光ジャイロおよびそれを用いたジャイロシステム
【課題】時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを提供する。
【解決手段】半導体光アンプ１は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを発振するとともに、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅し、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２中へ放射する。結合器３は、光ファイバ２中のレーザ光ＣＷを光ファイバ４中へ９９％：１％の割合で分岐させる。光検出器５は、光ファイバ４中のレーザ光ＣＷの光強度を検出し、その検出した光強度をスペクトルアナライザ６へ出力する。スペクトルアナライザ６は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの重ね合わせ光を２乗検波して得られるビート信号の周波数に相当する光強度の変化周波数を検出し、その検出した変化周波数を検出器７へ出力する。検出器７は、変化周波数に対応する回転角速度を検出する。
【解決手段】半導体光アンプ１は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを発振するとともに、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅し、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２中へ放射する。結合器３は、光ファイバ２中のレーザ光ＣＷを光ファイバ４中へ９９％：１％の割合で分岐させる。光検出器５は、光ファイバ４中のレーザ光ＣＷの光強度を検出し、その検出した光強度をスペクトルアナライザ６へ出力する。スペクトルアナライザ６は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの重ね合わせ光を２乗検波して得られるビート信号の周波数に相当する光強度の変化周波数を検出し、その検出した変化周波数を検出器７へ出力する。検出器７は、変化周波数に対応する回転角速度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転体の回転角速度を検出可能な光ジャイロおよびそれを用いたジャイロシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは、慣性空間に対する回転を測ることができるセンサであり、絶対回転を測定可能なセンサである。そして、このようなジャイロとして、機械式ジャイロと光ジャイロとがある。
【０００３】
機械式ジャイロは、回転体の回転軸が慣性空間に対して常に一定方向を向き続ける性質を用いたジャイロである。しかし、機械式ジャイロは、保守が必要であり、高価であり、振動および加速度に弱い等の理由によって、その適用範囲は、航空機、船舶、ロケットおよび人工衛星等に制限されている。
【０００４】
これに対し、最近、サニャック効果を用いた光ジャイロが実用化されている。この光ジャイロは、時計回りの光と反時計回りの光とを光路中で伝搬させ、回転体が回転したことに起因して生じる２つの光（時計回りの光および反時計回りの光）の周波数差が回転角速度に比例することを利用したジャイロである。
【０００５】
そして、光ジャイロは、光ファイバジャイロおよびリングレーザジャイロに大別され、光ファイバジャイロには、干渉式光ファイバジャイロ、共振方式光ファイバジャイロおよびブリルアン光ファイバジャイロの３種類がある（非特許文献１）。
【非特許文献１】保立 和夫，“光ファイバジャイロの実用化と次世代技術の展開”，レーザー研究，第２６巻第４号，１９９８年４月，ｐ２９７−３０３．
【非特許文献２】L. N. Menegozzi and W. E. Lamb, Jr. Phys. Rev. A, 8, 2103, (1971).
【非特許文献３】E. Landau and E. Lifshits, The Classical Theory of Fields, 2nd ed. (Addison-Wesley, Reading, Mass., 1962)
【非特許文献４】Ｐ．メスター，Ｍ．サージェントＩＩＩ著，“量子光学の基礎”，シュプリンガーフェアラーク東京株式会社（１９９５）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の光ジャイロにおいては、光ファイバ中を時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光との重ね合わせ光を検出しなければ、回転速度を検出できないという問題があった。
【０００７】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを提供することである。
【０００８】
また、この発明の別の目的は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを備えたジャイロシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、光ジャイロは、リングレーザと、検出手段とを備える。リングレーザは、第１および第２のレーザ光を発振し、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅するとともに、第１のレーザ光を時計回りに回転させ、第２のレーザ光を反時計回りに回転させる。検出手段は、リングレーザが所定の平面内で回転しているときにリングレーザ中を伝搬する第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいてリングレーザの回転角速度を検出する。
【００１０】
好ましくは、リングレーザは、半導体光アンプと、導波路とを含む。半導体光アンプは、第１の端面と、第１の端面に対向する第２の端面とを有するとともに、第１および第２のレーザ光を発振して第１および第２の端面からそれぞれ第１および第２のレーザ光を出射する。導波路は、半導体光アンプから出射された第１および第２のレーザ光を伝搬させる。また、導波路は、第１の端面から出射された第１のレーザ光を時計回りに回転させて第２の端面から半導体光アンプに導くとともに、第２の端面から出射された第２のレーザ光を反時計回りに回転させて第１の端面から半導体光アンプへ導く。
【００１１】
好ましくは、導波路は、光ファイバからなる。
【００１２】
好ましくは、導波路は、第１および第２の光ファイバと、結合器とを含む。第１の光ファイバは、第１のレーザ光を時計回りに回転させ、第２のレーザ光を反時計回りに回転させる。結合器は、第１の光ファイバ中の第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の一部を第２の光ファイバへ導く。そして、検出手段は、第２の光ファイバ中のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて、リングレーザの回転角速度を検出する。
【００１３】
また、この発明によれば、光ジャイロは、活性化領域と、パッシブ領域と、検出手段とを備える。活性化領域は、第１および第２のレーザ光を発振するとともに、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅する。パッシブ領域は、第１のレーザ光を時計回りに回転させ、第２のレーザ光を反時計回りに回転させる。検出手段は、活性化領域およびパッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに活性化領域からパッシブ領域中へ出射された第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて活性化領域およびパッシブ領域の回転角速度を検出する。
【００１４】
好ましくは、活性化領域は、半導体光アンプからなり、パッシブ領域は、半導体光アンプの両端に連結された半導体導波路からなる。
【００１５】
好ましくは、活性化領域およびパッシブ領域は、同じ半導体基板上に形成される。
【００１６】
更に、この発明によれば、ジャイロシステムは、光ジャイロと、送信装置と、受信装置とを備える。光ジャイロは、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光ジャイロである。送信装置は、検出手段によって検出された回転角速度を無線信号に変換して送信する。受信装置は、送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して回転角速度を取得する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明による光ジャイロにおいては、レーザ光源によって発振された時計回りに伝搬する第１のレーザ光と反時計回りに伝搬する第２のレーザ光とを重ね合わせる前の第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度は、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを重ね合わせたときのビート信号の周波数によって変化する。そうすると、この第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度が変化する周波数を検出すれば、ビート信号の周波数を検出したことになる。そして、第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度の変化周波数と回転角速度との間には、比例関係が成り立つ。その結果、第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度の変化周波数が検出されれば、その検出した変化周波数に対応する回転角速度が検出される。
【００１８】
従って、この発明によれば、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光と重ね合わせなくても回転速度を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による光ジャイロの構成を示す概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による光ジャイロ１０は、半導体光アンプ（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１と、光ファイバ２，４と、結合器３と、光検出器５と、スペクトルアナライザ６と、検出器７とを備える。
【００２１】
半導体光アンプ１は、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層を有する。そして、半導体光アンプ１は、例えば、１５７９ｎｍの波長を有するレーザ光を発振するとともに、その発振したレーザ光を時計回りのレーザ光ＣＷと反時計回りのレーザ光ＣＣＷとしてそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２中へ出射する。また、半導体光アンプ１は、光ファイバ２中を１周したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅し、その増幅したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２へ出射する。
【００２２】
光ファイバ２は、半導体光アンプ１の両端にループ状に連結され、例えば、３．０１９ｍの長さおよび１．４４８の屈折率（コアの屈折率）を有する。そして、光ファイバ２は、半導体光アンプ１の端面１Ａから出射されたレーザ光ＣＷを時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光ＣＷを端面１Ｂから半導体光アンプ１中へ導くとともに、半導体光アンプ１の端面１Ｂから出射されたレーザ光ＣＣＷを反時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光ＣＣＷを端面１Ａから半導体光アンプ１中へ導く。
【００２３】
結合器３は、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷが９９％であり、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＷが１％となるように、光ファイバ２を光ファイバ４と結合する。
【００２４】
光ファイバ４は、結合器３によって光ファイバ２と結合され、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＷを光検出器５に導く。
【００２５】
光検出器５は、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＷの光強度を検出し、その検出した光強度をスペクトルアナライザ６へ出力する。
【００２６】
スペクトルアナライザ６は、光検出器５によって検出された光強度が変化する周波数Δνを検出し、その検出した周波数Δνを検出器７へ出力する。
【００２７】
検出器７は、スペクトルアナライザ６から周波数Δνを受け、その受けた周波数Δνに基づいて、後述する方法によって、回転体の回転角速度を検出する。
【００２８】
なお、半導体光アンプ１は、光ファイバ２が両端に接続されることによって時計回りに回転するレーザ光ＣＷと反時計回りに回転するレーザ光ＣＣＷとを発振および増幅可能であるため、半導体光アンプ１および光ファイバ２は、リング共振器型のリングレーザを構成する。即ち、半導体光アンプ１および光ファイバ２からなるリングレーザは、活性化領域（半導体光アンプ１）とパッシブ領域（光ファイバ２）とからなるレーザである。
【００２９】
光ジャイロ１０における周波数Δνと回転角速度との関係を調べる実験を行なう場合、光ジャイロ１０は、テーブル２０上に載せられる。そして、テーブル２０は、サーボ機構３０によって各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転される。コントローラ４０は、テーブル２０を各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転させるようにサーボ機構３０を制御する。
【００３０】
図２は、図１に示す半導体光アンプ１の平面図である。図２を参照して、半導体光アンプ１は、活性層１１と、光閉込層１２，１３と、反射防止膜１４，１５とを含む。活性層１１は、光閉込層１２，１３によって挟まれ、端面１Ａ，１Ｂと斜めに接する。
【００３１】
光閉込層１２，１３は、バリア層およびクラッド層等からなり、活性層１１に接して活性層１１の両側に設けられる。反射防止膜１４，１５は、それぞれ、端面１Ａ，１Ｂに接して形成される。
【００３２】
図２に示すように、活性層１１が端面１Ａ，１Ｂに対して斜めに配置された構造は、活性層１１および光閉込層１２，１３等を積層した積層体を形成し、その形成した積層体を活性層１１が斜めに配置されるようにカッティングすることによって作製される。
【００３３】
電流を活性層１１に注入してレーザ発振させると、レーザ光は、光閉込層１２，１３によって閉じ込められ、活性層１１を端面１Ａ，１Ｂ方向へ伝搬する。そして、レーザ光は、レーザ光ＣＷとして端面１Ａから出射するとともに、レーザ光ＣＣＷとして端面１Ｂから出射する。
【００３４】
レーザ光ＣＷは、光ファイバ２中を時計回りに１周して反射防止膜１５を介して端面１Ｂから活性層１１中へ導入される。そして、活性層１１中へ導入されたレーザ光ＣＷは、誘導放出によって増幅され、再び、端面１Ａから出射される。
【００３５】
また、レーザＣＣＷは、光ファイバ２中を反時計回りに１周して反射防止膜１４を介して端面１Ａから活性層１１中へ導入される。そして、活性層１１中へ導入されたレーザ光ＣＣＷは、誘導放出によって増幅され、再び、端面１Ｂから出射される。
【００３６】
このように、半導体光アンプ１は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを発振して光ファイバ２中へ出射するとともに、光ファイバ２中を伝搬したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅して、再び、光ファイバ２中へ出射する。
【００３７】
従って、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、端面１Ａ，１Ｂを何回も通過する必要があり、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの強度を保持するために端面１Ａ，１Ｂにおけるレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの反射率は、１０−５以下に設定されている。また、半導体光アンプ１内における多重反射を防止する必要があるために端面１Ａ，１Ｂにおけるレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの反射率は、１０−５以下に設定されている。
【００３８】
このように、端面１Ａ，１Ｂにおける反射率を低く抑えるために、活性層１１を端面１Ａ，１Ｂに対して斜めに配置するとともに、端面１Ａ，１Ｂに反射防止膜１４，１５を形成する。
【００３９】
なお、光ファイバ２は、活性層１１からのレーザ光ＣＷ，ＣＣＷがコアに入射するように、半導体光アンプ１の反射防止膜１４，１５に連結される。
【００４０】
図３は、図１に示す結合器３の構成を示す概略図である。図３を参照して、結合器３は、ガイド３１，３２を有する。ガイド３１，３２は、相互に接した２つの光ファイバを挟み込むことにより、２つの光ファイバを結合する。
【００４１】
光ファイバ４を光ファイバ２に結合する場合、光ファイバ４を光ファイバ２に接するようにガイド３１，３２間に配置する。この場合、光ファイバ２のコア２１は、光ファイバ４のコア４１に近接して配置される。なお、光ファイバ４の一方端は、ターミネーター４２によって終端されている。
【００４２】
光ファイバ２中を時計回りに伝搬するレーザ光ＣＷは、コア２１とコア４１との近接部において１％がコア２１からコア４１へ漏れる。そして、コア４１へ漏れた１％のレーザ光ＣＷは、光ファイバ４中を伝搬する。
【００４３】
このように、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＷは、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部（１％）である。
【００４４】
光ジャイロ１０においては、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを重ね合わせずにレーザ光ＣＷの光強度が変化する周波数Δνを検出して回転角速度を検出する。即ち、光ジャイロ１０は、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを合波する合波素子を用いないでサニャックビート信号の周波数を検出して回転角速度を検出する。
【００４５】
そこで、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを合波する合波素子を用いないでサニャックビート信号の周波数Δνを検出する方法について説明する。
【００４６】
この方法は、半導体の相互利得飽和（四光波混）の効果を利用することにより、片方回転の光強度の振動周波数からサニャックビート信号の周波数Δνを観測するものである。
【００４７】
光強度がサニャックビート信号の周波数Δνで振動する原理は、レーザ物理の分野でよく用いられているマクスウェル−ブロッホ（Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ）方程式によって説明することができる。ここで、リングレーザがパッシブな導波路とアクティブな導波路とから構成されていることのみを仮定する。例えば、光ジャイロ１０においては、パッシブな導波路が光ファイバ２であり、アクティブな導波路が半導体光アンプ１である。
【００４８】
回転角速度Ωで回転するリンクレーザにおけるレーザ光は、回転座標系において導出されたＭａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ方程式により記述することができる。Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ方程式は、レーザ光の状態を記述する一般的な方程式としてよく知られている（非特許文献２〜４）。
【００４９】
光が光ファイバおよび半導体光増幅器により１次元的に閉じ込められていると仮定することにより、次式のＭａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ方程式が得られる。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ｓは、リング導波路に沿った座標系であり、ｎ（ｓ），ＲおよびΩは、それぞれ、リング共振器の屈折率、半径および回転角速度である。β（ｓ）は、リング共振器の損失を表す。式（１）の右辺の最後の項は、分極に対応し、Ｎ（ｓ）、κおよびρ（ｓ）は、それぞれ、キャリア密度、結合定数およびマクロな分極項である。Ｎ（ｓ）は、半導体増幅器内部でのみ０でない定数とする。レーザ媒質である半導体は、次の式（２），（３）のＢｌｏｃｈ方程式によって記述される。
【００５２】
【数２】
【００５３】
【数３】
【００５４】
ここで、Ｗは、分布反転を表し、γ⊥およびγ／／は、それぞれ、横の緩和定数および縦の緩和定数である。
【００５５】
電場Ｅ（ｓ，ｔ）および分極ρ（ｓ，ｔ）は、次式のように、回転するリング共振器の固有モードＵｊ（ｓ）により構成される。
【００５６】
【数４】
【００５７】
ここで、νｊは、モードｊの共振周波数である。
【００５８】
サニャック効果が生じることを説明するためには、回転角速度が０である時に近縮退状態にあった２つの固有モードの存在を考慮するだけで十分である。従って、電場Ｅ（ｓ，ｔ）および分極ρ（ｓ，ｔ）をそれら２モード（ｊ＝１，２）によってのみ構成されていることを仮定すると、次の式（５），（６）のように展開される。
【００５９】
【数５】
【００６０】
【数６】
【００６１】
ここで、Ｅｊおよびψｊは、それぞれ、ｊで示されるモードの振幅および位相である。ν０は、νｊ（ｊ＝１，２）に近い任意の周波数とする（ν０〜ν１〜ν２）。式（５）および式（６）を式（１）に代入することにより、各モードの時間発展方程式を得ることができる。
【００６２】
半導体レーザは、クラスＢ（γ⊥＞＞γ／／，＜β＞）に属する媒質である。そのため、分極に対する方程式は、摂動論により、次式によって表される。
【００６３】
【数７】
【００６４】
従って、分布反転に対する方程式は、次式のようになる（非特許文献４）。
【００６５】
【数８】
【００６６】
パッシブな導波路（光ファイバ）の長さＬがアクティブな導波路の長さｌよりも十分に長い時（Ｌ＞＞ｌ）、実効的な光の損失は、パッシブな導波路における損失βｐによって決定される。つまり、＜β＞は、＜β＞〜βｐである。従って、γ／／＞＞βｐの特徴があれば、クラスＡにおける特徴を持つことができる（半導体光アンプ１および光ファイバ２からなるリング共振器型のリングレーザは、この条件を満たす）。
【００６７】
例えば、βｐ〜１０３（ｓ−１）（光ファイバ）、βａ〜１０９−１０１１（ｓ−１）（半導体増幅器）およびγ／／〜１０９（ｓ−１）（半導体）の場合でも、半導体光アンプ１のようにＬ（〜１−１０ｍ）＞＞ｌ（〜１ｍｍ）であれば、＜β＞〜βｐ＜＜γ／／の条件を満たすことができるため、クラスＡレーザの特徴を持つ。従って、分布反転は、光の状態が定常に緩和する十分前に、ある収束した状態を取ることができる。よく使用されている摂動論によれば、分布反転は、次式のようになる。
【００６８】
【数９】
【００６９】
よって、式（９）を式（７）に代入し、次の式（１０）の関係式を用いることによって、モードｊ＝１，２に対する分極を式（１１）のように求めることができる。
【００７０】
【数１０】
【００７１】
【数１１】
【００７２】
次に、式（５）と式（６）とを式（１）に代入すると、次の式を得ることができる。
【００７３】
【数１２】
【００７４】
【数１３】
【００７５】
【数１４】
【００７６】
ここで、Ψ＝ψ１−ψ２（位相差）である。Δν＝ν１―ν２である。即ち、このΔνが、サニャックビート信号の周波数である。
【００７７】
式（１２）〜（１４）における係数は、次式のように記述される。
【００７８】
【数１５】
【００７９】
【数１６】
【００８０】
【数１７】
【００８１】
【数１８】
【００８２】
【数１９】
【００８３】
【数２０】
【００８４】
【数２１】
【００８５】
位相差Φが条件Φ＞＞｜Ｆ（Φ）｜を満たさない場合、よく知られているようにロックイン現象が生じてしまい、ｄΦ／ｄｔ＝０となる。しかし、この条件を満足する場合には、Φ（ｔ）＝Δνｔとなる。この場合において、式（１２）および式（１３）で示すように、各モードの振幅Ｅ１，Ｅ２は、変調項を通して周波数Δνで振動することになる。特に、Ｅ１＝Ｅ２＝tの場合、つまり、利得中心にあるモードに対しては、次式が成立する。
【００８６】
【数２２】
【００８７】
ここで、ａ＝（α０−β）、ｂ＝ｓ＋２ｃ、ｄ＝４｜Θ｜，ｅ＝｜ξ｜、ｔａｎδｋ＝−Δν／２ａ、ｔａｎδｌ＝−Δν／ａである。
【００８８】
時計回り（ＣＷ）の回転波の振幅ＥＣＷと反時計回り（ＣＣＷ）の回転波の振幅ＥＣＣＷとは、次式によって得られる。
【００８９】
【数２３】
【００９０】
従って、式（２２）を式（５）に代入して式（２３）を計算することによって、ＣＷ方向とＣＣＷ方向との回転波の振幅ＩＣＷ（ＣＣＷ）を次式のように得ることができる。
【００９１】
【数２４】
【００９２】
式（２４）の右辺の括弧内は、定数であり、Ｅ２（ｔ）は、式（２２）から明らかなように、サニャックビート信号の周波数Δνによって変化するので、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷの振幅ＩＣＷ（ＣＣＷ）（＝光強度）は、サニャックビート信号の周波数Δνによって変化する。
【００９３】
従って、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを合波しなくても、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方の振幅ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）を観測することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出することができる。
【００９４】
このような検出が可能な理由は、式（１２）および式（１３）の振幅変調項が存在するからである。この項は、パッシブな領域の長さＬとアクティブな領域の長さｌとの比Ｌ／ｌに比例した値を持つ。従って、この振幅変調項は、リングレーザがアクティブな媒質のみによって構成されている場合には消え、サニャックビート信号の周波数Δνによる振幅変調は生じない。リンクレーザがパッシブな領域とアクティブな領域とから構成されていることが、サニャックビート信号の周波数Δνによる振幅変調項を生じさせる重要な要因である。
【００９５】
以上より、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方の振幅ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）を観測し、式（２２）および式（２４）を用いてΔνを計算することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出できる。
【００９６】
従って、スペクトルアナライザ６は、光検出器５からレーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方のレーザ光の光強度ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）を受け、その受けた光強度ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）に基づいて、式（２２）および式（２４）を用いて周波数Δνを計算することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出する。
【００９７】
光ジャイロ１０をテーブル２０上に載せ、サーボ機構３０およびコントローラ４０によってテーブル２０の回転角速度を変化させてレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせないときのレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷに基づいてビート信号の周波数Δνを検出した実験結果について説明する。なお、実験においては、しきい値電流の１．０３倍の電流（６２．５ｍＡ）を注入して半導体光アンプ１を発振させ、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを生成した。
【００９８】
図４は、ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図であり、図５は、ビート信号の周波数と回転角速度との関係を示す図である。
【００９９】
図４において、横軸は、ビート信号の周波数を表し、縦軸は、ビート信号のパワーを表す。なお、図４は、光ジャイロ１０を２７０度／ｓの回転角速度で回転させたときのビート信号のパワーと周波数との関係を示す。また、図５において、横軸は、回転角速度を表し、縦軸は、ビート信号の周波数およびパワーを表す。
【０１００】
図４を参照して、２７０度／ｓの回転角速度においてビート信号のピーク値が観測された。
【０１０１】
従って、光ジャイロ１０においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせないときのビート信号を観測できることが解った。
【０１０２】
図５を参照して、直線ｋ１は、周波数と回転角速度との関係を示す。ビート信号の周波数は、回転角速度に対して直線的に変化する。より具体的には、ビート信号の周波数は、回転角速度が負である領域においては、回転角速度に対して直線的に低下し、回転角速度が正である領域においては、回転角速度に対して直線的に高くなる（直線ｋ１参照）。そして、直線ｋ１における比例係数（スケールファクター）は、３．９５８８（ｋＨｚ・ｓｅｃ／ｄｅｇ）である。
【０１０３】
従って、ビート信号の周波数Δνを検出することによって回転角速度を検出できる。なお、直線ｋ１においては、−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋８０ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においてビート信号の周波数が観測されていないが、これは、１／（Δν）雑音に埋もれているためである。
【０１０４】
ビート信号の周波数Δνは、理論的にΔν＝（４Ａ／（ｎλＰ））Ωによって表される。
【０１０５】
但し、Ａは、光ファイバ２によって囲まれる領域の面積であり、ｎは、光ファイバ２の屈折率であり、λは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの波長であり、Ｐは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷのパス長であり、Ωは、回転角速度である。
【０１０６】
そして、図４および図５に示す実験においては、Ａ＝０．３９９８ｍ２、ｎ＝１．４４８、λ＝１５７８．０ｎｍ、およびＰ＝３．０１９ｍに設定された。これらの値を式Δν＝（４Ａ／（ｎλＰ））Ωに代入して比例係数を計算すると、４．０４５（ｋＨｚ・ｓｅｃ／ｄｅｇ）の比例係数が得られる。
【０１０７】
従って、実験的に得られた比例係数（３．９５８）と、理論的に得られた比例係数４．０４５との誤差は、２．２％であり、光ジャイロ１０は、サニャック効果を利用した光ジャイロであることが解った。
【０１０８】
検出器７は、スペクトルアナライザ６からビート信号の周波数Δνを受けると、その受けたビート信号の周波数Δνに対応する回転角速度を直線ｋ１を参照して検出する。これによって、光ジャイロ１０において、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを重ね合わせなくても回転角速度を検出できる。
【０１０９】
図６は、実施の形態１による他の光ジャイロの構成を示す概略図である。実施の形態１による光ジャイロは、図６に示す光ジャイロ１０Ａであってもよい。光ジャイロ１０Ａは、図１に示す光ジャイロ１０の結合器３を結合器８に代え、光ファイバ４を光ファイバ９に代えたものであり、その他は、光ジャイロ１０と同じである。
【０１１０】
結合器８は、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＣＷが９９％であり、光ファイバ９中を伝搬するレーザ光ＣＣＷが１％となるように、光ファイバ２を光ファイバ９と結合する。
【０１１１】
光ファイバ９は、結合器８によって光ファイバ２と結合され、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＣＷを光検出器５に導く。
【０１１２】
図７は、図６に示す結合器８の構成を示す概略図である。図７を参照して、結合器８は、ガイド８１，８２を有する。ガイド８１，８２は、相互に接した２つの光ファイバを挟み込むことにより、２つの光ファイバを結合する。
【０１１３】
光ファイバ９を光ファイバ２に結合する場合、光ファイバ９を光ファイバ２に接するようにガイド８１，８２間に配置する。この場合、光ファイバ２のコア２１は、光ファイバ９のコア９１に近接して配置される。なお、光ファイバ９の一方端は、ターミネーター９２によって終端されている。
【０１１４】
光ファイバ２中を反時計回りに伝搬するレーザ光ＣＣＷは、コア２１とコア９１との近接部において１％がコア２１からコア９１へ漏れる。そして、コア９１へ漏れた１％のレーザ光ＣＣＷは、光ファイバ９中を伝搬する。
【０１１５】
このように、光ファイバ９中を伝搬するレーザ光ＣＣＷは、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの一部（１％）である。
【０１１６】
光ジャイロ１０Ａにおいても、ビート信号の周波数Δνと回転角速度との関係は、図５に示す直線ｋ１によって表される。そして、光ジャイロ１０Ａにおいては、光検出器５は、光ファイバ９中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの光強度ＩＣＣＷを検出し、その検出した光強度ＩＣＣＷをスペクトルアナライザ６へ出力する。そして、スペクトルアナライザ６は、光検出器５から受けた光強度ＩＣＣＷに基づいて、式（２２）および式（２４）を用いてサニャックビート信号の周波数Δνを検出し、その検出した周波数Δνを検出器７へ出力する。検出器７は、スペクトルアナライザ６から周波数Δνを受け、その受けた周波数Δνに対応する回転角速度を直線ｋ１を参照して検出する。これによって、光ジャイロ１０Ａにおいて、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを重ね合わせなくても回転角速度が検出される。
【０１１７】
図８は、図１に示す光ジャイロ１０を用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。図８を参照して、ジャイロシステム１００は、光検出器７に代えて無線装置６０を用いて光ジャイロ１０を構成し、その構成した光ジャイロ１０にリモートコントローラ７０を追加した構成からなる。
【０１１８】
無線装置６０は、デジタイザ６１、コントローラ６２およびアンテナ６３からなる。また、リモートコントローラ７０は、パーソナルコンピュータ７１と、アンテナ７２とからなる。
【０１１９】
デジタイザ６１は、スペクトルアナライザ６からビート信号の周波数Δνを受け、その受けたビート信号の周波数Δνをコントローラ６２へ出力する。コントローラ６２は、ビート信号の周波数Δνに基づいて、上述した方法によって回転角速度を検出する。そして、コントローラ６２は、その検出した回転角速度を所定の方式に変調してアンテナ６３を介して送信する。
【０１２０】
アンテナ７２は、無線装置６０からの電波を受信し、その受信した電波をパーソナルコンピュータ７１へ出力する。パーソナルコンピュータ７１は、アンテナ７２からの電波を復調等して光ジャイロ１０において検出された回転角速度を得る。
【０１２１】
このように、ジャイロシステム１００においては、光ジャイロ１０は、検出した回転角速度を無線信号によって送信する無線装置６０と、無線装置６０からの電波を受信し、光ジャイロ１０で検出された回転角速度を取得するリモートコントローラ７０とを備えるので、光ジャイロ１０がテーブル２０上で高速に回転しても、光ジャイロ１０によって検出された回転角速度を静止しているリモートコントローラ７０において取得できる。
【０１２２】
なお、ジャイロシステム１００においては、光ジャイロ１０に代えて光ジャイロ１０Ａが用いられてもよい。
【０１２３】
また、上記においては、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷ（またはレーザ光ＣＣＷ）の１％が光ファイバ４（または光ファイバ９）へ漏れると説明したが、この発明においては、これに限らず、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷ（またはレーザ光ＣＣＷ）の１％〜１０％が光ファイバ４（または光ファイバ９）へ漏れるようにしてもよい。
【０１２４】
［実施の形態２］
図９は、実施の形態２による光ジャイロの構成を示す概略図である。実施の形態２による光ジャイロ１０Ｂは、図１に示す光ジャイロ１０の半導体光アンプ１、光ファイバ２，４、結合器３および光検出器５を半導体素子１１０に代えたものであり、その他は、光ジャイロ１０と同じである。
【０１２５】
半導体素子１１０は、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷを発振し、その発振したレーザ光ＣＷを時計回りに伝搬させ、発振したレーザ光ＣＣＷを反時計回りに伝搬させるとともに、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方のレーザ光の光強度を検出してスペクトルアナライザ６へ出力する。
【０１２６】
図１０は、図９に示す半導体素子１１０の斜視図である。半導体素子１１０は、基板１１１と、半導体光アンプ１１２と、半導体導波路１１３，１１４と、光検出器１１５とを含む。そして、半導体導波路１１４は、その一方端がターミネーター１１４１によって終端されている。
【０１２７】
基板１１１は、例えば、ｎ型ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる。半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４および光検出器１１５は、基板１１１上に形成される。
【０１２８】
半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３の円周の一部に設けられる。半導体導波路１１３は、概略的に略円形形状を有し、断面形状が四角形である。そして、半導体導波路１１３は、半導体光アンプ１１２の両端に接する。半導体導波路１１４は、概略的に円弧の形状を有し、断面形状が四角形である。そして、半導体導波路１１４は、半導体導波路１１３に接し、他方端が光検出器１１５に接する。
【０１２９】
光検出器１１５は、基板１１１に垂直な方向に積層されたｐ型ＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓからなる。
【０１３０】
図１１は、図１０に示す半導体光アンプ１１２の断面図である。半導体光アンプ１１２は、クラッド層１１２１，１１２３と、活性層１１２２と、コンタクト層１１２４と、正極電極１１２５と、負極電極１１２６とを含む。
【０１３１】
クラッド層１１２１、活性層１１２２、クラッド層１１２３およびコンタクト層１１２４は、基板１１１上に順次積層される。正極電極１１２５は、コンタクト層１１２４上に形成される。負極電極１１２６は、基板１１１の裏面に形成される。
【０１３２】
クラッド層１１２１は、例えば、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。活性層１１２２は、３層の井戸層２２０と、４層の障壁層２２１とからなる。そして、３層の井戸層２２０および４層の障壁層２２１は、交互に積層される。井戸層２２０は、例えば、ＧａＡｓからなり、障壁層２２１は、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる。即ち、活性層１１２２は、量子井戸構造からなる。
【０１３３】
クラッド層１１２３は、例えば、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。コンタクト層１１２４は、例えば、ｐ型ＧａＡｓからなる。
【０１３４】
半導体光アンプ１１２は、正極電極１１２５および負極電極１１２６から電流が注入されることによって、レーザ発振し、一方の端面１１２Ａからレーザ光ＣＷを出射し、他方の端面１１２Ｂからレーザ光ＣＣＷを出射する。
【０１３５】
図１２は、図１０に示す半導体光アンプ１１２および半導体体導波路１１３の一部の断面図である。半導体導波路１１３は、半導体層１１３１〜１１３３からなる。半導体層１１３１は、例えば、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなり、半導体層１１３２は、例えば、ＧａＡｓからなり、半導体層１１３３は、例えば、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。
【０１３６】
半導体層１１３１は、基板１１１上に形成され、半導体層１１３２は、半導体層１１３１上に形成され、半導体層１１３３は、半導体層１１３２上に形成される。また、半導体層１１３１は、半導体光アンプ１１２のクラッド層１１２１に接して設けられ、半導体層１１３２は、半導体光アンプ１１２の活性層１１２２に接して設けられ、半導体層１１３３は、半導体光アンプ１１２のクラッド層１１２３に接して設けられる。そして、半導体層１１３２は、ｎ１の屈折率を有し、半導体層１１３１，１１３３の各々は、ｎ１よりも小さいｎ２の屈折率を有する。
【０１３７】
半導体光アンプ１１２は、レーザ光を発振し、その発振したレーザ光を端面１１２Ａからレーザ光ＣＷとして半導体導波路１１３中の半導体層１１３２へ出射するとともに、端面１１２Ｂからレーザ光ＣＣＷとして半導体導波路１１３中の半導体層１１３２へ出射する。そうすると、半導体層１１３２の上下には、半導体層１１３２よりも屈折率が小さい半導体層１１３１，１１３３が設けられているため、半導体層１１３２中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、基板１１１に垂直な方向において光学的に閉じ込められる。また、半導体導波路１１３は、基板１１１の面内方向において空気と接するので、半導体層１１３２中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、基板１１１の面内方向においても光学的に閉じ込められる。従って、半導体層１１３２中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、光学的に閉じ込められて半導体導波路１１３中を伝搬する。
【０１３８】
なお、図１０に示す半導体導波路１１４は、図１２に示す半導体導波路１１３と同じ構成からなる。
【０１３９】
図１３は、図９に示す半導体素子１１０の平面図である。半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３の円周の一部に配置され、半導体導波路１１３は、半導体光アンプ１１２の両側の端面１１２Ａ，１１２Ｂに接するように配置される。
【０１４０】
半導体導波路１１４は、その一方端がターミネーター１１４１によって終端されており、半導体導波路１１３に接するとともに、他方端が光検出器１１５に接するように配置される。そして、半導体導波路１１３と半導体導波路１１４との接触部は、半導体導波路１１３中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部を半導体導波路１１４へ導く結合器１１６の機能を果たす。
【０１４１】
半導体光アンプ１１２は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを発振するとともに、その発振したレーザ光ＣＷを端面１１２Ａから半導体導波路１１３中へ出射し、発振したレーザ光ＣＣＷを端面１１２Ｂから半導体導波路１１３中へ出射する。また、半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３中を時計回りに伝搬して端面１１２Ｂから入射されたレーザ光ＣＷを増幅し、その増幅したレーザ光ＣＷを端面１１２Ａから半導体導波路１１３中へ出射する。更に、半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３中を反時計回りに伝搬して端面１１２Ａから入射されたレーザ光ＣＣＷを増幅し、その増幅したレーザ光ＣＣＷを端面１１２Ｂから半導体導波路１１３中へ出射する。
【０１４２】
半導体導波路１１３は、レーザ光ＣＷを時計回りに伝搬し、レーザ光ＣＣＷを反時計回りに伝搬する。
【０１４３】
半導体導波路１１４は、半導体導波路１１３中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部をレーザ光ＣＷとして光検出器１１５へ伝搬する。
【０１４４】
光検出器１１５は、半導体導波路１１４中を伝搬してきたレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷを検出し、その検出し光強度ＩＣＷをスペクトルアナライザ６へ出力する。
なお、半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３が両端に接続されることによって時計回りに回転するレーザ光ＣＷと反時計回りに回転するレーザ光ＣＣＷとを発振および増幅可能であるため、半導体光アンプ１１２および半導体導波路１１３は、リング共振器型のリングレーザを構成する。即ち、半導体光アンプ１１２および半導体導波路１１３からなるリングレーザは、活性化領域（半導体光アンプ１１２）とパッシブ領域（半導体導波路１１３）とからなるレーザである。
【０１４５】
図１４から図１６は、それぞれ、図９に示す半導体素子１１０の製造方法を示す第１から第３の工程図である。また、図１７は、図１４に示す工程（ｃ）および図１６に示す工程（ｉ）における半導体素子１１０の平面図である。
【０１４６】
半導体素子１１０の製造が開始されると、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、半導体層１２１〜１２４が基板１１１上に順次形成される。半導体層１２１は、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなり、半導体層１２２は、ＧａＡｓとＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとを交互に積層した積層構造からなり、半導体層１２３は、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなり、半導体層１２４は、ｐ型ＧａＡｓからなる（図１４の（ａ）参照）。
【０１４７】
その後、レジストが半導体層１２４上に塗布され、その塗布されたレジストをパターンニングしてレジストパターン１２０が半導体層１２４上に形成される（図１４の（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン１２０は、半導体光アンプ１１２が形成される領域のみを覆うパターンである。
【０１４８】
そして、レジストパターン１２０をマスクとして半導体層１２２〜１２４をエッチングし、レジストパターン１２０を除去する。これによって、半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１および光検出器１１５用のｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓが基板１１１上に形成される（図１４の（ｃ）参照）。
【０１４９】
図１４に示す工程（ｃ）が終了した時点においては、半導体光アンプ１１２および半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１が基板１１１上に形成されている（図１７の（ａ）参照）。
【０１５０】
図１４に示す工程（ｃ）の後、ＧａＡｓからなる半導体層１３０が基板１１１の全面にＭＯＣＶＤ法によって形成される（図１５の（ｄ）参照）。この場合、半導体層１３０の膜厚は、活性層１１２２の厚さと略同じである。
【０１５１】
引き続いて、半導体導波路１１３，１１４および光検出器１１５が形成される領域の半導体層１３０の表面に、レジストパターン１４０が形成される（図１５の（ｅ）参照）。
【０１５２】
そして、レジストパターン１４０をマスクとして半導体層１３０をエッチングし、レジストパターン１４０を除去する。その結果、半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１，１１３２および光検出器１１５用のｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓが基板１１１上に形成される（図１５の（ｆ）参照）。
【０１５３】
その後、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる半導体層１５０が基板１１１の全面にＭＯＣＶＤ法によって形成される（図１６の（ｇ）参照）。この場合、半導体層１５０の膜厚は、クラッド層１１２３の厚さと略同じである。
【０１５４】
引き続いて、半導体導波路１１３，１１４および光検出器１１５が形成される領域の半導体層１５０の表面に、レジストパターン１６０が形成される（図１６の（ｈ）参照）。
【０１５５】
そして、レジストパターン１６０をマスクとして半導体層１５０をエッチングし、レジストパターン１６０を除去する。その結果、半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１〜１１３３および光検出器１１５用のｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓ／ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓが基板１１１上に形成される（図１６の（ｉ）参照）。そして、正極電極１１２５がコンタクト層１１２４上に形成され、負極電極１２６が基板１１１の裏面に形成される（図１６の（ｉ）参照）。これによって、半導体素子１１０が完成する（図１７の（ｂ）参照）。
【０１５６】
半導体素子１１０においては、半導体光アンプ１１２がアクティブな領域であり、半導体導波路１１３，１１４がパッシブな領域である。従って、半導体導波路１１３，１１４中を伝搬するレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷは、上述した式（２４）によって表され、ビート信号の周波数Δνによって変化する。
【０１５７】
その結果、光ジャイロ１０Ｂにおいても、重ね合わせる前のレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷを検出することによって回転角速度を検出できる。
【０１５８】
なお、上記においては、半導体導波路１１３は、略円形形状を有すると説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体導波路１１３は、略三角形、略四角形および略五角形等の多角形の形状を有していてもよい。
【０１５９】
また、半導体素子１１０は、半導体導波路１１３中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの一部を光検出器１１５へ導く半導体導波路を半導体導波路１１４に代えて備えていてもよい。
【０１６０】
更に、この発明によるジャイロシステムは、図９に示す光ジャイロ１０Ｂを備えていてもよい。
【０１６１】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１６２】
上述した実施の形態１においては、半導体光アンプ１と、光ファイバ２，４とを用いた光ジャイロ１０，１０Ａについて説明し、実施の形態２においては、半導体光アンプ１１２と、半導体導波路１１３，１１４とを用いた光ジャイロ１０Ｂについて説明したが、この発明による光ジャイロは、一般的に、レーザＣＷ，ＣＣＷを発振および増幅する活性化領域と、活性化領域からのレーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ時計回りおよび反時計回りに回転させるパッシブ領域と、活性化領域およびパッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに活性化領域からパッシブ領域中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷのいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて活性化領域およびパッシブ領域の回転角速度を検出する検出手段とを備えるものであればよい。
【０１６３】
この発明においては、光ファイバ２，４は、「導波路」を構成し、半導体導波路１１３，１１４は、「導波路」を構成する。
【０１６４】
また、無線装置６０は、「送信装置」を構成する。
【０１６５】
更に、リモートコントローラ７０は、「受信装置」を構成する。
【０１６６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１６７】
この発明は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロに適用される。また、この発明は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを備えたジャイロシステムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】この発明の実施の形態１による光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す半導体光アンプの平面図である。
【図３】図１に示す結合器の構成を示す概略図である。
【図４】ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図である。
【図５】ビート信号の周波数と回転角速度との関係を示す図である。
【図６】実施の形態１による他の光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図７】図６に示す結合器の構成を示す概略図である。
【図８】図１に示す光ジャイロを用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。
【図９】実施の形態２による光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図１０】図９に示す半導体素子の斜視図である。
【図１１】図１０に示す半導体光アンプの断面図である。
【図１２】図１０に示す半導体光アンプおよび半導体体導波路の一部の断面図である。
【図１３】図９に示す半導体素子の平面図である。
【図１４】図９に示す半導体素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図１５】図９に示す半導体素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図１６】図９に示す半導体素子の製造方法を示す第３の工程図である。
【図１７】図１４に示す工程（ｃ）および図１６に示す工程（ｉ）における半導体素子の平面図である。
【符号の説明】
【０１６９】
１，１１２ 半導体光アンプ、１Ａ，１Ｂ，１１２Ａ，１１２Ｂ 端面、２，４ 光ファイバ、３，１１６ 結合器、５，１１５ 光検出器、６ スペクトルアナライザ、７ 検出器、１０，１０Ａ，１０Ｂ 光ジャイロ、１１，１１２２ 活性層、１２，１３ 光閉込層、１４，１５ 反射防止膜、２０ テーブル、２１，４１ コア、３０ サーボ機構、３１，３２ ガイド、４０，６２ コントローラ、４２，９２，１１４１ ターミネーター、６０ 無線装置、６１ デジタイザ、６３，７２ アンテナ、７０ リモートコントローラ、１００ ジャイロシステム、１１０ 半導体素子、１１１ 基板、１１３，１１４ 半導体導波路、１２１〜１２４，１３０，１５０，１１３１〜１１３３ 半導体層、１２０，１４０，１６０ レジストパターン、２２０ 井戸層、２２１ 障壁層、１１２１，１１２３ クラッド層、１１２４ コンタクト層、１１２５ 正極電極、１１２６ 負極電極。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転体の回転角速度を検出可能な光ジャイロおよびそれを用いたジャイロシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは、慣性空間に対する回転を測ることができるセンサであり、絶対回転を測定可能なセンサである。そして、このようなジャイロとして、機械式ジャイロと光ジャイロとがある。
【０００３】
機械式ジャイロは、回転体の回転軸が慣性空間に対して常に一定方向を向き続ける性質を用いたジャイロである。しかし、機械式ジャイロは、保守が必要であり、高価であり、振動および加速度に弱い等の理由によって、その適用範囲は、航空機、船舶、ロケットおよび人工衛星等に制限されている。
【０００４】
これに対し、最近、サニャック効果を用いた光ジャイロが実用化されている。この光ジャイロは、時計回りの光と反時計回りの光とを光路中で伝搬させ、回転体が回転したことに起因して生じる２つの光（時計回りの光および反時計回りの光）の周波数差が回転角速度に比例することを利用したジャイロである。
【０００５】
そして、光ジャイロは、光ファイバジャイロおよびリングレーザジャイロに大別され、光ファイバジャイロには、干渉式光ファイバジャイロ、共振方式光ファイバジャイロおよびブリルアン光ファイバジャイロの３種類がある（非特許文献１）。
【非特許文献１】保立 和夫，“光ファイバジャイロの実用化と次世代技術の展開”，レーザー研究，第２６巻第４号，１９９８年４月，ｐ２９７−３０３．
【非特許文献２】L. N. Menegozzi and W. E. Lamb, Jr. Phys. Rev. A, 8, 2103, (1971).
【非特許文献３】E. Landau and E. Lifshits, The Classical Theory of Fields, 2nd ed. (Addison-Wesley, Reading, Mass., 1962)
【非特許文献４】Ｐ．メスター，Ｍ．サージェントＩＩＩ著，“量子光学の基礎”，シュプリンガーフェアラーク東京株式会社（１９９５）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の光ジャイロにおいては、光ファイバ中を時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光との重ね合わせ光を検出しなければ、回転速度を検出できないという問題があった。
【０００７】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを提供することである。
【０００８】
また、この発明の別の目的は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを備えたジャイロシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、光ジャイロは、リングレーザと、検出手段とを備える。リングレーザは、第１および第２のレーザ光を発振し、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅するとともに、第１のレーザ光を時計回りに回転させ、第２のレーザ光を反時計回りに回転させる。検出手段は、リングレーザが所定の平面内で回転しているときにリングレーザ中を伝搬する第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいてリングレーザの回転角速度を検出する。
【００１０】
好ましくは、リングレーザは、半導体光アンプと、導波路とを含む。半導体光アンプは、第１の端面と、第１の端面に対向する第２の端面とを有するとともに、第１および第２のレーザ光を発振して第１および第２の端面からそれぞれ第１および第２のレーザ光を出射する。導波路は、半導体光アンプから出射された第１および第２のレーザ光を伝搬させる。また、導波路は、第１の端面から出射された第１のレーザ光を時計回りに回転させて第２の端面から半導体光アンプに導くとともに、第２の端面から出射された第２のレーザ光を反時計回りに回転させて第１の端面から半導体光アンプへ導く。
【００１１】
好ましくは、導波路は、光ファイバからなる。
【００１２】
好ましくは、導波路は、第１および第２の光ファイバと、結合器とを含む。第１の光ファイバは、第１のレーザ光を時計回りに回転させ、第２のレーザ光を反時計回りに回転させる。結合器は、第１の光ファイバ中の第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の一部を第２の光ファイバへ導く。そして、検出手段は、第２の光ファイバ中のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて、リングレーザの回転角速度を検出する。
【００１３】
また、この発明によれば、光ジャイロは、活性化領域と、パッシブ領域と、検出手段とを備える。活性化領域は、第１および第２のレーザ光を発振するとともに、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅する。パッシブ領域は、第１のレーザ光を時計回りに回転させ、第２のレーザ光を反時計回りに回転させる。検出手段は、活性化領域およびパッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに活性化領域からパッシブ領域中へ出射された第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて活性化領域およびパッシブ領域の回転角速度を検出する。
【００１４】
好ましくは、活性化領域は、半導体光アンプからなり、パッシブ領域は、半導体光アンプの両端に連結された半導体導波路からなる。
【００１５】
好ましくは、活性化領域およびパッシブ領域は、同じ半導体基板上に形成される。
【００１６】
更に、この発明によれば、ジャイロシステムは、光ジャイロと、送信装置と、受信装置とを備える。光ジャイロは、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光ジャイロである。送信装置は、検出手段によって検出された回転角速度を無線信号に変換して送信する。受信装置は、送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して回転角速度を取得する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明による光ジャイロにおいては、レーザ光源によって発振された時計回りに伝搬する第１のレーザ光と反時計回りに伝搬する第２のレーザ光とを重ね合わせる前の第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度は、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを重ね合わせたときのビート信号の周波数によって変化する。そうすると、この第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度が変化する周波数を検出すれば、ビート信号の周波数を検出したことになる。そして、第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度の変化周波数と回転角速度との間には、比例関係が成り立つ。その結果、第１および第２のレーザ光のいずれか一方の光強度の変化周波数が検出されれば、その検出した変化周波数に対応する回転角速度が検出される。
【００１８】
従って、この発明によれば、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光と重ね合わせなくても回転速度を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による光ジャイロの構成を示す概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による光ジャイロ１０は、半導体光アンプ（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１と、光ファイバ２，４と、結合器３と、光検出器５と、スペクトルアナライザ６と、検出器７とを備える。
【００２１】
半導体光アンプ１は、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層を有する。そして、半導体光アンプ１は、例えば、１５７９ｎｍの波長を有するレーザ光を発振するとともに、その発振したレーザ光を時計回りのレーザ光ＣＷと反時計回りのレーザ光ＣＣＷとしてそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２中へ出射する。また、半導体光アンプ１は、光ファイバ２中を１周したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅し、その増幅したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ端面１Ａ，１Ｂから光ファイバ２へ出射する。
【００２２】
光ファイバ２は、半導体光アンプ１の両端にループ状に連結され、例えば、３．０１９ｍの長さおよび１．４４８の屈折率（コアの屈折率）を有する。そして、光ファイバ２は、半導体光アンプ１の端面１Ａから出射されたレーザ光ＣＷを時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光ＣＷを端面１Ｂから半導体光アンプ１中へ導くとともに、半導体光アンプ１の端面１Ｂから出射されたレーザ光ＣＣＷを反時計回りに回転させ、その回転させたレーザ光ＣＣＷを端面１Ａから半導体光アンプ１中へ導く。
【００２３】
結合器３は、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷが９９％であり、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＷが１％となるように、光ファイバ２を光ファイバ４と結合する。
【００２４】
光ファイバ４は、結合器３によって光ファイバ２と結合され、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＷを光検出器５に導く。
【００２５】
光検出器５は、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＷの光強度を検出し、その検出した光強度をスペクトルアナライザ６へ出力する。
【００２６】
スペクトルアナライザ６は、光検出器５によって検出された光強度が変化する周波数Δνを検出し、その検出した周波数Δνを検出器７へ出力する。
【００２７】
検出器７は、スペクトルアナライザ６から周波数Δνを受け、その受けた周波数Δνに基づいて、後述する方法によって、回転体の回転角速度を検出する。
【００２８】
なお、半導体光アンプ１は、光ファイバ２が両端に接続されることによって時計回りに回転するレーザ光ＣＷと反時計回りに回転するレーザ光ＣＣＷとを発振および増幅可能であるため、半導体光アンプ１および光ファイバ２は、リング共振器型のリングレーザを構成する。即ち、半導体光アンプ１および光ファイバ２からなるリングレーザは、活性化領域（半導体光アンプ１）とパッシブ領域（光ファイバ２）とからなるレーザである。
【００２９】
光ジャイロ１０における周波数Δνと回転角速度との関係を調べる実験を行なう場合、光ジャイロ１０は、テーブル２０上に載せられる。そして、テーブル２０は、サーボ機構３０によって各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転される。コントローラ４０は、テーブル２０を各種の回転角速度で時計回りまたは反時計回りに回転させるようにサーボ機構３０を制御する。
【００３０】
図２は、図１に示す半導体光アンプ１の平面図である。図２を参照して、半導体光アンプ１は、活性層１１と、光閉込層１２，１３と、反射防止膜１４，１５とを含む。活性層１１は、光閉込層１２，１３によって挟まれ、端面１Ａ，１Ｂと斜めに接する。
【００３１】
光閉込層１２，１３は、バリア層およびクラッド層等からなり、活性層１１に接して活性層１１の両側に設けられる。反射防止膜１４，１５は、それぞれ、端面１Ａ，１Ｂに接して形成される。
【００３２】
図２に示すように、活性層１１が端面１Ａ，１Ｂに対して斜めに配置された構造は、活性層１１および光閉込層１２，１３等を積層した積層体を形成し、その形成した積層体を活性層１１が斜めに配置されるようにカッティングすることによって作製される。
【００３３】
電流を活性層１１に注入してレーザ発振させると、レーザ光は、光閉込層１２，１３によって閉じ込められ、活性層１１を端面１Ａ，１Ｂ方向へ伝搬する。そして、レーザ光は、レーザ光ＣＷとして端面１Ａから出射するとともに、レーザ光ＣＣＷとして端面１Ｂから出射する。
【００３４】
レーザ光ＣＷは、光ファイバ２中を時計回りに１周して反射防止膜１５を介して端面１Ｂから活性層１１中へ導入される。そして、活性層１１中へ導入されたレーザ光ＣＷは、誘導放出によって増幅され、再び、端面１Ａから出射される。
【００３５】
また、レーザＣＣＷは、光ファイバ２中を反時計回りに１周して反射防止膜１４を介して端面１Ａから活性層１１中へ導入される。そして、活性層１１中へ導入されたレーザ光ＣＣＷは、誘導放出によって増幅され、再び、端面１Ｂから出射される。
【００３６】
このように、半導体光アンプ１は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを発振して光ファイバ２中へ出射するとともに、光ファイバ２中を伝搬したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅して、再び、光ファイバ２中へ出射する。
【００３７】
従って、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、端面１Ａ，１Ｂを何回も通過する必要があり、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの強度を保持するために端面１Ａ，１Ｂにおけるレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの反射率は、１０−５以下に設定されている。また、半導体光アンプ１内における多重反射を防止する必要があるために端面１Ａ，１Ｂにおけるレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの反射率は、１０−５以下に設定されている。
【００３８】
このように、端面１Ａ，１Ｂにおける反射率を低く抑えるために、活性層１１を端面１Ａ，１Ｂに対して斜めに配置するとともに、端面１Ａ，１Ｂに反射防止膜１４，１５を形成する。
【００３９】
なお、光ファイバ２は、活性層１１からのレーザ光ＣＷ，ＣＣＷがコアに入射するように、半導体光アンプ１の反射防止膜１４，１５に連結される。
【００４０】
図３は、図１に示す結合器３の構成を示す概略図である。図３を参照して、結合器３は、ガイド３１，３２を有する。ガイド３１，３２は、相互に接した２つの光ファイバを挟み込むことにより、２つの光ファイバを結合する。
【００４１】
光ファイバ４を光ファイバ２に結合する場合、光ファイバ４を光ファイバ２に接するようにガイド３１，３２間に配置する。この場合、光ファイバ２のコア２１は、光ファイバ４のコア４１に近接して配置される。なお、光ファイバ４の一方端は、ターミネーター４２によって終端されている。
【００４２】
光ファイバ２中を時計回りに伝搬するレーザ光ＣＷは、コア２１とコア４１との近接部において１％がコア２１からコア４１へ漏れる。そして、コア４１へ漏れた１％のレーザ光ＣＷは、光ファイバ４中を伝搬する。
【００４３】
このように、光ファイバ４中を伝搬するレーザ光ＣＷは、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部（１％）である。
【００４４】
光ジャイロ１０においては、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを重ね合わせずにレーザ光ＣＷの光強度が変化する周波数Δνを検出して回転角速度を検出する。即ち、光ジャイロ１０は、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを合波する合波素子を用いないでサニャックビート信号の周波数を検出して回転角速度を検出する。
【００４５】
そこで、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを合波する合波素子を用いないでサニャックビート信号の周波数Δνを検出する方法について説明する。
【００４６】
この方法は、半導体の相互利得飽和（四光波混）の効果を利用することにより、片方回転の光強度の振動周波数からサニャックビート信号の周波数Δνを観測するものである。
【００４７】
光強度がサニャックビート信号の周波数Δνで振動する原理は、レーザ物理の分野でよく用いられているマクスウェル−ブロッホ（Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ）方程式によって説明することができる。ここで、リングレーザがパッシブな導波路とアクティブな導波路とから構成されていることのみを仮定する。例えば、光ジャイロ１０においては、パッシブな導波路が光ファイバ２であり、アクティブな導波路が半導体光アンプ１である。
【００４８】
回転角速度Ωで回転するリンクレーザにおけるレーザ光は、回転座標系において導出されたＭａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ方程式により記述することができる。Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ方程式は、レーザ光の状態を記述する一般的な方程式としてよく知られている（非特許文献２〜４）。
【００４９】
光が光ファイバおよび半導体光増幅器により１次元的に閉じ込められていると仮定することにより、次式のＭａｘｗｅｌｌ−Ｂｌｏｃｈ方程式が得られる。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ｓは、リング導波路に沿った座標系であり、ｎ（ｓ），ＲおよびΩは、それぞれ、リング共振器の屈折率、半径および回転角速度である。β（ｓ）は、リング共振器の損失を表す。式（１）の右辺の最後の項は、分極に対応し、Ｎ（ｓ）、κおよびρ（ｓ）は、それぞれ、キャリア密度、結合定数およびマクロな分極項である。Ｎ（ｓ）は、半導体増幅器内部でのみ０でない定数とする。レーザ媒質である半導体は、次の式（２），（３）のＢｌｏｃｈ方程式によって記述される。
【００５２】
【数２】
【００５３】
【数３】
【００５４】
ここで、Ｗは、分布反転を表し、γ⊥およびγ／／は、それぞれ、横の緩和定数および縦の緩和定数である。
【００５５】
電場Ｅ（ｓ，ｔ）および分極ρ（ｓ，ｔ）は、次式のように、回転するリング共振器の固有モードＵｊ（ｓ）により構成される。
【００５６】
【数４】
【００５７】
ここで、νｊは、モードｊの共振周波数である。
【００５８】
サニャック効果が生じることを説明するためには、回転角速度が０である時に近縮退状態にあった２つの固有モードの存在を考慮するだけで十分である。従って、電場Ｅ（ｓ，ｔ）および分極ρ（ｓ，ｔ）をそれら２モード（ｊ＝１，２）によってのみ構成されていることを仮定すると、次の式（５），（６）のように展開される。
【００５９】
【数５】
【００６０】
【数６】
【００６１】
ここで、Ｅｊおよびψｊは、それぞれ、ｊで示されるモードの振幅および位相である。ν０は、νｊ（ｊ＝１，２）に近い任意の周波数とする（ν０〜ν１〜ν２）。式（５）および式（６）を式（１）に代入することにより、各モードの時間発展方程式を得ることができる。
【００６２】
半導体レーザは、クラスＢ（γ⊥＞＞γ／／，＜β＞）に属する媒質である。そのため、分極に対する方程式は、摂動論により、次式によって表される。
【００６３】
【数７】
【００６４】
従って、分布反転に対する方程式は、次式のようになる（非特許文献４）。
【００６５】
【数８】
【００６６】
パッシブな導波路（光ファイバ）の長さＬがアクティブな導波路の長さｌよりも十分に長い時（Ｌ＞＞ｌ）、実効的な光の損失は、パッシブな導波路における損失βｐによって決定される。つまり、＜β＞は、＜β＞〜βｐである。従って、γ／／＞＞βｐの特徴があれば、クラスＡにおける特徴を持つことができる（半導体光アンプ１および光ファイバ２からなるリング共振器型のリングレーザは、この条件を満たす）。
【００６７】
例えば、βｐ〜１０３（ｓ−１）（光ファイバ）、βａ〜１０９−１０１１（ｓ−１）（半導体増幅器）およびγ／／〜１０９（ｓ−１）（半導体）の場合でも、半導体光アンプ１のようにＬ（〜１−１０ｍ）＞＞ｌ（〜１ｍｍ）であれば、＜β＞〜βｐ＜＜γ／／の条件を満たすことができるため、クラスＡレーザの特徴を持つ。従って、分布反転は、光の状態が定常に緩和する十分前に、ある収束した状態を取ることができる。よく使用されている摂動論によれば、分布反転は、次式のようになる。
【００６８】
【数９】
【００６９】
よって、式（９）を式（７）に代入し、次の式（１０）の関係式を用いることによって、モードｊ＝１，２に対する分極を式（１１）のように求めることができる。
【００７０】
【数１０】
【００７１】
【数１１】
【００７２】
次に、式（５）と式（６）とを式（１）に代入すると、次の式を得ることができる。
【００７３】
【数１２】
【００７４】
【数１３】
【００７５】
【数１４】
【００７６】
ここで、Ψ＝ψ１−ψ２（位相差）である。Δν＝ν１―ν２である。即ち、このΔνが、サニャックビート信号の周波数である。
【００７７】
式（１２）〜（１４）における係数は、次式のように記述される。
【００７８】
【数１５】
【００７９】
【数１６】
【００８０】
【数１７】
【００８１】
【数１８】
【００８２】
【数１９】
【００８３】
【数２０】
【００８４】
【数２１】
【００８５】
位相差Φが条件Φ＞＞｜Ｆ（Φ）｜を満たさない場合、よく知られているようにロックイン現象が生じてしまい、ｄΦ／ｄｔ＝０となる。しかし、この条件を満足する場合には、Φ（ｔ）＝Δνｔとなる。この場合において、式（１２）および式（１３）で示すように、各モードの振幅Ｅ１，Ｅ２は、変調項を通して周波数Δνで振動することになる。特に、Ｅ１＝Ｅ２＝tの場合、つまり、利得中心にあるモードに対しては、次式が成立する。
【００８６】
【数２２】
【００８７】
ここで、ａ＝（α０−β）、ｂ＝ｓ＋２ｃ、ｄ＝４｜Θ｜，ｅ＝｜ξ｜、ｔａｎδｋ＝−Δν／２ａ、ｔａｎδｌ＝−Δν／ａである。
【００８８】
時計回り（ＣＷ）の回転波の振幅ＥＣＷと反時計回り（ＣＣＷ）の回転波の振幅ＥＣＣＷとは、次式によって得られる。
【００８９】
【数２３】
【００９０】
従って、式（２２）を式（５）に代入して式（２３）を計算することによって、ＣＷ方向とＣＣＷ方向との回転波の振幅ＩＣＷ（ＣＣＷ）を次式のように得ることができる。
【００９１】
【数２４】
【００９２】
式（２４）の右辺の括弧内は、定数であり、Ｅ２（ｔ）は、式（２２）から明らかなように、サニャックビート信号の周波数Δνによって変化するので、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷの振幅ＩＣＷ（ＣＣＷ）（＝光強度）は、サニャックビート信号の周波数Δνによって変化する。
【００９３】
従って、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを合波しなくても、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方の振幅ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）を観測することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出することができる。
【００９４】
このような検出が可能な理由は、式（１２）および式（１３）の振幅変調項が存在するからである。この項は、パッシブな領域の長さＬとアクティブな領域の長さｌとの比Ｌ／ｌに比例した値を持つ。従って、この振幅変調項は、リングレーザがアクティブな媒質のみによって構成されている場合には消え、サニャックビート信号の周波数Δνによる振幅変調は生じない。リンクレーザがパッシブな領域とアクティブな領域とから構成されていることが、サニャックビート信号の周波数Δνによる振幅変調項を生じさせる重要な要因である。
【００９５】
以上より、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方の振幅ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）を観測し、式（２２）および式（２４）を用いてΔνを計算することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出できる。
【００９６】
従って、スペクトルアナライザ６は、光検出器５からレーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方のレーザ光の光強度ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）を受け、その受けた光強度ＩＣＷ（またはＩＣＣＷ）に基づいて、式（２２）および式（２４）を用いて周波数Δνを計算することによって、サニャックビート信号の周波数Δνを検出する。
【００９７】
光ジャイロ１０をテーブル２０上に載せ、サーボ機構３０およびコントローラ４０によってテーブル２０の回転角速度を変化させてレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせないときのレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷに基づいてビート信号の周波数Δνを検出した実験結果について説明する。なお、実験においては、しきい値電流の１．０３倍の電流（６２．５ｍＡ）を注入して半導体光アンプ１を発振させ、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを生成した。
【００９８】
図４は、ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図であり、図５は、ビート信号の周波数と回転角速度との関係を示す図である。
【００９９】
図４において、横軸は、ビート信号の周波数を表し、縦軸は、ビート信号のパワーを表す。なお、図４は、光ジャイロ１０を２７０度／ｓの回転角速度で回転させたときのビート信号のパワーと周波数との関係を示す。また、図５において、横軸は、回転角速度を表し、縦軸は、ビート信号の周波数およびパワーを表す。
【０１００】
図４を参照して、２７０度／ｓの回転角速度においてビート信号のピーク値が観測された。
【０１０１】
従って、光ジャイロ１０においては、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを重ね合わせないときのビート信号を観測できることが解った。
【０１０２】
図５を参照して、直線ｋ１は、周波数と回転角速度との関係を示す。ビート信号の周波数は、回転角速度に対して直線的に変化する。より具体的には、ビート信号の周波数は、回転角速度が負である領域においては、回転角速度に対して直線的に低下し、回転角速度が正である領域においては、回転角速度に対して直線的に高くなる（直線ｋ１参照）。そして、直線ｋ１における比例係数（スケールファクター）は、３．９５８８（ｋＨｚ・ｓｅｃ／ｄｅｇ）である。
【０１０３】
従って、ビート信号の周波数Δνを検出することによって回転角速度を検出できる。なお、直線ｋ１においては、−１００ｄｅｇ／ｓｅｃ〜＋８０ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲においてビート信号の周波数が観測されていないが、これは、１／（Δν）雑音に埋もれているためである。
【０１０４】
ビート信号の周波数Δνは、理論的にΔν＝（４Ａ／（ｎλＰ））Ωによって表される。
【０１０５】
但し、Ａは、光ファイバ２によって囲まれる領域の面積であり、ｎは、光ファイバ２の屈折率であり、λは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの波長であり、Ｐは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷのパス長であり、Ωは、回転角速度である。
【０１０６】
そして、図４および図５に示す実験においては、Ａ＝０．３９９８ｍ２、ｎ＝１．４４８、λ＝１５７８．０ｎｍ、およびＰ＝３．０１９ｍに設定された。これらの値を式Δν＝（４Ａ／（ｎλＰ））Ωに代入して比例係数を計算すると、４．０４５（ｋＨｚ・ｓｅｃ／ｄｅｇ）の比例係数が得られる。
【０１０７】
従って、実験的に得られた比例係数（３．９５８）と、理論的に得られた比例係数４．０４５との誤差は、２．２％であり、光ジャイロ１０は、サニャック効果を利用した光ジャイロであることが解った。
【０１０８】
検出器７は、スペクトルアナライザ６からビート信号の周波数Δνを受けると、その受けたビート信号の周波数Δνに対応する回転角速度を直線ｋ１を参照して検出する。これによって、光ジャイロ１０において、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを重ね合わせなくても回転角速度を検出できる。
【０１０９】
図６は、実施の形態１による他の光ジャイロの構成を示す概略図である。実施の形態１による光ジャイロは、図６に示す光ジャイロ１０Ａであってもよい。光ジャイロ１０Ａは、図１に示す光ジャイロ１０の結合器３を結合器８に代え、光ファイバ４を光ファイバ９に代えたものであり、その他は、光ジャイロ１０と同じである。
【０１１０】
結合器８は、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＣＷが９９％であり、光ファイバ９中を伝搬するレーザ光ＣＣＷが１％となるように、光ファイバ２を光ファイバ９と結合する。
【０１１１】
光ファイバ９は、結合器８によって光ファイバ２と結合され、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの一部（１％）のレーザ光ＣＣＷを光検出器５に導く。
【０１１２】
図７は、図６に示す結合器８の構成を示す概略図である。図７を参照して、結合器８は、ガイド８１，８２を有する。ガイド８１，８２は、相互に接した２つの光ファイバを挟み込むことにより、２つの光ファイバを結合する。
【０１１３】
光ファイバ９を光ファイバ２に結合する場合、光ファイバ９を光ファイバ２に接するようにガイド８１，８２間に配置する。この場合、光ファイバ２のコア２１は、光ファイバ９のコア９１に近接して配置される。なお、光ファイバ９の一方端は、ターミネーター９２によって終端されている。
【０１１４】
光ファイバ２中を反時計回りに伝搬するレーザ光ＣＣＷは、コア２１とコア９１との近接部において１％がコア２１からコア９１へ漏れる。そして、コア９１へ漏れた１％のレーザ光ＣＣＷは、光ファイバ９中を伝搬する。
【０１１５】
このように、光ファイバ９中を伝搬するレーザ光ＣＣＷは、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの一部（１％）である。
【０１１６】
光ジャイロ１０Ａにおいても、ビート信号の周波数Δνと回転角速度との関係は、図５に示す直線ｋ１によって表される。そして、光ジャイロ１０Ａにおいては、光検出器５は、光ファイバ９中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの光強度ＩＣＣＷを検出し、その検出した光強度ＩＣＣＷをスペクトルアナライザ６へ出力する。そして、スペクトルアナライザ６は、光検出器５から受けた光強度ＩＣＣＷに基づいて、式（２２）および式（２４）を用いてサニャックビート信号の周波数Δνを検出し、その検出した周波数Δνを検出器７へ出力する。検出器７は、スペクトルアナライザ６から周波数Δνを受け、その受けた周波数Δνに対応する回転角速度を直線ｋ１を参照して検出する。これによって、光ジャイロ１０Ａにおいて、レーザ光ＣＷとレーザ光ＣＣＷとを重ね合わせなくても回転角速度が検出される。
【０１１７】
図８は、図１に示す光ジャイロ１０を用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。図８を参照して、ジャイロシステム１００は、光検出器７に代えて無線装置６０を用いて光ジャイロ１０を構成し、その構成した光ジャイロ１０にリモートコントローラ７０を追加した構成からなる。
【０１１８】
無線装置６０は、デジタイザ６１、コントローラ６２およびアンテナ６３からなる。また、リモートコントローラ７０は、パーソナルコンピュータ７１と、アンテナ７２とからなる。
【０１１９】
デジタイザ６１は、スペクトルアナライザ６からビート信号の周波数Δνを受け、その受けたビート信号の周波数Δνをコントローラ６２へ出力する。コントローラ６２は、ビート信号の周波数Δνに基づいて、上述した方法によって回転角速度を検出する。そして、コントローラ６２は、その検出した回転角速度を所定の方式に変調してアンテナ６３を介して送信する。
【０１２０】
アンテナ７２は、無線装置６０からの電波を受信し、その受信した電波をパーソナルコンピュータ７１へ出力する。パーソナルコンピュータ７１は、アンテナ７２からの電波を復調等して光ジャイロ１０において検出された回転角速度を得る。
【０１２１】
このように、ジャイロシステム１００においては、光ジャイロ１０は、検出した回転角速度を無線信号によって送信する無線装置６０と、無線装置６０からの電波を受信し、光ジャイロ１０で検出された回転角速度を取得するリモートコントローラ７０とを備えるので、光ジャイロ１０がテーブル２０上で高速に回転しても、光ジャイロ１０によって検出された回転角速度を静止しているリモートコントローラ７０において取得できる。
【０１２２】
なお、ジャイロシステム１００においては、光ジャイロ１０に代えて光ジャイロ１０Ａが用いられてもよい。
【０１２３】
また、上記においては、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷ（またはレーザ光ＣＣＷ）の１％が光ファイバ４（または光ファイバ９）へ漏れると説明したが、この発明においては、これに限らず、光ファイバ２中を伝搬するレーザ光ＣＷ（またはレーザ光ＣＣＷ）の１％〜１０％が光ファイバ４（または光ファイバ９）へ漏れるようにしてもよい。
【０１２４】
［実施の形態２］
図９は、実施の形態２による光ジャイロの構成を示す概略図である。実施の形態２による光ジャイロ１０Ｂは、図１に示す光ジャイロ１０の半導体光アンプ１、光ファイバ２，４、結合器３および光検出器５を半導体素子１１０に代えたものであり、その他は、光ジャイロ１０と同じである。
【０１２５】
半導体素子１１０は、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷを発振し、その発振したレーザ光ＣＷを時計回りに伝搬させ、発振したレーザ光ＣＣＷを反時計回りに伝搬させるとともに、レーザ光ＣＷおよびレーザ光ＣＣＷのいずれか一方のレーザ光の光強度を検出してスペクトルアナライザ６へ出力する。
【０１２６】
図１０は、図９に示す半導体素子１１０の斜視図である。半導体素子１１０は、基板１１１と、半導体光アンプ１１２と、半導体導波路１１３，１１４と、光検出器１１５とを含む。そして、半導体導波路１１４は、その一方端がターミネーター１１４１によって終端されている。
【０１２７】
基板１１１は、例えば、ｎ型ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる。半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４および光検出器１１５は、基板１１１上に形成される。
【０１２８】
半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３の円周の一部に設けられる。半導体導波路１１３は、概略的に略円形形状を有し、断面形状が四角形である。そして、半導体導波路１１３は、半導体光アンプ１１２の両端に接する。半導体導波路１１４は、概略的に円弧の形状を有し、断面形状が四角形である。そして、半導体導波路１１４は、半導体導波路１１３に接し、他方端が光検出器１１５に接する。
【０１２９】
光検出器１１５は、基板１１１に垂直な方向に積層されたｐ型ＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓからなる。
【０１３０】
図１１は、図１０に示す半導体光アンプ１１２の断面図である。半導体光アンプ１１２は、クラッド層１１２１，１１２３と、活性層１１２２と、コンタクト層１１２４と、正極電極１１２５と、負極電極１１２６とを含む。
【０１３１】
クラッド層１１２１、活性層１１２２、クラッド層１１２３およびコンタクト層１１２４は、基板１１１上に順次積層される。正極電極１１２５は、コンタクト層１１２４上に形成される。負極電極１１２６は、基板１１１の裏面に形成される。
【０１３２】
クラッド層１１２１は、例えば、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。活性層１１２２は、３層の井戸層２２０と、４層の障壁層２２１とからなる。そして、３層の井戸層２２０および４層の障壁層２２１は、交互に積層される。井戸層２２０は、例えば、ＧａＡｓからなり、障壁層２２１は、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる。即ち、活性層１１２２は、量子井戸構造からなる。
【０１３３】
クラッド層１１２３は、例えば、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。コンタクト層１１２４は、例えば、ｐ型ＧａＡｓからなる。
【０１３４】
半導体光アンプ１１２は、正極電極１１２５および負極電極１１２６から電流が注入されることによって、レーザ発振し、一方の端面１１２Ａからレーザ光ＣＷを出射し、他方の端面１１２Ｂからレーザ光ＣＣＷを出射する。
【０１３５】
図１２は、図１０に示す半導体光アンプ１１２および半導体体導波路１１３の一部の断面図である。半導体導波路１１３は、半導体層１１３１〜１１３３からなる。半導体層１１３１は、例えば、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなり、半導体層１１３２は、例えば、ＧａＡｓからなり、半導体層１１３３は、例えば、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。
【０１３６】
半導体層１１３１は、基板１１１上に形成され、半導体層１１３２は、半導体層１１３１上に形成され、半導体層１１３３は、半導体層１１３２上に形成される。また、半導体層１１３１は、半導体光アンプ１１２のクラッド層１１２１に接して設けられ、半導体層１１３２は、半導体光アンプ１１２の活性層１１２２に接して設けられ、半導体層１１３３は、半導体光アンプ１１２のクラッド層１１２３に接して設けられる。そして、半導体層１１３２は、ｎ１の屈折率を有し、半導体層１１３１，１１３３の各々は、ｎ１よりも小さいｎ２の屈折率を有する。
【０１３７】
半導体光アンプ１１２は、レーザ光を発振し、その発振したレーザ光を端面１１２Ａからレーザ光ＣＷとして半導体導波路１１３中の半導体層１１３２へ出射するとともに、端面１１２Ｂからレーザ光ＣＣＷとして半導体導波路１１３中の半導体層１１３２へ出射する。そうすると、半導体層１１３２の上下には、半導体層１１３２よりも屈折率が小さい半導体層１１３１，１１３３が設けられているため、半導体層１１３２中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、基板１１１に垂直な方向において光学的に閉じ込められる。また、半導体導波路１１３は、基板１１１の面内方向において空気と接するので、半導体層１１３２中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、基板１１１の面内方向においても光学的に閉じ込められる。従って、半導体層１１３２中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、光学的に閉じ込められて半導体導波路１１３中を伝搬する。
【０１３８】
なお、図１０に示す半導体導波路１１４は、図１２に示す半導体導波路１１３と同じ構成からなる。
【０１３９】
図１３は、図９に示す半導体素子１１０の平面図である。半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３の円周の一部に配置され、半導体導波路１１３は、半導体光アンプ１１２の両側の端面１１２Ａ，１１２Ｂに接するように配置される。
【０１４０】
半導体導波路１１４は、その一方端がターミネーター１１４１によって終端されており、半導体導波路１１３に接するとともに、他方端が光検出器１１５に接するように配置される。そして、半導体導波路１１３と半導体導波路１１４との接触部は、半導体導波路１１３中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部を半導体導波路１１４へ導く結合器１１６の機能を果たす。
【０１４１】
半導体光アンプ１１２は、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷを発振するとともに、その発振したレーザ光ＣＷを端面１１２Ａから半導体導波路１１３中へ出射し、発振したレーザ光ＣＣＷを端面１１２Ｂから半導体導波路１１３中へ出射する。また、半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３中を時計回りに伝搬して端面１１２Ｂから入射されたレーザ光ＣＷを増幅し、その増幅したレーザ光ＣＷを端面１１２Ａから半導体導波路１１３中へ出射する。更に、半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３中を反時計回りに伝搬して端面１１２Ａから入射されたレーザ光ＣＣＷを増幅し、その増幅したレーザ光ＣＣＷを端面１１２Ｂから半導体導波路１１３中へ出射する。
【０１４２】
半導体導波路１１３は、レーザ光ＣＷを時計回りに伝搬し、レーザ光ＣＣＷを反時計回りに伝搬する。
【０１４３】
半導体導波路１１４は、半導体導波路１１３中を伝搬するレーザ光ＣＷの一部をレーザ光ＣＷとして光検出器１１５へ伝搬する。
【０１４４】
光検出器１１５は、半導体導波路１１４中を伝搬してきたレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷを検出し、その検出し光強度ＩＣＷをスペクトルアナライザ６へ出力する。
なお、半導体光アンプ１１２は、半導体導波路１１３が両端に接続されることによって時計回りに回転するレーザ光ＣＷと反時計回りに回転するレーザ光ＣＣＷとを発振および増幅可能であるため、半導体光アンプ１１２および半導体導波路１１３は、リング共振器型のリングレーザを構成する。即ち、半導体光アンプ１１２および半導体導波路１１３からなるリングレーザは、活性化領域（半導体光アンプ１１２）とパッシブ領域（半導体導波路１１３）とからなるレーザである。
【０１４５】
図１４から図１６は、それぞれ、図９に示す半導体素子１１０の製造方法を示す第１から第３の工程図である。また、図１７は、図１４に示す工程（ｃ）および図１６に示す工程（ｉ）における半導体素子１１０の平面図である。
【０１４６】
半導体素子１１０の製造が開始されると、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、半導体層１２１〜１２４が基板１１１上に順次形成される。半導体層１２１は、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなり、半導体層１２２は、ＧａＡｓとＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとを交互に積層した積層構造からなり、半導体層１２３は、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなり、半導体層１２４は、ｐ型ＧａＡｓからなる（図１４の（ａ）参照）。
【０１４７】
その後、レジストが半導体層１２４上に塗布され、その塗布されたレジストをパターンニングしてレジストパターン１２０が半導体層１２４上に形成される（図１４の（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン１２０は、半導体光アンプ１１２が形成される領域のみを覆うパターンである。
【０１４８】
そして、レジストパターン１２０をマスクとして半導体層１２２〜１２４をエッチングし、レジストパターン１２０を除去する。これによって、半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１および光検出器１１５用のｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓが基板１１１上に形成される（図１４の（ｃ）参照）。
【０１４９】
図１４に示す工程（ｃ）が終了した時点においては、半導体光アンプ１１２および半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１が基板１１１上に形成されている（図１７の（ａ）参照）。
【０１５０】
図１４に示す工程（ｃ）の後、ＧａＡｓからなる半導体層１３０が基板１１１の全面にＭＯＣＶＤ法によって形成される（図１５の（ｄ）参照）。この場合、半導体層１３０の膜厚は、活性層１１２２の厚さと略同じである。
【０１５１】
引き続いて、半導体導波路１１３，１１４および光検出器１１５が形成される領域の半導体層１３０の表面に、レジストパターン１４０が形成される（図１５の（ｅ）参照）。
【０１５２】
そして、レジストパターン１４０をマスクとして半導体層１３０をエッチングし、レジストパターン１４０を除去する。その結果、半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１，１１３２および光検出器１１５用のｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓが基板１１１上に形成される（図１５の（ｆ）参照）。
【０１５３】
その後、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる半導体層１５０が基板１１１の全面にＭＯＣＶＤ法によって形成される（図１６の（ｇ）参照）。この場合、半導体層１５０の膜厚は、クラッド層１１２３の厚さと略同じである。
【０１５４】
引き続いて、半導体導波路１１３，１１４および光検出器１１５が形成される領域の半導体層１５０の表面に、レジストパターン１６０が形成される（図１６の（ｈ）参照）。
【０１５５】
そして、レジストパターン１６０をマスクとして半導体層１５０をエッチングし、レジストパターン１６０を除去する。その結果、半導体光アンプ１１２、半導体導波路１１３，１１４用の半導体層１１３１〜１１３３および光検出器１１５用のｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓ／ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓが基板１１１上に形成される（図１６の（ｉ）参照）。そして、正極電極１１２５がコンタクト層１１２４上に形成され、負極電極１２６が基板１１１の裏面に形成される（図１６の（ｉ）参照）。これによって、半導体素子１１０が完成する（図１７の（ｂ）参照）。
【０１５６】
半導体素子１１０においては、半導体光アンプ１１２がアクティブな領域であり、半導体導波路１１３，１１４がパッシブな領域である。従って、半導体導波路１１３，１１４中を伝搬するレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷは、上述した式（２４）によって表され、ビート信号の周波数Δνによって変化する。
【０１５７】
その結果、光ジャイロ１０Ｂにおいても、重ね合わせる前のレーザ光ＣＷの光強度ＩＣＷを検出することによって回転角速度を検出できる。
【０１５８】
なお、上記においては、半導体導波路１１３は、略円形形状を有すると説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体導波路１１３は、略三角形、略四角形および略五角形等の多角形の形状を有していてもよい。
【０１５９】
また、半導体素子１１０は、半導体導波路１１３中を伝搬するレーザ光ＣＣＷの一部を光検出器１１５へ導く半導体導波路を半導体導波路１１４に代えて備えていてもよい。
【０１６０】
更に、この発明によるジャイロシステムは、図９に示す光ジャイロ１０Ｂを備えていてもよい。
【０１６１】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１６２】
上述した実施の形態１においては、半導体光アンプ１と、光ファイバ２，４とを用いた光ジャイロ１０，１０Ａについて説明し、実施の形態２においては、半導体光アンプ１１２と、半導体導波路１１３，１１４とを用いた光ジャイロ１０Ｂについて説明したが、この発明による光ジャイロは、一般的に、レーザＣＷ，ＣＣＷを発振および増幅する活性化領域と、活性化領域からのレーザ光ＣＷ，ＣＣＷをそれぞれ時計回りおよび反時計回りに回転させるパッシブ領域と、活性化領域およびパッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに活性化領域からパッシブ領域中へ出射されたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷのいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて活性化領域およびパッシブ領域の回転角速度を検出する検出手段とを備えるものであればよい。
【０１６３】
この発明においては、光ファイバ２，４は、「導波路」を構成し、半導体導波路１１３，１１４は、「導波路」を構成する。
【０１６４】
また、無線装置６０は、「送信装置」を構成する。
【０１６５】
更に、リモートコントローラ７０は、「受信装置」を構成する。
【０１６６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１６７】
この発明は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロに適用される。また、この発明は、時計回りに伝搬するレーザ光と反時計回りに伝搬するレーザ光とを重ね合わせなくても回転速度を検出可能な光ジャイロを備えたジャイロシステムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】この発明の実施の形態１による光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す半導体光アンプの平面図である。
【図３】図１に示す結合器の構成を示す概略図である。
【図４】ビート信号のパワーと周波数との関係を示す図である。
【図５】ビート信号の周波数と回転角速度との関係を示す図である。
【図６】実施の形態１による他の光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図７】図６に示す結合器の構成を示す概略図である。
【図８】図１に示す光ジャイロを用いたジャイロシステムの構成を示す概略図である。
【図９】実施の形態２による光ジャイロの構成を示す概略図である。
【図１０】図９に示す半導体素子の斜視図である。
【図１１】図１０に示す半導体光アンプの断面図である。
【図１２】図１０に示す半導体光アンプおよび半導体体導波路の一部の断面図である。
【図１３】図９に示す半導体素子の平面図である。
【図１４】図９に示す半導体素子の製造方法を示す第１の工程図である。
【図１５】図９に示す半導体素子の製造方法を示す第２の工程図である。
【図１６】図９に示す半導体素子の製造方法を示す第３の工程図である。
【図１７】図１４に示す工程（ｃ）および図１６に示す工程（ｉ）における半導体素子の平面図である。
【符号の説明】
【０１６９】
１，１１２ 半導体光アンプ、１Ａ，１Ｂ，１１２Ａ，１１２Ｂ 端面、２，４ 光ファイバ、３，１１６ 結合器、５，１１５ 光検出器、６ スペクトルアナライザ、７ 検出器、１０，１０Ａ，１０Ｂ 光ジャイロ、１１，１１２２ 活性層、１２，１３ 光閉込層、１４，１５ 反射防止膜、２０ テーブル、２１，４１ コア、３０ サーボ機構、３１，３２ ガイド、４０，６２ コントローラ、４２，９２，１１４１ ターミネーター、６０ 無線装置、６１ デジタイザ、６３，７２ アンテナ、７０ リモートコントローラ、１００ ジャイロシステム、１１０ 半導体素子、１１１ 基板、１１３，１１４ 半導体導波路、１２１〜１２４，１３０，１５０，１１３１〜１１３３ 半導体層、１２０，１４０，１６０ レジストパターン、２２０ 井戸層、２２１ 障壁層、１１２１，１１２３ クラッド層、１１２４ コンタクト層、１１２５ 正極電極、１１２６ 負極電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のレーザ光を発振し、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅するとともに、前記第１のレーザ光を時計回りに回転させ、前記第２のレーザ光を反時計回りに回転させるリングレーザと、
前記リングレーザが所定の平面内で回転しているときに前記リングレーザ中を伝搬する前記第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて前記リングレーザの回転角速度を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。
【請求項２】
前記リングレーザは、
第１の端面と、前記第１の端面に対向する第２の端面とを有するとともに、前記第１および第２のレーザ光を発振して前記第１および第２の端面からそれぞれ前記第１および第２のレーザ光を出射する半導体光アンプと、
前記半導体光アンプから出射された前記第１および第２のレーザ光を伝搬させる導波路とを含み、
前記導波路は、前記第１の端面から出射された前記第１のレーザ光を前記時計回りに回転させて前記第２の端面から前記半導体光アンプに導くとともに、前記第２の端面から出射された前記第２のレーザ光を前記反時計回りに回転させて前記第１の端面から前記半導体光アンプへ導く、請求項１に記載の光ジャイロ。
【請求項３】
前記導波路は、光ファイバからなる、請求項１または請求項２に記載の光ジャイロ。
【請求項４】
前記導波路は、
前記第１のレーザ光を前記時計回りに回転させ、前記第２のレーザ光を前記反時計回りに回転させる第１の光ファイバと、
第２の光ファイバと、
前記第１の光ファイバ中の前記第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の一部を前記第２の光ファイバへ導く結合器とを含み、
前記検出手段は、前記第２の光ファイバ中の前記いずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて、前記リングレーザの回転角速度を検出する、請求項３に記載の光ジャイロ。
【請求項５】
第１および第２のレーザ光を発振するとともに、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅する活性化領域と、
前記第１のレーザ光を時計回りに回転させ、前記第２のレーザ光を反時計回りに回転させるパッシブ領域と、
前記活性化領域および前記パッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに前記活性化領域から前記パッシブ領域中へ出射された前記第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて前記活性化領域および前記パッシブ領域の回転角速度を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。
【請求項６】
前記活性化領域は、半導体光アンプからなり、
前記パッシブ領域は、前記半導体光アンプの両端に連結された半導体導波路からなる、請求項５に記載の光ジャイロ。
【請求項７】
前記活性化領域および前記パッシブ領域は、同じ半導体基板上に形成される、請求項５または請求項６に記載の光ジャイロ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光ジャイロと、
前記検出手段によって検出された前記回転角速度を無線信号に変換して送信する送信装置と、
前記送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して前記回転角速度を取得する受信装置とを備えるジャイロシステム。
【請求項１】
第１および第２のレーザ光を発振し、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅するとともに、前記第１のレーザ光を時計回りに回転させ、前記第２のレーザ光を反時計回りに回転させるリングレーザと、
前記リングレーザが所定の平面内で回転しているときに前記リングレーザ中を伝搬する前記第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて前記リングレーザの回転角速度を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。
【請求項２】
前記リングレーザは、
第１の端面と、前記第１の端面に対向する第２の端面とを有するとともに、前記第１および第２のレーザ光を発振して前記第１および第２の端面からそれぞれ前記第１および第２のレーザ光を出射する半導体光アンプと、
前記半導体光アンプから出射された前記第１および第２のレーザ光を伝搬させる導波路とを含み、
前記導波路は、前記第１の端面から出射された前記第１のレーザ光を前記時計回りに回転させて前記第２の端面から前記半導体光アンプに導くとともに、前記第２の端面から出射された前記第２のレーザ光を前記反時計回りに回転させて前記第１の端面から前記半導体光アンプへ導く、請求項１に記載の光ジャイロ。
【請求項３】
前記導波路は、光ファイバからなる、請求項１または請求項２に記載の光ジャイロ。
【請求項４】
前記導波路は、
前記第１のレーザ光を前記時計回りに回転させ、前記第２のレーザ光を前記反時計回りに回転させる第１の光ファイバと、
第２の光ファイバと、
前記第１の光ファイバ中の前記第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の一部を前記第２の光ファイバへ導く結合器とを含み、
前記検出手段は、前記第２の光ファイバ中の前記いずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて、前記リングレーザの回転角速度を検出する、請求項３に記載の光ジャイロ。
【請求項５】
第１および第２のレーザ光を発振するとともに、その発振した第１および第２のレーザ光を増幅する活性化領域と、
前記第１のレーザ光を時計回りに回転させ、前記第２のレーザ光を反時計回りに回転させるパッシブ領域と、
前記活性化領域および前記パッシブ領域が所定の平面内で回転しているときに前記活性化領域から前記パッシブ領域中へ出射された前記第１および第２のレーザ光のいずれか一方のレーザ光の光強度の変化周波数に基づいて前記活性化領域および前記パッシブ領域の回転角速度を検出する検出手段とを備える光ジャイロ。
【請求項６】
前記活性化領域は、半導体光アンプからなり、
前記パッシブ領域は、前記半導体光アンプの両端に連結された半導体導波路からなる、請求項５に記載の光ジャイロ。
【請求項７】
前記活性化領域および前記パッシブ領域は、同じ半導体基板上に形成される、請求項５または請求項６に記載の光ジャイロ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光ジャイロと、
前記検出手段によって検出された前記回転角速度を無線信号に変換して送信する送信装置と、
前記送信装置から送信された無線信号を受信し、その受信した無線信号を復号して前記回転角速度を取得する受信装置とを備えるジャイロシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−１０２０５７（Ｐ２００８−１０２０５７Ａ）
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８５８３２（Ｐ２００６−２８５８３２）
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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