JP2010219199A - 受発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができ、個別に光量検出を行うことが可能な受発光装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る受発光装置100は、光吸収層103と、光吸収層103の上方に形成された第1クラッド層104と、第1クラッド層104の上方に形成された活性層106と、活性層106の上方に形成された第2クラッド層108と、を含み、活性層106のうちの少なくとも一部は、利得領域160を構成し、利得領域160は、活性層106の第1側面105側の端面170と、第1側面105に対向する活性層106の第2側面107側の端面172と、を有し、第1側面105側の端面170および第2側面107側の端面172の少なくとも一方は、出射面であり、利得領域160に生じる光の一部は、第1クラッド層104内を通過して、光吸収層103に至り、受光される。
【選択図】図2
【解決手段】本発明に係る受発光装置100は、光吸収層103と、光吸収層103の上方に形成された第1クラッド層104と、第1クラッド層104の上方に形成された活性層106と、活性層106の上方に形成された第2クラッド層108と、を含み、活性層106のうちの少なくとも一部は、利得領域160を構成し、利得領域160は、活性層106の第1側面105側の端面170と、第1側面105に対向する活性層106の第2側面107側の端面172と、を有し、第1側面105側の端面170および第2側面107側の端面172の少なくとも一方は、出射面であり、利得領域160に生じる光の一部は、第1クラッド層104内を通過して、光吸収層103に至り、受光される。
【選択図】図2
Description
本発明は、受発光装置に関する。
光通信等で用いられる半導体発光デバイスにおいては、一般的に、装置の外部に半透過ミラーや回折素子を配置して出射した光の一部を取り出し、その光を受光素子によって検出することで、光量の調整等を行っている。
例えば、特許文献1では、レーザーダイオードからの光を分光プリズム等で分岐させ、その分岐させた光を検出するモニター用フォトダイオードを有する光ピックアップ装置が提案されている。
しかしながら、上記特許文献1に開示された方法では、発光素子と受光素子が個々に設けられているため、別途分光プリズム等の光学素子が必要となり、部品点数が多くなる、小型化が難しいといった問題がある。また、表示装置に用いるためには、複数のレーザーダイオードの光量を個々に検出する必要があるが、個別に受光素子を設けるのは困難であるといった問題がある。
本発明の目的の一つは、発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができ、個別に光量検出を行うことが可能な受発光装置を提供することにある。
本発明に係る受発光装置は、
光吸収層と、
前記光吸収層の上方に形成された第1クラッド層と、
前記第1クラッド層の上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第2クラッド層と、
を含み、
前記活性層のうちの少なくとも一部は、利得領域を構成し、
前記利得領域は、前記活性層の第1側面側の端面と、前記第1側面に対向する前記活性層の第2側面側の端面と、を有し、
前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面の少なくとも一方は、出射面であり、
前記利得領域に生じる光の一部は、前記第1クラッド層内を通過して、前記光吸収層に至り、受光される。
光吸収層と、
前記光吸収層の上方に形成された第1クラッド層と、
前記第1クラッド層の上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第2クラッド層と、
を含み、
前記活性層のうちの少なくとも一部は、利得領域を構成し、
前記利得領域は、前記活性層の第1側面側の端面と、前記第1側面に対向する前記活性層の第2側面側の端面と、を有し、
前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面の少なくとも一方は、出射面であり、
前記利得領域に生じる光の一部は、前記第1クラッド層内を通過して、前記光吸収層に至り、受光される。
本発明に係る受発光装置は、発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができ、個別に光量検出を行うことができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下「A」という)の「上方」に他の特定のもの(以下「B」という)を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A上に直接Bを形成するような場合と、A上に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、A下に直接Bを形成するような場合と、A下に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとする。
本発明に係る受発光装置において、
前記光吸収層に至る光は、前記利得領域に生じる光のうち、前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面近傍の光であることができる。
前記光吸収層に至る光は、前記利得領域に生じる光のうち、前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面近傍の光であることができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記光吸収層に至る光は、前記利得領域に生じる光のうち、前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面における屈折率差によって、前記利得領域の伝播モードとは異なるモードを有する光であることができる。
前記光吸収層に至る光は、前記利得領域に生じる光のうち、前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面における屈折率差によって、前記利得領域の伝播モードとは異なるモードを有する光であることができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記第1クラッド層の屈折率は、前記第2クラッド層の屈折率より大きいことができる。
前記第1クラッド層の屈折率は、前記第2クラッド層の屈折率より大きいことができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記第1クラッド層および前記第2クラッド層は、AlGaAs層であり、
前記第1クラッド層のAl組成比は、前記第2クラッド層のAl組成比より小さいことができる。
前記第1クラッド層および前記第2クラッド層は、AlGaAs層であり、
前記第1クラッド層のAl組成比は、前記第2クラッド層のAl組成比より小さいことができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記利得領域は、前記第1側面の垂線に対して傾いた方向に向かって設けられていることができる。
前記利得領域は、前記第1側面の垂線に対して傾いた方向に向かって設けられていることができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記利得領域では、前記第1側面側から平面的にみて、前記第1側面側の端面と、前記第2側面側の端面とは、重なっていないことができる。
前記利得領域では、前記第1側面側から平面的にみて、前記第1側面側の端面と、前記第2側面側の端面とは、重なっていないことができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記光吸収層の下方に設けられた第3クラッド層と、
前記第1クラッド層に電気的に接続された第1電極と、
前記第2クラッド層に電気的に接続された第2電極と、
前記第3クラッド層に電気的に接続された第3電極と、
を含むことができる。
前記光吸収層の下方に設けられた第3クラッド層と、
前記第1クラッド層に電気的に接続された第1電極と、
前記第2クラッド層に電気的に接続された第2電極と、
前記第3クラッド層に電気的に接続された第3電極と、
を含むことができる。
なお、本発明に係る記載では、「電気的に接続」という文言を、例えば、「特定の部材(以下「C部材」という)に「電気的に接続」された他の特定の部材(以下「D部材」という)」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、C部材とD部材とが、直接接して電気的に接続されているような場合と、C部材とD部材とが、他の部材を介して電気的に接続されているような場合とが含まれるものとして、「電気的に接続」という文言を用いている。
本発明に係る受発光装置において、
前記利得領域は、複数配列され、
隣り合う前記利得領域の間には、分離溝が形成され、
前記分離溝の底面は、前記吸収層の下面より下方に位置していることができる。
前記利得領域は、複数配列され、
隣り合う前記利得領域の間には、分離溝が形成され、
前記分離溝の底面は、前記吸収層の下面より下方に位置していることができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記利得領域に生じる光の波長帯において、前記第1側面の反射率は、前記第2側面の反射率よりも高く、
前記利得領域は、複数設けられ、
複数の前記利得領域は、少なくとも1つの利得領域対をなし、
前記利得領域対の一方の第1利得領域は、一の方向に向かって設けられ、
前記利得領域対の他方の第2利得領域は、前記一の方向とは異なる他の方向に向かって設けられ、
前記第1利得領域の前記第1側面側の端面と、前記第2利得領域の前記第1側面側の端面とは、重なっていることができる。
前記利得領域に生じる光の波長帯において、前記第1側面の反射率は、前記第2側面の反射率よりも高く、
前記利得領域は、複数設けられ、
複数の前記利得領域は、少なくとも1つの利得領域対をなし、
前記利得領域対の一方の第1利得領域は、一の方向に向かって設けられ、
前記利得領域対の他方の第2利得領域は、前記一の方向とは異なる他の方向に向かって設けられ、
前記第1利得領域の前記第1側面側の端面と、前記第2利得領域の前記第1側面側の端面とは、重なっていることができる。
本発明に係る受発光装置において、
前記利得領域対は、複数配列され、
隣り合う前記利得領域対の間には、分離溝が形成され、
前記分離溝の底面は、前記吸収層の下面より下方に位置していることができる。
前記利得領域対は、複数配列され、
隣り合う前記利得領域対の間には、分離溝が形成され、
前記分離溝の底面は、前記吸収層の下面より下方に位置していることができる。
1. 第1の実施形態
1.1. 第1の実施形態に係る受発光装置
まず、第1の実施形態に係る受発光装置100について、図面を参照しながら説明する。図1は、受発光装置100を模式的に示す平面図である。図2は、受発光装置100を模式的に示す図1のII−II線断面図である。図3は、受発光装置100を模式的に示す図1のIII−III線断面図である。なお、図1では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。
1.1. 第1の実施形態に係る受発光装置
まず、第1の実施形態に係る受発光装置100について、図面を参照しながら説明する。図1は、受発光装置100を模式的に示す平面図である。図2は、受発光装置100を模式的に示す図1のII−II線断面図である。図3は、受発光装置100を模式的に示す図1のIII−III線断面図である。なお、図1では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。
以下では、受発光装置100の構成、発光の動作原理、受光の動作原理の順に説明する。
(1)構成
受発光装置100は、図1〜図3に示すように、光吸収層103と、第1クラッド層104と、活性層106と、第2クラッド層108と、を含む。受発光装置100は、さらに、基板101と、第3クラッド層102と、コンタクト層110と、第1電極112と、第2電極114と、第3電極115と、絶縁部116と、を含むことができる。
受発光装置100は、図1〜図3に示すように、光吸収層103と、第1クラッド層104と、活性層106と、第2クラッド層108と、を含む。受発光装置100は、さらに、基板101と、第3クラッド層102と、コンタクト層110と、第1電極112と、第2電極114と、第3電極115と、絶縁部116と、を含むことができる。
基板101としては、例えば、第1導電型(例えばp型)のGaAs基板などを用いることができる。
第3クラッド層102は、基板101上に形成されている。第3クラッド層102としては、例えば、p型のAlGaAs層などを用いることができる。
光吸収層103は、第3クラッド層102上に形成されている。光吸収層103としては、例えば、GaAs層などを用いることができる。光吸収層103は、後述するように、利得領域160に生じる光の一部を、吸収することができる。
第1クラッド層104は、第3クラッド層103上に形成されている。第1クラッド層104としては、例えば、第2導電型(例えばn型)のAlGaAs層などを用いることができる。第1クラッド層104は、図3に示すように、窪み部104aを有することができ、窪み部104aの底面には、第1電極112が形成されることができる。
活性層106は、第1クラッド層104上に形成されている。活性層106は、例えば、GaAsウェル層とAlGaAsバリア層とから構成される量子井戸構造を3つ重ねた多重量子井戸(MQW)構造を有する。活性層106の形状は、例えば直方体(立方体である場合を含む)などである。活性層106は、図1に示すように、第1側面105と第2側面107とを有する。第1側面105と第2側面107とは、対向している。図示の例では、第1側面105と第2側面107とは、平行である。
活性層106の一部は、利得領域160を構成している。利得領域160は、図1および図2に示すように、第1側面105に設けられた第1端面170と、第2側面107に設けられた第2端面172と、を有する。利得領域160の平面形状は、例えば図1に示すような平行四辺形などである。図示の例では、利得領域160は、第1端面170から第2端面172まで、直線状に、第1側面105の垂線Pに対して傾いた方向に向かって設けられている。これにより、利得領域160に生じる光のレーザー発振を抑制または防止することができる。ここで、図4は、活性層106を第1側面105側から平面的にみた図である。図4に示すように、第1端面170と第2端面172とは、重なっていない。すなわち、第1端面170と第2端面172とのずれ幅xは、正の値となる。これにより、利得領域160に生じる光を第1端面170と第2端面172との間で、直接的に多重反射させないことができる。その結果、直接的な共振器を構成させないことができるため、利得領域160に生じる光のレーザー発振をより確実に抑制または防止することができる。したがって、受発光装置100は、レーザー光ではない光を発することができる。
なお、図示はしないが、利得領域160は、第1端面170から第2端面172まで、直線状に、第1側面105の垂線Pと平行となる方向に向かって設けられていてもよい。すなわち、活性層106を第1側面105側から平面的にみたときに、第1端面170と第2端面172とは、完全に重なっていてもよい。この場合には、共振器が構成され、受発光装置100は、レーザー光を発することができる。
第2クラッド層108は、図2および図3に示すように、活性層106上に形成されている。第2クラッド層108としては、例えば、p型のAlGaAs層などを用いることができる。第1クラッド層104および第2クラッド層108としてAlGaAs層を用いた場合、第1クラッド層108のAl(アルミニウム)組成比は、第2クラッド層のAl組成比より小さいことができる。これにより、第1クラッド層104の屈折率を、第2クラッド108の屈折率より大きくすることができる。すなわち、第1クラッド層104と活性層106との屈折率の差を、第2クラッド層108と活性層106との屈折率の差に比べて小さくすることができる。
コンタクト層110は、図2および図3に示すように、第2クラッド層108上に形成されている。コンタクト層110としては、第2電極114とオーミックコンタクトする層を用いることができる。コンタクト層110としては、例えば、p型のGaAs層などを用いることができる。コンタクト層110と、第2クラッド層108の一部とは、図3に示すように、柱状部111を構成することができる。柱状部111の平面形状は、例えば図1に示すように、利得領域160と同じである。すなわち、例えば、柱状部111の平面形状によって、電極112,114間の電流経路が決定され、その結果、利得領域160の平面形状が決定される。なお、図示はしないが、柱状部111は、例えば、コンタクト層110、第2クラッド層108、および活性層106から構成されていてもよいし、さらに、第1クラッド層104をも含んで構成されていてもよい。また、柱状部111の側面を傾斜させることもできる。
絶縁部116は、図3に示すように、第2クラッド層108上であって、柱状部111の側方に形成されている。絶縁部116は、柱状部111の側面に接していることができる。絶縁部116の上面は、例えば、コンタクト層110の上面と連続している。絶縁部116としては、例えば、SiN層、SiO2層、ポリイミド層などを用いることができる。絶縁部116としてこれらの材料を用いた場合、電極112,114間の電流は、絶縁部116を避けて、該絶縁部116に挟まれた柱状部111を流れることができる。絶縁部116は、活性層106の屈折率よりも小さい屈折率を有することができる。この場合、絶縁部116を形成した部分の垂直断面の有効屈折率は、絶縁部116を形成しない部分、すなわち、柱状部116が形成された部分の垂直断面の有効屈折率よりも小さくなる。これにより、平面方向において、利得領域160内に効率良く光を閉じ込めることができる。なお、図示はしないが、絶縁部116を設けず、絶縁部116が空気であると解釈してもよい。
第1電極112は、第1クラッド層104上に形成されている。より具体的には、第1電極112は、第1クラッド層104の窪み部104aの底面上に形成されている。第1電極112は、利得領域160に光を生じさせるための一方の電極であり、かつ、利得領域160に生じる光の一部を受光するための一方の電極でもある。すなわち、第1電極112は、発光用電極としての機能と、受光用電極としての機能と、を有することができる。第1電極112としては、例えば、第1クラッド層104側からCr層、AuGe層、Ni層、Au層の順序で積層したものなどを用いることができる。
第2電極114は、コンタクト層110(柱状部111)上および絶縁部116上に形成されている。第2電極114とコンタクト層110との接触面は、利得領域160と同じの平面形状を有している。図示はしないが、第2電極114は、コンタクト層110上にのみ形成されていてもよい。第2電極114は、コンタクト層110を介して、第2クラッド層108と電気的に接続されている。第2電極114は、利得領域160に光を生じさせるための他方の電極(発光用電極)である。第2電極114としては、例えば、コンタクト層110側からCr層、AuZn層、Au層の順序で積層したものなどを用いることができる。
第3電極115は、基板101の下の全面に形成されている。第3電極115は、該第3電極115とオーミックコンタクトする層(図示の例では基板101)と接していることができる。第3電極115は、基板101を介して、第3クラッド層102と電気的に接続されている。第3電極115は、利得領域160に生じる光の一部を受光するための他方の電極(受光用電極)である。第3電極115としては、例えば、基板101側からCr層、AuZn層、Au層の順序で積層したものなどを用いることができる。
(2)発光の動作原理
p型の第2クラッド層108、不純物がドーピングされていない活性層106、およびn型の第1クラッド層104により、pinダイオードが構成されることができる。第1クラッド層104および第2クラッド層108の各々は、活性層106よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。活性層106は、光を増幅する機能を有する。第1クラッド層104および第2クラッド層108は、活性層106を挟んで、注入キャリア(電子および正孔)並びに光を閉じ込める機能を有する。
p型の第2クラッド層108、不純物がドーピングされていない活性層106、およびn型の第1クラッド層104により、pinダイオードが構成されることができる。第1クラッド層104および第2クラッド層108の各々は、活性層106よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。活性層106は、光を増幅する機能を有する。第1クラッド層104および第2クラッド層108は、活性層106を挟んで、注入キャリア(電子および正孔)並びに光を閉じ込める機能を有する。
受発光装置100では、第1電極112と第2電極114との間に、pinダイオードの順バイアス電圧を印加すると、活性層106の利得領域160において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、利得領域160内で光の強度が増幅される。例えば、図1および図2に示すように、第1利得領域160に生じる光のうち、第1端面170に向かう光10は、第1利得領域160内で増幅された後、第1端面170から光20として出射されることができる。同様に、第1利得領域160に生じる光のうち、第2端面172に向かう光12は、第1利得領域160内で増幅された後、第2端面172から光22として出射されることができる。すなわち、第1端面170および第2端面172は、出射面となることができる。
以上のとおり、受発光装置100は、発光のためのpinダイオードを構成することができる。すなわち、受発光装置100は、第1クラッド層104、活性層106、第2クラッド層108、第1電極112および第2電極114によって、発光素子を構成することができる。
(3)受光の動作原理
p型の第3クラッド層102、不純物がドーピングされていない光吸収層103、およびn型の第1クラッド層104により、pinダイオードが構成されることができる。第1クラッド層104および第3クラッド層102の各々は、光吸収層103よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。光吸収層103は、光を吸収する機能を有する。第1クラッド層104および第3クラッド層102は、光吸収層103を挟んで、光を閉じ込める機能を有する。
p型の第3クラッド層102、不純物がドーピングされていない光吸収層103、およびn型の第1クラッド層104により、pinダイオードが構成されることができる。第1クラッド層104および第3クラッド層102の各々は、光吸収層103よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。光吸収層103は、光を吸収する機能を有する。第1クラッド層104および第3クラッド層102は、光吸収層103を挟んで、光を閉じ込める機能を有する。
ここで、活性層106と、受発光装置100の外部(例えば空気)と、の境界となる第1端面170および第2端面172においては、屈折率の差(活性層106と空気との屈折率の差)が生じる。このような屈折率の不連続な部分においては、一般的に、導波路(利得領域)の伝播モードから自由空間の伝播モードへのモード変換が起こる。その際に、導波路の伝播モード以外の成分が生じ、それらの成分は、例えば上下方向に漏れ出す。そのため、例えば、第1端面170に向かう光10は、上記屈折率差によって、利得領域160の伝播モードとは異なるモードを有し、第1端面170に近づくにつれて、発散する。そして、例えば、図2に示すように、活性層106の厚み方向に発散した光の一部は、第1クラッド層104内を通過して(第1クラッド層104内に漏れて)、光吸収層103に至る。すなわち、光10は、第1端面170から光20として出射されるが、光10の一部は、第1側面105近傍において、光30として第1クラッド層104内を通過して光吸収層103に至る。同様に、例えば、第2端面172に向かう光12は、第2端面172から光22として出射されるが、光12の一部は、第2側面107近傍において、光32として第1クラッド層104内を通過して光吸収層103に至る。光30,32の光量は、第1クラッド層104の屈折率によって、制御することができる。例えば、第1クラッド層104の屈折率を大きくすることによって、第1クラッド層104と活性層106との屈折率の差を小さくし、光30,32の光量を大きくすることができる。より具体的には、上述のとおり、第1クラッド層104してAlGaAs層を用いた場合は、Al組成比を小さくすることにより、第1クラッド層104の屈折率を大きくすることができる。
受発光装置100では、第1電極112と第3電極115との間に、pinダイオードの逆バイアス電圧を印加すると、光30,32によって光吸収層103に生成された電子−正孔対が加速され電流として取り出すことができる。さらに、第1クラッド層104および第3クラッド層102によって、光吸収層103から光が漏れることを抑制または防止することができる。
以上のとおり、受発光装置100は、受光のためのpinフォトダイオードを構成することができる。すなわち、受発光装置100は、第1クラッド層104、第3クラッド層102、光吸収層103、第1電極112および第3電極115によって、受光素子を構成することができる。
本実施形態に係る受発光装置100の一例として、GaAs系の場合について説明したが、受発光装置100は、発光利得領域が形成可能なあらゆる材料系を用いることができる。半導体材料であれば、例えば、InGaAlP系、AlGaN系、InGaN系、InGaAs系、GaInNAs系、ZnCdSe系などの半導体材料を用いることができる。
本実施形態に係る受発光装置100は、例えば、プロジェクター、ディスプレイ、照明装置、計測装置などの光源に適用されることができる。
本実施形態に係る受発光装置100は、例えば、以下の特徴を有する。
受発光装置100では、受光素子を構成する光吸収層103の上方に、発光素子を構成する活性層106を形成することができる。そして、活性層106の利得領域160に生じる光の一部は、第1クラッド層104内を通過して、光吸収層103に至り、受光されることができる。すなわち、受発光装置100では、発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができる。これにより、例えば、別途、受光素子を設置する場合と比較して、部品点数の削減および製造コストの削減が可能となる。
受発光装置100では、利得領域160に生じる光の一部を受光することによって、利得領域160の光出力をモニターすることができる。したがって、モニターされた光出力に基づいて、第1電極112および第2電極114に印加する電圧値を調整することができる。これにより、受発光装置100では、輝度むらを低減し、また、明るさを自動調整することができる。なお、利得領域160の光出力を、印加する電圧値にフィードバックする制御は、例えば、外部電子回路(図示しない)を用いて行うことができる。
受発光装置100では、第1クラッド層104の屈折率は、第2クラッド層108の屈折率より大きいことができる。より具体的には、例えば、第1クラッド層104および第2クラッド層108としてAlGaAs層を用いる場合、第1クラッド層104のAl組成比は、第2クラッド層108のAl組成比より小さいことができる。これにより、第1クラッド層104と活性層106との屈折率差は、第2クラッド層108と活性層106との屈折率差よりも小さくなり、利得領域160に生じる光の一部は、第1クラッド層104内を通過し易くなる。すなわち、第1クラッド層104のAl組成比によって第1クラッド層104の屈折率を調整し、受光される光の光量を制御することができる。
受発光装置100では、利得領域160は、第1側面105の垂線Pに対して傾いた方向に向かって設けられていることができる。さらに、利得領域160では、第1側面105側から平面的にみて、第1端面170と第2端面172とは、重なっていないことができる。これにより、上述したとおり、利得領域160に生じる光のレーザー発振を抑制または防止することができる。したがって、スペックルノイズを低減させることができる。さらに、受発光装置100では、利得領域160に生じる光は、利得領域160内において利得を受けながら進行して、外部に出射されることができる。したがって、従来の一般的なLED(Light Emitting Diode)よりも高い出力を得ることができる。以上のように、受発光装置100では、スペックルノイズを低減でき、かつ高出力化を図ることができる。
1.2. 第1の実施形態に係る受発光装置の製造方法
次に、第1の実施形態に係る受発光装置100の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図5〜図12は、受発光装置100の製造工程を模式的に示す断面図である。
次に、第1の実施形態に係る受発光装置100の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図5〜図12は、受発光装置100の製造工程を模式的に示す断面図である。
図5に示すように、基板101上に、第3クラッド層102、光吸収層103、第1クラッド層104、活性層106、第2クラッド層108、およびコンタクト層110を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法などを用いることができる。
図6に示すように、コンタクト層110および第2クラッド層108をパターニングする。パターニングは、活性層106の上面を露出しないように行う。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて行われる。本工程により、柱状部111を形成することができる。
図7に示すように、柱状部111の側面を覆うように絶縁部116を形成する。具体的には、まず、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、塗布法などにより、第2クラッド層108の上方(コンタクト層110上を含む)に絶縁層(図示せず)を成膜する。次に、例えば、エッチング技術などを用いて、コンタクト層110の上面を露出させる。以上の工程により、絶縁部116を形成することができる。
図8に示すように、絶縁部116をパターニングする。より具体的には、絶縁部116の一部をエッチングして、第2クラッド層108の上面を露出させる。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて行われる。
図9に示すように、全面に導電層114aを形成する。コンタクト層110および絶縁部116上の導電層114aは、第2電極114となる。導電層114aは、例えば、真空蒸着法により形成される。
図10に示すように、第2電極114上にレジストRを形成する。レジストRは、公知の方法により形成される。
図11に示すように、レジストRをマスクとして、第2クラッド層108上の導電層114a、第2クラッド層108、活性層106、および第1クラッド層104の一部をエッチングする。エッチングは、光吸収層103の上面が露出しないように行う。これにより、第1クラッド層104に窪み部104aを形成することができる。
図12に示すように、全面に導電層112aを形成する。第1クラッド層104(窪み部104aの底面)上の導電層112aは、第1電極112となる。導電層112aは、例えば、真空蒸着法により形成される。
図13に示すように、レジストRを除去することにより、レジストR上の導電層112aをリフトオフする。リフトオフは、公知の方法により行われる。
図3に示すように、基板101の下面下に第3電極115を形成する。第3電極115は、例えば、真空蒸着法により形成される。
以上の工程により、受発光装置100を製造することができる。
受発光装置100の製造方法によれば、発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができる受発光装置100を形成することができる。
1.3. 第1の実施形態の第1変形例に係る受発光装置
次に、第1の実施形態の第1変形例に係る受発光装置200について、図面を参照しながら説明する。図14は、受発光装置200を模式的に示す断面図であり、発光装置100を模式的に示した図3に対応している。以下、第1の実施形態の第1変形例に係る受発光装置200において、第1の実施形態に係る受発光装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、第1の実施形態の第1変形例に係る受発光装置200について、図面を参照しながら説明する。図14は、受発光装置200を模式的に示す断面図であり、発光装置100を模式的に示した図3に対応している。以下、第1の実施形態の第1変形例に係る受発光装置200において、第1の実施形態に係る受発光装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
受発光装置100では、絶縁部116と、絶縁部116とが形成されていない領域、すなわち柱状部111を形成している領域に屈折率差を設けて、光を閉じ込める屈折率導波型について説明した。これに対し、受発光装置200は、柱状部111を形成することによって屈折率差を設けず、利得領域160がそのまま導波領域となる、利得導波型であることができる。
すなわち、受発光装置200では、図14に示すように、コンタクト層110および第2クラッド層108は、柱状部を構成せず、その側方に絶縁部116は形成されない。絶縁部116は、利得領域160の上方以外のコンタクト層110上に形成されている。つまり、絶縁部116は利得領域160の上方に開口を有し、該開口ではコンタクト層110の上面が露出している。第2電極114は、その露出しているコンタクト層110上および絶縁部116上に形成されている。第2電極114とコンタクト層110の接触面は、利得領域160と同じ平面形状を有している。図示の例では、第2電極114とコンタクト層110との接触面の平面形状によって、電極112,114間の電流経路が決定され、その結果、利得領域160の平面形状が決定されることができる。図示の例では、第2電極114の上面も、利得領域160と同じ平面形状を有している。なお図示はしないが、第2電極114は、利得領域160の上方のコンタクト層110上にのみ形成されていてもよい。
受発光装置200によれば、受発光装置100と同様に、発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができる。
1.4. 第1の実施形態の第2変形例に係る受発光装置
次に、第1の実施形態の第2変形例に係る受発光装置300について、図面を参照しながら説明する。図15は、受発光装置300を模式的に示す平面図である。図16は、受発光装置300を模式的に示す図15のXVI−XVI線断面図である。なお、図15では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。以下、第1の実施形態の第2変形例に係る受発光装置300において、第1の実施形態に係る受発光装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、第1の実施形態の第2変形例に係る受発光装置300について、図面を参照しながら説明する。図15は、受発光装置300を模式的に示す平面図である。図16は、受発光装置300を模式的に示す図15のXVI−XVI線断面図である。なお、図15では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。以下、第1の実施形態の第2変形例に係る受発光装置300において、第1の実施形態に係る受発光装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
受発光装置300では、図15および図16に示すように、複数の利得領域160が配列されている。各利得領域160に対応して、第1電極112が設けられている。隣り合う利得領域160の間には、分離溝380が形成されている。分離溝380は、隣り合う第1電極112の間に形成されているともいえる。図16に示すように、分離溝380の底面は、光吸収層103の下面より下方に位置している。図示の例では、分離溝380の底面は、第3クラッド層102の上面と下面との間に位置している。なお、溝部380は、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などにより形成される。
受発光装置300によれば、受発光装置100の場合に比べて、発光の高出力化を図ることができる。
また、受発光装置300によれば、複数の利得領域160、および光吸収層103は、分離溝380によって電気的に分離されている。そのため、複数の利得領域160の各々の光出力をモニターすることができる。すなわち、複数の利得領域160の各々に対して、個別に光量検出を行うことができる。
2. 第2の実施形態
2.1. 第2の実施形態に係る受発光装置
次に、第2の実施形態に係る受発光装置400について、図面を参照しながら説明する。図17は、受発光装置400を模式的に示す平面図である。図18は、受発光装置400を模式的に示す図17のXVIII−XVIII線断面図である。なお、図17では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。以下、第2の実施形態に係る受発光装置400において、第1の実施形態に係る受発光装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
2.1. 第2の実施形態に係る受発光装置
次に、第2の実施形態に係る受発光装置400について、図面を参照しながら説明する。図17は、受発光装置400を模式的に示す平面図である。図18は、受発光装置400を模式的に示す図17のXVIII−XVIII線断面図である。なお、図17では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。以下、第2の実施形態に係る受発光装置400において、第1の実施形態に係る受発光装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
受発光装置400では、図17に示すように、複数の利得領域160(第1利得領域160aおよび第2利得領域160b)を有し、これらが利得領域対462を構成している。第1利得領域160aは、第1側面105に設けられた第1端面170aと、第2側面107に設けられた第2端面172aと、を有する。第2利得領域160bは、第1側面105に設けられた第1端面170bと、第2側面107に設けられた第2端面172bと、を有する。第1利得領域160aと第2利得領域160bとは、異なる方向に向かって設けられている。図示の例では、第1利得領域160aは、第1側面105の垂線Pに対して一方の側に傾いており、角度θの傾きを有する一の方向に向かって設けられている。また、第2利得領域160bは、垂線Pに対して他方の側(上記一方の側の反対側)に傾いており、角度θの傾きを有する他の方向に向かって設けられている。図示の例では、第1利得領域160aの第1端面170aと、第2利得領域160bの第1端面170bとは、重なり面474において完全に重なっている。第1利得領域160aと第2利得領域160bとは、例えば図17に示すように平面視において、重なり面474の中心を通る垂線Pに対して、線対称の関係にある。
利得領域160a,160bに生じる光の波長帯において、第1側面105の反射率は、第2側面107の反射率よりも高い。例えば、図17および図18に示すように、第1側面105を反射部430によって覆うことにより、高い反射率を得ることができる。反射部430は、例えば誘電体多層膜ミラーなどである。具体的には、反射部430としては、例えば、第1側面105側からSiO2層、Ta2O5層の順序で10ペア積層したミラーなどを用いることができる。第1側面105の反射率は、100%、あるいはそれに近いことが望ましい。これに対し、第2側面107の反射率は、0%、あるいはそれに近いことが望ましい。すなわち、受発光装置400では、第1端面170a,170bは反射面となり、第2端面172a,172bは出射面となる。なお、反射部430としては、上述した例に限定されるわけではなく、例えば、Al2O3層、TiO2層、SiN層や、これらの多層膜などを用いることができる。反射部430は、例えば、CVD法、スパッタ法、イオンアシスト蒸着(Ion Assisted Deposition)法などにより形成されることができる。
図17に示すように、例えば、第1利得領域160aに生じる光の一部10は、第1利得領域160a内で増幅された後、重なり面474において反射して、第2利得領域160bの第2端面172bから出射光22として出射されるが、反射後の第2利得領域160b内においても光強度が増幅される。同様に、第2利得領域160bに生じる光の一部は、第2利得領域160b内で増幅された後、重なり面474において反射して、第1利得領域160aの第2端面172aから出射光22として出射されるが、反射後の第1利得領域160a内においても光強度が増幅される。なお、第1利得領域160aに生じる光には、直接、第1利得領域160aの第2端面172aから出射光22として出射されるものもある。同様に、第2利得領域160bに生じる光には、直接、第2利得領域160bの第2端面172bから出射光22として出射されるものもある。これらの光も同様に各利得領域160a,160b内において増幅される。
図18に示すように、第1利得領域160aに生じた第1端面170aに向かう光10は、活性層106と反射部430との屈折率の差によって、第1利得領域160aの伝播モードとは異なるモードを有し、第1端面170aに近づくにつれて、発散する。特に、第1利得領域160aに生じた光10は、第1利得領域160aと第2利得領域160bとの間の距離が小さくなる折り返し部分において、第2利得領域160b内を進行する光の影響を受け、伝播モードが変化しやすい。そして、例えば、活性層106の厚み方向に発散した光の一部(光30)は、第1クラッド層104内を通過して(第1クラッド層104内に漏れて)、光吸収層103に至る。すなわち、光10は、重なり面474において反射して第2利得領域160b内を進行するが、光10の一部は、第1側面105近傍において、光30として第1クラッド層104内を通過して光吸収層103に至る。このことは、第2利得領域160bに生じた第1端面170bに向かう光についても同様である。
受発光装置400によれば、上述のとおり、第1利得領域160aに生じる光の一部10は、重なり面474において反射して、第2利得領域160b内においても、利得を受けながら進行することができる。また、第2利得領域160bに生じる光の一部に関しても同様である。したがって、受発光装置400では、例えば、重なり面474において積極的に反射させないような場合に比べ、光強度の増幅距離が長くなるため、高い光出力を得ることができる。
2.2. 第2の実施形態の変形例に係る受発光装置
次に、第2の実施形態の変形例に係る受発光装置500について、図面を参照しながら説明する。図19は、受発光装置500を模式的に示す平面図である。図20は、受発光装置500を模式的に示す図19のXX−XX線断面図である。なお、図19では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。以下、第2の実施形態の変形例に係る受発光装置500において、第2の実施形態に係る受発光装置400の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、第2の実施形態の変形例に係る受発光装置500について、図面を参照しながら説明する。図19は、受発光装置500を模式的に示す平面図である。図20は、受発光装置500を模式的に示す図19のXX−XX線断面図である。なお、図19では、便宜上、第2電極114の図示を省略している。以下、第2の実施形態の変形例に係る受発光装置500において、第2の実施形態に係る受発光装置400の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
受発光装置500では、図19に示すように、複数の利得領域対462が配列されている。各利得領域対462に対応して、第1電極112が設けられている。隣り合う利得領域対462の間には、分離溝580が形成されている。分離溝580は、隣り合う第1電極112の間に形成されているともいえる。図20に示すように、分離溝580の底面は、光吸収層103の下面より下方に位置している。図示の例では、分離溝580の底面は、第3クラッド層102の上面と下面との間に位置している。なお、溝部580は、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などにより形成される。
受発光装置500によれば、受発光装置400の場合に比べて、発光の高出力化を図ることができる。
また、受発光装置500によれば、複数の利得領域対462、および光吸収層103は、分離溝580によって電気的に分離されている。そのため、複数の利得領域対462の各々の光出力をモニターすることができる。すなわち、複数の利得領域対462の各々に対して、個別に光量検出を行うことができる。
なお、上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
10 光、12 光、20 光、22 光、30 光、32 光、100 受発光装置、101 基板、102 第3クラッド層、103 光吸収層、104 第1クラッド層、105 第1側面、106 活性層、107 第2側面、108 第2クラッド層、110 コンタクト層、111 柱状部、112 第1電極、114 第2電極、115 第3電極、116 絶縁部、160 利得領域、170 第1端面、172 第2端面、200 受発光装置、300 受発光装置、380 分離溝、400 受発光装置、430 反射部、462 利得領域対、474 重なり面、500 受発光装置、580 分離溝
Claims (11)
- 光吸収層と、
前記光吸収層の上方に形成された第1クラッド層と、
前記第1クラッド層の上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第2クラッド層と、
を含み、
前記活性層のうちの少なくとも一部は、利得領域を構成し、
前記利得領域は、前記活性層の第1側面側の端面と、前記第1側面に対向する前記活性層の第2側面側の端面と、を有し、
前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面の少なくとも一方は、出射面であり、
前記利得領域に生じる光の一部は、前記第1クラッド層内を通過して、前記光吸収層に至り、受光される、受発光装置。 - 請求項1において、
前記光吸収層に至る光は、前記利得領域に生じる光のうち、前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面近傍の光である、受発光装置。 - 請求項1または2において、
前記光吸収層に至る光は、前記利得領域に生じる光のうち、前記第1側面側の端面および前記第2側面側の端面における屈折率差によって、前記利得領域の伝播モードとは異なるモードを有する光である、受発光装置。 - 請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記第1クラッド層の屈折率は、前記第2クラッド層の屈折率より大きい、受発光装置。 - 請求項1ないし4のいずれかにおいて、
前記第1クラッド層および前記第2クラッド層は、AlGaAs層であり、
前記第1クラッド層のAl組成比は、前記第2クラッド層のAl組成比より小さい、受発光装置。 - 請求項1ないし5のいずれかにおいて、
前記利得領域は、前記第1側面の垂線に対して傾いた方向に向かって設けられている、受発光装置。 - 請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記利得領域では、前記第1側面側から平面的にみて、前記第1側面側の端面と、前記第2側面側の端面とは、重なっていない、受発光装置。 - 請求項1ないし7のいずれかにおいて、
前記光吸収層の下方に設けられた第3クラッド層と、
前記第1クラッド層に電気的に接続された第1電極と、
前記第2クラッド層に電気的に接続された第2電極と、
前記第3クラッド層に電気的に接続された第3電極と、
を含む、受発光装置。 - 請求項1ないし8のいずれかにおいて、
前記利得領域は、複数配列され、
隣り合う前記利得領域の間には、分離溝が形成され、
前記分離溝の底面は、前記吸収層の下面より下方に位置している、受発光装置。 - 請求項6ないし8のいずれかにおいて、
前記利得領域に生じる光の波長帯において、前記第1側面の反射率は、前記第2側面の反射率よりも高く、
前記利得領域は、複数設けられ、
複数の前記利得領域は、少なくとも1つの利得領域対をなし、
前記利得領域対の一方の第1利得領域は、一の方向に向かって設けられ、
前記利得領域対の他方の第2利得領域は、前記一の方向とは異なる他の方向に向かって設けられ、
前記第1利得領域の前記第1側面側の端面と、前記第2利得領域の前記第1側面側の端面とは、重なっている、受発光装置。 - 請求項10において、
前記利得領域対は、複数配列され、
隣り合う前記利得領域対の間には、分離溝が形成され、
前記分離溝の底面は、前記吸収層の下面より下方に位置している、受発光装置。
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