WO2005085759A1 - 半導体レーザを用いたジャイロ - Google Patents

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WO2005085759A1
WO2005085759A1 PCT/JP2005/003525 JP2005003525W WO2005085759A1 WO 2005085759 A1 WO2005085759 A1 WO 2005085759A1 JP 2005003525 W JP2005003525 W JP 2005003525W WO 2005085759 A1 WO2005085759 A1 WO 2005085759A1
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semiconductor laser
semiconductor
laser
layer
active layer
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PCT/JP2005/003525
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Takahisa Harayama
Takehiro Fukushima
Original Assignee
Advanced Telecommunications Research Institute International
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
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    • G01C19/66—Ring laser gyrometers

Definitions

  • the present invention relates to a gyro using a semiconductor laser.
  • an optical gyro has a feature of high accuracy.
  • angular velocity is detected using the frequency difference between two laser beams traveling in opposite directions along an annular optical path.
  • an optical gyro using a rare gas laser has been proposed (see, for example, JP-A-11-3511881).
  • laser beams circling in the same path in opposite directions are extracted to form interference fringes.
  • the general configuration of these optical gyros is shown in FIG. In the optical gyro of FIG. 16, the interference fringes are represented by the following equation (1).
  • I is the light intensity of the laser light
  • ⁇ is the wavelength of the laser light
  • ⁇ is the wavelength of the laser light
  • the percentage is the coordinate in the X direction shown in FIG.
  • ⁇ is the frequency difference between the clockwise mode and the counterclockwise mode when the gyro is rotated, and t is the time.
  • ⁇ is the area surrounding the ring shape, and L is the optical path length.
  • ⁇ indicates the initial phase difference between the two laser beams.
  • the rotation speed and the rotation direction of the gyro are detected by detecting the moving speed and the moving direction of the interference fringes.
  • the optical gyro using the rare gas laser has a problem that a high voltage is required for driving and consumes a large amount of power, and a problem that the device is large and weak against heat.
  • a gyro using a semiconductor ring laser provided with an annular (triangular annular or square annular) waveguide has been proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-2). No. 30831).
  • the semiconductor laser used in the gyro has an annular waveguide having a substantially constant width. Then, two laser lights circling in the annular waveguide in directions opposite to each other are taken out to detect the interference fringes.
  • it is difficult to accurately detect interference fringes because the laser light confined using a narrow waveguide spreads greatly when it is emitted to the outside of the waveguide.
  • a gyro that detects 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, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-174317). ), And a gyro that detects the beat frequency using evanescent light that exudes the end face force of the resonator (see, for example, JP-A-2000-121367).
  • the present invention provides 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 of the purposes is to provide
  • the present inventors have found that a special laser beam can be excited by a semiconductor laser having a special structure.
  • this semiconductor laser two laser beams traveling in opposite directions along a diamond-shaped path are excited. These two laser beams are emitted to the outside of the semiconductor laser in a well collimated state, and form clear interference fringes.
  • the present invention is based on this new finding.
  • a semiconductor laser gyro (or semiconductor laser gyro element) of 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 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 light is a laser light in which a part of a laser light (L1) orbiting on a polygonal path in the active layer is emitted, and the second laser light is Around the path in the opposite direction to the laser light (L1) A part of the rotating laser light (L2) is the emitted laser light.
  • a highly accurate and small semiconductor laser gyro can be realized.
  • a semiconductor laser having a special structure is used. From this semiconductor laser, two laser beams that travel in an annular optical path in opposite directions are emitted in a well-collimated state. Further, in this semiconductor laser, deterioration of laser light on the emission end face is small. Therefore, clear interference fringes are formed by the two laser beams, and the rotational speed (angular velocity) 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. A circuit similar to a circuit used in a conventional optical gyro using a rare gas laser can be applied to these detections, so that the gyro of the present invention can be easily applied to various devices.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing one example of a semiconductor laser used in a semiconductor laser gyro of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor laser shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a planar shape of an active layer of the semiconductor laser shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating functions of the semiconductor laser shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a band gap profile of a semiconductor layer of the semiconductor laser shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a view schematically showing a refractive index near an active layer of the semiconductor laser shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a plan view schematically showing an example of a first electrode.
  • FIG. 8 is a diagram showing angle dependence of light intensity of laser light emitted from the semiconductor laser shown in FIG. 1.
  • FIG. 9 is a view showing interference fringes formed by two laser beams emitted from the semiconductor laser shown in FIG. 1.
  • FIG. 10A is an overall oblique view schematically showing an example of the semiconductor laser gyro of the present invention.
  • FIG. 10B is a perspective view of a main part of FIG. 10A.
  • FIG. 11A is an overall perspective view schematically showing another example of the semiconductor laser gyro of the present invention.
  • FIG. 11B is a perspective view of a main part of FIG. 11A.
  • FIG. 12A is an overall perspective view schematically showing another example of the semiconductor laser gyro of the present invention.
  • FIG. 12B is a perspective view of a main part of FIG. 12A.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an optical path of laser light in the semiconductor laser gyro shown in FIG.
  • FIG. 14A is an overall perspective view schematically showing another example of the semiconductor laser gyro of the present invention.
  • FIG. 14B is a perspective view of a main part of FIG. 14A.
  • FIG. 15 is a perspective view schematically showing one example of a manufacturing process of a semiconductor laser used in the semiconductor laser gyro of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional optical gyro.
  • semiconductor laser gyro semiconductor laser gyro element
  • semiconductor laser gyro element semiconductor laser gyro element
  • a 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 interference fringes are 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 from which a part of the laser beam (L1) orbiting on a polygonal path in the active layer is emitted
  • the second laser beam is a laser beam on the path.
  • a part of the laser light (L2) circulating in the opposite direction to the light (L1) is emitted laser light.
  • the planar shape of the active layer is a shape that includes the polygon such that the corners of the path of the polygon are located at the outer edges.
  • a current is injected into the active layer, light is generated, and this light is reflected at the end face of the active layer and causes stimulated emission.
  • laser beams L1 and L2 that stably circulate a specific path are excited.
  • the active layer functions as a resonator (cavity).
  • the end face of the active layer functioning as a resonator is formed such that the generated light goes around a path having a predetermined shape.
  • the active layer when exciting a laser beam orbiting a diamond-shaped path, the active layer has end faces (side faces) at positions corresponding to each of the four corners of the path (virtual diamond).
  • the active layer and the cladding layer sandwiching the active layer are usually uniform layers, and a waveguide having a constant width corresponding to the above-mentioned path is not formed.
  • the shape of the polygonal path can be changed depending on the shape of the active layer.
  • the preferred shape of the polygonal path is a rhombus, but may be other squares or triangles.
  • the active layer of the semiconductor laser preferably has an annular (polygonal annular) planar shape.
  • the laser light confined in the annular thin waveguide spreads when emitted, so that clear interference fringes are not formed. Therefore, the planar shape of the active layer is preferably not substantially annular.
  • carriers can be injected into the active layer to obtain a laser beam in a specific mode using the active layer as a resonator, specifically, a laser beam circulating in the active layer. it can.
  • Laser light emitted from such an active layer is well collimated, and the half-width of the laser light intensity can be reduced to 10 ° or less (eg, 5 ° or less).
  • the active layer is not substantially annular, that is, an active layer in which a waveguide having a substantially constant width is not annularly formed.
  • the “planar shape” means the shape shown in FIG. 3, that is, the shape in the direction perpendicular to the laminating direction of the semiconductor layers.
  • the planar shape force of the cavity (active layer) is a triangular or square annular shape corresponding to the laser light path. It is.
  • the planar shape of the active layer of the present invention is two-dimensionally spread so as to include a path of the laser beam which is not a polygonal ring.
  • the polygonal path is a rhombic path
  • the active layer has first to fourth end faces formed at positions corresponding to first to fourth corners of the rhombic path. Is preferred. That is, on the first to fourth end faces, respectively, the first to fourth corners of the diamond-shaped path are provided. Is located.
  • the laser beam (L1) is a laser beam that circulates on the rhombic route
  • the laser beam (L2) is a laser beam that circulates on the rhombic route in the opposite direction to the laser beam (L1). Light.
  • At least one selected electrode and a semiconductor layer forming the semiconductor laser contact each other along the diamond-shaped path (polygonal path). Current is injected through the area of contact. According to this configuration, carriers can be injected into the above-described diamond-shaped path portion of the active layer, and two laser lights (L1 and L2) orbiting the diamond-shaped path are easily excited.
  • the at least one electrode contacts the semiconductor layer substantially corresponding to a diamond-shaped path (polygonal path). In these cases, the at least one electrode and the semiconductor layer may be in annular contact with each other.
  • substantially correspond to the rhombic route means that the route corresponds to the rhombic route completely, and in addition to 50% or more (preferably, 70% or less) of the rhombic route. Above, more preferably 90% or more).
  • ring-like contact means that the contact area does not have to be a completely continuous ring as long as the contact area substantially forms a ring! .
  • the area of the region corresponding to the rhombic path is usually 50% or less, for example, 30% or less with respect to the area of the planar shape of the active layer.
  • At least one electrode selected includes a first portion for injecting a current at which a gain is generated, and a second portion for injecting a smaller current than the first portion. May be included.
  • a current required for laser oscillation is injected.
  • the laser light traveling in a direction other than the rhombus-shaped optical path can be attenuated by injecting a current as weakly as possible without generating a gain.
  • the interior angles of the opposing first and second corners of the rhombus path are smaller than the interior angles of the third and fourth corners. It is also preferable that the first end face force formed at a position corresponding to the corner portion is also emitted. More specifically, the first and second laser beams are preferably emitted from one longitudinal end of the active layer functioning as a cavity. A diagonal line connecting the first corner and the second corner is not parallel to the first and second lasers.
  • the active layer preferably satisfies the condition that the laser light (L1) and the laser light (L2) are totally reflected at the third and fourth end faces.
  • the first to fourth end surfaces function as mirror surfaces, but the laser oscillation threshold value can be reduced by totally reflecting the laser light at the third and fourth end surfaces.
  • the angle between the third and fourth end faces and the laser light (L1 and L2) incident thereon should be set to an angle equal to or less than a certain angle. Just fine.
  • the angle required for total reflection is easily derived from the wavelength of the laser beam and the refractive index of the active layer.
  • the angle between the end face of the active layer and the laser beam can be adjusted by changing the shape of the diamond-shaped path, that is, by changing the planar shape of the active layer.
  • the preferred shape differs depending on the wavelength of the laser beam and the material of the active layer, the distance between the first corner and the second corner (the length of the longer diagonal of the diamond) and the distance between the third corner and the third corner are different.
  • the ratio to the distance connecting the four corners is, for example, in the range of 600: 190—600: 30.
  • the first end surface is a mirror surface, and is usually not subjected to a mirror coating process or the like so that a part of the laser light circulating in a certain active layer is emitted to the outside.
  • the first end face may be subjected to a process for facilitating the emission of laser light to the outside.
  • the end face of the active layer at the second corner is subjected to mirror coating.
  • the first end surface of the active layer is preferably a curved surface.
  • each of the first and second end surfaces is a curved surface that is convex outward. According to this configuration, it is possible to stably generate a laser beam orbiting the diamond-shaped path and emit the first and second laser beams stably with the first end face force.
  • the two outwardly convex curved surfaces are preferably the same curved surfaces as a part of a virtual cylinder having a center on a diagonal line connecting the first and second corners of the rhombic path.
  • At least one of the first and second end face forces, which is also selected, may be a flat surface or an inwardly convex curved surface.
  • the radius of the above-described cylinder that is, the radius of curvature R1 of the first end surface and the radius of curvature R2 of the second end surface are both equal to or greater than the distance L between the first corner portion and the second corner portion. It is preferable that According to this configuration, the laser beams (L1 and L2) orbiting the diamond-shaped optical path can be excited stably.
  • the upper limit of R1 and R2 is not particularly limited, but is, for example, not more than twice the distance L.
  • the active layer preferably includes a first region including a rhombic path, and a second region adjacent to the first region.
  • the planar shape of the first region is preferably a substantially rectangular shape, and more specifically, a shape in which the short side of the rectangle is a curved surface that is convex outward.
  • a laser beam that travels along a rhombic optical path with the first region as a resonator is excited.
  • laser light traveling in a direction other than the rhombic path can be attenuated by the second region.
  • the planar shape of the active layer formed by the first region and the second region is preferably substantially H-shaped (more specifically, a shape obtained by extending H horizontally) (FIG. 3). reference).
  • four second regions are adjacent to the first region.
  • the length Ls (m) of the second region in a 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 (m) preferably satisfies LZ4 and Ls.
  • the length Ws (see FIG. 3) of the second region in a direction parallel to a diagonal line connecting the third corner and the fourth corner is, for example, the third corner and the fourth corner. And the distance between them is one to three times W.
  • the semiconductor constituting the semiconductor laser of the present invention and the laminated structure are not particularly limited, and are selected according to the wavelength of laser light to be used and the like. There is no particular limitation on the wavelength of the laser light (L1 and L2), but the shorter the wavelength, the more accurate the angular velocity of rotation can be detected.
  • the preferred wavelength is 1550 nm or less, particularly preferably 900 nm or less.
  • a III-V compound semiconductor is given as an example of the material of the semiconductor layer.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an example of the semiconductor laser
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along line II in FIG.
  • the drawings used in the description of the present invention are schematic, and the scale of each part is changed for easy understanding.
  • the semiconductor laser 10 shown in FIG. 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 a second electrode 14 formed on the entire surface on the rear surface side of the second electrode.
  • semiconductor layer 20 includes buffer layer 21, buffer layer 22, graded layer 23, clad layer 24, graded layer 25, active layer 26, graded layer 27, clad layer 28 and cap layer 29.
  • One insulating layer 12 is formed on top of the cap layer 29, One insulating layer 12 is formed.
  • a first electrode 13 is formed on the insulating layer 12. Since a through hole is formed in the insulating layer 12, the first electrode 13 and the cap layer 29 are in contact with each other in a region 31 where the through hole is formed.
  • FIGS. 3 and 4 show plan shapes of the active layer 26 of the semiconductor laser 10 when the upward force is also viewed.
  • a portion of a region 31 where the first electrode 13 and the semiconductor layer 20 (cap layer 29) are in contact is shown by oblique lines. Note that the semiconductor layer 20 has the same planar shape as the active layer 26.
  • active layer 26 is a thin film formed in a planar shape including rhombic paths 32. Of the first to fourth corners 32a-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 the corners 32a to 32d.
  • the first and second end surfaces 26a and 26b are curved surfaces convex outward.
  • the third and fourth end surfaces 26c and 26d are flat planes.
  • the active layer 26 has a first region 26 ⁇ 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 that is convex outward.
  • the path 32 is formed in the first region 26f.
  • the active layer 26 composed of the first region 26f and the second region 26s has a substantially H-shaped shape (more specifically, a shape in which the H-shape is extended laterally).
  • a region 31 where first electrode 13 and cap layer 29 are in contact is formed in a substantially rhombic shape so as to correspond to path 32.
  • the reason that the region 31 does not completely correspond to the path 32 is that there is a limitation in a manufacturing process when a through hole is formed in the insulating layer 12. Although it is possible to form the area 31 in a diamond shape by a known method so as to completely correspond to the path 32, the manufacturing process becomes complicated.
  • the end face 26b is mirror-coated with a dielectric multilayer film.
  • the distance L (see FIG. 3) between the first corner 32a and the second corner 32b is 600 ⁇ m, and the distance between the third corner 32c and the fourth corner 32d. W is 60 ⁇ m.
  • the laser beams (L1 and L2) are totally reflected at the end faces 26c and 26d.
  • the four second regions 26s are formed in order to suppress the mode generated by the multiple reflection of the laser light generated in the first region 26f on the end surfaces 26c and 26d.
  • the length Ls (see FIG. 3) of the second region 26s in the direction parallel to the diagonal line 32ab connecting the first corner 32a and the second corner 32b is 160 / zm. is there.
  • LZ4 is 15 O / zm, and Ls is satisfied, so that 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 32c and the fourth corner 32d is 70 ⁇ m.
  • the shapes of the end faces 26a and 26b are each a part of the curved surface of the cylinder. Specifically, it has the same shape as a part of a curved surface of a cylinder having a central axis disposed on a diagonal line 32ab and perpendicular to the surface of the active layer 26.
  • the radius of the cylinder that is, the radius of curvature R 1 (see FIG. 3) of the end face 26a is 600 ⁇ m, and the radius of curvature R2 (not shown) of the end face 26b is also 600 ⁇ m.
  • the semiconductor laser 10 has a shape symmetrical with respect to the diagonal line 32ab and the diagonal line 32cd. It is a symmetric shape.
  • the semiconductor laser of the present invention does not necessarily have to have a line symmetrical shape.
  • the end face 26b may be a curved face having a different curvature from the end face 26a, or may be a flat curved face which may be a flat face. It may be.
  • Table 1 shows materials and thicknesses of the substrate 11, the semiconductor layer 20, the insulating layer 12, the first electrode 13, and the second electrode 14. Table 1 also shows bandgap Eg, majority carriers and their concentrations for some semiconductor layers.
  • Insulating layer 1 2 Si 3 N 4 or Si0 2 0.4 - - capping layer 29 Be de one doped p-type GaAs 0.2 1 .41 hole: 1 10 19 cladding layer 28 Be de one doped p-type AI 0 5 Ga 0. 5 As 1.5 2.0 Holes: 10 18 Graded layer 27 Be doped p-type Al x Ga 1 -x As 0.202
  • Cladding layer 24 Si-doped n-type AI. 5 Ga. 5 As 1.5 2.0 electron: 10 18 graded layer 23 Si-doped n-type AlxGa ⁇ As 0.2 electron: 10 18
  • Each of the layers constituting the first electrode 13 and the second electrode 14 may be alloyed by heat treatment. Further, the configuration shown in Table 1 is an example, and may be changed as appropriate according to the characteristics required for the semiconductor laser.
  • the buffer layers 21 and 22 and the graded layer 23 are formed in order to obtain a high-quality group III-V compound semiconductor crystal.
  • 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 yarn 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.
  • 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.
  • the composition ratio X of aluminum in the graded layer 25 and the force on the cladding layer 24 also decrease in a parabolic manner toward the active layer 26. 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.
  • the concentration of Be as a dopant was It gradually increases toward the layer 28 side. Specifically, it is about 1 ⁇ 10 ′′ 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.
  • the A1 of the graded layer 27 The composition ratio X and the power of the active layer 26 also increase in a parabolic manner toward the cladding layer 28. Specifically, the composition ratio X is 0.2 at the interface with the active layer 26, and It is 0.5 at the interface with 28.
  • FIG. 5 schematically shows a band gap profile of the semiconductor layer 20.
  • the band gap of the graded layer 25 decreases parabolically from the cladding layer 24 to the active layer 26 side to 1.7 eV from 2. OeV force.
  • the band gap of the graded layer 27 increases parabolically from 1.7 eV to 2. OeV from the active layer 26 toward the cladding layer 28 side.
  • 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 starts at a low threshold current.
  • the active layer 26 may have another form such as a multiple quantum well type.
  • FIG. 6 schematically shows a change in the refractive index from the cladding layer 24 to the cladding layer 28.
  • the cladding layer 24, the graded layer 25, the graded layer 27, and the cladding layer 28 also have a material power whose refractive index is lower than that of the active layer 26 in order to confine light in the active layer 26. Since the active layer 26 has the highest refractive index, light generated in the active layer 26 is mainly confined in the active layer 26.
  • the first electrode 13 of the semiconductor laser 10 may include a first portion for injecting a current at which a gain is generated, and a second portion for injecting a smaller current than the first portion.
  • FIG. 7 shows the relationship between the shape of the region where such an electrode contacts the semiconductor layer 20 (cap layer 29), the planar shape of the active layer 26, and the path 32.
  • a region 3 la where the first portion contacts the cap layer 29 and a region 3 lb where the second portion 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.
  • the semiconductor laser 10 starts single-mode oscillation when the injected current exceeds the threshold current. Then, as the injected current further increases from the threshold current, the mode of oscillation changes in the order of single mode, twin mode, and locking mode.
  • the single mode the first and second laser beams 35 and 36 are emitted as shown in FIG. Fired.
  • twin mode two laser beams are emitted alternately periodically.
  • the locking mode only one of the two laser beams is emitted. Therefore, in the present invention, the semiconductor laser 10 is usually operated in the single mode. Specifically, for example, a laser may be oscillated by flowing a current of 200 mA between the first electrode 13 and the fourth electrode 14. In the gyro of the present invention, a special function may be provided by utilizing the fact that the mode of oscillation can be changed by the injected current.
  • FIG. 8 shows the results of measuring the angle dependence of the light intensity of the laser light when the semiconductor laser 10 is oscillated in the single mode at a distance of about 300 mm from the first end face 26a.
  • two laser beams having substantially the same intensity were emitted in a direction in which the angles from the 0 ° direction (the direction of the diagonal line 32ab) were substantially the same.
  • the wavelengths of the two laser beams were 862 nm.
  • the half width of the intensities of the two laser beams was 4.2 °.
  • the angle between the two laser beams and the direction of the diagonal line 32ab was about 19.2 °.
  • the semiconductor laser 10 emitted two well-collimated laser beams having almost the same intensity in the direction symmetric with respect to the diagonal 32ab.
  • the angle ⁇ formed by the diagonal line 32ab and the first laser light (or the second laser light) is generally considered to be represented by the following equation (2).
  • N is the effective refractive index of the cladding layer 24—the cladding layer 28 for confining light,
  • the emission angles of the first and second laser beams 35 and 36 can be controlled by changing the refractive index of the active layer and the ratio between L and W.
  • the gyro of the present invention includes a photodetector arranged at a position where interference fringes are formed by the i-th and second lasers.
  • the photodetector is not particularly limited as long as it can detect the movement of interference fringes.
  • 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 fringe.
  • the interference fringes move, the amount of light input to the photodetector periodically changes, so that the moving speed of the interference fringes can be calculated.
  • 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 the rotating speed of the semiconductor laser gyro can be calculated.
  • the semiconductor laser and the photodetector may be formed monolithically.
  • the semiconductor laser and the photodetector for example, a photodiode
  • the semiconductor laser and the photodetector can be formed simultaneously in a series of processes for manufacturing a semiconductor device. Therefore, manufacture is easy, and the semiconductor laser and the photodetector can be formed in an accurate arrangement.
  • the gyro of the present invention may further include a lens.
  • the photodetector is arranged at a position where interference fringes are formed by the first and second laser beams transmitted through the lens.
  • the semiconductor layer of the semiconductor laser and the lens may have the same laminated structure.
  • the lens in this case is, for example, a lens having a semicircular planar shape, and a portion functioning as a lens has the same semiconductor power as the active layer of the semiconductor laser. Therefore, the light incident on the lens is absorbed and attenuated by the lens having the semiconductor power. In order to suppress such attenuation, a current may be applied to the stacked semiconductor layers constituting the lens.
  • the semiconductor laser and the lens, including the electrodes must have exactly the same laminated structure. It is desirable that the flowing current is smaller than the current that causes laser oscillation. By flowing a current, light attenuation due to 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, for example, silicon oxide. So Even in this case, the manufacturing process can monolithically form the power lens and the semiconductor laser by a known method.
  • the gyro of the present invention may further include a prism.
  • the photodetector is arranged at a position where interference fringes are formed by the first and second laser beams transmitted through the 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 laminated 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 laminated structure. According to this configuration, the photodetector and the Z or prism can be formed in a series of processes for manufacturing a semiconductor laser.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser is incident on the semiconductor prism and attenuated.
  • a current may be supplied to the stacked semiconductor layers forming the prism.
  • the semiconductor laser and the prism including the electrodes may have exactly the same laminated structure. It is desirable that the flowing current is smaller than the current that causes laser oscillation. By flowing the current, the attenuation of light by the prism can be suppressed.
  • the prism may be formed of a material that absorbs less laser light, for example, silicon oxide. Even in that case, the manufacturing process can increase the number of force prisms and semiconductor lasers to be monolithic by a known method.
  • the principle of the semiconductor laser gyro of the present invention utilizing the Sagnac effect will be briefly described.
  • the time required for the laser light L1 and the laser light L2 to make one round of the optical path of the path 32 changes. Since the speed of light is constant, when the semiconductor laser 10 rotates, a frequency difference occurs between the laser light L1 and the laser light L2, and the interference fringes move at a speed corresponding to the frequency difference. Interference fringe The moving direction changes according to the rotation direction of the semiconductor laser 10.
  • the rotational speed (angular velocity) 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 active layer 26 can be calculated.
  • 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.
  • the semiconductor laser gyro of the present invention will be described with reference to examples.
  • the first electrode 13 is the electrode shown in FIG. 7.
  • the first electrode 13 may be the electrode shown in FIGS. 1 and 4.
  • Embodiment 1 describes an example of a semiconductor laser gyro in which a semiconductor laser and a photodetector are formed monolithically.
  • FIG. 10A is a perspective view of the gyro 101 according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is 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. Note that FIG. 10A shows a state in which a part of the cover 111 is cut and the inside is opened! /, (The same applies to the following figure).
  • the main part of gyro 101 is packaged by cover 111 and stem 112 (so-called CAN package).
  • the gyro 101 includes a stem 112 and a substrate 11 arranged 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 other one of the five electrodes is a ground electrode paired with the above four electrodes.
  • the connection method of the electrodes 114 is an example, and the present invention is not limited to this.
  • the diameter of the circular stem 112 is not limited, but the size determined by the standard, such as The diameter can be 5.6 mm.
  • the light receiving elements 113a and 113b are photodiodes and have the same laminated structure as the semiconductor laser 10.
  • the light receiving elements 113a and 113b are formed together with the semiconductor laser 10 in a manufacturing process for forming the semiconductor laser 10.
  • Light receiving elements 113a and 113b are arranged close to first end face 26a from which laser light is emitted in order to detect the moving direction and moving speed of the interference fringes as shown in FIG.
  • the size of the light receiving area of the photodetector is determined in consideration of the cycle length of the interference fringes and the light receiving sensitivity of the photodetector. Usually, it is preferable that the size of the light receiving area is about one fifth or less of the period length of the interference fringes.
  • the semiconductor laser gyro 101 of the first embodiment has an advantage that no optical element such as a prism or a lens is required. On the other hand, to obtain the semiconductor laser gyro 101, it is necessary to form fine light receiving elements 113a and 113b.
  • FIG. 11A is a perspective view of the gyro 102 according to the second embodiment.
  • FIG. 11B is a perspective view of the semiconductor laser 10 used in the gyro 102.
  • the gyro 102 includes the semiconductor laser 10, a spherical lens 115, and a photodetector 116.
  • the photodetector 116 is a two-channel photodetector having two light receiving elements. Gyro 1
  • the 02 has five electrodes 114.
  • the electrode 114 is connected similarly to the gyro 101.
  • the spherical lens 115 is arranged so that its focal point is located near the laser beam emission part (end face 26a). Further, the photodetector 116 is disposed at a position apart 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.
  • 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.
  • the use of the spherical lens 115 can increase the period length of the interference fringes, so that the gyro 102 can accurately measure the movement of the interference fringes.
  • the spherical lens 115 is not limited to a spherical shape, but may have another shape such as a thin film.
  • a thin-film lens having a semicircular planar shape may be used.
  • a lens material use a transparent material such as SiO.
  • the semiconductor layer of the semiconductor laser and the lens may have the same laminated structure.
  • FIG. 12A is a perspective view of a gyro 103 according to the third embodiment.
  • FIG. 12B is a perspective view of the substrate 11 on which the semiconductor laser 10 and the prism 117 are formed.
  • the gyro 103 includes a stem 112, a semiconductor laser 10 and a two-channel photodetector 116 disposed on the stem 112, and a prism 117 formed on the substrate 11.
  • the prism 117 has the same laminated 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 at the same time when the semiconductor layer 20 is formed.
  • FIG. 13 schematically shows the optical paths of the two laser beams in the gyro 103.
  • the two laser beams emitted from the semiconductor laser 10 are superimposed on each other by the prism 117 to generate interference fringes.
  • the movement of the interference fringes is observed by the two light receiving elements 116a and 116b of the photodetector 116.
  • the interference fringes move in the direction of the arrow at a speed corresponding to the rotation speed of the gyro 103.
  • the moving direction of the interference fringes changes according to the rotation direction of the gyro 103.
  • 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 ° (0.5 ⁇ radian). Assuming that the angle is (0.5 ⁇ + ⁇ ) radians, ⁇ is preferably 0.5 radians or less.
  • FIG. 14A is a perspective view of the gyro 104 according to the fourth embodiment
  • FIG. 14B is a perspective view of a main part.
  • the semiconductor laser 10, the prism 117, the photodetector 113 (the light receiving elements 113a and 113b) Is monolithically formed on the substrate 11.
  • an interference fringe is formed by two laser beams traveling in the same optical path as in FIG.
  • 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 laminated structure. Since these can be formed simultaneously in the process of forming the semiconductor layer 20, the manufacture is easy. In addition, since they can be formed by a semiconductor process, they can be formed in accurate positions and shapes. It is to be noted that only the prism 117 can be formed of another material, for example, SiO.
  • the semiconductor laser used in the gyro of the present invention can be manufactured by a known semiconductor manufacturing technique without limitation. Further, 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.
  • FIG. 15 (a)-(h) schematically shows the manufacturing process. 15A to 15H, the surface of the insulating layer 12 is hatched to facilitate understanding of the state of formation of the insulating layer 12.
  • a semiconductor layer 20a composed of a plurality of semiconductor layers and an insulating layer 12a having a thickness of 0.4 m 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, SiN or SiO.
  • the insulating layer 12a can be formed by a method such as a sputtering method or a CVD method.
  • a patterned resist film 151 is formed on the insulating layer 12a.
  • the resist film 151 is patterned in the shape of the active layer 26 shown in FIG.
  • the insulating layer 12a, the semiconductor layer 20a, and a part of the substrate 11 are etched, and then the resist film 151 is removed.
  • the etching is performed by the RIE (Reactive Ion Etching) method, and the 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.
  • the etching is performed under such conditions that the verticality and the smoothness of the side surface of the semiconductor layer 20 are improved. Such conditions are commonly employed in semiconductor manufacturing processes. It is. Due to the 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.
  • a substantially rhombic 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.
  • a resist film 152 is formed so as to cover the entire surface of the substrate 11.
  • the resist film 152 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 preferably has a two-layer strength of a resist layer 152a and a resist layer 152b.
  • the resist film 152 can be formed by applying the resist layer 152a over the entire surface of the substrate 11 to fill the steps, and then applying the resist layer 152b. According to this method, the resist film 152 having high surface flatness can be formed.
  • the resist film 152 is patterned to form through holes 152h 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.
  • the surface of the semiconductor layer 20 (cap layer 29) in the through-hole 152h is so formed that a good contact is obtained between the semiconductor layer 20 (cap layer 29) and the first electrode 13. Is etched to about 0.01 ⁇ m—0.02 ⁇ m.
  • 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 forming the first electrode 13 are sequentially formed by an electron beam method. After that, the resist film 152 is removed with acetone. Thus, 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) via a through hole 12h formed in the insulating layer 12.
  • the thickness of the substrate 11 is set to 100 to 150 ⁇ m in order to facilitate cleavage of the substrate 11. It is preferable to polish the back surface of the.
  • a plurality of metal layers are sequentially formed on the back surface side of the substrate 11 by a vapor deposition method to form the second electrode 14.
  • the first electrode 13 and the second electrode 14 are configured.
  • Heat treatment at 400-450 ° C to alloy the resulting metal layer.
  • the substrate 11 is cleaved for each semiconductor laser.
  • the semiconductor laser 10 is formed.
  • the resist films 151 and 152 are formed so as to correspond to the portion forming the semiconductor laser and the portion forming the photodiode. Just putter jung.
  • the resist film 151 is patterned to correspond to the portion where the semiconductor laser is formed and the portion where the prism is formed. Just fine.
  • optical elements and electronic components other than the photodetector and the prism may be formed on the substrate 11.
  • a driver circuit for driving a semiconductor laser or a circuit for processing a signal output from a photodetector may be formed.
  • a known technique used for a conventional gyro may be further applied to the semiconductor laser gyro of the present invention.
  • the semiconductor laser gyro of the present invention can be applied to various devices that need to detect rotation of an object. As a typical example, it can be used for a posture control device, a navigation device, and a camera shake correction device. Specifically, the gyro of the present invention can be used for an aircraft such as a rocket and an airplane, and a transportation means such as an automobile and a motorcycle. In addition, the gyro of the present invention can be used for portable information terminals such as mobile phones and small personal computers, toys, cameras, and the like, taking advantage of the fact that the gyro is ultra-small and easy to handle.

Landscapes

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Abstract

　第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザ１０と光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、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いる。半導体レーザ１０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１３および１４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。  

Description

半導体レーザを用いたジャイロ 技術分野
[0001] 本発明は、半導体レーザを用いたジャイロに関する。
背景技術
[0002] 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 一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（たとえば特開平 11— 351881号公報参 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 16に示す。図 1 6の光ジャイロにおいて、干渉縞は、以下の式（1)で表される。
[0003] [数 1]
Figure imgf000003_0001
[0004] ここで、 I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 16
0
に示す角度であり、％は図 16に示す X方向の座標である。 Δ ω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 。 Δ ω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、 Δ ω =4AQ Z (L λ )である。ここで、 Αはリング形状の囲む面積であり、 Lは光路長である。 φは、 2つ のレーザ光の初期の位相差を示す。このジャイロでは、干渉縞の移動速度および移 動方向を検出することによって、ジャイロの回転速度および回転方向が検出される。 しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大き いという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
[0005] このような課題を解決するジャイロとして、環状 (三角環状や四角環状)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（たとえば特開 2000— 2 30831号公報参照）。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。し力しながら、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 つてしまうため、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（たとえば特開平 4-174317号公報参照)や、共振器の端面力も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（たとえば特開 2000— 121367号公報参照）が一般 的である。
[0006] し力しながら、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。
発明の開示
[0007] 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つ 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。
[0008] 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 一ザ光が励起される。この 2つのレーザ光は、それぞれよくコリメートされた状態で半 導体レーザ力 外部に出射され、明瞭な干渉縞を形成する。本発明は、この新たな 知見に基づくものである。
[0009] 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る。
[0010] 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つのレーザ光力 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。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]図 1は、本発明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 2]図 2は、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 3]図 3は、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 4]図 4は、図 1に示した半導体レーザの機能を説明する図である。
[図 5]図 5は、図 1に示した半導体レーザの半導体層のバンドギャッププロファイルを 模式的に示す図である。
[図 6]図 6は、図 1に示した半導体レーザの活性層付近の屈折率を模式的に示す図 である。
[図 7]図 7は、第 1の電極の一例を模式的に示す平面図である。
[図 8]図 8は、図 1に示した半導体レーザから出射されたレーザ光の光強度の角度依 存性を示す図である。
[図 9]図 9は、図 1に示した半導体レーザから出射された 2つのレーザ光によって形成 された干渉縞を示す図である。
[図 10]図 10Aは、本発明の半導体レーザジャイロの一例を模式的に示す全体の斜 視図である。図 10Bは、図 10Aの要部の斜視図である。
[図 11]図 11Aは、本発明の半導体レーザジャイロの他の一例を模式的に示す全体 の斜視図である。図 11Bは、図 11Aの要部の斜視図である。
[図 12]図 12Aは、本発明の半導体レーザジャイロのその他の一例を模式的に示す全 体の斜視図である。図 12Bは、図 12Aの要部の斜視図である。
[図 13]図 13は、図 12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。
[図 14]図 14Aは、本発明の半導体レーザジャイロのその他の一例を模式的に示す全 体の斜視図である。図 14Bは、図 14Aの要部の斜視図である。
[図 15]図 15は、本発明の半導体レーザジャイロで用 ヽられる半導体レーザの製造ェ 程の一例を模式的に示す斜視図である。
[図 16]図 16は、従来の光ジャイロの構成を模式的に示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0012] 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。
[0013] 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 一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。
[0014] 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 (キヤビティー)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。多角形の経路の好ましい形状は菱形で あるが、他の四角形や三角形であってもよい。
[0015] (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。
[0016] 半導体レーザの活性層は、その平面形状が環状 (多角環状)でな 、ことが好ま 、 。環状に形成された細い導波路内に閉じこめられたレーザ光は、出射される際に広 がるため、明瞭な干渉縞が形成されない。そのため、活性層の平面形状は実質的に 環状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 力 ¾活性層を共振器とする特定のモードのレーザ光、具体的には活性層内を周回す るレーザ光を得ることができる。このような活性層から出射されるレーザ光は、よくコリ メートされており、そのレーザ光強度の半値幅を 10° 以下 (たとえば 5° 以下）とする ことが可能である。なお、活性層の中央付近に貫通孔が形成されている場合でも、実 質的に環状でない活性層、すなわちほぼ一定の幅の導波路が環状に形成されてい ない活性層であればよい。なお、この明細書において、「平面形状」とは、図 3に示さ れる形状、すなわち、半導体層の積層方向と垂直な方向の形状を意味する。
[0017] レーザ光が三角環状や四角環状の経路を周回する従来の半導体レーザを用いた ジャイロでは、キヤビティー (活性層）の平面形状力 レーザ光の経路に対応する三 角環状や四角環状の形状である。これに対して、本発明の活性層の平面形状は多 角環状ではなぐレーザ光の経路を含むように 2次元的に広がっている。
[0018] 上記多角形の経路は菱形の経路であり、活性層は、上記菱形の経路の第 1から第 4の角部に対応する位置に形成された第 1から第 4の端面を有することが好ましい。 すなわち、第 1から第 4の端面上には、それぞれ、菱形の経路の第 1から第 4の角部 が位置する。この場合、活性層にキャリアを注入することによって、菱形上を周回する レーザ光が励起される。すなわち、レーザ光 (L1)は、上記菱形の経路上を周回する レーザ光であり、レーザ光 (L2)は、上記菱形の経路上をレーザ光 (L1)とは逆の方 向に周回するレーザ光である。
[0019] 第 1および第 2の電極力 選ばれる少なくとも 1つの電極と半導体レーザを構成する 半導体層とが、上記菱形の経路 (多角形の経路）に沿って接触することが好ましい。 電流は、接触している領域を介して注入される。この構成によれば、活性層のうち上 記菱形の経路の部分にキャリアを注入でき、菱形の経路上を周回する 2つのレーザ 光 (L1および L2)が容易に励起される。典型的な一例では、上記少なくとも 1つの電 極が、菱形の経路 (多角形の経路）に実質的に対応するように半導体層と接触する。 これらの場合、上記少なくとも 1つの電極と半導体層とが環状に接触して 、てもよ 、。 なお、この明細書において、「菱形の経路に実質的に対応するように」とは、菱形の 経路に完全に対応する場合に加えて、菱形の経路の 50%以上 (好ましくは、 70%以 上でより好ましくは 90%以上）に対応する場合を含む。また、「環状に接触」とは、接 触して!/、る領域が実質的に環を形成して!/、ればよぐ完全に連続した環でなくともよ いことを意味している。また、菱形の経路に対応する上記領域の面積は、活性層の 平面形状の面積に対して通常 50%以下であり、たとえば 30%以下である。
[0020] 第 1および第 2の電極力 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 、ように弱 、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。
[0021] 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ぐ第 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の端面力も出射されることが好ましい。より具体的には、第 1お よび第 2のレーザ光は、キヤビティーとして機能する活性層の長手方向の一方端から 出射されることが好ましい。第 1の角部と第 2の角部とを結ぶ対角線と、第 1および第 2 のレーザとは非平行である。 [0022] 活性層は、レーザ光 (L1)およびレーザ光 (L2)が第 3および第 4の端面において 全反射する条件を満たすことが好ましい。第 1から第 4の端面はミラー面として機能す るが、第 3および第 4の端面でレーザ光を全反射させることによって、レーザ発振の閾 値を下げることができる。第 3および第 4の端面においてレーザ光を全反射させるた めには、第 3および第 4の端面と、それに入射するレーザ光 (L1および L2)とがなす 角度を、一定以下の角度とすればよい。全反射に必要な角度は、レーザ光の波長と 活性層の屈折率とから簡単に導かれる。活性層の端面とレーザ光とがなす角度は、 菱形の経路の形状を変化させることによって、すなわち、活性層の平面形状を変化さ せることによって調節できる。レーザ光の波長や活性層の材質によって好ましい形状 は異なるが、第 1の角部と第 2の角部との距離 (菱形の長い方の対角線の長さ）と、第 3の角部と第 4の角部とを結ぶ距離 (菱形の短い方の対角線の長さ）との比は、たとえ ば、 600 : 190— 600 : 30の範囲とされる。第 1の端面はミラー面ではある力 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。
[0023] 活性層の第 1の端面は、曲面であることが好ましい。特に、第 1および第 2の端面は 、それぞれ、外側に凸の曲面であることが好ましい。この構成によれば、菱形の経路 を周回するレーザ光を安定に発生させることができるとともに、第 1および第 2のレー ザ光を第 1の端面力 安定に出射できる。外側に凸の 2つの曲面は、それぞれ、菱形 の経路の第 1および第 2の角部を結ぶ対角線上に中心を有する仮想の円柱の一部と 同じ曲面であることが好ましい。なお、第 1および第 2の端面力も選ばれる少なくとも 1 つを平面または内側に凸の曲面とすることも可能である。
[0024] 上述した円柱の半径、すなわち、上記第 1の端面の曲率半径 R1および第 2の端面 の曲率半径 R2は共に、第 1の角部と第 2の角部との間の距離 L以上であることが好ま しい。この構成によれば、菱形の光路を周回するレーザ光 (L1および L2)を安定に 励起できる。 R1および R2の上限は特に限定はないが、たとえば距離 Lの 2倍以下で ある。 [0025] 活性層は、菱形の経路を含む第 1の領域と、第 1の領域に隣接する第 2の領域とを 含むことが好ましい。この場合、第 1の領域の平面形状は、略長方形状であることが 好ましぐより詳細には、長方形の短辺を外側に凸の曲面とした形状であることが好ま しい。この構成では、第 1の領域を共振器として菱形の光路を進むレーザ光が励起さ れる。また、この構成によれば、菱形の経路以外の方向に進むレーザ光を第 2の領 域によって減衰させることができる。
[0026] 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 ( m)と、第 1の角部と第 2 の角部との距離 L ( m)とが、 LZ4く 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 1一 3倍の範囲である。
[0027] 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ぐ利用 するレーザ光の波長などに応じて選択される。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。
[0028] 以下、本発明で用いられる半導体レーザの好ましい一例について説明する。半導 体レーザの一例の斜視図を図 1に示し、図 1の線 I Iにおける断面図を図 2に示す。 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。
[0029] 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。
[0030] 図 2を参照して、半導体層 20は、基板 11側力も順に積層された、ノ 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 一ユングされた絶縁層 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。
[0031] 半導体レーザ 10の活性層 26を上方力も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。
[0032] 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 3 2b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。
[0033] 活性層 26は、第 1の領域 26^、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。
[0034] 図 4を参照して、第 1の電極 13とキャップ層 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。
[0035] 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、グレーデッド層およびクラッド層によ つて閉じこめられて主に活性層 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）。
[0036] 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る。第 1の角部 32aと第 2の角部 32bとの間の距離 L (図 3参 照）は 600 μ mであり、第 3の角部 32cと第 4の角部 32dとの間の距離 Wは 60 μ m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。
[0037] 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 26 d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 160 /z mである。一方、 LZ4は 15 O /z mであり、 L/4く 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 70 μ mである。
[0038] 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。具体 的には、対角線 32ab上であって活性層 26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 26aの曲率半径 R 1 (図 3参照）は 600 μ mであり、端面 26bの曲率半径 R2 (図示せず)も同じく 600 μ m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 26b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 26a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ぐたとえば、端面 26bは、端面 26aとは曲率が違う曲面であ つてもよく、平面であってもよぐ内側に凸の曲面であってもよい。
[0039] 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 ヤップ Egと、多数キャリアおよびその濃度についても示す。
[0040] [表 1] 層 組成 厚さ Eg [eV] 多数キャリアとそ
[ jU m ] の濃度
[cm"3] 第 1の電極 1 3 Au 0.6 ― ―
Pt 0.05
Ti 0.07
絶縁層 1 2 Si3N4または Si02 0.4 ― ― キャップ層 29 Beド一プ p形 GaAs 0.2 1 .41 正孔： 1 1019 クラッド層 28 Beド一プ p形 AI0.5Ga0.5As 1 .5 2.0 正孔： 1018台 グレ一デッド層 27 Beド一プ p形 AlxGa1 -xAs 0.202
活性層 26 ノン プ GaAs 0.01
グレーデッド層 25 Siド一プ n形 AlxGa卜 xAs 0.202
クラッド層 24 Siドープ n形 AI。5Ga。5As 1 .5 2.0 電子： 1018台 グレーデッド層 23 Siドープ n形 AlxGa^As 0.2 電子： 1018台
/くッファ層 22 Siド一プ n形 AI。.2Ga。.8As 1 .0 1 .7 電子： 1 1 018
/《ソファ層 21 Siド一プ n形 GaAs 0.2 1 .41 電子： 3 x 1 018 基板 1 1 単結晶 n形 GaAs
第 2の電極 1 4 Ni 0.02 ― ―
Ge 0.1
Au 0.5
[0041] 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。
[0042] ノ ッファ層 21および 22、ならびにグレーデッド層 23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。
[0043] 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、糸且成比 Xは、ノ 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。
[0044] グレーデッド層 25にお 、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側に向力つて徐々に減少する。具体的には、クラッド層 24との界面では約 1 X 1 018cm— 3であり、活性層 26との界面では約 1 X 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側力も活性層 26側に向力つて放物線 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。
[0045] 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側カもクラッド 層 28側に向力つて徐々に増加する。具体的には、活性層 26との界面では約 1 X 10 "cm— 3であり、クラッド層 28との界面では約 1 X 1018cm— 3である。また、グレーデッド層 27の A1の組成比 Xも、活性層 26側カもクラッド層 28側に向力つて放物線状に増加 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。
[0046] 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 2 5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. OeV力ら 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. OeVまで放物線状に増加する。
[0047] 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。
[0048] 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力もなる。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、主に活性層 26に閉じこめられる。
[0049] 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の部分がキャップ層 2 9と接触する領域 3 laと、第 2の部分がキャップ層 29と接触する領域 3 lb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 1 2の形状を変更することによって容易に形成できる。
[0050] 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。具体的には、 たとえば、第 1の電極 13と第 4の電極 14との間に、 200mAの電流を流すことによつ て、レーザを発振させればよい。なお、本発明のジャイロでは、注入する電流によつ 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。
[0051] 半導体レーザ 10をシングルモードで発振させたときのレーザ光の光強度の角度依 存性を、第 1の端面 26aから約 300mmの距離で測定した結果を図 8に示す。図 8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 862nmであつ た。また、 2つのレーザ光の強度の半値幅は、 4. 2° であった。また、 2つのレーザ光 が対角線 32abの方向となす角度は、それぞれ約 19. 2° であった。このように、半導 体レーザ 10は、対角 32abに対して対称な方向に、強度がほぼ等しぐよくコリメート された 2つのレーザ光を出射した。対角線 32abと、第 1のレーザ光 (または第 2のレー ザ光）とがなす角度 Θは、通常、以下の式（2)で表されると考えられる。
[0052] [数 2]
( -n ff 、
Θ =土 sirT (2)
UL2 + W2 j
[0053] Lおよび Wはそれぞれ図 3に示される長さであり、 L = 600 μ m、 W= 60 μ mである 。また、 n は光の閉じ込めを行うクラッド層 24—クラッド層 28の実効屈折率であり、半 eff
導体レーザ 10では、約 3. 3である。これらの値を用いて Θを計算すると、 Θ = 19. 2 ° となり、実際の結果とよく一致した。上記式に基づけば、第 1および第 2のレーザ光 35および 36の出射角度は、活性層の屈折率や、 Lと Wとの比を変化させることによつ て制御できる。
[0054] 半導体レーザ 10から出射された 2つのレーザ光は、端面 26aの近傍で重なるため、 端面 26aの近傍で規則正 、干渉縞 (余弦波）を生じる。端面 26aの近傍で測定した 干渉縞を図 9に示す。 [0055] (半導体レーザジャイロ）
本発明のジャイロは、第 i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 限定がなぐ通常は、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。
[0056] 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。
[0057] 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ォ 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。
[0058] 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力もなる。そのため、レンズに入射した光は、半 導体力も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ょ 、。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、酸ィ匕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力 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。
[0059] 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。
[0060] 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ォ 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 Zまたはプリズムを形 成できる。
[0061] 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、半導体力 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、酸ィ匕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 なる力 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。
[0062] 図 4を参照しながら、サニヤック効果 (sagnac効果)を利用した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 一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つ 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。
[0063] 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 力 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。
[0064] (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 10A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 1 13 (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 1 OBに示す。なお、図 10A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!/、る（以下の図にお!、ても同様である）。
[0065] 図 10A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。
[0066] 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を形成する製造ェ 程で半導体レーザ 10とともに形成される。
[0067] 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 、。
[0068] 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。
[0069] (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っ 、て説明する。 実施形態 2のジャイロ 102の斜視図を図 11 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 11Bに示す。
[0070] 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 1
02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。
[0071] 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、 3 cm X 2cm X 1cm程度である。
[0072] 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。
[0073] 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!ヽ。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 1 1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、 SiOなどの透明材料を
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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。
[0074] (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 ヽる半導体 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 1 2A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 12Bに示す。
[0075] 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。
[0076] ジャイロ 103における 2つのレーザ光の光路を図 13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。
[0077] 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 1 16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. 5 π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. 5 π + 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。
[0078] (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 V、る半導体レーザジャイロの一例にっ 、て説明する。実施形態 4のジャイロ 104の斜 視図を図 14Aに示し、主要部の斜視図を図 14Bに示す。
[0079] 半導体レーザ 10と、プリズム 117と、光検出器 113 (受光素子 1 13a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 13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。
[0080] 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 SiOなどで形成することも可能である。
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[0081] (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ぐ公知の半 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 一ザ 10を製造する方法の一例を説明する。
[0082] 図 15 (a)—（h)に、製造工程を模式的に示す。なお、図 15 (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。
[0083] まず、図 15 (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. 4 m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 (Chemi cal Vapor Deposition)法で形成できる。絶縁層 12aは、たとえば Si Nや SiOか
3 4 2 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。
[0084] 次に、図 15 (b)に示すように、絶縁層 12a上に、パターユ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の形状にパターユングする。
[0085] 次に、図 15 (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 2 0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。
[0086] 次に、図 15 (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 'エツ チング工程で形成できる。
[0087] 次に、図 15 (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層力 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。
[0088] 次に、図 15 (f)に示すように、レジスト膜 152をパターユングし、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. 01 μ m— 0. 02 μ m程度エッチングする。
[0089] 次に、図 15 (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、リフトォ 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 2 9)に接触する。
[0090] 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— 150 μ mになるように基板 11の裏 面を研磨することが好まし 、。
[0091] 次に、図 15 (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°C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。
[0092] 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をパターユングすればよい。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をパターユングすればよい。
[0093] 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 一ザジャイロに、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
産業上の利用可能性
[0094] 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ヨン装置、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。

Claims

請求の範囲
[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 一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る半導体レーザジャイロ。
[2] 前記活性層の平面形状が環状ではな!、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から第 4の角部に対応する位置に形成され た第 1から第 4の端面を有する請求項 2に記載の半導体レーザジャイロ。
[4] 前記第 1および第 2の電極力 選ばれる少なくとも 1つの電極と前記半導体レーザ を構成する半導体層とが、前記菱形の経路に沿って接触する請求項 3に記載の半導 体レーザジャイロ。
[5] 前記菱形の経路の対向する前記第 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ぐ
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 3に記載の半導体レーザジャイロ。
[6] 前記第 1の角部と前記第 2の角部とを結ぶ対角線と、前記第 1および第 2のレーザと が非平行である請求項 5に記載の半導体レーザジャイロ。
[7] 前記活性層は、前記レーザ光 (L1)および前記レーザ光 (L2)が前記第 3および第
4の端面において全反射する条件を満たす請求項 5に記載の半導体レーザジャイロ
[8] 前記第 1および第 2の端面は、それぞれ、外側に凸の曲面である請求項 5に記載の 半導体レーザジャイロ。
[9] 前記活性層は、前記菱形の経路を含む第 1の領域と、前記第 1の領域に隣接する 第 2の領域とを含み、
前記第 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請 求項 8に記載の半導体レーザジャイロ。
[10] 前記第 1の領域と前記第 2の領域とによって構成される前記活性層の平面形状が 略 H字状である請求項 9に記載の半導体レーザジャイロ。
[11] 前記第 1の角部と前記第 2の角部とを結ぶ対角線に平行な方向における前記第 2 の領域の長さ Ls ( m)と、前記第 1の角部と前記第 2の角部との距離 L ( μ m)とが、
L/4 < Lsを満たす請求項 10に記載の半導体レーザジャイロ。
[12] 前記光検出器が複数の受光素子を備える請求項 3に記載の半導体レーザジャイロ
[13] 前記半導体レーザと前記光検出器とが、モノリシックに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。
[14] 前記半導体レーザと前記光検出器とが同じ積層構造を有する請求項 13に記載の 半導体レーザジャイロ。
[15] レンズをさらに備え、
前記光検出器は、前記レンズを透過した前記第 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いる請求項 3に記載の半導体レーザジャイロ。
[16] 前記半導体レーザと前記レンズとがモノリシックに形成されている請求項 15に記載 の半導体レーザジャイロ。
[17] 前記半導体レーザの半導体層と前記レンズとが同じ積層構造を有する請求項 16 に記載の半導体レーザジャイロ。
[18] プリズムをさらに備え、
前記光検出器は、前記プリズムを透過した前記第 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いる請求項 3に記載の半導体レーザジャイロ
[19] 前記半導体レーザと前記プリズムとがモノリシックに形成されている請求項 18に記 載の半導体レーザジャイロ。
[20] 前記半導体レーザの半導体層と前記プリズムとが同じ積層構造を有する請求項 19 に記載の半導体レーザジャイロ。
[21] 前記半導体レーザと前記プリズムと前記光検出器とがモノリシックに形成されている 請求項 18に記載の半導体レーザジャイロ。
[22] 前記半導体レーザの半導体層と前記プリズムと前記光検出器の半導体層とが同じ 積層構造を有する請求項 21に記載の半導体レーザジャイロ。
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