專利名稱：環(huán)型激光陀螺儀和用于驅(qū)動環(huán)型激光陀螺儀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光陀螺儀，一種半導(dǎo)體激光陀螺儀、用于驅(qū)動該激光陀螺儀的一種方法和用于驅(qū)動該半導(dǎo)體激光陀螺儀的一種方法，具體地是涉及環(huán)諧振器型激光陀螺儀。
以前，已經(jīng)知道的有具有轉(zhuǎn)子和傳感器的機(jī)械陀螺儀或光學(xué)陀螺儀，作為用于探測運(yùn)動物體的角速度的陀螺儀。由于光學(xué)陀螺儀特別能夠即時啟動，并具有大的動態(tài)范圍，它們帶來了陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域的一次革命。
光學(xué)陀螺儀包括激光陀螺儀、光纖陀螺儀、無源諧振器陀螺儀等。其中，采用氣體激光器的激光陀螺儀最早得到開發(fā)并已經(jīng)在飛機(jī)等技術(shù)中得到了實(shí)際使用。
近來，作為小型且高度精確的激光陀螺儀，提出了一種集成在半導(dǎo)體基底上的半導(dǎo)體激光陀螺儀，其中在日本專利申請公開第5-288556號中公布的。該說明書公布了一種技術(shù)，用于從環(huán)脊型的激光元件中取出分別沿著順時針方向和逆時針方向傳播的激光束，以使它們彼此干涉并取出一種干涉強(qiáng)度作為光子流。
另外，在日本專利申請公開第57-43486(美國專利第4，431，308)號中，公布了一種陀螺儀，它采用了轉(zhuǎn)動的上述元件的終端電壓，而不從半導(dǎo)體激光元件取光。
在圖29中，一個半導(dǎo)體激光元件5792具有分別在其上和下側(cè)的電極5790、5791。標(biāo)號5793表示了一個直流阻隔電容、標(biāo)號5794表示一個輸出端，且5795表示一個電阻。如圖29所示，所公布的是，作為環(huán)型激光裝置的激光元件的該半導(dǎo)體激光元件與一個驅(qū)動電源5796相連，且當(dāng)上述裝置具有一定的角速度時產(chǎn)生的順時針光束與逆時針光束之間的一個頻率差(一個拍頻)，以激光元件的端電壓之間的差的形式，得到探測。
另外，在日本專利申請公開第4-174317號中進(jìn)一步公布了，以轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的激光元件的端電壓的一個改變，得到了探測。
然而，這種傳統(tǒng)的激光陀螺儀不能探測轉(zhuǎn)動的方向。這是由于從端電壓探測到的拍頻，不論半導(dǎo)體激光元件的轉(zhuǎn)動方向是順時針還是逆時針，都具有相同的值。因此，產(chǎn)生了顫抖，且從方向與顫抖信號的相關(guān)性，確定了轉(zhuǎn)動方向。
另外，在該激光陀螺儀中，對于一個轉(zhuǎn)動，振蕩頻率被分成兩個。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速低時，振蕩頻率之間的差變小。在此情況下，由于介質(zhì)中的非線性，發(fā)生了內(nèi)擺現(xiàn)象，其中振蕩頻率被引入另一種模式。為了解除這種內(nèi)擺現(xiàn)象，進(jìn)行了激光陀螺儀的顫抖。
本發(fā)明的一個目的，是提供一種激光陀螺儀，一種半導(dǎo)體激光陀螺儀、用于驅(qū)動該激光陀螺儀的一種方法和用于驅(qū)動該半導(dǎo)體激光陀螺儀的一種方法，其中轉(zhuǎn)動的方向即使在沒有設(shè)置諸如顫抖器的機(jī)械裝置的情況下也能夠得到探測，且不容易造成內(nèi)擺現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明的環(huán)型激光陀螺儀是這樣的環(huán)型激光陀螺儀，即其中第一和第二激光束沿著彼此相反的方向傳播，其特征在于在包括在環(huán)型激光器中的光波導(dǎo)上設(shè)置了多個電極區(qū)，且注入這些電極區(qū)的電流或加到這些電極區(qū)的電壓得到控制，從而使第一和第二激光束的振蕩頻率在環(huán)型激光陀螺儀處于靜止?fàn)顟B(tài)時變得彼此不同。
上述的控制是這樣形成，即電流被注入到多個電極，從而使其中光波導(dǎo)的折射率受到調(diào)制的一個空間隨著時間的推移而沿著與第一或第二激光束的傳播方向相同的方向運(yùn)動。
另外，上述的控制是這樣的，即注入的電流沿著與第一或第二激光束的傳播方向相同的方向傳播。
根據(jù)本發(fā)明的用于驅(qū)動該環(huán)型激光陀螺儀的一種方法的特征在于其中光波導(dǎo)的折射率受到調(diào)制的一個空間隨著時間的推移而沿著一個傳播方向運(yùn)動。
另外，根據(jù)本發(fā)明的用于驅(qū)動該環(huán)型激光陀螺儀的該方法是用于驅(qū)動具有多個電極的環(huán)型激光陀螺儀的一種方法，其特征在于加到多個電極的電壓或注入多個電極的電流按照這些電極之間形成時間差而得到調(diào)制，從而使調(diào)制的順序沿著一個傳播方向。
另外，根據(jù)本發(fā)明的用于驅(qū)動該環(huán)型激光陀螺儀的方法是用于驅(qū)動這樣的半導(dǎo)體激光陀螺儀的一種方法，即在該半導(dǎo)體激光陀螺儀中通過使電流沿著產(chǎn)生激光振蕩的方向流程，沿著一個傳播方向或沿著與該一個傳播方向相反的傳播方向產(chǎn)生光的傳播，其特征在于電流的流動方向被限制在該一個傳播方向。


圖1A、1B和1C是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)的頂視圖和剖視圖；圖2是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖3是用于說明根據(jù)本發(fā)明的該半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖4是用于說明根據(jù)本發(fā)明形成該半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖5是用于說明根據(jù)本發(fā)明形成該半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖6是用于說明根據(jù)本發(fā)明形成該半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖7是用于說明根據(jù)本發(fā)明形成該半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖8是用于說明根據(jù)本發(fā)明形成該半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖9A和9B是顯示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)的頂視圖和說明注入至各個電極的電流的時序圖；圖10A和10B是顯示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)的頂視圖和說明輸入至各個電極的電流的時序圖；圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明的氣體激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)的頂視圖；圖12是說明根據(jù)本發(fā)明的折射率調(diào)制元件的立體圖13用于說明根據(jù)本發(fā)明的折射率調(diào)制元件的輸入電壓的時序圖；圖14A、14B、14C和14D是顯示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)的頂視圖和剖視圖；圖15是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖16是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖17是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖18是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖19是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖20是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖21是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖22是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的割視圖；圖23是用于說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖；圖24顯示了從半導(dǎo)體激光陀螺儀的電壓(電壓的頻率改變)改變探測轉(zhuǎn)動的方法；圖25詳細(xì)描述了用于探測拍頻信號的電路配置；圖26顯示了電路配置的另一個例子，其中半導(dǎo)體激光陀螺儀受到一個恒定電流的驅(qū)動且半導(dǎo)體激光陀螺儀40的陽極電位的一個改變被讀出以探測轉(zhuǎn)動；圖27顯示了一種頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路(F-V轉(zhuǎn)換電路)的一個例于；圖28顯示了一種情況，其中半導(dǎo)體激光陀螺儀的阻抗的改變用一種阻抗計測量；圖29說明傳統(tǒng)的例子。
以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明，雖然這種描述是以半導(dǎo)體激光陀螺儀作為激光陀螺儀的一個例子而進(jìn)行的，但它不只限于這種情況，且本發(fā)明可被應(yīng)用于例如氣體激光陀螺儀。
(第一實(shí)施例)圖9A顯示了半導(dǎo)體激光陀螺儀的頂視圖且圖9B顯示了注入各個電極的電流的時序圖。在同一圖中，標(biāo)號1、2、3和4表示了陽極，且各個陽極是電分離的。在此狀態(tài)下，如圖9B所示，電流被注入陽極1、2和3且在這些電極之間設(shè)定的時間差是相同的。注意陽極1至4的形狀不限于圖中所示的形狀，而是可以是使得電流能夠以與圖9B中所示的時序圖類似的時序圖被注入的形狀。在該半導(dǎo)體中，當(dāng)發(fā)熱效果可被忽略時，折射率被伴隨電流注入的自由載流子等離子體效應(yīng)所減小。另一方面，當(dāng)伴隨電流判定的焦耳加熱產(chǎn)生的發(fā)熱占據(jù)支配地位時，折射率增大。在兩種情況下，當(dāng)電流大時，折射率改變都與電流小的情況下不同?，F(xiàn)在，用n0表示注入電流為3mA時光波導(dǎo)的等價折射率且用np表示當(dāng)注入電流為4mA時的等價折射率。
在圖9B中，其中注入電流變?yōu)?mA的電極，隨著時間的推移，而移向電極3、電極2和電極1。這意味著具有折射率np的區(qū)隨著時間的推移而沿著逆時針傳播。如果電極的一邊的長度用l表示且電流脈沖的寬度用tp表示，傳播速度v由以下公式(1)表示v=1tp----------(1)]]>現(xiàn)在，假定具有諸如上述的等價折射率的區(qū)逆時針運(yùn)動。此時，如果在具有等價折射率np的區(qū)中的光速vL被固定于環(huán)諧振器的系統(tǒng)所觀測到，則由特殊相對論給出了以下的公式(2)vL=Cn0±(1-1np2)v--------(2)]]>其中c表示真空中的光速。結(jié)果，在逆時針的光的諧振頻率f1與順時針的光的諧振頻率f2之間產(chǎn)生了以下的差ΔfnΔfn=f2-f1=2(np2-1)vmlλ0n0L=2(np2-1)ml2λ0n0t0L-----(3)]]>在此，m表示用于調(diào)制電流的電極的數(shù)目。在圖9B中，由于采用了電極1、2和3，m=3。當(dāng)然，m=2或m=4也是可接受的。例如，當(dāng)m=2時，一個直流電流流到其中沒有調(diào)制的其余的兩個電極。另外，L表示諧振器的總長度，λ0表示當(dāng)光學(xué)諧振器的等價折射率是n0時真空中的振蕩波長。注意一個恒定的電流(例如4mA)流向電極4。當(dāng)然，也可以沒有該電流流動。
結(jié)果，在半導(dǎo)體激光器中產(chǎn)生了具有拍頻Δfn的拍頻光，且半導(dǎo)體激光器中的總光強(qiáng)以拍頻Δf漲落。響應(yīng)于此，有源層中的載流子濃度以該拍頻漲落，且當(dāng)一個恒定電流流入該半導(dǎo)體激光器時，一個端電壓以該拍頻改變。因此，即使當(dāng)該元件處于靜止?fàn)顟B(tài)時，從該元件的電極也觀測了一個拍頻信號。
以下考慮其中這種元件以角速度Ω作逆時針轉(zhuǎn)動的情況。此時，由于Sagnac效應(yīng)，逆時針的光的頻率f1R和順時針光的頻率f2R分別由以下公式(4)和(5)給出f1R=f1-2n0Sλ0LΩ------(4)]]>f2R=f2+2n0Sλ0LΩ------(5)]]>
在此，S表示被諧振器的光路圍繞的區(qū)域，且L表示環(huán)型諧振器的光路的長度。結(jié)果，從該元件的電終端獲得了以下的拍頻信號。然而，二級無窮小項被忽略了。ΔfR=f2R-f1R=2(np2-1)ml2λ0n0t0L=4n0Sλ0LΩ------(6)]]>由此可見，如果電子的傳播方向和元件的傳播方向相同，則拍頻比在其處于靜止?fàn)顟B(tài)時大。
另一方面，如果電子的傳播方向和元件的傳播方向彼此相反，拍頻比當(dāng)其處于靜止?fàn)顟B(tài)時小，如以下的公式(7)所示ΔfL=2(np2-1)ml2λ0n0t0L-4n0Sλ0LΩ------(7)]]>以此方式，從處于靜止?fàn)顟B(tài)的拍頻的增大和減小，就可以探測到轉(zhuǎn)動的方向。
注意，一個傳播方向的意思當(dāng)然包括了其中圖9A的電極2象圖10A那樣被分段且沿著一條直線排列的電極201、202和203依次得到調(diào)制的情況。另外，在此例中，雖然電流得到了調(diào)制，電壓也可以被調(diào)制。另外，如果在光波導(dǎo)中采用了量子井結(jié)構(gòu)，可通過利用量子約束Stark效應(yīng)來借助電壓控制折射率。
(第二實(shí)施例)雖然根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的特征在于注入電流沿著一個方向流動，如果電流的流動方向是一個傳播方向，載流子的傳播方向也是一個方向。
然而，雖然電子和正的空穴的傳播方向彼此相反，由于電子的速度比空穴的速度快，載流子傳播的效應(yīng)主要由電子控制。
注意，在半導(dǎo)體激光器的情況下，雖然受到相對于半導(dǎo)體層的生長方向的雙異結(jié)構(gòu)的約束，它能夠在半導(dǎo)體層的表面內(nèi)自由地運(yùn)動。本發(fā)明利用了半導(dǎo)體層表面內(nèi)的載流子(主要是電子)的這種運(yùn)動，且因而注入半導(dǎo)體激光器的電流具有用于在區(qū)域的一部分中沿著一個方向傳播的驅(qū)動裝置。
以下結(jié)合具有如圖14A所示的電極結(jié)構(gòu)(標(biāo)號1至4表示了陽極和11至14表示陰極)的半導(dǎo)體激光器，描述流向元件的電流向著一個傳播方向流動的情況。陽極1和陰極11、陽極2和陰極12、陽極3和陰極13，以及陽極4和陰極14分別形成電極對，且電流在各個電極上流過。
現(xiàn)在，假定在半導(dǎo)體層的表面內(nèi)，電子的傳播方向沿著一個方向變窄。此時，由于多普勒，其中增益最高的諧振頻率根據(jù)順時針傳播的光和逆時針傳播的光而變化。例如，假定電子逆時針傳播，其速度v表示為v＞0。此時，逆時針的光的諧振頻率f1和順時針光的諧振頻率f2由以下公式(8)和(9)給出f1=f0(1-ncv)------(8)]]>f2=f0(1+ncv)------(9)]]>在此，f0表示沒有多普勒效應(yīng)時的光的諧振頻率，c表示真空中的光速，且n表示半導(dǎo)體的折射率。
另外，如果背散射可忽略，兩個相對傳播的振蕩模式之間的耦合，即沿著彼此相對的方向傳播的兩個振蕩模式之間的耦合變?yōu)槿醯鸟詈?。結(jié)果，這兩種模式將彼此獨(dú)立地振蕩。即，在環(huán)型諧振器內(nèi)，同時已有兩個相對傳播的振蕩模式，其中振蕩頻率由于多普勒效應(yīng)而發(fā)生移動。此時，這兩個頻率之間的與差(Δf)相應(yīng)的拍頻光Δf=f2-f1=2f0ncv--------(10)]]>在半導(dǎo)體激光器內(nèi)產(chǎn)生，且半導(dǎo)體激光器內(nèi)的總光強(qiáng)以拍頻Δf漲落。響應(yīng)于此，有源層內(nèi)的載流子濃度以該拍頻漲落，且如果恒定電流流向半導(dǎo)體激光器，端電壓以該拍頻漲落。因此，即使當(dāng)該元件處于靜止?fàn)顟B(tài)時，從元件的電終端也觀測到拍頻信號。
以下考慮其中該元件以角速度Ω作逆時針轉(zhuǎn)動的情況。此時，由于Sagnac效應(yīng)，逆時針光的頻率f1R和順時針光的頻率f2R由以下公式(11)和(12)給出f1R=f0(1-ncv)(1-nc2SLΩ)------(11)]]>f2R=f0(1+ncv)(1+nc2SLΩ)------(12)]]>在此，S表示環(huán)型諧振器的光路所圍繞的區(qū)域，且L表示環(huán)型諧振器的光路的長度。結(jié)果，從該元件的而終端，獲得了以下的拍頻信號。然而，二次無窮小項被忽略了。ΔfR=f2R-f1R=2f0nc(v+2SLΩ)------(13)]]>從這種結(jié)果，可以看出，如果電子的傳播方向和元件的轉(zhuǎn)動方向是相同的，拍頻變得比處于靜止?fàn)顟B(tài)時大。另一方面，如果電子的傳播方向和元件的轉(zhuǎn)動方向是彼此相對的，拍頻變得比處于靜止?fàn)顟B(tài)時小，如以下的公式(14)所示ΔfL=2f0nc(v-2SLΩ)------(14)]]>因此，通過處于靜止?fàn)顟B(tài)下的拍頻的增大和減小，轉(zhuǎn)動的方向能夠得到探測。
注意，為了使流向半導(dǎo)體激光器的電流更為有效地傳播，半導(dǎo)體激光器較好地是環(huán)形的。
(實(shí)施例)以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
(實(shí)施例1)圖1A至1C是最適當(dāng)?shù)仫@示本發(fā)明的特性的圖。圖1A是本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的頂視圖，且圖1B是沿著圖1A中的1B-1B線的剖視圖。在這些圖中，標(biāo)號1、2、3和4表示陽極，標(biāo)號11表示陰極，標(biāo)號21表示半導(dǎo)體基底，標(biāo)號22表示一個緩沖層，標(biāo)號23表示一個光導(dǎo)向?qū)?，?biāo)號24表示一個有源層，標(biāo)號25表示一個光導(dǎo)向?qū)?，?biāo)號26表示一個包覆層，且標(biāo)號27表示一個覆蓋層。注意，在圖1A中陽極看起來象是彼此部分地接觸，但實(shí)際上它們是彼此分開的，如圖1C所示。
另外，圖2至圖8是用于說明本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖。注意相同的標(biāo)號表示了與圖1A至1C中相同的部件。在各圖中，標(biāo)號28表示了一個陽極材料，且標(biāo)號31是光刻膠。
首先，參見圖2至圖8，描述本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程。首先，如圖2所示，通過利用有機(jī)汽相外延生長技術(shù)，在一種n-InP基底21(厚度為350μm)上生長一個InP緩沖層22(厚度為0.05μm)、一個具有1.3μm復(fù)合未摻雜InGaAsP光導(dǎo)向?qū)?3(厚度為0.15μm)、具有1.55μm復(fù)合的未摻雜InGaAsP有源層24(厚度為0.1μm)、一個具有1.3μm復(fù)合的未摻雜InGaAsP光導(dǎo)向?qū)?5(厚度為0.15μm)、一個p-InP包覆層26(厚度2μm)和一個具有1.4μm復(fù)合的p-InGaAsP覆蓋層27(厚度為0.3μm)。在其晶粒生長之后，如圖3所示，借助汽相淀積在該p-InGaAsP覆蓋層27上形成一個Cr/Au，作為陽極材料28。隨后，用旋涂機(jī)，在陽極材料28上以這樣的方式涂覆一種AZ-1350(由Hoechst制造)，即其涂覆厚度為1μm，作為光刻膠31。在以30度的溫度進(jìn)行了30分鐘的預(yù)烘烤熱處理之后，將片暴露以進(jìn)行掩膜。光刻膠31在顯影和沖洗之后具有如圖4所示的略微漸細(xì)的形狀。另外，其條的寬度是5μm，且電極的一側(cè)的長度是100μm。隨后，片被引導(dǎo)至一種反應(yīng)離子蝕刻系統(tǒng)，且如圖5所示，陽極材料28的Cr/Au用光刻膠31作為蝕刻掩膜而被干蝕刻。用于蝕刻的氣體對Au是Ar且對Cr是CF4。隨后，利用氯氣，對半導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻，從而使光波導(dǎo)的高度變?yōu)?.2μm。這在圖6中得到顯示，且如圖7所示，光刻膠31被除去。隨后，光刻膠再次經(jīng)歷圖案形成，且角部的Cr/Au和覆蓋層被蝕刻，且陽極的間隔部分被電隔離。陽極之間的隔離電阻是1KΩ。隨后，陽極28在氫環(huán)境中得到退火并實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。隨后，如圖8所示，在n-InP基底21上汽相淀積作為陰極11的AuGe/Ni/Au，它在氫環(huán)境下被最后退火并實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。
隨后，借助圖9A和9B描述半導(dǎo)體激光陀螺儀的操作。在此實(shí)施例中，如圖9A所示，陽極被分成四段，且一段陽極與一段陰極被用作一對?，F(xiàn)在，電流以圖9B所示的時序流向陽極1、2和3。此時，一個恒定電流4mA被注入電極4。
由于半導(dǎo)體和空氣具有不同的折射率，在界面上形成了反射。假定半導(dǎo)體的折射率n是n=3.5，法線與射到界面上的激光束之間的角度不小于16.6度時就造成了全反射。由于其場被全反射的模式的振蕩閾值與另一模式相比比較低，且沒有鏡損耗，振蕩在低的注入電流就開始發(fā)生。另外，由于增益集中在這種振蕩模式中，其他的模式被抑制了。
在圖9A和9B的半導(dǎo)體激光陀螺儀中，激光束在四個角處的入射角是45度，并滿足了全反射條件。結(jié)果，室溫下的振蕩閾值只有2mA。驅(qū)動電流是3mA，且當(dāng)這種激光器處于靜止?fàn)顟B(tài)且均勻電流被注入四個電極時，真空中的振蕩波長λO是1.55μm。
以下考慮靜止?fàn)顟B(tài)下的拍頻。假定電極的一側(cè)的長度1是1=100μm且調(diào)制周期tp是tp=100ms，從公式(1)，v由以下公式(15)給出v=1tp=1.00×10-3m/s------(15)]]>另外，在真空中的振蕩波長λ0是λ0=1.55μm且半導(dǎo)體的折射率n0是n0=3.5。從公式(3)，此時靜止?fàn)顟B(tài)下的拍頻Δfn由以下公式(16)給出Δfn=3.11×103Hz=3.11kHz(16)另外，當(dāng)圖9A的半導(dǎo)體激光陀螺儀以每秒30度的速度作逆時針轉(zhuǎn)動，作為照相機(jī)搖動和汽車振動的量度時，順時針激光束的振蕩頻率f2增大了59.1Hz。另一方面，逆時針激光束的振蕩頻率f1減小了59.1Hz。結(jié)果，如公式(6)所示，與處于靜止?fàn)顟B(tài)下的半導(dǎo)體激光陀螺儀相比，拍頻增大了118.2Hz。另一方面，當(dāng)半導(dǎo)體激光陀螺儀作每秒30度的順時針轉(zhuǎn)動，如公式(7)所示，與處于靜止?fàn)顟B(tài)下的半導(dǎo)體激光陀螺儀相比，拍頻減小了118.2Hz。因此，借助拍頻的增大和減小，可探測轉(zhuǎn)動方向。另外，由于拍頻改變量的絕對值對應(yīng)于轉(zhuǎn)動的速度，轉(zhuǎn)動的速度也能夠得到測量。即，借助本發(fā)明，轉(zhuǎn)動的速度和轉(zhuǎn)動方向能夠同時得到探測。注意，如果恒定電流被注入半導(dǎo)體激光器，這種拍頻是從端電壓的改變觀測。
在此，InGaAsP系統(tǒng)的材料被用作半導(dǎo)體材料。然而，也可以采用諸如GaAs系統(tǒng)、ZnSe系統(tǒng)、InGaN系統(tǒng)、Al-GaN系統(tǒng)等的材料系統(tǒng)。另外，關(guān)于光波導(dǎo)，圍繞光路的形狀可不只是正方形的，而可以是任何形狀的，諸如六角形、三角形或圓形等，如圖9A所示。另外，陽極和陰極的數(shù)目不限于四個，如本實(shí)施例中所示，而是可以是任何數(shù)目的，只要是多個。
注意，一個傳播方向指的包括其中圖9A的電極2如圖10A所示地被分段且沿著一條直線排列的這些電極被依次調(diào)制的情況。另外，同時在此例中電流被調(diào)制，如果為光波導(dǎo)采用了量子井結(jié)構(gòu)，也可通過采用量子約束啟動Stark效應(yīng)來借助電壓控制折射率。
(實(shí)施例2)圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明的帶有諧振器型氣體激光器的光學(xué)陀螺儀的一個樣品的典型平面圖，其中作圓形傳播，以及其中激光束的傳播路徑是正方形的情況。在圖11中，標(biāo)號51表示了一個放電管，標(biāo)號53表示一個鏡子，標(biāo)號521、522、523和524表示折射率調(diào)制元件，標(biāo)號61表示順時針激光束且標(biāo)號62表示逆時針激光束。
在上述配置中，當(dāng)氦氣和氖氣被引入放電管51且電壓被加到陽極和陰極上時，開始發(fā)生放電且進(jìn)入電流流過的狀態(tài)。鏡53獲得的距離是10cm。當(dāng)這種光學(xué)陀螺儀處于靜止?fàn)顟B(tài)下時，順時針和逆時針激光束的振蕩頻率是非常相等的，都是4.73×1014Hz，并具有632.8nm的振蕩波長。另一方面，折射率調(diào)制元件521、522、523和524是Ti擴(kuò)散的LiNbO3折射率調(diào)制元件并利用電光效應(yīng)改變折射率。這種元件的典型立體圖在圖12中顯示。在該圖中標(biāo)號81表示一個LiNbO3晶體。激光束-82的傳播方向83的折射率np是2.286。在傳播方向83的右角的箭頭84顯示了光的偏振方向，即其中電場振蕩的方向。電壓以圖13所示的時序被加到折射率調(diào)制元件521、522、523上。此時，電壓都是恒定的且為5V。
以下考慮靜止?fàn)顟B(tài)下的拍頻。假定折射率調(diào)制元件的元件長度l是l=1mm，且一個調(diào)制周期tp=1ms，從公式(1)，v由以下公式(17)給定v=1tp=1.00m/s------(17)]]>另外，由于光學(xué)諧振器主要由氣體和空氣構(gòu)成，其折射率n0可被薄是n0=1此時，從公式(3)，處于靜止?fàn)顟B(tài)下的拍頻Δfn由公式(18)給出Δfn=1.00×105Hz=100kHz(18)另外，當(dāng)給圖11的氣體激光陀螺儀加上每秒30℃的速度的逆時針轉(zhuǎn)動，作為照相機(jī)搖動和汽車振動的量度時，順時針激光束的振蕩頻率f22減小41.4kHz。另一方面，逆時針激光束的振蕩頻率f1減小41.4kHz。結(jié)果，如公式(6)所示，與處于靜止?fàn)顟B(tài)的氣體激光陀螺儀相比，拍頻增大了82.8kHz。另一方面，當(dāng)氣體激光陀螺儀以每秒30度的速度作順時針轉(zhuǎn)動，如公式(7)所示，與處于靜止?fàn)顟B(tài)下的氣體激光陀螺儀相比，拍頻減小了82.8kHz。
以此方式，借助拍頻的增大和減小，能夠探測轉(zhuǎn)動的方向。而且，由于拍頻改變量的絕對值對應(yīng)于轉(zhuǎn)動的速度，轉(zhuǎn)動的速度能夠得到測量。即，借助本發(fā)明，轉(zhuǎn)動的速度和轉(zhuǎn)動的方向能夠同時得到探測。注意，如果恒定電流流向配置氣體激光器的放電管，這種拍頻是是從放電管的端電壓的改變觀測到的。
注意，在上述光學(xué)陀螺儀中，雖然利用了氦和氖氣作為例子進(jìn)行了顯示，也可以采用能夠產(chǎn)生激光振蕩的任何氣體。另外，諧振器的形狀不限于正方形，而可以是任何形狀的，諸如六角形、三角形等。
可以采用不僅利用電-光效應(yīng)的折射率調(diào)制元件，而且可采用利用聲-光效應(yīng)和熱效應(yīng)的折射率調(diào)制元件。
以下描述用于從諸如半導(dǎo)體激光陀螺儀的激光陀螺儀的電壓改變(電壓的頻率的改變)探測轉(zhuǎn)動的方法、這種氣體激光陀螺儀等。雖然在此采用了半導(dǎo)體激光陀螺儀的例子，相同的方法可被用于氣體激光陀螺儀。在圖24中，顯示了用于從半導(dǎo)體激光陀螺儀40的電壓改變(電壓的頻率的改變)探測方向的方法。在圖24中，標(biāo)號40表示了半導(dǎo)體激光陀螺儀，標(biāo)號41表示了電阻、標(biāo)號42表示恒定電流源，且標(biāo)號46表示電壓探測電路。通過在半導(dǎo)體激光陀螺儀的探測端上設(shè)置一個保護(hù)電路，可防止半導(dǎo)體激光陀螺儀的惡化或擊穿。例如，如圖24所示，連接了一個電壓跟隨器45，作為保護(hù)電路。
以下詳細(xì)描述用于探測拍頻信號的電路配置。
如圖25所示，半導(dǎo)體激光陀螺儀40的陽極被連接到用于緩沖的一個運(yùn)算放大器45。由于從運(yùn)算放大器45輸出的信號具有與角速度相應(yīng)的頻率，它被一種已知的頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路50(F-V轉(zhuǎn)換電路)轉(zhuǎn)換成電壓，從而通過轉(zhuǎn)動探測器51探測轉(zhuǎn)動。當(dāng)然，如果獲得了所希望的特性，運(yùn)算放大器45(一個電壓跟隨器)可被省略。
在圖26中，顯示了該電路的另一種配置的例子，其中半導(dǎo)體激光陀螺儀被恒定電流驅(qū)動且半導(dǎo)體激光陀螺儀40的陽極電位的改變被讀出以探測轉(zhuǎn)動。與圖24中的相同的標(biāo)號表示了相同的部件。
半導(dǎo)體激光陀螺儀40的陽極經(jīng)保護(hù)電阻52與運(yùn)算放大器55的輸出端相連，且半導(dǎo)體激光陀螺儀40的陰極與運(yùn)算放大器55的倒相輸入端相連。另外，一個電阻53被連接在該倒相輸入端與運(yùn)算放大器55的基準(zhǔn)電位之間。
在此，當(dāng)一個受控電位(Vin)從一個微計算機(jī)54等被提供給運(yùn)算放大器55的非倒相輸入端時，從上述電位和一個電阻53導(dǎo)出的電流變?yōu)榱飨虬雽?dǎo)體激光陀螺儀40以進(jìn)行驅(qū)動的恒定電流。半導(dǎo)體激光陀螺儀40的陽極與運(yùn)算放大器45相連。運(yùn)算放大器45輸出了信號Vout。由于該信號具有與角速度成比例的拍頻，它被已眾所周知的頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路50(一種F-V轉(zhuǎn)換電路)等轉(zhuǎn)換成電壓，從而借助轉(zhuǎn)動探測器51探測轉(zhuǎn)動。
注意，在圖27中，顯示了頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路(一種F-V轉(zhuǎn)換電路)的例子。這種電路是由晶體管Tr1、二極管D1和D2、電容C1和C2以及電阻R0和R1構(gòu)成。Ec表示了一個偏壓電壓。一個輸出電壓Vc2由以下公式(19)給出Vc2=E1C1R0f1+11-exp(-1/(R0C2f))------(19)]]>在此，E1表示一個輸入電壓的一個峰至峰值，且f示一個拍頻。通過設(shè)計適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù)，從而使得C2＞＞C1，R0C2f＜1，給出了以下公式(20)Vc2≈E1C1R0f/2(20)
從而能夠獲得與拍頻成比例的電壓輸出。
另外，不論電流源的種類如何，半導(dǎo)體激光器的阻抗改變都能夠由一個阻抗計49直接測量。標(biāo)號44表示了電流源。在此情況下，與其中測量端電壓的情況不同，驅(qū)動電流源的噪聲的效應(yīng)變小。這個例子在圖29中得到顯示。標(biāo)號40表示一個半導(dǎo)體激光陀螺儀，且標(biāo)號41表示一個電阻。
(實(shí)施例3)圖14A至14D是最適當(dāng)?shù)仫@示本發(fā)明的特性的圖。圖14A是本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的頂視圖。圖14B是沿著圖14的14B-14B線的剖視圖。
在這些圖中，標(biāo)號1、2、3和4表示陽極，標(biāo)號11、12、13和14表示陰極，標(biāo)號121表示半導(dǎo)體基底，標(biāo)號22表示緩沖層，標(biāo)號23表示光導(dǎo)向?qū)?，?biāo)號24表示有源層，標(biāo)號25表示光導(dǎo)向?qū)?，?biāo)號26表示包覆層且標(biāo)號27表示覆蓋層。另外，圖15至23是說明本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程的剖視圖。在這些圖中，標(biāo)號28表示了陽極材料，標(biāo)號29表示了陰極材料且標(biāo)號31、32表示光刻膠。注意圖14C是沿著圖14A的14C-14C線的剖視圖，且圖14D是沿著圖14A中的14D-14D線的剖視圖。
以下結(jié)合圖15至圖23描述本發(fā)明的半導(dǎo)體激光陀螺儀的制造過程。首先，如圖15所示，利用亞有機(jī)汽相外延生長技術(shù)，在一種半絕緣InP基底121(厚度為350μm)上生長一個InP緩沖層22(厚度為0.05μm)、一個具有1.3μm復(fù)合未摻雜InGaAsP光導(dǎo)向?qū)?3(厚度為0.15μm)、具有1.55μm復(fù)合的未摻雜InGaAsP有源層24(厚度為0.1μm)、一個具有1.3μm復(fù)合的未摻雜InGaAsP光導(dǎo)向?qū)?5(厚度為0.15μm)、一個p-InP包覆層26(厚度2μm)和一個具有1.4μm復(fù)合的p-InGaAsP覆蓋層27(厚度為0.3μm)。在其晶粒生長之后，如圖16所示，借助汽相淀積在該p-InGaAsP覆蓋層27上形成一個Cr/Au，作為陽極材料28。隨后，用旋涂機(jī)，在陽極材料28上以這樣的方式涂覆一種AZ-1350(由Hoechst制造)，即其涂覆厚度為1μm，作為光刻膠31。在以80度的溫度進(jìn)行了30分鐘的預(yù)烘烤熱處理之后，將片曝光以進(jìn)行掩膜。光刻膠31在顯影和沖洗之后具有如圖17所示的略微漸細(xì)的形狀。另外，其條的寬度是5μm，且光波導(dǎo)一周的長度是600μm。隨后，片被引導(dǎo)至一種反應(yīng)離子蝕刻系統(tǒng)，且如圖18所示，陽極材料28的Cr/Au用光刻膠31作為蝕刻掩膜而被干蝕刻。用于蝕刻的氣體對Au是Ar且對Cr是CF4。隨后，利用氯氣，對半導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻，從而使光波導(dǎo)的高度變?yōu)?.2μm。這在圖19中得到顯示，且如圖20所示，光刻膠31被除去。隨后，光刻膠再次經(jīng)歷圖案形成，且角部的Cr/Au和覆蓋層被蝕刻，且陽極的間隔部分被電隔離。陽極之間的隔離電阻是1KΩ。隨后，陽極28在氫環(huán)境中得到退火并實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。隨后，為了通過剝離形成陰極，利用旋涂機(jī)，涂覆光刻膠32，從而覆蓋片的整個表面。光刻膠32是RD-2000N(由Hitachi Kasei制造)并具有1μm的厚度。在90度溫度下烘烤30分鐘之后，通過制作掩膜使片曝光。光刻膠32在顯影和沖洗之后具有如圖21所示的適合于剝離的反向漸細(xì)的形狀。隨后，如圖22所示，在n-InP基底121上淀積作為陰極材料29的AuGe/Ni/Au。隨后，通過在一種有機(jī)溶劑中用超聲波沖洗片，有選擇地形成陰極29，如圖23所示。為了使電流只流過各個對陽極/陰極，陰極的間隔也用離子注入等進(jìn)行絕緣。另外，陰極的間隔可通過形成圖案來分開。最后，在氫環(huán)境下對陰極進(jìn)行退火，并實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。
以下利用圖14A至14D描述半導(dǎo)體激光陀螺儀的操作。在此實(shí)施例中，陽極和陰極被分成四段，且各個陽極的一段和各個陰極的一段被用作一對。通過把陽極1和陰極11、陽極2和陰極12、陽極3和陰極13以及陽極4和陰極14分別結(jié)合，電流被注入各對的間隔。由于陽極電極和陰極電極分別是獨(dú)立的，電流例如不流過陽極2和陰極11。在圖14A中，陽極1、2被顯示為似乎是彼此接觸的，但實(shí)際上它們是分開的，如圖1C所示。此時，在圖14A中，電子作逆時針運(yùn)動。
由于半導(dǎo)體和空氣具有不同的折射率，在界面上形成了反射。假定半導(dǎo)體的折射率n是n=3.5，法線與射到界面上的激光束之間的角度不小于16.6度時就造成了全反射。由于其場被全反射的模式的振蕩閾值與另一模式相比比較低，且沒有鏡損耗，振蕩在注入電流低時就開始發(fā)生。另外，由于增益集中在這種振蕩模式中，其他的模式被抑制了。在圖14A至14D的半導(dǎo)體激光陀螺儀中，激光束在四個角處的入射角是45度，并滿足了全反射條件。結(jié)果，室溫下的振蕩閾值只有3mA。驅(qū)動電流是4.5mA，且當(dāng)這種激光器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，真空中的振蕩波長λO是1.55μm。
以下考慮靜止?fàn)顟B(tài)下的拍頻。由于電子的擴(kuò)散長度Ln為Ln=2μm且再結(jié)合壽命τn=1×10-8s，電子的速度v由以下公式(21)給出v=Lnτn=2×102m/s----(21)]]>另外，在真空中的振蕩波長λ0是λ0=1.55μm且半導(dǎo)體的折射率n0是n0=3.5。從公式(3)，此時靜止?fàn)顟B(tài)下的拍頻Δfn由以下公式(22)給出Δf=9.0×108Hz=900MHz(22)另外，當(dāng)圖1A至圖1C的半導(dǎo)體激光陀螺儀以每秒30度C的速度作逆時針轉(zhuǎn)動，而作為照相機(jī)搖動和汽車振動的量度時，順時針激光束的振蕩頻率f2增大了88.7Hz。另一方面，逆時針激光束的振蕩頻率f1減小了88.7Hz。結(jié)果，如公式(13)所示，與處于靜止?fàn)顟B(tài)下的半導(dǎo)體激光陀螺儀相比，拍頻增大了177.4Hz。另一方面，當(dāng)半導(dǎo)體激光陀螺儀作每秒30度的順時針轉(zhuǎn)動時，如公式(14)所示，與處于靜止?fàn)顟B(tài)下的半導(dǎo)體激光陀螺儀相比，拍頻減小了177.4Hz。因此，借助拍頻的增大和減小，可探測轉(zhuǎn)動方向。另外，由于拍頻改變量的絕對值對應(yīng)于轉(zhuǎn)動的速度，轉(zhuǎn)動的速度也能夠得到測量。即，借助本發(fā)明，轉(zhuǎn)動的速度和轉(zhuǎn)動方向能夠同時得到探測。注意，如果恒定電流被注入半導(dǎo)體激光器，這種拍頻是從端電壓的改變觀測。注意圖14A顯示了其中采用了四對陽極和陰極對的情況。然而，較好的是在電極區(qū)的一部分中有其中電流沿著相同方向流動的、能夠有激光束的電流區(qū)。
在此，InGaAsP系統(tǒng)的材料被用作半導(dǎo)體材料。然而，也可以采用諸如GaAs系統(tǒng)、ZnSe系統(tǒng)、InGaN系統(tǒng)、Al-GaN系統(tǒng)等的材料系統(tǒng)。另外，關(guān)于光波導(dǎo)，圍繞光路的形狀可不只是如圖1A至1C所示的正方形的，而可以是任何形狀的，諸如六角形、三角形或圓形等。另外，陽極和陰極的數(shù)目不限于四個，如本實(shí)施例中所示，而是可以是任何數(shù)目的，只要是多個。
注意，關(guān)于從半導(dǎo)體激光陀螺儀的電壓改變(電壓頻率的改變)探測轉(zhuǎn)動的方法，采用了上述的方法。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，即使未驅(qū)動顫抖器，也能夠探測轉(zhuǎn)動的方向
權(quán)利要求
1．一種環(huán)型激光陀螺儀，其中第一和第二激光束沿著彼此相對的方向傳播，其中在包括在環(huán)型激光器中的一個光波導(dǎo)上提供了電極區(qū)，且注入該電極區(qū)的電流或加到該電極區(qū)上的電壓受到控制，從而使第一和第二激光束的振蕩頻率在環(huán)型激光陀螺儀處于靜止?fàn)顟B(tài)時彼此不同。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)型激光陀螺儀，其中的控制是這樣的，即使得電流被注入電極從而使其中光波導(dǎo)的折射率受到調(diào)制的空間隨著時間的推移而沿著與第一或第二激光束的傳播方向相同的方向運(yùn)動。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)型激光陀螺儀，其中的控制是這樣的，即注入電流沿著與第一或第二激光束的傳播方向相同的方向傳播。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的環(huán)型激光陀螺儀，其中電極區(qū)是陽極且為每一個陽極設(shè)置了一個陰極。
5．用于驅(qū)動一種環(huán)型激光陀螺儀的一種方法，其中光波導(dǎo)的折射率在其中受到調(diào)制的一個空間隨著時間的推移沿著一個傳播方向運(yùn)動。
6．用于驅(qū)動具有電極的一種環(huán)型激光陀螺儀的一種方法，其中加到該電極上的電壓或注入該電極的電流以在電極間設(shè)定的時間差得到調(diào)制，從而使調(diào)制的順序沿著一個傳播方向。
7．用于驅(qū)動一種半導(dǎo)體激光陀螺儀的一種方法，在該半導(dǎo)體激光陀螺儀中通過使產(chǎn)生激光振蕩的電流流動而使光沿著一個傳播方向傳播或沿著與該一個傳播方向相反的傳播方向傳播，其中電流的流動方向被限制在該一個傳播方向。
全文摘要
一種環(huán)型激光陀螺儀,其中第一和第二激光束沿著彼此不同的方向傳播,包括位于構(gòu)成環(huán)型激光器的光波導(dǎo)上的電極區(qū),并控制注入到該電極區(qū)的電流或加到該電極區(qū)上的電壓,其中第一和第二激光束的振蕩頻率彼此不同。至于探測轉(zhuǎn)動的方法,激光陀螺儀的陽極與一個運(yùn)算放大器相連。由于從該運(yùn)算放大器輸出的信號具有與角速度相應(yīng)的頻率,它被一個頻率－電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓,從而探測轉(zhuǎn)動。
文檔編號G01C19/64GK1296165SQ0013390
公開日2001年5月23日 申請日期2000年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月11日
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