CN100561127C - 使用半导体激光器的陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光陀螺仪，具备出射第1及第2激光的半导体激光器(10)，以及光检测器，光检测器配置在由所述第1和第2激光形成干涉条纹的位置。半导体激光器(10)具备有源层以及用于向有源层注入载流子的第1电极(13)及第2电极(14)。第1激光，是使在有源层内的多边形路径上环绕的激光(L1)的一部分出射的激光，第2激光，是使在上述路径上以与所述激光(L1)相逆的方向环绕的激光(L2)的一部分出射的激光。

Description

使用半导体激光器的陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种使用半导体激光器的陀螺仪(gyro)。

背景技术

在用于对旋转物体的角速度进行检测的陀螺仪中，光陀螺仪具有精度高的特征。在光陀螺仪中，利用沿环状光路以相互逆向方向行进的2束激光的频率差来检测角速度。作为这样的陀螺仪，提案了使用惰性气体激光器的光陀螺仪(例如，参照特开平11-351881号公报)。在这些光陀螺仪中，通过取出沿相同路径以相互逆向方向环绕的激光来形成干涉条纹。图16表示这些光陀螺仪的一般结构。图16的光陀螺仪中，干涉条纹由以下的式(1)表述。

[数1]

$I=I_0[1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ϵ\χ}}{\mathrm{\λ}}\right)+2\mathrm{\π\Δ\ωt}+\mathrm{\φ}]\·\·\·\left(1\right)$

在此，I₀是激光的光强度、λ是激光的波长。另外，ε是图16所示的角度，χ是图16所示的X方向的坐标。Δω是陀螺仪旋转时的顺时钟旋转模式和逆时钟旋转模式的频率差，t是时刻。Δω与陀螺仪的旋转角速度Ω成比例关系。也就是说，Δω＝4AΩ/(Lλ)。在此，A是环形形状围成的面积，L是光程长度。φ表示2束激光的初始位相差。在该陀螺仪中，通过对干涉条纹的移动速度及移动方向进行检测，来检测出陀螺仪的旋转速度及旋转方向。但是，使用惰性气体激光器的光陀螺仪，存在驱动需要高电压而使消耗功率大这样的问题以及装置大不耐热这样的问题。

作为解决这样的问题的陀螺仪，提出了使用具备环状(三角环状或四角环状)波导的半导体环形激光器的陀螺仪(例如，参照特开2000-230831号公报)。该陀螺仪使用的半导体激光器具备大致固定幅宽的环状波导。因而，通过将沿该环状波导以相互逆向方向环绕的2束激光取出到外部，而检测其干涉条纹。但是，利用细波导约束的激光，由于出射到波导外部时被较大地扩散，从而实际上难以高精度检测出干涉条纹。由此，在使用半导体激光器的陀螺仪中，一般而言，有根据半导体激光器的2个电极间的电压变化来检测出与2束激光的频率差对应的拍频(beat frequency)的陀螺仪(例如，参照特开平4-174317号公报)、或利用从谐振腔的端面渗出的倏逝光来检测拍频的陀螺仪(例如，参照特开2000-121367号公报)。

但是，在检测拍频的陀螺仪中需要用于检测旋转方向的特殊装置。

发明内容

鉴于这样的现状，本发明的目的之一在于提供一种半导体激光陀螺仪，其通过使用新颖结构的半导体激光器，能够比使用半导体激光器的以往陀螺仪，更高精度地、简单地检测旋转。

本发明人发现通过特殊结构的半导体激光器能够激发特殊激光。在该半导体激光器中，使激发起在菱形路径以相互逆向方向行进的2束激光。该2束激光分别在高准直状态下从半导体激光器出射到外部，形成清晰的干涉条纹。本发明是基于该新发现的发明。

本发明的半导体激光陀螺仪(或半导体激光陀螺仪元件)，是具备出射第1及第2激光的半导体激光器，以及光检测器的半导体激光陀螺仪，所述光检测器配置在由所述第1及第2激光形成干涉条纹的位置，所述半导体激光器具备有源层和用于向有源层注入载流子的第1及第2电极，所述第1激光是使在所述有源层内的多边形路径上环绕的激光(L1)的一部分出射的激光，所述第2激光是使在上述路径上以与所述激光(L1)的相逆的方向环绕的激光(L2)的一部分出射的激光。

根据本发明，能够以高精度实现小型化半导体激光陀螺仪。在本发明的陀螺仪中，利用特殊结构的半导体激光器，而使该半导体激光器在高准直的状态下出射2束激光，这2束激光在环状光路上以相互逆向方向行进。另外，在该半导体激光器中，出射端面中的激光劣化小。由此，通过这2束激光形成清晰的干涉条纹，从而能够以高精度检测出旋转速度(角速度)。另外，根据本发明的陀螺仪，通过利用2个以上的受光元件来观测干涉条纹的移动，从而能够简单计算出旋转速度及旋转方向。在这些检测中，由于能够运用与使用惰性气体滤光器的以往的光陀螺仪所利用的电路类似的电路，从而使本发明的陀螺仪易于应用到各种机器中。

附图说明

图1是示意性地表示用于本发明的半导体激光陀螺仪的半导体激光器的一例的立体图。

图2是示意性地表示图1所示的半导体激光器的剖面图。

图3是示意性地表示图1所示的半导体激光器的有源层的平面形状的图。

图4是对图1所示的半导体激光器的功能进行说明的图。

图5是示意性地表示图1所示的半导体激光器的半导体层的带隙轮廓图(profile)。

图6是示意性地表示图1所示的半导体激光器的有源层附近的折射率的图。

图7是示意性地表示第1电极的一例的俯视图。

图8是表示从图1所示的半导体激光器出射的激光的光强度的、角度依赖性的图。

图9是表示由从图1所示的半导体激光器出射的2束激光形成的干涉条纹的图。

图10A是示意性地表示本发明的半导体激光陀螺仪的一例的整体的立体图，图10B是图10A的主要部分的立体图。

图11A是示意性地表示本发明的半导体激光陀螺仪的另一例的整体的立体图，图11B是图11A的重要部分的立体图。

图12A是示意性地表示本发明的半导体激光陀螺仪的其他另一例的全体的立体图，图12B是图12A的重要部分的立体图。

图13是表示图12所示的半导体激光陀螺仪中的激光光路的示意图。

图14A是示意性地表示本发明的半导体激光陀螺仪的其他另一例的整体的立体图，图14B是图14A的重要部分的立体图。

图15是示意性地表示本发明的半导体激光陀螺仪所使用的半导体激光器的制造工序的一例的立体图。

图16是示意性地表示现有的光陀螺仪的结构。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。另外，以下说明的半导体激光陀螺仪(半导体激光陀螺仪装置)是本发明的一例，但本发明不限定于以下的说明。另外，在以下的说明中，有时对相同部分赋予同一符号而省略重复说明。

本发明的半导体激光陀螺仪，具备使第1及第2激光出射的半导体激光器和光检测器。光检测器配置在由第1及第2激光形成干涉条纹的位置。半导体激光器具备有源层和用于向有源层注入载流子的第1及第2电极。第1激光是在有源层内的多边形路径上环绕的激光(L1)的一部分所出射的激光，第2激光是在上述路径上以逆着激光(L1)的方向环绕的激光(L2)的一部分所出射的激光。

有源层的平面形状是按照所述多边形路径的角部位于外缘部的方式将所述多边形内括的形状。若电流注入到有源层就会发光，该光不仅由有源层的端面反射而且产生感应发射(induced emission)。因而，根据有源层的平面形状而激发起在特定路径上稳定环绕的激光(L1及L2)。也就是说，有源层作为谐振腔(resonator)(谐振腔)而起作用。作为谐振腔起作用的有源层的端面按照产生的光在规定形状的路径上环绕的方式形成。例如，当激发在菱形路径上环绕的激光时，在有源层上在分别对应于路径(假想的菱形)的四个角部的位置形成端面(侧面)。通常，有源层及按照夹持该有源层的方式配置的包覆层是均匀层，从而不形成与所述路径对应的一定幅宽的波导。能使多边形路径的形状随着有源层形状而变化。多边形路径的有效形状为菱形，但也可以是其他的四角形或三角形。

(半导体激光器)

首先，对用于本发明的陀螺仪上的半导体激光器进行说明。

半导体激光器的有源层优选其平面形状不是环状(多角环状)。由于约束在以环状方式形成的细波导内的激光在出射时扩散，从而不能形成清晰的干涉条纹。由此，有源层的平面形状实质上优选为非环状。这时，在有源层内注入载流子，就能够获得将在二维方向延伸的有源层作为谐振腔的特定模式的激光，具体而言能够获得在有源层内环绕的激光。从这样的有源层出射的激光被较好准直，能够将该激光光强度的半值宽度置为10°以下(例如5°以下)。还有，即使在有源层的中央附近形成贯通孔的情况下，只要是实质上非环状的有源层、即只要是没有以环状方式形成大致一定幅宽的波导的有源层即可。还有，在本说明书中，所谓“平面形状”是指图3所示的形状即与半导体层层叠方向垂直的方向的形状。

在使用激光在三角环状或四角环状的路径上环绕的现有的半导体激光器的陀螺仪中，谐振腔(有源层)的平面形状，是对应于激光的路径的三角环状或四角环状的形状。相对于此，本发明有源层的平面形状并非是多角环状，而以包括激光路径的方式在二维方向延伸。

作为优选，所述多边形的路径是菱形路径，有源层具有形成在对应于所述菱形路径的第1～第4角部的位置的第1～第4端面。也就是，菱形路径的第1～第4角部分别位于第1～第4端面上。这时，通过将载流子注入到有源层，可激发在菱形上环绕的激光。也就是，激光(L1)是在所述菱形路径上环绕的激光，激光(L2)是在所述菱形路径上以与激光(L1)相逆的方向环绕的激光。

从第1及第2电极中选择的至少1个电极和构成半导体激光器的半导体层，优选沿所述菱形路径(多边形路径)而接触。从而，电流介由接触的区域被注入。根据这样的结构，能够在有源层中所述菱形路径部分注入载流子，由此，容易激发在菱形路径上环绕的2束激光(L1及L2)。在典型的一例中，所述至少1个电极按照实质对应于菱形路径(多边形路径)的方式与半导体层接触。在这些情况下，也可以至少1个电极和半导体层环状地接触。还有，在本说明书中，所谓“按照实质对应于菱形路径的方式”，除完全对应于菱形路径的情况外，包括对应于菱形路径的50％以上(优选70％以上，更优选90％以上)的情况。还有，所谓“环状地接触”是指只要接触的区域实质上形成环即可，也可以不是完全连续的环。另外，对应于菱形路径的所述区域的面积，相对有源层的平面形状的面积，通常为50％以下，例如30％以下。

从第1及第2电极中选择的至少1个电极，也可以包括注入产生增益的电流的第1部分、和注入比第1部分少的电流的第2部分。在第1部分中注入激光振荡必须的电流。在第2部分通过按照不产生增益的方式注入弱电流，能够使行进到菱形光路以外的方向激光衰减。

所述菱形路径的相面对的第1及第2角部的内角，优选比第3及第4角部的内角角度小，从而第1及第2激光皆从形成在对应于第1角部位置的第1端面出射。更具体而言，第1及第2激光优选从作为谐振腔起作用的有源层的长边方向的一方端面出射。连结第1角部和第2角部的对角线与第1及第2激光光束，是非平行的。

有源层优选满足激光(L1)及激光(L2)在第3及第4端面上进行全反射的条件。虽然第1～第4端面作为反射镜面起作用，但通过使激光在第3及第4端面上全反射能够使激光振荡的阈值降低。为了使激光在第3及第4端面上全反射，只要将第3及第4端面和入射到这两端面的激光(L1及L2)所形成的角度设定为一定以下的角度即可。全反射所需的角度可根据激光的波长和有源层的折射率简单地推导出。有源层的端面和激光形成的角度可以通过改变菱形路径的形状即改变有源层的平面形状来进行调节。虽然因激光的波长或有源层的材质而所优选的形状不同，但是可以将第1角部和第2角部的距离(菱形长对角线的长度)与连接第3角部和第4角部的距离(菱形短对角线的长度)之比例如设在600∶190～600∶30的范围内。虽然第1端面是反射镜面，但通常不进行反射镜涂膜处理以使在有源层内环绕的激光的一部分出射到外部。还有，也可以对第1端面进行使激光易于出射到外部的处理。另外，第2角部中的有源层的端面优选进行反射镜涂膜处理。

有源层的第1端面优选为曲面。特别是，第1及第2端面分别优选为向外侧凸出的曲面。根据这样的结构，不仅能够使在菱形路径上环绕的激光稳定地产生，并且能够使第1及第2激光从第1端面稳定地出射。向外侧凸出的2个曲面，分别优选为，与在连结菱形路径的第1及第2角部的对角线上具有中心的假想的圆柱的一部分相同的曲面。还有，也可将从第1及第2端面中选择的至少1个端面设为平面或向内侧凸出的曲面。

所述圆柱的半径，也就是所述第1端面的曲率半径R1及第2端面的曲率半径R2皆优选为第1角部和第2角部间的距离L以上。根据这样的结构，能够稳定地激发在菱形光路上环绕的激光(L1及L2)。R1及R2的上限没有特别进行限定，但例如为距离L的2倍以下。

有源层优选包括：包括菱形路径的第1区域和邻接于第1区域的第2区域。这时，第1区域的平面形状优选大致长方形状，更具体而言优选是将长方形的短边向外侧凸出的曲面的形状。在该结构中，激发出将第1区域作为谐振腔而在菱形光路上行进的激光。另外，根据该结构，能够通过第2区域使在菱形路径以外的方向行进的激光衰减。

由所述第1区域和第2区域构成的有源层的平面形状优选为大致H字形状(更具体而言，是将H横向地拉伸的形状)(参照图3)。这时，在第1区域上，邻接4个第2区域。在此，优选为，在与连结第1角部和第2角部的对角线相平行的方向上的第2区域的长度Ls(μm)、和第1角部和第2角部的距离L(μm)满足：L/4＜Ls。另外，与连结第3角部和第4角部的对角线相平行的方向上的第2区域的长度Ws(参照图3)，位于例如连结第3角部和第4角部的距离W的1～3倍的范围内。

构成本发明的半导体激光器的半导体及层叠结构不做特别限定，可根据所利用的激光波长等进行选择。激光(L1及L2)的波长不做特别限定，但波长短的激光能以高精度检测出旋转的角速度。优选波长为1550nm以下，特别优选900nm以下。作为半导体层材料的一例，例如可举出III-V族化合物半导体。

以下，对本发明使用的半导体激光器的一优选例进行说明。图1表示半导体激光器的一例的立体图，图2表示图1线I-I中的剖面图。还有，本发明的说明中使用的附图是示意性地的附图，为了便于理解对各部分的比例尺进行变更。

图1的半导体激光器10具备：基板11、形成在基板11上的半导体层20、形成在半导体层20上的绝缘层12及第1电极13、形成在基板11的背面侧的整个面上的第2电极14。

参照图2，半导体层20包括：从基板11侧顺次层叠的缓冲层21、缓冲层22、渐变层(graded layer)23、包覆层24、渐变层25、有源层26、渐变层27、包覆层28及保护层29。在保护层29上形成有图案化的绝缘层12。在绝缘层12上形成有第1电极13。由于绝缘层12上形成有贯通孔，从而第1电极13及保护层29在形成贯通孔的区域31接触。

图3及图4表示从上方观察半导体激光器10的有源层26时的平面形状。图4中第1电极13和半导体层20(保护层29)接触的区域31的部分用斜线表示。还有，半导体层20具有与有源层26相同的平面形状。

参照图3，有源层26是形成呈包括菱形路径32的薄片状的薄膜。路径32的第1～第4角部32a～32d中的第1及第2角部32a及32b比第3及第4角部32c及32d角度小。有源层26具有以包括角部32a～32d的方式配置的第1～第4端面(反射镜面)26a～26d。第1及第2端面26a及26b是向外侧凸出的曲面。第3及第4端面26c及26d是平坦的平面。

有源层26具备第1区域26f和与第1区域邻接的4个第2区域26s。第1区域26f的平面形状是将长方形的短边置为向外侧凸出的曲面的形状。路径32形成在第1区域26f内。由第1区域26f和第2区域26s构成的有源层26为大致H字母状的形状(更具体而言是将H字母横向地拉伸的形状)。

参照图4，第1电极13和保护层29接触的区域31形成呈大致菱形以便对应于路径32。区域31没有完全对应于路径32是因为在绝缘层12上形成贯通孔时制造工序上存在限制。虽然按照公知方法可将区域31以完全对应于路径32的方式形成为菱形，但制造工序变得复杂。

若在第1电极13和第2电极14间施加电压而使载流子注入有源层26，则在有源层26中就发光。该光被渐变层及包覆层约束而主要在有源层26内移动。在这些光中，在路径32上行进的光不仅由端面26a～26d反射并且产生感应发射。由此，产生将路径32作为光路环绕的激光L1。同样地，产生将路径32作为光路以与激光L1相逆的方向环绕的激光L2。从而，激光L1及L2中的一部分从第1端面26a的第1角部32a出射，成为第1及第2激光35及36(参照图4)。

为了将激光L1及L2的损失减少，对端面26b利用电介质多层薄膜进行反射镜涂膜处理。第1角部32a和第2角部32b间的距离L(参照图3)是600μm，第3角部32c和第4角部32d间的距离W是60μm。在半导体激光器10中，激光(L1及L2)在端面26c及26d上全反射。

4个第2区域26s，为了抑制由在第1区域26f内产生的激光在端面26c及26d上多次反射而产生的模式，而形成。在半导体激光器10中，平行于连结第1角部32a和第2角部32b的对角线32ab方向上的第2区域26s的长度Ls(参照图3)是160μm。另一方面，由于L/4是150μm满足L/4＜Ls，因此尤其可抑制所述模式。另外，连结第3角部32c和第4角部32d的对角线32cd方向上的第2区域26s的长度是70μm。

端面26a及26b的形状分别是圆柱的曲面的一部分形状。具体而言，是与在对角线32ab上以垂直于有源层26的表面的方向配置有中心轴的圆柱的曲面的一部分相同的形状。该圆柱的半径即端面26a的曲率半径R1(参照图3)是600μm，端面26b的曲率半径R2(未图示)也同样是600μm。半导体激光器10是相对于对角线32ab及对角线32cd线对称的形状，端面26b是相对于连结第3角部32c和第4角部32d的对角线32cd，与端面26a线对称的形状。但是，本发明的半导体激光器并不一定是线对称形状，例如，端面26b也可以是曲率与端面26a不同的曲面，也可以是平面，也可以是向内侧凸出的曲面。

关于基板11、半导体层20、绝缘层12、第1电极13及第2电极14的材料及膜厚，表示在表1中。在表1中，关于一部分的半导体层，也表示了能带隙Eg、多数载流子及其浓度。

[表1]

层	组成	厚度[μm]	Eg[eV]	多数载流子及其浓度[cm<sup>-3</sup>]
					第1电极13	AuPtTi	0.60.050.07	-	-
绝缘层12	Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>或SiO<sub>2</sub>	0.4	-	-
					保护层29	掺杂Be的P型GaAs	0.2	1.41	空穴：1×10<sup>19</sup>
包覆层28	掺杂Be的P型Al<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>As	1.5	2.0	空穴：10<sup>18</sup>量级
					渐变层27	掺杂Be的P型Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As	0.202
有源层26	未掺杂的GaAs	0.01
					渐变层25	掺杂Si的N型Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As	0.202
包覆层24	掺杂Si的N型Al<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>As	1.5	2.0	电子：10<sup>18</sup>量级
					渐变层23	掺杂Si的N型Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As	0.2		电子：10<sup>18</sup>量级
缓冲层22	掺杂Si的N型Al<sub>0.2</sub>Ga<sub>0.8</sub>As	1.0	1.7	电子：1×10<sup>18</sup>
					缓冲层21	掺杂Si的N型GaAs	0.2	1.41	电子：3×10<sup>18</sup>
基板11	单结晶N型GaAs
					第2电极14	NiGeAu	0.020.10.5	-	-

还有，构成第1电极13及第2电极14的各层也可以通过热处理而合金化。另外，表1所示的结构是一例而根据半导体激光器所要求的特性可进行适当变更。

缓冲层21、22及渐变层23，是为了获得品质高的III-V族化合物半导体结晶，而形成的。

渐变层23的铝的组成比X从缓冲层22向着包覆层24侧慢慢增加。具体而言，组成比X在与缓冲层22的界面中是0.5，在与有源层26的界面中是0.2。

在渐变层25中，作为掺杂物的Si的浓度从包覆层24侧向着有源层26侧慢慢增加。具体而言，在与包覆层24的界面中是大约1×10¹⁸cm^-3，在与有源层26的界面中是大约1×10¹⁷cm^-3。另外，渐变层25的Al组成比X也按照从包覆层24侧向着有源层26侧以抛物线状方式减少。具体而言，组成比X在与包覆层24的界面中是0.5，在与有源层26的界面中是0.2。

在渐变层27中，作为掺杂物的Be的浓度从有源层26侧向着包覆层28侧慢慢增加。具体而言，在与有源层26的界面中是大约1×10¹⁷cm^-3，在与包覆层28的界面中是大约1×10¹⁸cm^-3。另外，渐变层27的Al组成比X也按照从有源层26侧向着包覆层28侧以抛物线状方式增加。具体而言，组成比X在与有源层26的界面中是0.2，在与包覆层28的界面中是0.5。

图5示意性地表示半导体层20的带隙轮廓图。渐变层25的带隙从包覆层24向着有源层26侧以抛物线状方式从2.0eV减少到1.7eV。渐变层27的能带隙从有源层26向着包覆层28侧以抛物线状方式从1.7eV增加到2.0eV。

半导体激光器10是所谓的单量子阱激光器，从而由两电极注入的载流子被约束在有源层26内而以低阈值电流使激光振荡开始。还有，有源层26也可以是多量子阱等其他的形态。

图6示意性地表示包覆层24-包覆层28为止的折射率变化。包覆层24、渐变层25、渐变层27及包覆层28，为了使光约束在有源层26内，而由折射率比有源层26低的材料构成。由于有源层26的折射率最高，从而由有源层26产生的光主要被约束在有源层26内。

还有，半导体激光器10的第1电极13，也可以包括注入产生增益的电流的第1部分、和注入比第1部分少的电流的第2部分。在图7中示出了这种电极和半导体层20(保护层29)接触的区域的形状、与有源层26的平面形状、以及与路径32的关系。还有，在图7中，将第1部分与保护层29接触的区域31a、和第2部分与保护层29接触的区域31b，附上阴影而进行表示。区域31a形成在对应于路径32一边的位置，区域31b形成在对应于其他三边的位置。这样的电极能够通过改变绝缘层12的形状而容易地形成。

在半导体激光器10中，若注入的电流超过阈值电流就开始单模振荡。因而，随着注入的电流从阈值电流进一步增加，振荡模式就按照单模、双模(twin mode)、锁模(locking mode)这样的顺序进行变化。在单模中，如图4所示那样使第1及第2激光35及36出射。在双模中，使2束激光周期性地交替地出射。在锁模中，仅将2束激光中的1束激光出射。因而，在本发明中，通常使半导体激光器10以单模方式运作。具体而言，例如在第1电极13和第2电极14间只要通过流动200mA的电流而使激光振荡即可。还有，在本发明的陀螺仪中，也可以利用通过注入的电流而使振荡模式变更来赋予特别的功能。

将半导体激光器10以单模方式振荡时的激光光强度的角度依赖性在距离第1端面26a大约300mm的距离上进行测量的结果表示在图8中。如图8所示，在离开0°方向(对角线32ab的方向)角度大致相等的方向上，出射强度大致相等的2束激光。2束激光的波长是862nm。另外，2束激光的强度半值宽度是4.2°。另外，2束激光与对角线32ab的方向形成的角度分别大约为19.2°。这样，半导体激光器10在相对于对角线32ab对称的方向上强度大致相等，并且出射高准直的2束激光。通常认为对角线32ab和第1激光(或第2激光)形成的角度θ由以下的式(2)表述。

[数2]

$\mathrm{\θ}=\±{\sin }^{-1}\left(\frac{W\·n_{\mathrm{eff}}}{\sqrt{L^2+W^2}}\right)\·\·\·\left(2\right)$

L及W分别是图3所示的长度，L＝600μm、W＝60μm。另外，n_eff是使光约束的包覆层24～包覆层28的有效折射率，在半导体激光器10中大约是3.3。如果利用这些值来计算θ，则θ＝19.2°与实际结果相一致。根据上述式子，通过变化有源层的折射率或L和W之比，能够可知第1及第2激光35及36的出射角度。

由于从半导体激光器10出射的2束激光在端面26a的附近叠加，从而在端面26a附近产生规则的干涉条纹(余弦波)。图9表示在端面26a附近测量的干涉条纹。

(半导体激光陀螺仪)

本发明的陀螺仪具备配置在由第1及第2激光光束形成干涉条纹的位置的光检测器。光检测器只要是能检测出干涉条纹的移动的部件即可，并不做特别的限定，通常使用光电二极管或光电晶体管这样的半导体受光元件。光检测器输出对应于干涉条纹光量的强弱的信号。若干涉条纹移动则输入到光检测器中的光量就周期性地变化，因此能够计算出干涉条纹的移动速度。

光检测器也可以是具备多个受光元件的双通道光检测器。通过将2个以上的受光元件配置在于涉条纹的移动方向上，除干涉条纹的移动速度外能够检测出干涉条纹的移动方向。通过检测出干涉条纹的移动速度和移动方向，能够计算出半导体激光陀螺仪的旋转方向和旋转速度。

在本发明的陀螺仪中，所述半导体激光器和光检测器(受光元件)也可以以单体化(monolithic)方式形成。这时，半导体激光器和光检测器(例如光电二极管)也可以具有相同的层叠结构。在这样的结构中，能够将半导体激光器和光检测器在制造半导体元件的一连工序中同时形成。由此，不仅制造容易，而且能够将半导体激光器和光检测器在正确的配置中形成。

本发明的陀螺仪也可以进一步具备透镜。这时，光检测器配置在由透过透镜的第1及第2激光形成干涉条纹的位置。半导体激光器的半导体层和透镜也可以具有相同的层叠构造。这时的透镜，例如是平面形状为半圆状的透镜，作为透镜起作用的部分由与半导体激光器的有源层相同的半导体构成。由此，入射到透镜的光由半导体构成的透镜吸收而衰减。为了抑制这样的衰减，也可以使电流在构成透镜的层叠的半导体层中流动。为了使电流流动，例如，只要将包括电极的半导体激光器和透镜设为完全相同的层叠结构即可。优选为流动的电流优选比产生激光振荡的电流少。通过使电流流动能够抑制透镜引起的光的衰减。另外，为了抑制透镜引起的光的衰减，也可以利用激光吸收少的材料例如氧化硅等来形成透镜。即使这样虽然制造工序增多，但是可将透镜和半导体激光器利用公知的方法以单体化方式形成。

本发明的陀螺仪也可以进一步具备棱镜。这时，光检测器配置在由透过棱镜的第1及第2激光形成干涉条纹的位置。通过使用规定形状的棱镜，能够增大形成的干涉条纹的周期长度，从而能够更正确地测量干涉条纹的移动。

在半导体激光陀螺仪具备棱镜的情况下，也可以将半导体激光器和棱镜形成为单体。另外，也可以将半导体激光器和棱镜和光检测器形成为单体。根据这样的结构，能够将各元件按照规定的位置及形状高精度地形成。并且此时，也可以使半导体激光器的半导体层和棱镜具有相同的层叠结构。另外，也可以使半导体激光器的半导体层、光检测器(例如光电二极管)的半导体层、和棱镜具有相同的层叠结构。根据这样的结构，能够利用制造半导体激光器的一系列的工序来形成光检测器及/棱镜。

还有，在将棱镜的层叠结构形成为与半导体激光器的半导体层相同的层叠结构时，从半导体激光器出射的激光入射到由半导体构成的棱镜中而衰减。为了抑制这样的衰减，也可以使电流在构成棱镜的层叠的半导体层中流动。为了使电流流动，例如，只要包括电极地将半导体激光器和棱镜设为完全相同的层叠结构即可。流动的电流优选比产生激光振荡的电流少。通过使电流流动能够抑制棱镜引起的光的衰减。另外，为了抑制棱镜引起的光的衰减，也可以利用激光吸收少的材料例如氧化硅等来形成棱镜。即使这样，虽然制造工序增多，但是可将棱镜和半导体激光器利用公知的方法形成为单体。

参照图4，对利用萨尼亚克效应(Sagnac Effect)的本发明的半导体激光陀螺仪的原理进行简单的说明。如果半导体激光器10旋转，则激光L1和激光L2在路径32的光路上环绕一周所要时间产生变化。由于光速度恒定，如果半导体激光器10旋转，则激光L1和激光L2间产生频率差，从而干涉条纹以对应于该频率差的速度移动。干涉条纹的移动方向随着半导体激光器10的旋转方向而变化。由此，通过测量干涉条纹的移动速度，能够计算出半导体激光器10的旋转速度(角速度)，并且能够通过检测出干涉条纹的移动方向来检测出半导体激光器的旋转方向。更具体而言，能够计算出平行于有源层26的表面的面内的旋转方向和旋转速度。如上述那样，这样的光陀螺仪的原理是公知原理，一直用于使用惰性气体激光器的光陀螺仪。因而，本发明的半导体激光陀螺仪，能够利用公知的驱动电路进行驱动，从而由陀螺仪获得的信息能够利用公知的方法进行处理。还有，通过将3个本发明的半导体激光陀螺仪进行组合，可计算出全方向的旋转方向和旋转速度。

以下，举例对本发明的半导体激光陀螺仪进行说明。还有，在以下的实施方式中，示出了第1电极13是图7所示电极的情况，但第1电极13也可以是图1及图4所示的电极。

(实施方式1)

在实施方式1中，对半导体激光器和光检测器形成为单体的半导体激光陀螺仪的一例进行说明。图10A表示实施方式1的陀螺仪101的立体图。另外，图10B是将半导体激光陀螺仪101的半导体激光器10及光检测器113(受光元件113a及113b)形成为一整体的基板11的立体图。另外，在图10A中，表示将盖子111的一部分切断而使内部露出的状态(以下的附图中也同样)。

参照图10A，陀螺仪101的主要部分通过盖子111及管座(stem)112进行封装(所谓CAN封装)。陀螺仪101具备管座112及配置在管座112上的基板11。半导体激光器10和受光元件113a及113b共有基板11而形成为单体。管座112由5根电极114支撑。5根电极中的4根分别与半导体激光器10的第1电极13的第1部分13a、第2部分13b、受光元件113a及受光元件113b连接。5根电极中剩余的1根是与所述4根电极成对的接地电极。还有，电极114的连接方法仅是一例，本发明并非限定于此。虽然对圆形管座112的直径没有限定，但可以将直径设为由规格确定的尺寸，例如5.6mm。

受光元件113a及113b是光电二极管，具有与半导体激光器10相同的层叠结构。受光元件113a及113b可利用形成半导体激光器10的制造工序与半导体激光器10一并形成。

受光元件113a及113b，为了检测出图9所示那样的干涉条纹的移动方向及移动速度，而与激光出射的第1端面26a近接地配置。还有，为了高精度地检测出干涉条纹的移动速度，考虑干涉条纹的周期长度或光检测器的受光敏感度而确定光检测器的受光区域的尺寸。通常，受光区域的尺寸优选设定为干涉条纹的周期长度的大约五分之一以下。

实施方式1的半导体激光陀螺仪101，具有不需棱镜或透镜等光学元件的优点。另一方面，为了获得半导体激光陀螺仪101，需要形成微细的受光元件113a及113b。

(实施方式2)

在实施方式2中，对具备透镜的半导体激光陀螺仪的一例进行说明。图11A表示实施方式2的陀螺仪102的立体图。另外，图11B表示陀螺仪102所使用的半导体激光器10的立体图。

陀螺仪102具备：半导体激光器10、球面透镜115和光检测器116。光检测器116是具备2个受光元件的双通道光检测器。陀螺仪102具备5根电极114。电极114与陀螺仪101同样地进行连接。

球面透镜115按照其焦点位于激光的出射部(端面26a)附近的方式进行配置。另外，光检测器116配置在从端面26a离开一定距离(例如数厘米)的位置。因而，陀螺仪102的一例的尺寸是大致3cm×2cm×1cm。

从端面26a出射的2束激光通过球面透镜115成为大致平行的光，由此进行叠加而产生干涉条纹。由于通过使用球面透镜115能使干涉条纹的周期长度增大，从而在陀螺仪中，能够正确地测量干涉条纹的移动。

还有，球面透镜115并非限定于球状，也可以是薄膜等其他的形状。例如，也可以利用平面形状为半圆状的薄膜状透镜。这时，透镜也可以以单体化方式形成在基板11上。作为透镜的材料，能够利用SiO₂等的透明材料，但也可以利用半导体。例如，半导体激光器的半导体层和透镜也可以具有相同的层叠结构。

(实施方式3)

在实施方式3中，对半导体激光器和棱镜形成为单体的半导体激光陀螺仪的一例进行说明。图12A表示实施方式3的陀螺仪103的立体图。另外，图12B表示形成有半导体激光器10及棱镜117的基板11的立体图。

陀螺仪103具备：管座112、配置在管座112上的半导体激光器10和双通道光检测器116、以及形成在基板11上的棱镜117。棱镜117具有与半导体激光器10的半导体层20相同的层叠结构，与半导体激光器10形成为一单体。由此，棱镜117能同时在形成半导体层20时形成。

图13示意性地表示陀螺仪103中的2束激光的光路。从半导体激光器10出射的2束激光，由棱镜117叠加从而产生干涉条纹。干涉条纹的移动通过光检测器116的2个受光元件116a及116b进行观测。干涉条纹以对应于陀螺仪103的旋转速度的速度沿箭头方向移动。干涉条纹的移动方向随着陀螺仪103的旋转方向而变化。

棱镜117的形状，根据入射的2束激光的角度或间隔、及与光检测器16的距离等的条件而进行确定。为了将干涉条纹的周期长度增大，将棱镜117的作为剖面形状的三角形的最大的角优选为仅大于90°(0.5π弧度)。如果将该角的角度设为(0.5π+ε)，则ε优选为0.5弧度以下。

(实施方式4)

在实施方式4中，对半导体激光器和棱镜和光检测器形成为单体的半导体激光陀螺仪的一例进行说明。图14A表示实施方式4的陀螺仪104的立体图，图14B表示主要部分的立体图。

半导体激光器10、棱镜117和光检测器113(受光元件113a及113b)在基板11上以整体化方式形成。在陀螺仪104中，利用在与图13相同的光路上行进的2束激光形成干涉条纹。

半导体激光器10的半导体层20、受光元件113a及113b的半导体层和棱镜117具有相同层叠结构。由于这些能够在形成半导体层20的过程中同时形成，所以制造较为容易。另外，由于这些能够利用半导体工序形成，从而能够按照正确位置及形状来形成。还有，也可仅使棱镜117利用其他的材料例如SiO₂等来形成。

(半导体激光陀螺仪的制造方法)

对本发明的陀螺仪使用的半导体激光器的制造方法没有限定，能够利用公知的半导体制造技术来制造。另外，本发明的陀螺仪能够通过利用公知技术将半导体激光器和其他的部件进行组装而容易地进行制造。以下，对制造半导体激光器10的方法的一例进行说明。

图15(a)～(h)示意性地表示制造工序。还有，在图15(a)～(h)中，为了易于理解绝缘层12的形成状态，从而将绝缘层12的表面赋予阴影。

首先，如图15(a)所示，在基板11上形成由多个半导体层构成的半导体层20a和厚度0.4μm的绝缘层12a。半导体层20a是通过蚀刻而成为半导体层20(参照图2及表1)的层。构成半导体层20a的各层能够利用一般的方法例如MBE(Molecular Beam Epitaxy)法或CVD(Chemical VaporDeposition)法来形成。绝缘层12a例如由Si₃N₄或SiO₂构成。绝缘层12a能够利用溅射法或CVD法这样的方法来形成。

接着，如图15(b)所示，在绝缘层12a上形成图案化的抗蚀膜151。抗蚀膜151以图3所示的有源层26的形状进行图案化。

接着，如图15(c)所示，将抗蚀膜151作为掩模，在将绝缘层12a和半导体层20a和基板11的一部分进行蚀刻后，除去抗蚀膜151。蚀刻利用RIE(Reactive Ion Etching)法进行，至少蚀刻到包覆层24的深度位置。通过蚀刻形成规定形状的绝缘层12及半导体层20。蚀刻在半导体层20的侧面的垂直性和平滑性增高的条件下进行。这样的条件一般在半导体制造工序中采用。通过蚀刻，使构成半导体层20的全部半导体层的平面形状与图3所示的有源层26的平面形状相同。另外，半导体层20的侧面作为反射面镜起作用。

接着，如图15(d)所示，按照对应于区域31(参照图2及图4)的方式在绝缘层12上形成大致菱形的贯通孔12h。贯通孔12h能够通过一般的光刻蚀刻工序来形成。

接着，如图15(e)所示，以将基板11的表面全体覆盖的方式形成抗蚀膜152。这时，为了将基板11的表面和绝缘层12的表面间的台阶填埋，抗蚀膜152优选由抗蚀层152a及抗蚀层152b这2层构成。抗蚀膜152能够在将抗蚀层152a涂布在基板11的表面全体并填埋台阶后，通过涂布抗蚀层152b来形成。通过该方法，能够形成表面平坦性高的抗蚀膜152。

接着，如图15(f)所示，使抗蚀膜152图案化而在抗蚀膜152上形成贯通孔152h。贯通孔152h形成为与形成第1电极13的区域对应的形状。形成贯通孔152h后，为了在半导体层20(保护层29)和第1电极13间获得良好的接触，将贯通孔152h内的半导体层20(保护层29)的表面进行大致0.01μm～0.02μm的蚀刻。

接着，如图15(g)所示，形成第1电极13。第1电极13能够利用lift-off方法来形成。具体而言，首先，将抗蚀膜152作为掩模，将构成第1电极13的多金属层利用电子束法顺次成膜。然后，将抗蚀膜152利用丙酮除去。这样，能够形成规定形状的第1电极13。第1电极13介由形成在绝缘层12的贯通孔12h与半导体层20(保护层29)接触。

在利用1块基板11(晶片)形成多个半导体激光器的情况下，为了使基板11易于劈开(cleavage)，优选对基板11的背面进行研磨以使基板11的厚度为100～150μm。

接着，如图15(h)所示，在基板11的背面侧利用蒸镀法顺次形成多金属层来形成第2电极14。然后，为了将构成第1电极13及第2电极14的金属层合金化，在400～450℃下进行热处理。最后，根据需要，针对每个半导体激光器将基板11劈开。

这样，形成了半导体激光器10。还有，在将具有与半导体激光器10相同层叠结构的光电二极管以单体化方式形成的情况下，只要按照形成半导体激光器的部分与形成光电二极管的部分相对应的方式，使抗蚀膜151及152图案化即可。同样地，在形成具有与半导体激光器的半导体层相同的层叠结构的棱镜的情况下，只要按照形成半导体激光器的部分与形成棱镜的部分相对应的方式使抗蚀膜151图案化即可。

另外，在基板11上也可以形成除光检测器及棱镜外的、其他的光学元件或电子零件。例如，也可以形成用于驱动半导体激光器的驱动电路，或用于对从光检测器输出的信号进行处理的电路。另外，在本发明的半导体激光陀螺仪中也可以进一步适用现有陀螺仪使用的公知技术。

产业上的可利用性

本发明的半导体激光陀螺仪能够适用于需要对物体旋转进行检测的各种机器中。作为代表示例，能够利用在姿势控制装置或导航装置、振动修正(shake correction)装置中。具体而言，本发明的陀螺仪能够利用在火箭或飞机等的航空器、汽车或摩托车这样的移动设施中。另外，本发明的陀螺仪产生了超小型化且易于操作的优点，能够用于移动电话机或小型个人计算机这样的移动信息终端、玩具及照相机等中。

Claims (21)

1、一种半导体激光陀螺仪，具备：出射第1和第2激光的半导体激光器，以及光检测器，其中

所述光检测器配置在由所述第1和第2激光形成干涉条纹的位置，

所述半导体激光器具备有源层和用于向所述有源层注入载流子的第1及第2电极，

所述第1激光，是使在所述有源层内、在多边形路径上环绕的第1环绕激光(L1)的一部分出射的激光，

所述第2激光，是使在所述路径上以与所述第1环绕激光(L1)相逆的方向环绕的第2环绕激光(L2)的一部分出射的激光，所述多边形路径是菱形路径，所述有源层，具有形成在与所述菱形路径的第1～第4角部相对应的位置的第1～第4端面，

所述菱形路径的、相面对的、所述第1和第2角部的内角与所述第3和第4角部的内角相比，角度较小，

所述第1及第2激光一同从形成在与所述第1角部相对应的位置的所述第1端面出射。

2、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述有源层的平面形状不是环状。

3、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

从所述第1及第2电极中选择的至少1个电极和构成所述半导体激光器的半导体层，沿所述菱形路径而接触。

4、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

连结所述第1角部和所述第2角部的对角线，与所述第1和第2激光光束不平行。

5、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述有源层，满足所述第1环绕激光(L1)和所述第2环绕激光(L2)在所述第3和第4端面进行全反射的条件。

6、根据权利要求3所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述第1和第2端面分别为向外侧凸出的曲面。

7、根据权利要求6所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述有源层，包括：包含所述菱形路径的第1区域，以及邻接于所述第1区域的第2区域，

所述第1区域的平面形状，是让长方形的短边成为向外侧凸出的曲线的形状。

8、根据权利要求7所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

由所述第1区域和所述第2区域所构成的所述有源层的平面形状是大致H字状。

9、根据权利要求8所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

与连结所述第1角部和所述第2角部的对角线相平行的方向上的所述第2区域的长度Ls(μm)，与所述第1角部和所述第2角部的距离L(μm)，满足：L/4＜Ls。

10、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述光检测器，具备多个受光元件。

11、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器和所述光检测器，形成为单体。

12、根据权利要求11所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器和所述光检测器，具有相同的层叠结构。

13、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

还具备有透镜，

所述光检测器，配置在由透过所述透镜的所述第1和第2激光形成干涉条纹的位置。

14、根据权利要求13所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器和所述透镜，形成为单体。

15、根据权利要求14所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器的半导体层和所述透镜，具有相同的层叠结构。

16、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

还具备有棱镜，

所述光检测器配置在由透过所述棱镜的所述第1及第2激光形成干涉条纹的位置。

17、根据权利要求16所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器和所述棱镜，形成为单体。

18、根据权利要求17所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器的半导体层和所述棱镜，具有相同的层叠结构。

19、根据权利要求16所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器和所述棱镜以及所述光检测器，形成为单体。

20、根据权利要求19所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器的半导体层和所述棱镜以及所述光检测器的半导体层，具有相同层叠结构。

21、根据权利要求1所述的半导体激光陀螺仪，其特征在于，

所述半导体激光器，含有以夹着所述有源层的方式而被配置的两个包覆层，

所述包覆层，各自具有与所述有源层的平面形状相同的平面形状。

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