DE60004414T2

DE60004414T2 - Kreisel

Info

Publication number: DE60004414T2
Application number: DE60004414T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Numai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: EP1028308A2; EP1028308B1; DE60004414D1; EP1028308A3; JP2000298024A; US6351311B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung. Insbesondere betrifft sie einen Kreisel, der Laserstrahlen verwendet.
Stand der Technik
Bekannte Kreisel zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit eines beweglichen Objekts beinhalten mechanische Kreisel mit einem Rotor oder einem Oszillator, sowie optische Kreisel. Insbesondere optische Kreisel bringen technische Innovationen auf dem Gebiet der Kreiseltechnologien aufgrund ihrer bemerkenswerten Vorteile mit sich, wie etwa, dass sie sofort den Betrieb aufnehmen und einen breiten Dynamikbereich aufweisen. Bis heute sind verschiedene optische Kreisel bekannt, wie etwa Kreisel in der Ringlaserbauart, optische Faserkreisel und Ringoszillatorkreisel der Passivbauart. Von diesen ist der Kreisel in der Ringlaserbauart, der einen Gaslaser verwendet, der früheste, und Laser dieser Bauart werden derzeit allgemein bei Flugzeugen verwendet. In früheren Jahren wurden kleine und hoch anspruchsvolle Kreisel der Ringlaserbauart vorgeschlagen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind (vergleiche unter anderem die Druckschrift JP-A-5-288 556).
Gemäß der vorstehend angeführten Veröffentlichungsschrift ist ein ringförmiger Verstärkungswellenleiter 1100 auf einem Halbleitersubstrat 1000 mit einem pn-Übergang ausgebildet, und Ladungsträger werden in den Verstärkungswellenleiter 1100 von einer Elektrode 2200 gemäß 29 der beiliegenden Zeichnung zur Erzeugung einer Laseroszillation injiziert. Sodann werden die sich durch den Verstärkungswellenleiter 1100 im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahlen teilweise herausgeführt, um miteinander in einem Fotoabsorptionsbereich 1700 zu interferieren. Dann wird die Intensität der interferierten Strahlen durch eine weitere Elektrode 2300 als fotoelektrischen Strom herausgeführt. In 29 bezeichnen die Bezugszeichen 1500 und 1501 die sich im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahlen, und das Bezugszeichen 1505 bezeichnet einen Spiegel.
Die Druckschrift JP-A-57-43 486 (US-Patentschrift Nr. 4 431 308) beschreibt einen Kreisel, der die Veränderung in der Klemmenspannung des Elements verwendet, die durch deren Rotation erzeugt wird, ohne die Strahlen aus dem Halbleiterlaserelement herauszuführen. Bezugnehmend auf 30 der beiliegenden Zeichnung weist ein Haltleiterlaserelement 5792 eine obere und eine untere Elektrode (5790, 5791) auf. In 30 bezeichnet das Bezugszeichen 5793 einen Gleichstromsperrkondensator, und das Bezugszeichen 5794 bezeichnet einen Ausgangsanschluss, während das Bezugszeichen 5795 einen Widerstand bezeichnet. Gemäß 30 ist das Halbleiterlaserelement der Ringlaservorrichtung mit einer Ansteuerungsenergieversorgungsquelle 5796 verbunden, und die Frequenzdifferenz (Schwebungsfrequenz) zwischen der Frequenz das sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Strahls und der das sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Strahls, die erzeugt wird, wenn die Vorrichtung eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit zeigt, wird als Veränderung in der Klemmenspannung des Laserelements erfasst.
Die Druckschrift JP-A-4-174 317 beschreibt ebenfalls eine Technologie zur Erfassung der Veränderung in der Klemmenspannung eines Laserelements, die durch deren Rotation verursacht wird.
Keine der bekannten Technologien gemäß den vorstehend angeführten Patentdruckschriften kann jedoch den Drehungssinn eines Objekts erfassen. Dies liegt daran, dass ungeachtet des Drehungssinns eine gemeinsame Schwebungsfrequenz erfasst wird, solange das Objekt sich mit derselben Winkelgeschwindigkeit dreht.
Somit muss bei den bekannten Kreiseln nach Ringlaserbauart der Drehungssinn von jedem der Strahlen durch Anwenden einer Lasereinrichtung (Mikrooszillation) bestimmt werden, und indem die Korrelation der Zittereinrichtung und des erhaltenen Signals bestimmt wird.
Zusätzlich gibt es immer einen sich im Uhrzeigersinn (CW-Strahl) ausbreitenden Laserstrahl und einen sich entgegen dem Uhrzeigersinn (CCW-Strahl) ausbreitenden Laserstrahl bei bekannten Kreiseln der Ringlaserbauart. Die Oszillationsfrequenzen der beiden Strahlen bleiben gleich zueinander, solange der Kreisel stationär gehalten wird, aber sie beginnen, eine Differenz aufzuweisen, sobald der Kreisel zur Rotation angesteuert wird. Die Differenz der Oszillationsfrequenzen der beiden Strahlen ist gering, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Kreisels gering ist, und sodann ein Einrastphänomen auftritt, wo die Oszillationsfrequenzen auf eine der Oszillationsbetriebsarten aufgrund der Nichtlinearität des Mediums gezogen werden und einrasten. Dieses bei bekannten Kreiseln der Ringlaserbauart zu beobachtende Einrastphänomen kann durch das Anwenden einer Zitterfunktion in einer vorbestimmten Richtung im Voraus vermieden werden, wodurch die Differenz in den Oszillationsfrequenzen des CW-Strahls und des CCW-Strahls erhöht wird.
ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laservorrichtung bereitzustellen, die den Drehsinn erfassen kann.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Kreisel bereitgestellt, der den Drehsinn erfassen kann.
Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch Bereitstellung eines Kreisel gelöst, mit: einer Laservorrichtung zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Laserstrahls, die in entgegengesetzten Richtungen zirkulierend auszubreiten sind, wobei ein elektrisches Signal von der Laservorrichtung herausgeführt wird, wobei ein dritter Laserstrahl mit einer von der des ersten Laserstrahls verschiedenen Oszillationsfrequenz geführt wird, damit er in die Laservorrichtung eindringt, um in derselben Richtung wie der erste Laserstrahl zirkulierend ausgebreitet zu werden.
Vorzugsweise dringt der dritte Laserstrahl in die Laservorrichtung von einem Winkelspiegel eines Ringlasers mit der Laservorrichtung in die Laservorrichtung ein, oder durch einen optischen Wellenleiter, der zum Injektionssperren zu verwenden ist.
Der optische Wellenleiter zum Injektionssperren ist vorzugsweise in der Nähe der Laservorrichtung angeordnet, sodass er mit der Laservorrichtung optisch gekoppelt ist.
Der optische Wellenleiter zum Injektionssperren und die Laservorrichtung sind vorzugsweise innerhalb der Eindringtiefe des dritten Laserstrahls angeordnet.
Der optische Wellenleiter zum Injektionssperren ist vorzugsweise mit dem Wellenleiter des Ringlasers mit der Laservorrichtung verbunden.
Zumindest eine der Endflächen des optischen Wellenleiters zum Injektionssperren ist vorzugsweise gegen eine zu der Ausbreitungsrichtung der sich durch den optischen Wellenleiter zum Injektionssperren ausbreitenden dritten Laserstrahls senkrechten Ebene geneigt.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Kreisel bereitgestellt, mit: Einer Laservorrichtung zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Laserstrahls, die sich in entgegengesetzte Richtungen zirkulierend ausbreiten; und eine Fotoerfassungseinrichtung zum Erfassen des durch die Interferenz des von der Laservorrichtung emittierten ersten und zweiten Laserstrahls verursachten Interferenzstrahls; wobei ein dritter Laserstrahl mit einer von der des ersten Laserstrahls verschiedenen Oszillationsfrequenz geführt wird, damit er in die Laservorrichtung eindringt, um in derselben Richtung wie der erste Laserstrahl zirkulierend ausgebreitet zu werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 1 beschrieben.
2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 2 beschrieben.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 3-3 aus 2.
4 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 3 beschrieben.
5 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 5-5 aus 4.
6 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 4 beschrieben.
7 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 7-7 aus 6.
8 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 5 beschrieben.
9 zeigt ein Schaltbild einer Frequenz/Spannungswandlerschaltung.
10 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 6 beschrieben.
11 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 7 beschrieben.
12 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 12-12 aus 11.
13 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 8 beschrieben.
14 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 14-14 aus 13.
15 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 9 beschrieben.
16 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 16-16 aus 15.
17 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreisels und wird nachstehend bei Beispiel 10 beschrieben.
18 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kreisels.
Die 19A, 19B und 19C zeigen schematische Darstellungen von elektrischen Signalen eines erfindungsgemäßen Kreisels.
20 zeigt ein Schaltbild einer elektrischen Signalerfassungsschaltung, die für einen erfindungsgemäßen Kreisel verwendet werden kann.
21 zeigt ein Schaltbild einer weiteren elektrischen Signalerfassungsschaltung, die für einen erfindungsgemäßen Kreisel verwendet werden kann.
22 zeigt ein Schaltbild einer weiteren elektrischen Signalerfassungsschaltung, die für einen erfindungsgemäßen Kreisel verwendet werden kann.
23 zeigt ein Schaltbild einer weiteren elektrischen Signalerfassungsschaltung, die für einen erfindungsgemäßen Kreisel verwendet werden kann.
24 zeigt ein Schaltbild einer weiteren elektrischen Signalerfassungsschaltung, die für einen erfindungsgemäßen Kreisel verwendet werden kann.
25 zeigt ein Schaltbild einer weiteren elektrischen Signalerfassungsschaltung, die für einen erfindungsgemäßen Kreisel verwendet werden kann.
26 zeigt ein Schaltbild einer weiteren elektrischen Signalerfassungsschaltung, die für einen erfindungsgemäßen Kreisel verwendet werden kann.
27 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kreisels.
28 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittansicht des Kreisels gemäß 27, wobei ein Teil daraus gezeigt ist.
29 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Kreisels, und
30 zeigt ein Schaltbild eines bekannten Kreisels.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Vor der Beschreibung von bevorzugten Arten zum Ausführen der Erfindung wird das der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Kreisels zugrunde liegende Prinzip nachstehend hauptsächlich unter Verwendung von Gleichungen beschrieben.
Es wird angenommen, dass eine Laservorrichtung mit einem Ringlaser 40 gemäß 18 ein Paar Laserstrahlen mit einem im Uhrzeigersinn auszubreitenden Laserstrahl 400 (erster Laserstrahl oder CW-Strahl) mit einer Wellenlänge λ₁ und einem entgegen dem Uhrzeigersinn auszubreitenden weiteren Laserstrahl 500 (zweiter Laserstrahl oder CCW-Strahl) mit einer Wellenlänge λ₂ (< λ₁) erzeugt.
Sodann wird das Eindringen eines weiteren Laserstrahls 300 (dritter Laserstrahl) (Wellenlänge λ₀ (> λ₂)) zum Eindringen in den Ringlaser 40 veranlasst. Falls die Hauptausbreitungsrichtung des dritten Laserstrahls 300 dieselbe wie die des ersten Laserstrahls ist, und die Oszillationswellenlängen der beiden Laserstrahlen eine geringe Differenz aufweisen, trifft die nachstehende Gleichung (1) aufgrund eines Injektionssperrvorgangs zu. Bei Gleichung (1) bezeichnet λ'₁ die Wellenlänge des CW-Strahls 400, wenn Injektionssperren durchgeführt wird. λ'1 = λ0 (1)
Da die Hauptausbreitungsrichtung des zweiten Laserstrahls entgegen dem des dritten Laserstrahls 300 ist, unterliegt der zweite Laserstrahl keinem Injektionssperren.
Nun sei angenommen, dass die Oszillationsquelle 30 des dritten Laserstrahls 300 und der Ringlaser gleichzeitig im Uhrzeigersinn gedreht werden.
Da sich der erste Laserstrahl 400 im Uhrzeigersinn ausbreitet und Injektionssperren unterliegt, bleibt seine Oszillationsfrequenz f₁ gleich seiner Oszillationsfrequenz f₁₀, wenn der Ringlaser nicht gedreht wird. Da sich der zweite Laserstrahl 500 entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitet und keinem Injektionssperren unterliegt, wird seine Oszillationsfrequenz f₂ von seiner Oszillationsfrequenz f₂₀, wenn der Ringlaser nicht gedreht wird, um den durch die nachstehende Gleichung (2) wiedergegebenen Wert angehoben: Δf2 = (2S2/λ2L2)·Ω (2), wobei S₂ die durch den optischen Pfad des zweiten Laserstrahls umgebene geschlossene Fläche bezeichnet, und L₂ die Länge des optischen Pfads des zweiten Laserstrahls ist.
Im Ergebnis tritt ein schwebender Strahl mit einer Frequenz gleich der Differenz zwischen der Oszillationsfrequenz des ersten Laserstrahls 400 und der des zweiten Laserstrahls 500 auf, die durch die nachstehende Gleichung (3) wiedergegeben ist: f2 – f1 = f20 – f10 + (Δf2 + Δf1) = f20 – f10 + (2S2/λ2L2)·Ω (3) Falls andererseits der Ringlaser zur Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn angesteuert wird, tritt ein Schwebestrahl mit einer Frequenz gleich dem durch die nachstehende Gleichung (4) ausgedrückten Wert auf: f2 – f1 = f20 – f10 – (Δf2 + Δf1) = f20 – f10 – (2S2a/λ2L2)·Ω (4)
Wenn unterdessen zwei oder mehr verschiedene Oszillationsmoden in einem Laser vorliegen, variiert die Besetzungsinversion in Reaktion auf die Differenz der Oszillationsfrequenzen der ausgewählten Mode mit der Zeit. Dieses Phänomen wird als Besetzungspulsieren bezeichnet. Im Falle eines Lasers, bei dem ein elektrischer Strom fließt, wie etwa bei einem Gaslaser oder einem Halbleiterlaser, zeigt die Besetzungsinversion eine eins-zu-eins Übereinstimmung mit der Impedanz des Lasers. Wenn zwei Laserstrahlen miteinander innerhalb eines derartigen Lasers interferieren, variiert die Besetzungsinversion durch die Interferenz, wobei die Impedanz zwischen den Elektroden des Lasers konsequent verändert wird. Die Veränderung kann als eine Veränderung im Klemmenstrom beobachtet werden, wenn eine Konstantspannungsquelle als Ansteuerungsleistungsoberfläche verwendet wird. Die Veränderung kann andererseits ebenfalls als Veränderung in dem Klemmenstrom beobachtet und als die Interferenz der zwei Strahlen repräsentierendes Signal herausgeführt werden, wenn eine Konstantstromquelle verwendet wird. Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, die Veränderung in der Impedanz mittels eines Impedanzmeters direkt zu beobachten.
Somit ist durch die Bereitstellung eines Anschlusses zum Erfassen der Veränderung im Strom, der Spannung oder der Impedanz des Lasers oder der Veränderung bei der Frequenz einer dieser Größen, um genau zu sein, das Herausführen eines Schwebungssignals in Reaktion auf die Drehung möglich. Zusätzlich steigt oder sinkt erfindungsgemäß die Schwebungsfrequenz gemäß dem Drehsinn in einer durch die Gleichung (3) und (4) ausgedrückten Weise.
Daher ist es möglich, den Drehsinn durch Beobachtung des Anstiegs oder der Verringerung, falls überhaupt, bei der Schwebungsfrequenz gegenüber der Zeit zu beobachten, wenn der Laser noch nicht dreht.
Zudem kann die Winkelgeschwindigkeit des Lasers zusätzlich zum Drehsinn erfasst werden, wenn f₂ – f₁ den durch die nachstehende Formel (5) ausgedrückten Zusammenhang erfüllt: f2 – f1 ≥ 0 (5) Im Übrigen trifft der durch Gleichung (6) ausgedrückte Zusammenhang zu, wenn die Oszillationswellenlänge des ersten Laserstrahls 400 und die des zweiten Laserstrahls 500 zueinander gleich sind. f2 0 – f10 = 0 (6)
Dann ist die Schwebungsfrequenz f₂ – f₁ entweder ein positiver Wert oder ein negativer Wert. Dasselbe Signal wird jedoch von dem Anschluss erhalten, solange der Absolutwert der Schwebungsfrequenz gleich bleibt. In diesem Fall ist es nicht möglich, den Drehungssinn des Lasers zu erfassen.
Erfindungsgemäß kann jedoch der Drehungssinn erfasst werden, in dem derart angeordnet wird, dass der Wert der Schwebungsfrequenz stets positiv oder negativ (bei der vorstehenden Beschreibung positiv) bleibt, und lediglich der Absolutwert der Schwebungsfrequenz sich in Abhängigkeit von dem Drehungssinn des Lasers verändert.
Bei einer Situation, wo der Laser stationär gehalten wird, kann die Oszillationsfrequenz f₁ ₀ des CW-Strahls und die Oszillationsfrequenz f₂ ₀ des CCW-Strahls voneinander differenziert werden, oder f₁₀ ≠ f₂ ₀ kann realisiert werden, indem die Oszillationsfrequenz f₃₀ des dritten Laserstrahls 300 zum Injektionssperren von der Oszillationsfrequenz f₂₀ des CCW-Strahls (f₃₀ ≠ f₂ ₀) differenziert wird.
Dann ergibt sich die Oszillationsfrequenz f₁ ₀ des CW-Strahls gleich der Oszillationsfrequenz f₃₀ des dritten Strahls, oder f₁₀ = f₃ ₀ wird aufgrund des Injektionssperrens realisiert, sodass konsequenterweise f₁₀ ≠ f₂ ₀ realisiert werden kann.
Ein erfindungsgemäßer Kreisel arbeitet nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kreisels.
Dies ist ein Kreisel mit einem Ringlaser 40 zum Erzeugen eines CW-Strahls 400 und eines CCW-Strahls 500, die sich zirkulierend in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, wobei ein elektrisches Signal von dem Ringlaser herausgeführt wird. Der kennzeichnendste Aspekt eines erfindungsgemäßen Kreisels ist, dass ein dritter Laserstrahl 300 mit einer von der des CCW-Strahls 500 verschiedenen Oszillationsfrequenz (Oszillationswellenlänge) geführt wird, damit er in den Laser 40 eindringt, sodass er in der dem CCW-Strahl entgegengesetzten Richtung zirkulierend ausgebreitet wird.
Mit dieser Anordnung wird die Oszillationswellenlänge λ'₁ des CW-Strahls 400 gleich der des dritten Laserstrahls, und somit koexistieren Laserstrahlen in dem Ringlaser 40 mit jeweiligen Oszillationsfrequenzen oder Oszillationswellenlängen, die voneinander verschieden sind.
Somit kann gemäß vorstehender Beschreibung eine Schwebungsfrequenz durch den Anschluss 44 in 3 erfasst werden, selbst wenn der Ringlaser 40 stationär gehalten wird, wobei eine Schnittansicht der Laservorrichtung gemäß 2 dargestellt ist.
Nachstehend wird eine Technik zum Führen eines dritten Laserstrahls beschrieben, damit dieser in den Ringlaser 40 von einem Spiegel 31 eindringt (nachstehend mit "Injektionssperr"-Technik bezeichnet).
Gemäß 4 wird der dritte Laserstrahl geführt, um nicht unmittelbar in den Ringlaser einzudringen, sondern um in einen anderen optischen Wellenleiter 31 einzudringen. Der optische Wellenleiter 31 ist innerhalb eines Abstands angeordnet, wobei er mit dem Ringlaser 40 optisch gekoppelt ist. Somit ist der dritte Laserstrahl mit dem Ringlaser optisch gekoppelt und wird mithin geführt, um in den Letztgenannten mittels des optischen Wellenleiters 31 einzudringen. Eine Beugung des dritten Laserstrahls wird sodann unterdrückt, weil es sich durch den optischen Wellenleiter 31 ausbreitet.
Der optische Wellenleiter 31 ist kurz gesagt so nahe bei dem Ringlaser angeordnet, dass der sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitende Laserstrahl in den Ringlaser gekoppelt wird. Mit dieser Anordnung des Platzierens des optischen Wellenleiters und des Ringlasers in enger Nachbarschaft, arbeitet der in der Nachbarschaft angeordnete Bereich als Richtungskoppler. Folglich wird der sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitende Laserstrahl in den Ringlaser gekoppelt.
Vorzugsweise werden der optischen Wellenleiter 31 und der Ringlaser 40 voneinander um einen Abstand separiert, der kleiner als die Eindringtiefe des sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitenden Laserstrahls ist. Wenn der optische Wellenleiter 31 von dem Ringlaser 40 durch einen Abstand kleiner der Eindringtiefe des Laserstrahls separiert wird, zeigt die optische Kopplung des Ringlasers und des optischen Wellenleiters eine hohe Kopplungseffizienz.
Somit wird der von seinem eigenen Laser emittierte dritte Laserstrahl in den Ringlaser hoch effizient gekoppelt, nachdem er durch den optischen Wellenleiter passiert.
Mit dieser Anordnung braucht der von dem als Lichtquelle zum Injektionssperren arbeitenden Laser emittierte Laserstrahl eine geringe Lichtintensität, und die Lichtquelle zum Injektionssperren konsumiert somit wenig elektrische Energie. Ein derart eindringendes Licht wird Dämpfungslicht genannt.
6 zeigt eine weitere Injektionssperrtechnik, wobei ein optischer Wellenleiter 34 mit dem optischen Wellenleiter des Ringlasers 40 verbunden ist. Mit dieser Anordnung kann der sich durch den optischen Wellenleiter 34 ausbreitende Laserstrahl ebenfalls hocheffizient in den Ringlaser 40 gekoppelt werden. Zudem braucht der von dem als Lichtquelle zum Injektionssperren arbeitende Laser emittierte Laserstrahl eine geringe Lichtintensität, und somit verbraucht die Lichtquelle zum Injektionssperren wenig elektrische Leistung.
Dabei ist die Endfläche des gegenüber dem Laser 30 angeordneten optischen Wellenleiters 31 oder 34 gegen eine Ebene mit einer Normalen in der Hauptausbreitungsrichtung des von dem Laser 30 emittierten Laserstrahls und des sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitenden Laserstrahls geneigt. Mit dieser Anordnung dringt der von dem Laser emittierte Laserstrahl in den optischen Wellenleiter ein und breitet sich durch diesen aus, und dann wird der Laserstrahl in den Ringlaser optisch gekoppelt. Dabei wird der Laserstrahl teilweise durch die Endfläche des optischen Wellenleiters reflektiert. Da die Endfläche des optischen Wellenleiters gegen die Ebene mit einer Normalen in der Hauptrichtung des Laserstrahls geneigt ist, wird der durch die Endfläche reflektierte Teil des Laserstrahls daran gehindert, zum Laser zurückzukehren. Folglich kann ein optisches Rückkopplungsrauschen vermieden werden, ohne einen optischen Isolator zu verwenden. Dabei wird anerkannt, dass die Verwendung eines optischen Isolators zum Zwecke der Vermeidung optischen Rückkopplungsrauschens vorzuziehen ist, wenn die Endfläche des optischen Wellenleiters parallel zu der Ebene mit einer Normalen in der Hauptausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist.
Nachstehend wird das von dem Ringlaser zu erfassende elektrische Signal beschrieben. Dabei kann das elektrische Signal alternativ von einem unmittelbar mit dem Ringlaser verbundenen Anschluss erfasst werden.
Als weitere Alternative kann eine Fotoerfassungseinrichtung 39 zum Erfassen des interferierten Strahls aus dem CW-Strahl und dem CCW-Strahl, die sich im Ringlaser 40 in entgegengesetzte Richtungen zirkulierend ausbreiten, außerhalb des Ringlasers 40 angeordnet sein, und das elektrische Signal kann aus der Fotoerfassungseinrichtung 39 herausgeführt werden.
Das elektrische Signal, das erhalten wird, wenn die Laservorrichtung des Kreisels stationär gehalten wird, verändert sich auf eine nachstehend beschriebene Weise, wenn die Vorrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird (19A bis 19C). Dabei wird gemäß der vorstehenden Beschreibung des dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kreisels zugrunde liegenden Prinzips angenommen, dass die Wellenlänge λ'₁ des CW-Strahls nach dem Injektionssperren und die Wellenlänge λ₂ des CCW-Strahls den Zusammenhang λ₂ < λ'₁ aufweisen.
19A zeigt das elektrische Signal, das erhalten werden kann, wenn die Laservorrichtung stationär gehalten wird. Es sei angenommen, dass das elektrische Signal im stationären Zustand eine Periode t_A aufweist.
Wenn die Laservorrichtung im Uhrzeigersinn gedreht wird, steigt die Schwebungsfrequenz oder f₂–f₁ gemäß der vorstehenden Gleichung (3), und das elektrische Signal weist mithin eine Periode t_B kleiner t_A gemäß 19B auf.
Wenn andererseits die Laservorrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, verringert sich die Schwebungsfrequenz gemäß der vorstehenden Gleichung (4), und das elektrische Signal weist mithin eine Periode t_c größer t_A gemäß 19C auf.
Somit kann durch den Vergleich der Periode des elektrischen Signals (oder der der Schwebungsfrequenz), wenn die Laservorrichtung stationär gehalten wird, und der Periode des elektrischen Signals (oder der der Schwebungsfrequenz), wenn die Laservorrichtung gedreht wird, die Winkelgeschwindigkeit des Objekts aus dem Absolutwert der Differenz bestimmt werden, und der Drehsinn des Objekts kann aus dem Dimensionszusammenhang der Werte der Perioden (oder der Schwebungsfrequenzen) bestimmt werden.
Nachstehend werden Techniken beschrieben, die zum Erfassen des elektrischen Signals verwendet werden können, das sich in Reaktion auf die Schwebungsfrequenz verändert.
Das aus der Laservorrichtung herauszuführende elektrische Signal kann ein Spannungssignal sein, wenn die Vorrichtung durch einen Konstantstrom angesteuert wird, oder es kann ein Stromsignal sein, wenn die Vorrichtung durch eine Konstantspannung angesteuert wird. Alternativ kann es ein durch die Laservorrichtung erzeugtes Impedanzsignal sein.
Unter Bezugnahme auf 20 wird eine Konstantstromquelle 1902 eingebracht und mit einer Laservorrichtung einer Halbleiterlaservorrichtung 1900 durch einen Widerstand 1901 verbunden. Dann wird das durch den Halbleiterlaser 1900 erzeugte elektrische Signal (das ein Spannungssignal ist) mittels einer Spannungserfassungsschaltung 1906 gelesen. Dabei wird vorzugsweise eine Spannungsfolgeschaltung 1905 als Schutzschaltung gemäß 20 bereitgestellt, wann immer dies nötig ist. Während die Laservorrichtung gemäß 20 ein Halbleiterlaser gemäß der vorstehenden Beschreibung ist, kann ein Gaslaser alternativ für den erfindungsgemäßen Zweck verwendet werden.
21 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Anordnung, wo die Laservorrichtung ebenfalls durch einen Konstantstrom angesteuert wird, und die Veränderung bei dem Anodenpotenzial das Halbleiterlasers 2000 zum Erfassen der Drehung des Kreisels ausgelesen wird.
Bezugnehmend auf 21 ist die Anode des Halbleiterlasers 2000 mit dem Ausgangsanschluss eines Operationsverstärkers 2010 mittels eines Schutzwiderstands 2003 verbunden, und die Kathode des Halbleiterlasers 2000 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 2010 verbunden.
Der Operationsverstärker 2010 gibt das Signal Vout aus, das dem Eingangspotential Vin entspricht, welches typischerweise von einem Mikrocomputer angelegt wird. Da das Signal Vout eine Schwebungsfrequenz aufweist, die Proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist, kann die Drehung der Laservorrichtung erfasst werden, indem das Signal in eine Spannung mittels einer bekannten Frequenz/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) umgewandelt wird.
9 zeigt ein Schaltbild einer Frequenz /Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung). Die Schaltung umfasst einen Transistor, Dioden, Kondensatoren und Widerstände und die Ausgangsspannung Vc2 davon wird durch die nachstehende Formel (7) ausgedrückt: Vc2 = EiC1R0f/[1 + 1/{1 – exp(-1/R0C2f)}] (7), wobei E_i den Spitzenwert-zu-Spitzenwert-Betrag der Eingangsspannung bezeichnet, und f die Schwebungsfrequenz bezeichnet. Durch die Wahl von Werten, die C₂ » C₁ und R₀C₂f < 1 für die Schaltungsparameter erfüllen, wird der durch die nachstehende Gleichung (8) wiedergegebene Zusammenhang erfüllt, damit eine Spannungsausgabe erhalten wird, die zur Schwebungsfrequenz proportional ist. Vc2 = EiC1R0f/2 (8)
Nachstehend wird die Anordnung zum Erfassen der Drehung der Laservorrichtung durch die Veränderung im elektrischen Strom beschrieben.
Die Winkelgeschwindigkeit der drehenden Laservorrichtung kann bestimmt werden, indem die Veränderung bei dem durch den Halbleiterlaser fließenden Strom unter Verwendung einer Konstantspannungsquelle als Energieversorgung erfasst wird. Ein kompaktes und leichtgewichtiges Ansteuerungssystem kann für die Laservorrichtung unter Verwendung einer Batterie für die Konstantspannungsquelle gemäß den 22 oder 23 erhalten werden. Bei der Schaltung gemäß 22 ist der Halbleiterlaser 2200 mit einem Widerstand 2201 in Reihe geschaltet, sodass die Veränderung bei dem durch den Halbleiterlaser fließenden elektrischen Strom als Veränderung in der Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden des elektrischen Widerstands bestimmt werden kann. Bei 22 bezeichnet das Bezugszeichen 2202 eine Batterie und das Bezugszeichen 2206 bezeichnet ein Voltmeter. Bei der Schaltung gemäß 23 ist der Halbleiterlaser 2300 andererseits mit einem Amperemeter 2306 in Reihe geschaltet, um den durch den Halbleiterlaser fließenden elektrischen Strom unmittelbar zu beobachten. Bei 23 bezeichnen die Bezugszeichen 2301 bzw. 2302 einen elektrischen Widerstand und eine Batterie.
Nachstehend wird eine weitere Schaltungskonfiguration beschrieben, die zum Erfassen eines Schwebungssignals für den erfindungsgemäßen Zweck verwendet werden kann.
24 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung zum Erfassen der Drehung eines Halbleiterlasers 2400 durch Anlegen einer Konstantspannung daran, um diesen anzusteuern, und die Veränderung bei dem Anodenpotenzial des Halbleiterlasers 2400 zu lesen.
Die Anode des Lasers 2400 ist mit dem Ausgangsanschluss eines Operationsverstärkers 2410 mittels eines Widerstands 2403 verbunden, und die Kathode des Lasers 2400 ist geerdet, um ein Bezugspotenzial zu haben.
Eine Konstantspannungsansteuerungsanordnung kann durch Anlegen eines Konstantpotenzials (Vin) an den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 2410 mittels beispielsweise eines Mikrocomputers erhalten werden, sodass das Potenzial konstant an dem Widerstand 2403 und dem Laser 2400 angelegt ist.
Der elektrische Widerstand 2403 wird mit einem anderen Operationsverstärker 2411 verbunden, der als Puffer arbeitet.
Der Operationsverstärker 2411 gibt ein Signal Vout aus, das eine Schwebungsfrequenz aufweist, welche proportional zu der Winkelgeschwindigkeit ist, sodass die Drehung der Laservorrichtung durch Verändern der Frequenz in eine Spannung mittels einer bekannten Frequenz/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) erfasst werden kann. Dabei ist es im Übrigen ebenfalls möglich, die Drehung der Laservorrichtung durch Anlegen des erhaltenen Signals an einem Punkt, der potentialgleich zu dem elektrischen Widerstand 2403 ist, unmittelbar an der f/U-Wandlerschaltung zu erfassen, ohne durch den Operationsverstärker 2411 zu gehen. Eine Frequenzzählschaltung kann als Schwebungssignalerfassungsschaltung verwendet werden.
25 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung, welche das Massepotenzial als Referenzpotenzial für das Signal unter Verwendung einer Subtraktionsschaltung 2515 zusätzlich zu der Konstantspannungsansteuerungsanordnung gemäß vorstehender Beschreibung bezüglich 24 verwendet.
Bezugnehmend auf 25 wird eine Konstantspannung V₁ an den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 2510 mittels beispielsweise eines Mikrocomputers angelegt. In 25 bezeichnet das Bezugszeichen 2500 eine Laservorrichtung und die Bezugszeichen 2511 und 2512 bezeichnen jeweilige Spannungsfolger, während die Bezugszeichen 2503 und 2516 bis 2519 jeweils elektrische Widerstände bezeichnen. Die Widerstände 2516 und 2517 weisen denselben elektrischen Widerstand auf, wohingegen die Widerstände 2518 und 2519 ebenfalls denselben elektrischen Widerstand aufweisen.
Die Potenziale V₁ und V₂ an den entgegengesetzten Enden des elektrischen Widerstands 2503 werden jeweils an den invertierenden Eingangsanschluss und den nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 2520 mittels der Spannungsfolger 2511, 2512 und der Widerstände 2516 und 2518 angelegt. Mit dieser Anordnung kann die Veränderung bei der an den Widerstand 2503 angelegten Spannung V₂–V₁ (= V₀) erfasst werden, um die Veränderung bei dem durch die Laservorrichtung 2500 fließenden elektrischen Strom unter Verwendung des Massepotenzials als Bezugspotenzial herauszufinden.
Dann kann die Drehung der Laservorrichtung aus dem erhaltenen Signal erfasst werden, nachdem dieses durch eine f/U-Wandlerschaltung durchgelassen wurde.
Es ist ebenfalls möglich, die Veränderung bei der Impedanz des Halbleiterlasers 2600 unmittelbar mittels eines Impedanzmeters 2609 gemäß 26 ungeachtet der Bauart der Energieversorgung zu beobachten. Bei 26 bezeichnet das Bezugszeichen 2602 eine Energievorsorgung. Mit dieser Anordnung kann der Einfluss des Rauschens auf die Ansteuerungsenergieversorgung ungleich dem Fall reduziert werden, wo die an die Laservorrichtung angelegte Klemmenspannung oder der durch sie fließende elektrische Strom beobachtet wird.
Obwohl die vorstehende Beschreibung für den Fall von Halbleiterlasern angegeben ist, können Gaslaser auf dieselbe Weise beschrieben werden.
Zur Reduktion des Oszillationsschwellenwerts des Ringlasers sind die Lateraloberflächen des Ringlasers vorzugsweise Totalreflexionsebenen.
Für die Betriebsweise des Injektionssperrens ist die Differenz zwischen der Oszillationsfrequenz des CW-Strahls und der des CCW-Strahls vorzugsweise größer als 100 Hz, noch bevorzugter größer als 1 kHz, und am bevorzugtesten größer als 10 kHz, um das Einrastphänomen zu vermeiden.
Während verschiedene Anordnungen zum Erfassen der Rotation einer Laservorrichtung vorstehend bezüglich eines Halbleiterlasers beschrieben sind, wird gewürdigt, dass die vorstehende Beschreibung in gleicher Weise auf einen Gaslaser zutrifft.
Beispiele
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beliegende Zeichnung beschrieben.
Beispiel 1
1 zeigt eine schematische Darstellung des ersten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei deren kennzeichnenden Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. Bezugnehmend auf 1 umfasst die Laservorrichtung gemäß dem vorliegenden Beispiel eine Quarzröhre 10, Spiegel 12, eine Anode 13, einen elektrischen Anschluss 14 und eine Kathode 15. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet einen sich im Uhrzeigersinn (CW-Strahl) zirkulierend ausbreitenden Laserstrahl und das Bezugszeichen 110 bezeichnet einen dritten Laserstrahl, wohingegen das Bezugszeichen 200 einen sich entgegen dem Uhrzeigersinn (CCW-Strahl) zirkulierend ausbreitenden Laserstrahl bezeichnet.
Bei der Laservorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wurde die Quarzröhre 100 durch Aushöhlen eines Quarzblocks mittels eines Bohrers ausgebildet. Danach wurden die Spiegel 12 in die Quarzröhre 10 eingepasst. Die Anode 13, der elektrische Anschluss 14 und die Kathode 15 wurden ebenfalls in die Quarzröhre 10 eingepasst. Nachfolgend wurde Heliumgas und Neongas in die Quarzröhre 10 eingeführt, und eine Spannung wurde zwischen die Anode und die Kathode angelegt, um zu einer elektrischen Entladung zu führen, und das Fließen eines elektrischen Stroms zu verursachen. Als Folge oszillierten der gegen den Uhrzeigersinn orientierte Laserstrahl 200 und der im Uhrzeigersinn orientierte Laserstrahl 100 in der Quarzröhre 10.
Wenn die Quarzröhre 10 stationär gehalten wird, zeigen der Laserstrahl 100 und der Laserstrahl 200 eine im Wesentlichen identische Oszillationsfrequenz von 4,73·10¹⁴ Hz und eine identische Wellenlänge λ von 632,8 nm.
Die Oszillationsfrequenz f₀ des von dem Laser 11 zum Injektionssperren emittierten dritten Laserstrahls ist um 20 MHz größer als die Oszillationsfrequenz f₁ des Laserstrahls 100. Unter dieser Bedingung wird der von dem Laser 11 emittierte Laserstrahl 110 geführt, um in die Quarzröhre 10 einzudringen. Der Laserstrahl 110 und der Laserstrahl 100 interagieren miteinander im Bereich innerhalb der Quarzröhre 10, wo der Laserstrahl 110 und der Laserstrahl 100 sich in derselben Richtung ausbreiten.
Folglich wird der Laserstrahl 100 in den Laserstrahl 110 gezogen, und die Oszillationsfrequenz des Laserstrahls 100 wird gleich der Oszillationsfrequenz f₀ des Laserstrahls 110, was den Effekt des Injektionssperrens zur Folge hat. Als Folge des Injektionssperrens wird die Oszillationsfrequenz des sich im Uhrzeigersinn durch die Quarzröhre 10 ausbreitenden Laserstrahls 100 um 20 MHz größer als die des entgegen dem Uhrzeigersinn orientierten Laserstrahls 200.
Sodann wird ein Interferenzstrahl mit einer Schwebungsfrequenz von 20 MHz in der Quarzröhre 10 erzeugt. Falls eine Konstantstromquelle verwendet wird, kann ein Signal mit einer Amplitude von 100 mV und einer Frequenz von 20 MHz durch Überwachen der Spannung zwischen dem Elektrodenanschluss 14 und der Kathode 15 erhalten werden. Mit anderen Worten, eine Schwebungsfrequenz kann selbst dann erfasst werden, wenn die Quarzröhre stationär gehalten wird.
Falls die Quarzröhre 10 für eine Drehung im Uhrzeigersinn bei einer Rate von 180° pro Sekunde angesteuert wird, und jede Seite der Quarzröhre 10 eine Länge von 10 cm aufweist, wird die Oszillationsfrequenz f2 des sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 200 um 248,3 kHz erhöht, während andererseits die Oszillationsfrequenz f₁ des sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 100 nicht verändert wird, weil sie Injektionssperren unterliegt. Dann kann die Schwebungsfrequenz durch die nachstehende Formel (9) erhalten werden. f1–f2 = 20 MHz–248,3 kHz (9)
Wenn andererseits die Quarzröhre 10 für eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn bei einer Rate von 180° pro Sekunde angesteuert wird, kann die Schwebungsfrequenz durch die nachstehend angeführte Gleichung (10) erhalten werden. f1–f2 = 20 MHz + 248,3 kHz (10)
Da der Absolutwert des Anstiegs oder der Verringerung der Schwebungsfrequenz proportional zu der Drehungsgeschwindigkeit ist, ist es nunmehr möglich, nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit des Halbleiterlasers, sondern auch den Drehsinn zu erfassen, weil der Anstieg oder die Verringerung bei der Schwebungsfrequenz einer eins-zu-eins Entsprechung mit dem Drehungssinn aufweist.
Während die Veränderung bei der Klemmspannung durch Ansteuerung des Kreisels mit einem Konstantstrom bei dem vorliegenden Beispiel beobachtet wird, kann die Veränderung bei dem in den Anschluss fließenden elektrischen Strom beobachtet werden, falls der Kreisel mit einer Konstantspannung angesteuert wird. Alternativ kann die Veränderung bei der Entladungsimpedanz mittels eines Impedanzmeters unmittelbar erfasst werden.
Während bei dem vorliegenden Beispiel Heliumgas und Neongas in die Quarzröhre eingeführt wurden, können sie durch ein beliebiges Gas ersetzt werden, dass zu einer Laseroszillation führt. Zusätzlich kann das Profil des optischen Wellenleiters sechseckig, dreieckig oder rund anstelle von rechteckig sein.
Beispiel 2
2 zeigt eine schematische Darstellung des zweiten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei die kennzeichnenden Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Laservorrichtung gemäß 2 entlang der Linie 3-3 aus 2. In den 2 und 3 sind ein Halbleiterlaser 30, ein Halbleiterlaser 40 in der Ringresonatorbauart mit einer Anode 43, einem elektrischen Anschluss 44, einer Abdeckschicht 45, einer Mantelschicht 46, einer optischen Leitschicht 47, einer aktiven Schicht 48, einer weiteren optischen Leiterschicht 49, einem Halbleitersubstrat 54 und einer Kathode 55 gezeigt. Das Bezugszeichen 300 bezeichnet einen dritten Laserstrahl und das Bezugszeichen 400 bezeichnet einen sich im Uhrzeigersinn zirkulierend ausbreitenden Laserstrahl, wohingegen das Bezugszeichen 500 einen sich entgegen dem Uhrzeigersinn zirkulierend ausbreitenden Laserstrahl zeigt.
Zunächst wird das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers zum Injektionssperren und des Halbleiterlasers in der Ringresonatorbauart mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration beschrieben. Eine aufdotierte optische InGaAsP-Leiterschicht 49 mit einer 1,3 μm-Zusammensetzung (0,15 μm Dicke), eine undotierte aktive InGaAsP-Schicht 48 mit einer 1,55 μm-Zusammensetzung (0,1 μm Dicke), eine weitere undotierte optische InGaAsP-Leitschicht 47 mit einer 1,3 μm-Zusammensetzung (0,15 μm Dicke), eine p-InGaAsP-Mantelschicht 46 (2 μm Dicke) und eine p-InGaAsP-Abdeckschicht 45 mit einer 1,4 μm-Zusammensetzung (0,3 μm Dicke) wurden auf einem n-InP-Substrat 54 (350 μm Dicke) mittels einem metallorganischen Gasphasenepitaxievorgang für sowohl den Halbleiterlaser 30 zum Injektionssperren als auch den Halbleiterlaser 40 in der Ringresonatorbauart aufgewachsen.
Während die dem Halbleiterlaser 30 und dem Halbleiterlaser 40 in der Ringresonatorbauart gemeinsamen Halbleiterschichten gleichzeitig bei dem vorliegenden Beispiel aufgewachsen wurden, können sie alternativ getrennt aufgewachsen werden.
Nach dem Kristallwachstumsvorgang wurde der Fotolack AZ-1350 (von Hoechst erhältliche Marke) auf die p-InGaAsP-Abdeckschicht mittels einer Aufschleuderungsbeschichtungseinsrichtung geschichtet, um eine Schichtdicke von 1 μm zu erhalten. Nach einem Vorbacken des Wafers bei 80°C für 30 Minuten wurde dieser mit einer ihn bedeckenden Maske belichtet. Nach den Entwicklungs- und Spülvorgängen wies der kreisförmige optische Wellenleiter des Halbleiterlasers 40 in der Ringresonatorbauart eine Breite von 5 μm und eine Kreislänge von 600 μm auf, wohingegen der optische Wellenleiter des Halbleiterlasers 30 eine Breite von 5 μm und eine Kreislänge von 300 μm aufwies.
Nachfolgend wurde der Wafer in ein reaktives Ionenstrahlätzsystem eingeführt und mittels Chlorgas geätzt, damit er einen hohen Abschnitt mit einer Tiefe von 3 μm aufwies. Schließlich wurde Cr/Au auf der p-InGaAsP-Abdeckschicht 45 durch Abscheidung ausgebildet, um eine Anode 43 darauf zu erzeugen, während AuGe/Ni/Au auf dem n-InP-Substrat ebenfalls durch Abscheidung ausgebildet wurde, um eine Kathode 55 darauf zu erzeugen. Danach wurde der Wafer in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre ausgeheilt, um einen ohmschen Kontakt aufzuweisen.
Auf den Halbleiterlaser in Ringresonatorbauart einfallendes Licht mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird durch die Schnittstelle des Halbleiters mit Luft aufgrund der Differenz im Brechungsindex zwischen dem Halbleiter und Luft reflektiert. Falls der Brechungsindex des Halbleiters 3,5 beträgt, tritt eine Totalreflexion auf, wenn der Winkel zwischen der Normalen der Schnittstelle und dem Laserstrahl gleich oder größer als 16,6° beträgt.
Da die Oszillationsmode, welche die Totalreflexion verursacht, aufgrund reduzierter Spiegelverluste einen kleineren Oszillationsschwellenwert als irgendeine andere Mode bereitstellt, beginnt die Laservorrichtung mit der Oszillation mit einem geringen injizierten Strompegel.
Da zusätzlich die optische Verstärkung sich auf diese Oszillationsmode konzentriert, werden Oszillationen in anderen Moden unterdrückt. Der Winkel zwischen der Normalen der Schnittstelle des Halbleiters und Luft beträgt 45° an jeder Ecke des Halbleiterlasers und erfüllt mithin die Winkelbedingung für Totalreflexion bei dem vorstehend beschriebenen Halbleiterlaser der Ringresonatorbauart 40.
Falls gewünscht wird, den Lichtverlust zu reduzieren und die Laservorrichtung mit einem niedrigen elektrischen Strom oder einer geringen Spannung anzusteuern, sollte der Lichtverlust in den die aktive Schicht sandwichartig umgebenden Schichten mit geringem Brechungsindex minimiert werden.
Dies wird unter Bezugnahme auf 27 nachstehend näher beschrieben. Bei 27 bezeichnet das Bezugszeichen 2801 ein aktive Schicht und die Bezugszeichen 2806 und 2807 bezeichnen jeweilige Schichten mit geringem Brechungsindex, wohingegen die Bezugszeichen 2803 und 2804 jeweilige Elektroden bezeichnen, und das Bezugszeichen 2802 ein Substrat bezeichnet.
28 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Bereichs 2850 der Laservorrichtung gemäß 27. Wenn die Vorrichtung mit geringer elektrischer Leistung angesteuert wird, sollte die Laservorrichtung derart hergestellt sein, dass die Winkel θ₁ und θ₂ zwischen den jeweiligen Lateraloberflächen der Schichten mit geringem Brechungsindex und derjenigen der aktiven Schicht ( 28) die Bedingung
75° ≥ θ₁ und θ₂ ≤ 105°,
vorzugsweise 80° ≤ θ₁ und θ₂ ≤ 100°,
und am bevorzugtesten 85° ≤ θ₁ und θ₂ ≤ 95° erfüllen.
Wenn die vorstehend angeführten Bedingungen erfüllt sind, können Verluste von in die Schichten 2806, 2807 mit geringem Brechungsindex eindringendem Licht (Dämpfungslicht) effektiv vermieden werden, um das Ansteuern des Halbleiterlasers mit einem geringen elektrischen Strom (oder einer geringen Spannung) zu ermöglichen.
Zusätzlich und wünschenswerterweise sind die Lateraloberflächen des Halbleiterlasers Totalreflexionsoberflächen, und die Winkel zwischen den Bereichen, die mehr als 90% der Totalreflexionsoberflächen betragen, und denen der aktiven Schicht sind durch die vorstehend angeführten Formeln definiert.
Es ist außerdem wünschenswert, dass die Lateraloberflächen der Brechungsindexschichten die vorstehenden Bedingungen mit der entsprechenden Lateraloberfläche der aktiven Schicht für dessen gesamte Peripherie erfüllen. Insbesondere ist es höchst wünschenswert, dass die inneren Lateraloberflächen der Laservorrichtung ebenfalls die vorstehenden Bedingungen für die Winkel θ₁ und θ₂ erfüllen.
Die Oberflächengenauigkeit (Oberflächenrauigkeit) der Lateraloberflächen der Schichten mit geringem Brechungsindex, welche die aktive Schicht 2801 sandwichartig umgeben, beträgt vorzugsweise weniger als die Hälfte, bevorzugter weniger als ein Drittel der Wellenlänge des durch das Transmissionsmedium der aktiven Schicht transmittierenden Lichts (= Wellenlänge von Licht in Vakuum/effektiver Brechungsindex des Mediums). Falls im Einzelnen die aktive Schicht eine InP-Schicht (mit einer Wellenlänge von 1,55 μm und einem effektiven Brechungsindex von 3,6 im Medium) ist, beträgt die Oberflächengenauigkeit vorzugsweise weniger als etwa 0,22 um, bevorzugter weniger als 0,14 μm.
Falls die aktive Schicht eine GaAs-Schicht (mit einer Wellenlänge von 0,85 μm und einem effektiven Brechungsindex von 3,6) ist, beträgt die Oberflächengenauigkeit vorzugsweise weniger als etwa 0,12 μm, noch bevorzugter weniger als 0,08 μm.
Gemäß 2 liegt der Oszillationsschwellenstrom des Halbleiterlasers 40 der Ringresonaterbauart bei Raumtemperatur bei 2 mA, während der Oszillationsschwellenstrom des Halbleiterlasers 30 10 mA beträgt.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurde ein Ansteuerungsstrom von 20 mA für den Halbleiterlaser 30 verwendet, während ein Ansteuerungsstrom von 3 mA für den Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart verwendet wurde.
Wenn die Laservorrichtung stationär gehalten wird, und der Halbleiterlaser 30 zum Injektionssperren keinen Laserstrahl 30 emittiert, zeigen der Laserstrahl 400 und der Laserstrahl 500 dieselbe Oszillationswellenlänge in dem Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart, die gleich 1,55 μm ist.
Andererseits ist die Oszillationsfrequenz f₃ des von dem Halbleiterlaser 30 emittierten Laserstrahls 300 um 1 kHz größer als die Oszillationsfrequenz f₄ des Laserstrahls 400. Wenn der Laserstrahl 300 in den Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart unter dieser Bedingung eingeführt wird, interagieren die beiden Laserstrahlen miteinander in dem Bereich, wo der Laserstrahl 300 und der Laserstrahl 400 sich in derselben Richtung ausbreiten. Folglich wird der Laserstrahl 400 zu dem Laserstrahl 300 gezogen, wodurch das Phänomen des Injektionssperren erzeugt wird, dass die Oszillationsfrequenzen der beiden Laserstrahlen zueinander gleich macht. Sodann wird die Oszillationsfrequenz des sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 400 um 1 kHz größer als die des sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 500, um konsequenterweise einen überlagerten Strahl mit einer Schwebungsfrequenz von 1 kHz in dem Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart zu erzeugen.
Falls eine Konstantstromquelle verwendet wird, kann ein Signal mit einer Amplitude von 100 mV und einer Frequenz von 1 kHz erhalten werden, indem die Spannung zwischen dem Elektrodenanschluss 44 und der Kathode 55 überwacht wird. Mit anderen Worten, eine Schwebungsspannung kann erfasst werden, selbst wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart stationär gehalten wird.
Falls der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart angesteuert wird, um sich im Uhrzeigersinn mit einer Rate von 30° pro Sekunde zu drehen, die ungefähr der Vibrationsrate einer mit der Hand geschüttelten Kamera oder der eines sich bewegenden Automobils entspricht, steigt die Oszillationsfrequenz f₅ des sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 500 um 88,7 Hz, während sich andererseits die Oszillationsfrequenz f₄ des sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 400 aufgrund des Injektionssperrens nicht verändert. Dann kann die Schwebungsfrequenz durch die nachstehend angeführte Formel (11) erhalten werden. f4–f5 = 1 kHz–88,7 Hz (11)
Wenn andererseits der Halbleiterlaser der Ringresonatorbauart angesteuert wird, um sich entgegen dem Uhrzeigersinn bei einer Rate von 30° pro Sekunde zu drehen, kann die Schwebungsfrequenz durch die nachstehend angeführte Formel (12) erhalten werden. f3–f4 = 1 kHz + 88,7 Hz (12)
Da der Absolutwert des Anstiegs oder der Verringerung bei der Schwebungsfrequenz proportional zur Drehungsgeschwindigkeit ist, ist es möglich, nicht nur die Drehungsgeschwindigkeit des Halbleiterlasers zu erfassen, sondern außerdem den Drehungssinn, weil der Anstieg oder die Verringerung in der Schwebungsfrequenz eine eins-zu-eins Entsprechung mit dem Drehungssinn aufweist.
Während bei dem vorliegenden Beispiel die Veränderung in der Klemmenspannung durch Ansteuern des Kreisels mit einem Konstantstrom beobachtet wird, kann eine Veränderung bei dem in den Anschluss fließenden elektrischen Strom beobachtet werden, falls der Kreisel mit einer Konstantspannung ansteuert wird. Alternativ kann die Veränderung bei der Entladungsimpedanz unmittelbar mittels eines Impedanzmeters erfasst werden.
Während bei dem vorliegenden Beispiel ein InGaAsP-Halbleitermaterial verwendet wird, kann ein Halbleitermaterial einer anderen Art wie etwa GaAs, ZnSe, InGaN, AlGaN, InP, GaN und andere Arten zusätzlich für den erfindungsgemäßen Zweck verwendet werden. Zudem kann das Profil des optischen Pfades des optischen Wellenleiters sechseckig, dreieckig oder kreisförmig anstelle von rechteckig sein. Ferner kann der Halbleiterlaser 30 eine Struktur in der Fabry-Perot-Bauart, der DFB-Struktur oder einer anderen Struktur aufweisen. Alternativ kann es ein Laser mit variabler Wellenlänge sein. Bezüglich der Steuerung der Transversalmode kann er eine Struktur in Gratbauart, eine Struktur in Rippenbauart, eine Bauart mit vergrabener Struktur oder eine andere Struktur aufweisen.
Beispiel 3
4 zeigt eine schematische Darstellung des dritten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei seine kennzeichnenden Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. Bei 4 bezeichnen das Bezugszeichen 31 den optischen Wellenleiter zum Kuppeln des dritten Laserstrahls 300 in den Ringlaser 40 und die Bezugszeichen 32 und 33 bezeichnen jeweils die gegenüberliegenden Endflächen des optischen Wellenleiters 31, wohingegen die Bezugszeichen 301, 310, 320 und 321 jeweilige Laserstrahlen bezeichnen. Dabei zeigt 5 eine Schnittansicht der Laservorrichtung gemäß 4 entlang der Linie 5-5 aus 4.
Der von dem Laser 30 emittierte Laserstrahl 300 wird geführt, um in den optischen Wellenleiter 31 einzudringen.
Sodann wird der Laserstrahl in den optischen Wellenleiter optisch gekoppelt, und wird daher innerhalb des optischen Wellenleiters 31 eingeschränkt und durch diesen ausgebreitet, ohne durch Beugung dispergiert zu werden. Die Endfläche 32 des optischen Wellenleiters 31 wird gegen eine Ebene mit einer Normalen in der Hauptrichtung der Ausbreitung des Laserstrahls 300 um 7 Grad oder mehr geneigt. Somit kehrt der Teil des Laserstrahls 300, der durch die Endfläche des optischen Wellenleiters reflektiert wird, oder der Laserstrahl 301 gemäß 4 nicht zu dem Halbleiterlaser 30 zurück.
Sodann verändert der Laserstrahl 320, der durch den Teil des durch die andere Endfläche 33 des optischen Wellenleiters 31 reflektierten Laserstrahls 310 und den in den optischen Wellenleiter 31 gekoppelten Teil des Laserstrahls 500 des Ringlasers ausgebildet wird, gemäß 4 seine Ausbreitungsrichtung, und wird von der Endfläche 32 als Laserstrahl 321 gemäß 4 nach außen emittiert. Dieser Laserstrahl 321 kehrt ebenfalls nicht zu dem Halbleiterlaser 30 zurück.
Während die Endfläche 33 senkrecht zu der Hauptausbreitungsrichtung der Laserstrahlen in 4 ist, kann sie ebenfalls gegen eine Ebene mit einer Normalen in der Hauptausbreitungsrichtung der Laserstrahlen geneigt sein.
Wenn sich ein Laserstrahl durch den optischen Wellenleiter 31 ausbreitet, tritt eine Totalreflexion an der Schnittstelle des optischen Wellenleiters auf. Wenn die Totalreflexion auftritt, existiert entlang die Schnittstelle kriechendes Dämpfungslicht. Falls die Oszillationswellenlänge 1,55 μm beträgt, liegt die Eindringtiefe des Dämpfungslichtes bei 0,075 μm. Die Intensität des Dämpfungslichtes schwächt sich exponentiell ab (die Eindringtiefe ist der Abstand, bei dem sich die Amplitude des elektrischen Feldes auf 1/e abschwächt, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist).
Da der Laser 40 in Ringresonatorbauart und der optischen Wellenleiter 31 um 0,07 μm getrennt sind, was kleiner als die Eindringtiefe ist, wird der Laserstrahl 310 in den Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart effizient gekoppelt. Folglich kann die erforderliche Intensität des Laserstrahls 300, um den Laserstrahl 400 zu dem Laserstrahl 310 zu ziehen, geringer als bei dem zweiten Beispiel sein. Der Ansteuerungsstrom des Halbleiterlasers 30 betrug 18 mA.
Wenn eine Konstantstromquelle verwendet wird, kann ein Signal mit einer Amplitude von 100 mV und einer Frequenz von 1 kHz erhalten werden, indem die Spannung zwischen dem Elektrodenanschluss 44 und der Kathode 55 überwacht wird, wie bei Beispiel 2. Mit anderen Worten, eine Schwebungsfrequenz kann erfasst werden, selbst wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart stationär gehalten wird.
Dasselbe Signal wie bei Beispiel 2 kann erhalten werden, wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart angesteuert wird, um sich im Uhrzeigersinn mit einer Rate von 30° pro Sekunde zu drehen, die ungefähr der Vibrationsrate einer mit der Hand geschüttelten Kamera oder der eines sich bewegenden Automobils entspricht.
Beispiel 4
4 zeigt eine schematische Darstellung des vierten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei seine kennzeichnenden Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. Bei 6 bezeichnet das Bezugszeichen 34 den mit einem Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart verbundenen optischen Wellenleiter. Dabei zeigt 7 eine Schnittansicht der Laservorrichtung gemäß 6 entlang der Linie 7-7 aus 6.
Da der optische Wellenleiter 34 mit dem Halbleiterlaser der Ringresonatorbauart verbunden ist, wird der Laserstrahl 310 effizient in den Halbleiterlaser der Ringresonatorbauart gekoppelt. Konsequenterweise kann die erforderliche Intensität des Laserstrahls 300, um den Laserstrahl 400 zu dem Laserstrahl 310 zu ziehen, niedrig sein. Folglich betrug der Ansteuerungsstrom des Halbleiterlasers 30 15 mA.
Wenn eine Konstantstromquelle verwendet wird, kann ein Signal mit einer Amplitude von 100 mV und einer Frequenz von 1 kHz erhalten werden, indem die Spannung zwischen dem Elektrodenanschluss 44 und der Kathode 55 wie bei Beispiel 2 überwacht wird. Mit anderen Worten, eine Schwebungsspannung kann erfasst werden, selbst wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart stationär gehalten wird.
Dasselbe Signal wie bei Beispiel 2 kann erhalten werden, wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart angesteuert wird, um sich mit einer Rate von 30° pro Sekunde im Uhrzeigersinn zu drehen, was ungefähr der Vibrationsrate einer mit der Hand geschüttelten Kamera oder der eines sich bewegenden Automobils entspricht.
Beispiel 5
8 zeigt eine schematische Darstellung des fünften erfindungsgemäßen Beispiels, wobei dessen kennzeichnende Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. Bezugnehmend auf 8 ist ein optischer Kreisel 1, ein Rotationstisch 2, eine Stromquelle 3, ein elektrischer Widerstand 4 und eine Frequenz-/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 gezeigt.
Mit der vorstehenden Anordnung wird ein elektrischer Strom in den optischen Kreisel 1 von der Stromquelle 3 über den Widerstand 4 injiziert, der in Reihe geschaltet ist. Selbst falls der optische Kreisel 1 stationär gehalten wird, kann ein die Differenz zwischen den Oszillationsfrequenzen der beiden Laserstrahlen in dem optischen Kreisel 1 repräsentierendes Schwebungssignal als Veränderung in der Klemmenspannung erhalten werden. Wenn der optische Kreisel 1, der auf dem Drehtisch 2 befestigt ist, zur Drehung angesteuert wird, repräsentiert das erhaltene Schwebungssignal die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Kreisels.
Die Schwebungsfrequenz kann in einen Spannungswert umgewandelt werden, indem das Schwebungssignal dazu veranlasst wird, durch die Frequenz/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 zu passieren. Falls die Spannungsausgabe der Frequenz/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 auf null eingestellt wird, wenn der optische Kreisel 1 durch Regulierung des Versatzes stationär gehalten wird, kann der Drehungssinn des Kreisels dadurch erfasst werden, ob die Ausgabe der Frequenz-/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 positiv oder negativ ist.
9 ein Schaltbild einer Frequenz/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung). Die Schaltung umfasst einen Transistor, Dioden, Kondensatoren und Widerstände und deren Ausgangsspannung V_c2 wird durch die nachstehend angeführte Formel (13) wiedergegeben: Vc2 = EiC1R0f/[1 + 1/{1 – exp (-1/R0C2f)}] (13), wobei E_i den Spitzenwert-zu-Spitzenwert-Betrag der Eingangsspannung und f die Schwebungsfrequenz repräsentiert.
Beispiel 6
10 zeigt eine schematische Darstellung des sechsten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei dessen kennzeichnende Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. Bezugnehmend auf 10 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Quarzröhre und das Bezugszeichen 11 bezeichnet einen Masterlaser zum Injektionssperren. Gezeigt sind außerdem Spiegel 12, eine Anode 13, eine Kathode 15 und eine Fotoerfassungseinrichtung 19. In 10 bezeichnet das Bezugszeichen 100 einen sich im Uhrzeigersinn zirkulierend ausgebreitenden Laserstrahl, und das Bezugszeichen 101 bezeichnet einen Laserstrahl, wohingegen das Bezugszeichen 200 einen sich entgegen dem Uhrzeigersinn zirkulierend ausbreitenden Laserstrahl bezeichnet, und das Bezugszeichen 201 einen weiteren Laserstrahl bezeichnet.
Bei der Laservorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wurde die Quarzröhre 10 durch das Aushöhlen eines Quarzblocks mittels eines Bohrers ausgebildet.
Danach wurden die Spiegel 12 in die Quarzröhre 10 eingepasst. Zusätzlich wurden die Anode 13 und die Kathode 15 ebenfalls in die Quarzröhre 10 eingepasst. Nachfolgend wurde Heliumgas und Neongas in die Quarzröhre 10 eingeführt, und eine Spannung wurde zwischen die Anode und die Kathode angelegt, um eine elektrische Entladung zu veranlassen, und einen elektrischen Stromfluss zu verursachen. Folglich oszillierten sowohl der im Uhrzeigersinn orientierte Laserstrahl 100 als auch der entgegen dem Uhrzeigersinn orientierte Laserstrahl 200 in der Quarzröhre 10.
Wenn die Quarzröhre 100 stationär gehalten wird, und kein Laserstrahl geführt wird, um in die Quarzröhre von außen einzudringen, zeigen der Laserstrahl 100 und der Laserstrahl 200 eine im Wesentlichen identische Oszillationsfrequenz von 4,73·10¹⁴ Hz und eine identische Wellenlänge λ von 632,8 nm.
Die Oszillationsfrequenz f₀ des von dem Laserstrahl zum Injektionssperren 11 emittierten Laserstrahls 110 ist um 20 MHz größer als die Oszillationsfrequenz f₁ des Laserstrahls 100. Unter dieser Bedingung wird der Laserstrahl 110 von dem Laser 11 emittiert und dringt in die Quarzröhre 10 ein. Der Laserstrahl 110 und der Laserstrahl 100 interagieren miteinander in dem Bereich innerhalb der Quarzröhre 10, wo der Laserstrahl 110 und der Laserstrahl 100 sich in derselben Richtung ausbreiten. Folglich wird der Laserstrahl 100 in den Laserstrahl 110 gezogen, und die Oszillationsfrequenz des Laserstrahls 100 wird gleich der Oszillationsfrequenz f₀ des Laserstrahls 110. Als Folge des Injektionssperrens wird die Oszillationsfrequenz des sich durch die Quarzröhre 10 im Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 100 um 20 MHz größer als die des sich entgegen dem Uhrzeigersinn orientierten Laserstrahls 200.
Die sich durch den Laser in Ringresonatorbauart ausbreitenden Laserstrahlen können von einem der Spiegel 12 des Lasers in Ringresonatorbauart durch Reduzieren des Reflexionsvermögens dieses Spiegels herausgeführt werden. Da die von dem Laser nach außen emittierten beiden Laserstrahlen 101, 201 von der Fotoerfassungseinrichtung 19 gleichzeitig empfangen werden, interferieren sie miteinander in der Fotoerfassungseinrichtung 19. Dann kann ein Schwebungssignal mit einer Amplitude von 50 mV und einer Frequenz von 20 MHz an dem elektrischen Ausgangsanschluss der Fotoerfassungseinrichtung 19 erhalten werden. Das Schwebungssignal kann erfasst werden, selbst wenn die Quarzröhre 10 stationär gehalten wird.
Falls die Quarzröhre 10 angesteuert wird, um sich im Uhrzeigersinn bei einer Rate von 180° pro Sekunde zu drehen, und jede Seite der Quarzröhre 10 eine Länge von 10 cm aufweist, wird die Oszillationsfrequenz f₂ des sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 200 um 248,3 kHz erhöht, während andererseits die Oszillationsfrequenz f₁ des sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 100 nicht verändert wird, weil sie Injektionssperren unterliegt. Dann kann die 5chwebungsfrequenz durch die nachstehend angeführte Formel (14) erhalten werden. f1–f2 = 20 MHz–248,3 kHz (14)
Wenn andererseits die Quarzröhre 100 angesteuert wird, um sich mit einer Rate von 180° pro Sekunde entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, kann die Schwebungsfrequenz durch die nachstehend angeführte Formel (15) erhalten werden. f1 – f2 = 20 MHz + 248,3 kHz (15) Da der Absolutwert des Anstiegs oder der Verringerung der Schwebungsfrequenz proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit ist, ist es nunmehr möglich, nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit des Halbleiterlasers, sondern auch den Drehsinn zu erfassen, weil der Anstieg oder die Verringerung in der Schwebungsfrequenz eine eins-zu-eins Entsprechung mit dem Drehsinn zeigen.
Wenn bei dem vorliegenden Beispiel Heliumgas und Neongas in die Quarzröhre eingeführt wurden, können sie durch ein beliebiges Gas ersetzt werden, das eine Laseroszillation erzeugt. Zusätzlich kann das Profil des optischen Wellenleiters sechseckig, dreieckig oder kreisförmig anstelle von rechteckig sein.
Beispiel 7
11 zeigt eine schematische Darstellung des siebten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei deren kennzeichnende Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. 12 zeigt eine Schnittansicht der Laservorrichtung gemäß 11 entlang der Linie 12-12 aus 11. In den 11 und 12 sind ein Halbleiterlaser 30, eine Fotoerfassungseinrichtung 39, ein Halbleiterlaser 40 in Ringresonatorbauart, eine Anode 43, eine Abdeckschicht 45, eine Mantelschicht 46, eine optische Leitschicht 47, eine aktive Schicht 48, eine andere optische Leitschicht 49, ein Halbleitersubstrat 54 und eine Kathode 55 gezeigt. Das Bezugszeichen 300 bezeichnet einen dritten Laserstrahl und das Bezugszeichen 400 bezeichnet einen sich im Uhrzeigersinn zirkulierend ausbreitenden Laserstrahl, wohingegen das Bezugszeichen 500 einen sich entgegen dem Uhrzeigersinn zirkulierend ausbreitenden Laserstrahl bezeichnet, und die Bezugszeichen 401 und 501 Laserstrahlen bezeichnen.
Zunächst wird nachstehend das Verfahren zur Herstellung des Kreisels mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration beschrieben. Eine aufdotierte optische InGaAsP-Leitschicht 49 mit einer 1,3 μm-Zusammensetzung (0,15 μm Dicke), eine undotierte aktive InGaAsP-Schicht 48 mit einer 1,55 μm-Zusammensetzung (0,1 μm Dicke), eine weitere undotierte optische InGaAsP-Leitschicht 47 mit einer 1,3 μm-Zusammensetzung (0,15 μm Dicke), eine p-InP-Mantelschicht 46 (2 μm Dicke) und eine p-InGaAsP-Abdeckschicht 45 mit einer 1,4 μm-Zusammensetzung (0,3 μm Dicke) wurden auf einem n-InP-Substrat 54 (350 μm Dicke) mittels einer metallorganischen Gasphasenepitaxietechnik für sowohl den Halbleiterlaser zum Injektionssperren 30 als auch den Halbleiterlaser in Ringresonatorbauart 40 aufgewachsen. Während die in dem Halbleiterlaser 30, der Fotoerfassungseinrichtung und dem Halbleiterlaser 40 in Ringresonatorbauart gemeinsamen Halbleiterschichten bei dem vorliegenden Beispiel gleichzeitig aufgewachsen wurden, können sie alternativ separat aufgewachsen werden. Nach dem Kristallwachstumsvorgang wurde der Fotolack AZ-1350 (von Hoechst verfügbare Marke) auf die p-InGaAsP-Abdeckschicht mittels einer Aufschleuderungsbeschichtungseinrichtung beschichtet, um eine Schichtdicke von 1 μm zu erhalten. Nach einem Vorbacken des Wafers bei 80° C für 30 Minuten wurde er Licht ausgesetzt, wobei er durch eine Maske bedeckt war. Nach den Entwicklungs- und Abspülvorgängen wies der kreisförmige optische Wellenleiter des Halbleiterlasers 40 in Ringresonatorbauart eine Breite von 5 μm und eine Kreislänge von 600 μm auf, wohingegen der optische Wellenleiter des Halbleiterlasers 30 eine Breite von 5 μm und eine Kreislänge von 300 μm aufwies.
Nachfolgend wurde der Wafer in ein reaktives Ionenstrahlätzsystem eingeführt und mittels Chlorgas geätzt, damit er einen hohlen Abschnitt mit einer Tiefe von 3 μm aufwies. Schließlich wurde Cr/Au auf der p-InGaAsP-Abdeckschicht 45 durch Abscheidung ausgebildet, um eine Anode 43 darauf zu erzeugen, während AuGe/Ni/Au auf dem n-InP-Substrat ebenfalls durch Abscheidung ausgebildet wurde, um eine Kathode 55 darauf zu erzeugen. Danach wurde der Wafer in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre ausgeheilt, um eine ohmschen Kontakt zu erhalten.
Auf den Halbleiterlaser in Ringresonatorbauart mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration einfallendes Licht wird durch die Schnittstelle zwischen Halbleiter und Luft aufgrund der Differenz zwischen dem Brechungsindex des Halbleiters und dem von Luft reflektiert. Falls der Brechungsindex des Halbleiters 3,5 beträgt, tritt eine Totalreflexion auf, wenn der Winkel zwischen der Normalen zu der Grenzfläche und dem Laserstrahl gleich oder größer als 16,6° ist. Da die Oszillationsmode, welche Totalreflexion verursacht, einen Oszillationsschwellenwert ergibt, der aufgrund von reduzierten Spiegelverlusten kleiner als bei anderen Moden ist, beginnt die Laservorrichtung eine Oszillation mit einem geringen injizierten Strompegel. Da sich zusätzlich die optische Verstärkung auf diese Oszillationsmode konzentriert, werden Oszillationen in anderen Moden unterdrückt. Der Winkel zwischen der Normalen zu der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Luft beträgt 45° in jeder Ecke des Halbleiterlasers und erfüllt mithin die Winkelbedingung für Totalreflexion bei dem vorstehend angeführten Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart. Dabei wurde jedoch die Grenzfläche, von der die Laserstrahlen herausgeführt wurden, mit einem Winkel von 16,5° zwischen der Normalen zu der Grenzfläche und den Laserstrahlen ausgebildet, damit diese von den Bedingungen für Totalreflexion verschoben ist.
Der Oszillationsschwellenwertstrom des Halbleiterlasers 40 der Ringresonatorbauart beträgt bei Raumtemperatur 2 mA, während der Oszillationsschwellenwertstrom des Halbleiterlasers 30 10 mA beträgt. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde ein Ansteuerungsstrom von 20 mA für den Halbleiterlaser 30 verwendet, während ein Ansteuerungsstrom von 3 mA für den Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart verwendet wurde.
Wenn die Laservorrichtung stationär gehalten wird, und der Halbleiterlaser 30 zum Injektionssperren keinen Laserstrahl 300 emittiert, zeigen der Laserstrahl 400 und der Laserstrahl 500 dieselbe Oszillationswellenlänge in den Halbleiterlasern 40 der Ringresonatorbauart, die gleich 1,55 μm ist.
Andererseits ist die Oszillationsfrequenz f₃ des von dem Halbleiterlaser 30 emittierten Laserstrahls 300 um 1 kHz größer als die Oszillationsfrequenz f₄ des Laserstrahls 400. Wenn der Laserstrahl 300 in den Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart unter dieser Bedingung eingeführt wird, interagieren die beiden Laserstrahlen miteinander in dem Bereich, wo der Laserstrahl 300 und der Laserstrahl 400 sich in derselben Richtung ausbreiten. Folglich wird der Laserstrahl 400 zu dem Laserstrahl 300 gezogen, um das Phänomen des Injektionssperrens zu erzeugen, dass die Oszillationsfrequenzen der beiden Laserstrahlen zueinander gleich macht. Somit wird die Oszillationsfrequenz des sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 400 um 1 kHz größer als die des sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 500. Da die von dem Laser 40 der Ringresonatorbauart nach außen emittierten beiden Laserstrahlen 401, 501 durch die Fotoerfassungseinrichtung 39 gleichzeitig empfangen werden, interferieren sie somit miteinander in der Fotoerfassungseinrichtung 39, um einen überlagerten Strahl mit einer Schwebungsfrequenz von 1 kHz im Inneren der Fotoerfassungseinrichtung 39 zu erzeugen, sodass eine Schwebungsspannung mit einer Amplitude von 100 mV und diese Frequenz erfasst werden können. Die Schwebungsspannung tritt am Ausgangsanschluss der Fotoerfassungseinrichtung auf, selbst wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart stationär gehalten wird.
Falls der Halbleiterlaser der Ringresonatorbauart angesteuert wird, um sich mit einer Rate von 30° pro Sekunde im Uhrzeigersinn zu drehen, was ungefähr der Vibrationsrate einer mit der Hand geschüttelten Kamera oder der eines sich bewegenden Automobils entspricht, wird die Oszillationsfrequenz f₅ des sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 500 um 88,7 Hz angehoben, während andererseits sich die Oszillationsfrequenz f₅ des sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Laserstrahls 400 aufgrund des Injektionssperrens nicht verändert. Sodann kann die Schwebungsfrequenz durch die nachstehend aufgeführte Formel (16) erhalten werden. f4–f5 = 1 kHz–88,7 Hz (16)
Wenn andererseits der Halbleiterlaser in Ringresonatorbauart angesteuert wird, um sich entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Rate von 30° pro Sekunde zu drehen, kann die Schwebungsfrequenz durch die nachstehend angeführte Formel (17) erhalten werden. f3–f4 = 1 kHz + 88,7 Hz (17)
Da der Absolutwert des Anstiegs oder der Verringerung bei der Schwebungsfrequenz proportional zu der Drehgeschwindigkeit ist, ist es nunmehr möglich, nicht nur die Drehgeschwindigkeit des Halbleiterlasers, sondern auch den Drehsinn zu erfassen, weil der Anstieg oder die Verringerung bei der Schwebungsfrequenz eine eins-zu-eins Entsprechung mit dem Drehsinn zeigen.
Während bei dem vorliegenden Beispiel ein InGaAsP-Halbleitermaterial verwendet wird, kann ein Halbleitermaterial einer anderen Art wie etwa GaAs, ZnSe, InGaN, AlGaN, und andere Arten alternativ für den erfindungsgemäßen Zweck verwendet werden. Zusätzlich kann das Profil des optischen Pfades des optischen Wellenleiters sechseckig, dreieckig oder kreisförmig anstelle von rechteckig sein. Ferner kann der Halbleiterlaser 30 die Fabry-Perot-Struktur, die DFB-Struktur oder eine andere Struktur aufweisen. Alternativ kann es ein Laser mit variabler Wellenlänge sein. Hinsichtlich der Steuerung der Transversalmode kann es sich um eine Gratstruktur, eine Rippenstruktur, eine vergrabene Struktur oder eine andere Struktur handeln.
Beispiel 8
13 zeigt eine schematische Darstellung des achten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei seine kennzeichnenden Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. In 13 bezeichnet das Bezugszeichen 31 den optischen Wellenleiter zum Koppeln des dritten Laserstrahls 300 in den Ringlaser 40 und die Bezugszeichen 32 bzw. 33 bezeichnen die entgegengesetzten Endflächen des optischen Wellenleiters 31, wohingegen die Bezugszeichen 301, 310, 320 und 321 jeweilige Laserstrahlen bezeichnen. Dabei zeigt 14 eine Schnittansicht der Laservorrichtung gemäß 13 entlang der Linie 14-14 aus 13.
Der von dem Laser 30 emittierte Laserstrahl 300 wird geführt, um in den optischen Wellenleiter 31 einzudringen. Sodann wird der Laserstrahl in den optischen Wellenleiter optisch gekoppelt, und wird daher innerhalb dem optischen Wellenleiter 31 eingeschränkt und durch diesen ausgebreitet, ohne durch Beugung dispergiert zu werden. Die Endfläche 32 des optischen Wellenleiters 31 ist gegen eine Ebene mit einer Normalen in der Hauptrichtung der Ausbreitung des Laserstrahls 300 um 7° oder mehr geneigt. Somit gemäß 13 kehrt der Teil des Laserstrahls 300, der durch die Endfläche des optischen Wellenleiters reflektiert wird, oder der Laserstrahl 301 nicht zu dem Halbleiterlaser 30 zurück. Dann verändert der Laserstrahl 320, der durch den Teil des durch die andere Endfläche 33 des optischen Wellenleiters 31 reflektierten Laserstrahls 310 und von dem Teil des in den optischen Wellenleiter 31 gekoppelten Laserstrahls 500 des Ringlasers ausgebildet ist, gemäß
13 ebenfalls seine Ausbreitungsrichtung, und wird von der Endfläche 32 als Laserstrahl 321 in 13 nach außen emittiert. Dieser Laserstrahl 321 kehrt ebenfalls nicht zu dem Halbleiterlaser 30 zurück. Während die Endfläche 33 senkrecht zu der Hauptausbreitungsrichtung der Laserstrahlen in 13 ist, kann sie ebenfalls gegen eine Ebene mit einer Normalen in der Hauptausbreitungsrichtung der Laserstrahlen geneigt sein.
Wenn sich ein Laserstrahl durch den optischen Wellenleiter 31 ausbreitet, tritt an der Grenzfläche des optischen Wellenleiters Totalreflexion auf. Wenn die Totalreflexion auftritt, existiert entlang der Grenzfläche kriechendes Dämpfungslicht. Wenn die Oszillationswellenlänge 1,55 μm beträgt, ist die Eindringtiefe des Dämpfungslichtes 0,075 μm. Die Intensität des Dämpfungslichtes schwächt sich exponentiell ab (die Eindringtiefe ist der Abstand, bei dem sich die Amplitude des elektrischen Feldes auf 1/e abgeschwächt hat, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist). Falls der Laser 40 der Ringresonatorbauart und der optischen Wellenleiter 31 um 0,07 μm separiert sind, was kleiner als die Eindringtiefe ist, wird der Laserstrahl 310 effizient in den Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart gekoppelt. Folglich kann die Intensität des Laserstrahls 300, die erforderlich ist, um den Laserstrahl 400 zu dem Laserstrahl 310 zu ziehen, geringer als die bei dem zweiten Beispiel sein. Der Ansteuerungsstrom des Halbleiterlasers 30 betrug 18 mA.
Wie bei Beispiel 2 kann ein Signal mit einer Amplitude von 100 mV und einer Frequenz von 1 kHz an dem Anschluss der Fotoerfassungseinrichtung 39 erhalten werden. Mit anderen Worten, eine Schwebungsspannung kann erfasst werden, selbst wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart stationär gehalten wird.
Dasselbe Signal wie das gemäß Beispiel 2 kann erhalten werden, wenn der Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart angesteuert wird, um bei einer Rate von 30° pro Sekunde im Uhrzeigersinn zu drehen, was ungefähr der Vibrationsrate einer mit der Hand geschüttelten Kamera oder der eines sich bewegenden Automobils entspricht.
Beispiel 9
15 zeigt eine schematische Darstellung des neunten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei deren kennzeichnende Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. In 15 bezeichnet das Bezugszeichen 34 den mit dem Halbleiterlaser 40 in Ringresonatorbauart verbundenen optischen Wellenleiter. Dabei zeigt 16 eine Schnittansicht der Laservorrichtung gemäß 15 entlang der Linie 16-16 aus 15.
Da der optische Wellenleiter 34 mit dem Halbleiterlaser 40 in Ringresonatorbauart verbunden ist, ist der Laserstrahl 310 mit dem Halbleiterlaser 40 der Ringresonatorbauart effizienter als bei Beispiel 3 gekoppelt. Die Intensität des Laserstrahls 300, die erforderlich ist, um den Laserstrahl 400 zu dem Laserstrahl 310 zu ziehen, kann konsequenterweise gering sein. Folglich betrug der Ansteuerungsstrom des Halbleiterlasers 30 15 mA.
Wenn eine Konstantstromquelle verwendet wird, kann ein Signal mit einer Amplitude von 100 mV und einer Frequenz von 1 kHz wie bei Beispiel 2 erhalten werden. Mit anderen Worten, eine Schwebungsspannung kann erfasst werden, selbst wenn der Halbleiterlaser 40 in Ringresonatorbauart stationär gehalten wird.
Dasselbe Signal wie bei Beispiel 2 kann erhalten werden, wenn der Halbleiterlaser 40 in Ringresonatorbauart angesteuert wird, um sich bei einer Rate von 30° pro Sekunde im Uhrzeigersinn zu drehen, was ungefähr der Vibrationsrate einer mit der Hand geschüttelten Kamera oder der eines sich bewegenden Automobils entspricht.
Beispiel 10
17 zeigt eine schematische Darstellung des zehnten erfindungsgemäßen Beispiels, wobei dessen charakteristischen Gesichtspunkte deutlich gezeigt sind. Bezugnehmend auf 17 ist ein optischer Kreisel 1, ein Drehtisch 2, eine Stromquelle 3, ein elektrischer Widerstand 4 und eine Frequenz-/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 gezeigt.
Mit der vorstehenden Anordnung wird ein elektrischer Strom in den optischen Kreisel 1 von der Stromquelle 3 über den Widerstand 4 injiziert, der in Reihe geschaltet ist. Falls der optische Kreisel 1 stationär gehalten wird, kann ein die Differenz zwischen den Oszillationsfrequenzen der beiden Laserstrahlen in dem optischen Kreisel 1 repräsentierendes Schwebungssignal als Veränderung in der Klemmenspannung erhalten werden. Wenn der optische Kreisel 1, der auf dem Drehtisch 2 befestigt ist, zur Drehung angesteuert wird, repräsentiert das erhaltene Schwebungssignal die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Kreisels.
Die Schwebungsfrequenz kann in einen Spannungswert umgewandelt werden, indem das Schwebungssignal durch die Frequenz-/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 passiert. Falls die Spannungsausgabe der Frequenz-/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 auf null eingestellt wird, wenn der optische Kreisel 1 durch Regulieren des Versatzes stationär gehalten wird, kann der Drehsinn des Kreisels dadurch erfasst werden, ob die Ausgabe der Frequenz/Spannungswandlerschaltung (f/U-Wandlerschaltung) 5 positiv oder negativ ist.
Gemäß vorstehender ausführlicher Beschreibung kann der Drehungssinn eines erfindungsgemäßen Kreisels erfasst werden, indem die von dem Kreisel erzeugte Schwebungsfrequenz beobachtet wird, wenn sich der Kreisel dreht, und indem der Anstieg oder die Verringerung des erhaltenen Werts bestimmt wird, wenn der Kreisel stationär gehalten wird.

Claims

Kreisel mit: einer Laservorrichtung (40) zum Erzeugen eines ersten (400) und eines zweiten (500) Laserstrahls, die in entgegengesetzten Richtungen zirkulierend auszubreiten sind, wobei ein in Reaktion auf die Drehung der Laservorrichtung sich veränderndes elektrisches Signal daraus erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Laserstrahl (300) mit einer von der des ersten Laserstrahls (400) verschiedenen Oszillationsfrequenz geführt wird, damit er in die Laservorrichtung eindringt, um in derselben Richtung wie der erste Laserstrahl (400) zirkulierend ausgebreitet zu werden.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei der dritte Laserstrahl (300) geführt wird, um in die Laservorrichtung von einem Winkelspiegel eines Ringlasers mit der Laservorrichtung (40) einzudringen.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei der dritte Laserstrahl (300) geführt wird, um in die Laservorrichtung durch einen optischen Wellenleiter (310) einzudringen, der zum Injektionssperren zu verwenden ist.
Kreisel nach Anspruch 3, wobei der optische Wellenleiter zum Injektionssperren (310) in der Nähe der Laservorrichtung (40) angeordnet ist, so dass er mit der Laservorrichtung (40) optisch gekoppelt ist.
Kreisel nach Anspruch 3, wobei der optische Wellenleiter (31) zum Injektionssperren und die Laservorrichtung (40) innerhalb der Eindringtiefe des dritten Laserstrahls (300) angeordnet sind.
Kreisel nach Anspruch 3, wobei der optische Wellenleiter zum Injektionssperren (31) mit dem Wellenleiter des Ringlasers mit der Laservorrichtung (40) verbunden ist.
Kreisel nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zumindest eine der Endflächen des optischen Wellenleiters zum Injektionssperren (31) gegen eine zu der Ausbreitungsrichtung des sich durch den optischen Wellenleiter zum Injektionssperren ausbreitenden dritten Laserstrahls (300) senkrechten Ebene geneigt ist.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei der Unterschied zwischen der Oszillationsfrequenz des ersten Laserstrahls (400) und der des dritten Laserstrahls (300) nicht weniger als 100 Hz beträgt.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei der Unterschied zwischen der Oszillationsfrequenz des ersten Laserstrahls (400) und der des dritten Laserstrahls (300) nicht weniger als 1 kHz beträgt.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei die Differenz zwischen der Oszillationsfrequenz des ersten Laserstrahls (400) und der des dritten Laserstrahls (300) nicht weniger als 10 kHz beträgt.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei die Laservorrichtung eine Laservorrichtung der Ringresonatorbauart ist.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei die Laservorrichtung einen Halbleiterlaser aufweist.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei die Laservorrichtung einen Gaslaser aufweist.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei das elektrische Signal sich in Reaktion auf die Drehung der Laservorrichtung verändert.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei das elektrische Signal zwischen einem Spannungssignal und einem Stromsignal ausgewählt wird.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei die Winkelgeschwindigkeit und der Drehungssinn eines Objektes von der Veränderung in der Frequenz des elektrischen Signals erfasst werden.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei die Laservorrichtung mit einem elektrischen Endgerät (44) zum Herausführen des elektrischen Signals versehen ist.
Kreisel nach Anspruch 17, wobei eine Frequenz/Spannungs-Wandlerschaltung (5) mit dem elektrischen Endgerät verbunden ist.
Kreisel nach Anspruch 1, wobei das elektrische Signal mittels einer außerhalb der Laservorrichtung angeordneten Fotoerfassungseinrichtung erhalten wird.