JP2000230831A - Optical gyro - Google Patents
Optical gyroInfo
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- JP2000230831A JP2000230831A JP11033277A JP3327799A JP2000230831A JP 2000230831 A JP2000230831 A JP 2000230831A JP 11033277 A JP11033277 A JP 11033277A JP 3327799 A JP3327799 A JP 3327799A JP 2000230831 A JP2000230831 A JP 2000230831A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体リングレーザ
を用いて回転を検知する光ジャイロ装置、特に回転方向
を検知可能な半導体光ジャイロ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical gyro device for detecting rotation using a semiconductor ring laser, and more particularly to a semiconductor optical gyro device capable of detecting a rotation direction.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、物体の回転、すなわち角速度を検
知するジャイロとしては、回転子や振動子をもつ機械的
ジャイロや、光ジャイロが知られている。光ジャイロ
は、瞬間起動が可能でダイナミックレンジが広いため、
ジャイロ分野で革新をもたらしつつある。2. Description of the Related Art Conventionally, as a gyro for detecting the rotation of an object, that is, an angular velocity, a mechanical gyro having a rotor and a vibrator and an optical gyro are known. Since the optical gyro can be activated instantaneously and has a wide dynamic range,
It is bringing innovation in the gyro field.
【0003】光ジャイロには、リングレーザ型ジャイ
ロ、光ファイバジャイロ、受動型リング共振器ジャイロ
などがある。ガスレーザを用いたリングレーザ型ジャイ
ロはすでに航空機などで実用化されている。また、小型
で高精度名リングレーザ型ジャイロとして、半導体基板
上に集積された半導体レーザジャイロが提案されてい
る。この公知文献として、特開平5−288556号公
報がある。The optical gyro includes a ring laser gyro, an optical fiber gyro, a passive ring resonator gyro, and the like. A ring laser type gyro using a gas laser has already been put to practical use in aircraft and the like. A semiconductor laser gyro integrated on a semiconductor substrate has been proposed as a small, high-precision ring laser gyro. As this known document, there is JP-A-5-288556.
【0004】上記の公報によれば、図6に示すように、
pn接合を有する半導体基板1000上に、リング状の
利得導波路1100を形成し、この利得導波路1100
内に、電極2200からキャリアを注入してレーザ発振
を生じさせる。そして、利得導波路1100内を時計方
向及び反時計方向に伝播するレーザ光のそれぞれの一部
を取り出して、光吸収領域1700にて干渉させ、その
干渉光強度を電極2300から光電流として取り出して
いる。According to the above publication, as shown in FIG.
A ring-shaped gain waveguide 1100 is formed on a semiconductor substrate 1000 having a pn junction.
A carrier is injected from the electrode 2200 into the inside to generate laser oscillation. Then, a part of each of the laser light propagating clockwise and counterclockwise in the gain waveguide 1100 is extracted and caused to interfere in the light absorption region 1700, and the interference light intensity is extracted from the electrode 2300 as a photocurrent. I have.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のリング
レーザ型ジャイロは、そのままの出力信号からは回転方
向の検知ができず、微小回転振動(ディザ)を加えて、
ディザと信号の相関から回転方向を検知していた。However, the conventional ring laser type gyro cannot detect the rotation direction from the output signal as it is, and applies a minute rotation vibration (dither) to the gyro.
The direction of rotation was detected from the correlation between dither and signal.
【0006】また、リングレーザ素子から光を取り出し
て別の素子で受光するリングレーザジャイロにおいて
は、光取り出し部での後方散乱が、時計回りの光と反時
計回りの光の間に光学的な結合をもたらし、小さな角速
度の領域でロックイン現象が生じていた。これは、時計
回りの光と反時計回りの光の間の結合のために、発振周
波数が一方のモードの周波数に引き込まれ、信号が出力
されない、というものであった。Further, in a ring laser gyro that extracts light from a ring laser element and receives light with another element, backscattering at the light extraction section causes an optical difference between clockwise light and counterclockwise light. Due to the coupling, the lock-in phenomenon occurred in a region of small angular velocity. This is because the oscillation frequency is pulled into the frequency of one mode due to the coupling between the clockwise light and the counterclockwise light, and no signal is output.
【0007】そこで、本発明の第1の課題は、機械的な
微少振動(ディザ)を印加することなく回転方向を検知
することである。Therefore, a first object of the present invention is to detect the direction of rotation without applying mechanical micro vibration (dither).
【0008】本発明の第2の課題は、光取り出し部での
後方散乱を抑えてロックイン現象をおきにくくし、回転
方向を検知することである。It is a second object of the present invention to suppress back-scattering at the light extraction portion, to prevent a lock-in phenomenon from occurring, and to detect a rotation direction.
【0009】本発明の第3の課題は、光取り出し部での
損失を抑えて、低しきい値で動作可能とし、さらに回転
方向を検知することである。A third object of the present invention is to suppress loss at the light extraction unit, enable operation at a low threshold value, and detect the rotation direction.
【0010】本発明の第4の課題は、検出信号強度を大
きくし、さらに回転方向を検知することである。A fourth object of the present invention is to increase the strength of a detection signal and to detect the direction of rotation.
【0011】本発明の第5の課題は、素子の組立て誤差
の許容範囲を広くし、さらに回転方向も検知することで
ある。A fifth object of the present invention is to widen an allowable range of an assembly error of an element and to detect a rotation direction.
【0012】本発明の第6の課題は、全構成要素を基板
上にモノリシックに形成し、回転方向を検知することで
ある。A sixth object of the present invention is to form all components monolithically on a substrate and detect the direction of rotation.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めの本発明の半導体レーザジャイロは、キャリア注入手
段とリング形状の共振器と時計回りおよび反時計回りの
光の一部を出力する光出力手段とを有する半導体リング
レーザと、前記リングレーザから出力された時計回りお
よび反時計回りの光の少なくともひとつの伝搬方向を変
換する光学素子と、前記時計回りおよび反時計回りの光
の重なる位置に置かれた複数の受光素子を有する。A semiconductor laser gyro according to the present invention for achieving the above object comprises a carrier injection means, a ring-shaped resonator, and a light for outputting a part of clockwise and counterclockwise light. A semiconductor ring laser having an output means, an optical element for converting at least one propagation direction of clockwise and counterclockwise light output from the ring laser, and an overlapping position of the clockwise and counterclockwise light Having a plurality of light receiving elements.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、数式を参照して本発明の半
導体レーザジャイロの動作原理について説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The principle of operation of a semiconductor laser gyro according to the present invention will be described below with reference to equations.
【0015】本発明の半導体レーザジャイロは、キャリ
ア注入手段とリング形状の共振器と時計回りおよび反時
計回りの光の一部を出力する光出力手段とを有する半導
体リングレーザと、前記リングレーザから出力された時
計回りおよび反時計回りの光の少なくともひとつの伝搬
方向を変換する光学素子と、前記時計回りおよび反時計
回りの光の重なる位置に置かれた複数の受光素子を有す
る。A semiconductor laser gyro according to the present invention comprises: a semiconductor ring laser having carrier injection means, a ring-shaped resonator, and light output means for outputting a part of clockwise and counterclockwise light; An optical element for converting at least one propagation direction of the outputted clockwise and counterclockwise light is provided, and a plurality of light receiving elements are disposed at positions where the clockwise and counterclockwise light overlap.
【0016】上記構成において、電流注入によって利得
の生じたリング共振器内では、右回りの周回モードと左
回りの周回モードが独立に存在している。素子が慣性系
に対して角速度を持たない(静止している)場合には、
この右回りモードと左回りモードの発振周波数に差はな
く、活性層の利得ピーク波長でのレーザ発振となってい
る。In the above configuration, a clockwise rotation mode and a counterclockwise rotation mode exist independently in a ring resonator in which a gain is generated by current injection. If the element has no angular velocity with respect to the inertial frame (is stationary),
There is no difference between the oscillation frequencies of the clockwise mode and the counterclockwise mode, and laser oscillation occurs at the gain peak wavelength of the active layer.
【0017】このリング共振器から出力手段によって時
計回りおよび反時計回りの光の一部を出力し、出力され
た光の少なくともひとつの伝搬方向を変換する光学素子
によって光路を折り曲げて、所定の場所(以下、観察面
と呼ぶ)に、時計回りおよび反時計回りの光を重ねて到
達させる。A part of the clockwise and counterclockwise light is output from the ring resonator by the output means, and the optical path is bent by an optical element for changing the propagation direction of at least one of the output light, so that the light is bent at a predetermined location. (Hereinafter, referred to as an observation surface) are made to reach the clockwise and counterclockwise light in an overlapping manner.
【0018】簡単のために、観察面が光出力手段から離
れていて、それぞれ平行ビームとして扱える場合を考
え、2つのビームが観察面の法線に対してそれぞれ角度
±ε/2だけ傾いて入射する場合を考える。入斜面と観
察面の交わりをx軸とし、時計回りの光がx軸の正の方
向から入射するとき、観察面上での光強度分布は、次の
式で表される。For the sake of simplicity, consider the case where the observation surface is separated from the light output means and can be handled as parallel beams, and the two beams are incident at an angle of ± ε / 2 with respect to the normal to the observation surface. Think about it. When the clockwise light enters from the positive direction of the x-axis, where the intersection of the incident slope and the observation surface is the x-axis, the light intensity distribution on the observation surface is expressed by the following equation.
【0019】 I=Io[1+cos{2πεx/λ+2π(f1−f2)t}] (1) ここで、λは半導体レーザジャイロが静止しているとき
光の波長、f1,f2はそれぞれ時計回りの光の発振周波数
と反時計回りの光の発振周波数である。半導体レーザジ
ャイロが静止している場合にはf1=f2なので干渉縞は時
間に対して変化しない。また、干渉縞のピッチはλ/ε
で表されることがわかる。I = Io [1 + cos {2πεx / λ + 2π (f1-f2) t}] (1) where λ is the wavelength of light when the semiconductor laser gyro is stationary, and f1 and f2 are clockwise lights, respectively. And the oscillation frequency of counterclockwise light. When the semiconductor laser gyro is stationary, the interference fringes do not change with time because f1 = f2. The pitch of the interference fringes is λ / ε
It can be seen that
【0020】ここで、半導体レーザジャイロが角速度Ω
で時計回りに回転すると、時計回りの第1のレーザ光の
発振周波数は、非回転時と比べて Δf1=2SΩ/λL (2) だけ減少する。ここでSはリング共振器の囲む面積、L
はレーザの光路長である。また同時に、時計回りの第2
のレーザ光の発振周波数は、非回転時と比べて Δf2=2SΩ/λL (3) だけ増加する。Here, the semiconductor laser gyro has an angular velocity Ω
When rotated clockwise, the oscillation frequency of the clockwise first laser light decreases by Δf1 = 2SΩ / λL (2) as compared with the non-rotated state. Where S is the area surrounding the ring resonator, L
Is the optical path length of the laser. At the same time, the clockwise second
The oscillation frequency of the laser light increases by Δf2 = 2SΩ / λL (3) as compared with the non-rotational time.
【0021】このとき、(1)式で表される光強度分布
は、第2のレーザ光と第1のレーザ光との周波数差(f2
−f1)=Δf1+Δf2=4SΩ/λLで振動し、干渉縞
は、xの負の方向に移動していく。At this time, the light intensity distribution represented by the equation (1) is equal to the frequency difference (f2) between the second laser light and the first laser light.
−f1) = Δf1 + Δf2 = 4SΩ / λL, and the interference fringes move in the negative direction of x.
【0022】また、レーザジャイロが反時計回りに回転
すると、第1のレーザ光と第2のレーザ光との周波数差
(f1−f2)=Δf1+Δf2=4SΩ/λLで振動し、
干渉縞は、xの正の方向に移動していく。When the laser gyro rotates counterclockwise, it vibrates at a frequency difference (f1-f2) = Δf1 + Δf2 = 4SΩ / λL between the first laser light and the second laser light,
The interference fringes move in the positive x direction.
【0023】2つの光がそれぞれ平行ビームではない場
合も、(1)式で表された干渉縞ピッチは不等間隔とな
るためビートに応じた干渉縞の移動ということは変わら
ない。Even when the two light beams are not parallel beams, the interference fringe pitch represented by the equation (1) is unequal, so that the movement of the interference fringes according to the beat remains unchanged.
【0024】観察面上に、干渉縞のピッチと異なる間隔
で複数の受光素子を配置することで、位相の異なる光強
度振動を検知し、振動周波数から回転の角速度の絶対値
を知り、位相差から干渉縞の移動方向を検知することが
できる。By arranging a plurality of light receiving elements on the observation surface at intervals different from the pitch of the interference fringes, light intensity vibrations having different phases are detected, the absolute value of the angular velocity of rotation is known from the vibration frequency, and the phase difference is detected. Thus, it is possible to detect the moving direction of the interference fringes.
【0025】以上説明した動作原理の下、第1の本発明
においては、前記光の一部を出力する光出力手段が、第
1の導波路と第2の導波路を接続するミラー部に設けら
れ、ミラー面の法線とそれぞれの導波路とがなす角が、
ミラーの臨界角よりわずかに大きくする。According to the first aspect of the present invention, the light output means for outputting a part of the light is provided on a mirror section connecting the first waveguide and the second waveguide. And the angle between the normal to the mirror surface and each waveguide is
Slightly larger than the critical angle of the mirror.
【0026】第2の発明においては、前記光の一部を出
力する光出力手段が、第1の導波路と第2の導波路を接
続するミラー部に設けられ、ミラー面の法線とそれぞれ
の導波路とがなす角が、ミラーの臨界角よりわずかに大
きい。上記構成において、光出力手段において、第1の
導波路から出射された大部分の光は臨界角以上の条件で
ミラーに入射するので全反射されて第2の導波路に結合
するが、導波路に対して斜めに進む成分を有する一部の
光は臨界角以下でミラーに入射することになり、その一
部はリング共振器の外に取り出される。残りの光はこの
ミラーで反射されて第2の導波路に結合し、第1の導波
路に戻る光はほとんどないので、光取り出し部で時計回
りの光と反時計回りの光の結合(後方散乱)を抑えるこ
とができる。In the second invention, the light output means for outputting a part of the light is provided in a mirror portion connecting the first waveguide and the second waveguide, and each of the light output means and the normal line of the mirror surface are provided. Is slightly larger than the critical angle of the mirror. In the above configuration, in the light output means, most of the light emitted from the first waveguide is incident on the mirror under the condition of a critical angle or more, so that it is totally reflected and coupled to the second waveguide. Some light having a component that travels obliquely to the mirror is incident on the mirror at a critical angle or less, and a part of the light is extracted outside the ring resonator. The remaining light is reflected by this mirror and coupled to the second waveguide, and almost no light returns to the first waveguide. Therefore, the coupling of the clockwise light and the counterclockwise light at the light extraction portion (backward) Scattering) can be suppressed.
【0027】第3の発明においては、前記ミラーが楕円
柱面であることを特徴とする。上記構成において第1と
第2の導波路の接続部で導波路の横方向閉じ込めが弱く
なり、一方の導波路から来たビームが広がるのを、ミラ
ーに与えた曲率で収束させて効率よく第2の導波路に結
合させるものである。リング共振器の光取り出し部での
損失を抑えて、低しきい値で動作を可能にするものであ
る。A third invention is characterized in that the mirror has an elliptical cylindrical surface. In the above configuration, the lateral confinement of the waveguide is weakened at the connection between the first and second waveguides, and the spread of the beam coming from one of the waveguides is efficiently converged at the curvature given to the mirror, and the first beam is efficiently converged. 2 is coupled to the second waveguide. It is intended to suppress the loss at the light extraction portion of the ring resonator and to operate at a low threshold.
【0028】第4の発明においては、前記出力された光
の伝搬方向を変換する光学素子が、楕円柱面からなる。
あるいは、前記出力された光の伝搬方向を変換する光学
素子が、回折格子付きのスラブ導波路である。上記構成
において、出力光の伝播方向を変換する光学素子が楕円
柱面あるいは回折格子付きのスラブ導波路であることで
出力光をコリメートし、干渉縞のコントラストを大きく
するので、検出信号強度を大きくするものである。In a fourth aspect, the optical element for changing the propagation direction of the output light is formed of an elliptic cylinder.
Alternatively, the optical element that changes the propagation direction of the output light is a slab waveguide with a diffraction grating. In the above configuration, since the optical element that changes the propagation direction of the output light is an elliptic cylindrical surface or a slab waveguide with a diffraction grating, the output light is collimated and the contrast of interference fringes is increased, so that the detection signal intensity is increased. Is what you do.
【0029】第5の発明においては、前記複数の受光素
子として、アレイ状に形成された受光素子を有すること
を特徴とする。あるいは、前記複数の受光素子として、
CCDアレイを有する。上記構成において、受光素子を
2つよりも多い複数のアレイ状の受光素子ないしCCD
アレイとすることで、観察面上での干渉縞のピッチが設
計からずれていても信号処理によって干渉縞の移動方向
を検知することができる。すなわち、受光素子の位置が
設計上の観察面からずれても電気的な補正ができるよう
になり、素子の組立て誤差の許容範囲を広くすることが
できる。According to a fifth aspect of the present invention, the plurality of light receiving elements include light receiving elements formed in an array. Alternatively, as the plurality of light receiving elements,
It has a CCD array. In the above configuration, a plurality of arrayed light receiving elements or CCDs having more than two light receiving elements are provided.
By using an array, the moving direction of the interference fringes can be detected by signal processing even if the pitch of the interference fringes on the observation surface deviates from the design. That is, electrical correction can be performed even if the position of the light receiving element deviates from the designed observation surface, and the allowable range of element assembly errors can be widened.
【0030】第6の発明は、前記複数の受光素子とし
て、リングレーザと同一の層構成を用いたことを特徴と
する。あるいは、前記複数の受光素子として、リングレ
ーザと同一の層構成のレーザ素子を用いる。上記構成に
よって、リング共振器レーザと、出力光の伝播方向を変
換する光学素子と、受光素子とが同一の層構成となるの
で、全構成要素を基板上にモノリシックに形成できる。A sixth invention is characterized in that the plurality of light receiving elements have the same layer structure as a ring laser. Alternatively, a laser element having the same layer configuration as the ring laser is used as the plurality of light receiving elements. According to the above configuration, the ring resonator laser, the optical element that changes the propagation direction of the output light, and the light receiving element have the same layer configuration, so that all the components can be formed monolithically on the substrate.
【0031】[0031]
【実施例】[第1の実施例]図1にしたがって、本発明
の光ジャイロの第1の実施例を説明する。[First Embodiment] A first embodiment of the optical gyro of the present invention will be described with reference to FIG.
【0032】11はリング共振器型半導体レーザ素子、
12はレーザ光取り出し部、13はミラー、14と15
はホトディテクタ、16と17はリング共振器の全反射
ミラーである。リング共振器型半導体レーザ素子11お
よびミラー13、レーザと同じ層構成からなる受光素
子、14,15は、以下のようにして作製した。11 is a ring resonator type semiconductor laser device,
12 is a laser beam extraction unit, 13 is a mirror, 14 and 15
Is a photodetector, and 16 and 17 are total reflection mirrors of a ring resonator. The ring resonator type semiconductor laser element 11, the mirror 13, and the light receiving elements 14, 15 having the same layer structure as the laser were manufactured as follows.
【0033】はじめに、図2に示す半導体多層構造を有
機金属気相成長法によって成膜した。すなわち、n−I
nP基板102上に、1.3μm組成のノンドープIn
GaAsP光ガイド層103(厚さ0.15μm)、
1.55μm組成のアンドープInGaAsP活性層1
04(厚さ0.1μm)、1.3μm組成のノンドープ
InGaAsP光ガイド層105(厚さ0.15μ
m)、p−InPクラッド層106(厚さ1.5μm)
p−InGaAsキャップ層107を結晶成長した。フ
ォトレジストを塗布し、マスクパタンを露光、現像して
導波路形状とミラー形状のレジストパタンを形成した。
塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングによっ
て、高さ3μmのハイメサ形状のリッジ導波路とミラー
を形成した。絶縁膜としてSiNを全面にプラズマCV
D法で形成した。リッジ導波路上部のSiNを除去して
コンタクト窓とした。Cr/Auをリッジ導波路上部と
ミラー13の側面に蒸着して、p−電極108およびミ
ラーの反射膜とした。ウェハの下側にはAuGe/Au
を蒸着してn−電極101とした。水素雰囲気中でアロ
イ化して、p−,nの電極をオーミック接触とした。First, the semiconductor multilayer structure shown in FIG. 2 was formed by metal organic chemical vapor deposition. That is, n-I
Non-doped In of 1.3 μm composition is formed on nP substrate 102.
GaAsP light guide layer 103 (0.15 μm thickness),
Undoped InGaAsP active layer 1 of 1.55 μm composition
04 (0.1 μm in thickness), a non-doped InGaAsP light guide layer 105 having a composition of 1.3 μm (0.15 μm in thickness)
m), p-InP cladding layer 106 (1.5 μm thickness)
The p-InGaAs cap layer 107 was crystal-grown. A photoresist was applied, and the mask pattern was exposed and developed to form a resist pattern having a waveguide shape and a mirror shape.
A high mesa-shaped ridge waveguide having a height of 3 μm and a mirror were formed by reactive ion etching using chlorine gas. Plasma CV over SiN as insulating film
Formed by Method D. The contact window was obtained by removing SiN above the ridge waveguide. Cr / Au was vapor-deposited on the upper portion of the ridge waveguide and on the side surface of the mirror 13 to form a reflection film of the p-electrode 108 and the mirror. AuGe / Au under the wafer
Was deposited to form an n-electrode 101. Alloying was performed in a hydrogen atmosphere, and the p- and n-electrodes were brought into ohmic contact.
【0034】ホトディテクタ14と15は逆バイアスを
印加してあり、入射光に応じた電流が検知される。The photodetectors 14 and 15 are applied with a reverse bias, and a current corresponding to incident light is detected.
【0035】素子のレーザ発振について説明する。例え
ば半導体層の屈折率3.5であれば、半導体と空気の界
面に対する法線とレーザ光のなす角が16.6度以上と
なるときに全反射となる。リング共振器型レーザの全反
射ミラー16と17においては、導波路と半導体/空気
界面の法線のなす角が33.5度となっており、全反射
条件となっている。一方レーザ光取り出し部12では、
導波路と半導体/空気界面のなす角が23度となってお
り、導波モード光の一部は全反射条件を満たさず、外部
に放射される。ただし、レーザ光取り出し部の反射率は
90%以上あり、導波路長300μm素子の場合にはミ
ラー損失は3.5cm-1程度に抑えられていて、例えば
しきい値20mAでレーザ発振した。The laser oscillation of the device will be described. For example, if the refractive index of the semiconductor layer is 3.5, total reflection occurs when the angle between the laser beam and the normal to the interface between the semiconductor and air is 16.6 degrees or more. In the total reflection mirrors 16 and 17 of the ring resonator type laser, the angle between the waveguide and the normal to the semiconductor / air interface is 33.5 degrees, which is the condition of total reflection. On the other hand, in the laser light extraction unit 12,
The angle between the waveguide and the semiconductor / air interface is 23 degrees, and a part of the guided mode light does not satisfy the condition of total reflection and is radiated outside. However, the reflectivity of the laser beam extraction portion was 90% or more, and the mirror loss was suppressed to about 3.5 cm -1 in the case of a 300 μm waveguide element, and the laser oscillated at a threshold value of 20 mA, for example.
【0036】リング共振器は、右回りの周回モードと左
回りの周回モードが独立に存在している。素子が慣性系
に対して角速度を持たない(静止している)場合には、
この右回りモードと左回りモードの発振周波数に差はな
く、活性層の利得ピーク波長でのレーザ発振となってい
る。In the ring resonator, a clockwise rotation mode and a counterclockwise rotation mode exist independently. If the element has no angular velocity with respect to the inertial frame (is stationary),
There is no difference between the oscillation frequencies of the clockwise mode and the counterclockwise mode, and laser oscillation occurs at the gain peak wavelength of the active layer.
【0037】レーザ光取り出し部での反射と一部の光の
取り出しについて、図3の光線追跡による解析にもとづ
いてさらに説明する。端面の法線と光線のなす角は、端
面AD上の各点で異なっているが、このθA 、θB 、θ
C 、θD を端面への入射角と呼ぶ。OBは、リッジ導波
路の中心線を延長した線である。リッジ導波路部131
から、横方向の閉じ込めのないスラブ導波路部132に
入射した導波モード光は、スラブ内ではOBを中心に扇
形に広がっていく。図3で端面AD上を点Aから点Dに
向かって動いていくと、入射角θは次第に小さくなって
いき、点Cにおいては、θC がこの界面での臨界角と一
致する。界面上のC点からD点の間では臨界角以下の入
射角となるので、一部の光は反射し、一部の光は外部に
取り出される。(図3では、反射する光の光路は示して
いない。)界面AD上では、扇形に広がった入射ビーム
の強度分布は図示したようなガウシアンとなっており、
全反射となる領域(図のA点からC点までの範囲)がこ
のガウシアン分布の90%をカバーしているので、この
界面での反射率は90%以上となっている。ここでの説
明は、図3にしたがって、リング共振器内の右回りモー
ドの光についてのものであるが、左回りモードについて
も同様にして、一部の光を取り出すことができる。The reflection at the laser beam extraction unit and the extraction of a part of the light will be further described based on the analysis by ray tracing in FIG. The angle between the normal line of the end face and the light ray is different at each point on the end face AD, and the angles θ A , θ B , θ
C, and theta D is referred to as the angle of incidence on the end face. OB is a line obtained by extending the center line of the ridge waveguide. Ridge waveguide 131
Therefore, the guided mode light that has entered the slab waveguide portion 132 without confinement in the lateral direction spreads in a fan shape around the OB in the slab. In FIG. 3, when moving from the point A to the point D on the end face AD, the incident angle θ gradually decreases, and at the point C, θ C matches the critical angle at this interface. Since the angle of incidence is less than the critical angle between point C and point D on the interface, some light is reflected and some light is extracted to the outside. (The optical path of the reflected light is not shown in FIG. 3.) On the interface AD, the intensity distribution of the fan-shaped spread incident beam is Gaussian as shown in the figure,
Since the area of total reflection (the range from point A to point C in the figure) covers 90% of this Gaussian distribution, the reflectance at this interface is 90% or more. Although the description here is for the right-handed mode light in the ring resonator in accordance with FIG. 3, a part of the light can be extracted in the same manner for the left-handed mode.
【0038】次に、このようにして取り出した右回りモ
ードの光をミラー13で折り返して、左回りの光と干渉
させる。Next, the clockwise mode light extracted in this way is turned back by the mirror 13 and interferes with the counterclockwise light.
【0039】図4にこの光路を示す。18は、レーザか
ら取り出された右回りの光の一部、19は、レーザから
取り出された左回りの光の一部である。右回りの光18
は、ミラー13で折り返されて、観察面上では左回り光
19と重ねあわせられて干渉縞を形成している。FIG. 4 shows this optical path. 18 is a part of the clockwise light extracted from the laser, and 19 is a part of the counterclockwise light extracted from the laser. Clockwise light 18
Is folded back by the mirror 13 and overlaps the counterclockwise light 19 on the observation surface to form an interference fringe.
【0040】観察面上には、2つのホト・ディテクタ1
4と15が、中心の間隔が上記干渉縞パタンのピッチΛ
=λ/εの1/2N+1/4倍となるように置かれてい
る。この配置によって、干渉縞パタンのcos(2π
(f1−f2)t)に相当する信号と、cos(2π(f1−
f2)t)+2p(ε/λ・Λ/4)=cos(2π(f1
−f2)t+π/2)=−sin(2π(f1−f2)t)と
に相当する信号が得られるので、信号処理によって干渉
縞パタンの移動方向、すなわちf1とf2の大小関係がわか
り、回転方向を検知できる。また、干渉縞の振動の周期
から、回転の角速度が分かる。あるいは、干渉縞パタン
の移動速度Λ・(f1−f2)から回転の角速度がわかる。On the observation surface, two photo detectors 1
4 and 15, the distance between the centers is the pitch of the interference fringe pattern.
= 1 / 2N + ε of λ / ε. With this arrangement, the cos (2π
(F1−f2) t) and a signal corresponding to cos (2π (f1−
f2) t) + 2p (ε / λ · Λ / 4) = cos (2π (f1
A signal corresponding to −f2) t + π / 2) = − sin (2π (f1−f2) t) is obtained, so that the moving direction of the interference fringe pattern, that is, the magnitude relationship between f1 and f2, can be determined by signal processing, and rotation Direction can be detected. The angular velocity of the rotation can be determined from the period of the vibration of the interference fringes. Alternatively, the angular velocity of rotation can be determined from the moving speed Λ · (f1−f2) of the interference fringe pattern.
【0041】さて、光ジャイロが、カメラの手振れや自
動車の姿勢変化によって30度毎秒の角速度で時計回り
に回転したときには、レーザ光の発振周波数f1は200
Hz増加し、f2の発振周波数は、200Hz減少した。
ホトディテクタ14,15では、400Hzの信号を検
知し、これから回転速度と回転方向を得た。ホトディテ
クタ14,15は順バイアス印加として、インピーダン
ス変化を検知してもよい。When the optical gyro rotates clockwise at an angular velocity of 30 degrees per second due to camera shake or a change in the attitude of the automobile, the oscillation frequency f1 of the laser beam becomes 200.
Hz, and the oscillation frequency of f2 decreases by 200 Hz.
The photodetectors 14 and 15 detected a signal of 400 Hz, and obtained a rotation speed and a rotation direction from this. The photodetectors 14 and 15 may detect a change in impedance by applying a forward bias.
【0042】この実施例では半導体材料としてInGa
AsP/InP系を用いたが、GaAs系、ZnSe
系、InGaN系などの材料系であっても構わない。In this embodiment, InGa is used as a semiconductor material.
AsP / InP system was used, but GaAs system, ZnSe
Or a material system such as an InGaN system.
【0043】[第2の実施例]図5にしたがって、第2
の実施例を説明する。21はリング共振器型半導体レー
ザ素子、22はレーザ光取り出し部、23はミラー、2
4はアレイ状のホトディテクタ、25と26はリング共
振器の全反射ミラーである。[Second Embodiment] Referring to FIG.
An example will be described. 21 is a ring resonator type semiconductor laser device, 22 is a laser beam extraction part, 23 is a mirror, 2
Reference numeral 4 denotes an array-shaped photodetector, and reference numerals 25 and 26 denote a total reflection mirror of a ring resonator.
【0044】リング共振器型半導体レーザ素子21とミ
ラー23は、第1の実施例同様にInGaAsP系の半
導体からなっており、作製工程は第1の実施例と同様で
ある。本実施例においては、レーザ光取り出し部の形状
が第1の実施例の平面形状とは異なり、曲面形状となっ
ている。The ring resonator type semiconductor laser device 21 and the mirror 23 are made of an InGaAsP-based semiconductor as in the first embodiment, and the fabrication steps are the same as in the first embodiment. In the present embodiment, the shape of the laser beam extracting portion is different from the planar shape of the first embodiment and is a curved surface.
【0045】楕円ミラーでの光線の反射について、図6
の光線追跡図で説明する。FIG. 6 shows the reflection of light rays on an elliptical mirror.
Will be described with reference to a ray tracing diagram of FIG.
【0046】曲面は楕円形状であり、上下それぞれの導
波路と楕円形上のスラブ導波路の接する点が楕円の焦点
となっている。曲面上のAB上では、上側導波路からの
入射光は全反射条件を満たし、下側の導波路に集光され
る。曲面BC上では、入射角が臨界角以下となり、全反
射とはならず、一部の光は外は取り出される。導波路の
ガウシアン形状の光強度分布の90%は、全反射部で反
射されるので、この楕円ミラーは、反射率90%以上の
コーナーミラーとして機能する。The curved surface has an elliptical shape, and the point where the upper and lower waveguides and the slab waveguide on the ellipse are in contact is the focal point of the ellipse. On AB on the curved surface, the incident light from the upper waveguide satisfies the condition of total reflection and is collected on the lower waveguide. On the curved surface BC, the incident angle becomes equal to or smaller than the critical angle, the light does not become totally reflected, and some light is extracted outside. Since 90% of the Gaussian-shaped light intensity distribution of the waveguide is reflected by the total reflection portion, this elliptical mirror functions as a corner mirror having a reflectance of 90% or more.
【0047】リングレーザから取り出した光は、右回り
の光をミラー23で折り返して、左回りの光と干渉させ
る。図5にこの光路を示す。28は、レーザから取り出
された左回りの光の一部、29は、レーザから取り出さ
れた右回りの光の一部であり、ミラー23で折り返され
ており、観察面上では左回り光28と重ねあわせられて
干渉縞を形成している。本実施例では、半導体レーザ素
子とミラーとが形成された基板を劈開した端面を観察面
とし、この観察面上に設けたアレイ状のホトディテクタ
24によってここでの干渉縞パタンをモニタしている。
ホトディテクタアレイからの出力を信号処理して干渉縞
パタンの移動方向と振動周期を検出した。これから回転
方向と回転速度を得ることができた。The light extracted from the ring laser turns the clockwise light back by the mirror 23 and interferes with the counterclockwise light. FIG. 5 shows this optical path. 28 is a part of the counterclockwise light extracted from the laser, 29 is a part of the clockwise light extracted from the laser, and is turned back by the mirror 23. And interference fringes are formed. In the present embodiment, an end face obtained by cleaving the substrate on which the semiconductor laser element and the mirror are formed is used as an observation surface, and the interference fringe pattern is monitored by an array-shaped photodetector 24 provided on the observation surface. .
The output from the photodetector array was subjected to signal processing to detect the moving direction and vibration period of the interference fringe pattern. From this, the rotation direction and rotation speed could be obtained.
【0048】この場合、第1の実施例に述べた、それぞ
れのレーザビームが平行光として扱える条件から外れて
いても、角速度と回転方向を知ることができる。In this case, the angular velocity and the rotation direction can be known even if the respective laser beams deviate from the conditions described in the first embodiment that can be handled as parallel light.
【0049】素子がAlGaAs系材料からなってい
て、発振波長がシリコンのCCDが感度を有する波長の
場合には、CCDアレイ素子によって干渉縞パタンを観
測してもよい。When the device is made of an AlGaAs-based material and the oscillation wavelength is a wavelength at which a silicon CCD has sensitivity, the interference fringe pattern may be observed by a CCD array device.
【0050】[第3の実施例]第3の実施例について、
図7にもとづいて説明する。[Third Embodiment] A third embodiment will be described.
A description will be given based on FIG.
【0051】第1、第2の実施例との違いは、取り出し
た光で干渉縞を形成させるためのミラーの構成である。
30が本発明による光ジャイロ素子である。31はリン
グ共振器型半導体レーザ素子、32はレーザ光取り出し
部、33と34は凹面ミラー、35は折り返しのミラ
ー、36と37はホトディテクタである。リング共振器
型半導体レーザの構成は、第1または第2の実施例と同
様である。本実施例においては、第1、第2の実施例に
おいて一方向の光を折り返していたミラーの代わりに、
左回り、右回りそれぞれの光に対して円筒状の凹面ミラ
ーを用いて基板に水平な面内でのビーム広がりを抑えた
平行ビームとしている。素子の劈開面上に設けた観察面
上では、右回り光と左回り光による干渉縞が形成され、
第1、第2の実施例同様に、2つのホトディテクタ3
6,37によって、干渉縞の移動速度と移動方向を検知
して、素子の回転速度と方向を知ることができた。The difference from the first and second embodiments is the configuration of the mirror for forming interference fringes with the extracted light.
Reference numeral 30 denotes an optical gyro element according to the present invention. 31 is a ring resonator type semiconductor laser device, 32 is a laser beam extraction part, 33 and 34 are concave mirrors, 35 is a turning mirror, and 36 and 37 are photodetectors. The configuration of the ring resonator type semiconductor laser is similar to that of the first or second embodiment. In this embodiment, instead of the mirror which turned back light in one direction in the first and second embodiments,
Each of the left-handed and right-handed light is converted into a parallel beam by using a cylindrical concave mirror to suppress the beam spread in a plane horizontal to the substrate. On the observation surface provided on the cleavage plane of the element, interference fringes due to clockwise and counterclockwise light are formed,
As in the first and second embodiments, two photodetectors 3
6, 37, it was possible to detect the moving speed and the moving direction of the interference fringes to know the rotational speed and the direction of the element.
【0052】先の実施例と比べると円筒状のミラーによ
ってビームをコリメートしたために、干渉縞のコントラ
ストが改善し、またほぼ平行なビーム間で干渉縞を形成
するため均一なピッチの干渉縞が形成され、ディテクタ
の間隔を干渉縞ピッチLのN+1/4倍としたものを設
置する位置精度の要求が緩やかになった。Compared with the previous embodiment, the beam is collimated by the cylindrical mirror, so that the contrast of the interference fringes is improved, and interference fringes having a uniform pitch are formed because the interference fringes are formed between substantially parallel beams. Therefore, the requirement for the positional accuracy for installing a detector having an interval of N + と し た times the interference fringe pitch L has been relaxed.
【0053】[第4の実施例]第4の実施例について、
図8にもとづいて説明する。41はリング共振器型半導
体レーザ素子、42はレーザ光取り出し部、43と44
は回折格子付きのスラブ導波路、45と46はホトディ
テクタである。リング共振器型半導体レーザの構成は、
第1または第2の実施例と同様である。本実施例におい
ては、第1、第2の実施例において一方向の光を折り返
していたミラーの代わりに、回折格子付きのスラブ導波
路を用いている。43,44は、それぞれ同心円状の回
折格子の形成されたスラブ導波路であり、素子から取り
出された右回りと左回りのそれぞれの光は、このスラブ
導波路に結合し、ここで回折格子によって基板から概略
垂直な方向に放射される。このとき、回折格子パタンの
曲がりによって、放射されるビームは、コリメートされ
た平行光となっている。[Fourth Embodiment] Regarding the fourth embodiment,
A description will be given based on FIG. 41 is a ring resonator type semiconductor laser device, 42 is a laser beam extraction part, 43 and 44
Is a slab waveguide with a diffraction grating, and 45 and 46 are photodetectors. The configuration of the ring resonator type semiconductor laser is
This is the same as the first or second embodiment. In the present embodiment, a slab waveguide with a diffraction grating is used instead of the mirror that turned back light in one direction in the first and second embodiments. Reference numerals 43 and 44 denote slab waveguides on which concentric diffraction gratings are respectively formed. Each of right-handed and left-handed light extracted from the element is coupled to the slab waveguide, where the light is reflected by the diffraction grating. Emitted from the substrate in a direction substantially perpendicular to the substrate. At this time, the beam emitted due to the bending of the diffraction grating pattern is collimated parallel light.
【0054】図8で、基板面(紙面)に垂直な方向に、
基板面と平行に置かれた観察面A−A* 上では、右回り
光と左回り光の干渉縞が形成されている。第1、第2の
実施例同様に、2つのホトディテクタ36,37によっ
て、干渉縞の移動速度と移動方向を検知して、素子の回
転速度と方向を知ることができた。In FIG. 8, in the direction perpendicular to the substrate surface (paper surface),
On the observation plane AA * placed parallel to the substrate surface, interference fringes of clockwise light and counterclockwise light are formed. As in the first and second embodiments, the moving speed and the moving direction of the interference fringes were detected by the two photodetectors 36 and 37, and the rotational speed and the direction of the element could be known.
【0055】本実施例の構成によれば、素子サイズを大
きくすることなく、観察面とレーザ光取り出し部の距離
を大きくすることができ、右回りの光と左回りの光のな
す角εを小さく抑えて、観察面上での干渉縞のピッチを
大きくすることができ、ホトディテクタの位置精度に対
する要求が緩やかにできる。According to the configuration of the present embodiment, the distance between the observation surface and the laser beam extracting portion can be increased without increasing the element size, and the angle ε between the clockwise light and the counterclockwise light can be increased. It is possible to increase the pitch of the interference fringes on the observation surface while keeping the pitch small, and the requirements for the positional accuracy of the photodetector can be relaxed.
【0056】[0056]
【発明の効果】以上説明した第1の発明によって、回転
の角速度と回転方向を検知することのできる光ジャイロ
素子が得られた。According to the first aspect of the present invention described above, an optical gyro element capable of detecting the angular velocity and the direction of rotation can be obtained.
【0057】また、第2の発明によって、ロックイン特
性を犠牲にせず小さな角速度から検出できる、回転の角
速度と回転方向を検知することのできる光ジャイロ素子
が得られた。Further, according to the second aspect of the present invention, an optical gyro element capable of detecting the angular velocity and the rotational direction of rotation, which can be detected from a small angular velocity without sacrificing the lock-in characteristic, is obtained.
【0058】また、第3の発明によって、低しきい値で
動作可能で消費電力の小さな、回転の角速度と回転方向
を検知することのできる光ジャイロ素子が得られた。According to the third aspect of the present invention, an optical gyro element which can be operated at a low threshold value, consumes small power, and can detect the angular velocity and direction of rotation can be obtained.
【0059】また、第4の発明によって、検知信号強度
が大きくS/Nのよい、回転の角速度と回転方向を検知
することのできる光ジャイロ素子が得られた。According to the fourth aspect of the present invention, an optical gyro element having a large detection signal strength and a good S / N ratio and capable of detecting the angular velocity and direction of rotation can be obtained.
【0060】また、第5の発明によって、素子の組立て
誤差の許容範囲が広く、回転の角速度と回転方向を検知
することのできる光ジャイロ素子が得られた。According to the fifth aspect of the present invention, an optical gyro element having a wide allowable range of element assembly errors and capable of detecting the angular velocity and the rotation direction of the element is obtained.
【0061】また、第6の発明によって、部品点数が少
なく、回転の角速度と回転方向を検知することのできる
光ジャイロ素子が得られた。According to the sixth aspect of the present invention, an optical gyro element having a small number of components and capable of detecting the angular velocity and the rotation direction of the rotation is obtained.
【図1】本発明による第1の実施例を説明する図FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment according to the present invention.
【図2】本発明による第1の実施例の素子の半導体レー
ザの層構成を示す図FIG. 2 is a diagram showing a layer structure of a semiconductor laser of a device according to a first embodiment of the present invention;
【図3】本発明による第1の実施例の光取り出し部の作
用を説明する図FIG. 3 is a diagram illustrating an operation of a light extraction unit according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明による第1の実施例の干渉縞の形成を示
す図FIG. 4 is a diagram showing the formation of interference fringes according to the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明による第2の実施例を説明する図FIG. 5 is a diagram illustrating a second embodiment according to the present invention.
【図6】本発明による第2の実施例の光取り出し部の作
用を説明する図FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of a light extraction unit according to a second embodiment of the present invention.
【図7】本発明による第3の実施例を説明する図FIG. 7 is a diagram illustrating a third embodiment according to the present invention.
【図8】本発明による第4の実施例を説明する図FIG. 8 is a diagram for explaining a fourth embodiment according to the present invention.
【図9】従来の半導体光ジャイロの概念図FIG. 9 is a conceptual diagram of a conventional semiconductor optical gyro.
11,21,31,41 リング共振器型半導体レーザ 104 InGaAsP活性層 12,22,32,42 光出力部 13,23,33,34,35 光路変換ミラー 14,15,36,37,45,46 受光素子 18 右回りの光り 19 左回りの光り 24 ホトディテクタアレイ 43,44 回折格子付きスラブ導波路 11, 21, 31, 41 Ring resonator type semiconductor laser 104 InGaAsP active layer 12, 22, 32, 42 Optical output unit 13, 23, 33, 34, 35 Optical path conversion mirror 14, 15, 36, 37, 45, 46 Photodetector 18 Right-handed light 19 Left-handed light 24 Photodetector array 43, 44 Slab waveguide with diffraction grating
Claims (9)
と時計回りおよび反時計回りの光の一部を出力する光出
力手段とを有する半導体リングレーザと、前記リングレ
ーザから出力された時計回りおよび反時計回りの光の少
なくともひとつの伝搬方向を変換する光学素子と、前記
時計回りおよび反時計回りの光の重なる位置に置かれた
複数の受光素子を有することを特徴とする半導体レーザ
ジャイロ。1. A semiconductor ring laser having carrier injection means, a ring-shaped resonator, and light output means for outputting a part of clockwise and counterclockwise light, and a clockwise and a clock output from the ring laser. A semiconductor laser gyro comprising: an optical element for changing at least one propagation direction of counterclockwise light; and a plurality of light receiving elements disposed at positions where the clockwise and counterclockwise light overlap.
第1の導波路と第2の導波路を接続するミラー部に設け
られ、ミラー面の法線とそれぞれの導波路とがなす角
が、ミラーの臨界角より大きいことを特徴とする請求項
1の光ジャイロ。2. A light output means for outputting a part of the light,
2. A mirror provided in a mirror section connecting the first waveguide and the second waveguide, wherein an angle between a normal line of the mirror surface and each waveguide is larger than a critical angle of the mirror. Light gyro.
とする請求項2の光ジャイロ。3. The optical gyro according to claim 2, wherein said mirror has an elliptical cylindrical surface.
光学素子が、楕円柱面からなることを特徴とする請求項
1の光ジャイロ。4. The optical gyro according to claim 1, wherein the optical element that changes the propagation direction of the output light has an elliptical cylindrical surface.
光学素子が、回折格子付きのスラブ導波路であることを
特徴とする、請求項1の光ジャイロ。5. The optical gyro according to claim 1, wherein the optical element that changes the propagation direction of the output light is a slab waveguide with a diffraction grating.
形成された受光素子を有することを特徴とする請求項1
の光ジャイロ。6. The light-receiving element according to claim 1, wherein the plurality of light-receiving elements include light-receiving elements formed in an array.
Light gyro.
イを有することを特徴とする請求項1の光ジャイロ。7. The optical gyro according to claim 1, wherein the plurality of light receiving elements include a CCD array.
ザと同一の層構成を用いたことを特徴とする請求項1の
光ジャイロ。8. The optical gyro according to claim 1, wherein the plurality of light receiving elements have the same layer configuration as a ring laser.
ザと同一の層構成のレーザ素子を用いたことを特徴とす
る請求項1の光ジャイロ。9. The optical gyro according to claim 1, wherein a laser element having the same layer structure as a ring laser is used as said plurality of light receiving elements.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11033277A JP2000230831A (en) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | Optical gyro |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11033277A JP2000230831A (en) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | Optical gyro |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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- 1999-02-10 JP JP11033277A patent/JP2000230831A/en active Pending
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