説明

半導体レーザジャイロ

【課題】高い感度と低消費電力を実現することが可能な新規なレーザジャイロを提案する。
【解決手段】本発明のジャイロは、環状の光軌道23を有する共振器を備え光軌道23を互いに逆方向に伝搬する第1および第2のレーザ光L1およびL2を発生させる半導体レーザ素子20と、第1および第2のレーザ光L1およびL2のそれぞれを光軌道23から引き出すための引き出し手段と、引き出された第1のレーザ光L1と第2のレーザ光L2との周波数差を検出するための検出手段とを備える。光軌道23には、活性層を含み光増幅を生じるアクティブ領域21と、光増幅を生じないパッシブ領域22とが存在する。共振器は、第1および第2のレーザ光L1およびL2が伝播する光ガイド層を含む。そして、アクティブ領域において、活性層が光ガイド層に積層されている。

【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】
従来から、環状の共振器を備える半導体レーザ素子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)。ジャイロが回転すると、環状の共振器を互いに逆方向に周回する2つのレーザ光の周波数に差が生じるため(sagnac効果)、その差を検出することによってジャイロの回転を検出できる。2つのレーザ光の周波数差Δfは、以下の式で表される。
【0003】
【数1】

【0004】
式中、Lは共振器の周長であり、Aは共振器内の面積であり、λはレーザ光の波長であり、nは光路の屈折率であり、Ωは角速度である。
【特許文献1】特開2000−230831号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、半導体リングレーザジャイロで回転を実際に検出することは難しかった。それは、従来知られていなかった、回転の検出を阻害する要因があったためである。
【0006】
このような状況において、本件発明者らは、回転の検出精度が高い半導体リング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】
【0007】
上記目的を達成するため、本件発明者らが検討した結果、共振器の内部損失が大きいと、高いQ値が得られず、サニャック効果の観測が難しくなってしまうということを見出した。すなわち、本件発明者らは、共振器の内部損失を低減することによって、回転角速度の検出が容易になることを見出した。共振器の内部損失がサニャック効果の観測に影響を与えることは、従来考慮されていなかった事項であり、この発明は、全く新しい観点から半導体リングレーザジャイロの容易な実現を目指すものである。
【0008】
すなわち、本発明のレーザジャイロは、環状の光軌道を有する共振器を備え前記光軌道を互いに逆方向に伝搬する第1および第2のレーザ光を発生させる半導体レーザ素子と、前記第1および第2のレーザ光のそれぞれを前記光軌道から引き出すための引き出し手段と、引き出された前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光との周波数差を検出するための検出手段とを備え、前記共振器の前記光軌道の部分には、活性層を含み光増幅を生じる第1の領域と、光増幅を生じない第2の領域とが存在し、前記共振器は、前記第1および第2のレーザ光が伝播する光ガイド層を含み、前記第1の領域において、前記活性層が前記光ガイド層に積層されている。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、回転の検出精度が高い半導体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、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。たとえば、以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【0011】
[半導体レーザジャイロ]
以下、本発明の半導体レーザジャイロについて説明する。本発明の半導体レーザジャイロは、半導体レーザ素子と、引き出し手段と、検出手段とを備える。
【0012】
半導体レーザ素子は、環状の光軌道を有する共振器を備え、その光軌道を互いに逆方向に伝搬する第1および第2のレーザ光L1およびL2を発生させる。引き出し手段は、第1および第2のレーザ光L1およびL2のそれぞれを上記光軌道から引き出す。検出手段は、引き出された第1のレーザ光L1と第2のレーザ光L2との周波数差を検出するための手段である。
【0013】
ジャイロが回転している場合、レーザ光L1の周波数とレーザ光L2の周波数との間には、回転の角速度に応じた差が生じる。そのため、この周波数差から、回転角速度を算出することが可能である。
【0014】
半導体レーザ素子の共振器の光軌道の部分には、活性層を含み光増幅を生じる第1の領域(アクティブ領域)と、光増幅を生じない第2の領域(パッシブ領域)とが存在する。また、共振器は、第1および第2のレーザ光L1およびL2が伝播する光ガイド層を含む。光ガイド層は、光ガイド層よりも屈折率が低いクラッド層に挟まれた層である。レーザ光L1およびL2は、光ガイド層を中心として光ガイド層およびその近傍を伝播する。光ガイド層およびその上下に配置されたクラッド層とは、環状の光軌道(共振器)を構成する。
【0015】
第1の領域(アクティブ領域)において、活性層は、光ガイド層に積層されている。活性層は、光ガイド層の上方に積層されていてもよいし、光ガイド層の下方(基板側)に積層されていてもよい。
【0016】
活性層が光ガイド層に積層されている構造(装荷構造)を用いることによって、活性層と光ガイド層とを別個に作製する場合と比較して、アクティブ領域近傍でのレーザ光の散乱を低減できる。そのため、本発明によれば、共振器の内部損失を低減でき、回転角速度の検出が容易になる。
【0017】
光ガイド層と活性層とは、下方のクラッド層と上方のクラッド層とに挟まれている。本発明のジャイロでは、上方のクラッド層がリッジ状であり、下方のクラッド層が平面状に広がっていてもよい。この場合、上方のクラッド層の横幅は、たとえば0.7μm〜4μmの範囲にあり、一例では、1μm〜2μmの範囲にある。下方のクラッド層の横幅は、少なくとも上方のクラッド層の横幅よりも広く、たとえば上方のクラッド層の横幅の10倍以上である。
【0018】
下側のクラッド層も上側のクラッド層と同様にリッジ構造とした場合、リッジ構造の部分(下側クラッド層、活性層、光ガイド層、上側クラッド層)と空気との屈折率差によって、光の左右方向の閉じ込めが行われる。このような場合、リッジの作製の際に生じる表面の荒れの影響で光の散乱が大きくなって共振器内における光の損失が大きくなる。これに対し、下側のクラッド層を平面状に広がっているクラッド層とした場合、上記散乱による光の損失を抑制でき、光の内部損失を低減できる。なお、活性層についても同様であり、活性層の両サイドが空気であるよりも、活性層自身が平面的に広がっているか、細い活性層の両サイドに活性層よりも屈折率が低い層が存在することが好ましい。
【0019】
本発明のジャイロでは、第2の領域(パッシブ領域)において、光ガイド層が、光ガイド層よりも屈折率が小さい層に埋め込まれていてもよい。
【0020】
本発明の効果が得られる限り、光軌道の形状は、円環状であってもよいし、楕円環状であってもよいし、円環を引き延ばしたトラック状の形状(図1参照)であってもよい。
【0021】
理論的には、光軌道の周長は長い方が、角速度の測定精度を高めることができる。一方、光軌道の周長が長すぎると、半導体レーザ素子を精度よく製造することが難しくなる。光軌道の周長は、たとえば10mm〜50mmの範囲にあり、一例では15mm〜35mmの範囲にある。
【0022】
光軌道の周長に占めるアクティブ領域の長さの割合は、たとえば1〜20%の範囲にあり、一例では4〜10%の範囲にある。
【0023】
アクティブ領域には、活性層を含む半導体多層膜と、活性層に電流を注入するための電極とが配置される。アクティブ領域では、活性層へのキャリアの注入によって誘導放出が生じ、光が増幅される。一方、パッシブ領域では光は増幅されない。活性層は、単一量子井戸層であってもよいし、多重量子井戸層であってもよいし、量子ドット型の層であってもよい。
【0024】
光ガイド層におけるレーザ光の減衰を防止するため、光ガイド層のバンドギャップは、活性層のバンドギャップよりも広いことが好ましい。すなわち、光ガイド層のバンドギャップ波長は、活性層のバンドギャップ波長よりも短いことが好ましい。この構成によれば、光ガイド層におけるレーザ光の吸収を低減できる。
【0025】
半導体レーザ素子の共振器は、半導体によって形成でき、たとえば、III−V族化合物半導体で形成できる。また、引き出し手段の光導波路も、同様の半導体によって形成してもよい。
【0026】
引き出し手段は、たとえば、所定の位置に配置された1本または2本の光導波路であってもよい。それらの光導波路の一部は、光軌道(共振器)に隣接して且つ光軌道の接線方向と平行に配置されてもよい。その一部は、光結合器として機能するため、第1および第2のレーザ光L1およびL2が光軌道(共振器)からこの光導波路に伝播する。引き出し手段を構成する光導波路の構造は、レーザ光L1およびL2を光軌道(共振器)から引き出すことができる限り特に限定はなく、たとえば、パッシブ領域と同様の積層構造としてもよい。
【0027】
本発明のジャイロでは、上記検出手段は、第1のレーザ光L1を検出する第1の受光素子と、第2のレーザ光L2を検出する第2の受光素子とを含んでもよい。それらの受光素子の信号は、たとえば、外部の回路に出力され、その信号に含まれる振動成分から2つのレーザ光の周波数差が求められる。検出された周波数差から、ジャイロの回転角速度を求めることができる。本発明のジャイロにおいて、受光素子には、フォトダイオードやフォトトランジスタを用いることができる。
【0028】
また、本発明のジャイロでは、上記検出手段は、引き出された第1および第2のレーザ光L1およびL2を結合するための結合手段と、結合された第1および第2のレーザ光L1およびL2のビート信号を検出する受光素子とを含んでもよい。結合手段には、光結合器を用いることができる。第1のレーザ光L1と第2のレーザ光L2とを結合することによって、ビート信号が生じる。このビート信号を検出することによって、第1のレーザ光L1と第2のレーザ光L2との周波数差を求めることができる。
【0029】
[半導体レーザジャイロの一例]
本発明のジャイロの一例について、主要部の配置を図1に示す。
【0030】
図1のジャイロ10は、半導体リングレーザ素子20、結合導波路31、結合導波路32、およびフォトダイオード33〜36を含む。これらは、基板(図示せず)上に形成されている。半導体リングレーザ素子20は、アクティブ領域21と、パッシブ領域22とを含む。アクティブ領域21とパッシブ領域22とによって、リング状の光軌道23が形成されている。アクティブ領域21は、光軌道23の直線状の部分に形成されている。結合導波路31および32は、それぞれ、リング状の光軌道23と結合(coupling)している。なお、フォトダイオード33および36のいずれか一方、およびフォトダイオード34および35のいずれか一方を省略してもよい。
【0031】
アクティブ領域21の活性層に、閾値以上の電流が注入されると、レーザ素子20のリング状の光軌道を時計回りに伝播するレーザ光L1と、反時計回りに伝播するレーザ光L2とが励起される。レーザ光L1の一部およびレーザ光L2の一部は、結合導波路31および32に伝播される。その結果、レーザ光L1はフォトダイオード33および36で検出され、レーザ光L2は、フォトダイオード34および35で検出される。レーザ光L1およびレーザ光L2のそれぞれの検出信号には、レーザ光L1とレーザ光L2との周波数差に対応する振動成分が含まれていることが、理論および実験から分かっている。そのため、ジャイロ10では、レーザ光L1およびレーザ光L2のうちのいずれか一方の検出信号に含まれる周波数成分から、回転の角速度を求めることが可能である。したがって、ジャイロ10のフォトダイオードは、1つであってもよい。
【0032】
なお、結合導波路で引き出したレーザ光L1およびL2を結合器で重ね合わせ、それによって生じるビート信号を受光素子で検出してもよい。そのようなジャイロの一例について、主要部の配置を図2に示す。
【0033】
図2のジャイロ10aは、半導体リングレーザ素子20、結合導波路37、およびフォトダイオード38を含む。結合導波路37は、レーザ素子20のリング状の光軌道23と結合している。また、結合導波路37は、結合器37aを含む。結合器37aにおいて、結合導波路37の一部は、結合導波路37の他の一部と結合している。レーザ素子20の光軌道23を伝播するレーザ光L1およびL2は、それぞれ、結合導波路37に引き出される。引き出されたレーザ光L1およびL2は、結合器37aにおいて、方向を揃えられて結合される。その結果、2つのレーザ光の周波数差に基づくビート信号が生じる。このビート信号は、フォトダイオード38で検出される。
【0034】
以下に、図1に示したジャイロ10について、構造の詳細を説明する。
【0035】
レーザ素子20について、アクティブ領域21の断面図を図3(a)に示し、パッシブ領域22の断面図を図3(b)に示す。図3(a)は、図1の線IIIa−IIIaにおける断面図である。図3(b)は、図1の線IIIb−IIIbにおける断面図である。
【0036】
アクティブ領域21は、n−InPからなる基板40と、基板40上に順に形成された多層膜によって構成されている。その多層膜は、n−InPからなるバッファ層41、n−InGaAsP層42(光ガイド層)、n−InP層43、ノンドープのInGaAsPからなる活性層44、p−InP層45、p−InP層46、p−InGaAsP層47、およびp−InGaAsP層48を含む。アクティブ領域21において、p−InP層45、p−InP層46、p−InGaAsP層47およびp−InGaAsP層48は、リッジ状に形成されている。
【0037】
パッシブ領域22では、基板40上に、n−InPからなるバッファ層41、n−InGaAsP層42(光ガイド層)、およびノンドープのInP層51(最も厚い部分の厚さ:2.2〜2.5μm)が積層されている。パッシブ領域22において、InP層51は、リッジ状のリッジ部51aを含む。なお、この一例ではパッシブ領域22の光ガイド層が線状に形成されている場合を示しているが、パッシブ領域21の光ガイド層は面状に広がっていてもよい。その場合、左右方向の光閉じ込めは、リッジ状に形成された上側クラッド層のみによって行われる。
【0038】
それぞれの層の厚さおよびドープ量の一例を表1に示す。また、一部の層のバンドギャップ波長λgも表1に示す。
【0039】
【表1】

【0040】
また、それぞれの層の厚さおよびドープ量の他の一例を表2に示す。また、一部の層のバンドギャップ波長λgも表2に示す。
【0041】
【表2】

【0042】
基板40上の多層膜は、絶縁膜(図示せず)によって覆われている。アクティブ領域21のp−InGaAsP層48上の絶縁膜には、電極を接続するための開口部が形成されている。その開口部および基板40の裏面には、電流注入用の電極(図示せず)が形成されている。
【0043】
アクティブ領域21の近傍において、活性層44とp−InP層46とを上方から見たときの両者の配置を、図4に示す。図4では、活性層44の平面形状に網掛けを付している。なお、アクティブ領域21において、活性層44とn−InGaAsP層42(光ガイド層)とは、同じ平面形状を有している。活性層42の端面は、光路に対して斜めになっている。これは、端面で反射された光が、光軌道23に戻ることを防止するためである。
【0044】
アクティブ領域21とパッシブ領域22との接続部について、光路に沿った断面図を図5に示す。パッシブ領域22では、n−InGaAsP層42(光ガイド層)が、n−InPからなる基板40およびバッファ層41と、ノンドープのInP層51とに挟まれている。InPはInGaAsPよりも屈折率が低いため、これらの層および基板は、クラッド層として機能する。パッシブ領域22では、光ガイド層がクラッド層に埋め込まれている。また、パッシブ領域22において、InP層51は、リッジ状のリッジ部51aを含む。これらの構造によって、光の左右方向および上下方向の閉じ込めがなされる。
【0045】
一方、アクティブ領域21では、n−InGaAsP層42(光ガイド層)および活性層44は、InPからなる基板40およびバッファ層41と、p−InP層45および46に挟まれている。これらの層および基板は、クラッド層として機能する。これらのクラッド層によって、光の上下方向の閉じ込めがなされる。また、アクティブ領域21では、p−InP層45および46がリッジ状に形成されている。このリッジ構造によって、光の左右方向の閉じ込めがなされる。
【0046】
環状に形成されたリッジ型の上側クラッド層、およびその下方に存在する光ガイド層、活性層、および下側クラッド層が、環状の光軌道(共振器)を構成する。なお、パッシブ領域では、リッジ型の上側クラッド層によって左右方向の光閉じ込めを行う代わりに、クラッド層に埋め込まれた環状の光ガイド層で左右方向の光閉じ込めを行ってもよい。
【0047】
レーザ素子20では、下側のクラッド層(基板40およびバッファ層41)がリッジを構成しておらず、平面的に広がっている(すなわち、リッジ部よりも広がっている)。そのため、レーザ素子20では、光の散乱に基づく光の損失を抑制できる。
【0048】
結合導波路31および32は、パッシブ領域22と同様の構造を有する。結合導波路31および32と、光軌道23との間の距離は、レーザ光の伝播が生じる距離とされる。その距離は、たとえば0.2μm〜1.5μmの範囲にあってもよい。
【0049】
フォトダイオード33〜36は、アクティブ領域21と同じ積層構造を有する。
【0050】
[ジャイロの製造方法の一例]
ジャイロ10の製造方法の一例について、以下に説明する。なお、以下の工程は、一般的な半導体素子製造方法で用いられる技術によって実施できる。たとえば、MOCVDなどの成膜法、フォトリソグラフィー法、RIEなどのドライエッチング法、およびウェットエッチング法などを用いることによって実施できる。
【0051】
まず、n−InPからなる基板40上に、バッファ層41、n−InGaAsP層42、n−InP層43、活性層44となるノンドープのInGaAsP層、p−InP層45、p−InP層46、p−InGaAsP層47、およびp−InGaAsP層48を形成する。次に、活性層44となる部分に対応する領域に、SiO2からなるマスクを形成する。次に、マスク以外の部分を、n−InGaAsP層42に到達するまでエッチングする。このようにして、アクティブ領域21およびその近傍以外の領域のエッチングを行う。なお、アクティブ領域21と同じ積層構造を有するフォトダイオード33〜36を用いる場合には、それらが形成される領域も、マスクで保護される。
【0052】
次に、露出しているn−InGaAsP層42のうち、パッシブ領域22となる部分以外の部分を、基板40に到達するまでエッチングする。このようにして、パッシブ領域22に沿った線状の光ガイド層を形成する。なお、パッシブ領域と同じ積層構造を有する結合導波路31および32を用いる場合、エッチングの際には、光ガイド層の部分と共に結合導波路31および32の部分も保護される。
【0053】
次に、基板40およびn−InGaAsP層42を覆うように、半導体層を再成長させる。具体的には、ノンドープのInP層51をエピタキシャル成長させる。
【0054】
次に、リッジ部を形成する領域の両サイドを除く部分にSiO2からなるマスクを形成する。そして、マスクの部分以外を、エッチングする。エッチングは、p−InP層45の途中に到達するまで行う。このエッチングによって、リッジ部が形成される。なお、リッジ部の形成と同時に、結合導波路31および32のリッジ部を形成してもよい。
【0055】
次に、全体を覆うように、SiO2膜を形成する。次に、アクティブ領域21上に形成されているSiO2膜の一部に、電極を接続するための開口部を形成する。最後に、アクティブ領域21のp−InGaAsP層48上、および基板40の裏面に電極を形成する。また、フォトダイオード33〜36のそれぞれにも電極が形成される。このようにして、レーザ素子20を含むジャイロ10が形成される。ジャイロ10aも、ジャイロ10と同様の工程で製造できる。
【0056】
なお、別の観点では、本発明で用いられる半導体レーザ素子は、環状の光導波路と、その途中に挿入された半導体光増幅器(SOA)とによって構成されているとみなすことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0057】
本発明は、ジャイロに利用できる。本発明のジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な電子機器に適用できる。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小型で消費電力が低い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】
【0058】
【図1】本発明の半導体レーザジャイロの一例について、主要部の配置を示す図である。
【図2】本発明の半導体レーザジャイロの他の一例について、主要部の配置を示す図である。
【図3】図1に示す半導体レーザジャイロについて、(a)アクティブ領域の断面図、および(b)パッシブ領域の断面図である。
【図4】図1に示す半導体レーザジャイロについて、活性層およびリッジ部の配置を模式的に示す図である。
【図5】図1に示す半導体レーザジャイロについて、アクティブ領域とパッシブ領域との結合部を示す断面図である。
【符号の説明】
【0059】
10、10a ジャイロ
20 半導体リングレーザ素子
21 アクティブ領域(第1の領域)
22 パッシブ領域(第2の領域)
23 光軌道
31、32、37 結合導波路
33、34、35、36、38 フォトダイオード(検出手段)
37a 結合器
40 基板(クラッド層)
41 バッファ層(クラッド層)
42 n−InGaAsP層(光ガイド層)
44 活性層
45、46 p−InP層(クラッド層)
51 InP層(クラッド層)
51a リッジ部
L1、L2 レーザ光

【特許請求の範囲】
【請求項1】
環状の光軌道を有する共振器を備え前記光軌道を互いに逆方向に伝搬する第1および第2のレーザ光を発生させる半導体レーザ素子と、
前記第1および第2のレーザ光のそれぞれを前記光軌道から引き出すための引き出し手段と、
引き出された前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光との周波数差を検出するための検出手段とを備え、
前記共振器の前記光軌道の部分には、活性層を含み光増幅を生じる第1の領域と、光増幅を生じない第2の領域とが存在し、
前記共振器は、前記第1および第2のレーザ光が伝播する光ガイド層を含み、
前記第1の領域において、前記活性層が前記光ガイド層に積層されている、半導体レーザジャイロ。
【請求項2】
前記光ガイド層と前記第1の領域の活性層とは、下方のクラッド層と上方のクラッド層とに挟まれており、
前記上方のクラッド層がリッジ状であり、前記下方のクラッド層が平面状に広がっている請求項1に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項3】
前記第2の領域において、前記光ガイド層が、前記光ガイド層よりも屈折率が小さい層に埋め込まれている請求項1に記載の半導体レーザジャイロ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2009−103647(P2009−103647A)
【公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−277610(P2007−277610)
【出願日】平成19年10月25日(2007.10.25)
【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19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、産業技術力強化法第19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)】