JPH11330540A

JPH11330540A - スーパールミネッセントダイオード

Info

Publication number: JPH11330540A
Application number: JP12784198A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshidaya; 弘明吉田谷; Yoshinori Nakano; 好典中野
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-11-30
Anticipated expiration: 2018-05-11
Also published as: JP3685925B2

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は、光放射端面におけるスポットサ
イズを大きくして、接続される光ファイバとの光結合係
数を高く保つことができ、また、低コヒーレントな特性
が、余分な光干渉効果を抑圧し、光計測の分野、特に光
ファイバジャイロの光源として秀れたスーパールミネッ
セントダイオードを得る。【解決手段】レーザ発振を抑圧し、横基本モードで動
作し、かつ、光の出力端において光スポットを拡大する
ために、第１の導電型を有する半導体基板（１）上に、
第１の導電型を有する屈折率ｎ３、ｎ２及びｎ１の３つ
のクラッド層（２，３，４）を順次積層し、屈折率ｎ４
の活性層（５）を挟んで、第２の導電型を有する屈折率
ｎ１、ｎ２及びｎ３の３つクラッド層（６，７，８）を
順次積層して、バンドギャップ及び屈折率の関係に一定
の条件を与えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光ファイ
バジャイロをはじめとする各種光計測などに用いられ
る、発光部となる活性領域を含む半導体多層構造を有す
る半導体発光素子に関し、特に、活性領域からの光出力
を効率良く光ファイバに入射できるような可干渉性の低
い半導体発光素子（スーパールミネッセントダイオー
ド）に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ（ＬＤ）やスーパールミネ
ッセントダイオード（ＳＬＤ）などの半導体発光素子
は、光出力検出や素子温度制御を行ない、かつ、素子動
作信頼性を確保するためフォトダイオードやサーミスタ
などと一緒に筐体に組み込まれ、機密封止されたモジュ
ールとして製品化される。半導体発光素子の光出力は、
光ファイバにより取り出されるが、このモジュールを作
成する際、半導体発光素子の光出力が光ファイバに入射
する割合（光結合係数）を高く保つためには、半導体発
光素子の放射光ビーム断面の大きさ（スポットサイズ）
と光ファイバの導波光スポットサイズを一致させる他、
半導体発光素子の光軸と光ファイバの光軸の乖離の許容
量（トラレンス）として、サブミクロンのオーダが要求
される。

【０００３】この光軸の調整工程に多大な時間と労力が
費やされモジュール作成工程のボトルネックとなってい
る。

【０００４】このトレランスを緩和するため、従来、以
下の二つの方法が主に採られてきた。

【０００５】（１）半導体発光素子の光放射端面での
スポットサイズは、従来、サブミクロンのオーダである
が、これを、半導体発光素子内の構造を工夫することに
より、数ミクロンの大きさを有する光ファイバのスポッ
トサイズに近付ける方法と、（２）半導体発光素子か
ら放射された光ビームをレンズを用いて変換し、等価的
に半導体発光素子と光ファイバのスポットサイズの整合
をとる方法である。

【０００６】（１）の方法は、例えば、半導体レーザに
おける活性層の厚さや幅を光放射端面に近づくにつれ徐
々に減少させ、活性導波路の光閉じ込め係数を小さくす
る構造にして、スポットサイズを拡大する。

【０００７】しかし、このような構造は、素子製造工程
が複雑であるため、製造歩留まりが低いという問題があ
る。一方、（２）の方法では、半導体発光素子と光ファ
イバのほかにレンズの光軸調整が必要となりモジュール
製造工程が複雑となるほか部品数が増えるため、製造歩
留まりが低く、且つ、高コストとなるという問題があっ
た。

【０００８】ＳＬＤは発光ダイオードに近いブロードな
スペクトルを持ちながら、半導体レーザ（以下ＬＤとい
う）並の狭い放射角と強度で光を放射することを特徴と
している。このＳＬＤは、ファイバジャイロ用の光源と
して実用化されているほか、高分解能ＯＴＤＲ（Ｏｐｔ
ｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏ
ｍｅｔｒｙ）やエンジン燃焼モニタなどの分野への応用
も検討されている。

【０００９】従来のＳＬＤを、図７を参照して説明す
る。図７はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料による従来の
ＳＬＤの例を示す図である。このＳＬＤを得るために
は、１回目の成長として液相成長法（ＬＰＥ）及び気相
成長法（ＶＰＥ，ＭＯ−ＣＶＤ）または分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）法等により、ｎ型ＩｎＰ基板３１上にｎ
型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（λ：１．３μｍ組成）３
２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層（λ：１．５μｍ
組成）３３，ｐ型ＩｎＰクラッド層３４，ｐ型ＩｎＧａ
ＡｓＰ電極層（λ：１．１μｍ組成）３５を成長する。

【００１０】次に、ＲＦスパッタ又はＣＶＤ法等により
ＳｉＯ₂ もしくはＳｉＮ等の薄膜をｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
電極層３５の全表面に形成する。その後フォトエッチン
グ技術により活性層を埋め込むために、電流注入領域３
９を直線状に＜１１０＞方向にそってストライプ状に幅
４〜５μｍ、長さ４００μｍ、非電流注入領域４０も同
様に、非電流注入領域４０の長さが２００μｍとなるよ
うに電流注入領域３９のストライプ幅と同じ幅で形成し
た後、このＳｉＯ₂ ストライプ薄膜もしくはＳｉＮスト
ライプ薄膜をマスクとして利用し、ブロムメタノール４
％溶液により３５，３４，３３，３２の各層を基板３１
に達するまでエッチングして逆メサ状の積層体を形成す
る。次に、２回目の成長としてＬＰＥにより、エッチン
グにより取り除いた部分にｐ型ＩｎＰ層３６、及びｎ型
ＩｎＰ層３７の電流狭窄用埋め込み成長を行う。

【００１１】こうして得たウェハの上面にはＡｕ−Ｚｎ
を蒸着してｐ型オーミック電極３８をフォトエッチング
技術を用いて電流注入領域３９にのみ形成する。この上
に再び、ＳｉＯ₂ もしくはＳｉＮ膜を形成し、フォトエ
ッチング技術により、非電流注入領域４０の溝４３の形
成のための窓開けを行なう。そしてこれをマスクとして
ブロムメタノール４％溶液によりウェハの各層をエッチ
ングして溝４３を形成する。溝４３の深さは上端より活
性層３３の位置を越えるまで行う。また、溝４３の壁の
角度は図７の（ａ）で活性層３３を斜めに切断し、か
つ、深さ方向に対しても斜めに切断するように形成す
る。また、基板３１側には全体の厚みが８０μｍ程度に
なるまで研磨した後Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉを蒸着し、ｎ型オ
ーミック電極４２を全面に形成する。各層の構成は次の
通りであり、また、各結晶層はＩｎＰの格子定数に合致
している。

【００１２】３１：Ｓｎドープｎ型ＩｎＰ基板、厚み８
０μｍ、キャリア密度３×１０¹⁸ｃｍ^-3 ３２：ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、厚み０．２μ
ｍ、Ｓｎドープ、キャリア密度３×１０¹⁷ｃｍ^-3 ３３：ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層、厚み０．２〜０．３
μｍ、ノンドープ３４：ｐ型ＩｎＰクラッド層、厚み１．５μｍ、Ｚｎド
ープ、キャリア密度５×１０¹⁷ｃｍ^-3 ３５：ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極層、厚み０．７μｍ、Ｚ
ｎドープ、キャリア密度５×１０¹⁸ｃｍ^-3 ３６：ｐ型ＩｎＰ電流狭窄層、厚み１．５μｍ、Ｚｎド
ープ、キャリア密度１×１０¹⁷ｃｍ^-3 ３７：ｎ型ＩｎＰ電流狭窄層、厚み１．５μｍ、Ｚｎド
ープ、キャリア密度１×１０¹⁷ｃｍ^−３この工程を完了したウエハを長さ６００μｍ、幅４００
μｍのチップ状の素子に分割して、ＡｕＳｎはんだによ
りヒートシンク上にマウントした。この素子の光出力特
性は、２５℃連続動作において電流注入にしたがって光
出力が発振することなく増加し、２００ｍＡにおいて３
ｍＷのインコヒーレント光出力を得ることができるもの
である。非電流注入領域４０に形成した溝４３の端面で
反射した光が再び電流注入領域３９を形成する活性層３
３に結合しないようになっていて十分ＦＰモードを抑圧
して非電流注入領域４０を長くすることなく、ＳＬＤ発
振を得るものである。

【００１３】このようにＳＬＤは、構造的にはＬＤに近
いが、端面反射率を抑制し発振を妨げる工夫がされてい
る点でＬＤとは異なる。活性領域はＬＤ同様、バルク構
造と多重量子井戸（以下ＭＱＷとする）構造の２タイプ
があるがいずれも出力光のスポットサイズは狭いもので
ある。

【００１４】次に、従来のリッジ型スーパールミネッセ
ントダイオード（ＳＬＤ）における光導波路の層構造を
図８を参照して説明する。

【００１５】図８（ａ）はリッジ型ＳＬＤの光出射端面
の外観を示す図である。

【００１６】図８（ｂ）はリッジ型ＳＬＤの光導波路の
層構造を示す図であり、１８は第１導電型を有する半導
体基板、１９は第１の導電型を有する屈折率ｎ１のクラ
ッド層、２０は屈折率ｎ４の活性層、２１は第２の導電
型を有する屈折率ｎ１のクラッド層である。

【００１７】このリッジ型ＳＬＤは、第１の導電型の半
導体基板１８上に、第１の導電型を有する屈折率ｎ１の
クラッド層１９を積層し、その上に、屈折率ｎ４の活性
層２０を積層し、その上に、第２の導電型を有する屈折
率ｎ１のクラッド層２１を積層して得たもので、屈折率
はｎ４＞ｎ１である。

【００１８】図９を参照して、このＳＬＤを詳しく説明
する。図９は、リッジ型の従来の８００ｎｍ帯ＳＬＤの
構造を示す図であり、発光中心波長７８０ｎｍ帯を有す
るＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料による従来のＳＬＤの
構造例を示した図である。図９において、図９（ａ）は
従来構造ＳＬＤをｐ型導電側上方からみた模式図、図９
（ｂ）は（ａ）図におけるＡ−Ａ´断面に現れる層構造
を模式的に示した図、図９（ｃ）は光出射端面側からみ
た模式図である。このＳＬＤを得るためには、ｎ型導電
性を有するＧａＡｓ基板１８上にｎ型導電性のＡｌ
_０．５５Ｇａ_0.45Ａｓのクラッド層１９、ノンドープＡ
ｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ活性層２０、ｐ型導電性のＡｌ_0.55
Ｇａ_0.45Ａｓクラッド層２１、ｐ型導電性のＧａＡｓコ
ンタクト層２２を順次、液相法、気相法、分子線エピタ
キシー法などによりエピタキシャル成長を行いダブルヘ
テロ層構造を形成する。次に、活性層２０での電流密度
を高くして発光効率を向上させるため電流狭窄用の２本
の溝２３を形成するため、このエピタキシャル成長を終
えた基板１８上にＲＦスパッタまたはＣＶＤ法などによ
り耐エッチングマスクとなるＳｉＯ₂もしくはＳｉＮ_Xな
どの誘電体薄膜２４をＧａＡｓコンタクト層２２全面に
堆積する。この誘電体薄膜２４をフォトリソグラフィ技
術により溝２３に対応する部分のみフッ化水素酸などを
使って窓開けを行い、引き続きウエット法やドライ法に
よるエッチングを行いこの溝２３を完成する。なお、こ
のとき素子動作信頼性と基本横モード動作を確保するた
め溝２３の深さは活性層２０に達することがないように
する。また、溝２３の形成されない部分は光吸収領域２
５となる。

【００１９】次に、このウエハの溝２３が形成された面
に絶縁膜とするため再び誘電体薄膜を堆積した後、電流
注入領域２６となる溝２３で挟まれたストライプの上面
２７の誘電体膜のみを取り去る。

【００２０】このような工程を経て得られたウエハのｐ
型導電性のＧａＡｓコンタクト層２２上にＡｕ−Ｚｎ合
金、ｎ型導電性のＧａＡｓ基板側にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合
金を蒸着し熱処理を施して、それぞれ第１および第２の
オーミック電極２８，２９を形成した後、光出射端面に
無反射膜３０を被着する。この無反射膜３０により光出
射端面側から電流注入領域２６に帰還する光パワーの割
合は０．５％以下、また光吸収領域２５により後方端面
から電流注入領域２６に帰還する光パワーの割合は０．
００１％以下となりレーザ発振が抑圧されてＳＬＤとし
ての動作が実現される。これらの工程を終えたウエハを
溝２３と平行方向に６５０μｍ、溝２３と直角方向に４
００μｍの大きさに分割しチップ状の素子とする。

【００２１】このチップをＡｕＳｎはんだによりセラミ
ック系ヒートシンク上に接合し、かつ、電流をチップに
供給するためのワイヤをボンディングしてＳＬＤデバイ
スは基本的に完成する。

【００２２】このＳＬＤデバイスは、注入電流１００ｍ
Ａにおいて光出力５ｍＷ程度、また、光スペクトラム半
値全幅約２０ｎｍが得られ、無反射膜３０と光吸収領域
２５の効果により光スペクトラムにリップルは見られな
い。

【００２３】なお、半導体基板１８，第１のクラッド層
１９，活性層２０，第２のクラッド層２１及びコンタク
ト層２２の素性は次のようである。１８：Ｓｎドープｎ型導電性ＧａＡｓ基板、基板厚８０
μｍ、キャリア密度３×１０¹⁸ｃｍ^-3 １９：Ｓｎドープｎ型導電性Ａｌ₀₅₅ Ｇａ_0.45Ａｓクラ
ッド層、層厚１μｍ、キャリア密度７×１０¹⁷ｃｍ^-3 ２０：ノンドープＡｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ活性層、層厚
０．１μｍ２１：Ｚｎドープｐ型導電性Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓのク
ラッド層、層厚２μｍ、キャリア密度７×１０¹⁷ｃｍ^-3 ２２：Ｚｎドープｐ型導電性ＧａＡｓコンタクト層、層
厚０．５μｍ、キャリア密度１×１０¹⁹ｃｍ^-3 この構成で得られるスポットサイズ半径は約０．２３μ
ｍである。

【００２４】このような従来のＳＬＤは、前述のよう
に、スポットサイズが小さく、光導波路から光ファイバ
によって光出力を取り出すとき、光結合損失が−１０ｄ
Ｂ前後あるなど問題があった。

【００２５】また、利得を有する発光領域へ、発生した
光を帰還して増幅し、発振させ発光波長スペクトラムが
狭く鋭い、コヒーレンシの高い光出力を得るレーザダイ
オード（ＬＤ）においては、電流注入により光を発生す
る活性層の上下方向に順次、内部クラッド層、中間クラ
ッド層、外部クラッド層を配置する層構造として発光ビ
ーム（スポットサイズ）を拡大することが知られてい
る。（ＰＣＴ国際公開番号ＷＯ９３／１６５１３号）一方、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）
は、光帰還を抑圧する構成を採用することにより、発振
状態に至らず、発光波長スペクトラムが広く、コヒーレ
ンシの低い光を出力することが特徴となっている。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、光放射端
面における放射光ビーム断面の大きさ（スポットサイ
ズ）を大きくして、接続される光ファイバの導波光スポ
ットサイズとほぼ等しくし、光結合係数を高くめるとと
もに、低コヒーレントな特性で、余分な光干渉効果を抑
圧することにより、光計測の分野に於いて、好適な光源
として、特に光ファイバジャイロの光源として秀れたス
ーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を提供する
ものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるスーパー
ルミネットセントダイオードは、第１の導電型を有する
半導体基板１と、第１の導電型の半導体からなり、該半
導体基板上に積層された第１のクラッド層群９と、該第
１のクラッド層群よりバンドギャップの小さい半導体か
らなる屈折率ｎ４を有し、該第１のクラッド層群上に形
成された活性層５と、該活性層よりバンドギャップの大
きい第２の導電型の半導体からなり、該活性層上に積層
された第２のクラッド層群１０とを備えたスーパールミ
ネッセントダイオードであって、前記第１のクラッド層
群が、屈折率ｎ３を有し前記半導体基板に接する第１の
外部クラッド層２と、屈折率ｎ２を有し厚さがｄ２であ
る該第１の外部クラッド層上に形成された第１の中間ク
ラッド層３と、屈折率ｎ１を有し厚さがｄ１である該第
１の中間クラッド層上に形成された第１の内部クラッド
層４とから構成され、前記第２のクラッド層群が、屈折
率ｎ１を有し厚さがｄ１である前記活性層に接する第２
の内部クラッド層６と、屈折率ｎ２を有し厚さがｄ２で
ある第２の内部クラッド層上に形成された第２の中間ク
ラッド層７と、屈折率ｎ３を有し該第２の中間クラッド
層上に形成された第２の外部クラッド層８とから構成さ
れ、ｎ４＞ｎ２＞ｎ１，ｎ３なる関係及び０．１＜（ｄ１（ｎ４² −ｎ１² ）^1/2/ｄ２（ｎ４ ²−
ｎ２²) ^1/2）≦０．２５なる関係にあるものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】この発明に係るスーパールミネッ
セントダイオード（ＳＬＤ）は、活性層に接する２つの
クラッド層をそれぞれ屈折率の異なる複数の層で構成し
て、光の出力端において光スポットサイズを拡大するも
のである。すなわち、第１の導電型を有する半導体基板
上に、第１の導電型を有する屈折率ｎ３の外部クラッド
層、屈折率ｎ２の中間クラッド層及び屈折率ｎ１の内部
クラッド層を順次積層して第１のクラッド層群とし、そ
の上に屈折率ｎ４の活性層を積層し、さらにその上に第
２の導電型を有する屈折率ｎ１の内部クラッド層、屈折
率ｎ２の中間クラッド層及び屈折率ｎ３の外部クラッド
層を順次積層して第２のクラッド層群としたもので、第
１及び第２のクラッド層群のバンドギャップは活性層の
バンドギャップより大きく、かつ、これらの屈折率の間
にはｎ４＞ｎ２＞ｎ１及びｎ４＞ｎ２＞ｎ３なる関係が
ある。また、レーザ発振を回避するように層の厚さにつ
いても、屈折率との関係で一定の条件を与えた。

【００２９】すなわち、ＳＬＤはレーザ発振が抑圧さ
れ、かつ、横基本モードで動作が実現されることが必要
である。

【００３０】この条件を実現するには、活性層のキャリ
アがクラッド層に漏れることを防ぐために設けられた内
部クラッド層の層厚ｄ１と光スポットサイズを拡大する
ために設けられた中間クラッド層の層厚ｄ２の比と、活
性層、内部クラッド層および中間クラッド層の誘電率
（屈折率２乗に比例する）に対応する量、即ち、順次に
ｎ４² ，ｎ１² およびｎ２² とのあいだに０．１≦（ｄ１（ｎ４²-ｎ１² ）^1/2 ／（ｄ２（ｎ４²-
ｎ２²) ^1/2）≦０．２５で示される関係のあることが分った。上式から得られる
量が０．１より小さい範囲では光スポット径が大きくな
りすぎて高次横モード動作し、一方、０．２５より大き
くなると活性層に光が強く閉じ込められるため活性層に
よる光の増幅が強くなり容易にレーザー発振を起こして
しまいＳＬＤとして使用することはできなくなる。これ
らのことからも、ＳＬＤの多層構造とＬＤに於ける多層
構造の設計条件は両立し得ないことは明らかである。

【００３１】

【実施例】本発明のスーパールミネッセントダイオード
（ＳＬＤ）の一実施例を図１ないし図４を参照して説明
する。図１（ａ）は、この実施例のリッジ型ＳＬＤの断
面図、（ｂ）は活性層及び上下のクラッド層と、その屈
折率及び厚さを示す図である。

【００３２】図において、１は第１の導電性を有する半
導体基板で、９は前記半導体基板１の上に屈折率がｎ３
の第１の外部クラッド層２、屈折率がｎ２で厚さがｄ２
の第１の中間クラッド層３及び屈折率がｎ１で厚さがｄ
１の第１の内部クラッド層４が順次積層されていて、そ
れぞれが第１の導電型半導体から成る第１のクラッド層
群である。５は第１の内部クラッド層上に積層されてい
て、屈折率ｎ４の第１の導電型半導体から成る活性層で
ある。

【００３３】１０は、活性層５上に屈折率がｎ１で厚さ
がｄ１の第２の内部クラッド層６、屈折率がｎ２で厚さ
がｄ２の第２の中間クラッド層７及び屈折率がｎ３の第
２の外部クラッド層が順次積層されていて、それぞれが
第２の導電型半導体から成る第２のクラッド層群であ
る。なお、第１のクラッド層群９及び第２のクラッド層
群１０のバンドギャップは、活性層５のバンドギャップ
より大きくなっている。

【００３４】なお、これらの屈折率及び厚さは、ｎ４＞
ｎ２＞ｎ１，ｎ４＞ｎ２＞ｎ３なる関係及び０．１≦（ｄ１（ｎ４² −ｎ１² ）^1/2/ｄ２（ｎ４ ²−
ｎ２²) ^1/2）≦０．２５なる関係にある。

【００３５】図２によって、屈折率ｎを任意の値に制御
する例を説明する。図２はＩＩＩ−ＩＶ族化合物半導体
から成るＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系半導体発光素子につ
いてＡｌ_X Ｇａ_1-X Ａｓ混晶のＡｌ組成（ｘ）を変化さ
せたときの、ＡｌＧａＡｓ混晶の波長が７８０ｎｍの光
に対する屈折率を示す。図２から分かるように、ｎ＝
３．５とするにはＡｌＧａＡｓ混晶内のＡｌ組成（ｘ）
を０．２６強に、ｎ＝３．４とするには同じく０．４２
にすればよい。

【００３６】発光スペクトラム中心波長７８０ｎｍを有
する従来構造の図８のＳＬＤの例では、活性層２０は層
厚０．１μｍを有するＡｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ混晶からな
り、クラッド層１９，２１はそれぞれ単一層の層厚１μ
ｍおよび２μｍを有するＡｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓからな
り、この構成では、スポットサイズ半径は約０．２３μ
ｍとなる。これに対し図１に示した実施例では、活性層
５を従来構造と同一として、層厚ｄ１が０．１μｍのＡ
ｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ内部クラッド層４，６（屈折率ｎ
１) と層厚ｄ２が１μｍのＡｌ_0.38Ｇａ_0.62Ａｓ中間ク
ラッド層３，７（屈折率ｎ２: ３．４２７）およびＡｌ
_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ外部クラッド層２，８（屈折率ｎ１）
よりなる本発明のＳＬＤではスポットサイズ半径が約
１．０５μｍとなり、従来例で示した約０．２３μｍの
約４．５倍に拡大できる。

【００３７】図３は、この実施例のスポットサイズを説
明するための図であり、図３（ａ）は中間クラッド層の
屈折率をパラメータとした規格化光強度、図３（ｂ）は
この場合における組成を示す。図３（ａ）は、Ａｌ_0.13
Ｇａ_0.87Ａｓ混晶からなる層厚０．１μｍの活性層５を
有し、内部クラッド層４，６（層厚０．１μｍ）と外部
クラッド層２，８がＡｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓからなり、か
つ、中間クラッド層３，６の層厚を１μｍとした実施例
によるＳＬＤにおける活性層５の中央から垂直方向の距
離に対する規格化光強度を示す。この図において曲線ａ
は、中間クラッド層３，７の屈折率を３．４２７とした
前述の例、ｂは３．４１３，ｃは３．３７８としたもの
で、ｄは前述の従来例である。また（）内は中間クラッ
ド層３，７のＡｌ混晶組成である。

【００３８】図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した光強度
を示す層構造の活性層５の中央から垂直方向の距離に対
するＡｌ混晶組成の分布である。なお、これらのＡ１混
晶組成と屈折率の関係は図２に示すとおりである。

【００３９】この実施例によれば、このようにスポット
サイズを大きく拡大できるので、光ファイバとの統合係
数及びトレランスの改善が可能となる。

【００４０】この実施例による光結合係数の改善例を図
４に示す。

【００４１】横軸に垂直方向光軸変位量（μｍ）をと
り、縦軸に光結合係数をとったものである。（ａ）は従
来例によるＳＬＤ、（ｂ）はこの実施例によるＳＬＤに
よるものでほぼ２倍を超える改善が見られる。

【００４２】本発明の他の実施例について図５を参照し
て説明する。

【００４３】図５は、図１の実施例において、第１の中
間クラッド層及び第２の中間クラッド層の屈折率が変化
している例である。

【００４４】図において、（ｄ）は層構造を示し、符号
は図１の３および７を除いて同じである。（ａ）は、第
１の中間クラッド層３および第２の中間クラッド層７の
屈折率が活性層５に近いほど段階的に大きくなっている
例である。この例では中間クラッド層３，７のバンドギ
ャップが活性層５に近いほど小さくなっているため電流
注入により生じたキャリアと光が活性層５近傍に集中し
やすく発光効率の面では有利である。しかし、光スポッ
トサイズの拡大効果では劣る傾向にある。

【００４５】一方、（ｂ）は段階的に小さくなっている
例である。この場合は、（ａ）の例とは逆の性質を持
つ。即ち、発光効率では劣るが光スポットサイズは拡大
する傾向を持つ。また、（ａ）および（ｂ）はともに連
続的に変化する構造が好ましい。なぜなら段階状に混晶
組成が変化する境界にキャリアが引き込まれて貯る、パ
イルアップ現象が生じ活性層へのキャリア注入が妨げら
れることが考えられるからである。しかし、実際の結晶
成長における再現性は段階的に混晶組成が変化する構造
が有利となる。（ｃ）は、連続的に屈折率が減少してい
る例であるが、連続的に屈折率が増大している構造を考
えることは容易である。

【００４６】なお、本発明の実施例として、発光波長が
８００ｎｍ近傍のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＩＩＩ−
ＩＶ族半導体ＳＬＤについて説明したが、クラッド層の
屈折率が制御できる素材のものであればどういうもので
も良く、例えば、発光波長が４００〜６００ｎｍ領域の
ＧａＮ系や、発光波長が６００〜７００ｎｍのＡｌＧａ
ＩｎＰ系、また発光波長が１μｍ以上のＧａＩｎＡｓＰ
／ＩｎＰ系などについても適用することができる。

【００４７】また、これまではバルク状活性層を有する
ＳＬＤについて説明を行ってきたが単数若しくは複数の
量子井戸層と複数の障壁層および分離閉じ込め（Ｓｅｐ
ａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓ
ｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＳＣＨ）層から成る活性層部多層構
造を有する量子井戸ＳＬＤについては、この多層構造の
平均屈折率を活性層の屈折率：ｎ４，活性層部多層構造
の層厚を活性層厚とすることにより本発明を適用するこ
とができる。

【００４８】次に本発明のＳＬＤを光源とした光ファイ
バジャイロについて図６を参照して説明する。

【００４９】ジャイロは、外部からの情報がなくても、
それが取り付けられた移動体の角速度や角度を検出し
て、位置の計測や制御をするためのセンサである。光フ
ァイバジャイロは光ファイバをコイル状にして、両方向
からコヒーレント光を入射し、サニヤック効果を利用し
て回転の速度や角度を検知するものである。光ファイバ
は、通常、偏波保持型を用い、ＳＬＤからの出力はその
片側の偏光方向の光のみが使用される。

【００５０】図６はファイバジャイロの原理を示す図で
ある。

【００５１】図において、１３は本発明に係るＳＬＤ，
１４は光を透過及び反射させる半透明板，１５は光ファ
イバ，１６は干渉出力光部である。ＳＬＤ１３から出力
されたコヒーレント光は半透明板１４を透過して光ファ
イバ１５の一端１５ａから光ファイバ１５に入射され、
コイル状に巻かれた光ファイバ１５を矢印ａ方向に通過
して、半透明板１４を透過して出力部１６から出力光ａ
として出力されるとともに、ＳＬＤ１３から出力された
コヒーレント光の一部は、半透明板１４で反射して光フ
ァイバ１５にその他端から入射され、コイル状に巻かれ
た光ファイバ１５を矢印ｂ方向に通過して、半透明板１
４で反射されて出力部１６から出力光ｂとして出力され
る。サニヤック効果は、このように閉じた光路を反対方
向に伝搬する光は、伝搬時間（位相）が閉光路の回転角
速度に比例して変化する現象であり、光ファイバジャイ
ロは、光ファイバ１５の一端１５ａから入射された光と
他端１５ｂから入射された光との位相の変化を干渉など
により検知して、回転角速度を光干渉などによって検知
するものである。

【００５２】この光ファイバジャイロの光源として、半
導体レーザ（ＬＤ）のようにコヒーレンシー（可干渉
性）の高い光源を用いると、光ファイバ内の屈折率の微
小な揺らぎにより光が散乱され（レイリー散乱）、サニ
ヤック効果による干渉を乱す。また、例えばマルチモー
ド光ファイバの場合、この中を進行する光の進路の僅か
な差により干渉が生じる。この干渉は光ファイバに対す
る機械的振動や熱的な揺らぎにより変化するためサニヤ
ック効果の観測に取っては雑音（スペックル雑音）とな
る。

【００５３】一方、極めてコヒーレンシーの低い発光ダ
イオード（ＬＥＤ）を用いると光ファイバとの光結合効
率が極端に低いため実用に適さない。

【００５４】これらの光源に対して、ＳＬＤは光ファイ
バとの光結合効率が良好で、かつ、低いコヒーレンシー
という特徴を有するため光ファイバジャイロの光源とし
て好適である。

【００５５】ファイバジャイロは、閉光路の面積が大き
いほど、また光源の光パワーが大きいほど、ゆっくりし
た回転角度を検出することができる。本発明のＳＬＤで
は、従来のＳＬＤに比較して光ファイバとの光結合効率
が向上するため、同一の光出力ならば光ファイバに入射
できる光パワーが大きくなり、光計測におけるＳ／Ｎが
向上する。また、光軸のズレに対する光結合効率の変動
が小さくなるため、光ファイバとＳＬＤの間の光軸調整
が容易となり、ピグティル型光源モジュールの作成が自
動化され製造コストが著しく低減される。

【００５６】

【発明の効果】本発明にかかるスーパールミネットセン
トダイオードは、第１の導電型を有する半導体基板１
と、第１の導電型の半導体からなり、該半導体基板上に
積層された第１のクラッド層群９と、該第１のクラッド
層群よりバンドギャップの小さい半導体からなる屈折率
ｎ４を有し、該第１のクラッド層群上に形成された活性
層５と、該活性層よりバンドギャップの大きい第２の導
電型の半導体からなり、該活性層上に積層された第２の
クラッド層群１０とを備えたスーパールミネッセントダ
イオードであって、前記第１のクラッド層群が、屈折率
ｎ３を有し前記半導体基板に接する第１の外部クラッド
層２と、屈折率ｎ２を有し厚さがｄ２である該第１の外
部クラッド層上に形成された第１の中間クラッド層３
と、屈折率ｎ１を有し厚さがｄ１である該第１の中間ク
ラッド層上に形成された第１の内部クラッド層４とから
構成され、前記第２のクラッド層群が、屈折率ｎ１を有
し厚さがｄ１である前記活性層に接する第２の内部クラ
ッド層６と、屈折率ｎ２を有し厚さがｄ２である第２の
内部クラッド層上に形成された第２の中間クラッド層７
と、屈折率ｎ３を有し該第２の中間クラッド層上に形成
された第２の外部クラッド層８とから構成され、ｎ４＞
ｎ２＞ｎ１，ｎ３なる関係及び０．１≦（ｄ１（ｎ４² −ｎ１² ）^1/2/ｄ２（ｎ４ ²−
ｎ２²) ^1/2）≦０．２５なる関係にあるものであるので、大出力でスポットサイ
ズを大きく拡大でき、従って光ファイバとの結合係数及
びトレランスの改善ができ、また、大出力のＳＬＤを利
用することにより、光ファイバジャイロの性能を大きく
向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＳＬＤの一実施例の層構造を示す図で
ある。

【図２】層構造の屈折率を制御する図である。

【図３】スポットサイズを説明する図である。

【図４】光結合係数の改善例を示す図である。

【図５】本発明の他の実施例を説明する図である。

【図６】本発明を光ファイバジャイロに用いた例であ
る。

【図７】従来のＳＬＤの構造を示す図である。

【図８】従来のリッジ型ＳＬＤにおける光導波路の層構
造を示す図である。

【図９】従来のリッジ型ＳＬＤの構造を示す図である。

【符号の説明】

１半導体基板２第１の外部クラッド層３第１の中間クラッド層４第１の内部クラッド層５活性層６第２の内部クラッド層７第２の中間クラッド層８第２の外部クラッド層９第１のクラッド層群１０第２のクラッド層群１１本発明のリッジ型ＳＬＤ１３ＳＬＤ１４半透明板１５光ファイバ１６出力部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の導電型を有する半導体基板（１）
と、第１の導電型の半導体からなり、該半導体基板上に積層
された第１のクラッド層群（９）と、該第１のクラッド層群よりバンドギャップの小さい半導
体からなる屈折率ｎ４を有し、該第１のクラッド層群上
に形成された活性層（５）と、該活性層よりバンドギャップの大きい第２の導電型の半
導体からなり、該活性層上に積層された第２のクラッド
層群（１０）とを備えたスーパールミネッセントダイオ
ードであって、前記第１のクラッド層群が、屈折率ｎ３を有し前記半導
体基板に接する第１の外部クラッド層（２）と、屈折率
ｎ２を有し厚さがｄ２である該第１の外部クラッド層上
に形成された第１の中間クラッド層（３）と、屈折率ｎ
１を有し厚さがｄ１である該第１の中間クラッド層上に
形成された第１の内部クラッド層（４）とから構成さ
れ、前記第２のクラッド層群が、屈折率ｎ１を有し厚さがｄ
１である前記活性層に接する第２の内部クラッド層
（６）と、屈折率ｎ２を有し厚さがｄ２である第２の内
部クラッド層上に形成された第２の中間クラッド層
（７）と、屈折率ｎ３を有し該第２の中間クラッド層上
に形成された第２の外部クラッド層（８）とから構成さ
れ、ｎ４＞ｎ２＞ｎ１，ｎ３なる関係及び０．１≦（ｄ１（ｎ４² −ｎ１² ）^1/2/ｄ２（ｎ４ ²−
ｎ２²) ^1/2）≦０．２５なる関係にあ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。