WO2014042049A1 - 半導体リングレーザー装置 - Google Patents

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    • H01S5/4006—Injection locking

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor ring laser device that can constitute a ring laser gyro and the like.
  • the ring laser device As the ring laser device, a gas ring laser device using He—Ne gas or the like as a laser emission medium and a solid ring laser device using a solid laser element are known.
  • the gas ring laser apparatus has practical disadvantages such as a large-sized apparatus, a need for vacuum technology, a short life and high power consumption because a high voltage is necessary for excitation.
  • the solid ring laser device has advantages that can be expected to reduce the size of the device, extend its service life, reduce power consumption, improve reliability, etc., but it excites the laser solid element in the ring resonator.
  • an optical system for condensing the excitation light source on the laser solid element is required, which increases the size of the apparatus.
  • Patent Document 1 As a proposal for solving such a problem, in Patent Document 1 below, a semiconductor laser element having antireflection films on both end faces is arranged in an optical path of a ring resonator formed on one substrate. There has been proposed a semiconductor ring laser device that includes a driving power source for a semiconductor laser element and that directly oscillates a laser by the driving power source.
  • a lens optical system for condensing the light from the excitation light source is unnecessary, but a semiconductor laser element is separately arranged in the optical path of the ring resonator formed on the substrate.
  • a semiconductor laser element is separately arranged in the optical path of the ring resonator formed on the substrate.
  • a conventional semiconductor ring laser device is configured as a ring laser gyro
  • an arithmetic processing circuit that calculates an angular velocity from a detected value of a frequency difference between two laser beams that circulate the ring resonator in opposite directions is separately provided.
  • the present invention is an example of a problem to deal with such a problem. That is, it is an object of the present invention to enable stable oscillation of a ring laser, to enable highly accurate angular velocity detection, and to meet the demand for ultra-compact and ultra-light weight.
  • a semiconductor ring laser device of the present invention includes a ring resonator including one Si semiconductor substrate, an optical waveguide formed on the Si semiconductor substrate, and at least one of the optical waveguides.
  • a semiconductor laser part that includes a light emission amplification part in part and generates two laser lights that circulate around the ring resonator in opposite directions, and is formed on the Si semiconductor substrate, and the two laser lights from the ring resonator
  • a light detection unit that detects a frequency difference between the two laser beams, and the light emission amplification unit is obtained by highly doping B (boron) in the first semiconductor layer of the Si semiconductor substrate. 2 It has the pn junction part obtained by performing an annealing process, irradiating light to a semiconductor layer, It is characterized by the above-mentioned.
  • a common first semiconductor layer in a Si semiconductor substrate is doped with B (boron) at a high concentration to form a second semiconductor layer, and the second semiconductor layer is irradiated with light.
  • a semiconductor ring laser device is formed on one Si semiconductor substrate by utilizing the fact that the pn junction obtained by annealing treatment has a light emission amplification function. According to this, since the optical amplifying part can be formed in a part of the optical waveguide, complicated optical axis alignment becomes unnecessary, and stable oscillation of the ring laser becomes possible.
  • the arithmetic processing unit that performs arithmetic processing on the detection signal of the light detection unit can be integrally formed on the Si semiconductor substrate, it is possible to meet the demand for ultra-compact and ultra-light weight.
  • the semiconductor ring laser device 1 includes one Si semiconductor substrate (Si wafer) 10.
  • An optical waveguide 21 is formed in the Si semiconductor substrate 10, and a ring resonator 20 is configured by the optical waveguide 21.
  • the ring resonator 20 has a plurality of linear optical waveguides that are folded back by a plurality of reflecting portions 22 (22A, 22B, 22C) formed in the Si semiconductor substrate 10.
  • the ring resonator 20 has an annular optical waveguide including curved optical waveguides 1W1 and 21W2.
  • the reflection part 22 here can be formed by forming an etching groove in the Si semiconductor substrate 10 and filling a material having a different refractive index therewith or forming a metal surface on the side surface of the groove.
  • the semiconductor ring laser device 1 includes a semiconductor laser unit 2 on a Si semiconductor substrate 10.
  • the semiconductor laser unit 2 may be a ring laser constituted by the light emission amplification unit 2A and the ring resonator 20 formed in at least a part of the optical waveguide 21, and etching grooves are formed at both ends of the light emission amplification unit 2A.
  • a resonator may be configured by providing a transflective surface on the side surface.
  • the semiconductor laser unit 2 generates two laser beams (laser beam L1 and laser beam L2) that circulate around the ring resonator 20 in opposite directions. As shown in FIG. 1, two (optical amplification units 2A1, 2A2) or three (optical amplification units 2A1, 2A2, 2A3) or more can be provided in the optical waveguide 21, as shown in FIG.
  • the semiconductor ring laser device 1 includes a laser beam extraction unit 3 that extracts two laser beams L1 and L2 from the ring resonator 20.
  • the laser beam extraction unit 3 uses a reflection unit 22 ⁇ / b> A provided between the optical waveguide 21 constituting the ring resonator 20 and the extraction optical waveguide 21 ⁇ / b> A as a half mirror (beam splitter).
  • the optical resonator is configured by an optical directional coupler formed between the optical waveguide 21 constituting the ring resonator 20 and the extraction optical waveguide 21 ⁇ / b> A.
  • the semiconductor ring laser device 1 includes a light detection unit 4 that detects a frequency difference between the two laser beams L1 and L2 extracted from the laser beam extraction unit 3.
  • the light detection unit 4 is formed on the Si semiconductor substrate 10 and is integrally formed at the end of the extraction optical waveguide 21A.
  • the light detection unit 4 can detect the frequency difference between the laser beams L1 and L2 by detecting the beat frequency of the laser beams L1 and L2.
  • the semiconductor ring laser device 1 includes an arithmetic processing unit 5 on the Si semiconductor substrate 10 that performs arithmetic processing on a detection signal detected by the light detection unit 4.
  • the arithmetic processing unit 5 may be one in which an arithmetic processing circuit is formed by a semiconductor element built in the Si semiconductor substrate 10 or an IC chip mounted on the Si semiconductor substrate 10. May be.
  • FIG. 3 is an explanatory view showing an example of the structure and formation method of the light emission amplifying part in the semiconductor ring laser device according to the embodiment of the present invention.
  • the first semiconductor layer 10 n doped with arsenic (As) is formed on the Si semiconductor substrate 10.
  • the first semiconductor layer 10n is an n-type semiconductor layer.
  • the SiO 2 insulating layer 11 is formed by implanting oxygen into the first semiconductor layer 10n.
  • an internal insulating layer 11a is formed inside the first semiconductor layer 10n, and a pair of surface insulating layers 11b and 11c are formed on the surface of the first semiconductor layer 10n.
  • the internal insulating layer 11a is formed by implanting oxygen into the surface of the Si semiconductor substrate 10 and then heat-oxidizing to diffuse the SiO 2 layer therein, or after forming the SiO 2 layer on the surface of the Si semiconductor substrate 10 It can be formed by forming a Si film.
  • the pair of surface insulating layers 11b and 11c can be formed by implanting oxygen into a mask opening patterned by a photolithography process and subjecting it to a heat oxidation treatment.
  • the n + layer 12 is formed by further doping arsenic (As) outside the surface insulating layers 11b and 11c, and boron (
  • the second semiconductor layer (p-type semiconductor layer) 13 is formed by highly doping B).
  • the metal electrode 14 is formed on the n + layer 12
  • the transparent electrode (ITO or the like) 15 is formed on the second semiconductor layer 13
  • the metal electrode 14 and the transparent A forward voltage is applied between the electrode 15 and boron (B) is diffused by an annealing process using Joule heat of the current flowing through the pn junction 13a.
  • dressed photons are generated in the vicinity of the pn junction 13a.
  • the Si semiconductor substrate itself is an indirect transition semiconductor, has low light emission efficiency, and does not provide useful light emission simply by forming a pn junction, and does not itself have light transmittance in the visible light region. .
  • the Si semiconductor substrate is annealed using phonons to generate dressed photons in the vicinity of the pn junction, thereby changing Si as an indirect transition type semiconductor as if it were a direct transition type semiconductor.
  • pn junction light emission with high efficiency and high output is possible.
  • An example of boron (B) doping conditions for obtaining such a pn junction type light emission is a dose density of 5 ⁇ 10 13 / cm 2 , an acceleration energy at the time of implantation: 700 keV, and a wavelength of the light L irradiated in the annealing process. Is a desired wavelength band in the visible light region.
  • the transparent electrode 15 is removed and the metal electrode 16 is formed on the second semiconductor layer 13, so that the light emission amplification section 2A having the pn junction 13a as the active layer. Is formed.
  • the light emission amplification section 2A applies a voltage between the metal electrode 14 and the metal electrode 16 to emit light having a wavelength equivalent to the wavelength of the light L irradiated in the annealing process from the pn junction section 13a.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing an example of the structure and forming method of the optical waveguide in the semiconductor ring laser device according to the embodiment of the present invention.
  • the process shown in FIG. 4A is performed in the same process as FIG. 3A described above, and an internal insulating layer 11a is formed inside the first semiconductor layer 10n, and a pair of surfaces is formed on the surface of the first semiconductor layer 10n. Surface insulating layers 11b and 11c are formed.
  • the process shown in FIG. 4B is performed in the same process as the process shown in FIG. 3B.
  • the n + layer 12 is omitted, and the second process is performed between the pair of surface insulating layers 11b and 11c.
  • a semiconductor layer 13 is formed.
  • FIG. 4C The process shown in FIG. 4C is the same as the process shown in FIG. 3C, and the metal electrode 14 is formed on the first semiconductor layer 10n outside the pair of surface insulating layers 11b and 11c. Then, after forming a transparent electrode (ITO or the like) 15 on the second semiconductor layer 13, a forward voltage is applied between the metal electrode 14 and the transparent electrode 15 to cause Joule heat of current flowing through the pn junction 13a. Boron (B) is diffused by an annealing process. Further, by irradiating the pn junction 13a with light L in the course of this annealing treatment, dressed photons are generated in the vicinity of the pn junction 13a.
  • ITO transparent electrode
  • the metal electrode 14 and the transparent electrode 15 are removed, whereby the optical waveguide 21 having the second semiconductor layer 13 as the light guide layer and the surface insulating layers 11b and 11c as the cladding layers. Is formed.
  • the optical waveguide 21 is not limited to the forming method shown in FIGS. 4A to 4D, and for example, as shown in FIG. 4E, the first semiconductor layer in which the internal insulating layer 11a is formed. By forming the rib 10r on 10n, the rib-type optical waveguide 21 can be formed. In the example shown in FIG. 4E, the light propagating through the optical waveguide 21 is limited to infrared light that can be transmitted through the Si layer.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the structure of the light detection unit in the semiconductor ring laser device according to the embodiment of the present invention.
  • the light detection unit 4 has a structure having a pn junction 13a similar to the light emission amplification unit 2A, and can be formed in the same process as the formation process shown in FIG. it can.
  • the light detection unit 4 has a planar structure as shown in FIG. 5A, and is an extension of the optical waveguide 21 in which the second semiconductor layer 13 is a light guide layer and the surface insulating layers 11b and 11c are cladding layers.
  • the light detection unit 4 is formed.
  • the light detection unit 4 propagates through the optical waveguide 21 with zero bias or reverse bias applied between the terminals 4 a and 4 b connected to the metal electrode 14 of the light detection unit 4 and the terminal 4 c connected to the metal electrode 16. A change in generated current due to incidence of incoming laser beams L1 and L2 is output. Note that the light detection unit 4 is not limited to the example shown in FIG. 5, and can be formed by a light receiving element mounted on or connected to the Si semiconductor substrate 10.
  • the operation of the semiconductor ring laser device 1 of the present invention will be described using a ring laser gyro as an example.
  • the ring laser gyro detects angular velocity using the sagnac effect.
  • the ring laser gyro is different in frequency between two laser beams L1 and L2 that circulate around the ring resonator 20 in opposite directions. Therefore, the rotation operation of the semiconductor ring laser device 1 can be detected by detecting the difference by the light detection unit 4.
  • the laser light L1 propagating clockwise through the optical waveguide 21 forming the ring resonator 20 of the semiconductor laser section 2 is propagated counterclockwise.
  • the laser beam L2 to be excited is excited.
  • Part of the laser beams L1 and L2 is propagated to the extraction optical waveguide 21A via the laser beam extraction unit 3, and enters the light detection unit 4 formed at the end of the extraction optical waveguide 21A.
  • the light detection unit 4 Since the laser beams L1 and L2 extracted by the extraction optical waveguide 21A are combined and enter the light detection unit 4, the light detection unit 4 detects the beat frequency of the laser beams L1 and L2, and thereby the laser beams L1 and L2 Frequency difference is detected. The angular velocity of rotation can be obtained from this frequency difference.
  • the semiconductor ring laser device 1 forms the second semiconductor layer 13 by doping the first semiconductor layer 10n of the Si semiconductor substrate 10 with B (boron) at a high concentration.
  • B boron
  • the pn junction 13a obtained by annealing while irradiating light to the semiconductor layer 13 has a light emission amplification function, an optical waveguide function, and a light detection function on one Si semiconductor substrate 10.
  • a semiconductor ring laser device 1 is formed. According to this, since the optical amplification section 2A and the light detection section 4 can be formed in a part of the optical waveguide 21, complicated optical axis alignment is not required by forming them using a series of photolithography processes.
  • the arithmetic processing unit 5 that performs arithmetic processing on the detection signal of the light detection unit 4 can be integrally formed in the Si semiconductor substrate 10, it is possible to meet the demand for ultra-compact and ultra-light weight.
  • 1 Semiconductor ring laser device
  • 2 Semiconductor laser unit
  • 2A emission amplification unit
  • 3 laser beam extraction unit
  • 4 light detection unit
  • 5 arithmetic processing unit
  • 10 Si semiconductor substrate
  • 10n First semiconductor layer
  • 11 Insulating layer
  • 11a Internal insulating layer
  • 12 n + layer
  • 13 second semiconductor layer
  • 13a pn junction
  • 14 Metal electrode
  • 15 Transparent electrode
  • 20 ring resonator
  • 21 optical waveguide
  • 21A extraction optical waveguide
  • 22 Reflection part
  • L1, L2 Laser light

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Description

半導体リングレーザー装置
　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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