JP2002033549A - Semiconductor ring laser and its manufacturing method as well as method for driving - Google Patents

Semiconductor ring laser and its manufacturing method as well as method for driving

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JP2002033549A
JP2002033549A JP2000215016A JP2000215016A JP2002033549A JP 2002033549 A JP2002033549 A JP 2002033549A JP 2000215016 A JP2000215016 A JP 2000215016A JP 2000215016 A JP2000215016 A JP 2000215016A JP 2002033549 A JP2002033549 A JP 2002033549A
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ring laser
forming
region
semiconductor
nanohole array
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Japanese (ja)
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Mamoru Uchida
護 内田
Tatsuya Iwasaki
達哉 岩崎
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Canon Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems of a difficulty in manufacturing a conventional semiconductor ring laser, a large power consumption and a low yield. SOLUTION: The semiconductor ring laser for constituting a ring resonator comprises an optical waveguide on a semiconductor substrate, and an optical crystal structure formed on a periphery of the waveguide in a direction parallel to the substrate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、計測器やセンサ等
に用いられる半導体リングレーザ及びその製造方法、駆
動方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor ring laser used for a measuring instrument, a sensor, and the like, and a method of manufacturing and driving the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジャイロは慣性空間に対する回転角速度
を検知する測定装置の総称である。この内、光の特性、
例えば、高周波性(数百THz以上)や可干渉性を生か
してジャイロに適用したものは光ジャイロと呼ばれてい
る。この光ジャイロは、能動型光ジャイロと受動型光ジ
ャイロに大別できる。能動型光ジャイロはリングレーザ
ジャイロとも呼ばれ、リング共振器全体が活性媒質とな
っているものである。例えば、活性媒体としてHe−N
eガスを、リング共振器としては溶融石英ブロックを三
角形にくり抜いてチューブとしたものが広く用いられて
いる。
2. Description of the Related Art A gyro is a general term for a measuring device for detecting a rotational angular velocity with respect to an inertial space. Among them, the characteristics of light,
For example, an optical gyro applied to a gyro utilizing high frequency characteristics (several hundred THz or more) and coherence is called an optical gyro. This optical gyro can be roughly classified into an active optical gyro and a passive optical gyro. The active optical gyro is also called a ring laser gyro, and the entire ring resonator is an active medium. For example, He-N as an active medium
As the ring resonator, a tube formed by cutting a fused quartz block into a triangular shape as an e-gas is widely used.

【0003】能動型光ジャイロはこの構成からわかる通
り、レーザガス流による出力ドリフトを安定にするのに
付加装置が必要だったり、レーザ発振に大電力が必要だ
ったり、熱膨張や歪み対策が必要なため、小型化や低価
格化は本質的に困難であり、応用例は航空機等(例え
ば、ボーイング757/767、エアバスA310等)
のごく限られた用途に限定されていた。
As can be seen from this configuration, an active optical gyro requires an additional device to stabilize the output drift due to a laser gas flow, requires large power for laser oscillation, and requires measures against thermal expansion and distortion. Therefore, miniaturization and cost reduction are essentially difficult, and applications are aircraft and the like (for example, Boeing 757/767, Airbus A310, etc.).
Was limited to very limited uses.

【0004】また、受動型光ジャイロの代表的なもの
は、光ファイバジャイロで、活性媒質と共振器とが分離
されており、活性媒質として半導体アンプ、共振器とし
て単一モードファイバを用いるのが一般的である。この
場合も高い機械的精度が必要だったり、小型にできない
問題点があった。
A typical passive optical gyro is an optical fiber gyro in which an active medium and a resonator are separated, and a semiconductor amplifier is used as the active medium and a single mode fiber is used as the resonator. General. Also in this case, there are problems that high mechanical accuracy is required and that the size cannot be reduced.

【0005】一方、近年、半導体レーザの開発に伴い、
リングレーザを半導体活性媒質と半導体プロセスで実現
しようとする試みがなされている。半導体リングレーザ
としては、例えば、特開平4−174317号公報に記
載されているような半導体レーザ・ジャイロである。
On the other hand, with the development of semiconductor lasers in recent years,
Attempts have been made to realize a ring laser with a semiconductor active medium and a semiconductor process. The semiconductor ring laser is, for example, a semiconductor laser gyro described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-174317.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来例のものでは、利点もあるが問題点もあった。即ち、
半導体プロセスで形成するため、ファイバジャイロのよ
うに光学部品の位置合わせ等は必要ない利点がある反
面、以下の問題点があった。まず、第1に四角形のリン
グ状の導波路のコーナーミラー部は全反射で反射率を稼
ぐため垂直且つ平滑である必要があるが、両者を同時に
満足させることは困難であった。
However, this conventional example has advantages but has problems. That is,
Since it is formed by a semiconductor process, there is an advantage that positioning of optical components and the like are not required unlike a fiber gyro, but there are the following problems. First, the corner mirror portion of the quadrangular ring-shaped waveguide needs to be vertical and smooth in order to increase the reflectance by total reflection, but it has been difficult to satisfy both at the same time.

【0007】第2にコーナーミラー部の反射は半導体と
空気の全反射を用いているため、任意の形状のリング共
振器の形成が難しいという欠点があった。第3にリッジ
導波路部では基本横モードのみが選択されるように精度
よく作製する必要があり、且つ、散乱が起きないように
滑らかに形成する必要があった。実際には、この要求を
完全に満たすことは困難なために、消費電力の増加や歩
留まりの悪化という欠点を引き起こしていた。
Second, since the reflection of the corner mirror portion uses total reflection of the semiconductor and air, there is a disadvantage that it is difficult to form a ring resonator having an arbitrary shape. Third, the ridge waveguide portion needs to be manufactured accurately so that only the fundamental transverse mode is selected, and needs to be formed smoothly so that scattering does not occur. Actually, it is difficult to completely satisfy this requirement, which causes disadvantages such as an increase in power consumption and a decrease in yield.

【0008】本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされ
たもので、その目的は、消費電力に優れ、且つ、低コス
トで製造することが可能な半導体リングレーザ及びその
製造方法、駆動方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and has as its object to provide a semiconductor ring laser which is excellent in power consumption and can be manufactured at low cost, and a manufacturing method and a driving method thereof. To provide.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、半導体
基板上に光導波路を備えリング共振器を構成する半導体
リングレーザにおいて、前記光導波路の周囲に基板平行
方向に光学結晶構造を有することを特徴とする半導体リ
ングレーザによって達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor ring laser having an optical waveguide on a semiconductor substrate and constituting a ring resonator, having an optical crystal structure around the optical waveguide in a direction parallel to the substrate. This is achieved by a semiconductor ring laser characterized by the following.

【0010】また、本発明の目的は、半導体基板上にコ
ア層及びそれを挟む一対のクラッド層から成るスラブ導
波路構造を形成する工程、前記スラブ導波路構造上にナ
ノホールアレイを形成する工程、前記ナノホールアレイ
上に光導波路となる領域にレジストマスクを形成する工
程、前記レジストマスク及び前記ナノホールアレイを選
択マスクとして前記光導波路となる領域以外の領域にナ
ノホールアレイパターンを転写し、一対のクラッド層の
うち上層側クラッド層に基板平行方向に光学結晶構造を
形成する工程、前記ナノホールアレイを除去する工程、
前記光導波路となる領域のみにキャリアを注入する電極
を形成する工程を含むことを特徴とする半導体リングレ
ーザの製造方法によって達成される。
Another object of the present invention is to form a slab waveguide structure comprising a core layer and a pair of clad layers sandwiching the core layer on a semiconductor substrate, a step of forming a nanohole array on the slab waveguide structure, Forming a resist mask in a region to be an optical waveguide on the nanohole array, transferring the nanohole array pattern to a region other than the region to be the optical waveguide using the resist mask and the nanohole array as a selection mask, and forming a pair of cladding layers. Forming an optical crystal structure in a direction parallel to the substrate on the upper cladding layer, removing the nanohole array,
The method is attained by a method of manufacturing a semiconductor ring laser, comprising a step of forming an electrode for injecting carriers only in a region to be the optical waveguide.

【0011】更に、本発明の目的は、半導体基板上に第
1のクラッド層を形成する工程、前記第1のクラッド層
上にナノホールアレイを形成する工程、前記ナノホール
アレイのうち光導波路となる領域に活性層を充填する工
程、前記ナノホールアレイ上に第2のクラッド層を形成
する工程、電極を形成する工程を含むことを特徴とする
半導体リングレーザの製造方法によって達成される。
Further, an object of the present invention is to form a first cladding layer on a semiconductor substrate, a step of forming a nanohole array on the first cladding layer, and a region of the nanohole array to be an optical waveguide. And a method of forming a second cladding layer on the nanohole array, and a step of forming an electrode.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明の半導
体リングレーザの原理について説明する。本発明におい
ては、基板と平行な平面に2次元光学結晶構造を形成す
ることにより、光学結晶横方向の光閉じ込めとリング共
振器構造を同時に持たせている。光学結晶は屈折率差の
ある周期構造を持つ構造体のことで、設計パラメータに
よりあらゆる光が存在し得ない領域、即ち、フォトニッ
クバンドギャップ(PHB)が存在することが理論的に
明らかにされている(例えば、J.D.Joannopoulos et a
l;Nature,Vol386,p143(1997) に記載されている)。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First, the principle of the semiconductor ring laser of the present invention will be described. In the present invention, by forming a two-dimensional optical crystal structure on a plane parallel to the substrate, the optical confinement in the lateral direction of the optical crystal and the ring resonator structure are simultaneously provided. An optical crystal is a structure having a periodic structure with a refractive index difference, and it is theoretically revealed that there is a region where no light can exist, that is, a photonic band gap (PHB), depending on design parameters. (For example, JDJoannopoulos et a
l; Nature, Vol 386, p143 (1997)).

【0013】この構造体で囲まれた非光学結晶領域は2
次元平面内では損失のほとんどない光導波路となり得
る。基板と垂直な方向の光閉じ込めは、従来通りスラブ
導波路構造で閉じこめている。非光学結晶領域を利得領
域且つリング共振器領域に設定すれば、散乱損失や放射
損失がないため、極めて低しきい値で動作するリングレ
ーザを実現できる。また、従来は発振波長及び導波路内
外の物質の屈折率差で決まる臨界角でリングレーザの形
状が制限されていたが、横方向に光学結晶構造を持たせ
ることでこの制限をなくしている。リングレーザは必ず
しも光を外部に取り出す必要はないため、光学結晶との
相性は高い。
The non-optical crystal region surrounded by this structure is 2
An optical waveguide having almost no loss in a dimensional plane can be obtained. Light confinement in the direction perpendicular to the substrate is confined by a slab waveguide structure as in the past. If the non-optical crystal region is set as the gain region and the ring resonator region, there is no scattering loss or radiation loss, so that a ring laser operating at an extremely low threshold can be realized. Conventionally, the shape of a ring laser is limited by a critical angle determined by an oscillation wavelength and a refractive index difference between a substance inside and outside a waveguide, but this restriction is eliminated by providing an optical crystal structure in a lateral direction. Since the ring laser does not necessarily need to extract light to the outside, the compatibility with the optical crystal is high.

【0014】従来、これまでの2次元の光学結晶では、
3次元方向の光の閉じこめが不十分なためよい結果は得
られていない。本発明は厚さ方向の光閉じ込めを通常の
スラブ導波路で形成することでこの問題点を解決してい
る。フォトニックバンドギャップ形成条件については、
文献 M.Plihal et al;"Photonic band structure oftwo
-dimensional systems:The triangular lattice",Physi
cal Review B,44,p8565(1991)等に詳しいので簡単に説
明する。
Conventionally, in a conventional two-dimensional optical crystal,
Good results have not been obtained due to insufficient confinement of light in three dimensions. The present invention solves this problem by forming light confinement in the thickness direction with a normal slab waveguide. Regarding photonic band gap formation conditions,
Reference M. Plihal et al; "Photonic band structure oftwo
-dimensional systems: The triangular lattice ", Physi
cal Review B, 44, p8565 (1991), etc.

【0015】単純な配列、例えば、図7に示すように平
坦な薄膜に三角配列の円柱上の2次元開口アレイが形成
されている場合を考える。ユニットセルの長さをr、円
柱形状のホール半径をaとした時、0<a/r<0.5
である。ここで、a/rのことを開口率と呼ぶことにす
ると開口率a/r=0.3、且つ、薄膜の誘電率ε=1
1(GaAsの場合)では、フォトニックバンドギャッ
プは、0.23<a/λ<0.3の範囲で出現すること
が計算で導くことができる。λは波長である。ここで、
例えば、発光波長を0.8μmすると、PHBが出現す
るホール径は、180nm<a<240nm程度とな
る。
Consider a simple arrangement, for example, a case in which a two-dimensional aperture array on a triangular cylinder is formed on a flat thin film as shown in FIG. When the length of the unit cell is r and the radius of the cylindrical hole is a, 0 <a / r <0.5
It is. Here, when a / r is called an aperture ratio, the aperture ratio a / r = 0.3 and the dielectric constant ε = 1 of the thin film.
In the case of 1 (in the case of GaAs), it can be calculated that the photonic band gap appears in the range of 0.23 <a / λ <0.3. λ is the wavelength. here,
For example, when the emission wavelength is 0.8 μm, the hole diameter where PHB appears is about 180 nm <a <240 nm.

【0016】この範囲では入射光に対しほぼ100%の
反射率を得ることができる。このサイズのナノホールア
レイは従来提案されているアルミニウムを陽極酸化し、
アルミナナノホールアレイとする方法で実現可能であ
る。開口率を大きくすることはPHBの範囲を大きくす
ることにつながるが、作製は極めて難しくなる。また、
光学結晶領域を非光学結晶領域にしたり利得領域とする
方法は、アルミナナノホールアレイを選択成長マスクと
したり、選択エッチングマスクとしたりすることで実現
可能である。
In this range, a reflectance of almost 100% with respect to the incident light can be obtained. Nanohole arrays of this size anodize previously proposed aluminum,
This can be realized by a method using an alumina nanohole array. Increasing the aperture ratio leads to an increase in the range of PHB, but it is extremely difficult to fabricate. Also,
The method of making the optical crystal region a non-optical crystal region or a gain region can be realized by using an alumina nanohole array as a selective growth mask or a selective etching mask.

【0017】そこで、本発明の具体的な実施の形態につ
いて説明する。図1は本発明の半導体リングレーザの第
1の実施形態の構成を示す模式図である。図1におい
て、100は半導体基板、101は2次元光学結晶領
域、102はリング共振器領域、103は電極パッドで
ある。2次元光学結晶領域101は詳しく後述するよう
に半導体基板100上にリング共振器領域102の周囲
に基板平行方向に形成されている。104は電極を示
す。
Therefore, a specific embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a first embodiment of the semiconductor ring laser of the present invention. In FIG. 1, 100 is a semiconductor substrate, 101 is a two-dimensional optical crystal region, 102 is a ring resonator region, and 103 is an electrode pad. The two-dimensional optical crystal region 101 is formed on the semiconductor substrate 100 around the ring resonator region 102 in a direction parallel to the substrate, as described in detail later. Reference numeral 104 denotes an electrode.

【0018】次に、この半導体リングレーザを製造する
方法について説明する。図2及び図3は半導体リングレ
ーザの製造工程を説明する模式図である。まず、図2
(a)に示すようにn型GaAs基板201上にn型A
lGaAsクラッド層202、AlGaAs/GaAs
MQW活性層203、及びp型AlGaAs第1クラッ
ド層204を結晶成長させる。結晶成長法は任意でよ
い。ここではMBE法(分子線エピタキシャル成長法)
を用いている。次に、図2(b)に示すようにAl薄膜
(厚さ0.3μm)205をスパッタ等で、このウエハ
上に積層する。あるいはMBE法で連続的にAl薄膜を
蒸着してもよい。
Next, a method of manufacturing the semiconductor ring laser will be described. FIG. 2 and FIG. 3 are schematic diagrams for explaining a manufacturing process of the semiconductor ring laser. First, FIG.
As shown in (a), an n-type A
lGaAs cladding layer 202, AlGaAs / GaAs
The MQW active layer 203 and the p-type AlGaAs first cladding layer 204 are crystal-grown. The crystal growth method may be arbitrary. Here, MBE method (molecular beam epitaxial growth method)
Is used. Next, as shown in FIG. 2B, an Al thin film (thickness: 0.3 μm) 205 is laminated on the wafer by sputtering or the like. Alternatively, an Al thin film may be continuously deposited by MBE.

【0019】次いで、図2(c)に示すようにAl薄膜
205を陽極酸化することにより、アルミナからなるナ
ノホールアレイ206を形成する。ナノホールの間隔及
び径は利得領域の発光波長よりも小さいサイズで2次元
方向に規則的に配列される。この形成方法は文献固体物
理第31巻493〜499頁、1996年等に詳しく記
載されている。具体的な陽極酸化条件としては、例え
ば、電解液としてリン酸を用い、電圧は80Vである。
また、陽極酸化後、更にリン酸でエッチングすること
で、ホール径を拡大することができる。
Next, as shown in FIG. 2C, the Al thin film 205 is anodized to form a nanohole array 206 made of alumina. The spacing and diameter of the nanoholes are smaller than the emission wavelength of the gain region and are regularly arranged in a two-dimensional direction. This forming method is described in detail in the literature, Solid Physics Vol. 31, pp. 493-499, 1996 and the like. As specific anodic oxidation conditions, for example, phosphoric acid is used as the electrolytic solution, and the voltage is 80 V.
After the anodization, the hole diameter can be increased by etching with phosphoric acid.

【0020】この条件下では、セル間隔200nm、ホ
ール径150nmの正三角形をユニットセルとする均一
なナノホールアレイが形成される。また、陽極酸化前に
Al薄膜205の表面に予め微細な凹部を形成すること
で規則性を向上させることができる。この具体的な方法
としてはスタンプ法(Applied Physics Letters 71,p27
70(1997))や収束イオンビーム法(FIB)等の方法が
ある。特に、FIBは基板の任意の位置に所望の凹部パ
ターンを直描できるため効果的な方法である。なお、2
次元光学結晶構造としては、注状のものを2次元方向に
規則的に配列する構造にすることも可能である。
Under these conditions, a uniform nanohole array having a unit cell of an equilateral triangle having a cell interval of 200 nm and a hole diameter of 150 nm is formed. In addition, regularity can be improved by forming fine concave portions on the surface of the Al thin film 205 before anodic oxidation. The specific method is a stamp method (Applied Physics Letters 71, p27
70 (1997)) and a focused ion beam method (FIB). In particular, FIB is an effective method because a desired concave pattern can be directly drawn at an arbitrary position on the substrate. In addition, 2
As the two-dimensional optical crystal structure, it is also possible to adopt a structure in which casts are regularly arranged in a two-dimensional direction.

【0021】次に、図2(c)、(d)に示すようにリ
ングレーザの導波路領域となる部分に通常のフォトリソ
技術によりレジストパターン207を形成する。ここで
は直径300μmの円形パターンとしている。また、図
2(e)に示すようにReactive lon Beam Etching(RIB
E) やInductively Coupled Plasma Etching(ICP) 等の
ドライエッチング法によりこのレジストパターン207
及びアルミナナノホールアレイ層をマスクとして、下地
のウエハにパターン転写する。例えば、RIBEを用い
た場合のエッチング条件は、塩素ガス圧0.5Pa、E
CRパワー100W、引き出し350V、基板温度30
℃が適当である。エッチング深さは図2(e)に示すよ
うに少なくとも活性層203に達するまで行う。
Next, as shown in FIGS. 2C and 2D, a resist pattern 207 is formed by a usual photolithography technique in a portion to be a waveguide region of the ring laser. Here, a circular pattern having a diameter of 300 μm is used. Also, as shown in FIG. 2E, Reactive lon Beam Etching (RIB)
E) or Inductively Coupled Plasma Etching (ICP) etc.
Then, using the alumina nanohole array layer as a mask, the pattern is transferred to the underlying wafer. For example, when RIBE is used, the etching conditions are chlorine gas pressure 0.5 Pa, E
CR power 100W, drawer 350V, substrate temperature 30
C is appropriate. The etching is performed until the etching depth reaches at least the active layer 203 as shown in FIG.

【0022】このようにエッチングを行うと、図2
(e)に示すように光導波路となる領域以外の領域にお
いてクラッド層204にナノホールが転写され、基板平
行方向に2次元光学結晶が形成される。これを204′
で示している。この後、フッ酸系のエッチングによりア
ルミナナノホールアレイ206のみを選択的に除去す
る。この結果、図3(a)に示すように2次元光学結晶
領域では空気とAlGaAs層による光学結晶構造が形
成され、リング共振器領域では、光学結晶は形成されず
に利得のみを生ずる構造となる。この構造を形成する屈
折率差とサイズは、波長0.8μm帯の光に対し、フォ
トニックバンドギャップを形成するのに十分微小なもの
である。
When the etching is performed as described above, FIG.
As shown in (e), the nanoholes are transferred to the cladding layer 204 in a region other than the region serving as the optical waveguide, and a two-dimensional optical crystal is formed in the direction parallel to the substrate. This is 204 '
Indicated by. Thereafter, only the alumina nanohole array 206 is selectively removed by hydrofluoric acid etching. As a result, as shown in FIG. 3A, an optical crystal structure is formed by air and an AlGaAs layer in the two-dimensional optical crystal region, and only the gain is formed without forming the optical crystal in the ring resonator region. . The refractive index difference and the size forming this structure are sufficiently small to form a photonic band gap for light in the wavelength band of 0.8 μm.

【0023】次に、図3(b)に示すようにクラッド層
204′上に更にp型AlGaAs第2クラッド層20
8を形成する。この時、MOCVD法(有機金属気相成
長法)の横方向成長モードを用いることでナノホールの
中には成長することなく表面のみに成長させることがで
きる。この後、図3(b)に示すように更にp型GaA
sコンタクト層209を積層する。また、図3(b)に
示すように共振導波路部に正電極210、裏面全面に負
電極211を形成する。正電極210、負電極211と
しては、ともにTi/Pt/Auを用いている。
Next, as shown in FIG. 3B, a p-type AlGaAs second cladding layer 20 is further formed on the cladding layer 204 '.
8 is formed. At this time, by using the lateral growth mode of MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), the nanohole can be grown only on the surface without growing in the nanohole. Thereafter, as shown in FIG.
The s-contact layer 209 is stacked. Further, as shown in FIG. 3B, a positive electrode 210 is formed on the resonant waveguide portion, and a negative electrode 211 is formed on the entire back surface. As the positive electrode 210 and the negative electrode 211, both Ti / Pt / Au are used.

【0024】この場合、正電極210はリング状となっ
ており、このリング状電極から電位を印加することによ
り、活性層203において非光学結晶領域、即ち、導波
路となる領域にのみキャリアが注入される。図3(c)
は完成時の平面図を示している。ここでは、リング共振
器形状として円形を選んだが、図1のように三角形、あ
るいは六角形あるいは任意の形状であってもよい。特
に、正三角形や正六角形の場合、ナノホールアレイのユ
ニットセルに合わせることができるので、最もリングレ
ーザ特性が向上する。
In this case, the positive electrode 210 has a ring shape, and by applying a potential from the ring electrode, carriers are injected only into the non-optical crystal region, that is, the region serving as a waveguide in the active layer 203. Is done. FIG. 3 (c)
Shows a plan view at the time of completion. Here, a circular shape is selected as the ring resonator shape, but it may be a triangular shape, a hexagonal shape, or an arbitrary shape as shown in FIG. In particular, in the case of an equilateral triangle or an equilateral hexagon, the ring laser characteristics can be improved most because the shape can be matched to the unit cell of the nanohole array.

【0025】次に、動作原理について説明する。正電極
210及び負電極211から注入されたキャリアは、活
性領域で再結合し、光子となり、導波モードを選択し伝
搬する。まず、厚さ方向では通常のスラブ導波路の導波
モードのみが選択される。横方向に関しては2次元光学
結晶が形成されており、活性層で生成される光子は禁止
帯となるように設定されているため、それに相当しない
部分、即ち、非光学結晶領域のみに集中する。非光学結
晶領域はリング共振器を形成していると共に利得領域と
なっているため、損失を上回る利得を与える、即ち、キ
ャリア注入量を上げることによりリングレーザとして発
振させることができる。本実施形態の場合、発光した光
はすべて共振器内に戻り再利用されるため、動作電力を
極めて小さくできることが大きな特徴である。
Next, the operation principle will be described. The carriers injected from the positive electrode 210 and the negative electrode 211 are recombined in the active region, become photons, select a waveguide mode, and propagate. First, in the thickness direction, only the waveguide mode of a normal slab waveguide is selected. In the lateral direction, a two-dimensional optical crystal is formed, and photons generated in the active layer are set so as to be in a forbidden band. Since the non-optical crystal region forms a ring resonator and also serves as a gain region, the ring laser can be oscillated as a ring laser by giving a gain exceeding the loss, that is, by increasing the carrier injection amount. In the case of the present embodiment, since the emitted light is all returned to the resonator and reused, a major feature is that the operating power can be extremely reduced.

【0026】次に、本実施形態の半導体リングレーザの
使用方法について説明する。図4は半導体リングレーザ
を回転ジャイロとして使用する場合の測定装置の模式図
である。図4において、301は半導体リングレーザ、
302は電流源、303は抵抗、304は電圧計であ
る。半導体リングレーザ301としては、図1のものを
用いている(又は図2、図3の製造方法で作製されたも
の)。また、この半導体レーザ301は、図示しない基
板等に取り付けられ、基板と垂直な軸回りに回転可能で
ある。
Next, a method of using the semiconductor ring laser of this embodiment will be described. FIG. 4 is a schematic diagram of a measuring device when a semiconductor ring laser is used as a rotating gyro. In FIG. 4, reference numeral 301 denotes a semiconductor ring laser,
302 is a current source, 303 is a resistor, and 304 is a voltmeter. As the semiconductor ring laser 301, the one shown in FIG. 1 is used (or one manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 2 and 3). The semiconductor laser 301 is attached to a substrate (not shown) or the like, and is rotatable around an axis perpendicular to the substrate.

【0027】ここで、電流を上げていき発振しきい値に
達すると、リングレーザモードで2本のモードがほぼ同
時に発振する。本実施形態の場合、光が外部に出ないた
め発振を通常のホトディテクタで確認することはできな
いが、微分抵抗をモニタすることで発振しきい値をモニ
タすることができる。即ち、発振するまでは通常のダイ
オード特性だが、発振後は活性層内のキャリア密度が一
定になるため、微分抵抗としてはキンクを生ずるので容
易に判断できる。発振後、回転がかかると、右回り左回
りのモードでは光路差が生じ、これがビート信号として
電圧変化に現れる。通常、このビート周波数は回転角速
度とリニアな関係があるため、これから回転角速度を数
値化することができる。
Here, when the current is increased to reach the oscillation threshold, the two modes oscillate almost simultaneously in the ring laser mode. In the case of the present embodiment, the oscillation cannot be confirmed by a normal photodetector because no light is emitted to the outside, but the oscillation threshold can be monitored by monitoring the differential resistance. That is, the diode characteristics are normal until oscillation, but after oscillation, since the carrier density in the active layer becomes constant, a kink is generated as the differential resistance, so that it can be easily determined. If rotation is applied after oscillation, an optical path difference occurs in the clockwise and counterclockwise modes, and this appears in the voltage change as a beat signal. Normally, this beat frequency has a linear relationship with the rotational angular velocity, so that the rotational angular velocity can be quantified from this.

【0028】本実施形態では、半導体基板上に2次元光
学結晶領域を形成し、基板平行方向の光を閉じ込める構
造としているので、共振器ロスを極めて小さくでき、消
費電力を著しく低減できる。また、共振器形状がほぼ任
意に設計できるため、目的に応じたデバイス構造とする
ことができる。なお、リング共振器の形状は図のような
形状に限ることなく、例えば、四角形のリング状であっ
てもよい。
In this embodiment, since a two-dimensional optical crystal region is formed on the semiconductor substrate to confine light in the direction parallel to the substrate, the resonator loss can be extremely reduced, and the power consumption can be significantly reduced. Further, since the resonator shape can be designed almost arbitrarily, a device structure suitable for the purpose can be obtained. The shape of the ring resonator is not limited to the shape shown in the figure, and may be, for example, a square ring shape.

【0029】とりわけ、導波路に非対称なテーパー領域
(右回りの光と左回りの光の損失に差を与えるための領
域)を設ければ、リングレーザーが静止している場合に
おいても両方向の光に発振周波数差、即ち、ビートが生
じる。静止時のビート信号と回転時のビート信号を比較
することで、角速度のみならず回転方向の検知も可能と
なる。テーパー形状に関しては、特願平12−3895
号に詳しい。
In particular, if an asymmetric tapered region (region for giving a difference between loss of clockwise light and counterclockwise light) is provided in the waveguide, light in both directions can be obtained even when the ring laser is stationary. , An oscillation frequency difference, that is, a beat is generated. By comparing the beat signal when stationary and the beat signal when rotating, not only the angular velocity but also the direction of rotation can be detected. Regarding the taper shape, refer to Japanese Patent Application No. 12-3895.
Familiar with the issue.

【0030】次に、本発明の半導体リングレーザの製造
方法の第2の実施形態について説明する。なお、半導体
リングレーザは図1と同様である。図5及び図6はその
製造工程を説明する模式図である。第1の実施形態と異
なるのは、利得媒質を後から選択的に埋込み、選択的に
利得領域とすると共に屈折率差を小さくすることで非光
学結晶とする点である。以下、具体的に説明する。ま
ず、図5(a)に示すようにp型GaAs基板201上
にp型AlGaAsクラッド層202を結晶成長させ
る。結晶成長法は任意でよい。ここではMBE法(分子
線エピタキシャル成長法)を用いている。次に、図5
(b)に示すようにAl薄膜(厚さ0.5μm)205
をスパッタ等でこのウエハ上に積層する。あるいはMB
E法で連続的にAlを蒸着してもよい。
Next, a second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor ring laser according to the present invention will be described. The semiconductor ring laser is the same as in FIG. 5 and 6 are schematic views for explaining the manufacturing process. The difference from the first embodiment is that the gain medium is selectively embedded later to selectively form a gain region and reduce the difference in refractive index to form a non-optical crystal. Hereinafter, a specific description will be given. First, as shown in FIG. 5A, a p-type AlGaAs cladding layer 202 is crystal-grown on a p-type GaAs substrate 201. The crystal growth method may be arbitrary. Here, the MBE method (molecular beam epitaxial growth method) is used. Next, FIG.
As shown in (b), an Al thin film (thickness: 0.5 μm) 205
Is laminated on this wafer by sputtering or the like. Or MB
Al may be continuously deposited by the E method.

【0031】次いで、第1の実施形態と同様の手法によ
りアルミナからなるナノホールアレイ206を形成す
る。具体的な陽極酸化条件としては、例えば、電解液と
してリン酸を用い、電圧は120Vである。この条件下
では、最終的にはセル間隔300nm、ホール径250
nmの均一なナノホールアレイ206が形成される。こ
の様子を図5(c)に示している。第1の実施形態と異
なるセル間隔及びホール径にしているのは、光学結晶構
造をアルミナと空気で得るためである。この後、図5
(d)に示すように再びウエハを結晶成長装置に戻し、
メタルマスク407をウエハに近接して配置して図6
(a)に示すようにMQW活性層203(波長0.8μ
m)がリング共振器を形成する光導波路(非光学結晶領
域)のみに充填されるよう選択的に成長させる。
Next, a nanohole array 206 made of alumina is formed in the same manner as in the first embodiment. As specific anodic oxidation conditions, for example, phosphoric acid is used as the electrolytic solution, and the voltage is 120V. Under these conditions, finally, the cell interval is 300 nm and the hole diameter is 250
A nanohole array 206 having a uniform thickness of nm is formed. This state is shown in FIG. The reason why the cell spacing and the hole diameter are different from those in the first embodiment is to obtain an optical crystal structure using alumina and air. After this, FIG.
The wafer is returned to the crystal growth apparatus again as shown in FIG.
FIG. 6 shows a state in which the metal mask 407 is arranged close to the wafer.
As shown in (a), the MQW active layer 203 (wavelength 0.8 μm)
m) is selectively grown so as to fill only the optical waveguide (non-optical crystal region) forming the ring resonator.

【0032】ここでは、選択成長に有利なMOCVD法
を用いている。また、メタルマスク407における光導
波路のパターンは図6(c)に示すように正六角形と
し、ナノホールアレイ206の周期と整合するように設
定している。活性層成長後、メタルマスク407を取り
去って図6(b)に示すようにウエハ全体にn型AlG
aAsクラッド層208を成長させる。この時、横方向
成長モードを用いることにより2次元光学結晶領域で
は、ホール部には充填されずに横方向にエピタキシャル
成長される。この結果、活性層203が成長した領域で
はアルミナが残るものの、屈折率差が小さくなるため、
光学的に周期性を乱すドーピング領域となり、非光学結
晶構造となる。また、キャリアを注入することで利得領
域にもなる。活性層203が充填されていない領域は、
光学結晶領域として維持される。この点が第1の実施形
態との大きな違いである。
Here, an MOCVD method advantageous for selective growth is used. The pattern of the optical waveguide in the metal mask 407 is a regular hexagon as shown in FIG. 6C, and is set so as to match the period of the nanohole array 206. After the active layer is grown, the metal mask 407 is removed, and the entire wafer is n-type AlG as shown in FIG.
The aAs cladding layer 208 is grown. At this time, by using the lateral growth mode, in the two-dimensional optical crystal region, the holes are epitaxially grown in the lateral direction without being filled in the holes. As a result, although the alumina remains in the region where the active layer 203 has grown, the difference in the refractive index is small.
It becomes a doping region that optically disturbs periodicity, and becomes a non-optical crystal structure. In addition, by injecting carriers, it also becomes a gain region. The region where the active layer 203 is not filled is
It is maintained as an optical crystal region. This is a major difference from the first embodiment.

【0033】次に、図6(b)に示すように引き続いて
n型GaAsコンタクト層209を成長させた後、正電
極210を光導波路部のみに形成し、負電極211を裏
面全面に形成して製造を完了する。最終工程後の平面図
を図6(c)に示している。ここでは、リング共振器は
正六角形の場合について示している。リング形状が正六
角形の場合、ナノホールアレイの最密充填構造を乱すこ
とがないため、光学結晶の周期性を保ちやすいので有利
であるが、他の形状でももちろん構わない。なお、第2
の実施形態において、正電極は光導波路部のみに形成す
るとしたが、全面に形成してもよい。これは、正電極か
らキャリアを注入する場合、活性層203の両側は酸化
アルミナとなっており、活性層203のみに電流が流れ
るので、電極形状を限定する必要がないためである。
Next, as shown in FIG. 6B, after successively growing an n-type GaAs contact layer 209, a positive electrode 210 is formed only on the optical waveguide portion, and a negative electrode 211 is formed on the entire back surface. To complete manufacturing. A plan view after the final step is shown in FIG. Here, the case where the ring resonator is a regular hexagon is shown. If the ring shape is a regular hexagon, it is advantageous because the close-packed structure of the nanohole array is not disturbed, and the periodicity of the optical crystal is easily maintained. However, other shapes may be used. The second
In the embodiment, the positive electrode is formed only on the optical waveguide portion, but may be formed on the entire surface. This is because when carriers are injected from the positive electrode, both sides of the active layer 203 are made of alumina oxide, and current flows only in the active layer 203, so that it is not necessary to limit the shape of the electrode.

【0034】動作原理や使用方法等は第1の実施形態の
説明と同様であるので説明は省略する。また、上記実施
形態において、活性層にGaInNAsを用いると更に
効果的である。この場合の実施形態を以下に説明する。
即ち、第1の実施形態、第2の実施形態において、Al
GaAs/GaAsMQW活性層の代わりに、GaAs
/GaInNAsMQW活性層を用いることで以下の効
果がある。 (1)活性層の実効的屈折率を大きくできるので、空気
との屈折率差をより大きくできる。 (2)発振波長を長波長化できるため、光学結晶領域を
作製する際、プロセス精度を緩和できる。 (3)伝導体のバンドオフセットを大きくとれるため、
温度特性に優れたリングレーザを作製できる。
The principle of operation, the method of use, and the like are the same as those described in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated. In the above embodiment, it is more effective to use GaInNAs for the active layer. An embodiment in this case will be described below.
That is, in the first embodiment and the second embodiment, Al
Instead of a GaAs / GaAs MQW active layer, GaAs
The use of the / GaInNAs MQW active layer has the following effects. (1) Since the effective refractive index of the active layer can be increased, the difference in refractive index from air can be further increased. (2) Since the oscillation wavelength can be made longer, the process accuracy can be reduced when the optical crystal region is manufactured. (3) Since the band offset of the conductor can be made large,
A ring laser having excellent temperature characteristics can be manufactured.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
導波路の周囲に基板平行方向に光学結晶構造を形成して
いるので、光学結晶横方向の光閉じ込めを大きくでき、
動作電流を小さくできるため、消費電力を大幅に低減す
ることができる。また、歩留まりの悪化がなく、安価に
製造することができる。更に、光学結晶構造を用いて横
方向に光を閉じ込めているので、自由にリング形状を設
定することができる。また、活性層にGaInNAsを
用いることにより、プロセス精度を緩和でき、温度特性
を向上することができる。
As described above, according to the present invention, since the optical crystal structure is formed in the direction parallel to the substrate around the optical waveguide, light confinement in the lateral direction of the optical crystal can be increased.
Since the operating current can be reduced, power consumption can be significantly reduced. In addition, the production can be performed at low cost without lowering the yield. Further, since the light is confined in the lateral direction using the optical crystal structure, the ring shape can be set freely. Also, by using GaInNAs for the active layer, the process accuracy can be relaxed and the temperature characteristics can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の半導体リングレーザの一実施形態を示
す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a semiconductor ring laser of the present invention.

【図2】本発明の半導体リングレーザの製造方法の第1
の実施形態を示す図である。
FIG. 2 shows a first example of a method for manufacturing a semiconductor ring laser according to the present invention.
It is a figure showing an embodiment.

【図3】本発明の半導体リングレーザの製造方法の第1
の実施形態を示す図である。
FIG. 3 shows a first example of a method for manufacturing a semiconductor ring laser according to the present invention.
It is a figure showing an embodiment.

【図4】図1の半導体リングレーザの使用方法の一例を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a method of using the semiconductor ring laser of FIG. 1;

【図5】本発明の半導体リングレーザの製造方法の第2
の実施形態を示す図である。
FIG. 5 shows a second example of the method for manufacturing a semiconductor ring laser according to the present invention.
It is a figure showing an embodiment.

【図6】本発明の半導体リングレーザの製造方法の第2
の実施形態を示す図である。
FIG. 6 shows a second method of manufacturing the semiconductor ring laser according to the present invention.
It is a figure showing an embodiment.

【図7】フォトニックバンドギャップを説明するための
図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a photonic band gap.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 半導体基板 101 光学結晶領域 102 リング共振器領域 103 電極パッド 104 電極 201 基板 202,204 クラッド層 203 活性層 204′ クラッド層 205 Al薄膜 206 アルミナナノホールアレイ 207 レジストマスク 208 クラッド層 209 コンタクト層 210 正電極 211 負電極 301 半導体リングレーザ 302 電流源 303 抵抗 304 電圧計 Reference Signs List 100 semiconductor substrate 101 optical crystal region 102 ring resonator region 103 electrode pad 104 electrode 201 substrate 202, 204 clad layer 203 active layer 204 'clad layer 205 Al thin film 206 alumina nanohole array 207 resist mask 208 clad layer 209 contact layer 210 positive electrode 211 Negative electrode 301 Semiconductor ring laser 302 Current source 303 Resistance 304 Voltmeter

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に光導波路を備えリング共
振器を構成する半導体リングレーザにおいて、前記光導
波路の周囲に基板平行方向に光学結晶構造を有すること
を特徴とする半導体リングレーザ。
1. A semiconductor ring laser comprising an optical waveguide on a semiconductor substrate to form a ring resonator, wherein the semiconductor ring laser has an optical crystal structure in a direction parallel to the substrate around the optical waveguide.
【請求項2】 前記光学結晶構造は、2次元方向に一定
径のホール部又は柱部が規則的に配列された2次元光学
結晶構造から成ることを特徴とする請求項1に記載の半
導体リングレーザ。
2. The semiconductor ring according to claim 1, wherein the optical crystal structure comprises a two-dimensional optical crystal structure in which holes or columns having a constant diameter are regularly arranged in a two-dimensional direction. laser.
【請求項3】 半導体基板上にコア層及びそれを挟む一
対のクラッド層から成るスラブ導波路構造を形成する工
程、前記スラブ導波路構造上にナノホールアレイを形成
する工程、前記ナノホールアレイ上に光導波路となる領
域にレジストマスクを形成する工程、前記レジストマス
ク及び前記ナノホールアレイを選択マスクとして前記光
導波路となる領域以外の領域にナノホールアレイパター
ンを転写し、一対のクラッド層のうち上層側クラッド層
に基板平行方向に光学結晶構造を形成する工程、前記ナ
ノホールアレイを除去する工程、前記光導波路となる領
域のみにキャリアを注入する電極を形成する工程を含む
ことを特徴とする半導体リングレーザの製造方法。
3. A step of forming a slab waveguide structure including a core layer and a pair of clad layers sandwiching the core layer on a semiconductor substrate, a step of forming a nanohole array on the slab waveguide structure, and a light guide on the nanohole array. Forming a resist mask in a region to be a waveguide, transferring the nanohole array pattern to a region other than the region to be the optical waveguide using the resist mask and the nanohole array as a selection mask, and forming an upper clad layer of a pair of clad layers. Forming an optical crystal structure in a direction parallel to the substrate, removing the nanohole array, and forming an electrode for injecting carriers only in a region to be the optical waveguide. Method.
【請求項4】 半導体基板上に第1のクラッド層を形成
する工程、前記第1のクラッド層上にナノホールアレイ
を形成する工程、前記ナノホールアレイのうち光導波路
となる領域に活性層を充填する工程、前記ナノホールア
レイ上に第2のクラッド層を形成する工程、電極を形成
する工程を含むことを特徴とする半導体リングレーザの
製造方法。
4. A step of forming a first cladding layer on a semiconductor substrate, a step of forming a nanohole array on the first cladding layer, and filling an active layer in a region of the nanohole array to be an optical waveguide. Forming a second clad layer on the nanohole array, and forming an electrode.
【請求項5】 前記上層側クラッド層上に更にクラッド
層を形成することを特徴とする請求項3に記載の半導体
リングレーザの製造方法。
5. The method according to claim 3, wherein a cladding layer is further formed on the upper cladding layer.
【請求項6】 前記電極は、光導波路となる領域のみ又
は全面に形成されることを特徴とする請求項4に記載の
半導体リングレーザの製造方法。
6. The method according to claim 4, wherein the electrode is formed only in a region to be an optical waveguide or on the entire surface.
【請求項7】 前記ナノホールアレイを形成する工程に
おいて、アルミニウム薄膜を形成し、陽極酸化すること
によりナノホール径及びホール間隔が利得領域の発光波
長よりも小さいサイズで規則的に配列されたナノホール
アレイを形成することを特徴とする請求項3、4のいず
れかに記載の半導体リングレーザの製造方法。
7. In the step of forming a nanohole array, an aluminum thin film is formed and anodized to form a nanohole array in which nanohole diameters and hole intervals are regularly arranged at a size smaller than the emission wavelength of the gain region. 5. The method of manufacturing a semiconductor ring laser according to claim 3, wherein the semiconductor ring laser is formed.
【請求項8】 前記ナノホールアレイを形成する工程に
おいて、アルミニウム薄膜を形成し、当該薄膜表面に収
束イオンビームを所望の位置に照射した後、陽極酸化す
ることで、ナノホール径及びホール間隔が利得領域の発
光波長よりも小さいサイズで規則的に配列されたナノホ
ールアレイを形成することを特徴とする請求項3、4の
いずれかに記載の半導体リングレーザの製造方法。
8. In the step of forming the nanohole array, an aluminum thin film is formed, a focused ion beam is irradiated to a desired position on the thin film surface, and then anodized, so that the nanohole diameter and the hole interval are in the gain region. 5. The method for manufacturing a semiconductor ring laser according to claim 3, wherein a nanohole array regularly arranged with a size smaller than the emission wavelength of (a) is formed.
【請求項9】 前記光導波路の一部にGaInNAsに
代表される窒化III−V族材料を含むことを特徴とする
請求項3、4のいずれかに記載の半導体リングレーザの
製造方法。
9. The method of manufacturing a semiconductor ring laser according to claim 3, wherein a part of said optical waveguide contains a group III-V nitride material typified by GaInNAs.
【請求項10】 請求項1〜2のいずれかに記載の半導
体リングレーザの駆動方法であって、前記半導体リング
レーザを基板と垂直な軸の回りに回転させ、該リングレ
ーザの端子電圧の変化をモニタすることにより角速度を
測定することを特徴とする半導体リングレーザの駆動方
法。
10. The method of driving a semiconductor ring laser according to claim 1, wherein the semiconductor ring laser is rotated around an axis perpendicular to a substrate, and the terminal voltage of the ring laser changes. A method for driving a semiconductor ring laser, wherein an angular velocity is measured by monitoring the angular velocity.
【請求項11】 前記半導体リングレーザの端子電圧の
微分抵抗をモニタすることにより角速度を測定すること
を特徴とする請求項10に記載の半導体リングレーザの
駆動方法。
11. The method according to claim 10, wherein the angular velocity is measured by monitoring a differential resistance of a terminal voltage of the semiconductor ring laser.
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