JPH03142317A - 光ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、光導波路コイル内を相互に反対方向に進行す
るレーザ光相互の位相差に基づいて、該光導波路コイル
の固定されている被検出体の回転角速度を検出する光ジ
ャイロに関する。

［従来の技術］ 従来より、第６図に示すように、レーザ光源７２から出
射されたレーザ光をビームスプリッタ７６により二つに
分岐し、一方のレーザ光を、結合レンズ７８ａを介して
光導波路８０により導いて、光フアイバコイル８２の一
端へ出射して時計方向へ伝播させ、他方のレーザ光を、
結合レンズ７８ｂを介して光位相変調器８４に伝播し、
光位相変調器８４により位相変調したうえで、光フアイ
バコイル８２の他端へ出射して反時計方向へ伝播させる
ことにより、光フアイバコイル８２内を相互に反対方向
に伝播させると共に、光フアイバコイル８２の両端のそ
れぞれから入射されるレーザ光をビームスプリッタ７６
により統合したうえで、受光器７４により受光して、二
つのレーザ光の位相差に応じた電気信号を出力するよう
に構成された光ジャイロ７０が、知られている。

この光ジャイロ７０では、光ジャイロ７０が搭載された
被検出体（図示路）が、光フアイバコイル８２のコイル
形成面において回転角速度Ωで回転したとき、時計方向
に進むレーザ光ＣＷと反時計方向に進むレーザ光ＣＣＷ
との間に、次式で表される位相差Δφを生じる。

Δφ＝４πＬＲΩ／（Ｃλ） ただし、しは光フアイバコイルの長さ、Ｒは光フアイバ
コイルの半径、Ｃは真空中での光速度、λは光の波長で
ある。

そして、受光器７４が、位相差Δφに応じて電気信号を
出力すると、この電気信号に基づいて、電気信号処理回
路（図示路）が被検出体の回転角速度Ωを検出する。し
かし、被検出体の回転角速度が小さいとき、生じる位相
差Δφが極めて小さく、受光器７４の電気的出力として
現れない。そのため、この光ジャイロ７０では、反時計
方向に進むレーザ光ＣＣＷを、光位相変調器８４により
位相変調することで検出感度を向上させているわけであ
る。

したがって、公知のように、受光器７４の電圧出力には
、直流成分と共にベッセル関数で表される高次の成分が
重畳されおり、この電圧出力を同期検波すると、回転角
速度Ωに応じた電圧信号Ｖ口が得られる。この電圧信号
ＶＯは、次式で表さる。

ＶＤ＝Ｃｓｉｎ（Δφ） ＝Ｃｓｉｎ　（４ｙｒ　Ｌ　ＲΩ／（Ｃλ））ただし、
Ｃは所定の定数である。

このように位相変調により検出感度を上げると共に受光
器７４の出力電気信号を同期検波することで被検出体の
微少な動きも検出可能になる。

ところで、この種の光ジャイロでは、独立した構成要素
として造られたレーザ光源７２、受光器７４及び光学系
７６〜８２などを組み立てて作製するので、振動や温度
変化により各構成要素の位置ズレやレーザ光源と光導波
路との接合の不具合が起こる。そのため、レーザ光源７
２（あるいは受光器７４）と光導波路８０との光結合効
率や、受光器７４の受光面での二つのレーザ光ＣＷ及び
ＣＣＷの重なり面積が変動し、受光器７４の出力する電
圧信号がドリフトするといった問題が起こる。

この問題を解決するために、強誘電体にオブ酸すチウム
Ｌ＋ＮｂＯ３、酸化珪素ビスマスＢｉ２ＳｉＯ２など）
の基板の上に、半導体発光素子及び受光素子を貼り付け
て、あるいは化合物半導体（ガリウムヒ素ＧａＡｓ、イ
ンジウムリンＩｎＰなど）の基板の上に、化合物半導体
の薄膜を結晶成長させたものを積層することによって発
光素子及び受光素子を形成して（たとえ１′Ｌ　　ガリ
ウム・アルミニウムヒ素ＧａＡＱＡｓ系の半導体発光素
子及び受光素子）、また光導波路については、同じ化合
物半導体基板上に、強誘電体の薄膜を形成し、その薄膜
をチタンＴＩ熱拡散法により高屈折率にして作製して、
各素子及び光学系を集積化することで、振動や温度変化
の影響を防ぐ光フアイバジャイロが提案されている（特
開昭５８−２１６９０９号公報）。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記光フアイバジャイロにおいては、別に作製
された半導体発光素子及び受光素子の単体を基板上に貼
り付けるため、半導体発光素子及び受光素子のへき開面
（レーザ光の発光面あるいは受光面）と光導波路の端面
との密着や相互の高精度の位置合わせが困難で、光結合
効率の低下や光軸のズレを充分に防ぐことができないと
いう問題があった また、化合物半導体基板には、その上に異種の化合物半
導体を結晶成長させると、結晶内に格子欠陥を生じやす
いという性質があるために、形成された薄膜には壊れや
すいという問題があったさらに、化合物半導体基板の上
に強誘電体の薄膜を形成し、この薄膜に熱拡散やイ・オ
ン注入などのドーピングを行うと、薄膜に歪みが生じる
といったことがあり、化合物半導体の基板上に、強誘電
体の薄膜で光導波路や他の光素子を形成することには、
問題がある。

そこで、本発明は、光結合効率の低下や光軸のズレがな
く集積化にも無理がない光ジャイロを提供することを目
的としてなされた。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨とするところは、 光導波路コイルの両端のそれぞれへレーザ光を出射する
と共に、該両端から入射されるレーザ光相互の位相差に
基づいて、該光導波路コイルの固定されている被検出体
の回転角速度を検出する光ジャイロであって、 元素半導体単結晶の単一基板の上に超格子構造をなす化
合物半導体結晶を成長させて形成した薄膜からなる半導
体発光素子及び半導体受光素子と、上記単一基板の上に
結晶成長で形成された強誘電体又は化合物半導体の薄膜
からなる光導波路コイルと、 該光導波路コイルと同一の薄膜からなり、該光導波路コ
イルの両端のそれぞれと上記半導体発光素子及び半導体
受光素子とを結ぶ光導波路と、を備えたことを特徴とす
る光ジャイロにある。

［作用］ 以上のように構成された本発明の光ジャイロによれば、 半導体発光素子の発光するレーザ光は、光導波路を経て
光導波路コイルのそれぞれの端部へ進み、光導波路コイ
ル内を相互に反対に伝播する。そして、光導波路コイル
の端部のそれぞれから光導波路を経て半導体受光素子に
至り受光される。

ここで、超格子とは、異なる元素または化合物の格子を
積層して形成した結晶格子であって、元素半導体と化合
物半導体との格子不整合によって発生する転移（化合物
半導体結晶のすべりによる変形）を抑制する作用をもつ
。それゆえ、超格子構造をなす化合物半導体の結晶は、
格子定数の異なる元素半導体単結晶の基板の上でも、規
則正しく成長することができるのである。したがって、
元素半導体単結晶の基板の上で、格子欠陥のない良質な
化合物半導体の薄膜を形成することができ、その薄膜を
積層することで半導体発光素子及び半導体受光素子を造
ることができる。

また、元素半導体単結晶の基板の上に、化合物半導体又
は強誘電体の薄膜を形成して光導波路コイル及び光導波
路を造るのは、格子欠陥がない規則正しい結晶構造をも
つ薄膜ができ、熱拡散やイオン注入によって上記薄膜に
歪みが生じることがないからである。

［実施例］ 以下に本考案の実施例を図面と共に説明する。

まず、第１図は本発明を適用した実施例の光ジャイロの
光学的構成を表す説明図である。

図に示すように、光ジャイロ１は、Ｎ元素及びＢ元素な
どをドーピングしたｎ形あるいはｐ形のシリコン単結晶
基板（以下、単にシリコン基板という）３の上に形成さ
れた光集積回路５とセンシングコイル７とから構成さ札
　図示せぬ被検出体に搭載されている。なお、第１図は
、センシングコイル７に対して光集積回路５を拡大して
表している。

光集積回路５は、高コヒーレントなレーザ光を発光する
半導体レーザ素子（以下、単にレーザ素子という）１０
、光電変換を行う半導体受光素子（以下、単に受光素子
という）１２、レーザ光を所定経路に導く光導波路１４
・第１分岐光導波路１４ａ・第２分岐光導波路１４ｂ、
レーザ光を分岐あるいは統合する方向性結合器１６及び
所定周波数でレーザ光を変調する位相変調器１８から構
成されている。

レーザ素子１０は、周知のように、活性層をクラッド層
で挟んで相互を接合した二重へテロ構造（図示路）をな
し、クラッド層の表面（非接合面）に形成されている正
負電極に直流電流を通電すると活性層からレーザ光が出
射される。受光素子１２は、周知のようにＰ形半導体と
ｎ形半導体（図示路）とを接合したもので、接合面に光
があたると、その光の強弱に応じた電気信号を出力する
。

光導波路１４は、レーザ素子１０から出射されたレーザ
光をセンシングコイル７の一端に導き、第１分岐光導波
路１４ａは、方向性結合器１６により光導波路１４から
分岐されたレーザ素子１０からのレーザ光をセンシング
コイル７の他端に導き、第２分岐光導波路１４ｂは、セ
ンシングコイル７の両端から、光導波路１４と第１分岐
光導波路１４ａとのそれぞれを経て入射されたレーザ光
を統合して受光素子１２に導く。

ここで、レーザ素子１０及び受光素子１２、各光導波路
１４．１４ａ、１４ｂの材質ならび製造方法について説
明する。

まず、短波長帯域のレーザ光を使用する場合には、シリ
コン基板３上に、ＭＯＣＶＤ　（有機金属化学的気相成
長）法により、超格子構造をなす化合物半導体結晶を成
長させて形成した薄膜を積層（たとえば、ＧａＡｓの薄
膜とＧａＡＱＡｓの薄膜とを積層）することで、レーザ
素子１０及び受光素子１２を造ると共に、シリコン基板
３上に強誘電体（Ｌ　＋　ＮｂＯ３，Ｂ　ｉ２ｓ　＋　
０２など）を結晶成長させて形成した薄膜で各光導波路
１４．１４ａ、１４ｂを造ることによって、レーザ素子
１０及び受光素子１２と光導波路１４及び第２分岐光導
波路１４ｂとを一体成形する。

一方、長波長帯域のレーザ光を使う場合、シリコン基板
３上に、ＭＯＣＶＤ法により、化合物半導体（たとえば
、　１ｎＰ）の薄膜を形成し、この薄膜上に、超格子構
造をなす化合物半導体結晶を成長させて形成した薄膜を
積層（たとえば、１ｎＰの薄膜とインジウム・ガリウム
ヒ素・リン１ｎＧａＡｓＰの薄膜などを積層）すること
で、レーザ素子１０及び受光素子１２表造石と共に、上
記化合物半導体の薄膜で各光導波路１４．１４ａ、１４
ｂを造ることによって、レーザ素子１０及び受光素子１
２と光導波路１４及び第２分岐光導波路１４ｂとを一体
成形する。

各光導波路１４．１４ａ、１４ｂにライては、Ｔｌ熱拡
散法あるいはイオン注入により、上記の強誘電体の薄膜
あるいは化合物半導体の薄膜に高屈折率をもたせて単一
モード偏波面保存型の光導波路に形成されている。

方向性結合器１６は、光導波路１４と第１分岐光導波路
１４あるいは第２分岐光導波路１４ｂとがレーザ光の波
長レベルの距離で近接している箇所を、それぞれ挟む形
に配設された二組の正負のプレーナ電極１６ａと１６ｂ
及び１６ｃと１６ｄからなり、それぞれのプレーナ電極
１６ａ〜１６ｄの正極１６ａ、１６ｃ及び負極１６ｂ、
１６ｄが反対に位置するように配設されているプレーナ
電極１６ａ〜１６ｄは、アルミニウムまたは金からなり
、強誘電体または化合物半導体の薄膜の上に、周知のフ
ォトグラフィ技術により形成されている。

方向性結合器１６（よ円偏光と直線偏光とを分離するビ
ームスプリッタとして動作するものであり、電圧を印加
されると、レーザ素子１０からのレーザ光を二つに分岐
させると共にセンシングコイル７の両端から入射される
レーザ光を結合する。

位相変調器１８は、第２分岐光導波路１２ｂのセンシン
グコイル７の一端の近傍に、第２光導波路１２ｂｆＥ挟
む形に配設された正負のプレーナ電極１８ａ、１８ｂか
らなり、プレーナ電極１８ａ、１８ｂに、信号処理電子
回路からの周波数ｆｓの電圧信号が印加されると、電気
光学効果により第２分岐光導波路１２ｂの屈折率が変化
し、この屈折率の変化によりレーザ光が変調周波数ｆＯ
で位相変調される。なお、位相変調器１８は、光導波路
１４側に設けてもよい。

位相変調器１８のプレーナ電極１８ａ、１８ｂは、方向
性結合器１６のプレーナ電極１６ａ〜１６ｄと同じ方法
で造られている。

センシングコイル７（上釜光導波路１４．１４ａ、１４
ｂと同じく、Ｔｉ熱拡散法により、強誘電体の薄膜ある
いは化合物半導体の薄膜に高屈折率をもたせて単一モー
ド偏波面保存型の光導波路として、シリコン基板３上に
形成されている。また、センシングコイル７は、光集積
回路５の外部領域に形成されることで、総延長を充分長
くとって造られている。

上記の光集積回路５は、シリコン基板３の外部に設けら
れた電子回路３０に電圧信号を出力すると共に光集積回
路５の各素子が電子回路３０からの駆動信号により駆動
される。

第２図に示すように、電子回路３０は、レーザ素子１０
の駆動電源回路３２と、受光素子１２からの電気信号を
検出し増幅する信号検出増幅回路３４と、受光素子１２
の出力レベルに応じてレーザ素子１０の発光レベルを制
御する発光レベル制御回路３６と、位相変調器１８に発
振器３８の発振周波数ｆｓに基づいた電圧信号を出力す
る位相変調器駆動回路４０と、検出増幅回路３４からの
信号を周波数ｆｓで同期検波する同期検波器４２と、同
期検波器４２の出力する信号の高周波成分を濾波する濾
波器４４と、方向性結合器１６を駆動する方向性結合器
駆動回路４６とを主要部として構成さね、受光素子１２
の出力する電気信号から被検出体の回転角速度に応じた
信号成分を検出する。上記の電子回路３０の各回路の動
作については、位相変調方式光ジャイロの電子回路とし
て周知であるので、詳細は省略する。

光ジャイロ１においては、レーザ素子１０から出射され
レーザ光を方向性結合器９により二つに分岐し、一方の
レーザ光ＣＷを、センシングコイル７の一端へ出射して
時計方向へ伝播させ、他方のレーザ光ＣＣＷを、位相変
調器１８により位相変調して、センシングコイル７の他
端へ出射して反時計方向へ伝播させ、センシングコイル
７内色相互に反対方向に伝播させる。センシングコイル
７内を伝播する二つのレーザ光の間には、光ジャイロ１
を搭載した被検出体が回転すると、サグナック位相差が
起こる。この位相差をもつ二つのレーザ光の一方ＣＷは
、位相変調器１８で変調周波数ｆＯにより位相変調され
、さらに方向性結合器９により他方のレーザ光ＣＣＷと
結合されたうえで、受光素子１２に入射される。すると
、受光素子１２は、二つのレーザ光のサグナック位相差
に応じた電気信号を出力する。

そして、電子回路３０が、受光素子１２からの電気信号
を同期検波して、回転角速度に応じた信号を出力する。

上記したように本実施例では、シリコン基板３上に、化
合物半導体の薄膜を結晶成長で形成したので、格子欠陥
がない規則正しい超格子の結晶構造をもつ薄膜ができる
。それゆえ、化合物半導体結晶の良質な薄膜で、半導体
レーザ素子１０及び受光素子１２を造ることができる。

さらに、良質な化合物半導体の薄膜に、あるいは強誘電
体を結晶成長させて形成した薄膜に、熱拡散やイオン注
入の処理を施しても、薄膜の結晶構造に歪が生じること
がないので、熱拡散法やイオン注入法により薄膜を高屈
折率にすることができる。

また、レーザ素子１０及び受光素子１２と各光導波路１
４．１４ａ、１４ｂとセンシングコイル７とを、同一の
シリコン基板３に一体形成することができ、レーザ素子
１０及び受光素子１３と各光導波路１４．１４ａ、１４
ｂとの光結合効率及び光軸合わせの精確度が向上し、さ
らに、振軌温度変化による光軸ズレや位相ズレが起こる
ことがない。また光学系を一体化したので、装置の小型
化に効を奏する。

加えて、方向性結合器１６、位相変調器］８も同一のシ
リコン基板３に一体形成したので、振動、温度による動
作点の変動が抑制される。

ここで、本実施例では電子回路３０をシリコン基板３の
外部に設けると共にセンシングコイル７を光集積回路２
０に対して横並びの位置に配設したが、この（ｔＬ　　
第３図に示すように、電子回路３０の各回路３２〜４６
を、シリコン基板３上に結晶成長で造った薄膜で形成し
た電子素子で構成し、光集積回路２０と電子回路３０と
を一体的に集積化することで光電子集積回路４０を作製
し、これを取り巻くように、超微細加工技術（エツチン
グ、ドーピング、薄膜形成、プレーナ技術などのマイク
ロッアプリケーション技術）を用いてセンシングコイル
５０を形成してもよい。

このようにすると、センシングコイル５０をより長くで
きので、検出感度を向上させることができる。また、光
集積回路２０と電子回路３０とを一つのＩＣチップとす
ることができるので、光ジャイロ］をより小型にするこ
とができる。

なお、この場合には、センシングコイル５０の一方の端
部からコイル本体への導入部分５０ａはコイルの上を跨
ぐようにして交差しなければならないが、以下の形成方
法にてセンシングコイル５０の交差部分の立体構造を構
築できる。

すなわち、第４図に示すように、まず、シリコン基板３
の上に塩化ケイ素Ｓ　＋　ＣＱ　４、塩化チタンＴ　ｉ
　ＣＱ　ａなどを出発原料にアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲
気において火炎中で加水分解を起こさせることで、酸化
シリコン５１０２の上層クラッド５２ａ及び５４ａと下
層クラッド５２ｂ及び５４ｂとを積層して形成し、次に
、ＴｉＯ，リッチ・ＳｉＯ２（屈折率に応じてＴｉＯ２
などの不純物を所定量だけドープすることによって造ら
ｋＴｉ０２を比較的多く含有するＳｉＯ２）の上層光導
波路（乗り越え部分の光導波路）５０ｃと下層光導波路
（コイル形成部分の光導波路）５０ｄとを積層して形成
することによって、センシングコイル５０の交差部分の
立体構造を構築できる。

また、第５図に示すように、センシングコイル６０をシ
リコン単結晶の円柱材７０上に形成すると共に光電子集
積回路４０を円柱の一部を基板としてそこに集積化して
形成してもよい。

この場合には、センシングコイル６０の総延長を延ばす
ことができるので、回転角速度の検出感度を向上させる
ことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、同一の元素半導
体単結晶の基板の上に、超格子構造をなす化合物半導体
結晶を成長させて半導体発光素子及び半導体受光素子を
形成すると共に、化合物半導体又は強誘電体の薄膜を結
晶成長させて光導波路コイル及び光導波路を形成したの
で、半導体発光素子及び受光素子と光導波路コイル及び
光導波路とを、一体形成することができる。したがって
半導体発光素子及び受光素子と光導波路との結合効率及
び光軸合わせの精確度が向上し、光ジャイロを小型にで
きる。また、振動、温度変化による光軸ズレゃ位相ズレ
が起こることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の光ジャイロの光学的構成を表す説明図
、台２図は電子回路のブロック図、第３図はセンシング
コイルを光電子集積回路の周囲に形成した光ジャイロを
表す説明図、第４図はセンシングコイルの交差部分の立
体構造を表す説明図、第５図はシリコン円柱に設けられ
た光ジャイロを表す説明図、第６図は従来の光ジャイロ
を表す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光導波路コイルの両端のそれぞれへレーザ光を出射する
   と共に、該両端から入射されるレーザ光相互の位相差に
   基づいて、該光導波路コイルの固定されている被検出体
   の回転角速度を検出する光ジャイロであつて、 元素半導体単結晶の単一基板の上に超格子構造をなす化
   合物半導体結晶を成長させて形成した薄膜からなる半導
   体発光素子及び半導体受光素子と、上記単一基板の上に
   結晶成長で形成された強誘電体又は化合物半導体の薄膜
   からなる光導波路コイルと、 該光導波路コイルと同一の薄膜からなり、該光導波路コ
   イルの両端のそれぞれと上記半導体発光素子及び半導体
   受光素子とを結ぶ光導波路と、を備えたことを特徴とす
   る光ジャイロ。