CN106165124A - 发光设备、包括发光设备的光源系统和包括光源系统的光学相干层析仪 - Google Patents

发光设备、包括发光设备的光源系统和包括光源系统的光学相干层析仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种发光设备，该发光设备在不增大到有源层的电流注入密度的情况下发射具有高阶能级的光。根据本发明的发光设备包括上电极层、下电极层以及设置在它们之间的有源层。在这种情况下，通过经由上电极层和下电极层向有源层注入电流来发射光，有源层具有多个量子约束结构，并且第一量子约束结构具有能级E0的基能级以及具有能级E1的高阶能级，并且第二量子约束结构具有比E0高的能级E2，并且E1和E2是大体一致的。

Description

发光设备、包括发光设备的光源系统和包括光源系统的光学 相干层析仪
技术领域
本发明涉及发光设备、包括发光设备的光源系统以及包括光源系统的光学相干层析仪。
背景技术
超辐射发光二极管(super luminescent diode)是在具有像发光二极管一样的宽带光谱分布的同时能够提供像半导体激光器一样的1mW或以上的相对较高光输出的发光设备。在下面的一些描述中这种超辐射发光二极管将被称作SLD。SLD由于其特性而已经在医学领域和测量领域受到关注，并且例如可以在能够获取生物组织的层析图的光学相干层析仪(OCT)中被用作光源。作为OCT中的光源，对于更高的深度分辨率具有宽的发光波长带的SLD可被应用。根据NPL1，为了增加SLD的发光波长带，具有发射光谱的多个不同能级的单量子阱结构被用作有源层。要注入到SLD的有源层的电流可以被增大，以产生基能级(groundlevel)的发光和高阶能级(high-order level)(一阶能级)的发光，从而实现半宽度为48nm的发射光谱，其中基能级对应于具有长波长的发射光，高阶能级对应于具有短波长的发射光。
引用列表
非专利文献
NPL 1SPIE第3860卷,第480-487页
技术问题
然而，为了如NPL 1中那样实现具有高阶能级的发光，可能需要到有源层的高电流注入密度。高电流注入密度可以增大有源层的发光量，这可能不利地导致较短的寿命。因此，鉴于该问题，本发明可以提供一种在不增大到有源层的电流注入密度的情况下实现具有高阶能级的发光的发光设备。
发明内容
根据本发明的发光设备包括上电极层、下电极层和设在它们之间的有源层。在这种情况下，通过经上电极层和下电极层向有源层注入电流来发光，有源层具有多个量子约束结构，并且第一量子约束结构包含具有能级E0的基能级和具有能级E1的高阶能级，并且与第一量子约束结构不同的第二量子约束结构具有高于E0的能级E2，E1和E2大体一致。
参照附图阅读对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1A至图1C是用于说明根据本发明的第一示例性实施例的发光设备的配置的图。
图2是用于说明根据本发明的第一示例性实施例的光源系统的配置的图。
图3A至图3C是用于说明根据本发明的第一示例性实施例的量子阱结构的带图的图。
图4是用于说明根据本发明的第二示例性实施例的发光设备的配置的图。
图5是用于说明根据本发明的第三示例性实施例的发光设备的配置的图。
图6是用于说明根据本发明的第四示例性实施例的OCT的配置的示图。
图7A是根据本发明的第一示例的发光设备中的量子阱结构的带图，并且图7B是示出了根据本发明的第一示例的发光设备中的发射光谱的计算结果的曲线图。
图8A和图8B是根据本发明的第一比较例的发光设备中的量子阱结构的带图。
图9A至图9C是示出了根据本发明的第一比较例的发光设备中的发射光谱的曲线图。
图10A是根据本发明的第二示例的发光设备中的量子阱结构的带图，并且图10B和图10C是示出了根据本发明的第二示例的发光设备中的发射光谱的计算结果的曲线图。
图11A是根据本发明的第三示例的发光设备中的量子阱结构的带图，并且图11B和图11C是示出了根据本发明的第三示例的发光设备中的发射光谱的计算结果的曲线图。
图12A和图12B是示出了根据本发明的第四示例的发光设备的发射光谱的实际测量结果的曲线图。
图13是示出了根据本发明的第五示例的发光设备的发射光谱的实际测量结果的曲线图。
图14A是根据本发明的第六示例的发光设备中的量子阱结构的带图，并且图14B是根据本发明的第六示例的发光设备中的发射光谱的计算结果。
图15A和图15B是根据本发明的第二比较例的发光设备中的量子阱结构的带图。
图16A至图16C是示出了根据本发明的第二比较例的发光设备的发射光谱的计算结果曲线图。
图17A至图17C是示出了根据本发明的第七实施例的能级差ΔE与发光强度比之间的关系的曲线图。
图18A是用于说明根据本发明的第八示例的发光设备的配置的图，并且图18B是例示了由发光设备生成的发射光谱的测量结果的曲线图。
图19是用于说明根据本发明的第九示例的发光设备的配置的图。
图20是用于说明根据本发明的第十示例的发光设备的配置的图。
图21A是用于说明根据本发明的第十一示例的发光设备的配置的图，并且图21B至图21D是用于说明根据本发明的第十一示例的发光设备的另一配置的图。
图22A是用于说明根据本发明的第十二示例的发光设备的配置的图，并且图22B是用于说明根据本发明的第十二示例的发光设备的另一配置的图。
图23A是用于说明根据本发明的第十三示例的发光设备的配置的图，并且图23B和图23C是用于说明根据本发明的第十三示例的发光设备的另一配置的图。
具体实施方式
本发明的示例性实施例将被描述，但是应当明白本发明不限于此。
发光设备
第一示例性实施例
将参照图1A至图1C和图2来描述根据本发明的第一示例性实施例的发光设备和光源系统。图1A和图1B分别是根据本示例性实施例的发光设备的透视图和顶视图，并且图1C是以图1A和图1B中的线IC-IC所取的截面图。
根据本示例性实施例的发光设备100在基板(n型基板)101上依次包括下覆层(n型覆层)102、有源层103、上覆层(p型覆层)104和上电极层110。上覆层104和上电极层110具有脊状光波导结构105。上电极层(p型电极)110通过接触层106而被设置在脊状光波导结构105上。绝缘层130(在图1C中示出)被设置在上电极层110与上覆层104之间，并且电流通过接触层106从上电极层110注入到有源层103。换言之，在图1A至图1C中，上电极层110被基本上整个地设置在半导体器件上，但是电流在上电极层110中从脊状光波导结构105的上部注入到有源层。下电极层120被设置在基板101的主表面中的没有下覆层102的表面上。
根据本示例性实施例的发光设备100在上电极层110与下电极层120之间施加电压以将电流注入到有源层103并从而发光，并且在脊状光波导结构105的纵向(或者在有源层内的面内方向)上引导波。然后，在由图1A和图1B中的白色箭头指示的方向上发光。发光设备100的端面的从中发射光的表面将被称作出射端面。图1B例示了根据本示例性实施例的发光设备的出射端面P1和与该出射端面相对的端面P2。从出射端面P1发射的光被束缚于诸如透镜和光纤之类的光学构件。可以根据需要在与出射端面相对的端面P2上设置抗反射构件或者吸收光的材料以防止光反射。
要注入到有源层103的电流的密度可被适当地调节以改变波长带的宽度和强度，即，发射光的发射光谱的形状。
根据本示例性实施例的发光设备100可具有被配置为检测发射光的强度的发射光检测单元。
根据本示例性实施例的发光设备执行与过去的边缘发射激光器类似的光约束。更具体地说，提供了一种半导体层配置，在该半导体层配置中有源层具有两个或更多个量子约束结构并且有源层被具有比该有源层的折射率低的折射率的覆层夹着，其中所述两个或更多个量子约束结构具有将在下面描述的关系。有源层与覆层之间的折射率差异允许将光约束在与有源层的面内方向垂直的方向上。与有源层的面内方向平行的光约束可以等效地导致具有变化的折射率的结构。因此，其具有高折射率的部分可按条形设置以实现光导结构。电流可被注入到光导部分以引起有源层中的反转分布，使得可以提供由受激发射引起的光放大(在下文中称为诱导放大)。如下的发光设备将被称作超辐射发光二极管(SLD)：在该发光设备中，光(基本地)穿过端面P1和端面P2之间仅一次，经历诱导放大并被发射。这种SLD可以使诱导放大以高达几mW至几十mW或以上的输出发射具有几十nm到100nm或以上的宽波长带的光。
光源系统
接下来，将参照图2来描述根据本示例性实施例的光源系统。图2是例示了根据本示例性实施例的光源系统的框图，并且在图2中例示了发光设备100的顶视图。
根据本示例性实施例的光源系统160包括被配置为控制到上电极层110和下电极层120的电流注入密度的控制单元150。根据本示例性实施例的光源系统160可具有对发射光的强度进行检测的发射光检测单元140，并且控制单元150可被配置为允许根据发射光检测单元140所检测到的光强度来控制到每个电极的电流注入密度。
量子约束结构
根据本示例性实施例的发光设备可具有有源层，该有源层具有量子阱结构、量子线结构和量子点结构中的至少一个。这种量子阱结构、量子线结构和量子点结构可被总称为量子约束结构。根据本示例性实施例的发光设备可具有多个量子约束结构。第一量子约束结构具有具有E0能级的基能级以及具有E1能级的高阶能级。第二量子约束结构具有具有高于E0的E2能级的基能级。E1和E2是大体一致的。本文中的术语“高阶能级”指的是除基能级的重空穴之外的轻空穴以及一次能级或更高能级。
下面将主要描述作为一种量子约束结构的量子阱结构。
将参照在图3A至图3C中示出的带图来详细描述根据本示例性实施例的量子阱结构的使用效果。除非另有指明，否则术语“发射光”可以包括自然发射光和诱导发射光两者。
根据本示例性实施例，有源层103具有含第一量子阱结构171和第二量子阱结构172的多量子阱结构170。根据本示例性实施例，第一量子阱结构171具有具有能级E0的基能级和具有能级E1的高阶能级。第二量子约束结构172具有具有能级E2的基能级。E1和E2是大体一致的。本说明书和附图中的空穴具有重空穴的基能级。
能级E1和E2是大体一致的，以使得由来自第二量子约束结构172的基能级E2和第一量子阱结构171的高阶能级E1的自然发射导致的发射光可引起按照第二量子约束结构172的基能级E2和第一量子阱结构171的高阶能级E1的诱导放大，并且可增大高阶能级(短波长)处的发射强度。因为E1具有高阶能级，因此对于来自该能级的发光和诱导放大可能需要高的电流注入密度。然而，因为尽管E2具有与E1的能级相等的能级但是E2具有基能级，所以发射光和诱导发射可以由比E1情况下的发光的电流注入密度低的电流注入密度引起。因此，与仅包括第一量子阱结构171的量子阱结构相比，还包括量子阱172的结构可以需要被减少一半或以上的载流子密度并且同时为两个电平生成发射光和增益。因此，在所生成的发射光和增益具有与仅含有单个量子阱171的结构相等的量值的情况下，实现它所需的载流子密度更低。结果，可以实现具有低电流注入密度的发光。
如图3A中比第一量子阱结构171的深度小的第二量子约束结构172的深度可容易地引起具有第二量子阱结构的基能级的发光。
已经描述了有源层的多量子阱结构170是具有第一量子阱结构171和第二量子约束结构172的双量子阱结构，具有三个或更多个量子阱结构的多量子阱结构可以被使用。
例如，如在图3B中示出，多量子阱结构170除了第一量子阱结构171和第二量子约束结构172之外还可包括第三量子阱结构173。第三量子阱结构173具有具有能级E3的基能级以及具有能级E4的高阶能级。能级E3和E0以及E4、E1和E2是大体一致的。因此，来自第二量子阱结构172的基能级E2的发射光可容易地产生来自高阶能级的短波长带的更高发射强度，因为除了由来自第一量子阱结构的E1的发射光引起的诱导放大之外还发生了由来自第三量子阱结构的E4的发射光引起的诱导放大。换言之，为了获取预定发射强度可以需要更低的电流注入密度。因此，有源层可以具有这种第三量子阱结构，并且第三量子阱结构可以与第一量子约束结构相同。
如在图3C中示出，第三量子阱结构174可以具有能级E5的基能级，并且能级E5可以与E1和E2大体一致。
本文中的表述“能级E0和E2大体一致”可以指它们一致到发生诱导放大的程度的状态，并且不要求它们之间的精确一致。下面将描述的能级差ΔE(＝E2-E1)的数值范围仅是出于例示的目的而给出，并且可根据量子阱结构中的势垒层的宽度、阱层的宽度或阱层的的宽度或者其他条件而被设置为最佳范围。例如，当能级差ΔE优选地等于或高于-110meV并且等于或低于25meV并且进一步优选地等于或高于-45meV时。ΔE的绝对值优选地等于或低于20meV。其原因将在下面描述。已经知道：即使在具有像Δ函数状的态密度的量子点那样的结构中，增益谱在室温附近的温度处也具有一定宽度。还知道该宽度在室温附近约等于20meV。换言之，在存在两个能级的情况下，如果在这些能级处发射的光子之间的能量差等于或低于20meV，则从这两个能级生成的增益可能重叠。
能级差ΔE优选地等于或小于0meV并且进一步优选地等于或小于-21meV。在能级差ΔE落入这种范围内的情况下，即使当E2的值在制造发光设备的过程期间超过设计值时，发光强度的量值也可被维持。与如下面将描述的ΔE的值在负向上增大的情况相比，当ΔE的值在正向上增大时，发光强度趋于快速降低。如果E2的值在制造发光设备的过程期间在正向上增大，则发光强度由于如上所述的发光强度的降低倾向而快速降低。另一方面，如果能级差ΔE被定义为等于或低于0meV，则即使当E2的值增大时发光强度也可被保持维持为高。
根据本示例性实施例，因为第二量子约束结构的基能级与对应于来自第一量子约束结构的短波长带的发射光的高阶能级大体一致，所以对于短波长带中的发光可以需要低的电流注入密度。下面将详细描述该机制。
首先，将第二量子约束结构包含到量子约束结构中可以选择性地仅增加短波长带中的发射光，其中该第二量子约束结构的基能级与具有第一量子约束结构的短波长的发射光的能级大体一致。
增加的程度不只是发射光强度之和。例如，与一个量子约束结构相比，有源层中所包括的两个量子约束结构在短波长带中可具有两倍或者更大的发射强度。
等于或多于光强度之和的这种发射强度可以由如下原因造成：如上所述使用诱导放大，以及通过一个路径输出由诱导放大导致的光(不同于激光器)。下面将详细描述该机制。
不是发射光量而是在通过发光设备的波导结构引导光时获取的诱导放大的量值(即，增益g)根据量子约束结构的数目而改变。假定在增益g、长度L、光约束系数Γ的情况下在波导的起点处的光强度是P1，则在光被引导长度L之后的光强度P2可由以下表达式(1)表示：
P2＝P1×Exp(ΓgL) (1)
根据上面的表达式(1)，因为增益g在指数函数内，应理解当g加倍时，P2的量值不是仅仅加倍而是等于或高于两倍。满足上面的表达式(1)中的关系的SLD适用于发光设备。为了比较，作为与SLD类似的设备，将考察在半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)中使用如上所述的有源层结构时的发射强度的变化。
这种LD在谐振器的谐振波长或者有源层的增益的峰波长处振荡。振荡光通过诱导放大而被发射。诱导放大的主要用途在SLD中也是如此。然而，在LD的情况下，即使当量子约束结构的数目增加时，所得到的发射强度也不与量子约束结构的数目成比例地增大。这是因为LD的发射光效率与g的相关度更小，并且主要取决于内部量子效率(内部变为光子的载流子在所注入的载流子当中的比率)与提取效率(被提取到谐振器外部的内部发生的光子的比率)的乘积。已知的是，尽管增益g对内部量子效率有影响，但是内部量子效率即使在众所周知的结构中已经是70％至90％的高值。因此，即使改进的量子约束结构可以增加内部量子效率，所增加的内部量子效率最大可以是100％。因此，可获得高达两倍或以上的效果的可能性低。
在LED中，通过自然发射生成光。因此，假定量子约束结构发射相等数量的光，当量子约束结构的数目增加时，发射强度简单地与数目成比例地增加。换言之，仅仅通过使来自量子约束结构的发射光的强度相加来获得发射光强度的总和。然而，在现实中，当量子约束结构的数目增加时，来自一个量子约束结构的发射强度由于注入电流被除以量子约束结构的数目而趋于降低。结果，即使当量子约束结构的数目加倍时，发射光量的增加也等于或小于两倍。
其次，第二量子约束结构的基能级被用作要与第一量子约束结构的短波长处的发射能级大体一致的能级。如上所述，用基能级获取反转分布所需的电流注入密度比用短波长处的发射能级(高阶能级)造成反转分布所需的电流注入密度更低。
即使当两个量子约束结构被使用时，第二量子约束结构的添加所需的电流值的增加也不是两倍而是小于两倍。换言之，在第二量子约束结构被添加到仅包括一个第一量子约束结构的量子阱结构的情况下，所需的电流量可以低于两倍。另一方面，由第二量子约束结构的添加导致的增益增加可以使发射强度增加为两倍或以上。如上所述，在相等的驱动条件下，短波长带中的发射强度增加。换言之，在短波长带中获得相等发射强度可能需要更低的电流注入强度。另一方面，用于在短波长带中发光的能级引起具有比基能级高的能级的发光。因此，通过存储载流子来发射光，载流子可以从载流子可以存在的矩形的态密度的底部(即，具有基能级的位置)存储到具有用于发光的短波长带中的能级的高能量的位置。
载流子如何被存储到矩形的态密度表现为在注入到发光设备的电流量增加时所产生的光谱变化。当电流注入密度低时，载流子被存储在量子阱结构的基能级周围。因此，发射光谱主要显示出来自基能级的长波长带中的发光。当电流注入密度从该状态增大时，载流子变得也存在于比基能级高的能级处。因此，发光波长带逐渐地增加到短波长侧，该增加表现为光谱上的峰(最大值)。当电流注入密度进一步增加时，更多的载流子变得也存在于具有更高能级的位置处。因此，高阶能级处的发射光的强度变得等于具有基能级处的波长的发射光的强度。根据NPL 1的针对宽光谱的驱动条件(图3A至图3C)是基能级(在NPL 1中被指示为n＝0)处和高阶能级(n＝1)处的发射光的强度处于相等水平的状态。
在载流子被存储到高能级的状态下，与仅以基能级发射光的情况相比，由自然发射引起的载流子复合和从有源层的溢出增加。换言之，在载流子被存储到高能级的状态下，诱导放大所消耗的载流子的数量相对较小，而其他过程所消耗的载流子的数量较大。因此可能需要更多地增加电流注入密度。
效果特别大的范围
根据本发明，为了增大发光强度，浅量子阱的基能级可被调节至给定波长。因此，可以更容易地选择任意波长。
如在NPL 1中，可以通过将载流子从基能级注入到某个能级来基本上仅从量子阱的基能级和高阶能级发射光。然而，在现实中，在能量与基能级相差很大的高阶能级处发光可能是困难的。这是因为，如上所述，当越多的载流子被存储(导致更高的载流子密度)时，越多的载流子可能被除诱导发射以外的那些过程消耗。
当来自这种远处能级的发光增加时，本发明是特别有效的。这是因为在浅的量子阱侧的发光使用基能级，并且因为可能因此需要存储用于引起来自基能级的诱导发射的载流子数量以及可能不需要存储另外的载流子。能级之间的能量差可落入等于和高于100meV的标准范围内。例如，发射波长在850nm的带中对应于60nm或者更高。在这种情况下，本发明是非常有效的。
用于放大的能级可以不是紧接着在基能级之上的能级，而是可以替代地选择更高的能级(比基能级高两阶的能级)。因为在这种能级之下存在两个能级，所以通过增加相同量子阱中的载流子密度而进行的发光可能消耗载流子。结果，来自较低的两个能级的发射光的强度高。因此，来自选定能级的发射光的强度可能低。另一方面，因为本发明可以选择性地增加能级处的发射光的强度，因此比基能级高两个能级处的发射光的强度被选择性地增加以校正能级之间的强度差异。因此，可以实现更宽的光谱带中的发光，并且本发明可以是非常有效的。
在这两种条件下，更具体地，如果能量差落入等于和高于100meV的范围之内并且如果在用于增加发射光的强度的波长(＝浅阱的基能级的波长)与深阱的基能级之间存在一个或多个电平，则本发明的强度增加效果是特别大的。
上电极层
根据本示例性实施例的发光设备中的上电极层不受特别限制，而可以是在含Ti的第一p型电极层上具有含Au的第二p型电极层的电极层。可以根据要实现的发射光谱来适当地设置电极的波导方向上的长度。
下电极层
根据本示例性实施例的发光设备中的下电极层不受特别限制，而可以是具有含AuGe/Ni/Au的n型电极层的电极层。
有源层
根据本示例性实施例的发光设备中的有源层的量子阱结构根据发光的波长而变化。量子阱结构的发射波长取决于阱层和势垒层的材料以及阱层的厚度。下面将参照例如用于有源层中的发射波长的量子阱结构来主要描述量子阱结构的基能级处的发射波长。
例如，为了获得在800nm到850nm的范围内的来自基能级的发射光，含AlxGa(1-x)As的阱层可被使用，AlxGa(1-x)As具有的Al成分x为0至0.15。所含的Al成分比阱层的Al成分高的AlGaAs可被用作势垒层。这种情况下的量子阱层的厚度优选地落入5nm至10nm的范围之内。然而，因为发射波长取决于阱层的厚度以及阱层中所包含的材料，所以可以通过使用厚度短于5nm的材料并为此生成具有更小带隙的波长来获得在800nm到850nm的范围内的来自基能级的发射光。
要使用的材料不限于上面描述的材料，而可以使用诸如GaAs、GaInP、AlGaInN、AlGaInAsP和AlGaAsSb之类的发光材料。
为了获得在850nm到900nm的范围内的来自基能级的发射光，可以使用In成分x为0至0.1的InxGa(1-x)As。GaAs或AlGaAs可被用作势垒层的材料。阱层的厚度优选地在5nm至10nm的范围内。然而，发射波长取决于阱层的厚度以及阱层中所包含的材料。因此，可以通过使用厚度短于5nm的材料并为此生成具有更小带隙的波长来获得在850nm到900nm的范围内的来自基能级的发射光。
材料不限于此，而可以使用在相同波长带(从800nm至900nm)中生成发射光的任何其他材料。例如，GaInAsP可被用在阱层中以获得基于前述想法的量子阱结构。
以相同方式，对于其他波长带，发射各波长带中的光的阱层以及包含具有比其更宽的带隙的材料的势垒层可被使用，并且阱层的宽度可被调节以获得优选的有源层。例如，对于980nm的带，包含具有约0.2的In成分的InGaAs的阱层可被使用。对于1550nm的带，具有与InP基板晶格匹配的0.68的In成分的InGaAs可被使用。
有源层可以具有诸如量子线和量子点之类的量子约束结构，而不限于量子阱。
脊状光波导结构
根据本示例性实施例的发光设备具有脊状光波导结构105以使得光被限制在发光设备内、被引导在有源层内并从出射端面发射。脊状光波导结构可通过一般的半导体光刻和半导体蚀刻而被形成。脊状光波导结构的宽度(图1B中的w)不受特别限制，只要其可以约束光即可。然而，例如，该宽度优选地等于或小于10μm或者优选地等于或小于5μm，并且进一步优选地等于或小于3μm。脊状光波导结构的宽度或者脊宽度w可以是窄的以使得发光设备的发光可以不被切换为多模。
光出射端面的结构
在根据本示例性实施例的发光设备中，脊状波导结构105在有源层的面内方向上相对于光出射端面的垂直线而倾斜以防止容易发生激光振荡。倾斜的脊状波导结构可以禁止从端面反射的光返回到波导，使得激光振荡不会容易发生。例如，脊状波导结构可以在有源层的面内方向上相对于出射端面的垂直线而倾斜大约7°。为了禁止来自端面的反射，SiN的电介质薄膜例如可被提供作为抗反射涂层。抗反射涂层可被设置在出射端面P1和与之相对的端面P2中的一者或两者上。为了禁止出射端面上的劣化，可以在出射端面附近设置不向其注入电流的区域。
控制单元
根据本示例性实施例的控制单元不受特别限制，只要其可控制要注入到每个电极的电流的注入密度即可。电流注入密度可以基于通过使用反馈电路传输到控制单元的、关于由发射光检测单元检测到的光强度的信息而被确定。在本示例性实施例中可以提供一个或多个控制单元。在提供多个控制单元的情况下，可以针对每个分割电极提供控制单元，或者它可以被配置为使得一个控制单元可以控制到多个电极的电流注入量。在提供两个控制单元的情况下，例如，一个控制单元可以控制调节电极112和在出射端面P1侧的第一电极111，并且另一个控制单元可以在控制端面P2侧的第二电极113。
制造方法
根据本示例性实施例的用于发光设备的制造方法不受特别限制，而是可以通过使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)使半导体层顺序地生长来制造。
第二示例性实施例
将参照图4来描述根据第二示例性实施例的发光设备。图4是根据本示例性实施例的发光设备的顶视图。本示例性实施例具有与第一示例性实施例的有源层结构类似的有源层结构，但是与第一示例性实施例的不同之处在于电流注入的分布被设置在光波导方向上。与电流被均匀地注入到一整个的情况相比，电流注入密度的这种分布允许对发射光谱的形状的更加自由的控制。将在下面描述与第一示例性实施例的差异，并且将省略关于相同部分的描述。
除了上电极层210被分成多个电极之外，根据本示例性实施例的发光设备200中的组件的配置与第一示例性实施例的相同。根据本示例性实施例，上电极层210具有被设置在出射端面P1侧的第一电极211(前电极)和被设置在与出射端面P1相对的端面P2上的第二电极212(后电极)。到第一电极211和第二电极212的电流注入密度可被适当地调节以使得可以改变发射光的波长带的尺寸和强度(即，发射光谱的形状)。在这种情况下，控制单元150可以被连接到第一电极211和第二电极212以使得可以单独调节到电极的电流注入密度。例如，到第一电极211的电流注入密度可被增大以允许短波长带中的发光。到第二电极212的电流注入密度可被减小以允许长波长带中的发光。短波长带中的发射光谱和长波长带中的发射光这两者可被复用以获得宽波长带中的发射光谱。尽管来自第二电极212的长波长带中的发射光具有低强度，但是当光穿过与第一电极211对应的有源层区域时发生诱导放大。结果，具有从短波长到长波长的波长带中的充足发射强度的发射光谱由发光设备200生成。该发射光谱可具有高斯形状。为了获得该形状，可以适当地调节到电极的电流注入密度。上面已经描述了上电极层210被分成两个电极的配置，它可被分成三个或更多个电极。还已经描述了上电极层210被分割的配置，下电极层120可被分成多个电极。上电极层210和下电极层120这两者都可被分割。第一电极211在波导方向上的长度L1和第二电极212在波导方向上的长度L2可以根据要发射的发射光谱来适当地定义。
第一电极211与第二电极212之间的电极划分区域215在波导方向上的长度D1优选地等于或短于20μm并且还优选地等于或短于10μm。
第三示例性实施例
将参照图5描述根据第三示例性实施例的发光设备。根据本示例性实施例，电流注入密度的分布像第二示例性实施例那样被设置在光波导方向上，而不是被设置在电流几乎不被馈送到的有源层，即，带隙的吸收占主导的有源层区域(吸收区域)。发光区域存在于吸收区域之前和之后，并且从吸收区域之后的发光区域发射的光在其穿过吸收占主导的区域时受吸收影响。因为吸收具有波长依赖性，所以光在穿过其之后的光谱形状可被控制。结果，可以比第二示例性实施例更加自由地控制光谱形状。将描述与第一和第二示例性实施例的差异，并且将省略重复描述。
根据本示例性实施例的发光设备300具有上电极层310，该上电极层310被分成四个电极，即第一电极311、第二电极312、第三电极313和第四电极314。换言之，与根据本发明的第二示例性实施例的发光设备中的第二电极212相比，该实施例的发光设备还包括端面P2侧的两个电极313和314。到这四个电极的电流注入密度可被适当地调节以实现宽波长带中的发射光谱。例如，到第一电极311的电流注入密度可被调节为高于到第二电极312的电流注入密度，并且到第四电极314的电流注入密度可被调节为高于到第二电极312的电流注入密度。到第三电极313的电流注入密度可被调节为零。在该电流注入条件下，由第一电极311生成的发射光谱出现在短波长带中(中心波长λ1)，并且由第二电极312生成的发射光谱的中心波长具有比λ1长的波长λ2。另外，由第四电极314生成的发射光谱的中心波长具有比λ2长的波长λ4。然而，发射光谱的短波长带仅在其穿过与第三电极对应的有源层区域(吸收区域)时被吸收。结果，来自与第一电极311、第二电极312和第四电极314对应的有源层区域的发射光谱被复用，并且宽波长带中的光从发光设备300发射。以这种方式，相比于根据第二示例性实施例的发光设备，设置其中某波长带被吸收的吸收区域允许对发射光谱形状的更具体的控制。应当注意到，反向偏置电流可被注入到这种吸收区域以使得可以将发射光谱调节为期望形状。
与每个电极对应的有源层区域是在电流被注入在电极中的区域正下方的有源层区域。参照图1A至图1C，有源层区域被放置在与电极层110和接触层106接触的表面正下方。
第四示例性实施例
光学相干层析成像设备
根据第四示例性实施例，将参照图6描述根据第一至第三示例性实施例中的任一个的发光设备以及具有包括发光设备的光源系统的光学相干层析成像设备(OCT)。
根据本示例性实施例的OCT 400至少包括发光设备(光源系统)401、相干光学系统402、分光仪403、相干光检测单元404和信息获取单元405，并且光源系统401可以是根据第一至第四示例性实施例中的任一个的发光设备(光源系统)。
在相干光学系统402中，来自发光设备(光源系统)401的光被解复用为基准光和要照射到物体410的照射光，并且出现照射到物体410的光的反射光和由基准光生成的相干光。相干光具有关于待测量的物体410的信息。由分光仪403分离的相干光以如下方式被接收到：具有不同波长的光束被照射到相干光检测单元404的不同位置。信息获取单元405从关于由相干光检测单元404接收到的光强度的信息中获取关于物体410的信息，诸如关于层析图的信息。接下来，将参照图6来描述根据本示例性实施例的OCT的详细配置。
在图6中示出的OCT中，从发光设备(光源系统)401发射的光由相干光学系统402中的解复用单元420解复用为照射光和基准光。照射光通过照射光学系统440变成通过被待测量的物体410反射而获得的反射光，并且出现被基准光学系统430反射的基准光和来自干涉单元(解复用单元)420的相干光。根据本示例性实施例的OCT包括对出现在干涉单元420中的相干光进行检测的光检测光学系统450、基于光检测光学系统450所检测到的光而获取关于层析图的信息的信息获取单元405、以及显示层析图的显示单元460。
来自发光设备(光源系统)401的光穿过光纤并且被解复用单元(干涉单元)420解复用为基准光和照射光，并且解复用后的光的一部分进入到基准光学系统430。在这种情况下，解复用单元420和干涉单元420可以使用相同的光纤耦合器。基准光学系统430包括准直器透镜431和432以及反射器433，并且由反射器433反射的基准光再次进入到光纤。来自光纤的照射光(其为被解复用单元420解复用的其它光)进入到照射光学系统440。照射光学系统440包括准直器透镜441和442以及使光学路径弯曲90°的反射器443。照射光学系统440可以使进入的光进入到待测量的物体410并且使反射光再次结合到光纤。
从基准光学系统430和照射光学系统440返回的光穿过干涉单元420并且进入到光检测光学系统450。光检测光学系统450具有准直器透镜451和452以及充当分光仪的衍射光栅403。光检测光学系统450还具有用于获取由衍射光栅403分离的光的光谱信息的线传感器404。在根据本示例性实施例的OCT中，基准光学系统430具有反射器433，并且由反射器433反射的光返回到干涉单元420。然而，在没有反射器433的情况下，光可以穿过具有适当光学路径长度的光学路径并且可以到达干涉单元420。根据本示例性实施例的OCT对于在包括眼科、牙科和皮肤科的领域中获取动物或人的活体的层析图是有用的。关于活体的层析图的信息不仅可以包括活体的层析图而且可以包括获取层析图所需的数值数据。特别地，根据本示例性实施例的OCT可被用于获取关于被定义为测量对象的人体的眼底的层析图的信息。OCT可被称为OCT装置。
其他应用
除了OCT之外，根据本发明的示例性实施例的发光设备可被用作光通信的光源和光学测量的光源。
示例
下面将描述本发明的示例。根据以下示例的有源层结构和层结构仅仅为了例示的目的而被给出，并且非意在对它们进行限制。发光设备的组件的尺寸、制造步骤、根据发光设备的制造方法的设备和参数不受这些示例限制。半导体材料、电极材料、电介质材料等不限于示例中公开的那些。半导体层的导电类型不限于根据示例示出的那些，并且被示出为p型的导电类型和被示出为n型的导电类型可以分别被n型和p型替换。
第一示例
将描述根据本发明的第一示例的发光设备。图1A至图1C例示了根据该示例的发光设备100的配置。在该示例中，作为基板的GaAs基板101、作为下覆层的n型Al0.5GaAs覆层102、有源层103以及作为上覆层的p型Al0.5GaAs覆层104被使用。p型GaAs接触层106被用作接触层，并且p型电极110被用作接触层106上方的上电极层。n型电极120被用作下电极层。如图1A至图1C中所示，脊状光波导结构105被提供。脊状光波导结构105具有3um的宽度以使得出射光具有单模。出射端面的垂直线和光导的角度倾斜大约7°以防止脊状光波导结构105的端面P1上的反射。
接下来，将参照带图(图7A)来描述根据该示例的有源层103的量子阱结构的细节。根据该示例的有源层具有包括两个量子阱结构的量子阱结构A(图7A)。第一量子阱结构1001具有夹着它的Al0.2GaAs引导层、具有8nm厚的In0.07GaAs层的阱层和10nm厚的Al0.2GaAs势垒层。第二量子阱结构1002是通过顺序地层叠10nm厚的Al0.2GaAs势垒层、包括6nm厚的Al0.03GaAs层的阱层以及Al0.2GaAs引导层而获得的结构。第一量子阱结构和第二量子阱结构共享10nm厚的Al0.2GaAs势垒层。
在量子阱结构中，第一量子阱结构1001(In0.07GaAs/Al0.2GaAs)的一阶能级E1和第二量子阱结构1002(Al0.03GaAs/Al0.2GaAs)的基能级E2是大体一致的。关于量子阱结构A的能级的发射波长，在第一量子阱结构1001中基能级E0的发射波长是大约880nm并且一阶能级E1的发射波长是大约800nm，并且第二量子阱结构1002中的基能级E2的发射波长是大约800nm。换言之，附于图10A中的虚箭头的波长(nm)是通过具有每个箭头的起点处的能级的电子和具有终点处的能级的空穴的复合而生成的发射光的波长。例如，来自第一量子阱结构中的一阶能级E1的发射光具有800nm的波长。对在以下示例中提到的带图同样如此。
图7B例示了根据第一示例的发光设备中的通过注入60mA电流而生成的发射光的发射光谱的计算结果。来自第一量子阱结构1001中的基能级E0的发射光谱具有880nm左右的中心。来自第一量子阱结构1001的一阶能级E1和第二量子阱结构1002中的基能级E2的发射光谱具有800nm左右的中心，由此可知来自这些能级的发射光是高的。
根据该示例，为了增加具有第一量子阱结构1001中的一阶能级的发射光的强度，第二量子阱结构1002的基能级与第一量子阱结构1001的一阶能级大体一致。为了获得短波长带中的相对较高的发射强度，可能需要高电流注入密度。因此，如该示例中设计的量子阱结构的使用允许即使在电流注入密度低时也获取具有短波长带中的相对较高发射强度的光，由此可预期到发光设备的延长寿命。
第一比较例
将描述根据第一示例的发光设备的比较例。除了其量子阱结构之外，根据该比较例的配置与第一示例相同。根据该比较例提供了两个量子阱结构B和C。
如图8A中示出，量子阱结构B是具有一个与量子阱结构A的第一量子阱结构1001相同的量子阱结构的单量子阱结构。
如图8B中示出，量子阱结构C是具有一个与量子阱结构A的第二量子阱结构1002相同的量子阱结构的单量子阱结构。
图9A和图9B例示了当以与第一示例的电流注入密度相等的电流注入密度向量子阱结构B、C注入电流时所获得的发射光谱的计算结果。图9C例示了通过使图9A和图9B中的发射光谱相加而获得的发射光谱。
将图7B和图9C中的作为来自第一量子阱结构1001的一阶能级的发射波长的大约800nm波长处的峰强度进行比较，图9C中的强度约为图7B中的强度的2.9倍。由此可知当有源层中包含多个量子阱结构时，发射强度等于或高于通过仅仅使单量子阱结构的有源层的发射光谱相加而获得的光谱的强度。
第二示例
将描述根据本发明的第二示例的发光设备。根据该示例的发光设备具有包括两个与根据第一示例的发光设备的量子阱结构A中的第一量子阱结构1001相当的量子阱结构的有源层结构(在下文中称为量子阱结构D)。在下面将仅描述与第一示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
该示例的量子阱结构D具有总共三个量子阱结构，其包括两个第一量子阱结构1001和一个第二量子阱结构1002(图10A)。第一量子阱结构1001的一阶能级与第二量子阱结构1002的基能级大体一致。图10B例示了当以与第一示例和比较例的电流注入密度相等的电流注入密度向具有量子阱结构D的有源层注入电流时所获得的发射光谱的计算结果。图10C例示出通过复用来自有源层的发射光谱而获得的计算结果，该有源层具有量子阱结构D中的作为单量子阱结构的三个量子阱结构1001、1001和1002。
将图10B和图10C中的发射光谱中的大约800nm波长处的峰强度进行比较，图10B中的强度大约是图10C中的强度的3.4倍。
第三示例
将描述根据本发明的第三示例的发光设备。根据该示例的发光设备具有以下有源层结构(在下文中称为有源层结构E)：该有源层结构除了具有量子阱结构A之外还具有与在第一示例中使用的第二量子阱结构1002相当的量子阱结构。将仅描述与第一示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
图11A例示了根据本示例性实施例的量子阱结构E的带图。量子阱结构E是具有总共三个量子阱结构的三量子阱结构，这三个量子阱结构包括一个第一量子阱结构1001和两个第二量子阱结构1002。图11B例示了当以与第一示例、第二示例和比较例的电流注入密度相等的电流注入密度向具有根据该示例的量子阱结构的有源层注入电流时所获得的发射光谱的计算结果。图11C例示了通过复用来自有源层的发射光谱而获得的计算结果，该有源层具有量子阱结构E中的作为单量子阱结构的三个量子阱结构1001、1002和1002。将图11B和图11C中的发射光谱中的作为第一量子阱结构1001中的一阶能级的发射波长的大约800nm波长处的峰强度进行比较，图11B中的强度大约是图11C中的强度的2.3倍。
第四示例
将参照图4来描述根据本发明的第四示例的发光设备。除了上电极层被分为两个并且有源层具有不同的成分之外，根据本发明的第四示例的发光设备具有与第一示例的配置相同的配置。在下面将仅描述与第一示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
根据该示例的发光设备的上电极层210被分成第一电极211和第二电极212，并且设有脊状光波导结构105。第一电极211和第二电极212是电气划分的，并且电极划分区域215具有较高电阻值。在这里，表述“高电阻值”是指第一电极211与第二电极212之间的电阻值是第一电极211和下电极层120的串联电阻的十倍或以上的状态。关于电极在波导方向上的长度，第一电极211具有0.29mm的长度L1，并且第二电极212具有0.3mm的长度L2。光从与电极211接触的端面(解理面)P1发射。根据该示例的发光设备中的有源层具有双量子阱结构，该双量子阱结构具有包括作为阱层的8nm厚的In0.08GaAs层的第一量子阱结构和包括作为阱层的6nm厚的GaAs层的第二量子阱结构。夹着阱层的势垒层都是Al0.2GaAs层。通过MOCVD方法执行晶体生长，使得在量子阱结构中第一量子阱结构(In0.08GaAs/Al0.2GaAs)的一阶能级和第二量子阱结构(GaAs/Al0.2GaAs)的基能级可以大体一致，从而产生半导体叠层。根据该示例，因为第二量子阱结构的基能级和第一量子阱结构的一阶能级的发射波长或者能级是大体一致的，因此可以获得与根据第一示例的效果相同的效果。
图12A和图12B例示了根据该示例的通过向发光设备注入电流而获得的发射光谱的实验结果。图12A是示出了当从0mA到120mA以20mA的步幅仅向第一电极211注入电流时发射光谱变化的实验结果的曲线图。该曲线图例示了峰波长随着电流的注入量增大时从长波长带移动到短波长带。如在NPL 1中公开的，峰波长移动的原因是由于在量子阱结构内载流子从基能级存储到高阶能级而导致的增益谱变化。
图12B例示了在120mA电流被注入到第一电极211的状态下当要注入到第二电极212的电流量增大时发射光谱变化的实验结果。图12B中示出的曲线图例示了长波长带中的发射强度选择性地增大。当注入电流值是3.8mA时，发射光谱是最宽的。
在图12A中示出的发射光谱中，当电流仅被注入到一个电极时，发射光谱在120mA的电流处是最宽的。另一方面，如图12B中所示，由于向两个电极注入电流而光谱为最宽的条件是：注入到第一电极211的电流是120mA，并且注入到第二电极212的电流是3.8mA。根据这些结果，可知当根据该示例使用多个分割电极时，光学输出强度可以增大并且同时发射光谱的宽度可以增加。
接下来，将详细考察根据该示例的其中上电极层被分为两个电极的发光设备中的发射光谱的驱动条件。
到第一电极211的电流注入密度是到第二电极212的电流注入密度的32倍。
对于需要到第一电极211的电流注入密度高于到第二电极212的电流密度，下面的两个原因可被考虑。第一个原因是因为可能需要用电流密度进行驱动以使得第一电极211中的发射光的峰的波长可以短于第二电极212中的发射光的峰的波长。如图12B中所示，允许通过向第二电极212注入电流而增大发射强度的波长带主要在发光波长带的相对于中心波长(图12B中的860nm)的长波长侧。换言之，将通过向第一电极211注入电流而增大发射强度的波长带在相对于中心波长的短波长侧。因此，因具有高密度的电流被注入到第一电极211而导致的短波长带中的发射光和因电流被注入到第二电极212而导致的长波长带中的发射光可以被复用以使得来自发光设备的发射光谱可具有宽的波长带。
第二原因是因为在对应于第一电极211的有源层区域中需要诱导放大。根据该示例，到第二电极212的电流注入密度是未达到对应于第二电极212的有源层中的透明载流子密度的电流注入密度。因此，因为来自根据该示例的发光设备的短波长带中的大部分发射光是通过第一电极211中的诱导放大而获得的光，所以需要用足以引起诱导放大的电流密度来驱动第一电极211。根据该示例的第二电极212的驱动条件即使在不引起诱导放大的低电流密度的情况下也可提供效果。这是因为仅需要生成用于引起第一电极211中的诱导放大的种光(seed light)。即使在较低的电流注入密度的情况下，长波长带中的发光也可发生。
图12B例示了：当3.8mA电流被注入到第二电极211时，光强度增大到与具有来自第一电极211的短波长的发射光的水平同等的水平。这被认为是因为来自第二电极212的发射光进入到对应于第一电极211的有源层区域，并且该光在第一电极211中经历诱导放大。因此，尽管可能需要第二电极212发射具有预定波长的光，但是不需要与来自第一电极211的发射强度一样高的发射强度。
到第二电极212的电流注入密度优选地是等于或低于到第一电极211的电流注入密度的50％的电流注入密度。这是因为，如上所述，当电流注入密度增大时，发射波长的峰移动到短波长侧，因此短波长带中的发射强度高于长波长带中的发射强度，并且发射光谱的半宽度减小。
另一方面，因为不需要来自第二电极212的发射强度与来自第一电极211的发射强度一样高，所以即使在十倍或者更多倍的电流注入密度比的情况下也是有效的。
根据本示例性实施例，即使通过向第二电极212注入不引起诱导放大的电流注入密度的电流也可以实现效果。如图12A和图12B中所示，在根据该示例要放大的第一量子阱结构的890nm附近的能级与第二量子阱的825nm的基能级之间存在850nm的能级(来自第一量子阱的基能级轻空穴的发射光)。换言之，在基能级(更严格地说，来自基能级重空穴的发射光)与增大发射光的强度的825nm的能级之间存在另一能级。890nm与825nm之间的波长差异是65nm。因此，可知该示例的配置被包括在如参照示例性实施例描述的本发明的效果特别显著的范围内。具有相等发射强度的三个能级可以允许超过80nm的宽波长带上的发光，而(在发射光谱中)没有强度接近于0的大凹陷(dip)。
第五示例
将参照图5来描述根据本发明的第五示例的发光设备。除了上电极层被分为四个之外，根据本发明的第五示例的发光设备具有与第四示例的配置相同的配置。在下面将仅描述与第一和第四示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
在根据该示例的发光设备中，上电极层310被分成第一电极311、第二电极312、第三电极313和第四电极314，如在图5中所示。关于电极在波导方向上的长度，第一电极311具有0.29mm的长度L1，第二电极312具有0.3mm的长度L2，第三电极313具有1.5mm的长度L3，并且第四电极314具有0.3mm的长度L4。
图13例示了当在向第一电极311注入120mA电流并向第二电极312注入3.8mA电流的情况下改变要向第四电极314注入的电流量时发射光谱的变化。在这种情况下，电流不被注入到第三电极313。根据在图13中示出的发射光谱，可知发射光的峰出现在905nm波长附近并且光谱的半宽度等于或高于90nm。因为第三电极313和第四电极314被提供，所以峰出现在905nm波长附近。
图13中示出的曲线图中的使峰出现在905nm附近的机制可被考虑如下。
与未被注入电流的第三电极313对应的有源层区域吸收光。因此，在有源层中相对于具有最长波长的基能级的短波长侧发生带间吸收。另一方面，对于具有比其更长的波长的光不发生这种带间吸收。另一方面，在被馈送电流的第四电极314中，由于发热乃至载流子分布，可能出现少量如下的发射光：该发射光在有源层中具有比同一有源层中所包括的量子阱结构的能级(第一量子阱结构的基能级)的最长波长更长的波长。因此，当从第四电极314发射的光穿过第三电极313时，可能出现具有长波长的成分的光，其不被第三电极313的第一量子阱结构的基能级中的带隙吸收。
该示例还可提供第一示例的效果(可以在比短波长侧的能级低的能级处实现发光)和根据第四示例的通过划分电极而产生的效果这两者。该示例还可以提供如下效果：可以通过提供吸收区域和发光区域来增加光谱宽度，发光区域相对于吸收区域在发射端相对的端面上。第六示例
将描述根据本发明的第六示例的发光设备。除了其量子阱结构之外，根据该示例的各方面具有与第一示例的配置完全相同的配置。在下面将仅描述与第一示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
根据该示例的发光设备中的有源层具有在图14A中的带图中示出的量子阱结构(量子阱结构F)。也就是说，与第一示例类似，该示例具有含第一量子阱结构1001和第二量子阱结构1003的双量子阱结构。第二量子阱结构1003具有包含Al0.03GaAs的6nm厚的阱层以及夹着阱层的包含Al0.2GaAs的10nm厚的势垒层。图14B例示了通过向具有量子阱结构F的有源层注入具有与第一示例的电流注入密度相等的电流注入密度的电流而获得的发射光谱的计算结果。与第一示例相比，尽管在第一量子阱结构1001的基能级E1与第二量子阱结构的基能级E6之间存在大的能级差(大约30meV)，但是发射强度在短波长带中是足够的。
第二比较例
将描述根据第六示例的发光设备的比较例。除了其量子阱结构之外，根据该比较例的各方面具有与第六示例的配置完全相同的配置。
量子阱结构B与根据第一比较例的结构是相同的。
与量子阱结构F的第二量子阱结构1003类似，如图15B中所示的量子阱结构G是具有一个量子阱结构的单量子阱结构。
图16A和图16B例示了当向量子阱结构B和G注入具有与第一示例的电流注入密度相等的电流注入密度的电流时发射光谱的计算结果。图16C例示了通过使图16A和图16B中的发射光谱相加而获得的发射光谱。
将图14B和图16C中的作为来自第一量子阱结构1001的一阶能级的发射波长的大约800nm波长处的峰强度进行比较，图16C中的峰强度高。由此可知当有源层中包括多个量子阱结构时，发射强度等于或高于通过仅仅使单量子阱结构的有源层的发射光谱相加而获得的光谱的强度。
第七示例
将描述根据本发明的第七示例的发光设备。根据该示例，将描述由根据第一示例的发光设备中的有源层中的第一量子阱结构的高阶能级E1和第二量子阱结构的基能级E2之间的能量差ΔE(＝E2-E1)的变化造成的低波长带(834nm)中的发射强度的变化的计算示例。通过将仅具有第一量子阱结构的单量子阱结构的发射强度与仅具有第二量子阱结构的单量子阱结构的发射强度之和定义为1，使用量子阱结构的低波长带(834nm)中的发射强度的变化被计算为发光强度比。
除了其量子阱结构之外，根据该示例的各方面具有与第一示例的配置相同的配置。在下面将仅描述与第一示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
该示例的配置可被分成两组(I)和(II)。
在组(I)中，势垒层是10nm宽，第一量子阱结构是包含In0.15GaAs层的8nm厚的阱层，并且第二量子阱结构是包含AlxGaAs层的6nm厚的阱层或者包含InyGaAs层的6nm厚的阱层。通过在第二量子阱结构中针对AlxGaAs层将x改变为0、0.01、0.02和0.03并且针对InyGaAs层将y改变为0.023、0.04、0.06、0.08、0.10和0.12来执行计算。换言之，因为第二量子阱结构的成分的变化可以改变第一量子阱结构的高阶能级E1和第二基能级E2之间的能量差ΔE(＝E2-E1)，所以发射强度如何随着ΔE的变化而改变被计算。发射强度的变化被如下计算为发光强度比。发光强度比是指当在有源层仅具有第一量子阱结构的情况下的在834nm处的发射强度与在有源层仅具有第二量子阱结构的情况下的在834nm处的发射强度之和被定义为1时前述双量子阱结构中的在834nm处的发射强度。
针对组(II)执行相同的计算，除了势垒层是30nm厚之外组(II)与组(I)相同。
具有8nm厚的In0.15GaAs阱层的单量子阱结构中的一阶能级的发射波长是834nm，其等于具有6nm厚的In0.023GaAs阱层的单量子阱结构中的基能级的发射波长。换言之，在具有两个量子阱结构的双量子阱结构中，8nm厚的In0.15GaAs阱层的一阶能级和6nm厚的In0.023GaAs阱层的基能级是大体一致的。
图17A例示了第一组的计算结果，图17B例示了第二组的计算结果。表格1概述了所使用的量子阱结构和发光强度比。参照图17A，第二量子阱结构的具有含In0.023GaAs的成分的阱层导致最高的发光强度比，并且由大体一致的能级造成的效果被验证。经发现，发射强度增加效果对于从-110meV到25meV(尤其是从-45meV到20meV)的能级差ΔE是显著的。还发现，即使在改变势垒层的厚度时也提供了发射强度增加效果。
[表格1]
图17C例示了双量子阱结构与单量子阱结构的发光强度比。这可以通过将双量子阱结构的发射光谱的每个波长处的发射强度除以双量子阱中所包括的两个量子阱结构(其中每个量子阱结构均被看作是单独的单量子阱结构)的发射光谱的每个波长处的发射强度之和来计算。例如，图17C例示了具有作为阱层的8nm厚的In0.15GaAs和6nm厚的In0.023GaAs的双量子阱结构和具有作为阱层的8nm厚的In0.15GaAs和6nm厚的Al0.03GaAs的双量子阱结构中的计算示例。图17C例示了其中前者是有源层结构(i)并且后者是有源层结构(ii)的计算结果。
有源层结构(i)在能级基本上相等的834nm波长处具有特别高的发光强度比，并且在其他波长带中强度增加效果在一定程度上可以是显著的。另一方面，有源层结构(ii)具有比有源层结构(i)低的发射强度增加效果，因为其具有比有源层结构(i)大的能级差ΔE。
第八示例
将参照图18A和图18B来描述根据本发明的第八示例的发光设备。除了上电极层被分为六个之外，根据本发明的第八示例的发光设备具有与第四示例的配置相同的配置。在下面将仅描述与第四示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
如在图18A中所示，根据该示例的发光设备具有被分成第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极的上电极层。关于电极在波导方向上的长度，第一电极具有0.3mm的长度L1，第二电极具有0.2mm的长度L2，第三电极具有0.3mm的长度L3，第四电极具有0.4mm的长度L4，第五电极具有0.2mm的长度L5，并且第六电极具有0.3mm的长度L6。利用正电流来驱动第一电极、第二电极、第四电极和第六电极，并且利用零或负电流来驱动第三电极和第五电极。
将电流从上电极侧馈送到下电极侧将被称为正电流驱动，并且将电流从下电极侧馈送到上电极侧将被称为负电流驱动。以等于或高于第五电极中的电流密度的电流密度来驱动第三电极。这可以禁止在第三电极中对具有由第五电极和第六电极形成的发射光的峰的波长处的发射光的吸收。图18B例示了在注入到第一电极的电流是126mA、注入到第二电极的电流是9.8mA、注入到第三电极的电流是0mA、注入到第四电极的电流是20mA、注入到第五电极的电流是-20mA并且注入到第六电极的电流是96mA的情况下来自发光设备的出射光的发射光谱。参照图18B中所示的发射光谱，发射光的峰出现在900nm波长附近和910nm波长附近，并且光谱的半宽度等于或高于95nm。出现在900nm波长附近的发射光的峰是由第三电极和第四电极造成的，而出现在910nm波长附近的发射光的峰是由第五电极造成的，并且发射光的峰由于第六电极的长度和驱动状态(电流密度)被适当地调节而出现。
与第五示例相比，本示例的优点将被描述。吸收区域或者未注入电流或注入负电流(施加负偏压)的区域中的吸收量可以增大，以使峰更多地移动到长波长侧并且从而增加发射光谱带。然而，因为这个原因，在光谱中可能容易发生凹陷。为了防止容易出现凹陷，(1)由诱导发射引起的放大效果可被减小以增加每个峰的宽度，(2)最短波长处的峰与最长波长处的峰之间的间隔可被减小，或者(3)例如在凹陷部中可以生成新的峰以填充凹陷。(1)可能导致输出更小，并且(2)可能导致发射光谱带变窄。在高输出和宽带光被要求作为OCT的光源的情况下，技术(3)可以是最佳的。
通过增加电极的数目，所得到的发射光谱中所包括的峰的数目可以增加。调节吸收区域中的吸收量可以允许对发射光谱中的峰波长进行基本上自由的控制。因此，根据该示例，向第五示例添加第五电极和第六电极可以允许对光谱形状的精细控制。该示例可提供以更低的电流密度在短波长侧的能级中发射光的效果以及同样由第一示例提供的分割电极所产生的效果这两者。另外，通过提供吸收区域和在关于吸收区域而与出射端相对的端面(图18A中示出的与具有出射光的端面相对的端面)侧的发光区域，该示例提供了以下效果：相比于第五示例，光谱形状可以被更自由地控制。
第九示例
将参照图19来描述根据本发明的第九示例的发光设备。
除了上电极层被划分为八个之外，根据本发明的第九示例的发光设备具有与第四示例的配置相同的配置。在下面将仅描述与第四示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。如图19中所示，根据该示例的发光设备具有被分成第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极和第八电极的上电极层。关于电极在波导方向上的长度，第一电极具有0.3mm的长度L1，第二电极具有0.2mm的长度L2，第三电极具有0.3mm的长度L3，第四电极具有0.4mm的长度L4，第五电极具有0.2mm的长度L5，第六电极具有0.3mm的长度L6，第七电极具有0.2mm的长度L7，并且第八电极具有0.3mm的长度L8。利用正电流来驱动第一电极、第二电极、第四电极、第六电极和第八电极，并且利用零或负电流来驱动第三电极、第五电极和第七电极。以等于或高于第五电极中的电流密度的电流密度来驱动第三电极，并且以等于或高于第七电极中的电流密度的电流密度来驱动第五电极。这可以防止第三电极吸收由第五电极和第六电极形成的发射光的峰并防止第三电极和第五电极吸收由第七电极和第八电极形成的发射光的峰。
如在第八示例中那样，通过增加电极的数目，要形成的峰的数目可以增加。在该示例中，用反向偏压(负电流)驱动的并且其中短波长成分被吸收的区域(第七电极)以及发光区域(第八电极)被添加在第六电极后面(与具有所示出的出射光的端面相对的端面侧，以下同理)。因此，由这些电极生成的峰可以如在第八示例性实施例中那样被用于扩展光谱带和填充光谱中的凹陷或者可以被用于支撑第五电极和第六电极。例如，第五电极和第七电极的相同的长度和驱动状态以及第六电极和第八电极的相同的长度和驱动状态可被定义，以使得例如可以增大它们所生成的峰的量值、可以允许对量值的容易控制或者可以降低这些电极区域的劣化速度。该示例可提供以更低的电流密度在短波长侧的能级中发射光的效果以及同样由第一示例提供的分割电极所产生的效果这两者。另外，通过提供吸收区域和在关于吸收区域而与出射端相对的端面侧的发光区域，该示例提供了以下效果：相比于第五和第八示例，更多地改善对光谱形状的可控性和光学特性的稳定性。
第十示例
将参照图20来描述根据本发明的第十示例的发光设备。根据本发明的第十示例的发光设备具有被分成四个的上电极层，并且光导在第一电极区域内被分叉为两个。该示例的其他配置与第四示例的配置相同。在下面将仅描述与第四示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
如图20中所示，根据该示例的发光设备具有被分成第一电极、第二电极、第三电极和第四电极的上电极层。关于电极在波导方向上的长度，第一电极具有0.3mm的长度L1，第二电极具有0.3mm的长度L2，第三电极具有0.1mm的长度L3，并且第四电极具有0.3mm的长度L4。光导在分叉部分具有1mm的曲率半径，出射端附近的光导在有源层的面内方向上相对于出射端面的垂直线可以倾斜大约7°。利用正电流来驱动第一电极、第二电极和第四电极，并且利用零或负电流来驱动第三电极。
当要注入到第一电极的电流是120mA、要注入到第二电极的电流是3.8mA、要注入到第三电极的电流是0mA并且要注入到第四电极的电流被改变时的发射光谱在不考虑波导损失的情况下被假定为大致等于图13的发射光谱。
与未分叉的波导样本相比，使光导分叉可以提供如下效果：用于获得等效的光学特性的样本长度可以减小。另外，存在可以增加电极配置和驱动状态的自由度的效果。
下面将描述通过结合根据本发明的有源层结构和该示例的光导和电极配置而获得的优点。
例如，第五示例可被看作具有未分叉的波导以及提供了与该示例大致相当的光谱可控性和光学特性。由根据第五示例的第三电极和第四电极生成的发射光的峰对应于由根据该示例的第三电极和第四电极生成的发射光的峰。这些发射光的峰可能需要在吸收区域(第五示例中的第三电极或该示例中的第三电极)前面的发光区域中被充分放大。在第五示例中，用于此放大的发光区域对应于第一电极和第二电极，而在第十示例中其仅对应于第一电极。因此，为了保持来自后侧的峰的量值，重要的是第一电极不容易劣化。换言之，由于本发明的有源层结构从而在不增加到有源层的电流注入密度的情况下允许高阶能级的光发射的效果可以降低第一电极上的负载并因此防止其劣化。因此，来自后侧的光可以以稳定的方式被放大。
已经描述了根据该示例光导在其弯曲部分具有1mm的曲率半径，但是曲率半径不限于此，只要其落在用于防止光学特性在弯曲部分和曲线与直线的连接部分中的极度劣化的范围内即可。可以提供这样的波导结构：在该波导结构中，两个直波导被提供作为分支的起点。这种分支的起点可以不存在于第一电极区域内。例如，即使在分支的起点在第二电极区域内的情况下，也可以预期到相同的效果。
该示例还提供了根据第一示例的利用较低的电流密度实现短波长侧的发光的效果、分割电极的效果、以及分叉光导的效果。另外，通过提供吸收区域和在关于吸收区域而与出射端相对的端面侧的发光区域，该示例提供了以下效果：相比于第五示例，可以比更多地改善对光谱形状的可控性以及波导分支和电极配置的自由度。
第十一示例
将参照图21A来描述根据本发明的第十一示例的发光设备。
根据本发明的第十一示例的发光设备具有被分成六个的上电极层，并且光导在第一电极区域内被分叉为两个。该示例的其他配置与第十示例的配置相同。在下面将仅描述与第十示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
如图21A中所示，根据该示例的发光设备具有被分成第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极的上电极层。关于电极在波导方向上的长度，第一电极具有0.3mm的长度L1，第二电极具有0.2mm的长度L2，第三电极具有0.3mm的长度L3，第四电极具有0.4mm的长度L4，第五电极具有0.2mm的长度L5，并且第六电极具有0.3mm的长度L6。利用正电流来驱动第一电极、第二电极、第四电极和第六电极，并且利用零或负电流来驱动第三电极和第五电极。应当注意，第三电极和第五电极以及第四电极和第六电极由于它们的电极配置而是可互换的。与未分叉的波导样本相比，使光导分叉可以提供如下效果：用于获得等效的光学特性的样本长度(其为样本的出射端面与相对侧的端面之间的长度)可被减小。另外，存在可以增加电极配置和驱动状态的自由度的效果。在图21A中第三电极的长度例如需要增加的情况下，可以应用如图21C中所示的配置，而不是图21B中的配置，以使得可以减小样本长度而不使其可控性和光学特性恶化。
如图21D中所示，可以跨两个分叉波导设置第二电极。这可提供如下效果：可以增大由第二电极生成的峰的量值的效果，以及可以减小电极长度以使得可以施加相等的电流密度的效果。
该示例还提供了根据第一示例的利用较低的电流密度实现短波长侧的发光的效果、分割电极的效果、以及分叉光导的效果。另外，通过提供吸收区域和在关于吸收区域而与出射端相对的端面侧的发光区域，该示例提供了以下效果：相比于第十示例，可以更多地改善对光谱形状的可控性以及波导分支和电极配置的自由度。
第十二示例
将参照图22A来描述根据本发明的第十二示例的发光设备。
根据本发明的第十二示例的发光设备具有被分成八个的上电极层，并且光导在第一电极区域内被分叉为两个。该示例的其他配置与第十示例的配置相同。在下面将仅描述与第十示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。如图22A中所示，根据该示例的发光设备具有被分成第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极和第八电极的上电极层。关于电极在波导方向上的长度，第一电极具有0.3mm的长度L1，第二电极具有0.2mm的长度L2，第三电极具有0.3mm的长度L3，第四电极具有0.4mm的长度L4，第五电极具有0.2mm的长度L5，第六电极具有0.3mm的长度L6，第七电极具有0.2mm的长度L7，并且第八电极具有0.3mm的长度L8。利用正电流来驱动第一电极、第二电极、第四电极、第六电极和第八电极，并且利用零或负电流来驱动第三电极、第五电极和第七电极。以等于或高于用于驱动第七电极的电流密度的电流密度来驱动第五电极。这可以防止第五电极吸收由第七电极和第八电极形成的发射光的峰。
与未分叉的波导样本相比，使光导分叉可以提供如下效果：用于获得等效的光学特性的样本长度的效果可以减小。另外，存在可以增加电极配置和驱动状态的自由度的效果。
如图22B中所示，可以跨两个分叉波导设置第二电极。这可以提供如下效果：可以增大由第二电极生成的峰的量值的效果，以及可以减小电极长度使得可以施加相等的电流密度的效果。
该示例还提供了根据第一示例的利用更低的电流密度在短波长侧实现发光的效果、分割电极的效果、以及分叉光导的效果。另外，通过提供吸收区域和相对于吸收区域在与出射端相对的端面侧的发光区域，该示例提供了以下效果：相比于第十一示例，可以更多地改善对光谱形状的可控性以及波导分支和电极配置的自由度。
第十三示例
将参照图23A来描述根据本发明的第十三示例的发光设备。
根据本发明的第十三示例的发光设备具有被分成四个的上电极层。光导在第一电极区域内被分叉为两个，并且分叉的光导具有相同的电极图案。该示例的其他配置与第十示例的配置相同。在下面将仅描述与第十示例的差异，并且将省略关于共同事项的描述。
如图23A中所示，根据该示例的发光设备具有被分成第一电极、第二电极、第三电极和第四电极的上电极层。关于电极在波导方向上的长度，第一电极具有0.29mm的长度L1，第二电极具有0.3mm的长度L2，第三电极具有1.5mm的长度L3，并且第四电极具有0.3mm的长度L4。利用正电流来驱动第一电极、第二电极和第四电极，并且利用零或负电流来驱动第三电极。换言之，获得如下的结构：在该结构中，根据第五示例的波导在第一电极内被分叉为两个。当要注入到第一电极的电流是120mA、要注入到第二电极的电流是3.8mA、要注入到第三电极的电流是0mA并且要注入到第四电极的电流被改变时的发射光谱被假定为大致等于图13的发射光谱，其中不考虑波导损失。
通过结合根据本发明的有源层结构和该示例的光导和电极配置而获得的优点如根据第十示例所描述的那样。然而，在这种情况下，因为从更后部引导的长波长侧的光的发射强度高，因此第一电极中的发射光量可能需要增加。因此，由于本发明的有源层结构从而在不增加到有源层的电流注入密度的情况下允许高阶能级的光发射的效果可以减小第一电极上的负载并因此防止其劣化。因此，来自后侧的光可以以稳定的方式被放大。另外，短波长侧的发射光量可以以与长波长侧的发射光量相同的程度被调节。
已经在图23A中例示了一个电极跨两个光导的结构。然而，在样本上电极可以不被电连接，而是例如可以用金属线连接单独的电极。可替代地，可以仅电连接部分电极。
光导可被分叉为三个或更多个。
代替图23A中的结构(其中图5的光导被分叉为两个)，通过图23C中的结构可以提供相同的效果，其中通过将图18中的光导分叉为两个而获得的图23B和图20中的光导被进一步分叉为两个。
该示例还提供了根据第一示例的利用较低的电流密度实现短波长侧的发光的效果、分割电极的效果，以及分叉光导的效果。其中波导被分叉的该示例还可以提供在保持对应的光谱形状的同时增大发射光量的效果。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以包含所有这种修改以及等效的结构和功能。
本申请要求在2014年3月27日提交的日本专利申请No.2014-067023的优先权，其全文内容通过引用被并入于此。

Claims (18)

1.一种发光设备，其特征在于，包括：
上电极层、下电极层以及设置在它们之间的有源层，
其中，通过经由上电极层和下电极层向有源层注入电流来发射光；
有源层具有多个量子约束结构，并且第一量子约束结构具有具有能级E0的基能级以及具有能级E1的高阶能级；
与第一量子约束结构不同的第二量子约束结构具有高于E0的能级E2，并且E1和E2是大体一致的。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其中，量子约束结构是量子阱结构。
3.根据权利要求1或2所述的发光设备，其中，通过将E2减去E1而获得的能级差ΔE等于或高于-110meV并且等于或低于25meV。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的发光设备，其中，通过将E2减去E1而获得的能级差ΔE等于或高于-45meV。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的发光设备，其中，通过将E2减去E1而获得的能级差ΔE的绝对值等于或低于20meV。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发光设备，其中，通过将E2减去E1而获得的能级差ΔE等于或低于0meV。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发光设备，其中，通过将E2减去E1而获得的能级差ΔE等于或低于-21meV。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发光设备，其中，第二量子约束结构比第一量子约束结构浅。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的发光设备，其中，有源层具有三个或更多个量子约束结构。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的发光设备，其中，有源层还具有第三量子约束结构，并且第三量子约束结构与第一量子约束结构相同。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的发光设备，其中，上电极层和下电极层中的至少一个电极层被分成多个电极。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的发光设备，其中，其被配置为不向所述多个电极中的至少一个电极注入电流。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的发光设备，其中，上电极层和下电极层中的至少一个电极层被分成四个电极。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的发光设备，其中，量子约束结构还包括具有与第一量子约束结构的量子约束结构相同的量子约束结构的第三量子约束结构。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的发光设备，其中，发光设备具有脊状光波导结构。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的发光设备，其中，波导结构在有源层的面内方向上相对于发光设备的出射端面的垂直线倾斜。
17.一种光源系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1至16中任一项所述的发光设备；以及
控制单元，被配置为控制到上电极层和下电极层的电流注入量。
18.一种光学相干层析仪，其特征在于，包括：
根据权利要求17所述的光源系统；
相干光学系统，被配置为把来自光源系统的光解复用为基准光和要照射到物体的照射光并且生成被照射到物体的光的反射光和利用基准光生成的相干光；
分光仪，被配置为分离相干光；
相干光检测单元，被配置为接收所分离的相干光；
信息获取单元，被配置为基于相干光的强度来获取关于物体的信息。
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