DE3131232A1

DE3131232A1 - Halbleiter-ringlaservorrichtung

Info

Publication number: DE3131232A1
Application number: DE19813131232
Authority: DE
Inventors: Yoshinobu Matsuhashi; Yukinobu Asaka Saitama Nakamura; Kenjiro Sakura Ibaraki Sakurai; Junichi Shimada
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1980-08-13
Filing date: 1981-08-06
Publication date: 1982-04-08
Also published as: JPS5743485A; DE3131232C2; US4405236A

Description

J I ό IZJZ

Halbleiter-Ringlaservorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Ringlaservorrichtung, welche ein Halbleiter-Laserelement und einen ringförmigen Resonator mit einem ringförmigen optischen Pfad '5 umfaßt, der außerhalb des Laserelementes so angeordnet ist, daß eine Ringlaser-Schwingung erzeugt wird.

Ein Halbleiter-Laserelement hat im Vergleich zu einem Gaslaser oder dgl. Vorteile, wie beispielsweise sehr kleine Größe, geringes Gewicht, niedrigen Energieverbrauch, hohen Wirkungsgrad, niedrige Kosten und andere, und deshalb hat man kürzlich damit begonnen, das Halbleiter-Laserelement für eine optische Kommunikation, einen Laserdrucker, eine Videoplatte und andere Vorrichtungen zu verwenden.

Auf dem Gebiet des Ringlaser-Gyroskops, das als Winkelgeschwindigkeit sdetektor dient,.der in einer Trägheitsnavigationsvorrichtung für ein Flugzeug oder dgl. verwendet wird, ist es aber bisher üblich, daß ein Helium-Neon-Laser eine konkurrenzlose Stellung einnimmt und noch, kein Halbleiter-Laserelement verwendet worden ist.

Der Grund dafür liegt darin, daß bei einem herkömmlichen Halbleiter-Laserelement ein Wellenleiter in einer Kristallstruktur des Laserelementes so angeordnet ist, daß er einen rechten Winkel zu einer Spaltebene der Kristallstruktur bildet, so daß die Spaltebene als Spiegel dient

en β* eft ft ·

14* · 9 <l· q

ϊ ο e » · β · ι» *

und der sieh zwischen der vorderen und dazu parallelen hinteren Spaltebene erstreckende Wellenleiter so ausgebildet ist, daß er ein optischer Fabry-Perot-Resonator wird, um eine Laserschwingung zu bewirken. Selbst wenn ein ringförmiger optischer Pfad außerhalb dieses Laserelementes vorgesehen ist, kann folglich kein reiner ringförmiger Oszillator gebildet werden, und daher kann kein sehr empfindlicher Winkelgeschwindigkcdtsdetektor erhalten werden.

10

Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Halblei- ^ ter-Ringlaservorrichtung, welche im Vergleich zu einer Gas-Ringlaservorrichtung Vorteile, wie zum Beispiel kleine Größe, geringes Gewicht, niedrigen Energieverbrauch, hohen Wirkungsgrad, niedrige Kosten und andere aufweist und welche beispielsweise zur Verwendung in einer Ringlaser-Gyroskopvorrichtung geeignet ist; die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter eines Halbleiter-Laserelementes so angeordnet ist, daß der Neigungswinkel des Wellenleiters zur Normale auf eine Spaltebene des Laserelementes einen Brewster'sehen Winkel bilden kann bezüglich des Wellenleitermediums und eines Mediums, welches der Spaltebene benachbart ist, und daß ein ringförmiger optischer Pfad mit einem optischen System, ·*■■ 25 das eine Linse, einen Spiegel und andere Bauteile umfaßt, außerhalb des Halbleiter-Laserelementes so angeordnet ist, daß ein ringförmiger Resonator gebildet wird.

Die Erfindung nutzt das Prinzip des Brewster'sehen Winkels, Gemäß diesem Prinzip wird, wie in Figur 1 gezeigt, bei Einfall eines Strahls von einem Medium I (Brechungsindex η-,) auf ein Medium II mit unterschiedlichem Brechungsindex (Brechungsindex iin), wenn der Einfallswinkel Θ. und der üurchlasswinkel Θ, die Bedingung Θ. + &, = 90 Grad erfüllen, der Einfallswinkel Θ. als Brewster'scher Winkel bezeichnet, und es gilt tan Θ. = η,-,/η-,; in diesem Zustand

O i J I L O

• **■« β »«V φ R

' wird die linear polarisierte Welle des Strahls, deren elektrischer Feldvektor parallel zur Einfallsebene liegt, völlig reflektionsfrei. Erfindungsgemäß ist daher in Anwendung dieses Prinzips ein Wellenleiter eines Halbleiter-Laserelementes so angeordnet, daß der Neigungswinkel des Wellenleiters zur Normale auf eine Spaltebene des Laserelementes einen Brewster'sehen Winkel bilden kann bezüglich des Wellenleitermediums und eines Mediums, welches der Spaltebene benachbart ist, so daß eine linear polarisierte Welle, deren elektrischer Feldvektor parallel zu einer p-n-tfbergangsebene liegt, an der Spaltebene über^- haupt nicht reflektiert wird. Außerdem ist erfindungsgemäß ein ringförmiger optischer Pfad außerhalb des Laserelementes so angeordnet, daß eine Ringlaserschwingung bewirkt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Diagramm; zur Erläuterune des Prinzips des

Brewster'sehen Winkels;

Figur 2 eine perspektivische schematische Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels für ein Halbleiter-Laserelement; Figur 3 eine Draufsicht unter Auslassung von Teilen auf das Halbleiter-Laserelement von Figur 2; und

Figuren k

bis 6 Diagramme zur Erläuterung des Aufbaus von Ausführungsbeispielen für die Halbleiter-Ring

laservorrichtung.

Figur 2 zeigt ein Beispiel für ein Halbleiter-Laserelement, Bezugszeichen 1 bezeichnet ein n-Ga-As-Substrat, Bezugszeichen 2 bezeichnet eine η-Α1_χ -Ga₁__χ -As-Überzugsschicht, Bezugszeichen 3 ' bezeichnet einen n-Al_v -Ga_{1 T} -As-Wellenleiterbereich, Bezugszeichen /+ g g

« β ο *« β aea-

e* Ά η β β »a

5
eine aktive Al_v -Ga₁ _Ύ -Schicht, und Bezugszeichen 5 be-

Λ. »j ι "Ά -ι

zeichnet eine ρ-Al , -Ga_{1 τ}, -As-Überzugsschicht,und diese

X₂ l-A ₂

Schichten 2,3» 4- und 5 bilden einen streifenförmigen Mesa-

Abschnitt, der so ausgebildet ist, daß er einen Brewster' sehen Winkel θ~ bezüglich einer Normalen zu jeder Spaltebene 6 aufweist. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine n-Al_Y -Ga_{1 Y} -As-Außenschicht» Bezugszeichen 8 bezeichnet

eine SiO₅- Isolierschicht, welche den oberen Bereich der

^ιυ Außenschicht 7 außer dem streifenförmigen Mesa-Abschnitt bedeckt, Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Cr-Au-Metallfilmelektrode, welche in direktem Kontakt mit der Überzugsschicht 5 des streifenförmigen Mesa-Abschnitts steht und die Isolierschicht 8 bedeckt, und Bezugszeichen 10 be- '·* zeichnet eine AuGeNi-Au-Metallfilmelektrode.

Dieses Element wird in einem Verfahren hergestellt, bei welchem die Überzugsschicht.2, der Wellenleiterbereich 3, die aktive Schicht 4. und die Überzugs schicht 5 der Reihe nach auf dem Substrat 1 gezogen werden durch ein herkömmliches sequentielles Plüssigphasen-Aufwachsverfahren und dann der streifenförmige Mesa-Abschnitt der Elemente 2,3,4- und 5 durch Mesa-A'tzung gebildet wird. Indem wiederum ein Flüssigphasen-(Epitaxial-)Aufwachsverfahren verwendet wird, wird die Außenschicht 7 auf der oberen Fläche des Substrats 1 und auf den Seitenflächen des Mesa-Abschnitts gezogen oder gezüchtet, und dann wird das SiO„ niedergeschlagen, um die obere Fläche der Außenschicht 7 außer der oberen Fläche des streifenförmigen Mesa- Ab-Schnitts zu überdecken. Danach wird eine thermische Diffusion von Zn durch ein Fenster der SiO„-Schicht ausgeführt, um die SiOp-Isolierschicht 8 zu bilden. Schließlich werden die Metallschichten der Elektroden 9 und TO auf der oberen und der unteren Fläche des Laserelementes durch eine Verdampfungsniederschlagsbehandlung gebildet. (Referenz: K.Saito und R.Ito "Buried-Heterostructure AlGaAs Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 16, p.p. 205-215, February 1980).

JIJI ZJZ

• «

' Wenn wie oben beschrieben der Wellenleiterbereich 3 bei seiner Bildung so eingestellt wird, daß er einen Brewster¹ sehen Winkel bezüglich der Normalen auf die Spaltebene 6 bildet, kann durch das herkömmliche Verfahren leicht ein Halbleiter-Laserelement hergestellt werden, welches an seiner Spaltebene 6 keine Reflexionsfunktion aufweist.

Figur 3 ist eine schematische Ansicht eines Modells des Halbleiter-Laserelementes von Figur 2, von oben betrachtet; in dieser Ansicht ist die p-n-Übergangsebene des Wellenleiters 3 als eine·zur Zeichenebene parallele Ebene gezeigt.

Ein spezielles Beispiel für den Brewster'sehen Winkel 8^ wird folgendermaßen beschrieben: Wenn der Brechnungsindex des Wellenleiters eines AlGaAs-Laserelementes etwa 3,5 beträgt und der Brechungsindex des umgebenden Gaskörpers etwa 1,0 beträgt, dann gilt

Θ_Β = tan"¹ 1,0/3,5 ="16°

Figur 4- zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bezugszeichen 11 bezeichnet das oben beschriebene Halbleiter-Laserelement, dessen Spaltebene 6 eine nichtreflektierende Ebene geworden ist; das Laserelement 11 ist mit seiner oberen und seiner unteren Elektrode über einen Widerstand 12 an eine elektrische Antriebsquelle 13 angeschlossen. Das Bezugszeichen 14- bezeichnet eine Linse, Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Spiegel und Bezugszeichen 15A bezeichnet einen Strahlteiler, und auf diese Weise wird ein ringförmiger Resonator mit einem ringförmigen optischen Pfad 16 durch ein System dieser optischen Teile gebildet. Ein Strahl 19 im Uhrzeigersinn und ein Strahl 20 gegen den Uhrzeigersinn werden von dem Strahlteiler 15A abgenommen.

Wenn dieses Ausführungsbeispiel auf eine Ringlaser-Gyroskopvorrichtung angewandt wird, wird diese so eingerichtet, daß der Strahl 19 im Uhrzeigersinn und der Strahl

β · α

δ β ο * ft *

»β β « β

BO 9 6

20 gegen äen Uhrzeigersinn, welche den Strahlteiler 1 5A durchlaufen, unter Verwendung eines Prismas, eines Spiegels oder dgl. (nicht gezeigt) zusammengefügt werden können und die Frequenzdifferenz der beiden Strahlen von einem optischen Detektor (nicht gezeigt) als Sehwebungssignal einer Veränderung des optischen Ausgangssignals abgenommen wird. - . - -

Wenn in Figur 4· einer oder mehrere der zwei Spiegel 15 und des einzelnen Strahlteilers' 15A durch ein Beugungsgitter ersetzt werden, ist eine derartige vorteilhafte Wirkung zu erwarten, daß'die Einzelfrequenz-Wahleigenschaft und die Polarisationsebenen-Lineareigenschaft verbessert werden,

.

Figur 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel. Bei diesem wird der ringförmige optische Pfad durch ein optisches Faserglied 17 anstelle der Spiegel 15 in Figur U gebildet.

In jedem der Ausführungsbeispiele der Figuren k und 5 ist das Medium, welches der Spaltebene 6 benachbart sein soll, ein gasförmiger Körper, wie zum Beispiel Luft oder dgl. Wenn eine ölgetränkte Linse oder dgl. anstelle der Linse 5 verwendet wird, wird ein Medium wie Öl, optischer Zement oder dgl. in einen Raum zwischen dem Halbleiter-Laserelement und der Linse gefüllt, und in diesem Fall muß der Neigungswinkel des Wellenleiters des Halbleiter-Laserelementes so eingestellt werden, daß er den Brewster¹ sehen Winkel entsprechend diesem Medium aufweist.

Figur 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei welchem das oben beschriebene Halbleiter-Laserelement 11 und das optische Faserteil 17 direkt miteinander verbunden sind, ohne ein optisches System wie eine Linse oder dgl. einzufügen. Bei diesem Ausführungsbe1 spiel ist der Wellenleiter 3 des Halbleiter-Läserelementes 11 so eingestellt, daß sein Neigungswinkel bezüglich der Normalen zu der

i J I Δ6Δ

Spaltebene 6 der Brewster'sehe Winkel &„ bezüglich des Elementmediums und eines Kernes 18 des optischen Faserteiles 17 ist, und der Kern 18 des optischen Faserteiles 17, dessen Endfläche so geschnitten ist, daß sie den genannten Winkel aufweist, und poliert ist, ist direkt mit dem Wellenleiter 3 verbunden. Auf diese Weise wird die polarisierte Welle, welche parallel zu_# der p-n-Übergangsebene ist, an der Verbindungsfläche völlig reflexionsfrei.

Wenn der Brechungsindex des Wellenleiters 3 des Halbleiter-Laserelementes 11 etwa 3,5 beträgt und der Brechungsindex des optischen Faserteiles 17 etwa 1,5 beträgt, ergibt sich in diesem Fall folgender Brewster' scher Winkel 8_R:' Θ_Β = tan"¹ 1,5/3,5 = 23,2°

Das Halbleiter-Laserelement in diesem Ausführungsbeispiel kann leicht auf ähnliche Art wie oben hergestellt werden.

Der ringförmige optische Pfad, der aus dem optischen Faserteil 17 außerhalb des Halbleiter-Laserelementes 11 besteht, bildet einen ringförmigen Resonator zum Bewirken einer Ringlaser-Oszillation und ist so angeordnet, daß ein im Uhrzeigersinn laufender Strahl 19 und ein gegen den Uhrzeigersinn laufender Strahl 20 von beiden Enden eines gebogenen Abschnitts 21 des optischen Faserteiles abgenommen werden.

Wenn eines der Ausführungsbeispiele der Figuren 5 und 6 für eine Ringlaser-Gyroskopvorrichtung verwendet wird, ist diese ähnlich dem Fall des in Figur 4- gezeigten Beispiels so eingerichtet, daß der Strahl 19 im Uhrzeigersinn und der Strahl 20 gegen den Uhrzeigersinn unter Verwendung eines Spiegels, eines Prismas oder dgl. (nicht gezeigt) zusammengeführt werden können, s© daß der Frequenzunterschied der beiden Strahlen von einem ( nicht gezeigten) optischen Detektor als Schwebungssignal einer Veränderung des optischen Ausgangssignals abegnommen wird.

9 Φ ir

' Erfindüngsgcmäß ist also der Wellenleiterbereich des Halbleiter-Laserelementes so angeordnet, daß sein Neigungswinkel bezüglich der Normalen zu der Spaltebene des Laserelementes einen Brewster¹sehen Winkel zwischen einem Wellenleitermedium und einem Medium bilden kann, welches der Spaltebene benachbart ist, und der ringförmige Pfad wird durch ein Sptisches System außerhalb des Halbleiter-Läserelementes derart gebildet, daß es als ringförmiger - Resonator dient, so daß eine praktisch ausgezeichnete Halbleiter-Ringlaservorrichtung erhalten werden kann, welche im-Vergleich zu einer Gas-Ringlaservorrichtung derartige Vorteile aufweist wie kleine Größe, leichtes Gewicht, niedrigen Energieverbrauch, hohen Wirkungsgrad, niedrige Kosten und andere und beispielsweise zur Verwendung in einer Ringlaser-Gyroskopvorrichtung oder dgl. geeignet ist.

Der Patentanwalt

-40-

Leerseite

Claims

313123

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH *-*°-° %.^{: :}..^: \i-dao MÖNCHEN 22 Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. rer. not. W. KÖRBER * ⁽°⁸⁹⁾

Dipl.-I ng. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE 6 . Au gu S t 19P,1

Je

Seiichi ISHIZAKA

1-3-1, Kasumigaseki, Chiyoda-ku, Tokyo / JAPAN und

HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA

27-8, 6-chome, Jingumae, Shibuya-ku, Tokyo / JAPAN

Ansprüche:

My Halbleiter- Ringlaservorriehtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3) eines Halbleiter-Laserelemen tes (11) so angeordnet ist, daß der Neigungswinkel des ■15 Wellenleiters zur Normale auf eine Spaltebene (6) des Laserelementes einen Brewster'sehen Winkel bilden kann bezüglich des Wellenleitermediums und eines Mediums, welches der Spaltebene benachbart ist, und daß ein ringförmiger optischer Pfad mit einem optischen System, das eine Linse (14)» einen Spiegel (15) und andere Bauteile umfaßt, außer halb des Halbleiter-Laserelementes so angeordnet ist, daß ein ringförmiger Resonator gebildet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Faserteil (17)·zum Aufbauen wenigstens eines Teiles des ringförmigen optischen Pfades (16) verwen det wird.