专利名称：环型激光陀螺仪和用于驱动环型激光陀螺仪的方法
技术领域：
本发明涉及一种激光陀螺仪，一种半导体激光陀螺仪、用于驱动该激光陀螺仪的一种方法和用于驱动该半导体激光陀螺仪的一种方法，具体地是涉及环谐振器型激光陀螺仪。
以前，已经知道的有具有转子和传感器的机械陀螺仪或光学陀螺仪，作为用于探测运动物体的角速度的陀螺仪。由于光学陀螺仪特别能够即时启动，并具有大的动态范围，它们带来了陀螺仪技术领域的一次革命。
光学陀螺仪包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪、无源谐振器陀螺仪等。其中，采用气体激光器的激光陀螺仪最早得到开发并已经在飞机等技术中得到了实际使用。
近来，作为小型且高度精确的激光陀螺仪，提出了一种集成在半导体基底上的半导体激光陀螺仪，其中在日本专利申请公开第5-288556号中公布的。该说明书公布了一种技术，用于从环脊型的激光元件中取出分别沿着顺时针方向和逆时针方向传播的激光束，以使它们彼此干涉并取出一种干涉强度作为光子流。
另外，在日本专利申请公开第57-43486(美国专利第4，431，308)号中，公布了一种陀螺仪，它采用了转动的上述元件的终端电压，而不从半导体激光元件取光。
在图29中，一个半导体激光元件5792具有分别在其上和下侧的电极5790、5791。标号5793表示了一个直流阻隔电容、标号5794表示一个输出端，且5795表示一个电阻。如图29所示，所公布的是，作为环型激光装置的激光元件的该半导体激光元件与一个驱动电源5796相连，且当上述装置具有一定的角速度时产生的顺时针光束与逆时针光束之间的一个频率差(一个拍频)，以激光元件的端电压之间的差的形式，得到探测。
另外，在日本专利申请公开第4-174317号中进一步公布了，以转动产生的激光元件的端电压的一个改变，得到了探测。
然而，这种传统的激光陀螺仪不能探测转动的方向。这是由于从端电压探测到的拍频，不论半导体激光元件的转动方向是顺时针还是逆时针，都具有相同的值。因此，产生了颤抖，且从方向与颤抖信号的相关性，确定了转动方向。
另外，在该激光陀螺仪中，对于一个转动，振荡频率被分成两个。然而，当转速低时，振荡频率之间的差变小。在此情况下，由于介质中的非线性，发生了内摆现象，其中振荡频率被引入另一种模式。为了解除这种内摆现象，进行了激光陀螺仪的颤抖。
本发明的一个目的，是提供一种激光陀螺仪，一种半导体激光陀螺仪、用于驱动该激光陀螺仪的一种方法和用于驱动该半导体激光陀螺仪的一种方法，其中转动的方向即使在没有设置诸如颤抖器的机械装置的情况下也能够得到探测，且不容易造成内摆现象。
根据本发明的环型激光陀螺仪是这样的环型激光陀螺仪，即其中第一和第二激光束沿着彼此相反的方向传播，其特征在于在包括在环型激光器中的光波导上设置了多个电极区，且注入这些电极区的电流或加到这些电极区的电压得到控制，从而使第一和第二激光束的振荡频率在环型激光陀螺仪处于静止状态时变得彼此不同。
上述的控制是这样形成，即电流被注入到多个电极，从而使其中光波导的折射率受到调制的一个空间随着时间的推移而沿着与第一或第二激光束的传播方向相同的方向运动。
另外，上述的控制是这样的，即注入的电流沿着与第一或第二激光束的传播方向相同的方向传播。
根据本发明的用于驱动该环型激光陀螺仪的一种方法的特征在于其中光波导的折射率受到调制的一个空间随着时间的推移而沿着一个传播方向运动。
另外，根据本发明的用于驱动该环型激光陀螺仪的该方法是用于驱动具有多个电极的环型激光陀螺仪的一种方法，其特征在于加到多个电极的电压或注入多个电极的电流按照这些电极之间形成时间差而得到调制，从而使调制的顺序沿着一个传播方向。
另外，根据本发明的用于驱动该环型激光陀螺仪的方法是用于驱动这样的半导体激光陀螺仪的一种方法，即在该半导体激光陀螺仪中通过使电流沿着产生激光振荡的方向流程，沿着一个传播方向或沿着与该一个传播方向相反的传播方向产生光的传播，其特征在于电流的流动方向被限制在该一个传播方向。
图1A、1B和1C是根据本发明的半导体激光陀螺仪的结构的顶视图和剖视图；图2是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图3是用于说明根据本发明的该半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图4是用于说明根据本发明形成该半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图5是用于说明根据本发明形成该半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图6是用于说明根据本发明形成该半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图7是用于说明根据本发明形成该半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图8是用于说明根据本发明形成该半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图9A和9B是显示了根据本发明的半导体激光陀螺仪的结构的顶视图和说明注入至各个电极的电流的时序图；图10A和10B是显示根据本发明的半导体激光陀螺仪的结构的顶视图和说明输入至各个电极的电流的时序图；图11是显示根据本发明的气体激光陀螺仪的结构的顶视图；图12是说明根据本发明的折射率调制元件的立体图13用于说明根据本发明的折射率调制元件的输入电压的时序图；图14A、14B、14C和14D是显示根据本发明的半导体激光陀螺仪的结构的顶视图和剖视图；图15是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图16是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图17是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图18是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图19是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图20是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图21是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图22是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的割视图；图23是用于说明根据本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图；图24显示了从半导体激光陀螺仪的电压(电压的频率改变)改变探测转动的方法；图25详细描述了用于探测拍频信号的电路配置；图26显示了电路配置的另一个例子，其中半导体激光陀螺仪受到一个恒定电流的驱动且半导体激光陀螺仪40的阳极电位的一个改变被读出以探测转动；图27显示了一种频率-电压转换电路(F-V转换电路)的一个例于；图28显示了一种情况，其中半导体激光陀螺仪的阻抗的改变用一种阻抗计测量；图29说明传统的例子。
以下结合附图描述本发明，虽然这种描述是以半导体激光陀螺仪作为激光陀螺仪的一个例子而进行的，但它不只限于这种情况，且本发明可被应用于例如气体激光陀螺仪。
(第一实施例)图9A显示了半导体激光陀螺仪的顶视图且图9B显示了注入各个电极的电流的时序图。在同一图中，标号1、2、3和4表示了阳极，且各个阳极是电分离的。在此状态下，如图9B所示，电流被注入阳极1、2和3且在这些电极之间设定的时间差是相同的。注意阳极1至4的形状不限于图中所示的形状，而是可以是使得电流能够以与图9B中所示的时序图类似的时序图被注入的形状。在该半导体中，当发热效果可被忽略时，折射率被伴随电流注入的自由载流子等离子体效应所减小。另一方面，当伴随电流判定的焦耳加热产生的发热占据支配地位时，折射率增大。在两种情况下，当电流大时，折射率改变都与电流小的情况下不同。现在，用n0表示注入电流为3mA时光波导的等价折射率且用np表示当注入电流为4mA时的等价折射率。
在图9B中，其中注入电流变为4mA的电极，随着时间的推移，而移向电极3、电极2和电极1。这意味着具有折射率np的区随着时间的推移而沿着逆时针传播。如果电极的一边的长度用l表示且电流脉冲的宽度用tp表示，传播速度v由以下公式(1)表示v=1tp----------(1)]]>现在，假定具有诸如上述的等价折射率的区逆时针运动。此时，如果在具有等价折射率np的区中的光速vL被固定于环谐振器的系统所观测到，则由特殊相对论给出了以下的公式(2)vL=Cn0±(1-1np2)v--------(2)]]>其中c表示真空中的光速。结果，在逆时针的光的谐振频率f1与顺时针的光的谐振频率f2之间产生了以下的差ΔfnΔfn=f2-f1=2(np2-1)vmlλ0n0L=2(np2-1)ml2λ0n0t0L-----(3)]]>在此，m表示用于调制电流的电极的数目。在图9B中，由于采用了电极1、2和3，m=3。当然，m=2或m=4也是可接受的。例如，当m=2时，一个直流电流流到其中没有调制的其余的两个电极。另外，L表示谐振器的总长度，λ0表示当光学谐振器的等价折射率是n0时真空中的振荡波长。注意一个恒定的电流(例如4mA)流向电极4。当然，也可以没有该电流流动。
结果，在半导体激光器中产生了具有拍频Δfn的拍频光，且半导体激光器中的总光强以拍频Δf涨落。响应于此，有源层中的载流子浓度以该拍频涨落，且当一个恒定电流流入该半导体激光器时，一个端电压以该拍频改变。因此，即使当该元件处于静止状态时，从该元件的电极也观测了一个拍频信号。
以下考虑其中这种元件以角速度Ω作逆时针转动的情况。此时，由于Sagnac效应，逆时针的光的频率f1R和顺时针光的频率f2R分别由以下公式(4)和(5)给出f1R=f1-2n0Sλ0LΩ------(4)]]>f2R=f2+2n0Sλ0LΩ------(5)]]>
在此，S表示被谐振器的光路围绕的区域，且L表示环型谐振器的光路的长度。结果，从该元件的电终端获得了以下的拍频信号。然而，二级无穷小项被忽略了。ΔfR=f2R-f1R=2(np2-1)ml2λ0n0t0L=4n0Sλ0LΩ------(6)]]>由此可见，如果电子的传播方向和元件的传播方向相同，则拍频比在其处于静止状态时大。
另一方面，如果电子的传播方向和元件的传播方向彼此相反，拍频比当其处于静止状态时小，如以下的公式(7)所示ΔfL=2(np2-1)ml2λ0n0t0L-4n0Sλ0LΩ------(7)]]>以此方式，从处于静止状态的拍频的增大和减小，就可以探测到转动的方向。
注意，一个传播方向的意思当然包括了其中图9A的电极2象图10A那样被分段且沿着一条直线排列的电极201、202和203依次得到调制的情况。另外，在此例中，虽然电流得到了调制，电压也可以被调制。另外，如果在光波导中采用了量子井结构，可通过利用量子约束Stark效应来借助电压控制折射率。
(第二实施例)虽然根据本发明的半导体激光陀螺仪的特征在于注入电流沿着一个方向流动，如果电流的流动方向是一个传播方向，载流子的传播方向也是一个方向。
然而，虽然电子和正的空穴的传播方向彼此相反，由于电子的速度比空穴的速度快，载流子传播的效应主要由电子控制。
注意，在半导体激光器的情况下，虽然受到相对于半导体层的生长方向的双异结构的约束，它能够在半导体层的表面内自由地运动。本发明利用了半导体层表面内的载流子(主要是电子)的这种运动，且因而注入半导体激光器的电流具有用于在区域的一部分中沿着一个方向传播的驱动装置。
以下结合具有如图14A所示的电极结构(标号1至4表示了阳极和11至14表示阴极)的半导体激光器，描述流向元件的电流向着一个传播方向流动的情况。阳极1和阴极11、阳极2和阴极12、阳极3和阴极13，以及阳极4和阴极14分别形成电极对，且电流在各个电极上流过。
现在，假定在半导体层的表面内，电子的传播方向沿着一个方向变窄。此时，由于多普勒，其中增益最高的谐振频率根据顺时针传播的光和逆时针传播的光而变化。例如，假定电子逆时针传播，其速度v表示为v＞0。此时，逆时针的光的谐振频率f1和顺时针光的谐振频率f2由以下公式(8)和(9)给出f1=f0(1-ncv)------(8)]]>f2=f0(1+ncv)------(9)]]>在此，f0表示没有多普勒效应时的光的谐振频率，c表示真空中的光速，且n表示半导体的折射率。
另外，如果背散射可忽略，两个相对传播的振荡模式之间的耦合，即沿着彼此相对的方向传播的两个振荡模式之间的耦合变为弱的耦合。结果，这两种模式将彼此独立地振荡。即，在环型谐振器内，同时已有两个相对传播的振荡模式，其中振荡频率由于多普勒效应而发生移动。此时，这两个频率之间的与差(Δf)相应的拍频光Δf=f2-f1=2f0ncv--------(10)]]>在半导体激光器内产生，且半导体激光器内的总光强以拍频Δf涨落。响应于此，有源层内的载流子浓度以该拍频涨落，且如果恒定电流流向半导体激光器，端电压以该拍频涨落。因此，即使当该元件处于静止状态时，从元件的电终端也观测到拍频信号。
以下考虑其中该元件以角速度Ω作逆时针转动的情况。此时，由于Sagnac效应，逆时针光的频率f1R和顺时针光的频率f2R由以下公式(11)和(12)给出f1R=f0(1-ncv)(1-nc2SLΩ)------(11)]]>f2R=f0(1+ncv)(1+nc2SLΩ)------(12)]]>在此，S表示环型谐振器的光路所围绕的区域，且L表示环型谐振器的光路的长度。结果，从该元件的而终端，获得了以下的拍频信号。然而，二次无穷小项被忽略了。ΔfR=f2R-f1R=2f0nc(v+2SLΩ)------(13)]]>从这种结果，可以看出，如果电子的传播方向和元件的转动方向是相同的，拍频变得比处于静止状态时大。另一方面，如果电子的传播方向和元件的转动方向是彼此相对的，拍频变得比处于静止状态时小，如以下的公式(14)所示ΔfL=2f0nc(v-2SLΩ)------(14)]]>因此，通过处于静止状态下的拍频的增大和减小，转动的方向能够得到探测。
注意，为了使流向半导体激光器的电流更为有效地传播，半导体激光器较好地是环形的。
(实施例)以下结合附图描述本发明的实施例。
(实施例1)图1A至1C是最适当地显示本发明的特性的图。图1A是本发明的半导体激光陀螺仪的顶视图，且图1B是沿着图1A中的1B-1B线的剖视图。在这些图中，标号1、2、3和4表示阳极，标号11表示阴极，标号21表示半导体基底，标号22表示一个缓冲层，标号23表示一个光导向层，标号24表示一个有源层，标号25表示一个光导向层，标号26表示一个包覆层，且标号27表示一个覆盖层。注意，在图1A中阳极看起来象是彼此部分地接触，但实际上它们是彼此分开的，如图1C所示。
另外，图2至图8是用于说明本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图。注意相同的标号表示了与图1A至1C中相同的部件。在各图中，标号28表示了一个阳极材料，且标号31是光刻胶。
首先，参见图2至图8，描述本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程。首先，如图2所示，通过利用有机汽相外延生长技术，在一种n-InP基底21(厚度为350μm)上生长一个InP缓冲层22(厚度为0.05μm)、一个具有1.3μm复合未掺杂InGaAsP光导向层23(厚度为0.15μm)、具有1.55μm复合的未掺杂InGaAsP有源层24(厚度为0.1μm)、一个具有1.3μm复合的未掺杂InGaAsP光导向层25(厚度为0.15μm)、一个p-InP包覆层26(厚度2μm)和一个具有1.4μm复合的p-InGaAsP覆盖层27(厚度为0.3μm)。在其晶粒生长之后，如图3所示，借助汽相淀积在该p-InGaAsP覆盖层27上形成一个Cr/Au，作为阳极材料28。随后，用旋涂机，在阳极材料28上以这样的方式涂覆一种AZ-1350(由Hoechst制造)，即其涂覆厚度为1μm，作为光刻胶31。在以30度的温度进行了30分钟的预烘烤热处理之后，将片暴露以进行掩膜。光刻胶31在显影和冲洗之后具有如图4所示的略微渐细的形状。另外，其条的宽度是5μm，且电极的一侧的长度是100μm。随后，片被引导至一种反应离子蚀刻系统，且如图5所示，阳极材料28的Cr/Au用光刻胶31作为蚀刻掩膜而被干蚀刻。用于蚀刻的气体对Au是Ar且对Cr是CF4。随后，利用氯气，对半导体层进行蚀刻，从而使光波导的高度变为3.2μm。这在图6中得到显示，且如图7所示，光刻胶31被除去。随后，光刻胶再次经历图案形成，且角部的Cr/Au和覆盖层被蚀刻，且阳极的间隔部分被电隔离。阳极之间的隔离电阻是1KΩ。随后，阳极28在氢环境中得到退火并实现欧姆接触。随后，如图8所示，在n-InP基底21上汽相淀积作为阴极11的AuGe/Ni/Au，它在氢环境下被最后退火并实现欧姆接触。
随后，借助图9A和9B描述半导体激光陀螺仪的操作。在此实施例中，如图9A所示，阳极被分成四段，且一段阳极与一段阴极被用作一对。现在，电流以图9B所示的时序流向阳极1、2和3。此时，一个恒定电流4mA被注入电极4。
由于半导体和空气具有不同的折射率，在界面上形成了反射。假定半导体的折射率n是n=3.5，法线与射到界面上的激光束之间的角度不小于16.6度时就造成了全反射。由于其场被全反射的模式的振荡阈值与另一模式相比比较低，且没有镜损耗，振荡在低的注入电流就开始发生。另外，由于增益集中在这种振荡模式中，其他的模式被抑制了。
在图9A和9B的半导体激光陀螺仪中，激光束在四个角处的入射角是45度，并满足了全反射条件。结果，室温下的振荡阈值只有2mA。驱动电流是3mA，且当这种激光器处于静止状态且均匀电流被注入四个电极时，真空中的振荡波长λO是1.55μm。
以下考虑静止状态下的拍频。假定电极的一侧的长度1是1=100μm且调制周期tp是tp=100ms，从公式(1)，v由以下公式(15)给出v=1tp=1.00×10-3m/s------(15)]]>另外，在真空中的振荡波长λ0是λ0=1.55μm且半导体的折射率n0是n0=3.5。从公式(3)，此时静止状态下的拍频Δfn由以下公式(16)给出Δfn=3.11×103Hz=3.11kHz(16)另外，当图9A的半导体激光陀螺仪以每秒30度的速度作逆时针转动，作为照相机摇动和汽车振动的量度时，顺时针激光束的振荡频率f2增大了59.1Hz。另一方面，逆时针激光束的振荡频率f1减小了59.1Hz。结果，如公式(6)所示，与处于静止状态下的半导体激光陀螺仪相比，拍频增大了118.2Hz。另一方面，当半导体激光陀螺仪作每秒30度的顺时针转动，如公式(7)所示，与处于静止状态下的半导体激光陀螺仪相比，拍频减小了118.2Hz。因此，借助拍频的增大和减小，可探测转动方向。另外，由于拍频改变量的绝对值对应于转动的速度，转动的速度也能够得到测量。即，借助本发明，转动的速度和转动方向能够同时得到探测。注意，如果恒定电流被注入半导体激光器，这种拍频是从端电压的改变观测。
在此，InGaAsP系统的材料被用作半导体材料。然而，也可以采用诸如GaAs系统、ZnSe系统、InGaN系统、Al-GaN系统等的材料系统。另外，关于光波导，围绕光路的形状可不只是正方形的，而可以是任何形状的，诸如六角形、三角形或圆形等，如图9A所示。另外，阳极和阴极的数目不限于四个，如本实施例中所示，而是可以是任何数目的，只要是多个。
注意，一个传播方向指的包括其中图9A的电极2如图10A所示地被分段且沿着一条直线排列的这些电极被依次调制的情况。另外，同时在此例中电流被调制，如果为光波导采用了量子井结构，也可通过采用量子约束启动Stark效应来借助电压控制折射率。
(实施例2)图11是显示根据本发明的带有谐振器型气体激光器的光学陀螺仪的一个样品的典型平面图，其中作圆形传播，以及其中激光束的传播路径是正方形的情况。在图11中，标号51表示了一个放电管，标号53表示一个镜子，标号521、522、523和524表示折射率调制元件，标号61表示顺时针激光束且标号62表示逆时针激光束。
在上述配置中，当氦气和氖气被引入放电管51且电压被加到阳极和阴极上时，开始发生放电且进入电流流过的状态。镜53获得的距离是10cm。当这种光学陀螺仪处于静止状态下时，顺时针和逆时针激光束的振荡频率是非常相等的，都是4.73×1014Hz，并具有632.8nm的振荡波长。另一方面，折射率调制元件521、522、523和524是Ti扩散的LiNbO3折射率调制元件并利用电光效应改变折射率。这种元件的典型立体图在图12中显示。在该图中标号81表示一个LiNbO3晶体。激光束-82的传播方向83的折射率np是2.286。在传播方向83的右角的箭头84显示了光的偏振方向，即其中电场振荡的方向。电压以图13所示的时序被加到折射率调制元件521、522、523上。此时，电压都是恒定的且为5V。
以下考虑静止状态下的拍频。假定折射率调制元件的元件长度l是l=1mm，且一个调制周期tp=1ms，从公式(1)，v由以下公式(17)给定v=1tp=1.00m/s------(17)]]>另外，由于光学谐振器主要由气体和空气构成，其折射率n0可被薄是n0=1此时，从公式(3)，处于静止状态下的拍频Δfn由公式(18)给出Δfn=1.00×105Hz=100kHz(18)另外，当给图11的气体激光陀螺仪加上每秒30℃的速度的逆时针转动，作为照相机摇动和汽车振动的量度时，顺时针激光束的振荡频率f22减小41.4kHz。另一方面，逆时针激光束的振荡频率f1减小41.4kHz。结果，如公式(6)所示，与处于静止状态的气体激光陀螺仪相比，拍频增大了82.8kHz。另一方面，当气体激光陀螺仪以每秒30度的速度作顺时针转动，如公式(7)所示，与处于静止状态下的气体激光陀螺仪相比，拍频减小了82.8kHz。
以此方式，借助拍频的增大和减小，能够探测转动的方向。而且，由于拍频改变量的绝对值对应于转动的速度，转动的速度能够得到测量。即，借助本发明，转动的速度和转动的方向能够同时得到探测。注意，如果恒定电流流向配置气体激光器的放电管，这种拍频是是从放电管的端电压的改变观测到的。
注意，在上述光学陀螺仪中，虽然利用了氦和氖气作为例子进行了显示，也可以采用能够产生激光振荡的任何气体。另外，谐振器的形状不限于正方形，而可以是任何形状的，诸如六角形、三角形等。
可以采用不仅利用电-光效应的折射率调制元件，而且可采用利用声-光效应和热效应的折射率调制元件。
以下描述用于从诸如半导体激光陀螺仪的激光陀螺仪的电压改变(电压的频率的改变)探测转动的方法、这种气体激光陀螺仪等。虽然在此采用了半导体激光陀螺仪的例子，相同的方法可被用于气体激光陀螺仪。在图24中，显示了用于从半导体激光陀螺仪40的电压改变(电压的频率的改变)探测方向的方法。在图24中，标号40表示了半导体激光陀螺仪，标号41表示了电阻、标号42表示恒定电流源，且标号46表示电压探测电路。通过在半导体激光陀螺仪的探测端上设置一个保护电路，可防止半导体激光陀螺仪的恶化或击穿。例如，如图24所示，连接了一个电压跟随器45，作为保护电路。
以下详细描述用于探测拍频信号的电路配置。
如图25所示，半导体激光陀螺仪40的阳极被连接到用于缓冲的一个运算放大器45。由于从运算放大器45输出的信号具有与角速度相应的频率，它被一种已知的频率-电压转换电路50(F-V转换电路)转换成电压，从而通过转动探测器51探测转动。当然，如果获得了所希望的特性，运算放大器45(一个电压跟随器)可被省略。
在图26中，显示了该电路的另一种配置的例子，其中半导体激光陀螺仪被恒定电流驱动且半导体激光陀螺仪40的阳极电位的改变被读出以探测转动。与图24中的相同的标号表示了相同的部件。
半导体激光陀螺仪40的阳极经保护电阻52与运算放大器55的输出端相连，且半导体激光陀螺仪40的阴极与运算放大器55的倒相输入端相连。另外，一个电阻53被连接在该倒相输入端与运算放大器55的基准电位之间。
在此，当一个受控电位(Vin)从一个微计算机54等被提供给运算放大器55的非倒相输入端时，从上述电位和一个电阻53导出的电流变为流向半导体激光陀螺仪40以进行驱动的恒定电流。半导体激光陀螺仪40的阳极与运算放大器45相连。运算放大器45输出了信号Vout。由于该信号具有与角速度成比例的拍频，它被已众所周知的频率-电压转换电路50(一种F-V转换电路)等转换成电压，从而借助转动探测器51探测转动。
注意，在图27中，显示了频率-电压转换电路(一种F-V转换电路)的例子。这种电路是由晶体管Tr1、二极管D1和D2、电容C1和C2以及电阻R0和R1构成。Ec表示了一个偏压电压。一个输出电压Vc2由以下公式(19)给出Vc2=E1C1R0f1+11-exp(-1/(R0C2f))------(19)]]>在此，E1表示一个输入电压的一个峰至峰值，且f示一个拍频。通过设计适当的电路参数，从而使得C2＞＞C1，R0C2f＜1，给出了以下公式(20)Vc2≈E1C1R0f/2(20)
从而能够获得与拍频成比例的电压输出。
另外，不论电流源的种类如何，半导体激光器的阻抗改变都能够由一个阻抗计49直接测量。标号44表示了电流源。在此情况下，与其中测量端电压的情况不同，驱动电流源的噪声的效应变小。这个例子在图29中得到显示。标号40表示一个半导体激光陀螺仪，且标号41表示一个电阻。
(实施例3)图14A至14D是最适当地显示本发明的特性的图。图14A是本发明的半导体激光陀螺仪的顶视图。图14B是沿着图14的14B-14B线的剖视图。
在这些图中，标号1、2、3和4表示阳极，标号11、12、13和14表示阴极，标号121表示半导体基底，标号22表示缓冲层，标号23表示光导向层，标号24表示有源层，标号25表示光导向层，标号26表示包覆层且标号27表示覆盖层。另外，图15至23是说明本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程的剖视图。在这些图中，标号28表示了阳极材料，标号29表示了阴极材料且标号31、32表示光刻胶。注意图14C是沿着图14A的14C-14C线的剖视图，且图14D是沿着图14A中的14D-14D线的剖视图。
以下结合图15至图23描述本发明的半导体激光陀螺仪的制造过程。首先，如图15所示，利用亚有机汽相外延生长技术，在一种半绝缘InP基底121(厚度为350μm)上生长一个InP缓冲层22(厚度为0.05μm)、一个具有1.3μm复合未掺杂InGaAsP光导向层23(厚度为0.15μm)、具有1.55μm复合的未掺杂InGaAsP有源层24(厚度为0.1μm)、一个具有1.3μm复合的未掺杂InGaAsP光导向层25(厚度为0.15μm)、一个p-InP包覆层26(厚度2μm)和一个具有1.4μm复合的p-InGaAsP覆盖层27(厚度为0.3μm)。在其晶粒生长之后，如图16所示，借助汽相淀积在该p-InGaAsP覆盖层27上形成一个Cr/Au，作为阳极材料28。随后，用旋涂机，在阳极材料28上以这样的方式涂覆一种AZ-1350(由Hoechst制造)，即其涂覆厚度为1μm，作为光刻胶31。在以80度的温度进行了30分钟的预烘烤热处理之后，将片曝光以进行掩膜。光刻胶31在显影和冲洗之后具有如图17所示的略微渐细的形状。另外，其条的宽度是5μm，且光波导一周的长度是600μm。随后，片被引导至一种反应离子蚀刻系统，且如图18所示，阳极材料28的Cr/Au用光刻胶31作为蚀刻掩膜而被干蚀刻。用于蚀刻的气体对Au是Ar且对Cr是CF4。随后，利用氯气，对半导体层进行蚀刻，从而使光波导的高度变为3.2μm。这在图19中得到显示，且如图20所示，光刻胶31被除去。随后，光刻胶再次经历图案形成，且角部的Cr/Au和覆盖层被蚀刻，且阳极的间隔部分被电隔离。阳极之间的隔离电阻是1KΩ。随后，阳极28在氢环境中得到退火并实现欧姆接触。随后，为了通过剥离形成阴极，利用旋涂机，涂覆光刻胶32，从而覆盖片的整个表面。光刻胶32是RD-2000N(由Hitachi Kasei制造)并具有1μm的厚度。在90度温度下烘烤30分钟之后，通过制作掩膜使片曝光。光刻胶32在显影和冲洗之后具有如图21所示的适合于剥离的反向渐细的形状。随后，如图22所示，在n-InP基底121上淀积作为阴极材料29的AuGe/Ni/Au。随后，通过在一种有机溶剂中用超声波冲洗片，有选择地形成阴极29，如图23所示。为了使电流只流过各个对阳极/阴极，阴极的间隔也用离子注入等进行绝缘。另外，阴极的间隔可通过形成图案来分开。最后，在氢环境下对阴极进行退火，并实现欧姆接触。
以下利用图14A至14D描述半导体激光陀螺仪的操作。在此实施例中，阳极和阴极被分成四段，且各个阳极的一段和各个阴极的一段被用作一对。通过把阳极1和阴极11、阳极2和阴极12、阳极3和阴极13以及阳极4和阴极14分别结合，电流被注入各对的间隔。由于阳极电极和阴极电极分别是独立的，电流例如不流过阳极2和阴极11。在图14A中，阳极1、2被显示为似乎是彼此接触的，但实际上它们是分开的，如图1C所示。此时，在图14A中，电子作逆时针运动。
由于半导体和空气具有不同的折射率，在界面上形成了反射。假定半导体的折射率n是n=3.5，法线与射到界面上的激光束之间的角度不小于16.6度时就造成了全反射。由于其场被全反射的模式的振荡阈值与另一模式相比比较低，且没有镜损耗，振荡在注入电流低时就开始发生。另外，由于增益集中在这种振荡模式中，其他的模式被抑制了。在图14A至14D的半导体激光陀螺仪中，激光束在四个角处的入射角是45度，并满足了全反射条件。结果，室温下的振荡阈值只有3mA。驱动电流是4.5mA，且当这种激光器处于静止状态时，真空中的振荡波长λO是1.55μm。
以下考虑静止状态下的拍频。由于电子的扩散长度Ln为Ln=2μm且再结合寿命τn=1×10-8s，电子的速度v由以下公式(21)给出v=Lnτn=2×102m/s----(21)]]>另外，在真空中的振荡波长λ0是λ0=1.55μm且半导体的折射率n0是n0=3.5。从公式(3)，此时静止状态下的拍频Δfn由以下公式(22)给出Δf=9.0×108Hz=900MHz(22)另外，当图1A至图1C的半导体激光陀螺仪以每秒30度C的速度作逆时针转动，而作为照相机摇动和汽车振动的量度时，顺时针激光束的振荡频率f2增大了88.7Hz。另一方面，逆时针激光束的振荡频率f1减小了88.7Hz。结果，如公式(13)所示，与处于静止状态下的半导体激光陀螺仪相比，拍频增大了177.4Hz。另一方面，当半导体激光陀螺仪作每秒30度的顺时针转动时，如公式(14)所示，与处于静止状态下的半导体激光陀螺仪相比，拍频减小了177.4Hz。因此，借助拍频的增大和减小，可探测转动方向。另外，由于拍频改变量的绝对值对应于转动的速度，转动的速度也能够得到测量。即，借助本发明，转动的速度和转动方向能够同时得到探测。注意，如果恒定电流被注入半导体激光器，这种拍频是从端电压的改变观测。注意图14A显示了其中采用了四对阳极和阴极对的情况。然而，较好的是在电极区的一部分中有其中电流沿着相同方向流动的、能够有激光束的电流区。
在此，InGaAsP系统的材料被用作半导体材料。然而，也可以采用诸如GaAs系统、ZnSe系统、InGaN系统、Al-GaN系统等的材料系统。另外，关于光波导，围绕光路的形状可不只是如图1A至1C所示的正方形的，而可以是任何形状的，诸如六角形、三角形或圆形等。另外，阳极和阴极的数目不限于四个，如本实施例中所示，而是可以是任何数目的，只要是多个。
注意，关于从半导体激光陀螺仪的电压改变(电压频率的改变)探测转动的方法，采用了上述的方法。
如上所述，根据本发明，即使未驱动颤抖器，也能够探测转动的方向
权利要求
1．一种环型激光陀螺仪，其中第一和第二激光束沿着彼此相对的方向传播，其中在包括在环型激光器中的一个光波导上提供了电极区，且注入该电极区的电流或加到该电极区上的电压受到控制，从而使第一和第二激光束的振荡频率在环型激光陀螺仪处于静止状态时彼此不同。
2．根据权利要求1的环型激光陀螺仪，其中的控制是这样的，即使得电流被注入电极从而使其中光波导的折射率受到调制的空间随着时间的推移而沿着与第一或第二激光束的传播方向相同的方向运动。
3．根据权利要求1的环型激光陀螺仪，其中的控制是这样的，即注入电流沿着与第一或第二激光束的传播方向相同的方向传播。
4．根据权利要求3的环型激光陀螺仪，其中电极区是阳极且为每一个阳极设置了一个阴极。
5．用于驱动一种环型激光陀螺仪的一种方法，其中光波导的折射率在其中受到调制的一个空间随着时间的推移沿着一个传播方向运动。
6．用于驱动具有电极的一种环型激光陀螺仪的一种方法，其中加到该电极上的电压或注入该电极的电流以在电极间设定的时间差得到调制，从而使调制的顺序沿着一个传播方向。
7．用于驱动一种半导体激光陀螺仪的一种方法，在该半导体激光陀螺仪中通过使产生激光振荡的电流流动而使光沿着一个传播方向传播或沿着与该一个传播方向相反的传播方向传播，其中电流的流动方向被限制在该一个传播方向。
全文摘要
一种环型激光陀螺仪,其中第一和第二激光束沿着彼此不同的方向传播,包括位于构成环型激光器的光波导上的电极区,并控制注入到该电极区的电流或加到该电极区上的电压,其中第一和第二激光束的振荡频率彼此不同。至于探测转动的方法,激光陀螺仪的阳极与一个运算放大器相连。由于从该运算放大器输出的信号具有与角速度相应的频率,它被一个频率－电压转换电路转换成电压,从而探测转动。
文档编号G01C19/64GK1296165SQ0013390
公开日2001年5月23日 申请日期2000年11月10日 优先权日1999年11月11日
发明者沼居贵阳 申请人:佳能株式会社