DE112008000772T5

DE112008000772T5 - Superlumineszente lichtemittierende Diode

Info

Publication number: DE112008000772T5
Application number: DE112008000772T
Authority: DE
Inventors: Kiichi Fukuoka-shi Hamamoto
Original assignee: Kyushu University NUC
Current assignee: Kyushu University NUC
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2010-04-08
Also published as: JP5616629B2; US8295663B2; WO2008117527A1; JPWO2008117527A1; US20100040323A1

Abstract

Superlumineszente lichtemittierende Diode mit:
einem Halbleitersubstrat;
einem optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
einem ersten optischen Wellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, dessen eines Ende optisch an ein Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters angeschlossen ist und dessen anderes Ende eine erste lichtemittierende Kante bildet; und
einem zweiten optischen Wellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, dessen eines Ende optisch an das andere Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter angeschlossen ist, und dessen anderes Ende eine zweite lichtemittierende Kante bildet,
wobei jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter eine Breite kleiner als die Breite des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters hat,
die erste lichtemittierende Kante zu einer optischen Achse des ersten optischen Wellenleiters an dem anderen Ende des ersten optischen Wellenleiters geneigt ist, und
die zweite lichtemittierende Kante zu der optischen Achse des zweiten optischen Wellenleiters an dem anderen Ende des zweiten optischen Wellenleiters geneigt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine superlumineszente lichtemittierende Diode und insbesondere eine optische Wellenleiterstruktur, die einen hohen optischen Ausgang zuführt.
STAND DER TECHNIK
Vor Kurzem wurde die Forschung und Entwicklung bezüglich einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode (SLED), von der, verglichen mit einem Halbleiterlaser, eine überragende lichtemittierende Wellenlängenbreite (gleich oder größer als mehrere zehn nm in halber Breite) und ein überragender lichtemittiernder Ausgang erwartet wird, aktiv vorangetrieben. Anders als der Halbleiterlaser, der für die Kommunikation oder dergleichen verwendet wird, hauptsächlich deshalb, weil diese superlumineszente lichtemittierende Diode eine interferenzfreie Lichtquelle ist oder in der Lage ist, ein breites Wellenlängenband mit einer Lichtquelle abzudecken. Ein repräsentatives Beispiel, das eine frühere Charakteristik verwendet, ist eine optisch kohärente Tomographie (OCT) und die letztgenannte Charakteristik ist ein Wellenlängenteilungsmultiplex (WDM) oder dergleichen.
Anders als eine LED des Standes der Technik ist es allgemein bekannt, dass insbesondere die superlumineszente lichtemittierende Diode verglichen mit der LED einen hohen optischen Ausgang erzielen kann, da in einem lichtemittierenden Prinzip eine stimulierte Emission enthalten ist. Da die vorstehend genannte SLED auch für die OCT oder optische Kommunikation oder dergleichen verwendet wird, ist sie in einem nahen Infrarotlichtwellenlängenband (beispielsweise 850 nm-Band, 1300 nm-Band, 1550 nm-Band oder dergleichen) in praktische Verwendung genommen worden.

[Patentdokument 1] Offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nummer 11-068241
[Patentdokument 2] Offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nummer 11-068240

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DAS DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEM
Obwohl die vorstehend genannte SLED verglichen mit der LED einen großen Lichtemissionsausgang hat, besteht vom Standpunkt der Hochleistung der OCT oder der WDM Lichtquelle der Bedarf nach einem noch höheren optischen Ausgang. Im Allgemeinen werden als die Rate begrenzende Faktoren des optischen Ausgangs der SLED bis heute ähnlich wie beim Halbleiterlaser drei Faktoren in Betracht gezogen, nämlich (1) Wärmesättigung (Sättigung infolge von Wärmeerzeugung gemäß der Strominjektion), (2) räumliches Lochbrennen (Verringerung des Verstärkungsgrades infolge des eigenen optischen Ausgangs), und (3) sprunghaft auftretender optischer Zerstörungs-(COD)-Pegel. Effektive Maßnahmen sind Flächenvergrößerung einer lichtemittierenden Region (aktive Schicht) für (1), Photonendichtereduktion in einer maximalen optischen Ausgangsposition innerhalb eines optischen Wellenleiters für (2) beziehungsweise Photonendichtereduktion in einer lichtemittierenden Kante für (3).
Wie in einer Vorrichtung, die eine einzige Wellenlänge oder ein relativ enges Wellenlängenband hat wie eine lichtaktive Vorrichtung, die eine lichtemittierende Wellenlänge (hauptsächlich Licht mit geführten Moden) hat, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser oder ein optischer Halbleiterverstärker etc., und dann wird weiter ein optischer Einzelmodenausgang benötigt, ist ein Mechanismus mit hohem Ausgang, der eine aktive MMI-Struktur verwendet, als ein Lösungsmechanismus für die vorstehend genannten drei Probleme (1) bis (3) in den Patentveröffentlichungen wie beispielsweise dem Patentdokument 1 ( offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nummer 11-068241 ) und dem Patentdokument 2 ( offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nummer 11-068240 ) oder dergleichen vorgeschlagen worden.
Da jedoch eine der wichtigsten Eigenschaften der superlumineszenten lichtemittierenden Diode eine breite Lichtemissionsbandbreite (wenigstens mehrere zehn nm oder darüber) ist, wurde es als schwierig angesehen, die aktive MMI-Struktur bis heute anzuwenden. Der Grund liegt darin, dass wenn es für eine Multimoden-Interferenzregion allgemein bekannt ist, eine Wellenlängenabhängigkeit zu haben und die lichtemittierende Wellenlänge von einer zentralen Wellenlänge der Multimodeninterferenzregion betrachtet, gleich oder größer als zehn nm ist, für die lichtemittierende Wellenlänge ein selbstbilderzeugendes Phänomen nicht vollständig auftritt, so dass es zu einem Problem führt, dass in der superlumineszenten lichtemittierenden Diode, die die ursprünglich breite lichtemittierende Bandbreite hat, die lichtemittierende Bandbreite am Anfang nicht breit ist. Wenn der hohe optische Ausgang, der bei Anwenden der aktiven MMI-Struktur erzielt wird, von der optischen Wellenlänge geliefert wird, tritt zusätzlich ein Problem auf, dass die interne Oszillation gerade nicht ausreichend unterdrückt wird, um auf beiden Kanten des elektrischen Wellenleiters eine antireflektierende Beschichtung auszuführen.
Angesichts des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine superlumineszente lichtemittierende Diode zu schaffen, die eine optische Wellenleiterstruktur hat, welche einen hohen optischen Ausgang liefert.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine superlumineszente lichtemittierende Diode geschaffen, mit: einem Halbleitersubstrat; einem optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; einem ersten optischen Wellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, dessen eines Ende optisch an ein Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters angeschlossen ist, und dessen anderes Ende eine erste lichtemittierende Kante bildet; und einem zweiten optischen Wellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, dessen eines Ende an das andere Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters angeschlossen ist, und dessen anderes Ende eine zweite lichtemittierende Kante bildet. In der superlumineszenten lichtemittierenden Diode hat jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter eine Breite kleiner als die Breite des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters, und die erste lichtemittierende Kante ist zu einer optischen Achse des ersten optischen Wellenleiters am anderen Ende des ersten optischen Wellenleiters geneigt und die zweite lichtemittierende Kante ist zur optischen Achse des zweiten optischen Wellenleiters an dem anderen Ende des zweiten optischen Wellenleiters geneigt.
Die ersten und zweiten optischen Wellenleiter können in einer geneigten Richtung zu den ersten und zweiten lichtemittierenden Kanten angeordnet sein.
Die ersten und zweiten optischen Wellenleiter sollten Einzelmoden-Wellenleiter sein.
Alternativ kann jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter ein Sekundärmoden-Grenzwellenleiter sein.
Ferner ist es wünschenswert, dass erste und zweite sich verjüngende optische Wellenleiter zwischen einem Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters und einem Ende des ersten optischen Wellenleiters vorgesehen sind, und dass die ersten und zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiter eine Breite haben, die sich von dem einen Ende des ersten optischen Wellenleiters in Richtung auf das eine Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters graduell vergrößert.
Ferner ist es wünschenswert, dass ein dritter und ein vierter sich verjüngender optischer Wellenleiter zwischen dem einen Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters vorgesehen sind, und dass die dritten und vierten sich verjüngenden optischen Welleinleiter eine Breite haben, welche sich von dem einen Ende des zweiten optischen Wellenleiters in Richtung auf das eine Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters hin graduell vergrößert.
Zusätzlich können der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter, der erste optische Wellenleiter und der zweite optische Wellenleiter eine lichtemittierende Schicht, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, eine Mantelschicht, die auf der lichtemittierenden Schicht ausgebildet ist, und eine Kontaktschicht, die auf der Mantelschicht ausgebildet ist, aufweisen, sodass die lichtemittierende Schicht eine optische Wellenleiterstruktur hat.
Ferner kann jede der ersten und zweiten lichtemittierenden Kanten eine niedrig reflektierende Kante sein.
Die superlumineszente lichtemittierende Diode gemäß der vorliegenden Erfindung wirkt als eine lichtemittierende Diode, um verglichen mit dem Stand der Technik insbesondere einen hohen optischen Ausgang zu erzielen.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Eine erste Wirkung der vorliegenden Erfindung ist es, dass der hohe optische Ausgang ohne Verlust an lichtemittierender Effizienz erzielt werden kann. Eine zweite Wirkung besteht darin, dass der hohe optische Ausgang erzielt werden kann, ohne dass das lichtemittierende Band eng gestaltet wird, während der hohe optische Ausgang erzielt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Schnittansicht der Struktur des optischen Wellenleiters entlang der Linie A-A' in 1;
3 zeigt eine Erläuterung der Wellenlängenabhängigkeit der Durchlässigkeit in der optischen Wellenleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung;
4(a) und (b) zeigen ein Verfahren zur Herstellung der superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 4A den Querschnitt nach einem MOCVD-Vorgang und 4B den Querschnitt nach der Ausbildung einer Maske zeigt;
5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung der superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei
5 einen Querschnitt nach einem ICP-Ätzvorgang und 56 einen Querschnitt nach dem Entfernen einer Maske zeigt;
6 zeigt schematisch eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt schematisch eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 zeigt schematisch eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

100: Substrat
101: erster optischer Wellenleiter
102: optischer Multimoden-Interferenzwellenleiter
103: zweiter optischer Wellenleiter
104,: 105 sich verjüngender optischer Wellenleiter
106: dritter optischer Wellenleiter
109: Winkel zu einer vertikalen Linie zu einer lichtemittierenden Kante 121
121: lichtemittierende Kante
201: n-InP-Substrat
202: n-InP-Pufferschicht
203: InGaAsP/InGaAsP-1.3 μm-Band lichtemittierende Schicht
204: erste p-InP-Mantelschicht
205: p-InGaAsP-Ätzstoppschicht
206: zweite p-InP-Mantelschicht
207: p-InGaAs-Kontaktschicht
401: n-InP-Substrat
402: Maske
403: Rippe
404: SiO₂-Film

BESTE ART DER DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden nun im Folgenden beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben. 1 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt schematisch eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode als einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein erster optischer Wellenleiter 101, ein optischer Multimoden-Interferenzwellenleiter 102, ein zweiter optischer Wellenleiter 103, ein erster sich verjüngender optischer Wellenleiter 104 und ein zweiter sich verjüngender optischer Wellenleiter 105 sind auf einem Halbleitersubstrat 100 integriert.
Ein Ende des ersten optischen Wellenleiters 101 ist optisch an ein Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 angeschlossen und das andere Ende des ersten optischen Wellenleiters bildet eine erste lichtemittierende Kante (linke lichtemittierende Kante 121). Ein Ende des zweiten optischen Wellenleiters 103 ist optisch an das andere Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 angeschlossen und das andere Ende des zweiten optischen Wellenleiters bildet eine zweite lichtemittierende Kante (rechte lichtemittierende Kante 121). Jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter 101 und 103 hat eine Breite, die kleiner als die Breite des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 ist, um ein Einzelmoden-Licht zu generieren. Die erste lichtemittierende Kante ist zu einer optischen Achse des ersten optischen Wellenleiters 101 am anderen Ende des ersten optischen Wellenleiters 101 geneigt und die zweite lichtemittierende Kante ist zu einer optischen Achse des zweiten optischen Wellenleiters 103 an dem anderen Ende des zweiten optischen Wellenleiters 103 geneigt.
Zwischen dem einen Ende (linken Ende) des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 und einem Ende des ersten optischen Wellenleiters 101 sind zweistufige, sich verjüngende optische Wellenleiter (erste und zweite sich verjüngende optische Wellenleiter) 104 und 105 vorgesehen. Die Breiten dieser sich verjüngenden optischen Wellenleiter 104 und 105 sind von einem Ende des ersten optischen Wellenleiters 101 in Richtung auf ein Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 graduell vergrößert. Insbesondere ist die Wellenleiterlänge des sich verjüngenden optischen Wellenleiters 104 länger als die des sich verjüngernden optischen Wellenleiters 105 und die Neigungswinkel (Winkel zwischen der optischen Achse und den sich verjüngenden Teilen) der sich verjüngenden Teile der sich verjüngenden optischen Wellenleiter 105 und 104 sind zueinander verschieden. Ferner ist der Neigungswinkel des sich verjüngenden Teils des sich verjüngenden optischen Wellenleiters 105 größer als der Neigungswinkel des sich verjüngenden Teils des sich verjüngenden optischen Wellenleiters 104.
Die zweitstufigen sich verjüngenden optischen Wellenleiter (dritte und vierte sich verjüngende optische Wellenleiter) 104 und 105 sind ebenso zwischen dem anderen Ende (rechten Ende) des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 und einem Ende des zweiten optischen Wellenleiters 103 angeordnet. Die Breiten dieser sich verjüngenden optischen Wellenleiter 104 und 105 werden von einem Ende des zweiten optischen Wellenleiters 103 in Richtung auf das andere Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 graduell größer. Insbesondere ist die Wellenleiterlänge des sich verjüngenden optischen Wellenleiters 104 länger als die des sich verjüngenden optischen Wellenleiters 105 und die Neigungswinkel der sich verjüngenden Teile der sich verjüngenden optischen Wellenleiter 105 und 104 sind zueinander verschieden. Ferner ist der Neigungswinkel des sich verjüngenden Teils des sich verjüngenden optischen Wellenleiters 105 größer als der Neigungswinkel des sich verjüngenden Teils des sich verjüngenden optischen Wellenleiters 104.
Gemäß der Ausführungsform beträgt eine Wellenleiterbreite des ersten optischen Wellenleiters 101 und des zweiten optischen Wellenleiters 103 ungefähr 2 μm, eine optische Wellenleiterbreite an einer Anschlussstelle des ersten sich verjüngenden optischen Wellenleiters an den zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiter beträgt ungefähr 4 μm und eine Wellenleiterbreite des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 beträgt ungefähr 10 μm.
Eine Länge des ersten optischen Wellenleiters 101 beträgt ungefähr 200 μm, eine Länge des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 beträgt ungefähr 310 μm, eine Länge des zweiten optischen Wellenleiters 103 beträgt ungefähr 200 μm, eine Länge des ersten sich verjüngenden optischen Wellenleiters 104 beträgt ungefähr 40 μm und eine Länge des zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiters 105 beträgt ungefähr 5 μm.
Ein Winkel 109 zwischen einer Richtung einer Lichtachse des ersten optischen Wellenleiters 101 und des zweiten optischen Wellenleiters 103 und einer vertikalen Linie zu einer lichtemittierenden Kante 101 ist θ = 12 Grad. Vorzugsweise ist der Winkel 109 gleich oder größer als 3 Grad bis gleich oder kleiner als 20 Grad, und insbesondere gleich oder größer als 5 Grad bis gleich oder weniger als 20 Grad. Wenn der Winkel 109 klein ist, kann ferner interne Oszillation nicht unterdrückt werden und wenn im Gegensatz hierzu der Winkel 109 groß ist, ist es schwierig, eine optische Kopplung von emittiertem Licht und einer optischen Faser mit guter Effizienz durchzuführen. Das heißt, wenn der Winkel 109 übermäßig klein ist (insbesondere der Winkel kleiner als 3 Grad ist), steigt die Menge des rückgeführten Lichtes, welches durch die lichtemittierende Kante 121 reflektiert wird. Aus diesem Grund kann es nicht möglich sein, die interne Oszillation zu unterdrücken und es ist schwierig, eine ausgezeichnete lichtemittierende Wellenlängencharakteristik ohne Welligkeit zu erzielen. Wenn andererseits der Winkel 109 übermäßig groß ist (insbesondere der Winkel 20 Grad überschreitet), wird von der lichtemittierenden Kante 121 emittiertes Licht gebrochen. Aus diesem Grund kann Licht in ein optisches System (nicht dargestellt), wie beispielsweise eine optische Faser oder eine Linse, nicht effektiv eintreten und die Verbindungsfähigkeit zwischen der lichtemittierenden Kante 121 und dem optischen System, wie beispielsweise einer optischen Faser oder einer Linse, verschlechtert sich. Es kann eine optische Komponente zum Leiten des Lichtes, welches von der lichtemittierenden Kante (121) emittiert worden ist, zu dem optischen System, wie beispielsweise einer optischen Faser oder einer Linse, vorgesehen sein.
Eine Querschnittstruktur des optischen Wellenleiters entlang der Linie A-A' in 1 ist eine Rippenstruktur, die aus einem allgemeinen Multiquantentopf konfiguriert ist, wie dies in der Querschnittsansicht in 2 gezeigt ist.
Der erste optische Wellenleiter 101, der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 102, der zweite optische Wellenleiter 103, der erste sich verjüngende optische Wellenleiter 104 und der zweite, sich verjüngende optische Wellenleiter 105 haben die gleiche Schichtstruktur haben jedoch einen Unterschied in der Wellenleiterbreite.
Die in der 2 gezeigte Querschnittstruktur hat eine n-InP-Pufferschicht 202, eine InGaAsP/InGaAsP-1.3 μm-Bandlichtemittierende Schicht 203, eine erste p-InP-Mantelschicht 204, eine p-InGaAsP-Ätzstoppschicht 205, eine zweite p-InP-Mantelschicht 206 und eine p-InGaAs-Kontaktschicht 207, die auf einem n-InP-Substrat 201 ausgebildet sind. Die InGaAsP/InGaAsP-1.3 μm-Band-lichtemittierende Schicht 203 ist eine allgemeine lichtemittierende Schicht, die aus einer separaten Begrenzungs-Heterostruktur (SCH) und dem Multiquantentopf gebildet ist.
Was die Dicken jeder Schicht betrifft, ist die n-InP-Pufferschicht 202 ungefähr 100 nm dick, die InGaAsP/InGaAsP-1.3 μm-Bandlichtemittierende Schicht 203 100 nm, die erste p-InP-Mantelschicht 204 ungefähr 200 nm, eine p-InGaAsP-Ätzstoppschicht ungefähr 10 nm eine zweite p-InP-Mantelschicht 206 ungefähr 800 nm und eine p-InGaAs-Kontaktschicht 207 ungefähr 150 nm dick. Daraus ist eine Mehrschichtstruktur gebildet.
Um eine Rippenstruktur zu bilden, werden die p-InGaAs-Kontaktschicht 207 und die zweite p-InP-Mantelschicht 206 durch ein Ätzen in einer nicht geführten Region entfernt, wie dies in der 2 gezeigt ist.
Der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 kann wie folgt unter Verwendung von beispielsweise einer bekannten Multimoden-Interferenz-(MMI)-Theorie gestaltet sein.
Eine Gleichung für die Bitlänge (L_π), die erforderlich ist, um die Länge des optischen Multimoden-Interferrenzwellenleiters 102 zu erhalten, kann durch die folgende erste Gleichung repräsentiert sein. We = W1 + (λ0/π)(Nc/Nr)2σ(Nr2 – Nc2)–1/2 Lπ = 4 NrWe 2/3 λ0 [Gleichung 1]
Hierbei bezeichnet L_π die Bitlänge, W1 die Breite einer Multimoden-Interferenzregion, Nr den Brechungsindex eines Wellenleiters, Nc den Brechungsindex des Mantels und λ₀ eine optische Wellenlänge. Ferner ist in einem TE-Modus σ gleich 0 und in einem TM-Modus σ gleich 1.
Wenn die Länge L der Multimoden-Interferenzregion durch die folgende zweite Gleichung repräsentiert ist, kann der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 als 1·N optische Wellenleiter betrieben werden. L = (3/4N)Lπ [Gleichung 2] (N ist eine positive ganze Zahl)
Hierbei bezeichnet N eine positive ganze Zahl, das heißt die Anzahl der Zweigwellenleiter, und N ist bei dieser Ausführungsform 1. Wenn ferner die Multimoden-Interferenzregion durch die folgende dritte Gleichung repräsentiert ist, kann der optische Multimoden-Interferenzweilenleiter 102 als N·N optische Wellenleiter betrieben werden, die N Zweigwellenleiter für Lichteinfall und N Zweigwellenleiter für Lichtemission umfassen. L = (3/N)Lπ [Gleichung 3] (N ist eine positive ganze Zahl)
Bei dieser Ausführungsform ist jedoch N gleich 1.
Wenn der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 unter Verwendung der ersten oder zweiten Gleichung gestaltet ist, müssen diese theoretischen Gleichungen nicht exakt erfüllt werden. Beispielsweise ist es für den Fachmann allgemein bekannt, dass der Multimoden-Interferenzwellenleiter erzielt werden kann, wenn die Länge des Multimoden-Interferenzwellenleiters um ungefähr 10% von den Werten abweicht, die durch die theoretischen Gleichungen erhalten werden.
Es kann möglich sein, die Länge L der Multimoden-Interferenzregion und die Breite W₁ der Multimoden-Interferenzregion durch die Verwendung der ersten bis dritten Gleichungen zu optimieren.
Im Folgenden wird in Begriffen der superlumineszenten lichtemittierenden Diode der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ein Prinzip erläutert, dass den hohen optischen Ausgang ohne Verlust der lichtemittierenden Effizienz und den hohen optischen Ausgang, ohne dass das lichtemittierende Wellenlängenband nahezu eng gemacht wird, erzielen kann.
Im Allgemeinen werden als die Rate begrenzende Faktoren des optischen Ausgangs der SLED bis heute, ähnlich wie beim Halbleiterlaser, drei Faktoren betrachtet, (1) Wärmesättigung (Sättigung infolge der Wärmeerzeugung gemäß der Strominjektion), (2) räumliches Lochbrennen (Verstärkungsreduktion infolge des eigenen optischen Ausgangs), und (3) sprunghaft auftretender optischer Zerstörungs-(COD)-Pegel. Effektive Maßnahmen sind Flächenvergrößerung einer lichtemittierenden Region (aktive Schicht) als effektive Maßnahme für (1), Photonendichtereduktion in einer optischen Maximalausgangsposition innerhalb eines optischen Wellenleiters für (2) beziehungsweise Photonendichtereduktion in einer lichtemittierenden Kante für (3).
Wie in dem Halbleiterlaser oder einem optischen Halbleiterverstärker oder dergleichen wird, wenn eine Vorrichtung die lichtemittierende Wellenlänge (Licht der hauptsächlich geführten Moden) verwendet, die als eine einzelne Wellenlänge oder ein relativ enges Wellenlängenband beanstandet wird, der Mechanismus mit hohem Ausgang, der eine aktive MMI-Struktur als einen Mechanismus für die vorstehend genannten drei Probleme verwendet, in dem Patentdokument 1 und dem Patentdokument 2 oder dergleichen vorgeschlagen.
Da jedoch eine der wichtigen Eigenschaften der superlumineszenten lichtemittierenden Diode eine breite lichtemittierende Bandbreite (wenigstens mehrere 10 nm oder mehr) ist, wurde es bis heute als schwierig erachtet, die aktive MMI-Struktur anzuwenden. Der Grund dafür liegt darin, dass es für eine Multimoden-Interferenzregion allgemein bekannt ist, dass sie eine Wellenlängenabhängigkeit hat, was dadurch zu einem Problem führt, dass in der superlumineszenten lichtemittierenden Diode, die die ursprüngliche breite lichtemittierende Bandbreite hat, die lichtemittierende Bandbreite am Anfang nicht breit ist.
3 ist ein Diagramm, dass das Ergebnis der Simulation zur Erläuterung des Vorstehenden zeigt, die Erzeugung oder Nichterzeugung eines übermäßigen Verlustes in dem gesamten Wellenleiter als Durchlässigkeitsgrad repräsentiert, und die Wellenlängenabhängigkeit des Durchlässigkeitsgrades in der aktiven MMI-Struktur des Standes der Technik (Struktur, bei der sowohl der erste sich verjüngende optische Wellenleiter 104 als auch der zweite sich verjüngende optische Wellenleiter 105 nicht verbunden sind) in einer gestrichelten Linie und die Wellenlängenabhängigkeit des Durchlässigkeitsgrades in der optischen Wellenleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung in einer durchgezogenen Linie zeigt.
Wie aus der 3 klar zu ersehen ist, wird der hohe Durchlässigkeitsgrad (das heißt ein kleiner übermäßiger Verlust) in dem breiten Wellenlängenbereich durch Anwendung der vorliegenden Erfindung erzielt, als ein Ergebnis ist die breite lichtemittierende Bandbreite der Charakteristik der superlumineszenten lichtemittierenden Diode gesichert. Insbesondere kann es möglich sein, einen hohen Durchlässigkeitsgrad (das heißt einen kleinen übermäßigen Verlust) in dem breiten Wellenlän genbereich durch die zweistufigen, sich verjüngenden, optischen Wellenleiter 104 und 105 zu erzielen.
Die lichtemittierende Schicht 203 der vorliegenden Erfindung ist das 1,3 μm-Band, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Daher kann die vorliegende Erfindung in allen Wellenlängenbändern angewandt werden. Die Materialgruppe ist eine allgemeine InP/InGaAsP-Gruppe; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise InP/InGaAIAs verwenden und kann selbstverständlich die Materialgruppen verwenden, die für andere Wellenlängenbänder, wie beispielsweise sichtbares Lichtband, geeignet sind.
Die Schichtstruktur der lichtemittierenden Schicht 203 ist auch ein allgemeiner Multiquantentopf, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann auch an einer lichtemittierenden Schicht 203 mit einer Schichtstruktur eines Verzerrungs-Quantentopfs oder einer allgemeinen lichtemittierenden Großschicht angewandt werden.
Die optische Wellenleiterstruktur ist die Rippenstruktur, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auch an einer eingebetteten Struktur angewandt werden. Obwohl sowohl der erste optische Wellenleiter 101 als auch der zweite optische Wellenleiter 103 auch Einzelmodenwellenleiter sind, müssen sie nicht notwendigerweise Einzelmodenwellenleiter sein. Daher kann die vorliegende Erfindung auch an dem ersten optischen Wellenleiter 101 und dem zweiten optischen Wellenleiter 103 angewandt werden, die als ein Sekundärmoden-Grenzwellenleiter konfiguriert sind.
Obwohl der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 an einer zentralen Position in einer Führungsrichtung angeordnet ist, ist es ebenfalls nicht notwendig, den optischen Wellenleiter 102 in der zentralen Position anzuordnen. Zusätzlich ist die Anzahl der optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 nicht notwendigerweise nur eins innerhalb eines Hohlraumes. Ferner ist es im Allgemeinen ausreichend für die superlumineszente lichtemittierende Diode, dass sie an der Kante von wenigstens einem der ersten und zweiten Wellenleiter 102 und 103 Licht emittiert. Aus diesem Grund ist ein Photodetektor für einen Monitor an die Kante des anderen der ersten und zweiten optischen Wellenleiter 101 und 103 optisch angeschlossen. Der Photodetektor für einen Monitor kann außerhalb der superlumineszenten lichtemittierenden Diode angeordnet sein oder kann sukzessive in den ersten oder zweiten optischen Wellenleiter 101 oder 103 in einer monolitischen oder hybriden Weise integriert sein.
Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 4(a), 4(b), 5(a) und 5(b) erläutert. Die 4(a), 4(b), 5(a) und 5(b) sind Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der superlumineszenten lichtemittierenden Diode.
Zunächst werden die n-InP-Pufferschicht, die InGaAsP/InGaAsP-1.3 μm-Bandlichtemittierende Schicht 203, die erste p-InP-Mantelschicht 204, die p-InGaAsP-Ätzstoppschicht 205, die zweite n-InP-Mantelschicht 206 und die p-InGaAs-Kontaktschicht 207 auf ein allgemeines n-InP-Substrat 401 durch ein MOCVD-Verfahren aufgewachsen (4(a)).
Als Nächstes wird eine Maske 402 in einer Wellenleiterform unter Verwendung eines photolitographischen Verfahrens durch einen Stepper (Reduktionsprojektionsbelichtung) ausgebildet (4(b)).
Eine Rippe 403 wird durch Durchführen des Ätzens unter Verwendung der Maske durch induktiv gekoppeltes Plasma-(ICP)-Verfahren ausgebildet (5(a)).
Danach wird ein SiO₂-Film 404 auf einer gesamten Oberfläche durch ein thermisches CVD-Verfahren abgeschieden, der SiO₂-Film direkt oberhalb der Rippe wird unter Verwendung des Photolitographieverfahrens durch den Stepper (Reduktionsprojektionsbelichtung) (5(b)) entfernt, und ein oberes Elektrodenmaterial, das Ti/Pt/Au enthält, wird durch ein Elektrodenstrahlverdampfungsverfahren ausgebildet.
Darauffolgend wird eine Rückseite eines Wafers poliert, um eine rückwärtige Elektrode bestehend aus Ti/Au zu bilden, eine Kantenspaltung in der lichtemittierenden Kantenposition und der rückwärtigen Kante der Vorrichtung durchgeführt, und es wird eine Beschichtung mit einem niedrig reflektierenden Film (Spiegel mit geringem Reflektionsvermögen) an der Kante der Vorrichtung durchgeführt, so dass die Herstellung der Vorrichtung beendet ist.
Es kann irgendein niedrig reflektierender Film verendet werden, wenn dieser Licht durchlassen kann. Daher kann der niedrig reflektierende Film auf unterschiedlichen Kanten des optischen Auftreffwellenleiters 101 und des emittierenden optischen Wellenleiters 103 ausgebildet werden.
Das Reflektionsvermögen des niedrig reflektierenden Films kann beispielsweise gleich oder weniger als 0,1% sein. Der niedrig reflektierende Film kann als eine Einzelschicht oder eine Mehrfachschicht durch übereinander Aufbringen von dünnen Filmen aus unterschiedlichen Materialien realisiert werden. Als wichtige Faktoren für die Leistung des niedrig reflektierenden Films ist das Reflektionsvermögen in dem Licht reflektierenden Band gering.
Die Gestaltung der Materialien ist gemäß der zu verwendenden Wellenlänge geeignet zu ändern. Beispielsweise können Oxide, wie beispielsweise SiO₂, SiNO_x, AlO_x oder Tantalpentoxid, und Fluoridverbindungen wie beispielsweise Lanthanfluorid verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform kann es vorzuziehen sein, SiO₂ zu verwenden.
Weiterhin ist es bezüglich der Erzielung eines niedrigen Reflektionsvermögens bei dieser Ausführungsform vorzuziehen, die Beschichtung mit einem niedrig reflektierenden Film durch ein Zerstäubungsverfahren durchzuführen, das eine ausgezeichnete Filmdickensteuerbarkeit hat, was für die Erzielung einer niedrig reflektierenden Eigenschaft wichtig ist, so dass ein niedrig reflektierender Film, der ein dünner SiO₂-Einzelfilm ist, als ein Viertelwellenlängenfilm erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet den Stepper für die Photolitographie, ist jedoch auch nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann eine Elektronenstrahlbelichtung angewandt werden. Als ein Verfahren zum Ausbilden des SiO₂-Films 404 wird das thermische CVD-Verfahren verwendet, beispielsweise kann auch ein Plasma-CVD-Verfahren oder ein Zerstäubungsverfahren verwendet werden. Das ICP-Verfahren als ein Verfahren zum Ausbilden eines Mesas ist nicht darauf begrenzt, beispielsweise kann auch ein RIE-Verfahren und ein Nassätzverfahren verwendet werden. Ferner sind auf der Oberfläche eines Wafers nach der Ausbildung eines Mesas gestufte Teile ausgebildet. Ein Einbettungsverfahren, das ein Material wie beispielsweise Benzocyclobuten (BCB) oder Polyimid verwendet, ist allgemein bekannt, um den Wafer durch Ausführen der gestuften Teile zu planieren. Demgemäß kann das gleiche Einbettverfahren auch für die Erfindung angewandt werden. In dieser Ausführungsform wird eine niedrig reflektierende Beschichtung durch ein Zerstäubungsverfahren durchgeführt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt und die niedrig reflektierende Beschichtung kann beispielsweise durch ein ECR-CVD-Verfahren durchgeführt werden, welches ein Elektronenzyklotronresonanz-(ECR)-Phänomen verwendet.
(Zweite Ausführungsform)
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben. 6 ist eine Aufsicht, die in schematischer Darstellung eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
6 zeigt schematisch eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode als einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ähnlich der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sind der erste optische Wellenleiter 101, der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 102, der zweite optische Wellenleiter 103, der erste sich verjüngende optische Wellenleiter 104 und der zweite sich verjüngende optische Wellenleiter 105 auf dem Substrat 100 integriert.
In der zweiten Ausführungsform ist der einzige Unterschied zu der ersten Ausführungsform der, dass die Länge des ersten optischen Wellenleiters 101 ungefähr 150 μm und die Länge des zweiten optischen Wellenleiters 103 ungefähr 50 μm ist. Alles andere ist das Gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Eine Querschnittsstruktur des optischen Wellenleiters entlang der Linie A-A' in 6 ist ebenfalls die Rippenstruktur, unter Verwendung der lichtemittierenden Schicht, die aus dem allgemeinen Multiquantentopf konfiguriert ist, wie dies ähnlich der ersten Ausführungsform in der 2 gezeigt ist.
Im Nachfolgenden wird im Hinblick auf die superlumineszente, lichtemittierende Diode der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ein Prinzip erläutert, das den hohen optischen Ausgang ohne Verlust der lichtemittierenden Effizienz und den hohen optischen Ausgang, ohne dass das lichtemittierende Wellenlängenband nahezu eng gestaltet werden muss, erzielt werden kann.
Wie in der ersten Ausführungsform werden als die Rate begrenzende Faktoren des optischen Ausgangs der SLED bis heute, ähnlich dem Halbleiterlaser, drei Faktoren betrachtet, wie (1) Wärmesättigung (Sättigung infolge von Wärmeerzeugung gemäß der Strominjektion), (2) räumliches Lochbrennen (Verstärkungsreduktion infolge des eigenen optischen Ausgangs) und (3) sprunghaft ansteigende optische Zerstörungs-(COD)-Pegel. Effektive Maßnahmen sind Flächenvergrößerung einer lichtemittierenden Region (aktive Schicht) für (1), Photonendichtereduktion in einer optischen Maximumsausgangsposition innerhalb eines optischen Wellenleiters für (2) beziehungsweise Photonendichtereduktion in einer lichtemittierenden Kante für (3).
Wie vorstehend angegeben, wurde es bis heute als schwierig angesehen, die aktive MMI-Struktur anzuwenden, da eine der wichtigsten Eigenschaften der superlumi neszenten lichtemittierenden Diode ein breites lichtemittierendes Band (wenigstens mehrer zehn nm oder mehr) ist. Der Grund liegt darin, dass, wenn es für eine Multimoden-Interferenzregion allgemein bekannt ist, dass sie eine Wellenlängenabhängigkeit hat, was dadurch zu einem Problem führt, dass in der superlumineszenten lichtemittierenden Diode, die die ursprünglich breite lichtemittierende Bandbreite hat, die lichtemittierende Bandbreite am Anfang nicht breit genug ist.
Auch in der optischen Wellenleiterstruktur der superlumineszenten lichtemittierenden Diode ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ist es möglich, die Wellenlängenabhängigkeit des Durchlässigkeitsgrades, der in der 3 mit durchgezogener Linie gezeigt ist, zu realisieren. Kurz gesagt, wie aus der 3 klar zu ersehen ist, wird ein hoher Durchlässigkeitsgrad (das heißt ein kleiner übermäßiger Verlust) in dem breiten Wellenlängenbereich erzielt. Als Ergebnis kann die breite lichtemittierende Bandbreite der Charakteristik der superlumineszenten lichtemittierenden Diode sichergestellt werden.
Zusätzlich hat die zweite Ausführungsform eine Struktur, bei der eine Position in einer geführten Richtung des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 zur lichtemittierenden Kante besonders geschlossen ist. Dadurch werden ein Lochbrenneffekt in der Nähe der lichtemittierenden Kante und der COD-Pegel verbessert und es kann ein höherer optischer Ausgang erzielt werden.
Die lichtemittierende Schicht 203 der vorliegenden Erfindung ist ein 1,3 μm-Band, aber ist ebenfalls nicht darauf begrenzt. Daher kann die vorliegende Erfindung in allen Wellenlängenbändern angewandt werden. Die Materialgruppe ist die allgemeine InP/InGaAIAs-Gruppe; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise InP/InGaAIAs verwenden und kann selbstverständlich die Materialgruppen verwenden, die für alle Wellenlängenbänder geeignet sind.
Die Schichtstruktur der lichtemittierenden Schicht 203 ist der allgemeine Multiquantentopf, aber die vorliegende Erfindung ist auch darauf nicht begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann auch an der lichtemittierenden Schicht 203 mit der Schichtstruktur des Verzerrungs-Quantentopf oder der allgemeinen lichtemittierenden Großschicht angewandt werden.
Die optische Wellenleiterstruktur ist die Rippenstruktur, aber die vorliegende Erfindung ist darauf auch nicht begrenzt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auch bei einer eingebetteten Struktur angewandt werden.
Obwohl sowohl der erste optische Wellenleiter 101 als auch der zweite optische Wellenleiter 103 der Einzelmodenwellenleiter sind, müssen sie auch nicht notwendigerweise der Einzelmodenwellenleiter sein. Daher kann die vorliegende Erfindung auch an dem ersten optischen Wellenleiter 101 und dem zweiten optischen Wellenleiter 103 angewandt werden, die als Sekundärmodus-Grenzwellenleiter konfiguriert sind.
Zusätzlich ist die Anzahl der optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 nicht notwendigerweise nur eins innerhalb eines Hohlraums. Die vorliegende Erfindung hat eine Struktur, bei der der zweite optische Wellenleiter 103 angeordnet ist, aber kann auch bei einer Struktur angewendet werden, bei der der zweite optische Wellenleiter 102 weggelassen ist.
(Dritte Ausführungsform)
Im Nachfolgendem wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. 7 ist eine Draufsicht, die in schematischer Darstellung eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
7 zeigt in schematischer Darstellung einen optischen Wellenleiter einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode als einer dritten Ausfürhungsform der vorliegenden Erfindung. Die superlumineszente lichtemittierende Diode gemäß der dritten Ausführungsform hat eine Struktur bei der drei optische Multimoden-Interferenzwellenleiter in Reihe geschaltet sind. Anders ausgedrückt, der optische Sub-Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 ist zwischen einem ersten optischen Wellenleiter 101 und einem Ende des in der Mitte vorgesehenen Multimoden-Interferenz-Wellenleiters 102 und zwischen dem zweiten optischen Wellenleiter 103 und dem anderen Ende des in der Mitte angeordneten optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters angeordnet. Ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind der erste optische Wellenleiter 101, drei der optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102, der zweite optische Wellenleiter 103, der erste sich verjüngende optische Wellenleiter 104, der zweite sich verjüngende optische Wellenleiter 105 und ein dritter optischer Wellenleiter 106 auf dem Substrat 100 integriert.
Wie aus der 7 zu ersehen ist, ist der einzige Unterschied der dritten Ausführungsform zur ersten Ausführungsform, dass der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 und die ersten sich verjüngenden optischen Wellenleiter 104 und die zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiter 105 vorwärts und rückwärts des Wellenleiters jeweils an drei Stellen angeordnet sind, und der dritte optische Wellenleiter 106 integriert ist. Die anderen Konfigurationen sind die Gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Auch eine Querschnittsstruktur des optischen Wellenleiters entlang der Linie A-A' in 7 ist die Rippenstruktur unter Verwendung der lichtemittierenden Schicht, die aus dem allgemeinen Multiquantentopf konfiguriert ist, wie dies in der 2 ähnlich der ersten Ausführungsform gezeigt ist.
Auch der dritte optische Wellenleiter 106 der vorliegenden Erfindung hat eine Breite von ungefähr 2 μm und eine Länge von 50 μm, ähnlich wie bei dem ersten optischen Wellenleiter 101 und dem zweiten optischen Wellenleiter 103.
Im Folgenden wird bezüglich der superlumineszenten lichtemittierenden Diode der dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ein Prinzip erläutert, das den hohen optischen Ausgang, ohne Verlust der lichtemittierenden Effizienz und den hohen optischen Ausgang ohne dass das lichtemittierende Wellenlängenband nahezu eng gestaltet werden muss, erzielt werden kann.
Ähnlich der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform werden im Allgemeinen als die Rate begrenzende Faktoren des optischen Ausgangs der SLED bis heute, ähnlich dem Halbleiterlaser, drei Faktoren betrachtet (1) Wärmesättigung (Sättigung infolge der Wärmeerzeugung gemäß der Strominjektion), (2) räumliches Lochbrennen (Verstärkungsreduktion infolge des eigenen optischen Ausgangs), und (3) sprunghaft ansteigender optischer Zerstörungs-(COD)-Pegel. Effektive Maßnahmen sind Flächenvergrößerung einer lichtemittierenden Region (aktive Schicht) für (1), Photonendichtereduktion in einer optischen Maximumausgangsposition in nerhalb eines optischen Wellenleiters für (2) beziehungsweise Photonendichtereduktion in einer lichtemittierenden Kante für (3).
Da eines der wichtigen Charakteristika der superlumineszenten lichtemittierenden Diode eine breite lichtemittierende Bandbreite (wenigstens mehrere zehn nm oder mehr) ist, wurde es bis heute als schwierig erachtet, die aktive MMI-Struktur anzuwenden. Der Grund liegt darin, dass, wenn es für eine Multimoden-Interferenzregion allgemein bekannt ist, dass sie eine Wellenlängenabhängigkeit hat, was zu einem Problem führt, dass in der superlumineszenten lichtemittierenden Diode mit der ursprünglich breiten lichtemittierenden Bandbreite die lichtemittierende Bandbreite am Anfang nicht breit ist.
Auch in der optischen Wellenleiterstruktur der superlumineszenten lichtemittierenden Dioden der dritten Ausführungsform wird ein hoher Lichtdurchlässigkeitsgrad (das heißt ein geringer übermäßiger Verlust) in dem breiten Wellenlängenbereich durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erzielt, als ein Ergebnis kann die breite lichtemittierende Bandbreite der Charakteristik der superlumineszenten lichtemittierenden Diode sichergestellt werden.
Zusätzlich hat die dritte Ausführungsform eine Struktur, bei der eine Anzahl von optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 angeordnet sind. Da die lichtemittierende Region weitgehend als die breite Region konfiguriert ist, wird dadurch die Struktur mit niedrigerem elektrischen Widerstand, ausgezeichneter Wärmeabstrahlwirkung und geringerer Photonendichte innerhalb des Wellenleiters erzielt, um einen höheren optischen Ausgang zu erhalten.
Die lichtemittierende Schicht der vorliegenden Erfindung ist das 1,3 μm-Band, ist aber auch nicht darauf begrenzt. Daher kann die vorliegende Erfindung in allen Wellenlängenbändern angewandt werden. Die Materialgruppe ist die allgemeine InP/InGaAsP-Gruppe; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise auch InP/AnGaAIAs verwenden und kann selbstverständlich die Materialgruppen verwenden, die für andere Wellenlängenbänder geeignet sind.
Die Schichtstruktur der lichtemittierenden Schicht 203 ist der allgemeine Multiquantentopf, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann auch an der lichtemittierenden Schicht 203 mit der Schichtstruktur des Verzerrungs-Quantentopf oder der allgemein lichtemittierenden Großschicht angewandt werden.
Die optische Wellenleiterstruktur ist die Rippenstruktur, aber die vorliegende Erfindung ist auch darauf nicht begrenzt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auch an einer eingebetteten Struktur angewandt sein. Obwohl sowohl der erste optische Wellenleiter 101 als auch der zweite optische Wellenleiter 103 Einzelmodenwellenleiter sind, müssen sie auch nicht notwendigerweise Einzelmodenwellenleiter sein. Daher kann die vorliegende Erfindung auch an dem ersten optischen Wellenleiter 101 und dem zweiten optischen Wellenleiter 103, die als Sekundärmoden-Grenzwellenleiter konfiguriert sind, angewandt werden.
Zusätzlich ist die Anzahl der optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 nicht notwendigerweise innerhalb eines Hohlraums drei und es können bei der vorliegenden Erfindung zwei oder vier oder mehr angewandt werden. Obwohl die vorliegende Erfindung eine Struktur hat, bei der der erste optische Wellenleiter 108, der zweite optische Wellenleiter 103 und der dritte optische Wellenleiter 106 die gleiche Länge haben, ist auch die Länge nicht notwendigerweise die Gleiche.
Die vorliegende Erfindung hat eine Struktur, bei der die drei optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 angeordnet sind, ist jedoch nicht darauf begrenzt und es können vier oder mehr bei der vorliegenden Erfindung angewandt sein. Die vorliegende Erfindung hat eine Struktur der ersten und zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiter, ist jedoch auch nicht auf zwei begrenzt. Daher kann die vorliegende Erfindung auch bei einer Struktur angewandt werden, bei der die sich verjüngenden optischen Wellenleiter mit einer Anzahl gleich drei oder höher angeordnet sind.
(Vierte Ausführungsform)
Als Nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben. 8 ist eine Draufsicht, die in schematischer Darstellung eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters einer superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bezugnehmend auf 8 hat eine superlumineszente lichtemittierende Diode gemäß einer vierten Ausführungsform eine Struktur, bei der zwei optische Multimoden-Interferenzwellenleiter 101 und 102 miteinander in Reihe auf einem Halbleitersubstrat 100 geschaltet sind. Anders ausgedrückt, ein optischer Multimoden-Interferenzwellenleiter (optischer Sub-Multimodenwellenleiter) 102 ist zwischen einem ersten optischen Wellenleiter 101 und einem Ende des anderen optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 der zwei optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 angeordnet. Die übrige Struktur ist im Wesentlichen die Gleiche wie die Struktur der ersten Ausführungsform mit Ausnahme der Größe des optischen Wellenleiters oder eines Teils der Schichtstruktur.
Gemäß der vierten Ausführungsform ist eine Wellenleiterbreite des ersten optischen Wellenleiters 101 und des zweiten optischen Wellenleiters 103 ungefähr 4 μm, eine optische Wellenleiterbreite an einer Verbindungsstelle des ersten sich verjüngenden optischen Wellenleiters 104 mit dem zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiters 105 ungefähr 7 μm und eine Wellenleiterbreite des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 ungefähr 10 μm. Die Länge des ersten optischen Wellenleiters 101 beträgt ungefähr 70 μm, die Länge des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters 102 beträgt ungefähr 360 μm, die Länge des zweiten optischen Wellenleiters 103 ist ungefähr 70 μm, die Länge des ersten sich verjüngenden optischen Wellenleiters ist ungefähr 80 μm und die Länge des zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiters 105 ist ungefähr 5 μm.
Ein Winkel 109 zwischen einer Richtung einer Lichtachse des ersten optischen Wellenleiters 101 und des zweiten optischen Wellenleiters 103 und einer vertikalen Linie zu einer lichtemittierenden Kante 121 ist θ = 15 Grad. Vorzugsweise ist der Winkel 109 gleich oder größer als 3 Grad bis gleich oder kleiner als 20 Grad und insbesondere gleich oder größer als 5 Grad bis gleich oder weniger als 20 Grad. Wie vorstehend angegeben, kann, wenn der Winkel 109 klein ist, die interne Oszillation nicht unterdrückt werden und im Gegensatz hierzu ist es, wenn der Winkel 109 groß ist, schwierig, eine optische Kopplung des emittierten Lichtes und einer optischen Faser mit guter Effizienz durchzuführen. Wenn θ gleich 15 ist, beträgt der Winkel des Lichtes, das an der lichtemittierenden Kante 121 emittiert wird, ungefähr 45 Grad. Demgemäß besteht auch ein Vorteil, dass es relativ einfach ist die Richtung einer optischen Achse bei Montieren eines Elementes sichtbar zu bestimmen.
Die Querschnittsstruktur der superlumineszenten lichtemittierenden Diode gemäß der vierten Ausführungsform ist identisch mit der in 2 mit Ausnahme der Zusammensetzung der lichtemittierenden Schicht. Das heißt, in der vierten Ausfüh rungsform ist statt der InGaAsP/InGaAsP-1,3-Band-lichtemittierenden In-GaAsP/InGaAsP-Schicht eine 1,55 μm-lichtemittierende InGaAIAs/InGaAIAs-Schicht ausgebildet. Die das 1,55 μm-Band-lichtemittierende InGaAIAs/InGaAIAs-Schicht ist eine allgemeine lichtemittierende Schicht, die aus einer separaten Begrenzungs-Heterostruktur (SCH) und dem Multiquantentopf konfiguriert ist. Ferner kann die 1,55 μm-Band-lichtemittierende InGaAIAs/InGaAIAs-Schicht durch das MOCVD-Verfahren mit einer Dicke von ungefähr 100 nm ausgebildet sein.
Auch die lichtemittierende Schicht der vierten Ausführungsform ist ein 1,55 μm-Band, ist aber auch nicht darauf begrenzt. Daher kann die vorliegende Erfindung in allen Wellenlängenbändern angewandt werden. Die Materialgruppe ist im Allgemeinen die InP/InGaAIAs-Gruppe, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann auch beispielsweise InP/InGaAsP verwenden und kann selbstverständlich die Materialgruppen verwenden, die für andere Wellenlängenbänder geeignet sind.
Die Schichtstruktur der 1,55 μm-Band lichtemittierenden InGaAIAs/InGaAIAs-Schicht ist der allgemeine Multiquantentopf, aber die vorliegende Erfindung ist auch darauf nicht begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann auch an der lichtemittierenden Schicht mit der Schichtstruktur des Verzerrungs-Quantentopfs oder der allgemeinen lichtemittierenden Großschicht angewandt werden.
Zusätzlich ist die Anzahl der optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter 102 nicht notwendigerweise innerhalb eines Hohlraums nur zwei.
Obwohl die vorliegende Erfindung mittels beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Aus führungsform begrenzt. Es ist für den Fachmann klar zu ersehen, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen realisiert werden kann und ohne Abweichen vom Umfang und Geist der Erfindung modifiziert und geändert werden kann.
Beispielsweise sind, obwohl die erste optische Wellenlänge 101 und die zweite optische Wellenlänge 103 in einer geraden Linie ausgebildet sind, diese nicht darauf begrenzt und die erste optische Wellenlänge 101 und die zweite optische Wellenlänge 103 können eine Krümmung aufweisen, so dass die lichtemittierende Kante 121 mit einem geeigneten Winkel zu einer optischen Achse des ersten optischen Wellenleiters 101 und des zweiten optischen Wellenleiters 103 geneigt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine superlumineszente lichtemittierende Diode mit einer optischen Wellenleiterstruktur geschaffen, die einen besonders hohen optischen Ausgang zuführt. Die superlumineszente lichtemittierende Diode umfasst: einen ersten optischen Wellenleiter, dessen eines Ende optisch an ein Ende eines optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter angeschlossen ist, und dessen anderes Ende eine erste lichtemittierende Kante bildet; und einen zweiten optischen Wellenleiter, dessen eines Ende optische an das andere Ende des optischen Mulitmodus-Interferenzwellenleiter angeschlossen ist und dessen anderes Ende eine zweite lichtemittierende Kante bildet. Jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter hat eine Breite kleiner als die Breite des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 11-068241 [0003, 0005]
- JP 11-068240 [0003, 0005]

Claims

Superlumineszente lichtemittierende Diode mit: einem Halbleitersubstrat; einem optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; einem ersten optischen Wellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, dessen eines Ende optisch an ein Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters angeschlossen ist und dessen anderes Ende eine erste lichtemittierende Kante bildet; und einem zweiten optischen Wellenleiter, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, dessen eines Ende optisch an das andere Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter angeschlossen ist, und dessen anderes Ende eine zweite lichtemittierende Kante bildet, wobei jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter eine Breite kleiner als die Breite des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters hat, die erste lichtemittierende Kante zu einer optischen Achse des ersten optischen Wellenleiters an dem anderen Ende des ersten optischen Wellenleiters geneigt ist, und die zweite lichtemittierende Kante zu der optischen Achse des zweiten optischen Wellenleiters an dem anderen Ende des zweiten optischen Wellenleiters geneigt ist.
Superlumineszente, lichtemittierende Diode nach Anspruch 1, wobei der erste optische Wellenleiter in einer geneigten Richtung zu der ersten lichtemittierenden Kante angeordnet ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Wellenleiter in einer geneigten Richtung zu der zweiten lichtemittierenden Kante angeordnet ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter ein Einzelmodenwellenleiter ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der ersten und zweiten optischen Wellenleiter ein Sekundärmoden-Grenzwellenleiter ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit: einem sich verjüngenden optischen Wellenleiter, der zwischen einem Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter und einem Ende des ersten optischen Wellenleiters angeordnet ist und dessen Breite von dem einen Ende des ersten optischen Wellenleiters sich in Richtung auf das eine Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter graduell vergrößert.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach Anspruch 6, wobei der sich verjüngende optische Wellenleiter erste und zweite sich verjüngende optische Wellenleiter aufweist, und die Neigungswinkel der sich verjüngenden Teile der ersten und zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiter voneinander verschieden sind.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach Anspruch 7, wobei die Wellenleiterlänge des ersten sich verjüngenden optischen Wellenleiters länger als die des zweiten sich verjüngenden optischen Wellenleiters ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin mit: einem sich verjüngenden optischen Wellenleiter, der zwischen dem anderen Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters und einem Ende des zweiten optischen Wellenleiters vorgesehen ist, und dessen Breite sich von dem einen Ende des zweiten optischen Wellenleiters in Richtung auf das andere Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters graduell vergrößert.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach Anspruch 9, wobei der sich verjüngende optische Wellenleiter dritte und vierte sich verjüngende optische Wellenleiter aufweist, und die Neigungswinkel der sich verjüngenden Teile der dritten und vierten sich verjüngenden Wellenleiter zueinander verschieden sind.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach Anspruch 10, wobei die Wellenleiterlänge des dritten sich verjüngenden optischen Wellenleiters länger als die des vierten sich verjüngenden optischen Wellenleiters ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der optische Multimoden-Interferenzwellenleiter, der erste optische Wellenleiter und der zweite optische Wellenleiter eine lichtemittierende Schicht, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, eine Mantelschicht, die auf der lichtemittierenden Schicht ausgebildet ist, und eine Kontaktschicht die auf der Mantelschicht ausgebildet ist, enthalten, und die lichtemittierende Schicht eine optische Wellenleiterstruktur hat.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei jede der ersten und zweiten lichtemittierenden Kanten eine Kante mit niedrigem Reflektionsgrad ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin mit: wenigstens einem optischen Sub-Multimoden-Interferenzwellenleiter, der zwischen dem ersten optischen Wellenleiter und einem Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiters angeordnet ist.
Superlumineszente lichtemittierende Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 14, weiterhin mit: wenigstens einem optischen Sub-Multimoden-Interferenzwellenleiter, der zwischen dem zweiten optischen Wellenleiter und dem anderen Ende des optischen Multimoden-Interferenzwellenleiter angeordnet ist.