JP2835468B2 - Ring laser gyro device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば航空機の慣性航行装置等に角速度検
出器として使用されるリングレーザジャイロ装置に関す
る。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a ring laser gyro device used as an angular velocity detector in, for example, an inertial navigation device of an aircraft.

［従来の技術］ 航空機等の慣性航行装置としては従来の機械的なジャ
イロスコープに代わって、大きさ及び製造コストの点で
利点なリングレーザジャイロ装置の開発が進められてい
る。[Related Art] As an inertial navigation device for an aircraft or the like, development of a ring laser gyro device which is advantageous in terms of size and manufacturing cost has been advanced instead of a conventional mechanical gyroscope.

第７図は特開平２−122681号公報で開示されているレ
ーザとしてレーザダイオードを使用する従来の半導体リ
ングレーザ装置を示し、この第７図において、（１）は
レーザダイオード、（２）は埋め込み構造の導波領域で
あり、PN接合面は第７図の紙面に平行である。このレー
ザダイオード（１）には可変抵抗器（３）を介して可変
電圧源（４）より電力が供給されている。（５）は光フ
ァイバを１回巻回した光ファイバループを示し、この光
ファイバループ（５）の一端部（5a）及び他端部（5b）
が夫々そのレーザダイオード（１）の一方の壁開面（5
a）及び他方の壁開面（5b）に結合されている。FIG. 7 shows a conventional semiconductor ring laser device using a laser diode as a laser disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-122681. In FIG. 7, (1) is a laser diode, and (2) is an embedded device. This is the waveguide region of the structure, and the PN junction surface is parallel to the plane of FIG. The laser diode (1) is supplied with power from a variable voltage source (4) via a variable resistor (3). (5) shows an optical fiber loop in which the optical fiber is wound once, and one end (5a) and the other end (5b) of the optical fiber loop (5).
Are the open faces of one side of the laser diode (1) (5
a) and the other wall open surface (5b).

この場合、そのレーザダイオード（１）の導波管領域
（２）がそれら壁開面（5a）及び（5b）となす角度θ
は、そのレーザダイオード（１）と光ファイバループ
（５）の光ファイバとの間のブリュースタ角をθ_Ｂとす
ると、 ０＜θ≦θ_Ｂ ……（１） を充足するように設定され、かつレーザダイオード
（１）の壁開面（5a）及び（5b）には反射防止被膜が被
覆されている。In this case, the angle θ between the waveguide region (2) of the laser diode (1) and the wall open surfaces (5a) and (5b)
Is set to satisfy 0 <θ ≦ θ _B (1), where θ _B is the Brewster angle between the laser diode (1) and the optical fiber of the optical fiber loop (5). In addition, anti-reflection coatings are applied to the open surfaces (5a) and (5b) of the laser diode (1).

また、その光ファイバループ（５）の他端側には方向
性カップラ（６）が形成され、この方向性カップラ
（６）から２本の光ファイバ（７）及び（８）が分岐し
て、これら光ファイバ（７）及び（８）の出力端が夫々
読み取り装置（９）に導かれている。その光ファイバル
ープ（５）の中には時計方向CWに進行するレーザ光と反
時計方向CCWに進行するレーザ光とが混在しており、そ
の方向性カップラ（６）においてその時計方向に進行す
るレーザ光の一部（例えば数％）を一方のファイバ
（７）側へ取り込み、反時計方向に進行するレーザ光の
一部を他方の光ファイバ（８）側へ取り込み、それら取
り込んだ２種類のレーザ光を読み取り装置（９）の内部
で混合して光電変換すると、それら２種類のレーザ光の
ビート信号が得られる。A directional coupler (6) is formed at the other end of the optical fiber loop (5), and two optical fibers (7) and (8) are branched from the directional coupler (6). The output ends of these optical fibers (7) and (8) are respectively led to a reading device (9). In the optical fiber loop (5), a laser beam traveling in the clockwise direction CW and a laser beam traveling in the counterclockwise direction CCW are mixed, and travel in the clockwise direction in the directional coupler (6). A part of the laser light (for example, several%) is taken into one fiber (7), a part of the laser light traveling counterclockwise is taken into the other optical fiber (8), and the two kinds of the taken light are taken. When the laser beams are mixed and photoelectrically converted inside the reading device (9), beat signals of the two types of laser beams are obtained.

その光ファイバループ（５）が一方向に回転すると、
例えば時計方向に進行するレーザ光の周波数が増加する
のに対して反時計方向に進行するレーザ光の周波数が減
少するので、その読み取り装置（９）内で得られるビー
ト信号の周波数は大きくなる。従って、このビート信号
の周波数を検出することによりその光ファイバループ
（５）の回転角速度を検出することができる。When the optical fiber loop (5) rotates in one direction,
For example, while the frequency of the laser beam traveling in the clockwise direction increases while the frequency of the laser beam traveling in the counterclockwise direction decreases, the frequency of the beat signal obtained in the reader (9) increases. Therefore, by detecting the frequency of the beat signal, the rotation angular velocity of the optical fiber loop (5) can be detected.

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、光ファイバのループをレーザダイオー
ドの光学共振器として用いた場合には、光ファイバ内の
レーリー散乱によりリングレーザ装置に特有のロックイ
ン現象が顕著に発生する不都合がある。ロックイン現象
とは、回転角速度が０に近い領域で上記のビート信号が
消失し、その回転角速度が検出できなくなる現象をい
う。[Problems to be Solved by the Invention] However, when a loop of an optical fiber is used as an optical resonator of a laser diode, Rayleigh scattering in the optical fiber causes a significant lock-in phenomenon peculiar to the ring laser device. There are inconveniences. The lock-in phenomenon refers to a phenomenon in which the beat signal disappears in a region where the rotational angular velocity is close to 0, and the rotational angular velocity cannot be detected.

さらに、光ファイバは曲げ半径を小さくすると伝送損
失が増加するため、光ファイバループ（５）の半径は或
る程度より小さくすることができないため、リングレー
ザ装置をより小型化することができない不都合がある。Further, since the transmission loss increases when the bending radius of the optical fiber is reduced, the radius of the optical fiber loop (5) cannot be reduced to a certain degree, so that the ring laser device cannot be downsized. is there.

本発明は斯かる点に鑑み、ロックイン現象が発生しに
くいと共により装置全体を小型化できるリングレーザジ
ャイロ装置を提供することを目的とする。In view of the above, an object of the present invention is to provide a ring laser gyro device in which a lock-in phenomenon is less likely to occur and the entire device can be further reduced in size.

［課題を解決するための手段］ 本発明によるリングレーザジャイロ装置は、例えば第
１図に示す如く、基台（12）上に設けた略円形状の光導
波路（14）と、この光導波路の一部を切り欠いて設けた
発光素子（19）と、その光導波路に近接して設けた方向
性結合器（16）と、この方向性結合器の両端部の出力光
を入力光とするＹ分岐型結合器（17）と、このＹ分岐型
結合器の出力部の近傍に設けられた受光素子（18A）と
を有するものである。[Means for Solving the Problems] A ring laser gyro device according to the present invention comprises a substantially circular optical waveguide (14) provided on a base (12) as shown in FIG. A light emitting element (19) provided with a part cut away, a directional coupler (16) provided in the vicinity of the optical waveguide, and Y having output light at both ends of the directional coupler as input light. It has a branch coupler (17) and a light receiving element (18A) provided near an output section of the Y-branch coupler.

また、本発明は例えば第１図に示すように、その基台
（12）を温度制御素子（11）を介して放熱板（10）に取
り付けたものである。In the present invention, as shown in FIG. 1, for example, the base (12) is attached to a heat radiating plate (10) via a temperature control element (11).

さらに、本発明は受光素子（18A）の検出出力の直流
レベルが最大になるようにその温度制御素子（11）を制
御するようにしたものである。Further, in the present invention, the temperature control element (11) is controlled so that the DC level of the detection output of the light receiving element (18A) is maximized.

［作用］ 斯かる本発明によれば、その略円形状の光導波路（1
4）でその発光素子（19）の出力光の光学共振器が構成
され、この光学共振器の中に一方向に回る光と他方向に
回る光とが混在する。そして、例えばその一方向に回る
光の一部及びその他方向に回る光の一部がその方向性結
合器（16）及びＹ分岐型結合器（17）を介して混合され
た形で受光素子（18A）に供給されるので、その受光素
子（22）からはその一方向に回る光の一部と他方向に回
る光の一部とのビート信号が得られる。According to the present invention, the substantially circular optical waveguide (1)
In 4), an optical resonator of the output light of the light emitting element (19) is formed, and light turning in one direction and light turning in the other direction are mixed in the optical resonator. Then, for example, a light receiving element (a part of the light traveling in one direction and a part of the light traveling in the other direction) is mixed through the directional coupler (16) and the Y-branch coupler (17). 18A), the light receiving element (22) obtains a beat signal of a part of the light turning in one direction and a part of the light turning in the other direction.

このビート信号の周波数はその光学共振器の回転角速
度の関数となるので、そのビート信号の周波数よりその
光学共振器の回転角速度を検出することができる。Since the frequency of the beat signal is a function of the angular velocity of the optical resonator, the angular velocity of the optical resonator can be detected from the frequency of the beat signal.

さらに、一般にその光学共振器の長さはその発光素子
（19），（38）の波長の整数倍のときに最も効率が良好
である。そこで、その基台（12）を温度制御素子（11）
を介して放熱板（10）に取り付けた場合には、例えば別
途方向性結合器を介してその光導波路（14）から分離し
た光の受光レベルが最大になるようにその基台（12）を
膨張又は収縮させることにより、その光学共振器の長さ
をその発光素子の波長の整数倍に維持することができ
る。Further, in general, the efficiency is best when the length of the optical resonator is an integral multiple of the wavelength of the light emitting elements (19) and (38). Therefore, the base (12) is replaced with a temperature control element (11)
When attached to the heat sink (10) via the radiator, the base (12) is mounted so that the light receiving level of the light separated from the optical waveguide (14) via the directional coupler is maximized. By expanding or contracting, the length of the optical resonator can be maintained at an integral multiple of the wavelength of the light emitting element.

また、受光素子（18A）の検出出力の直流レベルが最
大になるようにその温度制御素子（11）を制御するよう
にした場合にも、その光学共振器の長さをその発光素子
の波長の整数倍に維持することができる。Also, when the temperature control element (11) is controlled so that the DC level of the detection output of the light receiving element (18A) is maximized, the length of the optical resonator is determined by the wavelength of the light emitting element. It can be maintained at an integer multiple.

［実施例］ 以下、本発明によるリングレーザジャイロ装置の一実
施例につき第１図〜第５図を参照して説明しよう。本例
は発光素子としてレーザダイオードを使用する半導体リ
ングレーザジャイロ装置に本発明を適用したものであ
る。Embodiment An embodiment of a ring laser gyro device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, the present invention is applied to a semiconductor ring laser gyro device using a laser diode as a light emitting element.

第１図は本例のリングレーザジャイロ装置を示し、こ
の第１図において、（10）は正方形の板状の放熱板、
（11）はそれより小さい正方形の板状のペルチェ素子、
（12）はジャイロ基板であり、その放熱板（10）の上に
そのペルチェ素子（11）を介してそのジャイロ基板（1
2）を固定する。このジャイロ基板（12）の形状は一辺
の長さＷが30mm程度の正方形であり、その厚さＴは1mm
程度である。このジャイロ基板（12）の材質としては、
シリコン基板上に酸化シリコン（SiO₂）膜を形成したも
の又は酸化シリコン基板そのもの等を使用することがで
きる。FIG. 1 shows a ring laser gyro device of the present embodiment. In FIG. 1, (10) is a square plate-shaped heat sink,
(11) is a smaller square plate-shaped Peltier element,
(12) is a gyro substrate, and the gyro substrate (1) is placed on the heat sink (10) via the Peltier element (11).
2) Fix. The shape of the gyro substrate (12) is a square having a side length W of about 30 mm and a thickness T of 1 mm.
It is about. As a material of this gyro substrate (12),
A silicon oxide (SiO ₂ ) film formed on a silicon substrate, a silicon oxide substrate itself, or the like can be used.

（13）は凸状の保護カバーを示し、この保護カバー
（13）をその放熱板（10）上にそれらペルチェ素子（1
1）及びジャイロ基板（12）を覆うように載置して固定
することにより、それらペルチェ素子（11）及びジャイ
ロ基板（12）を密封する。その保護カバー（13）の内部
は真空にするか、又はヘリウム等の不活性ガスを充填す
る。これによりその保護カバー（13）の内部のレーザ光
のゆらぎが防止されると共に、そのジャイロ基板（12）
が外気から遮断されて温度調整が容易になる。(13) denotes a convex protective cover, and the protective cover (13) is placed on the heat radiating plate (10) by the Peltier element (1).
The Peltier element (11) and the gyro substrate (12) are hermetically sealed by mounting and fixing the 1) and the gyro substrate (12) so as to cover them. The inside of the protective cover (13) is evacuated or filled with an inert gas such as helium. This prevents the laser light from fluctuating inside the protective cover (13) and prevents the gyro substrate (12)
Is cut off from the outside air to facilitate temperature adjustment.

そのジャイロ基板（12）の表面（12a）上には直径が2
5mm程度の円周に沿って第１のガラス平面導波路（14）
を形成する。この第１のガラス平面導波路（14）は、各
種の周知の導波路作成法で作成できるが、例えばスパッ
タ及びエッチング技術を用いて作成できる。ただし、そ
の導波路（14）の円周は真円の円周である必要はなく、
例えば楕円の円周でもよい。また、その導波路（14）は
完全な閉じた円周ではなく、その円周の一部を切り欠い
ておく。The gyro substrate (12) has a diameter of 2 on the surface (12a).
The first glass planar waveguide along the circumference of about 5mm (14)
To form The first glass planar waveguide (14) can be formed by various well-known waveguide forming methods, but can be formed by using, for example, a sputtering and etching technique. However, the circumference of the waveguide (14) does not need to be a perfect circle.
For example, the circumference of an ellipse may be used. Also, the waveguide (14) is not a complete closed circle, but a part of the circumference is cut out.

（15）はジャイロ基板（12）上に形成された第２のガ
ラス平面導波路を示し、このガラス平面導波路（15）は
直径が10mm程度の円周に沿って第１のガラス平面導波路
（14）と同様に形成する。その第２のガラス平面導波路
（15）はその第１のガラス平面導波路（14）の内部にこ
の導波路（14）に近接して形成する。第２図に示すよう
に、それら導波路（14）と導波路（15）とが近接してい
る部分が分岐比が99:1程度の方向性結合器（16）とな
り、この方向性結合器（16）においては導波路（14）を
伝搬するレーザ光の内の１％程度が導波路（15）側に漏
れて来るようになされている。(15) shows a second glass planar waveguide formed on the gyro substrate (12), and the glass planar waveguide (15) is formed along the circumference having a diameter of about 10 mm. It is formed in the same manner as (14). The second glass planar waveguide (15) is formed inside the first glass planar waveguide (14) and close to the waveguide (14). As shown in FIG. 2, a portion where the waveguide (14) and the waveguide (15) are close to each other becomes a directional coupler (16) having a branching ratio of about 99: 1. In (16), about 1% of the laser light propagating through the waveguide (14) leaks to the waveguide (15) side.

また、第２図に示すように、その第２のガラス平面導
波路（15）の方向性結合器（16）と反対側をＹ分岐型結
合器（17）にして、この結合器（17）の光出力部の前面
のジャイロ基板（12）上にフォトダイオードよりなる第
１の受光素子（18A）を設置する。そのＹ分岐型結合器
（17）はその導波路（15）の左右から伝搬して来るレー
ザ光を積極的に混合するために使用される。即ち、その
ガラス平面導波路（14）を時計方向CWに伝搬するレーザ
光の１％程度が分岐光LB1としてその導波路（15）の一
方の円弧部に取り込まれ、反時計方向CCWに流れるレー
ザ光の１％程度が分岐光LB2としてその導波路（15）の
他方の円弧部に取り込まれる。そして、その受光素子
（18A）からはそれら２個の分岐光LB1及びLB2を混合し
た光の干渉信号であるビート信号が出力される。Further, as shown in FIG. 2, the opposite side of the second glass planar waveguide (15) from the directional coupler (16) is a Y-branch coupler (17), and this coupler (17) A first light receiving element (18A) composed of a photodiode is installed on a gyro substrate (12) on the front surface of the light output unit. The Y-branch coupler (17) is used to positively mix laser beams propagating from the left and right sides of the waveguide (15). That is, about 1% of the laser light propagating clockwise CW through the glass planar waveguide (14) is taken into one of the arc portions of the waveguide (15) as the branch light LB1, and the laser flows counterclockwise CCW. About 1% of the light is taken into the other arc portion of the waveguide (15) as the branched light LB2. The light receiving element (18A) outputs a beat signal that is an interference signal of light obtained by mixing the two branched lights LB1 and LB2.

（22）はジャイロ基板（12）上に形成された円弧状の
第３ガラス平面導波路を示し、この導波路（22）も第１
のガラス平面導波路（14）と同様に形成する。この導波
路（22）はその導波路（14）の内部にその導波路（14）
に近接して形成し、この導波路（22）の一方の光出力部
の前面のジャイロ基板（12）上に第２の受光素子（18
B）を設置する。その導波路（22）と導波路（14）とが
近接している部分も分岐比が99:1程度の方向性結合器
（23）を構成している。(22) shows an arc-shaped third glass planar waveguide formed on the gyro substrate (12), and this waveguide (22) is also the first glass planar waveguide.
It is formed similarly to the glass planar waveguide (14). The waveguide (22) has the waveguide (14) inside the waveguide (14).
The second light receiving element (18) is formed on the gyro substrate (12) on the front surface of one of the optical output portions of the waveguide (22).
B) is installed. The portion where the waveguide (22) and the waveguide (14) are close to each other also constitutes a directional coupler (23) having a branching ratio of about 99: 1.

第２図に示すように、その導波路（22）にはその方向
性結合器（23）を介してそのガラス平面導波路（14）を
反時計方向CCWに流れるレーザ光の１％程度が分岐光LB3
として取り込まれ、この分岐光LB3が受光素子（18B）に
て光電変換される。この受光素子（18B）の出力信号は
そのガラス平面導波路（14）を伝搬するレーザ光の強度
のモニターとして使用される。As shown in FIG. 2, about 1% of the laser beam flowing in the counterclockwise CCW through the glass planar waveguide (14) via the directional coupler (23) is branched into the waveguide (22). Light LB3
The split light LB3 is photoelectrically converted by the light receiving element (18B). The output signal of the light receiving element (18B) is used as a monitor of the intensity of the laser light propagating through the glass planar waveguide (14).

第１図に戻り、（19）は両端面に反射防止膜が形成さ
れたレーザダイオード、（20）はイットリウム鉄ガーネ
ット（YIG）結晶等よりなるファラデー素子、（21）は
コイルであり、そのガラス平面導波路（14）が切り欠か
れた部分のジャイロ基板（12）上にその導波路（14）と
光軸が一致するようにレーザダイオード（19）及びファ
ラデー素子（20）を固定する。そのレーザダイオード
（19）の両端面に反射防止膜を形成するのは、レーザダ
イオード（19）の表面反射によりレーザダイオードが単
体で光学共振器を構成するのを防止するためである。Returning to FIG. 1, (19) is a laser diode having antireflection films formed on both end faces, (20) is a Faraday element made of yttrium iron garnet (YIG) crystal or the like, (21) is a coil, and its glass A laser diode (19) and a Faraday element (20) are fixed on the gyro substrate (12) at a portion where the planar waveguide (14) is cut out so that the optical axis of the gyro substrate (12) coincides with that of the waveguide (14). The reason why the antireflection films are formed on both end surfaces of the laser diode (19) is to prevent the laser diode (19) from constituting an optical resonator by itself due to surface reflection of the laser diode (19).

また、このファラデー素子（20）の近傍にこのファラ
デー素子（20）の光軸に沿って磁界を付与するためのコ
イル（21）を取り付ける。通常ファラデー素子は入力光
を90゜旋光させるために使用されるが、本例のファラデ
ー素子（20）は内部を通過するレーザ光を数度程度旋光
させるだけで充分であるため、そのファラデー素子（2
0）の光軸方向の長さは1mm程度もあればよい。A coil (21) for applying a magnetic field along the optical axis of the Faraday element (20) is mounted near the Faraday element (20). Normally, the Faraday element is used to rotate the input light by 90 °, but the Faraday element (20) of this example is sufficient to rotate the laser light passing therethrough by only a few degrees. Two
The length in the optical axis direction 0) may be about 1 mm.

本例ではその第１のガラス平面導波路（14），レーザ
ダイオード（19），ファラデー素子（20）によりそのレ
ーザダイオード（19）の内部で生成されるレーザ光の光
学共振器が構成されている。In this example, the first glass planar waveguide (14), the laser diode (19), and the Faraday element (20) constitute an optical resonator of laser light generated inside the laser diode (19). .

第３図は本例の信号処理回路の構成を示し、この第３
図において、（23）及び（24）は夫々電流−電圧変換回
路を示し、第１の受光素子（18A）の検出電流を第１の
電流−電圧変換回路（23）を介してビート信号S1に変換
する。このビート信号S1は光学共振器中を時計方向に進
行するレーザ光と反時計方向に進行するレーザ光との干
渉信号（第４図Ａ）であり、このビート信号S1を波形整
形回路（25）に供給する。FIG. 3 shows the configuration of the signal processing circuit of the present example.
In the figure, (23) and (24) denote current-voltage conversion circuits, respectively, which convert a detection current of the first light receiving element (18A) into a beat signal S1 via the first current-voltage conversion circuit (23). Convert. The beat signal S1 is an interference signal (FIG. 4A) between the laser beam traveling clockwise and the laser beam traveling counterclockwise in the optical resonator, and the beat signal S1 is converted into a waveform shaping circuit (25). To supply.

また、第２の受光素子（18B）の検出電流を第２の電
流−電圧変換回路（23）を介してレベル信号S2（第４図
Ｂ）に変換する。このレベル信号S2は本例の光学共振器
中を流れているレーザ光の強度に比例する信号であり、
このレベル信号S2をペルチェ素子（11）用のドライブ回
路（26）に供給する。このドライブ回路（26）はそのレ
ベル信号S2が最大になるようにペルチェ素子（11）を駆
動する。リング状の光学共振器は閉じた光路の長さ（厳
密には更に光路の夫々の屈折率を乗じた値）がレーザ光
の波長λの整数倍であるときに最も出力が大きくなり動
作が安定するが、何等温度制御を行わないときにはその
光路の長さはジャイロ基板（12）の光学共振器面の膨張
又は収縮等により変化してその出力は安定しにくい。本
例ではレベル信号S2が最大になるようにそのジャイロ基
板（12）の伸縮率を制御することにより、常に光学共振
器の出力が最大になるようにしている。Further, the detection current of the second light receiving element (18B) is converted into a level signal S2 (FIG. 4B) via a second current-voltage conversion circuit (23). This level signal S2 is a signal proportional to the intensity of the laser light flowing in the optical resonator of the present example,
This level signal S2 is supplied to the drive circuit (26) for the Peltier element (11). The drive circuit (26) drives the Peltier element (11) so that the level signal S2 is maximized. The ring-shaped optical resonator has the largest output and stable operation when the length of the closed optical path (strictly speaking, the value obtained by multiplying each refractive index of the optical path further) is an integral multiple of the wavelength λ of the laser light. However, when no temperature control is performed, the length of the optical path changes due to expansion or contraction of the optical resonator surface of the gyro substrate (12), and the output is hardly stabilized. In this example, the output of the optical resonator is always maximized by controlling the expansion / contraction ratio of the gyro substrate (12) so that the level signal S2 is maximized.

波形整形回路（25）はそのビート信号S1を直流レベル
でスライスして２値化したデジタルのビート信号S3（第
４図Ｃ）を生成し、このビート信号S3をデータセレクタ
（27）の入力部に供給する。（28）はアップダウンカウ
ンタを示し、そのデータセレクタ（27）の一方の出力部
及び他方の出力部を夫々そのカウンタ（28）のアップ計
数端子及びダウン計数端子に接続し、このカウンタ（2
8）の計数出力をラッチ回路（29）を介して中央処理ユ
ニット（以下「CPU」と称する）（30）に供給する。The waveform shaping circuit (25) generates a digital beat signal S3 (FIG. 4C) obtained by slicing the beat signal S1 at a DC level and binarizing the beat signal S1. The beat signal S3 is input to a data selector (27). To supply. Reference numeral (28) denotes an up / down counter. One output unit and the other output unit of the data selector (27) are connected to an up counting terminal and a down counting terminal of the counter (28), respectively.
The count output of 8) is supplied to a central processing unit (hereinafter, referred to as “CPU”) (30) via a latch circuit (29).

（31）は所定周波数の矩形波の切り替え信号S4（第４
図Ｄ）を発生する発振回路を示し、この切り替え信号S4
の周波数は例えば100Hz〜1kHz程度に設定する。この切
り替え信号S4をデータセレクタ（27）の切り替え端子、
ラッチ回路（29）のクロック端子、CPU（30）及びコイ
ル用のドライブ回路（32）に供給する。そのデータセレ
クタ（27）はその切り替え信号S4がハイレベル“1"であ
るときに、ビート信号S3をアップパルスSU（第４図Ｅ）
としてカウンタ（28）のアップ計数端子に供給し、その
切り替え信号S4がローレベル“0"であるときにそのビー
ト信号S3をダウンパルスSD（第４図Ｆ）としてそのカウ
ンタ（28）のダウン計数端子に供給する。(31) is a rectangular-wave switching signal S4 (fourth
FIG. D) shows an oscillation circuit for generating the switching signal S4.
Is set to, for example, about 100 Hz to 1 kHz. This switching signal S4 is used as a switching terminal of the data selector (27),
It is supplied to the clock terminal of the latch circuit (29), the CPU (30), and the coil drive circuit (32). When the switching signal S4 is at the high level "1", the data selector (27) changes the beat signal S3 to the up pulse SU (FIG. 4E).
To the up-counting terminal of the counter (28), and when the switching signal S4 is at a low level "0", the beat signal S3 is used as a down pulse SD (FIG. 4F) to count down the counter (28). Supply to terminal.

また、ラッチ回路（29）はその切り替え信号S4の各立
ち上がりの時点におけるカウンタ（28）の計数値C1を保
持してCPU（30）に供給し、ドライブ回路（32）はコイ
ル（21）にその切り替え信号S4に応じた電流を供給す
る。これにより、そのコイル（21）の近傍のファラデー
素子（20）の内部にはその切り替え信号S4がハイレベル
“1"のときには例えば光学共振器の時計方向の磁界が加
えられ、その切り替え信号S4がローレベル“0"のときに
はその光学共振器の反時計方向の磁界が加えられる。Further, the latch circuit (29) holds the count value C1 of the counter (28) at the time of each rising of the switching signal S4 and supplies it to the CPU (30), and the drive circuit (32) supplies the coil (21) with the coil (21). A current corresponding to the switching signal S4 is supplied. Thereby, when the switching signal S4 is at the high level "1" inside the Faraday element (20) near the coil (21), for example, a clockwise magnetic field of the optical resonator is applied, and the switching signal S4 is generated. At low level "0", a counterclockwise magnetic field of the optical resonator is applied.

そのファラデー素子（20）の内部に光学共振器の時計
方向の磁界が加えられると、その時計方向に進行するレ
ーザビームの位相が変化し、光学共振器の反時計方向の
磁界が加えられると、その反時計方向に進行するレーザ
ビームの位相が変化する。従って、その交流磁界が加え
られたファラデー素子（20）により受光素子（18A）で
検出されるビート信号S1の周波数は第４図Ａに示すよう
にその切り替え信号S4の周期で変化する。When a clockwise magnetic field of the optical resonator is applied inside the Faraday element (20), the phase of the laser beam traveling in the clockwise direction changes, and when a counterclockwise magnetic field of the optical resonator is applied, The phase of the laser beam traveling in the counterclockwise direction changes. Accordingly, the frequency of the beat signal S1 detected by the light receiving element (18A) by the Faraday element (20) to which the AC magnetic field is applied changes with the cycle of the switching signal S4 as shown in FIG. 4A.

第５図を参照して第１図例の回転角速度の検出動作に
つき説明するに、そのジャイロ基板（12）上のガラス平
面導波路（14），レーザダイオード（19）及びファラデ
ー素子（20）により構成される光学共振器の回転角速度
（角周波数）をΩ、その第１の受光素子（18A）で検出
されるビート信号S3の周波数をΔｆとする。この場合、
そのファラデー素子（20）に磁界が加えられていない状
態では、その光学共振器の光路で囲まれる面積をＳ、そ
のレーザダイオード（19）の波長をλ、光路の長さをＬ
とすると、次の関係がある。Referring to FIG. 5, the operation of detecting the rotational angular velocity in the example of FIG. 1 will be described by using a glass planar waveguide (14), a laser diode (19) and a Faraday element (20) on the gyro substrate (12). The rotational angular velocity (angular frequency) of the configured optical resonator is Ω, and the frequency of the beat signal S3 detected by the first light receiving element (18A) is Δf. in this case,
When no magnetic field is applied to the Faraday element (20), the area enclosed by the optical path of the optical resonator is S, the wavelength of the laser diode (19) is λ, and the length of the optical path is L.
Then, there is the following relationship.

Δｆ＝4SΩ／（Ｌλ） ……（２） この関係は第５図の破線（33）のようになる。特に本
例では光ファイバが使用されておらず、ロックイン現象
が比較的発生しにくいので、式（２）の関係に基づいて
ビート信号の周波数Δｆより比較的高い精度で回転角速
度Ωを求めることができる。Δf = 4SΩ / (Lλ) (2) This relationship is as shown by a broken line (33) in FIG. In particular, since the optical fiber is not used in this example and the lock-in phenomenon is relatively unlikely to occur, it is necessary to obtain the rotational angular velocity Ω with relatively higher accuracy than the frequency Δf of the beat signal based on the relationship of the equation (2). Can be.

ただし、本例でもガラス平面導波路（14）の内部にお
けるレーザ光の若干の散乱によりロックイン現象が僅か
ながら発生する虞があるので、より高精度に回転角速度
を検出するにはそのロックイン現象を補正する必要があ
る。この場合、回転角速度Ωの絶対値が０でないにも拘
らずそのビート信号の周波数Δｆが０になる領域である
ロックイン領域を第５図の（35）で表すと、その周波数
Δｆと回転角速度Ωとの関係は実線（34）のように表す
ことができる。However, in this example, the lock-in phenomenon may occur slightly due to slight scattering of the laser light inside the glass planar waveguide (14). Needs to be corrected. In this case, if the absolute value of the rotational angular velocity Ω is not 0, the lock-in area where the frequency Δf of the beat signal becomes 0 is represented by (35) in FIG. 5, and the frequency Δf and the rotational angular velocity The relationship with Ω can be expressed as a solid line (34).

そして、本例では第３図の信号処理回路中のドライブ
回路（32）を動作させてファラデー素子（20）の内部に
切り替え信号S4と同じ周期で方向が反転する磁界を加え
る。これによりその光学共振器の回転角速度には一種の
疑似的なバイアスが与えられたことになるので、ビート
信号の周波数Δｆと実際の回転角速度Ωとの間の関係は
その信号S4の周期で第５図の実線（36）と実線（37）と
の間を移り替わるようになる。In this example, the drive circuit (32) in the signal processing circuit of FIG. 3 is operated to apply a magnetic field whose direction is reversed at the same cycle as the switching signal S4 to the inside of the Faraday element (20). As a result, a kind of pseudo bias is given to the rotational angular velocity of the optical resonator, and the relationship between the beat signal frequency Δf and the actual rotational angular velocity Ω is determined by the period of the signal S4. The transition is made between the solid line (36) and the solid line (37) in FIG.

具体的に実際の光学共振器の回転角速度Ωがロックイ
ン領域（35）の内部のΩｘ（＞０）であるとすると、そ
れに対応するビート信号の周波数は夫々Δf₁及びΔf₂と
なり、バイアス周波数をΔf_B、−Δf_Bとすると、回転角
速度Ωｘによる周波数をｆΩｘとして、 Δf₁＝Δf_B＋ｆΩｘ ……（３） Δf₂＝−Δf_B＋ｆΩ ……（４） ｜Δf₁|＞｜Δf₂| ……（５） が成立している。そして、｜Δf₁|−｜Δf₂|が破線（3
3）で求められるｆΩｘの２倍であることからその周波
数の絶対値の差分（｜Δf₁|＞｜Δf₂|）の1/2を上記の
式（２）に代入することにより、実際の回転角速度Ωを
正確に検出することができる。この場合、第３図例のデ
ータセレクタ（27）を切り替え信号S4を用いて切り替え
ると、この切り替え信号S4の１周期内のアップパルスSU
のパルス数がその周波数Δf₁に比例し、ダウンパルスSD
のパルス数がその周波数Δf₂に比例するので、ラッチ回
路（29）で保持される計数値C1がその周波数の絶対値の
差分（｜Δf₁|−｜Δf₂|）に比例する。従って、CPU（3
0）ではその計数値C1を逐次取り込んで所定の係数を乗
ずることにより現在の実際の回転角速度Ωを求めること
ができる。Specifically, assuming that the actual rotational angular velocity Ω of the optical resonator is Ωx (> 0) inside the lock-in area (35), the corresponding beat signal frequencies are Δf ₁ and Δf ₂ , respectively, and the bias frequency Let Δf _B and −Δf _B denote the frequency by the rotational angular velocity Ωx and let fΩx denote the frequency Δf ₁ = Δf _B + fΩx (3) Δf ₂ = −Δf _B + fΩ (4) | Δf ₁ |> | Δf ₂ | ...... (5) holds. | Δf ₁ | − | Δf ₂ | is indicated by a broken line (3
Substituting 1/2 of the difference (| Δf ₁ |> | Δf ₂ |) of the absolute value of the frequency into the above equation (2) because it is twice the fΩx obtained in 3), The rotation angular velocity Ω can be accurately detected. In this case, when the data selector (27) in FIG. 3 is switched using the switching signal S4, the up pulse SU in one cycle of the switching signal S4 is obtained.
Is proportional to the frequency Δf ₁ and the down pulse SD
Is proportional to the frequency Δf ₂ , the count value C 1 held by the latch circuit (29) is proportional to the difference (| Δf ₁ | − | Δf ₂ |) of the absolute value of the frequency. Therefore, CPU (3
In (0), the current actual rotational angular velocity Ω can be obtained by successively taking in the count value C1 and multiplying it by a predetermined coefficient.

なお、上述実施例では第３のガラス平面導波路（22）
及び第２の受光素子（18B）を設けて光学共振器の内部
のレーザ光の強度をモニターするようにしている。しか
しながら、第１の受光素子（18A）の出力の直流成分は
その光学共振器の内部のレーザ光の強度に比例している
ので、例えば低域通過フィルタ回路を用いてその第１の
受光素子（18A）の出力の直流成分を抽出して、この直
流成分を第３図のペルチェ素子（11）のドライブ回路
（26）に供給するようにしてもよい。この場合には、リ
ングレーザ装置の機構部の構成が簡略化される。In the above embodiment, the third glass planar waveguide (22)
And a second light receiving element (18B) for monitoring the intensity of the laser light inside the optical resonator. However, since the DC component of the output of the first light receiving element (18A) is proportional to the intensity of the laser light inside the optical resonator, the first light receiving element (18A) is used, for example, by using a low-pass filter circuit. The DC component of the output of 18A) may be extracted, and this DC component may be supplied to the drive circuit (26) of the Peltier element (11) in FIG. In this case, the configuration of the mechanism of the ring laser device is simplified.

次に第６図を参照して本発明の他の実施例につき説明
する。この第１図に対応する部分に同一符号を付して示
す第６図において、（38）はレーザダイオードであり、
このレーザダイオード（38）のレーザビームの出力面は
第１のガラス平面導波路（14）の光軸に対してブリュー
スタ角をなすように傾斜させる。また、（39）は薄膜状
のファラデー素子を示し、そのレーザダイオード（38）
の一方の出力面にそのファラデー素子（39）を蒸着等に
より形成して、その近傍にコイル（21）を配する。この
場合、そのファラデー素子（39）のレーザ光の出力面も
その光軸に対してブリュースタ角をなすように傾斜させ
る。Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 6, in which parts corresponding to FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, (38) is a laser diode,
The output surface of the laser diode (38) for outputting a laser beam is inclined so as to form a Brewster angle with respect to the optical axis of the first glass planar waveguide (14). (39) shows a thin-film Faraday element, and its laser diode (38)
The Faraday element (39) is formed on one of the output surfaces by vapor deposition or the like, and a coil (21) is arranged near the Faraday element (39). In this case, the laser light output surface of the Faraday element (39) is also inclined so as to form a Brewster angle with respect to the optical axis.

第６図例ではレーザダイオード（38）及びファラデー
素子（39）のレーザ光の出力面が夫々ガラス平面導波路
（14）の光軸に対してブリュースタ角に設定されている
ので、第６図の紙面に平行な偏光成分はそれら素子（3
8），（39）の表面では反射することなくそのまま光学
共振器中に出力される。従って、そのレーザダイオード
（38）の発振モードが第６図の紙面に平行な偏光成分に
なるように選択することにより、その光学共振器の中の
レーザ光の強度を最大にすることができる。In the example shown in FIG. 6, the laser light output surfaces of the laser diode (38) and the Faraday element (39) are set at Brewster angles with respect to the optical axis of the glass planar waveguide (14). The polarization component parallel to the paper surface is
8) and (39) are output to the optical resonator without reflection on the surface. Therefore, by selecting the oscillation mode of the laser diode (38) to be a polarized light component parallel to the plane of FIG. 6, the intensity of the laser light in the optical resonator can be maximized.

なお、本発明は上述実施例に限定されず本発明の要旨
を逸脱しない範囲で種々の構成を採り得ることは勿論で
ある。It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can adopt various configurations without departing from the spirit of the present invention.

［発明の効果］ 本発明によれば、光ファイバが使用されていないの
で、光ファイバの内部散乱に起因する大規模なロックイ
ン現象が生じない利益がある。また、光導波路と発光素
子とで光学共振器を構成するようにしているので、その
光導波路を小型化することによりその光学共振器ひいて
はリングレーザジャイロ装置を所望の程度まで小型化で
きる利益がある。According to the present invention, since no optical fiber is used, there is an advantage that a large-scale lock-in phenomenon caused by internal scattering of the optical fiber does not occur. Further, since the optical waveguide is constituted by the optical waveguide and the light-emitting element, there is an advantage that the optical resonator and, consequently, the ring laser gyro device can be miniaturized to a desired degree by miniaturizing the optical waveguide. .

さらに、その基台を温度制御素子を介して放熱板に取
り付けた場合には、例えば別途設けた受光素子でその光
導波路中の光の一部を受けて、この受光レベルが最大に
なるようにその基台を膨張又は収縮させることにより、
その光学共振器の長さをその発光素子の波長の整数倍に
維持することができる。Further, when the base is attached to a heat sink through a temperature control element, for example, a part of light in the optical waveguide is received by a separately provided light receiving element so that the light receiving level is maximized. By expanding or contracting the base,
The length of the optical resonator can be maintained at an integer multiple of the wavelength of the light emitting device.

さらに、受光素子の検出出力の直流レベルが最大にな
るようにその温度制御素子を制御するようにした場合に
は、その受光素子をビート信号の検出器としても兼用す
ると共に、その光学共振器の長さをその発光素子の波長
の整数倍に維持することができる。Further, when the temperature control element is controlled so that the DC level of the detection output of the light receiving element is maximized, the light receiving element is also used as a beat signal detector and the optical resonator is controlled. The length can be maintained at an integer multiple of the wavelength of the light emitting element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図は本発明によるリングレーザジャイロ装置の一実
施例を示す一部を切り欠いた斜視図、第２図はその一実
施例のジャイロ基板（12）の平面図、第３図はその一実
施例の信号処理回路の構成図、第４図は第３図例の各部
信号波形を示す信号波形図、第５図はロックイン現象の
説明に供する線図、第６図は本発明の他の実施例の要部
を示す構成図、第７図は従来の半導体リングレーザ装置
を示す構成図である。 （10）は放熱板、（11）はペルチェ素子、（12）はジャ
イロ基板、（14）は第１のガラス平面導波路、（15）は
第２のガラス平面導波路、（16）は方向性結合器、（1
7）はＹ分岐型結合器、（19）はレーザダイオード、（2
0）はファラデー素子、（38）はレーザダイオード、（3
9）はファラデー素子である。FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an embodiment of a ring laser gyro device according to the present invention, FIG. 2 is a plan view of a gyro substrate (12) of the embodiment, and FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a signal processing circuit according to an embodiment, FIG. 4 is a signal waveform diagram showing signal waveforms of respective parts in the example of FIG. 3, FIG. 5 is a diagram for explaining a lock-in phenomenon, and FIG. FIG. 7 is a block diagram showing a conventional semiconductor ring laser device. (10) is a heat sink, (11) is a Peltier element, (12) is a gyro substrate, (14) is a first glass planar waveguide, (15) is a second glass planar waveguide, and (16) is a direction. Sex coupler, (1
7) is a Y-branch coupler, (19) is a laser diode, (2)
0) is a Faraday element, (38) is a laser diode, (3)
9) is a Faraday element.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−147908（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−216061（ＪＰ，Ａ) 特開 平62−47516（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−26695（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−82113（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−122681（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/08 H01S 3/083 G01C 19/64 - 19/72──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-147908 (JP, A) JP-A-59-216061 (JP, A) JP-A-62-47516 (JP, A) 26695 (JP, A) JP-A-58-82113 (JP, A) JP-A-2-122681 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁶ , DB name) H01S 3/08 H01S 3 / 083 G01C 19/64-19/72

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】基板上に設けた略円形状の光導波路と、該
光導波路の一部を切り欠いて設けた発光素子と、上記光
導波路に近接して設けた方向性結合器と、該方向性結合
器の両端部の出力光を入力光とするＹ分岐型結合器と、
該Ｙ分岐型結合器の出力部の近傍に設けられた受光素子
とを有し、上記基板は温度制御素子を介して放熱板に取
り付けられていることを特徴とするリングレーザジャイ
ロ装置。An optical waveguide having a substantially circular shape provided on a substrate, a light emitting element provided by cutting out a part of the optical waveguide, a directional coupler provided adjacent to the optical waveguide, A Y-branch type coupler having output light at both ends of the directional coupler as input light,
A ring laser gyro device comprising: a light receiving element provided near an output section of the Y-branch coupler; and the substrate is attached to a heat sink via a temperature control element. 【請求項２】上記受光素子の検出出力の直流レベルが最
大になるように上記温度制御素子が制御されるように構
成されていることを特徴とする請求項１記載のリングレ
ーザジャイロ装置。2. The ring laser gyro apparatus according to claim 1, wherein said temperature control element is controlled such that the DC level of the detection output of said light receiving element is maximized.