光ジャイロ
【課題】 ロックイン現象を抑制して検出可能な角速度を低くすることができる光ジャイロを提供する。
【解決手段】 半導体レーザ１０は、９０度回転させた場合に回転前後で一致する形状を有し、４個の光検出器１５は、９０度回転させた場合に回転前後で実質的に一致する位置に配置され、半導体レーザジャイロが９０度回転対称性を満足する。
【解決手段】 半導体レーザ１０は、９０度回転させた場合に回転前後で一致する形状を有し、４個の光検出器１５は、９０度回転させた場合に回転前後で実質的に一致する位置に配置され、半導体レーザジャイロが９０度回転対称性を満足する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果を利用して角速度を検出する光ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サニャック効果を利用して角速度を検出する従来の光ジャイロとしては、例えば、特許文献１に開示されるリングレーザジャイロがある。このリングレーザジャイロは、角速度の入力により生じる右回り及び左回りの両レーザ光の発振周波数差を、それら二つのレーザ光の重ね合わせにより生じる干渉縞をフォトセンサで検出することによって検出するものである。また、入力角速度を検出するときに、フォトセンサの検出出力からローパスフィルタにより低周波成分を取り出し、それを反転バッファにより反転してフォトセンサの検出出力に加算している。この結果、リング状光路が形成されたブロックに衝撃によって生じるたわみにより発生する検出出力のパワー変動が除去され、衝撃が加わっても精度良く入力角速度を検出することができる。
【０００３】
図２０は、上記のような従来のリングレーザジャイロの構成を示す模式図である。図２０に示すリングレーザジャイロでは、ミラーＭ１、Ｍ２及びハーフミラーＨＭにより形成される経路をＨｅ−ＮｅレーザＬＡから出射されるレーザ光が互いに異なる方向に伝播し、その一部がハーフミラーＨＭを透過し、さらに、プリズムＰＭを透過して干渉縞が形成される。この干渉縞がパターンを変えずに二つの回転波の周波数差と同じ速度で左右に移動し、干渉縞の移動速度及び移動方向を検出することにより、回転速度及び回転方向が検出される。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１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、上記のリングレーザジャイロでは、光路を形成する３枚のミラーのうち一つが光学特性の異なるハーフミラーＨＭから構成され、受光部分も一つしか設けられていないため、光学的及び形状的に回転対称となっておらず、低角速度領域においてロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）現象が発生し、所定の閾値、例えば、７００度／秒以下の角速度を検出することができない。
【０００５】
本発明の目的は、ロックイン現象を抑制して検出可能な角速度を低くすることができる光ジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光ジャイロは、サニャック効果を利用して角速度を検出する光ジャイロであって、進行方向の異なる光を所定経路内で伝播させる共振器を備え、前記共振器における光の経路が、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有するものである。
【０００７】
本発明に係る光ジャイロにおいては、共振器における光の経路が１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有しているので、ロックイン現象を抑制して検出可能な角速度を低くすることができる。なお、本明細書における「光」とは、いわゆる可視光のみを意味するものではなく、電界と磁界との変化が波動として媒質内を伝わっていく電磁波のうち、ミリ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、γ線等を含むものである。また、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有する光路には、円形、多角形等の種々形状を有する光路を含む。
【０００８】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有することが好ましく、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有することがより好ましい。前者の場合、ロックイン現象が発生する閾値を低下させることができ、後者の場合、ロックイン現象が発生する閾値をより低下させることができる。
【０００９】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、（３６０／２ｎ＋１）度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有することが好ましく、また、（３６０／（３×２ｎ））度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有するようにしてもよい。これらの場合、ロックイン現象が発生する閾値を実質的に０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００１０】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の光学特性が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値を低下させることができる。
【００１１】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の反射率及び透過率が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値をより低下させることができる。
【００１２】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の形状が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値を低下させることができる。
【００１３】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の反射率及び透過率が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値をより低下させることができる。
【００１４】
前記共振器は、第１及び第２のレーザ光を発生する半導体レーザから構成され、前記半導体レーザは、活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第１及び第２の電極とを備え、前記第１のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、前記第２のレーザ光は、前記経路上を前記レーザ光とは逆方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であることが好ましい。この場合、印加された回転場に対してその角速度を検出できる高精度で小型の半導体レーザジャイロを実現できる。
【００１５】
前記活性層は、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有し、前記活性層の各ハーフミラー部を透過した光を検出する複数の光検出器が、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する位置に配置されることが好ましい。この場合、光を伝播させる媒質（キャビティ）として機能する活性層と、光検出器とが、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有しているので、ロックイン現象が発生する閾値を実質的に０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００１６】
前記回転対称性は、ｃを光の速度、λを光の波長、Ａを光が囲む面積、ｄを光ビームの直径、ｒＳをＣＷ（又はＣＣＷ）方向回転の光がＣＣＷ（又はＣＷ）方向の光に結合する割合を表す後方散乱係数（％）としたときに、ΩＬ＝ｃλ２ｒＳ／（３２πＡｄ）により算出される基準閾値ΩＬより低いロックイン現象の閾値を有する範囲で変更されることが好ましい。この場合、回転対称性を崩してその完全性を形状又は光学特性において緩和することができ、光ジャイロを容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、共振器における光の経路が１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有しているので、ロックイン現象を抑制して検出可能な角速度を低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した光ジャイロの各実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による半導体レーザジャイロの構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示すＩ−Ｉ線における断面を模式的に示す図である。なお、本発明の説明に用いる各図面は模式的なものであり、理解が容易なように各部の縮尺を適宜変更している。
【００１９】
図１に示す半導体レーザジャイロは、基板１１と、基板ｌｌ上に形成された半導体層２０と、半導体層２０上に形成された絶縁層１２と、正極となる第１の電極１３と、基板１１の裏面側の全面に形成された負極となる第２の電極１４とを備える半導体レーザ１０と、基板１１の上にモノシリックに形成された４個の光検出器１５とから構成され、半導体レーザ１０は、進行方向の異なる光を所定経路内で伝播させる共振器として機能する。
【００２０】
基板１１は、単結晶のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から成る。半導体層２０は、後述するようにＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＳＱＷ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ−Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）から成る。絶縁層１２は、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から成る。第１の電極１３は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る。第２の電極１４は、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉから成る。なお、第１の電極１３及び第２の電極１４を構成する各層は、熱処理によって合金化されていてもよく、半導体レーザ１０に求められる特性に応じて適宜変更される。
【００２１】
絶縁層１２の膜厚は、０．４μｍである。第１の電極１３の膜厚は、全体で０．７２μｍである。そして、第１の電極１３を構成するＴｉの膜厚は、０．０７μｍであり、Ｐｔの膜厚は、０．０５μｍであり、Ａｕの膜厚は０．６μｍである。第２の電極１４の膜厚は、全体で０．６２μｍである。そして、第２の電極１４を構成するＡｕの膜厚は、０．５μｍであり、Ｇｅの膜厚は、０．１μｍであり、Ｎｉの膜厚は、０．０２μｍである。
【００２２】
図２を参照して、半導体層２０は、基板１１側から順に積層された、バッファ層２１、バッファ層２２、グレーデッド層２３、クラッド層２４、グレーデッド層２５、活性層２６、グレーデッド層２７、クラッド層２８及びキャップ層２９を含む。キャップ層２９の上には、パターニングされた絶縁層１２が形成されている。絶縁層１２上には、第１の電極１３が形成されている。絶縁層１２には貫通孔が形成されているため、第１の電極１３とキャップ層２９とは、貫通孔が形成されている領域３１で接触する。
【００２３】
バッファ層２１は、シリコン（Ｓｉ）をドープしたｎ型ＧａＡｓから成り、膜厚は、０．２μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は、３×１０１８ｃｍ−３である。バッファ層２２は、Ｓｉをドープしたｎ型アルミニウムガリウムヒ素（ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ）から成り、膜厚は、１．０μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は、１×１０１８ｃｍ−３である。
【００２４】
グレーデッド層２３は、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、膜厚は、０．２μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は１０１８ｃｍ−３台である。また、アルミニウム（Ａｌ）の組成比ｘは、バッファ層２２側からクラッド層２４側に向かって徐々に増加する。具体的には、組成比ｘは、バッファ層２２との界面では０．２であり、クラッド層２４との界面では０．５である。バッファ層２１及び２２並びにグレーデッド層２３は、品質が高いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を得るために形成される。
【００２５】
クラッド層２４は、Ｓｉをドープしたｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓから成り、膜厚は、１．５μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は、１０１８ｃｍ−３台である。グレーデッド層２５は、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、膜厚は、０．２０２μｍである。そして、グレーデッド層２５においては、ドーパントであるＳｉの濃度は、クラッド層２４から活性層２６へ向けて徐々に減少され、クラッド層２４との界面では約１×１０１８ｃｍ−３であり、活性層２６との界面では約１×１０１７ｃｍ−３である。また、グレーデッド層２５のＡｌの組成比ｘも、クラッド層２４から活性層２６へ向けて放物線状に減少され、クラッド層２４との界面では０．５であり、活性層２６との界面では０．２である。
【００２６】
活性層２６は、ノンドープのＧａＡｓから成り、膜厚は、０．０１μｍである。グレーデッド層２７は、ベリリウム（Ｂｅ）をドープしたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、膜厚は、０．２０２μｍである。そして、グレーデッド層２７においては、ドーパントであるＢｅの濃度は、活性層２６からクラッド層２８へ向けて徐々に増加され、活性層２６との界面では約１×１０１７ｃｍ−３であり、クラッド層２８との界面では約１×１０１８ｃｍ−３である。また、グレーデッド層２７のＡｌの組成比ｘも、活性層２６からクラッド層２８へ向けて放物線状に増加され、活性層２６との界面では０．２であり、クラッド層２８との界面では０．５である。
【００２７】
クラッド層２８は、Ｂｅをドーピングしたｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓから成り、膜厚は、１．５μｍである。そして、多数キャリアである正孔の濃度は、１０１８ｃｍ−３台である。キャップ層２９は、Ｂｅをドーピングしたｐ型ＧａＡｓから成り、膜厚は、０．２μｍである。そして、多数キャリアである正孔の濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。
【００２８】
活性層２６は、グレーデッド層２５とグレーデッド層２７とによって挟み込まれており、グレーデッド層２５、活性層２６及びグレーデッド層２７は、いわゆる単一量子井戸（ＳＱＷ：ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を構成する。また、クラッド層２４及びグレーデッド層２５は、活性層２６を中心にしてそれぞれクラッド層２８及びグレーデッド層２７と対称に形成される。
【００２９】
つまり、クラッド層２４は、クラッド層２８と同じ膜厚及び同じＡｌ組成比ｘを有する。そして、クラッド層２４の多数キャリア密度も、電子と正孔との違いを除けば、クラッド層２８の多数キャリア密度である１０１８ｃｍ−３台と同じ１０１８ｃｍ−３台である。また、グレーデッド層２５は、グレーデッド層２７と同じ膜厚を有し、グレーデッド層２７におけるＡｌの組成比ｘの変化（活性層２６側：０．２→クラッド層２８側：０．５）と対称なＡｌの組成比ｘの変化（活性層２６側：０．２→クラッド層２４側：０．５）を有する。そして、グレーデッド層２５は、グレーデッド層２７におけるドーパント（Ｂｅ）濃度の変化（活性層２６側：約１×１０１７ｃｍ−３→クラッド層２８側：約１×１０１８ｃｍ−３）と対称なドーパント（Ｓｉ）濃度の変化（活性層２６側：約１×１０１７ｃｍ−３→クラッド層２４側：約１×１０１８ｃｍ−３）を有する。
【００３０】
図３は、図１に示す半導体レーザ１０の活性層２６を上方から見たときに活性層２６及び活性層２６内に形成される光路ＬＰを模式的に示す平面図である。図３に示すように、レーザ光を伝播させる媒質（キャビティ）として機能する活性層２６は、光路ＬＰを含む面状に形成された薄膜であり、その外延が所定の曲率で形成された複数の曲面から構成され、９０度回転させた場合に回転前後で一致する形状を有している。すなわち、活性層２６は、９０度回転対称性を有し、図中に一点鎖線で示す２本の中心線に関して鏡面対称な形状を有している。
【００３１】
また、活性層２６には、光学特性として反射率及び透過率が等しい四つのハーフミラー面（端面）ＨＭが形成されており、各ハーフミラー面ＨＭは、外側に向かって凸の曲面から構成されている。四つのハーフミラー面ＨＭは、９０度回転させた場合に回転前後で一致する位置に配置され、９０度回転対称性を有している。
【００３２】
さらに、活性層２６の各反射部の近傍には、４個の光検出器１５が配置されている。４個の光検出器１５は、９０度回転させた場合に回転前後で一致する位置に配置され、９０度回転対称性を有している。なお、半導体層２０は、活性層２６と同じ平面形状を有し、第１の電極１３自体（図１参照）、及び第１の電極１３と半導体層２０（キャップ層２９）とが接触している領域（図２参照）も帯状の正方形形状を有している。
【００３３】
後述するように、第１の電極１３と第２の電極１４との間に電圧を印加して活性層２６にキャリアを注入すると、活性層２６で光が発せられる。この光は、グレーデッド層２５及び２７によって閉じ込められるため、活性層２６内を移動する。そのような光の中で、光路ＬＰを進行する光は、ハーフミラー面ＨＭによって反射されながら誘導放出を生じる。このため、光路ＬＰ上に分布するレーザ光が発生する。レーザ光の一部は、各ハーフミラー面ＨＭから出射され、対応する光検出器１５へ入力される。このように、活性層２６内で発生されたレーザ光は、四つのハーフミラー面ＨＭにより反射され、活性層２６内の光路ＬＰは、正方形をなし、９０度回転させた場合に回転前後で一致する９０度回転対称性を有している。
【００３４】
図４は、図２に示す半導体層２０のバンドギャンプのプロファイルを示す模式図である。グレーデッド層２５のバンドギャップは、クラッド層２４から活性層２６側に向かって２．０ｅＶから１．７ｅＶまで放物線状に減少する。グレーデッド層２７のバンドギャップは、活性層２６からクラッド層２８側に向かって１．７ｅＶから２．０ｅＶまで放物線状に増加する。半導体レーザ１０は、単一量子井戸形のレーザであり、第１の電極１３と第２の電極１４から注入されたキャリアは、活性層２６に閉じ込められ、低い閾値電流でレーザ発振が開始される。なお、活性層２６は、多重量子井戸形などの他の形態であってもよい。
【００３５】
図５は、図２に示すクラッド層２４からクラッド層２８までの屈折率の変化を示す模式図である。クラッド層２４、グレーデッド層２５、グレーデッド層２７及びクラッド層２８は、活性層２６内に光を閉じこめるために、活性層２６よりも屈折率が低い材料からなる。活性層２６の屈折率が最も高いため、活性層２６で発生した光は、活性層２６に閉じ込められる。
【００３６】
半導体レーザ１０では、注入される電流が閾値電流を超えると、光路ＬＰ上に分布する二つの定在波モードの発振を開始する。これら二つのモードは、回転場に対して後述する理論に従い、それぞれ時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）に周回するモードに変化する。したがって、本実施の形態では、通常、半導体レーザ１０を閾値電流以上で動作させる。例えば、第１の電極１３と第４の電極１４との間に、２００ｍＡの電流を流すことによって、半導体レーザ１０を発振させることができる。
【００３７】
光検出器１５は、複数の受光素子を備える２チャンネルの光検出器から構成され、例えば、フォトダイオードから構成され、半導体レーザ１０と同じ積層構造を有し、半導体レーザ１０を形成する製造工程で半導体レーザ１０とともに形成される。半導体レーザ１０から出射されたレーザ光は、各ハーフミラー面ＨＭの近傍で規則正しい干渉縞（余弦波）を生じる。
【００３８】
したがって、光検出器１５は、二つ以上の受光素子を干捗縞の移動方向に配置されることによって、干渉縞の移動速度に加えて干渉縞の移動方向を検出することができる。本実施の形態では、各光検出器１５は、レーザ光が出射されるハーフミラー面ＨＭに近接して配置され、そのうちの１個の光検出器１５の出力を用いて、干渉縞の移動方向及び移動速度を検出することにより角速度を検出する。すなわち、当該光検出器１５は、干渉縞の光量の強弱に応じた信号を出力し、干渉縞が移動すると、入力される光量が周期的に変化するため、干渉縞の移動速度を算出できる。この結果、活性層２６の表面と平行な面内における回転方向と回転速度とが算出され、角速度を検出することができる。
【００３９】
なお、干渉縞の移動速度を精度よく検出するために、光検出器の受光領域のサイズは、干渉縞の周期長や、光検出器の受光感度を考慮して決定される。通常、受光領域のサイズは、干渉縞の周期長の５分の１程度以下とすることが好ましい。また、光検出器は、上記の例に特に限定されず、種々の光検出器を用いることができ、例えば、フォトトランジスタ等の半導体受光素子を用いてもよい。また、必要に応じて、レンズ、プリズム等を配置し、レンズ、プリズム等を透過したレーザ光を光検出器により検出するようにしてもよい。
【００４０】
また、本実施の形態の半導体レーザジャイロの製造方法として、公知の半導体製造方法を用いることができ、例えば、特開２００４−２３５３３９号公報に開示される半導体レーザと同様の製造方法を用いることができるので、詳細な説明は省略する。
【００４１】
次に、上記のように構成された半導体レーザジャイロのパッキング例について説明する。図６は、図１に示す半導体レーザジャイロのパッキング例を示す一部断面斜視図である。図６に示すように、半導体レーザ１０と光検出器１５とがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロ１１０は、カバー１１１と、円形のステム１１２とによって、パッケージ（いわゆるＣＡＮパッケージ）される。なお、カバー１１１は、その一部を切断して内部を解放した状態を示している。
【００４２】
ステム１１２には、４本の端子１１４が固定され、４本の端子１１４はそれぞれ、第１の電極１３、第２の電極１４、光検出器１５の二つの受光素子に接続されている。なお、端子１１４の接続方法は一例であり、種々の変更が可能であり、また、円形のステム１１２の直径に限定はないが、規格で決められたサイズ、たとえは直径５．６ｍｍとすることができる。
【００４３】
次に、本発明によるサニャック効果におけるロックイン現象の抑制原理について説明する。従来のサニャック効果に対する理論は、光ジャイロに使用される共振器のサイズが光の波長に比べて十分大きいこと、さらに、光は共振器中で１次元的にしか伝播しないことを仮定して導き出されたものであり、この理論は、幾何光学的な近似が成立する領域に対してのみ有効である。
【００４４】
一方、本願発明者らは、サニャック効果を与える方程式を厳密に解き、当該方程式を波動光学的に調べることにより、サニャック効果が回転角速度に対する閾値現象として現れることを理論的及び数値実験的に明らかにし、回転角速度に対する閾値が共振器の形状の対称性に依存することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００４５】
すなわち、サニャック効果は、一般相対性理論から導き出された回転座標系における下記のＭａｘｗｅｌｌ（−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ）方程式を直接的に解くことにより与えられる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
ここで、共振器が２次元的であることを仮定し、上式において、ψ、ｋ、ｎ、ｈは、それぞれ電場、波数、共振器内の屈折率、そして、ｈ＝（ｒ×Ω）／ｃ（Ω＝（０，０，Ω）は共振器に対して垂直な回転角速度ベクトル）である。
【００４８】
本理論と従来の理論とで異なる点は、回転角速度Ω＝０の時の共振モードが、時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）とに１次元的に伝播する光の状態であるという仮定を用いずに、直接的に式（１）の解を求めている点である。本理論では、Ω＝０に対する式（１）の解は、ＣＷ波やＣＣＷ波ではなく、準縮退状態にある二つの定在波モードとして与えられる。
【００４９】
上記の解法により、初めてサニャック効果が回転角速度に対して閾値現象として現れることが明らかにされ、回転角速度Ωに対する閾値Ωｔｈは、下記式で与えられる。
【００５０】
【数２】
【００５１】
ここで、ψαとψβは、静止状態の共振器に対する準縮退した二つの定在波モードの波動関数であり、Δｋは、その二つの定在波モードの固有値の波数である。
【００５２】
まず、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも小さい場合を考える。この場合、回転場のための時空の歪みを表す項ｈを式（１）に対して摂動と見做し、Ω＝０の共振器に対する定在波モードを基底にして通常の摂動論を展開することができる。この計算の結果として、回転角速度Ωに対する定在波モードの周波数シフトδωが０になるという結果が導かれ、回転角速度Ωに対してモード間の周波数差は変化しないため、閾値以下では、サニャック効果は生じない。この結果は、定在波がＣＷ波及びＣＣＷ波の重ね合わせであると解釈できるため、共振器におけるモードが定在波であることに由来するものである。
【００５３】
次に、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなった場合を考える。この場合、従来の摂動論における展開は、近縮退状態の存在によって破綻することが数学的に保証されるため、この領域では、近縮退状態における摂動論によって式（１）を解かなければならない。この摂動論によれば、近縮退状態にある共振器モードが摂動を受けた場合、摂動後の共振器モードは、無摂動の共振器モードの重ね合わせによって表現されなければならないことが知られている。
【００５４】
この場合、近縮退状態にあった二つの定在波モードは、回転場という摂動によって重ね合わされることにより、ＣＷ波及びＣＣＷ波の回転波として表現され、この領域に対して従来の理論が適用されることになる。実際、計算の結果、回転する場に対する式（１）の解である共振器モード間の周波数差は、下記のように、回転角速度Ωに対する周波数差Δωとして与えられ、回転角速度に比例して増加する効果として、サニャック効果が観測されることとなる。
【００５５】
【数３】
【００５６】
上記の検討結果において最も重要な点は、サニャック効果が観測されるための閾値Ωｔｈが二つのモード間の波数の差Δｋに依存していることである。ここで、Δｋは、共振器の対称性に依存した値であるため、共振器の形状の対称性及び／又は共振器等の光学的な対称性を調整することにより、低閾値の光ジャイロを実現することができることがわかった。
【００５７】
図７は、略楕円形状を有する共振器の波動関数を示す図である。例えば、図７に白線で示すような略楕円形状を有する共振器に対して、回転角速度Ωが０のとき、式（１）を数値的に解くと、図７の（ａ）及び（ｂ）に示す準縮退した定在波のモードが得られる。なお、図７の（ａ）に示すモードの波数に対する固有値は、ｋＡＲ０＝４９．３３８０５８５であり、（ｂ）に示すモードの波数に対する固有値は、ｋＢＲ０＝４９．３３８０６１５であり、Ｒ０＝６．２８μｍである。
【００５８】
図８は、回転角速度Ωに対するモード間の周波数差Δωの変化を示す図であり、図９は、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。図８に示すように、回転角速度Ωが式（２）で計算される閾値Ωｔｈよりも小さい場合、共振器モード間の周波数差は変化しない。この場合、共振器モードも定在波のままである。しかしながら、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなった場合、このモード間の周波数差は、回転角速度Ωに比例して増加することがわかる。このとき、定在波であったモードは、図９の（ａ）に示すＣＷ波に対応したモード及び（ｂ）に示すＣＣＷ波に対応したモードとなり、両者は、定在波から回転波に変化していることがわかる。
【００５９】
上記のように、Δｋは、共振器の対称性に依存した値を持つので、共振器の対称性を変化させることにより、閾値を０すなわちロックイン現象の発生を防止することができる。一例として、第１の実施の形態のように９０度回転対称な形状を有する共振器におけるサニャック効果について検討する。
【００６０】
図１０は、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ω＝０のときに縮退している二つの波動関数を示す図である。９０度回転対称な形状を有する共振器のモードは、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すようになり、この二つの定在波モードは、９０度の回転に対して同じパターンを有しており、同じ状態で同じ固有値（周波数）を有しているため、モード間の波数差Δｋは０になる。
【００６１】
図１１は、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ωに対するモード間の周波数差Δωの変化を示す図であり、図１２は、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。上記のように、モード間の波数差Δｋが０になるため、式（２）から回転角速度Ωに対する閾値も０となり、図１１に示すように、回転角速度Ωに対してモード間の周波数差Δωは、Ω＝０から比例して増加することがわかる。このとき、定在波であったモードは、図１２の（ａ）に示すＣＷ波に対応したモード及び（ｂ）に示すＣＣＷ波に対応したモードとなり、回転角速度Ωが作用したとたん、ＣＷおよびＣＣＷの回転波に変化することがわかる。
【００６２】
この結果、サニャック効果が観測されるための閾値Ωｔｈを０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。また、９０度以下の回転に対して対称な形状は、（３６０／２ｎ＋１）度又は（３６０／（３×２ｎ））度（ｎは、１以上の整数）の回転に対して対称な共振器すべてが満足し、この場合も、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
上記の本発明の原理に基づき、本実施の形態の構成及び効果を説明すると、以下のようになる。図３を用いて説明したように、共振器となる活性層２６は、水平方向の一点鎖線で示す中心線に対して鏡映対称であり、同様に垂直方向の中心線に対しても鏡映対称であるため、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器となっている。このとき、活性層２６中には、時計回りと反時計回りとの光が存在する正方形の光路ＬＰが形成される。
【００６４】
したがって、活性層２６が回転されるとき、ＣＷ波とＣＣＷ波との間の周波数差は、正方形の光路ＬＰで囲まれた面積と、その周の長さとに依存する比例係数をもって、回転角速度に対して増加することになる。そして、その周波数差を観測するための４個の光検出器１５が活性層２６の四つのハーフミラー面ＨＭの近傍に配置され、光検出器１５を含めて９０度回転対称性が実現されている。このように、９０度の回転に対して対称な形状の活性層２６及び光検出器１５をその対称性を保つように形成及び配置することにより、サニャック効果が観測されるための回転角速度に対する閾値を０にすることができる。
【００６５】
上記のように、本実施の形態では、活性層２６は、９０度回転させた場合に回転前後で一致する形状を有し、光検出器１５も９０度回転させた場合に回転前後で一致する位置に配置されているので、活性層２６及び光検出器１５が９０度回転対称性を満足し、ロックイン現象が発生する閾値を０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００６６】
次に、本発明の光ジャイロにおける形状及び光学特性の回転対称性と閾値との関係についてさらに詳細に検討する。まず、光ジャイロの共振器すなわちキャビティの形状を変化させて形状の回転対称性を崩した場合の閾値の変化について検討する。上記のように活性層２６は、所定の曲率を組み合わせた曲面を有しており、このような形状を有するキャビティの端面の曲率を変化させた場合における閾値の変化は、以下のようになる。
【００６７】
図１３は、９０度の回転に対して対称な形状を有するキャビティの一例を示す模式図である。図１３に示す形状を有するキャビティＣＶの場合、光を反射する端面ＲＰが四つあり、各端面ＲＰにおける曲率が等しく設計される。光は、図示のような正方形の光路ＬＰを取り、この場合も、サニャック効果が観測されるための回転角速度に対する閾値Ωｔｈは０となる。
【００６８】
図１４は、図１３に示すキャビティの形状変化を説明するための模式図である。図１４の（ａ）に示すキャビティ（図１３に示すキャビティ）が、図１４の（ｂ）に示すように変形された場合、光を反射させるための四つの端面ＲＰのうち二つの曲率が変化して回転対称性が崩される。
【００６９】
ここで、図１３に示すキャビティＣＶの中心から光路ＬＰまでの距離をａ、ｂとし、これらのａ、ｂを変化させて形状の回転対称性を変化させると、上記の曲率の変形率εは、ε＝（１／２）×（１−（ｂ／ａ）２）１／２×１００（％）と定義することができる。この場合、回転対称性の崩れに対する閾値Ωｔｈの変化は、キャビティの大きさ、光路長、屈折率等に依存し、９０度回転対称なキャビティに対して下記のように表される。
【００７０】
【数４】
【００７１】
ここで、Ｌは光路ＬＰの長さ、Ａは光路ＬＰによって囲まれた面積、ｋは光の波数、ｃは光速度である。また、α及びβはキャビティの形状に依存するパラメータであり、αは下記式で表される。
【００７２】
【数５】
【００７３】
ここで、Ｒ（θ）は、キャビティの形状を極座標表示（ｒ，θ）にしたものであり、δＲ（θ）は、回転対称性を崩したキャビティの形状Ｒ’（θ）とＲ（θ）との差（δＲ（θ）＝Ｒ’（θ）−Ｒ（θ））である。特に、この場合、Ｒ（θ）＝ｒ０×（１＋ε１ｃｏｓ４θ）、δＲ（θ）＝ｒ０ε０ｃｏｓ２θであり、また、ｒ０＝６．２８μｍ、ε１＝０．０４、ε０＝ε、＜（δＲ（θ）／Ｒ（θ））２＞＝（１／２π）∫ａ０ａ１（δＲ（θ）／Ｒ（θ））２ｄθ（ここで、ａ０＝０、ａ１＝２π）である。
【００７４】
また、βの値は、キャビティ中の光線軌跡におけるバーコフ座標で表示されたポアンカレ断面上の全面積に対する４周期トーラスが占める面積比として与えられ、本例の場合、α＝２×１０−３、β＝０．０１である。
【００７５】
光路長Ｌ及び面積Ａは、キャビティの大きさに依存するパラメータであるため、式（４）より、これらが大きくなるにつれて、回転対称性の崩れに対する閾値の増加は小さくなることがわかる。なお、式（４）は、６０度等の回転対称性を有するキャビティに対しても同様に適用することができる。
【００７６】
上式は、以下に説明する一般的な対称性の変化に対する閾値の変化に基づくものである。すなわち、極座標表示（ｒ，θ）を用いてキャビティの形状をｒ＝Ｒ（θ）とし、形状Ｒ（θ）から形状Ｒ（θ）＋δＲ（θ）へ変化した場合における閾値Ωｔｈは、下記のように表すことができる。
【００７７】
【数６】
【００７８】
ここで、Ｊｍはｍ次のベッセル関数であり、ｋｍ２＝ｎ２ｋ２−２ｋｍΩ／ｃ（Ωは回転加速度）、ａｎは回転角速度０における対称な形状のキャビティの波動関数ψを用いてａｎ＝Σｍ＝−∞∞∫０２πψ／Ｊｍｅｉ（ｍ−ｎ）ｄθと書き表される量である。
【００７９】
図１５は、式（４）を用いて算出した閾値Ωｔｈと曲率の変形率εとの関係を示す図である。図１５に示す例は、図１３に示す対角長ｌａが６．２８μｍである９０度回転対称なキャビティ（図１３に示す形状を有するキャビティ）において、光の波長λ＝０．８μｍとしたときに、閾値Ωｔｈ（ｒａｄ／ｓ）と曲率の変形率ε（％）との関係を示すものである。
【００８０】
図１５から、形状における９０度回転対称性を完全に満足しているときに、０であった閾値Ωｔｈは、変形率εの増加に比例して増加していき、１．５×１０−８（％）の崩れに対して１（ｒａｄ／ｓ）に上昇した。この結果、例えば、曲率の変形率εは１．５×１０−８（％）以下であることが好ましく、この場合、従来の光ジャイロにおいて７００度／秒であった閾値Ωｔｈを６０度／秒以下にすることができるとともに、超小型の半導体レーザジャイロを実現することができる。
【００８１】
また、回転対称性を考慮していない従来のロックイン現象の閾値ΩＬは、例えば、「Ｆ．Ａｒｏｎｏｗｉｔｚ，ＬＡＳＥＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ（１９７１）」においてＨｅ−Ｎｅレーザジャイロに対して、ΩＬ＝ｃλ２ｒＳ／（３２πＡｄ）と与えられている。ここで、ｃは光の速度、λは光の波長、Ａは光が囲む面積、ｄは光ビームの直径、ｒＳはＣＷ（又はＣＣＷ）方向回転のレーザ光がＣＣＷ（又はＣＷ）方向のレーザ光に結合する割合を表す後方散乱係数（ｍｉｒｒｏｒ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）（％）である。
【００８２】
例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザの場合、ｃ＝３．０×１０８（ｍ／ｓ）、λ＝０．６３２（μｍ）、ｄ＝０．０５（ｃｍ）、ｒＳ＝０．０１であり、回転対称性を考慮していない従来の閾値ΩＬ＝５００（ｄｅｇ／ｈ）となり、非常に現実の値に近い正確な見積もりを与える。
【００８３】
図１３に示す形状を有する共振器の場合、ｄ＝１．５（μｍ）、ｒＳ＝０．０２とすると、上式から、ΩＬ＝２．２×１０８（ｒａｄ／ｓ）となり、一方、図１４に示すキャビティの形状変化によって回転対称性を崩した場合の閾値Ωｔｈを、式（４）を用いて算出すると、閾値ΩｔｈがΩｔｈ＜ΩＬを満たすための変形率εは、３．１４（％）以下となる。この場合、従来の回転対称性を考慮していない場合の閾値ΩＬより閾値Ωｔｈを小さくすることができる。
【００８４】
また、上記と同様に、例えば、相対的な揺らぎの大きさを＜（δＲ（θ）／Ｒ（θ））２＞１／２とし、式（６）から算出した回転対称性を崩した場合の閾値ΩｔｈがΩｔｈ＜ΩＬを満たすように、この値の範囲を設定するようにしてもよい。さらに、後述する光学的な回転対称性についても上記と同様である。
【００８５】
次に、光ジャイロのキャビティの透過率を変化させて光学的な回転対称性を崩した場合の閾値について検討する。上記のように活性層２６は、四つのハーフミラー面ＨＭを備えており、このようなミラーの透過率を変化させた場合における閾値の変化は、以下のようになる。
【００８６】
図１６は、光学的に９０度回転対称性を有するように配置された４枚のミラーから構成されるキャビティを示す模式図である。図１６に示すように、４枚のミラーＭ１〜Ｍ４が９０度回転対称性を有するように配置され、ミラーＭ１の透過率を他のミラーＭ２〜Ｍ４の透過率と異なるように変化させた場合を考えると、キャビティの形状の回転対称性は維持されるが、光学特性における回転対称性が崩される。
【００８７】
上記のように、１枚のミラーＭ１のみ透過率を変化させて、キャビティの回転対称性を崩した場合の閾値Ωｔｈは、下記式で表される。
【００８８】
【数７】
【００８９】
ここで、ＴはミラーＭ１の透過率、ｎ１はミラーＭ１の屈折率、λは光の波長、ｃは光の速度、ｎ２は光路ＬＰの屈折率、Ａは光路ＬＰによって囲まれた面積である。
【００９０】
さらに、他のミラーの透過率を変化させた場合、変化させたミラーの透過率をＴ’、屈折率をｎ１’、一つ目のミラーの透過率の変化によって回転対称性を変化させたときの閾値をΩｔｈ（１）とすると、この場合の閾値Ωｔｈは、下記式で表される。
【００９１】
【数８】
【００９２】
上記の各式より、透過率を変化させてキャビティの光学的な回転対称性を崩した場合の閾値Ωｔｈは、キャビティの形状及びミラーの数に依存しないことがわかる。
【００９３】
図１７は、式（７）を用いて算出した閾値Ωｔｈとミラーの透過率Ｔとの関係を示す図である。図１７に示す例は、図１６に示す９０度回転対称性を有するキャビティに対して一つのミラーＭ１のみ、その透過率Ｔを変化させたときに、ｎ１＝ｎ２＝１、λ＝０．６３２μｍ、ｃ＝３．０×１０８（ｍ／ｓ）、Ａ＝５２．４ｃｍ２に設定し、閾値Ωｔｈ（ｄｅｇ／ｓ）と透過率Ｔ（ｐｐｍ）との関係を示すものである。
【００９４】
図１７から、光学特性における９０度回転対称性を完全に満足しているときに、０であった閾値Ωｔｈは、透過率Ｔの増加に比例して増加していき、５０（ｐｐｍ）の崩れに対して０．０２５（ｄｅｇ／ｓ）に上昇した。この結果、例えば、ミラーの透過率Ｔは５０（ｐｐｍ）以下であることが好ましく、この場合、従来の光ジャイロにおいて７００度／秒であった閾値Ωｔｈを０．０２５度／秒以下にすることができ、閾値を非常に小さくすることができる。
【００９５】
上記の例は、共振器内に光源を有するアクティブ型の半導体レーザジャイロについて説明したが、本発明が適用される光ジャイロは、この例に特に限定されず、例えば、共振器外に光源を有するパッシブ型の光ジャイロ等にも同様に適用することができ、以下、この具体例について説明する。
【００９６】
図１８は、本発明の第２の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。図１８に示す光ファイバジャイロは、光ファイバリング共振器の鋭い共振特性によって感度向上を図る共振方式の光ファイバジャイロ（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−ＦＯＧ）であり、４個のレーザ４１ａ〜４１ｄ、４組の光検出器４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄ、４組の光結合器４４ａ〜４４ｄ、４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄ、及び光ファイバリング共振器４８を備える。
【００９７】
従来の共振方式の光ファイバジャイロ（Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏ：ＦＯＧ）では、１個のレーザを用いて光を入力し、１組の光検出器を用いて回転角速度を観測していたが、本実施の形態では、円形の光ファイバリング共振器４８を中心にして、光の入力部となる４個のレーザ４１ａ〜４１ｄ、光の検出部となる４組の光検出器４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄ（例えば、光検出器４２ａ及び４３ａが一組）、及び４組の光結合器４４ａ〜４４ｄ、４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄを９０度間隔でそれぞれ配置することにより、すべての構成要素が９０度回転対称性を満足するように配置されている。この結果、本実施の形態でも、円形の光路が形成され、光の入力部及び出力部を含めて９０度回転対称性を満足することができるので、第１の実施の形態と同様に、ロックイン現象が発生する閾値を０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００９８】
図１９は、本発明の第３の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。図１９に示す光ファイバジャイロは、光ファイバ共振器中で生じる誘導ブリルアン散乱によりレーザ発振を得て、その発振周波数変化から回転を検出する誘導ブリルアン散乱方式の光ファイバジャイロ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ−ＦＯＧ）であり、４個のレーザ５１ａ〜５１ｄ、４個の光検出器５２ａ〜５２ｄ、４個の光学フィルタ５３ａ〜５３ｄ、４組の光結合器５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ、及び光ファイバ共振器５６を備える。
【００９９】
従来の誘導ブリルアン散乱方式の光ファイバジャイロでは、１個のレーザを用いて光を入力し、１個の光検出器を用いて回転角速度を観測していたが、本実施の形態では、円形の光ファイバ共振器５６を中心にして、光の入力部となる４個のレーザ５１ａ〜５１ｄ、光の検出部となる４個の光検出器５２ａ〜５２ｄ、４個の光学フィルタ５３ａ〜５３ｄ、及び４組の光結合器５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ（例えば、光結合器５４ａ及び５５ａが一組）を９０度間隔でそれぞれ配置することにより、すべての構成要素が９０度回転対称性を満足するように配置されている。この結果、本実施の形態でも、円形の光路が形成され、光の入力部及び出力部を含めて９０度回転対称性を満足することができるので、第１の実施の形態と同様に、ロックイン現象が発生する閾値を０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【０１００】
なお、上記各実施の形態では、光検出器を共振器外に別途設けたが、この例に特に限定されず、例えば、光検出器を省略し、第１の実施の形態の第１及び第２の電極１３、１４に一定電流を印加し、そのときの電圧変動を基に角速度を計測するようにしてもよい。
【０１０１】
また、上記の各実施の形態では、９０度回転対称性を有する光ジャイロについて説明したが、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有していれば、ミラー部を３箇所にする等の種々の変更が可能である。
【０１０２】
また、本発明が適用される光ジャイロは、上記の例に特に限定されず、ミリ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、γ線等を観測光として用いる種々の光ジャイロに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザジャイロの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示すＩ−Ｉ線における断面を模式的に示す図である。
【図３】図１に示す半導体レーザの活性層を上方から見たときに活性層及び活性層内に形成される光路を模式的に示す平面図である。
【図４】図２に示す半導体層のバンドギャンプのプロファイルを示す模式図である。
【図５】図２に示すクラッド層からクラッド層までの屈折率の変化を示す模式図である。
【図６】図１に示す半導体レーザジャイロのパッキング例を示す一部断面斜視図である。
【図７】略楕円形状を有する共振器の波動関数を示す図である。
【図８】回転角速度Ωに対するモード間の周波数差Δωの変化を示す図である。
【図９】回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。
【図１０】９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ω＝０のときに縮退している二つの波動関数を示す図である。
【図１１】回転角速度Ωに対する図１０に示すモード間の周波数差Δωの変化を示す図である。
【図１２】９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。
【図１３】９０度の回転に対して対称な形状を有するキャビティの一例を示す模式図である。
【図１４】図１３に示すキャビティの形状変化を説明するための模式図である。
【図１５】式（４）を用いて算出した閾値Ωｔｈと曲率の変形率εとの関係を示す図である。
【図１６】光学的に９０度回転対称性を有するように配置された４枚のミラーから構成されるキャビティを示す模式図である。
【図１７】式（７）を用いて算出した閾値Ωｔｈとミラーの透過率Ｔとの関係を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。
【図２０】従来のリングレーザジャイロの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ 半導体レーザ
１１ 基板
１２ 絶縁層
１３ 第１の電極
１４ 第２の電極
１５ 光検出器
２０ 半導体層
２１ バッファ層
２２ バッファ層
２３ グレーデッド層
２４ クラッド層
２５ グレーデッド層
２６ 活性層
２７ グレーデッド層
２８ クラッド層
２９ キャップ層
４１ａ〜４１ｄ レーザ
４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄ 光検出器
４４ａ〜４４ｄ、４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄ 光結合器
４８ 光ファイバリング共振器
５１ａ〜５１ｄ レーザ
５２ａ〜５２ｄ 光検出器
５３ａ〜５３ｄ 光学フィルタ
５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ 光結合器
５６ 光ファイバ共振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果を利用して角速度を検出する光ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サニャック効果を利用して角速度を検出する従来の光ジャイロとしては、例えば、特許文献１に開示されるリングレーザジャイロがある。このリングレーザジャイロは、角速度の入力により生じる右回り及び左回りの両レーザ光の発振周波数差を、それら二つのレーザ光の重ね合わせにより生じる干渉縞をフォトセンサで検出することによって検出するものである。また、入力角速度を検出するときに、フォトセンサの検出出力からローパスフィルタにより低周波成分を取り出し、それを反転バッファにより反転してフォトセンサの検出出力に加算している。この結果、リング状光路が形成されたブロックに衝撃によって生じるたわみにより発生する検出出力のパワー変動が除去され、衝撃が加わっても精度良く入力角速度を検出することができる。
【０００３】
図２０は、上記のような従来のリングレーザジャイロの構成を示す模式図である。図２０に示すリングレーザジャイロでは、ミラーＭ１、Ｍ２及びハーフミラーＨＭにより形成される経路をＨｅ−ＮｅレーザＬＡから出射されるレーザ光が互いに異なる方向に伝播し、その一部がハーフミラーＨＭを透過し、さらに、プリズムＰＭを透過して干渉縞が形成される。この干渉縞がパターンを変えずに二つの回転波の周波数差と同じ速度で左右に移動し、干渉縞の移動速度及び移動方向を検出することにより、回転速度及び回転方向が検出される。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１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、上記のリングレーザジャイロでは、光路を形成する３枚のミラーのうち一つが光学特性の異なるハーフミラーＨＭから構成され、受光部分も一つしか設けられていないため、光学的及び形状的に回転対称となっておらず、低角速度領域においてロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）現象が発生し、所定の閾値、例えば、７００度／秒以下の角速度を検出することができない。
【０００５】
本発明の目的は、ロックイン現象を抑制して検出可能な角速度を低くすることができる光ジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光ジャイロは、サニャック効果を利用して角速度を検出する光ジャイロであって、進行方向の異なる光を所定経路内で伝播させる共振器を備え、前記共振器における光の経路が、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有するものである。
【０００７】
本発明に係る光ジャイロにおいては、共振器における光の経路が１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有しているので、ロックイン現象を抑制して検出可能な角速度を低くすることができる。なお、本明細書における「光」とは、いわゆる可視光のみを意味するものではなく、電界と磁界との変化が波動として媒質内を伝わっていく電磁波のうち、ミリ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、γ線等を含むものである。また、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有する光路には、円形、多角形等の種々形状を有する光路を含む。
【０００８】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有することが好ましく、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有することがより好ましい。前者の場合、ロックイン現象が発生する閾値を低下させることができ、後者の場合、ロックイン現象が発生する閾値をより低下させることができる。
【０００９】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、（３６０／２ｎ＋１）度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有することが好ましく、また、（３６０／（３×２ｎ））度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有するようにしてもよい。これらの場合、ロックイン現象が発生する閾値を実質的に０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００１０】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の光学特性が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値を低下させることができる。
【００１１】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の反射率及び透過率が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値をより低下させることができる。
【００１２】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の形状が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値を低下させることができる。
【００１３】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の反射率及び透過率が実質的に同一であることが好ましい。この場合、ロックイン現象が発生する閾値をより低下させることができる。
【００１４】
前記共振器は、第１及び第２のレーザ光を発生する半導体レーザから構成され、前記半導体レーザは、活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第１及び第２の電極とを備え、前記第１のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、前記第２のレーザ光は、前記経路上を前記レーザ光とは逆方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であることが好ましい。この場合、印加された回転場に対してその角速度を検出できる高精度で小型の半導体レーザジャイロを実現できる。
【００１５】
前記活性層は、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有し、前記活性層の各ハーフミラー部を透過した光を検出する複数の光検出器が、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する位置に配置されることが好ましい。この場合、光を伝播させる媒質（キャビティ）として機能する活性層と、光検出器とが、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有しているので、ロックイン現象が発生する閾値を実質的に０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００１６】
前記回転対称性は、ｃを光の速度、λを光の波長、Ａを光が囲む面積、ｄを光ビームの直径、ｒＳをＣＷ（又はＣＣＷ）方向回転の光がＣＣＷ（又はＣＷ）方向の光に結合する割合を表す後方散乱係数（％）としたときに、ΩＬ＝ｃλ２ｒＳ／（３２πＡｄ）により算出される基準閾値ΩＬより低いロックイン現象の閾値を有する範囲で変更されることが好ましい。この場合、回転対称性を崩してその完全性を形状又は光学特性において緩和することができ、光ジャイロを容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、共振器における光の経路が１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有しているので、ロックイン現象を抑制して検出可能な角速度を低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した光ジャイロの各実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による半導体レーザジャイロの構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示すＩ−Ｉ線における断面を模式的に示す図である。なお、本発明の説明に用いる各図面は模式的なものであり、理解が容易なように各部の縮尺を適宜変更している。
【００１９】
図１に示す半導体レーザジャイロは、基板１１と、基板ｌｌ上に形成された半導体層２０と、半導体層２０上に形成された絶縁層１２と、正極となる第１の電極１３と、基板１１の裏面側の全面に形成された負極となる第２の電極１４とを備える半導体レーザ１０と、基板１１の上にモノシリックに形成された４個の光検出器１５とから構成され、半導体レーザ１０は、進行方向の異なる光を所定経路内で伝播させる共振器として機能する。
【００２０】
基板１１は、単結晶のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から成る。半導体層２０は、後述するようにＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＳＱＷ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ−Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）から成る。絶縁層１２は、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から成る。第１の電極１３は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る。第２の電極１４は、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉから成る。なお、第１の電極１３及び第２の電極１４を構成する各層は、熱処理によって合金化されていてもよく、半導体レーザ１０に求められる特性に応じて適宜変更される。
【００２１】
絶縁層１２の膜厚は、０．４μｍである。第１の電極１３の膜厚は、全体で０．７２μｍである。そして、第１の電極１３を構成するＴｉの膜厚は、０．０７μｍであり、Ｐｔの膜厚は、０．０５μｍであり、Ａｕの膜厚は０．６μｍである。第２の電極１４の膜厚は、全体で０．６２μｍである。そして、第２の電極１４を構成するＡｕの膜厚は、０．５μｍであり、Ｇｅの膜厚は、０．１μｍであり、Ｎｉの膜厚は、０．０２μｍである。
【００２２】
図２を参照して、半導体層２０は、基板１１側から順に積層された、バッファ層２１、バッファ層２２、グレーデッド層２３、クラッド層２４、グレーデッド層２５、活性層２６、グレーデッド層２７、クラッド層２８及びキャップ層２９を含む。キャップ層２９の上には、パターニングされた絶縁層１２が形成されている。絶縁層１２上には、第１の電極１３が形成されている。絶縁層１２には貫通孔が形成されているため、第１の電極１３とキャップ層２９とは、貫通孔が形成されている領域３１で接触する。
【００２３】
バッファ層２１は、シリコン（Ｓｉ）をドープしたｎ型ＧａＡｓから成り、膜厚は、０．２μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は、３×１０１８ｃｍ−３である。バッファ層２２は、Ｓｉをドープしたｎ型アルミニウムガリウムヒ素（ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ）から成り、膜厚は、１．０μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は、１×１０１８ｃｍ−３である。
【００２４】
グレーデッド層２３は、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、膜厚は、０．２μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は１０１８ｃｍ−３台である。また、アルミニウム（Ａｌ）の組成比ｘは、バッファ層２２側からクラッド層２４側に向かって徐々に増加する。具体的には、組成比ｘは、バッファ層２２との界面では０．２であり、クラッド層２４との界面では０．５である。バッファ層２１及び２２並びにグレーデッド層２３は、品質が高いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を得るために形成される。
【００２５】
クラッド層２４は、Ｓｉをドープしたｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓから成り、膜厚は、１．５μｍである。そして、多数キャリアである電子の密度は、１０１８ｃｍ−３台である。グレーデッド層２５は、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、膜厚は、０．２０２μｍである。そして、グレーデッド層２５においては、ドーパントであるＳｉの濃度は、クラッド層２４から活性層２６へ向けて徐々に減少され、クラッド層２４との界面では約１×１０１８ｃｍ−３であり、活性層２６との界面では約１×１０１７ｃｍ−３である。また、グレーデッド層２５のＡｌの組成比ｘも、クラッド層２４から活性層２６へ向けて放物線状に減少され、クラッド層２４との界面では０．５であり、活性層２６との界面では０．２である。
【００２６】
活性層２６は、ノンドープのＧａＡｓから成り、膜厚は、０．０１μｍである。グレーデッド層２７は、ベリリウム（Ｂｅ）をドープしたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、膜厚は、０．２０２μｍである。そして、グレーデッド層２７においては、ドーパントであるＢｅの濃度は、活性層２６からクラッド層２８へ向けて徐々に増加され、活性層２６との界面では約１×１０１７ｃｍ−３であり、クラッド層２８との界面では約１×１０１８ｃｍ−３である。また、グレーデッド層２７のＡｌの組成比ｘも、活性層２６からクラッド層２８へ向けて放物線状に増加され、活性層２６との界面では０．２であり、クラッド層２８との界面では０．５である。
【００２７】
クラッド層２８は、Ｂｅをドーピングしたｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓから成り、膜厚は、１．５μｍである。そして、多数キャリアである正孔の濃度は、１０１８ｃｍ−３台である。キャップ層２９は、Ｂｅをドーピングしたｐ型ＧａＡｓから成り、膜厚は、０．２μｍである。そして、多数キャリアである正孔の濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。
【００２８】
活性層２６は、グレーデッド層２５とグレーデッド層２７とによって挟み込まれており、グレーデッド層２５、活性層２６及びグレーデッド層２７は、いわゆる単一量子井戸（ＳＱＷ：ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を構成する。また、クラッド層２４及びグレーデッド層２５は、活性層２６を中心にしてそれぞれクラッド層２８及びグレーデッド層２７と対称に形成される。
【００２９】
つまり、クラッド層２４は、クラッド層２８と同じ膜厚及び同じＡｌ組成比ｘを有する。そして、クラッド層２４の多数キャリア密度も、電子と正孔との違いを除けば、クラッド層２８の多数キャリア密度である１０１８ｃｍ−３台と同じ１０１８ｃｍ−３台である。また、グレーデッド層２５は、グレーデッド層２７と同じ膜厚を有し、グレーデッド層２７におけるＡｌの組成比ｘの変化（活性層２６側：０．２→クラッド層２８側：０．５）と対称なＡｌの組成比ｘの変化（活性層２６側：０．２→クラッド層２４側：０．５）を有する。そして、グレーデッド層２５は、グレーデッド層２７におけるドーパント（Ｂｅ）濃度の変化（活性層２６側：約１×１０１７ｃｍ−３→クラッド層２８側：約１×１０１８ｃｍ−３）と対称なドーパント（Ｓｉ）濃度の変化（活性層２６側：約１×１０１７ｃｍ−３→クラッド層２４側：約１×１０１８ｃｍ−３）を有する。
【００３０】
図３は、図１に示す半導体レーザ１０の活性層２６を上方から見たときに活性層２６及び活性層２６内に形成される光路ＬＰを模式的に示す平面図である。図３に示すように、レーザ光を伝播させる媒質（キャビティ）として機能する活性層２６は、光路ＬＰを含む面状に形成された薄膜であり、その外延が所定の曲率で形成された複数の曲面から構成され、９０度回転させた場合に回転前後で一致する形状を有している。すなわち、活性層２６は、９０度回転対称性を有し、図中に一点鎖線で示す２本の中心線に関して鏡面対称な形状を有している。
【００３１】
また、活性層２６には、光学特性として反射率及び透過率が等しい四つのハーフミラー面（端面）ＨＭが形成されており、各ハーフミラー面ＨＭは、外側に向かって凸の曲面から構成されている。四つのハーフミラー面ＨＭは、９０度回転させた場合に回転前後で一致する位置に配置され、９０度回転対称性を有している。
【００３２】
さらに、活性層２６の各反射部の近傍には、４個の光検出器１５が配置されている。４個の光検出器１５は、９０度回転させた場合に回転前後で一致する位置に配置され、９０度回転対称性を有している。なお、半導体層２０は、活性層２６と同じ平面形状を有し、第１の電極１３自体（図１参照）、及び第１の電極１３と半導体層２０（キャップ層２９）とが接触している領域（図２参照）も帯状の正方形形状を有している。
【００３３】
後述するように、第１の電極１３と第２の電極１４との間に電圧を印加して活性層２６にキャリアを注入すると、活性層２６で光が発せられる。この光は、グレーデッド層２５及び２７によって閉じ込められるため、活性層２６内を移動する。そのような光の中で、光路ＬＰを進行する光は、ハーフミラー面ＨＭによって反射されながら誘導放出を生じる。このため、光路ＬＰ上に分布するレーザ光が発生する。レーザ光の一部は、各ハーフミラー面ＨＭから出射され、対応する光検出器１５へ入力される。このように、活性層２６内で発生されたレーザ光は、四つのハーフミラー面ＨＭにより反射され、活性層２６内の光路ＬＰは、正方形をなし、９０度回転させた場合に回転前後で一致する９０度回転対称性を有している。
【００３４】
図４は、図２に示す半導体層２０のバンドギャンプのプロファイルを示す模式図である。グレーデッド層２５のバンドギャップは、クラッド層２４から活性層２６側に向かって２．０ｅＶから１．７ｅＶまで放物線状に減少する。グレーデッド層２７のバンドギャップは、活性層２６からクラッド層２８側に向かって１．７ｅＶから２．０ｅＶまで放物線状に増加する。半導体レーザ１０は、単一量子井戸形のレーザであり、第１の電極１３と第２の電極１４から注入されたキャリアは、活性層２６に閉じ込められ、低い閾値電流でレーザ発振が開始される。なお、活性層２６は、多重量子井戸形などの他の形態であってもよい。
【００３５】
図５は、図２に示すクラッド層２４からクラッド層２８までの屈折率の変化を示す模式図である。クラッド層２４、グレーデッド層２５、グレーデッド層２７及びクラッド層２８は、活性層２６内に光を閉じこめるために、活性層２６よりも屈折率が低い材料からなる。活性層２６の屈折率が最も高いため、活性層２６で発生した光は、活性層２６に閉じ込められる。
【００３６】
半導体レーザ１０では、注入される電流が閾値電流を超えると、光路ＬＰ上に分布する二つの定在波モードの発振を開始する。これら二つのモードは、回転場に対して後述する理論に従い、それぞれ時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）に周回するモードに変化する。したがって、本実施の形態では、通常、半導体レーザ１０を閾値電流以上で動作させる。例えば、第１の電極１３と第４の電極１４との間に、２００ｍＡの電流を流すことによって、半導体レーザ１０を発振させることができる。
【００３７】
光検出器１５は、複数の受光素子を備える２チャンネルの光検出器から構成され、例えば、フォトダイオードから構成され、半導体レーザ１０と同じ積層構造を有し、半導体レーザ１０を形成する製造工程で半導体レーザ１０とともに形成される。半導体レーザ１０から出射されたレーザ光は、各ハーフミラー面ＨＭの近傍で規則正しい干渉縞（余弦波）を生じる。
【００３８】
したがって、光検出器１５は、二つ以上の受光素子を干捗縞の移動方向に配置されることによって、干渉縞の移動速度に加えて干渉縞の移動方向を検出することができる。本実施の形態では、各光検出器１５は、レーザ光が出射されるハーフミラー面ＨＭに近接して配置され、そのうちの１個の光検出器１５の出力を用いて、干渉縞の移動方向及び移動速度を検出することにより角速度を検出する。すなわち、当該光検出器１５は、干渉縞の光量の強弱に応じた信号を出力し、干渉縞が移動すると、入力される光量が周期的に変化するため、干渉縞の移動速度を算出できる。この結果、活性層２６の表面と平行な面内における回転方向と回転速度とが算出され、角速度を検出することができる。
【００３９】
なお、干渉縞の移動速度を精度よく検出するために、光検出器の受光領域のサイズは、干渉縞の周期長や、光検出器の受光感度を考慮して決定される。通常、受光領域のサイズは、干渉縞の周期長の５分の１程度以下とすることが好ましい。また、光検出器は、上記の例に特に限定されず、種々の光検出器を用いることができ、例えば、フォトトランジスタ等の半導体受光素子を用いてもよい。また、必要に応じて、レンズ、プリズム等を配置し、レンズ、プリズム等を透過したレーザ光を光検出器により検出するようにしてもよい。
【００４０】
また、本実施の形態の半導体レーザジャイロの製造方法として、公知の半導体製造方法を用いることができ、例えば、特開２００４−２３５３３９号公報に開示される半導体レーザと同様の製造方法を用いることができるので、詳細な説明は省略する。
【００４１】
次に、上記のように構成された半導体レーザジャイロのパッキング例について説明する。図６は、図１に示す半導体レーザジャイロのパッキング例を示す一部断面斜視図である。図６に示すように、半導体レーザ１０と光検出器１５とがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロ１１０は、カバー１１１と、円形のステム１１２とによって、パッケージ（いわゆるＣＡＮパッケージ）される。なお、カバー１１１は、その一部を切断して内部を解放した状態を示している。
【００４２】
ステム１１２には、４本の端子１１４が固定され、４本の端子１１４はそれぞれ、第１の電極１３、第２の電極１４、光検出器１５の二つの受光素子に接続されている。なお、端子１１４の接続方法は一例であり、種々の変更が可能であり、また、円形のステム１１２の直径に限定はないが、規格で決められたサイズ、たとえは直径５．６ｍｍとすることができる。
【００４３】
次に、本発明によるサニャック効果におけるロックイン現象の抑制原理について説明する。従来のサニャック効果に対する理論は、光ジャイロに使用される共振器のサイズが光の波長に比べて十分大きいこと、さらに、光は共振器中で１次元的にしか伝播しないことを仮定して導き出されたものであり、この理論は、幾何光学的な近似が成立する領域に対してのみ有効である。
【００４４】
一方、本願発明者らは、サニャック効果を与える方程式を厳密に解き、当該方程式を波動光学的に調べることにより、サニャック効果が回転角速度に対する閾値現象として現れることを理論的及び数値実験的に明らかにし、回転角速度に対する閾値が共振器の形状の対称性に依存することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００４５】
すなわち、サニャック効果は、一般相対性理論から導き出された回転座標系における下記のＭａｘｗｅｌｌ（−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ）方程式を直接的に解くことにより与えられる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
ここで、共振器が２次元的であることを仮定し、上式において、ψ、ｋ、ｎ、ｈは、それぞれ電場、波数、共振器内の屈折率、そして、ｈ＝（ｒ×Ω）／ｃ（Ω＝（０，０，Ω）は共振器に対して垂直な回転角速度ベクトル）である。
【００４８】
本理論と従来の理論とで異なる点は、回転角速度Ω＝０の時の共振モードが、時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）とに１次元的に伝播する光の状態であるという仮定を用いずに、直接的に式（１）の解を求めている点である。本理論では、Ω＝０に対する式（１）の解は、ＣＷ波やＣＣＷ波ではなく、準縮退状態にある二つの定在波モードとして与えられる。
【００４９】
上記の解法により、初めてサニャック効果が回転角速度に対して閾値現象として現れることが明らかにされ、回転角速度Ωに対する閾値Ωｔｈは、下記式で与えられる。
【００５０】
【数２】
【００５１】
ここで、ψαとψβは、静止状態の共振器に対する準縮退した二つの定在波モードの波動関数であり、Δｋは、その二つの定在波モードの固有値の波数である。
【００５２】
まず、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも小さい場合を考える。この場合、回転場のための時空の歪みを表す項ｈを式（１）に対して摂動と見做し、Ω＝０の共振器に対する定在波モードを基底にして通常の摂動論を展開することができる。この計算の結果として、回転角速度Ωに対する定在波モードの周波数シフトδωが０になるという結果が導かれ、回転角速度Ωに対してモード間の周波数差は変化しないため、閾値以下では、サニャック効果は生じない。この結果は、定在波がＣＷ波及びＣＣＷ波の重ね合わせであると解釈できるため、共振器におけるモードが定在波であることに由来するものである。
【００５３】
次に、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなった場合を考える。この場合、従来の摂動論における展開は、近縮退状態の存在によって破綻することが数学的に保証されるため、この領域では、近縮退状態における摂動論によって式（１）を解かなければならない。この摂動論によれば、近縮退状態にある共振器モードが摂動を受けた場合、摂動後の共振器モードは、無摂動の共振器モードの重ね合わせによって表現されなければならないことが知られている。
【００５４】
この場合、近縮退状態にあった二つの定在波モードは、回転場という摂動によって重ね合わされることにより、ＣＷ波及びＣＣＷ波の回転波として表現され、この領域に対して従来の理論が適用されることになる。実際、計算の結果、回転する場に対する式（１）の解である共振器モード間の周波数差は、下記のように、回転角速度Ωに対する周波数差Δωとして与えられ、回転角速度に比例して増加する効果として、サニャック効果が観測されることとなる。
【００５５】
【数３】
【００５６】
上記の検討結果において最も重要な点は、サニャック効果が観測されるための閾値Ωｔｈが二つのモード間の波数の差Δｋに依存していることである。ここで、Δｋは、共振器の対称性に依存した値であるため、共振器の形状の対称性及び／又は共振器等の光学的な対称性を調整することにより、低閾値の光ジャイロを実現することができることがわかった。
【００５７】
図７は、略楕円形状を有する共振器の波動関数を示す図である。例えば、図７に白線で示すような略楕円形状を有する共振器に対して、回転角速度Ωが０のとき、式（１）を数値的に解くと、図７の（ａ）及び（ｂ）に示す準縮退した定在波のモードが得られる。なお、図７の（ａ）に示すモードの波数に対する固有値は、ｋＡＲ０＝４９．３３８０５８５であり、（ｂ）に示すモードの波数に対する固有値は、ｋＢＲ０＝４９．３３８０６１５であり、Ｒ０＝６．２８μｍである。
【００５８】
図８は、回転角速度Ωに対するモード間の周波数差Δωの変化を示す図であり、図９は、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。図８に示すように、回転角速度Ωが式（２）で計算される閾値Ωｔｈよりも小さい場合、共振器モード間の周波数差は変化しない。この場合、共振器モードも定在波のままである。しかしながら、回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなった場合、このモード間の周波数差は、回転角速度Ωに比例して増加することがわかる。このとき、定在波であったモードは、図９の（ａ）に示すＣＷ波に対応したモード及び（ｂ）に示すＣＣＷ波に対応したモードとなり、両者は、定在波から回転波に変化していることがわかる。
【００５９】
上記のように、Δｋは、共振器の対称性に依存した値を持つので、共振器の対称性を変化させることにより、閾値を０すなわちロックイン現象の発生を防止することができる。一例として、第１の実施の形態のように９０度回転対称な形状を有する共振器におけるサニャック効果について検討する。
【００６０】
図１０は、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ω＝０のときに縮退している二つの波動関数を示す図である。９０度回転対称な形状を有する共振器のモードは、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すようになり、この二つの定在波モードは、９０度の回転に対して同じパターンを有しており、同じ状態で同じ固有値（周波数）を有しているため、モード間の波数差Δｋは０になる。
【００６１】
図１１は、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ωに対するモード間の周波数差Δωの変化を示す図であり、図１２は、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。上記のように、モード間の波数差Δｋが０になるため、式（２）から回転角速度Ωに対する閾値も０となり、図１１に示すように、回転角速度Ωに対してモード間の周波数差Δωは、Ω＝０から比例して増加することがわかる。このとき、定在波であったモードは、図１２の（ａ）に示すＣＷ波に対応したモード及び（ｂ）に示すＣＣＷ波に対応したモードとなり、回転角速度Ωが作用したとたん、ＣＷおよびＣＣＷの回転波に変化することがわかる。
【００６２】
この結果、サニャック効果が観測されるための閾値Ωｔｈを０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。また、９０度以下の回転に対して対称な形状は、（３６０／２ｎ＋１）度又は（３６０／（３×２ｎ））度（ｎは、１以上の整数）の回転に対して対称な共振器すべてが満足し、この場合も、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
上記の本発明の原理に基づき、本実施の形態の構成及び効果を説明すると、以下のようになる。図３を用いて説明したように、共振器となる活性層２６は、水平方向の一点鎖線で示す中心線に対して鏡映対称であり、同様に垂直方向の中心線に対しても鏡映対称であるため、９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器となっている。このとき、活性層２６中には、時計回りと反時計回りとの光が存在する正方形の光路ＬＰが形成される。
【００６４】
したがって、活性層２６が回転されるとき、ＣＷ波とＣＣＷ波との間の周波数差は、正方形の光路ＬＰで囲まれた面積と、その周の長さとに依存する比例係数をもって、回転角速度に対して増加することになる。そして、その周波数差を観測するための４個の光検出器１５が活性層２６の四つのハーフミラー面ＨＭの近傍に配置され、光検出器１５を含めて９０度回転対称性が実現されている。このように、９０度の回転に対して対称な形状の活性層２６及び光検出器１５をその対称性を保つように形成及び配置することにより、サニャック効果が観測されるための回転角速度に対する閾値を０にすることができる。
【００６５】
上記のように、本実施の形態では、活性層２６は、９０度回転させた場合に回転前後で一致する形状を有し、光検出器１５も９０度回転させた場合に回転前後で一致する位置に配置されているので、活性層２６及び光検出器１５が９０度回転対称性を満足し、ロックイン現象が発生する閾値を０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００６６】
次に、本発明の光ジャイロにおける形状及び光学特性の回転対称性と閾値との関係についてさらに詳細に検討する。まず、光ジャイロの共振器すなわちキャビティの形状を変化させて形状の回転対称性を崩した場合の閾値の変化について検討する。上記のように活性層２６は、所定の曲率を組み合わせた曲面を有しており、このような形状を有するキャビティの端面の曲率を変化させた場合における閾値の変化は、以下のようになる。
【００６７】
図１３は、９０度の回転に対して対称な形状を有するキャビティの一例を示す模式図である。図１３に示す形状を有するキャビティＣＶの場合、光を反射する端面ＲＰが四つあり、各端面ＲＰにおける曲率が等しく設計される。光は、図示のような正方形の光路ＬＰを取り、この場合も、サニャック効果が観測されるための回転角速度に対する閾値Ωｔｈは０となる。
【００６８】
図１４は、図１３に示すキャビティの形状変化を説明するための模式図である。図１４の（ａ）に示すキャビティ（図１３に示すキャビティ）が、図１４の（ｂ）に示すように変形された場合、光を反射させるための四つの端面ＲＰのうち二つの曲率が変化して回転対称性が崩される。
【００６９】
ここで、図１３に示すキャビティＣＶの中心から光路ＬＰまでの距離をａ、ｂとし、これらのａ、ｂを変化させて形状の回転対称性を変化させると、上記の曲率の変形率εは、ε＝（１／２）×（１−（ｂ／ａ）２）１／２×１００（％）と定義することができる。この場合、回転対称性の崩れに対する閾値Ωｔｈの変化は、キャビティの大きさ、光路長、屈折率等に依存し、９０度回転対称なキャビティに対して下記のように表される。
【００７０】
【数４】
【００７１】
ここで、Ｌは光路ＬＰの長さ、Ａは光路ＬＰによって囲まれた面積、ｋは光の波数、ｃは光速度である。また、α及びβはキャビティの形状に依存するパラメータであり、αは下記式で表される。
【００７２】
【数５】
【００７３】
ここで、Ｒ（θ）は、キャビティの形状を極座標表示（ｒ，θ）にしたものであり、δＲ（θ）は、回転対称性を崩したキャビティの形状Ｒ’（θ）とＲ（θ）との差（δＲ（θ）＝Ｒ’（θ）−Ｒ（θ））である。特に、この場合、Ｒ（θ）＝ｒ０×（１＋ε１ｃｏｓ４θ）、δＲ（θ）＝ｒ０ε０ｃｏｓ２θであり、また、ｒ０＝６．２８μｍ、ε１＝０．０４、ε０＝ε、＜（δＲ（θ）／Ｒ（θ））２＞＝（１／２π）∫ａ０ａ１（δＲ（θ）／Ｒ（θ））２ｄθ（ここで、ａ０＝０、ａ１＝２π）である。
【００７４】
また、βの値は、キャビティ中の光線軌跡におけるバーコフ座標で表示されたポアンカレ断面上の全面積に対する４周期トーラスが占める面積比として与えられ、本例の場合、α＝２×１０−３、β＝０．０１である。
【００７５】
光路長Ｌ及び面積Ａは、キャビティの大きさに依存するパラメータであるため、式（４）より、これらが大きくなるにつれて、回転対称性の崩れに対する閾値の増加は小さくなることがわかる。なお、式（４）は、６０度等の回転対称性を有するキャビティに対しても同様に適用することができる。
【００７６】
上式は、以下に説明する一般的な対称性の変化に対する閾値の変化に基づくものである。すなわち、極座標表示（ｒ，θ）を用いてキャビティの形状をｒ＝Ｒ（θ）とし、形状Ｒ（θ）から形状Ｒ（θ）＋δＲ（θ）へ変化した場合における閾値Ωｔｈは、下記のように表すことができる。
【００７７】
【数６】
【００７８】
ここで、Ｊｍはｍ次のベッセル関数であり、ｋｍ２＝ｎ２ｋ２−２ｋｍΩ／ｃ（Ωは回転加速度）、ａｎは回転角速度０における対称な形状のキャビティの波動関数ψを用いてａｎ＝Σｍ＝−∞∞∫０２πψ／Ｊｍｅｉ（ｍ−ｎ）ｄθと書き表される量である。
【００７９】
図１５は、式（４）を用いて算出した閾値Ωｔｈと曲率の変形率εとの関係を示す図である。図１５に示す例は、図１３に示す対角長ｌａが６．２８μｍである９０度回転対称なキャビティ（図１３に示す形状を有するキャビティ）において、光の波長λ＝０．８μｍとしたときに、閾値Ωｔｈ（ｒａｄ／ｓ）と曲率の変形率ε（％）との関係を示すものである。
【００８０】
図１５から、形状における９０度回転対称性を完全に満足しているときに、０であった閾値Ωｔｈは、変形率εの増加に比例して増加していき、１．５×１０−８（％）の崩れに対して１（ｒａｄ／ｓ）に上昇した。この結果、例えば、曲率の変形率εは１．５×１０−８（％）以下であることが好ましく、この場合、従来の光ジャイロにおいて７００度／秒であった閾値Ωｔｈを６０度／秒以下にすることができるとともに、超小型の半導体レーザジャイロを実現することができる。
【００８１】
また、回転対称性を考慮していない従来のロックイン現象の閾値ΩＬは、例えば、「Ｆ．Ａｒｏｎｏｗｉｔｚ，ＬＡＳＥＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ（１９７１）」においてＨｅ−Ｎｅレーザジャイロに対して、ΩＬ＝ｃλ２ｒＳ／（３２πＡｄ）と与えられている。ここで、ｃは光の速度、λは光の波長、Ａは光が囲む面積、ｄは光ビームの直径、ｒＳはＣＷ（又はＣＣＷ）方向回転のレーザ光がＣＣＷ（又はＣＷ）方向のレーザ光に結合する割合を表す後方散乱係数（ｍｉｒｒｏｒ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）（％）である。
【００８２】
例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザの場合、ｃ＝３．０×１０８（ｍ／ｓ）、λ＝０．６３２（μｍ）、ｄ＝０．０５（ｃｍ）、ｒＳ＝０．０１であり、回転対称性を考慮していない従来の閾値ΩＬ＝５００（ｄｅｇ／ｈ）となり、非常に現実の値に近い正確な見積もりを与える。
【００８３】
図１３に示す形状を有する共振器の場合、ｄ＝１．５（μｍ）、ｒＳ＝０．０２とすると、上式から、ΩＬ＝２．２×１０８（ｒａｄ／ｓ）となり、一方、図１４に示すキャビティの形状変化によって回転対称性を崩した場合の閾値Ωｔｈを、式（４）を用いて算出すると、閾値ΩｔｈがΩｔｈ＜ΩＬを満たすための変形率εは、３．１４（％）以下となる。この場合、従来の回転対称性を考慮していない場合の閾値ΩＬより閾値Ωｔｈを小さくすることができる。
【００８４】
また、上記と同様に、例えば、相対的な揺らぎの大きさを＜（δＲ（θ）／Ｒ（θ））２＞１／２とし、式（６）から算出した回転対称性を崩した場合の閾値ΩｔｈがΩｔｈ＜ΩＬを満たすように、この値の範囲を設定するようにしてもよい。さらに、後述する光学的な回転対称性についても上記と同様である。
【００８５】
次に、光ジャイロのキャビティの透過率を変化させて光学的な回転対称性を崩した場合の閾値について検討する。上記のように活性層２６は、四つのハーフミラー面ＨＭを備えており、このようなミラーの透過率を変化させた場合における閾値の変化は、以下のようになる。
【００８６】
図１６は、光学的に９０度回転対称性を有するように配置された４枚のミラーから構成されるキャビティを示す模式図である。図１６に示すように、４枚のミラーＭ１〜Ｍ４が９０度回転対称性を有するように配置され、ミラーＭ１の透過率を他のミラーＭ２〜Ｍ４の透過率と異なるように変化させた場合を考えると、キャビティの形状の回転対称性は維持されるが、光学特性における回転対称性が崩される。
【００８７】
上記のように、１枚のミラーＭ１のみ透過率を変化させて、キャビティの回転対称性を崩した場合の閾値Ωｔｈは、下記式で表される。
【００８８】
【数７】
【００８９】
ここで、ＴはミラーＭ１の透過率、ｎ１はミラーＭ１の屈折率、λは光の波長、ｃは光の速度、ｎ２は光路ＬＰの屈折率、Ａは光路ＬＰによって囲まれた面積である。
【００９０】
さらに、他のミラーの透過率を変化させた場合、変化させたミラーの透過率をＴ’、屈折率をｎ１’、一つ目のミラーの透過率の変化によって回転対称性を変化させたときの閾値をΩｔｈ（１）とすると、この場合の閾値Ωｔｈは、下記式で表される。
【００９１】
【数８】
【００９２】
上記の各式より、透過率を変化させてキャビティの光学的な回転対称性を崩した場合の閾値Ωｔｈは、キャビティの形状及びミラーの数に依存しないことがわかる。
【００９３】
図１７は、式（７）を用いて算出した閾値Ωｔｈとミラーの透過率Ｔとの関係を示す図である。図１７に示す例は、図１６に示す９０度回転対称性を有するキャビティに対して一つのミラーＭ１のみ、その透過率Ｔを変化させたときに、ｎ１＝ｎ２＝１、λ＝０．６３２μｍ、ｃ＝３．０×１０８（ｍ／ｓ）、Ａ＝５２．４ｃｍ２に設定し、閾値Ωｔｈ（ｄｅｇ／ｓ）と透過率Ｔ（ｐｐｍ）との関係を示すものである。
【００９４】
図１７から、光学特性における９０度回転対称性を完全に満足しているときに、０であった閾値Ωｔｈは、透過率Ｔの増加に比例して増加していき、５０（ｐｐｍ）の崩れに対して０．０２５（ｄｅｇ／ｓ）に上昇した。この結果、例えば、ミラーの透過率Ｔは５０（ｐｐｍ）以下であることが好ましく、この場合、従来の光ジャイロにおいて７００度／秒であった閾値Ωｔｈを０．０２５度／秒以下にすることができ、閾値を非常に小さくすることができる。
【００９５】
上記の例は、共振器内に光源を有するアクティブ型の半導体レーザジャイロについて説明したが、本発明が適用される光ジャイロは、この例に特に限定されず、例えば、共振器外に光源を有するパッシブ型の光ジャイロ等にも同様に適用することができ、以下、この具体例について説明する。
【００９６】
図１８は、本発明の第２の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。図１８に示す光ファイバジャイロは、光ファイバリング共振器の鋭い共振特性によって感度向上を図る共振方式の光ファイバジャイロ（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−ＦＯＧ）であり、４個のレーザ４１ａ〜４１ｄ、４組の光検出器４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄ、４組の光結合器４４ａ〜４４ｄ、４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄ、及び光ファイバリング共振器４８を備える。
【００９７】
従来の共振方式の光ファイバジャイロ（Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏ：ＦＯＧ）では、１個のレーザを用いて光を入力し、１組の光検出器を用いて回転角速度を観測していたが、本実施の形態では、円形の光ファイバリング共振器４８を中心にして、光の入力部となる４個のレーザ４１ａ〜４１ｄ、光の検出部となる４組の光検出器４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄ（例えば、光検出器４２ａ及び４３ａが一組）、及び４組の光結合器４４ａ〜４４ｄ、４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄを９０度間隔でそれぞれ配置することにより、すべての構成要素が９０度回転対称性を満足するように配置されている。この結果、本実施の形態でも、円形の光路が形成され、光の入力部及び出力部を含めて９０度回転対称性を満足することができるので、第１の実施の形態と同様に、ロックイン現象が発生する閾値を０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【００９８】
図１９は、本発明の第３の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。図１９に示す光ファイバジャイロは、光ファイバ共振器中で生じる誘導ブリルアン散乱によりレーザ発振を得て、その発振周波数変化から回転を検出する誘導ブリルアン散乱方式の光ファイバジャイロ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ−ＦＯＧ）であり、４個のレーザ５１ａ〜５１ｄ、４個の光検出器５２ａ〜５２ｄ、４個の光学フィルタ５３ａ〜５３ｄ、４組の光結合器５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ、及び光ファイバ共振器５６を備える。
【００９９】
従来の誘導ブリルアン散乱方式の光ファイバジャイロでは、１個のレーザを用いて光を入力し、１個の光検出器を用いて回転角速度を観測していたが、本実施の形態では、円形の光ファイバ共振器５６を中心にして、光の入力部となる４個のレーザ５１ａ〜５１ｄ、光の検出部となる４個の光検出器５２ａ〜５２ｄ、４個の光学フィルタ５３ａ〜５３ｄ、及び４組の光結合器５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ（例えば、光結合器５４ａ及び５５ａが一組）を９０度間隔でそれぞれ配置することにより、すべての構成要素が９０度回転対称性を満足するように配置されている。この結果、本実施の形態でも、円形の光路が形成され、光の入力部及び出力部を含めて９０度回転対称性を満足することができるので、第１の実施の形態と同様に、ロックイン現象が発生する閾値を０に低下させることができ、ロックイン現象の発生を防止することができる。
【０１００】
なお、上記各実施の形態では、光検出器を共振器外に別途設けたが、この例に特に限定されず、例えば、光検出器を省略し、第１の実施の形態の第１及び第２の電極１３、１４に一定電流を印加し、そのときの電圧変動を基に角速度を計測するようにしてもよい。
【０１０１】
また、上記の各実施の形態では、９０度回転対称性を有する光ジャイロについて説明したが、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有していれば、ミラー部を３箇所にする等の種々の変更が可能である。
【０１０２】
また、本発明が適用される光ジャイロは、上記の例に特に限定されず、ミリ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、γ線等を観測光として用いる種々の光ジャイロに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザジャイロの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示すＩ−Ｉ線における断面を模式的に示す図である。
【図３】図１に示す半導体レーザの活性層を上方から見たときに活性層及び活性層内に形成される光路を模式的に示す平面図である。
【図４】図２に示す半導体層のバンドギャンプのプロファイルを示す模式図である。
【図５】図２に示すクラッド層からクラッド層までの屈折率の変化を示す模式図である。
【図６】図１に示す半導体レーザジャイロのパッキング例を示す一部断面斜視図である。
【図７】略楕円形状を有する共振器の波動関数を示す図である。
【図８】回転角速度Ωに対するモード間の周波数差Δωの変化を示す図である。
【図９】回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。
【図１０】９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ω＝０のときに縮退している二つの波動関数を示す図である。
【図１１】回転角速度Ωに対する図１０に示すモード間の周波数差Δωの変化を示す図である。
【図１２】９０度の回転に対して対称な形状を有する共振器において回転角速度Ωが閾値Ωｔｈよりも大きくなったときの二つのモードを示す図である。
【図１３】９０度の回転に対して対称な形状を有するキャビティの一例を示す模式図である。
【図１４】図１３に示すキャビティの形状変化を説明するための模式図である。
【図１５】式（４）を用いて算出した閾値Ωｔｈと曲率の変形率εとの関係を示す図である。
【図１６】光学的に９０度回転対称性を有するように配置された４枚のミラーから構成されるキャビティを示す模式図である。
【図１７】式（７）を用いて算出した閾値Ωｔｈとミラーの透過率Ｔとの関係を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態による光ファイバジャイロの構成を示す斜視図である。
【図２０】従来のリングレーザジャイロの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ 半導体レーザ
１１ 基板
１２ 絶縁層
１３ 第１の電極
１４ 第２の電極
１５ 光検出器
２０ 半導体層
２１ バッファ層
２２ バッファ層
２３ グレーデッド層
２４ クラッド層
２５ グレーデッド層
２６ 活性層
２７ グレーデッド層
２８ クラッド層
２９ キャップ層
４１ａ〜４１ｄ レーザ
４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄ 光検出器
４４ａ〜４４ｄ、４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄ 光結合器
４８ 光ファイバリング共振器
５１ａ〜５１ｄ レーザ
５２ａ〜５２ｄ 光検出器
５３ａ〜５３ｄ 光学フィルタ
５４ａ〜５４ｄ、５５ａ〜５５ｄ 光結合器
５６ 光ファイバ共振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サニャック効果を利用して角速度を検出する光ジャイロであって、
進行方向の異なる光を所定経路内で伝播させる共振器を備え、前記共振器における光の経路が、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有することを特徴とする光ジャイロ。
【請求項２】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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３】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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４】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、（３６０／２ｎ＋１）度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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５】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、（３６０／（３×２ｎ））度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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６】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の光学特性が実質的に同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ジャイロ。
【請求項７】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の反射率及び透過率が実質的に同一であることを特徴とする請求項６記載の光ジャイロ。
【請求項８】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の形状が実質的に同一であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ジャイロ。
【請求項９】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の形状が実質的に同一であ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】
前記共振器は、第１及び第２のレーザ光を発生する半導体レーザから構成され、前記半導体レーザは、活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第１及び第２の電極とを備え、前記第１のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、前記第２のレーザ光は、前記経路上を前記レーザ光とは逆方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光ジャイロ。
【請求項１１】
前記活性層は、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有し、前記活性層の各ハーフミラー部を透過した光を検出する複数の光検出器が、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する位置に配置されることを特徴とする請求項１０記載の光ジャイロ。
【請求項１２】
前記回転対称性は、ｃを光の速度、λを光の波長、Ａを光が囲む面積、ｄを光ビームの直径、ｒＳをＣＷ（又はＣＣＷ）方向回転の光がＣＣＷ（又はＣＷ）方向の光に結合する割合を表す後方散乱係数（％）としたときに、ΩＬ＝ｃλ２ｒＳ／（３２πＡｄ）により算出される基準閾値ΩＬより低いロックイン現象の閾値を有する範囲で変更されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光ジャイロ。
【請求項１】
サニャック効果を利用して角速度を検出する光ジャイロであって、
進行方向の異なる光を所定経路内で伝播させる共振器を備え、前記共振器における光の経路が、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する回転対称性を有することを特徴とする光ジャイロ。
【請求項２】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、１２０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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３】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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４】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、（３６０／２ｎ＋１）度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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５】
前記共振器の光を伝播させる媒質は、（３６０／（３×２ｎ））度（ｎは、１以上の整数）の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状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６】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の光学特性が実質的に同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ジャイロ。
【請求項７】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の反射率及び透過率が実質的に同一であることを特徴とする請求項６記載の光ジャイロ。
【請求項８】
前記共振器は、光を反射させる三つ以上の反射部を備え、各反射部の形状が実質的に同一であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ジャイロ。
【請求項９】
前記反射部は、前記共振器内で光を反射させるとともに、前記共振器外へ光を透過させるハーフミラー部を含み、各ハーフミラー部の形状が実質的に同一であ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】
前記共振器は、第１及び第２のレーザ光を発生する半導体レーザから構成され、前記半導体レーザは、活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第１及び第２の電極とを備え、前記第１のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、前記第２のレーザ光は、前記経路上を前記レーザ光とは逆方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光ジャイロ。
【請求項１１】
前記活性層は、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する形状を有し、前記活性層の各ハーフミラー部を透過した光を検出する複数の光検出器が、９０度以下の角度で回転させた場合に回転前後で実質的に一致する位置に配置されることを特徴とする請求項１０記載の光ジャイロ。
【請求項１２】
前記回転対称性は、ｃを光の速度、λを光の波長、Ａを光が囲む面積、ｄを光ビームの直径、ｒＳをＣＷ（又はＣＣＷ）方向回転の光がＣＣＷ（又はＣＷ）方向の光に結合する割合を表す後方散乱係数（％）としたときに、ΩＬ＝ｃλ２ｒＳ／（３２πＡｄ）により算出される基準閾値ΩＬより低いロックイン現象の閾値を有する範囲で変更されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光ジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−７１５７７（Ｐ２００７−７１５７７Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５６３８１（Ｐ２００５−２５６３８１）
【出願日】平成１７年９月５日（２００５．９．５）
【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１７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１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月５日（２００５．９．５）
【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１７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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