(57)【要約】【課題】全反射モードでのレーザ光の励起が可能であり、且つ、共振器からのレーザ光の取り出しが容易な半導体レーザ素子、およびそれを用いた半導体レーザジャイロを提供する。【解決手段】本発明の半導体レーザ素子は、共振器３０を備える半導体レーザ素子であって、共振器３０の端面において全反射され多角形の周回光路４０を互いに逆方向に周回する第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２を励起する。周回光路４０の途中には、共振器の実効屈折率とは異なる屈折率を有するエアギャップ４１ａ〜４１ｄが形成されている。第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２の一部は、エアギャップ４１ａ〜４１ｄで反射されて出射される。【選択図】図３
2009124046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層膜で構成された共振器を備える半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザ素子は、前記共振器の端面において全反射され多角形の光路を互いに逆方向に周回する第１および第２のレーザ光を励起し、
前記光路の途中には、前記共振器の実効屈折率とは異なる屈折率を有する少なくとも１つのギャップが形成されており、
前記第１および第２のレーザ光から選ばれる少なくとも１つの光の一部が、前記ギャップで反射されて出射される半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ギャップが空気からなる請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
半導体レーザ素子と観測手段とを含む半導体レーザジャイロであって、
前記半導体レーザ素子は多層膜で構成された共振器を備え、
前記半導体レーザ素子は、前記共振器の端面において全反射され多角形の光路を互いに逆方向に周回する第１および第２のレーザ光を励起し、
前記光路の途中には、前記共振器の実効屈折率とは異なる屈折率を有する第１および第２のギャップが形成されており、
前記第１のレーザ光の一部は前記第１のギャップで反射されて前記半導体レーザ素子から出射され、
前記第２のレーザ光の一部は前記第２のギャップで反射されて前記半導体レーザ素子から出射され、
前記観測手段は、前記半導体レーザ素子から出射された前記第１および第２のレーザ光を受光する少なくとも１つの受光素子を含む半導体レーザジャイロ。
【請求項４】
前記観測手段は、前記半導体レーザ素子から出射された前記第１のレーザ光と、前記半導体レーザ素子から出射された前記第２のレーザ光とによって形成された干渉縞を観測する請求項３に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項５】
前記第１および第２のギャップが空気からなる請求項３に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項６】
前記共振器が環状ではない請求項３に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項７】
前記半導体レーザ素子は、前記第１のギャップで反射された前記第１のレーザ光と、前記第２のギャップで反射された前記第２のレーザ光とを、前記多層膜内で増幅するための電流注入手段を備える請求項３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のギャップは、それぞれ、前記多角形の辺のうち前記多角形の１つの頂点に隣接する第１および第２の辺に形成されており、
前記第１のギャップで反射された前記第１のレーザ光が、前記頂点近傍の前記多層膜の端面から出射され、
前記第２のギャップで反射された前記第２のレーザ光が、前記頂点近傍の前記多層膜の端面から出射され、
出射される前記第１のレーザ光と、出射される前記第２のレーザ光とがなす角度が、０°より大きく２０°以下である請求項３に記載の半導体レーザジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子および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】
2009124046.tif 000003
【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は回転角速度である。
【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】
上記従来のジャイロで用いられている半導体レーザ素子では、共振器内で周回するレーザ光が反射される端面から、レーザ光の一部が取り出されていた。レーザ光の発振の閾値を低くするためには、共振器の端面においてレーザ光が全反射されることが好ましい。しかし、端面においてレーザ光が全反射されるようにすると、端面からレーザ光を出射させることができなくなるという問題がある。したがって、従来の半導体レーザ素子には、全反射モードのレーザ光の励起と、レーザ光の充分な取り出しとを両立することが難しいという課題があった。
【０００６】
このような状況において、本発明は、全反射モードでのレーザ光の励起が可能であり、且つ、共振器からのレーザ光の取り出しが容易な半導体レーザ素子を提供することを目的の１つとする。また、本発明は、その半導体レーザ素子を用いた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】
【０００７】
上記目的を達成するために検討した結果、本件発明者らは、全く新しい構造によって、全反射モードのレーザ光の励起と、レーザ光の取り出しとを両立できることを見出した。本件発明はこの新たな知見に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明の半導体レーザ素子は、多層膜で構成された共振器を備える半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザ素子は、前記共振器の端面において全反射され多角形の光路を互いに逆方向に周回する第１および第２のレーザ光を励起し、前記光路の途中には、前記共振器の実効屈折率とは異なる屈折率を有する少なくとも１つのギャップが形成されており、前記第１および第２のレーザ光から選ばれる少なくとも１つの光の一部が、前記ギャップで反射されて出射される。
【０００９】
また、本発明の半導体レーザジャイロは、半導体レーザ素子と観測手段とを含む半導体レーザジャイロであって、前記半導体レーザ素子は多層膜で構成された共振器を備え、前記半導体レーザ素子は、前記共振器の端面において全反射され多角形の光路を互いに逆方向に周回する第１および第２のレーザ光を励起し、前記光路の途中には、前記共振器の実効屈折率とは異なる屈折率を有する第１および第２のギャップが形成されており、前記第１のレーザ光の一部は前記第１のギャップで反射されて前記半導体レーザ素子から出射され、前記第２のレーザ光の一部は前記第２のギャップで反射されて前記半導体レーザ素子から出射され、前記観測手段は、前記半導体レーザ素子から出射された前記第１および第２のレーザ光を受光する少なくとも１つの受光素子を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、全反射モードでのレーザ光の励起が可能であり、且つ、共振器からのレーザ光の取り出しが容易な半導体レーザ素子が得られる。また、本発明によれば、その半導体レーザ素子を用いたジャイロが得られる。本発明の半導体レーザ素子はジャイロに用いるのに充分なレーザ光を出射するため、本発明の半導体レーザ素子を用いることによって、特性が高いジャイロが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。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。
【００１２】
［半導体レーザ素子］
本発明の半導体レーザ素子は、多層膜で構成された共振器を備える。この半導体レーザ素子は、共振器の端面において全反射され多角形の（辺上の）光路を互いに逆方向に周回する第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２を励起する。以下、この多角形の光路を「周回光路」という場合がある。周回光路の途中には、共振器の実効屈折率とは異なる屈折率を有する少なくとも１つのギャップが形成されている。そして、第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２から選ばれる少なくとも１つの光の一部は、ギャップで反射されて出射される。レーザ光は、多層膜（共振器）の端面から出射される。
【００１３】
一例の共振器は、活性層と、その上下に配置された２つのクラッド層とによって構成される。なお、共振器の一部は、活性層ではない光ガイド層（コア層）とその上下に配置された２つのクラッド層とによって構成されてもよい。クラッド層は、活性層および光ガイド層よりも屈折率が低い材料からなる。共振器は、ギャップの部分を除いて、レーザ光Ｌ１およびＬ２の多角形の光路を内包する平面形状を有する。共振器の好ましい一例は、環状ではなく、面状の共振器である。ただし、共振器は、細い導波路によって構成された環状の共振器であってもよい。
【００１４】
共振器は、レーザ光Ｌ１およびＬ２が共振器の端面（以下、「端面ミラー」という場合がある）において全反射されるように設計される。すなわち、レーザ光Ｌ１およびＬ２は、多角形の周回光路のすべての頂点において全反射される。全反射の条件は、スネルの式から簡単に求められる。なお、レーザ光Ｌ１およびＬ２が一部の端面ミラーにおいて全反射しない場合であってもレーザ光を出射させることは可能であるが、その場合には充分な光を出射させることができない場合がある。
【００１５】
共振器を構成する多層膜は、通常、半導体層で形成され、たとえばIII−Ｖ族化合物半導体で形成される。
【００１６】
周回光路を周回するレーザ光Ｌ１およびＬ２を励起するため、半導体レーザ素子は、周回光路に沿って電流を注入するための構造を有する。たとえば、半導体レーザ素子は、（ａ）周回光路に沿って電流を注入するための電流狭窄層（絶縁層）、（ｂ）周回光路に沿って形成されたコンタクト層（高ドープ層）、および（ｃ）周回光路に沿って形成されたコンタクト領域から選ばれる少なくとも１つを備える。レーザ光Ｌ１およびＬ２を励起できる限り、電流は周回光路の全体に注入されてもよいし、周回光路の一部のみに注入されてもよい。レーザ光Ｌ１およびＬ２を励起するためには、通常、周回光路の５０％以上（長さ比）の領域に電流が注入され、好ましくは９０％以上の領域に電流が注入される。
【００１７】
ギャップの屈折率は、共振器の実効屈折率よりも大きいかまたは小さいが、通常は共振器の実効屈折率よりも小さい。典型的な一例では、ギャップは、光路に対して垂直に近い角度で配置された平板状の物質からなる。その物質の一例は、空気である。すなわち、ギャップは、空気からなるものであってもよい。ギャップが空気である場合、別の見方によれば、ギャップは、周回光路に対して垂直に近い角度で形成された溝である。空気以外の例としては、たとえば、合成樹脂や無機物質（たとえば反射防止膜の材料として用いられる無機物質）が挙げられる。ギャップの表面に対する周回光路の入射角α（図６参照）は、たとえば１°〜１７°の範囲にあり、一例では、３°〜１０°の範囲にある。
【００１８】
周回光路は、共振器の端面におけるレーザ光の全反射条件を満足する限り、三角形でもよいし、四角形でもよいし、それらより多くの辺を有する多角形であってもよい。好ましい一例は、正方形または菱形である。なお、周回光路はギャップの部分でごくわずかだけ曲折するため、実質的には三角形や四角形の周回光路であっても、微視的には、三角形や四角形ではない。しかし、その曲折はごくわずかであるため、この明細書では、周回光路の形状について述べる場合、ギャップでの曲折を無視する場合がある。
【００１９】
本発明の半導体レーザ素子は、ギャップで反射されて素子から出力されるレーザ光を、多層膜（共振器）内で増幅するための電流注入手段を備えてもよい。電流注入手段は、電流を注入するための電極および半導体層を含む。電流注入手段の典型的な一例は、レーザ光Ｌ１およびＬ２を励起するための電流注入手段と同じ構造を有する。
【００２０】
本発明の半導体レーザ素子の一例は、後述するレーザジャイロに用いることができる。この一例の半導体レーザ素子は、第１および第２のギャップを含む。そして、第１のレーザ光Ｌ１のうち第１のギャップで反射された光と、第２のレーザ光Ｌ２のうち第２のギャップで反射された光とが、半導体レーザ素子から出射される。
【００２１】
なお、ギャップの数は、３つ以上であってもよい。たとえば、多角形の光路の各辺に、１つずつギャップが形成されていてもよい。ギャップの数を増やすことによって、出射されるレーザ光の数を増やすことができる。
【００２２】
［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（ジャイロ素子）について説明する。なお、本発明の半導体レーザ素子について述べた事項については、本発明のジャイロで用いられる半導体レーザ素子に適用できる。逆に、本発明のジャイロで用いられる半導体レーザ素子について述べた事項については、本発明の半導体レーザ素子に適用できる。
【００２３】
本発明のジャイロは、上述した一例の半導体レーザ素子と、観測手段とを含む。観測手段は、半導体レーザ素子から出射される第１および第２のレーザ光の周波数差を検出するための手段である。観測手段は、半導体レーザ素子から出射された第１および第２のレーザ光を受光する少なくとも１つの受光素子を含む。
【００２４】
受光素子には、たとえば、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。観測手段は、出射された第１のレーザ光を観測する第１の受光素子と、出射される第２のレーザ光を観測する第２の受光素子とを含んでもよい。
【００２５】
また、観測手段は、半導体レーザ素子から出射された第１のレーザ光と、半導体レーザ素子から出射された第２のレーザ光とによって形成された干渉縞を観測してもよい。この場合、１つの受光素子を用いて干渉縞を観測することによって、干渉縞の移動速度を求めることができる。また、２つの受光素子を用いて干渉縞を観測することによって、干渉縞の移動速度および移動方向を求めることができる。干渉縞の移動速度から、ジャイロの回転角速度を求めることが可能である。また、干渉縞の移動方向から、ジャイロの回転方向を求めることが可能である。
【００２６】
ジャイロが回転している場合、サニャック効果によって、周回光路を周回するレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との間に回転角速度に応じた周波数差が生じる。したがって、受光素子の出力信号からこの周波数差を検出することによって、回転角速度を求めることが可能である。受光素子は、たとえば、パルスカウンタなどの外部機器に接続され、その出力信号が処理・解析される。
【００２７】
本発明のジャイロでは、第１および第２のギャップは、空気からなるものであってもよい。空気の屈折率と半導体の屈折率との差は比較的大きいため、空気からなるギャップを用いることによって、出射されるレーザ光の出力を大きくできる。
【００２８】
本発明のジャイロでは、共振器は、環状であってもよいし、環状ではなく面状に広がっていてもよい。一例では、面状に広がる共振器の面積は、２×１０3μｍ2〜２×１０7μｍ2（μｍ×μｍ）の範囲にある。また、一例では、周回光路の内側の面積は、２×１０3μｍ2〜２×１０7μｍ2の範囲にある。理論上は、周回光路の内側の面積が大きいほど、回転角速度を精度よく求めることが可能になる。
【００２９】
半導体レーザ素子は、第１のギャップで反射された第１のレーザ光Ｌ１と、第２のギャップで反射された第２のレーザ光Ｌ２とを、多層膜内（共振器内）で増幅するための電流注入手段を備えてもよい。この構成によれば、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の強度を高めることができる。
【００３０】
本発明のジャイロでは、第１および第２のギャップは、それぞれ、周回光路（多角形）の辺のうち周回光路（多角形）の１つの頂点に隣接する第１および第２の辺に形成されていてもよい。この場合、第１のギャップで反射された第１のレーザ光を、その頂点近傍の多層膜の端面から出射させることができる。また、第２のギャップで反射された前記第２のレーザ光を、その頂点近傍の多層膜の端面から出射させることができる。出射される第１のレーザ光と、出射される第２のレーザ光とがなす角度は、０°より大きく２０°以下であってもよい。また、第１のレーザ光の出射位置と第２のレーザ光の出射位置との距離は、４００μｍ以下であってもよい。両者がなす角度および両者の出射位置の距離を小さくすることによって、プリズムなどを用いることなく両者の周波数差に対応する干渉縞を発生させることが可能になる。
【００３１】
本発明の半導体レーザ素子およびジャイロの製造方法に特に限定はない。本発明の半導体レーザ素子およびジャイロは、半導体素子製造プロセスで一般的に用いられる技術を用いて製造することが可能である。
【００３２】
［半導体レーザ素子の一例］
本発明の半導体レーザ素子の一例の斜視図を図１に示す。図１を参照して、半導体レーザ素子１０は、基板１１と、基板１１上に形成された多層膜２０とを含む。多層膜２０上には、絶縁層２５および上側電極２６が形成されている。また、基板１１の裏面には、下側電極１２が形成されている。
【００３３】
多層膜２０の平面形状を図２（ａ）に示す。多層膜２０は、ほぼ正方形の第１の領域２０ａに、野球のベース状の形状を有する４つの第２の領域２０ｂを接続した平面形状を有する。第２の領域２０ｂは、不要なモードのレーザ光の励起を抑制するとともに、迷光を吸収するための領域である。なお、図２（ａ）に示す第２の領域２０ｂの形状は一例であり、不要なモードのレーザ光の励起を抑制できる限り、その形状に限定はない。
【００３４】
多層膜２０によって構成される共振器３０内を周回するレーザ光Ｌ１およびＬ２の周回光路４０の形状を図２（ｂ）に示す。周回光路４０は、４つの頂点４０ａ〜４０ｄを結ぶ環状の光路であり、ほぼ正方形の形状を有する。頂点４０ａ〜４０ｄは、共振器３０の４つの端面（端面ミラー）３０ａ〜３０ｄの部分にある。すなわち、レーザ光Ｌ１およびＬ２は、端面３０ａ〜３０ｄで全反射されて周回光路４０上を周回する。
【００３５】
レーザ光の光路を図３に示す。レーザ光Ｌ１は、周回光路４０を時計回りに周回する。レーザ光Ｌ２は、周回光路４０を反時計回りに周回する。周回光路４０の４つの辺の中央部には、周回光路４０を横切るように、エアギャップ４１ａ〜４１ｄが形成されている。この一例では、エアギャップ４１ａ〜４１ｄはすべて同じ形状であり、それらの表面と周回光路４０とがなす角度はすべて同じである。第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２の一部はエアギャップ４１ａ〜４１ｄで反射され、第１および第２のレーザ光Ｌ１’およびＬ２’として多層膜２０の端面から出射される。図３の線IVａの部分における、半導体レーザ素子１０の断面図を図４（ａ）に示す。
【００３６】
図４（ａ）を参照して、半導体レーザ素子１０は、基板１１と、基板１１上に形成された多層膜２０と、基板１１の裏面に形成された下側電極１２とを含む。多層膜２０は、基板１１側から順に積層された、下側クラッド層２１、活性層２２および上側クラッド層２３を含む。半導体レーザ素子１０は、さらに、上側クラッド層２３上に形成された、キャップ層２４、絶縁層２５および上側電極２６を含む。キャップ層２４と上側電極２６とは、絶縁層２５の開口部２５ｈの部分で接触している。キャップ層２４と上側電極２６とが接触している領域が、コンタクト領域３１である。図４（ａ）に示すように、周回光路４０の部分と、ギャップ４１ａで反射されたレーザ光Ｌ１’の光路の部分とは、同じ積層構造を有する。このため、レーザ光Ｌ１’も共振器内で増幅される。
【００３７】
活性層２２には、下側電極１２および上側電極２６から、電流が注入される。電流の注入によって発生した光は、下側クラッド層２１、活性層２２および上側クラッド層２３で構成される共振器３０内に閉じ込められる。電流が閾値を超えると、レーザ発振が生じる。
【００３８】
なお、多層膜２０は、バッファ層などの層の上に形成されていてもよい。また、多層膜２０は、必要に応じて他の層（たとえばキャリアの閉じ込め層など）を含んでもよい。活性層とクラッド層との間に他の層（たとえばＳＣＨ層）が配置されている場合には、それらの他の層も共振器を構成する層の１つとなる。好ましい一例では、共振器を構成するすべての層は、同じ平面形状を有する。
【００３９】
図３の線IVｂの部分における断面図を図４（ｂ）に示す。エアギャップ４１ｂは、少なくとも活性層２２の下面よりも深くなるように形成され、好ましくは下側クラッド層２１の下面に到達する深さまたはそれよりも深くなるように形成される。エアギャップ４１ｂは溝状であり、その内部には空気が存在する。
【００４０】
コンタクト領域３１の形状を図５に示す。コンタクト領域３１は、周回光路４０に沿って形成されている。コンタクト領域３１の幅Ｗは、一定である。コンタクト領域３１から電流を注入することによって、コンタクト領域３１に沿った周回光路４０を時計回りに周回するレーザ光Ｌ１と、周回光路４０を反時計回りに周回するレーザ光Ｌ２とが励起される。なお、以下の説明では、頂点４０ａと頂点４０ｃとを結ぶ方向をＸ軸方向と呼び、頂点４０ｂと頂点４０ｄとを結ぶ方向をＹ軸方向と呼ぶ場合がある。
【００４１】
また、コンタクト領域３１は、エアギャップで反射されたレーザ光Ｌ１’およびＬ２’が通過する光路上にも形成されている。その部分のコンタクト領域３１によって、レーザ光Ｌ１’およびＬ２’が増幅される。
【００４２】
エアギャップ４１ａおよび４１ｄは、周回光路４０の４つの辺のうち頂点４０ａに隣接した２つの辺の途中に形成されている。エアギャップ４１ａで反射されたレーザ光Ｌ１’は、頂点４０ａ近傍の端面から出射される。また、エアギャップ４１ｄで反射されたレーザ光Ｌ２’は、頂点４０ａ近傍の端面から出射される。同様に、頂点４０ｃ近傍の端面からも、レーザ光Ｌ１’およびＬ２’が出射される。
【００４３】
半導体レーザ素子１０は、頂点４０ａおよび４０ｃを通り活性層２２の表面に垂直な面に対して、面対称の構造を有する。また、半導体レーザ素子１０は、頂点４０ｂおよび４０ｄを通り活性層２２の表面に垂直な面に対して、面対称の構造を有する。ただし、本発明の効果が得られる限り、半導体レーザ素子は、それらの面対称の構造を有さなくてもよい。
【００４４】
図３の領域Ａの拡大図を図６に示す。なお、図６では、周回光路４０上を伝播するレーザ光としてレーザ光Ｌ１のみを示し、レーザ光Ｌ２の図示を省略する。
【００４５】
図６を参照して、エアギャップ４１ａは、対向する２つの側壁が平行になるように形成された溝である。その溝内には、空気が存在する。好ましい一例では、エアギャップの側壁４１ｓは、活性層２２の表面に対して垂直に形成される。
【００４６】
エアギャップ４１ａの幅は、図６のｄで表される。エアギャップ４１ａの表面（側壁４１ｓ）と周回光路４０とがなす角度は、［９０°−α］である。すなわち、レーザ光Ｌ１は、エアギャップ４１ａの表面に対して入射角αで入射する。多層膜２０（共振器３０）とエアギャップ４１ａとの界面において、レーザ光Ｌ１の一部は反射され、レーザ光Ｌ１’となる。その他のレーザ光Ｌ１は、多層膜２０とエアギャップ４１との界面において屈折しながら進行する。エアギャップ４１ａを通過する前のレーザ光Ｌ１と、反射されたレーザ光Ｌ１’とがなす角度は、２αである。
【００４７】
エアギャップ４１ａを通過する前と通過した後の周回光路４０のずれは、Ｙ軸方向の成分でΔＬである。エアギャップ４１ａの前後において周回光路４０はわずかにずれるため、周回光路４０は厳密には正方形ではない。しかし、エアギャップ４１ａ前後における周回光路４０のずれは非常にわずかであるため、周回光路４０は実質的に正方形である。周回光路４０は、エアギャップ４１ｂ〜４１ｄにおいても、Ｙ軸方向の成分でΔＬだけずれている。したがって、周回光路４０のＹ軸方向の長さは、Ｘ軸方向の長さよりも２ΔＬだけ長い。
【００４８】
図３の領域Ｂの拡大図を図７に示す。周回光路４０の１つの頂点４０ａでは、共振器３０の端面３０ａによって、レーザ光Ｌ１およびＬ２が反射される。共振器３０の端面３０ａは、外側に凸の曲面となっている。好ましい一例では、端面３０ａは、仮想の円柱の曲面の一部と同じ形状を有する。その仮想の円柱は、頂点４０ａと頂点４０ｃとを結ぶ対角線４０ａｃの延長線上を通る中心軸であって、活性層２２の表面に対して垂直な中心軸を有する。端面３０ｂ〜３０ｄも、端面３０ａと同様の形状を有する。端面３０ａ〜３０ｄを外側に向かって凸の曲面とすることによって、周回光路４０を周回するレーザ光を安定に励起できる。
【００４９】
端面３０ａに対して、レーザ光Ｌ１およびＬ２は、ほぼ４５°の入射角で入射する。後述する一例のように、共振器をIII−Ｖ族化合物半導体で形成した場合、その実効屈折率はたとえば３．３である。その場合、全反射が生じる臨界入射角度は、約１７．６°である。そのため、レーザ光Ｌ１およびＬ２は、端面３０ａにおいて全反射される。同様に、他の端面３０ｂ〜３０ｄにおいても、レーザ光Ｌ１およびＬ２は、全反射される。
【００５０】
頂点４０ａの近傍には、エアギャップ４１ａで反射されたレーザ光Ｌ１’と、エアギャップ４１ｄで反射されたレーザ光Ｌ２’とが到達し、多層膜２０（共振器３０）の端面から出射される。レーザ光Ｌ１’が出射される端面２０ｓとＹ軸方向とがなす角度は、角度φである。同様に、レーザ光Ｌ２’が出射される端面とＹ軸方向とがなす角度は、角度φである。
【００５１】
端面２０ｓに入射するレーザ光Ｌ１’の入射角βは、以下の式で表される。
β＝３π／４＋２α−φ
式中、π＝１８０°である。αは、図６で示される角度αである。
【００５２】
端面２０ｓから出射されるレーザ光Ｌ１’の出射角γは、以下の式で表される。
γ＝ｓｉｎ-1［ｎeffｓｉｎ（３π／４＋２α−φ）］
式中、ｎeffは、共振器の実効屈折率を示す。
【００５３】
したがって、レーザ光Ｌ１’の出射方向とＸ軸とがなす角度θは、以下の式で表される。
θ＝π−φ−ｓｉｎ-1［ｎeffｓｉｎ（３π／４＋２α−φ）］
【００５４】
上記式から明らかなように、レーザ光Ｌ１’の出射方向は、角度αおよび角度φによって変更できる。そのため、半導体レーザ素子１０では、レーザ光が出射される端面の角度およびエアギャップの角度を変更することによって、レーザ光の出射方向を制御できる。
【００５５】
半導体レーザ素子１０を用いたジャイロの一例について、構成要素の配置を図８に模式的に示す。図８の一例のジャイロは、フォトダイオード８１および８２を含む。フォトダイオード８１および８２は、レーザ光Ｌ１’およびレーザ光Ｌ２’によって形成される干渉縞８３を受光できる位置に配置される。図８の例では、フォトダイオード８１および８２は、頂点４０ａと頂点４０ｃとを結ぶ対角線の延長線上またはその近傍に配置されている。フォトダイオード８１は、フォトダイオード８２に対してＹ軸方向にずれた位置に配置される。レーザ光Ｌ１’およびＬ２’によって形成される干渉縞８３の移動方向を検出するため、フォトダイオード８１とフォトダイオード８２との間隔は、干渉縞８３の周期の整数倍とは異なる長さとされる。
【００５６】
出射されるレーザ光の角度θを適正な値にした状態でレーザ光Ｌ１’とレーザ光Ｌ２’とを重ねた場合、両者は干渉する。サニャック効果によってレーザ光Ｌ１の周波数（＝レーザ光Ｌ１’の周波数）とレーザ光Ｌ２の周波数（＝レーザ光Ｌ２’の周波数）との間に差が生じたときに両者を重ねると、周波数差に対応した干渉縞８３が生じる。この干渉縞８３をフォトダイオード８１および８２で観測することによって、回転角速度および回転方向を求めることができる。なお、光学素子（たとえばプリズム）を用いてレーザ光Ｌ１’とレーザ光Ｌ２’とを重ね合わせてもよい。出射されたレーザ光を光学素子を用いて重ね合わせる場合、互いに離れた箇所（たとえば頂点４０ａ近傍と頂点４０ｃ近傍）から出射されたレーザ光Ｌ１’およびＬ２’を重ね合わせることも可能である。
【００５７】
半導体レーザ素子１０では、頂点４０ａの近傍から２つのレーザ光が出射され、頂点４０ｃの近傍から２つのレーザ光が出射される。しかし、１つのレーザ光Ｌ１’と１つのレーザ光Ｌ２’とが出射されれば、回転角速度および回転方向の検出が可能である。そのため、エアギャップは２つであってもよい。
【実施例】
【００５８】
半導体レーザ素子１０の一例を実際に作製して特性を測定した。作製工程を図９に示す。図９（ａ）、図９（ｃ）および図９（ｅ）は上面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の線IXbの部分における断面図である。図９（ｄ）は、図９（ｃ）の線IXｄの部分における断面図である。図９（ｆ）は、図９（ｅ）の線IXｆの部分における断面図である。
【００５９】
作製した半導体レーザ素子は、下側クラッド層２１と活性層２２との間に配置された下側ＳＣＨ層と、活性層２２と上側クラッド層２３との間に配置された上側ＳＣＨ層とを備える。以下の製造工程は、半導体素子製造プロセスで用いられる公知の方法によって実施した。たとえば、ＭＯＣＶＤ法や蒸着法などの気相成膜法、フォトリソグラフィー、ドライエッチング、およびリフトオフ法などによって実施した。
【００６０】
まず、基板１１上に、下側クラッド層２１、下側ＳＣＨ層８１、活性層２２、上側ＳＣＨ層８２および上側クラッド層２３およびキャップ層２４を形成した。これらの層は、ＭＯＣＶＤ法によって形成した。基板１１には、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いた。下側クラッド層２１には、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ：１．５μｍ）を用いた。下側ＳＣＨ層８１および上側ＳＣＨ層８２は、分離閉じ込めヘテロ構造（Separate Confinement Heterostructure）を構成するための層である。下側ＳＣＨ層８１には、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．５〜０．２）からなるグレーデッド層（厚さ０．２μｍ）を用いた。上側ＳＣＨ層８２には、ｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２〜０．５）からなるグレーデッド層（厚さ０．２μｍ）を用いた。活性層２２には、ＧａＡｓからなる単一量子井戸層（厚さ１０ｎｍ）を用いた。上側クラッド層２３には、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（厚さ：１．５μｍ）を用いた。キャップ層２４には、ｐ−ＧａＡｓ層（厚さ０．２μｍ）を用いた。
【００６１】
次に、コンタクト領域３１（図５参照）の近傍以外の部分に形成されているキャップ層２４を除去した。このようにして、図９（ａ）および（ｂ）に示す構造を形成した。基板１１上には、多層膜７０とパターニングされたキャップ層２４とが形成された。
【００６２】
次に、多層膜７０およびキャップ層２４を覆うように、ＳｉＯ2からなる絶縁層２５（厚さ５００ｎｍ）を形成した。エアギャップ４１ａ〜４１ｄが形成される部分の絶縁層２５は、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによって除去した。
【００６３】
次に、絶縁層２５をマスクとして多層膜７０をエッチングし、エアギャップ４１ａ〜４１ｄを形成した。エアギャップ４１ａ〜４１ｄは、キャップ層２４の表面からの深さが３．５μｍになるように形成した。
【００６４】
次に、第１の領域２０ａおよび第２の領域２０ｂ（図２（ａ）参照）以外の領域に形成されている絶縁層２５を除去した。そして、残った絶縁層２５をマスクとして多層膜７０をエッチングした。このエッチングによって、下側クラッド層２１、下側ＳＣＨ層８１、活性層２２、上側ＳＣＨ層８２、および上側クラッド層２３の平面形状は、すべて同じとされた。また、エッチングによって、レーザ光Ｌ１およびＬ２が反射される端面ミラーが形成された。このようにして、図９（ｃ）および（ｄ）に示す構造を形成した。
【００６５】
エアギャップ４１ａ〜４１ｄの形成、および共振器の形成の際のエッチングは、エッチング端面が基板１１の表面に対してほぼ垂直になるように行われることが好ましい。そのため、多層膜７０は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってエッチングした。
【００６６】
次に、コンタクト領域３１となる部分の絶縁層２５を除去し、開口部２５ｈを形成した。そして、開口部２５ｈに電極が充填されるように、第１の領域２０ａおよびその近傍に上側電極２６を形成した。上側電極２６は、ＡｕＺｎＮｉ／Ａｕ積層膜を形成したのち、リフトオフ法によって不要な部分の積層膜を除去することによって形成した。その後、上側電極２６が形成された基板をアニールした。このようにして、図９（ｅ）および（ｆ）に示す構造を形成した。なお、上側電極２６は、エアギャップ４１ａ〜４１ｄの開口部周辺に堆積するが、その内部には堆積しない。したがって、エアギャップ４１ａ〜４１ｄの内部は空気で満たされている。
【００６７】
次に、基板１１の厚さが１００μｍになるまで基板１１の裏面を研磨した。次に、基板１１の裏面に、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ積層膜からなる下側電極１２を形成した。最後に、下側電極１２が形成された基板をアニールした。このようにして、半導体レーザ素子を作製した。
【００６８】
作製した半導体レーザ素子の対角線４０ａｃの長さは６００μｍとした。図６のΔＬは、０．４０５μｍであった。端面３０ａ〜３０ｄの曲率半径（上述した仮想の円柱の半径）は、６００μｍとした。端面３０ａ〜３０ｄの幅は、３０μｍとした。キャップ層２４の幅は、４０μｍとした。エアギャップの幅ｄ（図６参照）は、１．３５μｍとした。コンタクト領域３１の幅Ｗ（図５参照）は、５μｍとした。入射角α（図６参照）は、５°とした。角度φ（図７参照）は、１３２°とした。共振器の実効屈折率は、３．３であった。なお、共振器の実効屈折率は、活性層２２の表面に垂直な方向の層構造に対して、波動方程式を解くことによって求めた。
【００６９】
形成された半導体レーザ素子を、ヒートシンク上にマウントした。そして、半導体レーザ素子を２５℃で連続発振させ、その特性を評価した。具体的には、注入電流と出力との関係、遠視野発光パターン、およびレーザスペクトルについて評価した。
【００７０】
注入電流と出力との関係を図１０に示す。図１０に示すグラフから閾値電流を求めたところ、３４９ｍＡであった。この閾値は、それほど低い値ではないが、これは、半導体レーザ素子の設計が充分に最適化されていないためであると考えられる。たとえば、エアギャップの数を減らしたり、キャップ層の幅を狭めたりすることによって、閾値をさらに低減できると考えられる。
【００７１】
出力が８ｍＷのときのレーザ光の遠視野像を、図１１（ａ）に示す。また、図１１（ａ）の一部の拡大図を図１１（ｂ）に示す。図１１（ａ）および（ｂ）において、横軸の角度は、対角線４０ａｃ（図７参照）とレーザ光とがなす角度を示している。図１１（ａ）に示すように、レーザ光Ｌ１’およびＬ２’は、対角線４０ａｃの方向とほぼ同じ方向に出射された。図１１（ｂ）に示すように、観測されたレーザ光は、フリンジパターンを示した。フリンジピークの間隔Δθは、０．７８°であった。フリンジピークがレーザ光Ｌ１’とレーザ光Ｌ２’との干渉によって生じていると仮定し、且つレーザ光の波長を８６８．８ｎｍであると仮定すると、フリンジピークの間隔は０．７７９°になると計算される。この計算値は実測値とよく一致しており、フリンジピークが２つのレーザ光の干渉によって生じていることを示唆している。
【００７２】
出力が８ｍＷのときのレーザ光のスペクトルを、図１２（ａ）に示す。また、図１２（ａ）の一部の拡大図を図１２（ｂ）に示す。レーザ光のピーク波長は、８６８．８ｎｍであった。また、図１２（ｂ）から、縦モードの波長間隔は、平均で、０．１１ｎｍであった。ここで、ｄｎeff／ｄλ＝−１．０×１０4ｃｍ-1と仮定し、レーザ光の波長を８６７ｎｍと仮定すると、縦モードの波長間隔は、０．１０６ｎｍと算出される。この計算値は実測値とよく一致している。このことは、エアギャップが存在しても、周回光路４０に沿ったモードのレーザ光が励起されたことを示唆している。
【００７３】
このように、実施例によって、本発明の半導体レーザ素子からレーザ光Ｌ１’およびＬ２’が出射されることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、半導体レーザ素子および半導体レーザ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】
【００７５】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ素子について、（ａ）多層膜の平面形状、（ｂ）励起されるレーザ光の光路を示す図である。
【図３】図１に示した半導体レーザ素子の機能を示す図である。
【図４】図１に示した半導体レーザ素子について、（ａ）周回光路を横切る断面図、および（ｂ）エアギャップを横切る断面図である。
【図５】図１に示した半導体レーザ素子について、コンタクト領域およびエアギャップの配置を示す図である。
【図６】図１に示した半導体レーザ素子について、エアギャップ近傍でのレーザ光の進路を示す図である。
【図７】図１に示した半導体レーザ素子について、出射端面近傍でのレーザ光の進路を示す図である。
【図８】本発明の半導体レーザジャイロの一例の配置を模式的に示す図である。
【図９】実施例の半導体レーザ素子の製造方法を示す工程図である。
【図１０】実施例で作製した半導体レーザ素子について、注入電流と出力との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例で作製した半導体レーザ素子について、出射光の遠視野像を示す図である。
【図１２】実施例で作製した半導体レーザ素子について、出射光のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  半導体レーザ素子
１１  基板
２０、７０  多層膜
１２  下側電極
２１  下側クラッド層
２２  活性層
２３  上側クラッド層
２４  キャップ層
２５  絶縁層
２６  上側電極
３０  共振器
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ  端面（端面ミラー）
３１  コンタクト領域
４０  周回光路
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ  頂点
４０ａｃ  対角線
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ  エアギャップ
８１  下側ＳＣＨ層
８２  上側ＳＣＨ層
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１’、Ｌ２’  レーザ光
【図１】
2009124046.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009124046.tif 000009
【図７】
2009124046.tif 000010
【図８】
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【図９】
2009124046.tif 000012
【図１０】
2009124046.tif 000013
【図１１】
2009124046.tif 000014
【図１２】
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