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JP2014059170A - 半導体リングレーザー装置 - Google Patents

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JP2014059170A JP2012203152A JP2012203152A JP2014059170A JP 2014059170 A JP2014059170 A JP 2014059170A JP 2012203152 A JP2012203152 A JP 2012203152A JP 2012203152 A JP2012203152 A JP 2012203152A JP 2014059170 A JP2014059170 A JP 2014059170A
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康一 梶山
Toshimichi Nasukawa
利通 名須川
Susumu Ishikawa
晋 石川
Masayasu Kanao
正康 金尾
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Abstract

【課題】リングレーザーの安定発振を可能にすること、精度の高い角速度検出を可能にすること、超小型・超軽量化の要求に応えることができること。
【解決手段】一つのＳｉ半導体基板１０と、Ｓｉ半導体基板１０に形成された光導波路２１によって構成されるリング共振器２０と、光導波路２１の少なくとも一部に発光増幅部２Ａを備え、リング共振器２０を互いに逆方向に周回する２つのレーザー光Ｌ１，Ｌ２を発生させる半導体レーザー部２と、Ｓｉ半導体基板１０に形成され、リング共振器２０から２つのレーザー光Ｌ１，Ｌ２を取り出して２つのレーザー光Ｌ１，Ｌ２の周波数差を検出する光検出部４とを備え、発光増幅部２Ａは、Ｓｉ半導体基板１０における第１半導体層１０ｎにＢ（ボロン）を高濃度ドープして得られる第２半導体層１３に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られるｐｎ接合部１３ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リングレーザージャイロなどを構成することができる半導体リングレーザー装置に関するものである。
リングレーザー装置は、レーザー発光媒体として、Ｈｅ−Ｎｅガスなどを用いるガスリングレーザー装置と固体レーザー素子を用いる固体リングレーザー装置が知られている。ガスリングレーザー装置は、装置が大型であること、真空技術が必要であること、短寿命であり且つ高電圧が励起に必要なため消費電力が大きいことなど、実用上の欠点がある。これに対して、固体リングレーザー装置は、装置の小型化、長寿命化、低消費電力化、信頼性向上などが期待できる利点はあるが、リング共振器内のレーザー固体素子を励起するための励起光源をレーザー固体素子に集光するための光学系が必要になり、これによって装置が大型化するという技術的な問題がある。
このような問題を解決するための提案として、下記特許文献１には、一つの基板上で構成するリング共振器の光路内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置して、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにし、この駆動電源によって直接レーザー発振させる半導体リングレーザー装置が提案されている。
特開２００６−３１９１０４号公報
前述した従来の半導体リングレーザー装置によると、励起光源からの光を集光するためのレンズ光学系は不要になるが、基板上に形成されるリング共振器の光路内に別途半導体レーザー素子を配置させることで、基板上に設定されている光路と半導体レーザー素子の出力光との光軸合わせが必要になり、この光軸合わせが精度良く行われないと、リングレーザーの安定発振を得ることができない問題があった。
また、基板上にリング共振器を形成するための反射鏡や角速度検出のための受光素子を配置する際にも、それらの位置関係を高精度に配置することが必要になるため、製造が困難であり、これらの配置の位置精度が精度良く行われないと、これによってもリングレーザーの安定発振を得ることができなくなり、また、精度の高い角速度検出を行うことができなくなる問題があった。
また、従来の半導体リングレーザー装置では、リングレーザージャイロとして構成する場合には、リング共振器を互いに逆方向に周回する２つのレーザー光の周波数差の検出値から角速度を演算する演算処理回路を別途設ける必要があるため、様々な技術分野への応用が求められている中での超小型・超軽量化の要求に対応できない問題があった。
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、リングレーザーの安定発振を可能にすること、精度の高い角速度検出を可能にすること、超小型・超軽量化の要求に応えることができること、などが本発明の目的である。
このような目的を達成するために、本発明の半導体リングレーザー装置は、一つのＳｉ半導体基板と、前記Ｓｉ半導体基板に形成された光導波路によって構成されるリング共振器と、前記光導波路の少なくとも一部に発光増幅部を備え、前記リング共振器を互いに逆方向に周回する２つのレーザー光を発生させる半導体レーザー部と、前記Ｓｉ半導体基板に形成され、前記リング共振器から前記２つのレーザー光を取り出して当該２つのレーザー光の周波数差を検出する光検出部とを備え、前記発光増幅部は、前記Ｓｉ半導体基板における第１半導体層にＢ（ボロン）を高濃度ドープして得られる第２半導体層に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られるｐｎ接合部を有することを特徴とする。
このような特徴を有する本発明は、Ｓｉ半導体基板における共通の第１半導体層にＢ（ボロン）を高濃度でドープして第２半導体層を形成し、この第２半導体層に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られるｐｎ接合部が発光増幅機能を有することを利用して、一つのＳｉ半導体基板上に半導体リングレーザー装置を形成したものである。これによると、光導波路の一部に光増幅部を形成することができるので、煩雑な光軸合わせが不要になり、リングレーザーの安定発振が可能になる。また、Ｓｉ半導体基板に光検出部の検出信号を演算処理する演算処理部を一体に作り込むことができるので、超小型・超軽量化の要求に応えることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体リングレーザー装置を示した説明図である。 本発明の一実施形態に係る半導体リングレーザー装置を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー装置における発光増幅部及び光検出部の構造及び形成方法を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー装置における光導波路の構造及び形成方法を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー装置における光検出部の構造の一例を示した説明図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１及び図２は本発明の一実施形態に係る半導体リングレーザー装置を示した説明図である。半導体リングレーザー装置１は、一つのＳｉ半導体基板（Ｓｉウェハ）１０を備えている。このＳｉ半導体基板１０には光導波路２１が形成されており、この光導波路２１によってリング共振器２０が構成されている。図１に示した例では、リング共振器２０は、Ｓｉ半導体基板１０に形成された複数の反射部２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）で折り返される複数の直線光導波路を有しており、図２に示した例では、リング共振器２０は、曲線光導波路１Ｗ１，２１Ｗ２を含む環状光導波路を有している。ここでの反射部２２は、Ｓｉ半導体基板１０にエッチング溝を形成し、そこに屈折率の異なる物質を充填するか、溝の側面に金属面を形成することなどで形成することができる。
半導体リングレーザー装置１は、Ｓｉ半導体基板１０上に半導体レーザー部２を備えている。半導体レーザー部２は、光導波路２１の少なくとも一部に形成される発光増幅部２Ａとリング共振器２０によって構成されるリングレーザーであってもよいし、発光増幅部２Ａの両端にエッチング溝を形成し、その側面に半透過反射面を設けて共振器を構成したものであってもよい。半導体レーザー部２は、リング共振器２０を互いに逆方向に周回する２つのレーザー光（レーザー光Ｌ１とレーザー光Ｌ２）を発生させる。発光増幅部２Ａは、図１に示すように、光導波路２１に２つ（光増幅部２Ａ１，２Ａ２）又は３つ（光増幅部２Ａ１，２Ａ２，２Ａ３）又はそれ以上設けることができる。
半導体リングレーザー装置１は、リング共振器２０から２つのレーザー光Ｌ１，Ｌ２を取り出すレーザー光取り出し部３を備えている。レーザー光取り出し部３は、図１に示した例では、リング共振器２０を構成する光導波路２１と取り出し光導波路２１Ａとの間に設けられる反射部２２Ａをハーフミラー（ビームスプリッタ）にすることで構成しており、図２に示した例では、リング共振器２０を構成する光導波路２１と取り出し光導波路２１Ａとの間に形成される光方向性結合器によって構成している。
半導体リングレーザー装置１は、レーザー光取り出し部３から取り出された２つのレーザー光Ｌ１，Ｌ２の周波数差を検出する光検出部４を備えている。光検出部４は、Ｓｉ半導体基板１０に形成され、取り出し光導波路２１Ａの端部に一体に形成されている。光検出部４は、レーザー光Ｌ１，Ｌ２のビート周波数を検出することでレーザー光Ｌ１，Ｌ２の周波数差を検出することができるものである。
半導体リングレーザー装置１は、光検出部４が検出する検出信号を演算処理する演算処理部５をＳｉ半導体基板１０上に備えている。演算処理部５は、Ｓｉ半導体基板１０に作り込まれた半導体素子によって演算処理回路が形成されているものであってもよいし、Ｓｉ半導体基板１０上に実装したＩＣチップによって構成したものであってもよい。
図３は、本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー装置における発光増幅部の構造と形成方法の一例を示した説明図である。先ず、Ｓｉ半導体基板１０にヒ素（Ａｓ）をドープした第１半導体層１０ｎを形成する。ここでは第１半導体層１０ｎはｎ型半導体層である。
次に、図３（ａ）に示すように、第１半導体層１０ｎに酸素を打ち込むなどしてＳｉＯ2絶縁層１１を形成する。図示の例では、第１半導体層１０ｎの内部に内部絶縁層１１ａを形成し、第１半導体層１０ｎの表面に一対の表面絶縁層１１ｂ，１１ｃを形成している。内部絶縁層１１ａはＳｉ半導体基板１０の表面に酸素を打ち込んだ後加熱酸化処理することで内部にＳｉＯ2層を拡散させるか、或いはＳｉ半導体基板１０の表面にＳｉＯ2層を形成した後表面にＳｉ膜を成膜するなどして形成することができる。一対の表面絶縁層１１ｂ，１１ｃはフォトリソ工程でパターン形成されたマスク開口に酸素を打ち込んで加熱酸化処理することなどで形成することができる。
次に、図３（ｂ）に示すように、表面絶縁層１１ｂ，１１ｃの外側にヒ素（Ａｓ）を更にドープすることでｎ＋層１２を形成し、表面絶縁層１１ｂ，１１ｃの間にボロン（Ｂ）を高濃度ドープすることで第２半導体層（ｐ型半導体層）１３を形成する。そして、図３（ｃ）に示すように、ｎ＋層１２の上に金属電極１４を形成し、第２半導体層１３の上に透明電極（ＩＴＯなど）１５を形成した後、金属電極１４と透明電極１５との間に順方向電圧を印加して、ｐｎ接合部１３ａを流れる電流のジュール熱によるアニール処理でボロン（Ｂ）を拡散させる。また、このアニール処理の過程でｐｎ接合部１３ａに光Ｌを照射することで、ｐｎ接合部１３ａ近傍にドレスト光子を発生させる。
Ｓｉ半導体基板自体は、間接遷移の半導体であって発光効率が低く、単にｐｎ接合部を形成しただけでは有用な発光は得られず、また、それ自体可視光域の光透過性を有さない。これに対して、Ｓｉ半導体基板にフォノンを援用したアニールを施して、ｐｎ接合部近傍にドレスト光子を発生させ、間接遷移型半導体であるＳｉをあたかも直接遷移型半導体であるかのように変化させることで、高効率・高出力なｐｎ接合型発光が可能になる。このようなｐｎ接合型発光を得るためのボロン（Ｂ）ドープ条件の一例は、ドーズ密度：５×１０13／ｃｍ2、打ち込み時の加速エネルギー：７００ｋｅＶとし、アニール過程で照射する光Ｌの波長は可視光域で所望の波長帯域とする。
その後は、図３（ｄ）に示すように、透明電極１５を除去して第２半導体層１３の上に金属電極１６を形成することで、ｐｎ接合部１３ａを活性層とする発光増幅部２Ａが形成される。発光増幅部２Ａは金属電極１４と金属電極１６間に電圧を印加することで、ｐｎ接合部１３ａからアニール過程で照射した光Ｌの波長と同等の波長の光が放出される。
図４は、本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー装置における光導波路の構造及び形成方法の一例を示した説明図である。図４（ａ）に示した工程は、前述した図３（ａ）と同工程でなされ、第１半導体層１０ｎの内部に内部絶縁層１１ａを形成し、第１半導体層１０ｎの表面に一対の表面絶縁層１１ｂ，１１ｃを形成している。次に図４（ｂ）に示した工程は、図３（ｂ）に示した工程と同工程でなされ、ここではｎ＋層１２を省いて、一対の表面絶縁層１１ｂ，１１ｃの間に第２半導体層１３を形成している。
図４（ｃ）に示した工程は、図３（ｃ）に示した工程と同工程でなされ、一対の表面絶縁層１１ｂ，１１ｃの外側の第１半導体層１０ｎの上に金属電極１４を形成し、第２半導体層１３の上に透明電極（ＩＴＯなど）１５を形成した後、金属電極１４と透明電極１５との間に順方向電圧を印加してｐｎ接合部１３ａを流れる電流のジュール熱によるアニール処理でボロン（Ｂ）を拡散させる。また、このアニール処理の過程でｐｎ接合部１３ａに光Ｌを照射することで、ｐｎ接合部１３ａ近傍にドレスト光子を発生させる。
その後は、図４（ｄ）に示すように、金属電極１４及び透明電極１５を除去することで、第２半導体層１３を光ガイド層とし表面絶縁層１１ｂ，１１ｃをクラッド層とする光導波路２１が形成される。また、光導波路２１は、図４（ａ）〜（ｄ）に示した形成方法に限らず、例えば、図４（ｅ）に示したように、内部絶縁層１１ａが形成された第１半導体層１０ｎにリブ１０ｒを形成することで、リブ型の光導波路２１を形成することができる。なお、図４（ｅ）に示した例では光導波路２１を伝搬する光がＳｉ層を透過可能な赤外光に限定される。
図５は、本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー装置における光検出部の構造の一例を示した説明図である。光検出部４は、図５（ｂ）に示すように、発光増幅部２Ａと同様のｐｎ接合部１３ａを有する構造を備えており、図３に示した形成工程と同じ工程で形成することができる。また、光検出部４は、図５（ａ）に示すような平面構造を備えており、第２半導体層１３を光ガイド層とし表面絶縁層１１ｂ，１１ｃをクラッド層とする光導波路２１の延長に光検出部４が形成される。光検出部４は、光検出部４の金属電極１４に接続される端子４ａ，４ｂと金属電極１６に接続される端子４ｃ間にはゼロバイアス又は逆バイアスを掛けて、光導波路２１を伝搬してくるレーザー光Ｌ１，Ｌ２の入射による発生電流の変化を出力する。なお、光検出部４は、図５に示した例に限定されるものではなく、Ｓｉ半導体基板１０上に実装又は接続した受光素子などで形成することができる。
本発明の半導体リングレーザー装置１の動作について、リングレーザージャイロを例にして説明する。リングレーザージャイロは、sagnac効果を利用して角速度を検出するものであり、半導体リングレーザー装置１が回転すると、リング共振器２０を互いに逆方向に周回する２つのレーザー光Ｌ１，Ｌ２の周波数に差が生じるため、その差を光検出部４で検出することによって半導体リングレーザー装置１の回転動作を検出することができる。
光導波路２１の発光増幅部２Ａに閾値以上の電流が注入されると、半導体レーザー部２のリング共振器２０を形成する光導波路２１を時計回りに伝播するレーザー光Ｌ１と、反時計回りに伝播するレーザー光Ｌ２とが励起される。レーザー光Ｌ１，Ｌ２の一部は、レーザー光取りだし部３を経由して取り出し光導波路２１Ａに伝搬されて、取り出し光導波路２１Ａの端部に形成されている光検出部４に入射する。取り出し光導波路２１Ａで取り出されたレーザー光Ｌ１，Ｌ２は合成されて光検出部４に入射するので、光検出部４ではレーザー光Ｌ１，Ｌ２のビート周波数が検出され、これによってレーザー光Ｌ１，Ｌ２の周波数差が検出される。この周波数差によって回転の角速度を求めることができる。
このように本発明の実施形態に係る半導体リングレーザー装置１は、Ｓｉ半導体基板１０の第１半導体層１０ｎにＢ（ボロン）を高濃度でドープして第２半導体層１３を形成し、この第２半導体層１３に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られるｐｎ接合部１３ａが発光増幅機能，光導波機能，光検出機能を有することを利用して、一つのＳｉ半導体基板１０上に半導体リングレーザー装置１を形成したものである。これによると、光導波路２１の一部に光増幅部２Ａや光検出部４を形成することができるので、これらを一連のフォトリソグラフィ工程を用いて形成することで煩雑な光軸合わせが不要になり、リングレーザーの安定発振が可能になると共に、精度の高い角速度検出が可能になる。また、Ｓｉ半導体基板１０に光検出部４の検出信号を演算処理する演算処理部５を一体に作り込むことができるので、超小型・超軽量化の要求に応えることができる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
１：半導体リングレーザー装置，２：半導体レーザー部，
２Ａ：発光増幅部，
３：レーザー光取り出し部，４：光検出部，５：演算処理部，
１０：Ｓｉ半導体基板，１０ｎ：第１半導体層，
１１：絶縁層，１１ａ：内部絶縁層，１１ｂ，１１ｃ：表面絶縁層，
１２：ｎ＋層，１３：第２半導体層，１３ａ：ｐｎ接合部，
１４，１６：金属電極，１５：透明電極，
２０：リング共振器，２１：光導波路，２１Ａ：取り出し光導波路，
２２：反射部，Ｌ１，Ｌ２：レーザー光

Claims (6)

  1. 一つのＳｉ半導体基板と、
    前記Ｓｉ半導体基板に形成された光導波路によって構成されるリング共振器と、
    前記光導波路の少なくとも一部に発光増幅部を備え、前記リング共振器を互いに逆方向に周回する２つのレーザー光を発生させる半導体レーザー部と、
    前記Ｓｉ半導体基板に形成され、前記リング共振器から前記２つのレーザー光を取り出して当該２つのレーザー光の周波数差を検出する光検出部とを備え、
    前記発光増幅部は、前記Ｓｉ半導体基板における第１半導体層にＢ（ボロン）を高濃度ドープして得られる第２半導体層に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られるｐｎ接合部を有することを特徴とする半導体リングレーザー装置。
  2. 前記光検出部は、前記Ｓｉ半導体基板における第１半導体層にＢ（ボロン）を高濃度ドープして得られる第２半導体層に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られるｐｎ接合部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体リングレーザー装置。
  3. 前記第１半導体層は前記Ｓｉ半導体基板にヒ素（Ａｓ）をドープしたｎ型半導体層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体リングレーザー装置。
  4. 前記Ｓｉ半導体基板は、前記光検出部の検出信号を演算処理する演算処理部を備え、
    前記演算処理部は、前記Ｓｉ半導体基板に作り込まれた半導体素子によって演算処理回路が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体リングレーザー装置。
  5. 前記リング共振器は、前記Ｓｉ半導体基板に形成された複数の反射部で折り返される複数の直線光導波路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体リングレーザー装置。
  6. 前記リング共振器は、曲線光導波路を含む環状光導波路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体リングレーザー装置。
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