JP2007149808A - スーパールミネッセントダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】インコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示し、従来のSLDと比較してさらに出力の高いスーパールミネッセントダイオードを得る。
【解決手段】スーパールミネッセントダイオード10を、1つの基板11上に、複数の導波路型発光領域16a〜16dと、一端が基板11に垂直な出射端面12まで延びる1本の導波路13と、複数の導波路型発光領域16a〜16dの各々の出力光を合波し、導波路13に導く合波器14とを設けてなる構成とする。
【選択図】図2
【解決手段】スーパールミネッセントダイオード10を、1つの基板11上に、複数の導波路型発光領域16a〜16dと、一端が基板11に垂直な出射端面12まで延びる1本の導波路13と、複数の導波路型発光領域16a〜16dの各々の出力光を合波し、導波路13に導く合波器14とを設けてなる構成とする。
【選択図】図2
Description
本発明はスーパールミネッセントダイオードに関し、特に、高出力化されたスーパールミネッセントダイオードに関するものである。
近年の光通信、計測、及び医療分野における光を用いた診断等に置いて安価な多波長光源に対する要求が強くなっている。具体的には光通信における波長検査用、ファイバジャイロ、OTDR計測用、眼科検診で実用化されているOCT(Optical Coherence Tomography)用光源が該当する。このような多波長光源としては、低コスト化の可能性が高いスーパールミネッセントダイオード(以下、「SLD」という。)に期待が集まっている。
SLDは通常の発光ダイオード同様にインコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示しながら、光出力特性では半導体レーザ同様に1mW以上の光出力を得ることが可能な素子である。SLDは半導体レーザ同様に注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される機構を用いている。ただし半導体レーザと異なり端面反射による共振器の形成を抑え、FPモード発振(レーザ発振)が生じないようにする必要がある。レーザ発振を抑制するためには端面における光反射率を抑制する必要があり、その方法として(1)光反射防止(AR)膜、(2)端面窓構造、(3)斜め光導波路構造などが知られている。特に光導波路を共振器端面から僅かに傾けることにより発振を抑制する斜め光導波路構造は古くから採用されている方法である。1978年にD.R.SCIFRESらにより非特許文献1において、GaAs/AlGaAs半導体レーザのストライプを端面の垂直方向に対して傾けていくと、実効的な端面反射率が低下し共振器が形成されなくなりSLDとしての性能を示すことが報告されている。また1988年にはA.GERARDらにより非特許文献2において、5度傾斜ストライプ構造による28mWの高出力SLDが報告されている。
この非特許文献2にて報告された斜め光導波路構造を備えたSLDの概要を図6に示す。図6に示すSLDは、n型GaAs基板1上にn型のAl0.4Ga0.6Asクラッド層2、Al0.06Ga0.94As活性層3、p型のAl0.4Ga0.6Asクラッド層4、n型のGaAsキャップ層5、SiO2からなる絶縁膜6(以下、「SiO2膜6」という。)が積層形成されている。電流を注入するためのストライプ領域のSiO2膜6は除去され、該SiO2膜が除去された直下の電流ブロック層5とクラッド層4はZn拡散領域(図中の斜線で示す領域)となっている。ストライプ領域7は、その延びる方向が、光出射端面の法線Nに対し所定の傾きθを有するように形成された斜め光導波路構造となっている。n型電極9は基板1の裏面に、p型電極8はSiO2膜6およびストライプ領域7上に形成されている。
さて一方、光源として用いられるSLDの高出力化も望まれており、高出力化の方法としては、(1)端面反射率の低減、(2)放熱性の向上、(3)光導波路領域の増加が挙げられる。このうち(3)光導波路領域の増加は注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が増幅される領域を大きくすることができるため、SLDを高出力化させる方法として良く用いられている。具体的には素子長を長くする方法と発光幅を広げる方法(非特許文献3参照)がある。
IEEE J. Quantum Electron, 1978, QE-14, p223-227 IEEE J. Quantum Electron, 1988, Vol.24, p2454-2457 応用物理 第68巻 第2号 p175-176
IEEE J. Quantum Electron, 1978, QE-14, p223-227 IEEE J. Quantum Electron, 1988, Vol.24, p2454-2457 応用物理 第68巻 第2号 p175-176
上述の通り、SLDの高出力化のために光導波路領域を増加させる方法が知られているが、1本の導波路の長さ、発光幅を広げる方法には出力増加の限界がある。
本発明は、上記事情に鑑み、インコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示し、従来のSLDと比較してさらに出力の高いスーパールミネッセントダイオードを提供することを目的とするものである。
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、1つの基板上に、
複数の導波路型発光領域と、
一端が前記基板に垂直な出射端面まで延びる1本の導波路と、
前記複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、前記導波路に導く合波器とが設けられてなることを特徴とするものである。
複数の導波路型発光領域と、
一端が前記基板に垂直な出射端面まで延びる1本の導波路と、
前記複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、前記導波路に導く合波器とが設けられてなることを特徴とするものである。
合波器としては、Y分岐型の合波器、スラブ型合波器、マッハツェンダ型方向性結合器、MMI(マルチモード干渉)型の合波器など複数の発光領域からの光を合波できるものであればよい。
ここで、前記1本の導波路は前記出射端面に垂直な法線方向に対して傾きを有していることが望ましい。法線方向に対する傾きの角度は、4°以上、18°以下が好ましく、特に4.5°程度が最適である。
また、前記複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも1つの出力光の中心波長が他の出力光の中心波長と異なっていてもよい。さらに、複数の導波路型発光領域の出力光の中心波長が互いに異なるものとしてもよい。
なおここで、中心波長とは、発光スペクトルを積分してその重心を求めて得られる波長をいうものとする。また、ここで「波長が異なる」とは、製造誤差により生じる異なりを含まないものとする。具体的には中心波長が10nm程度以上異なるものをいう。
なお、本発明のスーパールミネッセントダイオードは、前記基板がGaAsからなり、前記複数の導波路型発光領域の各々が、InGaAs歪量子井戸層と、GaAsまたはInGaAsPからなる障壁層とから構成される歪量子井戸活性層を有し、前記歪量子井戸活性層がInGaPまたはAlGaAsからなるクラッド層で挟まれているものとすることができる。
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、1つの基板上に複数の導波路型発光領域と、一端が基板に垂直な出射端面まで延びる1本の導波路と、複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、導波路に導く合波器とが設けられてなり、複数の発光領域からの出力光を合波して、出射端面の一箇所から出力するので、1素子中に1つの発光領域のみの場合と比較して高出力な光を得ることができる。また1素子中で複数の発光領域からの光を合波することができるので、複数の個別に形成されたSLDの出力光をレンズ、プリズム、ミラー等の光学部品を用いて合波する方式に較べ、光源としての大きさを小さくすることができる。小型化により種々の装置において光源として用いる際の実装の自由度が大きくなる、実装時の占有面積の狭小化が図れるなどの点で非常に効果が高い。さらに、複数の光学部品を備える光源と比較して振動にも強いために信頼性も高い。また、半導体から構成されるものであるために量産効果が期待され、量産により格段に安価になる可能性もある。
なお、一本の導波路型発光領域のみを備えた従来のSLDにおいて、高出力化を図るため発光幅(発光領域の導波路の幅)を広げると、出力光がマルチモードとなってしまい光源としての用途に制限が生じるが、本発明のスーパールミネッセントダイオードは複数の導波路型発光領域のそれぞれの発光幅をシングルモード発光が可能な幅に設定すれば、シングルモードの出力光でかつ高出力化を達成することができるので光源として有用である。
また、複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも1つの中心波長が他の中心波長と異なるものであれば、スペクトル帯域の広い素子とすることができる。スペクトル帯域の広い素子は、例えばOCTを用いた光診断装置に光源として用いた場合、解像度の向上に有効である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態のスーパールミネッセントダイオードの概略構成を示す斜視図であり、図2はその上面図である。図2には、素子内部に設けられている光導波路を破線で示している。
本スーパールミネッセントダイオード10は、1つの基板11上に、互いに平行に配置された4つの導波路型発光領域16a〜16dと、一端が基板11に垂直な出射端面12まで延びる1本の導波路13と、基板11上に設けられた、複数の導波路型発光領域16a〜16dからの出力光を合波し導波路13に導く合波器14とを備えてなる。すなわち、本スーパールミネッセントダイオード10は、それぞれが従来型のSLDに相当する4つの光源部10a〜10dと合波器14と1本の導波路13とが1つの基板11上に集積化された半導体集積化光源とみなすこともできる。
各導波路型発光領域16a〜16dは合波器14に接続され、合波器14はさらに1本の導波路13に接続されている。この導波路13は、出射端面12の法線方向Nに対し所定角度θ1傾けて形成されている。導波路13の法線方向Nからの傾きは4°〜18°が好ましく、特に最適な傾きは4.5°である。
なお、出射端面12の法線Nに対する導波路13の延びる方向の傾きθ1と、出射端面12の法線Nに対する出射光軸の傾きθ2との関係は、下記式(1)(スネルの法則)で表される。
n1・sinθ1=n2・sinθ2 (1)
ここでn1はストライプ内での等価屈折率、n2は出力媒体屈折率である。例えば、n1をGaAsの屈折率、n2を空気の屈折率とし、導波路13の延びる方向を出射端面の法線に対して5度傾けた場合、すなわちθ1=5度のとき、上記式(1)からθ2は17.8度である。
n1・sinθ1=n2・sinθ2 (1)
ここでn1はストライプ内での等価屈折率、n2は出力媒体屈折率である。例えば、n1をGaAsの屈折率、n2を空気の屈折率とし、導波路13の延びる方向を出射端面の法線に対して5度傾けた場合、すなわちθ1=5度のとき、上記式(1)からθ2は17.8度である。
4つの発光領域16a〜16d上にそれぞれ設けられている電流注入用の電極33a〜33dは互いに分離して形成されている。すなわち、4つの発光領域は電気的に分離されており、個別の光源部10a〜10dとしてそれぞれを任意の電流値で駆動することができる。
上記実施形態のスーパールミネッセントダイオード10において、4つの発光領域16a〜16dを、出力光の中心波長がそれぞれ950nm、1000nm、1050nmおよび1100nmとなるように活性層を設計した場合について素子特性のシミュレーションした結果を図3から図5を用いて説明する。
図3は駆動する発光領域を1つずつ増やした場合の電流−光出力特性のシミュレーション結果を示すものである。1領域のみ駆動した場合(1素子)から、2素子、3素子、4素子と発光領域の数が増えるにつれて光出力が増加することがわかる。このように、複数の導波路型発光領域を備えたことにより、導波路型発光領域を1つしか有していない従来型のSLDでは達成できなかった高出力の発光が可能である。
図4および図5は、波長と光出力(Intensity)の特性、すなわち発光スペクトルのシミュレーション結果を示すものである。図4は、4つの発光領域を同時にかつ、各発光領域に対して同一の駆動電流値で駆動した場合の発光スペクトルを示し、図5は、4つの発光領域のうち、波長950nmと、1100nmの2つを各々20mWで、1000nm、1050nmの2つを各々30mWで駆動した場合の発光スペクトルを示すものである。各発光領域の出力光の中心波長が異なることから、図4および図5に示すように、発光帯域を十分広くすることができる。また、図5に示す発光スペクトルの形状は、ガウシアンに近い形状となっており、それぞれの発光領域に対して駆動電流を個別に制御し、個々の光出力を調整することにより、スペクトル形状を所望の形状に整形することができることがわかる。
次に本素子の構成と作製方法の具体的な例を、図6A〜図6H参照して説明する。
図6A〜図6Hは本素子の作製過程を示す図である。まず、n型GaAs基板11上に第1回目の結晶成長にてn-InGaPクラッド層22、InGaAsP光導波層23(波長組成800nm、厚さ0.2μm)、p-InGaPクラッド層24を成長させる(図6A)。次にSiO2膜25を全面に形成した後、第1の光源部を形成する領域25aのみSiO2膜25を選択的に除去し、続けてウェットエッチングによりp-InGaPクラッド層24とInGaAsP光導波層23をそれぞれ除去する(図6B)。このウェハに第2回目の結晶成長により第1の光源部10aの発光部を構成する、InGaAs歪量子井戸層およびGaAs障壁層から構成されるInGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26aを成長させ、さらにp-InGaPクラッド層27aを成長させる。続けて再度全面にSiO2膜を形成し直し、第2の光源部10bを形成する領域25bのみSiO2膜を選択的に除去し、続けてp-InGaPクラッド層24とInGaAsP光導波層23をそれぞれ除去し、第3回目の結晶成長により第2の光源部10bの発光部となる活性層26bおよびp-InGaPクラッド層27cを成長させる。なお、同様に、ウェットエッチングと結晶成長を繰り返し、順次第3、第4の光源部10c、10dを形成する(図6CおよびD)。なお、図6Dは図6CのVID-VID断面図である。なおここでは、それぞれの光源部10a〜10dについて、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26aを950nmの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26bを1000nmの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26cを1050nmの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26dを1100nmの中心波長となるように各層の組成比を設定して成長させる。
次に素子内部にフォトレジスト工程およびエッチング工程を経て導波路を形成する。フォトレジスト工程により図6Eに示すようなマスク28を形成し、気相エッチング法を用いてエッチングを行い、p-InGaPクラッド24、27a、27b、27cおよび27dの途中まで除去し、その除去した部分に第5回目の結晶成長により、n-AlGaInP電流ブロック層29を選択成長させる(図6F)。そして最後の結晶成長工程として、全面にp-InGaP上部層30、およびp-GaAsコンタクト層31を成長させる(図6G)。その後、図6Gに示すように、合波器および発光領域を電気的に分離するためにp-GaAsコンタクト層31の一部をエッチングにより除去し溝32を設ける。その後、分離されたコンタクト層31上のそれぞれにp電極33、33a〜33dを形成し、基板11裏面にn電極34を形成する。p電極は、発光領域側の電極33a〜33dと合波器側の電極33とが電気的に分離されており、かつ、発光領域側においても、各発光領域毎に独立して電流駆動が可能なように、各電極33a〜33dはそれぞれ電気的に分離されている(図6(H))。なお、合波器領域における電極は本素子をジャンクションダウン実装する際に必要であり、ジャンクションアップで実装する場合にはなくても構わない。
合波器部分は最終的には端面に垂直な法線方向から5度斜めに形成する。また、前方端面12および後方端面15は、発振の抑制と光の取り出し効率の向上のために両端面とも無反射膜を形成するが、更に取り出し効率を向上するために後方端面15のみであれば反射率を上げた膜としてもよい。
各発光領域内の導波路16a〜16dおよび一本の導波路13の幅を3μm程度以下とすることにより、シングルモードの発光を行うことができる。ただし、本発明はシングルモード発光を行うものに限定されるものではなく、マルチモード発光を行うものであっても構わない。
図5に本発明第2の実施の形態のスーパールミネッセントダイオードの導波路を示す模式図である。このスーパールミネッセントダイオード40は、1つの基板上に3つの発光領域40a、40bおよび40cと、スター型合波器44と、一本の導波路43とを備えた素子である。このように、発光領域の数や合波器の構成は種々のものを採用することができる。なお、発光領域、合波器および導波路の層構成や製造方法は上述の第1の実施形態の素子と同様のものを採用することができる。
なお、上述の各実施形態では導波路発光領域を3個または4個のアレイ状に設けたが、発光領域の数は2つでもよいし、4つ以上であってもよい。また、複数の発光領域は必ずしも互いに平行に配置されている必要もない。
上記実施形態では、合波器としてY分岐型の合波器、及びスター型合波器を用いたが、これに限定されるものではなく、MMI(マルチモード干渉)型の合波器、スラブ型、マッハツェンダ型方向性結合器でも構わない。
上記実施形態では、0.9〜1.2μm帯の中心波長の出力光を発する発光領域を設けるものとしたが、他の波長帯の発光領域を設けてもよい。例えばGaAs基板を用いる場合、650nm、800nmあるいは950nmの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。また、上記実施の形態においては、活性層をInGaAs歪量子井戸とGaAs障壁層から構成されるものとしたが、GaAs障壁層に換えてInGaAsP障壁層を用いてもよい。また、活性層を挟んで設けられるクラッド層としてInGaPからなるものとしたが、AlGaAsを用いてもよい。またInP基板を用いる場合、1.3μm、1.5μmあるいは1.6μmの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。GaN基板を用いるのであれば365nm、405nmあるいは450nmの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。
また、複数の発光領域がそれぞれ異なる中心波長の光を出力するものである必要はなく、少なくとも一つの発光領域から出力される光の中心波長が他の発光領域から出力される光の中心波長と異なるものであれば波長域を広げる効果を得ることができる。また、複数の発光領域の全てが同一の中心波長の光を出力するものであってもよく、この場合でも高出力化の効果は十分に得ることができる。
また、上記実施形態では、各発光領域に量子井戸構造の活性層を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばバルクによる活性層構造、量子細線、量子ドット構造を採用することもできる。
さらに、上記実施形態では、素子の作製方法としてそれぞれ異なる中心波長の光を出力する発光領域を順に選択成長させて作製するものとしたが、他の手法を用いて作製しても良い。例えばマスクの幅を変えた選択成長方法により量子井戸厚を素子毎に変調することにより発光領域毎に中心波長を異ならせる手法を用いてもよい。またレーザアニールを用いた波長トリミングによって、発光領域毎の発光波長を微妙にチューニングしたものでもよい。
また、上記実施形態では、発光領域および合波器を含めた導波路を同時に作製するものとしたが、作製する順番はこれに限定されるものではなく、発光領域の層構造すなわち光源部を先に作製した後で合波器を作製するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、各発光領域毎に個別に駆動できるように、発光領域の上部電極が個別に形成されているものとしたが、個別に駆動する必要がない場合には発光領域上の電極は連続的に形成されていてもよい。
1 n型GaAs基板
2 n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
3 Al0.06Ga0.94As活性層
4 p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
5 n-GaAsキャップ層
6 SiO2絶縁膜
7 ストライプ領域
8 p型電極
9 n型電極
10、40 スーパールミネッセントダイオード
10a〜10d 光源部
11 GaAs基板
12 前方端面(出射端面)
13、43 導波路
14、44 合波器
15 後方端面
16a〜16d、40a〜40c 導波路型発光領域
22 n-InGaPクラッド層
23 InGaAsP光導波層
24 p-InGaPクラッド層
25 SiO2膜
26a〜26d 活性層
27a〜27d p-InGaPクラッド層
29 n-AlGaInP電流ブロック層
30 p-InGaP上部クラッド層
31 p-GaAsコンタクト層
32 溝
33 合波部p電極
33a〜33d 光源部p電極
34 n電極
2 n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
3 Al0.06Ga0.94As活性層
4 p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
5 n-GaAsキャップ層
6 SiO2絶縁膜
7 ストライプ領域
8 p型電極
9 n型電極
10、40 スーパールミネッセントダイオード
10a〜10d 光源部
11 GaAs基板
12 前方端面(出射端面)
13、43 導波路
14、44 合波器
15 後方端面
16a〜16d、40a〜40c 導波路型発光領域
22 n-InGaPクラッド層
23 InGaAsP光導波層
24 p-InGaPクラッド層
25 SiO2膜
26a〜26d 活性層
27a〜27d p-InGaPクラッド層
29 n-AlGaInP電流ブロック層
30 p-InGaP上部クラッド層
31 p-GaAsコンタクト層
32 溝
33 合波部p電極
33a〜33d 光源部p電極
34 n電極
Claims (4)
- 1つの基板上に、
複数の導波路型発光領域と、
一端が前記基板に垂直な出射端面まで延びる1本の導波路と、
前記複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、前記導波路に導く合波器とが設けられてなることを特徴とするスーパールミネッセントダイオード。 - 前記1本の導波路が前記出射端面に垂直な法線方向に対して傾きを有していることを特徴とする請求項1記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも1つの出力光の中心波長が他の出力光の中心波長と異なることを特徴とする請求項1または2記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記基板がGaAsからなり、
前記複数の導波路型発光領域の各々が、InGaAs歪量子井戸層と、GaAsまたはInGaAsPからなる障壁層とから構成される歪量子井戸活性層を有し、
前記歪量子井戸活性層がInGaPまたはAlGaAsからなるクラッド層で挟まれていることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載のスーパールミネッセントダイオード。
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JP2005339863A JP2007149808A (ja) | 2005-11-25 | 2005-11-25 | スーパールミネッセントダイオード |
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-
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