JPH08250821A - 半導体光ソース - Google Patents

半導体光ソース

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JPH08250821A
JPH08250821A JP8037613A JP3761396A JPH08250821A JP H08250821 A JPH08250821 A JP H08250821A JP 8037613 A JP8037613 A JP 8037613A JP 3761396 A JP3761396 A JP 3761396A JP H08250821 A JPH08250821 A JP H08250821A
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emitting diode
light emitting
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optical semiconductor
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JP8037613A
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Kang-Yih Liou
リオウ カン−イー
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AT&T Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広いスペクトル範囲とハイパワーの光学出力
を有する半導体光ソースを提供する。 【解決手段】 本発明の光ソースは、発光ダイオード２
と、この発光ダイオードの出力部に接続された第１端を
有する光ファイバ４と、この光ファイバの第２端に接続
された入力を有する単一横モード光学半導体増幅機６と
を有する。この光ソースは、ディスクリート素子あるい
はモノリシックに集積された素子から形成することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光ソースに
関し、スペクトル的に幅が広く高いパワーの出力を有す
る半導体光ソースに関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザのようなハイパワーの半導体光ソ
ースは、狭い光学スペクトルの範囲で高い出力パワーを
有している。発光ダイオード（ＬＥＤ）と超発光性（su
perluminescent）のＬＥＤのような他の半導体光ソース
は、比較的広い光学スペクトル範囲に亘って、低い出力
パワーを有する。例えばレーザは、１オングストローム
以下のライン幅を有する個別の縦モードからなるスペク
トルに亘って、数ミリワットのパワーをシングルモード
光ファイバに結合することができる。一方、市販のＬＥ
Ｄは、約１００ミリワットのパワーを光ファイバに結合
できるが、その幅は、５００〜１０００オングストロー
ムである。
【０００３】連続光スペクトルに亘っている広い光学ス
ペクトル範囲に亘って高い出力パワーでもって動作する
半導体光ソースは、Goldberg et al., Electron. Let
t., 1994,30,(20),pp.1682-1684 に開示されている。前
掲の論文の図１に示すように、超発光性のＬＥＤからの
出力はレンズを介して広い領域の増幅機に結合されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前掲の論文に開示され
た光ソースは、いくつかの欠点を有し、このため様々な
応用分野、特に通信システムにおいては好ましくない。
その欠点の例としては、例えば広い領域の増幅機は、横
断方向（即ち、光の伝播方向に直交する増幅機の面の方
向）においては、導波機能を提供できない。その結果増
幅機出力と、シングルモード光ファイバとの間の光学結
合は、不十分でそのため増幅機と光ファイバとの間に大
きなレンズ系が必要となる。さらに、広い領域の増幅機
からの出力の大部分は、誘導自然放射（amplified spon
taneous emission）が原因で、光学変調インデックスが
小さくなり、即ちＳＮ消光比が小さくなるといったこと
になる。さらに広領域のテーパ状増幅機は、そのサイズ
が大きいが故に大きな入力変調電流を必要とし、その結
果としての大きなキャパシタンスに起因して、低い変調
周波数でしか動作することができない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の光ソースは、発
光ダイオードとこの発光ダイオードの出力部に接続され
た第１端を有する光ファイバと、この光ファイバの第２
端に接続されている入力を有する単一あるいは複数の横
方向モードの光学半導体増幅機とを有する。この光ソー
スはディスクリート素子あるいはモノリシックに集積さ
れた素子から形成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１において、端部放射のＬＥＤ
２の出力は光ファイバ４の一端に接続されている。光フ
ァイバ４の他端は、単一モードあるいはマルチモードの
横方向モード（ＳＴＭＯあるいはＭＴＭＯ）の光学半導
体増幅機６に接続されている。前掲のゴールドバーグ
（Goldberg）の論文に開示された広領域の増幅機とは対
称的に、の本発明のＳＴＭＯあるいはＭＴＭＯの光学半
導体増幅機は、光学信号の横方向の導波機能を提供す
る。ＳＴＭＯ光学半導体増幅機が本発明の半導体増幅機
能に用いられる場合には、光ファイバはシングルモード
光ファイバが好ましい。同様にＭＴＭＯ光学半導体増幅
機が用いられる場合には、光ファイバは、マルチモード
光ファイバが好ましく、これにより光学結合の効率を向
上する。
【０００７】ＳＴＭＯ光学半導体増幅機６は、シングル
横モード半導体レーザから形成される。反射防止コーテ
ィングがレーザの面に塗布されレーザの発振を抑制す
る。本発明は、いかなるシングル横モード半導体レーザ
から形成されたＳＴＭＯ増幅機にも用いることができ
る。適切なレーザ構造は、M.J.O'Mahony, Journal of L
ightwave Technology, vol.6,p.531,1988 とN.A.Olsso
n, Journal oa Lightwave Technology,vol.7,p.1071,19
89 に開示されている。ＳＴＭＯ光学半導体増幅機の一
例を図２に示す。この光学半導体増幅機は、反射防止コ
ーティングを半導体レーザのへき開面１７，１８に塗布
することにより形成される。この反射防止コーティング
は、二酸化シリコン等の誘電体層からなり、その誘電体
層の厚さはレーザ構造内を伝播する光の波長の４分の１
に等しい。活性ガイド層１３がクラッド層１２，１４，
１５，１６に挟まれている。クラッド層１２は、ドープ
したｐ型で、一方クラッド層１４はドープしたｎ型であ
る。クラッド層１５，１６は、電流ブロック層として機
能する。活性ガイド層１３の屈折率は、クラッド層１
２，１４，１５，１６の屈折率よりも大きい。光学半導
体増幅機がＳＴＭＯ光学半導体増幅機として、機能する
場合には、活性ガイド層１３の厚さと幅は、小さく基本
モードのみが導びかれる。
【０００８】本発明の一実施例においては、ＬＥＤは、
市販のシングル横モードＬＥＤで、バイアス電流が３０
ｍＡで１．３μｍの出力ピークを有する。この出力ピー
クは、半導体バンドフィリング（semiconductor band f
illing）の為にバイアス電流が６０ｍＡの時には、１．
２８μｍにシフトする。このＬＥＤは、光学出力スペク
トルのハーフパワー幅（half-power width）が約６００
オングストロームに維持されるような光学ゲインでもっ
て超発光モードで動作する。このＬＥＤは、シングルモ
ード光ファイバでパッケージされる。このシングルモー
ド光ファイバは図１の光ファイバ４として機能する。こ
のＬＥＤの設計に関するさらに詳細は、B.D.Patterson
et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.3
0, p.703,1994 を参照のこと。そしてこのようなＬＥＤ
の製造に関する詳細は、Kashimaet al., Journal of Li
ghtwave Technology, vol.10, no.11, p.1644,1992 を
参照のこと。本発明の一実施例に用いられるＳＴＭＯ光
学半導体増幅機６は、約１．３μｍに中心があるゲイン
スペクトルを有し、バルク活性領域を有するチャネル付
き基板の埋め込みヘテロ構造レーザから形成される。レ
ーザ面を反射防止コーティングで塗布した後、この素子
のゲインピーク波長は、１．２５５μｍでこれは自然放
射スペクトル（spontaneous emission spectrum ）から
決定された。コーティング層の反射率は、ゼロが理想的
であるが、１０-3程度の反射率であれば、性能を低下さ
せることはない。この光学半導体増幅機は、ＬＥＤのピ
ーク放出波長にマッチするゲインピーク波長を有する。
他の光学半導体増幅機構性も採用できる。例えば、キャ
ップ付きのメサ型埋め込みへテロ構造も採用できる。
【０００９】図３は、図２に示した素子の様々な光学半
導体増幅機バイアス電流における出力パワー対ＬＥＤ注
入電流との関係を示す図で、（ａ）は、光学半導体増幅
機６からの出力パワーを示し、（ｂ）は、出力が光学半
導体増幅機出力に接続されたシングルモード光ファイバ
に結合された後の出力を示す。２．３ｍＷの光学半導体
増幅機出力と１ｍＷの光ファイバ出力が１００ｍＡのバ
イアス電流における光学半導体増幅機とＬＥＤの両方で
得られ、これは、これは１３．５ｄＢの光学半導体増幅
機ゲインに対応する。光学半導体増幅機と光ファイバと
の結合効率は４６％であった。ＬＥＤ電流がゼロになる
光強度は、光学半導体増幅機からの誘導自然放射（ＡＳ
Ｅ））に起因する。ＬＥＤ入力信号の光学半導体増幅機
ゲインは、図３から決定され、それを図４に示す。この
ゲインは、ＬＥＤ電流が低い場所（２０ｍＡ）あるいは
ＬＥＤ入力パワーが低い場所で減少している。この減少
の原因は、光学半導体増幅機ゲインピークから離れたＬ
ＥＤスペクトルの赤色シフトである。図５は、ＬＥＤ電
流が１００ｍＡに増加し、光学半導体増幅機が８０ｍＡ
のバイアス電流で維持された状態の本発明の光ソースの
出力スペクトルを表す。図５の最下部のスペクトルは、
ＬＥＤがバイアスされていないときのスペクトルを表
す。このカーブは、光学半導体増幅機の自然照射スペク
トル（spontaneous spectrum）に対応する。ＬＥＤ電流
が増加すると、出力はＬＥＤの増幅スペクトル（amplif
ied spectrum）から主に構成される。
【００１０】図６はモノリシックに集積された素子とし
て形成された光ソースの本発明の他の実施例を示す。こ
の同図においては、ＬＥＤ４２と光学半導体増幅機４６
は共通の基板上に形成される。光学半導体増幅機に隣接
して配置されたレーザ構造体の出力面は、反射防止コー
ティングが塗布されている。ＬＥＤに隣接して配置され
た面は、部分反射コーティングあるいは、光学アブソー
バが形成されている。このＬＥＤと光学半導体増幅機
は、公知の構造形状でもって形成され、例えば、エッチ
ングされたメサ埋め込みヘテロ構造およびチャネル付き
基板埋め込みへテロ構造である。一体に形成された集積
導波路４４は、光ファイバ４の代わりをしてＬＥＤ４２
を光学半導体増幅機４６に結合する。このＬＥＤ４２は
光学半導体増幅機４６から電気的に絶縁されている。こ
の電気的絶縁の程度は、ＬＥＤ４２と光学半導体増幅機
４６が互いに独立にバイアスが掛けられる程度のもので
ある。このＬＥＤ４２はまた光学的に光学半導体増幅機
４６に結合効率を低減するような所定量の光学損失を持
って結合される。この光学分離（optical decoupling）
の程度は、図１の実施例に示したようにＬＥＤと光学半
導体増幅機等がディスクリート部品として形成されたと
きにＬＥＤと光学半導体増幅機との間に発生する光学損
失にほぼ等しいものである。この光学分離は充分大きく
レーザ発振を抑制し、その正確な値は、光ソースの内部
効率に依存する。例えば６−８ｄＢの光学損失は、１．
３μｍと１．５５μｍで動作する超波長光ソースに対し
ては、充分なものである。光学絶縁がない場合には、素
子は発振を開始し、ＬＥＤではなくレーザの特性を示
す。必要な程度の光学分離を達成するのに充分な光学損
失は、公知の手段例えばＬＥＤ４２と光学半導体増幅機
４６との間の光学アブソーバを挿入することにより、あ
るいは、集積導波路４４に光学エネルギの所定部分を除
去するようなＹ型ブランチカプラを具備することにより
導入できる。別法としては、光学パワーの一部を放射で
取り除くためには、ＬＥＤ４２と光学半導体増幅機４６
との間のモードミスマッチを与えることにより導入でき
る。
【００１１】図７は、ＬＥＤ４２と光学半導体増幅機４
６の両方に用いられるエッチングされたメサ埋め込みヘ
テロ構造の断面図である。このエッチングされたメサ埋
め込みヘテロ構造においては、ｎ−ＩｎＰ基板５２の上
にｎ−ＩｎＰクラッド層５４を堆積する。このｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層５４の上に０．２μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ
活性層５６を堆積する。さらにこのＩｎＧａＡｓＰ活性
層５６の上に１．７μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層５８
を堆積する。そしてこのｐ−ＩｎＰクラッド層５８の上
に０．１μｍ厚のｐ−ＩｎＧａＡｓ接触層５９を堆積す
る。上記の各層を堆積した後この埋め込みヘテロ構造体
をｎ−ＩｎＰクラッド層５４の層までエッチングして導
波路メサを形成し、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５６の場所で
その幅は、１．５μｍである。この形成プロセスは導波
路メサの両側にＦｅドープＩｎＰの半絶縁層５１を堆積
する。このＦｅドープＩｎＰの半絶縁層５１は、電流ブ
ロック機能と光閉じこめの機能の両方を提供する。Ｆｅ
ドープのＩｎＰの代わりにこの層（ＦｅドープＩｎＰの
半絶縁層５１）は、ｎ−ｐ−ｎ逆バイアスＩｎＰ層ある
いは、ＦｅドープのＩｎＰ層とｎ−ｐ−ｎ逆バイアスＩ
ｎＰ層の両方の組み合わせにより形成できる。その後こ
のヘテロ構造体を基板の側から約１００μｍの厚さまで
薄くする。最後に、この素子にその両表面に電気接点を
形成することによりその製造を完了する。即ちＡｕＺｎ
／Ａｕのｐ型接点が上部層に形成され、ＡｕＳｎ／Ａｕ
のｎ型接点が基板に形成される。電気的絶縁を達成する
ために、ＬＥＤと光学半導体増幅機には、ｐサイドの個
別の接点パッドを具備している。さらにｐ−ＩｎＧａＡ
ｓ接触層５９が、ＬＥＤと光学半導体増幅機との間の領
域で取り除かれる。必要によっては、さらに電気的絶縁
は、ＬＥＤと光学半導体増幅機との間のｐ−ＩｎＰクラ
ッド層５８の一部を部分的にエッチングすることにより
（下の導波路をエッチングすることなく）により達成で
きる。ＩｎＧａＡｓＰ活性層５６は上記したバルク状の
層として形成することもできるしまた多重両シード層と
して形成することもできる。本発明の素子の光学ゲイン
は、極性依存性であるのでバルク活性層が極性の感受性
を減少させるので好ましい。ＩｎＧａＡｓＰ活性層５６
が集積導波路４４用に用いられ電気接点がそれに形成さ
れない場合には、集積導波路４４はアブソーバとなりＬ
ＥＤ４２と光学半導体増幅機４６との間の光学損失を与
える。この光学損失は、ｅ-αLで与えられ、ここでαは
吸収率で、Ｌは集積導波路４４の長さである。別法とし
て、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５６を受動ガイド層で置換
し、結合損失をＹ型ブランチカプラあるいは集積導波路
４４内のモードミスマッチにより与えることもできる。
【００１２】
【発明の効果】本発明の光ソースは、直接遷移型のバン
ドギャップの半導体材料の三元あるいは四元の合金系
（その合金は、例えばＧａＡｓあるいはＩｎＰのような
基板結晶の格子定数に近い格子定数を有するような様々
な合金）からなる。本発明の光ソースを形成する材料系
は例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ，ＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓ，ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
Ａｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｓＳｂ
／ＧａＡｌＡｓＳｂ等である。これらの材料から形成さ
れた本発明の素子の動作波長は、０．８μｍから１．６
μｍの間に入る。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰから
形成された光ソースは、１．３μｍあるいは１．５５μ
ｍのいずれかで動作する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体光ソースを表す図
【図２】図１に示された光ソースに用いられる単一横方
向モードの光光学半導体増幅機の斜視図
【図３】（ａ）本発明による光学半導体増幅機からの光
学出力パワーと様々なバイアス電流におけるＬＥＤの注
入電流との関係を表すグラフ、（ｂ）光学半導体増幅機
出力に接続されたシングルモード光ファイバに結合され
た後の光出力パワーを表す図
【図４】図３から決定された様々なＬＥＤの光学半導体
増幅機ゲインと光学半導体増幅機電流との関係を示す図
【図５】様々なＬＥＤ電流に対する本発明の光ソースか
らの光学スペクトルを表す図
【図６】モノリシックに集積された素子として形成され
た本発明の他の実施例を表す図
【図７】図６に示された実施例に用いられるエッチング
されたメサの埋め込みヘテロ構造の断面図
【符号の説明】
２ 端部放射ＬＥＤ ４ 光ファイバ ６ 単一モードあるいはマルチモードの横方向モード
（ＳＴＭＯあるいはＭＴＭＯ）の光学半導体増幅機 １２，１４，１５，１６ クラッド層 １３ 活性ガイド層 １７，１８ へき開面 １９ 底面 ４２ ＬＥＤ ４４ 集積導波路 ４６ 光学半導体増幅機 ５１ ＦｅドープＩｎＰの半絶縁層 ５２ ｎ−ＩｎＰ基板 ５４ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ５６ ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ５８ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ５９ ｐ−ＩｎＧａＡｓ接触層

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発光ダイオード（２）と、 前記発光ダイオード（２）の出力端に第１端が接続され
    た光ファイバ（４）と、 前記光ファイバ（４）の第２端に接続された入力端を有
    するシングル横モード光学半導体増幅機（６）とからな
    ることを特徴とする半導体光ソース。
  2. 【請求項２】 前記シングル横モード光学半導体増幅機
    （６）は、レーザ発振を抑制するために反射防止コーテ
    ィングを塗布された面を有するチャネル付き基板埋め込
    みヘテロ構造レーザであることを特徴とする請求項１の
    光ソース。
  3. 【請求項３】 前記シングル横モード光学半導体増幅機
    （６）は、レーザ発振を抑制するために反射防止コーテ
    ィングを塗布された面を有するキャップ付きメサの埋め
    込みヘテロ構造レーザであることを特徴とする請求項１
    の光ソース。
  4. 【請求項４】 基板上に形成された発光ダイオード（４
    ２）と、 前記基板上に形成され、前記発光ダイオード（４２）の
    出力端に結合された第１端を有する導波路（４４）と、 前記基板上に形成され、前記導波路の第２端に接続され
    た入力を有するシングル横モード光学半導体増幅機（４
    ６）と、からなることを特徴とするモノリシックに集積
    された半導体光ソース。
  5. 【請求項５】 前記発光ダイオード（４２）は、シング
    ル横モード光学半導体増幅機（４６）から電気的に絶縁
    されていることを特徴とする請求項４の光ソース。
  6. 【請求項６】 前記発光ダイオード（４２）は、所定量
    の光学損失を持って前記シングル横モード光学半導体増
    幅機（４６）に光学的に結合されていることを特徴とす
    る請求項５の光ソース。
  7. 【請求項７】 光学損失を与えるために基板上に形成さ
    れた光学吸収機をさらに有することを特徴とする請求項
    ６の光ソース。
  8. 【請求項８】 前記発光ダイオードは、エッチングされ
    たメサ埋め込みヘテロ構造として形成されることを特徴
    とする請求項６の光ソース。
  9. 【請求項９】 前記発光ダイオードは、キャップ付きメ
    サ埋め込みヘテロ構造として形成されることを特徴とす
    る請求項６の光ソース。
  10. 【請求項１０】 前記導波路は、Ｙ型ブランチカプラを
    有し所定量の光学損失を与えることを特徴とする請求項
    ６の光ソース。
  11. 【請求項１１】 前記発光ダイオードと前記シングル横
    モード光学半導体増幅機（４６）との間に所定量の光学
    損失を与えるモードミスマッチが存在することを特徴と
    する請求項６の光ソース。
  12. 【請求項１２】 前記シングル横モード光学半導体増幅
    機（４６）に隣接する出力面は、反射防止コーティング
    が塗布されていることを特徴とする請求項６の光ソー
    ス。
  13. 【請求項１３】 前記発光ダイオードに隣接する面は、
    部分反射防止コーティングが塗布されてことを特徴とす
    る請求項１２の光ソース。
  14. 【請求項１４】 発光ダイオードと、 前記発光ダイオードの出力に接続される第１端を有する
    光ファイバと前記光ファイバの第２端に隣接される入力
    を有するマルチ横モード光学半導体増幅機とからなるこ
    とを特徴とする半導体光ソース。
  15. 【請求項１５】 前記マルチ横モード光学半導体増幅機
    は、レーザ発振を抑制するために反射防止コーティング
    を塗布された面を有するチャネル付き基板埋め込みヘテ
    ロ構造レーザであることを特徴とする請求項１４の光ソ
    ース。
  16. 【請求項１６】 前記増幅機は、レーザ発振を抑制する
    ために反射防止コーティングを塗布された面を有するキ
    ャップ付きメサの埋め込みヘテロ構造レーザであること
    を特徴とする請求項１４の光ソース。
  17. 【請求項１７】 基板上に形成された発光ダイオード
    と、 前記基板上に形成され、前記発光ダイオードの出力に結
    合された第１端を有する導波路と、 前記基板上に形成され、前記導波路の第２端に接続され
    た入力を有するマルチプル横モード光学半導体増幅機
    と、からなることを特徴とするモノリシックに集積され
    た半導体光ソース。
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