(57)【要約】【課題】半導体レーザを用いた新規なリングレーザジャイロを提供する。【解決手段】本発明のリングレーザジャイロは、面発光レーザ素子１００と複数のミラー１２および１３と光検出器１５とを備える。面発光レーザ素子１００と複数のミラー１２および１３とは、多角形の光路２０を構成するように配置されている。面発光レーザ素子１００が励起されることによって、多角形の光路２０を時計回りに伝搬する第１のレーザ光３１と多角形の光路２０を反時計回りに伝搬する第２のレーザ３２とが励起される。光検出器１５は、第１のレーザ光３１と第２のレーザ光３２とが干渉する位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リングレーザジャイロであって、
面発光レーザ素子と複数のミラーと光検出器とを備え、
前記面発光レーザ素子と複数の前記ミラーとは、多角形の光路を構成するように配置されており、
前記面発光レーザ素子が励起されることによって、前記多角形の光路を時計回りに伝搬する第１のレーザ光と前記多角形の光路を反時計回りに伝搬する第２のレーザ光とが励起され、
前記光検出器は、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが干渉する位置に配置されている、リングレーザジャイロ。
【請求項２】
前記面発光レーザ素子を励起するためのポンプ光を出射する励起用レーザ素子をさらに備える請求項１に記載のリングレーザジャイロ。
【請求項３】
前記面発光レーザ素子は、ミラー層と、前記ミラー層よりも前記光路の中心側に配置された利得領域とを含み、
前記利得領域は、前記ポンプ光を吸収することによって利得を生じる層であり、
前記ミラー層は、前記ポンプ光の９９％以上を反射する第１のミラー層と、前記第１および第２のレーザ光の９９％以上を反射する第２のミラー層とを含む請求項２に記載のリングレーザジャイロ。
【請求項４】
前記複数のミラーは、前記第１および第２のレーザ光の一部を透過させる出力ミラーを含み、
前記出力ミラーを透過した前記第１および第２のレーザ光を干渉させるためのプリズムをさらに備える請求項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】
前記光検出器が複数の受光素子を含む請求項１〜４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】
回転する物体の角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。光ジャイロでは、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を行う。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（たとえば特許文献１）。これらの光ジャイロでは、同じ経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。その干渉縞の移動速度および移動方向を検出することによって、ジャイロの回転速度および回転方向が検出される。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
【０００３】
このような課題を解決するジャイロとして、環状（三角環状や四角環状）の導波路を備える半導体リング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２）。このジャイロで用いられている半導体レーザは、ほぼ一定の幅の環状の導波路を備える。そして、その環状の導波路を互いに反対方向に周回する２つのレーザ光を外部に取り出して、その干渉縞を検出する。しかしながら、細い導波路を用いて閉じこめられたレーザ光は、導波路の外部に出射する際に大きく広がってしまうため、実際に干渉縞を精度よく検出することは困難である。そのため、半導体レーザを用いるジャイロでは、半導体レーザの２つの電極間の電圧変化から、２つのレーザ光の周波数差に対応するビート周波数を検出するジャイロ（たとえば特許文献３）や、共振器の端面からしみだしたエバネッセント光を用いてビート周波数を検出するジャイロ（たとえば特許文献４）が一般的である。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【特許文献３】特開平４−１７４３１７号公報
【特許文献４】特開２０００−１２１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ビート周波数を検出するジャイロでは、回転方向の検出に特別な装置が必要となる。
【０００５】
このような状況において、本発明は、半導体レーザを用いた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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のリングレーザジャイロは、面発光レーザ素子と複数のミラーと光検出器とを備え、前記面発光レーザ素子と複数の前記ミラーとは、多角形の光路を構成するように配置されており、前記面発光レーザ素子が励起されることによって、前記多角形の光路を時計回りに伝搬する第１のレーザ光と前記多角形の光路を反時計回りに伝搬する第２のレーザ光とが励起され、前記光検出器は、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが干渉する位置に配置されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小型で消費電力が小さく、回転方向および回転速度に関する情報を得ることが可能なリングレーザジャイロが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で挙げる例には限定されない。以下の説明では、具体的な材料や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であってもよい。
【０００９】
［リングレーザジャイロ］
本発明のリングレーザジャイロは、面発光レーザ素子と、複数のミラーと、光検出器とを備える。面発光レーザ素子（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）は、半導体レーザ素子であり、高反射のミラーと、光を増幅する活性層（利得領域）とを備える。ミラーは、たとえば、半導体多層膜や誘電体多層膜によって構成される。
【００１０】
面発光レーザ素子と複数のミラーとは多角形の光路を構成するように配置されている。多角形の光路は、通常、三角形または四角形の光路である。
【００１１】
面発光レーザ素子が励起されることによって、多角形の光路を時計回りに伝搬する第１のレーザ光と前記多角形の光路を反時計回りに伝搬する第２のレーザ光とが励起される。換言すれば、これらの第１および第２のレーザ光が励起されるように、面発光レーザ素子と複数のミラーとが配置される。
【００１２】
第１および第２のレーザ光は、それぞれ、上記多角環状の光路を互いに逆方向に進行する。ジャイロが回転すると、サニャック効果によって第１のレーザ光の周波数と第２のレーザ光の周波数との間に差が生じる。したがって、第１のレーザ光と第２のレーザ光とが干渉する位置において両者の干渉縞を観察することによって、ジャイロの回転を検出することが可能となる。この干渉縞を観察するため、光検出器は、第１のレーザ光と第２のレーザ光とが干渉する位置に配置されている。
【００１３】
本発明のリングレーザジャイロは、面発光レーザ素子を励起するためのポンプ光を出射する励起用レーザ素子をさらに備えてもよい。この励起用レーザ素子は、面発光レーザ素子の発振波長よりも短波長のレーザ光を出射する。励起用レーザ素子は、面発光レーザ素子を励起できる限り限定はなく、一般的な半導体レーザ素子を適用できる。なお、励起用レーザ素子を用いずに、電流注入によって面発光レーザ素子を励起してもよい。
【００１４】
面発光レーザ素子は、ミラー層と、ミラー層よりも前記光路の中心側に配置された利得領域とを含んでもよい。利得領域は、励起用レーザ光から出射されたポンプ光を吸収することによって利得を生じる層である。
【００１５】
面発光レーザ素子は、半導体多層膜の側面（端面）からではなく、その主面からレーザ光を出射する半導体レーザである。面発光レーザ素子から出力されるレーザ光の波長に特に限定はなく、たとえば、紫外域から赤外域までの波長（たとえば４００ｎｍ〜１６００ｎｍ）から選択できる。利得領域の材料は、レーザ光の波長に応じて選択される。好ましい材料の１つは、Ｇａ、ＩｎおよびＡｌといったIII族元素と、Ａｓ、ＮおよびＰといったＶ族元素とによって構成されるIII−Ｖ族化合物半導体である。長波長のレーザ光を利用する場合、通常、ＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体が量子井戸層の材料として用いられる。また、短波長のレーザ光を利用する場合、通常、ＧａとＮとを含むIII−Ｖ族化合物半導体が量子井戸層の材料として用いられる。
【００１６】
ミラー層は、少なくとも、第１および第２のレーザ光を反射するための層を含む。面発光レーザ素子のミラー層と他のミラーとによって、外部共振器が構成される。
【００１７】
利得領域で吸収されずにミラー層に到達した光は、ミラー層で反射してもういちど利得領域に入射させることが好ましい。しかし、ポンプ光の波長と第１および第２のレーザ光の波長とは異なるため、両者を高い反射率で反射するミラーを実現することが難しい場合がある。そのような場合、ミラー層は、ポンプ光の９９％以上を反射する第１のミラー層と、第１および第２のレーザ光の９９％以上を反射する第２のミラー層とを含んでもよい。この構成によれば、利得領域で吸収されるポンプ光の割合を高めることができる。たとえば、第１のミラー層がＡｌ0.87Ｇａ0.13Ａｓ層（厚さ６６．３ｎｍ）とＧａＡｓ層（厚さ５７．３ｎｍ）とを交互に３０組（合計６０層）積層した層であり、第２のミラー層がＡｌ0.87Ｇａ0.13Ａｓ層（厚さ８０．７ｎｍ）とＧａＡｓ層（厚さ６９．９ｎｍ）とを交互に３０組（合計６０層）積層した層であるミラー層を用いてもよい。この場合、８０５〜８６０ｎｍにおける第１のミラー層の反射率は９９％以上であり、９６０〜１０２０ｎｍにおける第２のミラー層の反射率は９９％以上である。
【００１８】
多角形の光路を構成する複数のミラーは、第１および第２のレーザ光の一部を透過させる出力ミラーを含んでもよい。そして、本発明のジャイロは、出力ミラーを透過した第１および第２のレーザ光を干渉させるためのプリズムをさらに備えてもよい。なお、プリズムの代わりに、第１および第２のレーザ光を重ね合わせることができる他の光学素子を用いてもよい。
【００１９】
出力ミラーは、たとえば、第１および第２のレーザ光の９６％〜９８％を反射し、４％〜２％を透過させるミラーである。また、出力ミラー以外の他のミラーは、第１および第２のレーザ光の９９％以上（たとえば９９．９％以上）を反射するミラーであることが好ましい。
【００２０】
本発明のジャイロの光検出器は、受光素子（たとえばフォトダイオードやフォトトランジスタ）を１つだけ含んでもよいし、複数の受光素子を含んでもよい。２つ以上の受光素子を用いることによって、干渉縞の移動速度と移動方向とを検出できる。その結果、ジャイロの回転方向と回転速度とを検出することが可能となる。
【００２１】
なお、本発明のリングレーザジャイロは、必要に応じて他の光学素子を含んでもよい。たとえば、励起用レーザ素子と面発光レーザ素子との間にレンズが配置されていてもよい。また、不要なモードのレーザ光の発振を抑制するためのピンホールが光路上に配置されていてもよい。また、ＳＨＧを発生させる素子が光路上に配置されてもよい。
【００２２】
［本発明のリングレーザジャイロの一例］
本発明のリングレーザジャイロの一例の構成を、図１に模式的に示す。なお、以下で示す図では、理解を容易にするために部材の縮尺を適宜変更している。図１のジャイロ１０は、励起用レーザ素子１１と、ミラー１２と、出力ミラー１３と、プリズム１４と、光検出器１５と、ピンホール１６と、面発光レーザ素子１００とを備える。
【００２３】
励起用レーザ素子１１は、波長が８０８ｎｍのレーザ光を出射する、高出力のワイドストライプ型の半導体レーザ素子である。
【００２４】
ミラー１２および出力ミラー１３は、ともに曲面ミラーである。これらのミラー面の曲率半径は、たとえば、後述する光路２０の長さＬの０．１倍〜５倍の範囲である。また、これらのミラーのうちミラー面として実質的に有効な範囲の直径は、たとえば、光路２０の長さＬの０．０００５倍〜０．０１倍の範囲である。
【００２５】
ミラー１２は、面発光レーザ素子１００から出射されるレーザ光を、高い反射率（たとえば９９．５％以上）で反射する全反射ミラーである。出力ミラー１３は、面発光レーザ素子１００から出射されるレーザ光の２％〜４％程度を透過させ、残りを反射するミラーである。ミラー１２および出力ミラー１３には、公知の誘電体多層膜ミラーを適用できる。
【００２６】
面発光レーザ素子１００は、発振波長λが約９８０ｎｍの外部共振器型の面発光レーザ（Vertical External Cavity Surface Emitting Laser：ＶＥＣＳＥＬ）である。面発光レーザ素子１００の一例の断面図を図２に示す。
【００２７】
面発光レーザ素子１００は、冷却のためのヒートシンク１０１と、ヒートシンク１０１上に配置された半導体多層膜１１０を含む。半導体多層膜１１０は、ヒートシンク１０１側から順に積層されたミラー層１１４、利得領域層１１３および窓層１１２を備える。
【００２８】
窓層１１２は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（厚さ約０．４μｍ）からなる。窓層１１２は、励起用レーザ素子１１から出射されるポンプ光の反射率ができるだけ低いことが好ましい。そのため、窓層１１２の表面には、ＡＲコーティングを施すことが好ましい。
【００２９】
利得領域層１１３は、窓層１１２に隣接するＡｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ吸収層（厚さ：λ）を含み、さらにその層からミラー層１１４側に向かって、Ｉｎ0.16Ｇａ0.84Ａｓ歪み量子井戸層（厚さ：８ｎｍ）、ＧａＡｓ0.90Ｐ0.10歪み補償層（厚さ：２５．７ｎｍ）、Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ吸収層（厚さ：λ／２）の３層をこの順序で１４回繰り返し積層した構造を有する。すなわち、利得領域層１１３は、合計で４３層の半導体層からなる。
【００３０】
ミラー層１１４は、１６層のＡｌ0.87Ｇａ0.13Ａｓ層（厚さ：λ／４）と１５層のＧａＡｓ層（厚さ：λ／４）とを、Ａｌ0.87Ｇａ0.13Ａｓ層とＧａＡｓ層とが交互に配置されるように積層した構造を有する。
【００３１】
面発光レーザ素子１００の半導体多層膜１１０は、たとえば、単結晶ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓバッファ層、窓層１１２、利得領域層１１３およびミラー層１１４を順にエピタキシャル成長させることによって形成できる。その後、ミラー層１１４側をヒートシンク１０１に貼り付けたのち、ＧａＡｓ基板とバッファ層とをエッチングで除去する。このようにして、面発光レーザ素子１００を形成できる。
【００３２】
励起用レーザ素子１１から出射されたレーザ光（ポンプ光）は、窓層１１２を通って利得領域層１１３のＡｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓ吸収層で吸収される。その結果、面発光レーザ素子１００が励起される。
【００３３】
図１に示すように、面発光レーザ素子１００とミラー１２と出力ミラー１３とは、ほぼ正三角形の光路２０を構成する。光路２０を伝搬するレーザ光を励起するため、面発光レーザ素子１００のミラー層１１４の表面と、光路２０の三角形の面とがなす角度が直角になるように、面発光レーザ素子１００が配置される。また、面発光レーザ素子１００は、利得領域層１１３がミラー層１１４よりも光路２０側になるように、配置される。
【００３４】
本発明の効果が得られる限り光路２０の長さＬ（三角形状の光路２０の３辺の合計）に限定はないが、たとえば１０ｃｍ〜６０ｃｍ程度（一例では２０ｃｍ〜４０ｃｍ程度）とすることができる。励起用レーザ素子１１から出射されたレーザ光３０によって、面発光レーザ素子１００が励起され、光路２０を時計回りに伝搬する第１のレーザ光３１と、光路２０を反時計回りに伝搬する第２のレーザ光３２とが励起される。
【００３５】
ピンホール１６は、高次横モードの発振を抑制するために、光路２０上に配置されている。ピンホール１６は、たとえば、ビームウェスト近傍、すなわち、光路２０の三角形の辺のうち面発光レーザ素子１００に対向する辺（ミラー１２と出力ミラー１３とを結ぶ辺）の中央付近に配置される。
【００３６】
レーザ光３１の一部とレーザ光３２の一部とは、出力ミラー１３を透過してプリズム１４に入射する。これら２つのレーザ光は、プリズム１４で重ね合わされて光検出器１５に入射する。光検出器１５は、２つの受光素子１５ａおよび１５ｂを含み、レーザ光３１とレーザ光３２とによって形成された干渉縞の移動方向および移動速度を検出する。そして、光検出器１５の出力から、ジャイロ１０の回転方向および回転速度が算出される。
【００３７】
なお、同じ光路を逆方向に周回する２つのレーザ光の干渉縞を観測する本発明のジャイロの原理は、希ガスレーザを用いた従来のジャイロと同じである。そのため、干渉縞のモニタの方法や、光検出器からの出力の処理方法には、従来の技術を適用することが可能である。
【００３８】
図１に示したジャイロ１０では、窓層１１２側からポンプ光を入射しているが、本発明の効果が得られる限り、ポンプ光をミラー層１１４側から入射してもよい。その場合には、第１および第２のレーザ光のほとんどを反射するがポンプ光の少なくとも一部を透過させるようなミラー層１１４が用いられる。
【００３９】
本発明のリングレーザジャイロでは、共振器長に比べて半導体領域の長さを極めて短くできる。そのため、本発明のジャイロでは、自由キャリア吸収による内部損失を低減できるという効果と、レーザ媒質と光との相互作用長を短くできるという効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
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、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明のジャイロは、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。また、本発明のジャイロは超小型で取り扱いが容易であるという利点を生かし、携帯電話や小型のパーソナルコンピュータといった携帯情報端末、玩具、カメラなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のリングレーザジャイロの一例の構成を示す模式図である。
【図２】本発明で用いられる面発光レーザ素子の一例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ジャイロ
１１  励起用レーザ素子
１２  ミラー
１３  出力ミラー
１４  プリズム
１５  光検出器
１５ａ、１５ｂ  受光素子
１６  ピンホール
２０  光路
３０  レーザ光
３１  第１のレーザ光
３２  第２のレーザ光
１００  面発光レーザ素子
１０１  ヒートシンク
１１０  半導体多層膜
１１２  窓層
１１３  利得領域層
１１４  ミラー層
【図１】
2007271354.tif 000003
【図２】
2007271354.tif 000004