JP2006196844A - 半導体レーザジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】 新規な構造の半導体レーザを用いた新規な半導体レーザジャイロを提供する。
【解決手段】 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１０は、基板１１と、基板１１上に積層された活性層２４と、活性層２４を挟むように配置された第１および第２のクラッド層２２および２６と、活性層２４にキャリアを注入するための電極とを備える。第１のレーザ光は、活性層２４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。クラッド層２２および２６は、活性層２４よりも屈折率が低い材料からなり、厚さが２μｍ以上である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザジャイロに関する。

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１１に示す。図１１の光ジャイロにおいて、干渉縞は、通常、以下の式（１）で表される。

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１１に示す角度であり、χは図１１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。

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。
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

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。

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た新規な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。

上記目的を達成するため、本発明の第１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、前記半導体レーザは、基板と、前記基板上に積層された活性層と、前記活性層を挟むように配置された第１および第２のクラッド層と、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、前記クラッド層は、前記活性層よりも屈折率が低い材料からなり、前記クラッド層の厚さが２μｍ以上である。

また、本発明の第２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、前記経路の前記第１の角部の反対側の第２の角部に対向するように配置された分布ブラッグ反射鏡をさらに備える。

本発明のレーザジャイロは、希ガスレーザに比べて、非常に小型で消費電力が少なく、熱に対する信頼性が高い。また、本発明の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るため、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。

また、本発明の第１のジャイロでは、クラッド層の厚さが２μｍ以上であるため、発振モードをより安定化できる。また、本発明の第２のジャイロでは、半導体レーザの出射端面とは反対側の端面に、分布ブラッグ反射鏡が形成されている。そのため、共振器内での光の損失を低減できる。

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。

（第１の半導体レーザジャイロ）
本発明の第１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、基板と、基板上に積層された活性層と、活性層を挟むように配置された第１および第２のクラッド層と、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。クラッド層は、活性層よりも屈折率が低い材料からなり、クラッド層の厚さは２μｍ以上である。

クラッド層は、レーザ光を共振器内に閉じ込めるための層である。共振器は、活性層を含む。なお、活性層の両側に光閉じ込め層が存在する場合には、クラッド層は光閉じ込め層の外側に配置される。この場合、屈折率は、活性層、光閉じ込め層、クラッド層の順に低くなる。

２次元的に広がる活性層（共振器）を用いた半導体レーザを安定に動作させるためには、発振モードを安定化させる必要がある。そのためには、レーザ光の電界分布が広がる領域をクラッド層内におさめる必要がある。このことは、基板が、屈折率が大きいＧａＡｓ基板（屈折率：約３．５）である場合に特に重要である。レーザ光の電界分布は、通常、片側１．５μｍ程度まで広がるため、クラッド層の厚さを２μｍ以上とすることによって、十分な効果が得られる。

上記第１の半導体レーザジャイロでは、上記多角形の経路は菱形の経路であり、活性層は、菱形の経路の第１、第２、第３および第４の角部に対応する位置に形成された第１、第２、第３および第４の端面を有し、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てもよい。

上記第１の半導体レーザジャイロでは、第２の端面に反射膜が形成されていてもよい。第２の端面に高反射率の反射膜を形成することによって、第２の端面におけるレーザ光の損失を低減できる。反射膜としては、公知の反射膜を用いることができ、たとえば、Ｓｉ層とＳｉＯ₂層とが交互に複数回積層された多層膜を用いることができる。

上記反射膜は、第２の端面側において、活性層からクラッド層までをカバーするように形成されていることが好ましい。これによって、レーザ光が広がる範囲を反射膜でカバーできる。そのよう反射膜を形成するためには、第２の端面側の半導体層を、クラッド層の端面全体が露出するようにエッチングする必要がある。そのため、活性層の下面から少なくとも２μｍ以上の深さまでエッチングする必要がある。また、エッチングによって平滑な端面を形成するため、エッチング深さは、活性層の下面から１０μｍ以内とすることが好ましい。

（第２の半導体レーザジャイロ）
本発明の第２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。このジャイロは、上記経路の第１の角部の反対側の第２の角部に対向するように配置された分布ブラッグ反射鏡をさらに備える。この半導体レーザジャイロでは、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）によって、第２の角部（第２の端面）におけるレーザ光の損失を低減できる。

上記第２の半導体レーザジャイロでは、分布ブラッグ反射鏡は、長さがｍ・（λ／４）の空気スペーサを介して隣接する、長さがｋ・（λ／４ｎ_eff）の複数の半導体層を含むことが好ましい。ただし、ｍは１以上の奇数であり、λは第１および第２のレーザ光の波長であり、ｋは１以上の奇数であり、ｎ_effは半導体層の実効屈折率である。この分布ブラッグ反射鏡は、半導体層と空気層とが交互に配置された構造を有する。

上記第２の半導体レーザでは、分布ブラッグ反射鏡を構成する半導体層（図６のコア層５１ａ）が、活性層よりもバンドギャップが大きい半導体からなることが好ましい。

（第１および第２の半導体レーザジャイロの共通事項）
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。活性層およびそれ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。

本発明の半導体レーザジャイロでは、活性層の平面形状が多角環状（多角形の環形状）では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にくい。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。

本発明の半導体レーザジャイロでは、上記多角形の経路は菱形の経路であり、活性層は、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。この場合、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、上記菱形の経路に沿って接触することが好ましい。

本発明の半導体レーザジャイロでは、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。

本発明の半導体レーザジャイロでは、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。

本発明の半導体レーザジャイロでは、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のレーザとが非平行である。

本発明の半導体レーザジャイロでは、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。

本発明の半導体レーザジャイロでは、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。

本発明の半導体レーザジャイロでは、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の領域とを含み、第１の領域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ことが好ましい。

本発明の半導体レーザジャイロでは、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が略Ｈ字状であることが好ましい。

本発明の半導体レーザジャイロでは、光検出器が複数の受光素子を備えることが好ましい。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。

本発明の半導体レーザジャイロでは、半導体レーザと受光素子とが、モノリシックに形成されていてもよい。

（半導体レーザの第１の例）
以下、本発明の第１の半導体レーザジャイロ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。

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。

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。

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の部分を斜線で示す。なお、半導体層２０は、活性層２４と同じ平面形状を有する。

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。

第２の端面２４ｂには、反射膜１５が形成されている。反射膜１５は、第２の端面２４ｂ側から、ＳｉＯ₂層／Ｓｉ層／ＳｉＯ₂層／Ｓｉ層／ＳｉＯ₂層／Ｓｉ層というように複数の層が積層された多層膜である。反射膜１５は、少なくともクラッド層２２からクラッド層２６まで（活性層２４から２つのクラッド層まで）をカバーするように形成される。そのため、端面２４ｂ側のエッチングは、少なくともクラッド層２２の下面よりも深くなるように行われる。

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。

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。

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２３および２５によって閉じこめられるため、それらの層内を移動する。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）。

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。

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。

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い。

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、多数キャリアの密度についても示す。

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。

バッファ層２１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。光閉じ込め層２３および２５は、活性層２４よりもバンドギャップが広く、屈折率が低い。クラッド層２２および２６は、光閉じ込め層２３および２５よりもバンドギャップが広く、屈折率が低い。

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２４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２４は、多重量子井戸形などの他の形態であってもよい。

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。そのような電極は、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。

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、半導体レーザ１０をシングルモードで動作させる。

半導体レーザ１０から出射された２つのレーザ光は、端面２４ａの近傍で重なるため、端面２４ａの近傍で規則正しい干渉縞（余弦波）を生じる。また、プリズムやレンズを用いることによって、端面２４ａから離れた位置で２つのレーザ光を重ね合わせることもできる。端面２４ａから離れた位置の方が干渉縞の観測が容易である。

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、サニャック効果（ｓａｇｎａｃ効果）によって、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。

（半導体レーザの第２の例）
以下、本発明の第２の半導体レーザジャイロで用いられる半導体レーザの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５に示し、図５の線VI−VIにおける断面図を図６に示す。図６において、絶縁層１２以外のハッチングは省略する。

図５の半導体レーザ１０ａは、図１の半導体レーザ１０とは異なり、反射膜１５の代わりに分布ブラッグ反射鏡（以下、「ＤＢＲ」という場合がある）を備える。

半導体レーザ１０ａは、基板１１と、基板１１上に形成された半導体層６０と、半導体層６０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。基板１１、絶縁層１２、および電極については、第１の例で説明したものと同じであるため、重複する説明は省略する。

層６０は、基板１１側から順に配置された、バッファ層６１、クラッド層６２、ＳＣＨ層（分離閉じ込め層）６３、層６４、層６５、ＳＣＨ層６６、活性層２４、ＳＣＨ層６８、クラッド層６９、およびコンタクト層７０を備える。活性層２４の平面形状および活性層２４内を進行する２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２については、第１の例で説明したものと同じであるため、重複する説明は省略する。

基板１１、半導体層６０、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２に示す。

図６に示すように、ＤＢＲ５０は、第２の端面２４ｂに対向するように配置される。ＤＢＲ５０は、第１の角部３２ａと第２の角部３２ｂとを結ぶ対角線３２ａｂ（図３参照）に直交するように配置された３つの半導体壁５１を含む。それぞれの半導体壁５１は、層６４側から順に積層された、コア層５１ａ、クラッド層５１ｂおよびキャップ層５１ｃを含み、第２の端面２４ｂには、コア層５１ａが対向している。コア層５１ａはＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層（厚さ０．３μｍ）であり、クラッド層５１ｂはＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層（厚さ３μｍ）であり、キャップ層５１ｃはＧａＡｓ層（厚さ０．２μｍ）である。

対角線３２ａｂの方向（図６の方向Ａ）における各コア層５１ａの長さは、ｋ・（λ／４ｎ_eff）である（ただし、ｋは１以上の奇数であり、λは第１および第２のレーザ光の波長であり、ｎ_effはコア層５１ａとクラッド層５１ｂとで形成される導波路の実効屈折率である。）。また、対角線３２ａｂの方向における隣接するコア層５１ａ間の間隔、すなわち空気スペーサの長さは、ｍ・（λ／４）である（ただし、ｍは１以上の奇数であり、λは第１および第２のレーザ光の波長である。）。端面２４ｂと、それに隣接するコア層５１ａとの間隔も、ｍ・（λ／４）である。隣接するコア層５１ａ間、および端面２４ｂとコア層５１ａとの間には、空気（空気スペーサ）が存在する。

波長λが８５０ｎｍでありｎ_effが３．２である場合、コア層５１ａの長さは、たとえば７λ／４ｎ_effで約４６５ｎｍである。また、コア層５１ａ間の空気スペーサの長さは、たとえば３λ／４で約６４０ｎｍである。

経路３２を進行する２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２は、活性層２４の端面２４ｂで反射される。半導体レーザ１０ａでは、ＤＢＲ５０が存在するため、端面２４ｂにおける損失を低減できる。

（半導体レーザジャイロ）
本発明の第１の半導体レーザジャイロの一例として、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ジャイロについて説明する。このジャイロ１０３の斜視図を図７（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７（ｂ）に示す。

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。なお、レーザ光の透過率が高い材料でプリズム１１７を形成してもよい。

ジャイロ１０３における２つのレーザ光の光路を図８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。

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。

図７の構成は一例であり、半導体レーザから出射される２つのレーザ光の干渉縞を観測できる構成である限り、本発明の半導体レーザジャイロの構成に特に限定はない。たとえば、プリズムを省略してレーザ光の出射端面近傍に光検出器を配置してもよい。また、プリズムの代わりにレンズを用いてもよい。また、光検出器は、半導体レーザと同じ基板上にモノリシックに形成してもよい。

なお、本発明の第２の半導体レーザジャイロの場合には、半導体レーザ１０の代わりに、上述した半導体レーザ１０ａを用いればよい。

（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。

図９（ａ）〜（ｈ）に、製造工程を模式的に示す。なお、図９（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。

まず、図９（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法、ガスソースＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＣＢＥ法で形成できる。絶縁層１２ａは、たとえばＳｉ_３Ｎ_４やＳｉＯ_２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。

次に、図９（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。

次に、図９（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、クラッド層２２の下面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２４の平面形状とほぼ同じになる。また、半導体層２０の側面はミラー面として機能する。

次に、図９（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。

次に、図９（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。

次に、図９（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。

次に、図９（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。

次に、端面２４ａおよび電極の部分をマスクまたはレジスト膜等でカバーした状態で、端面２４ｂ上に、反射膜１５を形成する。反射膜１５は、ａ−Ｓｉ層と、ＳｉＯ₂層とを交互に３ペア積層することによって形成する。これらの層は、たとえばプラズマＣＶＤ法で形成できる。

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。

次に、図９（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。

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。

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。

半導体レーザ１０ａを形成する場合、半導体層６０を形成したのち、ＳｉＮからなるマスク１６１を形成する。次に、半導体層６０の層６５（ｎ−ＩｎＧａＰ層）までを選択的にエッチングする。エッチングは、Ｈ₂ＳＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝３：１：１（体積比）となるようにそれらを混合したエッチング液で行う。次に、ＨＣｌ：Ｈ₃ＰＯ₄＝１：３（体積比）となるようにそれらを混合したエッチング液を用いて、層６５を除去し、図１０（ａ）に示す構造を形成する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、ＤＢＲ５０を形成するための層５１ａ〜５１ｃを層６４（ｎ−ＧａＡｓ層）上にＭＯＣＶＤ法などによって形成する。次に、フォトリソ・ドライエッチング工程によって、不要な部分を除去してＤＢＲ５０を形成する。次に、フォトリソ・リフトオフ工程によって、第１の電極１３を形成する。ＤＢＲ５０を形成する工程以外は、半導体レーザ１０と同様の方法で形成できる。なお、ＤＢＲ５０は、公知の他の方法で形成してもよい。以上のようにして、第２の半導体レーザジャイロの半導体レーザを形成できる。この半導体レーザと他の部材とを公知の方法で組み立てることによって、本発明のジャイロが得られる。

以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、本発明の技術的思想に基づき、他の実施形態に適用できる。

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。

本発明の第１の半導体レーザジャイロに用いられる半導体レーザの一例を模式的に示す斜視図である。 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。 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。 図１に示した半導体レーザの機能を説明する図である。 本発明の第２の半導体レーザジャイロに用いられる半導体レーザの一例を模式的に示す斜視図である。 図５に示した半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。 本発明の半導体レーザジャイロの一例を示す（ａ）一部分解斜視図および（ｂ）一部拡大図である。 図７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。 本発明の第１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。 本発明の第２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断面図である。 従来の光ジャイロの構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１０、１０ａ 半導体レーザ
１１ 基板
１２ 絶縁層
１２ｈ 貫通孔
１３ 第１の電極
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
２４ｆ 第１の領域
２４ｓ 第２の領域
２５ 光閉じ込め層
２６ クラッド層
２７ コンタクト層
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
５０ ＤＢＲ
５１ 半導体壁
５１ａコア層
５１ｂ クラッド層
５１ｃ キャップ層
１０３ 半導体レーザジャイロ
１１１ カバー
１１２ ステム
１１６ 光検出器
１１６ａ、１１６ｂ 受光素子
１１７ プリズム
１５１、１５２ レジスト膜
Ｌ１、Ｌ２ レーザ光

Claims (11)

1. 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、基板と、前記基板上に積層された活性層と、前記活性層を挟むように配置された第１および第２のクラッド層と、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、
   前記クラッド層は、前記活性層よりも屈折率が低い材料からなり、
   前記クラッド層の厚さが２μｍ以上である半導体レーザジャイロ。
2. 前記基板がＧａＡｓ基板である請求項１に記載の半導体レーザジャイロ。
3. 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、第２、第３および第４の角部に対応する位置に形成された第１、第２、第３および第４の端面を有し、
   対向する前記第１および第２の角部の内角は、前記第３および第４の角部の内角よりも角度が小さく、
   前記第１および第２のレーザ光はともに前記第１の角部に対応する位置に形成された前記第１の端面から出射される請求項１または２に記載の半導体レーザジャイロ。
4. 前記第２の端面に反射膜が形成されている請求項３に記載の半導体レーザジャイロ。
5. 前記反射膜は、前記第２の端面側において、前記活性層から前記クラッド層までをカバーするように形成されている請求項４に記載の半導体レーザジャイロ。
6. 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、
   前記経路の前記第１の角部の反対側の第２の角部に対向するように配置された分布ブラッグ反射鏡をさらに備える半導体レーザジャイロ。
7. 前記分布ブラッグ反射鏡は、長さがｍ・（λ／４）の空気スペーサを介して隣接する、長さがｋ・（λ／４ｎ_eff）の複数の半導体層を含む請求項６に記載の半導体レーザジャイロ。ただし、ｍは１以上の奇数であり、λは前記第１および第２のレーザ光の波長であり、ｋは１以上の奇数であり、ｎ_effは前記半導体層の実効屈折率である。
8. 前記半導体層は、前記活性層よりもバンドギャップが大きい半導体からなる請求項７に記載の半導体レーザジャイロ。
9. 前記活性層の平面形状が多角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ジャイロ。
10. 前記光検出器が複数の受光素子を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
11. 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１０に記載の半導体レーザジャイロ。

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