CN101479897B - 半导体发光元件及可变波长激光器光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体发光元件，其具备可变任意波长的能力，包括：半导体基板(11)、在所述半导体基板(11)上以条状形成，且放出光及进行波导的活性层(12)、在所述活性层(12)的侧面形成的埋入层(13a，13b)、在所述活性层(12)及所述埋入层(13a，13b)的上方形成的包层(16)、在所述包层(16)上方形成的第一电极(17a)和在所述半导体基板(11)的下方形成的第二电极(17b)，所述活性层(12)相对通过劈开形成的两个端面的一端面(14a)的法线以规定的角度进行开口，对所述活性层(12)的光的波导方向的规定长度部分进行加热的局部加热装置(15)形成在所述第一电极(17a)的上方且在自所述一端面(14a)热独立的位置。

Description

半导体发光元件及可变波长激光器光源

技术领域

本发明涉及半导体发光元件，尤其是涉及能够以任意波长使激光振荡的可变波长激光器光源及能够扩大发光波谱宽度的超级发光二极管(ス—パ—ルミネツセントダィォ—ド)。

背景技术

近年来随着多媒体的普及，光通信的通信容量的大容量化方法已有各种提案。

作为其一，是应用铒掺杂光纤增幅器(EDFA：Erbium Doped FiberAmplifier)或者喇曼增幅器的波分复用(WDM：Wavelenth DivisionMultiplexing)通信。WDM通信由于利用波长不同的多个光传递信息，所以不增加光纤的设置数量可以飞跃性地增加通信容量。

在上述WDM通信中，信号光源是将多个以相互不同的特定波长进行振荡的分布返回式激光器(DFB-LD：Distributed Feedback Laser Diode)凑在一起构成，为了提高通信系统的可靠性，必须准备以符合各个信道的波长进行振荡的DFB-LD，以用于全信道个数部分进行备份，因此成为系统费用高的主要原因。

为此，必须形成以任意波长能够振荡，且使用少的个数就能够对全信道进行备份的可变波长激光器。

而且，本申请人已经提出可以用于上述目的的可变波长激光器(例如，参照专利文献1)。

上述提案的可变波长激光器具有与激光共振轴方向相连的发光区域、波长控制区域，波长控制区域具有加热装置。而且，用加热装置对波长控制区域进行加热，由此调节振荡波长。

但是，上述提案的可变波长激光器为设置有具有作为波长控制区域的相位控制区域及衍射光栅的分布反射器(DBR：Distributed Bragg Reflecter)区域的单片式激光器，可变波长带宽由折射率变化量加以限定，在实用上以15nm大小为界限。另外，由于是将活性波导路和被动波导路结合而成的结构，因此，晶体生长次数多，制造成本高，成品率也难于提高。

另一方面，采用外部共振器式激光器元件的可变波长光源装置大部分作为检测用光源而在广泛使用(例如，参照专利文献2)。

上述提案的可变波长光源装置具备与激光共振轴方向相连的活性区域及具备相位调节区域的激光元件和能够调节衍射光波长的衍射光栅，利用衍射光栅对反射波长及相位调节区域的折射率进行调节，由此，调节振荡波长。

专利文献1：日本特开平6-5980号公报(0008、图1)

专利文献2：日本特开平7-335965号公报(0013、图2)

但是，上述提案的可变波长光源装置都需要将活性波导路和被动波导路分别进行晶体生长，还存在难于确保电极间的分离阻抗，不能确立振荡波谱的线宽扩大的、被动波导路的折射率控制性的可靠性等问题。

即，相位调节区域使用能带(エネルギ—ギヤツプ)比活性区域更大的半导体形成，由于必须使相位调节区域和活性区域分别进行晶体生长，不可避免使半导体晶体生长次数增加。

另外，难以提高相位调节用电极和活性层注入电流用电极之间的分离电阻，不能避免向相位调节区域注入的电流和向活性区域注入的电流的相互干涉。

另外，由于相位调节区域中的自由载体的散乱干扰使折射率不稳定，因此，不能回避振荡波谱的线宽扩大。并且，由于自由载体吸收而光被吸收，因此还具有难于高输出化之类的问题。

再有，上述提案的可变波长光源装置中，向相位调节区域注入电流，利用等离子效果来变更相位调节区域的折射率，但可知如果载体密度高的状态长时间持续则元件容易恶化，因此难于确保元件的可靠性。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而开发的，目的在于提供一种半导体发光元件，其在用作外部共振器式激光器时能够进行相位调节，且在用作超级发光二极管时能够扩大发光波谱宽度。

为了解决上述问题，本发明第一方面的半导体发光元件，其包含半导体基板、在所述半导体基板上以条状形成且放出光及进行波导的活性层、在所述活性层的侧面形成的埋入层、在所述活性层及所述埋入层的上方形成的包层、在所述包层上方形成的第一电极、在所述半导体基板的下方形成的第二电极。所述活性层相对通过劈开形成的两个端面的一端面的法线以规定的角度进行开口，其特征在于，对所述活性层的光线波导方向的规定长度部分进行加热的部分加热装置，形成在所述第一电极的上方且在自所述一端面热独立的位置。

根据该结构，通过给部分加热装置供给电力，不改变来自一端面的射出光的射出角度就能够调节射出光的相位。

另外，本发明的第二方面的半导体发光元件，为脊波导路型半导体发光元件，其包含半导体基板、在所述半导体基板上形成的活性层、在所述活性层的上方形成的包层、在所述包层的上方形成的绝缘膜、在所述绝缘膜上方形成的第一电极和在所述半导体基板的下方形成的第二电极，在所述活性层的上方具有脊部，且所述活性层相对通过劈开形成的两个端面的一端面的法线以规定的角度进行开口，其特征在于，对所述活性层的光的波导方向的规定长度部分进行加热的部分加热装置，形成在所述第一电极的上方且在自所述一端面热独立的位置。

根据该结构，通过给部分加热装置供给电力，能够对活性层的光的波导方向的规定长度部分进行更有效地加热，不改变一端面的射出光的射出角度就能够调节射出光的相位。

另外，本发明第三方面的半导体发光元件，其特征在于，所述部分加热装置具有绝缘膜、在所述绝缘膜上形成的薄膜电阻、用于给所述薄膜电阻提供电力的至少两个端子部。

根据该结构，能够对活性层的光的波导方向的规定长度部分进行加热。

另外，本发明的第四方面的半导体发光元件，其特征在于，所述活性层也可以相对通过劈开形成的另一端面大致垂直地进行开口。

本发明的第五方面的半导体发光元件，其特征在于，所述活性层也可以相对通过劈开形成的另一端面的法线以规定的角度进行开口，且所述部分加热装置形成在自所述另一端面热独立的位置。

另外，本发明的第六方面的可变波长激光器光源，其特征在于，包含：第一～第五方面中任一方面的半导体发光元件、在所述半导体发光元件的所述一端面上形成的防止反射膜、射出光返回装置，其配置在从所述一端面发出的光线的光轴上，使从所述一端面发出的光返回到所述一端面、波长选择装置，其对由所述半导体发光元件和所述射出光返回装置构成的激光共振器的振荡波长进行选择，通过改变经由所述半导体发光元件的所述至少两个端子部向所述薄膜电阻供给的电力及所述波长选择装置选择的波长，来改变所述激光共振器的振荡波长。

根据该结构，可以构成波长选择性高的可变波长激光器。

本发明能够提供一种半导体发光元件，其具有如下效果：通过设置对活性层的光的波导方向的规定长度部分进行加热的部分加热装置，在用作外部共振器式激光器时能够进行相位调节，在用作超级发光二极管时能够扩大发光波谱宽度。

附图说明

图1(a)、图1(b)分别是本发明的第一实施方式的半导体发光元件的图2中的X-X向剖面图及Y-Y向剖面图；

图2是使用本发明的半导体发光元件的外部共振器式激光器的结构图；

图3是表示本发明的半导体发光元件的波长变化量Δλ和活性层加热区域温度变化量ΔT的关系的曲线图；

图4(a)、图4(b)分别是本发明的第二实施方式的半导体发光元件的平面图及Y-Y向剖面图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是本发明的第三实施方式的半导体发光元件的平面图、X-X向剖面图及Y-Y向剖面图；

图6(a)～(b)是本发明的第四实施方式的半导体发光元件的平面图。

附图标记说明

1  半导体发光元件

2  外部镜

3  光带通滤波器

4  外部共振器式激光器

11、51  半导体基板

12、53  活性层

13a、13b  埋入层

14a、58a  一端面

14b、58b  另一端面

15、59  部分加热装置

16、54  包层

17a、57a  第一电极

17b、57b  第二电极

18  槽部

19  防止反射膜

56  第一绝缘膜

151、591  绝缘膜

152、592  薄膜电阻

153、593  端子部

具体实施方式

以下，利用附图对本发明的半导体发光元件的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1表示本发明的半导体发光元件的第一实施方式。图1(a)是图2中的X-X向剖面图，图1(b)是图2中的Y-Y向剖面图。

即，第一实施方式的半导体发光元件1包含：半导体基板11、在半导体基板11上以条状形成，且发出光及进行波导的活性层12、在活性层12的上下形成的光分离封闭(SCH)层20a、20b、在活性层12及SCH层20a、20b的侧面形成的埋入层13a、13b、在活性层12及埋入层13a、13b的上方形成的包层16、在包层16上方形成的第一电极17a和在半导体基板11的下方形成的第二电极17b。

而且，本发明的半导体发光元件1的元件长度方向的两端面通过劈开而形成。活性层12相对通过劈开形成的一端面14a的法线具有规定的角度而开口，相对另一端面14b大致垂直地开口。另外，从另一端面14b对活性层12的光的波导方向的规定长度部分(以下称为活性层加热区域)进行加热的部分加热装置15，形成在第一电极17a的上方且在与一端面14a热独立的位置。

在不是全反射的范围，上述规定的角度增大时反射率下降，但来自一端面14a的射出角度过大时难于构成外部共振器。通常射出角度大多设为20度左右，此时规定的角度为5～7度。

另外，活性层12可以设为多重量子井结构。还进一步在包层16和第一电极17a之间广泛地设置接触层。对于这些只要是本领域的技术人员就可以任意地进行设计。

另外，部分加热装置15具有以下的结构，即包含：绝缘膜151、在绝缘膜151上形成的薄膜电阻152和用于向薄膜电阻152供给电力的至少两个端子部153。

作为绝缘膜可以采用SiO₂或SiN_x膜等。如果膜厚度过薄则其绝缘性减弱，膜厚度过厚则热阻抗升高，所以优选50～500nm左右。作为电阻可以使用金属材料，但优选难于氧化的Au及Pt、阻抗的温度依存性小的氮化钽等。其中，由于端子部153需要进行接线，因此优选在其表面形成Au。

图2表示作为使用本发明的半导体发光元件1的可变波长激光器光源的外部共振器式激光器4的结构。在一端面14a上形成有防止反射膜19。在半导体发光元件1的外部，设有作为将从半导体发光元件1的一端面14a射出的光向一端面14a返回的射出光返回装置的外部镜2，而且，将作为波长选择装置的光带通滤波器3设置在一端面14a和外部镜2的光轴上。另外，由垂直端面即另一端面14b射出的光形成外部共振器式激光器4的输出光。

在该构成中，通过光在另一端面14b和外部镜2之间的往复来实现激光振荡，再利用光带通滤波器3选择单一的纵向模式。如果调谐光带通滤波器3的透过波长，振荡波长就会变化，但此时的波长变化是离散的。于是，通过给部分加热装置15提供电力使其放热，使光的相位改变，从而实现以任意波长的振荡。

另外，在此是以采用单纯的镜子作为射出光返回装置、采用光带通滤波器作为波长选择装置为例。也可以采用其他具有波长选择性能的衍射光栅结构或者液晶可调谐镜等、兼备射出光返回装置和波长选择装置双重功能的部件而构成。

上述的外部共振器式激光器4的振荡条件用(式1)表示。

(式1)

φ＝2πm

其中，φ＝激光的相位

      m＝整数

这里，导入光的传播系数β，则(式2)成立。

(式2)

$\mathrm{\φ}=2\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i{L}_i$

${\mathrm{\β}}_i=\frac{2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eq},i}}{\mathrm{\λ}}$

其中，n_ep，i＝区域i的等价折射率

      L₁：区域1即活性层加热区域的长度

      L₂：区域2即除活性层加热区域外的活性层12的沿光轴的长度

      L₃：区域3即半导体发光元件外部的长度

由此，模式次数为m则光的波长λm用(式3)表示。

(式3)

${\mathrm{\λ}}_m=\frac{2}{m}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{eq},i}{L}_i$

因而，通过利用部分加热装置15加热，活性层加热区域的等效折射率变化Δn_ep，1时的波长变化量Δλ，用(式4)表示。

(式4)

$\mathrm{\Δ\λ}=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eq},1}{L}_1}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{eq},i}{L}_i}$

另一方面，振荡的纵模间隔δλ用(式5)表示，通过变更光带通滤波器3的透过波长，使振荡波长按照δλ间隔离散地进行变化。

(式5)

$\mathrm{\δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{eq},i}{L}_i}$

因而，为了使振荡波长能够达到连续地变更，需要(式6)成立。

(式6)

Δλ≥δλ

另一方面，可知伴随活性层加热区域的等效折射率Δn_ep，1的温度变化的变化量Δn_ep，1根据试验结果用(式7)表示。

(式7)

Δn_ep，1≈0.0002ΔT

其中，ΔT＝活性层加热区域温度变化量(℃)

将(式7)代入(式4)可求出活性层加热区域温度变化量ΔT与波长变化量Δλ的关系。

例如，

如果L₁+L₂＝1mm、L₃＝5mm

n_ep，1＝n_ep，2＝3.23，n_ep，3＝1

λ＝1.55μm

则纵模间隔δλ为

图3是在上述条件的基础上，活性层加热区域的长度L₁为100μm、150μm及200μm时使用(式7)计算出的波长变化量Δλ和活性层加热区域温度变化量ΔT的关系的曲线图。

该曲线图显示活性层加热区域的长度L₁设定为150μm时则将活性层加热区域加热到25℃以上、活性层加热区域的长度L₁为200μm时则将活性层加热区域加热到18℃以上时，波长变化量Δλ超过纵模间隔δλ。因此可知，通过对活性层加热区域进行加热，能够在相邻的纵模之间连续地选择振荡波长。

另外，本发明的半导体发光元件1也可作为超级发光二极管(SLD：Superluminescent Diode)使用。此时，通过加热使活性层加热区域的能带减少，由此，发光波谱向长波长侧扩大，能够实现发光波谱半值宽度的扩大。

如上所述，本发明的第一实施方式的半导体发光元件设有对活性层的光线的波导方向的规定长度部分进行加热的部分加热装置，由此，在外部共振器式激光器中使用时，能够相对于温度变化量使波长变化量进行线性变化，在SLD中使用时能够扩大发光波谱宽度。

(第二实施方式)

图4表示本发明的半导体发光元件的第二实施方式。第二实施方式的半导体发光元件如图4(a)的平面图及图4(b)的Y-Y向剖面图所示，在第一实施方式的构造的基础上，活性层加热区域的两侧面的结晶层含有沿光的波导方向的槽部18。

即，半导体发光元件1利用槽18内的空气作为隔热层，由此，把由薄膜电阻152产生的热量封闭在活性层加热区域的周围，从而能够提高活性层加热区域的加热效率。

此时，槽部18的间隔必须比光的光点尺寸足够大，比热量的排出路径即半导体基板11的厚度足够小。具体地说，从活性层12到槽部18的距离优选5μm～50μm。

另外，槽部18的深度优选一直到达活性层12的底面以下，具体地说，优选2.5μm～5μm。还可以用聚酰亚胺等树脂材料填充槽部18。聚酰亚胺等树脂材料热传导率比半导体结晶低，所以容易将热量封闭在活性层加热区域的周围。另外，通过填充树脂材料，槽部18的上面变得平坦，从而容易形成绝缘膜151及薄膜电阻152。

如上所述，本发明的第二实施方式的半导体发光元件，在活性层加热区域的两侧面的结晶层上沿波导方向形成槽部，由此可以提高活性层加热区域的加热效率。

(第三实施方式)

本发明的半导体发光元件的第三实施方式如图5所示。图5(a)是平面图，图5(b)是图5(a)dX-X向剖面图，图5(c)是图5(b)的Y-Y向剖面图。

即，第三实施方式的半导体发光元件为脊波导路型半导体发光元件，其含有：半导体基板51、在半导体基板51上形成上下具有SCH层52a、52b的活性层53、在SCH层52a的上方形成的包层54、在包层54的上方形成接触层55、在接触层55上形成的第一绝缘膜56、在第一绝缘膜56的上方形成的第一电极57a和在半导体基板51的下方形成的第二电极57b。

而且，在活性层的上方，由含有上述包层54的多层形成脊部。脊部的第一绝缘膜56的局部被除去，脊部的接触层55和第一电极57a相连接。

元件长度方向的两端面通过劈开而形成，活性层53相对一端面58a的法线具有规定角度而进行开口，相对另一端面58b则大致垂直地进行开口。

在第一电极57a的上方，从另一端面58b对活性层53的光的波导方向的规定长度部分即活性层加热区域进行加热的局部加热装置59，形成在自一端面58a热独立的位置。部分加热装置59具有第二绝缘膜591、在第二绝缘膜591上形成的薄膜电阻592和用于给薄膜电阻592提供电力的至少两个端子部593。

一般情况下，脊波导路型半导体发光元件的方式与第一、第二实施方式所示的埋入型半导体发光元件相比，热量更容易使停滞在波导路上，因此，本结构更为有效。

另外，相对于活性层53的一端面58a的法线的规定角度、绝缘膜的结构等均与第一实施方式相同。

如上所述，本发明第三实施方式的半导体发光元件，采用脊型波导路，由此，能够进一步提高活性层加热区域的加热效率。

(第四实施方式)

图6表示本发明的半导体发光元件的第四实施方式。本实施方式的半导体发光元件为与第一实施方式同样的埋入型。不过，和第一实施方式的不同点在于，活性层12相对通过劈开形成的两端面的法线以规定的角度开口。

而且，部分加热装置15形成在不影响来自两端面的射出光，且自两端面热独立的位置即、元件的大致中央部。有关其他的结构，则与第一实施方式相同。

根据这样的结构，能够将来自两端面的光的射出角度或设定为平行或设定为任意的相对角度。只要在要作为反射面的端面上施加电介质多层膜的高反射涂层即可。另外，活性层以规定的角度进行开口的端面(以下称为倾斜端面)的反射率依存于光的光点尺寸。光点尺寸越大反射率越下降，因此，只要在要作为反射面的端面附近光点尺寸变小的波导路结构，就能够形成反射率不会有较大下降的倾斜端面。

而且，在图6(b)所示的、直线状的活性层12相对元件长度方向倾斜地形成、且活性层12相对两端面的法线以规定的角度进行开口的半导体发光元件中，与图6(a)的构造中相同，采用电介质多层膜的涂层及波导路斑点尺寸控制，可以在两端面形成反射率之差。

在任何情况下，通过形成不会对倾斜端面带来加热影响的构造，都能够对从倾斜端面射出的光的射出角度和光的相位独立地进行控制。

为了不对倾斜端面带来加热影响，必须将端面和加热器前端部的距离扩大到固定值以上。具体地说为50μm以上，理想的是只要隔开与芯片的厚度相同大小的距离即可。

另外，也可以在第二实施方式的活性层的侧面设置槽，在第三实施方式的脊波导路型半导体发光元件中使用本实施方式的结构。

如上所述，本发明的第四实施方式的半导体发光元件，其活性层相对两端面的法线以规定的角度进行开口，由此，来自两端面的光的射出角度可以设定为平行，或者设定为任意的相对角度。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的半导体发光元件在构成外部共振器式激光器时，具有通过使加热装置动作能够进行相位调节之类的效果，作为WDM通信系统用激光器等而有效地被利用。

另外，在作为SLD使用的情况下，具有通过使加热装置动作具有扩大发光波谱的半值宽度之类的效果，主要作为检测用光源等而有效地被利用。

Claims (7)

1.一种半导体发光元件，包含：

半导体基板(11)；

活性层(12)，其在所述半导体基板上以条状形成，且放出光及进行波导；

在所述活性层的侧面形成的埋入层(13a，13b)；

在所述活性层及所述埋入层的上方形成的包层(16)；

在所述包层上方形成的第一电极(17a)；

在所述半导体基板的下方形成的第二电极(17b)，

所述活性层相对通过劈开形成的两个端面的一端面(14a)的法线以规定角度进行开口，其特征在于，

对所述活性层的光的波导方向的规定长度部分进行加热的部分加热装置(15)，形成在所述第一电极的上方且在自所述一端面位置热独立的位置。

2.一种半导体发光元件，其为脊波导路型，包含：

半导体基板(51)；

在所述半导体基板上形成的活性层(53)；

在所述活性层的上方形成的包层(54)；

在所述包层的上方形成的绝缘膜(56)；

在所述绝缘膜上方形成的第一电极(57a)；

在所述半导体基板的下方形成的第二电极(57b)，

在所述活性层的上方具有脊部，且所述活性层相对通过劈开形成的两个端面的一端面(58a)的法线以规定的角度进行开口，其特征在于，

对所述活性层的光的波导方向的规定长度部分进行加热的部分加热装置(59)，形成在所述第一电极的上方且在自所述一端面位置热独立的位置。

3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述部分加热装置具有：

绝缘膜(151、591)、

在所述绝缘膜上形成的薄膜电阻(152、592)、

用于给所述薄膜电阻提供电力的至少两个端子部(153、593)。

4.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述部分加热装置具有：

绝缘膜(151、591)、

在所述绝缘膜上形成的薄膜电阻(152、592)、

用于给所述薄膜电阻提供电力的至少两个端子部(153、593)。

5.如权利要求1～4中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述活性层相对通过劈开形成的另一端面(14b、58b)大致垂直地进行开口。

6.如权利要求1～4中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述活性层相对通过劈开形成的另一端面(14b、58b)的法线以规定的角度进行开口，且所述部分加热装置形成在自所述另一端面位置热独立的位置。

7.一种可变波长激光器光源，其特征在于，含有：

权利要求1～6中任一项所述的半导体发光元件(1)；

在所述半导体发光元件的所述一端面形成的防止反射膜(19)；

射出光返回装置(2)，其配置在从所述一端面发出的光的光轴上，使从所述一端面发出的光返回到所述一端面；

波长选择装置(3)，其对由所述半导体发光元件和所述射出光返回装置构成的激光共振器的振荡波长进行选择，

通过改变经由所述半导体发光元件的所述至少两个端子部向所述薄膜电阻供给的电力及所述波长选择装置选择的波长，使所述激光共振器的振荡波长进行变化。

Images