JP2006138694A - Semiconductor laser gyro - Google Patents
Semiconductor laser gyro Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006138694A JP2006138694A JP2004327360A JP2004327360A JP2006138694A JP 2006138694 A JP2006138694 A JP 2006138694A JP 2004327360 A JP2004327360 A JP 2004327360A JP 2004327360 A JP2004327360 A JP 2004327360A JP 2006138694 A JP2006138694 A JP 2006138694A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor laser
- laser
- semiconductor
- gyro
- active layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
本発明は、半導体レーザを用いたジャイロに関する。 The present invention relates to a gyro using a semiconductor laser.
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19に示す。図19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. 19, the interference fringes are expressed by the following equation (1).
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19に示す角度であり、χは図19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はリング形状で囲まれる面積であり、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. 19, 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(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。 As a gyro for solving such a problem, a gyro using a semiconductor ring laser having an annular (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.
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。 However, a gyro that detects the beat frequency requires a special device for detecting the rotational direction.
このような状況に鑑み、本発明は、新規な構造の半導体レーザを用いることによって、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 gyro that can detect rotation more accurately and easily than a conventional gyro using a semiconductor laser by using a semiconductor laser having a novel structure. One.
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、半導体レーザから外部に出射されて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。 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 and form clear interference fringes. The present invention is based on this new knowledge.
本発明の半導体レーザジャイロ(または半導体レーザジャイロ素子)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、前記半導体レーザは、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菱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、前記第1および第2のレーザ光はともに、前記経路の第1の角部から出射され、前記第1の角部における前記活性層の端面が、所定の円柱の表面の一部と同じ曲面を有し、前記円柱は、前記第1の角部から伸びる前記菱形の対角線を通るとともに前記菱形に対して垂直に伸びる中心軸を有し、前記円柱の半径が、前記対角線の長さの0.4倍〜0.6倍の範囲にある。 A semiconductor laser gyro (or a semiconductor laser gyro element) according to the present invention is a semiconductor laser gyro including a semiconductor laser that emits first and second laser beams and a photodetector, wherein the photodetector is the first laser gyro. The semiconductor laser is disposed at a position where interference fringes are formed by the first and second laser beams, and the semiconductor laser includes an active layer 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 rhombic path in the active layer, and the second laser beam travels on the path along the path A part of the laser beam (L2) that circulates in the opposite direction to the laser beam (L1) is emitted, and both the first and second laser beams are the first corners of the path. Emanating from the first The end face of the active layer at the corner of the same has a curved surface that is the same as a part of the surface of the predetermined cylinder, and the cylinder passes through the diagonal line of the rhombus extending from the first corner and against the rhombus It has a central axis extending vertically, and the radius of the cylinder is in the range of 0.4 to 0.6 times the length of the diagonal.
本発明によれば、高精度で小型の半導体レーザジャイロを実現できる。本発明のジャイロでは、特別な構造の半導体レーザを用いており、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、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。特に、本発明のジャイロで用いている半導体レーザは、レーザ光が出射する部分の端面を所定の曲面としているため、光出力の低下を抑制できる。 According to the present invention, a highly accurate and small semiconductor laser gyro can be realized. The gyro of the present invention uses a semiconductor laser having a special structure, and two laser beams traveling in opposite directions on the annular optical path are emitted from the semiconductor laser in a well-collimated state. Further, in this semiconductor laser, the deterioration of the laser beam at the emission end face is small. Therefore, clear interference fringes are formed by the two laser beams, and the rotational speed (angular speed) can be detected with high accuracy. 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. In particular, since the semiconductor laser used in the gyro of the present invention has a predetermined curved surface at the end surface where the laser beam is emitted, it is possible to suppress a decrease in light output.
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。 Embodiments of the present invention will be described below. A semiconductor laser gyro (semiconductor laser gyro element) described below is an example 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。光検出器は、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いる。半導体レーザは、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、活性層内において菱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。第1および第2のレーザ光はともに、上記経路の第1の角部から出射される。そして、その第1の角部における活性層の端面は、所定の円柱(仮想の円柱)の表面の一部と同じ曲面を有する。 The semiconductor laser gyro of the present invention includes a semiconductor laser that emits first and second laser beams and a photodetector. The photodetector is arranged at a position where an interference fringe is formed by the first and second laser beams. The semiconductor laser includes an active layer 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 the rhombic path in the active layer, and the second laser beam is a laser beam (L1) on the path. ) Is a laser beam emitted from a part of the laser beam (L2) that circulates in the opposite direction. Both the first and second laser beams are emitted from the first corner of the path. And the end surface of the active layer in the 1st corner | angular part has the same curved surface as a part of surface of a predetermined | prescribed cylinder (virtual cylinder).
その円柱の中心軸は、第1の角部から伸びる菱形の対角線を通るとともに菱形に対して垂直に伸びる軸である。また、その円柱の半径は、菱形の経路の長い方の対角線の長さLの0.4倍〜0.6倍の範囲にある。すなわち、レーザ光が出射される部分における端面の曲率半径は、0.4L〜0.6Lの範囲にある。円柱の半径は、長い方の対角線の長さLの半分であることが好ましい。 The central axis of the cylinder is an axis that passes through the diagonal of the rhombus extending from the first corner and extends perpendicular to the rhombus. The radius of the cylinder is in the range of 0.4 to 0.6 times the length L of the longer diagonal line of the rhombus path. That is, the radius of curvature of the end face at the portion where the laser beam is emitted is in the range of 0.4L to 0.6L. The radius of the cylinder is preferably half the length L of the longer diagonal.
(半導体レーザ)
まず、本発明のジャイロに用いられる半導体レーザについて説明する。
(Semiconductor laser)
First, a semiconductor laser used in the gyro of the present invention will be described.
活性層の平面形状は、上記菱形の経路の角部が外縁部に位置するように上記菱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。具体的には、活性層には、菱形の経路(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。 The planar shape of the active layer is a shape that encloses the rhombus so that the corner of the rhombus 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. Specifically, end faces (side surfaces) are formed in the active layer at positions corresponding to the four corners of the rhombus path (virtual rhombus).
活性層の平面形状は、多角環状(多角形の環形状)でないことが好ましい。多角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を用いることによって、明瞭な干渉縞を得ることが可能となる。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、実質的に多角環状でない活性層、すなわちほぼ一定の幅の導波路が多角形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に対して垂直な方向の形状を意味する。 The planar shape of the active layer is preferably not a polygonal ring (polygonal ring shape). Since the laser light confined in the narrow waveguide formed in a polygonal ring spreads when emitted, a clear interference fringe is not formed. Therefore, the planar shape of the active layer is preferably not substantially polygonal. 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. A clear interference fringe can be obtained by using laser light emitted from such an active layer. Even when the through hole is formed near the center of the active layer, it may be an active layer that is not substantially polygonal, that is, an active layer in which a waveguide having a substantially constant width is not formed in a polygonal shape. In this specification, the “planar shape” means the shape shown in FIG. 3, that is, the 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4つの角部に対応する位置にそれぞれ形成された4つの端面を有する。この半導体レーザでは、活性層にキャリアを注入することによって、菱形の経路を互いに逆方向に周回する2つのレーザ光が励起される。 The polygonal path is a rhombus path, and the active layer has four end faces formed respectively at positions corresponding to the four corners of the rhombus path. In this semiconductor laser, by injecting carriers into the active layer, two laser beams that circulate in the rhombus paths in opposite directions are excited.
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は、上記菱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、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. 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 is in contact with the semiconductor layer so as to substantially correspond to the diamond-shaped 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). 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いことが好ましい。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のレーザの進行方向とは非平行である。 The inner angles of the first and second corners facing each other in the rhombus path are preferably smaller than the inner angles of the third and fourth corners. The diagonal line connecting the first corner and the second corner is not parallel to the traveling directions of 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、活性層の屈折率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L)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 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 L of the longer diagonal of the rhombus), and the third corner The ratio of the distance connecting the fourth 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.
本発明の半導体レーザでは、第1の角部に対向する菱形の第2の角部における活性層の端面が、第1の角部における活性層の端面と面対称の形状を有してもよい。活性層の典型的な一例の平面形状は、菱形の経路の第3の角部と第4の角部とを結ぶ対角線に対して線対称である。 In the semiconductor laser of the present invention, the end face of the active layer at the second corner of the rhombus facing the first corner may have a shape symmetrical to the end face of the active layer at the first corner. . The planar shape of a typical example of the active layer is axisymmetric with respect to a diagonal line connecting the third corner and the fourth corner of the rhombic path.
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、略長方形状であり、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 a substantially rectangular shape, and more specifically, a shape in which the short side of the rectangle is a curved surface protruding 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材料および構造が選択される。レーザ光(L1およびL2)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。好ましい波長は、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、たとえば、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 material and structure are selected according to the wavelength of the laser beam to be used. The wavelength of the laser light (L1 and L2) is not particularly limited, but the shorter angular wavelength can detect the angular velocity of rotation with higher accuracy. A preferable wavelength is 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II−II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 sectional view taken along line II-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、バッファ層22、グレーデッド層23、クラッド層24、グレーデッド層25、活性層26、グレーデッド層27、クラッド層28およびキャップ層29を含む。キャップ層29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とキャップ層29とは、貫通孔が形成されている領域31で接触する。 Referring to FIG. 2, the semiconductor layer 20 is laminated in order from the substrate 11 side, the buffer layer 21, the buffer layer 22, the graded layer 23, the clad layer 24, the graded layer 25, the active layer 26, and the graded layer. 27, a clad layer 28 and a cap layer 29. On the cap layer 29, the 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 cap layer 29 are in contact with each other in the region 31 in which the through hole is formed.
半導体レーザ10の活性層26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には、第1の電極13と半導体層20(キャップ層29)とが接触している領域31の部分を斜線で示す。なお、半導体層20は、活性層26と同じ平面形状を有する。 3 and 4 show planar shapes when the active layer 26 of the semiconductor laser 10 is viewed from above. In FIG. 4, a portion of a region 31 where the first electrode 13 and the semiconductor layer 20 (cap layer 29) are in contact with each other is indicated by hatching. The semiconductor layer 20 has the same planar shape as the active layer 26.
図3を参照して、活性層26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26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)26a〜26dを有する。第1および第2の端面26aおよび26b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26cおよび26dは、フラットな平面である。 Referring to FIG. 3, the active layer 26 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 26 has first to fourth end surfaces (mirror surfaces) 26a to 26d arranged so as to include corner portions 32a to 32d. The first and second end faces 26a and 26b are curved surfaces that protrude outward. The third and fourth end faces 26c and 26d are flat planes.
活性層26は、第1の領域26fと、第1の領域に隣接する4つの第2の領域26sとを備える。第1の領域26f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26f内に形成される。第1の領域26fと第2の領域26sとによって構成される活性層26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 26 includes a first region 26f and four second regions 26s adjacent to the first region. The planar shape of the first region 26f 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 26f. The active layer 26 constituted by the first region 26f and the second region 26s 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と半導体層20(キャップ層29)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。 With reference to FIG. 4, a region 31 where the first electrode 13 and the semiconductor layer 20 (cap layer 29) 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26にキャリアを注入すると、活性層26で光が発せられる。この光は、グレーデッド層25および27によって閉じこめられるため、活性層26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26a〜26d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26a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 26, light is emitted from the active layer 26. Since this light is confined by the graded layers 25 and 27, it moves in the active layer 26. Among such lights, the light traveling on the path 32 causes stimulated emission while being reflected by the end faces 26a to 26d. 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. A part of the laser beams L1 and L2 is emitted from the first corner portion 32a of the first end face 26a 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26bには、誘電体多層膜によるミラーコートがされていてもよい。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26cおよび26d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 face 26b may be 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 26c and 26d.
4つの第2の領域26sは、第1の領域26fで発生したレーザ光が端面26cおよび26d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26s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26sの長さWsは70μmである。 The four second regions 26s are formed in order to suppress a mode generated by the multiple reflection of the laser light generated in the first region 26f on the end surfaces 26c and 26d. In the semiconductor laser 10, the length Ls (see FIG. 3) of the second region 26s 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 26s 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26aおよび26bの形状は、それぞれ、円柱の曲面の一部の形状である。その円柱の中心軸は、菱形の中心32ctrから、菱形に対して垂直な方向(図3の紙面に垂直な方向)に伸びる。また、その円柱の半径R1(図3参照)は、菱形の対角線32abの長さL(600μm)の半分に等しい。したがって、端面26aの曲率半径(半径R1)は、300μmであり、端面26bの曲率半径も同じく300μmである。半導体レーザ10の活性層の平面形状は、対角線32abおよび対角線32cdに対して線対称である。 The shapes of the end surfaces 26a and 26b are each a partial shape of a cylindrical curved surface. The central axis of the cylinder extends from the rhombus center 32 ctr in a direction perpendicular to the rhombus (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3). Further, the radius R1 (see FIG. 3) of the cylinder is equal to half of the length L (600 μm) of the rhombus diagonal line 32ab. Therefore, the curvature radius (radius R1) of the end face 26a is 300 μm, and the curvature radius of the end face 26b is also 300 μm. The planar shape of the active layer of the semiconductor laser 10 is line symmetric with respect to the diagonal line 32ab and the diagonal line 32cd.
基板11、半導体層20、絶縁層12、第1の電極13および第2の電極14の材料および膜厚について、表1に示す。表1において、一部の半導体層については、バンドギャップEgと、多数キャリアおよびその濃度についても示す。 Table 1 shows materials and film thicknesses of the substrate 11, the semiconductor layer 20, the insulating layer 12, the first electrode 13, and the second electrode 14. In Table 1, for some semiconductor layers, the band gap Eg, majority carriers and their concentrations are also shown.
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。 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.
バッファ層21および22は、品質が高いIII−V族化合物半導体結晶を得るために形成される。 The buffer layers 21 and 22 are formed in order to obtain a high-quality III-V group compound semiconductor crystal.
グレーデッド層23のアルミニウムの組成比Xは、バッファ層22側からクラッド層24側に向かって徐々に増加する。具体的には、組成比Xは、バッファ層22との界面では0.2であり、クラッド層24との界面では0.5である。 The aluminum composition ratio X of the graded layer 23 gradually increases from the buffer layer 22 side toward the cladding layer 24 side. Specifically, the composition ratio X is 0.2 at the interface with the buffer layer 22 and 0.5 at the interface with the cladding layer 24.
グレーデッド層25において、ドーパントであるSiの濃度はクラッド層24側から活性層26側に向かって徐々に減少する。具体的には、クラッド層24との界面では約1×1018cm-3であり、活性層26との界面では約1×1017cm-3である。また、グレーデッド層25のアルミニウムの組成比Xも、クラッド層24側から活性層26側に向かって放物線状に減少する。具体的には、組成比Xは、クラッド層24との界面では0.5であり、活性層26との界面では0.2である。 In the graded layer 25, the concentration of Si as a dopant gradually decreases from the cladding layer 24 side toward the active layer 26 side. Specifically, it is about 1 × 10 18 cm −3 at the interface with the cladding layer 24 and about 1 × 10 17 cm −3 at the interface with the active layer 26. Further, the aluminum composition ratio X of the graded layer 25 also decreases in a parabolic shape from the cladding layer 24 side toward the active layer 26 side. Specifically, the composition ratio X is 0.5 at the interface with the cladding layer 24 and 0.2 at the interface with the active layer 26.
グレーデッド層27において、ドーパントであるBeの濃度は活性層26側からクラッド層28側に向かって徐々に増加する。具体的には、活性層26との界面では約1×1017cm-3であり、クラッド層28との界面では約1×1018cm-3である。また、グレーデッド層27のAlの組成比Xも、活性層26側からクラッド層28側に向かって放物線状に増加する。具体的には、組成比Xは、活性層26との界面では0.2であり、クラッド層28との界面では0.5である。 In the graded layer 27, the concentration of Be as a dopant gradually increases from the active layer 26 side toward the cladding layer 28 side. Specifically, it is about 1 × 10 17 cm −3 at the interface with the active layer 26 and about 1 × 10 18 cm −3 at the interface with the cladding layer 28. Further, the Al composition ratio X of the graded layer 27 also increases in a parabolic shape from the active layer 26 side toward the cladding layer 28 side. Specifically, the composition ratio X is 0.2 at the interface with the active layer 26 and 0.5 at the interface with the cladding layer 28.
半導体層20のバンドギャッププロファイルを図5に模式的に示す。グレーデッド層25のバンドギャップは、クラッド層24から活性層26側に向かって2.0eVから1.7eVまで放物線状に減少する。グレーデッド層27のバンドギャップは、活性層26からクラッド層28側に向かって1.7eVから2.0eVまで放物線状に増加する。 A band gap profile of the semiconductor layer 20 is schematically shown in FIG. The band gap of the graded layer 25 decreases in a parabolic manner from 2.0 eV to 1.7 eV from the cladding layer 24 toward the active layer 26 side. The band gap of the graded layer 27 increases in a parabolic manner from 1.7 eV to 2.0 eV from the active layer 26 toward the cladding layer 28 side.
半導体レーザ10は、いわゆる単一量子井戸形のレーザであり、2つの電極から注入されたキャリアは活性層26に閉じこめられて低い閾値電流でレーザ発振が開始される。なお、活性層26は、多重量子井戸形などの他の形態であってもよい。 The semiconductor laser 10 is a so-called single quantum well type laser. Carriers injected from two electrodes are confined in the active layer 26 and laser oscillation is started with a low threshold current. The active layer 26 may have other forms such as a multiple quantum well type.
クラッド層24〜クラッド層28までの屈折率の変化を図6に模式的に示す。クラッド層24、グレーデッド層25、グレーデッド層27およびクラッド層28は、活性層26内に光を閉じこめるために活性層26よりも屈折率が低い材料からなる。活性層26の屈折率が最も高いため、活性層26で発生した光は、活性層26に閉じこめられる。 FIG. 6 schematically shows changes in the refractive index from the cladding layer 24 to the cladding layer 28. The clad layer 24, the graded layer 25, the graded layer 27, and the clad layer 28 are made of a material having a refractive index lower than that of the active layer 26 in order to confine light in the active layer 26. Since the refractive index of the active layer 26 is the highest, the light generated in the active layer 26 is confined in the active layer 26.
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(キャップ層29)とが接触する領域の形状と、活性層26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がキャップ層29と接触する領域31aと、第2の部分13bがキャップ層29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 (cap layer 29) are in contact, the planar shape of the active layer 26, and the path 32. In FIG. 7, a region 31 a where the first portion 13 a contacts the cap layer 29 and a region 31 b where the second portion 13 b contacts the cap layer 29 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、本発明では、通常、第1の電極13と第4の電極14との間に所定の電流を流すことによって、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, in the present invention, the semiconductor laser 10 is normally operated in a single mode by passing a predetermined current between the first electrode 13 and the fourth electrode 14. 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.
半導体レーザ10をシングルモードでパルス発振させたときの共振器モードの一例を図8に示す。図8は、Fox−Liモード計算法によって計算した(図10も同様である)。光強度をグレースケールで表しており、白いほど光強度が大きいことを示している。また、レーザ光の光強度の角度依存性を測定した結果の一例を図9に示す。図9に示すように、0°の方向(対角線32abの方向)からの角度がほぼ等しい方向に、強度がほぼ等しい2つのレーザ光が出射された。2つのレーザ光の波長は約860nmであった。 An example of a resonator mode when the semiconductor laser 10 is pulse-oscillated in a single mode is shown in FIG. FIG. 8 was calculated by the Fox-Li mode calculation method (the same applies to FIG. 10). The light intensity is represented in gray scale, and the whiter the light intensity is. Moreover, an example of the result of measuring the angle dependency of the light intensity of the laser light is shown in FIG. As shown in FIG. 9, two laser beams having substantially the same intensity were emitted in directions in which the angles from the 0 ° direction (the direction of the diagonal line 32ab) were substantially equal. The wavelength of the two laser beams was about 860 nm.
一方、端面26aおよび端面26bの曲率半径Rが対角線32abの長さLに等しい半導体レーザの共振器モードの一例を図10に示す。また、上記と同様にレーザ光の光強度の角度依存性を測定した結果の一例を図11に示す。 On the other hand, FIG. 10 shows an example of a resonator mode of a semiconductor laser in which the radius of curvature R of the end face 26a and the end face 26b is equal to the length L of the diagonal line 32ab. Further, FIG. 11 shows an example of the result of measuring the angle dependency of the light intensity of the laser light in the same manner as described above.
図8〜図11から明らかなように、端面の曲率半径Rが対角線32abの長さLに等しいレーザ(共焦点型レーザ)は、端面の曲率半径R=L/2のレーザ(共心型レーザ)と比較して、広がり角の小さなビームを出射している。広がり角が小さいビームを用いることによって、測定誤差を小さくできるという利点がある。しかし、この場合、出射端面におけるにおけるビーム幅が小さいため、出射部の光密度が著しく高くなり、局所的に発熱することによって光出力が比較的早く低下してしまうという欠点がある。 As is apparent from FIGS. 8 to 11, a laser (confocal laser) having a radius of curvature R of the end face equal to the length L of the diagonal line 32ab is a laser having a radius of curvature R = L / 2 of the end face (a concentric laser). ) And a beam having a smaller divergence angle. By using a beam having a small divergence angle, there is an advantage that the measurement error can be reduced. However, in this case, since the beam width at the exit end face is small, the light density at the exit portion becomes extremely high, and there is a disadvantage that the light output decreases relatively quickly due to local heat generation.
これに対して、端面の曲率半径R=L/2のレーザは、広がり角が比較的大きなビームを出射している。そのため、この半導体レーザによれば、出射部における発熱を低減でき、光出力の低下を抑制できる。 On the other hand, a laser having a radius of curvature R = L / 2 at the end face emits a beam having a relatively large divergence angle. Therefore, according to this semiconductor laser, heat generation at the emitting portion can be reduced, and a decrease in light output can be suppressed.
上記2種類のレーザを、パルス電流(ハイレベル:500mA、ロウレベル:0mA、繰り返し周波数:1kHz)で15分間連続して駆動し、光出力の変化を測定した。このとき、パルス電流のデューティ比を変化させて測定を行った。図12のグラフの縦軸は、駆動開始直後の光出力を1としたときの、15分間駆動後の光出力である。図12の横軸はパルスのデューティ比であり、デューティ比が大きいほど連続発振の状態に近くなる。図12に示すように、R=Lのレーザはパルスのデューティ比が大きくなると光出力が劣化するが,R=L/2のレーザでは劣化は観測されなかった。なお、R=Lのレーザにおいて、パルスのデューティ比が50%の測定では、駆動開始とともに光出力が急速に低下したため15分間通電する前に観測を中止した。 The above two types of lasers were continuously driven with a pulse current (high level: 500 mA, low level: 0 mA, repetition frequency: 1 kHz) for 15 minutes, and changes in light output were measured. At this time, the measurement was performed by changing the duty ratio of the pulse current. The vertical axis of the graph of FIG. 12 represents the light output after driving for 15 minutes, where the light output immediately after the start of driving is 1. The horizontal axis of FIG. 12 is the pulse duty ratio, and the larger the duty ratio, the closer to the continuous oscillation state. As shown in FIG. 12, the optical output of the R = L laser deteriorates as the pulse duty ratio increases, but no deterioration was observed in the R = L / 2 laser. In the measurement of the pulse duty ratio of 50% in the laser with R = L, the observation was stopped before energization for 15 minutes because the light output decreased rapidly with the start of driving.
(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のレーザで干渉縞が形成された位置に配置された光検出器を備える。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 photodetector arranged at a position where interference fringes are formed by the first and second lasers. 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光検出器(受光素子)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 photodetector (light receiving element) 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26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複数個組み合わせて用いてもよい。3つの半導体レーザジャイロを用いることによって、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 26 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. A plurality of semiconductor laser gyros of the present invention may be used in combination. By using three semiconductor laser gyros, it is possible to calculate the rotational direction and rotational speed in all directions.
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13(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13(b)に示す。なお、図13(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. 13A shows a perspective view of the gyro 101 according to the first embodiment. FIG. 13B 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. 13A 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13(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. 13A, 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.
受光素子113aおよび113bは、図9に示したような干渉縞の移動方向および移動速度を検出するために、レーザ光が出射される第1の端面26a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 light receiving elements 113a and 113b are arranged close to the first end face 26a from which the laser light is emitted in order to detect the moving direction and moving speed of the interference fringes as shown in FIG. 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14(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14(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. 14A 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26a)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26a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 beam emitting portion (end surface 26a). The photodetector 116 is disposed at a position away from the end face 26a 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26a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 26a 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 of 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15(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15(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. Further, FIG. 15B shows 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16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17(a)に示し、主要部の斜視図を図17(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. 17A shows a perspective view of the gyro 104 according to the fourth embodiment, and FIG. 17B 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16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、公知の半導体製造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 in the manufacturing method of the semiconductor laser used with the gyro of this invention, It can manufacture with a well-known semiconductor manufacturing technique. 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18(a)〜(h)に、製造工程を模式的に示す。なお、図18(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。 18A to 18H schematically show the manufacturing process. 18A to 18H, the surface of the insulating layer 12 is hatched in order to facilitate understanding of the formation state of the insulating layer 12.
まず、図18(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、厚さ0.4μmの絶縁層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。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Si3N4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. 18A, a semiconductor layer 20a composed of a plurality of semiconductor layers and an insulating layer 12a having a thickness of 0.4 μm 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. Each layer constituting the semiconductor layer 20a can be formed by a general method, for example, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or a 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.
次に、図18(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26の形状にパターニングする。 Next, as shown in FIG. 18B, 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 26 shown in FIG.
次に、図18(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24の深さまでエッチングする。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26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. 18C, the resist film 151 is removed using the resist film 151 as a mask, after etching the insulating layer 12a, the semiconductor layer 20a, and part of the substrate 11. Etching is performed by RIE (Reactive Ion Etching), and etching is performed to at least the depth of the cladding layer 24. 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 26 shown in FIG. Further, the side surface of the semiconductor layer 20 functions as a mirror surface.
次に、図18(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. 18D, 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18(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. 18E, 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18(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(キャップ層29)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(キャップ層29)の表面を0.01μm〜0.02μm程度エッチングする。 Next, as illustrated in FIG. 18F, 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 (cap layer 29) in the through hole 152h is obtained so that good contact can be obtained between the semiconductor layer 20 (cap layer 29) and the first electrode 13. Is etched by about 0.01 μm to 0.02 μm.
次に、図18(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(キャップ層29)に接触する。 Next, as shown in FIG. 18G, 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 (cap layer 29) 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18(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. 18H, a plurality of metal layers are sequentially formed on the back surface 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.
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 gyro of the present invention can be applied to various devices that need to detect the 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.
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 バッファ層
23 グレーデッド層
24 クラッド層
25 グレーデッド層
26 活性層
26a〜26d (第1から第4の)端面
27 グレーデッド層
28 クラッド層
29 キャップ層
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
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
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 Buffer layer 23 Graded layer 24 Cladding layer 25 Graded Layer 26 active layer 26a to 26d (first to fourth) end face 27 graded layer 28 cladding layer 29 cap layer 31, 31a, 31b second region 32 rhombic path 32a to 32d (first to fourth) Corner 35 First laser light 36 Second laser light 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 151, 152 Resist Film L1, L2 Laser light
Claims (6)
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、
前記半導体レーザは、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菱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、
前記第1および第2のレーザ光はともに、前記経路の第1の角部から出射され、
前記第1の角部における前記活性層の端面が、所定の円柱の表面の一部と同じ曲面を有し、
前記円柱は、前記第1の角部から伸びる前記菱形の対角線を通るとともに前記菱形に対して垂直に伸びる中心軸を有し、
前記円柱の半径が、前記対角線の長さの0.4倍〜0.6倍の範囲に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;
The semiconductor laser includes an active layer 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 the rhombic 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,
Both the first and second laser beams are emitted from the first corner of the path,
The end surface of the active layer in the first corner has the same curved surface as a part of the surface of a predetermined cylinder,
The cylinder has a central axis that passes through the diagonal of the rhombus extending from the first corner and extends perpendicular to the rhombus,
A semiconductor laser gyro in which a radius of the cylinder is in a range of 0.4 to 0.6 times the length of the diagonal line.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004327360A JP2006138694A (en) | 2004-11-11 | 2004-11-11 | Semiconductor laser gyro |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004327360A JP2006138694A (en) | 2004-11-11 | 2004-11-11 | Semiconductor laser gyro |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006138694A true JP2006138694A (en) | 2006-06-01 |
Family
ID=36619618
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004327360A Pending JP2006138694A (en) | 2004-11-11 | 2004-11-11 | Semiconductor laser gyro |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006138694A (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0722675A (en) * | 1993-07-06 | 1995-01-24 | Honda Motor Co Ltd | Ring laser |
JP2000230831A (en) * | 1999-02-10 | 2000-08-22 | Canon Inc | Optical gyro |
JP2001124564A (en) * | 1999-10-25 | 2001-05-11 | Canon Inc | Optical gyro and method using the same for detecting rotation direction |
JP2004235339A (en) * | 2003-01-29 | 2004-08-19 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Semiconductor laser |
JP2005249547A (en) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Semiconductor laser gyro |
JP2006108641A (en) * | 2004-09-08 | 2006-04-20 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Semiconductor laser and semiconductor laser gyro using same |
-
2004
- 2004-11-11 JP JP2004327360A patent/JP2006138694A/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0722675A (en) * | 1993-07-06 | 1995-01-24 | Honda Motor Co Ltd | Ring laser |
JP2000230831A (en) * | 1999-02-10 | 2000-08-22 | Canon Inc | Optical gyro |
JP2001124564A (en) * | 1999-10-25 | 2001-05-11 | Canon Inc | Optical gyro and method using the same for detecting rotation direction |
JP2004235339A (en) * | 2003-01-29 | 2004-08-19 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Semiconductor laser |
JP2005249547A (en) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Semiconductor laser gyro |
JP2006108641A (en) * | 2004-09-08 | 2006-04-20 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Semiconductor laser and semiconductor laser gyro using same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101109908B1 (en) | Gyro employing semiconductor laser | |
US6937342B2 (en) | Monolithically integrated semiconductor unidirectional ring laser rotation sensor/gyroscope | |
JP3221576B2 (en) | Semiconductor laser gyro | |
KR20000053580A (en) | Gyro apparatus | |
EP1826531B1 (en) | Navigation Grade Gyroscope | |
JPS60148185A (en) | Semiconductor ring laser gyro | |
US7663763B2 (en) | Semiconductor solid-state laser gyro having a vertical structure | |
WO2014042049A1 (en) | Semiconductor ring laser apparatus | |
US10868406B2 (en) | Unidirectionally oscillating micro disk laser | |
JP2006108641A (en) | Semiconductor laser and semiconductor laser gyro using same | |
JP2009036650A (en) | Semiconductor ring laser gyro | |
JP2006242817A (en) | Semiconductor laser gyroscope | |
JP2006138694A (en) | Semiconductor laser gyro | |
JP3531919B2 (en) | Optical gyro, driving method thereof, and signal processing method | |
JP2007271354A (en) | Ring laser gyroscope | |
JP2009124046A (en) | Semiconductor laser element and semiconductor laser gyro | |
JP2006196844A (en) | Semiconductor laser gyro | |
JP2006200934A (en) | Semiconductor laser gyro | |
JP2008241385A (en) | Semiconductor laser gyro | |
JP2007071577A (en) | Optical gyroscope | |
JP2008002954A (en) | Optical gyroscope | |
US11385057B2 (en) | Extra thick ultraviolet durability coating | |
JP2000298024A (en) | Gyro | |
JP2001124564A (en) | Optical gyro and method using the same for detecting rotation direction | |
JP2511813B2 (en) | Optical fiber gyro with a light source having a broad spectrum |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20070529 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20091216 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20091222 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20100511 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |