半導体レーザジャイロ
【課題】 回転方向の検出が容易であり、小型で信頼性が高い半導体レーザジャイロを提供する。
【解決手段】 基板と、基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザ２０と、第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子（フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー４０ａおよび４０ｂ）と、第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器７０ａおよび７０ｂとを備える。基板上に基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、第１および第２の層を第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含み、積層部および起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含む。第１および第２の層は、上記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、複数の光学素子の少なくとも１つが起立部に形成されている。
【解決手段】 基板と、基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザ２０と、第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子（フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー４０ａおよび４０ｂ）と、第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器７０ａおよび７０ｂとを備える。基板上に基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、第１および第２の層を第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含み、積層部および起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含む。第１および第２の層は、上記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、複数の光学素子の少なくとも１つが起立部に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザジャイロに関する。
【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つのレーザ光に周波数差が生じる効果（ｓａｇｎａｃ効果）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。希ガスレーザを用いた光ジャイロの一般的な構成を図９に示す。図９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】
【０００４】
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９に示す角度であり、χは図９に示すＸ方向の座標である。Δωは、ジャイロが回転したときの時計回りのモードと反時計回りのモードとの周波数差であり、ｔは時刻である。Δωはジャイロの回転の角速度Ωと比例関係にある。すなわち、Δω＝４ＡΩ／（Ｌλ）である。ここで、Ａはリング形状の囲む面積であり、Ｌは光路長である。φは、２つのレーザ光の初期の位相差を示す。このジャイロでは、干渉縞の移動速度および移動方向を検出することによって、ジャイロの回転速度および回転方向が検出される。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
【０００５】
このような課題を解決するジャイロとして、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。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【特許文献３】特開平４−１７４３１７号公報
【特許文献４】特開２０００−１２１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
このような状況において、本発明は、回転方向の検出が容易であり、小型で信頼性が高い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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の半導体レーザジャイロは、基板と、前記基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、前記第１および第２のレーザ光を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子と、前記第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、前記基板上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含み、前記積層部および前記起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含み、前記第１および第２の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、前記複数の光学素子の少なくとも１つが前記起立部に形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
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、本発明のレーザジャイロでは、半導体プロセスによって精度よく形成できる起立部を用いて、光学素子を所定の位置に形成している。このため、狭い領域内に光学素子を精度よく形成でき、非常に小型のレーザジャイロが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の半導体レーザジャイロは、基板と、基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、第１および第２のレーザ光を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子と、第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備える。このジャイロは、基板上に基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、第１および第２の層を第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含む。積層部および起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含む。第１および第２の層は、複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、上記複数の光学素子の少なくとも１つが起立部に形成されている。
【００１２】
本発明の半導体レーザジャイロでは、所定の経路を周回するようにレーザ光を誘導するための光学素子の少なくとも１つが、半導体プロセスを用いて精度よく形成された起立部に形成される。この構成によれば、従来の技術では困難であった微小で正確な周回光路を形成することが可能となる。このため、本発明によれば、小型で精度のよい半導体レーザジャイロが得られる。また、本発明の半導体レーザジャイロは、希ガスレーザを用いるジャイロに比べて、消費電力が少なく、熱に対する信頼性が高い。
【００１３】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、半導体レーザが直線状のキャビティーを有し、キャビティーの一方の端から第１のレーザ光が出射され、キャビティーの他方の端から第２のレーザ光が出射され、多角形の経路が半導体レーザの活性層を通っていてもよい。
【００１４】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、複数の光学素子のすべてが基板上に形成されていてもよい。この構成によれば、特にサイズが小さいジャイロが得られる。
【００１５】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、第１および第２の層が、III−Ｖ族化合物半導体からなるものであってもよい。III−Ｖ族化合物を用いることによって、所定の形状の起立部を容易に形成できる。
【００１６】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、起立部は、第１および第２の層を第１の折り曲げ部において折り曲げることによって形成された第１の平面部と、第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる第２の折り曲げ部で第１の平面部を折り曲げることによって形成された第２の平面部とを含み、基板には第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる溝が形成されており、第２の平面部の一部が溝の内部に配置されており、複数の光学素子の１つが第２の平面部に形成されていてもよい。この構成によれば、起立部に形成された光学素子を基板の表面近傍に配置することが可能となり、この光学素子によって、基板の表面近傍を周回するレーザ光を制御することが可能となる。折り曲げ部において第１および第２の層は、通常、略直角に折り曲げられる。また、上記所定の角度は、通常、略直角である。第２の平面部の位置を正確に固定するため、および、第２の平面部の配置を容易にするため、溝は、底の方が狭い断面Ｖ字状の溝であることが好ましい。
【００１７】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、起立部に、ミラーおよびレンズから選ばれる少なくとも１つの光学素子が形成されていてもよい。レンズとしては、たとえばフレネルレンズを用いることができる。
【００１８】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、光検出器が基板上に形成されていてもよい。
【００１９】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、第１および第２のレーザ光によって干渉縞を形成するためのプリズムをさらに備え、プリズムが基板上に形成されていてもよい。半導体レーザ、光学素子、光検出器およびプリズムといった、ジャイロの構成部品をすべて同一の基板上にモノリシックに形成することによって、小型のジャイロが得られる。これらの構成部品は、半導体素子製造プロセスを用いることによって、微小な領域に、高い精度および高い生産性で形成することが可能である。特に、ミラーやフレネルレンズといった光学素子を、微小な領域に精度よく形成できる。
【００２０】
（実施形態の一例）
以下に、本発明の半導体レーザジャイロの一例を説明する。この半導体レーザジャイロ１０の上面図を図１に示す。
【００２１】
半導体レーザジャイロ１０は、基板１１（図１〜図３では図示せず）と、基板１１上に形成された半導体レーザ２０、フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー４０ａおよび４０ｂ、ハーフミラー５０、プリズム６０、光検出器７０ａおよび７０ｂとを備える。
【００２２】
半導体レーザ２０は、直線上のキャビティーを有し、キャビティーの一方の端から第１のレーザ光Ｌ１を出射し、他方の端から第２のレーザ光Ｌ２を出射する。半導体レーザには、直線状のキャビティーを有する公知の端面出射型レーザを適用でき、活性層の両端からレーザ光が出射される。
【００２３】
本発明の半導体レーザを構成する半導体および積層構造に特に限定はなく、利用するレーザ光の波長などに応じて選択される。本発明の半導体レーザが出射するレーザ光の波長に特に限定はないが、たとえば２００〜２０００ｎｍの範囲である。半導体層の材料に特に限定はなく、たとえば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体、ＺｎＳｅ、ＳｉＧｅなどを用いてもよい。
【００２４】
フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー（平面鏡）４０ａおよび４０ｂ、ならびにハーフミラー５０は、起立部に形成されている。起立部の形成方法については後述する。半導体レーザ２０から出射された第１のレーザ光Ｌ１は、フレネルレンズ３０ａによってほぼ平行光とされ、ミラー４０ａ、ハーフミラー５０、ミラー４０ｂで反射される。ミラー４０ｂで反射された第１のレーザ光Ｌ１は、フレネルレンズ３０ｂによって集光され、半導体レーザ２０のキャビティーに入射される。このようにして、第１のレーザ光Ｌ１は、三角形の経路を時計回りに周回する。
【００２５】
一方、半導体レーザ２０から出射された第２のレーザ光Ｌ２は、フレネルレンズ３０ｂによってほぼ平行光とされ、ミラー４０ｂ、ハーフミラー５０、ミラー４０ａで反射される。ミラー４０ａで反射された第２のレーザ光Ｌ２は、フレネルレンズ３０ａによって集光され、半導体レーザ２０のキャビティーに入射される。このようにして、第２のレーザ光Ｌ２は、第１のレーザ光Ｌ１の経路と同じ経路を、反時計回り（第１のレーザ光Ｌ１とは逆の方向）に周回する。
【００２６】
周回する２つのレーザ光の一部は、ハーフミラー５０によって周回経路から分離されてプリズム６０に入射する。プリズム６０に入射した２つのレーザ光は、重ね合わされてプリズム６０から出射され、干渉縞を生じさせる。この干渉縞の移動方向および移動速度を光検出器７０ａおよび７０ｂでモニタすることによって、ジャイロの回転方向および回転速度を算出することができる。干渉縞の移動方向の検出を容易にするため、光検出器７０ａの光検出部と光検出器７０ｂの光検出部との間の距離は、干渉縞の半波長の整数倍とならないように選択することが好ましい。
【００２７】
光検出器には、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの一般的な受光素子を適用できる。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。
【００２８】
各素子のサイズに特に限定はないが、一例では、半導体レーザ２０のキャビティー長を４００μｍとし、ミラー４０ａおよび４０ｂのサイズを１５０μｍとし、半導体レーザ２０からハーフミラー５０までの距離を７００μｍとし、素子全体のサイズを２ｍｍ角以内とすることができる。
【００２９】
図１には、レーザ光が周回する経路が三角形である場合を示したが、レーザ光が周回する経路は四角形であってもよい。経路が四角形である場合の光学素子の配置を図２に示す。なお、図２では、プリズムおよび光検出器の図示を省略する。図２のジャイロは、ミラー４０ａおよび４０ｂに加えてミラー４０ｃを備える。
【００３０】
また、図１には、フレネルレンズを用いる場合について示したが、１枚のフレネルレンズの代わりに１枚の凹面鏡と１枚の平面鏡とを用いてもよい。また、１枚のフレネルレンズの代わりに２枚の凹面鏡を用いてもよい。そのような一例を図３に示す。図３の例では、光学素子３１ａおよび３２ａが、共に凹面鏡であるか、一方が凹面鏡で一方が平面鏡である。同様に、光学素子３１ｂおよび３２ｂは、共に凹面鏡であるか、一方が凹面鏡で一方が平面鏡である。半導体レーザ２０から出射された光は、これらの光学素子によって略平行光とされて光路を周回する。また、光路を周回する光は、これらの光学素子によって集光されて半導体レーザ２０の活性層に導かれる。
【００３１】
以下、半導体レーザジャイロ１０の構造および製造方法について説明する。ジャイロ１０を製造する場合に基板１１上に積層する多層膜の一例を図４に示す。図４の多層膜１００は、半導体レーザ２０を形成する部分の多層膜である。
【００３２】
基板１１は、その上に半導体層を成長させることができるように、積層される半導体層に応じて選択される。基板１１としては、たとえば、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＳｂ基板およびＧａＮ基板といったIII−Ｖ族化合物半導体基板や、サファイア基板、シリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることができる。
【００３３】
多層膜１００は、基板１１側から順に積層された、バッファ層１０１、層（犠牲層）１０２、ヒンジ層（積層部）１０３、エッチストップ層１０４、補償層５０１、クラッド層１０５、活性層１０６、クラッド層１０７、ＤＢＲ層１０８およびキャップ層１０９を備える。ヒンジ層１０３は、第１の層１０３ａと第２の層１０３ｂとを備える。また、キャップ層１０９は、キャップ層１０９ａとキャップ層１０９ｂとを備え、これらはＤＢＲ層１０８の一部としても機能する。
【００３４】
層１０２、ヒンジ層１０３、エッチストップ層１０４を除く各層には、公知の半導体レーザに用いられている層を適用できる。たとえば、活性層１０６は、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体や、ＺｎＳｅ、ＳｉＧｅで形成してもよい。また、活性層１０６は、単層であってもよいし、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）またはそれらを変形したタイプの量子井戸構造を有する活性層であってもよい。
【００３５】
クラッド層１０５および１０７は、活性層１０６にレーザ光を閉じ込めるため、活性層１０６よりも屈折率が低い材料で形成される。活性層およびクラッド層の材料の組み合わせとしては、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ（活性層）／ＩｎＰ（クラッド層）や、ＧａＡｓ（活性層）／ＡｌＧａＡｓ（クラッド層）といった組み合わせが挙げられる。
【００３６】
ＤＢＲ層１０８は、屈折率の異なる２つの層が交互に積層された構造を有し、たとえば、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とが交互に複数回積層された構造や、ＳｉＯ2層とＳｉ層とが交互に複数回積層された構造を適用できる。
【００３７】
層１０２は、起立部（図８（ａ）参照）を形成するためにその一部が選択的に除去される層である。そのため、層１０２は、選択的に除去可能な材料で形成される。
【００３８】
ヒンジ層１０３は、複数の半導体層の格子定数の差によって半導体層を折り曲げるための層である。そのため、第１の層１０３ａは、第２の層１０３ｂを構成する半導体よりも格子定数が大きい半導体で形成される。［第１の層１０３ａの材料］／［第２の層１０３ｂの材料］の具体的な組み合わせとしては、たとえば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ／Ｓｉ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮなどが挙げられる。これらの半導体層の組成比、厚さおよび折れ曲がり部の長さを変化させることによって、ヒンジ層１０３が折れ曲がる角度を調節することができる。
【００３９】
たとえば、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる第１の半導体層１０３ａと、ＧａＡｓからなる第２の半導体層１０３ｂとを用いて折れ曲がり部を形成したときの折れ曲がり部の曲率半径Ｒは、通常、以下の式で表される。
Ｒ＝（ａ／Δａ）・｛（ｔ１＋ｔ２）／２｝
ここで、ａは第２の半導体層１０３ｂ（ＧａＡｓ層）の格子定数である。また、Δａは、第１の半導体層１０３ａ（Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層）の格子定数と第２の半導体層１０３ｂ（ＧａＡｓ層）の格子定数との差である。また、ｔ１は第１の半導体層１０３ａの厚さ（単位：オングストローム）であり、ｔ２は第２の半導体層１０３ｂの厚さ（単位：オングストローム）である。
【００４０】
補償層５０１は、起立部が湾曲することを防止するために形成される。補償層５０１の詳細は後述する。
【００４１】
なお、ヒンジ層は、３層以上の層で構成されていてもよい。たとえば、格子定数が大きい層Ａと格子定数が小さい層Ｂとを、厚い層Ａ／層Ｂ／薄い層Ａというように積層させると、厚い層Ａが層Ｂに及ぼす応力の方が薄い層Ａが層Ｂに及ぼす応力よりも大きいため、トータルでは薄い層Ａ側に曲がろうとする応力が発生する。同様に、厚い層Ｂ／層Ａ／薄い層Ｂという積層膜では、トータルでは厚い層Ｂ側に曲がろうとする応力が発生する。このような関係を利用して、積層された複数の層を所定の方向に折り曲げることができる。
【００４２】
これらの層の材料および厚さの一例を表１に示す。なお、表１中、λはレーザ光の波長である。また、ｎ1は、ＤＢＲ層１０８の一部およびキャップ層１０９ａを構成するｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層の屈折率である。ｎ2は、ＤＢＲ層１０８の一部およびキャップ層１０９ｂを構成するｐ−ＧａＡｓ層の屈折率である。ＤＢＲ層１０８は、厚さがλ／４ｎ1のｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層と、厚さがλ／４ｎ2のｐ−ＧａＡｓ層とが交互に１０層ずつ積層された構造を有する。
【００４３】
【表１】
【００４４】
基板１１上の各層は、一般的な成膜方法を用いて形成できる。たとえば、液層エピタキシャル法（ＬＰＥ法）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法）、原子層エピタキシャル法（ＡＬＥ法）、化学ビームエピタキシャル法（ＣＢＥ）法などを用いることができる。
【００４５】
フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー４０ａおよび４０ｂ、ならびにハーフミラー５０を形成する部分の多層膜は、図５に示すように、基板１１側から順に配置された層（犠牲層）１０２、ヒンジ層（積層部）１０３、エッチストップ層１０４、補償層５０１および機能層５０２を含む。層１０２は、エッチングによって一部が除去される層である。ヒンジ層１０３は、内部応力によって折れ曲がり、起立部を形成する層である。機能層５０２は、光学素子としての機能を発揮する層である。フレネルレンズを形成する場合、機能層５０２をエッチングすることによってレンズを形成する。ミラーを形成する場合、機能層５０２でミラーを構成するか、またはミラーとして機能する層を、補償層５０１の上にさらに形成する。あるいは、クラッド層などをミラーとして用いてもよい。補償層５０１は、ヒンジ層１０３によって生じる応力を打ち消すための層である。なお、ヒンジ層１０３による変形を機能層５０２によって防止できる場合には、補償層５０１を省略できる。これらの層は、図４の多層膜の一部を所定の層（たとえばエッチストップ層１０４または補償層５０１）までエッチングしたのち、エッチングによって露出した半導体層上に所定の層を成膜することによって形成できる。
【００４６】
以下、起立部にフレネルレンズ３０ａを形成する方法について図６を参照しながら説明する（フレネルレンズ３０ｂの形成も同じである）。図６（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は断面図であり、図６（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）は上面図である。
【００４７】
まず、図６（ａ）に示すように、基板１１上に、バッファ層１０１、層１０２、第１の層１０３ａ、第２の層１０３ｂ、エッチストップ層１０４、補償層５０１および機能層５０２を形成する。バッファ層１０１〜第２の層１０３ｂ（またはエッチストップ層１０４）までは上述した層である。これらの層は、上述した方法で形成できる。
【００４８】
フレネルレンズ３０ａを形成する場合、機能層５０２はたとえばアクリル樹脂やポリカーボネイトなどで形成できる。機能層５０２には、フレネルレンズ３０ａのパターンが形成される。フレネルレンズのパターンの一例について、図７（ａ）に平面図を示し、図７（ｂ）に断面図を示す。このようなパターンは、フレネルレンズを形成する斜面に対応するように、階段状のステップを多数形成することによって形成できる。そのような階段状のステップは、フォトリソグラフィーとエッチングとを繰り返すことによって形成できる。なお、レーザ光入射時の反射損失を低減するため、フレネルレンズの表面に反射防止膜を形成してもよい。
【００４９】
次に、図６（ｃ）および（ｄ）に示すように、第２の層１０３ｂの表面に到達する溝６０１と、層１０２に到達する溝６０２と、基板１１の表面よりも深い溝６０３とを形成する。これらは、各層の材料に応じて公知のエッチング法で形成できる。溝６０１は、互いに直交するように配置された２つの溝部６０１ａおよび６０１ｂを含む。これらの溝は、折り曲げ部となる部分に形成される。溝６０２は、起立部を形成する際に、基板１１上の多層膜から切り離される部分に形成される。溝６０３は、断面が略Ｖ字状の溝である。溝６０３は、フレネルレンズが配置される位置に形成される。
【００５０】
次に、図６（ｅ）および（ｆ）に示すように、溝部６０１ａと溝６０２と溝６０３とによって囲まれた部分の下方に位置する層１０２をウェットエッチングで選択的に除去する。ウェットエッチングのエッチング液としては、たとえば、フッ酸を用いることができる。
【００５１】
層１０２が除去されると、溝部６０１ａの部分（第１の折れ曲がり部）には、ＩｎＧａＡｓからなる第１の層１０３ａと、ＧａＡｓからなる第２の層１０３ｂのみが存在する。ＧａＡｓよりもＩｎＧａＡｓの方が格子定数が大きいため、溝部６０１ａの部分では、第１の層１０３ａおよび第２の層１０３ｂが、第２の層１０３ｂ側に折れ曲がり、第１の折れ曲がり部８０１（図８（ａ）参照）が形成される。これによって、多層膜（第１の層１０３ａ〜機能層５０２）の一部が基板１１から立ち上がり、起立部が形成される。同様に、溝部６０１ｂの部分でも、第１の層１０３ａおよび第２の層１０３ｂが、第２の層１０３ｂ側に折れ曲がり、第２の折れ曲がり部８０２（図８（ｂ）参照）が形成される。
【００５２】
図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、起立部８００の構造を模式的に示す斜視図および断面図である。２つの折れ曲がり部８０１および８０２でヒンジ層がほぼ直角に折れ曲がることによって、起立部８００は、互いに直交するように配置された第１の平面部８００ａと第２の平面部８００ｂとを含む。第２の平面部８００ｂの一部は、溝６０３に嵌め込まれ、第２の平面部８００ｂは、基板１１の表面に対してほぼ垂直に立ち上がっている。この方法では、第２の平面部８００ｂの一部を溝６０３に埋め込むことによって、起立部８００の配置が容易である。さらに、この方法では、基板１１の表面近傍にフレネルレンズを配置できる。これによって、基板１１の表面近くを移動するレーザ光の集光が可能になる。
【００５３】
ミラー４０ａおよび４０ｂを形成する場合、機能層５０２は、たとえば表１のＤＢＲ層と同じ材料で形成できる。また、ハーフミラー５０を形成する場合、機能層５０２は、たとえば、フレネルレンズと同じ材料と、半導体との組み合わせで形成できる。フレネルレンズとは異なり、これらのミラーの表面は平坦である。
【００５４】
図３に示した半導体レーザジャイロの凹面鏡を形成する場合、フレネルレンズの表面形状を反転させた表面形状を有する凹面鏡（フレネルミラー）を形成すればよい。このフレネルミラーは、フレネルレンズと同様の方法で形成できる。なお、フレネルミラーの表面に、反射膜を形成して反射率を高めてもよい。
【００５５】
これらの光学素子は、図８に示したように、一部が溝に嵌め込まれている起立部に形成できる。ただし、起立部に形成する必要がない光学素子については、起立部に形成しなくてもよい。また、第１の平面部に光学素子を配置することによって求められる機能を発揮できる場合には、第２の平面部や溝６０３は不要である。
【００５６】
プリズム６０は、たとえば、透明樹脂をエッチングによって所望の形状に加工することによって形成できる。また、光検出器７０ａおよび７０ｂは、一般的な半導体プロセスで形成できる。これらは、基板１１上に形成してもよいし、別の基板上に形成してもよい。
【００５７】
なお、基板１１には、上記光学素子、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。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本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。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の半導体レーザジャイロの一例を模式的に示す上面図である。
【図２】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上面図である。
【図３】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上面図である。
【図４】本発明の半導体レーザジャイロの製造工程の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の半導体レーザジャイロの製造工程の他の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の半導体レーザジャイロの製造工程の他の一例を模式的に示す断面図および上面図である。
【図７】光学素子の一例を模式的に示す正面図および断面図である。
【図８】起立部に形成された光学素子の一例を模式的に示す斜視図および断面図である。
【図９】従来の光ジャイロの一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１０ａ、１０ｂ 半導体レーザジャイロ
１１ 基板
２０ 半導体レーザ
３０ａ、３０ｂ フレネルレンズ
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ 光学素子
４０ａ、４０ｂ ミラー
５０ ハーフミラー
６０ プリズム
７０ａ、７０ｂ 光検出器
１０１ バッファ層１０１
１０２ 層（犠牲層）
１０３ ヒンジ層（積層部）
１０３ａ 第１の層
１０３ｂ 第２の層
５０１ 補償層
５０２ 機能層
６０１ａ、６０１ｂ、６０２、６０３ 溝
８００ 起立部
８００ａ 第１の平面部
８００ｂ 第２の平面部
８０１、８０２ 折れ曲がり部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザジャイロに関する。
【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つのレーザ光に周波数差が生じる効果（ｓａｇｎａｃ効果）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。希ガスレーザを用いた光ジャイロの一般的な構成を図９に示す。図９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】
【０００４】
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９に示す角度であり、χは図９に示すＸ方向の座標である。Δωは、ジャイロが回転したときの時計回りのモードと反時計回りのモードとの周波数差であり、ｔは時刻である。Δωはジャイロの回転の角速度Ωと比例関係にある。すなわち、Δω＝４ＡΩ／（Ｌλ）である。ここで、Ａはリング形状の囲む面積であり、Ｌは光路長である。φは、２つのレーザ光の初期の位相差を示す。このジャイロでは、干渉縞の移動速度および移動方向を検出することによって、ジャイロの回転速度および回転方向が検出される。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
【０００５】
このような課題を解決するジャイロとして、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。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【特許文献３】特開平４−１７４３１７号公報
【特許文献４】特開２０００−１２１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
このような状況において、本発明は、回転方向の検出が容易であり、小型で信頼性が高い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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の半導体レーザジャイロは、基板と、前記基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、前記第１および第２のレーザ光を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子と、前記第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、前記基板上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含み、前記積層部および前記起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含み、前記第１および第２の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、前記複数の光学素子の少なくとも１つが前記起立部に形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
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、本発明のレーザジャイロでは、半導体プロセスによって精度よく形成できる起立部を用いて、光学素子を所定の位置に形成している。このため、狭い領域内に光学素子を精度よく形成でき、非常に小型のレーザジャイロが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の半導体レーザジャイロは、基板と、基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、第１および第２のレーザ光を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子と、第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備える。このジャイロは、基板上に基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、第１および第２の層を第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含む。積層部および起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含む。第１および第２の層は、複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、上記複数の光学素子の少なくとも１つが起立部に形成されている。
【００１２】
本発明の半導体レーザジャイロでは、所定の経路を周回するようにレーザ光を誘導するための光学素子の少なくとも１つが、半導体プロセスを用いて精度よく形成された起立部に形成される。この構成によれば、従来の技術では困難であった微小で正確な周回光路を形成することが可能となる。このため、本発明によれば、小型で精度のよい半導体レーザジャイロが得られる。また、本発明の半導体レーザジャイロは、希ガスレーザを用いるジャイロに比べて、消費電力が少なく、熱に対する信頼性が高い。
【００１３】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、半導体レーザが直線状のキャビティーを有し、キャビティーの一方の端から第１のレーザ光が出射され、キャビティーの他方の端から第２のレーザ光が出射され、多角形の経路が半導体レーザの活性層を通っていてもよい。
【００１４】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、複数の光学素子のすべてが基板上に形成されていてもよい。この構成によれば、特にサイズが小さいジャイロが得られる。
【００１５】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、第１および第２の層が、III−Ｖ族化合物半導体からなるものであってもよい。III−Ｖ族化合物を用いることによって、所定の形状の起立部を容易に形成できる。
【００１６】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、起立部は、第１および第２の層を第１の折り曲げ部において折り曲げることによって形成された第１の平面部と、第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる第２の折り曲げ部で第１の平面部を折り曲げることによって形成された第２の平面部とを含み、基板には第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる溝が形成されており、第２の平面部の一部が溝の内部に配置されており、複数の光学素子の１つが第２の平面部に形成されていてもよい。この構成によれば、起立部に形成された光学素子を基板の表面近傍に配置することが可能となり、この光学素子によって、基板の表面近傍を周回するレーザ光を制御することが可能となる。折り曲げ部において第１および第２の層は、通常、略直角に折り曲げられる。また、上記所定の角度は、通常、略直角である。第２の平面部の位置を正確に固定するため、および、第２の平面部の配置を容易にするため、溝は、底の方が狭い断面Ｖ字状の溝であることが好ましい。
【００１７】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、起立部に、ミラーおよびレンズから選ばれる少なくとも１つの光学素子が形成されていてもよい。レンズとしては、たとえばフレネルレンズを用いることができる。
【００１８】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、光検出器が基板上に形成されていてもよい。
【００１９】
上記本発明の半導体レーザジャイロでは、第１および第２のレーザ光によって干渉縞を形成するためのプリズムをさらに備え、プリズムが基板上に形成されていてもよい。半導体レーザ、光学素子、光検出器およびプリズムといった、ジャイロの構成部品をすべて同一の基板上にモノリシックに形成することによって、小型のジャイロが得られる。これらの構成部品は、半導体素子製造プロセスを用いることによって、微小な領域に、高い精度および高い生産性で形成することが可能である。特に、ミラーやフレネルレンズといった光学素子を、微小な領域に精度よく形成できる。
【００２０】
（実施形態の一例）
以下に、本発明の半導体レーザジャイロの一例を説明する。この半導体レーザジャイロ１０の上面図を図１に示す。
【００２１】
半導体レーザジャイロ１０は、基板１１（図１〜図３では図示せず）と、基板１１上に形成された半導体レーザ２０、フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー４０ａおよび４０ｂ、ハーフミラー５０、プリズム６０、光検出器７０ａおよび７０ｂとを備える。
【００２２】
半導体レーザ２０は、直線上のキャビティーを有し、キャビティーの一方の端から第１のレーザ光Ｌ１を出射し、他方の端から第２のレーザ光Ｌ２を出射する。半導体レーザには、直線状のキャビティーを有する公知の端面出射型レーザを適用でき、活性層の両端からレーザ光が出射される。
【００２３】
本発明の半導体レーザを構成する半導体および積層構造に特に限定はなく、利用するレーザ光の波長などに応じて選択される。本発明の半導体レーザが出射するレーザ光の波長に特に限定はないが、たとえば２００〜２０００ｎｍの範囲である。半導体層の材料に特に限定はなく、たとえば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体、ＺｎＳｅ、ＳｉＧｅなどを用いてもよい。
【００２４】
フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー（平面鏡）４０ａおよび４０ｂ、ならびにハーフミラー５０は、起立部に形成されている。起立部の形成方法については後述する。半導体レーザ２０から出射された第１のレーザ光Ｌ１は、フレネルレンズ３０ａによってほぼ平行光とされ、ミラー４０ａ、ハーフミラー５０、ミラー４０ｂで反射される。ミラー４０ｂで反射された第１のレーザ光Ｌ１は、フレネルレンズ３０ｂによって集光され、半導体レーザ２０のキャビティーに入射される。このようにして、第１のレーザ光Ｌ１は、三角形の経路を時計回りに周回する。
【００２５】
一方、半導体レーザ２０から出射された第２のレーザ光Ｌ２は、フレネルレンズ３０ｂによってほぼ平行光とされ、ミラー４０ｂ、ハーフミラー５０、ミラー４０ａで反射される。ミラー４０ａで反射された第２のレーザ光Ｌ２は、フレネルレンズ３０ａによって集光され、半導体レーザ２０のキャビティーに入射される。このようにして、第２のレーザ光Ｌ２は、第１のレーザ光Ｌ１の経路と同じ経路を、反時計回り（第１のレーザ光Ｌ１とは逆の方向）に周回する。
【００２６】
周回する２つのレーザ光の一部は、ハーフミラー５０によって周回経路から分離されてプリズム６０に入射する。プリズム６０に入射した２つのレーザ光は、重ね合わされてプリズム６０から出射され、干渉縞を生じさせる。この干渉縞の移動方向および移動速度を光検出器７０ａおよび７０ｂでモニタすることによって、ジャイロの回転方向および回転速度を算出することができる。干渉縞の移動方向の検出を容易にするため、光検出器７０ａの光検出部と光検出器７０ｂの光検出部との間の距離は、干渉縞の半波長の整数倍とならないように選択することが好ましい。
【００２７】
光検出器には、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの一般的な受光素子を適用できる。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。
【００２８】
各素子のサイズに特に限定はないが、一例では、半導体レーザ２０のキャビティー長を４００μｍとし、ミラー４０ａおよび４０ｂのサイズを１５０μｍとし、半導体レーザ２０からハーフミラー５０までの距離を７００μｍとし、素子全体のサイズを２ｍｍ角以内とすることができる。
【００２９】
図１には、レーザ光が周回する経路が三角形である場合を示したが、レーザ光が周回する経路は四角形であってもよい。経路が四角形である場合の光学素子の配置を図２に示す。なお、図２では、プリズムおよび光検出器の図示を省略する。図２のジャイロは、ミラー４０ａおよび４０ｂに加えてミラー４０ｃを備える。
【００３０】
また、図１には、フレネルレンズを用いる場合について示したが、１枚のフレネルレンズの代わりに１枚の凹面鏡と１枚の平面鏡とを用いてもよい。また、１枚のフレネルレンズの代わりに２枚の凹面鏡を用いてもよい。そのような一例を図３に示す。図３の例では、光学素子３１ａおよび３２ａが、共に凹面鏡であるか、一方が凹面鏡で一方が平面鏡である。同様に、光学素子３１ｂおよび３２ｂは、共に凹面鏡であるか、一方が凹面鏡で一方が平面鏡である。半導体レーザ２０から出射された光は、これらの光学素子によって略平行光とされて光路を周回する。また、光路を周回する光は、これらの光学素子によって集光されて半導体レーザ２０の活性層に導かれる。
【００３１】
以下、半導体レーザジャイロ１０の構造および製造方法について説明する。ジャイロ１０を製造する場合に基板１１上に積層する多層膜の一例を図４に示す。図４の多層膜１００は、半導体レーザ２０を形成する部分の多層膜である。
【００３２】
基板１１は、その上に半導体層を成長させることができるように、積層される半導体層に応じて選択される。基板１１としては、たとえば、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＳｂ基板およびＧａＮ基板といったIII−Ｖ族化合物半導体基板や、サファイア基板、シリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることができる。
【００３３】
多層膜１００は、基板１１側から順に積層された、バッファ層１０１、層（犠牲層）１０２、ヒンジ層（積層部）１０３、エッチストップ層１０４、補償層５０１、クラッド層１０５、活性層１０６、クラッド層１０７、ＤＢＲ層１０８およびキャップ層１０９を備える。ヒンジ層１０３は、第１の層１０３ａと第２の層１０３ｂとを備える。また、キャップ層１０９は、キャップ層１０９ａとキャップ層１０９ｂとを備え、これらはＤＢＲ層１０８の一部としても機能する。
【００３４】
層１０２、ヒンジ層１０３、エッチストップ層１０４を除く各層には、公知の半導体レーザに用いられている層を適用できる。たとえば、活性層１０６は、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体や、ＺｎＳｅ、ＳｉＧｅで形成してもよい。また、活性層１０６は、単層であってもよいし、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）またはそれらを変形したタイプの量子井戸構造を有する活性層であってもよい。
【００３５】
クラッド層１０５および１０７は、活性層１０６にレーザ光を閉じ込めるため、活性層１０６よりも屈折率が低い材料で形成される。活性層およびクラッド層の材料の組み合わせとしては、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ（活性層）／ＩｎＰ（クラッド層）や、ＧａＡｓ（活性層）／ＡｌＧａＡｓ（クラッド層）といった組み合わせが挙げられる。
【００３６】
ＤＢＲ層１０８は、屈折率の異なる２つの層が交互に積層された構造を有し、たとえば、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とが交互に複数回積層された構造や、ＳｉＯ2層とＳｉ層とが交互に複数回積層された構造を適用できる。
【００３７】
層１０２は、起立部（図８（ａ）参照）を形成するためにその一部が選択的に除去される層である。そのため、層１０２は、選択的に除去可能な材料で形成される。
【００３８】
ヒンジ層１０３は、複数の半導体層の格子定数の差によって半導体層を折り曲げるための層である。そのため、第１の層１０３ａは、第２の層１０３ｂを構成する半導体よりも格子定数が大きい半導体で形成される。［第１の層１０３ａの材料］／［第２の層１０３ｂの材料］の具体的な組み合わせとしては、たとえば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ／Ｓｉ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮなどが挙げられる。これらの半導体層の組成比、厚さおよび折れ曲がり部の長さを変化させることによって、ヒンジ層１０３が折れ曲がる角度を調節することができる。
【００３９】
たとえば、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる第１の半導体層１０３ａと、ＧａＡｓからなる第２の半導体層１０３ｂとを用いて折れ曲がり部を形成したときの折れ曲がり部の曲率半径Ｒは、通常、以下の式で表される。
Ｒ＝（ａ／Δａ）・｛（ｔ１＋ｔ２）／２｝
ここで、ａは第２の半導体層１０３ｂ（ＧａＡｓ層）の格子定数である。また、Δａは、第１の半導体層１０３ａ（Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層）の格子定数と第２の半導体層１０３ｂ（ＧａＡｓ層）の格子定数との差である。また、ｔ１は第１の半導体層１０３ａの厚さ（単位：オングストローム）であり、ｔ２は第２の半導体層１０３ｂの厚さ（単位：オングストローム）である。
【００４０】
補償層５０１は、起立部が湾曲することを防止するために形成される。補償層５０１の詳細は後述する。
【００４１】
なお、ヒンジ層は、３層以上の層で構成されていてもよい。たとえば、格子定数が大きい層Ａと格子定数が小さい層Ｂとを、厚い層Ａ／層Ｂ／薄い層Ａというように積層させると、厚い層Ａが層Ｂに及ぼす応力の方が薄い層Ａが層Ｂに及ぼす応力よりも大きいため、トータルでは薄い層Ａ側に曲がろうとする応力が発生する。同様に、厚い層Ｂ／層Ａ／薄い層Ｂという積層膜では、トータルでは厚い層Ｂ側に曲がろうとする応力が発生する。このような関係を利用して、積層された複数の層を所定の方向に折り曲げることができる。
【００４２】
これらの層の材料および厚さの一例を表１に示す。なお、表１中、λはレーザ光の波長である。また、ｎ1は、ＤＢＲ層１０８の一部およびキャップ層１０９ａを構成するｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層の屈折率である。ｎ2は、ＤＢＲ層１０８の一部およびキャップ層１０９ｂを構成するｐ−ＧａＡｓ層の屈折率である。ＤＢＲ層１０８は、厚さがλ／４ｎ1のｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層と、厚さがλ／４ｎ2のｐ−ＧａＡｓ層とが交互に１０層ずつ積層された構造を有する。
【００４３】
【表１】
【００４４】
基板１１上の各層は、一般的な成膜方法を用いて形成できる。たとえば、液層エピタキシャル法（ＬＰＥ法）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法）、原子層エピタキシャル法（ＡＬＥ法）、化学ビームエピタキシャル法（ＣＢＥ）法などを用いることができる。
【００４５】
フレネルレンズ３０ａおよび３０ｂ、ミラー４０ａおよび４０ｂ、ならびにハーフミラー５０を形成する部分の多層膜は、図５に示すように、基板１１側から順に配置された層（犠牲層）１０２、ヒンジ層（積層部）１０３、エッチストップ層１０４、補償層５０１および機能層５０２を含む。層１０２は、エッチングによって一部が除去される層である。ヒンジ層１０３は、内部応力によって折れ曲がり、起立部を形成する層である。機能層５０２は、光学素子としての機能を発揮する層である。フレネルレンズを形成する場合、機能層５０２をエッチングすることによってレンズを形成する。ミラーを形成する場合、機能層５０２でミラーを構成するか、またはミラーとして機能する層を、補償層５０１の上にさらに形成する。あるいは、クラッド層などをミラーとして用いてもよい。補償層５０１は、ヒンジ層１０３によって生じる応力を打ち消すための層である。なお、ヒンジ層１０３による変形を機能層５０２によって防止できる場合には、補償層５０１を省略できる。これらの層は、図４の多層膜の一部を所定の層（たとえばエッチストップ層１０４または補償層５０１）までエッチングしたのち、エッチングによって露出した半導体層上に所定の層を成膜することによって形成できる。
【００４６】
以下、起立部にフレネルレンズ３０ａを形成する方法について図６を参照しながら説明する（フレネルレンズ３０ｂの形成も同じである）。図６（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は断面図であり、図６（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）は上面図である。
【００４７】
まず、図６（ａ）に示すように、基板１１上に、バッファ層１０１、層１０２、第１の層１０３ａ、第２の層１０３ｂ、エッチストップ層１０４、補償層５０１および機能層５０２を形成する。バッファ層１０１〜第２の層１０３ｂ（またはエッチストップ層１０４）までは上述した層である。これらの層は、上述した方法で形成できる。
【００４８】
フレネルレンズ３０ａを形成する場合、機能層５０２はたとえばアクリル樹脂やポリカーボネイトなどで形成できる。機能層５０２には、フレネルレンズ３０ａのパターンが形成される。フレネルレンズのパターンの一例について、図７（ａ）に平面図を示し、図７（ｂ）に断面図を示す。このようなパターンは、フレネルレンズを形成する斜面に対応するように、階段状のステップを多数形成することによって形成できる。そのような階段状のステップは、フォトリソグラフィーとエッチングとを繰り返すことによって形成できる。なお、レーザ光入射時の反射損失を低減するため、フレネルレンズの表面に反射防止膜を形成してもよい。
【００４９】
次に、図６（ｃ）および（ｄ）に示すように、第２の層１０３ｂの表面に到達する溝６０１と、層１０２に到達する溝６０２と、基板１１の表面よりも深い溝６０３とを形成する。これらは、各層の材料に応じて公知のエッチング法で形成できる。溝６０１は、互いに直交するように配置された２つの溝部６０１ａおよび６０１ｂを含む。これらの溝は、折り曲げ部となる部分に形成される。溝６０２は、起立部を形成する際に、基板１１上の多層膜から切り離される部分に形成される。溝６０３は、断面が略Ｖ字状の溝である。溝６０３は、フレネルレンズが配置される位置に形成される。
【００５０】
次に、図６（ｅ）および（ｆ）に示すように、溝部６０１ａと溝６０２と溝６０３とによって囲まれた部分の下方に位置する層１０２をウェットエッチングで選択的に除去する。ウェットエッチングのエッチング液としては、たとえば、フッ酸を用いることができる。
【００５１】
層１０２が除去されると、溝部６０１ａの部分（第１の折れ曲がり部）には、ＩｎＧａＡｓからなる第１の層１０３ａと、ＧａＡｓからなる第２の層１０３ｂのみが存在する。ＧａＡｓよりもＩｎＧａＡｓの方が格子定数が大きいため、溝部６０１ａの部分では、第１の層１０３ａおよび第２の層１０３ｂが、第２の層１０３ｂ側に折れ曲がり、第１の折れ曲がり部８０１（図８（ａ）参照）が形成される。これによって、多層膜（第１の層１０３ａ〜機能層５０２）の一部が基板１１から立ち上がり、起立部が形成される。同様に、溝部６０１ｂの部分でも、第１の層１０３ａおよび第２の層１０３ｂが、第２の層１０３ｂ側に折れ曲がり、第２の折れ曲がり部８０２（図８（ｂ）参照）が形成される。
【００５２】
図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、起立部８００の構造を模式的に示す斜視図および断面図である。２つの折れ曲がり部８０１および８０２でヒンジ層がほぼ直角に折れ曲がることによって、起立部８００は、互いに直交するように配置された第１の平面部８００ａと第２の平面部８００ｂとを含む。第２の平面部８００ｂの一部は、溝６０３に嵌め込まれ、第２の平面部８００ｂは、基板１１の表面に対してほぼ垂直に立ち上がっている。この方法では、第２の平面部８００ｂの一部を溝６０３に埋め込むことによって、起立部８００の配置が容易である。さらに、この方法では、基板１１の表面近傍にフレネルレンズを配置できる。これによって、基板１１の表面近くを移動するレーザ光の集光が可能になる。
【００５３】
ミラー４０ａおよび４０ｂを形成する場合、機能層５０２は、たとえば表１のＤＢＲ層と同じ材料で形成できる。また、ハーフミラー５０を形成する場合、機能層５０２は、たとえば、フレネルレンズと同じ材料と、半導体との組み合わせで形成できる。フレネルレンズとは異なり、これらのミラーの表面は平坦である。
【００５４】
図３に示した半導体レーザジャイロの凹面鏡を形成する場合、フレネルレンズの表面形状を反転させた表面形状を有する凹面鏡（フレネルミラー）を形成すればよい。このフレネルミラーは、フレネルレンズと同様の方法で形成できる。なお、フレネルミラーの表面に、反射膜を形成して反射率を高めてもよい。
【００５５】
これらの光学素子は、図８に示したように、一部が溝に嵌め込まれている起立部に形成できる。ただし、起立部に形成する必要がない光学素子については、起立部に形成しなくてもよい。また、第１の平面部に光学素子を配置することによって求められる機能を発揮できる場合には、第２の平面部や溝６０３は不要である。
【００５６】
プリズム６０は、たとえば、透明樹脂をエッチングによって所望の形状に加工することによって形成できる。また、光検出器７０ａおよび７０ｂは、一般的な半導体プロセスで形成できる。これらは、基板１１上に形成してもよいし、別の基板上に形成してもよい。
【００５７】
なお、基板１１には、上記光学素子、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。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本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。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の半導体レーザジャイロの一例を模式的に示す上面図である。
【図２】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上面図である。
【図３】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上面図である。
【図４】本発明の半導体レーザジャイロの製造工程の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の半導体レーザジャイロの製造工程の他の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の半導体レーザジャイロの製造工程の他の一例を模式的に示す断面図および上面図である。
【図７】光学素子の一例を模式的に示す正面図および断面図である。
【図８】起立部に形成された光学素子の一例を模式的に示す斜視図および断面図である。
【図９】従来の光ジャイロの一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１０ａ、１０ｂ 半導体レーザジャイロ
１１ 基板
２０ 半導体レーザ
３０ａ、３０ｂ フレネルレンズ
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ 光学素子
４０ａ、４０ｂ ミラー
５０ ハーフミラー
６０ プリズム
７０ａ、７０ｂ 光検出器
１０１ バッファ層１０１
１０２ 層（犠牲層）
１０３ ヒンジ層（積層部）
１０３ａ 第１の層
１０３ｂ 第２の層
５０１ 補償層
５０２ 機能層
６０１ａ、６０１ｂ、６０２、６０３ 溝
８００ 起立部
８００ａ 第１の平面部
８００ｂ 第２の平面部
８０１、８０２ 折れ曲がり部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、前記第１および第２のレーザ光を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子と、前記第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、
前記基板上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含み、
前記積層部および前記起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含み、
前記第１および第２の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、
前記複数の光学素子の少なくとも１つが前記起立部に形成されている半導体レーザジャイロ。
【請求項２】
前記半導体レーザが直線状のキャビティーを有し、前記キャビティーの一方の端から前記第１のレーザ光が出射され、前記キャビティーの他方の端から前記第２のレーザ光が出射され、
前記多角形の経路が前記半導体レーザの活性層を通っている請求項１に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項３】
前記複数の光学素子のすべてが前記基板上に形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項４】
前記第１および第２の層が、III−Ｖ族化合物半導体からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項５】
前記起立部は、前記第１および第２の層を第１の折り曲げ部において折り曲げることによって形成された第１の平面部と、前記第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる第２の折り曲げ部で前記第１の平面部を折り曲げることによって形成された第２の平面部とを含み、
前記基板には前記第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる溝が形成されており、
前記第２の平面部の一部が前記溝の内部に配置されており、
複数の前記光学素子の１つが前記第２の平面部に形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項６】
前記起立部に、ミラーおよびレンズから選ばれる少なくとも１つの光学素子が形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項７】
前記光検出器が前記基板上に形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項８】
前記第１および第２のレーザ光によって干渉縞を形成するためのプリズムをさらに備え、
前記プリズムが前記基板上に形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成され第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、前記第１および第２のレーザ光を多角形の経路を互いに逆方向に周回させるための複数の光学素子と、前記第１および第２の光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、
前記基板上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部とを含み、
前記積層部および前記起立部は、それぞれ、格子定数が異なる複数の層を含み、
前記第１および第２の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、
前記複数の光学素子の少なくとも１つが前記起立部に形成されている半導体レーザジャイロ。
【請求項２】
前記半導体レーザが直線状のキャビティーを有し、前記キャビティーの一方の端から前記第１のレーザ光が出射され、前記キャビティーの他方の端から前記第２のレーザ光が出射され、
前記多角形の経路が前記半導体レーザの活性層を通っている請求項１に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項３】
前記複数の光学素子のすべてが前記基板上に形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項４】
前記第１および第２の層が、III−Ｖ族化合物半導体からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項５】
前記起立部は、前記第１および第２の層を第１の折り曲げ部において折り曲げることによって形成された第１の平面部と、前記第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる第２の折り曲げ部で前記第１の平面部を折り曲げることによって形成された第２の平面部とを含み、
前記基板には前記第１の折り曲げ部に対して所定の角度を有する方向に伸びる溝が形成されており、
前記第２の平面部の一部が前記溝の内部に配置されており、
複数の前記光学素子の１つが前記第２の平面部に形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項６】
前記起立部に、ミラーおよびレンズから選ばれる少なくとも１つの光学素子が形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項７】
前記光検出器が前記基板上に形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項８】
前記第１および第２のレーザ光によって干渉縞を形成するためのプリズムをさらに備え、
前記プリズムが前記基板上に形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−２００９３４（Ｐ２００６−２００９３４Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０５８３（Ｐ２００５−１０５８３）
【出願日】平成１７年１月１８日（２００５．１．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１８日（２００５．１．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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