JP3617119B2 - スーパールミネッセントダイオード - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はスーパールミネッセントダイオードに関し、より詳細には光センシングシステム用の光源で、出射光のビームの拡がりを抑え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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スーパールミネッセントダイオードは、電流注入によって光を発生させる増幅領域と、ファブリーペロー共振器によるレーザ発振を抑制するための吸収領域とから構成されている。そして、発光させる増幅領域の発光側端面は、大きい注入電流密度を得るために、増幅領域全域に渡って屈折率導波構造であるリッジ構造を形成していた。
【０００３】
上記増幅領域は、上述したように、低電流で高い光出力を得るため、通常高い電流密度が得られるように、更に高い増幅率を得るため、加えて光を効率良く発光領域に閉じ込めるために、電極の幅のみによって決定される電流密度分布ではなく、活性層上部の型クラッド層の膜厚を変化させて有効屈折率に差を積極的につけている。この構造が、従来使われている屈折率導波型構造、すなわちリッジ構造である。
【０００４】
図３は、こうした従来のスーパールミネッセントダイオードの基本構造を示した図である。
図３に於いて、ＧａＡｓ基板１上には、ｎ型バッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、ＧａＡｓ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５、ｐ型ＧａＡｓキャップ層６が、連続的に形成されている。更に、ｐ型ＧａＡｓキャップ層６上には、ＳｉＯ_２ 膜７及びｐ側電極８が形成されている。一方、ＧａＡｓ基板１の裏面側には、ｎ側電極９が形成されている。尚、１０は反射防止膜を構成している。
【０００５】
また、図３に示されるように構成されたｐ側電極８の一部には、電流供給用の電源１１が接続されている。
そして、このスーパールミネッセントダイオードは、屈折率導波構造領域１２と利得導波構造領域１３を有して構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したリッジ構造に於ける発光ビームの拡がりは、活性層の垂直な方向の拡がり角は利得導波構造の拡がり角と変わらない。しかしながら、活性層に平行な方向の拡がり角は、発光端面での回折効果によって大きく拡がり、また利得導波構造に比べて大きく、光ファイバや導波路との接続時に接続損失が大きくなるという課題を有していた。
【０００７】
この発明は、利得導波構造に於ける活性層に平行な方向の発光ビームの拡がりが屈折率導波型構造に比べて小さいことに着目し、発光の主たる利得を屈折率導波構造より得て、光ビームの拡がりを決定する発光端面付近は利得導波型構造とする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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、活性層の上下が互いに導電型の異なるクラッド層に挟まれ、該クラッド層の何れか一方に電極を取り出すためのｐ型若しくはｎ型の高濃度領域が該クラッド層に接して形成されるもので、光を発生する増幅領域とレーザ発振を抑制する吸収領域とを有するスーパールミネッセントダイオードに於いて、上記増幅領域の出射光利用側端面近傍以外の領域をリッジ構造としたことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
この発明のスーパールミネッセントダイオードにあっては、活性層の上下が互いに導電型の異なるクラッド層に挟まれ、該クラッド層の何れか一方に電極を取り出すためのｐ型若しくはｎ型の高濃度領域が該クラッド層に接して形成される。そして、このスーパールミネッセントダイオードは、光を発生する増幅領域と、レーザ発振を抑制する吸収領域とを有している。上記増幅領域の出射光利用側端面近傍以外の領域はリッジ構造により構成されている。
【００１２】
【実施例】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、この発明の一実施例を示したもので、スーパールミネッセントダイオードの構造図である。
【００１３】
図１に於いて、ｎ型ＧａＡｓ基板（１００μｍ）２１上にｎ^＋ −バッファ層（２μｍ）２２、ｎ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層（１μｍ）２３、ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ活性層（０．１μｍ）２４、ｐ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層（１μｍ）２５、ｐ^＋ −ＧａＡｓキャップ層（１μｍ）２６が、連続的にＭＯＣＶＤ法または分子線エピタキシャル法、或いはＯＭＶＰＥ法にて結晶成長される。
【００１４】
尚、上記に於いて、（）内に示される数値は、各層の厚さ及び各領域の長さを表している。
この結晶基板から、吸収領域３４となる部分のｐ^＋ −ＧａＡｓキャップ層２６が除去される。更に、屈折率導波構造のポンピング領域３２とするために、屈折率導波構造領域３２に於ける後述するｐ型電極２８の中央部２８ａ近傍の除去領域となるｐ^＋ −ＧａＡｓキャップ層２６、ｐ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層２５が除去される。この時、ｐ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層２５は、層の膜厚方向に全て除去しても良いし、０．１μｍから０．５μｍを残しても良い。
【００１５】
また、上記屈折率導波構造領域３２が形成される時に、予め所定の長さを有した領域が、屈折率導波構造とはされずに利得導波構造領域３３として形成される。この利得導波構造領域３３の長さは、例えば約１０μｍから５０μｍとする。
【００１６】
この後、屈折率導波構造領域（ポンピング領域）３２と利得導波構造領域３３を除く素子表面には、ＳｉＯ_２ 膜（０．１５μｍ）２７が形成される。
更に、電流供給用の電源３１から素子に電流注入を行うためのｐ側電極２８がＳｉＯ_２ 膜２７上に、ｎ側電極２９がｎ型ＧａＡｓ基板２１の裏面側に形成される。電極形成は、両電極２８、２９の形成後に各電極と素子表面及び裏面とのオーミック性接触を得るために、４００℃〜４５０℃で熱処理が行われる。熱処理後、共振器方向に劈開する。
【００１７】
この後、劈開した端面の利得導波構造領域側端面、または吸収領域側端面及び利得導波構造領域側端面に反射防止膜３０が形成される。
尚、上記ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ活性層２４内には、量子障壁が設けられている。また、この量子障壁層は、活性層よりバンドギャップが大きい障壁層と、当該障壁層よりバンドギャップが小さい井戸層とを、交互に配列して構成されたものである。
【００１８】
更に、ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ活性層２４内に上記量子障壁層を有し、ｐ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層２５内の、ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ活性層２４に近接した領域には、多重障壁構造が形成されている。
【００１９】
次に、このように構成されたスーパールミネッセントダイオードに於いて、発光ビームの拡がり抑制作用について説明する。
本実施例の狙いは、発光ビームの水平面内での発散角を抑えることである。利得導波構造領域３３内の活性層部分と、屈折率導波構造領域３２内の活性層部分の有効屈折率は、屈折率導波構造領域形成時に於ける、ｐ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層２５の残し厚さによって異なる。この有効屈折率の差△ｎが小さいほど、回折効果による発光ビームの水平面内での発散角が大きくなる。
【００２０】
すなわち、屈折率導波構造領域３２のみでは、発光ビームの発散角は大きい。一方、利得導波構造領域３３では、ｐ型電極２８がｐ^＋ −ＧａＡｓキャップ層２６と接している領域の活性層部分の有効屈折率と、ｐ型電極２８がｐ^＋ −ＧａＡｓキャップ層２６と接していない部分の有効屈折率との差△ｎ′を比べると、△ｎ′は上記差△ｎと比較して小さい。
【００２１】
したがって、上述した利得導波構造領域３３を発光端面に形成することによって、発光ビームの水平発散角を抑制することが可能である。
このような構成にすれば、光出力の大部分は屈折率導波構造領域３２によって得られ、発光端面近傍の利得導波構造領域３３からの利得が重なることになる。したがって、発光端面での発光スポットサイズは、屈折率導波構造領域３２から得られる。
【００２２】
こうした構造のスーパールミネッセントダイオードに於いて、電流を注入した時、利得導波構造領域３３と屈折率導波構造領域３２の両方の領域で利得を得て発光する。この時、主たる光利得は屈折率導波構造領域３２から得られる。
【００２３】
発光ビームのビーム拡がりは、発光端面の構造によって回折効果を受けて、活性層に垂直及び水平何れの方向にも拡がりを示す。しかしながら、本構造では、発光端面を利得導波構造にすることによって、活性層に於ける水平方向の屈折率分布を緩和することになる。それ故、回折効果は緩和され、活性層に平行な方向に於ける光ビームの拡がりを抑えることが可能となる。本発明者らによる実験では、従来構造に於いて活性層に垂直な方向のビーム拡がり角度が５０°、活性層に平行な方向のビームの拡がり角度が２１°であったのに対して、本構造では、それぞれ３５°、１１°が得られている。
【００２４】
ところで、屈折率導波構造は、上述したｐ型クラッド層の膜厚分布を積極的に形成する方法以外にもある。上述した実施例では、ｐ型クラッド層の材料として全て、Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓで、ｘ＝０．３〜０．５の範囲で一定のＡｌ組成としたが、発光領域幅そのものを２μｍ〜５μｍとして限定し、その両側を高抵抗のＡｌ_ｙ Ｇａ_１−ｙ Ａｓ層で埋め込んでも良い。
【００２５】
この屈折率導波構造は、有効に電流を発光領域に注入することができ、光も有効に発光領域に閉じ込めることができる反面、欠点として発光端面からの発光ビームの発散が大きくなる構造であった。これは積極的に活性層内の有効屈折率に差を作ったために、発光端面での回折効果によって水平面内での発光ビームが大きくなる。
【００２６】
一方、利得導波構造は、電極幅によって電流注入幅を制限しようとするものである。しかし、実際にはｐ^＋ −ＧａＡｓキャップ層２６を介して電流は二次元的に拡がり、例え中央部２８に於けるｐ型電極２８との接触幅を幅２μｍにしても、注入電流は２０μｍ〜５０μｍにまで拡がり、注入電流密度を高めることはできない。
【００２７】
そのため、同じ光出力を得るために必要な駆動電流で比較すると、屈折率導波構造の方が利得導波構造に比べると駆動電流が低い。利得導波構造は、活性層内に於ける屈折率分布が屈折率導波構造よりも緩やかであり、発光端面での回折効果が小さい。したがって、発光ビームの拡がりが小さいという特徴を有している。
【００２８】
このように、この発明は、この利得導波構造の有する低いビーム拡がりと、屈折率導波構造の低駆動電流で高利得という利点を併せ持っている。そして、屈折率導波構造の低駆動電流で高利得と、利得導波型構造のビーム拡がりの小さい特性を生かすために、利得導波構造領域の屈折率導波構造領域に対する領域長比を１／６〜１／１０とする。
【００２９】
図２は、一般的な利得導波構造のスーパールミネッセントダイオードと、上述した実施例の構造によるスーパールミネッセントダイオードに於ける駆動電流と光出力の関係を示したものである。
【００３０】
同図にＡで表される利得導波型構造では、高い駆動電流領域でと光出力の変化量が小さくなる。一方、同図にＢで表される本実施例による構造では、低駆動電流領域に於ける光出力は利得導波構造に対してやや低いものの、高い駆動電流領域に於いても光出力の変化量は低下せず、高い光出力が得られる。
【００３１】
更に、本実施例による構造では、発光端面に於ける光出力密度が屈折率導波構造に比べて低くなる。したがって、光学損傷が抑制されて高光出力まで素子に損傷を与えることなく動作させることが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、発光の主たる利得を屈折率導波構造より得て、光ビームの拡がりを決定する発光端面付近は利得導波型構造とするスーパールミネッセントダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示したもので、スーパールミネッセントダイオードの構造図である。
【図２】一般的な利得導波構造のスーパールミネッセントダイオードと、上述した実施例の構造によるスーパールミネッセントダイオードに於ける駆動電流と光出力の関係を示した特性図である。
【図３】従来のスーパールミネッセントダイオードの基本構造を示した図である。
【符号の説明】
２１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２２…ｎ^＋ −バッファ層、２３…ｎ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層、２４…ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ活性層、２５…ｐ⁻ −Ａｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓクラッド層、２６…ｐ^＋ −ＧａＡｓキャップ層、２７…ＳｉＯ_２ 膜、２８…ｐ型電極、２８ａ…ｐ型電極の中央部、２９…ｎ側電極、３０…反射防止膜、３１…電源、３２…屈折率導波構造領域（ポンピング領域）、３３…利得導波構造領域、３４…吸収領域。

Claims (4)

1. 活性層の上下が互いに導電型の異なるクラッド層に挟まれ、該クラッド層の何れか一方に電極を取り出すためのｐ型若しくはｎ型の高濃度領域が該クラッド層に接して形成されるもので、光を発生する増幅領域とレーザ発振を抑制する吸収領域とを有するスーパールミネッセントダイオードに於いて、
   上記増幅領域の出射光利用側端面近傍以外の領域をリッジ構造とした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. 上記活性層内に量子障壁が設けられ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. 上記量子障壁層は、上記活性層よりバンドギャップが大きい障壁層と当該障壁層よりバンドギャップが小さい井戸層を交互に配列して構成されたものであることを特徴とする請求項２に記載のスーパールミネッセントダイオード。
4. 上記活性層の両側に形成されたクラッド層のうちｐ型クラッド層内で該活性層に近接した領域に多重障壁構造が形成されることを特徴とする請求項３に記載のスーパールミネッセントダイオード。

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