JP6414183B2 - 発光素子アレイ、および光伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子アレイ、および光伝送装置に関する。
特許文献1には、選択酸化型のメサを含む面発光型半導体レーザであって、基板と、基板上に形成され、レーザ光を出射する少なくとも1つのメサを含む第1のメサと、基板上に形成され、レーザ光の出射を抑制する少なくとも1つのメサを含む第2のメサとを有する、面発光型半導体レーザが開示されている。
特開2005−252240号公報
電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備えた発光素子アレイにおいて、端子から各々の発光素子までの配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が複数ある構成では、外部からサージが印加された場合に、最短の経路長を有する複数の発光素子が同時に損傷する場合があった。
本発明は、端子から各々の発光素子までの配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が複数ある構成と比較し、外部からサージが印加された場合に、複数の発光素子が同時に損傷する可能性が低減された発光素子アレイ、および光伝送装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の光伝送装置は、電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備え、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるとともに、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長が全て異なり、出射される光が光を伝送する光伝送路に入射するように配置された発光素子アレイを備えるものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記複数の発光素子は3つであり、前記最短の経路長を有する発光素子が1つであるものである。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記複数の発光素子は4つであり、前記最短の経路長を有する発光素子が1つであるものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の発明において、前記複数の発光素子に含まれる発光素子間に設けられ、前記複数の発光素子に流れる電流の経路を規制する規制領域をさら備え、前記規制領域によって規制される前記電流の経路において前記端子にもっとも近接する発光素子が1つとなっているものである。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の発明において、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長の短い発光素子の方が長い発光素子よりも電流狭窄径が小さいものである。
上記の目的を達成するために、請求項6に記載の光伝送装置は、電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された4つの発光素子を備え、前記端子から前記電流の経路に沿った前記4つの発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるものであり、出射される光が光を伝送する光伝送路に入射するように配置された発光素子アレイを備えるものである。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の発明において、前記光伝送路は、コア径が100μm以下のマルチモードファイバであるものである。
上記の目的を達成するために、請求項に記載の発光素子アレイは、電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子と、前記複数の発光素子に含まれる発光素子間に設けられ、前記複数の発光素子に流れる電流の経路を規制する規制領域と、を備え前記規制領域によって規制される前記電流の経路において前記端子にもっとも近接する発光素子が1つとなっていることにより、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つとなっているものである。
上記の目的を達成するために、請求項に記載の発光素子アレイは、電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備えるとともに、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長の短い発光素子の電流狭窄径が長い発光素子の電流狭窄径よりも小さく、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるものである。
上記の目的を達成するために、請求項10に記載の発光素子アレイは、電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備え、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるとともに、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長が全て異なり、前記複数の発光素子に含まれる発光素子間に設けられ、前記複数の発光素子に流れる電流の経路を規制する規制領域をさらに備え、前記規制領域によって規制される前記電流の経路において前記端子にもっとも近接する発光素子が1つとなっているものである。
上記の目的を達成するために、請求項11に記載の発光素子アレイは、電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備え、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるとともに、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長が全て異なり、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長の短い発光素子の方が長い発光素子よりも電流狭窄径が小さいものである。
請求項1および請求項6、請求項8〜請求項11に記載の発明によれば、端子から各々の発光素子ま、での配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が複数ある構成と比較し、外部からサージが印加された場合に、複数の発光素子が同時に損傷する可能性が低減された発光素子アレイ、および光伝送装置が提供される、という効果を奏する。
また、請求項1に記載の発明によれば、端子からの経路長の少なくとも一部を同じとする場合と比較して、複数の発光素子が同時に損傷する可能性が低減される、という効果を奏する。
請求項2に記載の発明によれば、発光素子が3つの場合において、外部からサージが印加された場合に、複数の発光素子が同時に損傷する可能性が低減される、という効果を奏する。
請求項3に記載の発明によれば、発光素子が4つの場合において、外部からサージが印加された場合に、複数の発光素子が同時に損傷する可能性が低減される、という効果を奏する。
請求項に記載の発明によれば、発光素子間に電流の経路を規制する規制領域を備えない場合と比較して、発光素子を密集させて配置した場合においても、複数の発光素子が同時に発光しなくなる可能性が低減される、という効果を奏する。
請求項に係る発明によれば、端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの配線上の経路長と電流狭窄径との関係を考慮しない場合と比較して、より早期にESDによる劣化が検知される、という効果を奏する。
請求項に係る発明によれば、コア径が100μm以下のマルチモードファイバを用いた光伝送装置において、外部からサージが印加された場合に、複数の発光素子が同時に損傷する可能性が低減される、という効果を奏する。
(a)は第1の実施の形態に係る発光素子アレイの構成の一例を示す断面図、(b)は平面図である。 第1の実施の形態に係る発光領域における発光部のパッドからの経路長を説明する図である。 (a)〜(d)は、比較例に係る発光素子アレイのESD耐圧調査の結果を示す発光部の写真、(e)は比較例に係る発光素子アレイの各発光部の配置を示す平面図である。 (a)は、比較例に係る発光素子アレイのESD耐圧調査の結果のうち、光出力特性を示すグラフ、(b)〜(e)はスペクトル特性を示すグラフである。 (a)〜(f)は、第1の実施の形態に係る発光素子アレイの製造方法の一例を示す断面図である。 (a)、(c)、(e)、(f)、(h)、(i)は、第1の実施の形態の第1の変形例に係る発光領域の発光部の配置の一例を示す平面図、(b)、(d)、(g)は比較例に係る発光領域の発光部の配置を示す平面図である。 (a)、(b)は、第1の実施の形態の第2の変形例に係る発光領域の発光部の配置の一例を示す平面図である。 (a)、(b)は、第1の実施の形態の第3の変形例に係る発光領域の発光部の配置の一例を示す平面図である。 (a)は第2の実施の形態に係る光伝送装置の構成の一例を示す平面図、(b)は断面図である。 (a)は、第2の実施の形態に係る光伝送装置における発光素子アレイと光ファイバとの結合状態を示す側面図、(b)は平面図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1を参照して、本実施の形態に係る発光素子アレイ10の構成の一例について説明する。本実施の形態では、本発明に係る発光素子アレイに面発光型半導体レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)アレイを適用した形態を例示して説明する。図1(a)は本実施の形態に係る発光素子アレイ10の断面図であり、図1(b)は発光素子アレイ10の平面図である。図1(a)に示す断面図は、図1(b)に示す平面図においてA−A’で切断した断面図である。発光素子アレイ10は一例として光伝送装置の光送信部に用いられ、発光素子アレイ10からの出射光は光ファイバ等の光伝送路に結合される。本実施の形態においては、複数のVCSELは主として光送信部からの出射光の冗長性確保のために用いられている。すなわち、本実施の形態における発光素子アレイを構成する各々の発光素子は、単一の発光素子として通信を行うのに必要な光量を出力できる定格を有し、1つの発光素子が損傷した場合であっても正常な通信が維持できるよう、互いに並列に接続された複数の発光素子によって発光素子アレイを構成することで冗長性を確保している。ただし、必ずしも単一の発光素子として通信を行うのに必要な光量を出力できる構造である必要はない。
図1(a)に示すように、発光素子アレイ10は、n側電極配線30、n型のGaAs(ガリウムヒ素)の基板12上に形成されたn型の下部DBR(Distributed Bragg Reflector)14、活性層領域16、酸化狭窄層26、p型の上部DBR18、層間絶縁膜20、およびp側電極配線22を含む積層構造体として構成されている。
図1(b)に示すように、発光素子アレイ10は、発光領域40、およびp側電極パッド28を備えている。
発光領域40は、複数の発光部を含んでVCSELアレイとして構成された領域である。本実施の形態では、一例として、メサ状に形成された4つの発光部50−1、50−2、50−3、50−4(以下、総称する場合は「発光部50」)を含み、各発光部の出射口を除く領域がp側電極配線22によって覆われることで各発光部が互いに電気的に並列に接続されている。p側電極パッド28は、p側電極配線22を介して発光領域40に電流を供給する電源を接続する際に、該電源の正極を接続するパッドである。なお、該電源の負極は基板12の裏面に形成されたn側電極配線30に接続される。以上の構成により、発光素子アレイ10に電源が供給されると各発光部からほぼ同時に光が出射される。
基板12上に形成されたn型の下部DBR14は、発光素子アレイ10の発振波長をλ、媒質(半導体層)の屈折率をnとした場合に、膜厚がそれぞれ0.25λ/nとされかつ屈折率の互いに異なる2つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。
下部DBR14上に形成された活性層領域16は、発光部50から出射される光を生成する部位であり、下部DBR14上にこの順で形成された下部スペーサ114、量子井戸活性層116、上部スペーサ118(図5参照)を含んで構成されている。
本実施の形態に係る量子井戸活性層116は、例えば、4層のGaAs層からなる障壁層と、その間に設けられた3層のInGaAsからなる量子井戸層と、で構成されてもよい。なお、下部スペーサ114、上部スペーサ118は、各々量子井戸活性層116と下部DBR14との間、量子井戸活性層116と上部DBR18との間に配置されることにより、共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。
活性層領域16上に設けられたp型の酸化狭窄層26は電流狭窄層であり、非酸化領域26a及び酸化領域26bを含んで構成されている。p側電極パッド28からn側電極配線30に向かって流れる電流は、非酸化領域26aによって絞られる。
酸化狭窄層26上に形成された上部DBR18は、膜厚がそれぞれ0.25λ/nとされかつ屈折率の互いに異なる2つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。
上部DBR18上には、光の出射面を保護する出射面保護層24が設けられている。出射面保護層24は、一例としてシリコン窒化膜を着膜して形成される。
図1(a)、(b)に示すように、発光部50のメサを含む半導体層の周囲は無機絶縁膜としての層間絶縁膜20が着膜されている。該層間絶縁膜20はp側電極配線22、p側電極パッド28の下部に配置されている。本実施の形態に係る層間絶縁膜20は、一例として、シリコン窒化膜(SiN膜)で形成されている。なお、層間絶縁膜20の材料はシリコン窒化膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜(SiO膜)、あるいはシリコン酸窒化膜(SiON膜)等であてもよい。
図1(a)に示すように、p側電極配線22は層間絶縁膜20の開口部を介して上部DBR18に接続されている。上部DBR18の最上層には、p側電極配線22との接続のためのコンタクト層124(図5参照)が設けられており、コンタクト層124を介してp側電極配線22の一端側が上部DBR18に接続され、上部DBR18との間でオーミック性接触を形成している。
ところで、上記の発光素子アレイ10の発光部50を構成するVCSELは、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに2次元集積によるアレイ化が容易であることなどから、例えば光通信用光源として好適に利用されている。
VCSELは、半導体基板(基板12)上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器(下部DBR14及び上部DBR18)、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性層領域(活性層領域16)を備えて構成されている。そして、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極(p側電極配線22及びn側電極配線30)により活性層領域へ電流を注入し、基板面に対して垂直にレーザ発振を生じさせ、素子の上部(出射面保護層24の面側)から発振した光を出射させる構成となっている。
また、低閾値電流化、横モードの制御性等の観点から組成にAlを含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄層(酸化狭窄層26)を備えており、このAlを含む半導体層を酸化するために、素子はメサ形状にエッチング加工され、酸化処理が施される。その後、エッチング加工により露出したメサ形状の側面やエッチングされた半導体表面は、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの絶縁材料によって覆われるのが一般的である。
ここで、本実施の形態に係る発光素子アレイ10に限らず、半導体素子一般においてはESD(Electro−Static Discharge:静電気放電)によって素子が損傷する場合がある。すなわち、外部から印加されるサージ等による放電電流が半導体素子内に流れ、局部的な発熱、電界集中により半導体素子が損傷しうる。ESDによるサージは、一般的に、半導体素子の入出力端子(入出力パッド)、あるいは電源端子(電源パッド)を経由して半導体素子の内部回路に至り、該内部回路を損傷させる。
従って、製造された半導体素子がどの程度ESDによるサージに対する耐性を有するか、予め把握しておくことが重要である。そのための試験として、ESD耐圧試験が知られている。ESD耐圧試験では、端子(パッド)を介してESDによるサージを模した高電圧パルスを半導体素子に印加し、半導体素子の損傷の状態等を把握する試験である。なお、本実施の形態における「サージ」とは、サージ電流およびサージ電圧の少なくとも一方を意味するものである。また、「損傷」とは、発光素子が完全に発光しなくなる状態や、光量の低下等の発光素子の性能がサージによって劣化した状態を含むものである。
本発明者らが発光素子アレイについてESD耐圧試験を行い、発光素子アレイに含まれる個々の発光部の状態を調査した結果から、ESDによって損傷する程度は、端子から電流の経路に沿った複数の発光部の各々までの配線上の経路長に依存することが明らかとなった。
図2を参照して、端子から発光部50までの経路長について説明する。図2は、図1に示す発光素子アレイ10における発光部50−1、50−2、50−3、50−4を含む発光領域40、p側電極パッド28、およびp側電極配線22を抜き出して示した図である。本実施の形態において発光部50−1、50−2、50−3、50−4は電気的に並列に接続されている。図2では、p側電極パッド28から発光領域40に向けて電流Iが流れており、発光部50−1、50−2、50−3、50−4の各々に電流Iの一部が供給されている。この場合において、p側電極パッド28からp側電極配線22を経由し、発光部50−3に至る電流の経路を経路長L1と定義する。この定義から、発光部50−2についての経路長L2が、発光部50−4についての経路長L2が、発光部50−1についての経路長L3が、各々定義される。ただし、図2に示す例では、発光部50−2と50−4とがp側電極パッド28から等距離にあるものとしている。図2に示す例では、経路長L1、L2、L3の大小関係が、L1<L2<L3となっている。すなわち、発光部50−3の経路長L1が最短の経路長、発光部50−1の経路長L3が最長の経路長となっている。本実施の形態に係る発光素子アレイでは、図2に示すように、最短の経路長となる発光部50の数を1つのみとしている。
本発明者らが行った発光素子アレイのESD耐圧調査によると、複数の発光部50が互いに50μm程度の近接した間隔で配置されている場合であっても、全ての発光部50に同等にストレスがかるのではなく、経路長が短い発光部50、換言すれば、駆動電流の経路の上流側に配置された発光部50がより損傷し易いことが明らかとなった。従って、パッドから測った各発光部50までの経路長のうち最短の経路長の発光部50が複数配置されていると、該複数の発光部50が同時に損傷する可能性が高くなる。複数の発光部50が同時に損傷し、発光量が低下すると、損傷した複数個分の光量を補償するため、正常な残りの発光部50への駆動電流が増大するなどし、正常な残りの発光部50の寿命が加速度的に縮まる場合も想定される。特に後述する光伝送装置等においては、例えば通信用の光伝送路としてマルチモードファイバを用いる場合、マルチモードファイバの標準的なコア径は100μm以下(50μmまたは62.5μm)と小さいため、複数の並列接続された発光部50をコアに入射させようとすると、発光部50の数は、例えば5個以下(2〜5個程度)に制限されることが多い。従って、このような光伝送装置においては、複数個の発光部50が同時に発光しなくなった場合の光伝送装置の寿命への影響が大きい。
そこで、本実施の形態に係る発光素子アレイ10では、パッドから測った各発光部50までの経路長のうち最短の経路長の発光部50を1つのみとした。このことにより、最短の経路長の発光部50が複数配置された場合と比較して、サージにより同時に損傷する発光部50の数が抑制される。そして、特に、光伝送路としてマルチモードファイバを用いる場合において、複数の発光部50が同時に損傷することによる光伝送装置の寿命低下が抑制される。
また、本実施の形態に係る発光素子アレイ10によれば、発光素子アレイ10の寿命の報知が早期になされる。一般に発光素子には固有の寿命があり、発光素子アレイを採用した機器においては、該発光素子アレイが寿命に達したことを、機器を用いるユーザに警告する必要がある。この場合、複数の発光部50が寿命に達し、発光素子アレイが使用不能になる直前で警告してもユーザが発光素子アレイの交換を渡過してしまうことも想定される。従って、発光素子アレイが使用不能になるよりも前に寿命が近づいていることの報知が発出されれば至便である。
この点、本実施の形態に係る発光素子アレイ10によれば、1個の最短の経路長の発光部50が損傷した時点で報知を発出すれば、複数の発光部50が寿命に達する発光素子アレイ10の寿命限界に対しより早期にユーザに交換を促す報知がなされるので、ユーザによる交換時間に余裕が生ずる。
次に、図3および図4を参照して、比較例に係る発光素子アレイに対して行ったESDの損傷の調査結果について説明する。本調査結果で用いた比較例に係る発光素子アレイは、図3(e)に示す比較例に係る発光領域90を備えている。すなわち、発光領域90は同じ構造の発光部50−1、50−2、50−3、および50−4を有するとともに、発光領域90からp側電極配線22が紙面下方に延伸し、p側電極パッド28(図示省略)に接続されている。そして、発光部50−1の経路長と発光部50−2の経路長とは等しく、発光部50−3の経路長と発光部50−4の経路長とは等しい。そして、発光部50−1、50−2の経路長は発光部50−3、50−4の経路長よりも短い。換言すれば、発光領域90には、最短の経路長の発光部50が2つ(50−1、50−2)存在する。
なお、各発光部の中心間の距離は約50μm、p側電極パッド28(図示省略)の中心位置から複数の発光部50-1〜50-4の重心位置(発光領域90の中心位置)までの距離は約160μmとした。
図3(a)〜(d)は、比較例に係る発光素子アレイに、p側電極パッド28を介してESD試験の電圧を印加した後の発光領域90の発光状態を示している。図3(a)〜(d)における発光部50の配置は図3(e)と同じである。図3(a)は印加電圧を0V(すなわち初期状態)、図3(b)は150V、図3(c)は200V、図3(d)は250Vとした場合の発光状態を各々示している。
図3(b)に示すように、印加電圧が150Vでは発光部50の発光状態にほとんど変化がないが、図3(c)、(d)に示すように、印加電圧が200V、250Vでは発光部50−1、50−2の光量が減少している。このことから、経路長が短い発光部50ほど損傷し易いこと、また、経路長が最短の発光部50が複数ある場合、これらは同時に損傷し易いことがわかる。
図4は、さらに、電圧を印加した後の4つの比較例に係る発光素子アレイについて出力特性を調査した結果を示しており、図4(a)は光出力Pの調査結果を、図4(b)は発光部50−4の出力光のスペクトルを、図4(c)は発光部50−3の出力光のスペクトルを、図4(d)は発光部50−1の出力光のスペクトルを、図4(e)は発光部50−2の出力光のスペクトルの調査結果を各々示している。
図4(a)から、印加電圧が150Vとした場合は初期状態からほとんど変化していないが(図4(a)では印加電圧が0Vと150Vの曲線が重なっている)、200V、250Vと、印加電圧を大きくするに従って、電流Iに対する光出力Pの特性が劣化していくことがわかる。
図4(b)、(c)から、発光部50−4、50−3では、印加電圧を大きくしてもスペクトルがほとんど変化していないことがわかる。一方、図4(d)、(e)から、発光部50−1、50−2では、印加電圧の増大とともに短波長化し、その後消失することがわかる。
つまり、図4(b)〜(e)の調査結果から、発光領域90の発光部50の一部に故障が発生すると、元々複数の発光部50ごとに揃っていたスペクトル特性の均一性が失われることがわかる。このような現象が発生すると、例えば後述の光伝送装置では伝送品質の劣化が発生する懸念がある。この点からも、サージにより同時に損傷する発光素子の数を抑制することが重要である。
次に、図5を参照して、本実施の形態に係る発光素子アレイ10の製造方法について説明する。発光素子アレイ10は、図1(b)に示すように4つの発光部50を備えているが、製造工程としてはすべて同じであるので、以下の説明ではそのうちの1つの発光部50について図示し説明する。なお、図5において図1と符号が異なる同じ名称の構成は、同じ機能を有している。
まず、図5(a)に示すように、有機金属気相成長(MOCVD)法により、n型GaAsによる基板110上に、AlAsとGaAsとをそれぞれの膜厚が媒質内波長λ’(=λ/n)の1/4となるように交互に30周期積層したキャリア濃度1×1018cm-3となるn型の下部DBR112、アンドープAl0.22Ga0.78Asによる下部スぺーサ114とアンドープの量子井戸活性層116(膜厚80nmInGaAs量子井戸層3層と膜厚150nmGaAs障壁層4層とで構成されている)とアンドープAl0.22Ga0.78Asによる上部スぺーサ118とで構成された膜厚が媒質内波長λ’となる活性層領域130、その上に、キャリア濃度1×1018cm-3、膜厚が媒質内波長λ’の1/4となるp型のAlAs層120、その上にAl0.9Ga0.1AsとGaAsとをそれぞれの膜厚が媒質内波長λ’の1/4となるように交互に22周期積層したキャリア濃度1×1018cm-3、総膜厚が約2μmとなるp型の上部DBR122、その上にキャリア濃度1×1019cm-3となる膜厚が媒質内波長λ’のp型のGaAsによるコンタクト層124を順次積層する。
原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アルシン、ドーパント材料としてはp型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、n型用にシランを用い、成長時の基板温度は750℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
次に、図5(b)にその形状を示すように、上記積層膜を下部DBR112の途中までエッチングしてメサ126を形成し、AlAs層120側面を露出させる。メサ形状を加工するには、フォトリソグラフィにより結晶成長層上にレジストマスクRを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとする反応性イオンエッチングを用いた。
その後、レジストマスクRを除去し、図5(c)に示すように、約400℃の炉中で水蒸気によりAlAs層120だけを側方から酸化し高抵抗化させ、酸化領域132と非酸化領域120aとした。非酸化領域120aの径は、一例として約3μmである。この非酸化領域120aが、電流注入領域となる。
その後、図5(d)及び(e)に示すように、SiNによる層間絶縁膜134をメサ126上面を除いて蒸着し、レジストマスクRを利用して、出射口140を除いてTi/Auからなるp側電極配線136を形成する。基板110の裏面にはn側電極配線138としてAu/Geを蒸着する。このようにして、図5(f)に示す発光素子アレイ10が完成する。なお、本実施の形態では酸化により電流狭窄構造を形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、イオン注入により電流狭窄構造を形成する形態としてもよい。
<第1の実施の形態の第1の変形例>
図6を参照して、本実施の形態に係る発光素子アレイの発光領域について説明する。図6(a)、(c)、(e)、(f)、(h)、(i)は、第1の実施の形態の第1の変形例に係る発光領域40の発光部50の配置の一例を示す平面図、図6(b)、(d)、(g)は比較例に係る発光領域40Cの発光部50の配置を示す平面図である。図6ではp側電極配線22の一部を併せて示しており、p側電極パッド28はp側電極配線22の延伸方向下方に配置されている。本実施の形態は、発光領域40における発光部50の配置の形態をさまざまに変えたバリエーションの形態である。
図6(a)は、発光部50を2個配置して発光領域40を構成した形態である。一方、図6(b)は、発光部50を2個配置した比較例に係る発光領域40Cを示している。発光部50が2個の場合、図6(a)に示すように配置して最短の経路長となる発光部50を1つのみとする。図6(a)に示す本実施の形態に係る発光領域40に対し、図6(b)に示す比較例に係る発光領域40Cでは2個の発光部50の経路長が同じなので、同時に損傷する可能性が高い。
図6(c)は、発光部50を3個配置して発光領域40を構成した形態である。一方、図6(d)は、発光部50を3個配置した比較例に係る発光領域40Cを示している。発光部50が3個の場合、一例として図6(c)に示すように配置して最短の経路長となる発光部50を1つのみとする。図6(c)に示す本実施の形態に係る発光領域40に対し、図6(d)に示す比較例に係る発光領域40Cでは最短の経路長の発光部50が2つなので、これらの発光部50が同時に損傷する可能性が高い。
図6(e)、(f)は、発光部50を4個配置して発光領域40を構成した形態である。一方、図6(g)は、発光部50を4個配置した比較例に係る発光領域40Cを示している。発光部50が4個の場合、一例として図6(e)、(f)に示すように配置して最短の経路長となる発光部50を1つのみとする。図6(e)、(f)に示す本実施の形態に係る発光領域40に対し、図6(g)に示す比較例に係る発光領域40Cでは最短の経路長の発光部50が2つなので、これらの発光部50が同時に損傷する可能性が高い。
図6(h)、(i)は、発光部50を3個または4個配置する場合の発光領域40の他の形態を示している。図6(h)、(i)に示すように、発光部50を千鳥状に配置して、最短の経路長となる発光部50を1つのみとしてもよい。本実施の形態に係る発光領域40は、換言すれば、3つあるいは4つの発光部50の経路長がすべて異なるので、p側電極パッド28からESDが印加された場合の各発光部50にかかるESDストレスが全て異なり、複数の発光部50が同時に発光しなくなる可能性が低減される。
<第1の実施の形態の第2の変形例>
図7を参照して、本実施の形態に係る発光素子アレイの発光領域について説明する。本実施の形態は、発光領域40にスリットを設けて最短の経路長の発光部50を1つのみとする形態である。
図7(a)は、発光部50が3つの場合の本実施の形態に係る発光領域40を示している。図7(a)に示す発光領域40は、発光部50の配置だけ考えると、図6(d)に示す、最短の経路長の発光部50が2つ存在する比較例に係る発光領域40Cと同じである。しかしながら、図7(a)に示す発光領域40では、発光領域40に設けられたp側電極配線22にスリットSを設けているために、スリットSに沿って電流の経路が方向付けられ(規制され)、電流Iの経路が図7(a)に矢印で示すような経路になる。そのため、発光部50−1、50−2、50−3が電流Iの方向に沿って並び、最短の経路長を有する発光部50が発光部50−1のみとなっている。なお、スリットSは発光部50に流れる電流の経路を規制する規制領域の一例であり、電流の経路が規制される形状であれば、他の形状であってもよい。
一方、図7(b)は、発光部50が4つの場合の本実施の形態に係る発光領域40を示している。図7(b)に示す発光領域40は、発光部50の配置だけ考えると、図6(g)に示す、最短の経路長の発光部50が2つ存在する比較例に係る発光領域40Cと同じである。しかしながら、図7(b)に示す発光領域40では、図7(a)に示す発光領域40と同様に、発光領域40の表面から基板12に達するスリットSを設けているために、スリットSに沿って電流の経路が方向付けられ、電流Iの経路が図7(b)に矢印で示すような経路になる。そのため、発光部50−1、50−2、50−3,50−4が電流Iの方向に沿って並び、最短の経路長を有する発光部50が発光部50−1のみとなっている。なお、図7(a)および(b)におけるスリットSは発光部50に流れる電流の経路を規制する規制領域の一例であり、電流の経路が規制される形状であれば、他の形状であってもよい。
本実施の形態に係る発光素子アレイによれば、発光部50を密集させて配置した場合においても各々の発光素子間で配線長に差が設けられる。換言すれば、スリットを設けない形態において最短の経路長の発光部50が複数存在する発光領域であっても、本実施の形態に係るスリットを設けることによって、最短の経路長の発光部50が1つのみとされる。したがって、p側電極パッド28からESDが印加された場合において各発光部50で発生するダメージの程度が異なり、複数の発光部50が同時に発光しなくなる可能性が低減される。
<第1の実施の形態の第3の変形例>
図8を参照して、本実施の形態に係る発光素子アレイの発光領域について説明する。本実施の形態は、最短の経路長の発光部として、あえてESDに対して弱い発光部50Eを配置する形態である。
図8(a)は、発光部50を3つ配置する場合の発光領域40を示している。図8(a)に示す発光領域40は、発光部の配置だけについてみると、図6(c)に示す発光領域40と同じである。しかしながら、図8(a)に示す本実施の形態に係る発光領域40では、最短の経路長の発光部として発光部50Eを配置している。発光部50Eは、ESDに対してあえて弱くなるように作製された発光部である。ESDに対して弱くなるように作製する方法に特に制限はないが、例えば他の発光部50と比較して、電流狭窄径を小さくする方法が挙げられる。
電流狭窄径とは、略円形である非酸化領域26a(非酸化領域120a)の直径であり、この電流狭窄径が小さい方が寿命が短い。これは、非酸化領域26aを流れる電流に対する抵抗が大きくなるため発光部50Eでの発熱が増大し、発光部50Eのジャンクション温度が高くなるためである。より具体的には、電流狭窄径は通常3〜10μm程度とされるが、この直径に対し一例として2μm程度小さい直径の電流狭窄径とする。
図8(a)に示す本実施の形態に係る発光領域40では、ESDが印加された場合に最初に損傷する可能性が高い位置に発光部50Eを配置することにより、より早期にESDによる劣化が検知される。
図8(b)は、発光部50を4つ配置する場合の発光領域40を示している。図8(b)に示す発光領域40は、発光部の配置だけについてみると、図6(e)に示す発光領域40と同じである。しかしながら、図8(b)に示す本実施の形態に係る発光領域40では、最短の経路長の発光部として発光部50Eを配置している。図8(b)に示す本実施の形態に係る発光領域40によっても、より早期にESDによる劣化が検知される。
[第2の実施の形態]
図9および図10を参照して、本実施の形態に係る光伝送装置200について説明する。光伝送装置200は光ファイバを介して相互に光通信を行う通信装置の光送信部を構成する装置であり、上記実施の形態に係る発光素子アレイ10を搭載している。
図9(a)は光伝送装置200の平面図を、図9(b)は図9(a)に示すB−B’線で切断した断面図を各々示している。図9(a)、(b)に示すように、光伝送装置200は、発光素子アレイ10、モニタPD(Photo Diode)62、サブマウント214、およびこれらの構成を搭載するパッケージを含んで構成されている。光伝送装置200のパッケージは、ステム202、キャップ204、カソード端子216、アノード端子218、219(図9(b)ではアノード端子218に隠れて見えていない)、カソード端子220を含んで構成されている。
サブマウント214は、発光素子アレイ10、モニタPD62等を搭載する基板であり、例えば半導体基板で構成されている。サブマウント214には、発光素子アレイ10、モニタPD62の他に、発光素子アレイ10の駆動部等を構成する半導体素子や、必要となる抵抗、コンデンサ等の受動部品が搭載される場合もある。また、サブマウント214の発光素子アレイ10等の搭載面側には金属膜等でn側配線212が形成されており、発光素子アレイ10のn側電極配線30が接続される。
ステム202はサブマウント214を搭載する金属製のベースであり、カソード端子216、アノード端子218、219、カソード端子220が保持されている。カソード端子216、アノード端子218、219は必要な絶縁部を介してステムに保持されているが、カソード端子220はステム202に直接ロウ付けされている(同電位になっている)。
図9(a)に示すように、発光素子アレイ10のp側電極パッド28は、ボンディングワイヤによってアノード電極208に接続され、アノード端子218を介して外部(駆動電源等)と接続される。一方、発光素子アレイ10のn側電極配線30は、n側配線212およびボンディングワイヤを介してカソード電極210に接続され、カソード端子216を介して外部(駆動電源等)と接続される。
モニタPD62は、発光素子アレイ10を駆動制御する場合において、発光素子アレイ10の発光部50からの光出力Pの光量をモニタするためのPDである。すなわち、例えば発光素子アレイ10をAPC(Automatic Power Control)方式で駆動制御する場合において、光出力Pに応じたモニタ電流Imを発生し、APC制御回路に供給する。むろん、発光素子アレイ10の駆動制御方式はAPC方式に限られず、定電流駆動方式、定電圧駆動方式等であってもよい。
モニタPD62のアノードはボンディングワイヤを介してアノード電極206に接続され、アノード端子219を介して外部(駆動電源等)と接続される。一方、モニタPD62のカソードはボンディングワイヤによりステム202に接続され、カソード端子220を介して外部(駆動電源等)に接続される。
キャップ204は、サブマウント214に搭載された半導体素子等を気密封止するものであり、本実施の形態では金属で形成されている。キャップ204には発光素子アレイ10からの光出力Pを通過させる開口部が形成されており、該開口部には部分反射ミラー222が貼り付けられている。光出力Pの大部分は部分反射ミラー222を通過して外部(本実施の形態では後述する光ファイバ)に出力されるが、一部(一例として10%程度)は部分反射ミラー222で反射され、モニタ光PmとしてモニタPD62に入射される。このモニタ光Pmによって、上述したモニタ電流Imが発生する。
次に、図10を参照して、発光素子アレイ10と光ファイバ300との結合について説明する。図10(a)は、発光素子アレイ10と光ファイバ300との結合状態を示す断面図、図10(b)は平面図である。なお、本実施の形態に係る光ファイバ300としては、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、プラスチックファイバ等特に制限なく用いることが可能であるが、本実施の形態ではコア径は100μm以下(50μmまたは62.5μm)のマルチモードファイバを用いている。
図10(a)に示すように、光ファイバ300はコア302とクラッド304を備えており、発光素子アレイ10の発光部50は、光出力Pが光ファイバ300のコア302に入射するように配置される。本実施の形態では発光素子アレイ10と光ファイバ300との結合にレンズを用いていない。しかしながら、これに限られず、レンズを用いて発光素子アレイ10と光ファイバ300とを結合させる形態としてもよい。
ここで、上記実施の形態ではキャン型のパッケージに搭載した形態の光伝送装置200を例示して説明したが、これに限られず、他のパッケージ、例えばフラットパッケージに搭載した形態の光伝送装置としてもよい。
なお、上記各実施の形態では、各発光部がモノリシックに形成された発光素子アレイを用いた形態を例示して説明したが、これに限られず、各発光部として個別(ディスクリート)の発光素子を用いた形態としてもよい。
10 発光素子アレイ
12 基板
14 下部DBR
16 活性層領域
18 上部DBR
20 層間絶縁膜
22 p側電極配線
24 出射面保護層
26 酸化狭窄層
26a 非酸化領域
26b 酸化領域
28 p側電極パッド
30 n側電極配線
40 発光領域
40C 比較例に係る発光領域
50、50−1、50−2、50−3、50−4、50E 発光部
62 モニタPD
90 発光領域
110 基板
112 下部DBR
114 下部スペーサ
116 量子井戸活性層
118 上部スペーサ
120 AlAs層
120a 非酸化領域
122 上部DBR
124 コンタクト層
126 メサ
130 活性層領域
132 酸化領域
134 層間絶縁膜
136 p側電極配線
138 n側電極配線
140 出射口
200 光伝送装置
202 ステム
204 キャップ
206、208 アノード電極
210 カソード電極
212 n側配線
214 サブマウント
216 カソード端子
218、219 アノード端子
220 カソード端子
222 部分反射ミラー
300 光ファイバ
302 コア
304 クラッド
I 電流
Im モニタ電流
L1、L2、L3 経路長
P 光出力
Pm モニタ光
R レジストマスク
S スリット

Claims (11)

  1. 電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備え、
    前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるとともに、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長が全て異なり、出射される光が光を伝送する光伝送路に入射するように配置された発光素子アレイを備える
    光伝送装置。
  2. 前記複数の発光素子は3つであり、前記最短の経路長を有する発光素子が1つである
    請求項1に記載の光伝送装置
  3. 前記複数の発光素子は4つであり、前記最短の経路長を有する発光素子が1つである
    請求項1に記載の光伝送装置
  4. 前記複数の発光素子に含まれる発光素子間に設けられ、前記複数の発光素子に流れる電流の経路を規制する規制領域をさらに備え、
    前記規制領域によって規制される前記電流の経路において前記端子にもっとも近接する発光素子が1つとなっている
    請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光伝送装置
  5. 前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長の短い発光素子の方が長い発光素子よりも電流狭窄径が小さい
    請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の光伝送装置
  6. 電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された4つの発光素子を備え、
    前記端子から前記電流の経路に沿った前記4つの発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであり、
    出射される光が光を伝送する光伝送路に入射するように配置された発光素子アレイ
    を備える
    光伝送装置。
  7. 前記光伝送路は、コア径が100μm以下のマルチモードファイバである請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の光伝送装置。
  8. 電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子に含まれる発光素子間に設けられ、前記複数の発光素子に流れる電流の経路を規制する規制領域と、を備え
    前記規制領域によって規制される前記電流の経路において前記端子にもっとも近接する発光素子が1つとなっていることにより、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つとなっている
    発光素子アレイ。
  9. 電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備えるとともに、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長の短い発光素子の電流狭窄径が長い発光素子の電流狭窄径よりも小さく、
    前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つである
    発光素子アレイ。
  10. 電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備え、
    前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるとともに、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長が全て異なり、
    前記複数の発光素子に含まれる発光素子間に設けられ、前記複数の発光素子に流れる電流の経路を規制する規制領域をさらに備え、
    前記規制領域によって規制される前記電流の経路において前記端子にもっとも近接する発光素子が1つとなっている
    発光素子アレイ。
  11. 電流を供給する端子に接続された配線により互いに並列に接続された複数の発光素子を備え、
    前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長のうちの最短の経路長を有する発光素子が1つであるとともに、前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長が全て異なり、
    前記複数の発光素子は、前記端子から前記電流の経路に沿った前記複数の発光素子の各々までの前記配線上の経路長の短い発光素子の方が長い発光素子よりも電流狭窄径が小さい
    発光素子アレイ。
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