光ジャイロ及びこれを用いる回転方向の検知方法

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【発明の名称】	光ジャイロ及びこれを用いる回転方向の検知方法
【発明者】	【氏名】水谷夏彦
【要約】	【課題】光取り出し部の挿入損失が小さく、発振しきい値が小さく、組立て誤差の許容範囲の広い光ジャイロ素子を提供する。【解決手段】方向性結合器１２で反時計回りのレーザモード１９から取り出された光は、光取り出し部１４から出射される。また、方向性結合器１２で時計回りのレーザモード１８から取り出された光は、全反射ミラー１３で折返されたのちに光取り出し部１５から出射される。これらの光取り出し部の光導波路も方向性結合器と同様に電流注入によって光利得を与えられて吸収損失を補う。光取り出し部１４と１５は、平行な位置関係に対してわずかに内側を向いており、ホトディテクタ１６と１７の近傍で取り出した光の強度が強くなる。ホトディテクタ１６，１７の近傍では２つの出力光が干渉縞を形成する。２つのホトディテクタ１６と１７の中心の間隔は干渉縞パタンのピッチΛの（Ｎ／２＋１／４）倍（Ｎは整数）である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】励起手段とリング形状の共振器と共振器の一部である光取り出し部とを有する半導体リングレーザと、前記光取り出し部から得た光を導波路外へ出射する出力部と、出力部から得られる２つの光が重なる位置に置かれた複数の受光素子とを有することを特徴とする光ジャイロ。
【請求項２】前記光取り出し部が、方向性結合器であることを特徴とする請求項１記載の光ジャイロ。
【請求項３】前記光取り出し部が、マルチモード干渉計であることを特徴とする請求項１記載の光ジャイロ。
【請求項４】前記光取り出し部が、低屈折率層と半導体層からなる多層膜反射鏡であり、該反射鏡がリング共振器の導波路の屈曲部に位置して該導波路間を光学的に接続することを特徴とする請求項１記載の光ジャイロ。
【請求項５】前記複数の受光素子が、アレイ状に形成された受光素子群であることを特徴とする請求項１記載の光ジャイロ。
【請求項６】前記複数の受光素子として、ＣＣＤアレイを有することを特徴とする請求項１記載の光ジャイロ。
【請求項７】前記複数の受光素子として、リングレーザと同一の層構成のレーザ素子を用いることを特徴とする請求項１記載の光ジャイロ。
【請求項８】前記複数の受光素子からの光強度信号によって、受光素子の位置に形成された干渉縞パタンの変調周期と移動方向を検知してこれから角速度と回転方向を得ることを特徴とする請求項１記載の光ジャイロ。
【請求項９】前記複数の受光素子の少なくとも二つの間隔が前記干渉縞パタンのピッチの整数倍とは異なっていることを特徴とする請求項８記載の光ジャイロ。
【請求項１０】前記アレイ状の受光素子群からの光強度信号によって、アレイ素子の位置に形成された干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知してこれから角速度と回転方向を得ることを特徴とする請求項５記載の光ジャイロ。
【請求項１１】励起手段とリング形状の共振器と共振器の一部である光取り出し部とを有する半導体リングレーザと、前記光取り出し部から得た光を導波路外へ出射する出力部と、出力部から得られる２つの光が重なる位置に置かれた複数の受光素子を有することを特徴とする光ジャイロにおいて、前記複数の受光素子からの光強度信号によって、受光素子の位置に形成された干渉縞パタンの変動周期と移動方向を検知してこれから角速度と回転方向を得ることを特徴とする光ジャイロの回転方向検知方法。
【請求項１２】励起手段とリング形状の共振器と共振器の一部である光取り出し部とを有する半導体リングレーザと、前記光取り出し部から得た光を導波路外へ出射する出力部と、出力部から得られる２つの光が重なる位置に置かれた複数の受光素子を有することを特徴とする光ジャイロにおいて、前記複数の受光素子からの光強度信号によって、アレイ素子の位置に形成された干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知してこれから角速度と回転方向を得ることを特徴とする光ジャイロの回転方向検知方法。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、光ジャイロ及びこれを用いた回転方向の検出方法に関し、特に、半導体リングレーザを用いて回転を検知する光ジャイロ装置とその駆動、信号処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、物体の回転、すなわち角速度を検知するジャイロとしては、回転子や振動子をもつ機械的ジャイロや、光ジャイロが知られている。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、ジャイロ分野で革新をもたらしつつある。光ジャイロには、リングレーザ型ジャイロ、光ファイバジャイロ、受動型リング共振器ジャイロなどがある。ガスレーザを用いたリングレーザ型ジャイロはすでに航空機などで実用化されている。また、小型で高精度なリングレーザ型ジャイロとして、半導体基板上に集積された半導体レーザジャイロは、たとえば、特開平５－２８８５５６号公報に開示されている。
【０００３】このような、レーザジャイロの信号処理しとては、周波数－電圧変換回路によって、出力信号の振動周波数を電圧信号に変換する方法がある。又、周波数－電圧変換回路には、アナログ信号を処理するもの、信号を二値化してパルス数を数えるもの等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のリングレーザ型ジャイロは、そのままの出力信号からは回転方向の検知ができず、微小回転振動（ディザ）を加えて、ディザと信号の相関から回転方向を検知していた。
【０００５】また、リングレーザ素子から光を取り出して別の素子で受光するリングレーザジャイロにおいては、光取り出し部での後方散乱が、時計回りの光と反時計回りの光の間に光学的な結合をもたらし、小さな角速度の領域でロックイン現象が生じていた。これは、時計回りの光と反時計回りの光の間の結合のために、発振周波数が一方のモードの周波数に引き込まれ、信号が出力されない、というものであった。
【０００６】そこで、本発明の第１の課題は、機械的な微少振動（ディザ）を印加することなく回転方向を検知するリングレーザジャイロを提供することである。
【０００７】本発明の第２の課題は、光取り出し部の挿入損失を抑えて発振しきい値の小さなリングレーザジャイロを提供することである。
【０００８】本発明の第３の課題は、電気的な補正が可能で素子の組立て誤差の許容範囲の広い光ジャイロ素子を提供することである。
【０００９】本発明の第４の課題は、全構成要素を基板上にモノリシックに形成でき、回転方向検知できるリングレーザジャイロを提供することである。
【００１０】本発明の第５の課題は、干渉縞ピッチの変動の影響を受けないリングレーザジャイロを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するための本発明の光ジャイロは、励起手段とリング形状の共振器と共振器の一部である光取り出し部とを有する半導体リングレーザと、前記光取り出し部から得た光を導波路外へ出射する出力部と、出力部から得られる２つの光が重なる位置に置かれた複数の受光素子とを備えている。
【００１２】又、本発明の回転方向の検知方法においては、上述した光ジャイロを用いて、前記複数の受光素子からの光強度信号によって、受光素子の位置に形成された干渉縞パタンの変動周期と移動方向を検知してこれから角速度と回転方向を得るようにしている。
【００１３】又、本発明の回転方向の検知方法においては、上述した光ジャイロを用いて、前記複数の受光素子からの光強度信号によって、アレイ素子の位置に形成された干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知してこれから角速度と回転方向を得るようにしている。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、数式を参照して本発明の実施の形態に突いて説明する。
【００１５】［実施形態１］実施形態１においては、光ジャイロは、励起手段とリング形状の共振器と共振器の一部である光取り出し部とを有する半導体リングレーザと、前記光取り出し部から得た光を導波路外へ出射する出力部と、出力部から得られる２つの光が重なる位置に置かれた複数の受光素子を有する。
【００１６】上記構成において、電流注入によって利得の生じたリング共振器内では、時計回りの周回モードと反時計回りの周回モードが独立に存在ている。素子が慣性系に対して角速度を持たない場合には、この右回りモードと左回りモードの発振周波数に差はなく、活性層の利得ピーク波長の共振器モードでのレーザ発振となっている。
【００１７】このリング共振器の光取り出し部において時計回りの光の一部と反時計回りの光の一部とをリング共振器外に取り出し、出力部から放射する。所定の場所、すなわち観察面において、これら時計回り及び反時計回りの光が重なって到達し、干渉縞を形成する。
【００１８】簡単のために、観察面が光出力手段から離れていて、それぞれの光が平行ビームとして扱える場合を考える。２つのビームが観察面の法線に対してそれぞれ角度±ε／２だけ傾いて入射するとき、入射面と観察面の交わりをX軸とし、時計回りの光がX軸の正の方向から、反時計回りの光がX軸の負の方向から入射する場合に、観察面上での光強度分布Ｉは、次の式で表される。
【００１９】Ｉ＝Ｉｏ（１＋ｃｏｓΦ）
ここに、Φ=2πεX/λ+2π(f1-f2)tここで、λは半導体レーザジャイロが静止しているとき光の波長、ｆ１，ｆ２はそれぞれ時計回りの光の発振周波数と反時計回りの光の発振周波数である。半導体レーザジャイロが静止している場合にはｆ１＝ｆ２なので干渉縞は時間変化がない。また、干渉縞のピッチはλ／εで表されることがわかる。
【００２０】ここで、半導体レーザジャイロが角速度Ωで時計回りに回転すると、時計回りの第１のレーザ光の発振周波数は、非回転時と比べて、Δｆ１＝２ＳΩ／λＬだけ減少する。ここでＳはリング共振器の囲む面積、Ｌはレーザの光路長である。また同時に、時計回りの第２のレーザ光の発振周波数は、非回転時と比べて、Δｆ２＝２ＳΩ／λＬだけ増加する。このとき、光強度分布Ｉは、ビート周波数（ｆ２－ｆ１）＝４ＳΩ／λＬで振動し、干渉縞パタンは、ｘの正の方向に移動していく。
【００２１】また、レーザジャイロが反時計回りに回転すると、ビート周波数（ｆ１－ｆ２）＝４ＳΩ／λＬで振動し、干渉縞は、ｘの負の方向に移動していく。
【００２２】２つの光がそれぞれ平行ビームではない場合も、強度分布Ｉで表された干渉縞ピッチは不等間隔となるが、ビートに応じた干渉縞の移動が見られるということは変わらない。
【００２３】そこで観察面上に、干渉縞のピッチと異なる間隔で複数の受光素子を配置して位相の異なる光強度振動を検知することで、振動周波数から回転の角速度の絶対値を知り、この振動の位相差から干渉縞の移動方向を検知することができる。それゆえ、回転方向の検知できるリングレーザジャイロとなる。
【００２４】［実施形態２］実施形態２においては、光取り出し部が、方向性結合器である。
【００２５】上記構成において方向性結合器は、リング共振器のレーザモード光の所望の割合をリング共振器内にとどめ、残りをリング共振器外に取り出す光分岐素子として機能する。方向性結合器内では導波方向に光が進行するとともに２つの導波路間でパワーの分配比率が変化していくが、方向性結合器の結合長を、レーザの利得ピーク付近の波長では大部分の光がリング共振器内にとどまるように選定することで、レーザモードに対する方向性結合器の損失を抑えて発振しきい値の小さな低駆動電流の光ジャイロとすることができる。
【００２６】［実施形態３］実施形態３においては、光取り出し部が、マルチモード干渉計である。
【００２７】上記構成においてマルチモード干渉計は、リング共振器のレーザモード光の所望の割合をリング共振器内にとどめ、残りをリング共振器外に取り出す光分岐素子として機能する。特にマルチモード導波路の幅の変化するテーパ状マルチモード導波路を複数接続することで、接続部に位相シフトを与えて、出力の分岐比を任意に制御できることが知られている。レーザの利得ピーク付近の波長では大部分の光がリング共振器内にとどまるように設計したマルチモード干渉計を用いることで、リングレーザモードに対する損失を抑えて発振しきい値の小さな低駆動電流の光ジャイロとすることができる。
【００２８】［実施形態４］実施形態４においては、光取り出し部が、低屈折率層／半導体層の多層膜反射ミラーであることを特徴とする。
【００２９】上記構成において低屈折率層／半導体層の多層膜反射ミラーは、リング共振器のレーザモード光の所望の割合をリング共振器内にとどめ、残りをリング共振器外に取り出す光分岐素子として機能する。レーザの利得ピーク付近の波長で高反射率となるような多層膜反射ミラーによって大部分の光がリング共振器内にとどまるようにして、リングレーザモードに対する損失を抑えて発振しきい値の小さな低駆動電流の光ジャイロとすることができる。
【００３０】［実施形態５］実施形態５においては、複数の受光素子が、アレイ状に形成された受光素子群、又はＣＣＤアレイである。
【００３１】上記構成において、受光素子を２つ以上のアレイ状の受光素子ないしＣＣＤアレイとすることで、補間などの信号処理が可能となり、受光素子の位置する観察面上での干渉縞のピッチが設計と異なる場合にも信号処理によって感度よく干渉縞の移動方向を検知することが可能になる。すなわち、受光素子の位置が設計上の観察面からずれても電気的に補縞のピッチが設計と異なる場合にも信号処理によって感度よく干渉縞の移動方向を検知することが可能になる。すなわち、受光素子の位置が設計上の観察面からずれても電気的に補正が可能になり、素子の組立て誤差の許容範囲を広くすることができる。
【００３２】［実施形態６］実施形態６においては、複数の受光素子として、リングレーザと同一の層構成を用いたるか、又は、リングレーザと同一の層構成のレーザ素子を用いる。
【００３３】上記構成によって、リング共振器レーザと、出力光の伝播方向を変換する光学素子と、受光素子とが同一の層構成となるので、全構成要素を容易にモノリシック形成できる。
【００３４】［実施形態７］実施形態７においては、複数の受光素子からの光強度信号によって、受光素子の位置に形成された干渉縞パタンの変動周期と移動方向を検知してこれから角速度と回転方向を得る。
【００３５】上記構成において、上述した光強度分布Ｉ、Δｆ１、Δｆ２の各式からわかるように、各受光素子における光強度信号の変動周期から素子の角速度を知ることができ、また複数の受光素子での光強度信号の変動の位相差から干渉縞パタンの移動の方向、すなわち回転方向を検知することができる。
【００３６】［実施形態８］実施形態８においては、複数の受光素子の少なくとも二つの間隔が前記干渉縞パタンのピッチの整数倍とは異なっている。
【００３７】上記構成において、干渉縞ピッチの整数倍とは異なる間隔で設けた複数の受光素子から得られる光強度信号は、同じ振動周期で時間変化し、かつ信号の位相が異なっているので、この位相差から回転方向を検知できる。
【００３８】より具体的には、ふたつの受光素子を中心の間隔が干渉縞パタンのピッチΛのＮ／２＋１／４倍（Ｎは整数）となるように置かれている場合を例にとって説明する。第１の受光素子の位置のｘ座標を－Λ／４、第２の受光素子の位置のｘ座標を２Λとすると、第１の受光素子から干渉縞パタンのｓｉｎ（２π（ｆ１－ｆ２）ｔ）に相当する信号が、第２の受光素子からｃｏｓ（２π（ｆ１－ｆ２）ｔ）とに相当する信号が得られることがわかる。この結果、第２の受光素子での光強度が極大近くのときに、第１の受光素子での光強度が増加している場合には干渉縞がｘの負の方向に移動しており、第１の受光素子での光強度が減少している場合には干渉縞がｘの正の方向に移動していることがわかる。
【００３９】［実施形態９］実子形態９においては、光の重なる位置に置かれたアレイ状の受光素子群からの光強度信号によって、この受光素子群の位置に形成された干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知してこれから角速度と回転方向を得るようにしている。
【００４０】上記構成において、アレイ状の素子で干渉縞パタンを受光し、この強度信号を信号処理をして干渉縞パタンを表す関数をえる。その時間変化を調べることで干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知し、角速度と回転方向が得られる。等間隔ではない干渉縞パタンが形成される場合にも有効である。
【００４１】また、素子温度が変化して、レーザの発振波長が変動して干渉縞ピッチが変動するような場合にも、常に同じ信号処理が可能である。
【００４２】［実施形態１０］実施子形態１０においては、複数の受光素子からの光強度信号によって、受光素子の位置に形成された干渉縞パタンの変動周期と移動方向を検知してこれから角速度と回転方向を得るようにしている。
【００４３】上記構成において、干渉縞ピッチの整数倍とは異なる間隔で設けた複数の受光素子から得られる光強度信号は、同じ振動周期で時間変化し、かつ信号の位相が異なっているので、この位相差から干渉縞パタンの移動方向を得て回転方向を検知できる。
【００４４】［実施形態１１］実施形態１１においては、複数の受光素子からの光強度信号によってアレイ素子の位置に形成された干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知してこれから角速度と回転方向を得るようにしている。
【００４５】上記構成において、アレイ状の素子で干渉縞パタンを受光し、この強度信号を信号処理をして干渉縞パタンを表す関数をえる。その時間変化を調べることで干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知し、角速度と回転方向が得られる。等間隔ではない干渉縞パタンが形成される場合にも有効である。また、素子温度が変化して、レーザの発振波長が変動して干渉縞ピッチが変動するような場合にも、常に同じ信号処理が可能である。
【００４６】
【実施例】［第１の実施例］図１（ａ）は、第１の実施例の光ジャイロの平面図である。１０は光ジャイロであり、１１はリング共振器型半導体レーザ素子、１２は導波路の一部に設けた方向性結合器、１３は全反射ミラー、１４と１５は光取り出し部、１６と１７はホトディテクタである。リング共振器型半導体レーザ素子では１８に示す時計回りの周回モードと１９に示す反時計回りの周回モードが存在している。方向性結合器１２において、入力光１２１と出力光１２２と１２３がある。
【００４７】図１（ｂ）は、リング共振器型半導体レーザ素子１１と方向性結合器１２、出力部１４，１５及びホトディテクタ１６，１７の断面図である。このような断面構造を有する半導体多層構造を有機金属気相成長法によって成膜した。
【００４８】すなわち、ｎ－ＩｎＰ基板１０２上に、１．３μｍ組成のノンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０３（厚さ０．１５μｍ）、１．５５μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１０４（厚さ０．１μｍ）、１．３μｍ組成のノンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０５（厚さ０．１５μｍ）、ｐ－ＩｎＰクラッド層１０６（厚さ１．５μｍ）ｐ－ＩｎＧａＡｓキャップ層１０７を結晶成長した。フォトレジストを塗布し、マスクパタンを露光、現像して導波路形状とミラー形状のレジストパタンを形成した。塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングによって、高さ３μｍのハイメサ形状のリッジ導波路とホトディテクタ部方向性結合器を形成した。Ｃｒ／Ａｕをリッジ導波路上部とホトディテクタ上に蒸着して、ｐ－電極１０８とした。ウェハの下側にはＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着してｎ－電極１０１とした。水素雰囲気中でアロイ化して、ｐ－，ｎ－の電極をオーミック接触とした。
【００４９】次に、リング共振器型半導体素子１１のレーザ発振について説明する。半導体層と空気では屈折率が異なるため、界面では反射が生じる。半導体層の屈折率が３．５であれば、半導体と空気の界面に対する法線とレーザ光のなす角が１６．６度以上となるときに全反射となる。リング共振器型レーザ素子１１では、導波路折れ曲がり部のコーナーミラーにおいて導波路と半導体／空気界面の法線のなす角が４５度となっており、全反射条件を満たしている。全反射されるモードは他のモードと比べてミラー損失分だけしきい値利得が小さくなるので、低注入電流レベルでレーザ発振する。また、この発振モードに対する利得の集中によって、その他のモードの発振を抑圧する。
【００５０】本実施例の半導体レーザ素子１１はしきい値１５ｍＡでレーザ発振した。
【００５１】リング共振器では、時計回りの周回モード１８と反時計回りの周回モード１９とが独立に存在している。光ジャイロが慣性系に対して角速度を持たない場合には、この時計回りのモードと反時計回りのモードの発振周波数に差はなく、活性層の利得ピーク波長でのレーザ発振となっている。また、光ジャイロがある角速度で回転しているときには、時計回りの周回モード１８の発振周波数と反時計回りの周回モード１９の発振周波数に差が出る。
【００５２】方向性結合器１２は、リング共振器でレーザ発振する光の一部を取り出す。吸収損失を補うために方向性結合器１２にはリング共振器の発振しきい値電流密度以下の電流注入によって利得を与えている。
【００５３】反時計回りのレーザモード１９が入力光１２１として方向性結合器１２の左側から入射すると、方向性結合器の右側の二つの導波路では、リング共振器内にとどまる出力光１２２とリング共振器外に取り出される出力光１２３とが得られる。方向性結合器の結合長Ｌを調整することで出力光１２２と１２３の比率を変えることができる。また、この比率は波長分散を示すので、活性層の利得ピーク波長では、出力光１２２と出力光１２３の分岐比率が例えば２０：１などと大部分の光が出力光１２２となるような方向性結合器を作製することができる。この場合にリング共振器型半導体素子１１における損失、すなわち方向性結合器の挿入損失が小さく、低しきい値でのレーザ発振を得やすくなる。
【００５４】このとき、時計回りのレーザモード１８が同様に方向性結合器に右側から入射して、大部分の光はリング共振器内にとどまり、一部の光が共振器から取り出される。このときの分岐比率は方向性結合器に左から入射した場合の比率と同じである。リングレーザの発振周波数が回転によって変化した場合でも、方向性結合器の分岐特性の波長分散はそれほど急峻ではなく実質的には分岐比率には影響しない。
【００５５】方向性結合器１２で反時計回りのレーザモード１９から取り出された光は、光取り出し部１４から出射される。また、方向性結合器１２で時計回りのレーザモード１８から取り出された光は、全反射ミラー１３で折返されたのちに光取り出し部１５から出射される。これらの光取り出し部の光導波路も方向性結合器と同様に電流注入によって光利得を与えられて吸収損失を補っている。
【００５６】光取り出し部１４と１５は、平行な位置関係に対してわずかに内側を向いており、ホトディテクタ１６と１７の近傍で取り出した光の強度が強くなる。ホトディテクタ１６，１７の近傍では２つの出力光が干渉縞を形成する。ホトディテクタ１６と１７は逆バイアスを印加してあり、入射光に応じた電流を取出すことができる。２つのホトディテクタ１６と１７は、中心の間隔が上記干渉縞パタンのピッチΛの（Ｎ／２＋１／４）倍（Ｎは整数）となるように置かれている。この配置によって、干渉縞パタンのｃｏｓ（２π（ｆ１－ｆ２）ｔ）に相当する信号と、ｓｉｎ（２π（ｆ１－ｆ２）ｔ）とに相当する信号が得られるので、信号処理によって干渉縞パタンの移動方向、すなわちｆ１とｆ２の大小関係がわかり、回転方向を検知できる。また、干渉縞の振動の周期から、回転の角速度が分かる。あるいは、干渉縞パタンの移動速度Λ・（ｆ１－ｆ２）から回転の角速度がわかる。
【００５７】さて、光ジャイロが、カメラの手振れや自動車の姿勢変化によって３０度毎秒の角速度で時計回りに回転したときには、レーザ光の発振周波数ｆ１は２００Ｈｚ増加し、ｆ２の発振周波数は、２００Ｈｚ減少した。ホトディテクタ１４，１５では、４００Ｈｚの信号を検知し、これから回転速度と回転方向を得た。
【００５８】ホトディテクタ１４，１５は順バイアス印加として、インピーダンス変化を検知してもよい。
【００５９】この実施例では半導体材料としてＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系を用いたが、ＧａＡｓ系、ＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＮ系などの電流注入によってレーザ発振させることのできる材料であっても構わない。
【００６０】［第２の実施例］図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ、第２の実施例の光ジャイロの平面図及び断面図である。２０は本発明による光ジャイロ素子であり、２１はリング共振器型半導体レーザ素子、２２はマルチモード干渉計、２３は導波路に設けた全反射ミラー、２４は導波路の交差部、２５，２６は光取り出し部、２７はアレイ状のホトディテクタであり、リング共振器型半導体レーザ素子２１の基板の劈開端面に接して基板よりも上側に受光部を設けて固定されている。リング共振器型半導体レーザ素子２１では２８に示す時計回りの周回モードと２９に示す反時計回りの周回モードが存在している。
【００６１】リング共振器型半導体レーザ素子の構成と動作は、第１の実施例と同様である。
【００６２】マルチモード干渉計２２は、以下のようにして一定の比率の光を分岐してリング共振器から取り出す。素子長Ｌと入力ポートの位置を適切に選んだマルチモード干渉計では、各ポートへの入力はすべての出力ポートに結合される。均一な幅のマルチモード導波路部を有する干渉計による２×２カプラに光を入力した場合には、１：１，０：１，１５：８５，２８：７２などの分岐比の得られることが知られている。さらに、図のようにマルチモード導波路の幅にテーパを与えたものを接続した場合には、接続部で生じる位相シフトによって２×２カプラの分岐比を制御することができるので、テーパ幅をパラメータとした設計が可能となることも知られている。そこで、リング共振器レーザの共振器にたいするマルチモード干渉計の挿入損失が大きくならないように分岐比を設定できる。例えば、マルチモード干渉計２２への入射光２２１の９４％は出射光２２２としてリング共振器内にとどまり、６％が出射光２２３としてリング共振器から取り出されるのである。このとき同様にマルチモード干渉計２２に入射した時計回りの光も、９４％がリング共振器内にとどまり、６％が取り出される。
【００６３】マルチモード干渉計から取り出した光を全反射ミラー２３で光路を折返して出射部に導く。時計回りの周回モード２８からマルチモード干渉計によって取出された光は全反射ミラー２３で光路を折返して光取り出し部２５から出射される。また反時計回りの周回モード２９からマルチモード干渉計によって取出された光は導波路の交差部２４を通過して、光取り出し部２６から出射される。
【００６４】これらの光は、光ジャイロ素子の基板の端面において干渉縞を形成する。アレイ状のホトディテクタ２７の素子間隔は、受光面への入射角とレーザ波長から定まる干渉縞ピッチの１／２よりも小さくなっている。ホトディテクタ２７で干渉縞をモニタし、この出力を信号処理して干渉縞パタンを得ることができる。この干渉縞パタンの移動の方向と速度を検出した。これにより回転方向と角速度を得た。
【００６５】素子がＡｌＧａＡｓ系材料などからなっていて、発振波長がシリコンのＣＣＤが感度を有する波長の場合には、安価なＣＣＤアレイ素子によって干渉縞パタンを観測してもよい。
【００６６】［第３の実施例］図３（ａ）（ｂ）は、それぞれ、第３の実施例の光ジャイロの平面図及び断面図である。３０は光ジャイロであり、３１はリング共振器型半導体レーザ素子、３２は低屈折率層／半導体層多層膜反射ミラーである。これらは、第１の実施例と同様の層構成からなっている。また３３はアレイ状ホトディテクタである。
【００６７】低屈折率層／半導体層多層膜反射ミラー３２は、レーザの発振波長λにたいして、（λ／（４ｎｅｆｆ））×（２ｊ＋１）（ｊ＝０，１，２，…）の厚さの半導体部分と（λ／４ｎ）×（２ｋ＋１）（ｋ＝０，１，２，…）の厚さの低屈折率部分との繰り返しからなる。レーザの活性層を含む半導体層での吸収損失を低減するためには、半導体層の厚さは小さい方がよい。また、導波構造のない低屈折率層部での光の広がりによる損失を抑えるためには、この層も薄いことが望まれる。例えば、３λ／４ｎｅｆｆの半導体層と、３λ／４ｎの低屈折率層からなる構造を作製した。半導体層上にＳｉＮ膜とホトレジスト膜を形成し、ＥＢ描画によってホトレジスト上に形成したパタンを、ドライエッチングによってＳｉＮ膜に転写し、塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングによって、下側クラッドまで到達する溝を形成して多層膜ミラーを形成した。
【００６８】低屈折率層／半導体層多層膜反射ミラー３２に対して２つの導波路が垂直から傾いて接続する。多層ミラーに対する入射角は、半導体層から低屈折率層への界面で全反射条件とならない小さな角度を選定している。半導体層の屈折率が３．５、低屈折率層が空気（屈折率は１．０）の場合、入射角１６．６度以上が全反射条件となるので、多層膜反射ミラー部ではこれより小さな入射角としている。また、グースヘンシェンシフトが生じるので、このシフト量を考慮して２つの導波路を配置して、導波路間で最も高い反射率が得られるようにした。
【００６９】反射ミラーからの透過光はホトディテクタ３３近くでは入射角の差が小さいので周期の大きな干渉縞を形成する。
【００７０】第１、第２の実施例同様に、アレイ状のホトディテクタ３３によって、干渉縞の移動速度と移動方向を検知して、素子の回転速度と方向を知ることができた。
【００７１】
【発明の効果】以上説明した実施形態１の本発明によれば、回転の角速度と回転方向を検知することのできる光ジャイロが得られた。
【００７２】実施形態２の本発明によれば、低発振しきい値で低駆動電流の光ジャイロが得られた。
【００７３】実施形態３の本発明によれば、低発振しきい値で低駆動電流の光ジャイロが得られた。
【００７４】実施形態４の本発明によれば、低発振しきい値で低駆動電流の光ジャイロが得られた。
【００７５】実施形態５の本発明によれば、受光素子の位置が設計上の観察面からずれても電気的に補正が可能になり、素子の組立て誤差の許容範囲を広くすることができる光ジャイロが得られた。
【００７６】実施形態６の本発明によれば、部品点数が少なく、回転の角速度と回転方向を検知することのできる光ジャイロが得られた。
【００７７】実施形態７，８の本発明によれば、複数の受光素子での信号の位相差から、回転方向を検知することのできる光ジャイロが得られた。
【００７８】実施形態９の本発明によれば、干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知し、角速度と回転方向の得られる光ジャイロが得られた。
【００７９】実施形態１０の本発明によれば、複数の受光素子での信号の位相差から、回転方向を検知することのできる光ジャイロの回転方向の検知方法が得られた。
【００８０】実施形態１１の本発明によれば、干渉縞パタンの移動の速度と方向を検知し、角速度と回転方向の得られる光ジャイロの回転方向の検知方法が得られた。

【出願人】	【識別番号】０００００１００７【氏名又は名称】キヤノン株式会社
【出願日】	平成１１年１０月２５日（１９９９．１０．２５）
【代理人】	【識別番号】１０００６５３８５【弁理士】【氏名又は名称】山下穣平
【公開番号】	特開２００１－１２４５６５（Ｐ２００１－１２４５６５Ａ）
【公開日】	平成１３年５月１１日（２００１．５．１１）
【出願番号】	特願平１１－３０２７０９