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【発明の名称】 リングレーザージャイロ及びその駆動方法
【発明者】 【氏名】沼居 貴陽
【要約】 【課題】リングレーザー型ジャイロを低電流で動作させる。

【解決手段】リング共振器内部においてレーザー光がある時間とどまるメモリー効果に注目し、駆動電流を低減する。８個のリングレーザー素子１，２，３，４，５，６，７，８にタイミングをずらして電流を流す。Ｉth＝３ｍＡ、Ｉ1 ＝４ｍＡである。素子１のリング共振器の側面で全反射が生じているときには、界面に沿って進行するエバネッセント光が存在する。発振波長が１．５５μｍの場合、エバネッセント光のしみ出し距離は０．０７４μｍである。このしみ出し距離以内に素子２のリング共振器を構成する光導波路を配置することで、素子１のリング共振器の中を周回しているレーザー光を素子２に結合することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 光学的に結合し、かつ電気的に独立した複数のリング共振器レーザーを含むリングレーザージャイロであって、前記複数のリング共振器レーザーに時系列に電流を注入することを特徴とするリングレーザージャイロ。
【請求項２】 前記複数のリング共振器レーザーは、光導波路の一部を互いに光のしみ出し距離以内に近接して配置することにより光学的に結合させていることを特徴とする請求項1記載のリングレーザージャイロ。
【請求項３】 前記複数のリング共振器レーザーは、互いに光導波路の少なくとも一部を共有することにより光学的に結合させていることを特徴とする請求項1記載のリングレーザージャイロ。
【請求項４】 光学的に結合し、かつ電気的に独立した複数のリング共振器レーザーを含むリングレーザージャイロの駆動方法であって、前記複数のリング共振器レーザーに時系列に電流を注入することを特徴とするリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項５】 前記複数のリング共振器レーザーのうち少なくとも一つ以上のリング共振器レーザーに発振しきい値以上の電流を注入することを特徴とする請求項４記載のリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項６】 前記複数のリング共振器レーザーにおいて、電流が注入されるリング共振器レーザーの順番が周回方向となることを特徴とする請求項４記載のリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項７】 前記複数のリング共振器レーザーのうち少なくとも一つ以上のリング共振器レーザーがレーザー発振している間に、前記レーザー発振しているリング共振器レーザーに隣接したリング共振器レーザーに電流を注入することを特徴とする請求項４記載のリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項８】 前記複数のリング共振器レーザーは、光導波路の一部を互いに光のしみ出し距離以内に近接して配置することにより光学的に結合させていることを特徴とする請求項４記載のリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項９】 前記複数のリング共振器レーザーは、互いに光導波路の少なくとも一部を共有することにより光学的に結合させていることを特徴とする請求項４記載のリングレーザージャイロの駆動方法。
【請求項１０】 前記複数のリング共振器レーザーは、周回するように配置されていることを特徴とする請求項４記載のリングレーザージャイロの駆動方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、光学的に結合し、かつ電気的に独立した複数のリング共振器型レーザーを含むリングレーザージャイロ及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、移動する物体の角速度を検出するためのジャイロとしては、回転子や振動子をもつ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。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リングレーザージャイロは、たとえば、特開平５−２８８５５６号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のリングレーザー型ジャイロは、回転方向の検出が出来なかった。このため、ディザをかけ、ディザの方向と信号との相関から回転方向を決定していた。また、リングレーザー型ジャイロでは、回転に伴い時計回りのレーザー光と反時計回りのレーザー光との発振周波数に差が生じ、この結果ビートが生じる。しかし、回転の角速度が小さいときは、発振周波数の差が小さく、媒質の非線形性のため、発振周波数が一方のモードに引き込まれるロックイン現象が生じていた。このロックイン現象を解除する目的も含めて、リングレーザー型ジャイロに前述のディザをかけることが行われている。また、光路長をＬc 、光路が囲む面積をＳc とすると、発振周波数の差は、Ｓc ／Ｌc に比例するので、素子サイズを大きくすることで、ロックイン現象を起きにくくすることができる。しかし、素子サイズが大きくなると、それに比例して駆動電流が大きくなるという問題があった。
【０００４】そこで、本発明は、ディザなどの機械的な機構がない状態で回転方向の検出が可能で、かつロックインの生じにくいリングレーザー型ジャイロと、このリングレーザー型ジャイロを低電流で動作させることのできる駆動方法を提供することを課題としている。
【０００５】
【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リングレーザージャイロは、光学的に結合し、かつ電気的に独立した複数のリング共振器レーザーを含み、前記複数のリング共振器レーザーの光導波路がお互いに光のしみ出し距離以内に近接して配置されるか、あるいは前記複数のリング共振器レーザーの光導波路の少なくとも一部が共有されているリングレーザージャイロであって、前記複数のリング共振器レーザーに時系列に電流を注入するようにしている。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明のリングレーザージャイロの平面図である。１，２，３，４，５，６，７，８はそれぞれリングレーザーであり、それぞれの電極間は電気的に分離してある。
【０００７】図２は、本発明のリングレーザージャイロの駆動方法を説明するための注入電流波形図である。各素子１，２，３，４，５，６，７，８には、時間差を設けて電流を注入する。
【０００８】素子１に発振しきい電流Ｉth以上の電流Ｉ1 を流すと、レーザー発振が始まる。素子１がレーザー発振した後は、レーザー光は、素子１におけるリング共振器の中を周回状に伝搬する。そして、素子１に流す電流を下げた後でも、レーザー光は素子１のリング共振器内部にしばらくの間とどまる。このように素子１のリング共振器の中にレーザー光がとどまっている間に、素子２に発振しきい電流Ｉth以上の電流Ｉ1 を流すと、素子２でもレーザー発振が始まる。この際、素子１と素子２とが光学的に結合していることから、注入同期によって、素子２のレーザー光は、発振周波数、位相とも素子１と揃う。同様にして、素子１と素子２の中にレーザー光がとどまっている間に素子３に電流を注入する。すると、素子２と素子３とが光学的に結合していることから、注入同期によって、素子３のレーザー光は、発振周波数、位相とも素子１および素子２と揃う。この操作を素子４から素子８まで繰り返すことによって、素子１から素子８までの中を発振周波数、位相とも揃ったレーザー光を伝搬させることができる。
【０００９】しかも、駆動電流の時間平均値は、Ｉ1 と小さい。レーザーの発振しきい値は電流密度で決まるため、もし、同時に素子１から８までを起動しようとすれば、素子１の発振しきい電流Ｉthの８倍の電流を流さなければならない。これに対して、本発明ではリング共振器内部においてレーザー光がある時間とどまるメモリー効果に注目し、駆動電流を低減したものである。素子１から素子８までに順次電流を注入場合でも、１０-9秒以下で起動することが可能である。
【００１０】さて、ここで複数のリング共振器レーザーの光学的な結合について説明する。例えば、素子１のリング共振器の側面で全反射が生じているときには、界面に沿って進行するエバネッセント光が存在する。発振波長が１．５５μｍの場合、エバネッセント光のしみ出し距離は０．０７４μｍである。このしみ出し距離以内に素子２のリング共振器を構成する光導波路を配置することで、素子１のリング共振器の中を周回しているレーザー光を素子２に結合することができる。
【００１１】図３は、複数のリング共振器レーザーの光導波路が接続され、お互いに光導波路の一部を共有している本発明のリングレーザージャイロの平面図である。この配置は、光学的な結合を実現する上で好適である。
【００１２】図４は、注入電流の大きさを説明するための注入電流波形図である。複数のリング共振器レーザーがどれもレーザー発振していないときは、レーザー発振させるためには、少なくとも一つの素子に発振しきい電流Ｉth以上の電流を流すことが必要である。もちろん、隣接した素子でもレーザー発振を実現するには、この隣接した素子にも発振しきい値以上の電流を流せばよい。しかし、１個の素子がレーザー発振してしまえば、光学的に結合した隣接した素子に発振しきい電流以下の電流Ｉ2 を流した場合でも、この隣接した素子はレーザー発振することができる。従って、全素子に対する駆動電流の時間平均値が低減される。
【００１３】次に、レート方程式を参照して、レーザー発振について説明する。まず、光がレーザーに結合しない時を考える。レーザー光の光子数密度Ｓ、キャリア濃度ｎに関するレート方程式は、次式で与えられる。
【００１４】
【数１】

【００１５】
【数2】

ここで、Ｇ（ｎ）はレーザー光に対する利得係数、βs は自然放出光結合係数、τr はキャリアの発光再結合寿命、τphはレーザー光に対する光子寿命、Ｉは電流、ｅは電気素量、Ｖは活性層の体積、τn はキャリア寿命である。
【００１６】自然放出光結合係数βS は１０-4から１０-6のオーダーだから、式（１）においてβS の寄与を無視し、定常状態ｄ／ｄｔ＝０について考えると、次の関係が成り立つ。
【００１７】
【数３】

また、発振しきい電流Ｉthは、次のようになる。
【００１８】
【数４】

ただし、ｎthは発振しきいキャリア濃度であり、また非発光再結合の寄与が小さいとして、τr 〜τn とした。
【００１９】いま、隣接した素子から、光子数密度Ｓinのレーザー光（ただし、光子数密度Ｓのレーザー光と偏波が同一で、波長もほぼ等しい）が結合したとすると、式（１）の右辺に項ηＳin／τphが加わる。ただし、ηは結合効率である。この結果、光子数密度に関するレート方程式は、次のように書き換えられる。
【００２０】
【数５】

やはり、βs の寄与を無視し、定常状態を考えると、【００２１】
【数６】

となる。したがって、【００２２】
【数７】

すなわち、【００２３】
【数８】

の場合でもＳ＞０となり、レーザー発振が始まる。このように、レーザーに外部から光が結合すると、光が結合しないときの発振しきい値Ｉthよりも小さい電流で発振が始まる。
【００２４】また、１つの素子に電流Ｉ1 ＞Ｉthを流してレーザー発振させた後、図５の素子１のように電流ＩをＩ2 （＜Ｉ1 ）に下げてもよい。レーザー発振した後は、レーザー光は、リング共振器の中を周回状に伝搬する。とくに、素子の側面の反射率が大きければ、レーザー光はリング共振器外部には放出されにくくなり、この結果ずっとリング共振器内部にとどまる。すなわち、レーザー光に対する光子寿命τphは長くなり、電流Ｉを下げてもリング共振器内部でレーザー光を周回させておくことが可能となる。したがって、素子に注入する電流の時間に関する平均値を低減することができ、電源の負担を低減できると同時に、低消費電力化に寄与する。
【００２５】以上のように、すべての複数のリング共振器レーザーがレーザー発振している状態で、リング共振器を含む面内の回転を受けると、リング共振器内をお互いに反対方向に周回するレーザー光が干渉して、ビートが生じる。このビート周波数を検出することで、回転の角速度がわかる。
【００２６】次に回転方向の検知について説明する。図２に示すように、時間差を設けて素子１，２，３，４，５，６，７，８の順番で電流を注入する。半導体では、発熱の効果が無視できるときは、電流注入にともなう自由キャリアプラズマ効果によって、屈折率が減少する。一方、電流注入にともなってジュール熱による発熱が支配的なときは、屈折率が増加する。いずれの場合も、電流が大きいときは、電流が小さいときに比べて屈折率が変化する。いま、光導波路の等価屈折率を注入電流が３ｍＡのときｎ0 、注入電流が４ｍＡのときｎp とする。図２では、注入電流が４ｍＡとなる素子が時間とともに、時計回りの方向に変化している。このことは、屈折率ｎp をもった領域が、時間とともに時計回りに周回していることになる。そして、周回速度υは、素子１個の一辺の長さをｌ、電流パルスの幅をｔp とすると、【００２７】
【数９】

で与えられる。
【００２８】さて、上記のように等価屈折率ｎp をもつ領域が時計回りに移動しているとする。このとき、リング共振器に固定した系から、等価屈折率ｎp をもつ領域の中の光の速度υL を観測すると、相対性理論から次式のようになる。
【００２９】
【数１０】

ここで、ｃは真空中の光速である。この結果、時計回りの光の共振周波数ｆ1 と反時計回りの光の共振周波数ｆ2 には、次の差Δｆn が生じる。
【００３０】
【数１１】

ここで、ｍは等価的に直線運動する辺の数であり、図１では２０である。また、Ｌc は全共振器長、λ0 は光共振器の等価屈折率がｎ0 のときの真空中における発振波長である。
【００３１】この結果、ビート周波数Δｆn をもつビート光が半導体レーザー内部で発生し、半導体レーザー内部でのトータルの光強度がビート周波数Δｆで変動する。これに応じて、活性層におけるキャリア濃度がビート周波数で変動し、半導体レーザーに一定の電流を流しておくと、端子電圧がビート周波数で変化する。こうして、この素子が静止している状態でも、素子の電気端子からビート信号が観測される。
【００３２】次に、この素子が時計回りに角速度Ωで回転した場合を考える。このとき、時計回りの光の周波数ｆ1Rと反時計回りの光の周波数ｆ2Rは、それぞれ次のようになる。
【００３３】
【数１２】

【００３４】
【数１３】

ここで、Ｓc はリング共振器の光路が囲む面積、Ｌc はリング共振器の光路の長さである。この結果、素子の電気端子から次のビート信号が得られる。ただし、二次の微小項は無視した。
【００３５】
【数１４】

この結果から、電子の周回方向と素子の回転方向が等しい場合、ビート周波数が静止時よりも大きくなることがわかる。一方、電子の周回方向と素子の回転方向が反対の場合、ビート周波数は【００３６】
【数１５】

のように、静止時よりも小さくなる。このように、静止時におけるビート周波数からの増減によって、回転方向を検知することが可能となる。
【００３７】
【実施例】（第１の実施例）図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、本発明のリングレーザージャイロの上面図である。同図において、１，２，３，４，５，６，７，８はリングレーザージャイロを構成する個別のリング共振器レーザー（素子）である。また、図２は、素子１，２，３，４，５，６，７，８に注入する電流のタイミングチャートである。
【００３８】本発明の半導体リングレーザージャイロの作製工程を説明する。まず、有機金属気相成長法を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板（厚み３５０μｍ）の上にＩｎＰバッファー層（厚み０．０５μｍ）、１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（厚み０．１５μｍ）、１．５５μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層（厚み０．１μｍ）、１．３μｍ組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（厚み０．１５μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層（厚み２μｍ）、１．４μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層（厚み０．３μｍ）を成長する。結晶成長後、ｐ−ＩｎＰキャップ層の上にアノード材料としてＣｒ／Ａｕを蒸着によって形成する。そして、スピンコーターを用いて、アノード材料の上にフォトレジストとして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分行った後、ウェハーにマスクをかけて露光する。また、ストライプの幅は５μｍ、電極１辺の長さは、１００μｍ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、フォトレジストをエッチングマスクとして、アノード材料のＣｒ／Ａｕをドライエッチングする。エッチングに用いたガスは、Ａｕに対してＡｒ、Ｃｒに対してＣＦ4 である。次に、塩素ガスを用いて、光導波路の高さが３．２μｍとなるように半導体層をエッチングする。そして、フォトレジストを剥離した後、アノードを水素雰囲気中でアニールし、オーミック接触を実現する。次に、ｎ−ＩｎＰ基板にカソードとして、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着する。最後に水素雰囲気中でアニールし、オーミック接触をとる。
【００３９】次に、図２を用いて、リングレーザージャイロの動作を説明する。この実施例では、８個の素子に対して、図２のようなタイミングで各素子１，２，３，４，５，６，７，８に電流を流す。このとき、Ｉth＝３ｍＡ、Ｉ1 ＝４ｍＡである。また、真空中の発振波長λ0 は１．５５μｍである。
【００４０】次に、静止時のビート周波数を考える。個別の素子の一辺の長さｌ＝２５μｍ、変調周期ｔp ＝２５ｍｓとすると、式（９）から、υは【００４１】
【数１６】

となる。また、Ｌc ＝２０ｌ、Ｓc ＝１３ｌ2 、真空中の発振波長λ0 ＝１．５５μｍ、半導体の屈折率ｎ0 ＝３．５であり、このとき静止時のビート周波数Δｆn は、式（１１）から【００４２】
【数１７】

である。
【００４３】さらに、図１の半導体リングレーザージャイロが、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、時計回りのレーザー光の発振周波数ｆ1 は３８．４Ｈｚだけ増加する。一方、反時計回りのレーザー光発振周波数ｆ2 は３８．４Ｈｚだけ減少する。この結果、式（１４）のように、半導体リングレーザージャイロが静止しているときに比べて、ビート周波数は７６．８Ｈｚだけ増加する。一方、半導体リングレーザージャイロが毎秒３０度の速度で反時計回りに回転を受けると、式（１５）のように、半導体リングレーザージャイロが静止しているときに比べて、ビート周波数は７６．８Ｈｚだけ減少する。このようにビート周波数の増減によって、回転方向を検知することができる。しかも、ビート周波数の変化量の絶対値が回転速度と１対１に対応しているので、回転速度も測定することができる。すなわち、本発明によって、回転速度と回転方向を同時に検知することができる。なお、このビート周波数は、半導体リングレーザーに一定の電流を流しておくと、端子電圧の変化から観測される。
【００４４】ここでは半導体材料として、ＩｎＧａＡｓＰ系のものを用いたが、ＧａＡｓ系、ＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、Ａｌ−ＧａＮ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１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。さらに、個別のリング共振器レーザー（素子）の数も本実施例のように８個に限らず、複数であれば何でもよい。
【００４５】（第２の実施例）図３は本発明の第２の実施例の特徴を最もよく表す図面であり、本発明のリングレーザージャイロの上面図である。同図において、１，２，３，４，５，６，７，８はリングレーザージャイロを構成する個別のリング共振器レーザー（素子）である。また、図４は、素子１，２，３，４，５，６，７，８に注入する電流のタイミングチャートである。
【００４６】この実施例では、図３のように各素子が隣接した素子と光導波路の一部を共有している。このため、隣接した素子間での光の結合効率を大きくすることができる。したがって、ある素子がレーザー発振している場合、注入同期の効率が大きくなるので、隣接した素子への注入電流を低減することができる。この結果、図４のように素子１にＩth＝３ｍＡよりも大きいＩ1 ＝４ｍＡを流した後、他の素子にはＩ2 ＝２．７５ｍＡ＜Ｉthの電流を流すだけで、素子でレーザー発振を実現することができる。また、真空中の発振波長λ0 は第１の実施例と同じ１．５５μｍである。また、ビート周波数についても、第１の実施例と同じである。
【００４７】図４は、素子１についても一旦電流Ｉ1 ＝４ｍＡ＞Ｉthを流してレーザー発振させた後、電流をＩ2 ＝２．７５ｍＡ＜Ｉthまで低減した例である。レーザー光が光共振器の中を周回している間に電流を変化させるのであれば、Ｉth以下の電流でもレーザー発振を維持することができる。そして、駆動電流の時間平均値は、図４よりもさらに小さくなる。
【００４８】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、リングレーザージャイロにおいて、低電流駆動が可能で、ディザをかけなくても回転方向の検知ができる。
【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１２年１月１４日（２０００．１．１４）
【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２００１−１９４１６０（Ｐ２００１−１９４１６０Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−６８９４（Ｐ２０００−６８９４）