JP2006269781A - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路中の活性層領域が端面近傍で途切れる窓領域が少なくとも一方の端面に形成された窓構造を有する半導体発光素子に係り、十分に利得を確保しつつ素子の光出射端面での反射率を低減することができる半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light-emitting device having a window structure in which an active layer region in an optical waveguide is interrupted in the vicinity of an end surface, and has a window structure formed on at least one of the end surfaces. The present invention relates to a semiconductor light emitting device capable of reducing the reflectance.
半導体発光素子は、電子と正孔が結合する際のエネルギー差が光として放出される現象を利用するもので、導波構造等の違いにより発光ダイオード(Light Emission Diode:LED)、スーパールミネッセントダイオード(Superluminescent Diode:SLD)、レーザダイオード(Laser Diode) 等に分類される。いずれも小型、高信頼性、低価格、低消費電力などの優れた特性を有するため、LEDは各種照明や表示装置等に、SLDは各種計測用光源等に、LDは光ファイバ通信や計測用光源、加工機器等に幅広く利用されている。 A semiconductor light-emitting device uses a phenomenon in which an energy difference when electrons and holes are combined is emitted as light. Light-emitting diodes (LEDs) and superluminescents are produced by differences in the waveguide structure. It is classified into a diode (Superluminescent Diode: SLD), a laser diode (Laser Diode), and the like. All have excellent characteristics such as small size, high reliability, low price, and low power consumption. Therefore, LED is used for various lighting and display devices, SLD is used for various measurement light sources, and LD is used for optical fiber communication and measurement. Widely used in light sources and processing equipment.
上記の内、LDは通常、劈開によって形成された端面を2枚有し、これが反射鏡となって光が両者の間を往復しレーザ発振を起こすのであるが、敢えて片方の反射率を極端に下げて光を外部に取りだし、任意の反射鏡と光結合させて発振させる外部共振器型(External Cavity:EC)LDを構成すると、反射鏡に可動式回折格子等を用いることで波長を任意に制御することができ、光部品の波長依存性などを測定する際の計測光源として有用である。また片方の端面の反射率を下げてレーザ発振しなくなった発光素子は、インコヒーレントな光を放出するSLDとして動作する。 Of the above, the LD usually has two end faces formed by cleaving, and this acts as a reflecting mirror to cause light to reciprocate between them, causing laser oscillation. If an external cavity type (External Cavity: EC) LD is configured to oscillate by lowering and extracting light to the outside and optically coupling with an arbitrary reflecting mirror, the wavelength can be arbitrarily set by using a movable diffraction grating or the like for the reflecting mirror. It can be controlled and is useful as a measurement light source when measuring the wavelength dependence of an optical component. In addition, the light-emitting element that does not oscillate by reducing the reflectance of one end face operates as an SLD that emits incoherent light.
従って、EC−LD用発光素子(以下、単にEC−LDと呼ぶ)やSLDでは、レーザ発振しないように端面反射率をできるだけ下げることが望ましい。通常は誘電体多層膜による無反射(Anti-Reflection:AR)コートを施すが、これだけでは0.1%程度までしか反射率を下げることは出来ない。しかもARコートの反射率は波長依存性が大きいため、100nmを超えるような波長可変幅を有するEC−LDや、やはり100nmを超えるような広い発光スペクトル半値幅を有するSLDを実現しようとしても、全ての波長で低い反射率を得ることは出来なかった。なお、反射率が十分に下がらないと、EC−LDでは動作が不安定になったり発振しない波長帯域が生じたりする。またSLDではリップルと呼ばれる発光スペクトルの周期性が現れる。 Therefore, in the light emitting element for EC-LD (hereinafter simply referred to as EC-LD) and SLD, it is desirable to reduce the end face reflectance as much as possible so as not to cause laser oscillation. Usually, a non-reflective (AR) coating with a dielectric multilayer film is applied, but with this alone, the reflectance can only be reduced to about 0.1%. Moreover, since the reflectance of the AR coating is highly wavelength-dependent, even if an EC-LD having a wavelength variable width exceeding 100 nm and an SLD having a wide emission spectrum half-value width exceeding 100 nm are all realized, It was not possible to obtain a low reflectance at a wavelength of. If the reflectance is not lowered sufficiently, the EC-LD may become unstable in operation or generate a wavelength band that does not oscillate. In SLD, periodicity of emission spectrum called ripple appears.
そこで、上記光源における光出射端面での反射率をさらに低減するため、例えば下記特許文献1に開示される窓構造を有する半導体発光素子が知られている。
Therefore, in order to further reduce the reflectance at the light emitting end face of the light source, for example, a semiconductor light emitting element having a window structure disclosed in
図3に示すように、特許文献1に開示される半導体発光素子51は、半導体基板52と、半導体基板52の上面における長尺方向に沿って形成され、第1導電型の第1のクラッド層と活性層と第2導電型の第2のクラッド層とからなる台形状断面形状を有するメサストライプ部53と、メサストライプ部53を半導体基板52における長尺方向の少なくとも一方端との間に窓領域54aまたは54bを介在させて形成する。さらに、メサストライプ部における一方端部領域側の端面55a、55bは、図示のように鋭角傾斜して形成され、端面56a、56bには無反射膜57a、57bが形成されている。
ところで、この種の窓構造を有する半導体発光素子では、(1)窓構造の窓長、(2)光導波路での光のスポットサイズ(光導波路方向に垂直な断面で見たときの光の電界分布)によって光出射端面での反射率が決まるという特性を有している。 By the way, in the semiconductor light emitting device having this type of window structure, (1) the window length of the window structure, (2) the spot size of light in the optical waveguide (the electric field of light when viewed in a cross section perpendicular to the optical waveguide direction) The distribution has a characteristic that the reflectance at the light emitting end face is determined.
まず、(1)に関しては、窓構造の窓長を長くするほど、光出射端面から出射される光が広がるため、光出射端面での反射率を下げることができる。 First, regarding (1), the longer the window length of the window structure is, the more light is emitted from the light emitting end face, so that the reflectance at the light emitting end face can be lowered.
また、(2)に関しては、光導波路での光のスポットサイズを小さくするほど光出射端面での反射率を下げることができる。 Regarding (2), the reflectance at the light exit end face can be lowered as the spot size of light in the optical waveguide is reduced.
具体的に、図4は光出射端面を劈開状態とし、窓領域長が25μmと40μmのときのスポットサイズと光出射端面での反射率との関係を示している。図4を見ても明らかなように、窓領域長が25μmのときよりも窓領域長が40μmのときの方が光出射端面での反射率が低いことが判る。また、窓領域長が同じ場合でも、スポットサイズが小さいほど光出射端面での反射率が低いことが判る。 Specifically, FIG. 4 shows the relationship between the spot size and the reflectance at the light emitting end face when the light emitting end face is cleaved and the window region length is 25 μm and 40 μm. As is apparent from FIG. 4, it can be seen that the reflectance at the light emitting end face is lower when the window region length is 40 μm than when the window region length is 25 μm. In addition, even when the window region length is the same, it can be seen that the smaller the spot size, the lower the reflectance at the light exit end face.
このように、窓領域長は長くするほど光出射端面での反射率を低下させることができるが、窓領域長を長くした分だけ素子長も長くなって素子全体の構造が大型化するという問題があった。 Thus, the longer the window region length, the lower the reflectivity at the light emitting end face, but the longer the window region length, the longer the device length and the larger the overall structure of the device. was there.
また、上述した光導波路での光のスポットサイズは、半導体発光素子の活性層幅によって決まり、活性層幅がある値のときにスポットサイズが最小となり、このときの活性層幅の値を中心として活性層幅を大きくしても小さくしてもスポットサイズが大きくなるという特性を有している。図5は活性層幅とスポットサイズの関係を示しており、この例では活性層幅が1.8μmのときにスポットサイズが最小となる。しかし、活性層幅を1.8μmに設定した場合には、光導波路方向に垂直な断面で見たときの光の電界分布がシングルモードの状態で最大利得を得ることができなかった。このため、従来の半導体発光素子では、光導波路での光のスポットサイズがシングルモードで最大利得が得られるように活性層幅を一定幅に設定していた(図5の例では、点Pで示す活性層幅2.0μm)。 In addition, the spot size of light in the above-described optical waveguide is determined by the active layer width of the semiconductor light emitting device, and the spot size is minimum when the active layer width is a certain value, and the value of the active layer width at this time is the center. The spot size is increased regardless of whether the active layer width is increased or decreased. FIG. 5 shows the relationship between the active layer width and the spot size. In this example, the spot size is minimized when the active layer width is 1.8 μm. However, when the active layer width was set to 1.8 μm, the maximum gain could not be obtained when the electric field distribution of light was in a single mode when viewed in a cross section perpendicular to the optical waveguide direction. For this reason, in the conventional semiconductor light emitting device, the active layer width is set to a constant width so that the maximum gain can be obtained when the light spot size in the optical waveguide is single mode (in the example of FIG. Active layer width shown 2.0 μm).
しかしながら、最大利得が得られるように活性層幅を設定すると、光導波路での光のスポットサイズが最小とはならず、光出射端面での反射率を所望値まで十分に低減することができなかった。また、光導波路での光のスポットサイズが最小になるように活性層幅を設定すると、光出射端面での反射率を低減させることはできるが、最大利得が得られないという問題があった。 However, if the active layer width is set so as to obtain the maximum gain, the light spot size in the optical waveguide is not minimized, and the reflectance at the light emitting end face cannot be sufficiently reduced to a desired value. It was. If the active layer width is set so that the spot size of light in the optical waveguide is minimized, the reflectance at the light emitting end face can be reduced, but the maximum gain cannot be obtained.
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、十分に利得を確保しつつ光出射端面での反射率を低減することができる半導体発光素子を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of reducing the reflectance at the light emitting end face while ensuring a sufficient gain. is there.
上記目的を達成するために、請求項1に記載された半導体発光素子は、窓領域E2が、少なくとも一方の素子端面に、当該素子端面と利得を有する光導波路の先端との間に形成された、窓構造を有する半導体発光素子10において、
前記光導波路は、前記窓領域と前記光導波路との接続面に接するように配置されたスポットサイズ縮小化領域E3を備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the semiconductor light emitting device according to
The optical waveguide includes a spot size reduction region E3 disposed so as to be in contact with a connection surface between the window region and the optical waveguide.
また、請求項2に記載された半導体発光素子は、請求項1記載の半導体発光素子において、
前記スポットサイズ縮小化領域E3は、前記窓領域E2に向かって導波路幅が減少していくことを特徴とする。
Moreover, the semiconductor light-emitting device according to
The spot size reduction region E3 is characterized in that the waveguide width decreases toward the window region E2.
本発明の半導体発光素子によれば、窓領域との接続面での光導波路のスポットサイズが最小となる幅で活性層が形成されるので、十分な利得を確保しつつ光導波路での光のスポットサイズを最小にして光出射端面での反射率を低減することができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, since the active layer is formed with a width that minimizes the spot size of the optical waveguide at the connection surface with the window region, it is possible to transmit light in the optical waveguide while ensuring a sufficient gain. The reflectance at the light exit end face can be reduced by minimizing the spot size.
以下、本発明の実施の形態について、添付した図面を参照しながら具体的に説明する。図1は本発明に係る半導体発光素子の一例を示す概略構成図であり、同図(a)は素子の上面図、同図(b)は(a)のA−A線断面図、同図(c)は(a)のB−B線断面図、図2は本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す概略平面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a semiconductor light emitting device according to the present invention. FIG. 1 (a) is a top view of the device, FIG. 1 (b) is a cross-sectional view along line AA in FIG. (C) is a sectional view taken along line BB of (a), and FIG. 2 is a schematic plan view showing another example of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
まず、本例の半導体発光素子の概略構成について図1(a)〜(c)を参照しながら説明する。 First, a schematic configuration of the semiconductor light emitting device of this example will be described with reference to FIGS.
図1(a)〜(c)に示すように、本例の半導体発光素子10は、半導体基板としてn−InP基板1上にメサ構造が形成され、メサ中には活性層2、その上面にはクラッド層としてp−InPクラッド層3が順次積層されている。半導体発光素子10は、活性層2からなる活性層領域E1が反射端面10aから光出射端面10bに向かって所定長さ延出し、光出射端面10b近傍で途切れて光出射端面10bとの間に窓領域E2を形成している。この窓領域E2を有する窓構造を採用することにより、窓構造の無い光出射面10bが劈開面の場合の略30%の反射率を約1/4程度まで低減することができる。
As shown in FIGS. 1A to 1C, in the semiconductor
また、図1(b),(c)に示すように、メサの両側及び窓領域E2部分には、埋込層としてp−InP電流ブロック層4及びn−InP電流ブロック層5が埋込まれ、電流経路の狭窄化及びストライプ型光導波路を形成している。
Further, as shown in FIGS. 1B and 1C, the p-InP
なお、反射端面10aは、所定の反射性を有する面であれば良く、例えば劈開面、HRやLR等の低反射面からなる。また、光出射端面10bには、端面での反射を低減する目的で、誘電体多層膜からなるARコートの無反射膜が施されている。これにより、光出射面10bが劈開面の場合の略30%の反射率を略0.1%まで低減することができる。
The
ここで、本例の素子構成では、さらに光出射端面10bでの反射率を低減するため、活性層領域E1が、反射端面10aから幅H1で窓領域E2側に向かって所定長さ延出し、窓領域E2との接続面で幅H2(<H1)となるように中途位置からテーパ状のスポットサイズ縮小化領域E3を形成している。このテーパ状のスポットサイズ縮小化領域E3における窓領域E2との接続面の幅H2は、窓領域E2との接続面での光導波路のスポットサイズが縮小されるように形成される。なお、窓領域と光導波路の接続面でのスポットサイズと窓領域の長さによって出射端面での反射率が決まるため、この接続面の幅H2を、窓領域の長さ次第ではスポットサイズが縮小される幅で形成すれば良いが、スポットサイズが最小となるように形成するのが最も好ましい。
Here, in the element configuration of this example, in order to further reduce the reflectance at the light emitting
図5を例にとって具体的な数値を示すと、窓領域E2との接続面におけるスポットサイズが最小となる1.8μmにスポットサイズ縮小化領域E3の幅H2を設定している。また、図5におけるシングルモードとマルチモードとの境界となる活性層領域E1の幅H1は、素子の層構造(例えば活性層2の層構造や厚さ、クラッド層の層構造など)によっても異なり、図5におけるシングルモードとマルチモードとの境界となる幅も2.0μmを境にして前後するが、本例ではシングルモードとなる値(例えば2.0〜2.2μm程度)に活性層領域E1の幅H1を設定している。
Referring to FIG. 5 as an example, specific values are shown. The width H2 of the spot size reduction region E3 is set to 1.8 μm at which the spot size on the connection surface with the window region E2 is minimized. In addition, the width H1 of the active layer region E1 serving as a boundary between the single mode and the multimode in FIG. 5 varies depending on the layer structure of the element (for example, the layer structure and thickness of the
また、活性層領域E1の幅H1は、スポットサイズ縮小化領域E3によって低下する利得が補える程度の幅に設定するのが好ましい。これにより、所望とする利得を確保しながら窓領域E2との接続面におけるスポットサイズを最小にして光出射端面10bでの反射率を低減することができる。また、窓領域E2の長さは、p側の層厚が薄いことによって活性層2から出射された光が上面側電極で乱反射しない程度の寸法、例えば25〜40μm、好ましくは30〜35μmに設定する。
The width H1 of the active layer region E1 is preferably set to a width that can compensate for the gain that is reduced by the spot size reduction region E3. As a result, while ensuring a desired gain, the spot size on the connection surface with the window region E2 can be minimized to reduce the reflectance at the light emitting
このように構成される本例の半導体発光素子10において、活性層領域E1の幅H1を2.0μm、スポットサイズ縮小化領域E3の幅H2を1.8μmにすれば、例えば活性層領域E1の幅H1が2.0μmの従来の窓構造の半導体発光素子と比較した場合、利得が僅かながら低下するが、窓領域E2との接続面での光導波路のスポットサイズが最小となるので、光出射端面10bでの反射率を低減することができる。また、シングルモードの状態で活性層領域E1の幅H1を2.0μmより大きく設定すれば、スポットサイズ最小化領域E3での利得の低下分を補うことができ、所望とする利得を確保しつつ光出射端面10bでの反射率を低減することができる。
In the semiconductor
一方、InP系発光素子の高出力化の手法の一つとして、p型クラッド層内で生じる価電子帯間吸収による損失を抑えるため、下記特許文献2にあるようなn型クラッド層としてInGaAsPを用いた4元クラッド構造が知られている。
このような構造を用いた場合は、クラッドの平均屈折率が高くなってコアである活性層との屈折率差が小さくなり、横モードのカットオフ幅はかなり広くなる。すなわち、活性層領域E1の幅H1は、4〜6μm程度まで拡大することができ、大きな利得を得ることが出来る。そして本発明の実施によって窓領域との接続面においては活性層幅をスポットサイズが最小となる幅にまで狭めることで窓構造による反射率低減効果は十分に発揮され、高出力で広帯域波長可変なEC−LDや、高出力で低リップルのSLDが実現される。 When such a structure is used, the average refractive index of the cladding is increased, the refractive index difference from the active layer being the core is reduced, and the cut-off width of the transverse mode is considerably widened. That is, the width H1 of the active layer region E1 can be expanded to about 4 to 6 μm, and a large gain can be obtained. By implementing the present invention, the window layer structure can sufficiently reduce the reflectivity reduction effect by narrowing the active layer width to a width that minimizes the spot size at the connection surface with the window region. EC-LD and SLD with high output and low ripple are realized.
ところで、上述した半導体発光素子10は、一方の端面側のみ窓構造を有した構造であるが、両端面側の両方に窓構造を有する構造であっても良い。例えば光増幅器などで使用する半導体発光素子の場合には、図2に示すように、素子の両端面側に窓領域E2(E2a,E2b)を有した半導体発光素子10で構成される。その際、活性層領域E1の両端にはそれぞれスポットサイズ縮小化領域E3(E3a,E3b)が形成される。また、スポットサイズ縮小化領域E2と光出射端面10b,10bとの間にはそれぞれ窓領域E2(E2a,E2b)が形成される。このような両端面側に窓構造を有する半導体発光素子の場合でも、前述したように所望とする利得を確保しつつ窓領域E2との接続面におけるスポットサイズを最小にして光出射端面10b,10bでの反射率を低減することができ、窓領域E2が1つの場合と同様の効果を奏する。
Incidentally, the semiconductor
このように、本例の半導体発光素子は、少なくとも一方の端面側に窓領域E2を有し、活性層領域E1から出射されたレーザ光の光導波路中でのスポットサイズが窓領域E2との接続面において最小になるように活性層領域E1の先端部分にスポットサイズ縮小化領域E3を有して活性層2が形成されている。そして、活性層領域E1から出射された光が、最終的にスポットサイズ縮小化領域E3で最小のスポットサイズによるシングルモードの光として、窓領域E2を介して光出射端面10bから出力される。したがって、活性層領域E1の幅H1とスポットサイズ最小化領域E3の幅H2とを適宜設定して活性層2を形成することにより、所望とする利得を十分に確保しつつ窓領域との接続面でのスポットサイズを最小にして光出射端面での反射率を低減することができる。
Thus, the semiconductor light emitting device of this example has the window region E2 on at least one end face side, and the spot size in the optical waveguide of the laser light emitted from the active layer region E1 is connected to the window region E2. The
以上、本発明を用いて最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。 As mentioned above, although the best form was demonstrated using this invention, this invention is not limited with the description and drawing by this form. That is, it is a matter of course that all other forms, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on this form are included in the scope of the present invention.
1 n−InP基板(半導体基板)
2 活性層
3 p−InPクラッド層
4 p−InP電流ブロック層
5 n−InP電流ブロック層
10 半導体発光素子
10a 反射端面
10b 光出射端面
E1 活性層領域
E2(E2a,E2b) 窓領域
E3(E3a,E3b) スポットサイズ縮小化領域
H1 活性層幅
H2 スポットサイズ縮小化領域における窓領域との接続面の幅
1 n-InP substrate (semiconductor substrate)
2 active layer 3 p-InP clad layer 4 p-InP current blocking layer 5 n-InP
Claims (2)
前記光導波路は、前記窓領域と前記光導波路との接続面に接するように配置されたスポットサイズ縮小化領域(E3)を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 In the semiconductor light emitting device (10) having a window structure, the window region (E2) is formed on at least one element end surface between the element end surface and the tip of the optical waveguide having a gain.
The semiconductor light emitting element, wherein the optical waveguide includes a spot size reduction region (E3) disposed so as to be in contact with a connection surface between the window region and the optical waveguide.
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