JP2011243701A - スーパールミネッセントダイオードおよびその製造方法、スーパールミネッセントダイオードを光源とするｏｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】破壊耐性が高く、波長スペクトルの形状を制御することができ、高出力を得ることが可能となるスーパールミネッセントダイオードを提供する。
【解決手段】光導波路を構成する活性層を備え、該光導波路を伝播しながら増幅された自然放出光を、該光導波路の出射側より出力するスーパールミネッセントダイオードであって、
前記光導波路に外部からレーザ光を照射し、前記活性層を励起状態にするためのレーザ光照射手段と、
前記光導波路を伝播する自然放出光の形状を変化させるために構成された、それぞれが異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤと、
前記光導波路の出射端面と反対方向の光導波路の端部側の領域に形成された戻り光を減衰するための光吸収領域と、を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スーパールミネッセントダイオードおよびその製造方法、スーパールミネッセントダイオードを光源とするＯＣＴ装置に関する。

スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ；Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）は、増幅自然放出光（ＡＳＥ）を放出し、低コヒーレンス性を持つ高輝度な光源として知られている（例えば、特許文献１参照）。以下、このスーパールミネッセントダイオードをＳＬＤと記す。
また、このようなＳＬＤは応用例の一つとして、例えば特許文献２の眼科装置に記載されているように、高速に光断層像を取得するＳＤ−ＯＣＴ（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｏｍａｉｎ−ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、等の光源に用いられる。

特開２００７−１８４５２６号公報 特開２００７−１５１６２２号公報

ところで、ＳＬＤは上記した特許文献１にも示唆されているように反射端面の破壊により望ましい素子寿命が得られないという課題を有している。
そのため、ＳＬＤを特許文献２の眼科装置のようなＳＤ−ＯＣＴに搭載する場合には、ＯＣＴ内光学系からの戻り光による素子破壊を防ぐため、光学系とＳＬＤの間に高価なアイソレーター素子を設けることが必要となる。
また、ＳＤ−ＯＣＴの深さ分解能を改善するため、ＳＬＤの増幅自然放出光（ＡＳＥ）の波長スペクトル幅を広くする必要があり、また低ノイズなＯＣＴ信号を取得するためにはスペクトルの形状をガウス型に近い形状とするのが有利である。
さらに、マルチビームを用いた高速なＳＤ−ＯＣＴでは高出力なＳＬＤが必要とされている。

本発明は、上記課題に鑑み、破壊耐性が高く、波長スペクトルの形状を制御することができ、高出力を得ることが可能となるスーパールミネッセントダイオードおよびその製造方法、スーパールミネッセントダイオードを光源とするＯＣＴ装置の提供を目的とする。

本発明は、つぎのように構成したスーパールミネッセントダイオードおよびその製造方法、スーパールミネッセントダイオードを光源とするＯＣＴ装置を提供するものである。
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、光導波路を構成する活性層を備え、該光導波路を伝播しながら増幅された自然放出光を、該光導波路の出射側より出力するスーパールミネッセントダイオードであって、
前記光導波路に外部からレーザ光を照射し、前記活性層を励起状態にするためのレーザ光照射手段と、
前記光導波路を伝播する自然放出光の形状を変化させるために構成された、それぞれが異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤと、
前記光導波路の出射端面と反対方向の光導波路の端部側の領域に形成された戻り光を減衰するための光吸収領域と、を有することを特徴とする。
また、本発明のＯＣＴ装置は、上記したスーパールミネッセントダイオードによって構成された光源を備えていることを特徴とする。
また、本発明のスーパールミネッセントダイオードの製造方法は、
活性層による光導波路に対し外部からレーザ光を照射して、該活性層を励起状態にし、該光導波路を伝播しながら増幅された自然放出光を、該光導波路の出射側より出力するように構成されたスーパールミネッセントダイオードの製造方法であって、
前記光導波路を形成するため、基板上に形成されたパッファー層、クラッド層を介し、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓを用いて活性層を形成する工程と、
前記光導波路を伝播する自然放出光の形状を変化させる、それぞれが異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤによって、前記活性層を部分的に励起状態とする領域を、
前記光導波路の出射端面と反対方向の光導波路の端部側の領域を除いて前記活性層に形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、破壊耐性が高く、波長スペクトルの形状を制御することができ、高出力を得ることが可能となるスーパールミネッセントダイオードおよびその製造方法、スーパールミネッセントダイオードを光源とするＯＣＴ装置を実現することができる。

本発明の実施形態におけるＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）の構造および動作について説明する図。 本発明の実施例１における光励起型ＳＬＤの光導波路および活性層の断面図である。 本発明の実施形態におけるＳＬＤへ強い戻り光があった場合の素子動作について説明する図である。 本発明の実施例１における３つの異なる発光を示すＬＥＤ部の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例１における異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤにおける波長選択ＬＥＤ領域の断面構造を示す図である。 本発明の実施例２におけるマルチビーム（２ビーム）型のＳＤ−ＯＣＴ装置の構成例を説明する図。

本発明の実施形態におけるスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の構造および動作について、図１を用いて説明する。
図１において、１００は光増幅されて出射端面より出力される出力光、１０１は励起レーザ光、１０２、１０３、１０４はＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、１０９はＳＬＤである。
本実施形態のＳＬＤは、光導波路を構成する活性層を備え、該光導波路を伝播しながら増幅された自然放出光を、該光導波路の出射側より出力するように構成されている。
その際、図１に示すように、励起レーザ光１０１をＳＬＤ１０９の外部の側面から、不図示のレーザ光照射手段によって照射し、ＳＬＤ１０９内部の活性層を励起状態にするように構成されている。
ここで、波長の異なる３つのＬＥＤ１０２、１０３、１０４と裏面電極１０５に電圧を印加することで、ＬＥＤ領域を発光させる。
ＬＥＤ１０２、１０３、１０４および裏面電極１０５にはワイヤーボンディングのためのサブマウント１０８を用意し、分割電極１０７にワイヤーボンディングを行う。分割電極１０７にはそれぞれ電圧を印加する配線群１０６が配置されている。

図３に示すＳＬＤの断面図を用いて、ＬＥＤ発光後の動作のプロセスを説明する。
図３において、３００はＳＬＤ、３０１、３０２、３０３はＬＥＤである。
ＬＥＤ３０１、３０２、３０３からの光はそれぞれ、波長ごとに異なるＳＬＤ内部の活性層のコア領域３１５に到達し、ＳＬＤ３００の活性層を励起する。
ＬＥＤ３０１からの光３０４は量子井戸３０９で、ＬＥＤ３０２からの光３０５は量子井戸３０８で、またＬＥＤ３０３の光３０６は量子井戸３０７でそれぞれ吸収され、発光する。
そして、クラッド領域３１０、３１１にはさまれた活性層のコア領域３１４を伝播し、出力光３１２が光増幅されてＳＬＤ３００の出射端面より出力される。
なお、図３では不図示であるが、図１と同様に励起レーザ光がＳＬＤ３００の側面から照射されており、活性層のコア領域３１４は励起状態とされている。

ＬＥＤ３０１、３０２、３０３はそれぞれ波長が異なっているため、ＬＥＤの光出力を電気的に調整することで、光増幅された出力光３１２の波長スペクトルの形状を任意に変化させることが可能である。
例えば、ＬＥＤ３０１の波長を８６０ｎｍ、ＬＥＤ３０２の波長を８５０ｎｍ、ＬＥＤ３０３の波長を８４０ｎｍに調整する。
ＬＥＤ３０２を２０ｍＡ程度の電流を流すと、８５０ｎｍを中心にした２０ｎｍ程度の半値幅をもつスペクトルとなる発光を示す。
同時にＬＥＤ３０１、ＬＥＤ３０３に電流を流し、それぞれのＬＥＤに流す電流量を調整してＬＥＤ発光スペクトルを重ね合わせることで、ガウス型の波長スペクトル分布で中心波長８５０ｎｍ、半値幅６０ｎｍ程度を形成することができる。

つぎに、本実施形態のＳＬＤへ強い戻り光があった場合の素子動作について説明する。
戻り光は図３に示す出力光３１２と逆方向からの光入射となる。戻り光は励起状態にある活性層のコア領域３１４を逆方向に伝播し、光増幅されＬＥＤ３０１、３０２、３０３が形成された活性層のコア領域３１５に到達する。
この活性層のコア領域３１５では、図３に示すようにＬＥＤ３０１、３０２、３０３により部分的に励起状態にあり、この領域に到達した戻り光は波長成分で異なる光増幅、光吸収などが起こる。
最終的には、光導波路の出射端面と反対方向の光導波路の端部側の領域に形成された戻り光を減衰する光吸収領域（非励起領域）から出力される。
具体的には、励起光照射を行わない裏面電極１０５下部のコア層２０３となる非励起領域３１３で光が吸収され、減衰し一部が領域３１３と空気の端面より出力される。
従来のＳＬＤでは、戻り光はＳＬＤ内部で増幅され反対側の端面（反射端面）に到達する。そのため、戻り光が強い場合には反射端面で光密度が大きくなりすぎて破壊されることから、戻り光対策のアイソレータが必要となる。
これに対して、本実施形態のＳＬＤでは、増幅された戻り光は後部の光吸収領域（非励起領域３１３）で減衰するため、反射端面では光密度は十分低い状態にあり、端面破壊から保護することができる。
従来のＳＬＤでは高出力で駆動するには、反射端面に１％程度の反射率が必要であり、反射端面保護と高出力は両立しない。

つぎに、本実施形態のＳＬＤの発光パターンおよび光出力について説明する。従来のＳＬＤでは発光のファーフィールドパターンは楕円型となる。
これに対して、本発明のＳＬＤでは光励起で活性領域を形成しており、従来のｐｎ接合の活性層の場合、非対称で長方形となるが、その制約がないため、活性層の高さ／幅の比率を１／２以上にすることができ、より正方形に近い形が可能となる。
そのため、本実施形態のＳＬＤではファーフィールドパターンが円形パターンと成るように素子を設計することが可能となる。
また、光出力の最大値については、単一基本横モードの光出力では、最終的にはＳＬＤの端面破壊の光密度が限界となる。
本実施形態のＳＬＤの光導波路は単一基本横モードの伝播条件で、通常のｐｎ接合型ＳＬＤに比べ、ｐｎ接合による活性層厚みの制約がないため断面積を大きく出来る。
活性層の厚さを２μｍ以上にすれば、通常のｐｎ接合型ＳＬＤよりも光出力を大きくすることが可能である。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光励起型ＳＬＤおよびその製造方法の構成例について説明する。
図２は本実施例の光励起型ＳＬＤの光導波路および活性層の断面図である。
本実施例における光励起型ＳＬＤは、つぎのような製造方法によって作製される。
まず、デバイス形成の基板となるｎ^＋のＧａＡｓウェハー２００を用意し、高品質なデバイス層を形成するためＭＯＣＶＤにより結晶成長を行う。
エピタキシャルウェハーはドーピング濃度７ｘ１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ^＋−ＧａＡｓウェハー２００である。
結晶成長前に表面酸化膜の除去を行った後に、成長温度６５０℃程度の高温で、材料ガスである、アルシン、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌなどを供給し、ＧａＡｓによるバッファー層２０１を、ｎ^＋−ＧａＡｓウェハー２００上（基板上）に１μｍ程度、成長させる。
次に、ＳＬＤの光導波路部分を形成するため、前記バッファー層の上部にクラッド層２０２を成長させる。
クラッド層２０２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層を１μｍ程度、成長させる。次に、活性層を含むコア層２０３をクラッド層２０２の上部に成長させる。
コア層の構造は、バリアー層としてＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓを１５０ｎｍ、ウェル層としてＧａＡｓを１５０ｎｍとし、このペアを５ペア、次にウェル層の厚みのみを６５ｎｍとしてさらに６ペア、最後にウェル層の厚みを４０ｎｍとして６ペアを成長させる。そして、その上部にバリア層を１５０ｎｍ成長させる。
このようにして、活性層の最終的な厚みは４．０８μｍとなる。
次に、上部クラッド層２０４を成長させる。上部クラッド層２０４の厚み、材料はそれぞれ１００ｎｍ、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとなる。
次に、ドーピング濃度１ｘ１０^１７のＳｉを添加したｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層２０５を５０ｎｍ成長させ、最後に裏面電極のコンタクト層２０６として５０ｎｍのｎ＋−ＧａＡｓ層を１ｘ１０^１９ｃｍ^−３となるようにＳｉを添加する。
添加する方法は、ＭＯＣＶＤによる結晶成長時にシランガスを添加することで行う。
クラッド領域２０７の形成方法は、クラッド領域以外を金属マスクを用いて遮蔽を行った後に、水素のイオン注入法により、イオン照射領域を低屈折率化することで作製する。

つぎに、図４を用いて３つの異なる発光を示すＬＥＤ部の製造方法を説明する。
発光する活性層は、ＳｉＯ₂をマスクとするＭＯＣＶＤの選択成長により、ウェル層の厚みを波長選択ＬＥＤ領域４０２、４０３、４０４で変化させることにより行う。
ウェル層の厚みを変化させる方法は、ＳｉＯ₂マスク４０５により、波長選択ＬＥＤ領域４０２、４０３、４０４隣接ＳｉＯ₂マスクの面積が異なっており、隣接マスクの大きさにより、結晶成長の速度が変化することを利用している。
結晶の成長速度が異なる理由は、材料ガス４０１は表面に均一に供給されるが、ＳｉＯ₂マスク上には材料は成長せずマスク上を拡散し、波長選択ＬＥＤ領域４０２、４０３、４０４で成長するためである。
図４に示した各ＬＥＤ領域４０２、４０３、４０４では導波路方向の長さが１００μｍ、結晶表面の幅を１０μｍ、各ＳｉＯ₂マスクの幅はそれぞれ０、３０、７５μｍとした。
このようなＳｉＯ₂マスク形状により、波長選択ＬＥＤ領域４０２、４０３、４０４のウェル層の厚みは、領域４０２における成長膜厚を４０ｎｍに調整すると、領域４０３、４０４における膜厚はそれぞれ６５ｎｍ、１５０ｎｍとなる。

つぎに、上記ウェル層を含むＬＥＤ構造の製作について説明する。
図５に、異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤにおける波長選択ＬＥＤ領域の断面構造を示す。
図５において、５００はｎ＋ＧａＡｓ基板、５０１はＧａＡｓバッファー層、５０２はＮ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層、５０３は波長選択ＬＥＤ領域、５０４は波長選択ＬＥＤ領域、５０５は波長選択ＬＥＤ領域である。
５０６はｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層、５０７はｐ＋コンタクト層、５０８はコンタクト領域、５０９はコンタクト領域、５１０はコンタクト領域、５１１は裏面電極である。
まず、図５において、図２に示したコンタクト層２０６、ｎ−ＧａＡｓ層２０５に相当するコンタクト層５０１、ｎ＋ＧａＡｓ基板５００の上部に、
バリア層として、シリコンを１ｘ１０^１７ｃｍ^−３ドープしたＮ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層５０２を５００ｎｍ成長させる。
次に、上記の選択成長を行うため、ＳｉＯ₂マスクを堆積し、図４に示した形状にするため、フォトリソグラフィーで感光性レジストのパターニングを行う。
次に、各領域ごとに異なるウェル層の成長方法は上記の通りである。
図４における波長選択ＬＥＤ領域４０２、４０３、４０４は、図５ではそれぞれ波長選択ＬＥＤ領域５０５、５０４、５０３となる。ウェル層の材料はＧａＡｓ層を用いて行う。
ウェル層を成長させた後、バッファードフッ酸によりＳｉＯ_２マスクの除去を行う。
次に、ウェル層上部にＢｅを３ｘ１０^１７ｃｍ^−３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層５０６を５００ｎｍ成長させる。最後に、Ｂｅを１ｘ１０^１９ｃｍ^−３ドープしたＧａＡｓを５０ｎｍ成長させ、ｐ^＋コンタクト層５０７を形成する。

次に、ＬＥＤ領域４０２、４０３、４０４を独立に駆動するため、電気的な分離構造を作製する。
まず、図１に示す裏面電極１０５に相当する裏面電極５１１を作製するため、レジストをマスクとして、図２の裏面コンタクト層２０６に相当する５０１までエッチングを行う。
次に、同様にコンタクト層５０７を領域５１０、５０９、５０８でエッチングにより電気的に分離する。
その後、レジストのリフトオフプロセスにより電極形成のためＴｉ／Ａｕを蒸着後、電極のパターニングを行う。

以上のプロセスにより作製した本発明のＳＬＤでは、増幅された戻り光は後部の光吸収領域で減衰するため、反射端面では光密度は十分低い状態にあり、端面破壊から保護することができる。
また、本発明のＳＬＤでは活性領域の厚み、幅はほぼ同じであり、正方形に近い形となる。
そのため、本実施形態のＳＬＤでは円形パターンでの光出力が可能となる。
また、光出力の最大値については、単一基本横モードの光出力では通常のｐｎ接合型ＳＬＤに比べ、ｐｎ接合による活性層高さの制約がないため、４倍以上の断面積になっており、光出力も比例して大きくすることが可能となる。

［実施例２］
実施例２として、本発明のＳＬＤを光源として用い、オール光ファイバーで構成されるマルチビーム（２ビーム）型のＳＤ−ＯＣＴ装置の構成例を、図６を用いて説明する。
本実施例では、ＳＬＤ６０２より８００ｎｍ帯のＡＳＥ光を、４０ｍＷ程度の出力で放出するように構成されている。
このようなＳＬＤ６０２から放出されたＡＳＥ光は、１×２の光カプラー６０３で２ビームに均等に分配された後、それぞれビームスプリッター６０４、６０５により参照光、照射光に分離される。
参照光はそれぞれ反射ミラー６０６、６０７に、照射光は２ビーム同時にサンプル６０８に照射され、これによりサンプルから２箇所の信号光が発生される。
信号光はそれぞれのファイバーの戻り、ビームスプリッター６０４、６０５でそれぞれ反射ミラー６０６、６０７からの参照光と干渉してビート信号となり、信号処理系６０９に導かれ、サンプルの照射光の照射位置における屈折率情報に変換される。
サンプルの位置を移動することにより、サンプルの屈折率分布を測定でき、ＯＣＴ像として利用できる。

図６の２ビームＳＤ−ＯＣＴシステムでは、従来の１ビームのシステムに比べ、２倍の速度で画像の取得が可能となった。
また、本実施例のＳＬＤ内部の３つのＬＥＤの光量を調整することで、スペクトル形状をガウス型に近づけたため、低ノイズなＯＣＴ像の取得が可能となる。
また、活性層の断面積が大きく、正方形に近いため、大出力が可能でファイバーへの光の結合効率も従来のＳＬＤよりも向上させることができる。
マルチビームＯＣＴでは、従来のＳＬＤでは光出力が不足するため、複数のＳＬＤが必要となるが、本実施例のＳＬＤでは１つでも動作可能であり、低コスト化を図ることが可能となる。

１０１：励起レーザ光
１０２、１０３、１０４：ＬＥＤ
１０９：ＳＬＤ
３００：ＳＬＤ
３０１、３０２、３０３：ＬＥＤ
３１０、３１１：クラッド領域
３１３：非励起領域（光吸収領域）
３１４、３１５：活性層のコア領域

Claims (5)

1. 光導波路を構成する活性層を備え、該光導波路を伝播しながら増幅された自然放出光を、該光導波路の出射側より出力するスーパールミネッセントダイオードであって、
   前記光導波路に外部からレーザ光を照射し、前記活性層を励起状態にするためのレーザ光照射手段と、
   前記光導波路を伝播する自然放出光の形状を変化させるために構成された、それぞれが異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤと、
   前記光導波路の出射端面と反対方向の光導波路の端部側の領域に形成された戻り光を減衰するための光吸収領域と、
   を有す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。
2. 前記活性層は、その厚みが２μｍ以上に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
3. 前記活性層は、その高さ／幅の比率が１／２以上に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスーパールミネッセントダイオード。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオードによって構成された光源を備えていることを特徴とするＯＣＴ装置。
5. 活性層による光導波路に対し外部からレーザ光を照射して、該活性層を励起状態にし、該光導波路を伝播しながら増幅された自然放出光を、該光導波路の出射側より出力するように構成されたスーパールミネッセントダイオードの製造方法であって、
   前記光導波路を形成するため、基板上に形成されたバッファー層、クラッド層を介して活性層を形成する工程と、
   前記光導波路を伝播する自然放出光の形状を変化させる、それぞれが異なる波長の光を発光する複数のＬＥＤによって、前記活性層を部分的に励起状態とする領域を、
   前記光導波路の出射端面と反対方向の光導波路の端部側の領域を除いた前記活性層の領域に形成する工程と、
   を有す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の製造方法。

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