JP3154828B2

JP3154828B2 - 半導体能動素子

Info

Publication number: JP3154828B2
Application number: JP22477692A
Authority: JP
Inventors: 清一村上; 富志夫土屋; 治男永井
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 2001-04-09
Anticipated expiration: 2016-04-09
Also published as: JPH0653546A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバジャイロ等
の光計測の分野で重要なインコヒーレント光源として期
待されている半導体能動素子の光出力安定化の手段に関
する。

【０００２】

【従来の技術】（ＳＬＤの特徴）光伝送用光源および光
計測用光源として、半導体レーザ（以下、ＬＤという）
および発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）が精力的
に開発され、今日では様々な分野で実用化されている。
ＬＤは、発光スペクトル幅が狭いため光のコヒーレンス
長が長く、高出力であり、放射角がせまいため光ファイ
バとの結合もよい。これに対して、ＬＥＤからの発光
は、インコヒーレントで、光出力は小さく、一般的に放
射角が広く、ファイバとの結合もあまりよくない。最
近、ＬＤとＬＥＤの中間的な特性をもつスーパールミネ
セントダイオード（以下、ＳＬＤという。）が注目され
てきた。ＳＬＤは強度の大きいインコヒーレント光をＬ
Ｄなみに狭い放射角で放出する点に特徴を有する。ＳＬ
Ｄは、光ファイバとの結合も良好であり、ファイバジャ
イロ、高分解能ＯＴＤＲなど光計測の分野で必要とされ
るインコヒーレント光源として期待されている。

【０００３】（後方吸収型のＳＬＤを採用する理由）活
性層の端面からインコヒーレント光を出射する半導体能
動素子は、素子の両端面での光の反射率の低減を十分に
行い、ファブリペローモードによるレーザ発振を抑圧す
ることが重要である。その方法として、素子の端面に端
面無反射コート（以下、ＡＲコートという）を施すこ
と、素子に吸収領域を形成すること、素子の端面を埋め
込むこと等により、素子の両端面の反射率を低減させる
方策が取られてきた。特に、素子の出射端面の反対側に
吸収領域を設けたＳＬＤ（以下、後方吸収型ＳＬＤとい
う）において、光は、吸収領域では光吸収を受けながら
拡散し、そのわずか一部のみが吸収領域の端面で反射
し、再び損失を受けながら励起領域に帰還する。このた
め、ファブリペローモードによるレーザ発振を抑圧する
効果を十分に備え、また、励起領域からの出射光は出射
端面に垂直であるためファイバとの結合が非常によいと
の点で優れている（特願平３−３３１４１３号公報）。

【０００４】（光出力の安定化が必要な理由）ＳＬＤを
含むすべての半導体発光素子の光出力は、環境温度の変
化等により変化することはよく知られている。システム
の設計において、この出力変動はさまざまな不安定要素
を持っており、例えば、光送信端局および光受信端局の
光伝送系のシステムの設計において、伝送路の損失配分
は、光源の光出力レベル（光強度）、許容符号誤り率、
劣化要因レベル、受光器の受信感度等により決定され、
理論上、光の信号レベルが１ｄＢ落ちると、符号誤り率
が約２桁劣化すること等がよく知られている。

【０００５】（光出力の安定化の手段）ＳＬＤの光出力
安定化のための検出方法はその手段として２種類考えら
れる。第１の手段は、光を励起する領域（以下、励起領
域３という。）に該当する活性層で励起された光を光出
力端面から反射防止膜７を経由して外部に放射し、その
光を分岐手段１４で分岐し、その一方の光を受光素子１
５で受けて、その光出力を電気信号に変換し、その変動
に応じて、励起領域３に印加される励起電流を制御する
方法である（図４参照）。

【０００６】第２の手段は、励起領域３に該当する活性
層で励起された光を活性層の端縁から内部に延びるよう
に形成された光を吸収する領域（以下、吸収領域５とい
う）に向けてすすませ、吸収領域５で吸収されずに透過
し、外部に放射した光を受光素子１５で受光し、光出力
を電気信号に変換し、その変動に応じて、励起領域３に
印加される励起電流を制御する方法である（図５参
照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の手段で
は、励起領域の光出力端面から出射される光を用いる
が、光を分岐するための光学部品が必要になり、また、
分岐により励起領域から出射された光を１００％使用す
ることができない問題がある。

【０００８】第２の手段は、半導体レーザでは通常用い
られる方法であるが、ＳＬＤにおいては吸収領域から受
光素子１５に出射された光を用いると、その光と、励起
領域３の光出力端面から出射された光とのパワーのリニ
アリティがとれないという問題がある。その現象を図６
に示す。また、リニアリティがとれない原因は以下のと
おりである。すなわち、励起領域で発生した光は、励起
領域の光出力端面および吸収領域へ同じ成分の光が出射
および入射される。そして、吸収領域に入射された光は
吸収領域で吸収を受け外部の放射される。しかし、励起
領域から出射および入射された光は励起領域への注入電
流が増加するにつれ自然放出光成分に対し励起放出光成
分の割合が次第に増加する傾向にあるため、吸収領域で
の吸収係数は次第に大きくなる傾向がある。また、その
逆に吸収領域での吸収係数は光が吸収領域に入射するこ
とにより価電子帯の電子が伝導帯に励起され、その量に
より吸収領域の吸収係数は小さくなる。すなわち、吸収
領域から外部に放射される光の割合は、励起領域の光出
力端面から出射する光に対し、励起領域への注入電流の
増加により、はじめは減少するが次第に増加する傾向に
あることがわかる。その結果、励起領域への注入電流の
出力調整に誤差が生じ、励起領域の光出力端面からの光
出力を効率良く安定させることができない。

【０００９】さらに、ＳＬＤの光出力を安定化するため
には、上に述べたように、励起領域から出射される光と
同等の光を同一の半導体能動素子から取り出し、その光
出力を電気信号に変換し、その電気信号の電圧の変動に
より、励起電流を制御することを行う。このためには、
同一の半導体能動素子の上に光を励起する領域を形成で
き、さらには、必要に応じて、素子内部に光を受光する
領域も形成できればなおよい。

【００１０】請求項１の発明では、半導体基板1と、該
半導体基板上に該半導体基板の全域にわたって形成され
た活性層2と、該活性層上の活性層の一つの端縁から内
部に延びるように形成された第一の励起領域3と、前記
活性層の一つの端縁から内部に延びるように形成された
第二の励起領域4と、第一及び第二の励起領域の延長部
にそれぞれ形成された第一及び第二の吸収領域5、６
と、前記第一及び第二の励起領域の光出力端面にそれぞ
れ形成された第一及び第二の反射防止膜７、８とを備
え、前記第一の励起領域の出射端面から出射される光と
同一成分を有する光が前記第二の励起領域の出射端面か
ら外部に出射されるように前記第一及び第二の励起領域
の形状が同一または相似であることを特徴とする半導体
能動素子である。

【００１１】請求項２の発明では、半導体基板1と、該
半導体基板上に該半導体基板の全域にわたって形成され
た活性層2と、該活性層上の活性層の端縁から内部に延
びるように形成された励起領域3と、該励起領域の光出
力端面に形成された反射防止膜7と、前記励起領域から
の光を直接受光する同一素子内の前記励起領域の延長部
に形成された受光領域9と、前記励起領域と受光領域と
を電気的に分離する分離領域10とを備えた半導体能動素
子である。

【００１２】

【作用】以下、本発明の半導体能動素子の作用を説明す
る。請求項１の発明では、同一半導体基板１の上に同一
または相似形の二つの励起領域３、４と、二つの吸収領
域５、６とを有するため、その光の成分は同等であり、
相互に良好なリニアリティを得ることができる。すなわ
ち、第２の励起領域４で励起され、そのまま素子端面か
ら出射される光は受光素子で受け、電気信号に変換しモ
ニタとして利用することが可能である。

【００１３】請求項２の発明では、励起領域３で励起さ
れた光は、光出力を検出する受光領域９に向けて出射さ
れ、電気的に分離された分離領域１０を光の吸収を受け
ずに進み光出力を検出する受光領域９で電気信号に変換
される。また、分離領域１０を光のライフタイムと活性
層の吸収係数から計算される距離より短くすると光出力
吸収がなくなり、光出力は良好なリニアリティが得られ
る。そして、電気的に分離されているので、励起領域３
に印加した励起電流の影響を受けずに、光出力を電気信
号に変換し、その電気信号の変動に応じて励起領域３に
注入する電流を制御する。

【００１４】

【実施例】請求項１の発明の一実施例を図１を用いて説
明する。（第１の実施例）図１（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図
である。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料による実施例を
述べる。本発明の半導体能動素子を得るには、気相成長
法（ＭＯＣＶＤ）等により、ｎ−ＧａＡｓの半導体基板
１上にキャリア濃度１×１０¹⁸のｎ−ＧａＡｓのバッフ
ァ層（図示せず。）、キャリア濃度７×１０¹⁷のｎ−Ａ
ｌＧａＡｓのクラッド層（図示せず。）、活性層２、ｐ
−ＡｌＧａＡｓの光ガイド層（図示せず。）、キャリア
濃度７×１０¹⁷のｐ−ＡｌＧａＡｓのクラッド層１１、
キャリア濃度１×１０¹⁹のｐ−ＧａＡｓのキャップ層
（図示せず。）を順次成長し、フォトエッチング技術を
用いてリッジ導波路（図示せず。）を形成する。そして
ＳｉＮｘ絶縁層をフォトエッチング技術を用いてリッジ
中央部を除いて作製し、そのＳｉＮｘ絶縁層のない部分
にｐ−オーミック電極１２を素子の出射端面から内部方
向に延びるように形成し、ウェハを９０μｍに研摩後、
ｎ−ＧａＡｓ基板下面にｎ−オーミック電極１３を作製
し、アロイングにより合金化した後、素子両面にコンタ
クト用金属（図示せず。）を形成する。その後、素子長
５００μｍ、励起領域３、４、吸収領域ともそれぞれ２
５０μｍで劈開を行い、チップ化し、ストライプに垂直
な両劈開面にＳｉＯ単層膜による反射防止膜７、８を施
す。なお、本実施例は半導体基板１にｎ−ＧａＡｓ基板
を用いた例について説明したが、ｐ−ＧａＡｓ基板また
はＩｎＰ基板等についても同様の効果を得ることができ
る。本実施例では、リッジ導波路により励起領域を形成
したが、それ以外にも、素子の上面の必要な位置に電極
１２を設け、励起領域３、４を形成することもできる。
本実施例では、励起領域３、４を形成するため、電極１
２を素子上面の出射方向のそれぞれ対向する位置に設
け、励起領域３、４の延長部に吸収領域５、６が形成さ
れる。しかし、励起領域３、４が活性層２の同一端縁に
設けられていて、同一方向に光を出射する構成も可能で
ある。

【００１５】請求項２の発明の一実施例を断面図である
図２を用いて説明する。（第２の実施例）図２はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料
による本発明の実施例である。本発明の半導体能動素子
を得るには、第１の実施例と同様に、気相成長法（ＭＯ
ＣＶＤ）等により、ｎ−ＧａＡｓの半導体基板１の上に
順次成長させ、フォトエッチング技術を用いてリッジ導
波路と分離領域１０を作製した後、ＳｉＮｘ絶縁層をフ
ォトエッチング技術を用いてリッジ中央部と吸収領域を
除いて作製し、そのＳｉＮｘ絶縁層のない部分にｐ−オ
ーミック電極１２を形成し、ウェハを９０μｍに研摩
後、ｎ−ＧａＡｓ基板下面にｎ−オーミック電極１３を
作製し、アロイングにより合金化した後、分離領域１０
を除く素子両面にコンタクト用金属を形成する。その
後、素子長５００μｍ、励起領域３、受光領域９ともそ
れぞれ２５０μｍで劈開を行い、チップ化し、ストライ
プに垂直な励起領域側の劈開面にＳｉＯ単層膜による反
射防止膜７を施す。なお、本実施例は半導体基板１にｎ
−ＧａＡｓ基板を用いた例について説明したが、ｐ−Ｇ
ａＡｓ基板またはＩｎＰ基板等についても同様の効果を
得ることができる。この実施例でも、素子上面をエッチ
ングして形成するリッジ導波路により励起領域３を形成
したが、それ以外にも、素子の上面の必要な位置に電極
１２を設け、励起領域３を形成することもできる。

【００１６】（第３の実施例）請求項２の発明の別の実
施例を断面図である図３を用いて説明する。第３の実施
例と同様に作製し、分離領域１０を作製する際、その形
状をエッチングによりＶ溝状または多角形に作製する。

【００１７】請求項１の発明の半導体能動素子２０を用
いた定出力制御回路の説明を図７を用いて以下に行う。
第２の励起領域４からの第２の出射光３１を受光素子１
５で検出し、そのレベルを基準電圧器２２からの基準電
圧を用いて基準とする。そして、温度変化等により変化
したレベルとの差を差動増幅器２３で増幅し、第２の励
起領域４からの光出力が一定になるようにＳＬＤ電流駆
動回路２４をコントロールするフィードバック回路を構
成することにより、温度変化等が発生した場合でも第１
の励起領域３からの出射光３０を一定に保つことが可能
となる。

【００１８】請求項２の発明の半導体能動素子を用いた
定出力制御回路の説明を図８を用いて以下に行う。励起
領域３からの第２の出射光３１は受光領域９で電気信号
に変換され、そのレベルを基準電圧器２２からの基準電
圧を用いて基準とする。そして、温度変化等により変化
したレベルとの差を差動増幅器２３で増幅し、励起領域
３からの光出力が一定になるようにＳＬＤ電流駆動回路
２４をコントロールするフィードバック回路を構成する
ことにより、温度変化等が発生した場合でも励起領域３
からの第１の出射光３０を一定に保つことが可能とな
る。

【００１９】

【発明の効果】請求項１および請求項２の発明の半導体
能動素子のいずれにも共通する効果として、活性層が基
板全面に形成されているので、励起領域、受光領域を形
成するためには、電極を基板上面の必要な位置に設けれ
ばよいということが挙げることができる。すなわち、素
子を作製し、光出力をモニタする場合、非常に平易にで
きる。

【００２０】次に、請求項１の発明の半導体能動素子で
は、素子の端面から出射される第１の励起領域から出射
される光と第２の励起領域から出射される光とのリニア
リティを良好に得ることができるため、光出力検出用の
受光素子から検出された光出力に応じて第１の励起領域
に印加する電流を制御する事が可能であり、出射光を良
好に制御し、安定させることが可能となる。

【００２１】さらに、請求項２の発明の半導体能動素子
では、励起領域とその光出力検出用の受光領域とを同一
基板上に作製することができ、また、相互のリニアリテ
ィを良好に得ることができるため、受光領域から検出さ
れた光出力に応じて励起領域に印加する電流を制御する
事が可能であり、出射光を良好に制御し、安定に動作さ
せることが可能となる。このように作製された本発明の
半導体能動素子は様々な光計測のための光源として応用
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の一実施例を示した図である。

【図２】請求項２の一実施例を示した図である。

【図３】請求項２の一実施例を示した図である。

【図４】従来技術を示した図である。

【図５】従来技術を示した図である。

【図６】リニアリティの関係を示す図である。

【図７】請求項１の素子の定出力制御回路のブロック
図。

【図８】請求項２の素子の定出力制御回路のブロック
図。

【符号の説明】

１半導体基板。２活性層。３第１の励起領域。４第２の励起領域。５第１の吸収領域。６第２の吸収領域。７第１の反射防止膜。８第２の反射防止膜。９受光領域。１０分離領域。１１クラッド層。１２電極。１３電極。１４分岐手段。１５受光素子。２０半導体能動素子。２２基準電圧器。２３差動増幅器。２４ＳＬＤ電流駆動回路。３０第一の出力光。３１第二の出力光。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板(1)と、該半導体基板上に該半
導体基板の全域にわたって形成された活性層(2)と、該
活性層上の活性層の一つの端縁から内部に延びるように
形成された第一の励起領域(3)と、前記活性層の一つの
端縁から内部に延びるように形成された第二の励起領域
(4)と、第一及び第二の励起領域の延長部にそれぞれ形
成された第一及び第二の吸収領域(5)、(６)と、前記第
一及び第二の励起領域の光出力端面にそれぞれ形成され
た第一及び第二の反射防止膜(７)、(８)とを備え、前記
第一の励起領域の出射端面から出射される光と同一成分
を有する光が前記第二の励起領域の出射端面から外部に
出射されるように前記第一及び第二の励起領域の形状が
同一または相似であることを特徴とする半導体能動素
子。
【請求項２】半導体基板(1)と、該半導体基板上に該半
導体基板の全域にわたって形成された活性層(2)と、該
活性層上の活性層の端縁から内部に延びるように形成さ
れた励起領域(3)と、該励起領域の光出力端面に形成さ
れた反射防止膜(7)と、前記励起領域からの光を直接受
光する同一素子内の前記励起領域の延長部に形成された
受光領域(9)と、前記励起領域と受光領域とを電気的に
分離する分離領域(10)とを備えた半導体能動素子。