KR100378102B1 - 레이저 장치 및 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 자이로는 상반된 방향으로 순회적으로(circuitally) 전파될 레이저 빔들을 발생시키기 위한 레이저 장치를 포함하고, 레이저 장치로부터 전기 신호가 인출되며, 레이저 장치가 고정 상태로 유지될 때 레이저 빔들의 발진 주파수가 서로 다른 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 장치 및 자이로스코프{LASER APPARATUS AND GYROSCOPE}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 또한 자이로 장치(gyro apparatus), 보다 구체적으로는, 반도체 레이저를 사용하는 자이로에 관한 것이다.
움직이는 물체의 각속도를 측정하기 위한 공지된 자이로는 광학 자이로뿐만 아니라 로우터(rotor) 또는 오실레이터를 포함하는 기계적 자이로를 포함한다. 특히, 광학 자이로는 즉각적으로 동작가능하고 넓은 동적 범위를 보인다는 괄목할만한 장점 때문에 자이로 분야에서 기술적 혁명을 낳았다. 링 레이저형 자이로, 광섬유 자이로 및 수동형 링 공진 자이로를 포함한 다양한 광학적 자이로가 알려져 있다. 이들 중, 기체 레이저를 이용하는 링 레이저형 자이로는 초창기 유형이고 현재 항공기에 널리 사용된다. 최근에, 반도체 기판 상에 형성된 소형이며 고도로 정교한 반도체 레이저 장치가 제안되었다. 일본 공개특허출원 평5-288556호를 참고하기 바란다.
상기 공보물에 따르면, 링형 이득 도파로(5711)는 pn-접합을 갖는 반도체 기판(5710) 상에 형성되고, 첨부 도면의 도 50에 도시된 바와 같이, 레이저 발진을 일으키도록 전극(5722)으로부터 이득 도파로(5711)로 캐리어가 주입된다. 그 다음, 이득 도판관(5711)을 통해 시계 및 반시계 방향으로 전파하는 레이저 빔들이 부분적으로 인출되어 광흡수 영역(5717)에서 서로 간섭하도록 만들어진다. 그 다음, 간섭 강도를 보기 위해 다른 전극(5723)을 통해 간섭 빔이 광전 전류로서 인출된다. 도 50에서, 참조 번호(5712)는 반사 표면을 가리키고, 참조 번호(5713, 5714)는 광학 출력면을 가리키며, 참조 번호(5718, 5719)는 광학 출력을 가리킨다.
일본 공개특허출원 제57-43486호(USP 4,431,308호)는 광을 장치 외부로 인출하지 않고 회전에 의해 유발된 반도체 레이저 장치의 단자 전압의 변화를 이용하는 자이로를 제시하고 있다. 도 51을 참조하면, 반도체 레이저 장치(5792)는 그 상부 및 하부에 2개의 전극(5790, 5791)를 포함한다. 참조 번호(5793)는 직류를 차단하기 위한 콘덴서를 가리키고, 참조 번호(5794)는 출력 단자를, 참조 번호(5795)는 저항을 가리킨다. 링 레이저 장치에서 레이저 장치의 역할을 하는 반도체 레이저 장치는, 도 51에 도시된 바와 같이, 장치에 각속도가 주어질 때 발생되어 시계 방향 및 반시계 방향으로 전파하는 광들간의 주파수 차이가 레이저 장치의 단자 전압의 변화로 검출될 수 있도록 구동 전원(5796)에 접속된다.
일본 공개특허출원 평4-174317호는 회전에 의해 유발된 레이저 장치의 단자 전압 변화를 검출하기 위한 방법을 가르치고 있다.
그러나, 상기 어떠한 공보도 물체의 회전 방향을 검출할 수는 없다. 이것은 회전 방향은 다르더라도 각속도가 같다면 비트 주파수(beat frequency)가 같기 때문이다.
그러나, 상술한 것과 같은 링 레이저형 자이로는 회전 방향 자체를 검출할 수 없고, 따라서 회전 방향은 디서(dither; micro-oscillation)를 가한 다음 디서와 얻어진 신호의 상관(correlation)에 의해 검출되어야 한다.
게다가, 공지된 링 레이저형 자이로에서는, 자이로가 회전함에 따라 발진 주파수가 서로 분리된다. 회전 속도가 낮을 때 발진 주파수들간의 차이는 매우 작으며, 발진 주파수들이 발진 모드들 중 하나로 유도되는 로크인(locking-in) 현상이 발생한다. 이러한 공지된 링 레이저형 자이로에서 관찰되는 로크인 현상은 디서를 가함으로써 피할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 디서 발생기와 같은 기계적 장치를 사용하지 않고 회전 방향을 검출할 수 있는 자이로를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은, 서로 반대 방향으로 순회적으로 전파될 레이저 빔을 발생시키는 레이저 장치를 포함하며, 전기 신호가 상기 레이저 장치로부터 인출되고, 상기 레이저 장치가 정지 상태일 때 레이저 빔들의 발진 주파수는 서로 다른 것을 특징으로 하는 자이로를 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따르면, 적어도 부분적으로 배치된 비대칭적으로 테이퍼된 영역(asymmetrically tapered region)(이하, 비대칭 테이퍼 영역이라 함)을 포함하는 광 도파로를 갖는 레이저 장치를 포함하며, 전기 신호가 상기 레이저 장치로부터 인출되는 것을 특징으로 하는 자이로가 제공된다.
레이저 장치의 상기 도파로는 링형일 수도 있고, 상기 비대칭 테이퍼 영역은 상기 링형 외부 또는 내부에 배치될 수 있다.
상기 광 도파로의 상기 테이퍼 영역은 레이저 빔 전파 방향을 따라 광 도파로가 점차 넓어지는 제1 테이퍼 부분과, 레이저 빔 전파 방향을 따라 광 도파로가 점차 좁아지는 제2 테이퍼 부분을 포함한다.
상기 제1 및 제2 테이퍼 영역과 일정한 폭을 갖는 광 도파로 영역에 의해 각각 정의되는 각도는 예각이다.
본 발명에 따르면, 서로 반대 방향으로 순회적으로 전파될 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 장치; 및 상기 레이저 장치로부터 전기 신호를 인출하기 위한 전기 신호 검출 수단을 포함하는 전기 신호 검출 수단을 포함하는 자이로가 제공된다.
상기 레이저 빔들의 발진 주파수는, 상기 레이저가 정지 상태일 때 서로 다르다.
상기 전기 신호 검출 수단은 전기 단자를 포함할 수 있다.
상기 전기 신호 검출 수단은 전압 신호 검출 수단일 수 있다.
상기 전기 신호 검출 수단은 주파수-전압 변환 회로를 포함할 수 있다.
상기 전기 신호 검출 수단은 감산 회로를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 레이저 장치, 및 비트 신호 검출 수단을 포함하는 자이로가 제공되는데, 상기 레이저 장치는 적어도 부분적으로 배치된 비대칭 테이퍼 영역을 포함하는 광 도파로를 가진다.
본 발명에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 장치, 및 상기 제1 및 제2 레이저 빔의 간섭에 의해 발생되는 간섭광을 검출하기 위한 광검출기를 포함하며, 상기 레이저가 정지 상태일 때 제1 및 제2 레이저 빔의 발진 주파수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 자이로가 제공된다.
본 발명에 따르면, 외부로 돌출된 비대칭 테이퍼 영역을 포함하는 도파로를 포함하는 레이저 장치가 제공되는데, 상기 테이퍼 영역은, 레이저 빔 전파 방향을 따라 광 도파로가 점차 넓어지는 제1 테이퍼 부분, 및 레이저 빔 전파 방향을 따라 광 도파로가 점차 좁아지는 제2 테이퍼 부분을 포함하며, 상기 제1 및 제2 테이퍼 영역 및 일정한 폭을 보이는 광 도파로의 영역에 의해 각각 정의된 각도는 예각이다.
본 발명에 따른 자이로는, 카메라, 렌즈 장치, 자동차, 항공기, 선박등에 이용될 수 있다.
도 1a, 1b 및 1c는 자이로스코프 회전에 의하여 야기되는 비트 신호에서 관찰되어질수 있는 변화를 보이는 그래프.
도 2는 발명의 제1 실시예의 개략도.
도 3은 발명의 제1 실시예의 다른 개략도.
도 4는 발명의 제1 실시예의 다른 개략도.
도 5는 발명의 제1 실시예의 다른 개략도.
도 6은 발명의 제1 실시예의 다른 개략도.
도 7은 발명의 제1 실시예의 다른 개략도.
도 8은 발명의 제1 실시예의 또 다른 개략도.
도 9는 비트 신호를 인출하기에 적합한 회로의 개략적인 회로도.
도 10은 비트 신호를 인출하기에 적합한 다른 회로의 개략적인 회로도.
도 11은 F/V 컨버터 회로의 개략적인 회로도.
도 12는 비트 신호를 발생시키기에 적합한 다른 회로의 개략적인 회로도.
도 13은 비트 신호를 발생시키기에 적합한 다른 회로의 개략적인 회로도.
도 14는 비트 신호를 발생시키기에 적합한 다른 회로의 개략적인 회로도.
도 15는 비트 신호를 발생시키기에 적합한 다른 회로의 개략적인 회로도.
도 16은 비트 신호를 발생시키기에 적합한 또 다른 회로의 개략적인 회로도.
도 17은 발명의 제2 실시예의 개략도.
도 18은 발명에 따른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 19는 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 20은 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 21은 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 22는 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 23은 도 22의 레이저 장치의 한 영역을 확대한 개략적인 단면도.
도 24는 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 25는 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 26은 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 27은 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 28은 발명에 따른 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 29는 발명에 따른 또 다른 레이저 장치의 개략적인 단면도.
도 30은 발명의 목적에 대하여 후술되는 일례의 개략도.
도 31은 상기 예의 다른 개략도.
도 32는 이 예에서 전기회로와 링 공진기형 반도체 레이저 광출력 사이의 관계를 보이는 그래프.
도 33은 상기 예의 다른 개략도.
도 34는 상기 예의 다른 개략도.
도 35는 상기 예의 다른 개략도.
도 36은 상기 예의 다른 개략도.
도 37은 상기 예의 다른 개략도.
도 38은 상기 예의 다른 개략도.
도 39는 상기 예의 다른 개략도.
도 40은 상기 예의 다른 개략도.
도 41은 상기 예의 다른 개략도.
도 42는 상기 예의 모서리를 확대한 개략도.
도 43은 발명의 목적에 대하여 후술되는 다른 예의 개략도.
도 44는 발명의 목적에 대하여 후술되는 다른 예의 개략도.
도 45는 상기 예의 다른 개략도.
도 46은 발명의 목적에 대하여 후술되는 다른 예의 개략도.
도 47은 발명의 목적에 대하여 후술되는 다른 예의 개략도.
도 48은 발명의 목적에 대하여 후술되는 다른 가능한 예의 개략도.
도 49는 발명에 따른 자이로스코프의 동작원리의 개략도.
도 50은 자이로스코프의 개략도.
도 51은 자이로스코프의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1201 : 광 도파로
1202 : CW 빔
1203 : CCW 빔
1204 : 미러
본 발명의 양호한 실시예를 설명하기 이전에, 본 발명에 따른 자이로의 동작 기본 원리가 도 49 및 수학식을 사용하여 설명될 것이다.
도 49에 도시된 바와 같은 광 도파로(60)를 포함하는 레이저 장치를 가정해 보자. 임계치를 초과하는 강도로 내부를 통해 전류를 흘릴 때 레이저 발진은 한쌍의 레이저 빔을 발생시키고, 발생된 레이저 빔들 중 하나는 시계 방향 (도 49의 방향 61)으로 전파하고, 다른 레이저 빔은 반시계 방향 (도 49의 방향 62)로 전파한다. 따라서, 한쌍의 레이저 빔은 레이저 장치 내에서 서로 반대 방향으로 전파한다.
레이저가 정지 상태로 유지되는 한, 시계 방향으로 전파하는 레이저 빔의 주파수는 반시계 방향으로 전파하는 레이저 빔의 주파수와 같다.
그러나, 일단 레이저 장치가, 도 49에서 참조번호(63)으로 지시된 방향(시계방향)으로 회전하도록 구동되면, 2개의 레이저 빔은 서로 다른 주파수를 보이게 된다. 이것은 이후에 보다 상세히 설명될 것이다.
시계 방향으로 전파하는 레이저 빔의 주파수가 λ1이고 반시계 방향으로 전파하는 레이저 빔의 주파수가 λ2(λ2< λ1)이고, 레이저가 시계 방향으로 회전하도록 구동된다면, 시계 방향으로 전파하는 제1 레이저 빔의 발진 주파수 f1은, 레이저가 아래의 수학식 1로 표현되는 값만큼 회전하도록 구동되지 않을 때에 관찰되는 제1 레이저 빔의 주파수 f10보다 작아진다.
여기서, A1은 제1 레이저 빔의 광경로에 의해 둘러싸인 폐쇄 면적이고, L1은 제1 레이저 빔의 광경로의 길이이고, Ω은 레이저 장치의 회전 운동의 각속도이다. 한편, 반시계 방향으로 전파하는 제2 레이저 빔의 발진 주파수 f2는, 레이저가 아래의 수학식 2로 표현되는 값만큼 회전하도록 구동되지 않을 때에 관찰되는 제2 레이저 빔의 주파수 f20보다 커진다.
여기서, A2는 제2 레이저 빔의 광경로에 의해 둘러싸인 폐쇄 면적이고, L2는 제2 레이저 빔의 광경로의 길이이고, Ω은 레이저 장치의 회전 운동의 각속도이다. 제1 및 제2 레이저 빔 모두 동일한 레이저 장치 내에 있기 때문에, 제1 및 제2 레이저 빔의 발진 주파수차를 나타내는 수학식 3으로 표현될 수 있는 비트 신호가 발생한다.
반면, 만일, 레이저 장치가 반시계 방향으로 회전하도록 구동되면, 제1 레이저빔 및 제2 레이저 빔의 발진 주파수차, 즉, 수학식 4로 표현될 수 있는 비트 신호가 발생한다.
한편, 레이저에서 서로 다른 2개 이상의 발진 모드가 있을 때, 반전 분포(population inversion)는 선택된 모드의 발진 주파수의 차이의 함수로서 시간에 따라 변동한다. 이러한 현상을 반전 분포 맥동(population pulsation)이라 부른다. 기체 레이저나 반도체 레이저와 같이 전류가 흐르도록 만들어진 레이저에서, 반전 분포는 레이저 임피던스에 관련하여 일대일 대응을 보여준다. 이와 같은 레이저 내에서 2개의 레이저 빔이 서로 간섭할 때, 반전 분포는 간섭에 의해 변동되어 결과적으로 레이저 전극들간의 임피던스를 변동시킨다. 이러한 변동은 일정한 전압원이 구동 전원으로서 사용될 때 단자 전류의 변동으로서 관찰된다. 한편, 이러한 변동은 단자 전류에서의 변동으로 관찰되어 일정한 전류원이 사용될 때 2개 빔들간의 간섭을 나타내는 신호로서 인출될 수 있다. 물론, 임피던스 측정기를 사용하여 직접적으로 임피던스의 변동을 관찰하는 것도 가능하다.
따라서, 레이저의 전류, 전압 또는 임피던스에서의 변동을 검출하기 위한 단자를 제공함으로써, 시간당 회전수 또는 레이저의 회전 속도를 나타내는 비트 신호를 인출하는 것이 가능하다. 부가적으로, 본 발명에 따르면, 비트 주파수는 수학식 (3) 및 (4)에 표시된 회전 방향에 따라 증가 또는 감소한다.
따라서, 레이저가 회전하고 있지 않은 시간으로부터 비트 주파수에서의 증감을 관찰함으로써 회전 방향을 검출하는 것이 가능하다.
한편, 제1 레이저빔의 발진 파장과 제2 레이저빔의 발진 파장이 서로 같을 때 수학식 5의 관계가 성립한다.
여기서, 비트 주파수 f20- f10은 양의 값 또는 음의 값일 수 있다. 그러나, 비트 주파수의 절대값이 동일하다면 단자로부터 동일한 신호가 얻어질 것이다. 이 경우, 레이저의 회전 방향을 검출하는 것은 불가능하다.
그러나, 본 발명에 따르면, 절대값 f2- f1의 절대값을 관찰함으로써 회전 방향이 검출될 수 있다. 부가적으로, f2- f1이 아래의 수학식 (6)으로 표현된 관계를 만족한다면 레이저의 각속도가 부가적으로 검출될 수 있다.
따라서, 레이저의 회전 방향 및 각속도는, 비트 주파수의 값이 동일한 부호(이하의 설명에서는 양의 값이지만, 마찬가지로 음의 값일 수도 있음)에 의해 일정하게 유도되도록 구성되고, 비트 주파수의 절대값이 회전 방향의 함수로서 변동한다면 검출될 수 있다.
다른 방법으로서, 인가된 전압의 변화, 전류의 변화 또는 반도체 레이저의 임피던스 변화를 관찰함으로써 비트 신호를 검출하는 대신에 외부적으로 배열된 광검출기에 의해 비트 신호를 검출하는 것이 가능하다.
보다 구체적으로는, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 반도체 레이저의 외부로 인출된다. 그 다음, 레이저 빔의 광검출기에 의해 동시에 검출될 때, 이들은 서로 간섭하게 되고, 발진 주파수 차이의 함수로서 광검출기 내에 비트 신호를 발생시킨다.
그 결과, 비트 신호는 광검출기의 전기 단자에서 검출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 각속도 뿐만 아니라 자이로의 회전 방향을 검출하기 위해 수학식 3 및 4에 대해 아래의 수학식 7의 요건이 만족되어야 한다.
상기 수학식 7의 요건은, 시계 방향으로 전파하는 레이저 빔의 강도뿐만 아니라 반시계 방향으로 전파하는 레이저 빔의 강도 모두를 변경함으로써 만족될 수 있다.
레이저에서 서로 반대 방향으로 순회 전파하는 2개 레이저 빔의 강도는 레이저 빔 중 하나만 광학 손실을 갖도록 함으로써 변경될 수 있다.
예를 들어, 광 도파로가 부분적으로 비대칭적으로 테이퍼될 때, 전체 반사 상태는 테이퍼된 영역으로 들어오는 빛에 관하여 미러 손실을 주도록 변경된다. 광의 입사각은 순회 전파 방향에 따라 변동하며, 2개 방향 중 한 방향으로 전파하는 광은 그 반대 방향으로 전파하는 광보다 손실이 더 크다. 그 결과, 서로 반대 방향으로 전파하는 레이저 빔들의 발진 임계치에 대해 서로 다른 값들이 선택될 수 있다. 그 다음, 서로 반대 방향으로 전파하는 레이저빔들은 레이저 발진시에 서로 다른 강도를 보인다.
한편, 발진 주파수 fi과 광자수 밀도 Si는, 2개의 서로 다른 모드가 공존할 때 수학식 8 및 9로 표시된 관계를 보여준다.
여기서 Φi는 위상, Ωi는 공진 각주파수, σi는 자기 모드 풀링 계수(self mode pulling coefficient), ρi는 자기 모드 푸싱 계수(self mode pushing coefficient), τij는 상호 모드 푸싱 계수(cross mode pushing coefficient)이며, i, j = 1, 2; i ≠ j이다.
광 도파로의 프로파일이 결정되고 나면, Ωi, σi, ρi, τij는 상수가 된다.
부가적으로, Φi=0는 레이저 발진 시에 모드 점핑이 일어나지 않음을 의미한다고 간주된다.
따라서, 수학식 8과 9로부터, S1≠ S2일 때 f1≠ f2로 귀결된다.
이제, 레이저 장치가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 구동될 때, 레이저 장치의 전기 신호에 대해서 이하에서 간략히 설명한다(도 1a 내지 1c 참조).
이하의 설명에서는, 시계 방향으로 전파하는 레이저빔(이후로는 "CW 빔"이라 함)의 파장은 λ1이라 하고, 반시계 방향으로 전파하는 레이저빔(이후로는 "CCW 빔"이라 함)의 파장은 λ2라 한다(λ2< λ1).
도 1a는 레이저 장치가 고정상태로 유지될 때 얻어질 수 있는 전기 신호를 보여준다. 여기서는 레이저 장치가 고정상태로 유지될 때 얻어지는 전기 신호가 주기 tA를 가지는 것으로 가정한다.
레이저 장치가 시계 방향으로 회전될 때는 비트 주파수 f2- f1은 수학식 3에 따라서 증가하여, 도 1b에 도시된 바와 같이,신호 주기 tB를 감소시킨다.
반면에, 레이저 장치가 반시계 방향으로 회전될 때는 비트 주파수는 수학식 4에 따라 감소하여, 도 1c에 도시된 바와 같이,신호 주기 tC를 증가시킨다.
그러면, 관측 중인 대상물의 각속도는, 레이저 장치가 고정상태로 유지될 때의 레이저 장치의 전기 신호의 주기(또는 비트 주파수)와 레이저 장치가 회전하고 있을때의 레이저 장치의 전기 신호의 주기(또는 비트 주파수)를 비교하여, 두 주기의 차의 절대값을 결정함으로써 결정될 수 있으며, 대상물의 회전 방향은 이들 주기를 비교하여 어느 것이 더 큰지를 판단함으로써 검출될 수 있다.
본 발명에 따른 자이로는 상술한 원리에 따라 동작한다.
<제1 실시예>
본 발명에 따른 자이로의 제1 실시예에서는, 자이로는 각각 시계 방향 및 반시계 방향으로 전파하는 제1 및 제2 레이저빔을 발생하도록 구동되는 레이저 장치를 포함한다. 제1 및 제2 레이저빔의 주파수는 레이저 장치가 고정상태로 유지되고 이 장치가 발생시키는 전기 신호가 인출될 때 서로 다르다.
제1 및 제2 레이저빔(CW 빔 및 CCW 빔)은 레이저 장치의 광 도파로의 적어도 일부에 비대칭 테이퍼 영역을 형성함으로써 레이저 장치에 의해 발생될 수 있다.
더 구체적으로, 도 2를 참조로 설명하면, 비대칭 테이퍼 영역(1200)은 본 실시예의 광 도파로(1201) 내에 배치된다. 도 2에서, 도면 부호 1202는 CW 빔, 도면 부호 1203은 CCW 빔, 1204는 미러(그 반사면은 더욱 정밀하게 될 것임)이다. 이런 방식으로 비대칭 테이퍼 영역을 형성함으로써, CW 빔의 광강도와 CCW 빔의 광강도 간에는 차이가 생긴다. 즉, 수학식 8의 광자수 밀도와 수학식 9의 광자수 밀도간에 차이가 생긴다. 그러면, 상술한 바와 같이, CW 빔의 발진 주파수와 CCW 빔의 발진 주파수는 차이를 나타낸다. 테이퍼 영역은 이것이 비대칭적이고 또 두 개의 발진 주파수가 레이저 장치가 고정상태로 유지될 때에 차이를 나타내는 한은 어떠한 프로파일을 가져도 좋음에 유의한다. 그러나, 테이퍼 영역은 로크인 현상을 방지하기 위하여 두 개의 발진 주파수간의 차이가 100Hz이상, 바람직하게는 1kHz이상, 더 바람직하게는 10kHz이상이 되도록 배치되어야 한다. 만일 로크인 현상이 다른 수단에 의해 방지될 수 있다면, 2개의 발진 주파수간의 차이가 상술한 범위 내로 제한되지 않는다.
반면, CW 빔과 CCW 빔간의 광강도의 차이가 너무 크면, 2개 빔은 극히 작은 정도 서로 간섭하여 어떠한 비트 신호도 발생시키지 않을 것이다. 그러므로, 테이퍼 영역은 그 2개 빔 중 강한 광의 강도가 1로 설정될 때 약한 광의 강도가 그것의 30%이상, 바람직하게는 50%이상, 더 바람직하게는 80%이상이 되도록 배치되어야 한다. 2개의 빔간의 광강도 차이는 레이저를 구동하기 위하여 주입되는 전류를 제어함으로써 상기 범위내로 유지되는 것이 바람직하다.
부가적으로, 비대칭 테이퍼 영역은 바람직하게는 레이저빔 전파방향을 따라 광 도파로를 점차적으로 넓히는 제1 테이퍼부와 레이저빔 전파방향을 따라 광 도파로를 점차적으로 좁히는 제2 테이퍼부를 포함하며, 제1 테이퍼부와 제2 테이퍼부의 프로파일은 레이저빔 전파방향에 수직한 면에 대해 비대칭적이다.
대안으로서, 비대칭 테이퍼 영역은 2 또는 그 이상의 테이퍼 서브영역을 포함할 수 있다.
도 2의 광 도파로는 직사각형 프로파일을 갖고 있지만, 이것은 삼각형 또는 오각형 프로파일과 같은 다각형 프로파일을 가질 수 있으며, 원형 프로파일을 가질 수도 있다.
만일 광 도파로가 삼각형 프로파일을 갖고 있다면, 이것은 도 3에 도시된 바와 같은 식으로 테이퍼될 수 있다. 반면에, 광 도파로가 원형 프로파일을 갖는다면, 이것은 도 4에 도시된 식으로 테이퍼될 수 있다.
도 3과 4를 참조로 설명하면, 도면 부호 1300과 1400은 각각 광 도파로의 테이퍼 영역, 1301과 1401은 각각의 광 도파로, 1302와 1402는 각각의 CW 빔, 1303과 1403은 각각의 CCW 빔을 나타낸다. 도 3과 4에서 도면 부호 1304와 1404는 각각의 반사면을 나타낸다.
본 발명의 목적을 위하여, 레이저 장치는 기체 레이저 또는 반도체 레이저가 될 수 있다.
레이저 장치를 구동시키는데 드는 전력을 감소시키기 위해서는 레이저 장치가 도 5에 도시된 링형 프로파일을 갖는 것이 바람직하다. 도 5는 레이저 장치의 개략 평면도임에 유의한다. 도 5에서, 도면 부호 1501은 광 도파로, 1500은 테이퍼 영역, 1502와 1503은 각각 CW 빔과 CCW 빔을 나타낸다. 레이저 장치는 도 5에 도시된 직사각형 프로파일 또는 도 6에 도시된 원형 프로파일을 가질 수 있음에 유의한다. 대안으로서, 이것은 도 7에 도시된 원형 프로파일을 가질 수 있다. 도 5 내지 7을 참조로 설명하면, 테이퍼 영역(1500, 1600 또는 1700)은 특히 테이퍼 영역으로부터 누설되는 광과 링 레이저 내부로 전파하는 레이저빔의 광커플링의 결과로서 로크인 현상이 나타날 수 있을 때에 광 도파로의 외측에 배치되는 것이 바람직하지만 광 도파로의 내측이나 외측 중 어느 곳에 배치되어도 좋다.
도 5를 참조로 설명하면, 테이퍼 영역의 각 α와 β는 90°가 아닌 것(α, β ≠ 90°)이 바람직한데, 그 이유는, 만일 그렇지 않다면 2개 레이저빔 중 어느 하나가 극히 낮은 광강도를 보일 수 있기 때문이다.
만일 α, β = 90°이면, 도파 모드는 테이퍼 영역의 원점(각이 90°인 점)에서 계단식으로 변화하게 되어 일정한 폭을 갖는 광 도파로의 영역의 대응 도파 모드와의 커플링 효율을 매우 낮게 만든다. 반면에, α, β ≠ 90°이면, 모드는 점차적으로 변화하게 되어 커플링 효율의 저하를 억제하는 것이 가능하게 된다.
제1 테이퍼부(1893)의 원점(1891)과 제2 테이퍼부(1894)의 원점(1892)을 연결하는 라인에 대한 테이퍼 영역(1800)의 각이 도 8에 도시된 바와 같이 각각 α와 β라면, 광 도파로의 테이퍼 영역(1800)은 상술된 바와 같이 CW 빔의 발진 주파수와 CCW 빔의 발진 주파수가 서로 차이가 나도록 하기 위하여 비대칭 프로파일을 가져야 한다. 바람직하게는, α와 β 모두 0°보다는 크고 180°보다는 작다. 부가적으로, 제1 및 제2 테이퍼 영역과 일정 폭을 보여주는 광 도파로의 영역에 의해 각각 한정된 각은 바람직하게는 예각(90°이하)이다.
도 8은 CW 빔의 발진 주파수와 CCW 빔의 발진 주파수가 차이가 나도록 하기 위하여 채택된 본 발명에 따른 자이로의 레이저 장치의 테이퍼 영역의 프로파일의 개략도이다. 그러나, 제1 및 제2 테이퍼 영역의 원점(1891, 1892)의 위치는 도 8에 도시된 것들에 한정되는 것은 아님은 물론이다. 더욱이, 링 레이저(1801)는 직사각형이 아닌 육각형, 삼각형 또는 원형과 같은 프로파일을 가질 수 있다. 이하에서는 레이저 장치의 링형 프로파일에 대해 더 상세히 설명한다.
레이저 장치로부터 인출될 전기 신호는 레이저 장치가 정전류에 의해 구동될 때는 전압 신호가 될 수 있으며, 또는 레이저 장치가 정전압에 의해 구동될 때는 전류 신호가 될 수 있다. 대안으로서, 레이저 장치에 의해 발생된 임피던스 신호가 될 수 있다.
전압 신호, 전류 신호 또는 임피던스 신호가 될 수 있는 인출된 전기 신호의 주파수는 상술한 비트 주파수에 해당함에 유의한다. 그러므로, 주파수 변화를 검출함으로써 레이저 장치의 각속도와 회전 방향을 검출하는 것이 가능하다.
이제, 이하에서 레이저 장치의 전압 변화를 전기 신호의 형태로 검출하기 위한 가능한 수단에 대해서 설명한다.
도 9를 참조로 설명하면, 정전류원(1902)은 저항(1901)에 의해서 반도체 레이저 장치(1900)에 연결된다. 그 다음, 반도체 레이저(1900)에 의해 발생된 전기 신호는 전압 검출 회로(1906)에 의해 읽혀진다. 이 경우에는 전기 신호는 전압 신호임에 유의한다. 또한, 필요하다면, 전압 팔로워 회로(1905)가 도 9에 도시된 바와 같이 보호 회로로서 구비됨에 유의한다. 도 9의 레이저 장치는 상기 설명에서는 반도체 레이저이지만, 본 발명의 목적을 위해서는 기체 레이저가 대용될 수 있다.
도 10은 레이저 장치가 정전류에 의해 구동되고 반도체 레이저(2000)의 애노드 전위 변화가 자이로의 회전을 검출하기 위해 독출되는 구성의 개략 회로도이다.
도 10을 참조로 설명하면, 반도체 레이저(2000)의 애노드는 보호 저항(2003)을 통해 연산 증폭기(2010)의 출력 단자에 연결되고, 반도체 레이저(2000)의 캐소드는 연산 증폭기(2010)의 반전 입력 단자에 연결된다.
다른 연산 증폭기(2011)는 마이크로컴퓨터로부터의 입력 전위(Vin)에 대응하는 신호(Vout)를 출력한다. 신호(Vout)는 각속도에 비례하는 비트 주파수를 보여주므로, 그 신호를 공지된 주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)를 이용하여 어떤 전압으로 변환시킴으로써 레이저 장치의 회전이 검출될 수 있다.
도 11은 주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)의 개략 회로도이다. 이 회로는 트랜지스터, 다이오드, 커패시터 및 저항을 포함하며, 그 출력 전압(Vc2)는 다음의 수학식 10으로 표현된다.
여기서, Ei는 입력 전압의 피크-피크 값, f는 비트 주파수를 나타낸다. 회로 변수에 대해서 C2C1및 R0C2f < 1을 실현하는 값을 선택함으로써, 비트 주파수에 비례하는 전압 출력을 얻기 위하여 아래의 수학식 11로 표현된 관계가 설정될 수 있다.
이제, 이하에서 전류 변화를 통한 레이저 장치의 회전을 검출하기 위한 구성에 대해서 설명한다.
회전하는 레이저 장치의 각속도는 정전압원을 전원으로서 이용하여 반도체 레이저를 통해 흐르는 전류의 변화를 검출함으로써 결정될 수 있다. 도 12와 13에 도시된 정전압원으로서 바테리를 이용함으로써 레이저 장치를 위한 컴팩트한 경량 구동 시스템이 얻어질 수 있다. 도 12의 회로에서, 반도체 레이저(2200)는 저항(2201)에 직렬로 연결되고, 따라서 반도체 레이저를 통해 흐르는 전류의 변화는 저항의 대향단들 사이의 전압의 변화로서 결정될 수가 있다. 도 12에서, 도면 부호 2202는 배터리, 2206은 전압계이다. 반면에, 도 13의 회로에서는 반도체 레이저(2300)는 전류계(2306)와 직렬로 연결되어 반도체 레이저를 통해 흐르는 전류를 직접 관찰한다. 도 13에서 도면 부호 2301은 저항을 나타낸다.
이제, 이하에서 본 발명의 목적을 위해 비트 신호를 검출하기 위해 사용될 수 있는 다른 회로 구성에 대해 설명한다.
도 14는 반도체 레이저(2400)를 구동하고 이것의 애노드 전위의 변화를 읽기 위하여 반도체 레이저에 정전압을 인가함으로써 반도체 레이저(2400)의 회전을 검출하기 위한 회로의 회로도이다.
레이저(2400)의 애노드는 저항(2403)을 통해 연산 증폭기(2410)의 출력 단자에 연결되고, 레이저(2400)의 캐소드는 접지되어 기준 전위를 나타낸다.
저항(2403)과 레이저(2400)에 전위가 일정하게 인가될 수 있도록 예컨대 마이크로컴퓨터를 이용하여 연산 증폭기(2410)의 반전 입력 단자에 정전위(Vin)를 인가함으로써 정전압 구동 구성이 얻어질 수 있다.
저항(2403)은 버퍼로서 동작하는 다른 연산 증폭기(2411)에 연결된다.
연산 증폭기(2411)는 공지된 주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)를 이용하여 주파수를 전압으로 변환시킴으로써 레이저 장치의 회전이 검출될 수 있도록 각속도에 비례하는 비트 주파수를 갖는 신호(Vout)를 출력한다. 전위가 F/V 변환 회로로 향한 전기 저항(2403)과 동일한 지점에서 얻어진 신호를 인가함에 의해 레이저 장치의 회전을 검출할 수 있음은 당연하다. 주파수 계수 회로는 비트 신호 검출 회로로서 이용될 수 있다.
도 15는 상술한 상수 전압 구동 구조에 부가하여 감산 회로(2515)를 이용함에 의해 신호에 대한 기준 전위로서 접지 전위를 이용하도록 된 회로의 회로도를 도시한다.
도 15를 참조하면, 상수 전압(V1)은 예를 들면 마이크로컴퓨터에 의해 연산 증폭기(2510)의 반전 입력 단자에 인가된다. 도 15에서, 참조 번호(2500)는 레이저 장치를 표시하고, 참조 번호 2511 및 2512는 각 전압 팔로우어(follower)를 표시하고, 참조 번호(2503 및 2516 내지 2519)는 각각 전기 저항을 표시한다. 저항(2516 및 2517)은 공통 전기 저항을 도시하고, 저항(2518 및 2519)은 공통 전기 저항을 도시한다.
전기 저항(2503)의 대향 단부에서의 전위(V1 및 V2)는 각각 전압 팔로우어(2511 및 2512)와 저항(2516 및 2518)을 통해 연산 증폭기(2520)의 반전 입력 단자 및 비반전 입력 단자에 인가된다. 이러한 구조로, 저항(2503)에 인가되는 전압 V2-V1(=V0)의 변화는 접지 전위를 기준 전위로 이용함에 의해 레이저 장치(2500)을 통해 흐르는 전류의 변화를 검출하도록 검출될 수 있다.
다음으로, 레이저 장치의 회전은 F/V 변환기 회로를 통과하도록 한 이후에 얻어진 신호로부터 검출될 수 있다.
또한 도 16에 도시된 것처럼 전력원의 유형과는 무관하게 임피던스 측정기(2609)에 의해 직접 반도체 레이저(2600)의 임피던스의 변화를 관측할 수 있다. 도 16에서, 참조 번호(2602)는 전력원을 표시한다. 이러한 구조로, 레이저 장치에 인가되는 단자 전압 또는 레이저 장치를 통해 흐르는 전류가 관측되는 경우와는 다르게 구동 전력원의 잡음의 영향은 감소될 수 있다.
레이저 장치의 회전을 검출하기 위한 다양한 구조가 반도체 레이저를 기준으로 상술되었지만, 상술한 설명은 기체 레이저에도 동일하게 적용될 수 있다.
<제2 실시예>
본 발명에 따른 자이로의 제2 실시예는 레이저 장치 및 CW 빔 및 레이저 장치로부터 방출된 CCW 빔을 검출하고 서로 간섭시키기 위한 광검출기를 포함하되, 2 빔의 발진 주파수는 서로 동일하지 않다.
광검출기면에서 제1 실시예와는 상이한 제2 실시예는 레이저 장치 외부에 배치되고 레이저 장치의 회전은 광검출기의 전기 신호의 변화에 의해 검출된다.
제2 실시예가 도 17을 참조로 상세히 설명된다.
도 17에서, 참조 번호(2702 및 2703) 각각은 CW 빔 및 CCW 빔을 표시하고, 참조 번호(2701)은 광 도파로를 표시하며, 참조 번호(2700)은 비대칭 테이퍼 영역을 표시하고, 참조 번호(2704 및 2714)는 각각 미러를 표시한다. 참조 번호(2730)는 광검출기를 표시하고, 참조 번호(2712)는 외부로 방출되고 결국은 미러를 통해 광검출기(2730)에 진입하는 CW 빔을 표시하며, 참조 번호(2713)는 외부로 방출되며, 결국 미러(2414)에 의해 광검출기(2730)에 진입하는 CCW 빔을 표시한다.
광검출기는 관측되는 대상의 회전을 검출하도록 전기 신호의 변화를 검출한다.
본 발명의 목적에 대해, 광검출기는 광의 강도를 검출하고 이를 전기 신호로 변환시키는 장치이며, 이는 광전자(외부 광전기 효과)의 방출을 이용하는 광전 튜브 또는 광증폭기 튜브일 수 있다. 별도로, 광도전 효과를 이용하는 광도전 셀, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 애벌런치 포토다이오드 또는 광휘발성 효과를 이용하는 광휘발성 셀과 같은 내부 광전 효과를 이용하는 다양한 장치로부터 선택된 장치일 수 있다. 또한 별예로는, 광 흡수를 이용하는 열 검출기, 볼로미터(bolometer), 골레이 셀(Golay cell) 또는 초전기 효과를 이용하는 초전기 광검출기인 열결합 검출기일 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 장치는 반도체 레이저 또는 기체 레이저일 수 있다.
본 발명의 2개의 양호한 실시예가 상술되었다. 본 발명이 목적을 위해 이득적으로 이용되는 링형 레이저 장치가 상세히 설명된다.
도 18은 도 5의 선 X-X'를 따라 절단된 도 5의 반도체 레이저의 개략적 단면도이다. 도 18에서, 참조 번호 2800은 반도체 레이저를 표시하고, 참조 번호 2801, 2802 및 2803은 각각 활성층, 기판 및 애노드를 표시하며, 참조 번호 2804, 2806, 2807은 각각 캐소드, 상부 클래딩층 및 하부 클래딩 층을 표시한다.
상부 클래딩층(2806)의 중심부(2809)를 제거하는 이러한 구성으로 링형 형태를 생성한다. 전류는 반도체 레이저의 중심부를 통과하여 흐르지는 않는다. 그러므로, 원칙적으로, 회로를 전파하는 빔만이 초기 전류를 억제하기 위한 이득을 얻을 수 있다. 다음으로, 비트 주파수는 단일 횡 모드가 구현되는 경우에 특히 고도로 안정화될 것이다.
광 가이드층이나 캡층의 어느 것도 도 18에 특별히 도시되지는 않았지만, 그러한 층들은 상부 클래딩층(2806)의 중심부가 제거되는 경우에는 배치될 수 있다.
도 19는 그러한 층들을 이용하는 구성을 도시한다. 보다 상세하게는, 도 19에서, 참조 번호(2921)은 캡층을 표시하고, 참조 번호 2922 및 2923은 광 가이드층을 표시한다. 다르게는, 활성층(2901) 및 캐소드(2904)가 도시된다.
또한 상부 클래딩층(2906) 및 캡 층(2921)을 변경하지 않고 링형 전극(2903)을 제공하는 것이 가능하다. 도 19에서는 애노드(2903)가 레이저 장치의 전체 표면에 정렬되며, 레이저 장치의 전체 표면 상에 애노드를 배치시킬 필요는 없다.
또한, 활성층(2801)은 도 20에 도시된 것처럼 부분적 또는 전반적으로 링형태이며, 하부 클래딩층(2807)은 도 21에 도시된 것처럼 부분적으로 링형태이다. 활성층의 용적이 현저히 감소되므로 활성층이 부분적으로 링형인 경우 임계 전류는 효율적으로 감소될 수 있다.
본 발명의 목적을 위하여, 레이저 빔이 분포(도 21의 ℓ로 표시됨)되는 영역내에서 링형을 갖는 것이 유리하다. 그러므로, 활성층은 링형태가 바람직하다.
활성층의 두께가 0.1㎛인 경우, 도 21의 ℓ은 양호하게는 약 1㎛이다.
특히, 활성층에 대한 레이저 장치의 광 구속 계수는 레이저 장치가 활성층의 표면에 수직인 방향의 누출 광의 도달 범위내에서 링형태일 때 저구동 전류가 가능하고 발진 주파수가 안정되도록 충분히 클 것이다. 전체 반도체 레이저(2800)는 링 형태임은 말할 것도 없다.
누출 광의 도달 범위(ℓ)가 클래딩 층(도 21의 2806, 2807)내에 발견되고, 광은 굴절율 및 클래딩층 각각의 두께를 포함하는 파라미터에 의존하여 클래딩층 너머로 새어나온다. 그러한 경우라면, 누출광의 도달 범위(ℓ)에 대응하는 레이저 장치의 부분은 양호하게는 실린더 형태이다. 또한, 광이 활성층과 클래딩 층 사이에 위치된 광 가이드층으로 누출되고 또한 기판(2802)로 스며드는 경우, 광 가이드층 및 누출 광의 도달 범위에 대응하는 기판의 일부는 양호하게는 실린더 형태이다.
저 굴절율 층(2806, 2807)의 광의 손실은 최소화되는 것이 바람직하다. 특히, 레이저 장치가 저 전류 또는 저 전압으로 구동되어야 하는 경우에 광의 손실은 감소되어야 한다.
도 23은 도 22의 레이저 장치의 영역(2850)의 확대된 개략적 횡단면도이다. 장치가 저전력으로 구동되는 경우, 저굴절율층의 측방향 표면과 활성층(도 23)의 측 방향 표면 각각의 사이의 각(θ1 및 θ2)이 각각 75°≤θ1 및 θ2 ≤ 105°, 양호하게는 80°≤θ1 및 θ2 ≤ 100°, 보다 양호하게는 85°≤θ1 및 θ2 ≤ 95°로 한정되는 식으로 레이저 장치가 마련된다.
상술한 요구 조건이 충족되는 경우, 저굴절율층(2806 및 2807)(소멸광)으로 누출되는 광의 손실은 효과적으로 회피되어, 저전류(또는 저전압)으로 반도체 레이저를 구동하는 것이 가능하도록 한다.
바람직하게는 또한, 반도체 레이저의 측방향 표면은 전반사 표면이고, 전반사 표면의 90% 이상인 각 영역들 사이의 각도 및 활성층의 각도는 상술한 공식에 의해 한정된다.
저굴절율층의 측방향 표면은 그 전체 주변부에 대한 활성층의 대응하는 측방향 표면을 갖는 상술한 요구 조건을 만족시킨다. 특히, 레이저 장치의 내부 측방향 표면은 또한 각(θ1 및 θ2)에 대한 상술한 요구 사항을 만족시키는 것은 매우 바람직하다.
활성층(2801) 사이에 샌드위치된 저굴절율층의 측방향 표면의 표면 정밀도(표면 거칠기)는 양호하게는 활성층의 투과 매체를 통과하는 광의 파장(=진공내의 광 파장/매체의 유효 굴절율)의 1/2 이하이고, 보다 바람직하게는 1/3이다. 예를 들면, 활성층이 InP형 층(파장이 1.55㎛이고, 매체의 유효 굴절율이 3.6)인 경우, 표면 정밀도는 양호하게는 0.22㎛, 보다 양호하게는 0.14㎛ 이하이다.
활성층이 GaAs형 층인 경우(파장이 0.85㎛이고, 등가 굴절률이 3.6), 표면 정밀도는 양호하게는 약 0.12㎛, 보다 양호하게는 0.08㎛미만이다.
저굴절률층의 측방향 표면만이 아니라 활성층의 측방향 표면 또한 표면 정밀도에 대한 상술한 값을 보인다.
레이저 장치의 링형태 부분은 양호하게는 절연 물질(유전 박막)로 채워지는데, 레이저 장치가 그러한 충진 물질없이 필요한 특성을 보이는 경우는 그러한 절연 물질은 필요치 않으며 장치의 공동부(空洞部)가 채워질 것이다.
비정질 Si, SiO2, MgO 또는 SiN으로 제조되지만, 클래딩층보다 저항이 높다면 유전 박막으로 임의의 적절한 재료가 이용될 수 있다. 총 반사 표면은 충진재에 의해 레이저 장치의 실린더 부내에 형성될 수 있다. 또한, 장치의 공동부는 양호하게는 도 24에 도시된 것과 같은 단일 재료(2930)로 채워지거나 또는 둘 또는 그 이상의 재료의 혼합물로 채워진다. 또한, 활성층의 적어도 내부 측방향 표면 또는 외부 측방향 표면이 바람직하게는 도 25에 도시된 것과 같은 박막(2931)으로 코팅된다. 그러한 경우, 장치의 동작 특성은 장치의 공동부를 충진하는 재료를 보존하는 반면 주변 공기에 노출되는 결과로 인해 훼손되는 것이 방지된다. 코팅막이 도 25에서 단일층을 갖지만, 2개의 층 이상일 수도 있다.
유전 박막이 다층 구조를 가지는 경우, 바람직하게는 SiO2 및 Si의 쌍으로 된 다수 층을 포함한다. 그러한 채우는 동작을 필요로 하지 않고 원하는 동작 특성을 제공하는 경우에는 장치의 공동부는 완전히 채워질 필요는 없다.
본 발명에 이용될 수 있는 다른 가능한 충진 구조가 아래에 간략히 기술된다.
도 26에서 참조 번호(2930)는 절연막을 표시한다. 전류가 반도체 레이저의 중심 부분을 통과하여 흐르지 않고 그러므로 반응 전류가 용이하게 단일 횡 모드가 나타나도록 감소되므로, 절연막(2930)이 그 중심 영역에서 애노드(2903) 아래에 배치되는 도 26의 구조는 양호하게는 본 발명의 목적을 위해 이용될 수 있다. 그러한 구조는 전극을 평평한 형상으로 제공할 필요가 있는 경우에 특히 유효하다.
상부 클래딩 층(2906)이 p-형인 경우, 레이저 장치의 중심부는 PNPN 사이리스터 구조를 보이며 절연막(2930)을 이용하는 대신에 PNP형 도전성을 보이는 재료로 레이저 장치의 중심부를 채우기 때문에 전류가 그 중심을 통해 흐르지 않도록 한다.
도 27을 참조하면, 참조 번호(2840)는 Fe-도핑된 고저항층을 표시한다. 고저항층을 이용하는 구조로, 반도체 레이저 장치의 중심부를 통해 전류를 흐르지 않도록 하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는 활성층의 공동부(2809)(도 22에 도시됨)가 실질적으로 중심부에 위치되는 것으로 충분하다. 도파 모드가 존재하지 않는 상태는 컷-오프 상태로 칭하고, 횡 모드를 안정화시키도록 더 높은 모드에 대한 컷-오프 상태의 요구를 충족시키도록 구성시키는 것이 바람직하다. 또한, 공동부의 직경 d(도 18)은 더 높은 모드에 대한 컷-오프 상태의 요구를 충족시키도록 한정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 컷-오프 상태의 요구 사항이 더 높은 모드에 대해 충족되는 경우 횡 모드에 대해서는 기본 모드만이 존재한다.
또한, 공동부의 프로파일은 더 높은 모드에 대해 컷-오프 상태의 요구 조건을 만족시키도록 한정되어 단일 도파 모드(단일 횡 모드)만이 존재하도록 하는 것이 바람직하다.
공동부를 갖는 레이저 장치는 활성층 대신에 링형 반도체층, 광 가이드층을 적층하고 전형적으로 클래딩층을 마스크로 사용하는것에 의해 준비되어질 것이다. 별예로는 공동부를 갖는 레이저 장치는 활성층, 광 가이드층 및 클래딩층을 적층하고 그들의 링형 측면이 보이도록 그곳의 중심부분을 잘라내는것에 의해 마련될 것이다.
공동부를 형성하기 위한 발명의 목적으로 사용되어온 에칭 기술들은 습식 에칭, 가스 에칭, 플라즈마 에칭, 스퍼터 에칭, 반응성 이온 에칭(RIE) 및 반응성 이온 광선 에칭(RIBE)을 포함한다.
발명에 따른 레이저 장치의 활성층으로 사용되어질 수 있는 물질들은 GaAs, InP, ZnSe, AlGaAs, InGaAsP, InGaAlP, InGaAsP, GaAsP, InGaAsSb, AlGaAsSb, InAsSbP, PbSnTe, GaN, GaAlN, InGaN, InAlGaN, GaInP, GaInAs 및 SiGe들이 있다.
활성층에 사용되어질 수 있는 일부 물질들은 또한 클래딩층에도 사용될 수 있다.
발명의 목적에 따라 활성층과 클래딩층에 사용될 수 있는 합성 물질들로 PbSnTe (활성층)/PbSeTe (클래딩층), PbSnSeTe (활성층)/PbSeTe (클래딩층), PbEuSeTe (활성층)/PbEuSeTe (클래딩층), PbEuSeTe (활성층)/PbTe (클래딩층), InGaAsSb (활성층)/GaSb (클래딩층), AlInAsSb(활성층)/GaSb (클래딩층), InGaAsP (활성층)/InP (클래딩층), AlGaAs (활성층)/AlGaAs (클래딩층) 및 AlGaInP (활성층)/AlGaInP (클래딩층)들이 있다.
반도체 레이저의 구조에 관해서 그것의 활성층은 벌크 구조를 허용하지 않으며 별예로 단일 양자 우물 (SQW) 또는 다중 양자 우물 (MQW)구조일 것이다.
양자 우물 구조가 레이저 장치로 사용될때, 변형된(strained) 양자 우물 구조는 양호하다. 예를 들어, 활성층은 약 1%의 압축 변형율을 갖는 8 InGaAsP 양자 우물 층과 InGaAsP 장벽 층으로 형성될 것이다.
공동부를 갖는 레이저 장치는 활성층 대신에 링형 반도체층, 광학 가이드층을 적층하고 전형적으로 클래딩층을 마스크로 사용하는것에 의해 준비되어질 것이다. 별예로는 공동부를 갖는 레이저 장치는 활성층, 광학 가이드층 및 클래딩층을 적층하고 그들의 링형 측면이 보이도록 그곳의 중심부분을 잘라내는 것에 의해 준비되어질 것이다.
공동부를 형성하기 위한 발명의 목적으로 사용되어온 에칭 기술들은 습식 에칭, 가스 에칭, 플라즈마 에칭, 스퍼터 에칭, 반응성 이온 에칭(RIE) 및 반응성 이온 광선 에칭(RIBE)을 포함한다.
발명에 따른 레이저 장치의 활성층으로 사용되어질 수 있는 물질들은 GaAs, InP, ZnSe, AlGaAs, InGaAsP, InGaAlP, InGaAsP, GaAsP, InGaAsSb, AlGaAsSb, InAsSbP, PbSnTe, GaN, GaAlN, InGaN, InAlGaN, GaInP, GaInAs 및 SiGe들이 있다.
활성층에 사용되어질 수 있는 일부 물질들은 또한 클래딩층에도 사용될 수 있다.
발명의 목적에 따라 활성층과 클래딩층에 사용될 수 있는 합성 물질들로 PbSnTe (활성층)/PbSeTe (클래딩층), PbSnSeTe (활성층)/PbSeTe (클래딩층), PbEuSeTe (활성층)/PbEuSeTe (클래딩층), PbEuSeTe (활성층)/PbTe (클래딩층), InGaAsSb (활성층)/GaSb (클래딩층), AlInAsSb(활성층)/GaSb (클래딩층), InGaAsP(활성층)/InP (클래딩층), AlGaAs (활성층)/AlGaAs (클래딩층) 및 AlGaInP (활성층)/AlGaInP (클래딩층)들이 있다.
반도체 레이저의 구조에 관해서 그것의 활성층은 벌크 구조를 허용하지 않으며 별예로 단일 양자 우물 (SQW) 또는 다중 양자 우물 (MQW)구조일 것이다.
양자 우물 구조가 레이저 장치로 사용될때, 변형된(strained) 양자 우물 구조는 양호하다. 예를 들어, 활성층은 약 1%의 압축 변형율을 갖는 8 InGaAsP 양자 우물 층과 InGaAsP 장벽 층으로 형성될 것이다.
기판으로는, 소망하는 재료를 그 위에 성장시키기에 적합한 기판이 사용될 수 있다. 본 발명의 목적을 위하여 사용될 수 있는 기판은 SiC 기판, 4H-SiC 기판, 6H-SiC 기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판 및 SOI 기판과 더불어서 GaAs 기판, InP 기판, GaSb 기판, InAs 기판, PbTe 기판, GaN 기판, ZnSe 기판 및 ZnS 기판과 같은 화합물 기판을 포함한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 활성층을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 기술은 액상 에피택시(LPE 기술), 분자 빔 에피택시(MBE 기술), 유기 금속 기상 성장(MOCVD 기술, MOVPE 기술), 원자층 에피택시얼 성장(ALE 기술), 유기 금속 분자 빔 에피택시(MOMBE 기술) 및 화학적 빔 에피택시(CBE 기술)를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저 장치의 애노드용으로 사용될 수 있는 재료는 Cr/Au, Ti/Pt/Au 및 AuZn/Ti/Pt/Au를 포함한다. 본 발명에 따른 레이저 장치의 캐소드용으로 사용될 수 있는 재료는 AuGe/Ni/Au 및 AuSn/Mo/Au를 포함한다. 그러나, 본 발명은 결코 이들 재료에 국한되지는 않는다.
기판의 도전형 및 활성층의 도전형에 따라서 전극들의 배치는 도시된 배치와 상반될 수 있다는 점에 주의하자.
클래딩층과 전극들의 콘택 저항을 감소시키기 위하여 클래딩층 상에 캡층(콘택층)이 형성되고 이 캡층 상에 전극의 재료가 배치되는 것도 바람직하다.
전형적인 재료의 조합은 InGaAsP(활성층)/p형 InP(클래딩층)/p형 InGaAsP(캡층)/전극일 수 있다.
여기서 다시, 도면에서는 기판 하부에 캐소드가 배치되어 있지만, 기판의 타입에 따라서 캐소드는 기판 상부에 배치될 수도 있다는 점에 주의하자.
반도체 기판을 열로부터 보호하기 위하여, 열 발산 부재(히트 싱크) 상에 반도체 레이저 칩을 배치하는 것이 바람직하다. 본 발명의 목적을 위하여 히트 싱크용으로 사용될 수 있는 재료는 Cu, Si, SiC, AlN 및 다이아몬드를 비한정적으로 포함한다. 필요하다면, 반도체 레이저의 온도를 제어하기 위하여 펠티에 소자(Peltier device)가 사용될 수도 있다.
(빛이 발견되는) 반도체 레이저의 각각의 측 표면상에 절연막(코팅막)을 형성하여 그 표면이 전반사면이 되도록 하고 열화되지 않도록 하는 것도 바람직하다. 코팅막용으로 사용될 수 있는 재료는 SiO2, SiN, Al2O3및 Si3N4및 비정질 실리콘(α-Si)과 같은 절연체를 포함한다.
실질적으로 링형의 광 도파로를 실현하기 위하여 링형 레이저 장치의 공동부를 높은 전기 저항성의 재료로 대체하는 것도 바람직하다.
도 28은 그러한 구성을 가진 레이저 장치의 개략적인 단면도를 보여준다.
도 28을 참조하면, 레이저 장치는 활성층(2801), 기판(2802), 애노드(2803), 캐소드(2804), 상부 클래딩층(2806), 하부 클래딩층(2807) 및 이온 주입에 의해 생성된 고저항층(2859)을 포함한다. 이러한 구성에 의하여, 장치의 중심부를 통하여 전류가 거의 흐를 수 없게 되고, 따라서 주로 순회적으로 전파되는 빔들만이 이득을 얻을 수 있다.
도 28에서의 고저항층(2859)은 뚜렷한 경계선들을 갖고 있지만, 실제로는 어느 정도의 폭을 갖고 있다. 이온 주입의 동작은 바람직하게는 투입 이온들의 궤도가 주로 활성층에서 발견되도록 수행된다.
도 28을 참조한 상기 설명에서는 상부 클래딩층의 적어도 일부가 전기적으로 높은 저항성을 갖도록 하고 있지만, 중심 영역을 통하여 전류가 거의 흐를 수 없다면 활성층(2801) 및/또는 하부 클래딩층(2807) 역시 전기적으로 높은 저항성을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 반도체 레이저의 모든 중심 영역이 전기적으로 높은 저항성을 갖도록 할 수 있다.
따라서, 활성층(2801)의 중심 영역이 전기적으로 높은 저항성을 갖도록 할 경우, 활성층의 부피가 실질적으로 감소되어 장치를 구동하는 데 필요한 구동 전류가 감소되는 것을 알 수 있을 것이다.
이온들의 투입 궤도가 주로 활성층의 깊이 및 그 주위에서 발견되도록 이온들을 주입하는 것이 가능하고, 따라서 주로 그러한 깊이에서 전기적으로 높은 저항성을 갖도록 장치를 제조할 수 있다.
도 28에서 애노드(2803)는 반도체 레이저 주위에 배치되어 있지만, 레이저 장치의 전체 상면 상에 배치될 수도 있다. 또 다르게는, 레이저 장치의 상면의 일부에 배치될 수도 있다.
필요하다면 언제라도, 광 가이드층 및/또는 캡층이 구비될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 전기적으로 높은 저항성을 갖는다고 하는 표현은 이온이 주입되어 100 Ω·㎝에서 105Ω·㎝ 사이, 바람직하게는 5×103Ω·㎝와 1×105Ω·㎝ 사이의 특정 저항을 보이게 된 영역을 나타내는 것이며, 활성층의 타입에 따라 상기 값들은 변할 수 있다.
주입될 이온들은 양자(protons) 또는 붕소 이온일 수 있다.
이온 주입의 동작은 주입 이온들의 투입 궤도 Rp가 주로 활성층의 중심에서 발견되도록 수행되는 것도 바람직하다. 이온들을 가속시키기 위하여 인가되는 전압은 바람직하게는 10 KeV에서 1 MeV 사이이지만, 활성층 상의 광 가이드층 및 클래딩층의 재료 및 두께가 고려되어야 한다.
이온들은 1×1013㎝-2에서 1×1015㎝-2사이의 레이트로 주입될 수 있다.
이온 주입의 동작 중에 기판은 실온으로 유지될 수 있다.
이온 주입의 영역을 엄격하게 반도체 레이저의 중심 영역에 제한할 필요는 없으며, 더 높은 모드들을 위한 컷오프 상태의 요건이 만족된다면 이온이 주입되는 영역이 대충 장치의 중심에서 발견되는 것으로 충분하다.
이온이 주입될 영역의 직경 d 역시 더 높은 모드들을 위한 컷오프 상태의 요건을 만족시키도록 규정될 수 있다.
이온이 주입될 영역은 반드시 원형일 필요는 없으며 더 높은 모드들을 위한 컷오프 상태의 요건을 만족시키고 단 하나의 도파 모드(단일 횡 모드)만이 존재하도록 하기에 적합한 외형을 나타낼 수 있다.
이온 주입 동작에 의해 생기는 손상을 치유하기 위하여 레이저 장치를 열처리하는 것도 바람직하다. 그러한 열처리 동작은 200℃에서 500℃ 사이, 바람직하게는 300℃에서 400℃ 사이의 온도에서 수행된다. 열처리 동작은 수소 함유 분위기 중에서 수행될 수 있다.
이온 주입 공정이 소자 내부에 전기적으로 높은 저항 영역을 갖도록 상술되었지만, 전기적으로 높은 저항 영역은 이 영역을 선택적으로 산화함으로써 생성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 상술되어 있다. 본 발명에 따른 자이로는 물체의 각속도 및 회전 감지가 검출될 수 있는 기구, 또는 물체의 각속도 또는 회전 감지만이 검출될 수 있는 기구일 수 있다는 것을 알아야 한다.
(제1 예)
도 30 및 도 31은 그 특성을 가장 명확하게 도시한 본 발명의 제1 예의 개략적인 도면이다. 도 30을 참조하면, 본 예의 레이저 장치는, 광 도파로의 비대칭 테이퍼 영역(4000)을 포함한 링 공진기형 반도체 레이저(4001)이다. 이 예의 레이저 장치를 역시 도시한 도 31을 참조하면, 레이저 장치는 전기 단자(4124), 캡 층(4103), 클래딩 층(4106), 광 가이드 층(4122), 활성 층(4101), 다른 광 가이드 층(4123), 반도체 기판(4102) 및 캐소드(4104)를 더 포함한다. 참조 번호(4003)는 반시계 방향으로 회전해서 전달하는 레이저 빔을 가리키고 참조 번호(4002)는 시계 방향으로 회전해서 전달하는 레이저 빔을 가리킨다. 도 31은 도 30에서 선 X-X'을 따라 절단한 도 30의 레이저 장치의 개략적인 단면도임을 알아야 한다.
먼저, 상술된 구성을 갖는 링 공진기형 반도체 레이저를 준비하는 방법이 설명될 것이다. 1.3㎛ 구성을 갖는 비도프된 InGaAsP 광 가이드 층(4123)(1.5㎛ 두께), 1.55㎛ 구성을 갖는 비도프된 InGaAsP 활성 층(4101)(0.1㎛ 두께), 1.3㎛ 구성을 갖는 다른 비도프된 InGaAsP 광 가이드 층(4122)(0.15㎛ 두께), p-InP 클래딩 층(4106)(2㎛ 두께) 및 1.4㎛ 구성을 갖는 p-InGaAsP 캡 층(4121)(0.3㎛ 두께)이 링 공진기형 반도체 레이저(4150)의 금속 유기 기상 성장 기술에 의해 n-InP 기판(4102)(350㎛ 두께)상에 성장된다. 결정 성장 공정 이후에, 포토레지스트 AZ-1350(Hoechst로부터 유효한 상표명)가 스핀 코우터에 의해 p-InGaAsP 캡 층상에 인가되어 1㎛ 두께의 막이 형성된다. 80℃에서 30분 동안 웨이퍼를 사전-가열한 후, 웨이퍼를 피복한 마스크에 따라 광에 노출된다. 광 도파로는 5㎛의 폭을 도시한 반면, 증착 및 세정 공정 이후에 테이퍼 영역에는 최대폭 8㎛ 및 최소폭 5㎛을 도시한다. 회전 광 도파로는 600㎛의 길이를 갖는다. 다음에, 웨이퍼는 반응성 이온 에칭 시스템으로 도입되어 염소 가스에 의해 3㎛ 깊이를 갖는 오목부를 나타내도록 에칭된다. 마지막으로, Cr/Au는 애노드를 형성하기 위해 기상 증착에 의해 p-InGaAsP 캡 층(4121)상에 증착되는 한편, AuGe/Ni/Au는 캐소드(4104)를 형성하기 위해 역시 기상 증착에 의해 n-InP 기판상에 증착된다. 그 후에, 웨이퍼는 수소-함유 분위기에서 어닐링되어 오옴성 접촉을 발생시킨다. 도 31에서, 참조 번호(4124)는 비트 신호를 인출하기 위한 전기 단자를 가리킨다.
상술된 구성을 갖는 링 공진기형 반도체 레이저를 충돌하는 광은 반도체의 굴절률과 대기의 굴절률의 차이로 인하여 그 표면, 또는 레이저의 인터페이스 및 대기에 의해 반사된다. 반도체의 굴절률이 3.5이면, 총 반사는 인터페이스의 법선및 레이저 빔 사이의 각도가 16.6° 이상일 때 발생한다. 총 반사를 수용하기 위한 발진 모드가 미러 손실의 감소로 인하여 임의의 다른 노드보다 작은 발진 임계치를 나타내기 때문에, 레이저 장치는 낮게 주입된 전류 레벨로 발진하기 시작한다. 게다가, 게인이 이 발진 모드에서 집중적으로 나타나기 때문에, 임의의 다른 모드에서의 발진은 억제될 것이다. 도 30에서, 반도체의 인터페이스의 법선 및 대기 간의 각도가 반도체 레이저의 임의의 코너에서 45°이므로, 총 반사를 위한 각도 요구조건을 만족시킨다. 상온에서의 발진 임계치는 레이저 빔(4003)에 대하여 3㎃ 및 레이저 빔(4002)에 대하여 3.5㎃이다.
테이퍼 영역의 프로파일에 대하여, 이러한 한계가 상술된 특정 요구조건에 일치될 때 무시될 수 있지만, 도 8에서의 각도 α 및 β 모두는 양쪽 방향으로 전달하는 레이저 빔이 너무 크지 않도록 바람직하게 90° 미만이다.
도 32는 상온에서 본 예의 링 공진기형 반도체 레이저의 전류 및 광 출력 간의 관계를 도시한 그래프이다. 링 공진기형 반도체 레이저(4150)가 테이퍼 영역을 갖지 않으면, 그 구동 전류는 4.5㎃이고, 레이저가 고정 상태로 유지될 때, 레이저 빔(4003) 및 레이저 빔(4002)은 1.55㎛인 공통 발진 파장 λ를 나타낸다. 그러나, 레이저 빔(4003)의 발진을 위한 발진 임계치는 도 30에 도시된 테이퍼 영역을 갖는 반도체 레이저에서 레이저 빔(4002)의 발진을 위한 임계치보다 낮기 때문에, 레이저 빔(4003)의 세기는 도 32로부터 알 수 있듯이 레이저 빔(4002)의 세기보다 크다.
즉, 상술된 수학식 8 및 9에 의해 정의된 광자수 밀도는 레이저 빔(4003) 및 레이저 빔(4002) 사이에 차이가 있다.
따라서, 레이저 빔(4003)의 발진 주파수는 레이저 빔(4002)의 것과 다르다. 레이지 빔(4003)의 발진 주파수 f3는 레이저 빔(4002)의 발진 주파수 f4보다 1㎑ 정도 크다. 그 다음에, 레이저 빔(4003) 및 레이저 빔(4002)은 링 공진기형 반도체 레이저에서 서로 간섭한다. 정전류가 사용되면, 100㎷ 크기 및 1㎑ 주파수를 갖는 신호는 전극 단자(4124) 및 캐소드(4104) 간의 전압을 감시함으로써 얻어질 수 있다. 즉, 비트 전압은, 링 공진기형 반도체 레이저가 고정 상태로 유지될 때도 검출될 수 있다.
링 공진기형 반도체 레이저가 흔들리는 카메라의 진동률 또는 이동하는 자동차의 진동률에 대충 대응하는 초 당 30°의 비율로 시계 방향으로 회전하도록 구동되면, 반시계 방향으로 전달하는 레이저 빔(4003)의 발진 주파수 f3은 88.7㎐ 만큼 상승되는 한편, 시계 방향으로 전달하는 레이저 빔(4002)의 발진 주파수 f4는 88.7㎐ 만큼 감소된다. 그래서, 비트 주파수는 이하 수학식 12에 의해 구해질 수 있다.
한편, 링 공진기형 반도체 레이저가 초당 30° 비율로 반시계 방향으로 회전하도록 구동되는 경우, 비트 주파수는 이하 수학식 13에 의해 구해질 수 있다.
비트 주파수의 증가 또는 감소의 절대값이 회전 속도와 비례하기 때문에, 비트 주파수의 증가 또는 감소가 감지 또는 회전에 대해 1대1 대응을 나타내므로 현재 반도체 레이저의 회전 속도 뿐만 아니라, 감지 또는 회전을 검출할 수 있다.
도 33은 상기 레이저 장치에 의해 비트 신호를 검출하기 위한 구성의 개략적인 설명이다. 도 33을 참조하면, 자이로(4300), 회전 테이블(4350), 전류원(4302), 저항기(4301) 및 주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)(4360)가 도시되어 있다.
상기 구성에 따르면, 전류는 직렬로 접속된 저항기(4301)에 의해 전류원(4302)으로부터 자이로(4300)로 주입된다. 자이로(4300)가 고정 상태로 유지되면, 두개의 레이저 빔의 발진 주파수(발진 파장) 간의 차이를 반복하는 비트 신호가 단자 전압의 변화에 따라 얻어질 수 있다. 회전 테이블(4350)상에 장착된 자이로(4300)가 회전하도록 구동되면, 상기 얻은 비트 신호는 자이로의 회전 각속도를 나타낸다.
비트 주파수는 비트 신호가 주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)(4360)를 통과하도록 함으로써 전압값으로 변환될 수 있다.
주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)(4360)의 전압 출력이, 자이로(4300)가 오프셋을 조정함으로써 고정 상태로 유지될 때 0으로 되면, 자이로의 회전 감지는, 주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)(4360)의 출력이 양 또는 음인지를 관찰함으로써 검출될 수 있다.
도 11은 주파수/전압 변환기 회로(F/V 변환기 회로)의 개략적인 회로도이다. 이 회로는 트랜지스터, 다이오드, 캐패시터 및 저항기를 포함하고 출력 전압 Vc2는 이하 수학식 10에 의해 표현된다.
<수학식 10>
여기서 Ei는 입력 전압의 피크-피크값을 나타내고, f는 비트 주파수를 나타낸다. 회로 파라미터에 대해 C2C1및 RoC2f<1를 실현하는 값을 선택함으로써 이하 수학식 11로 표현된 관계는 비트 주파수와 비례하는 전압 출력을 얻도록 수립될 수 있다.
<수학식 11>
단자 전압의 변화가 본 예에서 일정한 전류로 자이로를 구동시킴으로써 관찰되지만, 단자를 흐르는 전류의 변화는 자이로가 일정한 전압으로 구동되면 관찰될 수 있다. 대안적으로, 방전 임피던스의 변화는 임피던스 미터에 의해 직접 검출될 수 있다.
그 다음, 비트 광을 검출하기 위한 광검출기의 사용은 결과적으로 광검출기로부터 복귀하는 광에 의해 유발된 광 피드백 노이즈가 제거될 수 있도록 생략될 수 있다.
반도체 레이저가 상기 예에서는 InGaAsP형 재료를 이용함으로써 실현되었지만, 이들은 GaAs형, ZnSe형, InGaN형 또는 AlGaN형 재료로 대체될 수 있다. 게다가, 광 도파로의 프로파일은 도 30에 도시된 바와 같이 직각인 것 대신에 육각, 삼각 또는 원일 수 있다.
지금부터, 레이저 장치를 준비하는 다른 방법이 도 34 내지 도 40을 참조하여 설명될 것이다.
Al0.3Ga0.7As/GaAs의 3층의 다중 양자 우물 구조를 갖는 활성 층(4401)은 클래딩 층(4407)(p-Al0.5Ga0.5As) 및 다른 클래딩 층(4407)(n-Al0.5Ga0.5As)에 의해 역시 개재되는 활성 층을 개재한 Al0.3Ga0.7As의 한쌍의 광 도파로(4422)를 갖는 n-GeAs 기판(4402)상에 형성된다. 도 34에서의 참조 번호(4415)는 n-GaAs로 만들어진 버퍼 층을 가리키고 참조 번호(4440)는 p-GaAs로 만들어진 캡 층을 가리킨다.
그 다음, Cr/Au(또는 Ti/Pt/Au)는 애노드(4403)용으로 캡 층(4440)상에 형성된다(도 35).
그 후에, 광포토레지스트(4460)는 거기에 인가되고 도 36에 도시된 패터닝 공정이 행해진다.
그 다음, 애노드(4403)는 마스크로서 패터닝된 광포토레지스트(4460)를 이용함으로써 건식 식각 공정이 행해진다(도 37).
다음에, 반도체 층은 건식 식각에 의해 제거되고(도 38) 포토레지스트는 제거된다(도 39).
그 다음, 애노드는 수소 함유 분위기에서 어닐링되어 이를 합금으로 변형시킨다.
(필요에 따라) 기판을 연마한 후에, 캐소드(4404)는 AuGeNi/Au를 증착함으로써 형성된다(도 40).
따라서, 링 공진기형 반도체 레이저(4400)가 형성된다. 도 41은 준비된 레이저 장치의 개략적인 평면도이다.
도 41에서의 각도 m은 45±0.01°, 바람직하게 45±0.001°이라는 것이 이점이다. 이러한 것은 다른 코너에 대해서도 유효하다. 이는, 광 공진기에서 완전히 변형시킨 후 레이저 빔이 각각의 발원점으로 복귀하도록 만족되어야 하는 요구조건이다.
m의 각도 요구조건은 반도체 링 레이저가 일부 다른 방법에 의해 형성되면 만족되어야 하는 것은 당연하다고 할 수 있다.
도 42는 도 41의 장치의 코너(4490)의 확대한 개략적인 도면이다. 도 42에서 r로 표현된 표면 거칠기는 500Å, 바람직하게 200Å 미만이다. 그 다음, 백워드 산란은 로크인 현상이 발생하지 않도록 최소화될 수 있다.
(제2 예)
도 43은 본 발명의 제2 예의 개략도이다. 도 43을 참조하면, 본 예의 레이저 장치는, 광 도파로의 비대칭 테이퍼 영역(5300)을 포함한 수정관(5301), 미러(5304), 애노드(5313), 전기 단자(5314) 및 캐소드(5315)를 포함한다. 참조 번호 5303은 반시계 방향으로 순회적으로 전파하는 레이저 빔을 나타내고, 참조 번호 5302는 시계 방향으로 순회적으로 전파하는 레이저 빔을 나타낸다.
상기 레이저 빔의 수정관(5301)은 드릴에 의해 수정 블록을 도려냄으로써 형성될 수 있다. 그 다음, 수정관(5301)에 미러(5304)가 끼워진다. 부가적으로, 애노드(5313), 전기 단자(5301) 및 캐소드(5315)가 또한 수정관(5301)에 끼워진다. 그 다음, 헬륨 가스와 네온 가스를 수정관(5301)으로 유입시키고 애노드와 캐소드 사이에 전압을 인가하여 전기 방전을 일으켜 전류가 흐르게 한다. 그 결과, 반시계 방향의 레이저 빔(5303)과 시계 방향의 레이저 빔(5302)이 수정관(5301) 내에서 발진하였다.
테이퍼 영역의 프로파일의 경우, 도 8에서의 각 α 및 β는, 상기 양 방향으로 전파하는 레이저 빔의 미러 손실이 너무 크지 않도록 하기 위해 90˚ 이하로 하는 것이 바람직하지만, 소망하는 특정 조건이 충족될 경우 상기 한정을 생략할 수 있다.
수정관(5301)은 비대칭 테이퍼 영역을 갖지 않거나 고정 상태로 유지될 경우, 레이저 빔(5303)과 레이저 빔(5302)는 4.73×1014Hz의 동일한 발진 주파수와 632.8nm의 동일한 파장 λ를 가진다. 그러나, 광 도파로는 비대칭 테이퍼 섹션을 제공하기 때문에, 반도체 레이저에서 레이저 빔(5303)의 발진을 위한 발진 임계값은 레이저 빔(5302)의 발진을 위한 발진 임계값보다 낮다. 그 결과, 레이저 빔(5303)의 강도는 레이저 빔(5302)의 강도보다 크다. 따라서, 레이저 빔(5303)의 발진 주파수(f1)는 레이저 빔(5302)의 발진 주파수(f2)보다 20 ㎒ 크다. 그 다음, 레이저 빔(5303)과 레이저 빔(5302)은 수정관(5301)에서 서로 간섭을 일으킨다. 일정한 전원 전류가 사용되는 경우, 전기 단자(5301)와 캐소드(5315) 사이의 전압을 모니터링하여 100 ㎷의 진폭과 20 ㎒의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있다. 즉, 수정관이 고정 상태일 때에도 비트 전압이 검출된다.
수정관(5301)이 초당 180˚의 속도로 시계 방향으로 회전하도록 구동되고 수정관(5301)의 각 측부가 10 cm의 길이를 갖는다면, 반시계 방향으로 전파하는 레이저 빔(5303)의 발진 주파수(f1)는 248.3 ㎑ 만큼 증가되고, 한편 시계 방향으로 전파하는 레이저 빔(5302)의 발진 주파수(f2)는 248.3 ㎑ 만큼 감소된다. 이 때, 비트 주파수는 다음의 수학식 14에 의해 얻을 수 있다.
한편, 여기서 수정관(5301)이 초당 180˚의 속도로 반시계 방향으로 회전하도록 구동되는 경우, 비트 주파수는 다음의 수학식 15에 의해 얻어질 수 있다.
현재 비트 주파수의 증가 또는 감소의 절대값은 회전 속도에 비례하기 때문에, 반도체 레이저의 회전 속도를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 비트 주파수의 증가 또는 감소는 회전 방향(sense rotation)에 대하여 일대일 대응을 나타내므로 회전 방향도 검출할 수 있다.
본 예에서는 일정 전류로 자이로를 구동함으로써 단자 전압에서의 변동이 검출되는 동안, 자이로가 일정 전압으로 구동 전압으로 구동되는 경우 단자로 흐르는 전기 전류에서의 변화가 관측될 수 있다. 다른 방법으로, 방전 임피던스에서의 변화는 임피던스 미터에 의해서 직접 검출될 수 있다.
본 예에서는 수정관으로 헬륨 가스와 네온 가스을 유입시켰지만, 이들을 임의의 가스로 대체하여 레이저 발진을 일으킬 수 있다. 또한, 광 도파로의 프로파일은 도 43에 도시된 직사각형 대신, 육각형, 삼각형 또는 원형일수 있다.
상기 지적한 바와 같이, 본 예에서는 헬륨 가스와 네온 가스가 수정관 안으로 도입되었지만, 이들을 임의의 가스로 대체하여 레이저 발진을 일으킬 수 있으므로 수정관의 각 속도가 검출될 수 있다. 예를 들면, 아르곤 이온 레이저, 카본 이산화 기체 레이저 또는 엑시머 레이저가 본 발명의 목적을 달성하기 위해 대용 수단으로 사용될 수 있다.
기체 레이저를 제공하기 위해 수정관을 이용한 경우를 설명하였지만., 수정관은 폴리머 관으로 대체가능하다. 폴리머 관의 사용은 저온 제조 공정 이용의 장점을 갖는다. 본 발명의 목적을 위해 이용될 수 있는 폴리머 재료들로는 플로오리네이티드 폴리마이드(fluorinated polyimide), 폴리실리옥산, PMMA(폴리메틸메타아 크릴레이트), 에폭시, 및 폴리카보네이트를 포함한다.
본 발명의 목적을 위해 방전 전극에 사용되는 재료들로는 알루미늄, 지르코늄, 및 텅스텐이 사용될 수 있다.
(제3 예)
본 예는 비대칭 테이퍼 영역을 갖는 반도체 레이저를 도 1에서 상술한 방법과 동일한 방법으로 준비한다. 이는 도 44 및 45를 참조하여 설명되어질 것이다.
링 공진형 반도체 레이저(4150)이 테이퍼 영역을 갖지 않는 경우, 그 구동 전류는 4.5 mA이고, 레이저가 고정 상태일 때, 레이저 빔(4003)과 레이저 빔(4002)은 모두 1.55 ㎛의 발진 파장 λ을 나타낸다. 그러나, 도 32에 도시된 바와 같은 테이퍼 영역을 갖는 반도체 레이저에서 레이저 빔(4003)의 발진을 위한 발진 임계값은 레이저 빔(4002)의 발진을 위한 발진 임계값보다 낮기 때문에, 도 32로부터 알 수 있는 바와 같이 레이저 빔(4003)의 강도는 레이저 빔(4002)의 강도보다 크다. 따라서, 레이저 빔(4003)의 발진 주파수는 레이저 빔(4002)의 발진 주파수와 다르다. 레이저 빔(4003)의 발진 주파수(f3)는 레이저 빔(4002)의 발진 주파수(f4)보다 1khz 만큼 크다. 이 때, 레이저 빔(4013)과 레이저 빔(4012)이 광 검출기(4030)에 의해 동시에 수신되는 경우, 레이저 빔(4003)과 레이저 빔(4002)은 광 검출기(4030) 내에서 서로 간섭을 일으킨다. 그 결과, 50 mV의 진폭 및 1kHz의 주파수를 갖는 신호가 광 검출기(4030)의 전기 단자로부터 얻어질 수 있다. 즉, 링 공진형 반도체 레이저(4150)이 고정 상태일 때에도 비트 전압이 검출될 수 있다. 레이저 빔(4013)과 레이저 빔(4012)이 광 검출기(4030)에 도달할 때 동일한 방향으로 전파할 수 있도록 미러(4024)가 레이저 빔(4013)을 편향시키는데 사용된다. 미러는 기상 증착에 의해 수정판 상에 알루미늄을 피착시킴으로써 제공되었고 광 검출기는 NEC사로부터 제조된 것을 이용하였다.
링 공진형 반도체 레이저가 카메라의 진동 속도 또는 이동 자동차의 속도와 대략 일치하는 초당 30˚의 속도로 시계 방향으로 회전하도록 구동된 경우, 반시계 방향으로 전파하는 레이저 빔(4003)의 발진 주파수(f3)는 88.7 Hz 만큼 상승하는 반면, 시계 방향으로 전파하는 레이저 빔(4002)의 발진 주파수(f4)는 88.7 Hz 만큼 감소한다. 이 때, 비트 주파수는 다음 수학식 12에 의해 얻을 수 있다.
<수학식 12>
한편, 이 경우 링 공진형 반도체 레이저는 초당 30˚의 속도로 반시계 방향으로 회전하도록 구동되기 때문에, 비트 주파수는 다음 수학식 13에 의해 얻을 수 있다.
<수학식 13>
현재 비트 주파수의 증가 또는 감소 절대값은 회전 속도에 비례하기 때문에, 반도체 레이저의 회전 속도를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 비트 주파수의 증가 또는 감소는 회전 방향에 대하여 일대일 대응을 나타내므로 회전 방향도 검출할 수 있다.
(제4 예)
도 46은 본 발명의 제4 예의 개략도이다. 도 46을 참조하면, 본 예의 레이저 장치는, 광 검출기(4030), 광 도파로의 비대칭 테이퍼 영역(4000)을 포함한 수정관(4150), 미러(4004), 애노드(4613), 다른 미러(4024) 및 캐소드(4615)를 포함한다. 참조 번호 5003은 반시계 방향으로 순회적으로 전파하는 레이저 빔을 나타내고, 참조 번호 4002는 시계 방향으로 순회적으로 전파하는 레이저 빔을 나타낸다.
상기 장치는 제2 예에서 참조한 상기 방법에 의해서 제공되었다.
수정관(4150)이 테이퍼 영역을 갖지 않거나 고정 상태인 경우, 레이저 빔(4003)과 레이저 빔(4002)는 동일한 발진 주파수 4.73×1014Hz와 동일한 파장 λ, 632.8nm를 나타낸다. 그러나, 광 도파로는 비대칭 테이퍼 영역(4000)을 제공하기 때문에, 반도체 레이저에서 레이저 빔(4003)의 발진을 위한 발진 임계값은 레이저 빔(4002)의 발진을 위한 발진 임계값보다 낮다. 그 결과, 레이저 빔(4003)의 강도는 레이저 빔(4002)의 강도보다 크다. 따라서, 레이저 빔(4003)의 발진 주파수(f1)는 레이저 빔(4002)의 발진 주파수(f2)보다 20 ㎒ 크다.
레이저 빔들(4013 및 4012)은 동작 공진기의 미러로부터 부분적으로 도출되어 동시에 광 검출기(4030)로 도입된다. 레이저 빔(4013)과 레이저 빔(4012)이 광 검출기(4030)에 도달할 때 동일한 방향으로 전파할 수 있도록 미러(4024)는 레이저 빔(4013)을 편향시키는데 사용된다. 이 때, 수정관(5301)에서 레이저 빔(4003)과 레이저 빔(4002)이 서로 간섭을 일으킨다. 그 결과, 광 검출기(4030)로부터 100mV의 진폭과 20 ㎒의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있다. 즉, 수정관이 고정 상태일 때에도 비트 전압이 검출될 수 있다.
수정관(4150)이 초당 180˚의 속도로 시계 방향으로 회전하도록 구동되고 공진기의 각 측부가 10 cm의 길이를 갖는다면, 반시계 방향으로 전파하는 레이저 빔(4003)의 발진 주파수(f1)는 248.3 ㎑ 만큼 증가되고, 한편 시계 방향으로 전파하는 레이저 빔(5302)의 발진 주파수(f2)는 248.3 ㎑ 만큼 감소된다. 이 때, 비트 주파수는 다음의 수학식 14에 의해 얻을 수 있다.
<수학식 14>
한편, 여기서 수정관(4150)이 초당 180˚의 속도로 반시계 방향으로 회전하도록 구동되는 경우, 비트 주파수는 다음의 수학식 15에 의해 얻어질 수 있다.
<수학식 15>
현재 비트 주파수의 증가 또는 감소 절대값은 회전 속도에 비례하므로, 반도체 레이저의 회전 속도를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 비트 주파수에서의 증가 또는 감소는 회전 방향에 대하여 일대일 대응을 나타내기 때문에 회전 방향도 검출할 수 있다.
(제5 예)
도 47에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 링 공진형 반도체 레이저는 본 예에서, 제1 예에서 참조된 상기 방법에 의해서 제공된다.
도 47에서 테이퍼 영역(5800)을 이하 상세히 설명할 것이다.
도 47를 참조하면, 테이퍼 영역(5800)의 각은 α=60˚이고 β=3˚이다. 삼각형 링의 모든 내부각(5851 내지 5853)은 모두 60˚로 동일하다. 삼각형 링은 길이가 모두 320 ㎛로 동일한 3개의 측부(5850)을 갖는다. 일정한 폭(5854)을 갖는 광 도파로의 부분은 5㎛이다. 도 47에서 점선은 테이퍼 영역을 분명하게 나타내기 위해 사용된 가상의 선이다.
장치의 레이저 발진 임계값은 약 5 ㎃이다
레이저 다바이스는 30 ㎃의 전류에 의해 동작하도록 구동된다. 레이저 장치가 고정 상태일 때 얻어진 전압 신호는 182 kHz의 주파수를 나타낸다.
이 때, 레이저 다바이스는 초당 180˚의 속도로 시계 방향으로 회전한 후 반시계 방향으로 회전한다.
장치가 시계 방향으로 회전하도록 구동되는 경우, 전압 신호의 주파수는 209 kHz로 증가한다. 한편, 장치가 반시계 방향으로 회전하도록 구동될 때, 전압 신호의 주파수는 161 kHz로 감소된다.
따라서, 테이퍼 영역의 제공에 의해 장치의 회전을 검출할 수 있었다.
레이저 다바이스의 테이퍼 영역의 프로파일은 도 47의 프로파일에 한정되지 않는다. 도 48에 도시된 바와 같은 테이퍼 영역(5900)으로 대체하여 사용될 수 있다. 또한, 광 도파로의 프로파일은 도 47에 도시된 바와 같은 정삼각형 대신, 이등변 삼각형, 직사각형 또는 원형일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각속도뿐 아니라 회전 물체의 회전 방향을 검출할 수 있다.

Claims (86)

  1. 동일한 도파로를 서로 반대의 주회(周回) 방향으로 전파하는 레이저 빔을 발생시키는 링 공진기형 레이저 장치를 포함하여, 상기 레이저 장치에서 전기 신호를 추출하는 자이로이고, 상기 레이저 장치의 정지 시에, 상기 레이저 빔의 발진 주파수가 서로 다르도록, 상기 도파로는 비대칭 테이퍼 영역을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자이로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은, 발진 주파수의 차가 100 Hz 이상인 것을 특징으로 하는 자이로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은, 발진 주파수의 차가 1 kHz 이상인 것을 특징으로 하는 자이로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은, 발진 주파수의 차가 10 kHz 이상인 것을 특징으로 하는 자이로.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파로는 링 형상을 지니고, 또한 상기 비대칭 테이퍼 영역을 상기 링 형상의 외측에 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자이로.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파로는 링 형상을 지니고, 또한 상기 비대칭 테이퍼 영역을 상기 링 형상의 내측에 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자이로.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테이퍼 영역은 레이저 빔의 전파 방향에 따라서 점차 광 도파로의 폭이 넓어지는 제1 테이퍼 부분과, 상기 레이저 빔의 전파 방향에 따라서 점차 광 도파로의 폭이 좁아지는 제2 테이퍼 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 테이퍼 부분과 상기 제2 테이퍼 부분은, 각각 일정 폭을 갖는 광 도파로와 이루는 각이 예각인 것을 특징으로 하는 자이로.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 자이로.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 양자 우물 구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자이로.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 기체 레이저인 것을 특징으로 하는 자이로.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 도파로 측면에 전반사면(全反射面)을 갖는 것을 특징으로 하는 자이로.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 정전류로 구동되는 것을 특징으로 하는 자이로.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 정전압으로 구동되는 것을 특징으로 하는 자이로.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호는 상기 레이저 장치의 회전에 따라 변화하는 신호인 것을 특징으로 하는 자이로.
  16. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호는 전압 신호인 것을 특징으로 하는 자이로.
  17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호는 상기 레이저 장치에 관한 전압 신호, 혹은 상기 레이저 장치를 흐르는 전류 신호, 혹은 상기 레이저 장치의 임피던스 신호인 것을 특징으로 하는 자이로.
  18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호의 변화에 의해 비트 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 자이로.
  19. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호의 주파수 변화에 의해 각속도 및 회전 방향을 검지하는 것을 특징으로 하는 자이로.
  20. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 상기 전기 신호를 추출하기 위한 전기 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로.
  21. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호는 상기 레이저 장치의 외부에 배치된 광 검출기에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 자이로.
  22. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호를 추출하여, 각속도 검지 및 회전 방향 검지를 행하는 것을 특징으로 하는 자이로.
  23. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자이로는 주파수-전압 변환 회로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자이로.
  24. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자이로는 보호 회로가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 자이로.
  25. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테이퍼 영역은 레이저 빔의 전파 방향에 수직인 면에 관하여 비대칭인 것을 특징으로 하는 자이로.
  26. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 감산 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로.
  27. 동일한 도파로를 서로 반대의 주회 방향으로 전파하는 레이저 빔을 발생시키는 링 공진기형 레이저 장치, 및 상기 레이저 장치에서 방출되는 제1 및 제2 레이저 빔의 간섭 광을 검출하는 광 검출기를 포함하는 자이로이고, 상기 레이저 장치의 정지 시에, 상기 제1 및 제2 레이저 빔의 발진 주파수가 서로 다르도록, 상기 도파로는 비대칭 테이퍼 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로.
  28. 제1항 내지 제4항 및 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 장치는, 상부 클래드층, 활성층, 하부 클래드층을 포함하여 구성되고, 또한 상기 활성층은 링 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 자이로.
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  83. 제1항 내지 제4항 및 제27항 중 어느 한 항에 기재된 자이로를 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라.
  84. 제1항 내지 제4항 및 제27항 중 어느 한 항에 기재된 자이로를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈.
  85. 제1항 내지 제4항 및 제27항 중 어느 한 항에 기재된 자이로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  86. 제1항 내지 제4항 및 제27항 중 어느 한 항에 기재된 자이로를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기.
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