JP2006108641A - Semiconductor laser and semiconductor laser gyro using same - Google Patents

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均 清水
Nobuo Saito
信雄 斎藤
Takahisa Harayama
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser with a new structure suited for a semiconductor laser gyro, and to provide a semiconductor laser gyro capable of detecting rotations more accurately and simply than conventional gyros using the semiconductor laser by using the semiconductor laser. <P>SOLUTION: A semiconductor laser is capable of emitting a first and second laser beams, and is provided with an active layer 24 and a first and second electrodes for injecting carriers to the active layer 24. The first laser beam 35 is a part of the emitted beam (L1) rounding on a polygonal path in the active layer 24. The second laser beam 36 is a part of the emitted beam (L2) rounding on the path in the reverse direction of the laser beam (L1). The active layer 24 includes at least one layer of semiconductor layer (A). The semiconductor layer (A) comprises a plurality of quantum dots comprising a first semiconductor, and a cover layer comprising a second semiconductor different from the first semiconductor and formed in such a manner as to cover the quantum dots. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体レーザおよびそれを用いた半導体レーザジャイロに関する。   The present invention relates to a semiconductor laser and a semiconductor laser gyro using the same.

回転する物体の角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。光ジャイロでは、環状の光路を互いに逆方向に進む2つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出を行う。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている(たとえば特許文献1参照)。これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。これらの光ジャイロの一般的な構成を図17に示す。図17の光ジャイロにおいて、干渉縞は、以下の式(1)で表される。   Among the gyros for detecting the angular velocity of the rotating object, the optical gyro has a feature of high accuracy. In the optical gyro, the angular velocity is detected using a frequency difference between two laser beams traveling in opposite directions along an annular optical path. As such an optical gyro, an optical gyro using a rare gas laser has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In these optical gyros, laser beams that circulate in the opposite directions on the same path are extracted to form interference fringes. A general configuration of these optical gyros is shown in FIG. In the optical gyro of FIG. 17, the interference fringes are expressed by the following formula (1).

Figure 2006108641
Figure 2006108641

ここで、I0はレーザ光の光強度であり、λはレーザ光の波長である。また、εは図17に示す角度であり、χは図17に示すX方向の座標である。Δωは、ジャイロが回転したときの時計回りのモードと反時計回りのモードとの周波数差であり、tは時刻である。Δωはジャイロの回転の角速度Ωと比例関係にある。すなわち、Δω=4AΩ/(Lλ)である。ここで、Aはリング形状の囲む面積であり、Lは光路長である。φは、2つのレーザ光の初期の位相差を示す。このジャイロでは、干渉縞の移動速度および移動方向を検出することによって、ジャイロの回転速度および回転方向が検出される。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。 Here, I 0 is the light intensity of the laser light, and λ is the wavelength of the laser light. Further, ε is an angle shown in FIG. 17, and χ is a coordinate in the X direction shown in FIG. Δω is a frequency difference between a clockwise mode and a counterclockwise mode when the gyro is rotated, and t is a time. Δω is proportional to the angular velocity Ω of the gyro rotation. That is, Δω = 4 AΩ / (Lλ). Here, A is an area surrounded by a ring shape, and L is an optical path length. φ indicates the initial phase difference between the two laser beams. In this gyro, the rotational speed and direction of the gyro are detected by detecting the movement speed and direction of the interference fringes. However, an optical gyro using a rare gas laser has a problem that a high voltage is required for driving and power consumption is large, and a problem that the apparatus is large and weak against heat.

このような課題を解決するジャイロとして、環状(たとえば四角環状)の導波路を備える半導体リングレーザを用いたジャイロが提案されている(たとえば特許文献2参照)。このジャイロで用いられている半導体レーザは、ほぼ一定の幅の環状の導波路を備える。そして、その環状の導波路を互いに反対方向に周回する2つのレーザ光を外部に取り出して、その干渉縞を検出する。しかしながら、細い導波路を用いて閉じこめられたレーザ光は、導波路の外部に出射する際に大きく広がってしまうため、実際に干渉縞を精度よく検出することは困難である。そのため、半導体レーザを用いるジャイロでは、半導体レーザの2つの電極間の電圧変化から、2つのレーザ光の周波数差に対応するビート周波数を検出するジャイロ(たとえば特許文献3参照)や、共振器の端面からしみだしたエバネッセント光を用いてビート周波数を検出するジャイロ(たとえば特許文献4参照)が一般的である。
特開平11−351881号公報 特開2000−230831号公報 特開平4−174317号公報 特開2000−121367号公報
As a gyro for solving such a problem, a gyro using a semiconductor ring laser having an annular (for example, a square annular) waveguide has been proposed (see, for example, Patent Document 2). The semiconductor laser used in this gyro has an annular waveguide having a substantially constant width. Then, two laser beams that circulate in the opposite directions in the annular waveguide are extracted to detect the interference fringes. However, since the laser beam confined using a thin waveguide spreads greatly when emitted to the outside of the waveguide, it is difficult to actually detect the interference fringes with high accuracy. Therefore, in a gyro using a semiconductor laser, a gyro for detecting a beat frequency corresponding to a frequency difference between two laser beams from a voltage change between two electrodes of the semiconductor laser (see, for example, Patent Document 3), or an end face of a resonator A gyro (see, for example, Patent Document 4) that detects beat frequency using evanescent light that oozes out is generally used.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-351881 JP 2000-230831 A JP-A-4-174317 JP 2000-121367 A

しかしながら、ビート周波数を検出するジャイロでは、回転方向の検出に特別な装置が必要となる。また、従来の半導体レーザは発熱が大きいため、安定に連続発振させるには、ペルチェ素子などで冷却することが必要となる。   However, a gyro that detects the beat frequency requires a special device for detecting the rotational direction. Further, since the conventional semiconductor laser generates a large amount of heat, it is necessary to cool it with a Peltier element or the like in order to stably oscillate continuously.

このような状況に鑑み、本発明は、半導体レーザジャイロに適した新規な構造の半導体レーザを提供することを目的の1つとする。また、本発明は、半導体レーザを用いた従来のジャイロよりも精度よく簡単に回転を検出できる半導体レーザジャイロを提供することを目的の1つとする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser having a novel structure suitable for a semiconductor laser gyro. Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser gyro capable of detecting rotation more accurately and easily than a conventional gyro using a semiconductor laser.

本発明者らは、特別な構造の半導体レーザによって特別なレーザ光を励起できることを見出した。この半導体レーザでは、菱形の経路を互いに逆方向に進む2つのレーザ光が励起される。この2つのレーザ光は、それぞれよくコリメートされた状態で半導体レーザから外部に出射され、明瞭な干渉縞を形成する。本発明は、この新たな知見に基づくものである。さらに、本発明の半導体レーザでは、活性層に量子ドットを適用して発熱を抑制している。   The present inventors have found that a special laser beam can be excited by a semiconductor laser having a special structure. In this semiconductor laser, two laser beams traveling in opposite directions along the rhombus path are excited. These two laser beams are emitted from the semiconductor laser to the outside in a well-collimated state, and form clear interference fringes. The present invention is based on this new knowledge. Furthermore, in the semiconductor laser of the present invention, the quantum dots are applied to the active layer to suppress heat generation.

本発明の半導体レーザは、第1および第2のレーザ光を出射可能な半導体レーザであって、基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第1および第2の電極とを備え、前記第1のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光(L1)の一部が出射されたレーザ光であり、前記第2のレーザ光は、前記経路上を前記レーザ光(L1)とは逆の方向に周回するレーザ光(L2)の一部が出射されたレーザ光であり、前記活性層は、少なくとも1層の半導体層(A)を含み、前記半導体層(A)は、第1の半導体からなる複数の量子ドットと、前記第1の半導体とは異なる第2の半導体からなり前記量子ドットを覆うように形成されたカバー層とを含む。   The semiconductor laser of the present invention is a semiconductor laser capable of emitting first and second laser beams, and includes a substrate, an active layer formed on the substrate, and a first for injecting carriers into the active layer. The first laser beam is a laser beam from which a part of the laser beam (L1) that circulates on a polygonal path in the active layer is emitted; The laser beam 2 is a laser beam emitted from a part of the laser beam (L2) that circulates in the direction opposite to the laser beam (L1) on the path, and the active layer includes at least one layer. The semiconductor layer (A) includes a plurality of quantum dots made of a first semiconductor and a second semiconductor different from the first semiconductor and is formed so as to cover the quantum dots. Cover layer.

また、本発明の半導体レーザジャイロは、第1および第2のレーザ光を出射する半導体レーザと光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、前記光検出器は、前記第1および第2のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置されており、前記半導体レーザが、上記本発明の半導体レーザである。   The semiconductor laser gyro of the present invention is a semiconductor laser gyro comprising a semiconductor laser that emits first and second laser beams and a photodetector, and the photodetector includes the first and second lasers. The semiconductor laser is disposed at a position where interference fringes are formed by laser light, and the semiconductor laser is the semiconductor laser of the present invention.

本発明によれば、閾値電流が低く半導体レーザジャイロに適した半導体レーザが得られる。この半導体レーザからは、環状の光路を互いに逆方向に進行する2つのレーザ光が、よくコリメートされた状態で出射される。また、この半導体レーザでは、出射端面におけるレーザ光の劣化が小さい。そのため、本発明の半導体レーザを用いた本発明の半導体レーザジャイロでは、2つのレーザ光によって明瞭な干渉縞が形成され、精度よく回転速度(角速度)を検出できる。また、本発明の半導体レーザは、活性層に量子ドットを適用しているため、発熱が少ない。そのため、本発明の半導体レーザジャイロは、ペルチェ素子などで冷却しなくても連続発振させることが可能である。また、本発明の半導体レーザは素子の熱膨張が少なく光路長が一定であるため、周波数変動のない安定したレーザ光が得られる。   According to the present invention, a semiconductor laser having a low threshold current and suitable for a semiconductor laser gyro can be obtained. From this semiconductor laser, two laser beams traveling in opposite directions along an annular optical path are emitted in a well-collimated state. Further, in this semiconductor laser, the deterioration of the laser beam at the emission end face is small. Therefore, in the semiconductor laser gyro of the present invention using the semiconductor laser of the present invention, clear interference fringes are formed by the two laser beams, and the rotational speed (angular speed) can be detected with high accuracy. In addition, the semiconductor laser of the present invention generates less heat because quantum dots are applied to the active layer. Therefore, the semiconductor laser gyro of the present invention can continuously oscillate without being cooled by a Peltier element or the like. In addition, since the semiconductor laser of the present invention has a small thermal expansion of the element and a constant optical path length, stable laser light without frequency fluctuation can be obtained.

また、本発明のジャイロによれば、2つ以上の受光素子で干渉縞の移動を観測することによって、回転速度および回転方向を簡単に算出できる。これらの検出には、希ガスレーザを用いた従来の光ジャイロで用いられている回路と類似の回路を適用できるため、本発明のジャイロは様々な機器への応用が容易である。   Further, according to the gyro of the present invention, the rotation speed and the rotation direction can be easily calculated by observing the movement of the interference fringes with two or more light receiving elements. For these detections, a circuit similar to a circuit used in a conventional optical gyro using a rare gas laser can be applied. Therefore, the gyro of the present invention can be easily applied to various devices.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する半導体レーザおよび半導体レーザジャイロ(半導体レーザジャイロ素子)は本発明の一例であり、本発明は以下の説明に限定されない。また、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. A semiconductor laser and a semiconductor laser gyro (semiconductor laser gyro element) described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following description. Moreover, in the following description, the same code | symbol may be attached | subjected to the same part and the overlapping description may be abbreviate | omitted.

本発明の半導体レーザは、第1および第2のレーザ光を出射可能な半導体レーザであって、基板と、基板上に形成された活性層と、活性層にキャリアを注入するための第1および第2の電極とを備える。第1のレーザ光は、活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光(L1)の一部が出射されたレーザ光であり、第2のレーザ光は、上記経路上をレーザ光(L1)とは逆の方向に周回するレーザ光(L2)の一部が出射されたレーザ光である。活性層は、少なくとも1層の半導体層(A)を含み、その半導体層(A)は、第1の半導体からなる複数の量子ドットと、第1の半導体とは異なる第2の半導体からなり量子ドットを覆うように形成されたカバー層とを含む。   The semiconductor laser of the present invention is a semiconductor laser capable of emitting first and second laser beams, and includes a substrate, an active layer formed on the substrate, and first and second carriers for injecting carriers into the active layer. A second electrode. The first laser beam is a laser beam emitted from a part of the laser beam (L1) that circulates on the polygonal path in the active layer, and the second laser beam is a laser beam ( L1) is a laser beam emitted from a part of the laser beam (L2) that circulates in the opposite direction. The active layer includes at least one semiconductor layer (A), and the semiconductor layer (A) includes a plurality of quantum dots made of a first semiconductor and a quantum made of a second semiconductor different from the first semiconductor. And a cover layer formed to cover the dots.

活性層の平面形状は、上記多角形の経路の角部が外縁部に位置するように上記多角形を内包する形状である。活性層に電流が注入されると光が発生するが、この光は、活性層の端面で反射されるとともに誘導放出を生じさせる。そして、活性層の平面形状に応じて、特定の経路を安定に周回するレーザ光(L1およびL2)が励起される。すなわち、活性層は共振器(キャビティー)として機能する。共振器として機能する活性層の端面は、発生した光が所定の形状の経路を周回するように形成される。たとえば、菱形の経路を周回するレーザ光を励起する場合、活性層には、経路(仮想の菱形)の4つの角部のそれぞれに対応する位置に端面(側面)が形成される。活性層を挟むように配置されるクラッド層は、通常、均一な層であり、上記経路に対応するような一定の幅の導波路は形成されていない。多角形の経路の形状は、活性層の形状によって変化させることができる。多角形の経路の好ましい形状は菱形であるが、他の四角形や三角形であってもよい。   The planar shape of the active layer is a shape that encloses the polygon so that the corner of the polygonal path is located at the outer edge. When current is injected into the active layer, light is generated. This light is reflected by the end face of the active layer and causes stimulated emission. Then, laser light (L1 and L2) that circulates a specific path stably is excited according to the planar shape of the active layer. That is, the active layer functions as a resonator (cavity). The end face of the active layer that functions as a resonator is formed so that the generated light circulates in a predetermined path. For example, when exciting laser light that circulates a rhombus path, end faces (side surfaces) are formed in the active layer at positions corresponding to the four corners of the path (virtual rhombus). The clad layer disposed so as to sandwich the active layer is usually a uniform layer, and a waveguide having a certain width corresponding to the above path is not formed. The shape of the polygonal path can be changed according to the shape of the active layer. A preferable shape of the polygonal path is a rhombus, but may be another quadrangle or a triangle.

(半導体レーザ)
まず、本発明の半導体レーザについて説明する。
(Semiconductor laser)
First, the semiconductor laser of the present invention will be described.

活性層に配置される量子ドットは、第1の半導体からなる微小粒子である。この量子ドットの平均サイズは、通常、直径が10nm〜100nm、高さが2nm〜20nm程度の範囲にある。活性層は、量子ドットを含む半導体層と障壁層とのセットを1〜50セット(たとえば2〜10セット)積層した構造を有することが好ましい。活性層は、量子ドットを含む半導体層を10〜20層含んでもよい。   The quantum dots arranged in the active layer are fine particles made of the first semiconductor. The average size of the quantum dots is usually in the range of 10 nm to 100 nm in diameter and 2 nm to 20 nm in height. The active layer preferably has a structure in which 1 to 50 sets (for example, 2 to 10 sets) of a set of a semiconductor layer including quantum dots and a barrier layer are stacked. The active layer may include 10 to 20 semiconductor layers including quantum dots.

量子ドットの自己形成を容易にするため、量子ドットを形成する第1の半導体と基板との間の格子不整合量(歪み量)は、下地層(その上に量子ドットが形成される層)と基板との間の格子不整合量よりも大きいことが好ましい。たとえば、基板および下地層がGaAsの場合には、第1の半導体としてInAsやInGaAsが適用できる。量子ドットをカバーするカバー層と基板との間の格子不整合量は、第1の半導体と基板との間の格子不整合量よりも小さいことが好ましい。   In order to facilitate the self-formation of quantum dots, the amount of lattice mismatch (distortion) between the first semiconductor forming the quantum dots and the substrate is the underlying layer (the layer on which the quantum dots are formed) It is preferable that the amount of lattice mismatch between the substrate and the substrate is larger. For example, when the substrate and the underlayer are GaAs, InAs or InGaAs can be applied as the first semiconductor. The amount of lattice mismatch between the cover layer covering the quantum dots and the substrate is preferably smaller than the amount of lattice mismatch between the first semiconductor and the substrate.

通常、量子ドットを形成する第1の半導体のバンドギャップは、カバー層を形成する第2の半導体のバンドギャップよりも小さい。   Usually, the band gap of the first semiconductor forming the quantum dots is smaller than the band gap of the second semiconductor forming the cover layer.

本発明の半導体レーザでは、第1の半導体がInとAsとを含むIII−V族化合物半導体であり、前記第2の半導体がGaとAsとSbとを含むIII−V族化合物半導体であることが好ましい。たとえば、第1の半導体としてInAsやInGaAsを用い、第2の半導体としてInGaAsSbを用いることができる。カバー層にSbを添加することによって、カバー層の表面の平坦性を向上させることができ、その上に形成される半導体層の結晶性を向上できる。   In the semiconductor laser of the present invention, the first semiconductor is a III-V group compound semiconductor containing In and As, and the second semiconductor is a III-V group compound semiconductor containing Ga, As, and Sb. Is preferred. For example, InAs or InGaAs can be used as the first semiconductor, and InGaAsSb can be used as the second semiconductor. By adding Sb to the cover layer, the surface flatness of the cover layer can be improved, and the crystallinity of the semiconductor layer formed thereon can be improved.

第2の半導体のV族元素に占めるSbの割合は、0.2原子%〜10原子%(より好ましくは1原子%〜5原子%)の範囲にあることが好ましい。Sbの割合を0.2原子%〜10原子%の範囲とすることによって、平坦効果を得ることができる。一方、Sbの割合が10原子%を超えると、転位が形成され、結晶性を悪化させる場合がある。   The proportion of Sb in the V-group element of the second semiconductor is preferably in the range of 0.2 atomic% to 10 atomic% (more preferably 1 atomic% to 5 atomic%). By setting the ratio of Sb in the range of 0.2 atomic% to 10 atomic%, a flat effect can be obtained. On the other hand, when the proportion of Sb exceeds 10 atomic%, dislocations are formed and crystallinity may be deteriorated.

本発明の半導体レーザは、半導体層(A)に隣接するように半導体層(A)の基板側に形成された半導体層(B)を含んでもよい。半導体層(B)はSbを含むIII−V族化合物半導体からなる。半導体層(B)は、たとえば、GaAsSbやInGaAsSbである。半導体層(B)のSbの含有率は、量子ドットを構成する第1の半導体のSbの含有率よりも高い。量子ドットは、半導体層(B)上に成長する。Sbの含有率が高い半導体層(B)上で量子ドットを成長させることによって、連続発振させやすい半導体レーザが得られる。   The semiconductor laser of the present invention may include a semiconductor layer (B) formed on the substrate side of the semiconductor layer (A) so as to be adjacent to the semiconductor layer (A). The semiconductor layer (B) is made of a III-V group compound semiconductor containing Sb. The semiconductor layer (B) is, for example, GaAsSb or InGaAsSb. The Sb content of the semiconductor layer (B) is higher than the Sb content of the first semiconductor constituting the quantum dots. The quantum dots grow on the semiconductor layer (B). By growing quantum dots on the semiconductor layer (B) having a high Sb content, a semiconductor laser that is easily oscillated can be obtained.

半導体層(B)を構成するIII−V族化合物半導体において、V族元素に占めるSbの割合は、0.2原子%〜100原子%(より好ましくは1原子%〜10原子%)の範囲にあることが好ましい。   In the group III-V compound semiconductor constituting the semiconductor layer (B), the proportion of Sb in the group V element is in the range of 0.2 atomic% to 100 atomic% (more preferably 1 atomic% to 10 atomic%). Preferably there is.

本発明の半導体レーザは、半導体層(A)と半導体層(B)との間に配置された、厚さが20原子層以内の半導体層(C)を含んでもよい。半導体層(C)は、GaとAsとを含むIII−V族化合物半導体からなり、たとえばGaAsである。   The semiconductor laser of the present invention may include a semiconductor layer (C) having a thickness of 20 atomic layers or less, disposed between the semiconductor layer (A) and the semiconductor layer (B). The semiconductor layer (C) is made of a III-V group compound semiconductor containing Ga and As, for example, GaAs.

本発明の半導体レーザは、通常、半導体層(A)に隣接するように半導体層(A)上に形成された半導体層(D)を含んでもよい。半導体層(D)のバンドギャップは、第2の半導体のバンドギャップよりも大きい。半導体層(D)は、障壁層として機能する。半導体層(D)は、複数の層で構成されてもよい。   The semiconductor laser of the present invention may usually include a semiconductor layer (D) formed on the semiconductor layer (A) so as to be adjacent to the semiconductor layer (A). The band gap of the semiconductor layer (D) is larger than the band gap of the second semiconductor. The semiconductor layer (D) functions as a barrier layer. The semiconductor layer (D) may be composed of a plurality of layers.

半導体層(D)の少なくとも1部は、ドーピングされていてもよく、p型ドーピングされていてもよい。障壁層にp型変調ドープを行うことによって、量子ドットの価電子帯側の基底準位にホールが充分供給されるので、量子ドットレーザが基底準位発振しやすくなる。つまり、低しきい値発振可能となる。半導体層(D)にp型変調ドープを行う場合、そのドーピング濃度は、1×1017〜5×1019cm-2の範囲であることが好ましい。 At least a part of the semiconductor layer (D) may be doped or p-type doped. By performing p-type modulation doping on the barrier layer, sufficient holes are supplied to the ground level on the valence band side of the quantum dot, so that the quantum dot laser easily oscillates at the ground level. That is, low threshold oscillation is possible. When p-type modulation doping is performed on the semiconductor layer (D), the doping concentration is preferably in the range of 1 × 10 17 to 5 × 10 19 cm −2 .

半導体レーザの活性層は、その平面形状が環状でないことが好ましい。環状に形成された細い導波路内に閉じこめられたレーザ光は、出射される際に広がるため、明瞭な干渉縞が形成されない。そのため、活性層の平面形状は実質的に環状(たとえば多角環状)でないことが好ましい。この場合、活性層内にキャリアを注入し、2次元方向に広がる活性層を共振器とする特定のモードのレーザ光、具体的には活性層内を周回するレーザ光を得ることができる。このような活性層から出射されるレーザ光は、よくコリメートされており、そのレーザ光強度の半値幅を10°以下(たとえば5°以下)とすることが可能である。なお、活性層の中央付近に貫通孔が形成されている場合でも、実質的に環状でない活性層、すなわちほぼ一定の幅の導波路が環状に形成されていない活性層であればよい。なお、この明細書において、「平面形状」とは、図3に示される形状、すなわち、半導体層の積層方向と垂直な方向の形状を意味する。   The active layer of the semiconductor laser preferably has a planar shape that is not annular. Since the laser light confined in the narrow waveguide formed in an annular shape spreads when emitted, clear interference fringes are not formed. For this reason, the planar shape of the active layer is preferably not substantially annular (for example, polygonal annular). In this case, carriers can be injected into the active layer, and a laser beam in a specific mode using the active layer spreading in the two-dimensional direction as a resonator, specifically, a laser beam circulating in the active layer can be obtained. Laser light emitted from such an active layer is well collimated, and the half-value width of the laser light intensity can be set to 10 ° or less (for example, 5 ° or less). Even when the through hole is formed near the center of the active layer, it may be an active layer that is not substantially annular, that is, an active layer in which a waveguide having a substantially constant width is not formed in an annular shape. In this specification, the “planar shape” means a shape shown in FIG. 3, that is, a shape perpendicular to the stacking direction of the semiconductor layers.

上記多角形の経路は菱形の経路であり、活性層は、上記菱形の経路の第1から第4の角部に対応する位置に形成された第1から第4の端面を有することが好ましい。すなわち、第1から第4の端面上には、それぞれ、菱形の経路の第1から第4の角部が位置する。この場合、活性層にキャリアを注入することによって、菱形上を周回するレーザ光が励起される。すなわち、レーザ光(L1)は、上記菱形の経路上を周回するレーザ光であり、レーザ光(L2)は、上記菱形の経路上をレーザ光(L1)とは逆の方向に周回するレーザ光である。   The polygonal path is a rhombus path, and the active layer preferably has first to fourth end faces formed at positions corresponding to the first to fourth corners of the rhombus path. That is, the first to fourth corners of the rhombic path are located on the first to fourth end faces, respectively. In this case, by injecting carriers into the active layer, laser light that circulates on the rhombus is excited. That is, the laser beam (L1) is a laser beam that circulates on the rhombus path, and the laser beam (L2) is a laser beam that circulates on the rhombus path in a direction opposite to the laser beam (L1). It is.

第1および第2の電極から選ばれる少なくとも1つの電極と半導体レーザを構成する半導体層とが、上記菱形の経路(多角形の経路)に沿って接触することが好ましい。電流は、接触している領域を介して注入される。この構成によれば、活性層のうち上記菱形の経路の部分にキャリアを注入でき、菱形の経路上を周回する2つのレーザ光(L1およびL2)が容易に励起される。典型的な一例では、上記少なくとも1つの電極が、菱形の経路(多角形の経路)に実質的に対応するように半導体層と接触する。これらの場合、上記少なくとも1つの電極と半導体層とが環状に接触していてもよい。なお、この明細書において、「菱形の経路に実質的に対応するように」とは、菱形の経路に完全に対応する場合に加えて、菱形の経路の50%以上(好ましくは、70%以上でより好ましくは90%以上)に対応する場合を含む。また、「環状に接触」とは、接触している領域が実質的に環を形成していればよく、完全に連続した環でなくともよいことを意味している。また、菱形の経路に対応する上記領域の面積は、活性層の平面形状の面積に対して通常50%以下であり、たとえば30%以下である。   It is preferable that at least one electrode selected from the first and second electrodes and the semiconductor layer constituting the semiconductor laser are in contact with each other along the rhombic path (polygonal path). Current is injected through the contact area. According to this configuration, carriers can be injected into the rhomboid path portion of the active layer, and two laser beams (L1 and L2) that circulate on the rhombus path are easily excited. In a typical example, the at least one electrode contacts the semiconductor layer so as to substantially correspond to a diamond-shaped path (polygonal path). In these cases, the at least one electrode and the semiconductor layer may be in annular contact. In this specification, the phrase “so as to substantially correspond to the rhombus route” means 50% or more (preferably 70% or more) of the rhombus route in addition to the case of completely corresponding to the rhombus route. And more preferably 90% or more). Further, “in contact with the ring” means that the contacted region may substantially form a ring and does not have to be a completely continuous ring. In addition, the area of the region corresponding to the rhombus path is usually 50% or less, for example, 30% or less, with respect to the area of the planar shape of the active layer.

第1および第2の電極から選ばれる少なくとも1つの電極は、利得が発生する電流を注入する第1の部分と、第1の部分よりも少ない電流を注入する第2の部分とを含んでもよい。第1の部分ではレーザ発振に必要な電流が注入される。第2の部分には、利得が発生しないように弱い電流を注入することによって、菱形の光路以外の方向に進行するレーザ光を減衰させることができる。   At least one electrode selected from the first and second electrodes may include a first portion that injects a current that generates a gain, and a second portion that injects less current than the first portion. . In the first part, a current necessary for laser oscillation is injected. By injecting a weak current into the second portion so as not to generate a gain, the laser light traveling in a direction other than the rhombus optical path can be attenuated.

上記菱形の経路の対向する第1および第2の角部の内角は、第3および第4の角部の内角よりも角度が小さく、第1および第2のレーザ光はともに第1の角部に対応する位置に形成された第1の端面から出射されることが好ましい。より具体的には、第1および第2のレーザ光は、キャビティーとして機能する活性層の長手方向の一方端から出射されることが好ましい。第1の角部と第2の角部とを結ぶ対角線と、第1および第2のレーザとは非平行である。   The interior angles of the first and second corners facing each other in the rhombus path are smaller than the interior angles of the third and fourth corners, and both the first and second laser beams are the first corners. It is preferable that the light is emitted from the first end face formed at a position corresponding to. More specifically, the first and second laser beams are preferably emitted from one end in the longitudinal direction of the active layer functioning as a cavity. The diagonal line connecting the first corner and the second corner is not parallel to the first and second lasers.

活性層は、レーザ光(L1)およびレーザ光(L2)が第3および第4の端面において全反射する条件を満たすことが好ましい。第1から第4の端面はミラー面として機能するが、第3および第4の端面でレーザ光を全反射させることによって、レーザ発振の閾値を下げることができる。第3および第4の端面においてレーザ光を全反射させるためには、第3および第4の端面と、それに入射するレーザ光(L1およびL2)とがなす角度を、一定以下の角度とすればよい。全反射に必要な角度は、レーザ光の波長と活性層の屈折率とから簡単に導かれる。活性層の端面とレーザ光とがなす角度は、菱形の経路の形状を変化させることによって、すなわち、活性層の平面形状を変化させることによって調節できる。レーザ光の波長や活性層の材質によって好ましい形状は異なるが、第1の角部と第2の角部との距離(菱形の長い方の対角線の長さ)と、第3の角部と第4の角部とを結ぶ距離(菱形の短い方の対角線の長さ)との比は、たとえば、600:190〜600:30の範囲とされる。第1の端面はミラー面ではあるが、活性層内を周回するレーザ光の一部が外部に出射されるように、通常、ミラーコート処理などは行わない。なお、第1の端面には、レーザ光が外部に出射しやすいような処理をしてもよい。また、第2の角部における活性層の端面は、ミラーコート処理がされていることが好ましい。   The active layer preferably satisfies the condition that the laser beam (L1) and the laser beam (L2) are totally reflected at the third and fourth end faces. Although the first to fourth end surfaces function as mirror surfaces, the laser oscillation threshold can be lowered by totally reflecting the laser light at the third and fourth end surfaces. In order to totally reflect the laser light on the third and fourth end faces, the angle formed by the third and fourth end faces and the laser light (L1 and L2) incident thereon is set to an angle equal to or less than a certain angle. Good. The angle required for total reflection is easily derived from the wavelength of the laser light and the refractive index of the active layer. The angle formed by the end face of the active layer and the laser beam can be adjusted by changing the shape of the rhombic path, that is, by changing the planar shape of the active layer. The preferred shape varies depending on the wavelength of the laser light and the material of the active layer, but the distance between the first corner and the second corner (the length of the longer diagonal of the rhombus), the third corner and the second corner The ratio of the distance connecting the four corners (the length of the shorter diagonal of the rhombus) is, for example, in the range of 600: 190 to 600: 30. Although the first end surface is a mirror surface, mirror coating treatment or the like is usually not performed so that a part of the laser light circulating in the active layer is emitted to the outside. Note that the first end face may be processed so that the laser light is easily emitted to the outside. Moreover, it is preferable that the end surface of the active layer in the second corner is mirror coated.

活性層の第1の端面は、曲面であることが好ましい。特に、第1および第2の端面は、それぞれ、外側に凸の曲面であることが好ましい。この構成によれば、菱形の経路を周回するレーザ光を安定に発生させることができるとともに、第1および第2のレーザ光を第1の端面から安定に出射できる。外側に凸の2つの曲面は、それぞれ、菱形の経路の第1および第2の角部を結ぶ対角線上に中心を有する円柱の一部であることが好ましい。なお、第1および第2の端面から選ばれる少なくとも1つを平面または内側に凸の曲面とすることも可能である。   The first end surface of the active layer is preferably a curved surface. In particular, it is preferable that each of the first and second end surfaces is an outwardly convex curved surface. According to this configuration, it is possible to stably generate the laser light that goes around the rhombus path, and to stably emit the first and second laser lights from the first end face. Each of the two outwardly convex curved surfaces is preferably a part of a cylinder having a center on a diagonal line connecting the first and second corners of the rhombus path. Note that at least one selected from the first and second end faces may be a flat surface or a curved surface convex inward.

上述した円柱の半径、すなわち、上記第1の端面の曲率半径R1および第2の端面の曲率半径R2は共に、第1の角部と第2の角部との間の距離L以上であってもよい。この構成によれば、菱形の光路を周回するレーザ光(L1およびL2)を安定に励起できる。R1およびR2の上限は特に限定はないが、たとえば距離Lの2倍以下である。   The radius of the cylinder, that is, the radius of curvature R1 of the first end face and the radius of curvature R2 of the second end face are both equal to or greater than the distance L between the first corner and the second corner. Also good. According to this configuration, it is possible to stably excite the laser beams (L1 and L2) that go around the rhombus optical path. The upper limit of R1 and R2 is not particularly limited, but is, for example, not more than twice the distance L.

活性層は、菱形の経路を含む第1の領域と、第1の領域に隣接する第2の領域とを含むことが好ましい。この場合、第1の領域の平面形状は、略長方形状であることが好ましく、より詳細には、長方形の短辺を外側に凸の曲面とした形状であることが好ましい。この構成では、第1の領域を共振器として菱形の光路を進むレーザ光が励起される。また、この構成によれば、菱形の経路以外の方向に進むレーザ光を第2の領域によって減衰させることができる。   The active layer preferably includes a first region including a rhombic path and a second region adjacent to the first region. In this case, the planar shape of the first region is preferably a substantially rectangular shape, and more specifically, a shape in which the short side of the rectangle is a curved surface convex outward. In this configuration, laser light that travels along the rhombic optical path using the first region as a resonator is excited. Further, according to this configuration, the laser light traveling in a direction other than the rhombus path can be attenuated by the second region.

上記第1の領域と第2の領域とによって構成される活性層の平面形状は略H字状(より詳細には、Hを横に伸ばした形状)であることが好ましい(図3参照)。この場合、第1の領域には、4つの第2の領域が隣接する。この場合、第1の角部と第2の角部とを結ぶ対角線に平行な方向における第2の領域の長さLs(μm)と、第1の角部と第2の角部との距離L(μm)とが、L/4<Lsを満たすことが好ましい。また、第3の角部と第4の角部とを結ぶ対角線に平行な方向における第2の領域の長さWs(図3参照)は、たとえば、第3の角部と第4の角部とを結ぶ距離Wの1〜3倍の範囲である。   The planar shape of the active layer constituted by the first region and the second region is preferably substantially H-shaped (more specifically, a shape obtained by extending H laterally) (see FIG. 3). In this case, four second regions are adjacent to the first region. In this case, the length Ls (μm) of the second region in the direction parallel to the diagonal line connecting the first corner and the second corner, and the distance between the first corner and the second corner L (μm) preferably satisfies L / 4 <Ls. Also, the length Ws (see FIG. 3) of the second region in the direction parallel to the diagonal line connecting the third corner and the fourth corner is, for example, the third corner and the fourth corner. 1 to 3 times the distance W connecting the two.

本発明の半導体レーザを構成する半導体および積層構造に特に限定はなく、利用するレーザ光の波長などに応じて選択される。本発明の半導体レーザが出射するレーザ光の波長に特に限定はないが、波長が短い方が高い精度で回転の角速度を検出できる。レーザ光の波長はたとえば300〜1700nmの範囲であり、好ましくは1550nm以下であり、特に好ましくは900nm以下である。半導体層の材料の一例としては、例えばIII−V族化合物半導体が挙げられる。   There is no particular limitation on the semiconductor and the laminated structure that constitute the semiconductor laser of the present invention, and the semiconductor laser is selected according to the wavelength of the laser beam to be used. The wavelength of the laser beam emitted from the semiconductor laser of the present invention is not particularly limited, but the shorter angular wavelength can detect the angular velocity of rotation with higher accuracy. The wavelength of the laser beam is, for example, in the range of 300 to 1700 nm, preferably 1550 nm or less, and particularly preferably 900 nm or less. An example of the material of the semiconductor layer is, for example, a III-V compound semiconductor.

以下、本発明で用いられる半導体レーザの好ましい一例について説明する。半導体レーザの一例の斜視図を図1に示し、図1の線I−Iにおける断面図を図2に示す。図2において、絶縁層12以外のハッチングは省略する。なお、本発明の説明に用いる図面は模式的なものであり、理解が容易なように各部の縮尺を変更している。   Hereinafter, a preferred example of the semiconductor laser used in the present invention will be described. A perspective view of an example of a semiconductor laser is shown in FIG. 1, and a cross-sectional view taken along line II in FIG. 1 is shown in FIG. In FIG. 2, hatching other than the insulating layer 12 is omitted. Note that the drawings used for explaining the present invention are schematic, and the scale of each part is changed for easy understanding.

図1の半導体レーザ10は、基板11と、基板11上に形成された半導体層20と、半導体層20上に形成された絶縁層12および第1の電極13と、基板11の裏面側の全面に形成された第2の電極14とを備える。   1 includes a substrate 11, a semiconductor layer 20 formed on the substrate 11, an insulating layer 12 and a first electrode 13 formed on the semiconductor layer 20, and the entire back surface of the substrate 11. And a second electrode 14 formed on the substrate.

図2を参照して、半導体層20は、基板11側から順に積層された、バッファ層21、クラッド層22、光閉じ込め層23、活性層24、光閉じ込め層25、クラッド層26およびコンタクト層27を含む。コンタクト層27の上には、パターニングされた絶縁層12が形成されている。絶縁層12上には、第1の電極13が形成されている。絶縁層12には貫通孔が形成されているため、第1の電極13とコンタクト層27とは、貫通孔が形成されている領域31で接触する。クラッド層22、光閉じ込め層23、光閉じ込め層25およびクラッド層26によって、レーザ光が活性層24内に閉じ込められる。   Referring to FIG. 2, the semiconductor layer 20 is laminated in order from the substrate 11 side, and includes a buffer layer 21, a cladding layer 22, a light confinement layer 23, an active layer 24, a light confinement layer 25, a cladding layer 26, and a contact layer 27. including. On the contact layer 27, a patterned insulating layer 12 is formed. A first electrode 13 is formed on the insulating layer 12. Since the insulating layer 12 has a through hole, the first electrode 13 and the contact layer 27 are in contact with each other in the region 31 in which the through hole is formed. Laser light is confined in the active layer 24 by the clad layer 22, the optical confinement layer 23, the optical confinement layer 25, and the clad layer 26.

半導体レーザ10の活性層24を上方から見たときの平面形状を図3および図4に示す。図4では、第1の電極13と半導体層20(コンタクト層27)とが接触している領域31を、ハッチングを付して示す。なお、半導体層20は、活性層24と同じ平面形状を有する。   3 and 4 show a planar shape when the active layer 24 of the semiconductor laser 10 is viewed from above. In FIG. 4, a region 31 where the first electrode 13 and the semiconductor layer 20 (contact layer 27) are in contact with each other is indicated by hatching. The semiconductor layer 20 has the same planar shape as the active layer 24.

図3を参照して、活性層24は、菱形の経路32を含む面状に形成された薄膜である。経路32の第1から第4の角部32a〜32dのうち、第1および第2の角部32aおよび32bは、第3および第4の角部32cおよび32dよりも角度が小さい。活性層24は、角部32a〜32dを含むように配置された第1から第4の端面(ミラー面)24a〜24dを有する。第1および第2の端面24aおよび24bは、外側に向かって凸の曲面である。第3および第4の端面24cおよび24dは、フラットな平面である。   Referring to FIG. 3, the active layer 24 is a thin film formed in a planar shape including a rhombic path 32. Of the first to fourth corners 32a to 32d of the path 32, the first and second corners 32a and 32b are smaller in angle than the third and fourth corners 32c and 32d. The active layer 24 has first to fourth end surfaces (mirror surfaces) 24a to 24d arranged so as to include corner portions 32a to 32d. The first and second end faces 24a and 24b are curved surfaces that protrude outward. The third and fourth end faces 24c and 24d are flat planes.

活性層24は、第1の領域24fと、第1の領域に隣接する4つの第2の領域24sとを備える。第1の領域24fの平面形状は、長方形の短辺を外側に凸の曲面とした形状である。経路32は、第1の領域24f内に形成される。第1の領域24fと第2の領域24sとによって構成される活性層24は、略H字状の形状(より詳しくはHの字を横に引き延ばした形状)をしている。   The active layer 24 includes a first region 24f and four second regions 24s adjacent to the first region. The planar shape of the first region 24f is a shape in which the short side of the rectangle is a curved surface protruding outward. The path 32 is formed in the first region 24f. The active layer 24 constituted by the first region 24f and the second region 24s has a substantially H-shape (more specifically, a shape obtained by horizontally extending the H-shape).

図4を参照して、第1の電極13と絶縁層12とが接触している領域31は、経路32に対応するように、略菱形に形成される。領域31が経路32に完全に対応していないのは、絶縁層12に貫通孔を形成する際に、製造工程上の制限があるためである。経路32に完全に対応するように領域31を公知の方法で菱形に形成することは可能であるが、製造工程が複雑になる。   Referring to FIG. 4, the region 31 where the first electrode 13 and the insulating layer 12 are in contact is formed in a substantially diamond shape so as to correspond to the path 32. The reason why the region 31 does not completely correspond to the path 32 is that when the through hole is formed in the insulating layer 12, there is a limitation in the manufacturing process. Although it is possible to form the region 31 in a diamond shape by a known method so as to completely correspond to the path 32, the manufacturing process becomes complicated.

第1の電極13と第2の電極14との間に電圧を印加して活性層24にキャリアを注入すると、活性層24で光が発せられる。この光は、光閉じ込め層およびクラッド層によって閉じこめられるため、活性層24内を移動する。そのような光の中で、経路32上を進行する光は、端面24a〜24dによって反射されながら誘導放出を生じる。このため、経路32を光路として周回するレーザ光L1が発生する。同様に、経路32を光路としてレーザ光L1とは反対の方向に周回するレーザ光L2が発生する。レーザ光L1およびL2のうちの一部が、第1の端面24aの第1の角部32aから出射され、第1および第2のレーザ光35および36となる(図4参照)。   When a voltage is applied between the first electrode 13 and the second electrode 14 to inject carriers into the active layer 24, light is emitted from the active layer 24. Since this light is confined by the optical confinement layer and the clad layer, it moves in the active layer 24. Among such lights, the light traveling on the path 32 causes stimulated emission while being reflected by the end faces 24a to 24d. For this reason, the laser beam L1 which goes around the path 32 as an optical path is generated. Similarly, a laser beam L2 that circulates in a direction opposite to the laser beam L1 using the path 32 as an optical path is generated. Part of the laser beams L1 and L2 is emitted from the first corner portion 32a of the first end face 24a, and becomes the first and second laser beams 35 and 36 (see FIG. 4).

レーザ光L1およびL2の損失を少なくするため、端面24bには、誘電体多層膜によるミラーコートがされている。第1の角部32aと第2の角部32bとの間の距離L(図3参照)は600μmであり、第3の角部32cと第4の角部32dとの間の距離Wは60μmである。半導体レーザ10では、端面24cおよび24dにおいて、レーザ光(L1およびL2)が全反射する。   In order to reduce the loss of the laser beams L1 and L2, the end surface 24b is mirror-coated with a dielectric multilayer film. The distance L (see FIG. 3) between the first corner 32a and the second corner 32b is 600 μm, and the distance W between the third corner 32c and the fourth corner 32d is 60 μm. It is. In the semiconductor laser 10, the laser beams (L1 and L2) are totally reflected at the end faces 24c and 24d.

4つの第2の領域24sは、第1の領域24fで発生したレーザ光が端面24cおよび24dで多重反射されることによって発生するモードを抑制するために形成される。半導体レーザ10では、第1の角部32aと第2の角部32bとを結ぶ対角線32abに平行な方向における第2の領域24sの長さLs(図3参照)が160μmである。一方、L/4は150μmであり、L/4<Lsが満たされるため、上記モードが特に抑制される。また、第3の角部32cと第4の角部32dとを結ぶ対角線32cdの方向における第2の領域24sの長さWsは70μmである。   The four second regions 24s are formed in order to suppress a mode generated by the multiple reflection of the laser light generated in the first region 24f on the end surfaces 24c and 24d. In the semiconductor laser 10, the length Ls (see FIG. 3) of the second region 24s in the direction parallel to the diagonal line 32ab connecting the first corner portion 32a and the second corner portion 32b is 160 μm. On the other hand, L / 4 is 150 μm, and since L / 4 <Ls is satisfied, the above mode is particularly suppressed. The length Ws of the second region 24s in the direction of the diagonal line 32cd connecting the third corner portion 32c and the fourth corner portion 32d is 70 μm.

端面24aおよび24bの形状は、それぞれ、円柱の曲面の一部の形状である。具体的には、対角線32ab上であって活性層24の表面と垂直に中心軸が配置された円柱の曲面の一部と同じ形状である。その円柱の半径、すなわち端面24aの曲率半径R1(図3参照)は600μmであり、端面24bの曲率半径R2(図示せず)も同じく600μmである。半導体レーザ10は、対角線32abおよび対角線32cdに対して線対称の形状であり、端面24bは、第3の角部32cと第4の角部32dとを結ぶ対角線32cdに対して端面24aと線対称の形状である。ただし、本発明の半導体レーザは必ずしも線対称の形状ではなくともよく、たとえば、端面24bは、端面24aとは曲率が違う曲面であってもよく、平面であってもよく、内側に凸の曲面であってもよい。   The shapes of the end faces 24a and 24b are each a partial shape of a cylindrical curved surface. Specifically, it has the same shape as a part of a curved surface of a cylinder on the diagonal line 32ab and having a central axis perpendicular to the surface of the active layer 24. The radius of the cylinder, that is, the curvature radius R1 (see FIG. 3) of the end face 24a is 600 μm, and the curvature radius R2 (not shown) of the end face 24b is also 600 μm. The semiconductor laser 10 has a line-symmetric shape with respect to the diagonal line 32ab and the diagonal line 32cd, and the end face 24b is line-symmetric with the end face 24a with respect to the diagonal line 32cd connecting the third corner part 32c and the fourth corner part 32d. It is the shape. However, the semiconductor laser of the present invention does not necessarily have a line-symmetric shape. For example, the end surface 24b may be a curved surface having a different curvature from the end surface 24a, a flat surface, or a curved surface convex inward. It may be.

図5を参照して、活性層24の積層構造について説明する。活性層24は、交互に積層された3つの半導体層(半導体層(A))51と3つの障壁層(半導体層(D))52とを備える。半導体層51は、複数の量子ドット51aと、量子ドットを覆うように形成されたカバー層51bとによって構成されている。障壁層52は、電子を効率よく閉じ込めるための層であり、カバー層51bと同じかカバー層51bよりもバンドギャップが大きい材料で形成される。なお、カバー層51bと障壁層52とは、同じ材料で形成してもよい。   The stacked structure of the active layer 24 will be described with reference to FIG. The active layer 24 includes three semiconductor layers (semiconductor layers (A)) 51 and three barrier layers (semiconductor layers (D)) 52 that are alternately stacked. The semiconductor layer 51 includes a plurality of quantum dots 51a and a cover layer 51b formed so as to cover the quantum dots. The barrier layer 52 is a layer for efficiently confining electrons, and is formed of a material having the same band gap as that of the cover layer 51b or larger than that of the cover layer 51b. Note that the cover layer 51b and the barrier layer 52 may be formed of the same material.

図5の活性層24では、GaおよびAs(およびIn)を含むカバー層51bにSbを添加することによって、カバー層の表面の平坦性を向上させることができる。これにより、複数の半導体層51を含む積層膜を形成する場合に、下層で成長した量子ドットの影響を受けずに上層の半導体層51や障壁層52を形成することができる。その結果、各半導体層51に含まれる量子ドットのサイズを均一化することが可能となる。   In the active layer 24 of FIG. 5, the flatness of the surface of the cover layer can be improved by adding Sb to the cover layer 51b containing Ga and As (and In). Thereby, when forming a laminated film including a plurality of semiconductor layers 51, the upper semiconductor layer 51 and the barrier layer 52 can be formed without being affected by the quantum dots grown in the lower layer. As a result, the size of the quantum dots included in each semiconductor layer 51 can be made uniform.

しかし、カバー層におけるSbの組成比が高すぎると転位が発生するので、半導体層51の結晶性が悪化する。Sbの組成比の影響を調べるために、カバー層のV族元素に占めるSbの組成比と活性層24のフォトルミネセンス(PL)のピークの半値幅との関係を実験によって求めた。このとき、活性層24として、以下の表1に示す活性層(Sbの割合は異なる)を成長させた。実験では、表1の構造のレーザエピにおいて、Ga0.85In0.15As1-ySbyカバー層のSb組成を変更したエピを6枚成長させてPLを比較した。成長では、Sbフラックス以外の条件は後述する製造例の条件と全て同じとし、Sbフラックスは、0〜2.0×10-4Pa(0〜1.5×10-6Torr)の範囲で変更した。実験結果を図6に示す。図6に示すように、V族元素に占めるSbの割合を0.2原子%〜10原子%の範囲とすることが好ましく、1原子%〜5原子%の範囲とすることがより好ましい。 However, when the composition ratio of Sb in the cover layer is too high, dislocation occurs, so that the crystallinity of the semiconductor layer 51 deteriorates. In order to examine the influence of the composition ratio of Sb, the relationship between the composition ratio of Sb occupying the group V elements of the cover layer and the half width of the photoluminescence (PL) peak of the active layer 24 was determined by experiments. At this time, as the active layer 24, active layers shown in Table 1 below (the ratio of Sb is different) were grown. In the experiment, in Rezaepi structure of Table 1, were compared Ga 0.85 In 0.15 As 1-y Sb y cover layer is epitaxial growth six changing the Sb composition of PL. In the growth, the conditions other than the Sb flux are all the same as those of the manufacturing example described later, and the Sb flux is changed in the range of 0 to 2.0 × 10 −4 Pa (0 to 1.5 × 10 −6 Torr). did. The experimental results are shown in FIG. As shown in FIG. 6, the ratio of Sb in the group V element is preferably in the range of 0.2 atomic% to 10 atomic%, and more preferably in the range of 1 atomic% to 5 atomic%.

基板11および半導体層20の各層の構成の一例を表1に示す。なお、活性層24は、図5に示すように、量子ドットを含むカバー層と障壁層とが3セット積層された構造を有する。この構成によれば、1μm帯のレーザ光が出射される。   An example of the configuration of each layer of the substrate 11 and the semiconductor layer 20 is shown in Table 1. As shown in FIG. 5, the active layer 24 has a structure in which three sets of a cover layer including quantum dots and a barrier layer are stacked. According to this configuration, 1 μm band laser light is emitted.

Figure 2006108641
Figure 2006108641

絶縁層12は、Si34やSiO2などで形成できる。第1の電極13および14は、公知の電極材料で形成でき、たとえば、Ni/Ge/Au積層膜や、Ti/Pt/Au積層膜を用いることができる。なお、第1の電極13および第2の電極14を構成する各層は、熱処理によって合金化されていてもよい。また、表1に示す構成は一例であり、半導体レーザに求められる特性に応じて適宜変更される。 The insulating layer 12 can be formed of Si 3 N 4 or SiO 2 . The first electrodes 13 and 14 can be formed of a known electrode material. For example, a Ni / Ge / Au laminated film or a Ti / Pt / Au laminated film can be used. In addition, each layer which comprises the 1st electrode 13 and the 2nd electrode 14 may be alloyed by heat processing. Moreover, the structure shown in Table 1 is an example, and is suitably changed according to the characteristic calculated | required by the semiconductor laser.

なお、半導体レーザ10の第1の電極13は、利得が発生する電流を注入する第1の部分13aと、第1の部分13aよりも少ない電流を注入する第2の部分13bとを含んでもよい。そのような電極と半導体層20(コンタクト層27)とが接触する領域の形状と、活性層24の平面形状と、経路32との関係を図7に示す。なお、図7では、第1の部分13aがコンタクト層27と接触する領域31aと、第2の部分13bがコンタクト層27と接触する領域31bとを、ハッチングを付して示している。領域31aは経路32の1つの辺に対応する位置に形成され、領域31bは他の3つの辺に対応する位置に形成される。このような電極は、絶縁層12の形状を変更することによって容易に形成できる。   The first electrode 13 of the semiconductor laser 10 may include a first portion 13a that injects a current that generates a gain, and a second portion 13b that injects a smaller current than the first portion 13a. . FIG. 7 shows the relationship between the shape of a region where such an electrode and the semiconductor layer 20 (contact layer 27) are in contact, the planar shape of the active layer 24, and the path 32. In FIG. 7, a region 31 a where the first portion 13 a is in contact with the contact layer 27 and a region 31 b where the second portion 13 b is in contact with the contact layer 27 are indicated by hatching. The region 31a is formed at a position corresponding to one side of the path 32, and the region 31b is formed at a position corresponding to the other three sides. Such an electrode can be easily formed by changing the shape of the insulating layer 12.

半導体レーザ10では、注入される電流が閾値電流を超えるとシングルモードの発振を開始する。そして、注入される電流が閾値電流からさらに増加するに従って、発振のモードが、シングルモード、ツインモード、ロッキングモードという順で変化する。シングルモードでは、図4に示すように、第1および第2のレーザ光35および36が出射される。ツインモードでは、2つのレーザ光が周期的に交互に出射される。ロッキングモードでは、2つのレーザ光のうちの1つのレーザ光のみが出射される。したがって、半導体レーザジャイロで用いる場合、通常、半導体レーザ10をシングルモードで動作させる。なお、本発明のジャイロでは、注入する電流によって発振のモードを変更できることを利用して、特別な機能を付与してもよい。   In the semiconductor laser 10, single mode oscillation starts when the injected current exceeds the threshold current. As the injected current further increases from the threshold current, the oscillation mode changes in the order of single mode, twin mode, and rocking mode. In the single mode, as shown in FIG. 4, the first and second laser beams 35 and 36 are emitted. In the twin mode, two laser beams are periodically and alternately emitted. In the rocking mode, only one of the two laser beams is emitted. Therefore, when used in a semiconductor laser gyro, the semiconductor laser 10 is normally operated in a single mode. Note that the gyro of the present invention may be provided with a special function by utilizing the fact that the oscillation mode can be changed by the injected current.

活性層に量子ドットを用いない場合、閾値電流密度は500A/cm2程度である。そのため、L=600μmのレーザの場合、室温パルス動作時における閾値電流は180mA程度となる。素子のCW駆動時の熱抵抗をRth[K/W]、注入電流をI[A]、動作電圧をV[V]、レーザ端面からの光出力をP[W]とすると、活性層の温度上昇ΔTは、以下の式で記述できる。
ΔT=Rth(IV−P)
When quantum dots are not used in the active layer, the threshold current density is about 500 A / cm 2 . Therefore, in the case of a laser with L = 600 μm, the threshold current during the room temperature pulse operation is about 180 mA. When the thermal resistance of the device during CW driving is Rth [K / W], the injection current is I [A], the operating voltage is V [V], and the light output from the laser end face is P [W], the temperature of the active layer The increase ΔT can be described by the following equation.
ΔT = Rth (IV−P)

ここで、850nm帯のレーザにおいて、Rth=80K/W、閾値電圧が2Vと仮定した場合、閾値での活性層の温度上昇は約30Kとなる。この場合、素子をヒートシンク上にマウントし、ペルチェ素子でヒートシンクの温度を常に25℃に保った場合でも、活性層は55℃となる。ヒートシンクを冷却しない場合には、活性層からの熱の放散がスムーズに行われないため、CW発振が困難になる。   Here, in the 850 nm band laser, assuming that Rth = 80 K / W and the threshold voltage is 2 V, the temperature rise of the active layer at the threshold is about 30 K. In this case, even when the element is mounted on the heat sink and the temperature of the heat sink is always kept at 25 ° C. by the Peltier element, the active layer becomes 55 ° C. When the heat sink is not cooled, heat dissipation from the active layer is not smoothly performed, so that CW oscillation becomes difficult.

これに対して、本発明の半導体レーザでは、活性層に量子ドットを用いているため、閾値電流密度を10分の1程度に低減できる。表1に示した活性層24では、閾値電流密度を50A/cm2に低減でき、閾値電流としては18mAという低い値が得られる。その結果、活性層の温度上昇を3Kに低減でき、ペルチェフリーでCW発振させることが十分に可能である。このように、本発明の半導体レーザでは、活性層に量子ドットを用いることによって、ペルチェ素子を不要とすることができ、超小型で安価なレーザジャイロを実現できる。 On the other hand, in the semiconductor laser of the present invention, since the quantum dots are used in the active layer, the threshold current density can be reduced to about 1/10. In the active layer 24 shown in Table 1, the threshold current density can be reduced to 50 A / cm 2, and a low value of 18 mA is obtained as the threshold current. As a result, the temperature rise of the active layer can be reduced to 3K, and CW oscillation can be sufficiently performed in a Peltier-free manner. Thus, in the semiconductor laser of the present invention, the use of quantum dots in the active layer can eliminate the need for a Peltier device, and can realize an ultra-small and inexpensive laser gyro.

(半導体レーザジャイロ)
本発明のジャイロは、第1および第2のレーザ光を出射する半導体レーザと、第1および第2のレーザ光で干渉縞が形成された位置に配置された光検出器とを備える。半導体レーザには、上記本発明の半導体レーザが用いられる。光検出器は、干渉縞の移動を検出できるものであれば特に限定がなく、通常は、フォトダイオードやフォトトランジスタといった半導体受光素子が用いられる。光検出器は、干渉縞の光量の強弱に応じた信号を出力する。干渉縞が移動すると、光検出器に入力される光量が周期的に変化するため、干渉縞の移動速度を算出できる。
(Semiconductor laser gyro)
The gyro of the present invention includes a semiconductor laser that emits first and second laser light, and a photodetector that is disposed at a position where an interference fringe is formed by the first and second laser light. The semiconductor laser of the present invention is used for the semiconductor laser. The photodetector is not particularly limited as long as it can detect the movement of interference fringes, and usually a semiconductor light receiving element such as a photodiode or a phototransistor is used. The photodetector outputs a signal corresponding to the intensity of the interference fringes. When the interference fringe moves, the amount of light input to the photodetector changes periodically, so that the movement speed of the interference fringe can be calculated.

光検出器は、複数の受光素子を備える2チャンネルの光検出器であってもよい。2つ以上の受光素子を干渉縞の移動方向に配置することによって、干渉縞の移動速度に加えて干渉縞の移動方向を検出することができる。干渉縞の移動速度と移動方向とを検出することによって、半導体レーザジャイロの回転方向と回転速度とを算出できる。   The photodetector may be a two-channel photodetector including a plurality of light receiving elements. By arranging two or more light receiving elements in the moving direction of the interference fringes, the moving direction of the interference fringes can be detected in addition to the moving speed of the interference fringes. By detecting the moving speed and moving direction of the interference fringes, the rotating direction and rotating speed of the semiconductor laser gyro can be calculated.

本発明のジャイロでは、上記半導体レーザと受光素子(光検出器)とが、モノリシックに形成されていてもよい。この場合、半導体レーザと光検出器(たとえばフォトダイオード)とが同じ積層構造を有してもよい。この構成では、半導体レーザと光検出器とを、半導体素子を製造する一連のプロセスで同時に形成できる。そのため、製造が容易であると共に、半導体レーザと光検出器とを正確な配置に形成できる。   In the gyro of the present invention, the semiconductor laser and the light receiving element (photodetector) may be formed monolithically. In this case, the semiconductor laser and the photodetector (for example, a photodiode) may have the same stacked structure. In this configuration, the semiconductor laser and the photodetector can be simultaneously formed by a series of processes for manufacturing a semiconductor element. Therefore, the manufacturing is easy, and the semiconductor laser and the photodetector can be formed in an accurate arrangement.

本発明のジャイロは、レンズをさらに備えてもよい。この場合、光検出器は、レンズを透過した第1および第2のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置される。半導体レーザの半導体層とレンズとは、同じ積層構造を有してもよい。この場合のレンズは、たとえば、平面形状が半円状のレンズであり、レンズとして機能する部分は、半導体レーザの活性層と同じ半導体からなる。そのため、レンズに入射した光は、半導体からなるレンズで吸収されて減衰する。そのような減衰を抑制するために、レンズを構成する積層された半導体層に電流を流してもよい。電流を流すには、たとえば、電極を含めて半導体レーザとレンズとを全く同じ積層構造とすればよい。流す電流は、レーザ発振を生じる電流よりは少ないことが望ましい。電流を流すことによってレンズによる光の減衰を抑制できる。また、レンズによる光の減衰を抑制するために、レーザ光の吸収が少ない材料、たとえば、酸化シリコンなどでレンズを形成してもよい。その場合でも、製造工程は多くなるが、レンズと半導体レーザとを公知の方法でモノリシックに形成できる。   The gyro of the present invention may further include a lens. In this case, the photodetector is arranged at a position where an interference fringe is formed by the first and second laser beams transmitted through the lens. The semiconductor layer and the lens of the semiconductor laser may have the same stacked structure. The lens in this case is, for example, a lens having a semicircular planar shape, and the portion functioning as the lens is made of the same semiconductor as the active layer of the semiconductor laser. Therefore, the light incident on the lens is absorbed and attenuated by the semiconductor lens. In order to suppress such attenuation, a current may be passed through the stacked semiconductor layers constituting the lens. In order to pass the current, for example, the semiconductor laser and the lens including the electrode may have the same stacked structure. It is desirable that the flowing current is smaller than the current that causes laser oscillation. By passing an electric current, attenuation of light by the lens can be suppressed. Further, in order to suppress the attenuation of light by the lens, the lens may be formed of a material that absorbs less laser light, such as silicon oxide. Even in such a case, although the number of manufacturing steps is increased, the lens and the semiconductor laser can be formed monolithically by a known method.

本発明のジャイロは、プリズムをさらに備えてもよい。この場合、光検出器は、プリズムを透過した第1および第2のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置される。所定の形状のプリズムを用いることによって、形成される干渉縞の周期長を長くすることができ、干渉縞の移動をより正確に測定できる。   The gyro of the present invention may further include a prism. In this case, the photodetector is arranged at a position where an interference fringe is formed by the first and second laser beams transmitted through the prism. By using a prism having a predetermined shape, the period length of the formed interference fringes can be increased, and the movement of the interference fringes can be measured more accurately.

半導体レーザジャイロがプリズムを備える場合、半導体レーザとプリズムとがモノリシックに形成されてもよい。また、半導体レーザとプリズムと光検出器とがモノリシックに形成されてもよい。これらの構成によれば、各素子を所定の位置および形状に精度よく形成できる。さらにこの場合、半導体レーザの半導体層とプリズムとが同じ積層構造を有してもよい。また、半導体レーザの半導体層と、光検出器(たとえばフォトダイオード)の半導体層と、プリズムとが同じ積層構造を有してもよい。この構成によれば、半導体レーザを製造する一連のプロセスで、光検出器および/またはプリズムを形成できる。   When the semiconductor laser gyro is provided with a prism, the semiconductor laser and the prism may be formed monolithically. Further, the semiconductor laser, the prism, and the photodetector may be formed monolithically. According to these configurations, each element can be accurately formed at a predetermined position and shape. Further, in this case, the semiconductor layer of the semiconductor laser and the prism may have the same stacked structure. Further, the semiconductor layer of the semiconductor laser, the semiconductor layer of the photodetector (for example, a photodiode), and the prism may have the same stacked structure. According to this configuration, the photodetector and / or the prism can be formed by a series of processes for manufacturing the semiconductor laser.

なお、プリズムの積層構造を半導体レーザの半導体層と同じ積層構造とした場合、半導体レーザから出射されたレーザ光は、半導体からなるプリズムに入射して減衰する。そのような減衰を抑制するために、プリズムを構成する積層された半導体層に電流を流してもよい。電流を流すには、たとえば、電極を含めて半導体レーザとプリズムとを全く同じ積層構造とすればよい。流す電流は、レーザ発振を生じる電流よりは少ないことが望ましい。電流を流すことによってプリズムによる光の減衰を抑制できる。また、プリズムによる光の減衰を抑制するために、レーザ光の吸収が少ない材料、たとえば、酸化シリコンなどでプリズムを形成してもよい。その場合でも、製造工程は多くなるが、プリズムと半導体レーザとを公知の方法でモノリシックに形成できる。   Note that in the case where the laminated structure of the prism is the same as the semiconductor layer of the semiconductor laser, the laser light emitted from the semiconductor laser is incident on the prism made of the semiconductor and attenuates. In order to suppress such attenuation, a current may be passed through the stacked semiconductor layers constituting the prism. In order to pass the current, for example, the semiconductor laser and the prism including the electrodes may have the same stacked structure. It is desirable that the flowing current is smaller than the current that causes laser oscillation. It is possible to suppress the attenuation of light by the prism by flowing an electric current. In addition, in order to suppress attenuation of light by the prism, the prism may be formed of a material that does not absorb laser light, such as silicon oxide. Even in such a case, although the number of manufacturing steps is increased, the prism and the semiconductor laser can be formed monolithically by a known method.

図4を参照しながら、本発明の半導体レーザジャイロの原理を簡単に説明する。半導体レーザ10が回転すると、レーザ光L1とレーザ光L2とでは、経路32の光路を一周するのに要する時間が変化する。光の速度は一定であるため、半導体レーザ10が回転すると、レーザ光L1とレーザ光L2との間で周波数差が生じ、その周波数差に応じた速度で干渉縞が移動する。干渉縞の移動方向は、半導体レーザ10の回転方向に応じて変化する。このため、干渉縞の移動速度を測定することによって、半導体レーザ10の回転速度(角速度)を算出でき、干渉縞の移動方向を検出することによって半導体レーザの回転方向を検出できる。より具体的には、活性層24の表面と平行な面内における回転方向と回転速度とを算出できる。上述したように、このような光ジャイロの原理は公知の原理であり、希ガスレーザを用いた光ジャイロなどで利用されている。したがって、本発明の半導体レーザジャイロは、公知の駆動回路で駆動でき、ジャイロによって得られた情報は公知の方法で処理できる。なお、本発明の半導体レーザジャイロを3つ組み合わせることによって、全方向における回転方向と回転速度とを算出することが可能である。   The principle of the semiconductor laser gyro of the present invention will be briefly described with reference to FIG. When the semiconductor laser 10 rotates, the time required to go around the optical path of the path 32 varies between the laser light L1 and the laser light L2. Since the speed of light is constant, when the semiconductor laser 10 rotates, a frequency difference is generated between the laser light L1 and the laser light L2, and the interference fringes move at a speed corresponding to the frequency difference. The movement direction of the interference fringes changes according to the rotation direction of the semiconductor laser 10. Therefore, the rotational speed (angular speed) of the semiconductor laser 10 can be calculated by measuring the moving speed of the interference fringes, and the rotational direction of the semiconductor laser can be detected by detecting the moving direction of the interference fringes. More specifically, the rotation direction and rotation speed in a plane parallel to the surface of the active layer 24 can be calculated. As described above, the principle of such an optical gyro is a known principle, and is used in an optical gyro using a rare gas laser. Therefore, the semiconductor laser gyro of the present invention can be driven by a known driving circuit, and information obtained by the gyro can be processed by a known method. Note that by combining three semiconductor laser gyros of the present invention, the rotation direction and rotation speed in all directions can be calculated.

以下、本発明の半導体レーザジャイロについて、例を挙げて説明する。なお、以下の実施形態では、第1の電極13が図7に示した電極である場合について示しているが、第1の電極13は図1および図4に示した電極であってもよい。   Hereinafter, the semiconductor laser gyro of the present invention will be described with examples. In the following embodiment, the case where the first electrode 13 is the electrode shown in FIG. 7 is shown. However, the first electrode 13 may be the electrode shown in FIGS. 1 and 4.

(実施形態1)
実施形態1では、半導体レーザと光検出器とがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態1のジャイロ101の斜視図を図8(a)に示す。また、半導体レーザジャイロ101の半導体レーザ10および光検出器113(受光素子113aおよび113b)がモノリシックに形成された基板11の斜視図を図8(b)に示す。なお、図8(a)では、カバー111の一部を切断して内部を解放した状態を示している(以下の図においても同様である)。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an example of a semiconductor laser gyro in which a semiconductor laser and a photodetector are formed monolithically will be described. FIG. 8A shows a perspective view of the gyro 101 according to the first embodiment. FIG. 8B shows a perspective view of the substrate 11 on which the semiconductor laser 10 and the photodetector 113 (light receiving elements 113a and 113b) of the semiconductor laser gyro 101 are monolithically formed. FIG. 8A shows a state in which a part of the cover 111 is cut and the inside is released (the same applies to the following drawings).

図8(a)を参照して、ジャイロ101の主要部は、カバー111とステム112とによってパッケージ(いわゆるCANパッケージ)されている。ジャイロ101は、ステム112と、ステム112上に配置された基板11とを備える。半導体レーザ10と受光素子113aおよび113bとは、基板11を共有してモノリシックに形成されている。ステム112は、5本の電極114で支持されている。5本の電極のうちの4つは、それぞれ、半導体レーザ10の第1の電極13の第1の部分13a、第2の部分13b、受光素子113a、および受光素子113bに接続されている。5本の電極のうちの残りの1つは、上記4つの電極と対になる接地電極である。なお、電極114の接続方法は一例であり、本発明はこれに限定されない。円形のステム112の直径に限定はないが、規格で決められたサイズ、たとえば直径5.6mmとすることができる。   Referring to FIG. 8A, the main part of gyro 101 is packaged by a cover 111 and a stem 112 (so-called CAN package). The gyro 101 includes a stem 112 and a substrate 11 disposed on the stem 112. The semiconductor laser 10 and the light receiving elements 113a and 113b are formed monolithically by sharing the substrate 11. The stem 112 is supported by five electrodes 114. Four of the five electrodes are connected to the first portion 13a, the second portion 13b, the light receiving element 113a, and the light receiving element 113b of the first electrode 13 of the semiconductor laser 10, respectively. The remaining one of the five electrodes is a ground electrode paired with the four electrodes. Note that the connection method of the electrode 114 is an example, and the present invention is not limited to this. The diameter of the circular stem 112 is not limited, but may be a size determined by a standard, for example, a diameter of 5.6 mm.

受光素子113aおよび113bはフォトダイオードであり、半導体レーザ10と同じ積層構造を有する。受光素子113aおよび113bは、半導体レーザ10を形成する製造工程で半導体レーザ10とともに形成される。   The light receiving elements 113a and 113b are photodiodes and have the same stacked structure as the semiconductor laser 10. The light receiving elements 113 a and 113 b are formed together with the semiconductor laser 10 in a manufacturing process for forming the semiconductor laser 10.

半導体レーザ10の第1の端面24aから出射された第1のレーザ光35と第2のレーザ光36とは、第1の端面24aの近傍において干渉縞を形成する。その干渉縞の移動方向および移動速度を観測するため、受光素子113aおよび113bは、第1の端面24aに近接して配置される。なお、干渉縞の移動速度を精度よく検出するために、光検出器の受光領域のサイズは、干渉縞の周期長や、光検出器の受光感度を考慮して決定される。通常、受光領域のサイズは、干渉縞の周期長の5分の1程度以下とすることが好ましい。   The first laser light 35 and the second laser light 36 emitted from the first end face 24a of the semiconductor laser 10 form interference fringes in the vicinity of the first end face 24a. In order to observe the moving direction and moving speed of the interference fringes, the light receiving elements 113a and 113b are arranged close to the first end face 24a. In order to detect the movement speed of the interference fringes with high accuracy, the size of the light receiving region of the photodetector is determined in consideration of the period length of the interference fringes and the light receiving sensitivity of the photodetector. Usually, the size of the light receiving region is preferably set to about one fifth or less of the periodic length of the interference fringes.

実施形態1の半導体レーザジャイロ101は、プリズムやレンズなどの光学素子を必要としないという利点がある。一方、半導体レーザジャイロ101を得るには、微細な受光素子113aおよび113bを形成する必要がある。   The semiconductor laser gyro 101 according to the first embodiment has an advantage that no optical element such as a prism or a lens is required. On the other hand, in order to obtain the semiconductor laser gyro 101, it is necessary to form fine light receiving elements 113a and 113b.

(実施形態2)
実施形態2では、レンズを備える半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態2のジャイロ102の斜視図を図9(a)に示す。また、ジャイロ102で用いられる半導体レーザ10の斜視図を図9(b)に示す。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an example of a semiconductor laser gyro provided with a lens will be described. FIG. 9A shows a perspective view of the gyroscope 102 of the second embodiment. A perspective view of the semiconductor laser 10 used in the gyro 102 is shown in FIG.

ジャイロ102は、半導体レーザ10と、球面レンズ115と、光検出器116とを備える。光検出器116は、2つの受光素子を備える2チャンネルの光検出器である。ジャイロ102は5本の電極114を備えている。電極114はジャイロ101と同様に接続される。   The gyro 102 includes the semiconductor laser 10, a spherical lens 115, and a photodetector 116. The photodetector 116 is a two-channel photodetector including two light receiving elements. The gyro 102 includes five electrodes 114. The electrode 114 is connected in the same manner as the gyro 101.

球面レンズ115は、その焦点が、レーザ光の出射部(端面24a)の近傍に位置するように配置される。また、光検出器116は、端面24aから一定の距離(たとえば数センチメートル)離れた位置に配置される。したがって、ジャイロ102の一例のサイズは、3cm×2cm×1cm程度である。   The spherical lens 115 is disposed so that the focal point thereof is positioned in the vicinity of the laser light emitting portion (end surface 24a). The photodetector 116 is disposed at a position away from the end face 24a by a certain distance (for example, several centimeters). Therefore, an example size of the gyro 102 is about 3 cm × 2 cm × 1 cm.

端面24aから出射される2つのレーザ光は、球面レンズ115で略平行な光となり、重なり合って干渉縞を生じる。球面レンズ115を用いることによって干渉縞の周期長を長くできるため、ジャイロ102では、干渉縞の移動を正確に測定できる。   The two laser beams emitted from the end face 24a become substantially parallel light by the spherical lens 115, and overlap to generate interference fringes. Since the period length of the interference fringes can be increased by using the spherical lens 115, the gyro 102 can accurately measure the movement of the interference fringes.

なお、球面レンズ115は、球状に限らず、薄膜などの他の形状であってもよい。たとえば、平面形状が半円状の薄膜状レンズを用いてもよい。この場合、レンズを基板11上にモノリシックに形成してもよい。レンズの材料としては、SiO2などの透明材料を用いることができるが、半導体を用いてもよい。たとえば、半導体レーザの半導体層とレンズとは同じ積層構造を有してもよい。 The spherical lens 115 is not limited to a spherical shape, but may be other shapes such as a thin film. For example, a thin film lens having a semicircular planar shape may be used. In this case, the lens may be formed monolithically on the substrate 11. As a material for the lens, a transparent material such as SiO 2 can be used, but a semiconductor may be used. For example, the semiconductor layer and the lens of the semiconductor laser may have the same stacked structure.

(実施形態3)
実施形態3では、半導体レーザとプリズムとがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態3のジャイロ103の斜視図を図10(a)に示す。また、半導体レーザ10およびプリズム117が形成された基板11の斜視図を図10(b)に示す。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, an example of a semiconductor laser gyro in which a semiconductor laser and a prism are formed monolithically will be described. A perspective view of the gyro 103 of Embodiment 3 is shown in FIG. FIG. 10B is a perspective view of the substrate 11 on which the semiconductor laser 10 and the prism 117 are formed.

ジャイロ103は、ステム112と、ステム112上に配置された半導体レーザ10および2チャンネルの光検出器116と、基板11上に形成されたプリズム117とを備える。プリズム117は半導体レーザ10の半導体層20と同じ積層構造を有し、半導体レーザ10とモノリシックに形成されている。そのため、プリズム117は、半導体層20を形成する際に同時に形成できる。   The gyro 103 includes a stem 112, a semiconductor laser 10 disposed on the stem 112 and a two-channel photodetector 116, and a prism 117 formed on the substrate 11. The prism 117 has the same stacked structure as the semiconductor layer 20 of the semiconductor laser 10 and is formed monolithically with the semiconductor laser 10. Therefore, the prism 117 can be formed simultaneously with the formation of the semiconductor layer 20.

ジャイロ103における2つのレーザ光の光路を図11に模式的に示す。半導体レーザ10から出射された2つのレーザ光は、プリズム117で重ね合わされて干渉縞を生じる。干渉縞の移動は、光検出器116の2つの受光素子116aおよび116bによって観測される。干渉縞は、ジャイロ103の回転速度に応じた速度で矢印の方向に移動する。干渉縞の移動方向は、ジャイロ103の回転方向に対応して変化する。   The optical paths of the two laser beams in the gyro 103 are schematically shown in FIG. The two laser beams emitted from the semiconductor laser 10 are overlapped by the prism 117 to generate interference fringes. The movement of the interference fringes is observed by the two light receiving elements 116 a and 116 b of the photodetector 116. The interference fringes move in the direction of the arrow at a speed corresponding to the rotational speed of the gyro 103. The movement direction of the interference fringes changes corresponding to the rotation direction of the gyro 103.

プリズム117の形状は、入射する2つのレーザ光の角度や間隔、および光検出器116との距離などの条件に応じて決定される。干渉縞の周期長を長くするために、プリズム117の断面形状である三角形の最も大きい角は90°(0.5πラジアン)よりも僅かに大きいことが好ましい。その角の角度を(0.5π+ε)ラジアンとすると、εは、0.5ラジアン以下であることが好ましい。   The shape of the prism 117 is determined according to conditions such as the angle and interval between the two incident laser beams and the distance from the photodetector 116. In order to increase the period length of the interference fringes, it is preferable that the largest angle of the triangle which is the cross-sectional shape of the prism 117 is slightly larger than 90 ° (0.5π radians). If the angle is (0.5π + ε) radians, ε is preferably 0.5 radians or less.

(実施形態4)
実施形態4では、半導体レーザとプリズムと光検出器とがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態4のジャイロ104の斜視図を図12(a)に示し、主要部の斜視図を図12(b)に示す。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, an example of a semiconductor laser gyro in which a semiconductor laser, a prism, and a photodetector are formed monolithically will be described. FIG. 12A shows a perspective view of the gyro 104 according to the fourth embodiment, and FIG. 12B shows a perspective view of the main part.

半導体レーザ10と、プリズム117と、光検出器113(受光素子113aおよび113b)とは、基板11上にモノリシックに形成されている。ジャイロ104では、図11と同様の光路を進む2つのレーザ光で干渉縞が形成される。   The semiconductor laser 10, the prism 117, and the photodetector 113 (light receiving elements 113 a and 113 b) are monolithically formed on the substrate 11. In the gyro 104, interference fringes are formed by two laser beams traveling along the same optical path as in FIG.

半導体レーザ10の半導体層20と、受光素子113aおよび113bの半導体層と、プリズム117とは、同じ積層構造を有する。これらは、半導体層20を形成する過程で同時に形成できるため、製造が容易である。また、これらは半導体プロセスで形成できるため、正確な位置および形状に形成できる。なお、プリズム117だけを他の材料、たとえばSiO2などで形成することも可能である。 The semiconductor layer 20 of the semiconductor laser 10, the semiconductor layers of the light receiving elements 113a and 113b, and the prism 117 have the same stacked structure. Since these can be formed simultaneously in the process of forming the semiconductor layer 20, they are easy to manufacture. Moreover, since these can be formed by a semiconductor process, they can be formed in an accurate position and shape. It is also possible to form only the prism 117 with another material such as SiO 2 .

(半導体レーザジャイロの製造方法)
本発明のジャイロで用いられる半導体レーザの製造方法に限定はなく、半導体素子を製造するための公知の技術によって製造できる。また、本発明のジャイロは、半導体レーザと他の部材とを公知の技術で組み立てることによって容易に製造できる。以下に、半導体レーザ10を製造する方法の一例を説明する。
(Manufacturing method of semiconductor laser gyro)
There is no limitation on the method of manufacturing the semiconductor laser used in the gyro of the present invention, and it can be manufactured by a known technique for manufacturing a semiconductor element. The gyro of the present invention can be easily manufactured by assembling a semiconductor laser and other members by a known technique. Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor laser 10 will be described.

図13(a)〜(h)に、製造工程を模式的に示す。なお、図13(a)〜(h)では、絶縁層12の形成状態の理解を容易にするため、絶縁層12の表面にハッチングを付す。   FIGS. 13A to 13H schematically show the manufacturing process. In FIGS. 13A to 13H, the surface of the insulating layer 12 is hatched for easy understanding of the formation state of the insulating layer 12.

まず、図13(a)に示すように、基板11上に、複数の半導体層からなる半導体層20aと、絶縁層12aとを形成する。半導体層20aは、エッチングによって半導体層20(図2および表1参照)となる層である。活性層24を除き、半導体層20aを構成する各層は、一般的な方法、たとえば、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成できる。絶縁層12aは、たとえばSi34やSiO2からなる。絶縁層12aは、スパッタリング法やCVD法といった方法で形成できる。 First, as shown in FIG. 13A, a semiconductor layer 20a composed of a plurality of semiconductor layers and an insulating layer 12a are formed on a substrate 11. The semiconductor layer 20a is a layer that becomes the semiconductor layer 20 (see FIG. 2 and Table 1) by etching. Except for the active layer 24, each layer constituting the semiconductor layer 20a can be formed by a general method, for example, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The insulating layer 12a is made of, for example, Si 3 N 4 or SiO 2 . The insulating layer 12a can be formed by a method such as sputtering or CVD.

活性層24は、たとえば、InAsからなる量子ドットとGaInAsSbからなるカバー層とで形成する。量子ドットは自己形成によって形成できる。具体的には、InAsを供給したのち、カバー層と、障壁層とを積層する。このようにして形成される半導体層と障壁層とのセットを1〜50セット積層する。量子ドット、カバー層および障壁層は、たとえば、ガスソースMBE、MBE、CBE、MOCVDで形成できる。   The active layer 24 is formed of, for example, quantum dots made of InAs and a cover layer made of GaInAsSb. Quantum dots can be formed by self-formation. Specifically, after supplying InAs, a cover layer and a barrier layer are stacked. 1 to 50 sets of the semiconductor layer and the barrier layer thus formed are stacked. The quantum dots, the cover layer, and the barrier layer can be formed by, for example, gas sources MBE, MBE, CBE, and MOCVD.

MBE法を用いて活性層24を形成する一例について説明する。まず、Inフラックス1.1×10-5Pa(8×10-8Torr)とAsフラックス1.3×10-3Pa(1×10-5Torr)とによって、2.5ML(Mono-Layer)のInAsを供給して量子ドットを形成する。量子ドットは、自己形成によって形成される。次に、Inフラックス1.1×10-5Pa(8×10-8Torr)と、Gaフラックス4.7×10-5Pa(3.5×10-7Torr)と、Asフラックス1.3×10-3Pa(1×10-5Torr)と、Sbフラックス2.7×10-5Pa(2×10-7Torr)とを供給することによって、Ga0.85In0.15As0.98Sb0.02層(厚さ5nm)を形成する。次に、Gaフラックス4.7×10-5Pa(3.5×10-7Torr)と、Asフラックス1.3×10-3Pa(1×10-5Torr)とを供給することによって、GaAs障壁層(厚さ15nm)を形成する。これらの工程を3回繰り返すことによって、活性層24を形成できる。 An example of forming the active layer 24 using the MBE method will be described. First, 2.5 ML (Mono-Layer) with In flux 1.1 × 10 −5 Pa (8 × 10 −8 Torr) and As flux 1.3 × 10 −3 Pa (1 × 10 −5 Torr). InAs is supplied to form quantum dots. Quantum dots are formed by self-formation. Next, In flux 1.1 × 10 −5 Pa (8 × 10 −8 Torr), Ga flux 4.7 × 10 −5 Pa (3.5 × 10 −7 Torr), and As flux 1.3 By supplying × 10 −3 Pa (1 × 10 −5 Torr) and Sb flux 2.7 × 10 −5 Pa (2 × 10 −7 Torr), a Ga 0.85 In 0.15 As 0.98 Sb 0.02 layer ( 5 nm thick). Next, by supplying Ga flux 4.7 × 10 −5 Pa (3.5 × 10 −7 Torr) and As flux 1.3 × 10 −3 Pa (1 × 10 −5 Torr), A GaAs barrier layer (thickness 15 nm) is formed. The active layer 24 can be formed by repeating these steps three times.

次に、図13(b)に示すように、絶縁層12a上に、パターニングされたレジスト膜151を形成する。レジスト膜151は、図3に示した活性層24の形状にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 13B, a patterned resist film 151 is formed on the insulating layer 12a. The resist film 151 is patterned into the shape of the active layer 24 shown in FIG.

次に、図13(c)に示すように、レジスト膜151をマスクとして、絶縁層12aと半導体層20aと基板11の一部とをエッチングしたのち、レジスト膜151を除去する。エッチングは、RIE(Reactive Ion Etching)法によって行い、少なくともクラッド層22の深さまで行う。エッチングによって、所定の形状の絶縁層12および半導体層20が形成される。エッチングは、半導体層20の側面の垂直性および平滑性が高くなるような条件で行われる。そのような条件は、半導体製造プロセスで一般的に採用されている。エッチングによって、半導体層20を構成するすべての半導体層の平面形状は、図3に示した活性層24の平面形状と同じになる。また、半導体層20の側面はミラー面として機能する。   Next, as shown in FIG. 13C, the insulating film 12a, the semiconductor layer 20a, and a part of the substrate 11 are etched using the resist film 151 as a mask, and then the resist film 151 is removed. Etching is performed by the RIE (Reactive Ion Etching) method, and is performed at least to the depth of the cladding layer 22. The insulating layer 12 and the semiconductor layer 20 having a predetermined shape are formed by etching. Etching is performed under conditions such that the verticality and smoothness of the side surfaces of the semiconductor layer 20 are high. Such conditions are commonly employed in semiconductor manufacturing processes. By etching, the planar shape of all the semiconductor layers constituting the semiconductor layer 20 becomes the same as the planar shape of the active layer 24 shown in FIG. Further, the side surface of the semiconductor layer 20 functions as a mirror surface.

次に、図13(d)に示すように、領域31(図2および図4参照)に対応するように、絶縁層12に略菱形の貫通孔12hを形成する。貫通孔12hは、一般的なフォトリソ・エッチング工程で形成できる。   Next, as shown in FIG. 13D, a substantially diamond-shaped through hole 12h is formed in the insulating layer 12 so as to correspond to the region 31 (see FIGS. 2 and 4). The through hole 12h can be formed by a general photolithography / etching process.

次に、図13(e)に示すように、基板11の表面全体を覆うようにレジスト膜152を形成する。このとき、基板11の表面と絶縁層12の表面との間の段差を埋めるために、レジスト膜152は、レジスト層152aおよびレジスト層152bの2層からなることが好ましい。レジスト膜152は、レジスト層152aを基板11の表面全体に塗布して段差を埋めたのち、レジスト層152bを塗布することによって形成できる。この方法によれば、表面の平坦性が高いレジスト膜152を形成できる。   Next, as illustrated in FIG. 13E, a resist film 152 is formed so as to cover the entire surface of the substrate 11. At this time, in order to fill a step between the surface of the substrate 11 and the surface of the insulating layer 12, the resist film 152 is preferably formed of two layers, a resist layer 152a and a resist layer 152b. The resist film 152 can be formed by applying the resist layer 152b after applying the resist layer 152a to the entire surface of the substrate 11 to fill the steps. According to this method, the resist film 152 having a high surface flatness can be formed.

次に、図13(f)に示すように、レジスト膜152をパターニングし、レジスト膜152に貫通孔152hを形成する。貫通孔152hは、第1の電極13を形成する領域に対応する形状に形成される。貫通孔152hを形成したのち、半導体層20(コンタクト層27)と第1の電極13との間で良好なコンタクトが得られるように、貫通孔152h内の半導体層20(コンタクト層27)の表面を0.01μm〜0.02μm程度エッチングする。   Next, as shown in FIG. 13F, the resist film 152 is patterned to form a through hole 152 h in the resist film 152. The through hole 152h is formed in a shape corresponding to a region where the first electrode 13 is formed. After forming the through hole 152h, the surface of the semiconductor layer 20 (contact layer 27) in the through hole 152h so that a good contact can be obtained between the semiconductor layer 20 (contact layer 27) and the first electrode 13. Is etched by about 0.01 μm to 0.02 μm.

次に、図13(g)に示すように、第1の電極13を形成する。第1の電極13は、リフトオフ法で形成できる。具体的には、まず、レジスト膜152をマスクとして、第1の電極13を構成する複数の金属層を電子ビーム法で順次成膜する。その後、レジスト膜152をアセトンで除去する。このようにして、所定の形状の第1の電極13を形成できる。第1の電極13は、絶縁層12に形成された貫通孔12hを介して半導体層20(コンタクト層27)に接触する。   Next, as shown in FIG. 13G, the first electrode 13 is formed. The first electrode 13 can be formed by a lift-off method. Specifically, first, using the resist film 152 as a mask, a plurality of metal layers constituting the first electrode 13 are sequentially formed by an electron beam method. Thereafter, the resist film 152 is removed with acetone. In this way, the first electrode 13 having a predetermined shape can be formed. The first electrode 13 is in contact with the semiconductor layer 20 (contact layer 27) through the through hole 12h formed in the insulating layer 12.

1枚の基板11(ウェハ)を用いて多数の半導体レーザを形成する場合、基板11のへき開を容易にするため、基板11の厚さが100〜150μmになるように基板11の裏面を研磨することが好ましい。   When a large number of semiconductor lasers are formed using a single substrate 11 (wafer), the back surface of the substrate 11 is polished so that the thickness of the substrate 11 becomes 100 to 150 μm in order to facilitate cleavage of the substrate 11. It is preferable.

次に、図13(h)に示すように、基板11の裏面側に複数の金属層を蒸着法で順次形成して第2の電極14を形成する。その後、第1の電極13および第2の電極14を構成する金属層を合金化するために、400〜450℃で熱処理する。最後に、必要に応じて、半導体レーザごとに基板11をへき開する。   Next, as shown in FIG. 13H, a plurality of metal layers are sequentially formed on the back side of the substrate 11 by vapor deposition to form the second electrode 14. Then, in order to alloy the metal layer which comprises the 1st electrode 13 and the 2nd electrode 14, it heat-processes at 400-450 degreeC. Finally, the substrate 11 is cleaved for each semiconductor laser as necessary.

このようにして、半導体レーザ10が形成される。なお、半導体レーザ10と同じ積層構造を有するフォトダイオードをモノリシックに形成する場合には、半導体レーザを形成する部分とフォトダイオードを形成する部分とに対応するように、レジスト膜151および152をパターニングすればよい。同様に、半導体レーザの半導体層と同様の積層構造を有するプリズムを形成する場合には、半導体レーザを形成する部分とプリズムを形成する部分とに対応するようにレジスト膜151をパターニングすればよい。   In this way, the semiconductor laser 10 is formed. When a photodiode having the same stacked structure as that of the semiconductor laser 10 is formed monolithically, the resist films 151 and 152 are patterned so as to correspond to a portion where the semiconductor laser is formed and a portion where the photodiode is formed. That's fine. Similarly, in the case of forming a prism having the same stacked structure as the semiconductor layer of the semiconductor laser, the resist film 151 may be patterned so as to correspond to the portion where the semiconductor laser is formed and the portion where the prism is formed.

なお、基板11には、光検出器およびプリズム以外の、他の光学素子や電子部品を形成してもよい。たとえば、半導体レーザを駆動するための駆動回路や、光検出器から出力された信号を処理するための回路を形成してもよい。また、本発明の半導体レーザジャイロに、従来のジャイロに用いられている公知の技術をさらに適用してもよい。   Note that other optical elements and electronic components other than the photodetector and the prism may be formed on the substrate 11. For example, a driving circuit for driving the semiconductor laser or a circuit for processing a signal output from the photodetector may be formed. Moreover, you may further apply the well-known technique used for the conventional gyro to the semiconductor laser gyro of this invention.

本発明の半導体レーザの他の例を示す。以下で説明する半導体レーザも、本発明のジャイロに適用できる。   Another example of the semiconductor laser of the present invention is shown. The semiconductor laser described below can also be applied to the gyro of the present invention.

表2に、1.3μm帯レーザの層構造を示す。なお、半導体レーザの形状等は、上述したレーザと同じである。   Table 2 shows the layer structure of the 1.3 μm band laser. The shape of the semiconductor laser is the same as that of the laser described above.

Figure 2006108641
Figure 2006108641

図14に活性層の一部を模式的に示す。活性層は、下地層(半導体層(B))141と、下地層141上に形成された半導体層(半導体層(A))142と、障壁層(半導体層(D))143とからなる積層構造144が12セット積層された構造を有する。半導体層142は、量子ドット142aと、量子ドットをカバーするカバー層142bとからなる。   FIG. 14 schematically shows a part of the active layer. The active layer includes a base layer (semiconductor layer (B)) 141, a semiconductor layer (semiconductor layer (A)) 142 formed on the base layer 141, and a barrier layer (semiconductor layer (D)) 143. The structure 144 has a structure in which 12 sets are stacked. The semiconductor layer 142 includes quantum dots 142a and a cover layer 142b that covers the quantum dots.

下地層141には、ノンドープGaAs0.98Sb0.02層(厚さ7nm)を用いた。量子ドット142aは、下地層141上にノンドープInAsを2.5ML供給することによって形成した。カバー層142bには、ノンドープGa0.87In0.13As層(厚さ3nm)を用いた。障壁層143には、ノンドープGaAs層(厚さ23nm)を用いた。 As the underlayer 141, a non-doped GaAs 0.98 Sb 0.02 layer (thickness 7 nm) was used. The quantum dots 142a were formed by supplying 2.5 ML of non-doped InAs on the base layer 141. A non-doped Ga 0.87 In 0.13 As layer (thickness 3 nm) was used for the cover layer 142b. As the barrier layer 143, a non-doped GaAs layer (thickness: 23 nm) was used.

レーザを構成する各層は、MBE法によって形成したが、ガスソースMBE、CBE、MOCVDといった方法で形成してもよい。量子ドットは、自己形成によって形成される。なお、各層を成長する際の基板温度は530℃とした。各層を形成したのち、フォトリソグラフィーとメサエッチングとを行い、レーザを形成した。このレーザの25℃におけるしきい値電流密度(Jth)は0.04kA/cm2と低く、閾値電流も15mAと低かった。 Each layer constituting the laser is formed by the MBE method, but may be formed by a method such as gas source MBE, CBE, or MOCVD. Quantum dots are formed by self-formation. In addition, the substrate temperature at the time of growing each layer was 530 degreeC. After each layer was formed, photolithography and mesa etching were performed to form a laser. The threshold current density (J th ) of this laser at 25 ° C. was as low as 0.04 kA / cm 2 and the threshold current was also as low as 15 mA.

GaAsSbからなる下地層(半導体層(B))を用いることによって、GaAs上に量子ドットを形成する場合に比べ、フォトルミネッセンス強度を高めることが可能である。GaAsSb上に量子ドットを形成する場合と、GaAs上に量子ドットを形成する場合とについて、量子ドットの密度とフォトルミネッセンス強度との関係を図15に示す。図15に示すように、ドット密度が3×1010cm-2の場合、GaAsSbからなる下地層を用いることによって、フォトルミネッセンス強度が約3倍となった。 By using a base layer (semiconductor layer (B)) made of GaAsSb, it is possible to increase the photoluminescence intensity as compared with the case where quantum dots are formed on GaAs. FIG. 15 shows the relationship between quantum dot density and photoluminescence intensity when quantum dots are formed on GaAsSb and when quantum dots are formed on GaAs. As shown in FIG. 15, when the dot density was 3 × 10 10 cm −2 , the photoluminescence intensity was approximately tripled by using the underlayer made of GaAsSb.

なお、積層構造の繰り返し回数は、12セットに限定されず、1セット〜50セットの範囲から選択してもよい。   The number of repetitions of the laminated structure is not limited to 12 sets, and may be selected from a range of 1 set to 50 sets.

また、障壁層143を構成する半導体はノンドープのGaAsに限定されず、ドーピング濃度が1×1017〜5×1019cm-2の範囲でp型に変調ドーピングを行ってもよい。変調ドープが行われた障壁層を含む活性層の一例の一部を図16に模式的に示す。 In addition, the semiconductor constituting the barrier layer 143 is not limited to non-doped GaAs, and p-type modulation doping may be performed in a doping concentration range of 1 × 10 17 to 5 × 10 19 cm −2 . FIG. 16 schematically shows a part of an example of an active layer including a barrier layer subjected to modulation doping.

図16の活性層は、障壁層の部分のみが図14の活性層と異なる。図16の活性層は、ノンドープのGaAsSb下地層141と、半導体層142と、障壁層163(厚さ26nm)とからなる積層構造164が12セット積層された構造を有する。障壁層163は、ノンドープGaAs層163a(厚さ18nm)と、p型GaAs層163b(厚さ6nm)と、ノンドープGaAs層163c(厚さ2nm)とを含む。p型GaAs層163bのドーピング濃度は1×1018cm-3である。各層は、表2に記載のレーザと同様の方法で形成できる。 The active layer in FIG. 16 differs from the active layer in FIG. 14 only in the portion of the barrier layer. The active layer in FIG. 16 has a structure in which 12 sets of a laminated structure 164 including a non-doped GaAsSb underlayer 141, a semiconductor layer 142, and a barrier layer 163 (thickness 26 nm) are laminated. The barrier layer 163 includes a non-doped GaAs layer 163a (thickness 18 nm), a p-type GaAs layer 163b (thickness 6 nm), and a non-doped GaAs layer 163c (thickness 2 nm). The doping concentration of the p-type GaAs layer 163b is 1 × 10 18 cm −3 . Each layer can be formed by the same method as the laser described in Table 2.

図16の活性層を用いたレーザの25℃におけるしきい値電流密度(Jth)は0.04kA/cm2と低く、閾値電流も15mAと低かった。 The threshold current density (J th ) at 25 ° C. of the laser using the active layer of FIG. 16 was as low as 0.04 kA / cm 2 and the threshold current was also as low as 15 mA.

上述した下地層および変調ドーピングは、波長300nm〜1700nm帯のレーザにも適用できる。   The above-described underlayer and modulation doping can also be applied to a laser having a wavelength of 300 nm to 1700 nm.

以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。   The embodiments of the present invention have been described above by way of examples, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to other embodiments based on the technical idea of the present invention.

本発明の半導体レーザは、半導体レーザジャイロに用いることができる。また、本発明の半導体レーザジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明のジャイロは、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。また、本発明のジャイロは超小型で取り扱いが容易であるという利点を生かし、携帯電話や小型のパーソナルコンピュータといった携帯情報端末、玩具、カメラなどに利用できる。   The semiconductor laser of the present invention can be used for a semiconductor laser gyro. Further, the semiconductor laser gyro of the present invention can be applied to various devices that require detection of rotation of an object. As a typical example, it can be used for an attitude control device, a navigation device, and a camera shake correction device. Specifically, the gyro of the present invention can be used for moving means such as aircraft such as rockets and airplanes, automobiles and motorcycles. Further, the gyro of the present invention can be used for a portable information terminal such as a mobile phone or a small personal computer, a toy, a camera, etc. by taking advantage of being ultra-small and easy to handle.

本発明の半導体レーザの一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of the semiconductor laser of this invention. 図1に示した半導体レーザを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor laser shown in FIG. 1 typically. 図1に示した半導体レーザの活性層の平面形状を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the planar shape of the active layer of the semiconductor laser shown in FIG. 図1に示した半導体レーザの機能を説明する図である。It is a figure explaining the function of the semiconductor laser shown in FIG. 本発明の半導体レーザの活性層の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the active layer of the semiconductor laser of this invention. 活性層のカバー層を構成するV族元素に占めるSbの割合と、PLピークの半値幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ratio of Sb to the V group element which comprises the cover layer of an active layer, and the half value width of PL peak. 第1の電極の一例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically an example of a 1st electrode. 本発明の半導体レーザジャイロの一例を模式的に示す(a)全体の斜視図および(b)要部の斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS (a) Whole perspective view and (b) Perspective view which shows an example of the semiconductor laser gyro of this invention typically. 本発明の半導体レーザジャイロの他の一例を模式的に示す(a)全体の斜視図および(b)要部の斜視図である。It is the (a) whole perspective view and (b) the perspective view of the principal part which show typically another example of the semiconductor laser gyro of this invention. 本発明の半導体レーザジャイロのその他の一例を模式的に示す(a)全体の斜視図および(b)要部の斜視図である。It is the perspective view of (a) whole and (b) principal part which show typically another example of the semiconductor laser gyro of this invention. 図10に示した半導体レーザジャイロにおけるレーザ光の光路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical path of the laser beam in the semiconductor laser gyro shown in FIG. 本発明の半導体レーザジャイロのその他の一例を模式的に示す(a)全体の斜視図および(b)要部の斜視図である。It is the perspective view of (a) whole and (b) principal part which show typically another example of the semiconductor laser gyro of this invention. 本発明の半導体レーザジャイロで用いられる半導体レーザの製造工程の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of the manufacturing process of the semiconductor laser used with the semiconductor laser gyro of this invention. 本発明の半導体レーザジャイロで用いられる活性層の一例の一部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically a part of example of the active layer used with the semiconductor laser gyro of this invention. 量子ドットを形成する下地層によってフォトルミネッセンス強度が変化することを示すグラフである。It is a graph which shows that photoluminescence intensity changes with the base layer which forms a quantum dot. 本発明の半導体レーザジャイロで用いられる活性層の他の一例の一部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically a part of other example of the active layer used with the semiconductor laser gyro of this invention. 従来の光ジャイロの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the conventional optical gyroscope.

符号の説明Explanation of symbols

10 半導体レーザ
11 基板
12 絶縁層
12h 貫通孔
13 第1の電極
13a 第1の部分
13b 第2の部分
14 第2の電極
20 半導体層
21 バッファ層
22 クラッド層
23 光閉じ込め層
24 活性層
24a〜24d (第1から第4の)端面
25 光閉じ込め層
26 クラッド層
27 コンタクト層
31、31a、31b 第2の領域
32 菱形の経路
32a〜32d (第1から第4の)角部
35 第1のレーザ光
36 第2のレーザ光
51、142 半導体層(半導体層(A))
51a、142a 量子ドット
51b、142b カバー層
52、143、163 障壁層(半導体層(D))
101〜104 半導体レーザジャイロ
111 カバー
112 ステム
113、116 光検出器
113a、113b、116a、116b 受光素子
114 電極
115 球面レンズ
117 プリズム
141 下地層(半導体層(B))
151、152 レジスト膜
L1、L2 レーザ光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor laser 11 Substrate 12 Insulating layer 12h Through-hole 13 1st electrode 13a 1st part 13b 2nd part 14 2nd electrode 20 Semiconductor layer 21 Buffer layer 22 Cladding layer 23 Optical confinement layer 24 Active layers 24a-24d (First to fourth) end face 25 optical confinement layer 26 clad layer 27 contact layer 31, 31a, 31b second region 32 rhombic path 32a-32d (first to fourth) corner 35 first laser Light 36 Second laser light 51, 142 Semiconductor layer (semiconductor layer (A))
51a, 142a Quantum dot 51b, 142b Cover layer 52, 143, 163 Barrier layer (semiconductor layer (D))
101-104 Semiconductor laser gyro 111 Cover 112 Stem 113, 116 Photo detector 113a, 113b, 116a, 116b Light receiving element 114 Electrode 115 Spherical lens 117 Prism 141 Underlayer (semiconductor layer (B))
151, 152 Resist film L1, L2 Laser light

Claims (13)

第1および第2のレーザ光を出射可能な半導体レーザであって、
基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第1および第2の電極とを備え、
前記第1のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光(L1)の一部が出射されたレーザ光であり、
前記第2のレーザ光は、前記経路上を前記レーザ光(L1)とは逆の方向に周回するレーザ光(L2)の一部が出射されたレーザ光であり、
前記活性層は、少なくとも1層の半導体層(A)を含み、前記半導体層(A)は、第1の半導体からなる複数の量子ドットと、前記第1の半導体とは異なる第2の半導体からなり前記量子ドットを覆うように形成されたカバー層とを含む半導体レーザ。
A semiconductor laser capable of emitting first and second laser beams,
A substrate, an active layer formed on the substrate, and first and second electrodes for injecting carriers into the active layer,
The first laser beam is a laser beam emitted from a part of the laser beam (L1) that circulates on a polygonal path in the active layer,
The second laser beam is a laser beam emitted from a part of the laser beam (L2) that circulates in the direction opposite to the laser beam (L1) on the path,
The active layer includes at least one semiconductor layer (A), and the semiconductor layer (A) includes a plurality of quantum dots made of a first semiconductor and a second semiconductor different from the first semiconductor. And a cover layer formed so as to cover the quantum dots.
前記第1の半導体がInとAsとを含むIII−V族化合物半導体であり、前記第2の半導体がGaとAsとSbとを含むIII−V族化合物半導体である請求項1に記載の半導体レーザ。   2. The semiconductor according to claim 1, wherein the first semiconductor is a group III-V compound semiconductor containing In and As, and the second semiconductor is a group III-V compound semiconductor containing Ga, As, and Sb. laser. 前記第2の半導体のV族元素に占めるSbの割合が、0.2原子%〜10原子%の範囲にある請求項2に記載の半導体レーザ。   3. The semiconductor laser according to claim 2, wherein a ratio of Sb to a group V element of the second semiconductor is in a range of 0.2 atomic% to 10 atomic%. 前記半導体層(A)に隣接するように前記半導体層(A)の前記基板側に形成された半導体層(B)を含み、
前記半導体層(B)はSbを含むIII−V族化合物半導体からなり、
前記半導体層(B)のSbの含有率が、前記第1の半導体のSbの含有率よりも高い請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
A semiconductor layer (B) formed on the substrate side of the semiconductor layer (A) so as to be adjacent to the semiconductor layer (A);
The semiconductor layer (B) is made of a III-V group compound semiconductor containing Sb,
4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the Sb content of the semiconductor layer (B) is higher than the Sb content of the first semiconductor. 5.
前記半導体層(B)を構成するIII−V族化合物半導体において、V族元素に占めるSbの割合が0.2原子%〜100原子%の範囲にある請求項4に記載の半導体レーザ。   5. The semiconductor laser according to claim 4, wherein in the group III-V compound semiconductor constituting the semiconductor layer (B), the proportion of Sb in the group V element is in the range of 0.2 atomic% to 100 atomic%. 前記半導体層(A)と前記半導体層(B)との間に配置された、厚さが20原子層以内の半導体層(C)を含む請求項4または5に記載の半導体レーザ。   The semiconductor laser according to claim 4 or 5, comprising a semiconductor layer (C) having a thickness of 20 atomic layers or less, disposed between the semiconductor layer (A) and the semiconductor layer (B). 前記半導体層(A)に隣接するように前記半導体層(A)上に形成された半導体層(D)を含み、
前記半導体層(D)のバンドギャップが、前記第2の半導体のバンドギャップよりも大きい請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
A semiconductor layer (D) formed on the semiconductor layer (A) so as to be adjacent to the semiconductor layer (A);
The semiconductor laser according to claim 1, wherein a band gap of the semiconductor layer (D) is larger than a band gap of the second semiconductor.
前記半導体層(D)の少なくとも1部がドーピングされている請求項7に記載の半導体レーザ。   8. The semiconductor laser according to claim 7, wherein at least a part of the semiconductor layer (D) is doped. 前記活性層の平面形状が環状ではない請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   The semiconductor laser according to claim 1, wherein a planar shape of the active layer is not annular. 前記多角形の経路は菱形の経路であり、
前記活性層は、前記菱形の経路の第1から第4の角部に対応する位置に形成された第1から第4の端面を有する請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
The polygonal path is a rhombus path;
10. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the active layer has first to fourth end faces formed at positions corresponding to first to fourth corners of the rhombic path. 11. .
第1および第2のレーザ光を出射する半導体レーザと光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、
前記光検出器は、前記第1および第2のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置されており、
前記半導体レーザが、請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体レーザである半導体レーザジャイロ。
A semiconductor laser gyro comprising a semiconductor laser that emits first and second laser beams and a photodetector,
The photodetector is disposed at a position where an interference fringe is formed by the first and second laser beams;
A semiconductor laser gyro, wherein the semiconductor laser is the semiconductor laser according to claim 1.
前記光検出器が複数の受光素子を備える請求項11に記載の半導体レーザジャイロ。   The semiconductor laser gyro according to claim 11, wherein the photodetector includes a plurality of light receiving elements. 前記半導体レーザと前記受光素子とが、モノリシックに形成されている請求項12に記載の半導体レーザジャイロ。   The semiconductor laser gyro according to claim 12, wherein the semiconductor laser and the light receiving element are formed monolithically.
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