專利名稱：陀螺儀裝置和陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器裝置。本發(fā)明還涉及使用一個(gè)激光器裝置的陀螺儀。
用于檢測(cè)移動(dòng)物體角速度的已知陀螺儀包括包含轉(zhuǎn)子或振蕩器的機(jī)械陀螺儀以及光學(xué)陀螺儀。具體地，由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)包括能夠瞬時(shí)啟動(dòng)工作和呈現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，光學(xué)陀螺儀帶來了陀螺儀領(lǐng)域的技術(shù)革新?，F(xiàn)今已知的各種光學(xué)陀螺儀包括環(huán)狀激光器型陀螺儀，光纖陀螺儀和無源型環(huán)狀振蕩器陀螺儀。這些陀螺儀中，利用氣體激光器的環(huán)狀激光器型陀螺儀是最早出現(xiàn)的，并且現(xiàn)在這種陀螺儀被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)中。近年來，已經(jīng)提出形成于半導(dǎo)體基片上的小型和高精密度的半導(dǎo)體激光器陀螺儀。尤其見已
公開日本專利申請(qǐng)5-288556。
根據(jù)上述專利公開文本，在半導(dǎo)體基片5710上形成的環(huán)狀增益波導(dǎo)5711具有pn結(jié)，并從電極5722向增益波導(dǎo)5711注入載流子，如圖55所示，以便產(chǎn)生激光器振蕩。然后，通過增益波導(dǎo)5711順時(shí)針或逆時(shí)針傳播的激光束被提取并在光吸收區(qū)5717產(chǎn)生相互干涉。然后，干涉波束作為光電流通過另一個(gè)電極5723被提取以查看干涉強(qiáng)度。在圖55中，參考數(shù)字5715和5716分別表示順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向傳播的激光束，參考數(shù)字5718和5719表示光輸出，而參考數(shù)字5712表示反射面和參考數(shù)字5713，5714表示光學(xué)輸出面。
已
公開日本專利申請(qǐng)57-43486(美國(guó)專利4431308)公開了一種陀螺儀，該陀螺儀包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器單元，并利用由其轉(zhuǎn)動(dòng)引起的半導(dǎo)體激光器單元端子電壓的變化，而沒有將激光束提取到該單元之外。參見圖56，半導(dǎo)體激光器單元5792包括在其頂部電極和底部電極(5790和5791)。在圖56中，參考數(shù)字5793表示一個(gè)直流阻斷電容器，參考數(shù)字5794表示輸出端子，而參考數(shù)字5795表示電阻。如從圖56看出的，環(huán)狀激光器裝置的半導(dǎo)體激光器單元被連接到驅(qū)動(dòng)電源5796，當(dāng)該設(shè)備呈現(xiàn)某一角速度時(shí)，將順時(shí)針方向傳播的激光束頻率和逆時(shí)針方向傳播的激光束頻率之間的頻率差(拍頻)檢測(cè)為激光器單元端子電壓的變化。
已
公開日本專利4-174317也描述了一種技術(shù)，該技術(shù)檢測(cè)由轉(zhuǎn)動(dòng)引起的激光器單元端子電壓的變化。
可是在上述專利文獻(xiàn)中所描述的技術(shù)都不能檢測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。這是因?yàn)橹灰矬w以相同的角速度旋轉(zhuǎn)，即檢測(cè)到相同的拍頻而不論旋轉(zhuǎn)方向如何。
因此，已知的環(huán)狀激光器型陀螺儀不適于檢測(cè)它們自己的旋轉(zhuǎn)方向，因此旋轉(zhuǎn)方向必須通過使用抖動(dòng)(微振蕩)并確定抖動(dòng)和所獲得信號(hào)的相關(guān)性來確定。
另外，在已知的環(huán)狀激光器型陀螺儀中，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)振蕩頻率彼此分離。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)速度低時(shí)振蕩頻率差非常小則產(chǎn)生鎖定現(xiàn)象，在該現(xiàn)象中振蕩頻率被鎖定到一個(gè)振蕩模式。在已知的環(huán)狀激光器型陀螺儀中觀測(cè)到的鎖定現(xiàn)象可以通過使用抖動(dòng)來避免。
這樣，本發(fā)明的目的是提供一種陀螺儀，它能夠檢測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)方向。
本發(fā)明另一目的是提供一種陀螺儀，它能夠檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向而不利用例如抖動(dòng)發(fā)生器的機(jī)械裝置。
根據(jù)本發(fā)明，上述目的是通過提供一種陀螺儀實(shí)現(xiàn)的，該陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第一激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第二激光束作為主要工作模式；以便在所述第一激光器和所述第二激光器的至少一個(gè)上提取電信號(hào)；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)的至少一部分和所述第二光波導(dǎo)的至少一部分被設(shè)計(jì)得靠近。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，提供第三光波導(dǎo)并光學(xué)耦合到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述陀螺儀進(jìn)一步包括第三光波導(dǎo)連接到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)被至少部分地共享。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向上傳播。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向上傳播。
優(yōu)選地，在振據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)兩者具有不對(duì)稱錐形區(qū)。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述錐形區(qū)包括第一錐形部分和第二錐形部分，且第一錐形部分或第二錐形部分與具有恒定寬度的光波導(dǎo)部分形成90°角。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一和第二光波導(dǎo)分另具有光學(xué)元件，用來使一個(gè)方向上傳播的激光束的傳輸損耗與相反方向上傳播的激光束的傳輸損耗不同。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器利用恒定電壓驅(qū)動(dòng)同時(shí)所述第二激光器利用恒定電流驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種陀螺儀，該陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，提供第三光波導(dǎo)并光學(xué)耦合到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種陀螺儀，該陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，提供第三光波導(dǎo)并連接到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種陀螺儀，該陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)至少部分共享。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種陀螺儀，該陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，其中所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置檢測(cè)施加到所述第一激光器或所述第二激光器之上的電壓信號(hào)，流過所述第一激光器或所述第二激光器的電流信號(hào)或第一激光器或第二激光器的阻抗信號(hào)。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述第一激光器或第二激光器裝備有用于提取所述拍頻信號(hào)的電端子。
優(yōu)選地，在根據(jù)如上所述發(fā)明的陀螺儀中，所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置包括安放在所述第一激光器和第二激光器之外的光檢測(cè)器。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種陀螺儀，該陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和光檢測(cè)器用于接收所述第一和第二激光束；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種陀螺儀，該陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。


圖1A至1C是表示在因陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的拍頻信號(hào)中可觀察的變化的圖。
圖2A至2E是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖3A至3D也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖4A至4D也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖5A至5D也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖6也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖7A至7H也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖8A至8F也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖9A至9F也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖10A至10E也是說明本發(fā)明的一個(gè)激光器的示意圖。
圖11是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意圖。
圖12是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的另一個(gè)電路的示意圖。
圖13是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的又一個(gè)電路的示意圖。
圖14是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的又一個(gè)電路的示意圖。
圖15是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的又一個(gè)電路的示意圖。
圖16是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的又一個(gè)電路的示意圖。
圖17是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的又一個(gè)電路的示意圖。
圖18是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的又一個(gè)電路的示意圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的另一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖23是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖24是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖25是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖26是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖27是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖28是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖29是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖30是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖31是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖32是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖33A和33B是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖34是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖35A和35B是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖36是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖37是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器的又一個(gè)實(shí)施例的示意剖面圖。
圖38是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖39是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖40是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖41是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖42是用于提取可用于本發(fā)明目的的電信號(hào)的一個(gè)電路的示意方框圖。
圖43是如下文所述用于本發(fā)明目的的一個(gè)例子的示意剖面圖。
圖44是該例子的另一個(gè)示意剖面圖。
圖45是該例子的又一個(gè)示意剖面圖。
圖46是該例子的又一個(gè)示意剖面圖。
圖47是該例子的又一個(gè)示意剖面圖。
圖48是該例子的又一個(gè)示意剖面圖。
圖49是該例子的又一個(gè)示意剖面圖。
圖50是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器又一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖51是根據(jù)本發(fā)明的環(huán)狀激光器又一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖52是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)陀螺儀的示意圖。
圖53是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)陀螺儀的示意圖。
圖54是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)激光器裝置的示意圖。
圖55是一個(gè)已知陀螺儀的示意圖。
圖56是另一個(gè)已知陀螺儀的示意圖。
在所有附圖中用同一數(shù)字表示的部件是相對(duì)應(yīng)的部件，除非特殊說明。
在說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之前，將主要通過參考圖52和53并使用公式來說明根據(jù)本發(fā)明陀螺儀的工作原理。
對(duì)本發(fā)明來說，“一個(gè)用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式的激光器”的表述，是指一個(gè)用來僅產(chǎn)生在單一方向傳播的激光束的激光器，或者一個(gè)用來產(chǎn)生在一個(gè)方向傳播的激光束的激光器，該激光束比由其產(chǎn)生并在其它方向上傳播的任何其它激光束強(qiáng)烈的多。
從根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀檢測(cè)到的信號(hào)的信噪比，受在一個(gè)方向上傳播作為主要工作模式的激光束與作為輔助工作模式的反向傳播的激光束的強(qiáng)度比的影響。因此，為了本發(fā)明的目的，激光器最好僅產(chǎn)生一個(gè)激光束作為主要工作模式，盡管如果可以將陀螺儀所檢測(cè)信號(hào)的信噪比控制在令人滿意的水平，它可以產(chǎn)生其它激光束作為輔助工作模式。
現(xiàn)在，參見圖52，如果從第一激光器600發(fā)射并順時(shí)針方向(CW)傳播作為主要工作模式的第一激光束606的波長(zhǎng)是λ1，從第二激光器601發(fā)射并逆時(shí)針方向(CCW)傳播作為主要工作模式的第二激光束607的頻率是λ2，(＜λ1)，并驅(qū)動(dòng)激光器裝置625自身在如圖中箭頭626所示的順時(shí)針方向上旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針傳播的第一激光束的振蕩頻率f1以下列公式(1)所表示的值小于不驅(qū)動(dòng)激光器旋轉(zhuǎn)時(shí)所觀察到的第一激光束606的振蕩頻率f10；Δf1＝(2S1/λ1L1)·Ω……(1)在此S1是第一激光束光學(xué)路徑所圍繞的封閉面積，L1是第一激光束光學(xué)路徑的長(zhǎng)度，而Ω是激光器旋轉(zhuǎn)的角速度。參考數(shù)字602和603表示環(huán)形波導(dǎo)。
另一方面，逆時(shí)針傳播的第二激光束607的振蕩頻率f2以下列公式(2)所表示的值Δf2大于不驅(qū)動(dòng)激光器旋轉(zhuǎn)時(shí)所觀察到的第二激光束的頻率f20；Δf2＝(2S2/λ2L2)·Ω……(2)在此S2是第二激光束光學(xué)路徑所圍繞的封閉面積，L2是第二激光束光學(xué)路徑的長(zhǎng)度，而Ω是激光器旋轉(zhuǎn)的角速度。
如果將第一激光器600和第二激光器601設(shè)計(jì)得很近，通過第一激光器傳播的第一激光束606與第二激光束607耦合。同時(shí)，通過第二激光器傳播的第二激光束607與第一激光束601耦合。因此第一激光束和第二激光束共存在第一激光器600和第二激光器607中并相互干涉生成一個(gè)拍頻信號(hào)，該拍頻信號(hào)可以用第一激光束606的振蕩頻率和第二激光束的振蕩頻率的差值或者下列公式(3)來表示f2-f1＝f20-f10+(Δf2+Δf1)＝f20-f10+[(2S2/λ2L2)·Ω+(2S1/λ1L1)·Ω]……(3)另一方面，如果驅(qū)動(dòng)激光器625逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生一個(gè)拍頻信號(hào)，該拍頻信號(hào)可以用第一激光束的振蕩頻率和第二激光束的振蕩頻率的差值或下列公式(4)表示f2-f1＝f20-f10-(Δf2+Δf1)＝f20-f10-[(2S2/λ2L2)·Ω+(2S1/λ1L1)·Ω]……(4)同時(shí)，當(dāng)激光器中存在兩個(gè)或更多的不同振蕩模式時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)隨時(shí)間作為所選模式振蕩頻率差值的函數(shù)而變化。該現(xiàn)象稱為粒子數(shù)脈動(dòng)。在使電流流過例如氣體激光器或半導(dǎo)體激光器的情況下，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出與激光器阻抗一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在該激光器中當(dāng)兩個(gè)激光束相互干涉時(shí)，由干涉產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的變化從而改變激光器的電極之間的阻抗。當(dāng)使用恒定電壓源作為驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，此變化可以被作為流過該激光器裝置的端子電流的變化而被觀察。另一方面，當(dāng)使用恒定電流源時(shí)，此變化也可以作為施加到激光器上的電壓的變化而被觀察并作為代表兩個(gè)波束干涉的信號(hào)被提取。當(dāng)然，也有可能通過阻抗計(jì)直接觀察阻抗的變化。
這樣，通過提供一個(gè)端子用于檢測(cè)電流、電壓或激光器阻抗的變化，有可能提取代表單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)量、或激光器旋轉(zhuǎn)速度的拍頻信號(hào)。另外，根據(jù)本發(fā)明，拍頻根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向以公式(3)和(4)所表達(dá)的方式增加或減少。
因此，當(dāng)激光器不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有可能通過觀察拍頻的增加或減少，如果有的話，來檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
另一方面，如果滿足下列等式(5)所表示的關(guān)系，有可能既檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向又檢測(cè)精確的角速度。更具體地，如果使拍頻值的符號(hào)始終相同(在下述說明中為正，盡管可以使用相同的負(fù)號(hào))，并且僅拍頻的絕對(duì)值作為旋轉(zhuǎn)方向的函數(shù)而變化，旋轉(zhuǎn)方向和精確的角速度都可以被檢測(cè)。
f2-f1≥0 ……(5)現(xiàn)在，參見圖53，假設(shè)第一激光束和第二激光束的頻率在同一方向上傳播。參考數(shù)字602和603表示環(huán)形波導(dǎo)。例如，如果從第一激光器600發(fā)射并順時(shí)針方向傳播的第一激光束606的波長(zhǎng)是λ1，從第二激光器601發(fā)射并順時(shí)針方向(CCW)傳播的第二激光束607的波長(zhǎng)是λ2，(＜λ1)，并驅(qū)動(dòng)激光器裝置625順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，使順時(shí)針傳播的第一激光束振蕩頻率f1以下列公式(6)所表示的值小于當(dāng)不驅(qū)動(dòng)激光器旋轉(zhuǎn)時(shí)觀察到的第一激光束606的振蕩頻率f10；Δf1＝(2S1/λ1L1)·Ω……(6)在此S1是第一激光束光學(xué)路徑所圍繞的封閉面積，L1是第一激光束光學(xué)路徑的長(zhǎng)度，而Ω是激光器旋轉(zhuǎn)的角速度。
類似地，使同樣順時(shí)針方向傳播的第二激光束607的振蕩頻率f2以下列公式(2)所表示的值大于當(dāng)不驅(qū)動(dòng)激光器旋轉(zhuǎn)時(shí)所觀察到的第二激光束的頻率f20；Δf2＝(2S2/λ2L2)·Ω……(7)在此S2是第二激光束光學(xué)路徑所圍繞的封閉面積和L2是第二激光束光學(xué)路徑的長(zhǎng)度，而Ω是激光器旋轉(zhuǎn)的角速度。
如果第一激光器600和第二激光器601被設(shè)計(jì)得接近，通過第一激光器傳播的第一激光束606與第二激光束607耦合。同時(shí)，通過第二激光器傳播的第二激光束607與第一激光束601耦合。因此，第一激光束和第二激光束共存在第一激光器600和第二激光器607中并相互干涉生成一個(gè)拍頻信號(hào)，該拍頻信號(hào)可以用第一激光束606的振蕩頻率和第二激光束607的振蕩頻率的差值或者下列公式(8)表示f2-f1＝f20-f10-(Δf2-Δf1)＝f20-f10-[(2S’2/λ2L2)·Ω-(2S1/λ1L1)·Ω]……(8)另一方面，如果驅(qū)動(dòng)激光器625以圖中箭頭626所示的逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生一個(gè)拍頻信號(hào)，該拍頻信號(hào)可以用第一激光束的振蕩頻率和第二激光束的振蕩頻率的差值或下列公式(4)表示f2-f1＝f20-f10+(Δf2-Δf1)＝f20-f10+[(2S2/λ2L2)·Ω-(2S1/λ1L1)·Ω]……(9)因而，再一次，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)作為所選模式振蕩頻率差值的函數(shù)隨時(shí)間而變化，并從而改變激光器的電極之間的阻抗。
另外，根據(jù)本發(fā)明，拍頻根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向以公式(8)和(9)所表示的方式增加或減少。因此，通過觀察拍頻從激光器不轉(zhuǎn)動(dòng)以來的增加或減少，如果有的話，有可能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。
另一方面，當(dāng)?shù)谝患す馐恼袷幉ㄩL(zhǎng)和第二激光器的振蕩波長(zhǎng)彼此相等時(shí)，滿足下列等式(10)所表示的關(guān)系。
f20-f10＝0 ……(10)然后，拍頻f2-f1可以是正值或負(fù)值然而，只要拍頻的絕對(duì)值保持相同，就將從端子獲得相同和相等的信號(hào)。在這種情況下，不可能檢測(cè)激光器的旋轉(zhuǎn)方向。反之，根據(jù)本發(fā)明，通過觀察f2-f1絕對(duì)值的變化可能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。特殊地，當(dāng)滿足公式(5)的要求時(shí)，激光器的旋轉(zhuǎn)方向和精確角速度都可以被檢測(cè)。
另外，有可能利用安裝在外部的光檢測(cè)器來檢測(cè)拍頻信號(hào)，而非通過觀察所施加的電壓、流過電流的變化或激光器阻抗的變化來檢測(cè)拍頻信號(hào)。
更具體地，第一激光束和第二激光束被提取出半導(dǎo)體激光器。然后，在由光檢測(cè)器檢測(cè)激光束的同時(shí)，它們相互干涉并在光檢測(cè)器中產(chǎn)生作為振蕩頻率差的函數(shù)的拍頻信號(hào)。
結(jié)果，在光檢測(cè)器的電端子處能檢測(cè)拍頻信號(hào)。
通過使在與第一方向相反的方向上傳播的激光束產(chǎn)生光學(xué)損耗，可以僅使一個(gè)方向上環(huán)狀傳播的激光束存在于激光器中作為主要工作模式。
例如，當(dāng)光波導(dǎo)是部分錐形時(shí)，相對(duì)于進(jìn)入錐形區(qū)的光線，全反射條件被改變從而引起對(duì)該光線的反射損耗。于是，有可能通過產(chǎn)生嚴(yán)重的反射損耗來抑制兩個(gè)相反方向之一的激光器振蕩。更具體地，光的入射角度隨環(huán)狀傳播的方向而變化，并且在兩個(gè)方向之一的方向上傳播的光的損耗可能大于在相反方向上傳播的光，反之亦然。結(jié)果，使僅在一個(gè)方向上環(huán)狀傳播的激光束可以在激光器中存在作為主要工作模式。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，可以以光波導(dǎo)沿激光束的傳播方向逐漸增加其寬度的方式形成錐形區(qū)域。錐形區(qū)域在與包含環(huán)形傳播激光束傳輸路徑的平面相平行的平面上呈現(xiàn)鋸齒形剖面。
諸如光隔離器的光學(xué)設(shè)備可以插在光學(xué)路徑中以替代或額外地在光波導(dǎo)的局部上形成一個(gè)錐形區(qū)域。光隔離器僅允許固定偏振方向的光束在一個(gè)方向上通過。因此，如果在相反方向上傳播的兩個(gè)激光束的偏振相同，通過插入僅允許激光束在一個(gè)方向上通過的光隔離器，可以制成用來僅允許一個(gè)方向上傳播的激光束存在作為主要工作模式的環(huán)狀激光器。顯然可以用光環(huán)形器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只要后者僅允許激光束在一個(gè)方向上通過。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀中，注入第一激光器的電流值不同于注入第二激光器的電流值。另外，第一激光器的振蕩頻率或振蕩波長(zhǎng)和第二激光器的振蕩頻率或振蕩波長(zhǎng)可以彼此不同。
如果第一激光器的光學(xué)路徑的長(zhǎng)度和第二激光器的光學(xué)路徑的長(zhǎng)度分別是L1和L2，它們分別呈現(xiàn)由公式(11)用第一激光器和第二激光器的振蕩波長(zhǎng)定義的關(guān)系；L1＝2πm1λ1，L2＝2πm2λ2，……(11)其中m1和m2是整數(shù)。如果整數(shù)m1和m2彼此相等并且兩個(gè)激光器的光學(xué)路徑長(zhǎng)度彼此不同，則兩個(gè)激光器的振蕩波長(zhǎng)可彼此不同。因?yàn)檎袷庮l率與振蕩波長(zhǎng)成反比，所以兩個(gè)激光束的振蕩頻率可以不同。光學(xué)路徑長(zhǎng)度被定義為有效折射率與傳播距離的乘積，因此，通過使兩個(gè)光波導(dǎo)的有效折射率或長(zhǎng)度不同可以使第一激光器和第二激光器的長(zhǎng)度不同。
可以通過使注入兩個(gè)光波導(dǎo)的電流強(qiáng)度不同來使光波導(dǎo)的折射率不同。對(duì)于半導(dǎo)體激光器來說，在忽略電熱效應(yīng)范圍內(nèi)通過自由載流子等離子效應(yīng)降低折射率，而在熱效應(yīng)顯著的范圍內(nèi)則增加折射率。在任何一種情況下，可以通過控制注入電流以改變光波導(dǎo)的有效折射率來改變折射率。因此，兩個(gè)激光束的光學(xué)路徑長(zhǎng)度可以彼此不同。
同時(shí)，當(dāng)兩種不同模式共存時(shí)，已知振蕩頻率f1和光子數(shù)密度Si(i＝1，2)呈現(xiàn)出由下列公式(8)和(9)所表示的關(guān)系；2πf1+φ.1=Ω1+σ1-ρ1S1-τ12S2.........(12)]]>和2πf2+φ.2=Ω2+σ2-ρ2S2-τ21S1.........(13)]]>其中
表示相位，Ωi表示諧振角頻率，σi表示一種模式拉動(dòng)(mode-pulling)系數(shù)，ρi表示一種自模式推動(dòng)(self-mode-pushing)系數(shù)和τij表示互模式推動(dòng)(cross-mode-pushing)系數(shù)。注意i＝1，2；j＝1，2；i≠j。
一旦確定光波導(dǎo)的外形，公式(12)和(13)的Ωi、σi、ρi和τij變成常數(shù)。另外，如果在激光器振蕩期間不發(fā)生模式跳變，
這樣，根據(jù)公式(12)和(13)，推導(dǎo)出當(dāng)S1≠S2時(shí)f1≠f2。
因?yàn)楣庾訑?shù)密度Si(i＝1，2)根據(jù)注入激光器的電流而變化，根據(jù)公式(12)通過使注入兩個(gè)激光器的電流彼此不同可以使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。注意到這種現(xiàn)象不僅適用于半導(dǎo)體激光器，而且適用于氣體激光器。
通過使光波導(dǎo)的寬度、顯著影響有效折射率的介質(zhì)大小、所述介質(zhì)的材料或者兩個(gè)激光器所述介質(zhì)的成分不同可以使兩個(gè)光波導(dǎo)的有效折射率不同。
而且，通過使所述介質(zhì)的材料或成分不同可以使兩個(gè)激光器的振蕩波長(zhǎng)不同，因?yàn)殡S之兩個(gè)激光器增益的峰值波長(zhǎng)將不同。這因?yàn)槎鄠€(gè)諧振模式存在于光諧振器中，并且靠近增益峰值的波長(zhǎng)被放大從而產(chǎn)生激光器振蕩。
根據(jù)本發(fā)明，利用安裝在激光器內(nèi)部或外部用于提取電信號(hào)的光檢測(cè)器，可以觀測(cè)與激光器角速度相應(yīng)的拍頻振蕩的電信號(hào)。
現(xiàn)在，將簡(jiǎn)要討論當(dāng)陀螺儀驅(qū)動(dòng)順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，包括第一和第二激光器的陀螺儀的電信號(hào)及其獲取(參見圖1A到1C)。
在下述說明中，作為陀螺儀第一激光器的主要工作模式產(chǎn)生并順時(shí)針傳播的激光束(下文稱為“CW激光束”)的波長(zhǎng)用λ1表示，而作為陀螺儀第二激光器的主要工作模式產(chǎn)生并逆時(shí)針傳播的激光束(下文稱為“CCW激光束”)的波長(zhǎng)用λ2(＜λ1)表示。
圖1A表示當(dāng)激光器保持靜止時(shí)可以獲得的電信號(hào)。這里假設(shè)當(dāng)激光器裝置保持靜止時(shí)可以獲得的電信號(hào)具有信號(hào)周期tA。
當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，周期tA相應(yīng)于第一和第二激光束振蕩頻率差值的倒數(shù)或(f20-f10)-1。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)激光器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，拍頻f2-f1按照公式(3)所證明的方式增加從而將信號(hào)周期降低到如圖1B所示的tB。
另一方面，當(dāng)驅(qū)動(dòng)激光器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，拍頻按照公式(4)所證明的方式降低以將信號(hào)周期增加到如圖1C所示的tC。
于是，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)可以通過比較拍頻幅度，當(dāng)驅(qū)動(dòng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)通過比較拍頻來確定陀螺儀的角速度。
另一方面，當(dāng)陀螺儀保持靜止時(shí)陀螺儀的角速度可以根據(jù)拍頻差確定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)根據(jù)拍頻確定。
拍頻與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因此，通過利用頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路和預(yù)先已知的陀螺儀旋轉(zhuǎn)速度和電壓之間的關(guān)系將其拍頻轉(zhuǎn)換成電壓，根據(jù)所施加的電壓可以獲取陀螺儀的角速度。
根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀以如上所述的原理工作。
現(xiàn)在，將參見附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例1根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第一激光束作為主要工作模式，和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第二激光束作為主要工作模式，以便從第一或第二激光束中的至少一個(gè)提取出一個(gè)電信號(hào)，其中第一激光束和第二激光束各自具有不同的振蕩頻率并相互干涉。
設(shè)計(jì)該實(shí)施例以使第一和第二激光器分別具有以下述特殊方式構(gòu)成的第一和第二光波導(dǎo)，以使第一激光束和第二激光束分別具有彼此不同的振蕩頻率以相互干涉。
在一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，將第一光波導(dǎo)的至少一部分和第二光波導(dǎo)的至少一部分設(shè)計(jì)得很近。
在另一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，提供第三光波導(dǎo)并光學(xué)耦合到第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分。
在另一種結(jié)構(gòu)中，提供第三光波導(dǎo)并連接到第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分。
在又一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，第一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)的至少一部分被共用。
現(xiàn)在，將討論如何使作為主要工作模式產(chǎn)生的第一激光器的激光束和作為主要工作模式產(chǎn)生的第二激光器的激光束相互干涉。
(1)當(dāng)?shù)谝缓偷诙す馄鞅辉O(shè)計(jì)得很近時(shí)(參見圖2A至2D)。
如圖2A所示，第一激光器1200的第一光波導(dǎo)1202和第二激光器1201的光波導(dǎo)1203被設(shè)計(jì)得很近。在圖2A中，參考數(shù)字1204和1205分別表示用于產(chǎn)生將在一個(gè)方向上傳播的主模式波束的錐形區(qū)域。參考數(shù)字1206表示一個(gè)CCW波束，參考數(shù)字1207表示一個(gè)CW波束。
當(dāng)?shù)谝患す馄鞯墓獠▽?dǎo)和第二激光器的光波導(dǎo)被設(shè)計(jì)得至少一部分很接近時(shí)，通過第一激光器1200傳播的主模式波束1206與第二波導(dǎo)1203光學(xué)耦合，以便它也通過第二激光器傳播，同時(shí)通過第二激光器1201傳播的主模式波束1207與第一波導(dǎo)1202光學(xué)耦合，以便它也通過第一激光器傳播。因此，如果兩個(gè)主模式波束的振蕩頻率彼此不同，具有不同振蕩頻率的激光束在一個(gè)激光器中共存。
為了本發(fā)明的目的，被設(shè)計(jì)得很近的一對(duì)波導(dǎo)是指所設(shè)計(jì)的在圖2A中具有一個(gè)很小距離值1的波導(dǎo)。
更具體地，為了使第一激光器1200的CCW波束1206和第二激光器1201的CW波束1207彼此干涉，一個(gè)激光器的光波導(dǎo)至少部分位于另一激光器激光束的穿透深度內(nèi)。顯然每個(gè)激光器的光波導(dǎo)可以部分位于另一激光器激光束的穿透深度內(nèi)。
為了本發(fā)明的目的，激光束的穿透深度是指損耗波(或稱短暫波)所能到達(dá)的深度。
雖然被設(shè)計(jì)得很近的激光器的光波導(dǎo)并不必需被設(shè)計(jì)得彼此平行，但最好將它們?cè)O(shè)計(jì)得彼此平行以使第二激光束1207與第一激光器1200的光波導(dǎo)1202有效地光學(xué)耦合。
可以用各種不同方式將兩個(gè)光波導(dǎo)設(shè)計(jì)得很近，因此，設(shè)計(jì)并不僅限于圖2A所示的方式。例如，可以如圖1B所示將第二光波導(dǎo)1203設(shè)計(jì)在第一光波導(dǎo)1202的內(nèi)部。使用這種設(shè)計(jì)，使通過第一和第二光波導(dǎo)傳播的第一和第二激光束各自沿同一方向前進(jìn)。
圖2C和2D表示氣體激光器所用的光波導(dǎo)的兩種可能結(jié)構(gòu)。參見圖2C和2D，第一和第二激光器1200和1201被設(shè)計(jì)得很近。在圖2C和2D中，參考數(shù)字1214和1215表示鏡面(反射面)，參考數(shù)字1210和1211表示陽極，而參考數(shù)字1216和1217各自表示提取作為旋轉(zhuǎn)結(jié)果產(chǎn)生的電信號(hào)的電端子，參考數(shù)字1212和1213表示陰極。參考數(shù)字1218和1219表示可以是光隔離器的光學(xué)元件。雖然在附圖中，該對(duì)激光器分別裝備有用于提取電信號(hào)的電端子，也可以僅一個(gè)激光器裝備具有電端子。
圖2E表示光波導(dǎo)的另一種可能結(jié)構(gòu)，其中第一和第二激光器彼此相對(duì)傾斜。
優(yōu)選地，激光器的每個(gè)光波導(dǎo)裝有全反射面。最好用全反射面形成每個(gè)環(huán)狀激光器以降低振蕩閾值。
(2)當(dāng)提供第三光波導(dǎo)以光學(xué)耦合第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分時(shí)(參見圖3A至3D)。
參見圖3A，設(shè)計(jì)第三光波導(dǎo)1320使其接近并連接到第一激光器1300的第一光波導(dǎo)1302的一部分和第二激光器1301的第二光波導(dǎo)1303的一部分。在圖3A中，參考數(shù)字1306表示作為主要工作模式產(chǎn)生的CCW波束，而參考數(shù)字1307表示作為主要工作模式產(chǎn)生的參考數(shù)字1307。因此，第一激光器1300的CCW波束1306通過第三光波導(dǎo)1320被光學(xué)耦合到第二激光器1301。然后，從第二激光器檢測(cè)由于陀螺儀旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電信號(hào)變化從而檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。
圖3B表示使用第三光波導(dǎo)時(shí)的另一種可能結(jié)構(gòu)。
參見圖3B，參考數(shù)字1302表示第一光波導(dǎo)和參考數(shù)字1303表示第二光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1320表示第三光波導(dǎo)。使用這種結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意必須使主模式波束沿同一方向傳播。
圖3C和3D表示氣體激光器所用光波導(dǎo)的兩種可能結(jié)構(gòu)。在圖3C和3D中，參考數(shù)字1310、1312、1313和1311表示陰極和陽極。而參考數(shù)字1317表示用于提取作為旋轉(zhuǎn)結(jié)果產(chǎn)生的電信號(hào)的電端子，參考數(shù)字1318和1319是諸如光隔離器的光學(xué)元件。
為了使第一和第二激光器生成各自的主模式波束，它們可以裝有各自的錐形區(qū)域(1304、1305)或各自的光學(xué)元件(1318、1319)。
另外，可以為一個(gè)激光器裝備一個(gè)錐形區(qū)域，而為另一個(gè)激光器裝備一個(gè)光學(xué)元件。
可以使用石英或者利用在半導(dǎo)體處理中通常使用的光刻法制成如圖3A至3D中的每一幅圖中所示的第三光波導(dǎo)1320。
(3)當(dāng)提供第三光波導(dǎo)以連接第一和第二光波導(dǎo)的一部分時(shí)(參見圖4A至4D)。
在圖4中，參考數(shù)字1400表示具有包括一錐形區(qū)域1404的第一光波導(dǎo)1402的第一激光器，并適于產(chǎn)生CCW波束1406作為主要工作模式，而參考數(shù)字1401表示具有包括一錐形區(qū)域1405的第二光波導(dǎo)1403的第二激光器，并適于產(chǎn)生CW波束1407作為主要工作模式。參考數(shù)字1430表示連接用的第三光波導(dǎo)。
因此，使用這種結(jié)構(gòu)，第一激光器1400的CCW波束1406與CW波束1407共存于第二激光器1401中。因此，從第二激光器1401檢測(cè)由于陀螺儀旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電信號(hào)變化從而檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。
圖4B表示另一種可能的結(jié)構(gòu)。
圖4C和4D表示氣體激光器所用的光波導(dǎo)的兩種可能結(jié)構(gòu)。在圖4C和4D中，參考數(shù)字1410、1412、1411和1413表示陰極和陽極。而參考數(shù)字1414和1415表示反射面，參考數(shù)字1417表示用于提取一個(gè)電信號(hào)的電端子。
(4)當(dāng)?shù)谝还獠▽?dǎo)和第二光波導(dǎo)的至少一部分被共用時(shí)(參見圖5A至5D)。
參見圖5A，參考數(shù)字1500和1501分別表示具有各自錐形區(qū)域1504和1505的第一激光器和第二激光器。而參考數(shù)字1520表示由它們共用的其光波導(dǎo)的一部分。
第一激光器1500的主模式波束1506通過共用部分1520傳播并耦合到第二激光器。另一方面，第二激光器1501的主模式波束1507也通過共用部分1520傳播并耦合到第一激光器。因此，具有不同振蕩頻率的兩個(gè)激光束共存于第一和第二激光器。
因此，即使陀螺儀保持靜止時(shí)也生成一個(gè)拍頻，以便只要陀螺儀被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可以通過檢測(cè)陀螺儀旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電信號(hào)變化來檢測(cè)陀螺儀的角速度和旋轉(zhuǎn)方向。
顯然為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，可以僅檢測(cè)第一和第二激光器的一個(gè)電信號(hào)，盡管通過使用兩個(gè)電信號(hào)可以提高旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的精確度。
可以如圖5B所示使第一和第二主模式波束在同一方向上傳播。在這種情況下，第一激光器波束1506和第二激光器波束1509共存于共用部分1520中。
圖5C和5D表示氣體激光器所用其光波導(dǎo)共享部分的兩種可能結(jié)構(gòu)，其中各自具有彼此不同的振蕩頻率的兩個(gè)激光束共存于共用部分中。
雖然上述(1)至(4)的激光器具有長(zhǎng)方形的外形，它們的外形不必限制于長(zhǎng)方形，還可以是三角形、圓形或多角形。
類似地，雖然上述(1)至(4)的激光器具有環(huán)形波導(dǎo)，它們也可以具有一個(gè)結(jié)構(gòu)如圖54所示用數(shù)字1202表示的一個(gè)部分的光波導(dǎo)，只要它們可以產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的主模式波束。在圖54中，參考數(shù)字1205表示一個(gè)錐形區(qū)域。參考數(shù)字1206表示一個(gè)主模式波束。
現(xiàn)在，將通過參考圖6詳細(xì)討論所提供的用于產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式的錐形區(qū)域的結(jié)構(gòu)。
在圖6中，參考數(shù)字1601表示一個(gè)光波導(dǎo)，參考數(shù)字1604表示一個(gè)錐形區(qū)域。
如果錐形區(qū)域1606不存在，CW波束1608和CCW波束1606都將在此處產(chǎn)生。然而，由于提供不對(duì)稱設(shè)計(jì)的錐形區(qū)域，CW波束和CCW波束具有不同的光損耗。于是當(dāng)錐形區(qū)域的一個(gè)角度或角度β被增加變得接近90°時(shí)，CW波束的強(qiáng)度降低使CCW波束成為主模式波束。事實(shí)上，越接近90°，CCW波束的強(qiáng)度越小。顯然當(dāng)另一角度或角度α等于90°時(shí)CW將是主模式波束。
為了基本上僅產(chǎn)生在單一方向上傳播的單個(gè)激光器波束，錐形區(qū)域的一個(gè)角度用80°≤β(或α)≤100°定義，優(yōu)選83°≤β(或α)≤97°，最好是87°≤β(或α)≤93°。最佳地，該角度用β(或α)＝90°定義。
具體地，當(dāng)β(或α)＝90°，振蕩模式在該區(qū)域的起始點(diǎn)(如圖6中的1630所指示)被逐步轉(zhuǎn)變以降低與具有一固定寬度的光波導(dǎo)區(qū)域的波導(dǎo)模式相耦合的效率。然后，將很容易產(chǎn)生主模式波束。
當(dāng)α＜β并且β在上述范圍內(nèi)時(shí)，則α將用2°≤α≤10°定義，最好用3°≤α≤6°定義。
為了避免鎖定現(xiàn)象，第一激光器的主模式波束的振蕩頻率和第二激光器的主模式波束的振蕩頻率之間的差值應(yīng)當(dāng)大于100Hz，優(yōu)選大于1kHz，大于10kHz更好。
可通過為激光器選擇不同的材料，使注入第一激光器的電流密度與注入第二激光器的電流密度不同，使施加給第一激光器的電壓與施加給第二激光器的電壓不同，或者通過使第一光波導(dǎo)的寬度或長(zhǎng)度與第二光波導(dǎo)的寬度或長(zhǎng)度不同，使兩個(gè)主模式波束的振蕩頻率不同。
當(dāng)具有不同振蕩頻率的兩個(gè)激光束在激光器中共存時(shí)，兩個(gè)激光束互相干涉以便可以將拍頻檢測(cè)為一個(gè)電信號(hào)。當(dāng)用恒定電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，從激光器提取的電信號(hào)將是一電壓信號(hào)，而當(dāng)用恒定電壓驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，從激光器提取的電信號(hào)將是一電流信號(hào)。另外，也可以從激光器提取一個(gè)阻抗信號(hào)。
因?yàn)樘崛‰妷盒盘?hào)、電流信號(hào)或阻抗信號(hào)的頻率相應(yīng)于上述拍頻，通過檢測(cè)拍頻變化有可能檢測(cè)激光器的角速度和旋轉(zhuǎn)方向。
現(xiàn)在，將討論從激光器中提取電信號(hào)所用的裝置。注意下述說明適用于根據(jù)下文將描述的第二實(shí)施例的光檢測(cè)器所生成的信號(hào)來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向和/或角速度的裝置。
下面將描述檢測(cè)代表激光器電壓變化的信號(hào)所用的裝置。注意具有不同振蕩頻率的兩個(gè)激光束共存在激光器中，如圖2A中的1201的情況。
參見圖11，恒定電流源1902通過電阻1901連接到半導(dǎo)體激光器1900。然后，利用電壓檢測(cè)電路1906檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的電信號(hào)(一個(gè)電壓信號(hào))。
只要需要，可安裝一個(gè)電壓跟隨器電路1905作為保護(hù)電路。
雖然圖11表示一個(gè)半導(dǎo)體激光器，上述說明也可應(yīng)用于氣體激光器。
圖12表示另一電路裝置的示意電路圖，當(dāng)用恒定電流驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器2000時(shí)也可以使用該電路裝置，并讀取其陽極電位，如果有的話，以檢測(cè)激光器的旋轉(zhuǎn)。參考數(shù)字2001表示一個(gè)電阻。
參見圖12，半導(dǎo)體激光器2000的陽極通過保護(hù)電阻2003連接到運(yùn)算放大器2010的輸出端，和半導(dǎo)體激光器2000的陰極連接到運(yùn)算放大器2010的倒相輸入端。
運(yùn)算放大器2011的輸出信號(hào)Vout相應(yīng)于輸入電位Vin。因?yàn)樾盘?hào)Vout具有與角速度成比例的拍頻，可通過利用已知的頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓來檢測(cè)激光器的旋轉(zhuǎn)。
圖13是頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)的示意電路圖。該電路包括三極管、二極管、電容和電阻，其輸出電壓VC2用下列公式(14)表示
VC2＝EiC1R0f/[1+1/{1-exp(-1/R0C2f)}] ....(14)其中E1表示輸入電壓的峰-峰值和f表示拍頻。通過為電路參數(shù)選擇滿足C2＞＞C1和R0C2f＜1的數(shù)值，可以確定用下列公式(15)表示的關(guān)系以獲取與拍頻成正比的電壓輸出。
VC2＝EiC1R0f/2 …(15)現(xiàn)在，將討論通過檢測(cè)電流變化來檢測(cè)激光器旋轉(zhuǎn)的裝置。
通過使用一個(gè)恒定電壓源作為電源，檢測(cè)流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流變化可以確定旋轉(zhuǎn)激光器的角速度。如圖14和15所示，通過使用電池作為恒定電壓源可以為激光器獲取一個(gè)小型輕便的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在圖14的電路中，半導(dǎo)體激光器2200與電阻2201串聯(lián)以便流經(jīng)半導(dǎo)體激光器電流的變化可以被確定為電阻兩端之間電壓的變化。在圖14中，參考數(shù)字2202表示電池，參考數(shù)字2206表示電壓表。在圖15的電路中，另一方面，半導(dǎo)體激光器2300與電流表2306串行連接以直接觀察流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流。在圖15中，參考數(shù)字2301表示電阻，參考數(shù)字2302表示電池。
現(xiàn)在，將討論為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的可用于檢測(cè)拍頻信號(hào)的另一個(gè)電路裝置。
圖16是一個(gè)電路的電路圖，用于通過為半導(dǎo)體激光器提供一個(gè)恒定電壓以將其驅(qū)動(dòng)并讀取半導(dǎo)體激光器2400陽極電位中的變化來檢測(cè)該半導(dǎo)體激光器2400的旋轉(zhuǎn)。
激光器2400的陽極通過電阻2403連接到運(yùn)算放大器2410的輸出端，激光器2400的陰極接地以指示一個(gè)參考電位。
通過利用，例如，微計(jì)算機(jī)為運(yùn)算放大器2410的倒相輸入端提供一個(gè)恒定電位(Vin)可以獲取一個(gè)恒定電壓驅(qū)動(dòng)裝置，以便電位可以被恒定地提供給電阻2403和激光器2400。
電阻2403連接到作為緩沖器工作的另一個(gè)運(yùn)算放大器2411。
運(yùn)算放大器2411輸出信號(hào)Vout，該信號(hào)具有一個(gè)與角速度成正比的拍頻，所以可通過利用已知的頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)將頻率轉(zhuǎn)換成電壓來檢測(cè)激光器的旋轉(zhuǎn)。顯然直接向F/V轉(zhuǎn)換器電路提供在電阻2403的等勢(shì)點(diǎn)上獲取的信號(hào)，而不通過運(yùn)算放大器2411也可以檢測(cè)激光器的旋轉(zhuǎn)。計(jì)頻器可以用作拍頻信號(hào)檢測(cè)電路。
圖17表示用來使用地電位作為參考電位的一個(gè)電路的電路圖，該電路除了參見圖16所述的恒定電壓驅(qū)動(dòng)裝置之外還使用一個(gè)減法電路2515。
參見圖17，利用，例如，微計(jì)算機(jī)將恒定電壓V1提供給運(yùn)算放大器2510的倒相輸入端。在圖17中，參考數(shù)字2500表示激光器，參考數(shù)字2511和2512分別表示電壓跟隨器，而參考數(shù)字2503和2516至2519分別表示電阻。電阻2516和2517是相同電阻，而電阻2518和2519是相同電阻。
電阻2503兩端上的電位V1和V2通過電壓跟隨器2511、2512和電阻2516和2518被分別提供給運(yùn)算放大器2520的倒相輸入端和正相輸入端。使用該裝置，使用地電位作為參考電位檢測(cè)流經(jīng)激光器2500的電流變化可以檢測(cè)提供給電阻2503的電壓V2-V1(＝V0)的變化。
然后，根據(jù)所獲取的信號(hào)在使其通過F/V轉(zhuǎn)換器電路之后可以檢測(cè)激光器的旋轉(zhuǎn)。
還可以如圖18所示利用阻抗測(cè)量?jī)x2609直接觀察半導(dǎo)體激光器2600的阻抗變化，而不考慮電源類型。在圖18中，參考數(shù)字2602表示電源，參考數(shù)字2601表示電阻。使用該裝置可以降低驅(qū)動(dòng)電源中噪聲的影響，而不同于觀察所提供的端電壓或者流經(jīng)激光器的電流的情況。
雖然上文以半導(dǎo)體激光器的形式描述了檢測(cè)激光器旋轉(zhuǎn)所用的各種裝置，顯然上述說明同樣可以應(yīng)用于氣體激光器。實(shí)施例2雖然第一實(shí)施例以下述方式設(shè)計(jì)，即作為拍頻變化從激光器提取電信號(hào)，該電信號(hào)代表提供給該激光器的電壓或流經(jīng)該激光器電流的變化，第二實(shí)施例以下述方式設(shè)計(jì)，即由位于激光器外部的光檢測(cè)器接收由激光器產(chǎn)生具有不同振蕩頻率的兩個(gè)激光束，并使用從光檢測(cè)器獲取的信號(hào)來檢測(cè)代表角速度或旋轉(zhuǎn)方向的拍頻變化。
(1)圖7A至7F在圖7A至7F中，與圖2A至2E相同的部件分別用相同的參考數(shù)字表示。
首先參見圖2A至2C，參考數(shù)字1256表示第一激光器1200的主模式波束1206的輸出波束，參考數(shù)字1257表示第二激光器1201的主模式波束1207的輸出波束，而參考數(shù)字1230表示用于檢測(cè)代表兩個(gè)輸出波束1256和1257干涉所生成的兩個(gè)波束振蕩頻率差的信號(hào)。
在表示第二實(shí)施例可選結(jié)構(gòu)的圖2B和2D中，參考數(shù)字1240表示反射面。
圖7E和7F表示用光隔離器代替圖7C和7D中錐形區(qū)域1204、1205的結(jié)構(gòu)。注意圖7A和7B表示半導(dǎo)體激光器，而圖7C至7F表示氣體激光器。
還要注意當(dāng)不同振蕩頻率的輸出波束1256、1257被如圖7A至7H所示的任一個(gè)光檢測(cè)器1230接收時(shí)，第一和第二激光器(1200、1201)不必位于彼此接近的位置，每個(gè)激光器都不必位于另一激光器激光束的穿透深度內(nèi)。
(2)圖8A至8D在圖8A至8D中，與圖3A至3D相同的部件分別用相同的參考數(shù)字表示。
在圖8A至8D中，參考數(shù)字1356和1357分別表示第一和第二激光器及其輸出波束，而參考數(shù)字1330表示光檢測(cè)器。
由光檢測(cè)器1330接收來自與第一和第二激光器的主模式波束1306、1307光學(xué)耦合的第三光波導(dǎo)的兩個(gè)輸出波束。通過來自光檢測(cè)器的信號(hào)來檢測(cè)激光器的旋轉(zhuǎn)。
注意圖8A和8B表示半導(dǎo)體激光器，而圖8C至7D表示氣體激光器。
(3)圖9A至9D提供第三光波導(dǎo)以連接第一和第二激光器的光波導(dǎo)1402、1403。在圖9A至9D中，與圖4A相同的部件分別用相同的參考數(shù)字表示。
在圖9A至9D中，參考數(shù)字1430表示光檢測(cè)器和參考數(shù)字1456、1457分別表示第一和第二激光器主模式波束的輸出波束。
注意圖9A和9B表示半導(dǎo)體激光器，而圖9C至9D表示氣體激光器。
(4)圖10A至10D在圖10A至10D的每一幅圖中，第一激光器和第二激光器共用它們光波導(dǎo)的一部分。在圖10A至10D中，與圖5A至5D相同的部件分別用相同的參考數(shù)字表示。
在圖10A至10D中，參考數(shù)字1530表示光檢測(cè)器，參考數(shù)字1556、1557分別表示第一和第二激光器主模式波束的輸出波束。
注意圖10A和10B表示半導(dǎo)體激光器，而圖10C和10D表示氣體激光器。
為了本發(fā)明的目的，光檢測(cè)器是用來將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換和檢測(cè)成電信號(hào)的裝置，該裝置可以是利用光電子發(fā)射(外部光電效應(yīng))的光電管或光電倍增管。它也可以是從利用內(nèi)部光電效應(yīng)的各種裝置中選擇的一種裝置，例如利用光電導(dǎo)效應(yīng)的光電導(dǎo)管、光電二極管、光電三極管、雪崩式光電二極管或利用光伏效應(yīng)的光伏管。它還可以是熱偶檢測(cè)器，這是利用光吸收的一種熱檢測(cè)器、輻射熱測(cè)量計(jì)、紅外線指示器或利用熱電效應(yīng)的熱電光檢測(cè)器。
圖19是沿圖6中線XX’的圖5半導(dǎo)體激光器的橫斷面示意圖。在圖19中，參考數(shù)字2800表示半導(dǎo)體激光器，和參考數(shù)字2801、2802和2803分別表示激活層、基片和陽極，而參考數(shù)字2804、2806和2807分別表示陰極、上覆蓋層和下覆蓋層。
使用這種除去上覆蓋層2806中央部分2809(以產(chǎn)生環(huán)形外形)的結(jié)構(gòu)。電流很難流過半導(dǎo)體激光器的中央部分。因此，主要地，環(huán)形傳播的波束可獲取一個(gè)增益以抑制所有無用的電流。于是拍頻將高度穩(wěn)定，尤其在實(shí)現(xiàn)單一的橫向模式時(shí)。
雖然在圖19中未具體圖示光導(dǎo)層和覆蓋層，如果除去上覆蓋層2806的中央部分也可以放置這些層。
圖20表示使用這些層的結(jié)構(gòu)。更具體地，在圖20中，參考數(shù)字2921表示覆蓋層，參考數(shù)字2922和2923表示若干光導(dǎo)層。另外，還表示激活層2901和陰極2904。
還有可能提供環(huán)形電極2903，而不改動(dòng)上覆蓋層2906和覆蓋層2921。雖然在圖20中陽極2903被設(shè)計(jì)在激光器的整個(gè)表面上，但并不必將陽極設(shè)計(jì)在激光器的整個(gè)表面上。
另外，激活層可以是部分或完整的環(huán)形，如圖21所示，下覆蓋層2807也可以是部分或完整的環(huán)形，如圖21所示。顯然，當(dāng)激活層是部分的環(huán)形時(shí)可以降低閾值電流，因?yàn)榧せ顚拥捏w積明顯減少。
為了本發(fā)明的目的，在激光束分布的區(qū)域(如圖22中的r所表示的)內(nèi)環(huán)形是比較有利地。因此，激活層最好是環(huán)形的。
如果激活層的厚度為0.1μm，圖22中的r最好大約1μm。
具體地，對(duì)于激活層，激光器的光密封系數(shù)將足夠大，以便當(dāng)在平行于激活層表面的方向上漸消失光(evanescent light，或稱短暫光)的半徑內(nèi)激光器是環(huán)形時(shí)，允許低驅(qū)動(dòng)電流并使振蕩頻率穩(wěn)定。當(dāng)然，整個(gè)半導(dǎo)體激光器2800可以是環(huán)形的。
雖然漸消失光的半徑r在圖23的覆蓋層2806、2807內(nèi)，根據(jù)包括折射率和每一覆蓋層厚度的參數(shù)，光線可以滲出覆蓋層。如果是這種情況，激光器相應(yīng)于漸消失光半徑r的部分最好是圓柱形的。另外，如果光線滲入到位于激活層和覆蓋層之間的光導(dǎo)層并滲入基片2802，光導(dǎo)層和基片相應(yīng)于漸消失光半徑的部分最好是圓柱形的。
低折射率層2806、2807的光損耗需要最小化，尤其在應(yīng)當(dāng)降低光損耗和應(yīng)當(dāng)用低電流和低電壓驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)。
圖24是圖23激光器的部位2850的放大橫斷面示意圖。當(dāng)該裝置用低電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)以下述方式制作激光器，低折射率層的各側(cè)面和激活層的各側(cè)面(圖24)之間的角度θ1和θ2分別用75°≤θ1和θ2≤105°定義，優(yōu)選用80°≤θ1和θ2≤100°定義，最好用85°≤θ1和θ2≤95°定義。
在滿足上述要求時(shí)，可以有效地避免滲入低折射率層2806、2807的任何光損耗(逐漸消失的光線)以使用低電流(或低電壓)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器成為可能。
另外和所希望的，半導(dǎo)體激光器的側(cè)面是全反射面，和大于總反射面90％的相應(yīng)區(qū)域與激活層區(qū)域之間的角度由上述公式定義。
還希望折射率層的側(cè)面和激活層的相應(yīng)側(cè)面滿足上述要求。具體地，非常希望激光器的內(nèi)側(cè)面也滿足角度θ1和θ2的上述要求。
將激活層2801夾在中間的低折射率層側(cè)面的表面精度(表面粗度)優(yōu)選小于通過激活層傳播介質(zhì)傳播的光線波長(zhǎng)(在該介質(zhì)真空/有效折射率中的波長(zhǎng))的二分之一，最好小于三分之一。例如，如果激活層是InGaAsP型層(在介質(zhì)中具有波長(zhǎng)1.55μm和有效折射率3.6)，表面精度優(yōu)選小于大約0.22μm，最好小于0.14μm。
如果激活層是砷化鎵型層(具有波長(zhǎng)0.85μm和有效折射率3.6)，表面精度優(yōu)選小于0.12μm，最好小于0.08μm。
顯然不僅低折射率層的側(cè)面而且激活層的側(cè)面在表面精度上可以具有上述的確定值激光器的環(huán)形部分最好被填充絕緣材料(絕緣薄膜)，盡管在沒有該填充材料激光器也具有所需特性時(shí)，既不需要這種填充材料也不需要填充該裝置的中空部分。
只要任一種合適材料的具體阻抗高于覆蓋層就可以用于絕緣薄膜，盡管它最好由非晶Si、SiO2、MgO或SiN組成。利用填充材料可以將整個(gè)反射面形成在激光器的圓柱形部分內(nèi)。另外，該裝置的中空部分最好填充單一材料2930，如圖25所示或者填充兩種或更多種材料的混合物。另外，激活層的內(nèi)側(cè)面或外側(cè)面中的至少一個(gè)最好用薄膜2931覆蓋，如圖26所示。如果是這種情況，在節(jié)約該裝置中空部分所用填充材料的同時(shí)，可防止由于暴露在周圍空氣中該裝置的工作特性降低。雖然在圖26中覆蓋薄膜只有一層，它也可以有兩層或更多層。
當(dāng)使絕緣薄膜具有多層結(jié)構(gòu)時(shí)，它最好包括幾個(gè)成對(duì)的SiO2和Si層。在不需要填充操作該裝置也提供所需的工作特性時(shí)，不必完全填充該裝置的中空部分。
下面將簡(jiǎn)更討論可用于本發(fā)明的其它可能的填充結(jié)構(gòu)。
在圖27中，參考數(shù)字2930表示絕緣薄膜。圖27的結(jié)構(gòu)可能更用來本發(fā)明的目的，其中將絕緣薄膜2930放置在其中央?yún)^(qū)域處陽極2930的下面，因?yàn)槿魏坞娏鲗⒑茈y流過該半導(dǎo)體激光器的中央部分，因此將減少無功電流，如果有的話，以便于橫向模式出現(xiàn)。當(dāng)需要提供具有平坦外形的電極時(shí)這種結(jié)構(gòu)尤其有效。
當(dāng)上履蓋層2906是P型時(shí)，將使激光器的中央部分具有一種PNPN半導(dǎo)體閘流管的結(jié)構(gòu)，并通過使用具有PNP型導(dǎo)電性的材料代替絕緣薄膜2930來填充該激光器的中空部分，基本上不允許電流流經(jīng)該部分。
參見圖28，參考數(shù)字2840在此表示摻鐵高阻抗層。使用利用高阻抗層的結(jié)構(gòu)，也可以使半導(dǎo)體激光器的中央部分基本上不允許電流流過。
對(duì)于本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器，激活層的中空部分2809基本上位于中央是足夠的(例如如圖23所示)。不存在引導(dǎo)模式的狀態(tài)稱作截止?fàn)顟B(tài)，希望該裝置如此配置以為更高模式滿足截止?fàn)顟B(tài)的要求以使橫向模式穩(wěn)定。另外，希望中空部分的直徑d(圖19)如此定義以滿足更高模式的截止?fàn)顟B(tài)的要求。與圖29情況相同。
然后，當(dāng)為更高模式滿足截止?fàn)顟B(tài)的要求時(shí)，僅存在用于橫向模式的基本模式以使前者穩(wěn)定。
還希望中空部分的外形如此定義以為更高模式滿足截止?fàn)顟B(tài)的要求，以便可僅存在單一的引導(dǎo)模式(單一的橫向模式)。
可以通過為激活層、光導(dǎo)層和覆蓋層鋪設(shè)環(huán)形半導(dǎo)體層來制成具有中空部分的激光器，一般為它們使用掩模。也可以通過鋪設(shè)激活層、光導(dǎo)層和覆蓋層并腐蝕掉其中央部分從而使它們的外形為環(huán)形來制成具有中空部分的激光器。
可用于本發(fā)明的目的用于形成中空部分的蝕刻技術(shù)包括濕蝕刻、氣體蝕刻、等離子蝕刻、噴射蝕刻、活性離子蝕刻(RIE)和活性離子束蝕刻(RIBE)。
根據(jù)本發(fā)明可以用于激光器激活層的材料包括下述其它材料，GaAs、Inp、AlGaAsP、PbSnTe、GaN、GaAlN、InGaN、InAlGaN、GaInP、GaInAs和SiGe。
可以用于激活層的任何一種材料也可以用于覆蓋層。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，可以用于激活層和覆蓋層的材料組合包括下述組合，PbSnTe(激活層)/PbSeTe(覆蓋層)、PbSnSeTe(激活層)/PbSeTe(覆蓋層)、(PbEuSeTe激活層)/PbEuSeTe(覆蓋層)、PbEuSeTe(激活層)/PbTe(覆蓋層)、InGaAsSb(激活層)/GaSb(覆蓋層)、AlInAsSb(激活層)/GaSb(覆蓋層)、InGaAsP(激活層)/InP(覆蓋層)、AlGaAs(激活層)/AlGaAs(覆蓋層)和AlGaInP(激活層)/AlGaInP(覆蓋層)。
對(duì)于半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其激活層并不限制于整體結(jié)構(gòu)，還可以是單個(gè)量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)或者多個(gè)量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。
當(dāng)使用量子阱結(jié)構(gòu)的激光器時(shí)，該結(jié)構(gòu)最好是應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)。例如，使用八個(gè)壓縮應(yīng)變大約為1％的InGaAsP量子阱層和一個(gè)InGaAsP載體層形成激活層。還可以使激活層具有一個(gè)MIS結(jié)構(gòu)。
對(duì)于基片，可以使用適于所需材料在其上生成的基片。可用于本發(fā)明目的的基片包括化合物基片，例如GaAs基片、InP基片、Gasb基片、InAs基片、PbTe基片、GaN基片、AnSe基片、ZnS基片以及SiC基片、4H-SiC基片、6H-SiC基片、藍(lán)寶石基片、硅基片和SOI基片。
根據(jù)本發(fā)明可用于形成半導(dǎo)體激光器激活層的技術(shù)包括液相外延(LPE技術(shù))、分子束外延(MBE技術(shù))、有機(jī)金屬氣相外延(MOCVD技術(shù)、MOVPE技術(shù))、原子層外延生長(zhǎng)(ALE技術(shù))、有機(jī)金屬氣相外延(MOMBE技術(shù))和化學(xué)波束外延(CBE技術(shù))。
根據(jù)本發(fā)明可用于激光器陽極的材料包括Cr/Au、Ti/Pt/Au和AuZn/Ti/Pt/Au。根據(jù)本發(fā)明可用于激光器陰極的材料包括AuGe/Ni/Au和AuSn/Mo/Au。然而，本發(fā)明決不限制于此。
注意電極結(jié)構(gòu)可以根據(jù)基片和激活層的導(dǎo)電性從圖示的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)。
最好在覆蓋層上形成罩層(接觸層)，然后電極材料被用于罩層以降低覆蓋層和電極的接觸阻抗。
一種典型的材料組合可以是InGaAsP(激活層)/p-型InP(覆蓋層)/p-型InGaAsP(罩層)/電極。
再次注意，雖然在附圖中陰極被放在基片下面，根據(jù)基片類型陰極也可以放在基片上面。
為了保護(hù)半導(dǎo)體激光器不發(fā)熱，最好在熱發(fā)散部件(散熱片)上安裝半導(dǎo)體激光器芯片。為了本發(fā)明的目的，可用于散熱片的資料包括但不僅限于Cu、Si、SiC、AlN和金剛石。如果需要，珀耳帖裝置可用于控制該半導(dǎo)體激光器的溫度。
并且，最好在半導(dǎo)體激光器的每個(gè)側(cè)面上(有光線的位置)形成一個(gè)絕緣膜層(涂膜)以使其具有一個(gè)全發(fā)射表面并防止它的性能變差?？捎糜谕磕さ牟牧习ń^緣體，例如SiO2、SiN、Al2O3和Si3N4以及非晶硅(α-Si)。
并且，最好如圖29所示用一種高電阻材料填充環(huán)狀激光器的中空部分以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的光波導(dǎo)。
圖29表示具有這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)激光器的橫截面示意圖。
參見圖29，該激光器包括激活層2801、基片2802、陽極2803、陰極2804、上覆蓋層2806、下覆蓋層2807和離子注入形成的高阻抗區(qū)域2859。使用這種結(jié)構(gòu)，電流很難流過該裝置的中央部分以便主要僅有環(huán)形傳播的波束可獲得增益。
雖然圖29中的高阻抗區(qū)域2859具有明顯的界線，實(shí)際上該界線具有一個(gè)確定的寬度。希望離子注入操作以注射離子的軌跡主要出現(xiàn)在激活層中的方式被執(zhí)行，如圖30所示。
雖然在參見圖29的上述說明中至少使上覆蓋層的一部分是高電阻的，如果中央?yún)^(qū)域基本上可不允許電流流經(jīng)，也可以使激活層2801和/或下覆蓋層2807是高電阻的。因此，可以使半導(dǎo)體激光器中央?yún)^(qū)域的所有部分都是高電阻的。
因此，顯然如果使激活層2801的中央?yún)^(qū)域是高電阻的，可顯著減少激活層體積從而降低驅(qū)動(dòng)該裝置所必須的驅(qū)動(dòng)電流。
可以用下述方式注入離子，它們的注射軌跡主要出現(xiàn)在激活層深度上或其附近，所以使該裝置主要在該深度上是高電阻的。
雖然在圖29中將陽極2803安置在半導(dǎo)體激光器的周圍，也可以將陽極安置在激光器的整個(gè)上表面上。并且，也可以將其安置在激光器的部分上表面上。
只要合適，可以提供光波導(dǎo)層和/或罩層。
在此使用的高電阻的表述是指用離子注入的區(qū)域并使其具有100Ω·cm和1×105Ω·cm之間的一個(gè)具體電阻，最好在5×103Ω·cm和1×105Ω·cm之間，盡管該值可以隨激活層的類型變化。
被注入的離子可以是質(zhì)子或硼離子。
并且，最好以注入離子的注射軌跡只出現(xiàn)在激活層的中央的方式執(zhí)行離子注入操作。用于加速離子的電壓最好在10KeV和1MeV之間，盡管必須考慮材料和激活層上的覆蓋層和光波導(dǎo)層的厚度。
可以以1×1013cm-2和1×1015cm-2的速度注入離子。
在離子注入操作的過程中基片可以保持室溫。
不必將離子注入?yún)^(qū)域嚴(yán)格限制在半導(dǎo)體激光器的中央?yún)^(qū)域，如果符合更高模式的截止?fàn)顟B(tài)的要求，離子注入?yún)^(qū)域主要出現(xiàn)在該裝置的中央是足夠的。
也可以定義離子注入?yún)^(qū)域的直徑d以符合更高模式的截止?fàn)顟B(tài)的要求。
將用離子注入的區(qū)域可以不必是圓形的，它可以呈現(xiàn)用來為更高模式符合截止?fàn)顟B(tài)要求的輪廓，并僅允許單一的波導(dǎo)模式(單一的橫向模式)存在。
還希望熱處理該激光器以治愈，如果是部分的，由離子注入操作導(dǎo)致的損傷。該熱處理操作在200℃和500℃之間的溫度中執(zhí)行，優(yōu)選300℃和400℃之間。熱處理操作可以在含氫大氣中執(zhí)行。
雖然如上所述的離子操作使該裝置在其內(nèi)部形成一個(gè)高電阻區(qū)域，也可以通過選擇氧化該區(qū)域生成一個(gè)高電阻區(qū)域。
上面描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)注意根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀可以是使用它可以檢測(cè)一個(gè)物體的角速度和旋轉(zhuǎn)方向的儀器，或者是使用它僅檢測(cè)一個(gè)物體的角速度或旋轉(zhuǎn)方向的儀器。(例1)圖2A是本發(fā)明第一個(gè)例子的示意圖，最清楚地示出它的特征，圖31是沿圖2A中的直線31-31的橫斷面示意圖。參見圖2A和圖31，該例子的激光器包括一個(gè)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200，該激光器具有一個(gè)其光波導(dǎo)的錐形區(qū)域1204、陽極33、電端子34、罩層35、覆蓋層36、光導(dǎo)層37、激活層38和另一光導(dǎo)層39，該激光器還包括另一個(gè)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器1201，該激光器具有一個(gè)其光波導(dǎo)的錐形區(qū)域1205、陽極43、電端子44、罩層45、覆蓋層46、光導(dǎo)層47、激活層48和另一光導(dǎo)層49，以及半導(dǎo)體基片54和陰極55。參考數(shù)字1206表示逆時(shí)針傳播的激光束，而參考數(shù)字107表示順時(shí)針傳播的激光束。
首先，將說明制作具有上述結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器的方法。利用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)技術(shù)使具有1.3μm化合物的高摻雜InGaAsP光導(dǎo)層39(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不摻InGaAsP的激活層38(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一個(gè)不摻InGaAsP光導(dǎo)層(0.15μm厚)37、具有1.4μm化合物的p-InP覆蓋層36(2μm厚)和p-InGaAsP罩層35(2μm厚)在一個(gè)n-InP基片54(350μm厚)上為環(huán)形諧振腔型激光器1200生長(zhǎng)。類似地，利用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)技術(shù)使具有1.3μm化合物的高摻雜InGaAsP光導(dǎo)層49(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不摻InGaAsP的激活層48(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一個(gè)不摻InGaAsP光導(dǎo)層(0.15μm厚)47、具有1.4μm化合物的p-InP覆蓋層46(2μm厚)和p-InGaAsP罩層45(2μm厚)在一個(gè)n-InP基片54(350μm厚)上為環(huán)形諧振腔型激光器1201生長(zhǎng)。
雖然在該例子中形成公用于環(huán)形半導(dǎo)體激光器1200和環(huán)形半導(dǎo)體激光器1201的半導(dǎo)體層，也可以分別在相互獨(dú)立的步驟中為兩個(gè)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器形成半導(dǎo)體層在晶體生長(zhǎng)處理之后，利用旋轉(zhuǎn)涂料器將光刻膠AZ(商品名，可從Hoechst獲得)涂在p-InP罩層上以獲得1μm厚的膜。在80℃下將該晶片預(yù)熱30分鐘之后，將其用掩膜覆蓋并暴露在光線下。在顯影和沖洗處理之后光波導(dǎo)層的寬度為5μm，而在錐形區(qū)域光波導(dǎo)層的最大寬度為8μm和最小寬度為5μm。使錐形區(qū)域具有90°角(如圖6中的α和β所定義)。環(huán)形光波導(dǎo)層的長(zhǎng)度為600μm。
隨后，將該晶片放入活性離子蝕刻系統(tǒng)并利用氯氣蝕刻以使其具有3μm深的中空部分。最后，通過升華使Cr/Au沉積在p-InGaAsP罩層35和45上從而在此生成相應(yīng)的陽極33和43，而通過升華使AuGe/Ni/Au沉積在n-InP基片上從而在此生成陰極55。此后，在含氫大氣中對(duì)該晶片進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生電阻接觸。
因?yàn)榘雽?dǎo)體和空氣的折射率不同，射在具有上述結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧振腔半導(dǎo)體激光器上光線由其表面或激光器和空氣的分界面反射。如果半導(dǎo)體的折射率是3.5，當(dāng)垂直于分界面和激光束之間的角度等于或大于16.6℃時(shí)出現(xiàn)全反射。因?yàn)榻邮杖瓷涞恼袷幠Ｊ降恼袷庨撝敌∮谝驗(yàn)榻档头瓷鋼p耗的任一其它模式的振蕩閾值。該激光器以一個(gè)低注入電流電平開始振蕩。另外，因?yàn)樵鲆婕谐霈F(xiàn)在該振蕩模式中，任何其它模式中的振蕩將被抑制。在圖2A中，在半導(dǎo)體激光器的任一邊角垂直于半導(dǎo)體和空氣分界面之間的角度是45°，因此滿足全反射的角度要求。在室內(nèi)溫度下振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)形諧振腔型激光器1200的驅(qū)動(dòng)電流是3mA，環(huán)形諧振腔激光器1201的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。因此，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1206和激光束1207將具有相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)為1.55μm，然而，因?yàn)榄h(huán)形諧振腔型激光器1200和環(huán)形諧振腔型激光器1201的驅(qū)動(dòng)電流彼此不同，它們的光波導(dǎo)具有彼此略微不同的有效折射率。結(jié)果，激光束1206的振蕩頻率f3大于激光器1207的振蕩頻率f41kHz。當(dāng)出現(xiàn)全反射時(shí)，沿分界面生成一個(gè)逐漸消失的光線。如果振蕩波長(zhǎng)是1.55μm，逐漸消失光線的穿透深度是0.0735μm。當(dāng)逐漸消失光線的光強(qiáng)度以指數(shù)規(guī)律衰減(穿透深度是電場(chǎng)強(qiáng)度衰減到1/e的距離)時(shí)，環(huán)形諧振腔型激光器1200和1201相距0.07μm，該距離小于穿透深度，激光束1206和激光束1207可以有效地耦合。結(jié)果，激光束1206和激光束1207在環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器中相互干涉。如果使用恒定電流源，通過檢測(cè)電端子34和陰極55之間的電壓和電端子44和陰極55之間電壓可以獲得幅度分別為80mV和100mV和頻率為1kHz的信號(hào)。換句話說，即使當(dāng)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200和1201保持靜止時(shí)也可以檢測(cè)到一個(gè)拍頻。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200和1201以每秒30°的速率順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，該速率基本相當(dāng)于搖動(dòng)攝像機(jī)或行駛氣車的振動(dòng)速率，逆時(shí)針傳播的激光束1206的振蕩頻率f3被提高88.7Hz，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1207的振蕩頻率f4被降低88.7Hz。然后，可通過下列公式(16)獲得拍頻。
f3-f4＝1kHz+177.4Hz ....(16)另一方面，在驅(qū)動(dòng)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200和1201以每秒30°的速率逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可通過下列公式(17)獲得拍頻。
f3-f4＝1kHz-177.4Hz ....(17)因?yàn)榕念l增加和降低的絕對(duì)值與旋轉(zhuǎn)速度成正比，現(xiàn)在不僅能夠檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的旋轉(zhuǎn)速率而且能夠檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向，因?yàn)榕念l的增加或減少具有與旋轉(zhuǎn)方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。于是，包括這種激光器的陀螺儀可以被安裝在攝影機(jī)、透鏡裝置、汽車、飛機(jī)或輪船上。
雖然在該例子中通過以恒定電流驅(qū)動(dòng)激光器可以觀察端電壓的變化，如果用一個(gè)恒定電壓驅(qū)動(dòng)陀螺儀也可以觀察流經(jīng)該終端的電流變化。也可以利用阻抗計(jì)直接檢測(cè)放電阻抗的變化。
于是，可以不必使用光檢測(cè)器檢測(cè)拍頻光，因而可以消除從光檢測(cè)器返回的光導(dǎo)致的光反饋噪聲。
雖然在上述例子中使用InGaAsP型材料實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器，這些材料也可以用GaAs型、ZnSe型、InGaN型或AlGaN型材料替代。另外，光波導(dǎo)的形狀可以是六角形、三角形或圓形的而不是圖2A中所示的長(zhǎng)方形。
在上述例子中使環(huán)形諧振腔型激光器1200和1201的驅(qū)動(dòng)電流不同以使振蕩頻率不同。然而，也可以通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度不同，例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾?，或者激光器半?dǎo)體層的厚度、組成或材料不同來使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
現(xiàn)在，將參見圖43至49說明激光器的另一種制作方法。
具有Al0.3Ga0.7As/GaAs的三層多量子阱結(jié)構(gòu)的激活層4401通過一對(duì)將該激活層夾在中間的Al0.3Ga0.7As的光導(dǎo)層4422，然后再由一個(gè)覆蓋層4406(p-Al0.5Ga0.5As)和另一個(gè)覆蓋層4407(p-Al0.5Ga0.5As)將其夾在中間，形成在n-GaAs基片4402上。圖43中的參考數(shù)字4415表示由n-GaAs組成的緩沖層和參考數(shù)字4440表示由p-GaAs組成的罩層。
然后，為陽極4403在罩層4440上形成Cr/Au(或Ti/Pt/Au)。
此后，涂上光刻膠并進(jìn)行圖45所示的模型操作。
然后，使用模型光刻膠4460作為掩膜對(duì)陽極4403進(jìn)行干蝕刻操作(圖46)。
接著，通過干蝕刻除去半導(dǎo)體層(圖47)并剝?nèi)ス饪棠z(圖48)。
然后，在含氫大氣中熱處理陽極使它轉(zhuǎn)變成合金。
在拋光基片之后(如果需要)，通過升華AuGeNi/Au形成陰極4404(圖49)。
從而形成環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器4400。圖50是制成后的平面示意圖。
圖50中的角度m為45±0.01°是有利的，優(yōu)選45±0.001°。該標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于其它邊角。應(yīng)當(dāng)滿足該要求以便激光束在光諧振腔中完成一次循環(huán)后返回相應(yīng)的始發(fā)點(diǎn)。
顯然如果半導(dǎo)體激光器是用其它方法形成的，也應(yīng)當(dāng)滿足m的角度要求。
圖51是圖50裝置的邊角4490的放大示意圖。在圖51中用r表示的表面粗度小于500A，最好小于2004。于是可以將反向散射最小化從而防止發(fā)生鎖定現(xiàn)象。
圖32是利用上述激光器檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)裝置的示意圖。參見圖32，表示有光陀螺儀1、旋轉(zhuǎn)臺(tái)2、電流源3、電阻4和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5。參考數(shù)字10表示指示陀螺儀旋轉(zhuǎn)方向的箭頭。
使用上述裝置，電流經(jīng)過串行連接的電阻4從電流源注入光陀螺儀1。如果光陀螺儀1保持靜止，可以將表示兩個(gè)激光束振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之間差值的拍頻信號(hào)獲取為端電壓的變化。如果安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)2上的光陀螺儀1被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所獲取的拍頻信號(hào)表示光陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
可以通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5將該拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓值。如果在光陀螺儀1保持靜止時(shí)通過調(diào)整偏移使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5等于零，可以通過查看頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5的輸出是正或負(fù)來檢測(cè)光陀螺儀的旋轉(zhuǎn)方向。(例2)參見說明例2的圖2B，參考數(shù)字1202表示具有一錐形區(qū)域1204的光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1203表示具有一錐形區(qū)域1205的另一光波導(dǎo)。在圖2B中，參考數(shù)字1207和1208分別表示激光束。
使用上述結(jié)構(gòu)，激光束1207和1208在同一方向上環(huán)形傳播。雖然旋轉(zhuǎn)方向可以通過先前所述的方式檢測(cè)。它有利于提高激光束1207和1208的耦合效率，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)激光束在同一方向上移動(dòng)時(shí)激光束通過在同一方向上前進(jìn)彼此相鄰的光波導(dǎo)的多個(gè)部分傳播。為此目的，在光波導(dǎo)1202中形成光波導(dǎo)1203。(例3)圖2C是本發(fā)明第二個(gè)例子的示意圖。參見圖2C，該例子的激光器包括一個(gè)包含光波導(dǎo)的錐形區(qū)域1204的石英管1202、反射鏡1214、陽極1210、電端子1216和陰極1212，以及包含光波導(dǎo)的錐形區(qū)域1205的石英管1203、反射鏡1215、陽極1211、電端子1217和陰極1213。參考數(shù)字1206和1207分別表示激光束。
使用上述結(jié)構(gòu)，因?yàn)槊總€(gè)光波導(dǎo)位于相應(yīng)激光束的穿透深度內(nèi)，第二激光束可以有效地與第一激光器的光波導(dǎo)光學(xué)耦合。類似地，第一激光束可以有效地與第二激光器的光波導(dǎo)光學(xué)耦合。結(jié)果，在每個(gè)激光器中可以獲取一個(gè)大干涉分量從而提高每個(gè)電端子上的電信號(hào)強(qiáng)度。在這個(gè)例子中的穿透光被稱作漸消失光。
對(duì)于上述激光器，利用鉆孔器使石英體中空形成石英管1202和1203。此后，將反射鏡1214和1215安裝到相應(yīng)的石英管1202和1203。另外，陽極1210、電端子1216和陰極1212被安裝到石英管1202，而陽極1211、電端子1217和陰極1213被安裝到石英管1203。接著，將氦氣和氖氣裝入石英管1202和1203，并在每個(gè)石英管的陽極和陰極之間提供一電壓以產(chǎn)生放電并導(dǎo)致電流流動(dòng)。結(jié)果，只有逆時(shí)針激光束1206在波導(dǎo)管錐形區(qū)域附近的石英管1202中振蕩，而只有順時(shí)針激光束1207在石英管1203中振蕩。使錐形區(qū)域呈90°角(如圖6中用β所定義)。
如果石英管1202和1203保持靜止，激光束1206和激光束1207將具有相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同的波長(zhǎng)λ632.8μm。然而，因?yàn)榱鹘?jīng)石英管1202的電流和流經(jīng)石英管1203的電流不同，介質(zhì)的Q值被改變從而使兩個(gè)激光束的振蕩頻率略微不同。激光束1206的振蕩頻率f1大于激光束1207的振蕩頻率f220MHz。另外，因?yàn)槭⒐?207和石英管1203被放置得很近，激光束1206和激光束1207在石英管1203中耦合。同時(shí)，激光束1207和激光束1206在石英管1202中耦合。結(jié)果，激光束1206和激光束1207在石英管中彼此干涉。如果使用恒定的源電流，通過監(jiān)測(cè)電端子1216和陰極1212之間的電壓可以獲取幅度100mV和頻率20MHz的信號(hào)。同時(shí)，通過監(jiān)測(cè)電端子1217和陰極1213之間的電壓可以獲取幅度80mV和頻率同樣為20MHz的信號(hào)。換句話說，即使當(dāng)石英管保持靜止時(shí)也可以檢測(cè)到拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1202和1203以每秒180°的速率順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且諧振腔的每邊邊長(zhǎng)為10cm，逆時(shí)針傳播的激光束1206的振蕩頻率f1被提高248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1207的振蕩頻率f2被降低248.3kHz。然后，可以通過下列公式(18)獲得拍頻。
f1-f2＝20MHz+496.6kHz …(18)另一方面，在驅(qū)動(dòng)石英管1202和1203以每秒180°的速率逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況下，可以通過下列公式(19)獲得拍頻。
f1-f2＝20MHz-496.6kHz …(19)因?yàn)榕念l增加或降低的絕對(duì)值與旋轉(zhuǎn)速度成正比，現(xiàn)在可能既檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的旋轉(zhuǎn)速率又檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向，因?yàn)榕念l的增加或降低與旋轉(zhuǎn)方向具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
雖然在該例子中通過用恒定電流驅(qū)動(dòng)陀螺儀來觀察端電壓，如果用恒定電壓驅(qū)動(dòng)陀螺儀則可以考察流經(jīng)端子的電流變化。也可以利用阻抗計(jì)直接檢測(cè)放電的放電阻抗的變化。
于是，可以不必使用光檢測(cè)器檢測(cè)拍頻光，因而可以消除從光檢測(cè)器返回的光導(dǎo)致的光反饋噪聲。
雖然在該例子中將氦氣和氖氣引入石英管，它們可以用能產(chǎn)生激光器振蕩的任何氣體代替。另外，光波導(dǎo)的外形可以是六角形、三角形或圓形的，而不是如圖2C所示的長(zhǎng)方形。(例4)圖2D是本發(fā)明第二個(gè)例子的示意圖。參見圖2D，該例子的激光器具有光隔離器1218和1219。
利用圖示的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)在例3中所述的原理檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。本例與例3的不同僅在于選擇工作模式的裝置，其中僅有一個(gè)激光束在相關(guān)的環(huán)狀激光器中傳播。更具體地，在例3中使用錐形光波導(dǎo)，而在該例子中用相應(yīng)的光隔離器代替光波導(dǎo)的錐形區(qū)域。
當(dāng)使同等偏振的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者僅允許波束在給定方向上傳播并阻止其它波束在相反方向上傳播。雖然在普通環(huán)狀激光器中沿相反方向傳播的波束同樣被偏振，可以在環(huán)狀激光器中插入一個(gè)光隔離器使其僅允許沿給定方向傳播的光存在。顯然光隔離器可以用光環(huán)形器或其它光裝置代替，只要后者僅允許波束在一個(gè)方向上通過。(例5)圖3A是本發(fā)明第五個(gè)例子的示意圖，最清楚地表示它的特征，圖33A和33B分別是沿圖3A中的直線33A-33A和33B-33B的橫斷面示意圖。同時(shí)參見圖3A和圖33A和33B，該例子的激光器包括一個(gè)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300，該激光器具有一個(gè)其光波導(dǎo)的錐形區(qū)域1304、陽極33、罩層35、覆蓋層36、光導(dǎo)層37、激活層38和另一光導(dǎo)層39，該激光器還包括另一個(gè)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器1301，該激光器具有一個(gè)其光波導(dǎo)的錐形區(qū)域1305、陽極43、電端子44、罩層45、覆蓋層46、光導(dǎo)層47、激活層48和另一光導(dǎo)層49，以及半導(dǎo)體基片54和陰極55。參考數(shù)字1306表示逆時(shí)針傳播的激光束，而參考數(shù)字1307表示順時(shí)針傳播的激光束。使錐形區(qū)域具有90°角(如在圖6中所定義的)。
首先，將說明制作具有上述結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器的方法。利用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)技術(shù)使具有1.3μm化合物的高摻雜InGaAsP光導(dǎo)層39(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不摻InGaAsP的激活層38(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一個(gè)不摻InGaAsP光導(dǎo)層(0.15μm厚)37、具有1.4μm化合物的p-InP覆蓋層36(2μm厚)和p-InGaAsP罩層35(0.3μm厚)在一個(gè)n-InP基片54(350μm厚)上為環(huán)形諧振腔型激光器1300生長(zhǎng)。類似地，利用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)技術(shù)使具有1.3μm化合物的高摻雜InGaAsP光導(dǎo)層49(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不摻InGaAsP的激活層48(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一個(gè)不摻InGaAsP光導(dǎo)層(0.15μm厚)47、具有1.4μm化合物的p-Inp覆蓋層46(2μm厚)和p-InGaAsP罩層45(2μm厚)在一個(gè)n-InP基片54(350μm厚)上為環(huán)形諧振腔型激光器1201生長(zhǎng)。
雖然在該例子中形成公用于環(huán)形半導(dǎo)體激光器1300和環(huán)形半導(dǎo)體激光器1301的半導(dǎo)體層，也可以分別在相互獨(dú)立的步驟中為兩個(gè)環(huán)形諧振腔型半導(dǎo)體激光器形成半導(dǎo)體層在晶體生長(zhǎng)處理之后，利用旋轉(zhuǎn)涂料器將光刻膠AZ1350(商品名，可從Hoechast獲得)涂在p-InGaAsP罩層上以獲得1μm厚的膜。在80℃下將該晶片預(yù)熱30分鐘之后，將其用掩膜覆蓋并暴露在光線下。在顯影和沖洗處理之后光波導(dǎo)層的寬度為5μm，而在錐形區(qū)域光波導(dǎo)層的最大寬度為8μm和最小寬度為5μm。使錐形區(qū)域具有90°角(如圖6中的α和β所定義)。環(huán)形光波導(dǎo)層的長(zhǎng)度為600μm。
隨后，將該晶片放入活性離子蝕刻系統(tǒng)并利用氯氣蝕刻以使其具有3μm深的中空部分。最后，通過升華使Cr/Au沉積在p-InGaAsP罩層35和45上從而在此生成相應(yīng)的陽極33和43，而通過升華使AuGe/Ni/Au沉積在n-InP基片上從而在此生成陰極55。此后，在含氫大氣中對(duì)該晶片進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生電阻接觸。
第三光波導(dǎo)1320以下面描述的方式形成。
第三光波導(dǎo)1320制造得具有與半導(dǎo)體激光器1300相同的層。然后，注入電流使激活層可透過輻射以便使用第三光波導(dǎo)作為無源型光波導(dǎo)。另外，電流可以另外注入第三光波導(dǎo)中使其作為放大器型光波導(dǎo)工作。
為只實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)功能，第三光波導(dǎo)可以制造的具有與半導(dǎo)體激光器1300相同的結(jié)構(gòu)，而僅取消激活層38。如果是這樣，不必將電流注入到第三光波導(dǎo)3120中，因?yàn)樗呀?jīng)是無源型光波導(dǎo)。
在圖3A中，在半導(dǎo)體激光器的任何角落上半導(dǎo)體激光器界面的法線與空氣之間的夾角是45度，因此滿足了全反射的角度要求。在室溫下振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)狀諧振腔型激光器1300的驅(qū)動(dòng)電流是3mA和環(huán)狀諧振腔型激光器1301的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。這樣，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1306和激光束1307呈現(xiàn)相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)等于1.55μm。因此，由于環(huán)狀諧振腔型激光器1302與環(huán)狀諧振腔型激光器1303的驅(qū)動(dòng)電流互不相同，它們的光波導(dǎo)呈現(xiàn)相互略有不同的各自等效折射率。結(jié)果，激光束1306的振蕩頻率f3比激光束1307的振蕩頻率f4大1kHz。
當(dāng)出現(xiàn)全反射時(shí)，產(chǎn)生沿界面漂移的短暫光(evanescent light，或稱損耗光)。如果振蕩波長(zhǎng)是1.55μm，短暫光的穿透深度是0.0735μm。當(dāng)短暫光強(qiáng)度呈指數(shù)衰減時(shí)(穿透深度是電場(chǎng)幅度衰減到1/e處的距離)，環(huán)狀諧振腔型激光器1300和光波導(dǎo)1320分開0.07μm，該值小于穿透深度，通過光波導(dǎo)1320的激光束1306被有效地耦合到環(huán)狀諧振腔型激光器1303。結(jié)果，激光束1306和激光束1307在環(huán)狀諧振腔型激光器中相互干涉。如果使用恒流源，具有100mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)能夠通過監(jiān)測(cè)電端子44與陰極55之間的電壓而獲得。另一方面，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300和1303保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300和1303以每秒30度的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)大致對(duì)應(yīng)晃動(dòng)攝象機(jī)的振動(dòng)或移動(dòng)汽車的振動(dòng)，逆時(shí)針傳播的激光束1306的振蕩頻率f3上升88.7Hz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1307的振蕩頻率f4減少88.7Hz。然后，通過公式(16)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300和1303以每秒30度的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(17)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加和減少呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
在此例子中，通過使兩個(gè)激光器的驅(qū)動(dòng)電流互不相同而使環(huán)狀諧振腔型激光器1300與環(huán)狀諧振腔型激光器1301的振蕩波長(zhǎng)之間互不相同?？墒?，還可以通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾然蚝穸取⒓す馄靼雽?dǎo)體層的成分或材料不同而使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
圖34是用于通過上述激光器裝置檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)設(shè)計(jì)的示意圖。參照?qǐng)D34，顯示了一個(gè)陀螺儀1，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)2，一個(gè)電流源3，一個(gè)電阻4和一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5。
利用上述設(shè)計(jì)，通過串行連接的電阻4將電流從電流源3注入到光學(xué)陀螺儀1中。如果光學(xué)陀螺儀1保持靜止，代表兩個(gè)激光束之間振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之差的拍頻信號(hào)能夠作為端子電壓的變化而被獲得。如果驅(qū)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)2上的光學(xué)陀螺儀1轉(zhuǎn)動(dòng)，所獲得的拍頻信號(hào)代表光學(xué)陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5能夠?qū)⑴念l轉(zhuǎn)換成電壓值如果當(dāng)通過調(diào)節(jié)偏移保持光學(xué)陀螺儀1靜止使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5的電壓輸出等于零，通過觀察頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5的輸出是否是正或負(fù)能夠檢測(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子6)參照說明例子6的圖3B，參考數(shù)字1302代表具有錐形區(qū)1304的光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1303代表具有錐形區(qū)1305的另一個(gè)光波導(dǎo)和參考數(shù)字1320代表又一個(gè)光波導(dǎo)。在圖3B中，參考數(shù)字1306和1309代表各自激光束。
利用上述設(shè)計(jì)，激光束1306和1309兩者在相同方向環(huán)狀傳播。盡管能夠以前面描述的方式檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，光波導(dǎo)1302、1303和1309以圖3B所示方式設(shè)計(jì)對(duì)于改善耦合激光束1306和1309的效率有利。
(例子7)圖3C說明了本發(fā)明的第七個(gè)例子。參照?qǐng)D3C，此例子的激光器裝置包括一個(gè)含有光波導(dǎo)的錐形區(qū)1304的石英管1302、一個(gè)反射鏡1314、一個(gè)陽極1303和一個(gè)陰極1312，以及一個(gè)含有光波導(dǎo)的錐形區(qū)1305的石英管1303、一個(gè)反射鏡1315，一個(gè)陽極1311、一個(gè)電端子1317和一個(gè)陰極1313。參考數(shù)字1306和1307代表各自激光束，而參考數(shù)字1320代表另一個(gè)光波導(dǎo)。如其它例子中所示錐形區(qū)制造的呈現(xiàn)90度角(在圖6中由α和β限定)，盡管當(dāng)陀螺儀保持靜止時(shí)如果適當(dāng)?shù)孬@得拍頻信號(hào)該角度不限于90度。
上述激光器裝置中，通過鉆孔使石英管中空形成石英管1302和1303和光波導(dǎo)1320。此后，反射鏡1314和1315安裝到各自的石英管1302和1303上。另外，陽極1310和陰極1311安裝到石英管1302上，而陽極1311、電端子1317和陰極1313安裝到石英管1303上。隨后，向石英管1302中注入氦氣和氖氣并在每個(gè)石英管的陽極與陰極之間施加電壓以引起放電并使電流流過。結(jié)果，在石英管1302中只有逆時(shí)針激光束1306振蕩，而在石英管1303中只有激光束1307振蕩。
如果石英管1306和1307保持靜止，激光束1306和激光束1303將呈現(xiàn)相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同波長(zhǎng)λ632.8nm?？墒?，由于流過石英管1302的電流與流過石英管1303的電流不同，介質(zhì)Q值的改變使兩個(gè)激光束振蕩頻率略微不同。激光束1306的振蕩頻率f1大于激光束1307的振蕩頻率f220MHz。
另外，因?yàn)槭⒐?302與光波導(dǎo)1320設(shè)計(jì)得靠近，激光束1306被耦合到光波導(dǎo)1320。同時(shí)，由于石英管1303與光波導(dǎo)1320設(shè)計(jì)得靠近，穿過光波導(dǎo)1320傳播的激光束被耦合到石英管1303。結(jié)果，激光束1306和激光束1307在石英管1303中相互干涉。
如果使用恒流源，具有80mV幅度和20MHz頻率的信號(hào)能夠通過監(jiān)測(cè)電端子1317與陰極1313之間的電壓而獲得。換句話說，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1302和1303保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1302和1303以每秒180度的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和諧振腔的每個(gè)邊為10cm長(zhǎng)，逆時(shí)針傳播的激光束1306的振蕩頻率f1上升248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1307的振蕩頻率f2減少248.3kHz。然后，通過公式(18)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)石英管1302和1303以每秒180度的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(19)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加和減少呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
(例子8)圖3D示意性地說明了此例子。在圖3D中，參考數(shù)字1318和1319代表各自的光隔離器。
此設(shè)計(jì)能夠用于根據(jù)例子7中所述的原理檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此例子由于在環(huán)狀激光器中選擇激光束只在一個(gè)方向上傳播模式的裝置而與例子7不同。更特別地，當(dāng)在例子7中使用錐形光波導(dǎo)時(shí)，在此例子中卻使用光隔離器。
當(dāng)使等同極化的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者只允許在給定方向上的波束傳播并阻止在相反方向上的其它波束的傳播。盡管在普通環(huán)狀激光器中在相反方向上傳播的波束被等同極化，通過插入一個(gè)光隔離器能夠使環(huán)狀激光器只允許在給定方向傳播的波束存在。不用說，可以利用光學(xué)環(huán)路器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只要前者只允許波束在一個(gè)方向通過。
(例子9)圖4A是本發(fā)明第九例子的示意圖，和圖35A和35B是分別沿圖4A中線35A-35A和線35B-35B的截面圖。參照?qǐng)D4A和圖35A和35B，此例子的激光器裝置包括一個(gè)具有其光波導(dǎo)錐形區(qū)1404的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1402，一個(gè)陽極33，一個(gè)罩層35，一個(gè)覆蓋層36，一個(gè)光導(dǎo)層37，一個(gè)激活層38和另一個(gè)光導(dǎo)層39，還有另一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1403具有其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1405，一個(gè)陽極43，一個(gè)光導(dǎo)層47，一個(gè)激活層48和另一個(gè)與半導(dǎo)體襯底54一起的光導(dǎo)層49，一個(gè)陰極55和另一個(gè)光波導(dǎo)1420。參考數(shù)字1406代表逆時(shí)針傳播的激光束，而參考數(shù)字1407代表順時(shí)針傳播的激光束。
首先，將描述制造具有上述設(shè)計(jì)的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器的方法。通過有機(jī)金屬汽相生長(zhǎng)技術(shù)在n-InP襯底54(350μm厚度)上生長(zhǎng)高摻雜InGaAsP光導(dǎo)層39具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不摻雜InGaAsP激活層38具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一個(gè)InGaAsP光導(dǎo)層37具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆蓋層36(2μm厚度)和p-InGaAsP罩層35具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1402。同樣地，通過有機(jī)金屬汽相生長(zhǎng)技術(shù)在n-InP襯底54(350μm厚度)上生長(zhǎng)不摻雜InGaAsP光導(dǎo)層49具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不摻雜InGaAsP激活層48具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一個(gè)InGaAsP光導(dǎo)層47具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆蓋層46(2μm厚度)和p-InGaAsP罩層45具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1403。
盡管在此例子中形成了共同用于環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1402和環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1403的半導(dǎo)體層，用于兩個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器而形成的層可以另外以分開和獨(dú)立的處理來形成。在晶體生長(zhǎng)處理后，光刻膠AZ-1350(商品名稱，從Hoechst可獲得)通過旋轉(zhuǎn)涂料器被應(yīng)用在p-InGaAsP罩層上得到厚度1μm的薄膜。在80℃溫度對(duì)晶片預(yù)烘干30分鐘后，使用覆蓋其上的掩模曝光。光波導(dǎo)呈現(xiàn)5μm的寬度，而在顯影和沖洗處理后它們呈現(xiàn)8μm的最大寬度和5μm的最小寬度。環(huán)狀光波導(dǎo)具有600μm的長(zhǎng)度。隨后，晶片被引入到活性離子刻蝕系統(tǒng)中并通過氯氣刻蝕以呈現(xiàn)深度3μm的中空部分。最后，Cr/Au通過升華被沉積到p-InGaAsP罩層35和45上以便在那里產(chǎn)生各自的陽極33和43，同時(shí)AuGe/Ni/Au通過升華被沉積到n-InP襯底上以便在那里產(chǎn)生的陰極55。此后，晶片在含氫空氣中被加熱以產(chǎn)生歐姆觸點(diǎn)。
入射到具有上述設(shè)計(jì)的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器的光被其表面或激光器與空氣的界面全反射，因?yàn)榘雽?dǎo)體與空氣的折射率不同。如果半導(dǎo)體的折射率是3.5，當(dāng)界面法線與激光束之間夾角等于或大于16.6°時(shí)發(fā)生全反射。由于減少反射損耗，為接受全反射的振蕩模式呈現(xiàn)的振蕩閾值小于任何其它的模式，激光器裝置開始利用低注入電流電平振蕩。另外，由于增益集中出現(xiàn)在該振蕩模式中，將抑制任何其它模式的振蕩。在圖4A中半導(dǎo)體界面法線與空氣之間的夾角是45°和因此滿足對(duì)于全反射的角度要求。在室溫下該振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)狀諧振腔型激光器1402的驅(qū)動(dòng)電流是3mA和環(huán)狀諧振腔型激光器1403的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。這樣，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1406和激光束1407將呈現(xiàn)相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)等于1.55μm?？墒怯捎诃h(huán)狀諧振腔型激光器1402的驅(qū)動(dòng)電流和環(huán)狀諧振腔型激光器1403的驅(qū)動(dòng)電流互不相同，它們的光波導(dǎo)呈現(xiàn)各自相互略有不同的等效折射率。結(jié)果，激光束1406的振蕩頻率f3大于激光束1407的振蕩頻率f41kHz。
由于環(huán)狀諧振腔型激光器1402與環(huán)狀諧振腔型激光器1403通過光波導(dǎo)1430連接，激光束1406和激光束1407有效地耦合。結(jié)果，激光束1406和激光束1407在環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器中相互干涉。如果使用恒流源，能夠通過監(jiān)測(cè)電端子44與陰極55之間的電壓獲得具有100mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1402和1403保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1402和1403以每秒30度的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)大致對(duì)應(yīng)晃動(dòng)攝像機(jī)的振動(dòng)或移動(dòng)汽車的振動(dòng)，逆時(shí)針傳播的激光束1406的振蕩頻率f3上升88.7Hz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1407的振蕩頻率f4減少88.7Hz。然后，通過公式(16)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1402和1403以每秒30度的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(17)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加和減少呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
在此例子中，通過使兩個(gè)激光器的驅(qū)動(dòng)電流互不相同而使環(huán)狀諧振腔型激光器1402與環(huán)狀諧振腔型激光器1403的振蕩波長(zhǎng)之間互不相同。可是，也可以通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾然蚝穸?、激光器半?dǎo)體層的成分或材料不同而使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
圖36是用于通過上述激光器裝置檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)設(shè)計(jì)的示意圖。參照?qǐng)D36，顯示了一個(gè)陀螺儀1，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)2，一個(gè)電流源3，一個(gè)電阻4和一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5。
利用上述設(shè)計(jì)，通過串行連接的電阻4將電流從電流源3注入到光學(xué)陀螺儀1中。如果光學(xué)陀螺儀1保持靜止，代表兩個(gè)激光束之間振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之差的拍頻信號(hào)能夠作為端子電壓的變化而被獲得。如果驅(qū)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)2上的光學(xué)陀螺儀1轉(zhuǎn)動(dòng)，所獲得的信號(hào)代表光學(xué)陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5能夠?qū)⑴念l轉(zhuǎn)換成電壓值。如果當(dāng)通過調(diào)節(jié)偏移保持光學(xué)陀螺儀1靜止使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5的電壓輸出等于零，通過觀察頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5的輸出是否是正或負(fù)能夠檢測(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子10)參照說明例子10的圖4B，參考數(shù)字1402代表具有錐形區(qū)1404的光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1403代表具有錐形區(qū)1405的另一個(gè)光波導(dǎo)和參考數(shù)字1420代表又一個(gè)光波導(dǎo)。在圖4B中，參考數(shù)字1406和1409代表各自激光束。
利用上述設(shè)計(jì)，激光束1406和1409兩者在相同方向環(huán)狀傳播。盡管能夠以前面描述的方式檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，光波導(dǎo)1402、1403和1420以圖4B所示方式設(shè)計(jì)對(duì)于改善耦合激光束1406和1409的效率有利。
(例子11)
圖4C是本發(fā)明第十一個(gè)例子的示意圖。參照?qǐng)D4C，此例子的激光器裝置包括一個(gè)具有其光波導(dǎo)錐形區(qū)1404的石英管1402，一個(gè)反射鏡1414，一個(gè)陽極1410和一個(gè)陰極1412，還有另一個(gè)石英管1403包含其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1405，一個(gè)反射鏡1415，一個(gè)陽極1411，一個(gè)電端子1417，一個(gè)陰極1413和另一個(gè)光波導(dǎo)1420。參考數(shù)字1406和1407代表各自的激光束。
上述激光器裝置中，通過鉆孔使石英管中空而形成石英管1402和1403和光波導(dǎo)1420。此后，反射鏡1414和1415安裝到各自的石英管1402和1403上。另外，陽極1410、陰極1412、陽極1411、電端子1417和陰極1413安裝到石英管1402和1403上。隨后，向石英管1402中注入氦氣和氖氣并在每個(gè)石英管的陽極與陰極之間施加電壓以引起放電并使電流流過。結(jié)果，在石英管1402中只有逆時(shí)針激光束1406振蕩，而在石英管1403中只有激光束1407振蕩。
如果石英管1402和1403保持靜止，激光束1406和激光束1407將呈現(xiàn)相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同波長(zhǎng)λ632.8nm?？墒?，由于流過石英管1402的電流與流過石英管1403的電流不同，介質(zhì)Q值的改變使兩個(gè)激光束振蕩頻率略微不同。激光束1406的振蕩頻率f1大于激光束1407的振蕩頻率f220MHz。另外，石英管1402與石英管1403通過光波導(dǎo)1420連接，在石英管1403中激光束1406與激光束1407耦合。同時(shí)，在石英管1402激光束1407與激光束1406耦合。結(jié)果，激光束1406和激光束1407在每個(gè)石英管中相互干涉。如果使用恒流源，具有80mV幅度和20MHz頻率的信號(hào)能夠通過監(jiān)測(cè)電端子1417與陰極1413之間的電壓而獲得。另一方面，即使石英管保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1402和1403以每秒180度的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和諧振腔的每個(gè)邊為10cm長(zhǎng)，逆時(shí)針傳播的激光束1406的振蕩頻率f1上升248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1407的振蕩頻率f2減少248.3kHz。然后，通過公式(18)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)石英管1402和1403以每秒180度的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(19)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加和減少呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
盡管在該例子中通過用恒定電流驅(qū)動(dòng)陀螺儀觀察到端子電壓的改變，如果用恒定電壓驅(qū)動(dòng)陀螺儀也能夠觀察流過端子的電流改變。另外，通過阻抗計(jì)也可以直接檢測(cè)放電阻抗的改變。
(例子12)圖4D示意性地說明了此例子。在圖4D中，參考數(shù)字1418和1419代表各自的光隔離器。
此設(shè)計(jì)能夠用于根據(jù)例子11中所述的原理檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此例子由于在環(huán)狀激光器中選擇激光束只在一個(gè)方向上傳播模式的裝置而與例子11不同。更特別地，當(dāng)在例子11中使用錐形光波導(dǎo)時(shí)，在此例子中卻使用光隔離器。
當(dāng)使等同極化的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者只允許在給定方向上的波束傳播并阻止在相反方向上的其它波束的傳播。盡管在普通環(huán)狀激光器中在相反方向上傳播的波束被等同極化，通過插入一個(gè)光隔離器能夠使環(huán)狀激光器只允許在給定方向傳播的波束存在。不用說，可以利用光學(xué)環(huán)路器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只要前者只允許波束在一個(gè)方向通過。
(例子13)圖5A是本發(fā)明第十二個(gè)例子的示意圖，和圖37是沿圖5A中線37-37的截面圖。參照?qǐng)D5A和圖37，此例子的激光器裝置包括一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1502，該激光器1502具有其光波導(dǎo)錐形區(qū)1504，一個(gè)陽極33，一個(gè)電端子34，一個(gè)罩層35，一個(gè)覆蓋層36，一個(gè)光導(dǎo)層37，一個(gè)激活層38和另一個(gè)光導(dǎo)層39，還有另一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1503，具有其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1505，一個(gè)陽極43，一個(gè)電端子44，一個(gè)光導(dǎo)層47，一個(gè)激活層48和另一個(gè)與半導(dǎo)體襯底54一起的光導(dǎo)層49和一個(gè)陰極55。參考數(shù)字1506代表逆時(shí)針傳播的激光束，而參考數(shù)字1507代表順時(shí)針傳播的激光束。
首先，將描述制造具有上述設(shè)計(jì)的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器的方法。通過有機(jī)金屬汽相生長(zhǎng)技術(shù)在n-InP襯底54(350μm厚度)上生長(zhǎng)高摻雜InGaAsP光導(dǎo)層39具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不摻雜InGaAsP激活層38具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一個(gè)InGaAsP光導(dǎo)層37具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆蓋層36(2μm厚度)和p-InGaAsP罩層35具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1502。同樣地，通過有機(jī)金屬汽相生長(zhǎng)技術(shù)在n-InP襯底54(350μm厚度)上生長(zhǎng)不摻雜InGaAsP光導(dǎo)層49具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不摻雜InGaAsP激活層48具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一個(gè)InGaAsP光導(dǎo)層47具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆蓋層46(2μm厚度)和p-InGaAsP罩層45具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1503。
盡管在此例子中形成了共同用于環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1502和環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1503的半導(dǎo)體層，用于兩個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器而形成的層可以另外以分開和獨(dú)立的處理來形成。在晶體生長(zhǎng)處理后，光刻膠AZ-1350(商品名稱，從Hoechst可獲得)通過旋轉(zhuǎn)涂料器被應(yīng)用在p-InGaAsP罩層上得到厚度1μm的薄膜。在80℃溫度對(duì)晶片預(yù)烘干30分鐘后，使用覆蓋其上的掩膜曝光。光波導(dǎo)呈現(xiàn)5μm的寬度，而在顯影和沖洗處理后它們呈現(xiàn)8μm的最大寬度和5μm的最小寬度。環(huán)狀光波導(dǎo)具有600μm的長(zhǎng)度。隨后，晶片被引入到活性離子刻蝕系統(tǒng)中并通過氯氣刻蝕以呈現(xiàn)深度3μm的中空部分。最后，Cr/Au通過升華被沉積到p-InGaAsP罩層35和45上以便在那里產(chǎn)生各自的陽極33和43，同時(shí)AuGe/Ni/Au通過升華被沉積到n-InP襯底上以便在那里產(chǎn)生的陰極55。此后，晶片在含氫空氣中被加熱以產(chǎn)生歐姆觸點(diǎn)。
入射到具有上述設(shè)計(jì)的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器的光被其表面或激光器與空氣的界面全反射，因?yàn)榘雽?dǎo)體與空氣的折射率不同。如果半導(dǎo)體的折射率是3.5，當(dāng)界面法線與激光束之間夾角等于或大于16.6°時(shí)發(fā)生全反射。由于減少反射損耗，為接受全反射的振蕩模式呈現(xiàn)的振蕩閾值小于任何其它的模式，激光器裝置開始利用低注入電流電平振蕩。另外，由于增益集中出現(xiàn)在該振蕩模式中，將抑制任何其它模式的振蕩。在圖5A中半導(dǎo)體界面法線與空氣之間的夾角是45°和因此滿足對(duì)于全反射的角度要求。在室溫下該振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)狀諧振腔型激光器1502的驅(qū)動(dòng)電流是3mA和環(huán)狀諧振腔型激光器1503的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。這樣，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1506和激光束1507將呈現(xiàn)相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)等于1.55μm?？墒?，由于環(huán)狀諧振腔型激光器1502的驅(qū)動(dòng)電流和環(huán)狀諧振腔型激光器1503的驅(qū)動(dòng)電流互不相同，它們的光波導(dǎo)呈現(xiàn)各自相互略有不同的等效折射率。結(jié)果，激光束1506的振蕩頻率f3大于激光束1507的振蕩頻率f41kHz。
由于環(huán)狀諧振腔型激光器1502與環(huán)狀諧振腔型激光器1503共享部分光波導(dǎo)，激光束1506和激光束1507有效地耦合。結(jié)果，激光束1506和激光束1507在環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器中相互干涉。如果使用恒流源，能夠通過監(jiān)測(cè)電端子34與陰極55之間的電壓獲得具有100mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)，然而能夠通過監(jiān)測(cè)電端子44與陰極55之間的電壓獲得具有100mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1502和1503保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1502和1503以每秒30度的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)大致對(duì)應(yīng)晃動(dòng)攝象機(jī)的振動(dòng)或移動(dòng)汽車的振動(dòng)，逆時(shí)針傳播的激光束1506的振蕩頻率f3上升88.7Hz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1507的振蕩頻率f4減少88.7Hz。然后，通過公式(16)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1502和1503以每秒30度的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(17)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加和減少呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
在此例子中，通過使兩個(gè)激光器的驅(qū)動(dòng)電流互不相同而使環(huán)狀諧振腔型激光器1502與環(huán)狀諧振腔型激光器1503的振蕩波長(zhǎng)之間互不相同?？墒?，另外可以通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾然蚝穸?、激光器半?dǎo)體層的成分或材料不同而使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
圖38是用于通過上述激光器裝置檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)設(shè)計(jì)的示意圖。參照?qǐng)D38，顯示了一個(gè)陀螺儀1，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)2，一個(gè)電流源3，一個(gè)電阻4和一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5。
利用上述設(shè)計(jì)，通過串行連接的電阻4將電流從電流源3注入到光學(xué)陀螺儀1中。如果光學(xué)陀螺儀1保持靜止，代表兩個(gè)激光束之間振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之差的拍頻信號(hào)能夠作為端子電壓的變化而被獲得。如果驅(qū)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)2上的光學(xué)陀螺儀1轉(zhuǎn)動(dòng)，所獲得的信號(hào)代表光學(xué)陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5能夠?qū)⑴念l轉(zhuǎn)換成電壓值。如果當(dāng)通過調(diào)節(jié)偏移保持光學(xué)陀螺儀1靜止使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5的電壓輸出等于零，通過觀察頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)5的輸出是否是正或負(fù)能夠檢測(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子14)
參照?qǐng)D5B說明例子14，參考數(shù)字1502代表具有錐形區(qū)1504的光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1503代表具有錐形區(qū)1505的另一個(gè)光波導(dǎo)和參考數(shù)字1420代表又一個(gè)光波導(dǎo)。在圖5B中，參考數(shù)字1506和1509代表各自激光束。
利用上述設(shè)計(jì)，激光束1506和1509兩者在相同方向環(huán)狀傳播。利用該設(shè)計(jì)，能夠以例子13中描述的方式檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子15)圖5C是本發(fā)明第十五個(gè)例子的示意圖。參照?qǐng)D5C，此例子的激光器裝置包括一個(gè)具有其光波導(dǎo)錐形區(qū)1504的石英管1502，一個(gè)反射鏡1514，一個(gè)陽極1510，一個(gè)電端子1516和一個(gè)陰極1512，還有另一個(gè)石英管1503包含其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1505，一個(gè)反射鏡1515，一個(gè)陽極1511，一個(gè)電端子1517和一個(gè)陰極1513。參考數(shù)字1506和1508代表各自的激光束。
上述激光器裝置中，通過鉆孔使石英塊中空而形成石英管1502和1503。此后，反射鏡1514和1515安裝到各自的石英管1502和1503上。另外，陽極1510、電端子1516和陰極1512安裝到石英管1502上，同時(shí)陽極1511、電端子1517和陰極1513安裝到石英管1503上。隨后，向石英管1502和1503中注入氦氣和氖氣并在每個(gè)石英管的陽極與陰極之間施加電壓以引起放電并使電流流過。由于存在光波導(dǎo)的錐形區(qū)1504和1505，在石英管1402中只有逆時(shí)針激光束1506振蕩，而在石英管1503中只有激光束1508振蕩。
如果石英管1502和1503保持靜止，激光束1506和激光束1508將呈現(xiàn)相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同波長(zhǎng)λ632.8nm?？墒?，由于流過石英管1502的電流與流過石英管1503的電流不同，介質(zhì)Q值的改變使兩個(gè)激光束振蕩頻率略微不同。激光束1506的振蕩頻率f1大于激光束1508的振蕩頻率f220MHz。另外，石英管1502與石英管1503共享部分光波導(dǎo)，在石英管1503中激光束1506與激光束1508耦合。同時(shí)，在石英管1502中激光束1508與激光束1506耦合。結(jié)果，激光束1506和激光束1508在每個(gè)石英管中相互干涉。如果使用恒流源，具有80mV幅度和20MHz頻率的信號(hào)能夠通過監(jiān)測(cè)電端子1516與陰極1512之間的電壓而獲得，同時(shí)具有80mV幅度和20MHz頻率的信號(hào)能夠通過監(jiān)測(cè)電端子1517與陰極1513之間的電壓而獲得。另一方面，即使石英管保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1502和1503以每秒180度的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和諧振腔的每個(gè)邊為10cm長(zhǎng)，逆時(shí)針傳播的激光束1506的振蕩頻率f1上升248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1508的振蕩頻率f2減少248.3kHz。然后，通過公式(18)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)石英管1502和1503以每秒180度的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(19)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加和減少呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
盡管在該例子中向石英管中引入了氦氣和氖氣，可以用能夠引起激光器振蕩的任何氣體替代它們。另外，光波導(dǎo)的形狀可以是六邊型，三角形或圓形而非圖5C所示的矩形。
(例子16)圖5D示意性地說明了此例子。在圖5D中，參考數(shù)字1518和1519代表各自的光隔離器。
此設(shè)計(jì)能夠用于根據(jù)例子15中所述的原理檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此例子由于在環(huán)狀激光器中選擇激光束只在一個(gè)方向上傳播模式的裝置而與例子15不同。更特別地，當(dāng)在例子15中使用錐形光波導(dǎo)時(shí)，在此例子中卻使用光隔離器。
當(dāng)使等同極化的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者只允許在給定方向上的波束傳播并阻止在相反方向上的其它波束的傳播。盡管在普通環(huán)狀激光器中在相反方向上傳播的波束被等同極化，通過插入一個(gè)光隔離器能夠使環(huán)狀激光器只允許在給定方向傳播的波束存在。不用說，可以利用光學(xué)環(huán)路器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只更前者只允許波束在一個(gè)方向通過。
(例子17)圖7A是本發(fā)明第十七個(gè)例子的示意圖，和圖7G是沿圖7A中的線7G-7G的截面圖。參照?qǐng)D27和圖7G，此例子的激光器裝置包括一個(gè)具有其光波導(dǎo)錐形區(qū)1204的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200，一個(gè)陽極33，一個(gè)罩層35，一個(gè)覆蓋層36，一個(gè)光導(dǎo)層37，一個(gè)激活層38和另一個(gè)光導(dǎo)層39，還有另一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1201具有其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1205，一個(gè)陽極43，一個(gè)罩層45，一個(gè)覆蓋層46，一個(gè)光導(dǎo)層47，一個(gè)激活層48和另一個(gè)與光檢測(cè)器1230一起的光導(dǎo)層49，一個(gè)半導(dǎo)體襯底54和一個(gè)陰極55。參考數(shù)字1206代表逆時(shí)針傳播的激光束和參考數(shù)字1256代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200輻射出的激光束，而參考數(shù)字1207代表順時(shí)針傳播的激光束和參考數(shù)字1257代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1201輻射出的激光束。
半導(dǎo)體激光器1200和1201如同例子1中那樣制造。
在室溫下該振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)狀諧振腔型激光器1200的驅(qū)動(dòng)電流是3mA和環(huán)狀諧振腔型激光器1201的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。這樣，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1206和激光束1207將呈現(xiàn)相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)等于1.55μm。可是，由于環(huán)狀諧振腔型激光器1200的驅(qū)動(dòng)電流和環(huán)狀諧振腔型激光器1201的驅(qū)動(dòng)電流互不相同，它們的光波導(dǎo)呈現(xiàn)各自相互略有不同的等效折射率。結(jié)果，激光束1206的振蕩頻率f3大于激光束1207的振蕩頻率f41kHz。當(dāng)由光檢測(cè)器1230同時(shí)接收激光束1256和激光束1257時(shí)，在光檢測(cè)器1230中激光束1206和激光束1207相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1230的電端子上獲得具有80mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200和1201保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
注意兩個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器不必設(shè)計(jì)得靠近。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200和1201以每秒30度的速度作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)大致對(duì)應(yīng)于攝象機(jī)被晃動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)速度或運(yùn)動(dòng)中汽車的速度，逆時(shí)針傳播的激光束1206的振蕩頻率f3升高88.7Hz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1207的振蕩頻率f4減少88.7Hz。然后，由下面的公式(20)能夠獲得拍頻。
f3-f4＝1kHz+177.4Hz……(20)在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)該環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1200和1201以每秒30度的速度作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由下面的公式(21)能夠獲得拍頻。
f3-f4＝1kHz-177.4Hz……(21)由于拍頻增加或減少的絕對(duì)值與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在也可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加或減少呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的關(guān)系。
盡管在上述例子中通過使用InGaAsP型材料實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器，它們也可以用GaAs型，ZnSe型，InGaN型或AlGaN型材料代替。另外，光波導(dǎo)的形狀可以是六角形，三角形或圓形而非圖7A中所示的矩形。
在上述例子中環(huán)狀諧振腔型激光器1202和1203的驅(qū)動(dòng)電流不同以便使振蕩頻率不同。可是，另外可以通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾然蚝穸取⒓す馄靼雽?dǎo)體層的成分或材料不同而使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
圖39是用于通過上述激光器裝置檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)設(shè)計(jì)的示意圖。參照?qǐng)D39，顯示了一個(gè)陀螺儀1，一個(gè)環(huán)狀諧振腔型激光器2，一個(gè)光檢測(cè)器3，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4，一個(gè)電流源5，一個(gè)電阻6和一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7。
利用上述設(shè)計(jì)，通過串行連接的電阻6將電流從電流源5注入到光學(xué)陀螺儀1中。如果光學(xué)陀螺儀1保持靜止，代表兩個(gè)激光束之間振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之差的拍頻信號(hào)能夠作為光檢測(cè)器3的端子電壓的變化而被獲得。如果驅(qū)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4上的光學(xué)陀螺儀1轉(zhuǎn)動(dòng)，所獲得的信號(hào)代表光學(xué)陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7能夠?qū)⑴念l轉(zhuǎn)換成電壓值如果當(dāng)通過調(diào)節(jié)偏移保持光學(xué)陀螺儀1靜止使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的電壓輸出等于零，通過觀察頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的輸出是否是正或負(fù)能夠檢測(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子18)參照說明例子18的圖7B和7H，參考數(shù)字1240代表一個(gè)反射鏡，參考數(shù)字1209代表逆時(shí)針傳播的激光束，而參考數(shù)字1257代表由反射鏡1240反射的激光束。圖7H是沿圖7B中的線7H-7H的截面圖。
上述設(shè)計(jì)不同于例子17中的設(shè)計(jì)之處在于環(huán)狀諧振腔型激光器1201的光波導(dǎo)錐形區(qū)1205相對(duì)圖7A中是相反方向的，以便因此激光束1209在環(huán)狀諧振腔型激光器1201中逆時(shí)針傳播。利用此設(shè)計(jì)，通過使激光束1257從環(huán)狀諧振腔型激光器1201中輻射出并由反射鏡1240反射和與激光束1256一起由光檢測(cè)器1230接收，能夠如同例子17那樣獲得拍頻信號(hào)。
(例子19)圖7C是本發(fā)明第十七個(gè)例子的示意圖。參照?qǐng)D7C，此例子中的激光器裝置包括與一個(gè)石英管1202一起的一個(gè)光檢測(cè)器1230，石英管1202包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1204，一個(gè)反射鏡1214，一個(gè)陽極1210和一個(gè)陰極1212，還有一個(gè)石英管1203包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1205，一個(gè)反射鏡1215，一個(gè)陽極1211和一個(gè)陰極1213。參考數(shù)字1206代表通過石英管1202傳播的激光束，參考數(shù)字1256代表向外輻射的激光束，而參考數(shù)字1207代表通過石英管1203傳播的激光束，參考數(shù)字1257代表向外輻射的激光束。
該激光器以例子3中所描述的方式制造。
如果石英管1202和1203保持靜止，激光束1206和激光束1207將呈現(xiàn)基本上相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同波長(zhǎng)λ632.8nm?？墒牵捎诹鬟^石英管1202的電流與流過石英管1203的電流不同，介質(zhì)Q值的改變使兩個(gè)激光束振蕩頻率略微不同。激光束1206的振蕩頻率f1大于激光束1207的振蕩頻率f220MHz。當(dāng)激光器諧振腔的一個(gè)反射鏡制造的呈現(xiàn)比其它反射鏡低的反射率時(shí)，能夠從具有較低反射率的反射鏡提取激光束。當(dāng)激光束1256和激光束1257由光檢測(cè)器1230同時(shí)接收時(shí)，在光檢測(cè)器1230中激光束1206和1207相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1230的電端子上能夠獲得50mV幅度和20MHz頻率的信號(hào)。另一方面，當(dāng)石英管1202和1203保持靜止時(shí)也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1202和1203以每秒180度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并且諧振腔每個(gè)邊長(zhǎng)10cm，逆時(shí)針傳播的激光束1206的振蕩頻率f1升高248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1207的振蕩頻率f2減少了248.3kHz。然后，通過下面的公式(22)能夠獲得拍頻。
f1-f2＝20MHz+496.6kHz……(22)在此情況下，另一方面，以每秒180度的速度驅(qū)動(dòng)石英管1202和1203逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過下面的公式(23)能夠獲得拍頻。
f1-f2＝20MHz-496.6kHz……(23)由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l呈現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
盡管在該例子中向石英管中引入了氦氣和氖氣，可以用能夠引起激光器振蕩的任何氣體替代它們。另外，光波導(dǎo)的形狀可以是六邊型，三角形或圓形而非圖7C所示的矩形。
(例子20)參照說明例子20的圖7D，參考數(shù)字1240代表一個(gè)反射鏡和參考數(shù)字1209代表逆時(shí)針傳播的激光束，而參考數(shù)字1257代表由反射鏡1240反射的激光束。
上述設(shè)計(jì)不同于例子19中的設(shè)計(jì)之處在于石英管的光波導(dǎo)錐形區(qū)1205相對(duì)圖7C中是相反方向的，以便因此激光束1209在石英管1203中逆時(shí)針傳播。利用此設(shè)計(jì)，通過使激光束1257從石英管1203中輻射出并由反射鏡1240反射和與激光束1256一起由光檢測(cè)器1230接收，能夠如同例子19那樣獲得一比特信號(hào)。
(例子21)圖7E示意性地說明了此例子。在圖7E中，參考數(shù)字1218和1219代表各自的光隔離器。
此設(shè)計(jì)能夠用于根據(jù)例子19中所述的原理檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此例子由于在環(huán)狀激光器中選擇激光束只在一個(gè)方向上傳播而與例子19不同。更特別地，當(dāng)在例子19中使用錐形光波導(dǎo)時(shí)，在此例子中卻使用光隔離器。
當(dāng)使等同極化的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者只允許在給定方向上的波束傳播并阻止在相反方向上的其它波束的傳播。盡管在普通環(huán)狀激光器中在相反方向上傳播的波束被等同極化，通過插入一個(gè)光隔離器能夠使環(huán)狀激光器只允許在給定方向傳播的波束存在。不用說，可以利用光學(xué)環(huán)路器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只要前者只允許波束在一個(gè)方向通過。
(例子22)參照說明例子22的圖7F，此例子的設(shè)計(jì)不同于例子21中的設(shè)計(jì)之處在于光隔離器1219相對(duì)圖7E中是相反方向的，以便因此激光束1209在石英管1203中逆時(shí)針傳播。利用此設(shè)計(jì)，通過使激光束1257從石英管1203中輻射出并由反射鏡1240反射和與激光束1256一起由光檢測(cè)器1230接收，能夠如同例子21那樣獲得一比特信號(hào)。
(例子23)圖8A是本發(fā)明第二十個(gè)例子的示意圖，圖8E和8F分別是沿圖8A中的線8E-8E和8F-8F截面圖。參照?qǐng)D8A，8E和8F，此例子中的激光器裝置包括與一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300，該半導(dǎo)體激光器具有其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1304，一個(gè)陽極33，一個(gè)罩層35，一個(gè)覆蓋層36，一個(gè)光導(dǎo)層37，一個(gè)激活層38和另一個(gè)光導(dǎo)層39，還有另一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1301，該半導(dǎo)體激光器具有其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1305，一個(gè)陽極43，一個(gè)罩層45，一個(gè)覆蓋層46，一個(gè)光導(dǎo)層47，一個(gè)激活層48和另一個(gè)與光檢測(cè)器1330一起的光導(dǎo)層49。參考數(shù)字1306代表逆時(shí)針傳播的激光束，參考數(shù)字1356代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300輻射出的激光束，而參考數(shù)字1307代表順時(shí)針傳播的激光束，參考數(shù)字1357代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1301輻射出的激光束。
半導(dǎo)體激光器1300和1301以例子5中所描述的方式制造。
在室溫下振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)狀諧振腔型激光器1300的驅(qū)動(dòng)電流是3mA和環(huán)狀諧振腔型激光器1301的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。這樣，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1306和激光束1307呈現(xiàn)相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)等于1.55μm?？墒?，由于環(huán)狀諧振腔型激光器1300與環(huán)狀諧振腔型激光器1301的驅(qū)動(dòng)電流互不相同，它們的光波導(dǎo)呈現(xiàn)相互略有不同的各自等效折射率。結(jié)果，激光束1306的振蕩頻率f3大于激光束1307的振蕩頻率f41kHz。
當(dāng)出現(xiàn)全反射時(shí)，產(chǎn)生沿界面漂移的短暫光。如果振蕩波長(zhǎng)是1.55μm，短暫光的穿透深度是0.0735μm。短暫光強(qiáng)度呈指數(shù)衰減(穿透深度是電場(chǎng)幅度衰減到1/e處的距離)。環(huán)狀諧振腔型激光器1300和光波導(dǎo)1320分開0.07μm，該值小于穿透深度，以便激光束1306被有效地耦合到光波導(dǎo)1320。同樣地，環(huán)狀諧振腔型激光器1303和光波導(dǎo)1320分開0.07μm，該值小于穿透深度，以便激光束1307被有效地耦合到光波導(dǎo)1320。這樣，當(dāng)光檢測(cè)器1330同時(shí)接收時(shí)，激光束1356和從光波導(dǎo)1320輻射出的激光束1357相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1330的電端子上能夠獲得具有50mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300和1301保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1330和1331以每秒30度的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)大致對(duì)應(yīng)晃動(dòng)攝象機(jī)的振動(dòng)或移動(dòng)汽車的振動(dòng)，逆時(shí)針傳播的激光束1306的振蕩頻率f3上升88.7Hz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1307的振蕩頻率f4減少88.7Hz。然后，通過公式(20)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1300和1301以每秒30度的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(21)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加和減少呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
在上述例子中環(huán)狀諧振腔型激光器1300和1301的驅(qū)動(dòng)電流互不相同以便振蕩頻率互不相同?？墒?，另外能夠通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾然蚝穸?、激光器半?dǎo)體層的成分或材料不同使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
圖40是用于通過上述激光器裝置檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)設(shè)計(jì)的示意圖。參照?qǐng)D40，顯示了一個(gè)陀螺儀1，一個(gè)環(huán)狀諧振腔型激光器2，一個(gè)光檢測(cè)器3，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4，一個(gè)電流源5，一個(gè)電阻6和一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7。
利用上述設(shè)計(jì)，通過串行連接的電阻6將電流從電流源5注入到光學(xué)陀螺儀1中。如果光學(xué)陀螺儀1保持靜止，代表兩個(gè)激光束之間振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之差的拍頻信號(hào)能夠作為光檢測(cè)器3的端子電壓的變化而被獲得。如果驅(qū)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4上的光學(xué)陀螺儀1轉(zhuǎn)動(dòng)，所獲得的信號(hào)代表光學(xué)陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7能夠?qū)⑴念l轉(zhuǎn)換成電壓值。如果當(dāng)通過調(diào)節(jié)偏移保持光學(xué)陀螺儀1靜止使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的電壓輸出等于零，通過觀察頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的輸出是否是正或負(fù)能夠檢測(cè)光學(xué)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子24)參照說明例子24的圖8B，參考數(shù)字1302代表具有錐形區(qū)1304的光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1303代表具有錐形區(qū)1305的另一個(gè)光波導(dǎo)。在圖8B中，參考數(shù)字1306、1356、1309和1357代表各自激光束。
利用上述設(shè)計(jì)，激光束1306和1309兩者在相同方向環(huán)狀傳播。盡管能夠以前面描述的方式檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，光波導(dǎo)1302、1303和1320以圖8B所示方式設(shè)計(jì)對(duì)于改善耦合激光束1306和1309的效率有利。
(例子25)圖8C說明本發(fā)明的第二十五個(gè)例子。參照?qǐng)D8C，此例子中的激光器裝置包括一個(gè)光檢測(cè)器1330和一個(gè)石英管1302，石英管1302包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1304，一個(gè)反射鏡1314，一個(gè)陽極1310和一個(gè)陰極1312，還有一個(gè)石英管1303包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1305，一個(gè)反射鏡1315，一個(gè)陽極1311和一個(gè)陰極1313。參考數(shù)字1306代表通過石英管1302傳播的激光束，參考數(shù)字1356代表向石英管1302之外輻射的激光束，而參考數(shù)字1307代表通過石英管1303傳播的激光束，參考數(shù)字1357代表向石英管1303之外輻射的激光束。
該激光器以例子7中所描述的方式制造。
如果石英管1302和1303保持靜止，激光束1306和激光束1307將呈現(xiàn)基本上相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同波長(zhǎng)λ632.8nm?？墒?，由于流過石英管1302的電流與流過石英管1303的電流不同，介質(zhì)Q值的改變使兩個(gè)激光束振蕩頻率略微不同。激光束1306的振蕩頻率f1大于激光束1307的振蕩頻率f220MHz。
另外，由于石英管1302和光波導(dǎo)1320設(shè)計(jì)得靠近，激光束1306和1307與光波導(dǎo)1320耦合。這樣，由光檢測(cè)器1230同時(shí)接收時(shí)，激光束1356和從光波導(dǎo)1320向外輻射的激光束1357相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1330的電端子上能夠獲得50mV幅度和20MHz頻率的信號(hào)。另一方面，當(dāng)石英管1302和1303保持靜止時(shí)也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1302和1303以每秒180度速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并且諧振腔每個(gè)邊長(zhǎng)10cm，逆時(shí)針傳播的激光束1306的振蕩頻率f1升高248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1307的振蕩頻率f2減少了248.3kHz。然后，通過下面的公式(22)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，以每秒180度的速度驅(qū)動(dòng)石英管1302和1303逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過下面的公式(23)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l呈現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(例子26)圖8D示意性地說明了此例子。在圖8D中，參考數(shù)字1318和1319代表各自的光隔離器。
此設(shè)計(jì)能夠用于根據(jù)例子25中所述的原理檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此例子由于在環(huán)狀激光器中選擇激光束只在一個(gè)方向上傳播而與例子25不同。更特別地，當(dāng)在例子25中使用錐形光波導(dǎo)時(shí)，在此例子中卻使用光隔離器。
當(dāng)使等同極化的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者只允許在給定方向上的波束傳播并阻止在相反方向上的其它波束的傳播。盡管在普通環(huán)狀激光器中在相反方向上傳播的波束被等同極化，通過插入一個(gè)光隔離器能夠使環(huán)狀激光器只允許在給定方向傳播的波束存在。不用說，可以利用光學(xué)環(huán)路器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只要前者只允許波束在一個(gè)方向通過。
(例子27)圖9A是本發(fā)明第二十七例子的示意圖，最清楚地表示了它的特性方面，和圖9E和9F是沿圖9A中的線9E-9E和9F-9F的截面圖。參照?qǐng)D9A，9E和圖9F，此例子的激光器裝置包括一個(gè)具有其光波導(dǎo)錐形區(qū)1404的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1400，一個(gè)陽極33，一個(gè)罩層35，一個(gè)覆蓋層36，一個(gè)光導(dǎo)層37，一個(gè)激活層38和另一個(gè)光導(dǎo)層39，還有另一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1401具有其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1405，一個(gè)陽極43，一個(gè)罩層45，一個(gè)覆蓋層46，一個(gè)光導(dǎo)層47，一個(gè)激活層48和另一個(gè)與光檢測(cè)器1430一起的光導(dǎo)層49，一個(gè)半導(dǎo)體襯底54，一個(gè)陰極55和另一個(gè)光波導(dǎo)1430。參考數(shù)字1406代表逆時(shí)針傳播的激光束和參考數(shù)字1456代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1400輻射出的激光束，而參考數(shù)字1407代表順時(shí)針傳播的激光束和參考數(shù)字1457代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1403輻射出的激光束。
半導(dǎo)體激光器1400和1401如同例子9中那樣制造。
在室溫下該振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)狀諧振腔型激光器1400的驅(qū)動(dòng)電流是3mA和環(huán)狀諧振腔型激光器1401的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。這樣，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1406和激光束1407將呈現(xiàn)相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)等于1.55μm。可是，由于環(huán)狀諧振腔型激光器1400的驅(qū)動(dòng)電流和環(huán)狀諧振腔型激光器1401的驅(qū)動(dòng)電流互不相同，它們的光波導(dǎo)呈現(xiàn)各自相互略有不同的等效折射率。結(jié)果，激光束1406的振蕩頻率f3大于激光束1407的振蕩頻率f41kHz。由于環(huán)狀諧振腔型激光器1400和環(huán)狀諧振腔型激光器1401通過光波導(dǎo)1420連接，激光束1406和激光束1407相互有效地耦合。然后，當(dāng)由光檢測(cè)器接收它們時(shí)，激光束1456和從光波導(dǎo)1420輻射出的激光束1457相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1430的電端子上獲得具有50mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1402和1403保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1400和1401以每秒30度的速度作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)大致對(duì)應(yīng)于攝象機(jī)被晃動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)速度或運(yùn)動(dòng)中汽車的速度，逆時(shí)針傳播的激光束1406的振蕩頻率f3升高88.7Hz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1407的振蕩頻率f4減少88.7Hz。然后，由公式(20)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)該環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1400和1401以每秒30度的速度作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由公式(21)能夠獲得拍頻。
由于拍頻增加或減少的絕對(duì)值與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在也可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加或減少呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的關(guān)系。
在上述例子中環(huán)狀諧振腔型激光器1430和1441的驅(qū)動(dòng)電流不同以便使振蕩頻率不同?？墒?，另外可以通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾然蚝穸?、激光器半?dǎo)體層的成分或材料不同而使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
圖41是用于通過上述激光器裝置檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)設(shè)計(jì)的示意圖。參照?qǐng)D41，顯示了一個(gè)陀螺儀1，一個(gè)環(huán)狀諧振腔型激光器2，一個(gè)光檢測(cè)器3，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4，一個(gè)電流源5，一個(gè)電阻6和一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7。
利用上述設(shè)計(jì)，通過串行連接的電阻6將電流從電流源5注入到光學(xué)陀螺儀1中。如果光學(xué)陀螺儀1保持靜止，代表兩個(gè)激光束之間振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之差的拍頻信號(hào)能夠作為光檢測(cè)器3的端子電壓的變化而被獲得。如果驅(qū)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4上的光學(xué)陀螺儀1轉(zhuǎn)動(dòng)，所獲得的信號(hào)代表光學(xué)陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7能夠?qū)⑴念l轉(zhuǎn)換成電壓值。如果當(dāng)通過調(diào)節(jié)偏移保持光學(xué)陀螺儀1靜止使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的電壓輸出等于零，通過觀察頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的輸出是否是正或負(fù)能夠檢測(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子28)參照?qǐng)D9B說明例子28，參考數(shù)字1402代表具有錐形區(qū)1404的光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1403代表具有錐形區(qū)1405的另一個(gè)光波導(dǎo)。在圖9B中，參考數(shù)字1406、1456、1409和1457代表各自激光束。
利用上述設(shè)計(jì)，激光束1406和1409兩者在相同方向環(huán)狀傳播。盡管能夠以前面描述的方式檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，光波導(dǎo)1402、1403和1420以圖9B所示方式設(shè)計(jì)對(duì)于改善耦合激光束1406和1409的效率有利。
(例子29)圖9C說明本發(fā)明的第二十九個(gè)例子。參照?qǐng)D9C，此例子中的激光器裝置包括一個(gè)光檢測(cè)器1430和一個(gè)石英管1402，石英管1402包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1404，一個(gè)反射鏡1414，一個(gè)陽極13和一個(gè)陰極15，還有一個(gè)石英管1403包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1405，一個(gè)反射鏡1415，一個(gè)陽極23和與光波導(dǎo)1420一起的一個(gè)陰極25。參考數(shù)字1406代表通過石英管1402傳播的激光束，參考數(shù)字1456代表向石英管1402之外輻射的激光束，而參考數(shù)字1407代表通過石英管1403傳播的激光束，參考數(shù)字1457代表向石英管1403之外輻射的激光束。
該激光器以例子11中所描述的方式制造。
如果石英管1402和1403保持靜止，激光束106和激光束1407將呈現(xiàn)基本上相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同波長(zhǎng)λ632.8nm?？墒?，由于流過石英管1402的電流與流過石英管1403的電流不同，介質(zhì)Q值的改變使兩個(gè)激光束振蕩頻率略微不同。激光束1406的振蕩頻率f1大于激光束1407的振蕩頻率f220MHz。另外，由于石英管1402和1403連接到光波導(dǎo)1420，激光束1406和1407與光波導(dǎo)1420耦合。然后，當(dāng)由光檢測(cè)器1430同時(shí)接收它們時(shí)，激光束1456和從光波導(dǎo)1420向外輻射的激光束1457相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1430的電端子上能夠獲得50mV幅度和20MHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使石英管1402和1403保持靜止也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1402和1403以每秒180度速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并且諧振腔每個(gè)邊長(zhǎng)10cm，逆時(shí)針傳播的激光束1406的振蕩頻率f1升高248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1407的振蕩頻率f2減少了248.3kHz。然后，通過公式(22)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，以每秒180度的速度驅(qū)動(dòng)石英管1402和1403逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(23)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l呈現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(例子30)圖9D示意性地說明了此例子。在圖9D中，參考數(shù)字1418和1419代表各自的光隔離器。
此設(shè)計(jì)能夠用于根據(jù)例子29中所述的原理檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此例子由于在環(huán)狀激光器中選擇激光束只在一個(gè)方向上傳播而與例子29不同。更特別地，當(dāng)在例子29中使用錐形光波導(dǎo)時(shí)，在此例子中卻使用光隔離器。
當(dāng)使等同極化的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者只允許在給定方向上的波束傳播并阻止在相反方向上的其它波束的傳播。盡管在普通環(huán)狀激光器中在相反方向上傳播的波束被等同極化，通過插入一個(gè)光隔離器能夠使環(huán)狀激光器只允許在給定方向傳播的波束存在。不用說，可以利用光學(xué)環(huán)路器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只要前者只允許波表在一個(gè)方向通過。
(例子31)圖10A是本發(fā)明第三十一個(gè)例子的示意圖，和圖10E是沿圖10A中的線10E-10E的截面圖。參照?qǐng)D10A和圖10EF，此例子的激光器裝置包括一個(gè)具有其光波導(dǎo)錐形區(qū)1504的環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1500，一個(gè)陽極33，一個(gè)罩層35，一個(gè)覆蓋層36，一個(gè)光導(dǎo)層37，一個(gè)激活層38和另一個(gè)光導(dǎo)層39，還有另一個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1501具有其光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1505，一個(gè)陽極43，一個(gè)罩層45，一個(gè)覆蓋層46，一個(gè)光導(dǎo)層47，一個(gè)激活層48和另一個(gè)與光檢測(cè)器1530一起的光導(dǎo)層49，一個(gè)半導(dǎo)體襯底54，一個(gè)陰極55。參考數(shù)字1506代表逆時(shí)針傳播的激光束和參考數(shù)字1556代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1500輻射出的激光束，而參考數(shù)字1507代表順時(shí)針傳播的激光束和參考數(shù)字1557代表從環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1503輻射出的激光束。
半導(dǎo)體激光器如同例子13中那樣制造。
在室溫下該振蕩閾值電流值是2mA，而環(huán)狀諧振腔型激光器1500的驅(qū)動(dòng)電流是3mA和環(huán)狀諧振腔型激光器1501的驅(qū)動(dòng)電流是3.5mA。這樣，當(dāng)激光器保持靜止時(shí)，激光束1506和激光束1507將呈現(xiàn)相同的振蕩波長(zhǎng)λ，該波長(zhǎng)等于1.55μm?？墒?，由于環(huán)狀諧振腔型激光器1500的驅(qū)動(dòng)電流和環(huán)狀諧振腔型激光器1501的驅(qū)動(dòng)電流互不相同，它們的光波導(dǎo)呈現(xiàn)各自相互略有不同的等效折射率。結(jié)果，激光束1506的振蕩頻率f3大于激光束1507的振蕩頻率f41kHz。由于環(huán)狀諧振腔型激光器1500和環(huán)狀諧振腔型激光器1501共享它們的部分光波導(dǎo)，激光束1506和激光束1507相互有效地耦合。然后，當(dāng)由光檢測(cè)器1530同時(shí)接收它們時(shí)，激光束1556和從共享光波導(dǎo)輻射出的激光束1557相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1530的電端子上獲得具有50mV幅度和1kHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1500和1501保持靜止，也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
注意兩個(gè)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器不必設(shè)計(jì)得靠近。
如果驅(qū)動(dòng)環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1500和1501以每秒30度的速度作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)大致對(duì)應(yīng)于攝象機(jī)被晃動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)速度或運(yùn)動(dòng)中汽車的速度，逆時(shí)針傳播的激光束1506的振蕩頻率f3升高88.7Hz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1507的振蕩頻率f4減少88.7Hz。然后，由公式(20)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，驅(qū)動(dòng)該環(huán)狀諧振腔型半導(dǎo)體激光器1500和1501以每秒30度的速度作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由公式(21)能夠獲得拍頻。
由于拍頻增加或減少的絕對(duì)值與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在也可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l的增加或減少呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的關(guān)系。
在上述例子中環(huán)狀諧振腔型激光器1500和1501的驅(qū)動(dòng)電流不同以便使振蕩頻率不同?？墒?，另外可以通過使兩個(gè)激光器的光學(xué)長(zhǎng)度例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾然蚝穸取⒓す馄靼雽?dǎo)體層的成分或材料不同而使兩個(gè)激光器的振蕩頻率不同。
圖42是用于通過上述激光器裝置檢測(cè)拍頻信號(hào)的一個(gè)設(shè)計(jì)的示意圖。參照?qǐng)D42，顯示了一個(gè)陀螺儀1，一個(gè)環(huán)狀諧振腔型激光器2，一個(gè)光檢測(cè)器3，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4，一個(gè)電流源5，一個(gè)電阻6和一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7。
利用上述設(shè)計(jì)，通過串行連接的電阻6將電流從電流源5注入到光學(xué)陀螺儀1中。如果光學(xué)陀螺儀1保持靜止，代表兩個(gè)激光束之間振蕩頻率(振蕩波長(zhǎng))之差的拍頻信號(hào)能夠作為光檢測(cè)器3的端子電壓的變化而被獲得。如果驅(qū)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4上的光學(xué)陀螺儀1轉(zhuǎn)動(dòng)，所獲得的信號(hào)代表光學(xué)陀螺儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。
通過使拍頻信號(hào)通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7能夠?qū)⑴念l轉(zhuǎn)換成電壓值。如果當(dāng)通過調(diào)節(jié)偏移保持光學(xué)陀螺儀1靜止使頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的電壓輸出等于零，通過觀察頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路(F/V轉(zhuǎn)換器電路)7的輸出是否是正或負(fù)能夠檢測(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子32)參照?qǐng)D10B說明例子32，參考數(shù)字1502代表具有錐形區(qū)1504的光波導(dǎo)，而參考數(shù)字1503代表具有錐形區(qū)1505的另一個(gè)光波導(dǎo)。在圖10B中，參考數(shù)字1506、1556、1509和1557代表各自激光束。
利用上述設(shè)計(jì)，激光束1506和1509兩者在相同方向環(huán)狀傳播。這樣，能夠檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(例子33)圖10C說明本發(fā)明的第三十三個(gè)例子。參照?qǐng)D10C，此例子中的激光器裝置包括一個(gè)光檢測(cè)器1530和一個(gè)石英管1502，石英管1502包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1504，一個(gè)反射鏡1514，一個(gè)陽極1510和一個(gè)陰極1512，還有一個(gè)石英管1503包括光波導(dǎo)的一個(gè)錐形區(qū)1505，一個(gè)反射鏡1515，一個(gè)陽極1511和一個(gè)陰極1513。參考數(shù)字1506代表通過石英管1502傳播的激光束，參考數(shù)字1556代表向石英管1502之外輻射的激光束，而參考數(shù)字1507代表通過石英管1503傳播的激光束，參考數(shù)字1557代表向石英管1503之外輻射的激光束。
該激光器以例子15中所描述的方式制造。
如果石英管1502和1503保持靜止，激光束1506和激光束1507將呈現(xiàn)基本上相同的振蕩頻率4.73×1014Hz和相同波長(zhǎng)λ632.8nm?？墒?，由于流過石英管1502的電流與流過石英管1503的電流不同，介質(zhì)Q值的改變使兩個(gè)激光束振蕩頻率略微不同。激光束1506的振蕩頻率f1大于激光束1507的振蕩頻率f220MHz。另外，由于石英管1502和1503共享部分光波導(dǎo)1520，當(dāng)由光檢測(cè)器1530同時(shí)接收它們時(shí)，激光束1556和從光波導(dǎo)1520向外輻射的激光束1557相互干涉。結(jié)果，在光檢測(cè)器1530的電端子上能夠獲得50mV幅度和1kMHz頻率的信號(hào)。另一方面，即使石英管1502和1503保持靜止也能夠檢測(cè)拍頻電壓。
如果驅(qū)動(dòng)石英管1502和1503以每秒180度速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并且諧振腔每個(gè)邊長(zhǎng)10cm，逆時(shí)針傳播的激光束1506的振蕩頻率f1升高248.3kHz，同時(shí)，另一方面，順時(shí)針傳播的激光束1507的振蕩頻率f2減少了248.3kHz。然后，通過公式(22)能夠獲得拍頻。
在此情況下，另一方面，以每秒180度的速度驅(qū)動(dòng)石英管1502和1503逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過公式(23)能夠獲得拍頻。
由于拍頻絕對(duì)值的增加和減少與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而且檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因?yàn)榕念l呈現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(例子34)圖10D示意性地說明了此例子。在圖10D中，參考數(shù)字1518和1519代表各自的光隔離器。
此設(shè)計(jì)能夠用于根據(jù)例子33中所述的原理檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此例子由于在環(huán)狀激光器中選擇激光束只在一個(gè)方向上傳播而與例子33不同。更特別地，當(dāng)在例子33中使用錐形光波導(dǎo)時(shí)，在此例子中卻使用光隔離器。
當(dāng)使等同極化的波束進(jìn)入光隔離器時(shí)，后者只允許在給定方向上的波束傳播并阻止在相反方向上的其它波束的傳播。盡管在普通環(huán)狀激光器中在相反方向上傳播的波束被等同極化，通過插入一個(gè)光隔離器能夠使環(huán)狀激光器只允許在給定方向傳播的波束存在。不用說，可以利用光學(xué)環(huán)路器或其它光學(xué)設(shè)備替代光隔離器，只要前者只允許波束在一個(gè)方向通過。
盡管在該例子中向石英管中引入了氦氣和氖氣，可以用能夠引起激光器振蕩的任何氣體替代它們并從而能夠檢測(cè)石英管的角速度例如氬離子激光器，二氧化碳?xì)怏w激光器和激發(fā)物激光器可以另外用于本發(fā)明的目的。
盡管上面描述的石英管的使用用于制造氣體激光器，該石英管可以由聚合物管替代。使用聚合物管提供了使用低溫制造處理的優(yōu)點(diǎn)。能夠用于本發(fā)明目的的聚合物材料包括聚酰亞胺氟化物，聚硅氧烷，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，環(huán)氧樹脂和聚碳酸酯。
能夠用于本發(fā)明目的的放電電極的材料包括鋁，鋯和鎢。
如同上面詳細(xì)描述的，根據(jù)本發(fā)明，從物體不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過檢測(cè)激光器裝置的拍頻和確定其增加和減少，現(xiàn)在有可能不僅檢測(cè)物體的角速度也檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。
權(quán)利要求
1.一種陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第一激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第二激光束作為主要工作模式；以便在所述第一激光器和所述第二激光器的至少一個(gè)上提取電信號(hào)；且所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)和所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)的至少一部分和所述第二光波導(dǎo)的至少一部分被設(shè)計(jì)得比較靠近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)和所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，還提供并光學(xué)耦合到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上的第三光波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)和所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述陀螺儀進(jìn)一步包括第三光波導(dǎo)連接到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)和所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)被至少部分地共享。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有互不相同的振蕩波長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有互不相同的振蕩頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有100Hz或更大的振蕩頻率差。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有1kHz或更大的振蕩頻率差。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有10kHz或更大的振蕩頻率差。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向傳播。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向傳播。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中電流以不同強(qiáng)度分別注入到所述第一激光器和所述第二激光器中。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中電壓以不同電位電平分別施加到所述第一激光器和所述第二激光器中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有互不相同的光程長(zhǎng)度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有長(zhǎng)度互不相同的光波導(dǎo)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器用互不相同的材料制造。
18.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器的光波導(dǎo)是環(huán)狀形狀。
19.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)和所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)兩者具有不對(duì)稱錐形區(qū)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的一種陀螺儀，其中所述錐形區(qū)包括第一錐形部分和第二錐形部分，且第一錐形部分或第二錐形部分與具有恒定寬度的光波導(dǎo)部分形成90°角。
21.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)和所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一和第二光波導(dǎo)分別具有光學(xué)元件，用來使一個(gè)方向上傳播的激光束的傳輸損耗與在相反方向上傳播的激光束的傳輸損耗不同。
22.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器是半導(dǎo)體激光器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的一種陀螺儀，其中所述半導(dǎo)體激光器具有量子阱結(jié)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器是氣體激光器。
25.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器是環(huán)狀諧振腔型激光器。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有在各自波導(dǎo)的側(cè)表面上的全反射平面。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器利用恒定電流驅(qū)動(dòng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器利用恒定電壓驅(qū)動(dòng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器利用恒定電壓驅(qū)動(dòng)，而所述第二激光器利用恒定電流驅(qū)動(dòng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求2的一種陀螺儀，其中所述第一光波導(dǎo)的至少一部分設(shè)計(jì)得接近或在所述第二激光束的滲透深度內(nèi)。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述電信號(hào)是隨所述第一激光器和所述第二激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變的信號(hào)。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述電信號(hào)是所述第一激光器或所述第二激光器的電信號(hào)。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述電信號(hào)是電壓信號(hào)。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述電信號(hào)是施加在所述第一激光器或所述第二激光器的至少一個(gè)上的電壓信號(hào)、流過所述第一激光器或所述第二激光器的至少一個(gè)上的電流信號(hào)、或所述第一激光器或所述第二激光器之一的阻抗信號(hào)。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中從所述電信號(hào)中檢測(cè)拍頻信號(hào)。
36.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中通過所述電信號(hào)頻率的改變檢測(cè)所述第一激光器和所述第二激光器的角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
37.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器的至少之一裝備了用于檢測(cè)該電信號(hào)的電端子。
38.根據(jù)權(quán)利要求1的一種陀螺儀，其中所述電信號(hào)是通過安放在所述第一激光器和所述第二激光器之外的光檢測(cè)器獲得的。
39.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，進(jìn)一步包括頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路。
40.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的一種陀螺儀，進(jìn)一步包括保護(hù)電路。
41.一種陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，提供第三光波導(dǎo)并光學(xué)耦合到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
42.一種陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，提供第三光波導(dǎo)并連接到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
43.一種陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)至少部分共享。
44.根據(jù)權(quán)利要求41到43的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有互不相同的各自振蕩頻率。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的一種陀螺儀，其中在所述第一激光器和所述第二激光器的至少之一上提取電信號(hào)。
46.一種陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)的至少一部分和所述第二光波導(dǎo)至少一部分設(shè)計(jì)得接近。
48.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，提供第三光波導(dǎo)并光學(xué)耦合到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
49.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述陀螺儀進(jìn)一步包括第三光波導(dǎo)連接到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
50.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)至少部分共享。
51.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置是電壓信號(hào)檢測(cè)裝置。
52.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置檢測(cè)施加到所述第一激光器或所述第二激光器至少之一上的電壓信號(hào)、流過所述第一激光器或所述第二激光器至少之一上的電流信號(hào)、或所述第一激光器或所述第二激光器之一上的陽抗信號(hào)。
53.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器的至少之一裝備了用于檢測(cè)該電信號(hào)的電端子。
54.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置包括安放在所述第一激光器和所述第二激光器之外的光檢測(cè)器。
55.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置包括頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路。
56.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置包括減法電路。
57.根據(jù)權(quán)利要求46的一種陀螺儀，其中所述拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置包括保護(hù)電路。
58.一種陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；和光檢測(cè)器，用于接收所示第一和第二激光束；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
59.根據(jù)權(quán)利要求58的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)的至少一部分和所述第二光波導(dǎo)的至少一部分設(shè)計(jì)得接近。
60.根據(jù)權(quán)利要求58的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，提供第三光波導(dǎo)并光學(xué)耦合到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
61.根據(jù)權(quán)利要求58的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述陀螺儀進(jìn)一步包括第三光波導(dǎo)連接到所述第一和第二光波導(dǎo)的至少一部分上。
62.根據(jù)權(quán)利要求58的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)至少部分共享。
63.根據(jù)權(quán)利要求58的一種陀螺儀，其中所述光檢測(cè)器同時(shí)接收所述第一激光束和所述第二激光束。
64.根據(jù)權(quán)利要求58的一種陀螺儀，其中通過從所述光檢測(cè)器提取出電信號(hào)檢測(cè)拍頻信號(hào)。
65.根據(jù)權(quán)利要求58到62的任何一個(gè)權(quán)利要求的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有互不相同的振蕩頻率。
66.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有100Hz或更大的振蕩頻率差。
67.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有1kHz或更大的振蕩頻率差。
68.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有10kHz或更大的振蕩頻率差。
69.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)權(quán)利要求的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向上傳播。
70.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)權(quán)利要求的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向上傳播。
71.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)權(quán)利要求的一種陀螺儀，其中電流以不同強(qiáng)度分別注入到所述第一激光器和所述第二激光器中。
72.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中電壓以不同電位電平分別施加到所述第一激光器和所述第二激光器中。
73.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有互不相同的光程長(zhǎng)度。
74.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有長(zhǎng)度互不相同的光波導(dǎo)。
75.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器的光波導(dǎo)是環(huán)狀形狀。
76.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)兩者具有不對(duì)稱錐形區(qū)。
77.根據(jù)權(quán)利要求75的一種陀螺儀，其中所述錐形區(qū)包括第一錐形部分和第二錐形部分，且第一錐形部分或第二錐形部分與具有恒定寬度的光波導(dǎo)部分形成90度角。
78.根據(jù)權(quán)利要求62到65的任何一個(gè)的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一和第二光波導(dǎo)分別具有光學(xué)元件，用來使一個(gè)方向上傳播的激光束的傳輸損耗與相反方向上傳播的激光束的傳輸損耗不同。
79.根據(jù)權(quán)利要求63的一種陀螺儀，其中所述第一光波導(dǎo)的至少一部分設(shè)計(jì)得接近并在所述第二激光束的滲透深度內(nèi)。
80.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向上傳播。
81.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向上傳播。
82.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中電流以不同強(qiáng)度分別注入到所述第一激光器和所述第二激光器中。
83.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中電壓以不同電位電平分別施加到所述第一激光器和所述第二激光器中。
84.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有互不相同的光程長(zhǎng)度。
85.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有長(zhǎng)度互不相同的光波導(dǎo)。
86.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光器和所述第二激光器的光波導(dǎo)是環(huán)狀形狀。
87.根據(jù)權(quán)利要求86的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)兩者具有不對(duì)稱錐形區(qū)。
88.根據(jù)權(quán)利要求86的一種陀螺儀，其中所述錐形區(qū)包括第一錐形部分和第二錐形部分，且第一錐形部分或第二錐形部分與具有恒定寬度的光波導(dǎo)部分形成90度角。
89.根據(jù)權(quán)利要求65的一種陀螺儀，其中所述第一激光器具有第一光波導(dǎo)，所述第二激光器具有第二光波導(dǎo)，所述第一和第二光波導(dǎo)分別具有光學(xué)元件，用來使一個(gè)方向上傳播的激光束的傳輸損耗與相反方向上傳播的激光束的傳輸損耗不同。
90.一種陀螺儀包括第一激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；第二激光器，用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的激光束作為主要工作模式；且所示第一激光束和所示第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
全文摘要
一種陀螺儀包括:第一激光器,用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第一激光束作為主要工作模式;和第二激光器,用來產(chǎn)生在一個(gè)方向上傳播的第二激光束作為主要工作模式。該陀螺儀可具有用來接收第一和第二激光束的拍頻檢測(cè)裝置和光檢測(cè)器。第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振蕩頻率并相互干涉。
文檔編號(hào)G01C19/66GK1272622SQ00104198
公開日2000年11月8日 申請(qǐng)日期2000年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月22日
發(fā)明者沼居貴陽 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社