专利名称：具有垂直结构的半导体固态激光陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明所属的技术领域是尤其适用于惯性控制系统中的固态激光陀螺仪。这种装置可用于例如航空应用中。
大约三十年前出现的激光陀螺仪现在已经被普遍商业化并被广泛使用。它的操作原理是基于Sagnac效应，该效应引起在进行旋转运动的双向环形激光腔内反向传播的两个发射光学模式——被称为反向传输模式——之间的频率差Δv。通常地，由旋转运动引起的两个光学模式间的频率差Δv等于Δv＝4AΩ/λLL和A分别是腔的长度和面积；λ是不具有Sagnac效应的发射激光的波长；Ω是装配体的转速。对两束发射光的光差进行光谱分析可以获得Δv的检测量，通过该检测量能够以很高的精度确定Ω的值。
在标准激光陀螺仪中，增益介质是由氦和氖原子按适当比例构成的混合气体。然而，在激光陀螺仪的生产过程中，增益介质的气体性质成为技术复杂性的根源，尤其是对高纯度气体的要求以及在腔的使用过程中特别由于气体泄漏和用来建立粒子倒转的高压电极的衰变引起的腔器皿的早熟。
可以用例如基于掺有稀土——例如钕、铒或镱——离子的晶体的增益介质代替氦/氖混合气体来制造在可见光或近红外区工作的固态激光陀螺仪，则由在近红外区工作的激光二极管产生光泵浦。这样，与增益介质的气体混合物有关的固有问题实际上就被排除了。
也可以利用光泵浦或电泵浦半导体介质来制造固态激光陀螺仪。现在后一种类型的激光陀螺仪已经制成单片集成电路并且具有很小的尺寸。但是，一方面它们并不具有可以与气体激光陀螺仪相比的精度，另一方面，无法用光学方法去除低转速下的频率耦合——一种被称为盲区的现象，以及补偿热量引起的噪音现象。
本发明的一个主题是含有具有外部腔的半导体介质的激光陀螺仪，其由离散元件组合构成，因此可以制成大的腔，还可以同时获得期望的精度并在腔内插入光学元件。
更确切地，本发明的主题是包括至少一个光学环形腔和一个固态增益介质的激光陀螺仪，固态增益介质的布置使平均波长为λ0的两束光波可以在腔内反向传播，腔的特征在于它的尺寸显著大于增益介质的尺寸，并且该增益介质是平均光学指数为n、具有包含堆叠的互相平行的平面增益区的垂直结构的半导体介质。
有利地，半导体介质包括一位于增益区下并与该区域平行的平面镜，这样，在腔内传播的两束光波在穿过增益区后被该平面镜反射。有利地，在腔内传播的光波被平面镜以倾斜入射角i反射，平面镜是经过最优化后在平均波长为λ0和倾斜入射角为i的情况下具有完全反射的Bragg堆叠，增益区的堆叠包括对与该镜面相对的表面进行平均波长为λ0、倾斜入射角为i的抗反射处理。
有利地，增益介质的设计使通过在半导体介质内传播的光波产生的干涉条纹的强度的最大值位于增益区平面上，则增益区被以 的间距彼此分开。
有利地，激光陀螺仪包括用于检验反向传输波强度的光电检测装置，该波的强度调制构成了激光陀螺仪的角速度或角位移检测信号。
本发明的另一主题是包括至少一个如本发明所述的激光陀螺仪的角度或角速度检测系统。
有利地，检测系统的激光陀螺仪的腔的方位布置使其可以在三个独立方向进行检测。
通过阅读如下非限制性实例和参考附图，可以更清楚地理解本发明，本发明的其他优点也将显而易见，如图
图1显示了如本发明所述的激光陀螺仪；图2显示了带状结构的半导体激光介质的几何形状；图3显示了垂直结构的半导体激光介质的几何形状；图4和5显示了在一结构中产生的由入射波及其经过位于该结构下的镜面反射后的反射波构成的固定波的几何形态；图6显示了图4中入射波和反射波的偏振状态；
图7显示了在一结构中产生的由两束以相反方向传播的入射波及其经过位于该结构下的镜面反射后的反射波构成的固定波的几何形态；图8显示了图7中所示固定波的强度变化。
图1是如本发明所述的激光陀螺仪的基本原理图。其包括●由第一种材料制成的腔1，其包括几个偏转镜3和4以及一个部分反射镜5；●半导体增益介质2；●任选地，用于例如消除盲区或产生热量补偿的光学元件6和7(虚线所示)；●使两束光波可以在腔内以相反方向传播的装配体。在图1中此两束波由双线表示，波穿过位于腔内的不同光学元件；●用于计算角度参数的光电检测设备8(虚线所示)，该角度参数通过来自部分反射镜5的反向传输光波之间的干涉条纹测得。
与所用材料以及工作波长无关，与半导体介质相关的主要选择是●它的结构；和●它在传输或反射中的工作模式。
半导体介质主要有两种结构●带状形式图2显示了这样的结构2。活动区域21中连续产生被激发的发射。光束22由侧面23之一发出。此结构中传播的光学模式22可以是多模式的。在此例中，光束的几何形状是非对称的，如图2所示。模式的高对应其沿AR轴——称为快轴——的尺寸，通常是几微米，它的宽对应其沿AL轴——称为慢轴——的尺寸，是几十微米。此结构中传播的光学模式也可以是单模式的。则该模式是对称的并且该结构被称为横向单模式结构。当用于陀螺仪时，横向单模式带状结构的半导体激光介质的使用非常复杂。这是因为此模式在带状腔内的直径必须是几微米，在腔外的直径必须是几十微米。模式在活动区内的传播还必须被引导。非横向单模式带状结构的使用也不简单，因为此模式除了要在慢轴被聚焦和引导外，还必须高度椭圆化；●垂直结构图3显示了这样的结构，其中活动介质是不连续的。该结构由堆叠的、厚度通常为十纳米左右的薄的活动区域24构成，被厚度25隔开的区域厚度为λ/2n。光由上表面26或下表面27发出，且在此种腔内传播的模式具有旋转对称性。当激光器完全是单片集成电路时，该结构被称为垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构，则增益区被夹在两个Bragg堆叠之间，一个具有完全反射，另一个是输出镜，具有0.1％左右的透射率。当输出镜是离散元件时，这些腔被称为垂直外腔面发射激光器(VECSEL)结构。图3只显示了堆叠的活动区域。完全反射镜可以是Bragg反射镜或者附加于此结构上的介质镜。对与此镜相对的结构的表面所作的处理可能包括抗反射处理。也可以通过调节它的反射率来促进这种结构的单模发射。
目前垂直结构更适合应用于陀螺仪，因为增益区域的直径可能是一百微米，接近于在腔内传播的光束的尺寸。垂直结构还允许非引导光的传播。
然而，这种垂直结构不能简单地用于在激光陀螺仪中传输。设想两束反向传输波，其电场矢量由 和 表示，其中 k通常代表波矢量，ω是它的角频率，是它的初始相位。+、-符号表示波的传播方向。
在激光陀螺仪的腔内，两波干涉产生的合电场Et等于 对应的合场强It等于 因此，对于腔内固定一点，其场强随时间以角频率(ω+-ω-)在最大和最小值之间变化，因此好像波在相对此点运动。如果将一个处于传输状态中的垂直结构放在腔内，场强最大值可能会在增益区上叠加。在旋转作用下，固定波不再能自由运动。这样得到的“引入增益的频率锁定”使设备不能再作为陀螺仪使用。
让这些垂直结构进行反射可以克服上述缺陷。
图4显示了处于反射状态的垂直结构2的截面图。为简化问题，假设此结构类似于光学指数为n的活动介质28，介质上安放了镜29。当此结构被一束光照亮时，入射波30和被镜29反射的波31在活动介质28中干涉。干涉区32在图4中用三角形阴影区显示。与入射波相关的参数带有下标+，与反射波相关的参数带有下标+r。同样，i代表入射角。
在图4的(O，Ox，Oy)参考坐标系中，活动介质中的入射波和反射波的传递矢量 和 分别表示为k→+=2πλ0nsin(i)cos(i)]]>和k→+r=2πλ0n-sin(i)cos(i)]]>代表入射波的场 为 如果反射率为 代表被反射的入射波的场 为 在两种波叠加的区域，点 处的合电场 为 通常等于 的合场强It等于 或者，将波矢量用波长λ0的函数代替 点积 由入射波的偏振状态确定。图6代表入射波和反射波的基本可能的线性偏振状态，根据波的电场表示矢量是位于入射平面内还是垂直于该平面，这些状态被称为平行状态或垂直状态。图6中，这些矢量由E+//，E+r//，E+⊥和E+r⊥表示。
如果波处于平行偏振状态，点积 的值等于|E→0||E→0+r|cos(π-2i),]]>如果波处于垂直偏振状态，点积 的值等于 为简化表达，选择实数 和 值，强度反射率R选择为1。则合场强改写为
对应场强It的干涉条纹是固定的。它由一组与镜面平行、间距为 的等距平面干涉条纹构成。
图5显示了参考坐标系(O，Ox，Oy，Oz)中干涉条纹33的结构。每个平行六面体表示场强最大值的位置。
图7显示了处于反射状态的垂直结构2的截面图。为简化问题，假设此结构类似于光学指数为n的活动介质28，介质上安放了镜29。当此结构被两束不同频率反向传输的光照亮时，四束波30、31、35和36互相干涉●第一束入射光波30以第一个方向传播，此方向由与前面相同的符号+表示，此波具有场 ●对应第一束入射波的反射波31的场为 ●第二束入射波35以相反方向传播，传播方向由-表示，其场等于 ●对应第二束入射波的反射波36，其场为 则合场 可以表示为 与前面相同，为简化计算，认为电场的模是实数并相等，强度反射率R取为1。则合场可以写为
因为k→+=-2πλ0nsin(i)cos(i)]]>和k→-=-k→+r=2πλ0nsin(i)-cos(i),]]>所以k→++k→-=-4πnλ00cos(i),k→+-k→-=-4πnλ0sin(i)0]]>因此， 从合场表达式可以计算合场强Itotal，它等于 因此，当两束波在光学指数为n的介质中传播时，如在激光陀螺仪中双向传播的情况，最大场强沿平行于镜面的固定直线分布。图8显示了干涉条纹。
如果介质由堆叠的薄的活动区域构成，通过使这些直线与活动区一致，可以使激光器的工作最优化。
实际上沿着这些直线还有一束传递波，但是它只引起增益饱和的微小调节。这是因为在干涉光束中通常存在很多个最大值。传递波最多引起一个最大值的变化，因此此变化可以忽略。
下面举一例，波长λ0为1微米、平均入射角i为45度、平均光学指数n为3，在镜面内沿OX方向运动的传递波的两个最大值被间距d隔开，d等于
d=λ02nsin(i)≈λ02nx0.23≈0.7μm]]>因此，平均直径为100微米的光束有140个最大值。这样，不考虑增强了光束中心相对其边缘的卷曲的模式的高斯轮廓时，增益调节最多等于一百四十分之一，即0.7％。此很低的调节不包括增益锁定。它包括对可有利地作为可读信号的输出功率的微小调节。
为了最优化此操作，完全反射镜是Bragg堆叠或者附加的根据期望入射角进行了最优化的介质镜。该堆叠或该镜可以获得接近100％的反射率。
位于该堆叠顶部的增益区的位置必须正确。为此，它们的偏航角是 并且第一区域相对该层的位置被最优化以考虑到可能的固定相位的偏移，这样，所有的增益区都与平行于此结构平面的强度为最大值的直线对应。
在输出面上，如果希望在增益区内受益于可以增加激光陀螺仪的腔可见的有效增益的次共振腔效应，可以制造另一具有较大或较小反射率的堆叠。如果使用了泵浦光(pump beam)，该泵浦光束通过的堆叠在该泵浦光波长下也应具有抗反射能力。
还应指出的是增益的非均匀饱和——也称为“空间烧孔效应”——产生多模发射的可能性被减小。这是因为干涉条纹的周期以波长为函数进行微小变化。这样，对于发出一微米波而增益宽度只有一纳米的半导体来说，偏航角的变化最多为0.1％。因此，使用非饱和增益区域的唯一方法是波长具有显著不同，而由于增益的光谱宽度，这是不可能实现的。
权利要求
1.一种激光陀螺仪，其包括至少一个光学环形腔(1)和一个固态增益介质(2)，固态增益介质的布置使两束平均波长为λ0的光波能够在腔中以相反方向传播，该腔的特征在于它的尺寸显著大于增益介质的尺寸并且该增益介质是平均光学指数为n、具有包含堆叠的互相平行的平面增益区的垂直结构的半导体介质。
2.如权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于半导体介质包括一个位于增益区下与该区域平行的平面镜(29)，以使在腔内传播的两束光波在通过增益区后被该平面镜反射。
3.如权利要求2所述的激光陀螺仪，其特征在于在腔内传播的光波被平面镜(29)以倾斜入射角i反射。
4.如权利要求3所述的激光陀螺仪，其特征在于平面镜(29)是经过最优化后在平均波长为λ0和倾斜入射角为i的情况下具有完全反射的Bragg堆叠。
5.如权利要求3所述的激光陀螺仪，其特征在于平面镜(29)附加于增益区下并且其设计使其在平均波长λ0、倾斜入射角i的情况下具有完全反射。
6.如权利要求3至5之一所述的激光陀螺仪，其特征在于增益区的堆叠包括对与该镜面相对的平面进行平均波长为λ0、倾斜入射角为i的光学处理。
7.如权利要求6所述的激光陀螺仪，其特征在于增益区的堆叠包括对与该镜面相对的平面进行平均波长为λ0、倾斜入射角为i的抗反射处理。
8.如权利要求3至7之一所述的激光陀螺仪，其特征在于增益介质的设计使在半导体介质内传播的光波产生的干涉条纹的强度的最大值位于增益区平面内。
9.如权利要求8所述的激光陀螺仪，其特征在于增益区以 的间距被彼此隔开。
10.如前述权利要求之一所述的激光陀螺仪，其特征在于其包括用于检测传输波强度的光电检测装置，该波的强度调制构成了激光陀螺仪的角速度或角位移检测信号。
11.一种角度或角速度检测系统，其特征在于其包括至少一个如以上权利要求之一所述的激光陀螺仪。
12.如权利要求11所述的检测系统，其特征在于其包括三个激光陀螺仪，这些激光陀螺仪的腔的方位布置使其可以在三个独立方向进行检测。
全文摘要
本发明所属的技术领域是尤其适用于惯性控制系统中的固态激光陀螺仪。这种装置可用于例如航空应用中。可以利用光或电泵浦半导体介质来制造固态激光陀螺仪。现在后一种类型的激光陀螺仪已经制成单片集成电路并具有很小的尺寸。但一方面它们并不具有可以与气体激光陀螺仪相比的精度，另一方面无法用光学方法去除低转速下的频率耦合或温度漂移。本发明的一个主题是含有半导体介质并由离散元件组合构成的激光陀螺仪，这样可以制成大的腔以获得期望的精度。更确切地，此激光陀螺仪包括一个光学环形腔和一个具有为垂直结构的外部腔的半导体增益介质，该垂直结构包括一系列互相平行的平面增益区，腔的尺寸显著大于增益介质的尺寸，该增益介质用于反射。
文档编号H01S5/14GK101061369SQ200580039989
公开日2007年10月24日 申请日期2005年10月26日 优先权日2004年11月5日
发明者G·弗格内特, J－P·波霍拉, S·施瓦茨 申请人:泰勒斯公司