JP3531917B2 - リングレーザー - Google Patents
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Description
特に回転を検出する光ジャイロとしてのリングレーザー
に関する。
出するためのセンサである。そして、航空機やロボット
の姿勢制御、カーナビゲーションでの位置検出、車の横
滑り検知や、銀塩カメラ、デジタルカメラ、ビデオカメ
ラの手ぶれ防止などに用いることができる。
機械的なジャイロや、光ジャイロが知られている。特に
光ジャイロは、瞬間起動が可能でダイナミックレンジが
広いため、ジャイロ技術分野に革新をもたらしつつあ
る。光ジャイロには、リングレーザー型ジャイロ、光フ
ァイバージャイロ、受動型リング共振器ジャイロなどが
ある。このうち、最も早く開発に着手されたのが、気体
レーザーを用いたリングレーザー型ジャイロであり、す
でに航空機などで実用化されている。最近では、小型で
高精度なリングレーザー型ジャイロとして、半導体基板
上に集積化された半導体レーザージャイロも提案されて
いる。この公知文献としては、例えば特開平5―288
556号公報がある。このように、リングレーザーは、
ジャイロへの応用を考える上で、重要なレーザーであ
る。そして、ジャイロとして、信号雑音比を大きくする
ためには、発振モード数をなるべく少なくすることが望
ましい。もっとも望ましいのは、時計回り、反時計回り
につき、それぞれ単一モードとすることである。
リングレーザー型ジャイロでは、発振モード数を制限す
ることに関して、あまり検討されてこなかった。特に半
導体レーザーの場合、利得帯域が10nm程度と大きい
ため、この帯域の中にある共振モードは、発振しうる。
つまり、半導体リングレーザーは、多モード発振しやす
い。発振モード数を制限するには、利得帯域内に存在す
る共振モードの数を減らせばよいが、ファブリペロー共
振器や回折格子などの共振型の光フィルターを用いるこ
とはできない。これは、共振型の光フィルターを用いる
と、進行波と後退波が結合し、お互いに反対方向に周回
しているレーザー光の結合が強くなり、この結果、一方
のモードの発振が抑制されるためである。この現象は、
ロックインとして知られており、特に回転数が小さいと
きなど、お互いに反対方向に周回しているレーザー光の
発振周波数の差が小さい時に問題となる。このため、進
行波と後退波が結合しない状態で、発振モード数を制限
することのできるリングレーザーが望まれていた。
じない方法で発振モード数を制限することのできる、リ
ングレーザーおよびリングレーザー型ジャイロを提供す
るものである。このように発振モード数を制限した上
で、さらに、ディザなどの機械的な機構がなくても、回
転方向および回転速度の検出を精度よく安定に行うこと
ができる、リングレーザー型ジャイロを提供するもので
ある。
め、本出願に係る第1の発明のリングレーザーは、光路
長の異なる複数のリング共振器を有し、前記複数のリン
グ共振器のうち少なくとも一部が光学的に結合し、前記
リング共振器内を伝搬するレーザー光の周回方向が、前
記結合によって反転しないリングレーザーであって、前
記複数のリング共振器の少なくとも一部に、互いに反対
の周回方向に伝搬するレーザー光に対して損失差を与え
る部分として非対称な形状をもつテーパー状の光導波路
を備えている。
ザーは、第1の発明において、前記リング共振器の各々
の内部において、発振周波数の異なるレーザー光が共存
する。
施の形態について説明する。
るかを説明する為のリング共振器型レーザーの平面図で
ある。内側の経路(1周の長さd3)と外側の経路(1
周の長さd4 > d3)が、点Aおよび点Bで接続さ
れている。なお、図1では、素子への注入電流をなるべ
く小さくするために、レーザー光がなるべく共通の経路
を伝搬するように、内側の経路と外側の経路とが2個所
で光学的に結合するようにしている。
の経路に対する共振波長λ3と、外側の経路に対する共
振波長λ4は、それぞれλ3= neff d3/m3、
λ4= neff d4/m4と表される。ここで、
m3、m4は、それぞれ正の整数である。等価屈折率n
effが3・2のとき、d3=600μm、d4=660
μmに対する共振特性をそれぞれ図2(a)、(b)に
示す。
長、縦軸はリング共振器のパワー透過率である。この図
から、複数の透過率の等しい共振ピークが存在し、かつ
図2(a)、(b)で共振モードの間隔がわずかにずれ
ていることがわかる。
路(1周の長さd4 > d3)が、少なくとも1個所
で光学的に結合している場合、このリング共振器は、複
合共振器となる。そして、この複合共振器の共振モード
は、図2(a)、(b)において、共振波長が重なった
ところで決定される。この結果を図2(c)に示す。
の数が、図2(a)、(b)に比べて格段に減ってい
る。しかも、透過率の大きい主モードと、透過率の小さ
い副モードとが現れている。なお、図1では、内側の経
路と外側の経路とが2箇所で光学的に結合しているが、
リング共振器が複合共振器となるためには、内側の経路
と外側の経路が、少なくとも1箇所で光学的に結合して
いればよいことは、言うまでもない。
得帯域内に存在する共振モードで決まる。
振器を構成した場合の発振スペクトルを、図3(b)に
複合共振器における発振スペクトルを示す。図3(a)
のように単一の経路だけをもつリングレーザーでは、多
モード発振しやすいのに対して、図3(b)のような複
合共振器では副モードが充分抑制され、縦モードが単一
となっていることがわかる。なお、この例では、光路長
の異なる2つの経路を用いて複合共振器を構成したが、
複合共振器を構成する経路の数が3つ以上でもよいこと
は、言うまでもない。
ばならないことがある。それは、レーザー光が複合共振
器内を伝搬するうちに、その周回方向が反転しないとい
うことである。もし、レーザー光の周回方向が反転する
と、経路の一部で進行波と後退波が結合し、ロックイン
が生じるためである。
グレーザーにおいて、光共振器内でお互いに反対の周回
方向に伝搬し、かつ発振周波数の異なるレーザー光が共
存すると、回転方向検知が可能なジャイロを実現するこ
とができる。これから、その原理を説明する。
長をλ1とする。また、反時計回りに周回する第2のレ
ーザー光の波長をλ2(<λ1)とする。リングレーザ
ーを時計回りに回転させるとき、時計回りの第1のレー
ザー光の発振周波数f1は、非回転時の発振周波数f
10に比べて、 Δf1=2S1 Ω/λ1L1 (1) だけ減少する。ここで、S1は第1のレーザー光の光路
が囲む閉面積、L1は第1のレーザー光の光路長、Ωは
回転の角速度である。一方、反時計回りの第2のレーザ
ー光の発振周波数f2は、非回転時の発振周波数f20
に比べて Δf2=2S2 Ω/λ2L2 (2) だけ増加する。ここでS2は第2のレーザー光の光路が
囲む閉面積L2は第2のレーザー光の光路長である。こ
のとき、リングレーザーの中に第1のレーザー光と第2
のレーザー光が共存する。したがって、リングレーザー
の中で第1のレーザー光と第2のレーザー光の発振周波
数の差、すなわち もつビート光が発生する。一方、リングレーザーが反時
計回りに回転したときは、次の周波数をもつビート光が
発生する。 リングレーザーの中に2つ以上の発振モードが存在する
と、反転分布はモードの発振周波数の差に応じた時間変
動を示す。この現象は、反転分布の脈動として知られて
いる。気体レーザーや半導体レーザーのように、電流注
入型レーザーの場合、反転分布とレーザーのインピーダ
ンスには1対1の対応関係がある。そして、レーザーの
中で光が干渉すると、それに応じて反転分布が変化し、
その結果、レーザーの電極間のインピーダンスが変化す
る。この変化の様子は、駆動電源として定電圧源を用い
れば、端子電流の変化として現れる。また、定電流源を
用いれば、端子電圧の変化として、光の干渉の様子を信
号として取り出すことができる。もちろん、直接インピ
ーダンスメーターで、インピーダンスの変化を測定する
こともできる。したがって、リングレーザーの電流、電
圧またはインピーダンス変化を回転に応じたビート信号
として用いることができる。もちろん、リングレーザー
の共振器内をお互いに反対の周回方向に伝搬するレーザ
ー光を外部に出射し、同時に光検出器に入射すれば、光
検出器からビート信号を取り出すことができる。ビート
信号として、リングレーザーの電流、電圧またはインピ
ーダンス変化と光検出器からの信号の両方を用い、平
均、差分などの統計処理を行うのも雑音を低減するうえ
で好適なものである。
に示すように、回転方向に応じてビート周波数が増減す
る。したがって、ビート周波数の非回転時からの増減を
観測することによって、回転方向を検知することができ
る。なお、回転方向を検知できるのは、発振周波数の差
が、次の条件を満たすときである。 (f2−f1)≧0 (5) もし、第1のレーザー光と第2のレーザー光の発振波長
が等しければ、 (f2−f1)=0 (6) となり、ビート周波数f2−f1は正負の値をとる。ビ
ート周波数の絶対値が等しければ、同じ信号が検出され
るだけなので、この場合は回転方向の検知ができない。
これに対して、本発明のように、ビート周波数の符号が
常に同一(ただし説明では、符号を正にとった)で、そ
の絶対値だけが回転方向によって変化する構成にすれ
ば、回転方向の検知が可能となる。
対の回転方向に周回状に伝搬するレーザー光の発振周波
数を変えるためには、それぞれのレーザー光の光強度に
差を設ければよい。これから、その理由について説明す
る。2つのモードのレーザー光が共存する場合、発振周
波数fiと光子数密度Si(i=1,2)との間には、次の
ような関係があることが知られている。 2πf1+dΦ1/dt = Ω1+σ1 − ρ1S1 − τ12S2 (7) 2πf2+dΦ2/dt = Ω2+σ2 − ρ2S2 − τ21S1 (8) ここでΦiは位相、Ωiは共振角周波数、σiはモード
の引き込みを表す係数、ρiはモードの自己押し出しを
示す係数、τiはモードの相互押し出しを示す係数であ
る。ただし、ここでi、j=1、2: i ≠ jであ
る。いま、2つのモードのレーザー光の光強度が異な
る、すなわち光子数密度S1とS2が異なる場合、式
(7)、(8)にしたがって、発振周波数に差を与える
ことができる。
るレーザー光に光強度差を与えるには、一つの回転方向
に周回状に伝搬する光のみに損失を与えればよい。たと
えば、光導波路の一部に非対称な形状のテーパー部を設
けることで、前記テーパー部に入射する光に対して、全
反射条件がずれる。このため、前記テーパ部に入射した
光に対してミラー損が生ずる。光の周回方向によって、
テーパー部への入射角が異なるので、ある方向に周回す
るレーザー光に対して損失が大きく、その反対方向に周
回する光に対して損失を小さくすることができる。ある
いは、お互いに反対の周回方向に伝搬するレーザー光に
対して光強度差を与える光学素子を光導波路の少なくと
も一部に含む構成にしてもよい。
は、静止時および回転時にビート信号を発生する。この
信号のビート周波数は、ビート信号を周波数―電圧変換
回路に入力することで、電圧の大きさに変換して出力す
ることができる。また、周波数―電圧変換回路の代わり
に周波数カウンタを用いてもよいことはいうまでもな
い。先にも述べたように、ビート周波数は、回転の角速
度に比例した成分を含むため、回転速度と周波数―電圧
変換回路や周波数カウンタの出力との関係をあらかじめ
求めておくことで、これらの出力を角速度に換算するこ
とができる。
は、ビート周波数を用いて行うので、ビート周波数の揺
らぎを低減することが重要である。これまで説明したよ
うに、ビート周波数はお互いに反対方向に周回するレー
ザー光の光強度の差に依存している。このため、このレ
ーザー光の光強度が揺らぐと、発振周波数が揺らぐ。こ
の結果、発振周波数の差であるビート周波数が揺らぐ。
これを防ぐためには、レーザー光の光強度の揺らぎを低
減すればよい。電流注入型レーザーにおいては、レーザ
ー光の光強度は、(I−Ith)にほぼ比例して増加す
る。ここで、Iは注入電流、 Ithは発振しきい電流で
ある。なお、レーザー光の光強度と(I−Ith)との間
の関係が、線形性からずれるのは、利得の飽和などの非
線形効果のためである。さらに、半導体レーザーでは、
利得ピークと共振ピークとの間のシフト、キャリアのオ
ーバーフロー、価電子帯間吸収、オージェ効果なども線
形性からのズレに影響を与える。しかし、たとえ線形性
からのズレがあっても、レーザー光の光強度は注入電流
で制御できるので、発振周波数を注入電流で制御するこ
とが可能となる。レーザー光の光強度差が大きくなれ
ば、発振周波数の差、すなわちビート周波数が大きくな
る。したがって、これを抑制するためには、注入電流が
小さくなるようにフィードバックをかければよい。逆
に、レーザー光の光強度差が小さくなれば、注入電流が
大きくなるようにフィードバックをかければよい。
として、電流源だけでなく電圧源を用いてもよいことは
いうまでもない。
駆動電源を制御するためのフィードバック信号が必要と
なる。また、駆動電源の出力電流あるいは出力電圧は、
このフィードバック信号に応じて、変調される。ジャイ
ロが回転を受けているときにも、ビート周波数が一定に
なるようにフィードバックをかければ、フィードバック
信号および駆動電源の出力電流あるいは出力電圧は、回
転の角速度の情報をもっていることになる。したがっ
て、フィードバック信号および駆動電源の出力電流ある
いは出力電圧をジャイロの出力信号として用いることも
できる。特にこれらの信号が、ジャイロの端子や光検出
器からの出力よりも大きい場合、増幅器の負担が軽くな
る、あるいは増幅器が不要となるという点で、好適なも
のである。さらに、フィードバック信号、駆動電源の出
力電流あるいは出力電圧、ジャイロの端子や光検出器か
らの出力のうち、少なくとも二つ以上のものを信号とし
て用い、平均(加重平均を含む)、差分などの統計処理
を行うことにより、信号/雑音比を改善できると考えら
れる。
に周回し、かつ発振周波数の異なるレーザー光を光共振
器内に共存させることで、回転方向検知の可能なリング
レーザー型ジャイロが実現できる。一方、これらのレー
ザー光に対する損失差を大きくすることで、一つの周回
方向に伝搬するレーザー光のみが存在するような構成も
ありうる。この場合は、リングレーザー単独ではビート
信号を得ることはできないが、縦モードが単一化される
ため、2モードが共存するリングレーザーに比べて、発
振しきい値が小さく、かつスロープ効率の大きなリング
レーザーを実現することができる。すなわち、リングレ
ーザーとして、優れた特性のものが得られる。
他の経路とは独立に電気制御する理由について説明す
る。注入電流あるいは、印加電圧の大きさを変えること
で、経路の屈折率を変調することができる。このため、
電気制御によって、経路の光路長を変えることができ
る。複数の経路の光路長の違いによって、共振モードの
数を制限できることから、複数の経路の少なくとも一部
を、他の経路とは独立に電気制御できれば、もっとも安
定な単一縦モード動作が実現できるように、光路長の差
を制御できるようになる。この結果、複数の経路の屈折
率を単一電極によって制御する場合(各経路の屈折率が
同じように変わる)に比べて、光路長の差が最適となる
ように制御しやすくなる。
波路の上面図を示している。同図において、内側の経路
(1周の長さd3)と外側の経路(1周の長さd4 >
d3)が、点Aおよび点Bで接続されている。
の経路に対する共振波長λ3と、外側の経路に対する共
振波長λ4は、それぞれλ3= neff d3/m3、
λ4= neff d4/m4と表される。ここで、
m3、m4は、それぞれ正の整数である。等価屈折率n
effが3・2のとき、d3=600μm、d4=660
μmに対する共振特性をそれぞれ図2(a)、(b)に
示す。
長、縦軸はリング共振器のパワー透過率である。この図
から、複数の透過率の等しい共振ピークが存在し、かつ
図2(a)、(b)で共振モードの間隔がわずかにずれ
ていることがわかる。
3)と外側の経路(1周の長さd4 > d3)が、点A
と点Bで光学的に結合していることから、このリング共
振器は、複合共振器となる。そして、この複合共振器の
共振モードは、図2(a)、(b)において、共振波長
が重なったところで決定される。この結果を図2(c)
に示す。この図からわかるように、共振モードの数が、
図2(a)、(b)に比べて格段に減っている。しか
も、透過率の大きい主モードと、透過率の小さい副モー
ドとが現れている。なお、図1では、内側の経路と外側
の経路とが2箇所で光学的に結合しているが、リング共
振器が複合共振器となるためには、内側の経路と外側の
経路が、少なくとも1箇所で光学的に結合していればよ
いことは、言うまでもない。
得帯域内に存在する共振モードで決まる。図3(a)
に、内側の経路だけでリング共振器を構成した場合の発
振スペクトルを、(b)に複合共振器における発振スペ
クトルを示す。この図から、(a)のように単一の経路
だけをもつリングレーザーでは、多モード発振しやすい
のに対して、(b)のような複合共振器では副モードが
充分抑制され、縦モードが単一となっていることがわか
る。なお、この例では、光路長の異なる2つの経路を用
いて複合共振器を構成したが、複合共振器を構成する経
路の数が3つ以上でもよいことは、言うまでもない。さ
らに、図1のように内側の経路と外側の経路が光学的に
結合することで、レーザー光が複合共振器内を伝搬する
うちに、その周回方向は反転しない。この結果、経路の
結合により進行波と後退波が結合することはない。した
がって、ロックインが生じない状態で単一縦モード化を
実現することができる。
グレーザー型ジャイロを構成する。活性層をInGaA
sPとしたところ、発振しきい電流は3mAである。駆
動電流4。5mAにおいて、この半導体リングレーザー
型ジャイロが静止しているときの発振波長λは1.55
μmである。そして、この半導体リングレーザー型ジャ
イロが、カメラの手ぶれや自動車の振動程度の毎秒30
度の速度で時計回りに回転を受けると、反時計回りのレ
ーザー光の発振周波数は88.7Hzだけ増加する。一
方、時計回りのレーザー光の発振周波数は88.7Hz
だけ減少する。したがって、ビート周波数Δf=17
7.4Hzとなる。このときのビート信号をスペクトラ
ムアナライザで計測したときの様子を図4に示す。
けの時のものである。一方、 図4(b)は図1のよう
に複合共振器を構成した場合である。どちらの図も、横
軸は中心周波数からの変位、縦軸はスペクトル強度であ
る。縦モードが多モード化している場合、図4(a)の
ように、スペクトル幅が広い。これに対して、リングレ
ーザーが単一縦モード発振している場合、図4(b)の
ように、スペクトル幅が狭くなり、ビート信号検出の信
号雑音比が改善される。なお、図4(b)のスペクトル
線幅は、図4(a)の100分の1である。
す図である。同図において、500は非対称テーパー
部、501は時計回りのレーザー光、502は反時計回
りのレーザー光である。第1の参考例との違いは、光導
波路が非対称テーパー部500を有することである。
存在することから、反時計回りのレーザー光502に対
する放射損失が、時計回りのレーザー光501に対する
放射損失よりも大きくなる。この結果、反時計回りのレ
ーザー光に対する発振しきい値は、時計回りのレーザー
光に対するものよりも大きくなる。
グレーザー型ジャイロを構成し、活性層をInGaAs
Pとしたところ、室温における発振しきい値は、レーザ
ー光502に対して3.5mA、レーザー光501に対
して3mAである。また、同一電流における光出力を比
較すると、時計回りのレーザー光の強度の方が、反時計
回りのものよりも大きくなる。駆動電流4.5mAにお
いて、この半導体リングレーザー型ジャイロが静止して
いるときは、レーザー光501とレーザー光502の発
振波長はほぼ等しく、発振波長λは約1.55μmであ
る。ただし、これらのレーザー光の強度が異なることか
ら、レーザー光501とレーザー光502の発振周波数
は20kHz異なる。そして、半導体リングレーザー型
ジャイロの中でレーザー光501と502が干渉する。
このとき、電源電流が一定となるよう調整しておき、ア
ノードとカソードの間の電圧をモニターすると、振幅1
00mVで周波数20kHzの信号が得られる。すなわ
ち、半導体リングレーザー型ジャイロが静止していると
きでも、ビート信号が検出できる。
が、カメラの手ぶれや自動車の振動程度の毎秒30度の
速度で時計回りに回転を受けると、反時計回りのレーザ
光502の発振周波数は88.7Hzだけ増加する。一
方、時計回りのレーザー光501の発振周波数は88.
7Hzだけ減少する。したがって、ビート周波数はΔf
=20kHz+177.4Hzとなる。一方、半導体リ
ングレーザー型ジャイロが、毎秒30度の速度で反時計
回りに回転を受けると、ビート周波数はΔf=20kH
z−177.4Hzとなる。こうして、静止時からのビ
ート周波数の増減によって、回転角速度だけでなく、回
転方向の検知が可能になる。
ライザで計測したときの様子を図4に示す。図4(a)
は、レーザー光の経路が一つだけの時のものである。一
方、図4(b)は図5のように複合共振器を構成した場
合である。どちらの図も、横軸は中心周波数からの変
位、縦軸はスペクトル強度である。縦モードが多モード
化している場合、図4(a)のように、スペクトル幅が
広い。これに対して、リングレーザーが単一縦モード発
振している場合、図4(b)のように、スペクトル幅が
狭くなり、ビート信号検出の信号雑音比が改善される。
なお、図4(b)のスペクトル線幅は、図4(a)の1
00分の1である。
す図である。同図において、600はテーパー部、60
1は時計回りのレーザー光である。第1の実施例との違
いは、光導波路のテーパー部600の形状である。
ることから、反時計回りのレーザー光に対する放射損失
が大きく、この結果、反時計回りのレーザー光は発振で
きなくなる。これに対して、時計回りのレーザー光60
1に対する放射損は小さいので、時計回りのレーザー光
だけが発振する。
グレーザーを構成し、活性層をInGaAsPとしたと
ころ、室温における発振しきい値は、1.8mAとな
り、時計回りのレーザー光と反時計回りのレーザー光が
共存するときの発振しきい値3mAよりも小さくなる。
これは、活性層に注入されたキャリアが、1つの発振モ
ードだけに集中するためである。また、スロープ効率も
第1の実施例の約2倍になる。このように、図6のよう
な構造では、リングレーザーとしての特性が改善され
る。
す図である。同図において、710と720は、お互い
に電気的に独立な電極である。第1の実施例との違い
は、レーザー光の経路によって、電極が分割されている
ことである。
20に電流を注入するか、あるいは電圧を印加すると、
電極が形成されている領域の光導波路の屈折率が変化す
る。このため、複合共振器の二つの経路の光路長が独立
に制御される。これによって、内側の経路で決まる共振
モード間隔と、外側の経路できまる共振モード間隔を独
立に制御することができ、もっとも安定に単一縦モード
化を図ることができる。このため、たとえ素子作製時に
光路長が設計値からずれても、補正することも可能とな
る。また、温度変動に対する共振モードのシフトに対し
ても、このシフトを補償することができる。
す図である。同図において、810と820は、お互い
に電気的に独立な電極である。第2の実施例との違い
は、レーザー光の経路によって、電極が分割されている
ことである。
20に電流を注入するか、あるいは電圧を印加すると、
電極が形成されている領域の光導波路の屈折率が変化す
る。このため、複合共振器の二つの経路の光路長が独立
に制御される。これによって、内側の経路で決まる共振
モード間隔と、外側の経路できまる共振モード間隔を独
立に制御することができ、もっとも安定に単一縦モード
化を図ることができる。このため、たとえ素子作製時に
光路長が設計値からずれても、補正することも可能とな
る。また、温度変動に対する共振モードのシフトに対し
ても、このシフトを補償することができる。
り、同図において900は非対称テーパー部である。第
1の実施例との違いは、非対称テーパー部の中に二つの
経路が光学的に結合した領域が存在することである。こ
のように、二つの経路が光学的に結合する領域は、リン
グ共振器の中のどこに位置していてもよい。また、図9
の構造において、電極が分離されていてもよいことは、
言うまでもない。
あり、同図において950はテーパー部である。第2の
実施例との違いは、テーパー部の中に二つの経路が光学
的に結合した領域が存在することである。このように、
二つの経路が光学的に結合する領域は、リング共振器の
中のどこに位置していてもよい。また、図10の構造に
おいて、電極が分離されていてもよいことは、言うまで
もない。
施例まで、リング共振器が四角形に近いものを取り上げ
てきたが、リング共振器を構成していれば、どのような
形であっても差し支えない。また、半導体リングレーザ
ーの例として、活性層にInGaAsPを用いたものを
取り上げたが、材料系に制限がないことは言うまでもな
い。
図画であり、同図において1は駆動電源、2はジャイ
ロ、3は周波数計測装置、4は駆動電源制御装置であ
る。
ングレーザー型ジャイロを用いる。駆動電源1として定
電圧源を用いれば、ビート信号は端子電流の変化として
現れる。また、定電流源を用いれば、端子電圧の変化と
して、ビート信号を取り出すことができる。もちろん、
直接インピーダンスメーターで、インピーダンスの変化
を測定しても、ビート信号が得られる。このビート信号
の周波数を周波数計測装置3を用いて検出する。そして
得られたビート周波数に応じた信号を駆動電源制御装置
4に入力する。最後に、駆動電源制御装置4から駆動電
源1に信号を送り、ビート周波数を安定化する。
ーザー型ジャイロを用いた例について説明する。
を模式的に示す図であり、同図において4000は光導
波路の非対称テーパー部、4001、4005は半導体
リングレーザー型ジャイロの光導波路、4002は時計
回りのレーザー光、4003は反時計回りのレーザー
光、4004は端面、4101は活性層、4102は半
導体基板、4103はアノード、4104はカソード、
4106はクラッド層、4121はキャップ層、412
2と4123は光ガイド層、4124は電気端子、41
50は半導体リングレーザー型ジャイロである。また、
上の図は上面図、下の図は上の図のX−X'でカットし
た断面図である。
ず、有機金属気相成長法を用いて、n−InP基板41
02(厚み350μm)の上に半導体リングレーザー型
ジャイロ4150を構成する1.3μm組成のアンドー
プInGaAsP光ガイド層4123(厚み0.15μ
m)、1.55μm組成のアンドープInGaAsP活
性層4101(厚み0.1μm)、1.3μm組成のア
ンドープInGaAsP光ガイド層4122(厚み0.
15μm)、p−InPクラッド層4106(厚み2μ
m)、1。4μm組成のp−InGaAsPキャップ層
4121(厚み0.3μm)を成長する。結晶成長後、
スピンコーターを用いて、p−InGaAsPキャップ
層4121の上にフォトレジストAZ−1350(ヘキ
スト製)を膜厚が1μmとなるように塗布する。プリベ
ークを80℃で30分おこなった後、ウェハーにマスク
をかけて露光した。現像、リンス後の光導波路の幅は5
μmであり、テーパー部4000では、光導波路の幅の
最大値は8μm、最小値は5μmである。また、光導波
路1周の長さは、600μmである。このあと、ウェハ
ーをリアクティブ・イオンエッチング装置に導入し、塩
素ガスを用いて、深さが3μmとなるようにエッチング
した。最後に、p−InGaAsPキャップ層4121
の上にアノード4103としてCr/Auを蒸着によっ
て形成した。また、n−InP基板4102にカソード
4104として、AuGe/Ni/Auを蒸着した。そ
の後、水素雰囲気中でアニールし、オーミック接触を実
現した。
率が異なるため、界面で反射が生じる。半導体の屈折率
を3.5とすると、界面に対する法線とレーザー光との
なす角が16.6度以上で全反射が生じる。全反射を受
けるモードは、他のモードに比べてミラー損失分だけ発
振しきい値が小さくなるので、低注入電流レベルで発振
が開始する。しかも、複合共振器を構成しているので、
時計回りのレーザー光、反時計回りのレーザー光、それ
ぞれにつき、安定な単一縦モード発振が実現できる。
ザー光とのなす角は45度であり、全反射条件を満た
す。室温における発振しきい値はレーザー光4002に
対して3.5mA、レーザー光4003に対して3mA
である。図13は、リング共振器型レーザーの室温にお
ける電流−光出力特性を示す図画であり、この様子を示
している。
に光学部品を結合させてレーザー光をリング共振器外部
に取り出して測定したものである。
の駆動電流は4.5mAであり、このレーザーが静止し
ているときは、レーザー光4002とレーザー光400
3の発振波長λは、ほぼ等しく、約1.55μmであ
る。ただし、レーザー光4003に対する発振しきい値
が、レーザー光4002に対する発振しきい値よりも小
さい。
光4003の光強度の方が、レーザー光4002の光強
度よりも大きい。このため、発振周波数がわずかに異な
り、レーザー光4003の発振周波数f3は、レーザー
光4002の発振周波数f4よりも20kHz大きい。
そして、半導体リングレーザー型ジャイロ4150の中
でレーザー光4002と4003が干渉する。このと
き、電源電流が一定となるよう調整しておき、電極端子
4124とカソード4104の間の電圧をモニターする
と、振幅100mVで周波数20kHzの信号が得られ
る。
ち、半導体リングレーザー型ジャイロ4150が静止し
ているときでも、ビート信号が検出できる。さて、半導
体リングレーザー型ジャイロ4150が、カメラの手ぶ
れや自動車の振動程度の毎秒30度の速度で時計回りに
回転を受けると、反時計回りのレーザ光4103の発振
周波数f3は88.7Hzだけ増加する。一方、時計回
りのレーザー光4102の発振周波数f4は88.7H
zだけ減少する。したがって、ビート周波数は f3−f4=20kHz+177.4Hz となる。この様子を図14(B)に示す。
150が、毎秒30度の速度で反時計回りに回転を受け
ると、ビート周波数は f3−f4=20kHz−177.4Hz となる。この様子を図14(C)に示す。
度に比例しているので、回転速度の検出ができるだけで
なく、回転方向とビート周波数の増減が1対1に対応し
ているので、回転方向の検知が可能となる。
圧の変化を測定したが、もし定電圧駆動であれば、端子
に流れる電流の変化を検出することができる。また、イ
ンピーダンスメーターを用いて、インピーダンスの変化
を直接検出してもよい。
Hzであると述べたが、駆動電源制御装置4をオフにす
ると、静止時のビート信号は図15(a)に示すように
±50Hzほど揺らぐ。
数を計測した後、駆動電源制御装置4によって駆動電源
1を制御すると、図15(b)のように、ビート周波数
が安定化される。
図15(c)であり、周波数揺らぎは±1Hz以下に抑
制されている。この結果は、光導波路4001と400
5の電極を接続した上で、制御したものである。一方、
光導波路4001と4005の電極を独立に制御する
と、図4(b)のように、周波数揺らぎは±0.1Hz
まで低減される。
圧を用いたが、ビート信号の情報を含む駆動電源制御装
置4の出力信号、駆動電源の出力電流あるいは出力電圧
を角速度検出用の信号として用いてもよい。また、これ
らの中から、少なくとも二つ以上のものを信号として用
い、平均(加重平均を含む)、差分などの統計処理を行
うのも、信号/雑音比を改善する上で好適なものであ
る。
aAsP系のものを用いたが、GaAs系、ZnSe
系、InGaN系、AlGaN系などどのような材料系
であってもかまわない。また、光導波路も、光路が囲む
形状が、図12のように四角形だけでなく、六角形や三
角形、あるいは円などどのような形状でもよい。
の図は、ガスリングレーザー型ジャイロを模式的に示す
図画であり、同図において、1001は石英管、100
2はミラー、1010は時計回りのレーザー光、102
0は反時計回りのレーザー光、1030は光アイソレー
ター、1040はアノード、1041は電気端子、10
50はカソード、1080はミラーである。
り抜き、石英管1001を形成した。その後、石英管1
001にミラー1002を取り付けた。さらに、石英管
1001にアノード1040、電気端子1041、カソ
ード1050を取り付けた。次に石英管1001の中に
ヘリウムガスとネオンガスを入れ、アノードとカソード
間に電圧をかけると放電が始まり、電流が流れる。そし
て、石英管1001の中で時計回りのレーザー光101
0と反時計回りのレーザー光1020が発振する。しか
も、ミラー1080を用いて、レーザー光に対して2つ
の経路を作り、複合共振器を構成しているので、時計回
りのレーザー光、反時計回りのレーザー光、それぞれに
つき、安定な単一縦モード発振が実現できる。
しているときは、レーザー光1010とレーザー光10
20の発振周波数はほぼ等しく、4.37×1014H
z、発振波長λは632.8nmである。ただし、光ア
イソレーター1030がレーザー光の光路中に挿入され
ているため、レーザー光1010に対する発振しきい値
は、レーザー光1020に対する発振しきい値よりも小
さい。このため、レーザー光1010の光強度の方が、
レーザー光1020の光強度よりも大きい。この結果、
レーザー光1010の発振周波数f1は、レーザー光1
020の発振周波数f2よりも20MHz大きい。そし
て、石英管1001の中でレーザー光1010と102
0が干渉する。このとき、電源電流が一定となるよう調
整しておき、電極端子1041とカソード1050の間
の電圧をモニターすると、振幅100mVで周波数20
MHzの信号が得られる。すなわち、ガスリングレーザ
ー型ジャイロが静止しているときでも、ビート信号が検
出できる。
秒 180度の速度で時計回りに回転を受け、共振器の
1辺の長さが10cmのとき、反時計回りのレーザ光1
00の発振周波数f1は248.3kHzだけ増加す
る。一方、時計回りのレーザー光110の発振周波数f
2は248.3kHzだけ減少する。したがって、ビー
ト周波数は f1−f2=20MHz+496.6Hz となる。一方、ガスリングレーザー型ジャイロが毎秒
180度の速度で反時計回りに回転を受けると、ビート
周波数は f1−f2=20MHz−496.6Hz となる。ビート周波数の増減量の絶対値は、回転速度に
比例しているので、回転速度の検出ができるだけでな
く、回転方向とビート周波数の増減が1対1に対応して
いるので、回転方向の検知が可能となる。
圧の変化を測定したが、もし定電圧駆動であれば、端子
に流れる電流の変化を検出することができる。また、イ
ンピーダンスメーターを用いて、放電のインピーダンス
の変化を直接検出してもよい。
すると、静止時のビート信号は±100Hzほど揺ら
ぐ。これに対して、本発明のようにビート周波数を計測
した後、駆動電源制御装置4によって駆動電源1を制御
すると、周波数揺らぎは±1Hz以下に抑制される。
圧を用いたが、ビート信号の情報を含む駆動電源制御装
置4の出力信号、駆動電源の出力電流あるいは出力電圧
を角速度検出用の信号として用いてもよい。また、これ
らの中から、少なくとも二つ以上のものを信号として用
い、平均(加重平均を含む)、差分などの統計処理を行
うのも、信号/雑音比を改善する上で好適なものであ
る。
スを用いたが、レーザー発振する気体であれば何であっ
てもよい。また、光導波路も、光路が囲む形状が、図1
6のように四角形だけでなく、六角形や三角形、あるい
は円などどのような形状でもよい。
ビート信号を周波数―電圧変換回路(FV変換回路)を
通すことによって、ビート周波数を電圧値に直すことが
できる。たとえば、オフセットを調整して、ジャイロ2
が静止している時の周波数―電圧変換回路(FV変換回
路)の電圧出力をゼロとすると、周波数―電圧変換回路
(FV変換回路)の出力の正負によって、回転方向を検
出することができる。
回路)の例を示す。この回路は、トランジスター、ダイ
オード、コンデンサー、抵抗で構成され、出力電圧V
C2は次式で表される。
値、fはビート周波数である。C2>>C1,R0C2
f<1となるように回路パラメーターを設計すること
で、
可能となる。
て市販されており、周波数カウンタを周波数計測装置3
として用いるのも、装置の小型化という点で好適なもの
である。
図画であり、同図において5はジャイロから出射された
レーザー光、6は光検出器である。
ングレーザー型ジャイロを用いる。ジャイロ2から出射
されたレーザー光5を光検出器6に入射する。このと
き、レーザー光5が時計回りのレーザー光と反時計回り
のレーザー光から構成されていれば、光検出器6の中で
ビート光が生じ、このビート周波数をもった信号が光検
出器6から出力される。このビート周波数を周波数計測
装置3を用いて検出する。そして得られたビート周波数
に応じた信号を駆動電源制御装置4に入力する。最後
に、駆動電源制御装置4から駆動電源に信号を送り、ビ
ート周波数を安定化する。
ーザー型ジャイロを用いた例について説明する。
を模式的に示す図であり、図12との違いは、レーザー
光の出射部を有していることである。同図において、4
012は時計回りのレーザー光が出射されたもの、40
13は反時計回りのレーザー光が出射されたもの、40
24はミラー、4030は光検出器である。また、上の
図は上面図、下の図は上の図のX−X'でカットした断
面図である。
率が異なるため、界面で反射が生じる。半導体の屈折率
を3.5とすると、界面に対する法線とレーザー光との
なす角が16.6度以上で全反射が生じる。全反射を受
けるモードは、他のモードに比べてミラー損失分だけ発
振しきい値が小さくなるので、低注入電流レベルで発振
が開始する。しかもこの発振モードに利得が集中するた
め、他のモードの発振は抑制される。
面では、界面に対する法線とレーザー光とのなす角は4
5度であり、全反射条件を満たす。レーザー出射部で
は、端面の一部を界面に対する法線とレーザー光とが平
行になるようにしている。このとき、室温における発振
しきい値はレーザー光4002に対して5.5mA、レ
ーザー光4003に対して5mAである。
の駆動電流は6.5mAであり、このレーザーが静止し
ているときは、レーザー光4002とレーザー光400
3の発振波長λは、ほぼ等しく、約1.55μmであ
る。ただし、レーザー光4003の光強度の方が、レー
ザー光4002の光強度よりも大きい。このため、発振
周波数がわずかに異なり、レーザー光4003の発振周
波数f3は、レーザー光4002の発振周波数f4より
も20kHz大きい。そして、半導体リングレーザー型
ジャイロ4150から出射されたレーザー光4012と
4013が、光検出器4030の中で干渉する。このと
き、光検出器4030から周波数20kHzの信号が得
られる。すなわち、半導体リングレーザー型ジャイロ4
150が静止しているときでも、ビート信号が検出でき
る。
150が、カメラの手ぶれや自動車の振動程度の毎秒3
0度の速度で時計回りに回転を受けると、反時計回りの
レーザ光4103の発振周波数f3は88.7Hzだけ
増加する。一方、時計回りのレーザー光4102の発振
周波数f4は88.7Hzだけ減少する。したがって、
ビート周波数は f3−f4=20kHz+177.4Hz となる。
150が、毎秒30度の速度で反時計回りに回転を受け
ると、ビート周波数は f3−f4=20kHz−177.4Hz となる。
度に比例しているので、回転速度の検出ができるだけで
なく、回転方向とビート周波数の増減が1対1に対応し
ているので、回転方向の検知が可能となる。
Hzであると述べたが、駆動電源制御装置4をオフにす
ると、静止時のビート信号は図15(a)に示すように
±50Hzほど揺らぐ。これに対して、本発明のように
ビート周波数を計測した後、駆動電源制御装置4によっ
て駆動電源1を制御すると、図15(b)のように、ビ
ート周波数が安定化される。図15(b)の縦軸を拡大
して示したのが図15(c)であり、周波数揺らぎは±
1Hz以下に抑制されている。この結果は、光導波路4
001と4005の電極を接続した上で、制御したもの
である。一方、光導波路4001と4005の電極を独
立に制御すると、図4(b)のように、周波数揺らぎは
±0.1Hzまで低減される。
器からの出力信号を用いたが、ビート信号の情報を含む
駆動電源制御装置4の出力信号、駆動電源の出力電流あ
るいは出力電圧を角速度検出用の信号として用いてもよ
い。また、これらの信号やあるいはジャイロの電気端子
からの信号の中から、少なくとも二つ以上のものを信号
として用い、平均(加重平均を含む)、差分などの統計
処理を行うのも、信号/雑音比を改善する上で好適なも
のである。
aAsP系のものを用いたが、GaAs系、ZnSe
系、InGaN系、AlGaN系などどのような材料系
であってもかまわない。また、光導波路も、光路が囲む
形状が、図19のように四角形だけでなく、六角形や三
角形、あるいは円などどのような形状でもよい。
20は、ガスリングレーザー型ジャイロを模式的に示す
図画であり、同図において、1011は時計回りのレー
ザー光が出射されたもの、1021は反時計回りのレー
ザー光が出射されたもの、1060は光検出器、107
0はミラーである。石英管1001の中にヘリウムガス
とネオンガスを入れ、アノードとカソード間に電圧をか
けると放電が始まり、電流が流れる。そして、石英管1
001の中で時計回りのレーザー光1010と反時計回
りのレーザー光1020が発振する。しかも、ミラー1
080を用いて、レーザー光に対して2つの経路を作
り、複合共振器を構成しているので、時計回りのレーザ
ー光、反時計回りのレーザー光、それぞれにつき、安定
な単一縦モード発振が実現できる。このガスリングレー
ザー型ジャイロが静止しているときは、レーザー光10
10とレーザー光1020の発振周波数はほぼ等しく、
4.73×1014Hz、発振波長λは632.8nmで
ある。ただし、光アイソレーター1030がレーザー光
の光路中に挿入されているため、レーザー光1010に
対する発振しきい値は、レーザー光1020に対する発
振しきい値よりも小さい。このため、レーザー光101
0の光強度の方が、レーザー光1020の光強度よりも
大きい。この結果、レーザー光1010の発振周波数f
1は、レーザー光1020の発振周波数f2よりも20M
Hz大きい。そして、これらのレーザー光を外部に出射
し、レーザー光1011と1021を同時に光検出器1
060に入射する。光検出器1060の中でレーザー光
1011と1021が干渉し、その結果、光検出器10
60から周波数20MHzの信号が得られる。すなわ
ち、ガスリングレーザー型ジャイロが静止しているとき
でも、ビート信号が検出できる。
秒180度の速度で時計回りに回転を受け、共振器の1
辺の長さが10cmのとき、反時計回りのレーザ光10
0の発振周波数f1は248.3kHzだけ増加する。
一方、時計回りのレーザー光110の発振周波数f22
48.3kHzだけ減少する。したがって、ビート周波
数は f1−f2 =20MHz+496.6Hz となる。一方、ガスリングレーザー型ジャイロが毎秒1
80度の速度で反時計回りに回転を受けると、ビート周
波数は f1−f2 =20MHz−496.6Hz となる。ビート周波数の増減量の絶対値は、回転速度に
比例しているので、回転速度の検出ができるだけでな
く、回転方向とビート周波数の増減が1対1に対応して
いるので、回転方向の検知が可能となる。
すると、静止時のビート信号は±100Hzほど揺ら
ぐ。これに対して、本発明のようにビート周波数を計測
した後、駆動電源制御装置4によって駆動電源1を制御
すると、周波数揺らぎは±1Hz以下に抑制される。
御装置4の出力信号、駆動電源の出力電流あるいは出力
電圧を角速度検出用の信号として用いてもよい。また、
これらの信号やジャイロの電気端子からの信号の中か
ら、少なくとも二つ以上のものを信号として用い、平均
(加重平均を含む)、差分などの統計処理を行うのも、
信号/雑音比を改善する上で好適なものである。
スを用いたが、レーザー発振する気体であれば何であっ
てもよい。また、光導波路も、光路が囲む形状が、図2
0のように四角形だけでなく、六角形や三角形、あるい
は円などどのような形状でもよい。
ンが生じない方法で発振モード数を制限することのでき
る、リングレーザーおよびリングレーザー型ジャイロを
提供できる。このように発振モード数を制限した上で、
さらに、ディザなどの機械的な機構がなくても、回転方
向および回転速度の検出を精度よく安定に行うことがで
きる、リングレーザー型ジャイロが実現される。
よびリングレーザー型ジャイロを説明する図である。
共振モードを説明する図である。
発振スペクトルを説明する図である。
ジャイロのビート信号のスペクトルを説明する図であ
る。
よびリングレーザー型ジャイロを説明する図である。
よびリングレーザー型ジャイロを説明する図である。
よびリングレーザー型ジャイロを説明する図である。
よびリングレーザー型ジャイロを説明する図である。
よびリングレーザー型ジャイロを説明する図である。
およびリングレーザー型ジャイロを説明する図である。
する図である。
型ジャイロを説明する図である。
型ジャイロの電流−光出力特性を説明する図である。
ト信号を説明する図である。
ト信号の揺らぎを説明する図である。
する図である。
説明する図である。
する図である。
する図である。
する図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 光路長の異なる複数のリング共振器を有
し、前記複数のリング共振器のうち少なくとも一部が光
学的に結合し、前記リング共振器内を伝搬するレーザー
光の周回方向が、前記結合によって反転しないリングレ
ーザーであって、前記複数のリング共振器の少なくとも
一部に、互いに反対の周回方向に伝搬するレーザー光に
対して損失差を与える部分として非対称な形状をもつテ
ーパー状の光導波路を備えたことを特徴とするリングレ
ーザー。 - 【請求項2】 前記リング共振器の各々の内部におい
て、発振周波数の異なるレーザー光が共存することを特
徴とする請求項1記載のリングレーザー。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000211852A JP3531917B2 (ja) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | リングレーザー |
US09/900,950 US6658039B2 (en) | 2000-07-12 | 2001-07-10 | Ring laser and method for driving a ring laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000211852A JP3531917B2 (ja) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | リングレーザー |
Publications (2)
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