D を計測し、この数値から移動
物体の移動速度Ｖを求めるものである。

【０００３】この一例として、速度計の装置構成の概略
を図２に示す。図２において、レーザ２１から出射され
たレーザ光は、ビームスプリッタ２２に到達し、ここで
周波数変化のない参照光（周波数ｆ_O ）と、移動物体２
０に向けて出射される出射光（周波数ｆ_O ）とに分岐さ
れる。分岐された参照光は、全反射ミラー２３、２４で
順に全反射され、ビームスプリッタ２５を通過し受光器
２６に入射する。一方、ビームスプリッタ２２、２５を
通過し、移動物体２０に向けて出射された出射光は、こ
の移動物体２０で反射されてドップラー効果を受け、こ
の反射光（周波数ｆ_O ＋ｆ_D ）は、再びビームスプリッ
タ２５に到達し、方向を変えたのち受光器２６に入射す
る。このようにして参照光と反射光とを合波させた合波
光が、受光器２６に入射するが、ここで光学的にヘテロ
ダイン検波された出力信号の周波数は、参照光と反射光
とのビート周波数、即ちドップラー周波数ｆ_D に等し
く、このドップラー周波数ｆ_D が計測器２７で計測さ
れ、この数値から移動物体２０の移動速度Ｖを求めるこ
とができる。

【０００４】なお、図２にはマッハツェンダー型の干渉
計を示したが、この他にもマイケルソン・モーレー干渉
器等、種々の構成が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の速
度計は、ビームスプリッタ２２、２５、全反射ミラー２
３、２４等、それぞれ別体として形成された光学部品を
用いており、実際の測定に際しては、これら光学部品が
極めて精密に位置決めされていることが前提となる。

【０００６】しかし、この測定の下準備として行う各光
学部品のアライメント調整は、極めて高い精度が要求さ
れ、かつ大変に手間の掛かる作業であった。また、振動
等の外的要因によって、この光学部品の一つにでも位置
ずれや角度ずれが生じた場合には、参照光と反射光とが
干渉を生じなくなり、測定が不可能になる欠点があっ
た。

【０００７】本発明は上記問題点を解決すべく成された
ものであり、各光学部品のアライメント調整が不要で、
しかも耐振動性に優れたレーザドップラー速度計を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザドッ
プラー速度計は、半導体基板と、該半導体基板の表面に
所定の半導体材料を積層し、当該半導体基板と一体的に
形成した半導体レーザ及び受光素子と、前記半導体基板
の表面に形成され、前記半導体レーザから出射されたレ
ーザ光を導き、移動物体に向けてレーザ光を出射するた
めの第１の光導波路と、前記半導体基板の表面に形成さ
れ、前記移動物体に向けて出射されたレーザ光の反射光
を導き、前記受光素子に伝播するための第２の光導波路
と、前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体レー
ザから出射され前記第１の光導波路を伝播するレーザ光
の一部を分岐するための光分岐手段と、前記半導体基板
の表面に形成され、前記光分岐手段で分岐されたレーザ
光を伝播し、かつ、該分岐されたレーザ光の進行方向
が、前記第２の光導波路を伝播し前記受光素子に入射す
る前記反射光の進行方向と一致するように、伝播するレ
ーザ光の進行方向を規定する第３の光導波路と、前記半
導体基板の表面に形成され、前記第３の光導波路を伝播
するレーザ光を前記第２の光導波路に入射させ、前記第
２の光導波路を伝播する反射光と合波させるための光結
合手段とを備えるものである。

【０００９】

【作用】半導体レーザ、受光素子、第１、第２及び第３
の光導波路、光分岐手段及び光結合手段の各々を、半導
体プロセスにより半導体基板の表面に集積化して一体的
に形成する。半導体レーザから出射され、第１の光導波
路を伝播するレーザ光は、移動物体に向けて出射され
る。移動物体で反射されドップラーシフトを受けた反射
光は、半導体基板側に戻り、ここで第２の光導波路に入
光し、この中を伝播する。

【００１０】一方、半導体レーザから出射され、第１の
光導波路を伝播するレーザ光の一部は、光分岐手段を介
して第３の光導波路に入射する。入射したレーザ光はこ
の第３の光導波路を伝播し、前記第２の光導波路を伝播
する反射光の進行方向と一致するように進行方向を変え
た後、この一部が光結合手段を介して第２の光導波路に
入射し、周波数変化のない参照光となる。第２の光導波
路内では、この参照光と前述した反射光とが合波され、
この合波光が受光素子で受光される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１２】本実施例に係る速度計の構成を図１に示
す。速度計は、半導体レーザ、受光素子及び各光導波路
及び光分岐・結合部等を、半導体プロセスにより半導体
基板３上に集積化して一体的に形成した干渉器１と、こ
の干渉器１の受光素子で光学的にヘテロダイン検波され
た出力信号を計測する計測器２とで構成する。

【００１３】干渉器１は、ＩｎＰ或いはＧａＡｓ等によ
る半導体基板３を備え、平面形状が長方形をなす半導体
基板３の１つの短辺部に沿って、半導体レーザ４及びフ
ォトダイオード５を形成している。また、半導体レーザ
４及びフォトダイオード５からは、半導体基板３の対向
側の短辺部に亘って光導波路６及び７を形成し、半導体
レーザ４から出射されたレーザ光、及び移動物体１１で
反射された反射光をそれぞれ導くものである。なお、光
導波路６の端部に形成されたレーザ光の出射部６ａに
は、この箇所での反射を防止するためのＡＲコート１２
が施されている。

【００１４】また、光導波路６、７の間には、略Ｖ字形
状に屈曲する光導波路８を形成しており、その屈曲部に
は全反射ミラー１３を配設し、この光導波路８を伝播す
るレーザ光の進行方向を反転させるものである。この光
導波路８と、この両側に位置する光導波路６、７との間
には、互いに隣接する部分を近接させて３ｄＢカプラ
９、１０をそれぞれ形成しており、半導体レーザ４から
出射されるレーザ光の一部を分岐し、フォトダイオード
５に入射させるものである。

【００１５】以上の構成よりなる速度計の測定機構を説
明する。まず、半導体レーザ４から出射されたレーザ光
は、３ｄＢカプラ９において分岐され、一方は光導波路
６内をそのまま直進し、先端部の出射部６ａから、移動
速度Ｖの移動物体１１に向けて出射され、他方は光導波
路８内に入射する。この光導波路８内に入射したレーザ
光はこの中を伝播し、全反射ミラー１３において反射さ
れて伝播方向を反転させ、３ｄＢカプラ１０に至り、周
波数変化を受けない参照光（周波数ｆ_O ）として３ｄＢ
カプラ１０から光導波路７内に入射する。

【００１６】一方、移動物体１１に向けて出射されたレ
ーザ光は、この移動物体１１で反射され、ドップラー効
果を受け、この反射光（周波数ｆ_O ＋ｆ_D ）の一部は、
半導体基板３側へ戻り、受光面７ａから光導波路７内に
入射する。入射した反射光は光導波路７を伝播し、３ｄ
Ｂカプラ１０において入射した前述の参照光と合波さ
れ、この合波光がフォトダイオード５に入射する。フォ
トダイオード５からの出力は、参照光としてのレーザ光
と、ドップラー効果を受けた反射光との周波数差ｆ_D に
等しいビート出力となり、この出力が計測器２で計測さ
れるものである。

【００１７】本実施例では、半導体基板の材料としてＩ
ｎＰやＧａＡｓを例示したが、この他にも、半導体レー
ザ、受光素子及び光導波路等を形成する半導体材料とマ
ッチングが良い材料であれば特に限定するものではな
い。また、レーザ光の出射部６ａ及び光導波路７の受光
面７ａには、それぞ出射されるレーザ光或いはその反射
光を導くための光ファイバ等のガイド部材を設けても良
い。

【００１８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係るレーザ
ドップラー速度計は、半導体レーザ、受光素子、第１、
第２、第３の光導波路、光分岐手段、光結合手段の各々
を、半導体基板上に集積化し一体的に形成し、かつ、第
３の光導波路を伝播するレーザ光の進行方向を、第２の
光導波路を伝播する反射光の進行方向と一致させるよう
に、当該第３の光導波路を形成したので、出射したレー
ザ光とこの反射光とを干渉させることができ、全体とし
て一体型のレーザドップラー速度計を形成することがで
きる。従って、従来のような半導体レーザ等の各光学部
品のアライメント調整が不要となり、しかも耐振動性に
も優れるため、振動の激しい環境における移動物体の速
度測定も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るレーザドップラー速度計
を示す構成図である。

【図２】従来のレ−ザドップラー速度計の概略的な構成
を示す説明図である。

【符号の説明】

３…半導体基板 ４…半導体レーザ ５…フォトダイオード（受光素子） ６…光導波路（第１の光導波路） ７…光導波路（第２の光導波路） ８…光導波路（第３の光導波路） ９…３ｄＢカプラ（光分岐手段） １０…３ｄＢカプラ（光結合手段） １１…移動物体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 該半導体基板の表面に所定の半導体材料を積層し、当該
   半導体基板と一体的に形成した半導体レーザ及び受光素
   子と、 前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体レーザか
   ら出射されたレーザ光を導き、移動物体に向けてレーザ
   光を出射するための第１の光導波路と、 前記半導体基板の表面に形成され、前記移動物体に向け
   て出射されたレーザ光の反射光を導き、前記受光素子に
   伝播するための第２の光導波路と、 前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体レーザか
   ら出射され前記第１の光導波路を伝播するレーザ光の一
   部を分岐するための光分岐手段と、 前記半導体基板の表面に形成され、前記光分岐手段で分
   岐されたレーザ光を伝播し、かつ、該分岐されたレーザ
   光の進行方向が、前記第２の光導波路を伝播し前記受光
   素子に入射する前記反射光の進行方向と一致するよう
   に、伝播するレーザ光の進行方向を規定する第３の光導
   波路と、 前記半導体基板の表面に形成され、前記第３の光導波路
   を伝播するレーザ光を前記第２の光導波路に入射させ、
   前記第２の光導波路を伝播する反射光と合波させるため
   の光結合手段とを備えることを特徴とするレーザドップ
   ラー速度計。
2. 【請求項２】 前記光分岐手段を、前記第１の光導波路
   と前記第３の光導波路の一部とを近接させて形成し、ま
   た、前記光結合手段を、前記第２の光導波路と前記第３
   の光導波路の一部とを近接させて形成することを特徴と
   する請求項１記載のレーザドップラー速度計。
3. 【請求項３】 前記光分岐手段を介して入射し前記第３
   の光導波路を伝播するレーザ光の進行方向を、前記第２
   の光導波路を伝播する反射光の進行方向と一致させるた
   め、前記第３の光導波路を、レーザ光を反射する反射手
   段を介し屈曲させて形成することを特徴とする請求項１
   記載のレーザドップラー速度計。