(57)【要約】【課題】測定精度を高めることが可能な新規なリングレーザジャイロを提供する。【解決手段】本発明のジャイロは、周回光路１０、ファラデー回転子１３、周回光路１０を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるための光増幅手段、光取り出し手段（光結合器１５）、受光素子（フォトダイオード２０）、および、周回光路１０を第１の状態と第２の状態との間で切り替えるための手段（光路切り替えスイッチ１８）を備える。周回光路１０は、環状の第１の光路１１と環状の第２の光路１２とを含む。第１の状態では、第１のレーザ光が第１および第２の光路１１および１２を時計回りに進行する。第２の状態では、第１のレーザ光が第１の光路１１を時計回りに進行し、且つ、第２の光路１２を反時計回りに進行する。第２の状態におけるフォトダイオード２０の出力を用いて、第１の状態における回転角速度の検出が構成される。【選択図】図１
2010230476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転角速度を検出するリングレーザジャイロであって、
周回光路と、
前記周回光路の途中に配置されたファラデー回転子と、
前記周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるための光増幅手段と、
前記第１および第２のレーザ光の一部を前記周回光路から取り出す光取り出し手段と、
前記周回光路から取り出された前記第１および第２のレーザ光を受光する少なくとも１つの受光素子と、
前記周回光路を第１の状態と第２の状態との間で切り替えるための切り替え手段とを備え、
前記周回光路は、環状の第１の光路と環状の第２の光路とを含み、
前記第１の状態では、前記第１のレーザ光が前記第１および前記第２の光路を時計回りに進行し、
前記第２の状態では、前記第１のレーザ光が前記第１の光路を時計回りに進行し、且つ、前記第１のレーザ光が前記第２の光路を反時計回りに進行し、
前記第２の状態における前記少なくとも１つの受光素子の出力を用いて、前記第１の状態における回転角速度の検出を校正する、リングレーザジャイロ。
【請求項２】
前記第１の状態において前記第１のレーザ光が前記周回光路を時計回りに進行する経路の内側の面積と前記第１のレーザ光が前記周回光路を反時計回りに進行する経路の内側の面積との差を面積Ｓ１とし、前記第２の状態において前記第１のレーザ光が前記周回光路を時計回りに進行する経路の内側の面積と前記第１のレーザ光が前記周回光路を反時計回りに進行する経路の内側の面積との差の絶対値を面積Ｓ２としたときに、［面積Ｓ２］／［面積Ｓ１］の比が０．１以下である、請求項１に記載のリングレーザジャイロ。
【請求項３】
前記第１の状態において前記第１のレーザ光が前記周回光路を時計回りに進行する経路の内側の面積と前記第１のレーザ光が前記周回光路を反時計回りに進行する経路の内側の面積との差を面積Ｓ１とし、前記第２の状態において前記周回光路によって囲まれる部分の面積をＳ２としたときに、［面積Ｓ２］／［面積Ｓ１］の比が０．１以下である、請求項１に記載のリングレーザジャイロ。
【請求項４】
前記第１の状態では、前記第１の光路の第１の端面と前記第２の光路の第１の端面とが接続され、且つ、前記第１の光路の第２の端面と前記第２の光路の第２の端面とが接続され、
前記第２の状態では、前記第１の光路の前記第１の端面と前記第２の光路の前記第２の端面とが接続され、且つ、前記第１の光路の前記第２の端面と前記第２の光路の前記第１の端面とが接続される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリングレーザジャイロ。
【請求項５】
前記第１の光路の途中に第３の光路が接続されており、
前記第１の状態において前記第１のレーザ光は前記第３の光路を反時計回りに進行する、請求項１に記載のリングレーザジャイロ。
【請求項６】
前記第１および第２の光路が、光ファイバによって構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載のリングレーザジャイロ。
【請求項７】
前記第１および第２の光路が、１つの基板上に形成された光導波路によって構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリングレーザジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リングレーザジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、リングレーザジャイロは精度が高いという特徴を有する。従来のリングレーザジャイロの一例では、多角環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出が行われる。このようなジャイロとして、希ガスレーザを用いたジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。このジャイロでは、環状の光路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。また、光ファイバを用いたリングレーザジャイロも提案されている（たとえば特許文献２および３参照）。環状の光路を逆方向に進行する２つのレーザ光の周波数差Δｆは、以下の式で表される。
【０００３】
【数１】
2010230476.tif 000003
【０００４】
式中、Ｌは光路の周回長であり、Ａは光路の内側の面積であり、λはレーザ光の波長であり、ｎは光路の屈折率であり、Ωは回転角速度である。
【０００５】
しかし、リングレーザジャイロでは、回転角速度が小さいときにロックイン現象が生じて回転角速度を検出できなくなるという問題があった。このような問題を解決するために、ジャイロに機械的な振動を与える方式が提案されている。しかし、機械的に振動を与える方式は、ランダムノイズの発生や、装置の大型化や消費電力の増大といった問題があった。
【０００６】
上記問題に対応するため、光路の途中にファラデー素子を配置したジャイロが提案されている（たとえば非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開平７−２１８２７１号公報
【特許文献３】特開２００７−２１２２４７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】レビューズ・オブ・モダン・フィジックス（Reviews of Modern Physics）、Vol.57、No.1、１９８５年、７７〜７８ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ファラデー素子を用いた場合、ファラデー素子によって導入された固定バイアスの揺らぎが大きいという問題がある。そのため、その揺らぎによって測定精度が低下してしまう。
【００１０】
このような状況において、本発明は、測定精度を高めることが可能な新規なリングレーザジャイロを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために検討した結果、本件発明者らは、周回光路の形状を可変にするという従来にはない新規な発想によって固定バイアスの揺らぎの影響を低減できることを見出した。このような知見は従来全く知られておらず、本件発明はこの新たな知見に基づく発明である。
【００１２】
すなわち、本発明のリングレーザジャイロは、回転角速度を検出するリングレーザジャイロであって、周回光路と、前記周回光路の途中に配置されたファラデー回転子と、前記周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるための光増幅手段と、前記第１および第２のレーザ光の一部を前記周回光路から取り出す光取り出し手段と、前記周回光路から取り出された前記第１および第２のレーザ光を受光する少なくとも１つの受光素子と、前記周回光路を第１の状態と第２の状態との間で切り替えるための切り替え手段とを備える。前記周回光路は、環状の第１の光路と環状の第２の光路とを含む。前記第１の状態では、前記第１のレーザ光が前記第１および前記第２の光路を時計回りに進行する。前記第２の状態では、前記第１のレーザ光が前記第１の光路を時計回りに進行し、且つ、前記第１のレーザ光が前記第２の光路を反時計回りに進行する。前記第２の状態における前記少なくとも１つの受光素子の出力を用いて、前記第１の状態における回転角速度の検出が校正される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ロックイン現象の影響が小さいリングレーザジャイロが得られる。そのため、本発明によれば、回転角速度が低い領域における測定精度が高いリングレーザジャイロが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のジャイロの一例の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示したジャイロの周回光路の配置を模式的に示す斜視図である。
【図３】図１に示したジャイロの周回光路の配置を模式的に示す平面図である。
【図４Ａ】図１に示したジャイロの機能を示す図である。
【図４Ｂ】図１に示したジャイロの機能を示す図である。
【図５】図１に示したジャイロの機能を示す図である。
【図６】本発明のジャイロの他の一例の構成を模式的に示す図である。
【図７】図６に示したジャイロの機能を示す図である。
【図８】図６に示したジャイロの機能を示す図である。
【図９】本発明のジャイロのその他の一例の構成を模式的に示す図である。
【図１０】本発明のジャイロのその他の一例の構成を模式的に示す図である。
【図１１】図１０に示したジャイロの機能を示す図である。
【図１２】図１０に示したジャイロの機能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【００１６】
［リングレーザジャイロ（リングレーザジャイロ素子）］
本発明のジャイロは、１つの平面（以下、「平面（Ｐ）」という）内における回転角速度を検出（センシング）できるリングレーザジャイロである。このジャイロは、周回光路と、ファラデー回転子と、光増幅手段と、光取り出し手段と、少なくとも１つの受光素子と、切り替え手段とを備える。このジャイロは、必要に応じて、受光素子の出力を処理して回転角速度を算出する演算処理装置をさらに備えてもよい。なお、そのような演算処理装置は、本発明のジャイロ素子が実装される外部装置の一部であってもよい。また、このジャイロは、受光素子から出力された信号を解析するためのスペクトラムアナライザなどを備えてもよい。
【００１７】
周回光路は、閉じた光路である。周回光路が後述する第１の状態または第２の状態のいずれかにあるとき、周回光路を一方向に進む光はその周回光路を周回する。
【００１８】
光増幅手段（光増幅器）は、周回光路を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるために用いられる。光増幅手段は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）であってもよい。この場合には、半導体光増幅器に電流が注入されることによって第１および第２のレーザ光が発振される。また、光増幅手段は、光ファイバアンプであってもよい。この場合には、光ファイバアンプに励起用のレーザ光が入力されることによって第１および第２のレーザ光が発振される。光ファイバアンプの一例には、エルビウム、ツリウムおよびプラセオジムなどの希土類元素のイオンがドープされた光ファイバを用いることができる。光増幅手段と周回光路（共振器）とは、第１および第２のレーザ光を発生させるレーザ光発生手段の少なくとも一部として機能する。
【００１９】
ファラデー回転子は、周回光路の途中に配置される。ファラデー回転子は、たとえば、第１の光路および／または第２の光路の途中に配置される。本発明のジャイロに含まれるファラデー回転子の数は、１つであってもよいし、複数であってもよい。本発明の効果が得られる限りファラデー回転子の回転角に限定はなく、たとえば、４５°、６０°、または９０°であってもよい。ファラデー回転子の周囲には、必要に応じて、ファラデー回転子に磁界を印加するための磁石が配置される。
【００２０】
ファラデー回転子を周回光路中に配置することによって、第１のレーザ光に対する周回光路の光路長と、第２のレーザ光に対する周回光路の光路長との間に差が生じる。その結果、第１のレーザ光の周波数と第２のレーザ光の周波数との差Δｆは、ジャイロの回転に基づく周波数差（サニャック効果に基づく周波数差）と、ファラデー回転子による一定の周波数差（固定バイアス）とを含むものとなる。ジャイロが低速で回転しているとき、すなわち、ジャイロの回転に基づく周波数差が小さいときでも、周波数差Δｆは、ファラデー回転子による周波数差を含む。そのため、本発明のジャイロでは、ロックイン現象の影響を抑制できる。
【００２１】
光取り出し手段は、第１および第２のレーザ光の一部を周回光路から取り出す。一例の光取り出し手段は、光結合器を含む。周回光路が光ファイバで構成される場合には、市販の光結合器を用いることができる。周回光路が光導波路で構成される場合には、２本の光導波路を近接させて光結合器として機能させることが可能である。
【００２２】
本発明のジャイロは、周回光路から取り出された第１および第２のレーザ光を受光する少なくとも１つの受光素子を含む。受光素子の例には、フォトダイオードやフォトトランジスタが含まれる。受光素子の出力から、第１のレーザ光の周波数と、第２のレーザ光の周波数との差が求められる。この周波数差から、回転角速度が算出される。
【００２３】
本発明のジャイロは、周回光路から取り出された第１および第２のレーザ光を重ね合わせるための重ね合わせ手段を含んでもよい。そのような重ね合わせ手段の一例は、光結合器を含む。また、そのような重ね合わせ手段の他の一例は、プリズムを含む。第１および第２のレーザ光を重ね合わせることによって、両者の周波数差に対応するビート信号が発生する。このビート信号を検出することによって両者の周波数差を求めることができ、その周波数差から回転角速度を算出できる。
【００２４】
切り替え手段は、周回光路を第１の状態と第２の状態との間で切り替える。切り替え手段には、市販の光スイッチを用いることが可能である。たとえば、アジレント社製の８１５９４Ｂ、ＩＯ  Ｔｅｃｈ社製の「ｅｏｌ  ２ｘ２」、ＥＯ  Ｓｐａｃｅ社製の「Ｕｌｔｒａ−Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  ２ｘ２  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ」などを用いることができる。
【００２５】
周回光路は、環状の第１の光路と環状の第２の光路とを含む。ここで、「環状」には、円環状の形状に加えて、楕円環状や多角環状の形状も含まれる。第１の光路は閉じた光路ではないが、第１の光路の両端は近接しているため、環状であるとみなすことができる。同様に、第２の光路も環状であるとみなすことができる。
【００２６】
基本的に、第１および第２の光路は、平面（Ｐ）と平行な面に沿って形成されている。ここで、「平面（Ｐ）と平行な面に沿って」とは、たとえば、平面（Ｐ）と平行な面となす角度が０°〜２０°の範囲（たとえば０°〜１０°の範囲や０°〜５°の範囲）に光路があることを意味する。本発明の効果が得られる限り、周回光路は、平面（Ｐ）と実質的に平行ではない部分を一部に含んでもよい。
【００２７】
第１の状態では、第１のレーザ光は、第１および第２の光路を時計回りに進行する。第２のレーザ光は第１のレーザ光に対して逆方向に進行するため、第１の状態における第２のレーザ光は、第１および第２の光路を反時計回りに進行する。一方、第２の状態では、第１のレーザ光は、第１の光路を時計回りに進行し、且つ、第２の光路を反時計回りに進行する。第２のレーザ光は第１のレーザ光に対して逆方向に進行するため、第２の状態における第２のレーザ光は、第１の光路を反時計回りに進行し、且つ、第２の光路を時計回りに進行する。これらの関係をまとめると、以下の表１のようになる。
【００２８】
【表１】
2010230476.tif 000004
【００２９】
本発明のジャイロでは、第２の状態における上記少なくとも１つの受光素子の出力を用いて、第１の状態において検出（センシング）された回転角速度が校正される。ファラデー回転子を周回光路に導入した場合、ファラデー回転子による固定バイアスが、レーザ光Ｌ１およびＬ２の周波数差に加わる。しかし、その固定バイアスは、光導波路の温度や光導波路に加わる外圧などによる偏波状態の変化に起因する揺らぎが大きいという問題がある。そのため、単にファラデー回転子を導入しただけでは、ロックイン現象を回避できても高精度の測定は依然として難しいという問題があった。そのような問題を解決するため、本発明のジャイロでは、固定バイアスの揺らぎを校正する。
【００３０】
固定バイアスの揺らぎを校正するためには、第２の状態においてファラデー回転子による周波数差（またはそれに近い値）を求め、その値を用いて第１の状態における回転角速度の算出を校正すればよい。そのためには、第２の状態において、サニャック効果による周波数差が小さくなる構成にすればよい。以下、第１の状態における第１のレーザ光と第２のレーザ光との周波数差を「Δｆ１」といい、第２の状態における第１のレーザ光と第２のレーザ光との周波数差を「Δｆ２」という場合がある。
【００３１】
第１の状態において第１のレーザ光が周回光路を時計回りに進行する経路の内側の面積と第１のレーザ光が周回光路を反時計回りに進行する経路の内側の面積との差を面積Ｓ１とする。また、第２の状態において第１のレーザ光が周回光路を時計回りに進行する経路の内側の面積と第１のレーザ光が周回光路を反時計回りに進行する経路の内側の面積との差の絶対値を面積Ｓ２とする。本発明のジャイロでは、［面積Ｓ２］／［面積Ｓ１］の比が１未満である。［面積Ｓ２］／［面積Ｓ１］の比は、０．１以下（たとえば０〜０．０１の範囲）にあることが好ましく、０であることがより好ましい。上述した式（１）に示されるように、面積Ｓ１が大きいほど、第１の状態における周波数差Δｆ１が大きくなって測定精度を高くできる。一方、面積Ｓ２が小さいほど、サニャック効果による周波数差が第２の状態における周波数差Δｆ２に占める割合を小さくでき、固定バイアスの揺らぎの校正の精度が高まる。そのため、［面積Ｓ２］／［面積Ｓ１］の比は小さいほど好ましい。なお、正確には、面積Ｓ１および面積Ｓ２は、それぞれ平面（Ｐ）への投影面積である。
【００３２】
第１の状態において第１のレーザ光が周回光路を時計回りに進行する経路の内側の面積は、第１の光路の内側の面積と第２の光路の内側の面積との合計で近似できる。ここで、第１の光路の内側の面積は、第１の光路の２つの端面を直線で結んだときに、第１の光路とその直線とで形成される環の内側の面積で近似できる。同様に、第２の光路の内側の面積は、第２の光路の２つの端面を直線で結んだときに、第２の光路とその直線とで形成される環の内側の面積で近似できる。第２の状態における面積Ｓ２も同様に近似される。
【００３３】
本発明の効果が得られる限り、面積Ｓ１の大きさに限定はない。一例では、面積Ｓ１は、１ｍｍ2〜１ｋｍ2の範囲にあってもよい。
【００３４】
第１および第２の光路の一方が他方の内側に存在する場合、上記面積Ｓ２は、周回光路によって囲まれる部分の面積と実質的に等しい。この場合も、［面積Ｓ２］／［面積Ｓ１］の比は、上述した範囲にあることが好ましい。
【００３５】
上記第１の状態では、第１の光路の第１の端面と第２の光路の第１の端面とが接続され、且つ、第１の光路の第２の端面と第２の光路の第２の端面とが接続されてもよい。また、上記第２の状態では、第１の光路の第１の端面と第２の光路の第２の端面とが接続され、且つ、第１の光路の第２の端面と第２の光路の第１の端面とが接続されてもよい。
【００３６】
本発明のジャイロでは、第１の光路の途中に、第３の光路が接続されていてもよい。その第３の光路は、基本的に、平面（Ｐ）と平行な面に沿って形成されている。そして、第１の状態において、第１のレーザ光は第３の光路を反時計回りに進行する。また、第１の状態において第２のレーザ光は第３の光路を時計回りに進行する。一方、第２の状態において第１のレーザ光は第３の光路を時計回りに進行する。また、第２の状態において第２のレーザ光は第３の光路を反時計回りに進行する。第１の光路および第２の光路で周回光路を構成した場合、上述した面積Ｓ２をゼロとすることが難しい場合がある。たとえば、第１および第２の光路のいずれか一方を他方の内側に形成する場合には、上述した面積Ｓ２をゼロとすることが難しい。その場合、第３の光路を接続することによって面積Ｓ２をゼロまたはゼロに近い値とすることができる。第３の光路が接続される第１の光路は、通常、第２の光路の外側に形成されている。第３の光路は、たとえば光ファイバや光導波路によって構成できる。
【００３７】
第１および第２の光路は、光ファイバによって構成されていてもよい。光ファイバは、シングルモードファイバであってもよい。また、光ファイバは、偏波面保存ファイバであってもよい。また、第１および第２の光路が、１つの基板上に形成された光導波路によって構成されていてもよい。
【００３８】
本発明のジャイロは、公知の方法で製造できる。たとえば、公知の光ファイバや公知の光学素子を組み合わせることによって構成できる。また、光導波路や半導体光増幅器は、半導体製造プロセスにおいて一般的に用いられる製造方法によって形成できる。
【００３９】
以下、本発明のジャイロについて図を用いて具体的に説明する。なお、以下の説明では、同一の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
【００４０】
［実施形態１］
実施形態１では、光ファイバを用いて第１および第２の光路を構成したジャイロの一例について説明する。
【００４１】
実施形態１のジャイロ１００の構成を、図１に模式的に示す。ジャイロ１００は、第１の光路１１、第２の光路１２、ファラデー回転子１３、ＷＤＭカプラ１４、光結合器１５、光結合器１６、半導体レーザ素子１７ａ、光路１７ｂ、光路切り替えスイッチ１８、光路１９、フォトダイオード２０、およびコントローラ２１を備える。コントローラ２１は、光路切り替えスイッチ１８およびフォトダイオード２０に接続されている。なお、コントローラ２１は半導体レーザ素子１７ａなどにも接続されているが、それらの接続の図示は省略する。
【００４２】
第１の光路１１、第２の光路１２および光路切り替えスイッチ１８によって、周回光路１０が構成される。第１の光路１１、第２の光路１２、光路１７ｂ、および光路１９は、光ファイバによって構成される。なお、図１では、第１の光路１１の大きさと第２の光路１２の大きさが異なっているが、図２および図３に示すように、実際にはそれらは同じ大きさで且つ重なっている。
【００４３】
第１の光路１１の一部または全部は、エルビウムなどの希土類元素のイオンがドープされた光アンプ部となっている。ファラデー回転子１３およびＷＤＭカプラ１４は、第１の光路１１上に配置されている。なお、光アンプ部およびＷＤＭカプラ１４は第２の光路に形成されてもよい。また、ファラデー回転子１３は第２の光路１２上に配置されてもよい。
【００４４】
第１の光路１１、第２の光路１２、および光路切り替えスイッチ１８の配置を示す斜視図を、図２に模式的に示す。第１の光路１１および１２は、それぞれ、仮想の円柱２１を囲むように配置されている。また、第１の光路１１および１２は、それぞれ、１つの平面（たとえば円柱２１の底面２２）に平行に配置されている。ジャイロ１００によって、平面２２の面内における回転運動の角速度を求めることができる。第１の光路１１、第２の光路１２および光路切り替えスイッチ１８を、底面２２と平行な面に投影したときのそれらの配置を、図３に模式的に示す。第１の光路１１と第２の光路１２とは重なっている。第１の光路１１の内側の面積および第２の光路１２の内側の面積は等しい。第１の光路１１の内側の面積と第２の光路１２の内側の面積との差はゼロである。
【００４５】
なお、実施形態１では第１の光路１１および第２の光路１２が仮想の円柱２１を１周する場合について示しているが、第１の光路１１および第２の光路１２は、それぞれ、仮想の円柱２１の周りにコイル状に複数回巻かれていてもよい。第１の光路１１および第２の光路１２がそれぞれｎ回巻かれている場合の面積Ｓ１は、第１の光路１１および第２の光路１２がそれぞれ１回だけ巻かれている場合の面積Ｓ１のｎ倍となる。面積Ｓ２においても同様である。
【００４６】
ジャイロ１００の機能について以下に説明する。励起用の半導体レーザ素子１７ａを駆動することによって、励起用のレーザ光がＷＤＭカプラ１４に入力される。ＷＤＭカプラ１４は、入力された励起用のレーザ光を第１の光路１１に伝播させる。ＷＤＭカプラ１４は、励起用のレーザ光のほとんどが周回光路１０に伝播し、且つレーザ光Ｌ１およびＬ２があまり光路１７ｂに伝播しないように選択される。励起用のレーザ光が光アンプ部に入力されることによって、第１の光路１１を時計回りに周回する第１のレーザ光Ｌ１と、第１の光路１１を反時計回りに周回する第２のレーザ光Ｌ２とが発振される。半導体レーザ素子１７ａの種類および光アンプ部の種類は、レーザ光Ｌ１およびＬ２が発振されるように選択される。一例では、エルビウムイオンがドープされた光アンプ部を、波長が９８０
ｎｍや１４８０ｎｍのレーザ光によって励起する。
【００４７】
周回光路１０は、光路切り替えスイッチ１８によって第１の状態と第２の状態との間で切り替えられる。すなわち、光路切り替えスイッチは切り換え手段として機能する。以下では、第１の状態にあるときの周回光路１０を「周回光路１０ａ」といい、第２の状態にあるときの周回光路１０を「周回光路１０ｂ」という場合がある。
【００４８】
［第１の状態］
第１の状態にある周回光路１０ａを、図４Ａに模式的に示す。周回光路１０ａでは、第１の光路１１の第１の端面１１ａと第２の光路１２の第１の端面１２ａとが接続され、第１の光路１１の第２の端面１１ｂと第２の光路１２の第２の端面１２ｂとが接続される。その結果、レーザ光Ｌ１は第１の光路１１および第２の光路１２を時計回りに周回する。一方、レーザ光Ｌ２は第１の光路１１および第２の光路１２を反時計回りに周回する。第１の状態においてレーザ光Ｌ１が周回光路１０ａを時計回りに進行する経路の内側の面積とレーザ光Ｌ１が周回光路１０ａを反時計回りに進行する経路の内側の面積との差を面積Ｓ１とすると、面積Ｓ１は、第１の光路１１の内側の面積の２倍に等しい。
【００４９】
レーザ光Ｌ１の一部およびレーザ光Ｌ２の一部は、それぞれ、光結合器１５によって光路１９に伝播される。すなわち、光結合器１５は、光取り出し手段として機能する。一例では、光結合器１５は、レーザ光Ｌ１およびＬ２の０．０１％〜１０％程度を光路１９に伝播させる。光路１９に伝播したレーザ光Ｌ１およびＬ２は、さらに光結合器１６（重ね合わせ手段）によって重ね合わされた後、フォトダイオード２０によって受光される。レーザ光Ｌ１およびＬ２が重ね合わされてフォトダイオード２０に入力される状態を、図４Ｂに模式的に示す。
【００５０】
第１の状態において、平面２２の面内方向におけるジャイロ１００の回転成分がゼロである場合、たとえば、ジャイロ１００が平面２２の面内方向において回転していない場合について考える。この場合、レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との差Δｆ１は、ファラデー回転子１３によって導入された固定バイアスに基づく周波数差となる。一方、ジャイロ１００が平面２２の面内方向において回転すると、レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との間には、サニャック効果に基づく差が生じる。そのため、周波数差Δｆ１は、固定バイアスに基づく成分と、サニャック効果に基づく成分とを含む。周波数差Δｆ１は、ビート信号としてフォトダイオード２０によって検出される。
【００５１】
［第２の状態］
第２の状態にある周回光路１０ｂを、図５に模式的に示す。周回光路１０ｂでは、第１の光路１１の第１の端面１１ａと第２の光路１２の第２の端面１２ｂとが接続され、第１の光路１１の第２の端面１１ｂと第２の光路１２の第１の端面１２ａとが接続される。その結果、レーザ光Ｌ１は、第１の光路１１を時計回りに周回し、第２の光路１２を反時計回りに周回する。また、レーザ光Ｌ２は、第１の光路１１を反時計回りに周回し、第２の光路１２を時計回りに周回する。第２の状態においてレーザ光Ｌ１が周回光路１０ｂを時計回りに進行する経路の内側の面積とレーザ光Ｌ１が周回光路１０ｂを反時計回りに進行する経路の内側の面積との差の絶対値を面積Ｓ２とすると、面積Ｓ２はゼロである。そのため、［面積Ｓ２］／［面積Ｓ１］＝０となる。
【００５２】
レーザ光Ｌ１の一部およびレーザ光Ｌ２の一部は、第１の状態と同様に、重ね合わされた後にフォトダイオード２０によって受光される。
【００５３】
第２の状態において、ジャイロ１００が平面２２の面内方向において回転していない場合、レーザ光Ｌ１の周波数とレーザ光Ｌ２の周波数との差Δｆ２は、ファラデー回転子によって導入された固定バイアスに基づく周波数差となる。また、第２の状態においてジャイロ１００が平面２２の面内方向において回転していても、周波数差Δｆ２は、ファラデー回転子によって導入された固定バイアスに基づく周波数差となる。それは、第２の状態では上述した式（１）の面積Ａがゼロであり、サニャック効果に基づく周波数差が発生しないためである。
【００５４】
［回転角速度の校正］
ジャイロ１００では、第１の状態と第２の状態とを必要に応じて切り替え、第２の状態における周波数差Δｆ２を用いて第１の状態における周波数差Δｆ１を校正する。たとえば、第１の状態と第２の状態とを一定時間ごとに切り替えて校正を行う。固定バイアスの揺らぎの変化速度に対して切り替え時間を充分に短くすることによって、固定バイアスの揺らぎによる測定誤差を低減できる。本発明の効果が得られる限り、切り換え時間（１つの状態に保持する時間）に限定はない。一例では、切り換え時間を０．０１ナノ秒〜１秒の範囲としてもよい。
【００５５】
たとえば、固定バイアスによる周波数差Δｆ0が熱などによって揺らいでΔｆ0’になったと仮定する。このとき、校正を行わない場合には固定バイアスによる周波数差がΔｆ0であるとして回転角速度を算出するため、｜Δｆ0−Δｆ0’｜に対応する誤差が発生する。一方、本発明のジャイロでは、第２の状態における周波数差を測定することによって、測定時における固定バイアスによる周波数差がΔｆ0’であることが分かる。第２の状態で求められた固定バイアスによる周波数差を用いて第１の状態における回転角速度を校正することによって、固定バイアスの揺らぎに基づく誤差を抑制できる。
【００５６】
光路の切り替えおよび回転角速度の算出は、演算処理装置を含むコントローラ２１によって行われる。演算処理装置の内部または外部の記憶装置には、光路の切り換えおよび回転速度の算出を行うためのプログラムが記録される。第２の状態において測定された周波数差Δｆ２を用いて校正を行うことを除いて、回転角速度の算出は公知の方法で行うことができる。
【００５７】
［実施形態２］
実施形態２では、光導波路を用いて第１および第２の光路を構成したジャイロの一例について説明する。
【００５８】
実施形態２のジャイロ２００の構成を、図６に模式的に示す。ジャイロ２００は、第１の光路６１、第２の光路６２、ファラデー回転子１３、光結合器６５、光結合器６６、半導体光増幅器６７、光路切り替えスイッチ１８、光路６９、フォトダイオード２０、およびコントローラ２１を備える。
【００５９】
第１の光路６１、第２の光路６２、および光路切り替えスイッチ１８によって、周回光路１０が構成される。第１の光路６１、第２の光路６２、および光路６９は、基板７０上に形成された光導波路によって構成される。光導波路の一例は、コア層と、コア層の周囲に配置され屈折率がコア層よりも小さいクラッド層とを含む。コア層およびクラッド層は、たとえば、III−Ｖ族化合物半導体や、ドープまたはノンドープの二酸化ケイ素で形成できる。
【００６０】
光結合器６５は、光路６１を構成する光導波路と光路６９を構成する光導波路とを近接させることによって構成できる。同様に、光結合器６６は、光路６９を構成する光導波路同士を近接させることによって構成できる。そのような光結合器は公知である。
【００６１】
第１の光路６１の途中には、ファラデー回転子１３、光結合器６５、および半導体光増幅器６７が配置されている。それらは、第２の光路６２の途中に配置されてもよい。
【００６２】
半導体光増幅器６７に電流を注入することによって、周回光路１０を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２が発振される。
【００６３】
第２の光路６２は、第１の光路６１の内側に形成されている。また、第１の光路６１および６２は、それぞれ、基板７０の表面と平行に形成されている。すなわち、第１の光路６１および６２は、１つの平面に平行に配置されている。ジャイロ２００によって、基板７０の表面と平行な面内における回転運動の角速度を求めることができる。
【００６４】
ジャイロ２００の機能について以下に説明する。半導体光増幅器６７に電流を注入することによって第１の光路１１を時計回りに周回する第１のレーザ光Ｌ１と、第１の光路１１を反時計回りに周回する第２のレーザ光Ｌ２が発振される。周回光路１０は、光路切り替えスイッチ１８によって第１の状態（周回光路１０ａ）と第２の状態（周回光路１０ｂ）との間で切り替えられる。
【００６５】
［第１の状態］
第１の状態にある周回光路１０ａを、図７に模式的に示す。周回光路１０ａでは、レーザ光Ｌ１は第１の光路６１および第２の光路６２を時計回りに周回する。一方、レーザ光Ｌ２は第１の光路６１および第２の光路６２を反時計回りに周回する。
【００６６】
レーザ光Ｌ１の一部およびレーザ光Ｌ２の一部は、それぞれ、光結合器６５によって光路６９に伝播される。それらのレーザ光Ｌ１およびＬ２は、さらに光結合器６６によって重ね合わされた後、フォトダイオード２０によって受光される。
【００６７】
［第２の状態］
第２の状態にある周回光路１０ｂを、図８に模式的に示す。周回光路１０ｂでは、レーザ光Ｌ１は、第１の光路６１を時計回りに周回し、第２の光路６２を反時計回りに周回する。また、レーザ光Ｌ２は、第１の光路６１を反時計回りに周回し、第２の光路６２を時計回りに周回する。レーザ光Ｌ１の一部およびレーザ光Ｌ２の一部は、第１の状態と同様に、重ね合わされた後にフォトダイオード２０によって受光される。
【００６８】
［回転角速度の校正］
第１の状態においてレーザ光Ｌ１が周回光路１０ａを時計回りに進行する経路の内側の面積とレーザ光Ｌ１が周回光路１０ａを反時計回りに進行する経路の内側の面積との差を面積Ｓ１とすると、面積Ｓ１は、第１の光路６１の内側の面積と第２の光路６２の内側の面積との合計となる。一方、第２の状態においてレーザ光Ｌ１が周回光路１０ｂを時計回りに進行する経路の内側の面積とレーザ光Ｌ１が周回光路１０ｂを反時計回りに進行する経路の内側の面積との差の絶対値を面積Ｓ２とすると、面積Ｓ２は面積Ｓ１よりもずっと小さくなる。面積Ｓ２は、第１の光路６１と第２の光路６２とによって囲まれた面積、すなわち、周回光路１０ｂの内側の面積と実質的に等しい。周回光路１０ｂの内側の部分（面積Ｓ２）を、図８においてハッチングによって示す。
【００６９】
ジャイロ２００の第２の状態においては、面積Ｓ２が小さいため、上述した式（１）で記述されるサニャック効果に基づく周波数差が小さい。面積Ｓ２が充分に小さければ、第２の状態において測定される周波数差Δｆ２は、実質的にファラデー回転子１３によってもたらされる固定バイアス値に等しいとみなすことが可能である。そのため、ジャイロ２００においても、ジャイロ１００と同様に、第１の状態において測定された周波数差Δｆ１を、第２の状態において測定された周波数差Δｆ２に基づいて校正することが可能である。
【００７０】
なお、光ファイバとは異なり、光導波路では第１の光路６１と第２の光路６２とを重ね合わせることが容易ではない。そのため、光導波路で周回光路を構成する場合には、第１の光路６１の内側に第２の光路６２を形成することが、生産性の点で好ましい。しかし、その場合には面積Ｓ２を完全にゼロにすることは困難である。そのような問題に対処するため、第１の光路６１の途中に第３の光路を接続してもよい。第３の光路を備えるジャイロ２００ａを、図９に示す。
【００７１】
ジャイロ２００ａは、第３の光路９３を備える点のみがジャイロ２００とは異なる。ジャイロ２００ａの周回光路１０は、第１の光路６１、第２の光路６２、第３の光路９３、および光路切り替えスイッチ１８によって構成される。第３の光路９３は、基板７０の表面と実質的に平行に形成されている。第３の光路９３は、第１の光路６１を時計回りに進行する第１のレーザ光Ｌ１が、反時計回りに進行するように形成される。具体的には、第１の光路６１と第３の光路９３とによって構成される光路が８の字状になるように、第１の光路６１と第３の光路９３とが接続される。なお、第１の光路６１と第３の光路９３とは、光導波路の一部を交差させるようにして接続してもよいし、光結合器を用いて接続してもよい。
【００７２】
第３の光路９３は、第３の光路９３の内側の面積が、第１の光路６１と第２の光路６２とによって囲まれた面積と実質的に等しくなるように構成される。そのように構成することによって、第２の状態においてレーザ光Ｌ１が周回光路１０ｂを時計回りに進行する経路の内側の面積とレーザ光Ｌ１が周回光路１０ｂを反時計回りに進行する経路の内側の面積との差の絶対値Ｓ２を実質的にゼロまたはゼロに近い値とすることができる。その結果、より高い精度で校正を行うことが可能となる。
【００７３】
［実施形態３］
実施形態３では、実施形態１および２のジャイロとは周回光路の形状が異なるジャイロの一例について説明する。
【００７４】
実施形態３のジャイロ３００の構成を、図１０に模式的に示す。なお、ジャイロ３００は、第１および第２の光路６１および６２の配置が異なることを除いてジャイロ２００と同様であるため、重複する説明は省略する。第１の光路６１、第２の光路６２、および光路切り替えスイッチ１８によって、周回光路１０が構成される。第１の光路６１、第２の光路６２、および光路６９は、基板７０上に形成された光導波路によって構成される。これらの光路は、光ファイバによって構成されてもよい。第１の光路６１と第２の光路６２とは、それぞれの内側の部分が重ならないように配置される。第１の光路６１の内側の面積と、第２の光路６２の内側の面積とは同じである。
【００７５】
第１の状態にあるジャイロ３００の周回光路１０ａを図１１に示す。周回光路１０ａは交差部分を含まない。その結果、レーザ光Ｌ１は第１の光路６１および第２の光路６２を時計回りに周回する。一方、レーザ光Ｌ２は第１の光路６１および第２の光路６２を反時計回りに周回する。
【００７６】
第２の状態にあるジャイロ３００の周回光路１０ｂを図１２に示す。周回光路１０ｂは、光路切り替えスイッチ１８の部分で交差する。その結果、レーザ光Ｌ１は、第１の光路６１を時計回りに周回し、第２の光路６２を反時計回りに周回する。また、レーザ光Ｌ２は、第１の光路６１を反時計回りに周回し、第２の光路６２を時計回りに周回する。
【００７７】
第１の光路６１の内側の面積と第２の光路６２の内側の面積とは同じである。そのため、第２の状態においては、レーザ光Ｌ１およびＬ２はサニャック効果による影響を実質的に受けない。その結果、第２の状態におけるレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との周波数差Δｆ２は、実質的に、ファラデー回転子によってもたらされる周波数差のみを反映することとなる。一方、第１の状態におけるレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との周波数差Δｆ１は、サニャック効果による周波数差と、ファラデー回転子によってもたらされる周波数差とを含む。
【００７８】
第１の状態と第２の状態とを交互に切り替え、周波数差Δｆ１から回転角速度を求める際にΔｆ２の値を用いて校正することによって、ファラデー回転子によってもたらされる周波数差のゆらぎの影響を抑制できる。
【００７９】
なお、実施形態２のジャイロ２００と実施形態３のジャイロ３００とを比較すると、実施形態２のジャイロは素子のサイズを小さくできるという利点を有する。一方、実施形態３のジャイロ３００は、光導波路の形成が容易であるという利点を有する。
【００８０】
以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明のリングレーザジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置などに利用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１００、２００、２００ａ、３００  ジャイロ
１０  周回光路
１１、６１  第１の光路
１２、６２  第２の光路
１３  ファラデー回転子
１４  ＷＤＭカプラ
１５、６５  光結合器（光取り出し手段）
１６、６６  光結合器（重ね合わせ手段）
１７ａ  半導体レーザ素子
１７ｂ、１９、６９  光路
１８  光路切り替えスイッチ（切り換え手段）
２０  フォトダイオード
２１  コントローラ
６７  半導体光増幅器
７０  基板
９３  第３の光路
Ｌ１  第１のレーザ光
Ｌ２  第２のレーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010230476.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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