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TW201415739A - 半導體環形雷射裝置 - Google Patents

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TW201415739A
TW201415739A TW102131406A TW102131406A TW201415739A TW 201415739 A TW201415739 A TW 201415739A TW 102131406 A TW102131406 A TW 102131406A TW 102131406 A TW102131406 A TW 102131406A TW 201415739 A TW201415739 A TW 201415739A
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light
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ring
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TW102131406A
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English (en)
Inventor
Koichi Kajiyama
Toshimichi Nasukawa
Shin Ishikawa
Masayasu Kanao
Original Assignee
V Technology Co Ltd
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Abstract

本發明提供一種半導體環形雷射裝置，其能夠進行環形雷射的穩定振盪，並且能夠進行精度較高的角速度檢測，亦能夠滿足超緻密/超輕質化的要求。本發明的半導體環形雷射裝置具備：一個Si半導體基板(10)；環形諧振器(20)，由形成於Si半導體基板(10)之光波導(21)構成；半導體雷射部(2)，在光波導(21)的至少一部份具備發光放大部(2A)，並產生使環形諧振器(20)相互朝相反方向環繞之2個雷射光(L1、L2)；及光檢測部(4)，形成於Si半導體基板(10)且從環形諧振器(20)取出2個雷射光(L1、L2)來檢測2個雷射光(L1、L2)的頻率差，發光放大部(2A)具有pn接合部(13a)，前述pn接合部藉由一邊對在Si半導體基板(10)中之第1半導體層(10n)以高濃度摻雜B亦即硼而得到之第2半導體層(13)照射光，一邊實施退火處理而得到。

Description

半導體環形雷射裝置
本發明係有關一種能夠構成環形雷射陀螺等之半導體環形雷射裝置。
環形雷射裝置作為雷射發光介質已知有使用He-Ne氣體等之氣體環形雷射裝置和使用固體雷射元件之固體環形雷射裝置。氣體環形雷射裝置存在裝置為大型、需要真空技術、壽命短且因激發時需要高電壓而電力消耗較大等實用上的缺點。相反，固體環形雷射裝置存在能夠期望裝置的緻密化、長壽命化、低耗電化、可靠性提高等優點，但是存在如下技術性問題，亦即需要為了將用於激發環形諧振器內的雷射固體元件之激發光源聚光於雷射固體元件之光學系統，藉此裝置成大型化。
作為用於解決該種問題之建議，在下述專利文獻1中提出有如下半導體環形雷射裝置，使其在1個基板上構成之環形諧振器的光路內配置對兩端面附加防反射膜之半導體雷射元件，並且具備半導體雷射元件的驅動電源，藉由該驅動電源進行直接雷射振盪。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利公開2006-319104號公報
依據前述之習知之半導體環形雷射裝置，雖然不需要用於對來 自激發光源的光進行聚光之透鏡光學系統，但需要藉由將半導體雷射元件另行配置在形成於基板上之環形諧振器的光路內來對準設定在基板上之光路與半導體雷射元件的輸出光的光軸，若未高精度地進行該光軸對準，則存在無法得到環形雷射的穩定振盪之問題。
並且，在基板上配置用於形成環形諧振器之反射鏡和用於檢測角速度之受光元件時，需要高精度地配置這些位置關係，因此難以製造，若沒有高精度地進行該些配置的位置精度，則因沒有高精度地進行該些配置的位置精度而存在亦無法得到環形雷射的穩定振盪，並且無法進行精度較高的角速度檢測之問題。
並且，習知之半導體環形雷射裝置中，作為環形雷射陀螺構成時，需要另行設置由使環形諧振器相互朝相反方向環繞之2個雷射光的頻率差的檢測值來運算角速度之運算處理電路，因此，導致無法應對如下要求，亦即各種技術領域的應用中所要求之超緻密/超輕質化。
本發明係將應對該種問題之對策作為課題的一例者。亦即，本發明的目的在於能夠進行環形雷射的穩定振盪、能夠進行精度較高的角速度檢測以及能夠滿足超緻密/超輕質化的要求等。
為實現該種目的，本發明的半導體環形雷射裝置的特徵為具備：一個Si半導體基板；環形諧振器，由形成於前述Si半導體基板之光波導構成；半導體雷射部，在前述光波導的至少一部份具備發光放大部，並產生使前述環形諧振器相互朝相反方向環繞之2個雷射光；及光檢測部，形成於前述Si半導體基板且從前述環形諧振器取出前述2個雷射光來檢測該2個雷射光的頻率差，前述發光放大部具有pn接合部，前述pn接合部藉由邊對在前述Si半導體基板中之第1半導體層以 高濃度摻雜B(硼)而得到之第2半導體層照射光，一邊實施退火處理而得到。
具有該種特徵之本發明係利用pn接合部具有發光放大功能這一點而在一個Si半導體基板上形成半導體環形雷射裝置者，前述pn接合部藉由在Si半導體基板中之共用第1半導體層以高濃度摻雜B(硼)來形成第2半導體層，且邊對該第2半導體層照射光，一邊實施退火處理而得到。據此，能夠在光波導的一部份形成發光放大部，因此無需繁瑣的光軸對準，亦能夠進行環形雷射的穩定振盪。並且，能夠在Si半導體基板上一體製作對光檢測部的檢測信號進行運算處理之運算處理部，因此能夠滿足超緻密/超輕質化的要求。
1‧‧‧半導體環形雷射裝置
2‧‧‧半導體雷射部
2A‧‧‧發光放大部
2A(2A2)‧‧‧發光放大部
2A(2A3)‧‧‧發光放大部
3‧‧‧雷射光取出部
4‧‧‧光檢測部
4a、4b、4c‧‧‧端子
5‧‧‧運算處理部
10‧‧‧Si半導體基板
10n‧‧‧第1半導體層
10r‧‧‧肋
11‧‧‧絕緣層
11a‧‧‧內部絕緣層
11b、11c‧‧‧表面絕緣層
12‧‧‧n+層
13‧‧‧第2半導體層
13a‧‧‧pn接合部
14、16‧‧‧金屬電極
15‧‧‧透明電極
20‧‧‧環形諧振器
21‧‧‧光波導
21A‧‧‧取出光波導
21W1、21W2‧‧‧曲線光波導
22‧‧‧反射部
22(22A)‧‧‧反射部
22(22B)‧‧‧反射部
22(22C)‧‧‧反射部
L‧‧‧光
L1、L2‧‧‧雷射光
第1圖係表示本發明的一實施形態之半導體環形雷射裝置之說明圖。
第2圖係表示本發明的一實施形態之半導體環形雷射裝置之說明圖。
第3圖(a)~(d)係表示本發明的實施形態之半導體環形雷射裝置中之發光放大部及光檢測部的結構和形成方法之說明圖。
第4圖(a)~(e)係表示本發明的實施形態之半導體環形雷射裝置中之光波導的結構和形成方法之說明圖。
第5圖(a)~(b)係表示本發明的實施形態之半導體環形雷射裝置中的光檢測部的結構的一例之說明圖。
以下，參照圖式說明本發明的實施形態。第1圖及第2圖係表示本發明的一實施形態之半導體環形雷射裝置之說明圖。半導體環形雷射裝置1具備一個Si半導體基板(Si晶片)10。在該Si半導體基板10上形 成光波導21，藉由該光波導21構成環形諧振器20。第1圖所示之例子中，環形諧振器20具有被形成於Si半導體基板10之複數個反射部22(22A、22B、22C)折回之複數個直線光波導，第2圖所示之例子中，環形諧振器20具有包括曲線光波導21W1、21W2之環狀光波導。其中，反射部22能夠藉由在Si半導體基板10上形成蝕刻槽后，在該槽填充折射率不同之物質，或者在槽的側面形成金屬面等來形成。
半導體環形雷射裝置1在Si半導體基板10上具備半導體雷射部2。半導體雷射部2可以係由形成於光波導21的至少一部份之發光放大部2A和環形諧振器20構成之環形雷射，亦可係在發光放大部2A的兩端形成蝕刻槽且在其側面設置半透射反射面來構成諧振器者。半導體雷射部2產生使環形諧振器20相互朝相反方向環繞之2個雷射光(雷射光L1和雷射光L2)。如第1圖所示，發光放大部2A能夠在光波導21上設置2個(發光放大部2A1、2A2)或3個(發光放大部2A1、2A2、2A3)或3個以上。
半導體環形雷射裝置1具備從環形諧振器20取出2個雷射光L1、L2之雷射光取出部3。雷射光取出部3在第1圖所示之例子中，藉由將設置在構成環形諧振器20之光波導21與取出光波導21A之間之反射部22A設為半透明反射鏡(分束器)而構成，在第2圖所示之例子中，藉由在構成環形諧振器20之光波導21與取出光波導21A之間形成之光定向耦合器而構成。
半導體環形雷射裝置1具備對從雷射光取出部3取出之2個雷射光L1、L2的頻率差進行檢測之光檢測部4。光檢測部4形成於Si半導體基板10，一體形成於取出光波導21A的端部。光檢測部4係能夠藉由對雷射光L1、L2的差頻進行檢測來檢測雷射光L1、L2的頻率差者。
半導體環形雷射裝置1在Si半導體基板10上具備對光檢測部4所檢測之檢測信號進行運算處理之運算處理部5。運算處理部5可以係藉由 在Si半導體基板10上製作之半導體元件形成運算處理電路者，亦可係藉由安裝於Si半導體基板10上之IC芯片構成者。
第3圖係表示本發明的實施形態之半導體環形雷射裝置中的發光放大部的結構和形成方法的一例之說明圖。首先，在Si半導體基板10上形成摻雜有砷(As)之第1半導體層10n。其中，第1半導體層10n為n型半導體層。
接著，如第3圖(a)所示，將氧氣打入到第1半導體層10n等來形成SiO2絕緣層11。在圖所示之例子中，在第1半導體層10n的內部形成內部絕緣層11a，在第1半導體層10n的表面形成一對表面絕緣層11b、11c。內部絕緣層11a能夠藉由將氧氣打入到Si半導體基板10的表面之後進行加熱氧化處理來使SiO2層擴散到內部，或者在Si半導體基板10的表面形成SiO2層之後使Si膜在表面上成膜等來形成。一對表面絕緣層11b、11c能夠藉由將氧氣打入到在光刻製程中圖案形成之遮罩開口並進行加熱氧化處理等來形成。
接著，如第3圖(b)所示，藉由在表面絕緣層11b、11c的外側進一步摻雜砷(As)來形成n+層12，藉由在表面絕緣層11b、11c之間以高濃度摻雜硼(B)來形成第2半導體層(p型半導體層)13。並且，如第3圖(c)所示，在n+層12上形成金屬電極14，在第2半導體13上形成透明電極(ITO等)15之後，在金屬電極14與透明電極15之間施加正向電壓，以在pn接合部13a流動之電流的焦耳熱進行之退火處理來使硼(B)擴散。並且，藉由在該退火處理過程中向pn接合部13a照射光L來在pn接合部13a附近產生修整光子(Dressed Photon)。
Si半導體基板本身為間接躍遷的半導體，其發光效率較低，僅靠形成pn接合部無法得到有用的發光，並且，其本身不具有可見光區域的光透射性。相反，對Si半導體基板實施援用了聲子之退火來在pn接合部附近產生修整光子，使作為間接躍遷型半導體之Si改變成如同直 接躍遷型半導體，從而能夠進行高效率且高輸出的pn接合型發光。用於得到該種pn接合型發光之硼(B)摻雜條件的一例為將劑量密度設為5×1013/cm2，將打入時的加速能量設為700keV，退火過程中所照射之光L的波長在可見光區域內成為所希望的波長頻帶。
之後，如第3圖(d)所示，去除透明電極15而在第2半導體13上形成金屬電極16，從而形成將pn接合部13a成為活性層之發光放大部2A。發光增大部2A藉由在金屬電極14與金屬電極16之間施加電壓，從pn接合部13a放出與在退火過程中進行照射之光L的波長相同波長的光。
第4圖係表示本發明的實施形態之半導體環形雷射裝置中之光波導的結構和形成方法的一例之說明圖。第4圖(a)所示之製程以與前述第3圖(a)相同的製程進行，在第1半導體層10n的內部形成內部絕緣層11a，在第1半導體層10n的表面形成一對表面絕緣層11b、11c。接著，第4圖(b)所示之製程以與第3圖(b)所示之製程相同的製程進行，其中省略n+層12來在一對表面絕緣層11b、11c之間形成第2半導體層13。
第4圖(c)所示之製程以與第3圖(c)所示之製程相同的製程進行，在一對表面絕緣層11b、11c的外側的第1半導體層10n上形成金屬電極14，在第2半導體層13上形成透明電極(ITO等)15之後，在金屬電極14與透明電極15之間施加正向電壓，以在pn接合部13a流動之電流的焦耳熱進行之退火處理中擴散硼(B)。並且，藉由在該退火處理過程中向pn接合部13a照射光L在pn接合部13a附近產生修整光子。
之後，如第4圖(d)所示，藉由去除金屬電極14及透明電極15，從而形成光波導21，前述光波導將第2半導體層13作為光引導層且將表面絕緣層11b、11c作為包層。並且，光波導21並不限定於第4圖(a)~(d)所示之形成方法，例如如第4圖(e)所示，在形成內部絕緣層11a之 第1半導體層10n上形成肋10r，從而能夠形成肋型的光波導21。另外，第4圖(e)所示之例子中，在光波導21傳播之光限定於能夠透射Si層之紅外光。
第5圖係表示本發明的實施形態之半導體環形雷射裝置中之光檢測部的結構的一例之說明圖。光檢測部4如第5圖(b)所示，具備具有與發光放大部2A相同的pn接合部13a之結構，能夠在與第3圖所示之形成製程相同之製程中形成。並且，光檢測部4具備如第5圖(a)所示之平面結構，且在光波導21的延長部位形成光檢測部4，前述光波導將第2半導體層13設為光引導層且將表面絕緣層11b、11c作為包層。光檢測部4在連接於光檢測部4的金屬電極14之端子4a、4b與連接於金屬電極16之端子4c之間施加零偏壓或逆偏壓，輸出由在光波導21傳播之雷射光L1、L2的入射而發生之電流的變化。另外，光檢測部4係不限定於第5圖所示之例子者，能夠藉由在Si半導體基板10上形成安裝或連接之受光元件等形成。
關於本發明的半導體環形雷射裝置1的動作，以環形雷射陀螺為例子進行說明。環形雷射陀螺係利用sagnac效果來檢測角速度者，半導體環形雷射裝置1進行旋轉時，使環形諧振器20相互朝相反方向環繞之2個雷射光L1、L2的頻率產生差量，因此能夠藉由以光檢測部4檢測其差量來檢測半導體環形雷射裝置1的旋轉動作。
若向光波導21的發光放大部2A注入閾值以上的電流，則形成半導體雷射部2的環形諧振器20之光波導21以順時針傳播之雷射光L1和以逆時針傳播之雷射光L2被激發。雷射光L1、L2的一部份經由雷射光取出部3而傳播到取出光波導21A，並入射到在取出光波導21A的端部形成之光檢測部4。被取出光波導21A取出之雷射光L1、L2被合成而入射到光檢測部4，因此在光檢測部4可檢測出雷射光L1、L2的差頻，藉此可檢測出雷射光L1、L2的差頻。藉由該差頻能夠求出旋轉 的角速度。
以上本發明的實施形態之半導體環形雷射裝置1係在Si半導體基板10的第1半導體層10n上以高濃度摻雜B(硼)來形成第2半導體層13，利用藉由邊向該第2半導體層13照射光，一邊實施退火處理而得到之pn接合部13a具有發光放大功能、光波導功能、光檢測功能，從而在一個Si半導體基板10上形成半導體環形雷射裝置1者。據此，能夠在光波導21的一部份形成發光放大部2A和光檢測部4，因此藉由利用一連串的光刻蝕製程形成這些，從而無需進行繁瑣的光軸對準，能夠進行環形雷射的穩定振盪，並且能夠進行精度較高的角速度檢測。並且，能夠在Si半導體基板10上一體製作對光檢測部4的檢測信號進行運算處理之運算處理部5，因此能夠滿足超緻密/超輕質化的要求。
以上，參照圖式對本發明的實施形態進行了詳細的說明，但是具體的結構並不限定於該等實施形態，在不脫離本發明的要旨之範圍的設計上的變更等亦屬於本發明。上述各實施形態只要其目的及結構等無特別的矛盾和問題，則能夠挪用彼此的技術來進行組合。
1‧‧‧半導體環形雷射裝置
2‧‧‧半導體雷射部
2A‧‧‧發光放大部
2A(2A2)‧‧‧發光放大部
2A(2A3)‧‧‧發光放大部
3‧‧‧雷射光取出部
4‧‧‧光檢測部
5‧‧‧運算處理部
10‧‧‧Si半導體基板
20‧‧‧環形諧振器
21‧‧‧光波導
21A‧‧‧取出光波導
22‧‧‧反射部
22(22A)‧‧‧反射部
22(22B)‧‧‧反射部
22(22C)‧‧‧反射部
L1‧‧‧雷射光
L2‧‧‧雷射光

Claims (10)

  1. 一種半導體環形雷射裝置，其特徵為，具備：一個Si半導體基板；環形諧振器，由形成於前述Si半導體基板之光波導構成；半導體雷射部，在前述光波導的至少一部份具備發光放大部，並產生使前述環形諧振器相互朝相反方向環繞之2個雷射光；及光檢測部，形成於前述Si半導體基板且從前述環形諧振器取出前述2個雷射光來檢測該2個雷射光的頻率差，前述發光放大部具有pn接合部，前述pn接合部藉由邊對在前述Si半導體基板中之第1半導體層以高濃度摻雜B(硼)而得到之第2半導體層照射光，一邊實施退火處理而得到。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體環形雷射裝置，其中前述光檢測部具有pn接合部，前述pn接合部藉由邊對在前述Si半導體基板中之第1半導體層以高濃度摻雜B(硼)而得到之第2半導體層照射光，一邊實施退火處理而得到。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體環形雷射裝置，其中前述第1半導體層為n型半導體層，前述n型半導體層在前述Si半導體基板摻雜砷(As)。
  4. 如申請專利範圍第2項之半導體環形雷射裝置，其中前述第1半導體層為n型半導體層，前述n型半導體層在前述Si半導體基板摻雜砷(As)。
  5. 如申請專利範圍第1~4項中任一項之半導體環形雷射裝置，其中前述Si半導體基板具備運算處理部，前述運算處理部對前述光 檢測部的檢測信號進行運算處理，前述運算處理部藉由在前述Si半導體基板上製作之半導體元件形成運算處理電路。
  6. 如申請專利範圍第1~4項中任一項之半導體環形雷射裝置，其中前述環形諧振器具有複數個直線光波導，前述直線光波導被形成於前述Si半導體基板之複數個反射部折回。
  7. 如申請專利範圍第5項之半導體環形雷射裝置，其中前述環形諧振器具有複數個直線光波導，前述直線光波導被形成於前述Si半導體基板之複數個反射部折回。
  8. 如申請專利範圍第1~4項中任一項之半導體環形雷射裝置，其中前述環形諧振器具有環狀光波導，前述環狀光波導包括曲線光波導。
  9. 如申請專利範圍第5項之半導體環形雷射裝置，其中前述環形諧振器具有環狀光波導，前述環狀光波導包括曲線光波導。
  10. 如申請專利範圍第6項之半導體環形雷射裝置，其中前述環形諧振器具有環狀光波導，前述環狀光波導包括曲線光波導。
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