专利名称：陀螺仪装置和陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器装置。本发明还涉及使用一个激光器装置的陀螺仪。
用于检测移动物体角速度的已知陀螺仪包括包含转子或振荡器的机械陀螺仪以及光学陀螺仪。具体地，由于其显著的优点包括能够瞬时启动工作和呈现宽动态范围，光学陀螺仪带来了陀螺仪领域的技术革新。现今已知的各种光学陀螺仪包括环状激光器型陀螺仪，光纤陀螺仪和无源型环状振荡器陀螺仪。这些陀螺仪中，利用气体激光器的环状激光器型陀螺仪是最早出现的，并且现在这种陀螺仪被广泛应用在飞机中。近年来，已经提出形成于半导体基片上的小型和高精密度的半导体激光器陀螺仪。尤其见已
公开日本专利申请5-288556。
根据上述专利公开文本，在半导体基片5710上形成的环状增益波导5711具有pn结，并从电极5722向增益波导5711注入载流子，如图55所示，以便产生激光器振荡。然后，通过增益波导5711顺时针或逆时针传播的激光束被提取并在光吸收区5717产生相互干涉。然后，干涉波束作为光电流通过另一个电极5723被提取以查看干涉强度。在图55中，参考数字5715和5716分别表示顺时针方向和逆时针方向传播的激光束，参考数字5718和5719表示光输出，而参考数字5712表示反射面和参考数字5713，5714表示光学输出面。
已
公开日本专利申请57-43486(美国专利4431308)公开了一种陀螺仪，该陀螺仪包括一个半导体激光器单元，并利用由其转动引起的半导体激光器单元端子电压的变化，而没有将激光束提取到该单元之外。参见图56，半导体激光器单元5792包括在其顶部电极和底部电极(5790和5791)。在图56中，参考数字5793表示一个直流阻断电容器，参考数字5794表示输出端子，而参考数字5795表示电阻。如从图56看出的，环状激光器装置的半导体激光器单元被连接到驱动电源5796，当该设备呈现某一角速度时，将顺时针方向传播的激光束频率和逆时针方向传播的激光束频率之间的频率差(拍频)检测为激光器单元端子电压的变化。
已
公开日本专利4-174317也描述了一种技术，该技术检测由转动引起的激光器单元端子电压的变化。
可是在上述专利文献中所描述的技术都不能检测物体的转动方向。这是因为只要物体以相同的角速度旋转，即检测到相同的拍频而不论旋转方向如何。
因此，已知的环状激光器型陀螺仪不适于检测它们自己的旋转方向，因此旋转方向必须通过使用抖动(微振荡)并确定抖动和所获得信号的相关性来确定。
另外，在已知的环状激光器型陀螺仪中，当陀螺仪旋转时振荡频率彼此分离。当转动速度低时振荡频率差非常小则产生锁定现象，在该现象中振荡频率被锁定到一个振荡模式。在已知的环状激光器型陀螺仪中观测到的锁定现象可以通过使用抖动来避免。
这样，本发明的目的是提供一种陀螺仪，它能够检测物体的旋转方向。
本发明另一目的是提供一种陀螺仪，它能够检测旋转方向而不利用例如抖动发生器的机械装置。
根据本发明，上述目的是通过提供一种陀螺仪实现的，该陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的第一激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的第二激光束作为主要工作模式；以便在所述第一激光器和所述第二激光器的至少一个上提取电信号；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振荡频率并相互干涉。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导的至少一部分和所述第二光波导的至少一部分被设计得靠近。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，提供第三光波导并光学耦合到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述陀螺仪进一步包括第三光波导连接到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导被至少部分地共享。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向上传播。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向上传播。
优选地，在振据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导两者具有不对称锥形区。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述锥形区包括第一锥形部分和第二锥形部分，且第一锥形部分或第二锥形部分与具有恒定宽度的光波导部分形成90°角。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一和第二光波导分另具有光学元件，用来使一个方向上传播的激光束的传输损耗与相反方向上传播的激光束的传输损耗不同。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器利用恒定电压驱动同时所述第二激光器利用恒定电流驱动。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，该陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，提供第三光波导并光学耦合到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，该陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，提供第三光波导并连接到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，该陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导至少部分共享。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，该陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和拍频信号检测装置；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振荡频率并相互干涉。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，其中所述拍频信号检测装置检测施加到所述第一激光器或所述第二激光器之上的电压信号，流过所述第一激光器或所述第二激光器的电流信号或第一激光器或第二激光器的阻抗信号。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述第一激光器或第二激光器装备有用于提取所述拍频信号的电端子。
优选地，在根据如上所述发明的陀螺仪中，所述拍频信号检测装置包括安放在所述第一激光器和第二激光器之外的光检测器。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，该陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和光检测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荡频率并相互干涉。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，该陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振荡频率并相互干涉。
图1A至1C是表示在因陀螺仪转动而产生的拍频信号中可观察的变化的图。
图2A至2E是说明本发明的一个激光器的示意图。
图3A至3D也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图4A至4D也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图5A至5D也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图6也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图7A至7H也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图8A至8F也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图9A至9F也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图10A至10E也是说明本发明的一个激光器的示意图。
图11是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意图。
图12是用于提取可用于本发明目的的电信号的另一个电路的示意图。
图13是用于提取可用于本发明目的的电信号的又一个电路的示意图。
图14是用于提取可用于本发明目的的电信号的又一个电路的示意图。
图15是用于提取可用于本发明目的的电信号的又一个电路的示意图。
图16是用于提取可用于本发明目的的电信号的又一个电路的示意图。
图17是用于提取可用于本发明目的的电信号的又一个电路的示意图。
图18是用于提取可用于本发明目的的电信号的又一个电路的示意图。
图19是根据本发明的环状激光器的一个实施例的示意剖面图。
图20是根据本发明的环状激光器的另一个实施例的示意剖面图。
图21是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图22是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图23是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图24是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图25是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图26是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图27是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图28是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图29是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图30是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图31是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图32是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图33A和33B是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图34是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图35A和35B是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图36是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图37是根据本发明的环状激光器的又一个实施例的示意剖面图。
图38是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图39是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图40是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图41是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图42是用于提取可用于本发明目的的电信号的一个电路的示意方框图。
图43是如下文所述用于本发明目的的一个例子的示意剖面图。
图44是该例子的另一个示意剖面图。
图45是该例子的又一个示意剖面图。
图46是该例子的又一个示意剖面图。
图47是该例子的又一个示意剖面图。
图48是该例子的又一个示意剖面图。
图49是该例子的又一个示意剖面图。
图50是根据本发明的环状激光器又一个实施例的示意图。
图51是根据本发明的环状激光器又一个实施例的示意图。
图52是根据本发明的一个陀螺仪的示意图。
图53是根据本发明的一个陀螺仪的示意图。
图54是根据本发明的一个激光器装置的示意图。
图55是一个已知陀螺仪的示意图。
图56是另一个已知陀螺仪的示意图。
在所有附图中用同一数字表示的部件是相对应的部件，除非特殊说明。
在说明本发明的优选实施例之前，将主要通过参考图52和53并使用公式来说明根据本发明陀螺仪的工作原理。
对本发明来说，“一个用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式的激光器”的表述，是指一个用来仅产生在单一方向传播的激光束的激光器，或者一个用来产生在一个方向传播的激光束的激光器，该激光束比由其产生并在其它方向上传播的任何其它激光束强烈的多。
从根据本发明的陀螺仪检测到的信号的信噪比，受在一个方向上传播作为主要工作模式的激光束与作为辅助工作模式的反向传播的激光束的强度比的影响。因此，为了本发明的目的，激光器最好仅产生一个激光束作为主要工作模式，尽管如果可以将陀螺仪所检测信号的信噪比控制在令人满意的水平，它可以产生其它激光束作为辅助工作模式。
现在，参见图52，如果从第一激光器600发射并顺时针方向(CW)传播作为主要工作模式的第一激光束606的波长是λ1，从第二激光器601发射并逆时针方向(CCW)传播作为主要工作模式的第二激光束607的频率是λ2，(＜λ1)，并驱动激光器装置625自身在如图中箭头626所示的顺时针方向上旋转，顺时针传播的第一激光束的振荡频率f1以下列公式(1)所表示的值小于不驱动激光器旋转时所观察到的第一激光束606的振荡频率f10；Δf1＝(2S1/λ1L1)·Ω……(1)在此S1是第一激光束光学路径所围绕的封闭面积，L1是第一激光束光学路径的长度，而Ω是激光器旋转的角速度。参考数字602和603表示环形波导。
另一方面，逆时针传播的第二激光束607的振荡频率f2以下列公式(2)所表示的值Δf2大于不驱动激光器旋转时所观察到的第二激光束的频率f20；Δf2＝(2S2/λ2L2)·Ω……(2)在此S2是第二激光束光学路径所围绕的封闭面积，L2是第二激光束光学路径的长度，而Ω是激光器旋转的角速度。
如果将第一激光器600和第二激光器601设计得很近，通过第一激光器传播的第一激光束606与第二激光束607耦合。同时，通过第二激光器传播的第二激光束607与第一激光束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个拍频信号，该拍频信号可以用第一激光束606的振荡频率和第二激光束的振荡频率的差值或者下列公式(3)来表示f2-f1＝f20-f10+(Δf2+Δf1)＝f20-f10+[(2S2/λ2L2)·Ω+(2S1/λ1L1)·Ω]……(3)另一方面，如果驱动激光器625逆时针旋转，则产生一个拍频信号，该拍频信号可以用第一激光束的振荡频率和第二激光束的振荡频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)同时，当激光器中存在两个或更多的不同振荡模式时，粒子数反转随时间作为所选模式振荡频率差值的函数而变化。该现象称为粒子数脉动。在使电流流过例如气体激光器或半导体激光器的情况下，粒子数反转呈现出与激光器阻抗一一对应的关系。在该激光器中当两个激光束相互干涉时，由干涉产生粒子数反转的变化从而改变激光器的电极之间的阻抗。当使用恒定电压源作为驱动电源时，此变化可以被作为流过该激光器装置的端子电流的变化而被观察。另一方面，当使用恒定电流源时，此变化也可以作为施加到激光器上的电压的变化而被观察并作为代表两个波束干涉的信号被提取。当然，也有可能通过阻抗计直接观察阻抗的变化。
这样，通过提供一个端子用于检测电流、电压或激光器阻抗的变化，有可能提取代表单位时间转动量、或激光器旋转速度的拍频信号。另外，根据本发明，拍频根据转动方向以公式(3)和(4)所表达的方式增加或减少。
因此，当激光器不转动时有可能通过观察拍频的增加或减少，如果有的话，来检测转动方向。
另一方面，如果满足下列等式(5)所表示的关系，有可能既检测旋转方向又检测精确的角速度。更具体地，如果使拍频值的符号始终相同(在下述说明中为正，尽管可以使用相同的负号)，并且仅拍频的绝对值作为旋转方向的函数而变化，旋转方向和精确的角速度都可以被检测。
f2-f1≥0 ……(5)现在，参见图53，假设第一激光束和第二激光束的频率在同一方向上传播。参考数字602和603表示环形波导。例如，如果从第一激光器600发射并顺时针方向传播的第一激光束606的波长是λ1，从第二激光器601发射并顺时针方向(CCW)传播的第二激光束607的波长是λ2，(＜λ1)，并驱动激光器装置625顺时针方向旋转，使顺时针传播的第一激光束振荡频率f1以下列公式(6)所表示的值小于当不驱动激光器旋转时观察到的第一激光束606的振荡频率f10；Δf1＝(2S1/λ1L1)·Ω……(6)在此S1是第一激光束光学路径所围绕的封闭面积，L1是第一激光束光学路径的长度，而Ω是激光器旋转的角速度。
类似地，使同样顺时针方向传播的第二激光束607的振荡频率f2以下列公式(2)所表示的值大于当不驱动激光器旋转时所观察到的第二激光束的频率f20；Δf2＝(2S2/λ2L2)·Ω……(7)在此S2是第二激光束光学路径所围绕的封闭面积和L2是第二激光束光学路径的长度，而Ω是激光器旋转的角速度。
如果第一激光器600和第二激光器601被设计得接近，通过第一激光器传播的第一激光束606与第二激光束607耦合。同时，通过第二激光器传播的第二激光束607与第一激光束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个拍频信号，该拍频信号可以用第一激光束606的振荡频率和第二激光束607的振荡频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，如果驱动激光器625以图中箭头626所示的逆时针方向旋转，则产生一个拍频信号，该拍频信号可以用第一激光束的振荡频率和第二激光束的振荡频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，粒子数反转作为所选模式振荡频率差值的函数随时间而变化，并从而改变激光器的电极之间的阻抗。
另外，根据本发明，拍频根据旋转方向以公式(8)和(9)所表示的方式增加或减少。因此，通过观察拍频从激光器不转动以来的增加或减少，如果有的话，有可能检测旋转方向。
另一方面，当第一激光束的振荡波长和第二激光器的振荡波长彼此相等时，满足下列等式(10)所表示的关系。
f20-f10＝0 ……(10)然后，拍频f2-f1可以是正值或负值然而，只要拍频的绝对值保持相同，就将从端子获得相同和相等的信号。在这种情况下，不可能检测激光器的旋转方向。反之，根据本发明，通过观察f2-f1绝对值的变化可能检测旋转方向。特殊地，当满足公式(5)的要求时，激光器的旋转方向和精确角速度都可以被检测。
另外，有可能利用安装在外部的光检测器来检测拍频信号，而非通过观察所施加的电压、流过电流的变化或激光器阻抗的变化来检测拍频信号。
更具体地，第一激光束和第二激光束被提取出半导体激光器。然后，在由光检测器检测激光束的同时，它们相互干涉并在光检测器中产生作为振荡频率差的函数的拍频信号。
结果，在光检测器的电端子处能检测拍频信号。
通过使在与第一方向相反的方向上传播的激光束产生光学损耗，可以仅使一个方向上环状传播的激光束存在于激光器中作为主要工作模式。
例如，当光波导是部分锥形时，相对于进入锥形区的光线，全反射条件被改变从而引起对该光线的反射损耗。于是，有可能通过产生严重的反射损耗来抑制两个相反方向之一的激光器振荡。更具体地，光的入射角度随环状传播的方向而变化，并且在两个方向之一的方向上传播的光的损耗可能大于在相反方向上传播的光，反之亦然。结果，使仅在一个方向上环状传播的激光束可以在激光器中存在作为主要工作模式。
为了实现本发明的目的，可以以光波导沿激光束的传播方向逐渐增加其宽度的方式形成锥形区域。锥形区域在与包含环形传播激光束传输路径的平面相平行的平面上呈现锯齿形剖面。
诸如光隔离器的光学设备可以插在光学路径中以替代或额外地在光波导的局部上形成一个锥形区域。光隔离器仅允许固定偏振方向的光束在一个方向上通过。因此，如果在相反方向上传播的两个激光束的偏振相同，通过插入仅允许激光束在一个方向上通过的光隔离器，可以制成用来仅允许一个方向上传播的激光束存在作为主要工作模式的环状激光器。显然可以用光环形器或其它光学设备替代光隔离器，只要后者仅允许激光束在一个方向上通过。
另外，在根据本发明的陀螺仪中，注入第一激光器的电流值不同于注入第二激光器的电流值。另外，第一激光器的振荡频率或振荡波长和第二激光器的振荡频率或振荡波长可以彼此不同。
如果第一激光器的光学路径的长度和第二激光器的光学路径的长度分别是L1和L2，它们分别呈现由公式(11)用第一激光器和第二激光器的振荡波长定义的关系；L1＝2πm1λ1，L2＝2πm2λ2，……(11)其中m1和m2是整数。如果整数m1和m2彼此相等并且两个激光器的光学路径长度彼此不同，则两个激光器的振荡波长可彼此不同。因为振荡频率与振荡波长成反比，所以两个激光束的振荡频率可以不同。光学路径长度被定义为有效折射率与传播距离的乘积，因此，通过使两个光波导的有效折射率或长度不同可以使第一激光器和第二激光器的长度不同。
可以通过使注入两个光波导的电流强度不同来使光波导的折射率不同。对于半导体激光器来说，在忽略电热效应范围内通过自由载流子等离子效应降低折射率，而在热效应显著的范围内则增加折射率。在任何一种情况下，可以通过控制注入电流以改变光波导的有效折射率来改变折射率。因此，两个激光束的光学路径长度可以彼此不同。
同时，当两种不同模式共存时，已知振荡频率f1和光子数密度Si(i＝1，2)呈现出由下列公式(8)和(9)所表示的关系；2πf1+φ.1=Ω1+σ1-ρ1S1-τ12S2.........(12)]]>和2πf2+φ.2=Ω2+σ2-ρ2S2-τ21S1.........(13)]]>其中
表示相位，Ωi表示谐振角频率，σi表示一种模式拉动(mode-pulling)系数，ρi表示一种自模式推动(self-mode-pushing)系数和τij表示互模式推动(cross-mode-pushing)系数。注意i＝1，2；j＝1，2；i≠j。
一旦确定光波导的外形，公式(12)和(13)的Ωi、σi、ρi和τij变成常数。另外，如果在激光器振荡期间不发生模式跳变，
这样，根据公式(12)和(13)，推导出当S1≠S2时f1≠f2。
因为光子数密度Si(i＝1，2)根据注入激光器的电流而变化，根据公式(12)通过使注入两个激光器的电流彼此不同可以使两个激光器的振荡频率不同。注意到这种现象不仅适用于半导体激光器，而且适用于气体激光器。
通过使光波导的宽度、显著影响有效折射率的介质大小、所述介质的材料或者两个激光器所述介质的成分不同可以使两个光波导的有效折射率不同。
而且，通过使所述介质的材料或成分不同可以使两个激光器的振荡波长不同，因为随之两个激光器增益的峰值波长将不同。这因为多个谐振模式存在于光谐振器中，并且靠近增益峰值的波长被放大从而产生激光器振荡。
根据本发明，利用安装在激光器内部或外部用于提取电信号的光检测器，可以观测与激光器角速度相应的拍频振荡的电信号。
现在，将简要讨论当陀螺仪驱动顺时针或逆时针方向旋转时，包括第一和第二激光器的陀螺仪的电信号及其获取(参见图1A到1C)。
在下述说明中，作为陀螺仪第一激光器的主要工作模式产生并顺时针传播的激光束(下文称为“CW激光束”)的波长用λ1表示，而作为陀螺仪第二激光器的主要工作模式产生并逆时针传播的激光束(下文称为“CCW激光束”)的波长用λ2(＜λ1)表示。
图1A表示当激光器保持静止时可以获得的电信号。这里假设当激光器装置保持静止时可以获得的电信号具有信号周期tA。
当激光器保持静止时，周期tA相应于第一和第二激光束振荡频率差值的倒数或(f20-f10)-1。
当驱动激光器顺时针旋转时，拍频f2-f1按照公式(3)所证明的方式增加从而将信号周期降低到如图1B所示的tB。
另一方面，当驱动激光器逆时针旋转时，拍频按照公式(4)所证明的方式降低以将信号周期增加到如图1C所示的tC。
于是，当激光器保持静止时可以通过比较拍频幅度，当驱动陀螺仪旋转时通过比较拍频来确定陀螺仪的角速度。
另一方面，当陀螺仪保持静止时陀螺仪的角速度可以根据拍频差确定，当驱动陀螺仪旋转时根据拍频确定。
拍频与旋转的角速度成正比。因此，通过利用频率/电压转换器电路和预先已知的陀螺仪旋转速度和电压之间的关系将其拍频转换成电压，根据所施加的电压可以获取陀螺仪的角速度。
根据本发明的陀螺仪以如上所述的原理工作。
现在，将参见附图描述本发明的优选实施例。实施例1根据本发明的第一实施例包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的第一激光束作为主要工作模式，和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的第二激光束作为主要工作模式，以便从第一或第二激光束中的至少一个提取出一个电信号，其中第一激光束和第二激光束各自具有不同的振荡频率并相互干涉。
设计该实施例以使第一和第二激光器分别具有以下述特殊方式构成的第一和第二光波导，以使第一激光束和第二激光束分别具有彼此不同的振荡频率以相互干涉。
在一种优选结构中，将第一光波导的至少一部分和第二光波导的至少一部分设计得很近。
在另一种优选结构中，提供第三光波导并光学耦合到第一和第二光波导的至少一部分。
在另一种结构中，提供第三光波导并连接到第一和第二光波导的至少一部分。
在又一种优选结构中，第一光波导和第二光波导的至少一部分被共用。
现在，将讨论如何使作为主要工作模式产生的第一激光器的激光束和作为主要工作模式产生的第二激光器的激光束相互干涉。
(1)当第一和第二激光器被设计得很近时(参见图2A至2D)。
如图2A所示，第一激光器1200的第一光波导1202和第二激光器1201的光波导1203被设计得很近。在图2A中，参考数字1204和1205分别表示用于产生将在一个方向上传播的主模式波束的锥形区域。参考数字1206表示一个CCW波束，参考数字1207表示一个CW波束。
当第一激光器的光波导和第二激光器的光波导被设计得至少一部分很接近时，通过第一激光器1200传播的主模式波束1206与第二波导1203光学耦合，以便它也通过第二激光器传播，同时通过第二激光器1201传播的主模式波束1207与第一波导1202光学耦合，以便它也通过第一激光器传播。因此，如果两个主模式波束的振荡频率彼此不同，具有不同振荡频率的激光束在一个激光器中共存。
为了本发明的目的，被设计得很近的一对波导是指所设计的在图2A中具有一个很小距离值1的波导。
更具体地，为了使第一激光器1200的CCW波束1206和第二激光器1201的CW波束1207彼此干涉，一个激光器的光波导至少部分位于另一激光器激光束的穿透深度内。显然每个激光器的光波导可以部分位于另一激光器激光束的穿透深度内。
为了本发明的目的，激光束的穿透深度是指损耗波(或称短暂波)所能到达的深度。
虽然被设计得很近的激光器的光波导并不必需被设计得彼此平行，但最好将它们设计得彼此平行以使第二激光束1207与第一激光器1200的光波导1202有效地光学耦合。
可以用各种不同方式将两个光波导设计得很近，因此，设计并不仅限于图2A所示的方式。例如，可以如图1B所示将第二光波导1203设计在第一光波导1202的内部。使用这种设计，使通过第一和第二光波导传播的第一和第二激光束各自沿同一方向前进。
图2C和2D表示气体激光器所用的光波导的两种可能结构。参见图2C和2D，第一和第二激光器1200和1201被设计得很近。在图2C和2D中，参考数字1214和1215表示镜面(反射面)，参考数字1210和1211表示阳极，而参考数字1216和1217各自表示提取作为旋转结果产生的电信号的电端子，参考数字1212和1213表示阴极。参考数字1218和1219表示可以是光隔离器的光学元件。虽然在附图中，该对激光器分别装备有用于提取电信号的电端子，也可以仅一个激光器装备具有电端子。
图2E表示光波导的另一种可能结构，其中第一和第二激光器彼此相对倾斜。
优选地，激光器的每个光波导装有全反射面。最好用全反射面形成每个环状激光器以降低振荡阈值。
(2)当提供第三光波导以光学耦合第一和第二光波导的至少一部分时(参见图3A至3D)。
参见图3A，设计第三光波导1320使其接近并连接到第一激光器1300的第一光波导1302的一部分和第二激光器1301的第二光波导1303的一部分。在图3A中，参考数字1306表示作为主要工作模式产生的CCW波束，而参考数字1307表示作为主要工作模式产生的参考数字1307。因此，第一激光器1300的CCW波束1306通过第三光波导1320被光学耦合到第二激光器1301。然后，从第二激光器检测由于陀螺仪旋转导致的电信号变化从而检测旋转方向。
图3B表示使用第三光波导时的另一种可能结构。
参见图3B，参考数字1302表示第一光波导和参考数字1303表示第二光波导，而参考数字1320表示第三光波导。使用这种结构，应注意必须使主模式波束沿同一方向传播。
图3C和3D表示气体激光器所用光波导的两种可能结构。在图3C和3D中，参考数字1310、1312、1313和1311表示阴极和阳极。而参考数字1317表示用于提取作为旋转结果产生的电信号的电端子，参考数字1318和1319是诸如光隔离器的光学元件。
为了使第一和第二激光器生成各自的主模式波束，它们可以装有各自的锥形区域(1304、1305)或各自的光学元件(1318、1319)。
另外，可以为一个激光器装备一个锥形区域，而为另一个激光器装备一个光学元件。
可以使用石英或者利用在半导体处理中通常使用的光刻法制成如图3A至3D中的每一幅图中所示的第三光波导1320。
(3)当提供第三光波导以连接第一和第二光波导的一部分时(参见图4A至4D)。
在图4中，参考数字1400表示具有包括一锥形区域1404的第一光波导1402的第一激光器，并适于产生CCW波束1406作为主要工作模式，而参考数字1401表示具有包括一锥形区域1405的第二光波导1403的第二激光器，并适于产生CW波束1407作为主要工作模式。参考数字1430表示连接用的第三光波导。
因此，使用这种结构，第一激光器1400的CCW波束1406与CW波束1407共存于第二激光器1401中。因此，从第二激光器1401检测由于陀螺仪旋转导致的电信号变化从而检测旋转方向。
图4B表示另一种可能的结构。
图4C和4D表示气体激光器所用的光波导的两种可能结构。在图4C和4D中，参考数字1410、1412、1411和1413表示阴极和阳极。而参考数字1414和1415表示反射面，参考数字1417表示用于提取一个电信号的电端子。
(4)当第一光波导和第二光波导的至少一部分被共用时(参见图5A至5D)。
参见图5A，参考数字1500和1501分别表示具有各自锥形区域1504和1505的第一激光器和第二激光器。而参考数字1520表示由它们共用的其光波导的一部分。
第一激光器1500的主模式波束1506通过共用部分1520传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也通过共用部分1520传播并耦合到第一激光器。因此，具有不同振荡频率的两个激光束共存于第一和第二激光器。
因此，即使陀螺仪保持静止时也生成一个拍频，以便只要陀螺仪被驱动旋转，可以通过检测陀螺仪旋转导致的电信号变化来检测陀螺仪的角速度和旋转方向。
显然为了实现本发明的目的，可以仅检测第一和第二激光器的一个电信号，尽管通过使用两个电信号可以提高旋转检测的精确度。
可以如图5B所示使第一和第二主模式波束在同一方向上传播。在这种情况下，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。
图5C和5D表示气体激光器所用其光波导共享部分的两种可能结构，其中各自具有彼此不同的振荡频率的两个激光束共存于共用部分中。
虽然上述(1)至(4)的激光器具有长方形的外形，它们的外形不必限制于长方形，还可以是三角形、圆形或多角形。
类似地，虽然上述(1)至(4)的激光器具有环形波导，它们也可以具有一个结构如图54所示用数字1202表示的一个部分的光波导，只要它们可以产生在一个方向上传播的主模式波束。在图54中，参考数字1205表示一个锥形区域。参考数字1206表示一个主模式波束。
现在，将通过参考图6详细讨论所提供的用于产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式的锥形区域的结构。
在图6中，参考数字1601表示一个光波导，参考数字1604表示一个锥形区域。
如果锥形区域1606不存在，CW波束1608和CCW波束1606都将在此处产生。然而，由于提供不对称设计的锥形区域，CW波束和CCW波束具有不同的光损耗。于是当锥形区域的一个角度或角度β被增加变得接近90°时，CW波束的强度降低使CCW波束成为主模式波束。事实上，越接近90°，CCW波束的强度越小。显然当另一角度或角度α等于90°时CW将是主模式波束。
为了基本上仅产生在单一方向上传播的单个激光器波束，锥形区域的一个角度用80°≤β(或α)≤100°定义，优选83°≤β(或α)≤97°，最好是87°≤β(或α)≤93°。最佳地，该角度用β(或α)＝90°定义。
具体地，当β(或α)＝90°，振荡模式在该区域的起始点(如图6中的1630所指示)被逐步转变以降低与具有一固定宽度的光波导区域的波导模式相耦合的效率。然后，将很容易产生主模式波束。
当α＜β并且β在上述范围内时，则α将用2°≤α≤10°定义，最好用3°≤α≤6°定义。
为了避免锁定现象，第一激光器的主模式波束的振荡频率和第二激光器的主模式波束的振荡频率之间的差值应当大于100Hz，优选大于1kHz，大于10kHz更好。
可通过为激光器选择不同的材料，使注入第一激光器的电流密度与注入第二激光器的电流密度不同，使施加给第一激光器的电压与施加给第二激光器的电压不同，或者通过使第一光波导的宽度或长度与第二光波导的宽度或长度不同，使两个主模式波束的振荡频率不同。
当具有不同振荡频率的两个激光束在激光器中共存时，两个激光束互相干涉以便可以将拍频检测为一个电信号。当用恒定电流驱动激光器时，从激光器提取的电信号将是一电压信号，而当用恒定电压驱动激光器时，从激光器提取的电信号将是一电流信号。另外，也可以从激光器提取一个阻抗信号。
因为提取电压信号、电流信号或阻抗信号的频率相应于上述拍频，通过检测拍频变化有可能检测激光器的角速度和旋转方向。
现在，将讨论从激光器中提取电信号所用的装置。注意下述说明适用于根据下文将描述的第二实施例的光检测器所生成的信号来检测旋转方向和/或角速度的装置。
下面将描述检测代表激光器电压变化的信号所用的装置。注意具有不同振荡频率的两个激光束共存在激光器中，如图2A中的1201的情况。
参见图11，恒定电流源1902通过电阻1901连接到半导体激光器1900。然后，利用电压检测电路1906检测半导体激光器的电信号(一个电压信号)。
只要需要，可安装一个电压跟随器电路1905作为保护电路。
虽然图11表示一个半导体激光器，上述说明也可应用于气体激光器。
图12表示另一电路装置的示意电路图，当用恒定电流驱动半导体激光器2000时也可以使用该电路装置，并读取其阳极电位，如果有的话，以检测激光器的旋转。参考数字2001表示一个电阻。
参见图12，半导体激光器2000的阳极通过保护电阻2003连接到运算放大器2010的输出端，和半导体激光器2000的阴极连接到运算放大器2010的倒相输入端。
运算放大器2011的输出信号Vout相应于输入电位Vin。因为信号Vout具有与角速度成比例的拍频，可通过利用已知的频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)将信号转换成电压来检测激光器的旋转。
图13是频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)的示意电路图。该电路包括三极管、二极管、电容和电阻，其输出电压VC2用下列公式(14)表示
VC2＝EiC1R0f/[1+1/{1-exp(-1/R0C2f)}] ....(14)其中E1表示输入电压的峰-峰值和f表示拍频。通过为电路参数选择满足C2＞＞C1和R0C2f＜1的数值，可以确定用下列公式(15)表示的关系以获取与拍频成正比的电压输出。
VC2＝EiC1R0f/2 …(15)现在，将讨论通过检测电流变化来检测激光器旋转的装置。
通过使用一个恒定电压源作为电源，检测流经半导体激光器的电流变化可以确定旋转激光器的角速度。如图14和15所示，通过使用电池作为恒定电压源可以为激光器获取一个小型轻便的驱动系统。在图14的电路中，半导体激光器2200与电阻2201串联以便流经半导体激光器电流的变化可以被确定为电阻两端之间电压的变化。在图14中，参考数字2202表示电池，参考数字2206表示电压表。在图15的电路中，另一方面，半导体激光器2300与电流表2306串行连接以直接观察流经半导体激光器的电流。在图15中，参考数字2301表示电阻，参考数字2302表示电池。
现在，将讨论为了实现本发明的目的可用于检测拍频信号的另一个电路装置。
图16是一个电路的电路图，用于通过为半导体激光器提供一个恒定电压以将其驱动并读取半导体激光器2400阳极电位中的变化来检测该半导体激光器2400的旋转。
激光器2400的阳极通过电阻2403连接到运算放大器2410的输出端，激光器2400的阴极接地以指示一个参考电位。
通过利用，例如，微计算机为运算放大器2410的倒相输入端提供一个恒定电位(Vin)可以获取一个恒定电压驱动装置，以便电位可以被恒定地提供给电阻2403和激光器2400。
电阻2403连接到作为缓冲器工作的另一个运算放大器2411。
运算放大器2411输出信号Vout，该信号具有一个与角速度成正比的拍频，所以可通过利用已知的频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)将频率转换成电压来检测激光器的旋转。显然直接向F/V转换器电路提供在电阻2403的等势点上获取的信号，而不通过运算放大器2411也可以检测激光器的旋转。计频器可以用作拍频信号检测电路。
图17表示用来使用地电位作为参考电位的一个电路的电路图，该电路除了参见图16所述的恒定电压驱动装置之外还使用一个减法电路2515。
参见图17，利用，例如，微计算机将恒定电压V1提供给运算放大器2510的倒相输入端。在图17中，参考数字2500表示激光器，参考数字2511和2512分别表示电压跟随器，而参考数字2503和2516至2519分别表示电阻。电阻2516和2517是相同电阻，而电阻2518和2519是相同电阻。
电阻2503两端上的电位V1和V2通过电压跟随器2511、2512和电阻2516和2518被分别提供给运算放大器2520的倒相输入端和正相输入端。使用该装置，使用地电位作为参考电位检测流经激光器2500的电流变化可以检测提供给电阻2503的电压V2-V1(＝V0)的变化。
然后，根据所获取的信号在使其通过F/V转换器电路之后可以检测激光器的旋转。
还可以如图18所示利用阻抗测量仪2609直接观察半导体激光器2600的阻抗变化，而不考虑电源类型。在图18中，参考数字2602表示电源，参考数字2601表示电阻。使用该装置可以降低驱动电源中噪声的影响，而不同于观察所提供的端电压或者流经激光器的电流的情况。
虽然上文以半导体激光器的形式描述了检测激光器旋转所用的各种装置，显然上述说明同样可以应用于气体激光器。实施例2虽然第一实施例以下述方式设计，即作为拍频变化从激光器提取电信号，该电信号代表提供给该激光器的电压或流经该激光器电流的变化，第二实施例以下述方式设计，即由位于激光器外部的光检测器接收由激光器产生具有不同振荡频率的两个激光束，并使用从光检测器获取的信号来检测代表角速度或旋转方向的拍频变化。
(1)图7A至7F在图7A至7F中，与图2A至2E相同的部件分别用相同的参考数字表示。
首先参见图2A至2C，参考数字1256表示第一激光器1200的主模式波束1206的输出波束，参考数字1257表示第二激光器1201的主模式波束1207的输出波束，而参考数字1230表示用于检测代表两个输出波束1256和1257干涉所生成的两个波束振荡频率差的信号。
在表示第二实施例可选结构的图2B和2D中，参考数字1240表示反射面。
图7E和7F表示用光隔离器代替图7C和7D中锥形区域1204、1205的结构。注意图7A和7B表示半导体激光器，而图7C至7F表示气体激光器。
还要注意当不同振荡频率的输出波束1256、1257被如图7A至7H所示的任一个光检测器1230接收时，第一和第二激光器(1200、1201)不必位于彼此接近的位置，每个激光器都不必位于另一激光器激光束的穿透深度内。
(2)图8A至8D在图8A至8D中，与图3A至3D相同的部件分别用相同的参考数字表示。
在图8A至8D中，参考数字1356和1357分别表示第一和第二激光器及其输出波束，而参考数字1330表示光检测器。
由光检测器1330接收来自与第一和第二激光器的主模式波束1306、1307光学耦合的第三光波导的两个输出波束。通过来自光检测器的信号来检测激光器的旋转。
注意图8A和8B表示半导体激光器，而图8C至7D表示气体激光器。
(3)图9A至9D提供第三光波导以连接第一和第二激光器的光波导1402、1403。在图9A至9D中，与图4A相同的部件分别用相同的参考数字表示。
在图9A至9D中，参考数字1430表示光检测器和参考数字1456、1457分别表示第一和第二激光器主模式波束的输出波束。
注意图9A和9B表示半导体激光器，而图9C至9D表示气体激光器。
(4)图10A至10D在图10A至10D的每一幅图中，第一激光器和第二激光器共用它们光波导的一部分。在图10A至10D中，与图5A至5D相同的部件分别用相同的参考数字表示。
在图10A至10D中，参考数字1530表示光检测器，参考数字1556、1557分别表示第一和第二激光器主模式波束的输出波束。
注意图10A和10B表示半导体激光器，而图10C和10D表示气体激光器。
为了本发明的目的，光检测器是用来将光强度转换和检测成电信号的装置，该装置可以是利用光电子发射(外部光电效应)的光电管或光电倍增管。它也可以是从利用内部光电效应的各种装置中选择的一种装置，例如利用光电导效应的光电导管、光电二极管、光电三极管、雪崩式光电二极管或利用光伏效应的光伏管。它还可以是热偶检测器，这是利用光吸收的一种热检测器、辐射热测量计、红外线指示器或利用热电效应的热电光检测器。
图19是沿图6中线XX’的图5半导体激光器的横断面示意图。在图19中，参考数字2800表示半导体激光器，和参考数字2801、2802和2803分别表示激活层、基片和阳极，而参考数字2804、2806和2807分别表示阴极、上覆盖层和下覆盖层。
使用这种除去上覆盖层2806中央部分2809(以产生环形外形)的结构。电流很难流过半导体激光器的中央部分。因此，主要地，环形传播的波束可获取一个增益以抑制所有无用的电流。于是拍频将高度稳定，尤其在实现单一的横向模式时。
虽然在图19中未具体图示光导层和覆盖层，如果除去上覆盖层2806的中央部分也可以放置这些层。
图20表示使用这些层的结构。更具体地，在图20中，参考数字2921表示覆盖层，参考数字2922和2923表示若干光导层。另外，还表示激活层2901和阴极2904。
还有可能提供环形电极2903，而不改动上覆盖层2906和覆盖层2921。虽然在图20中阳极2903被设计在激光器的整个表面上，但并不必将阳极设计在激光器的整个表面上。
另外，激活层可以是部分或完整的环形，如图21所示，下覆盖层2807也可以是部分或完整的环形，如图21所示。显然，当激活层是部分的环形时可以降低阈值电流，因为激活层的体积明显减少。
为了本发明的目的，在激光束分布的区域(如图22中的r所表示的)内环形是比较有利地。因此，激活层最好是环形的。
如果激活层的厚度为0.1μm，图22中的r最好大约1μm。
具体地，对于激活层，激光器的光密封系数将足够大，以便当在平行于激活层表面的方向上渐消失光(evanescent light，或称短暂光)的半径内激光器是环形时，允许低驱动电流并使振荡频率稳定。当然，整个半导体激光器2800可以是环形的。
虽然渐消失光的半径r在图23的覆盖层2806、2807内，根据包括折射率和每一覆盖层厚度的参数，光线可以渗出覆盖层。如果是这种情况，激光器相应于渐消失光半径r的部分最好是圆柱形的。另外，如果光线渗入到位于激活层和覆盖层之间的光导层并渗入基片2802，光导层和基片相应于渐消失光半径的部分最好是圆柱形的。
低折射率层2806、2807的光损耗需要最小化，尤其在应当降低光损耗和应当用低电流和低电压驱动激光器时。
图24是图23激光器的部位2850的放大横断面示意图。当该装置用低电源驱动时，应当以下述方式制作激光器，低折射率层的各侧面和激活层的各侧面(图24)之间的角度θ1和θ2分别用75°≤θ1和θ2≤105°定义，优选用80°≤θ1和θ2≤100°定义，最好用85°≤θ1和θ2≤95°定义。
在满足上述要求时，可以有效地避免渗入低折射率层2806、2807的任何光损耗(逐渐消失的光线)以使用低电流(或低电压)驱动半导体激光器成为可能。
另外和所希望的，半导体激光器的侧面是全反射面，和大于总反射面90％的相应区域与激活层区域之间的角度由上述公式定义。
还希望折射率层的侧面和激活层的相应侧面满足上述要求。具体地，非常希望激光器的内侧面也满足角度θ1和θ2的上述要求。
将激活层2801夹在中间的低折射率层侧面的表面精度(表面粗度)优选小于通过激活层传播介质传播的光线波长(在该介质真空/有效折射率中的波长)的二分之一，最好小于三分之一。例如，如果激活层是InGaAsP型层(在介质中具有波长1.55μm和有效折射率3.6)，表面精度优选小于大约0.22μm，最好小于0.14μm。
如果激活层是砷化镓型层(具有波长0.85μm和有效折射率3.6)，表面精度优选小于0.12μm，最好小于0.08μm。
显然不仅低折射率层的侧面而且激活层的侧面在表面精度上可以具有上述的确定值激光器的环形部分最好被填充绝缘材料(绝缘薄膜)，尽管在没有该填充材料激光器也具有所需特性时，既不需要这种填充材料也不需要填充该装置的中空部分。
只要任一种合适材料的具体阻抗高于覆盖层就可以用于绝缘薄膜，尽管它最好由非晶Si、SiO2、MgO或SiN组成。利用填充材料可以将整个反射面形成在激光器的圆柱形部分内。另外，该装置的中空部分最好填充单一材料2930，如图25所示或者填充两种或更多种材料的混合物。另外，激活层的内侧面或外侧面中的至少一个最好用薄膜2931覆盖，如图26所示。如果是这种情况，在节约该装置中空部分所用填充材料的同时，可防止由于暴露在周围空气中该装置的工作特性降低。虽然在图26中覆盖薄膜只有一层，它也可以有两层或更多层。
当使绝缘薄膜具有多层结构时，它最好包括几个成对的SiO2和Si层。在不需要填充操作该装置也提供所需的工作特性时，不必完全填充该装置的中空部分。
下面将简更讨论可用于本发明的其它可能的填充结构。
在图27中，参考数字2930表示绝缘薄膜。图27的结构可能更用来本发明的目的，其中将绝缘薄膜2930放置在其中央区域处阳极2930的下面，因为任何电流将很难流过该半导体激光器的中央部分，因此将减少无功电流，如果有的话，以便于横向模式出现。当需要提供具有平坦外形的电极时这种结构尤其有效。
当上履盖层2906是P型时，将使激光器的中央部分具有一种PNPN半导体闸流管的结构，并通过使用具有PNP型导电性的材料代替绝缘薄膜2930来填充该激光器的中空部分，基本上不允许电流流经该部分。
参见图28，参考数字2840在此表示掺铁高阻抗层。使用利用高阻抗层的结构，也可以使半导体激光器的中央部分基本上不允许电流流过。
对于本发明的半导体激光器，激活层的中空部分2809基本上位于中央是足够的(例如如图23所示)。不存在引导模式的状态称作截止状态，希望该装置如此配置以为更高模式满足截止状态的要求以使横向模式稳定。另外，希望中空部分的直径d(图19)如此定义以满足更高模式的截止状态的要求。与图29情况相同。
然后，当为更高模式满足截止状态的要求时，仅存在用于横向模式的基本模式以使前者稳定。
还希望中空部分的外形如此定义以为更高模式满足截止状态的要求，以便可仅存在单一的引导模式(单一的横向模式)。
可以通过为激活层、光导层和覆盖层铺设环形半导体层来制成具有中空部分的激光器，一般为它们使用掩模。也可以通过铺设激活层、光导层和覆盖层并腐蚀掉其中央部分从而使它们的外形为环形来制成具有中空部分的激光器。
可用于本发明的目的用于形成中空部分的蚀刻技术包括湿蚀刻、气体蚀刻、等离子蚀刻、喷射蚀刻、活性离子蚀刻(RIE)和活性离子束蚀刻(RIBE)。
根据本发明可以用于激光器激活层的材料包括下述其它材料，GaAs、Inp、AlGaAsP、PbSnTe、GaN、GaAlN、InGaN、InAlGaN、GaInP、GaInAs和SiGe。
可以用于激活层的任何一种材料也可以用于覆盖层。
为实现本发明的目的，可以用于激活层和覆盖层的材料组合包括下述组合，PbSnTe(激活层)/PbSeTe(覆盖层)、PbSnSeTe(激活层)/PbSeTe(覆盖层)、(PbEuSeTe激活层)/PbEuSeTe(覆盖层)、PbEuSeTe(激活层)/PbTe(覆盖层)、InGaAsSb(激活层)/GaSb(覆盖层)、AlInAsSb(激活层)/GaSb(覆盖层)、InGaAsP(激活层)/InP(覆盖层)、AlGaAs(激活层)/AlGaAs(覆盖层)和AlGaInP(激活层)/AlGaInP(覆盖层)。
对于半导体激光器的结构，其激活层并不限制于整体结构，还可以是单个量子阱(SQW)结构或者多个量子阱(MQW)结构。
当使用量子阱结构的激光器时，该结构最好是应变量子阱结构。例如，使用八个压缩应变大约为1％的InGaAsP量子阱层和一个InGaAsP载体层形成激活层。还可以使激活层具有一个MIS结构。
对于基片，可以使用适于所需材料在其上生成的基片。可用于本发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、蓝宝石基片、硅基片和SOI基片。
根据本发明可用于形成半导体激光器激活层的技术包括液相外延(LPE技术)、分子束外延(MBE技术)、有机金属气相外延(MOCVD技术、MOVPE技术)、原子层外延生长(ALE技术)、有机金属气相外延(MOMBE技术)和化学波束外延(CBE技术)。
根据本发明可用于激光器阳极的材料包括Cr/Au、Ti/Pt/Au和AuZn/Ti/Pt/Au。根据本发明可用于激光器阴极的材料包括AuGe/Ni/Au和AuSn/Mo/Au。然而，本发明决不限制于此。
注意电极结构可以根据基片和激活层的导电性从图示的结构翻转。
最好在覆盖层上形成罩层(接触层)，然后电极材料被用于罩层以降低覆盖层和电极的接触阻抗。
一种典型的材料组合可以是InGaAsP(激活层)/p-型InP(覆盖层)/p-型InGaAsP(罩层)/电极。
再次注意，虽然在附图中阴极被放在基片下面，根据基片类型阴极也可以放在基片上面。
为了保护半导体激光器不发热，最好在热发散部件(散热片)上安装半导体激光器芯片。为了本发明的目的，可用于散热片的资料包括但不仅限于Cu、Si、SiC、AlN和金刚石。如果需要，珀耳帖装置可用于控制该半导体激光器的温度。
并且，最好在半导体激光器的每个侧面上(有光线的位置)形成一个绝缘膜层(涂膜)以使其具有一个全发射表面并防止它的性能变差。可用于涂膜的材料包括绝缘体，例如SiO2、SiN、Al2O3和Si3N4以及非晶硅(α-Si)。
并且，最好如图29所示用一种高电阻材料填充环状激光器的中空部分以实现实际的光波导。
图29表示具有这种结构的一个激光器的横截面示意图。
参见图29，该激光器包括激活层2801、基片2802、阳极2803、阴极2804、上覆盖层2806、下覆盖层2807和离子注入形成的高阻抗区域2859。使用这种结构，电流很难流过该装置的中央部分以便主要仅有环形传播的波束可获得增益。
虽然图29中的高阻抗区域2859具有明显的界线，实际上该界线具有一个确定的宽度。希望离子注入操作以注射离子的轨迹主要出现在激活层中的方式被执行，如图30所示。
虽然在参见图29的上述说明中至少使上覆盖层的一部分是高电阻的，如果中央区域基本上可不允许电流流经，也可以使激活层2801和/或下覆盖层2807是高电阻的。因此，可以使半导体激光器中央区域的所有部分都是高电阻的。
因此，显然如果使激活层2801的中央区域是高电阻的，可显著减少激活层体积从而降低驱动该装置所必须的驱动电流。
可以用下述方式注入离子，它们的注射轨迹主要出现在激活层深度上或其附近，所以使该装置主要在该深度上是高电阻的。
虽然在图29中将阳极2803安置在半导体激光器的周围，也可以将阳极安置在激光器的整个上表面上。并且，也可以将其安置在激光器的部分上表面上。
只要合适，可以提供光波导层和/或罩层。
在此使用的高电阻的表述是指用离子注入的区域并使其具有100Ω·cm和1×105Ω·cm之间的一个具体电阻，最好在5×103Ω·cm和1×105Ω·cm之间，尽管该值可以随激活层的类型变化。
被注入的离子可以是质子或硼离子。
并且，最好以注入离子的注射轨迹只出现在激活层的中央的方式执行离子注入操作。用于加速离子的电压最好在10KeV和1MeV之间，尽管必须考虑材料和激活层上的覆盖层和光波导层的厚度。
可以以1×1013cm-2和1×1015cm-2的速度注入离子。
在离子注入操作的过程中基片可以保持室温。
不必将离子注入区域严格限制在半导体激光器的中央区域，如果符合更高模式的截止状态的要求，离子注入区域主要出现在该装置的中央是足够的。
也可以定义离子注入区域的直径d以符合更高模式的截止状态的要求。
将用离子注入的区域可以不必是圆形的，它可以呈现用来为更高模式符合截止状态要求的轮廓，并仅允许单一的波导模式(单一的横向模式)存在。
还希望热处理该激光器以治愈，如果是部分的，由离子注入操作导致的损伤。该热处理操作在200℃和500℃之间的温度中执行，优选300℃和400℃之间。热处理操作可以在含氢大气中执行。
虽然如上所述的离子操作使该装置在其内部形成一个高电阻区域，也可以通过选择氧化该区域生成一个高电阻区域。
上面描述了本发明的优选实施例，应当注意根据本发明的陀螺仪可以是使用它可以检测一个物体的角速度和旋转方向的仪器，或者是使用它仅检测一个物体的角速度或旋转方向的仪器。(例1)图2A是本发明第一个例子的示意图，最清楚地示出它的特征，图31是沿图2A中的直线31-31的横断面示意图。参见图2A和图31，该例子的激光器包括一个环形谐振腔型半导体激光器1200，该激光器具有一个其光波导的锥形区域1204、阳极33、电端子34、罩层35、覆盖层36、光导层37、激活层38和另一光导层39，该激光器还包括另一个环形谐振腔型半导体激光器1201，该激光器具有一个其光波导的锥形区域1205、阳极43、电端子44、罩层45、覆盖层46、光导层47、激活层48和另一光导层49，以及半导体基片54和阴极55。参考数字1206表示逆时针传播的激光束，而参考数字107表示顺时针传播的激光束。
首先，将说明制作具有上述结构的环形谐振腔型半导体激光器的方法。利用有机金属气相生长技术使具有1.3μm化合物的高掺杂InGaAsP光导层39(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不掺InGaAsP的激活层38(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一个不掺InGaAsP光导层(0.15μm厚)37、具有1.4μm化合物的p-InP覆盖层36(2μm厚)和p-InGaAsP罩层35(2μm厚)在一个n-InP基片54(350μm厚)上为环形谐振腔型激光器1200生长。类似地，利用有机金属气相生长技术使具有1.3μm化合物的高掺杂InGaAsP光导层49(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不掺InGaAsP的激活层48(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一个不掺InGaAsP光导层(0.15μm厚)47、具有1.4μm化合物的p-InP覆盖层46(2μm厚)和p-InGaAsP罩层45(2μm厚)在一个n-InP基片54(350μm厚)上为环形谐振腔型激光器1201生长。
虽然在该例子中形成公用于环形半导体激光器1200和环形半导体激光器1201的半导体层，也可以分别在相互独立的步骤中为两个环形谐振腔型半导体激光器形成半导体层在晶体生长处理之后，利用旋转涂料器将光刻胶AZ(商品名，可从Hoechst获得)涂在p-InP罩层上以获得1μm厚的膜。在80℃下将该晶片预热30分钟之后，将其用掩膜覆盖并暴露在光线下。在显影和冲洗处理之后光波导层的宽度为5μm，而在锥形区域光波导层的最大宽度为8μm和最小宽度为5μm。使锥形区域具有90°角(如图6中的α和β所定义)。环形光波导层的长度为600μm。
随后，将该晶片放入活性离子蚀刻系统并利用氯气蚀刻以使其具有3μm深的中空部分。最后，通过升华使Cr/Au沉积在p-InGaAsP罩层35和45上从而在此生成相应的阳极33和43，而通过升华使AuGe/Ni/Au沉积在n-InP基片上从而在此生成阴极55。此后，在含氢大气中对该晶片进行热处理以产生电阻接触。
因为半导体和空气的折射率不同，射在具有上述结构的环形谐振腔半导体激光器上光线由其表面或激光器和空气的分界面反射。如果半导体的折射率是3.5，当垂直于分界面和激光束之间的角度等于或大于16.6℃时出现全反射。因为接收全反射的振荡模式的振荡阈值小于因为降低反射损耗的任一其它模式的振荡阈值。该激光器以一个低注入电流电平开始振荡。另外，因为增益集中出现在该振荡模式中，任何其它模式中的振荡将被抑制。在图2A中，在半导体激光器的任一边角垂直于半导体和空气分界面之间的角度是45°，因此满足全反射的角度要求。在室内温度下振荡阈值电流值是2mA，而环形谐振腔型激光器1200的驱动电流是3mA，环形谐振腔激光器1201的驱动电流是3.5mA。因此，当激光器保持静止时，激光束1206和激光束1207将具有相同的振荡波长λ，该波长为1.55μm，然而，因为环形谐振腔型激光器1200和环形谐振腔型激光器1201的驱动电流彼此不同，它们的光波导具有彼此略微不同的有效折射率。结果，激光束1206的振荡频率f3大于激光器1207的振荡频率f41kHz。当出现全反射时，沿分界面生成一个逐渐消失的光线。如果振荡波长是1.55μm，逐渐消失光线的穿透深度是0.0735μm。当逐渐消失光线的光强度以指数规律衰减(穿透深度是电场强度衰减到1/e的距离)时，环形谐振腔型激光器1200和1201相距0.07μm，该距离小于穿透深度，激光束1206和激光束1207可以有效地耦合。结果，激光束1206和激光束1207在环形谐振腔型半导体激光器中相互干涉。如果使用恒定电流源，通过检测电端子34和阴极55之间的电压和电端子44和阴极55之间电压可以获得幅度分别为80mV和100mV和频率为1kHz的信号。换句话说，即使当环形谐振腔型半导体激光器1200和1201保持静止时也可以检测到一个拍频。
如果驱动环形谐振腔型半导体激光器1200和1201以每秒30°的速率顺时针旋转，该速率基本相当于摇动摄像机或行驶气车的振动速率，逆时针传播的激光束1206的振荡频率f3被提高88.7Hz，另一方面，顺时针传播的激光束1207的振荡频率f4被降低88.7Hz。然后，可通过下列公式(16)获得拍频。
f3-f4＝1kHz+177.4Hz ....(16)另一方面，在驱动环形谐振腔型半导体激光器1200和1201以每秒30°的速率逆时针旋转时，可通过下列公式(17)获得拍频。
f3-f4＝1kHz-177.4Hz ....(17)因为拍频增加和降低的绝对值与旋转速度成正比，现在不仅能够检测半导体激光器的旋转速率而且能够检测旋转方向，因为拍频的增加或减少具有与旋转方向的一一对应关系。于是，包括这种激光器的陀螺仪可以被安装在摄影机、透镜装置、汽车、飞机或轮船上。
虽然在该例子中通过以恒定电流驱动激光器可以观察端电压的变化，如果用一个恒定电压驱动陀螺仪也可以观察流经该终端的电流变化。也可以利用阻抗计直接检测放电阻抗的变化。
于是，可以不必使用光检测器检测拍频光，因而可以消除从光检测器返回的光导致的光反馈噪声。
虽然在上述例子中使用InGaAsP型材料实现半导体激光器，这些材料也可以用GaAs型、ZnSe型、InGaN型或AlGaN型材料替代。另外，光波导的形状可以是六角形、三角形或圆形的而不是图2A中所示的长方形。
在上述例子中使环形谐振腔型激光器1200和1201的驱动电流不同以使振荡频率不同。然而，也可以通过使两个激光器的光学长度不同，例如光波导的长度或宽度，或者激光器半导体层的厚度、组成或材料不同来使两个激光器的振荡频率不同。
现在，将参见图43至49说明激光器的另一种制作方法。
具有Al0.3Ga0.7As/GaAs的三层多量子阱结构的激活层4401通过一对将该激活层夹在中间的Al0.3Ga0.7As的光导层4422，然后再由一个覆盖层4406(p-Al0.5Ga0.5As)和另一个覆盖层4407(p-Al0.5Ga0.5As)将其夹在中间，形成在n-GaAs基片4402上。图43中的参考数字4415表示由n-GaAs组成的缓冲层和参考数字4440表示由p-GaAs组成的罩层。
然后，为阳极4403在罩层4440上形成Cr/Au(或Ti/Pt/Au)。
此后，涂上光刻胶并进行图45所示的模型操作。
然后，使用模型光刻胶4460作为掩膜对阳极4403进行干蚀刻操作(图46)。
接着，通过干蚀刻除去半导体层(图47)并剥去光刻胶(图48)。
然后，在含氢大气中热处理阳极使它转变成合金。
在抛光基片之后(如果需要)，通过升华AuGeNi/Au形成阴极4404(图49)。
从而形成环形谐振腔型半导体激光器4400。图50是制成后的平面示意图。
图50中的角度m为45±0.01°是有利的，优选45±0.001°。该标准同样适用于其它边角。应当满足该要求以便激光束在光谐振腔中完成一次循环后返回相应的始发点。
显然如果半导体激光器是用其它方法形成的，也应当满足m的角度要求。
图51是图50装置的边角4490的放大示意图。在图51中用r表示的表面粗度小于500A，最好小于2004。于是可以将反向散射最小化从而防止发生锁定现象。
图32是利用上述激光器检测拍频信号的一个装置的示意图。参见图32，表示有光陀螺仪1、旋转台2、电流源3、电阻4和频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5。参考数字10表示指示陀螺仪旋转方向的箭头。
使用上述装置，电流经过串行连接的电阻4从电流源注入光陀螺仪1。如果光陀螺仪1保持静止，可以将表示两个激光束振荡频率(振荡波长)之间差值的拍频信号获取为端电压的变化。如果安装在旋转台2上的光陀螺仪1被驱动旋转，所获取的拍频信号表示光陀螺仪旋转运动的角速度。
可以通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5将该拍频信号转化成电压值。如果在光陀螺仪1保持静止时通过调整偏移使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5等于零，可以通过查看频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5的输出是正或负来检测光陀螺仪的旋转方向。(例2)参见说明例2的图2B，参考数字1202表示具有一锥形区域1204的光波导，而参考数字1203表示具有一锥形区域1205的另一光波导。在图2B中，参考数字1207和1208分别表示激光束。
使用上述结构，激光束1207和1208在同一方向上环形传播。虽然旋转方向可以通过先前所述的方式检测。它有利于提高激光束1207和1208的耦合效率，因为当两个激光束在同一方向上移动时激光束通过在同一方向上前进彼此相邻的光波导的多个部分传播。为此目的，在光波导1202中形成光波导1203。(例3)图2C是本发明第二个例子的示意图。参见图2C，该例子的激光器包括一个包含光波导的锥形区域1204的石英管1202、反射镜1214、阳极1210、电端子1216和阴极1212，以及包含光波导的锥形区域1205的石英管1203、反射镜1215、阳极1211、电端子1217和阴极1213。参考数字1206和1207分别表示激光束。
使用上述结构，因为每个光波导位于相应激光束的穿透深度内，第二激光束可以有效地与第一激光器的光波导光学耦合。类似地，第一激光束可以有效地与第二激光器的光波导光学耦合。结果，在每个激光器中可以获取一个大干涉分量从而提高每个电端子上的电信号强度。在这个例子中的穿透光被称作渐消失光。
对于上述激光器，利用钻孔器使石英体中空形成石英管1202和1203。此后，将反射镜1214和1215安装到相应的石英管1202和1203。另外，阳极1210、电端子1216和阴极1212被安装到石英管1202，而阳极1211、电端子1217和阴极1213被安装到石英管1203。接着，将氦气和氖气装入石英管1202和1203，并在每个石英管的阳极和阴极之间提供一电压以产生放电并导致电流流动。结果，只有逆时针激光束1206在波导管锥形区域附近的石英管1202中振荡，而只有顺时针激光束1207在石英管1203中振荡。使锥形区域呈90°角(如图6中用β所定义)。
如果石英管1202和1203保持静止，激光束1206和激光束1207将具有相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同的波长λ632.8μm。然而，因为流经石英管1202的电流和流经石英管1203的电流不同，介质的Q值被改变从而使两个激光束的振荡频率略微不同。激光束1206的振荡频率f1大于激光束1207的振荡频率f220MHz。另外，因为石英管1207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。同时，激光束1207和激光束1206在石英管1202中耦合。结果，激光束1206和激光束1207在石英管中彼此干涉。如果使用恒定的源电流，通过监测电端子1216和阴极1212之间的电压可以获取幅度100mV和频率20MHz的信号。同时，通过监测电端子1217和阴极1213之间的电压可以获取幅度80mV和频率同样为20MHz的信号。换句话说，即使当石英管保持静止时也可以检测到拍频电压。
如果驱动石英管1202和1203以每秒180°的速率顺时针旋转，并且谐振腔的每边边长为10cm，逆时针传播的激光束1206的振荡频率f1被提高248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1207的振荡频率f2被降低248.3kHz。然后，可以通过下列公式(18)获得拍频。
f1-f2＝20MHz+496.6kHz …(18)另一方面，在驱动石英管1202和1203以每秒180°的速率逆时针旋转的情况下，可以通过下列公式(19)获得拍频。
f1-f2＝20MHz-496.6kHz …(19)因为拍频增加或降低的绝对值与旋转速度成正比，现在可能既检测半导体激光器的旋转速率又检测旋转方向，因为拍频的增加或降低与旋转方向具有一一对应的关系。
虽然在该例子中通过用恒定电流驱动陀螺仪来观察端电压，如果用恒定电压驱动陀螺仪则可以考察流经端子的电流变化。也可以利用阻抗计直接检测放电的放电阻抗的变化。
于是，可以不必使用光检测器检测拍频光，因而可以消除从光检测器返回的光导致的光反馈噪声。
虽然在该例子中将氦气和氖气引入石英管，它们可以用能产生激光器振荡的任何气体代替。另外，光波导的外形可以是六角形、三角形或圆形的，而不是如图2C所示的长方形。(例4)图2D是本发明第二个例子的示意图。参见图2D，该例子的激光器具有光隔离器1218和1219。
利用图示的结构，可以根据在例3中所述的原理检测旋转方向。本例与例3的不同仅在于选择工作模式的装置，其中仅有一个激光束在相关的环状激光器中传播。更具体地，在例3中使用锥形光波导，而在该例子中用相应的光隔离器代替光波导的锥形区域。
当使同等偏振的波束进入光隔离器时，后者仅允许波束在给定方向上传播并阻止其它波束在相反方向上传播。虽然在普通环状激光器中沿相反方向传播的波束同样被偏振，可以在环状激光器中插入一个光隔离器使其仅允许沿给定方向传播的光存在。显然光隔离器可以用光环形器或其它光装置代替，只要后者仅允许波束在一个方向上通过。(例5)图3A是本发明第五个例子的示意图，最清楚地表示它的特征，图33A和33B分别是沿图3A中的直线33A-33A和33B-33B的横断面示意图。同时参见图3A和图33A和33B，该例子的激光器包括一个环形谐振腔型半导体激光器1300，该激光器具有一个其光波导的锥形区域1304、阳极33、罩层35、覆盖层36、光导层37、激活层38和另一光导层39，该激光器还包括另一个环形谐振腔型半导体激光器1301，该激光器具有一个其光波导的锥形区域1305、阳极43、电端子44、罩层45、覆盖层46、光导层47、激活层48和另一光导层49，以及半导体基片54和阴极55。参考数字1306表示逆时针传播的激光束，而参考数字1307表示顺时针传播的激光束。使锥形区域具有90°角(如在图6中所定义的)。
首先，将说明制作具有上述结构的环形谐振腔型半导体激光器的方法。利用有机金属气相生长技术使具有1.3μm化合物的高掺杂InGaAsP光导层39(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不掺InGaAsP的激活层38(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一个不掺InGaAsP光导层(0.15μm厚)37、具有1.4μm化合物的p-InP覆盖层36(2μm厚)和p-InGaAsP罩层35(0.3μm厚)在一个n-InP基片54(350μm厚)上为环形谐振腔型激光器1300生长。类似地，利用有机金属气相生长技术使具有1.3μm化合物的高掺杂InGaAsP光导层49(0.15μm厚)、具有1.55μm化合物的不掺InGaAsP的激活层48(0.1μm厚)、具有1.3μm化合物的另一个不掺InGaAsP光导层(0.15μm厚)47、具有1.4μm化合物的p-Inp覆盖层46(2μm厚)和p-InGaAsP罩层45(2μm厚)在一个n-InP基片54(350μm厚)上为环形谐振腔型激光器1201生长。
虽然在该例子中形成公用于环形半导体激光器1300和环形半导体激光器1301的半导体层，也可以分别在相互独立的步骤中为两个环形谐振腔型半导体激光器形成半导体层在晶体生长处理之后，利用旋转涂料器将光刻胶AZ1350(商品名，可从Hoechast获得)涂在p-InGaAsP罩层上以获得1μm厚的膜。在80℃下将该晶片预热30分钟之后，将其用掩膜覆盖并暴露在光线下。在显影和冲洗处理之后光波导层的宽度为5μm，而在锥形区域光波导层的最大宽度为8μm和最小宽度为5μm。使锥形区域具有90°角(如图6中的α和β所定义)。环形光波导层的长度为600μm。
随后，将该晶片放入活性离子蚀刻系统并利用氯气蚀刻以使其具有3μm深的中空部分。最后，通过升华使Cr/Au沉积在p-InGaAsP罩层35和45上从而在此生成相应的阳极33和43，而通过升华使AuGe/Ni/Au沉积在n-InP基片上从而在此生成阴极55。此后，在含氢大气中对该晶片进行热处理以产生电阻接触。
第三光波导1320以下面描述的方式形成。
第三光波导1320制造得具有与半导体激光器1300相同的层。然后，注入电流使激活层可透过辐射以便使用第三光波导作为无源型光波导。另外，电流可以另外注入第三光波导中使其作为放大器型光波导工作。
为只实现光波导功能，第三光波导可以制造的具有与半导体激光器1300相同的结构，而仅取消激活层38。如果是这样，不必将电流注入到第三光波导3120中，因为它已经是无源型光波导。
在图3A中，在半导体激光器的任何角落上半导体激光器界面的法线与空气之间的夹角是45度，因此满足了全反射的角度要求。在室温下振荡阈值电流值是2mA，而环状谐振腔型激光器1300的驱动电流是3mA和环状谐振腔型激光器1301的驱动电流是3.5mA。这样，当激光器保持静止时，激光束1306和激光束1307呈现相同的振荡波长λ，该波长等于1.55μm。因此，由于环状谐振腔型激光器1302与环状谐振腔型激光器1303的驱动电流互不相同，它们的光波导呈现相互略有不同的各自等效折射率。结果，激光束1306的振荡频率f3比激光束1307的振荡频率f4大1kHz。
当出现全反射时，产生沿界面漂移的短暂光(evanescent light，或称损耗光)。如果振荡波长是1.55μm，短暂光的穿透深度是0.0735μm。当短暂光强度呈指数衰减时(穿透深度是电场幅度衰减到1/e处的距离)，环状谐振腔型激光器1300和光波导1320分开0.07μm，该值小于穿透深度，通过光波导1320的激光束1306被有效地耦合到环状谐振腔型激光器1303。结果，激光束1306和激光束1307在环状谐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频率的信号能够通过监测电端子44与阴极55之间的电压而获得。另一方面，即使环状谐振腔型半导体激光器1300和1303保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动环状谐振腔型半导体激光器1300和1303以每秒30度的速度顺时针转动，该转动大致对应晃动摄象机的振动或移动汽车的振动，逆时针传播的激光束1306的振荡频率f3上升88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1307的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，通过公式(16)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动环状谐振腔型半导体激光器1300和1303以每秒30度的速度逆时针转动，通过公式(17)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频的增加和减少呈现出与转动方向一一对应的关系。
在此例子中，通过使两个激光器的驱动电流互不相同而使环状谐振腔型激光器1300与环状谐振腔型激光器1301的振荡波长之间互不相同。可是，还可以通过使两个激光器的光学长度例如光波导的长度或宽度或厚度、激光器半导体层的成分或材料不同而使两个激光器的振荡频率不同。
图34是用于通过上述激光器装置检测拍频信号的一个设计的示意图。参照图34，显示了一个陀螺仪1，一个转动台2，一个电流源3，一个电阻4和一个频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5。
利用上述设计，通过串行连接的电阻4将电流从电流源3注入到光学陀螺仪1中。如果光学陀螺仪1保持静止，代表两个激光束之间振荡频率(振荡波长)之差的拍频信号能够作为端子电压的变化而被获得。如果驱动安装在转动台2上的光学陀螺仪1转动，所获得的拍频信号代表光学陀螺仪旋转运动的角速度。
通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5能够将拍频转换成电压值如果当通过调节偏移保持光学陀螺仪1静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5的电压输出等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5的输出是否是正或负能够检测陀螺仪的转动方向。
(例子6)参照说明例子6的图3B，参考数字1302代表具有锥形区1304的光波导，而参考数字1303代表具有锥形区1305的另一个光波导和参考数字1320代表又一个光波导。在图3B中，参考数字1306和1309代表各自激光束。
利用上述设计，激光束1306和1309两者在相同方向环状传播。尽管能够以前面描述的方式检测转动方向，光波导1302、1303和1309以图3B所示方式设计对于改善耦合激光束1306和1309的效率有利。
(例子7)图3C说明了本发明的第七个例子。参照图3C，此例子的激光器装置包括一个含有光波导的锥形区1304的石英管1302、一个反射镜1314、一个阳极1303和一个阴极1312，以及一个含有光波导的锥形区1305的石英管1303、一个反射镜1315，一个阳极1311、一个电端子1317和一个阴极1313。参考数字1306和1307代表各自激光束，而参考数字1320代表另一个光波导。如其它例子中所示锥形区制造的呈现90度角(在图6中由α和β限定)，尽管当陀螺仪保持静止时如果适当地获得拍频信号该角度不限于90度。
上述激光器装置中，通过钻孔使石英管中空形成石英管1302和1303和光波导1320。此后，反射镜1314和1315安装到各自的石英管1302和1303上。另外，阳极1310和阴极1311安装到石英管1302上，而阳极1311、电端子1317和阴极1313安装到石英管1303上。随后，向石英管1302中注入氦气和氖气并在每个石英管的阳极与阴极之间施加电压以引起放电并使电流流过。结果，在石英管1302中只有逆时针激光束1306振荡，而在石英管1303中只有激光束1307振荡。
如果石英管1306和1307保持静止，激光束1306和激光束1303将呈现相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于流过石英管1302的电流与流过石英管1303的电流不同，介质Q值的改变使两个激光束振荡频率略微不同。激光束1306的振荡频率f1大于激光束1307的振荡频率f220MHz。
另外，因为石英管1302与光波导1320设计得靠近，激光束1306被耦合到光波导1320。同时，由于石英管1303与光波导1320设计得靠近，穿过光波导1320传播的激光束被耦合到石英管1303。结果，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频率的信号能够通过监测电端子1317与阴极1313之间的电压而获得。换句话说，即使环状谐振腔型半导体激光器1302和1303保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动石英管1302和1303以每秒180度的速度顺时针转动和谐振腔的每个边为10cm长，逆时针传播的激光束1306的振荡频率f1上升248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1307的振荡频率f2减少248.3kHz。然后，通过公式(18)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动石英管1302和1303以每秒180度的速度逆时针转动，通过公式(19)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频的增加和减少呈现出与转动方向一一对应的关系。
(例子8)图3D示意性地说明了此例子。在图3D中，参考数字1318和1319代表各自的光隔离器。
此设计能够用于根据例子7中所述的原理检测转动方向。此例子由于在环状激光器中选择激光束只在一个方向上传播模式的装置而与例子7不同。更特别地，当在例子7中使用锥形光波导时，在此例子中却使用光隔离器。
当使等同极化的波束进入光隔离器时，后者只允许在给定方向上的波束传播并阻止在相反方向上的其它波束的传播。尽管在普通环状激光器中在相反方向上传播的波束被等同极化，通过插入一个光隔离器能够使环状激光器只允许在给定方向传播的波束存在。不用说，可以利用光学环路器或其它光学设备替代光隔离器，只要前者只允许波束在一个方向通过。
(例子9)图4A是本发明第九例子的示意图，和图35A和35B是分别沿图4A中线35A-35A和线35B-35B的截面图。参照图4A和图35A和35B，此例子的激光器装置包括一个具有其光波导锥形区1404的环状谐振腔型半导体激光器1402，一个阳极33，一个罩层35，一个覆盖层36，一个光导层37，一个激活层38和另一个光导层39，还有另一个环状谐振腔型半导体激光器1403具有其光波导的一个锥形区1405，一个阳极43，一个光导层47，一个激活层48和另一个与半导体衬底54一起的光导层49，一个阴极55和另一个光波导1420。参考数字1406代表逆时针传播的激光束，而参考数字1407代表顺时针传播的激光束。
首先，将描述制造具有上述设计的环状谐振腔型半导体激光器的方法。通过有机金属汽相生长技术在n-InP衬底54(350μm厚度)上生长高掺杂InGaAsP光导层39具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不掺杂InGaAsP激活层38具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一个InGaAsP光导层37具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆盖层36(2μm厚度)和p-InGaAsP罩层35具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于环状谐振腔型半导体激光器1402。同样地，通过有机金属汽相生长技术在n-InP衬底54(350μm厚度)上生长不掺杂InGaAsP光导层49具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不掺杂InGaAsP激活层48具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一个InGaAsP光导层47具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆盖层46(2μm厚度)和p-InGaAsP罩层45具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于环状谐振腔型半导体激光器1403。
尽管在此例子中形成了共同用于环状谐振腔型半导体激光器1402和环状谐振腔型半导体激光器1403的半导体层，用于两个环状谐振腔型半导体激光器而形成的层可以另外以分开和独立的处理来形成。在晶体生长处理后，光刻胶AZ-1350(商品名称，从Hoechst可获得)通过旋转涂料器被应用在p-InGaAsP罩层上得到厚度1μm的薄膜。在80℃温度对晶片预烘干30分钟后，使用覆盖其上的掩模曝光。光波导呈现5μm的宽度，而在显影和冲洗处理后它们呈现8μm的最大宽度和5μm的最小宽度。环状光波导具有600μm的长度。随后，晶片被引入到活性离子刻蚀系统中并通过氯气刻蚀以呈现深度3μm的中空部分。最后，Cr/Au通过升华被沉积到p-InGaAsP罩层35和45上以便在那里产生各自的阳极33和43，同时AuGe/Ni/Au通过升华被沉积到n-InP衬底上以便在那里产生的阴极55。此后，晶片在含氢空气中被加热以产生欧姆触点。
入射到具有上述设计的环状谐振腔型半导体激光器的光被其表面或激光器与空气的界面全反射，因为半导体与空气的折射率不同。如果半导体的折射率是3.5，当界面法线与激光束之间夹角等于或大于16.6°时发生全反射。由于减少反射损耗，为接受全反射的振荡模式呈现的振荡阈值小于任何其它的模式，激光器装置开始利用低注入电流电平振荡。另外，由于增益集中出现在该振荡模式中，将抑制任何其它模式的振荡。在图4A中半导体界面法线与空气之间的夹角是45°和因此满足对于全反射的角度要求。在室温下该振荡阈值电流值是2mA，而环状谐振腔型激光器1402的驱动电流是3mA和环状谐振腔型激光器1403的驱动电流是3.5mA。这样，当激光器保持静止时，激光束1406和激光束1407将呈现相同的振荡波长λ，该波长等于1.55μm。可是由于环状谐振腔型激光器1402的驱动电流和环状谐振腔型激光器1403的驱动电流互不相同，它们的光波导呈现各自相互略有不同的等效折射率。结果，激光束1406的振荡频率f3大于激光束1407的振荡频率f41kHz。
由于环状谐振腔型激光器1402与环状谐振腔型激光器1403通过光波导1430连接，激光束1406和激光束1407有效地耦合。结果，激光束1406和激光束1407在环状谐振腔型半导体激光器中相互干涉。如果使用恒流源，能够通过监测电端子44与阴极55之间的电压获得具有100mV幅度和1kHz频率的信号。另一方面，即使环状谐振腔型半导体激光器1402和1403保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动环状谐振腔型半导体激光器1402和1403以每秒30度的速度顺时针转动，该转动大致对应晃动摄像机的振动或移动汽车的振动，逆时针传播的激光束1406的振荡频率f3上升88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1407的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，通过公式(16)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动环状谐振腔型半导体激光器1402和1403以每秒30度的速度逆时针转动，通过公式(17)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频的增加和减少呈现出与转动方向一一对应的关系。
在此例子中，通过使两个激光器的驱动电流互不相同而使环状谐振腔型激光器1402与环状谐振腔型激光器1403的振荡波长之间互不相同。可是，也可以通过使两个激光器的光学长度例如光波导的长度或宽度或厚度、激光器半导体层的成分或材料不同而使两个激光器的振荡频率不同。
图36是用于通过上述激光器装置检测拍频信号的一个设计的示意图。参照图36，显示了一个陀螺仪1，一个转动台2，一个电流源3，一个电阻4和一个频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5。
利用上述设计，通过串行连接的电阻4将电流从电流源3注入到光学陀螺仪1中。如果光学陀螺仪1保持静止，代表两个激光束之间振荡频率(振荡波长)之差的拍频信号能够作为端子电压的变化而被获得。如果驱动安装在转动台2上的光学陀螺仪1转动，所获得的信号代表光学陀螺仪旋转运动的角速度。
通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5能够将拍频转换成电压值。如果当通过调节偏移保持光学陀螺仪1静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5的电压输出等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5的输出是否是正或负能够检测陀螺仪的转动方向。
(例子10)参照说明例子10的图4B，参考数字1402代表具有锥形区1404的光波导，而参考数字1403代表具有锥形区1405的另一个光波导和参考数字1420代表又一个光波导。在图4B中，参考数字1406和1409代表各自激光束。
利用上述设计，激光束1406和1409两者在相同方向环状传播。尽管能够以前面描述的方式检测转动方向，光波导1402、1403和1420以图4B所示方式设计对于改善耦合激光束1406和1409的效率有利。
(例子11)
图4C是本发明第十一个例子的示意图。参照图4C，此例子的激光器装置包括一个具有其光波导锥形区1404的石英管1402，一个反射镜1414，一个阳极1410和一个阴极1412，还有另一个石英管1403包含其光波导的一个锥形区1405，一个反射镜1415，一个阳极1411，一个电端子1417，一个阴极1413和另一个光波导1420。参考数字1406和1407代表各自的激光束。
上述激光器装置中，通过钻孔使石英管中空而形成石英管1402和1403和光波导1420。此后，反射镜1414和1415安装到各自的石英管1402和1403上。另外，阳极1410、阴极1412、阳极1411、电端子1417和阴极1413安装到石英管1402和1403上。随后，向石英管1402中注入氦气和氖气并在每个石英管的阳极与阴极之间施加电压以引起放电并使电流流过。结果，在石英管1402中只有逆时针激光束1406振荡，而在石英管1403中只有激光束1407振荡。
如果石英管1402和1403保持静止，激光束1406和激光束1407将呈现相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于流过石英管1402的电流与流过石英管1403的电流不同，介质Q值的改变使两个激光束振荡频率略微不同。激光束1406的振荡频率f1大于激光束1407的振荡频率f220MHz。另外，石英管1402与石英管1403通过光波导1420连接，在石英管1403中激光束1406与激光束1407耦合。同时，在石英管1402激光束1407与激光束1406耦合。结果，激光束1406和激光束1407在每个石英管中相互干涉。如果使用恒流源，具有80mV幅度和20MHz频率的信号能够通过监测电端子1417与阴极1413之间的电压而获得。另一方面，即使石英管保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动石英管1402和1403以每秒180度的速度顺时针转动和谐振腔的每个边为10cm长，逆时针传播的激光束1406的振荡频率f1上升248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1407的振荡频率f2减少248.3kHz。然后，通过公式(18)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动石英管1402和1403以每秒180度的速度逆时针转动，通过公式(19)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频的增加和减少呈现出与转动方向一一对应的关系。
尽管在该例子中通过用恒定电流驱动陀螺仪观察到端子电压的改变，如果用恒定电压驱动陀螺仪也能够观察流过端子的电流改变。另外，通过阻抗计也可以直接检测放电阻抗的改变。
(例子12)图4D示意性地说明了此例子。在图4D中，参考数字1418和1419代表各自的光隔离器。
此设计能够用于根据例子11中所述的原理检测转动方向。此例子由于在环状激光器中选择激光束只在一个方向上传播模式的装置而与例子11不同。更特别地，当在例子11中使用锥形光波导时，在此例子中却使用光隔离器。
当使等同极化的波束进入光隔离器时，后者只允许在给定方向上的波束传播并阻止在相反方向上的其它波束的传播。尽管在普通环状激光器中在相反方向上传播的波束被等同极化，通过插入一个光隔离器能够使环状激光器只允许在给定方向传播的波束存在。不用说，可以利用光学环路器或其它光学设备替代光隔离器，只要前者只允许波束在一个方向通过。
(例子13)图5A是本发明第十二个例子的示意图，和图37是沿图5A中线37-37的截面图。参照图5A和图37，此例子的激光器装置包括一个环状谐振腔型半导体激光器1502，该激光器1502具有其光波导锥形区1504，一个阳极33，一个电端子34，一个罩层35，一个覆盖层36，一个光导层37，一个激活层38和另一个光导层39，还有另一个环状谐振腔型半导体激光器1503，具有其光波导的一个锥形区1505，一个阳极43，一个电端子44，一个光导层47，一个激活层48和另一个与半导体衬底54一起的光导层49和一个阴极55。参考数字1506代表逆时针传播的激光束，而参考数字1507代表顺时针传播的激光束。
首先，将描述制造具有上述设计的环状谐振腔型半导体激光器的方法。通过有机金属汽相生长技术在n-InP衬底54(350μm厚度)上生长高掺杂InGaAsP光导层39具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不掺杂InGaAsP激活层38具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一个InGaAsP光导层37具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆盖层36(2μm厚度)和p-InGaAsP罩层35具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于环状谐振腔型半导体激光器1502。同样地，通过有机金属汽相生长技术在n-InP衬底54(350μm厚度)上生长不掺杂InGaAsP光导层49具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，不掺杂InGaAsP激活层48具有1.55μm合成物(0.1μm厚度)，另一个InGaAsP光导层47具有1.3μm的合成物(0.15μm厚度)，p-InP覆盖层46(2μm厚度)和p-InGaAsP罩层45具有1.4μm合成物(0.3μm厚度)用于环状谐振腔型半导体激光器1503。
尽管在此例子中形成了共同用于环状谐振腔型半导体激光器1502和环状谐振腔型半导体激光器1503的半导体层，用于两个环状谐振腔型半导体激光器而形成的层可以另外以分开和独立的处理来形成。在晶体生长处理后，光刻胶AZ-1350(商品名称，从Hoechst可获得)通过旋转涂料器被应用在p-InGaAsP罩层上得到厚度1μm的薄膜。在80℃温度对晶片预烘干30分钟后，使用覆盖其上的掩膜曝光。光波导呈现5μm的宽度，而在显影和冲洗处理后它们呈现8μm的最大宽度和5μm的最小宽度。环状光波导具有600μm的长度。随后，晶片被引入到活性离子刻蚀系统中并通过氯气刻蚀以呈现深度3μm的中空部分。最后，Cr/Au通过升华被沉积到p-InGaAsP罩层35和45上以便在那里产生各自的阳极33和43，同时AuGe/Ni/Au通过升华被沉积到n-InP衬底上以便在那里产生的阴极55。此后，晶片在含氢空气中被加热以产生欧姆触点。
入射到具有上述设计的环状谐振腔型半导体激光器的光被其表面或激光器与空气的界面全反射，因为半导体与空气的折射率不同。如果半导体的折射率是3.5，当界面法线与激光束之间夹角等于或大于16.6°时发生全反射。由于减少反射损耗，为接受全反射的振荡模式呈现的振荡阈值小于任何其它的模式，激光器装置开始利用低注入电流电平振荡。另外，由于增益集中出现在该振荡模式中，将抑制任何其它模式的振荡。在图5A中半导体界面法线与空气之间的夹角是45°和因此满足对于全反射的角度要求。在室温下该振荡阈值电流值是2mA，而环状谐振腔型激光器1502的驱动电流是3mA和环状谐振腔型激光器1503的驱动电流是3.5mA。这样，当激光器保持静止时，激光束1506和激光束1507将呈现相同的振荡波长λ，该波长等于1.55μm。可是，由于环状谐振腔型激光器1502的驱动电流和环状谐振腔型激光器1503的驱动电流互不相同，它们的光波导呈现各自相互略有不同的等效折射率。结果，激光束1506的振荡频率f3大于激光束1507的振荡频率f41kHz。
由于环状谐振腔型激光器1502与环状谐振腔型激光器1503共享部分光波导，激光束1506和激光束1507有效地耦合。结果，激光束1506和激光束1507在环状谐振腔型半导体激光器中相互干涉。如果使用恒流源，能够通过监测电端子34与阴极55之间的电压获得具有100mV幅度和1kHz频率的信号，然而能够通过监测电端子44与阴极55之间的电压获得具有100mV幅度和1kHz频率的信号。另一方面，即使环状谐振腔型半导体激光器1502和1503保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动环状谐振腔型半导体激光器1502和1503以每秒30度的速度顺时针转动，该转动大致对应晃动摄象机的振动或移动汽车的振动，逆时针传播的激光束1506的振荡频率f3上升88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1507的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，通过公式(16)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动环状谐振腔型半导体激光器1502和1503以每秒30度的速度逆时针转动，通过公式(17)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频的增加和减少呈现出与转动方向一一对应的关系。
在此例子中，通过使两个激光器的驱动电流互不相同而使环状谐振腔型激光器1502与环状谐振腔型激光器1503的振荡波长之间互不相同。可是，另外可以通过使两个激光器的光学长度例如光波导的长度或宽度或厚度、激光器半导体层的成分或材料不同而使两个激光器的振荡频率不同。
图38是用于通过上述激光器装置检测拍频信号的一个设计的示意图。参照图38，显示了一个陀螺仪1，一个转动台2，一个电流源3，一个电阻4和一个频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5。
利用上述设计，通过串行连接的电阻4将电流从电流源3注入到光学陀螺仪1中。如果光学陀螺仪1保持静止，代表两个激光束之间振荡频率(振荡波长)之差的拍频信号能够作为端子电压的变化而被获得。如果驱动安装在转动台2上的光学陀螺仪1转动，所获得的信号代表光学陀螺仪旋转运动的角速度。
通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5能够将拍频转换成电压值。如果当通过调节偏移保持光学陀螺仪1静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5的电压输出等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)5的输出是否是正或负能够检测陀螺仪的转动方向。
(例子14)
参照图5B说明例子14，参考数字1502代表具有锥形区1504的光波导，而参考数字1503代表具有锥形区1505的另一个光波导和参考数字1420代表又一个光波导。在图5B中，参考数字1506和1509代表各自激光束。
利用上述设计，激光束1506和1509两者在相同方向环状传播。利用该设计，能够以例子13中描述的方式检测转动方向。
(例子15)图5C是本发明第十五个例子的示意图。参照图5C，此例子的激光器装置包括一个具有其光波导锥形区1504的石英管1502，一个反射镜1514，一个阳极1510，一个电端子1516和一个阴极1512，还有另一个石英管1503包含其光波导的一个锥形区1505，一个反射镜1515，一个阳极1511，一个电端子1517和一个阴极1513。参考数字1506和1508代表各自的激光束。
上述激光器装置中，通过钻孔使石英块中空而形成石英管1502和1503。此后，反射镜1514和1515安装到各自的石英管1502和1503上。另外，阳极1510、电端子1516和阴极1512安装到石英管1502上，同时阳极1511、电端子1517和阴极1513安装到石英管1503上。随后，向石英管1502和1503中注入氦气和氖气并在每个石英管的阳极与阴极之间施加电压以引起放电并使电流流过。由于存在光波导的锥形区1504和1505，在石英管1402中只有逆时针激光束1506振荡，而在石英管1503中只有激光束1508振荡。
如果石英管1502和1503保持静止，激光束1506和激光束1508将呈现相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于流过石英管1502的电流与流过石英管1503的电流不同，介质Q值的改变使两个激光束振荡频率略微不同。激光束1506的振荡频率f1大于激光束1508的振荡频率f220MHz。另外，石英管1502与石英管1503共享部分光波导，在石英管1503中激光束1506与激光束1508耦合。同时，在石英管1502中激光束1508与激光束1506耦合。结果，激光束1506和激光束1508在每个石英管中相互干涉。如果使用恒流源，具有80mV幅度和20MHz频率的信号能够通过监测电端子1516与阴极1512之间的电压而获得，同时具有80mV幅度和20MHz频率的信号能够通过监测电端子1517与阴极1513之间的电压而获得。另一方面，即使石英管保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动石英管1502和1503以每秒180度的速度顺时针转动和谐振腔的每个边为10cm长，逆时针传播的激光束1506的振荡频率f1上升248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1508的振荡频率f2减少248.3kHz。然后，通过公式(18)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动石英管1502和1503以每秒180度的速度逆时针转动，通过公式(19)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频的增加和减少呈现出与转动方向一一对应的关系。
尽管在该例子中向石英管中引入了氦气和氖气，可以用能够引起激光器振荡的任何气体替代它们。另外，光波导的形状可以是六边型，三角形或圆形而非图5C所示的矩形。
(例子16)图5D示意性地说明了此例子。在图5D中，参考数字1518和1519代表各自的光隔离器。
此设计能够用于根据例子15中所述的原理检测转动方向。此例子由于在环状激光器中选择激光束只在一个方向上传播模式的装置而与例子15不同。更特别地，当在例子15中使用锥形光波导时，在此例子中却使用光隔离器。
当使等同极化的波束进入光隔离器时，后者只允许在给定方向上的波束传播并阻止在相反方向上的其它波束的传播。尽管在普通环状激光器中在相反方向上传播的波束被等同极化，通过插入一个光隔离器能够使环状激光器只允许在给定方向传播的波束存在。不用说，可以利用光学环路器或其它光学设备替代光隔离器，只更前者只允许波束在一个方向通过。
(例子17)图7A是本发明第十七个例子的示意图，和图7G是沿图7A中的线7G-7G的截面图。参照图27和图7G，此例子的激光器装置包括一个具有其光波导锥形区1204的环状谐振腔型半导体激光器1200，一个阳极33，一个罩层35，一个覆盖层36，一个光导层37，一个激活层38和另一个光导层39，还有另一个环状谐振腔型半导体激光器1201具有其光波导的一个锥形区1205，一个阳极43，一个罩层45，一个覆盖层46，一个光导层47，一个激活层48和另一个与光检测器1230一起的光导层49，一个半导体衬底54和一个阴极55。参考数字1206代表逆时针传播的激光束和参考数字1256代表从环状谐振腔型半导体激光器1200辐射出的激光束，而参考数字1207代表顺时针传播的激光束和参考数字1257代表从环状谐振腔型半导体激光器1201辐射出的激光束。
半导体激光器1200和1201如同例子1中那样制造。
在室温下该振荡阈值电流值是2mA，而环状谐振腔型激光器1200的驱动电流是3mA和环状谐振腔型激光器1201的驱动电流是3.5mA。这样，当激光器保持静止时，激光束1206和激光束1207将呈现相同的振荡波长λ，该波长等于1.55μm。可是，由于环状谐振腔型激光器1200的驱动电流和环状谐振腔型激光器1201的驱动电流互不相同，它们的光波导呈现各自相互略有不同的等效折射率。结果，激光束1206的振荡频率f3大于激光束1207的振荡频率f41kHz。当由光检测器1230同时接收激光束1256和激光束1257时，在光检测器1230中激光束1206和激光束1207相互干涉。结果，在光检测器1230的电端子上获得具有80mV幅度和1kHz频率的信号。另一方面，即使环状谐振腔型半导体激光器1200和1201保持静止，也能够检测拍频电压。
注意两个环状谐振腔型半导体激光器不必设计得靠近。
如果驱动环状谐振腔型半导体激光器1200和1201以每秒30度的速度作顺时针转动，该转动大致对应于摄象机被晃动时的摆动速度或运动中汽车的速度，逆时针传播的激光束1206的振荡频率f3升高88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1207的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，由下面的公式(20)能够获得拍频。
f3-f4＝1kHz+177.4Hz……(20)在此情况下，另一方面，驱动该环状谐振腔型半导体激光器1200和1201以每秒30度的速度作逆时针转动，由下面的公式(21)能够获得拍频。
f3-f4＝1kHz-177.4Hz……(21)由于拍频增加或减少的绝对值与转动速度成正比，现在也可能不仅检测半导体激光器的转动速度，而且检测转动方向，因为拍频的增加或减少呈现出一一对应转动方向的关系。
尽管在上述例子中通过使用InGaAsP型材料实现了半导体激光器，它们也可以用GaAs型，ZnSe型，InGaN型或AlGaN型材料代替。另外，光波导的形状可以是六角形，三角形或圆形而非图7A中所示的矩形。
在上述例子中环状谐振腔型激光器1202和1203的驱动电流不同以便使振荡频率不同。可是，另外可以通过使两个激光器的光学长度例如光波导的长度或宽度或厚度、激光器半导体层的成分或材料不同而使两个激光器的振荡频率不同。
图39是用于通过上述激光器装置检测拍频信号的一个设计的示意图。参照图39，显示了一个陀螺仪1，一个环状谐振腔型激光器2，一个光检测器3，一个转动台4，一个电流源5，一个电阻6和一个频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7。
利用上述设计，通过串行连接的电阻6将电流从电流源5注入到光学陀螺仪1中。如果光学陀螺仪1保持静止，代表两个激光束之间振荡频率(振荡波长)之差的拍频信号能够作为光检测器3的端子电压的变化而被获得。如果驱动安装在转动台4上的光学陀螺仪1转动，所获得的信号代表光学陀螺仪旋转运动的角速度。
通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7能够将拍频转换成电压值如果当通过调节偏移保持光学陀螺仪1静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的电压输出等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的输出是否是正或负能够检测陀螺仪的转动方向。
(例子18)参照说明例子18的图7B和7H，参考数字1240代表一个反射镜，参考数字1209代表逆时针传播的激光束，而参考数字1257代表由反射镜1240反射的激光束。图7H是沿图7B中的线7H-7H的截面图。
上述设计不同于例子17中的设计之处在于环状谐振腔型激光器1201的光波导锥形区1205相对图7A中是相反方向的，以便因此激光束1209在环状谐振腔型激光器1201中逆时针传播。利用此设计，通过使激光束1257从环状谐振腔型激光器1201中辐射出并由反射镜1240反射和与激光束1256一起由光检测器1230接收，能够如同例子17那样获得拍频信号。
(例子19)图7C是本发明第十七个例子的示意图。参照图7C，此例子中的激光器装置包括与一个石英管1202一起的一个光检测器1230，石英管1202包括光波导的一个锥形区1204，一个反射镜1214，一个阳极1210和一个阴极1212，还有一个石英管1203包括光波导的一个锥形区1205，一个反射镜1215，一个阳极1211和一个阴极1213。参考数字1206代表通过石英管1202传播的激光束，参考数字1256代表向外辐射的激光束，而参考数字1207代表通过石英管1203传播的激光束，参考数字1257代表向外辐射的激光束。
该激光器以例子3中所描述的方式制造。
如果石英管1202和1203保持静止，激光束1206和激光束1207将呈现基本上相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于流过石英管1202的电流与流过石英管1203的电流不同，介质Q值的改变使两个激光束振荡频率略微不同。激光束1206的振荡频率f1大于激光束1207的振荡频率f220MHz。当激光器谐振腔的一个反射镜制造的呈现比其它反射镜低的反射率时，能够从具有较低反射率的反射镜提取激光束。当激光束1256和激光束1257由光检测器1230同时接收时，在光检测器1230中激光束1206和1207相互干涉。结果，在光检测器1230的电端子上能够获得50mV幅度和20MHz频率的信号。另一方面，当石英管1202和1203保持静止时也能够检测拍频电压。
如果驱动石英管1202和1203以每秒180度顺时针转动并且谐振腔每个边长10cm，逆时针传播的激光束1206的振荡频率f1升高248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1207的振荡频率f2减少了248.3kHz。然后，通过下面的公式(22)能够获得拍频。
f1-f2＝20MHz+496.6kHz……(22)在此情况下，另一方面，以每秒180度的速度驱动石英管1202和1203逆时针转动，通过下面的公式(23)能够获得拍频。
f1-f2＝20MHz-496.6kHz……(23)由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频呈现对于转动方向的一一对应关系。
尽管在该例子中向石英管中引入了氦气和氖气，可以用能够引起激光器振荡的任何气体替代它们。另外，光波导的形状可以是六边型，三角形或圆形而非图7C所示的矩形。
(例子20)参照说明例子20的图7D，参考数字1240代表一个反射镜和参考数字1209代表逆时针传播的激光束，而参考数字1257代表由反射镜1240反射的激光束。
上述设计不同于例子19中的设计之处在于石英管的光波导锥形区1205相对图7C中是相反方向的，以便因此激光束1209在石英管1203中逆时针传播。利用此设计，通过使激光束1257从石英管1203中辐射出并由反射镜1240反射和与激光束1256一起由光检测器1230接收，能够如同例子19那样获得一比特信号。
(例子21)图7E示意性地说明了此例子。在图7E中，参考数字1218和1219代表各自的光隔离器。
此设计能够用于根据例子19中所述的原理检测转动方向。此例子由于在环状激光器中选择激光束只在一个方向上传播而与例子19不同。更特别地，当在例子19中使用锥形光波导时，在此例子中却使用光隔离器。
当使等同极化的波束进入光隔离器时，后者只允许在给定方向上的波束传播并阻止在相反方向上的其它波束的传播。尽管在普通环状激光器中在相反方向上传播的波束被等同极化，通过插入一个光隔离器能够使环状激光器只允许在给定方向传播的波束存在。不用说，可以利用光学环路器或其它光学设备替代光隔离器，只要前者只允许波束在一个方向通过。
(例子22)参照说明例子22的图7F，此例子的设计不同于例子21中的设计之处在于光隔离器1219相对图7E中是相反方向的，以便因此激光束1209在石英管1203中逆时针传播。利用此设计，通过使激光束1257从石英管1203中辐射出并由反射镜1240反射和与激光束1256一起由光检测器1230接收，能够如同例子21那样获得一比特信号。
(例子23)图8A是本发明第二十个例子的示意图，图8E和8F分别是沿图8A中的线8E-8E和8F-8F截面图。参照图8A，8E和8F，此例子中的激光器装置包括与一个环状谐振腔型半导体激光器1300，该半导体激光器具有其光波导的一个锥形区1304，一个阳极33，一个罩层35，一个覆盖层36，一个光导层37，一个激活层38和另一个光导层39，还有另一个环状谐振腔型半导体激光器1301，该半导体激光器具有其光波导的一个锥形区1305，一个阳极43，一个罩层45，一个覆盖层46，一个光导层47，一个激活层48和另一个与光检测器1330一起的光导层49。参考数字1306代表逆时针传播的激光束，参考数字1356代表从环状谐振腔型半导体激光器1300辐射出的激光束，而参考数字1307代表顺时针传播的激光束，参考数字1357代表从环状谐振腔型半导体激光器1301辐射出的激光束。
半导体激光器1300和1301以例子5中所描述的方式制造。
在室温下振荡阈值电流值是2mA，而环状谐振腔型激光器1300的驱动电流是3mA和环状谐振腔型激光器1301的驱动电流是3.5mA。这样，当激光器保持静止时，激光束1306和激光束1307呈现相同的振荡波长λ，该波长等于1.55μm。可是，由于环状谐振腔型激光器1300与环状谐振腔型激光器1301的驱动电流互不相同，它们的光波导呈现相互略有不同的各自等效折射率。结果，激光束1306的振荡频率f3大于激光束1307的振荡频率f41kHz。
当出现全反射时，产生沿界面漂移的短暂光。如果振荡波长是1.55μm，短暂光的穿透深度是0.0735μm。短暂光强度呈指数衰减(穿透深度是电场幅度衰减到1/e处的距离)。环状谐振腔型激光器1300和光波导1320分开0.07μm，该值小于穿透深度，以便激光束1306被有效地耦合到光波导1320。同样地，环状谐振腔型激光器1303和光波导1320分开0.07μm，该值小于穿透深度，以便激光束1307被有效地耦合到光波导1320。这样，当光检测器1330同时接收时，激光束1356和从光波导1320辐射出的激光束1357相互干涉。结果，在光检测器1330的电端子上能够获得具有50mV幅度和1kHz频率的信号。另一方面，即使环状谐振腔型半导体激光器1300和1301保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动环状谐振腔型半导体激光器1330和1331以每秒30度的速度顺时针转动，该转动大致对应晃动摄象机的振动或移动汽车的振动，逆时针传播的激光束1306的振荡频率f3上升88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1307的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，通过公式(20)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动环状谐振腔型半导体激光器1300和1301以每秒30度的速度逆时针转动，通过公式(21)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频的增加和减少呈现出与转动方向一一对应的关系。
在上述例子中环状谐振腔型激光器1300和1301的驱动电流互不相同以便振荡频率互不相同。可是，另外能够通过使两个激光器的光学长度例如光波导的长度或宽度或厚度、激光器半导体层的成分或材料不同使两个激光器的振荡频率不同。
图40是用于通过上述激光器装置检测拍频信号的一个设计的示意图。参照图40，显示了一个陀螺仪1，一个环状谐振腔型激光器2，一个光检测器3，一个转动台4，一个电流源5，一个电阻6和一个频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7。
利用上述设计，通过串行连接的电阻6将电流从电流源5注入到光学陀螺仪1中。如果光学陀螺仪1保持静止，代表两个激光束之间振荡频率(振荡波长)之差的拍频信号能够作为光检测器3的端子电压的变化而被获得。如果驱动安装在转动台4上的光学陀螺仪1转动，所获得的信号代表光学陀螺仪旋转运动的角速度。
通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7能够将拍频转换成电压值。如果当通过调节偏移保持光学陀螺仪1静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的电压输出等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的输出是否是正或负能够检测光学陀螺仪的转动方向。
(例子24)参照说明例子24的图8B，参考数字1302代表具有锥形区1304的光波导，而参考数字1303代表具有锥形区1305的另一个光波导。在图8B中，参考数字1306、1356、1309和1357代表各自激光束。
利用上述设计，激光束1306和1309两者在相同方向环状传播。尽管能够以前面描述的方式检测转动方向，光波导1302、1303和1320以图8B所示方式设计对于改善耦合激光束1306和1309的效率有利。
(例子25)图8C说明本发明的第二十五个例子。参照图8C，此例子中的激光器装置包括一个光检测器1330和一个石英管1302，石英管1302包括光波导的一个锥形区1304，一个反射镜1314，一个阳极1310和一个阴极1312，还有一个石英管1303包括光波导的一个锥形区1305，一个反射镜1315，一个阳极1311和一个阴极1313。参考数字1306代表通过石英管1302传播的激光束，参考数字1356代表向石英管1302之外辐射的激光束，而参考数字1307代表通过石英管1303传播的激光束，参考数字1357代表向石英管1303之外辐射的激光束。
该激光器以例子7中所描述的方式制造。
如果石英管1302和1303保持静止，激光束1306和激光束1307将呈现基本上相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于流过石英管1302的电流与流过石英管1303的电流不同，介质Q值的改变使两个激光束振荡频率略微不同。激光束1306的振荡频率f1大于激光束1307的振荡频率f220MHz。
另外，由于石英管1302和光波导1320设计得靠近，激光束1306和1307与光波导1320耦合。这样，由光检测器1230同时接收时，激光束1356和从光波导1320向外辐射的激光束1357相互干涉。结果，在光检测器1330的电端子上能够获得50mV幅度和20MHz频率的信号。另一方面，当石英管1302和1303保持静止时也能够检测拍频电压。
如果驱动石英管1302和1303以每秒180度速度顺时针转动并且谐振腔每个边长10cm，逆时针传播的激光束1306的振荡频率f1升高248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1307的振荡频率f2减少了248.3kHz。然后，通过下面的公式(22)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，以每秒180度的速度驱动石英管1302和1303逆时针转动，通过下面的公式(23)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频呈现对于转动方向的一一对应关系。
(例子26)图8D示意性地说明了此例子。在图8D中，参考数字1318和1319代表各自的光隔离器。
此设计能够用于根据例子25中所述的原理检测转动方向。此例子由于在环状激光器中选择激光束只在一个方向上传播而与例子25不同。更特别地，当在例子25中使用锥形光波导时，在此例子中却使用光隔离器。
当使等同极化的波束进入光隔离器时，后者只允许在给定方向上的波束传播并阻止在相反方向上的其它波束的传播。尽管在普通环状激光器中在相反方向上传播的波束被等同极化，通过插入一个光隔离器能够使环状激光器只允许在给定方向传播的波束存在。不用说，可以利用光学环路器或其它光学设备替代光隔离器，只要前者只允许波束在一个方向通过。
(例子27)图9A是本发明第二十七例子的示意图，最清楚地表示了它的特性方面，和图9E和9F是沿图9A中的线9E-9E和9F-9F的截面图。参照图9A，9E和图9F，此例子的激光器装置包括一个具有其光波导锥形区1404的环状谐振腔型半导体激光器1400，一个阳极33，一个罩层35，一个覆盖层36，一个光导层37，一个激活层38和另一个光导层39，还有另一个环状谐振腔型半导体激光器1401具有其光波导的一个锥形区1405，一个阳极43，一个罩层45，一个覆盖层46，一个光导层47，一个激活层48和另一个与光检测器1430一起的光导层49，一个半导体衬底54，一个阴极55和另一个光波导1430。参考数字1406代表逆时针传播的激光束和参考数字1456代表从环状谐振腔型半导体激光器1400辐射出的激光束，而参考数字1407代表顺时针传播的激光束和参考数字1457代表从环状谐振腔型半导体激光器1403辐射出的激光束。
半导体激光器1400和1401如同例子9中那样制造。
在室温下该振荡阈值电流值是2mA，而环状谐振腔型激光器1400的驱动电流是3mA和环状谐振腔型激光器1401的驱动电流是3.5mA。这样，当激光器保持静止时，激光束1406和激光束1407将呈现相同的振荡波长λ，该波长等于1.55μm。可是，由于环状谐振腔型激光器1400的驱动电流和环状谐振腔型激光器1401的驱动电流互不相同，它们的光波导呈现各自相互略有不同的等效折射率。结果，激光束1406的振荡频率f3大于激光束1407的振荡频率f41kHz。由于环状谐振腔型激光器1400和环状谐振腔型激光器1401通过光波导1420连接，激光束1406和激光束1407相互有效地耦合。然后，当由光检测器接收它们时，激光束1456和从光波导1420辐射出的激光束1457相互干涉。结果，在光检测器1430的电端子上获得具有50mV幅度和1kHz频率的信号。另一方面，即使环状谐振腔型半导体激光器1402和1403保持静止，也能够检测拍频电压。
如果驱动环状谐振腔型半导体激光器1400和1401以每秒30度的速度作顺时针转动，该转动大致对应于摄象机被晃动时的摆动速度或运动中汽车的速度，逆时针传播的激光束1406的振荡频率f3升高88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1407的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，由公式(20)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动该环状谐振腔型半导体激光器1400和1401以每秒30度的速度作逆时针转动，由公式(21)能够获得拍频。
由于拍频增加或减少的绝对值与转动速度成正比，现在也可能不仅检测半导体激光器的转动速度，而且检测转动方向，因为拍频的增加或减少呈现出一一对应转动方向的关系。
在上述例子中环状谐振腔型激光器1430和1441的驱动电流不同以便使振荡频率不同。可是，另外可以通过使两个激光器的光学长度例如光波导的长度或宽度或厚度、激光器半导体层的成分或材料不同而使两个激光器的振荡频率不同。
图41是用于通过上述激光器装置检测拍频信号的一个设计的示意图。参照图41，显示了一个陀螺仪1，一个环状谐振腔型激光器2，一个光检测器3，一个转动台4，一个电流源5，一个电阻6和一个频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7。
利用上述设计，通过串行连接的电阻6将电流从电流源5注入到光学陀螺仪1中。如果光学陀螺仪1保持静止，代表两个激光束之间振荡频率(振荡波长)之差的拍频信号能够作为光检测器3的端子电压的变化而被获得。如果驱动安装在转动台4上的光学陀螺仪1转动，所获得的信号代表光学陀螺仪旋转运动的角速度。
通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7能够将拍频转换成电压值。如果当通过调节偏移保持光学陀螺仪1静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的电压输出等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的输出是否是正或负能够检测陀螺仪的转动方向。
(例子28)参照图9B说明例子28，参考数字1402代表具有锥形区1404的光波导，而参考数字1403代表具有锥形区1405的另一个光波导。在图9B中，参考数字1406、1456、1409和1457代表各自激光束。
利用上述设计，激光束1406和1409两者在相同方向环状传播。尽管能够以前面描述的方式检测转动方向，光波导1402、1403和1420以图9B所示方式设计对于改善耦合激光束1406和1409的效率有利。
(例子29)图9C说明本发明的第二十九个例子。参照图9C，此例子中的激光器装置包括一个光检测器1430和一个石英管1402，石英管1402包括光波导的一个锥形区1404，一个反射镜1414，一个阳极13和一个阴极15，还有一个石英管1403包括光波导的一个锥形区1405，一个反射镜1415，一个阳极23和与光波导1420一起的一个阴极25。参考数字1406代表通过石英管1402传播的激光束，参考数字1456代表向石英管1402之外辐射的激光束，而参考数字1407代表通过石英管1403传播的激光束，参考数字1457代表向石英管1403之外辐射的激光束。
该激光器以例子11中所描述的方式制造。
如果石英管1402和1403保持静止，激光束106和激光束1407将呈现基本上相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于流过石英管1402的电流与流过石英管1403的电流不同，介质Q值的改变使两个激光束振荡频率略微不同。激光束1406的振荡频率f1大于激光束1407的振荡频率f220MHz。另外，由于石英管1402和1403连接到光波导1420，激光束1406和1407与光波导1420耦合。然后，当由光检测器1430同时接收它们时，激光束1456和从光波导1420向外辐射的激光束1457相互干涉。结果，在光检测器1430的电端子上能够获得50mV幅度和20MHz频率的信号。另一方面，即使石英管1402和1403保持静止也能够检测拍频电压。
如果驱动石英管1402和1403以每秒180度速度顺时针转动并且谐振腔每个边长10cm，逆时针传播的激光束1406的振荡频率f1升高248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1407的振荡频率f2减少了248.3kHz。然后，通过公式(22)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，以每秒180度的速度驱动石英管1402和1403逆时针转动，通过公式(23)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频呈现对于转动方向的一一对应关系。
(例子30)图9D示意性地说明了此例子。在图9D中，参考数字1418和1419代表各自的光隔离器。
此设计能够用于根据例子29中所述的原理检测转动方向。此例子由于在环状激光器中选择激光束只在一个方向上传播而与例子29不同。更特别地，当在例子29中使用锥形光波导时，在此例子中却使用光隔离器。
当使等同极化的波束进入光隔离器时，后者只允许在给定方向上的波束传播并阻止在相反方向上的其它波束的传播。尽管在普通环状激光器中在相反方向上传播的波束被等同极化，通过插入一个光隔离器能够使环状激光器只允许在给定方向传播的波束存在。不用说，可以利用光学环路器或其它光学设备替代光隔离器，只要前者只允许波表在一个方向通过。
(例子31)图10A是本发明第三十一个例子的示意图，和图10E是沿图10A中的线10E-10E的截面图。参照图10A和图10EF，此例子的激光器装置包括一个具有其光波导锥形区1504的环状谐振腔型半导体激光器1500，一个阳极33，一个罩层35，一个覆盖层36，一个光导层37，一个激活层38和另一个光导层39，还有另一个环状谐振腔型半导体激光器1501具有其光波导的一个锥形区1505，一个阳极43，一个罩层45，一个覆盖层46，一个光导层47，一个激活层48和另一个与光检测器1530一起的光导层49，一个半导体衬底54，一个阴极55。参考数字1506代表逆时针传播的激光束和参考数字1556代表从环状谐振腔型半导体激光器1500辐射出的激光束，而参考数字1507代表顺时针传播的激光束和参考数字1557代表从环状谐振腔型半导体激光器1503辐射出的激光束。
半导体激光器如同例子13中那样制造。
在室温下该振荡阈值电流值是2mA，而环状谐振腔型激光器1500的驱动电流是3mA和环状谐振腔型激光器1501的驱动电流是3.5mA。这样，当激光器保持静止时，激光束1506和激光束1507将呈现相同的振荡波长λ，该波长等于1.55μm。可是，由于环状谐振腔型激光器1500的驱动电流和环状谐振腔型激光器1501的驱动电流互不相同，它们的光波导呈现各自相互略有不同的等效折射率。结果，激光束1506的振荡频率f3大于激光束1507的振荡频率f41kHz。由于环状谐振腔型激光器1500和环状谐振腔型激光器1501共享它们的部分光波导，激光束1506和激光束1507相互有效地耦合。然后，当由光检测器1530同时接收它们时，激光束1556和从共享光波导辐射出的激光束1557相互干涉。结果，在光检测器1530的电端子上获得具有50mV幅度和1kHz频率的信号。另一方面，即使环状谐振腔型半导体激光器1500和1501保持静止，也能够检测拍频电压。
注意两个环状谐振腔型半导体激光器不必设计得靠近。
如果驱动环状谐振腔型半导体激光器1500和1501以每秒30度的速度作顺时针转动，该转动大致对应于摄象机被晃动时的摆动速度或运动中汽车的速度，逆时针传播的激光束1506的振荡频率f3升高88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1507的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，由公式(20)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，驱动该环状谐振腔型半导体激光器1500和1501以每秒30度的速度作逆时针转动，由公式(21)能够获得拍频。
由于拍频增加或减少的绝对值与转动速度成正比，现在也可能不仅检测半导体激光器的转动速度，而且检测转动方向，因为拍频的增加或减少呈现出一一对应转动方向的关系。
在上述例子中环状谐振腔型激光器1500和1501的驱动电流不同以便使振荡频率不同。可是，另外可以通过使两个激光器的光学长度例如光波导的长度或宽度或厚度、激光器半导体层的成分或材料不同而使两个激光器的振荡频率不同。
图42是用于通过上述激光器装置检测拍频信号的一个设计的示意图。参照图42，显示了一个陀螺仪1，一个环状谐振腔型激光器2，一个光检测器3，一个转动台4，一个电流源5，一个电阻6和一个频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7。
利用上述设计，通过串行连接的电阻6将电流从电流源5注入到光学陀螺仪1中。如果光学陀螺仪1保持静止，代表两个激光束之间振荡频率(振荡波长)之差的拍频信号能够作为光检测器3的端子电压的变化而被获得。如果驱动安装在转动台4上的光学陀螺仪1转动，所获得的信号代表光学陀螺仪旋转运动的角速度。
通过使拍频信号通过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7能够将拍频转换成电压值。如果当通过调节偏移保持光学陀螺仪1静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的电压输出等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)7的输出是否是正或负能够检测陀螺仪的转动方向。
(例子32)参照图10B说明例子32，参考数字1502代表具有锥形区1504的光波导，而参考数字1503代表具有锥形区1505的另一个光波导。在图10B中，参考数字1506、1556、1509和1557代表各自激光束。
利用上述设计，激光束1506和1509两者在相同方向环状传播。这样，能够检测转动方向。
(例子33)图10C说明本发明的第三十三个例子。参照图10C，此例子中的激光器装置包括一个光检测器1530和一个石英管1502，石英管1502包括光波导的一个锥形区1504，一个反射镜1514，一个阳极1510和一个阴极1512，还有一个石英管1503包括光波导的一个锥形区1505，一个反射镜1515，一个阳极1511和一个阴极1513。参考数字1506代表通过石英管1502传播的激光束，参考数字1556代表向石英管1502之外辐射的激光束，而参考数字1507代表通过石英管1503传播的激光束，参考数字1557代表向石英管1503之外辐射的激光束。
该激光器以例子15中所描述的方式制造。
如果石英管1502和1503保持静止，激光束1506和激光束1507将呈现基本上相同的振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于流过石英管1502的电流与流过石英管1503的电流不同，介质Q值的改变使两个激光束振荡频率略微不同。激光束1506的振荡频率f1大于激光束1507的振荡频率f220MHz。另外，由于石英管1502和1503共享部分光波导1520，当由光检测器1530同时接收它们时，激光束1556和从光波导1520向外辐射的激光束1557相互干涉。结果，在光检测器1530的电端子上能够获得50mV幅度和1kMHz频率的信号。另一方面，即使石英管1502和1503保持静止也能够检测拍频电压。
如果驱动石英管1502和1503以每秒180度速度顺时针转动并且谐振腔每个边长10cm，逆时针传播的激光束1506的振荡频率f1升高248.3kHz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束1507的振荡频率f2减少了248.3kHz。然后，通过公式(22)能够获得拍频。
在此情况下，另一方面，以每秒180度的速度驱动石英管1502和1503逆时针转动，通过公式(23)能够获得拍频。
由于拍频绝对值的增加和减少与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测转动方向，因为拍频呈现对于转动方向的一一对应关系。
(例子34)图10D示意性地说明了此例子。在图10D中，参考数字1518和1519代表各自的光隔离器。
此设计能够用于根据例子33中所述的原理检测转动方向。此例子由于在环状激光器中选择激光束只在一个方向上传播而与例子33不同。更特别地，当在例子33中使用锥形光波导时，在此例子中却使用光隔离器。
当使等同极化的波束进入光隔离器时，后者只允许在给定方向上的波束传播并阻止在相反方向上的其它波束的传播。尽管在普通环状激光器中在相反方向上传播的波束被等同极化，通过插入一个光隔离器能够使环状激光器只允许在给定方向传播的波束存在。不用说，可以利用光学环路器或其它光学设备替代光隔离器，只要前者只允许波束在一个方向通过。
尽管在该例子中向石英管中引入了氦气和氖气，可以用能够引起激光器振荡的任何气体替代它们并从而能够检测石英管的角速度例如氩离子激光器，二氧化碳气体激光器和激发物激光器可以另外用于本发明的目的。
尽管上面描述的石英管的使用用于制造气体激光器，该石英管可以由聚合物管替代。使用聚合物管提供了使用低温制造处理的优点。能够用于本发明目的的聚合物材料包括聚酰亚胺氟化物，聚硅氧烷，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，环氧树脂和聚碳酸酯。
能够用于本发明目的的放电电极的材料包括铝，锆和钨。
如同上面详细描述的，根据本发明，从物体不转动时通过检测激光器装置的拍频和确定其增加和减少，现在有可能不仅检测物体的角速度也检测旋转方向。
权利要求
1.一种陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的第一激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的第二激光束作为主要工作模式；以便在所述第一激光器和所述第二激光器的至少一个上提取电信号；且所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振荡频率并相互干涉。
2.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导和所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导的至少一部分和所述第二光波导的至少一部分被设计得比较靠近。
3.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导和所述第二激光器具有第二光波导，还提供并光学耦合到所述第一和第二光波导的至少一部分上的第三光波导。
4.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导和所述第二激光器具有第二光波导，所述陀螺仪进一步包括第三光波导连接到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
5.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导和所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导被至少部分地共享。
6.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，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荡波长。
7.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，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荡频率。
8.根据权利要求7的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有100Hz或更大的振荡频率差。
9.根据权利要求7的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有1kHz或更大的振荡频率差。
10.根据权利要求7的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有10kHz或更大的振荡频率差。
11.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向传播。
12.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向传播。
13.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中电流以不同强度分别注入到所述第一激光器和所述第二激光器中。
14.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中电压以不同电位电平分别施加到所述第一激光器和所述第二激光器中。
15.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，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长度。
16.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有长度互不相同的光波导。
17.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，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.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器的光波导是环状形状。
19.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导和所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导两者具有不对称锥形区。
20.根据权利要求19的一种陀螺仪，其中所述锥形区包括第一锥形部分和第二锥形部分，且第一锥形部分或第二锥形部分与具有恒定宽度的光波导部分形成90°角。
21.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导和所述第二激光器具有第二光波导，所述第一和第二光波导分别具有光学元件，用来使一个方向上传播的激光束的传输损耗与在相反方向上传播的激光束的传输损耗不同。
22.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器是半导体激光器。
23.根据权利要求22的一种陀螺仪，其中所述半导体激光器具有量子阱结构。
24.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器是气体激光器。
25.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器是环状谐振腔型激光器。
26.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有在各自波导的侧表面上的全反射平面。
27.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器利用恒定电流驱动。
28.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器利用恒定电压驱动。
29.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器利用恒定电压驱动，而所述第二激光器利用恒定电流驱动。
30.根据权利要求2的一种陀螺仪，其中所述第一光波导的至少一部分设计得接近或在所述第二激光束的渗透深度内。
31.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述电信号是随所述第一激光器和所述第二激光器的转动而改变的信号。
32.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述电信号是所述第一激光器或所述第二激光器的电信号。
33.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述电信号是电压信号。
34.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述电信号是施加在所述第一激光器或所述第二激光器的至少一个上的电压信号、流过所述第一激光器或所述第二激光器的至少一个上的电流信号、或所述第一激光器或所述第二激光器之一的阻抗信号。
35.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中从所述电信号中检测拍频信号。
36.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，其中通过所述电信号频率的改变检测所述第一激光器和所述第二激光器的角速度和转动方向。
37.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器的至少之一装备了用于检测该电信号的电端子。
38.根据权利要求1的一种陀螺仪，其中所述电信号是通过安放在所述第一激光器和所述第二激光器之外的光检测器获得的。
39.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，进一步包括频率/电压转换器电路。
40.根据权利要求1到5的任何一个的一种陀螺仪，进一步包括保护电路。
41.一种陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，提供第三光波导并光学耦合到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
42.一种陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，提供第三光波导并连接到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
43.一种陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导至少部分共享。
44.根据权利要求41到43的任何一个的一种陀螺仪，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荡频率。
45.根据权利要求44的一种陀螺仪，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电信号。
46.一种陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和拍频信号检测装置；所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振荡频率并相互干涉。
47.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导的至少一部分和所述第二光波导至少一部分设计得接近。
48.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，提供第三光波导并光学耦合到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
49.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述陀螺仪进一步包括第三光波导连接到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
50.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导至少部分共享。
51.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述拍频信号检测装置是电压信号检测装置。
52.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述拍频信号检测装置检测施加到所述第一激光器或所述第二激光器至少之一上的电压信号、流过所述第一激光器或所述第二激光器至少之一上的电流信号、或所述第一激光器或所述第二激光器之一上的阳抗信号。
53.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器的至少之一装备了用于检测该电信号的电端子。
54.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述拍频信号检测装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检测器。
55.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述拍频信号检测装置包括频率/电压转换器电路。
56.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述拍频信号检测装置包括减法电路。
57.根据权利要求46的一种陀螺仪，其中所述拍频信号检测装置包括保护电路。
58.一种陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；和光检测器，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荡频率并相互干涉。
59.根据权利要求58的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导的至少一部分和所述第二光波导的至少一部分设计得接近。
60.根据权利要求58的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，提供第三光波导并光学耦合到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
61.根据权利要求58的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述陀螺仪进一步包括第三光波导连接到所述第一和第二光波导的至少一部分上。
62.根据权利要求58的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导至少部分共享。
63.根据权利要求58的一种陀螺仪，其中所述光检测器同时接收所述第一激光束和所述第二激光束。
64.根据权利要求58的一种陀螺仪，其中通过从所述光检测器提取出电信号检测拍频信号。
65.根据权利要求58到62的任何一个权利要求的一种陀螺仪，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荡频率。
66.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有100Hz或更大的振荡频率差。
67.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有1kHz或更大的振荡频率差。
68.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束具有10kHz或更大的振荡频率差。
69.根据权利要求62到65的任何一个权利要求的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向上传播。
70.根据权利要求62到65的任何一个权利要求的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向上传播。
71.根据权利要求62到65的任何一个权利要求的一种陀螺仪，其中电流以不同强度分别注入到所述第一激光器和所述第二激光器中。
72.根据权利要求62到65的任何一个的一种陀螺仪，其中电压以不同电位电平分别施加到所述第一激光器和所述第二激光器中。
73.根据权利要求62到65的任何一个的一种陀螺仪，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长度。
74.根据权利要求62到65的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有长度互不相同的光波导。
75.根据权利要求62到65的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器的光波导是环状形状。
76.根据权利要求62到65的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导两者具有不对称锥形区。
77.根据权利要求75的一种陀螺仪，其中所述锥形区包括第一锥形部分和第二锥形部分，且第一锥形部分或第二锥形部分与具有恒定宽度的光波导部分形成90度角。
78.根据权利要求62到65的任何一个的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一和第二光波导分别具有光学元件，用来使一个方向上传播的激光束的传输损耗与相反方向上传播的激光束的传输损耗不同。
79.根据权利要求63的一种陀螺仪，其中所述第一光波导的至少一部分设计得接近并在所述第二激光束的渗透深度内。
80.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相反方向上传播。
81.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光束和所述第二激光束在相同方向上传播。
82.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中电流以不同强度分别注入到所述第一激光器和所述第二激光器中。
83.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中电压以不同电位电平分别施加到所述第一激光器和所述第二激光器中。
84.根据权利要求65的一种陀螺仪，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长度。
85.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器具有长度互不相同的光波导。
86.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光器和所述第二激光器的光波导是环状形状。
87.根据权利要求86的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导两者具有不对称锥形区。
88.根据权利要求86的一种陀螺仪，其中所述锥形区包括第一锥形部分和第二锥形部分，且第一锥形部分或第二锥形部分与具有恒定宽度的光波导部分形成90度角。
89.根据权利要求65的一种陀螺仪，其中所述第一激光器具有第一光波导，所述第二激光器具有第二光波导，所述第一和第二光波导分别具有光学元件，用来使一个方向上传播的激光束的传输损耗与相反方向上传播的激光束的传输损耗不同。
90.一种陀螺仪包括第一激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；第二激光器，用来产生在一个方向上传播的激光束作为主要工作模式；且所示第一激光束和所示第二激光束具有不同的各自振荡频率并相互干涉。
全文摘要
一种陀螺仪包括:第一激光器,用来产生在一个方向上传播的第一激光束作为主要工作模式;和第二激光器,用来产生在一个方向上传播的第二激光束作为主要工作模式。该陀螺仪可具有用来接收第一和第二激光束的拍频检测装置和光检测器。第一激光束和所述第二激光束具有不同的各自振荡频率并相互干涉。
文档编号G01C19/66GK1272622SQ00104198
公开日2000年11月8日 申请日期2000年1月21日 优先权日1999年1月22日
发明者沼居贵阳 申请人:佳能株式会社