スーパールミネッセントダイオード
【課題】インコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示し、従来のSLDと比較してさらに出力の高いスーパールミネッセントダイオードを得る。
【解決手段】スーパールミネッセントダイオード10を、１つの基板11上に、複数の導波路型発光領域16ａ〜16ｄと、一端が基板11に垂直な出射端面12まで延びる１本の導波路13と、複数の導波路型発光領域16ａ〜16ｄの各々の出力光を合波し、導波路13に導く合波器14とを設けてなる構成とする。
【解決手段】スーパールミネッセントダイオード10を、１つの基板11上に、複数の導波路型発光領域16ａ〜16ｄと、一端が基板11に垂直な出射端面12まで延びる１本の導波路13と、複数の導波路型発光領域16ａ〜16ｄの各々の出力光を合波し、導波路13に導く合波器14とを設けてなる構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスーパールミネッセントダイオードに関し、特に、高出力化され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。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信、計測、及び医療分野における光を用いた診断等に置いて安価な多波長光源に対する要求が強くなっている。具体的には光通信における波長検査用、ファイバジャイロ、OTDR計測用、眼科検診で実用化されているOCT（Optical Coherence Tomography）用光源が該当する。このような多波長光源としては、低コスト化の可能性が高いスーパールミネッセントダイオード（以下、「SLD」という。）に期待が集まっている。
【０００３】
SLDは通常の発光ダイオード同様にインコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示しながら、光出力特性では半導体レーザ同様に１ｍＷ以上の光出力を得ることが可能な素子である。SLDは半導体レーザ同様に注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される機構を用いている。ただし半導体レーザと異なり端面反射による共振器の形成を抑え、FPモード発振（レーザ発振）が生じないようにする必要がある。レーザ発振を抑制するためには端面における光反射率を抑制する必要があり、その方法として(1)光反射防止(AR)膜、(2)端面窓構造、(3)斜め光導波路構造などが知られている。特に光導波路を共振器端面から僅かに傾けることにより発振を抑制する斜め光導波路構造は古くから採用されている方法である。1978年にD.R.SCIFRESらにより非特許文献１において、GaAs/AlGaAs半導体レーザのストライプを端面の垂直方向に対して傾けていくと、実効的な端面反射率が低下し共振器が形成されなくなりSLDとしての性能を示すことが報告されている。また1988年にはA.GERARDらにより非特許文献２において、５度傾斜ストライプ構造による28ｍＷの高出力SLDが報告されている。
【０００４】
この非特許文献２にて報告された斜め光導波路構造を備えたSLDの概要を図６に示す。図６に示すSLDは、ｎ型GaAs基板１上にｎ型のAl0.4Ga0.6Asクラッド層２、Al0.06Ga0.94As活性層３、ｐ型のAl0.4Ga0.6Asクラッド層４、ｎ型のGaAsキャップ層５、SiO2からなる絶縁膜６（以下、「SiO2膜６」という。）が積層形成されている。電流を注入するためのストライプ領域のSiO2膜６は除去され、該SiO2膜が除去された直下の電流ブロック層５とクラッド層４はZn拡散領域（図中の斜線で示す領域）となっている。ストライプ領域７は、その延びる方向が、光出射端面の法線Ｎに対し所定の傾きθを有するように形成された斜め光導波路構造となっている。ｎ型電極９は基板１の裏面に、ｐ型電極８はSiO2膜６およびストライプ領域７上に形成されている。
【０００５】
さて一方、光源として用いられるSLDの高出力化も望まれており、高出力化の方法としては、(1)端面反射率の低減、(2)放熱性の向上、(3)光導波路領域の増加が挙げられる。このうち(3)光導波路領域の増加は注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が増幅される領域を大きくすることができるため、SLDを高出力化させる方法として良く用いられている。具体的には素子長を長くする方法と発光幅を広げる方法(非特許文献３参照)がある。
【非特許文献１】IEEE J. Quantum Electron, 1978, QE-14, p223-227
【非特許文献２】IEEE J. Quantum Electron, 1988, Vol.24, p2454-2457
【非特許文献３】応用物理 第68巻 第2号 p175-176
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の通り、SLDの高出力化のために光導波路領域を増加させる方法が知られているが、１本の導波路の長さ、発光幅を広げる方法には出力増加の限界がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、インコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示し、従来のSLDと比較してさらに出力の高い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ものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、１つの基板上に、
複数の導波路型発光領域と、
一端が前記基板に垂直な出射端面まで延びる１本の導波路と、
前記複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、前記導波路に導く合波器とが設けられてなることを特徴とするものである。
【０００９】
合波器としては、Ｙ分岐型の合波器、スラブ型合波器、マッハツェンダ型方向性結合器、MMI（マルチモード干渉）型の合波器など複数の発光領域からの光を合波できるものであればよい。
【００１０】
ここで、前記１本の導波路は前記出射端面に垂直な法線方向に対して傾きを有していることが望ましい。法線方向に対する傾きの角度は、４°以上、１８°以下が好ましく、特に４.５°程度が最適である。
【００１１】
また、前記複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも１つの出力光の中心波長が他の出力光の中心波長と異なっていてもよい。さらに、複数の導波路型発光領域の出力光の中心波長が互いに異なるものとしてもよい。
【００１２】
なおここで、中心波長とは、発光スペクトルを積分してその重心を求めて得られる波長をいうものとする。また、ここで「波長が異なる」とは、製造誤差により生じる異なりを含まないものとする。具体的には中心波長が１０ｎｍ程度以上異なるものをいう。
【００１３】
なお、本発明のスーパールミネッセントダイオードは、前記基板がGaAsからなり、前記複数の導波路型発光領域の各々が、InGaAs歪量子井戸層と、GaAsまたはInGaAsPからなる障壁層とから構成される歪量子井戸活性層を有し、前記歪量子井戸活性層がInGaPまたはAlGaAsからなるクラッド層で挟まれているものとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、１つの基板上に複数の導波路型発光領域と、一端が基板に垂直な出射端面まで延びる１本の導波路と、複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、導波路に導く合波器とが設けられてなり、複数の発光領域からの出力光を合波して、出射端面の一箇所から出力するので、１素子中に１つの発光領域のみの場合と比較して高出力な光を得ることができる。また１素子中で複数の発光領域からの光を合波することができるので、複数の個別に形成されたSLDの出力光をレンズ、プリズム、ミラー等の光学部品を用いて合波する方式に較べ、光源としての大きさを小さくすることができる。小型化により種々の装置において光源として用いる際の実装の自由度が大きくなる、実装時の占有面積の狭小化が図れるなどの点で非常に効果が高い。さらに、複数の光学部品を備える光源と比較して振動にも強いために信頼性も高い。また、半導体から構成されるものであるために量産効果が期待され、量産により格段に安価になる可能性もある。
【００１５】
なお、一本の導波路型発光領域のみを備えた従来のSLDにおいて、高出力化を図るため発光幅（発光領域の導波路の幅）を広げると、出力光がマルチモードとなってしまい光源としての用途に制限が生じるが、本発明のスーパールミネッセントダイオードは複数の導波路型発光領域のそれぞれの発光幅をシングルモード発光が可能な幅に設定すれば、シングルモードの出力光でかつ高出力化を達成することができるので光源として有用である。
【００１６】
また、複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも１つの中心波長が他の中心波長と異なるものであれば、スペクトル帯域の広い素子とすることができる。スペクトル帯域の広い素子は、例えばOCTを用いた光診断装置に光源として用いた場合、解像度の向上に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態のスーパールミネッセントダイオードの概略構成を示す斜視図であり、図２はその上面図である。図２には、素子内部に設けられている光導波路を破線で示している。
【００１９】
本スーパールミネッセントダイオード10は、１つの基板11上に、互いに平行に配置された４つの導波路型発光領域16ａ〜16ｄと、一端が基板11に垂直な出射端面12まで延びる１本の導波路13と、基板11上に設けられた、複数の導波路型発光領域16ａ〜16ｄからの出力光を合波し導波路13に導く合波器14とを備えてなる。すなわち、本スーパールミネッセントダイオード10は、それぞれが従来型のSLDに相当する４つの光源部10ａ〜10ｄと合波器14と１本の導波路13とが１つの基板11上に集積化された半導体集積化光源とみなすこともできる。
【００２０】
各導波路型発光領域16ａ〜16ｄは合波器14に接続され、合波器14はさらに１本の導波路13に接続されている。この導波路13は、出射端面12の法線方向Ｎに対し所定角度θ1傾けて形成されている。導波路13の法線方向Ｎからの傾きは４°〜１８°が好ましく、特に最適な傾きは４.５°である。
【００２１】
なお、出射端面12の法線Ｎに対する導波路13の延びる方向の傾きθ1と、出射端面12の法線Ｎに対する出射光軸の傾きθ2との関係は、下記式（１）（スネルの法則）で表される。
ｎ1・sinθ1=ｎ2・sinθ2 (1)
ここでｎ1はストライプ内での等価屈折率、ｎ2は出力媒体屈折率である。例えば、ｎ1をGaAsの屈折率、ｎ2を空気の屈折率とし、導波路13の延びる方向を出射端面の法線に対して５度傾けた場合、すなわちθ1＝５度のとき、上記式（１）からθ2は17.8度である。
【００２２】
４つの発光領域16ａ〜16ｄ上にそれぞれ設けられている電流注入用の電極33ａ〜33ｄは互いに分離して形成されている。すなわち、４つの発光領域は電気的に分離されており、個別の光源部10ａ〜10ｄとしてそれぞれを任意の電流値で駆動することができる。
【００２３】
上記実施形態のスーパールミネッセントダイオード10において、４つの発光領域16ａ〜16ｄを、出力光の中心波長がそれぞれ950ｎｍ、1000ｎｍ、1050ｎｍおよび1100ｎｍとなるように活性層を設計した場合について素子特性のシミュレーションした結果を図３から図５を用いて説明する。
【００２４】
図３は駆動する発光領域を１つずつ増やした場合の電流−光出力特性のシミュレーション結果を示すものである。１領域のみ駆動した場合（１素子）から、２素子、３素子、４素子と発光領域の数が増えるにつれて光出力が増加することがわかる。このように、複数の導波路型発光領域を備えたことにより、導波路型発光領域を１つしか有していない従来型のSLDでは達成できなかった高出力の発光が可能である。
【００２５】
図４および図５は、波長と光出力（Intensity)の特性、すなわち発光スペクトルのシミュレーション結果を示すものである。図４は、４つの発光領域を同時にかつ、各発光領域に対して同一の駆動電流値で駆動した場合の発光スペクトルを示し、図５は、４つの発光領域のうち、波長950ｎｍと、1100ｎｍの２つを各々20ｍＷで、1000ｎｍ、1050ｎｍの２つを各々30ｍＷで駆動した場合の発光スペクトルを示すものである。各発光領域の出力光の中心波長が異なることから、図４および図５に示すように、発光帯域を十分広くすることができる。また、図５に示す発光スペクトルの形状は、ガウシアンに近い形状となっており、それぞれの発光領域に対して駆動電流を個別に制御し、個々の光出力を調整することにより、スペクトル形状を所望の形状に整形することができることがわかる。
【００２６】
次に本素子の構成と作製方法の具体的な例を、図６Ａ〜図６Ｈ参照して説明する。
【００２７】
図６Ａ〜図６Ｈは本素子の作製過程を示す図である。まず、ｎ型GaAs基板11上に第１回目の結晶成長にてn-InGaPクラッド層22、InGaAsP光導波層23（波長組成800ｎｍ、厚さ0.2μｍ）、p-InGaPクラッド層24を成長させる（図６Ａ）。次にSiO2膜25を全面に形成した後、第1の光源部を形成する領域25aのみSiO2膜25を選択的に除去し、続けてウェットエッチングによりp-InGaPクラッド層24とInGaAsP光導波層23をそれぞれ除去する（図６Ｂ）。このウェハに第２回目の結晶成長により第１の光源部10ａの発光部を構成する、InGaAs歪量子井戸層およびGaAs障壁層から構成されるInGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ａを成長させ、さらにp-InGaPクラッド層27ａを成長させる。続けて再度全面にSiO2膜を形成し直し、第２の光源部10ｂを形成する領域25ｂのみSiO2膜を選択的に除去し、続けてp-InGaPクラッド層24とInGaAsP光導波層23をそれぞれ除去し、第３回目の結晶成長により第２の光源部10ｂの発光部となる活性層26ｂおよびp-InGaPクラッド層27ｃを成長させる。なお、同様に、ウェットエッチングと結晶成長を繰り返し、順次第３、第４の光源部10ｃ、10ｄを形成する（図６ＣおよびＤ）。なお、図６Ｄは図６ＣのVIＤ-VIＤ断面図である。なおここでは、それぞれの光源部10ａ〜10ｄについて、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ａを950ｎｍの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ｂを1000ｎｍの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ｃを1050ｎｍの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ｄを1100ｎｍの中心波長となるように各層の組成比を設定して成長させる。
【００２８】
次に素子内部にフォトレジスト工程およびエッチング工程を経て導波路を形成する。フォトレジスト工程により図６Ｅに示すようなマスク28を形成し、気相エッチング法を用いてエッチングを行い、p-InGaPクラッド24、27ａ、27ｂ、27ｃおよび27ｄの途中まで除去し、その除去した部分に第５回目の結晶成長により、n-AlGaInP電流ブロック層29を選択成長させる（図６Ｆ）。そして最後の結晶成長工程として、全面にp-InGaP上部層30、およびp-GaAsコンタクト層31を成長させる（図６Ｇ）。その後、図６Ｇに示すように、合波器および発光領域を電気的に分離するためにp-GaAsコンタクト層31の一部をエッチングにより除去し溝32を設ける。その後、分離されたコンタクト層31上のそれぞれにｐ電極33、33ａ〜33ｄを形成し、基板11裏面にｎ電極34を形成する。ｐ電極は、発光領域側の電極33ａ〜33ｄと合波器側の電極33とが電気的に分離されており、かつ、発光領域側においても、各発光領域毎に独立して電流駆動が可能なように、各電極33ａ〜33ｄはそれぞれ電気的に分離されている（図６（Ｈ））。なお、合波器領域における電極は本素子をジャンクションダウン実装する際に必要であり、ジャンクションアップで実装する場合にはなくても構わない。
【００２９】
合波器部分は最終的には端面に垂直な法線方向から５度斜めに形成する。また、前方端面12および後方端面15は、発振の抑制と光の取り出し効率の向上のために両端面とも無反射膜を形成するが、更に取り出し効率を向上するために後方端面15のみであれば反射率を上げた膜としてもよい。
【００３０】
各発光領域内の導波路16ａ〜16ｄおよび一本の導波路13の幅を３μｍ程度以下とすることにより、シングルモードの発光を行うことができる。ただし、本発明はシングルモード発光を行うものに限定されるものではなく、マルチモード発光を行うものであっても構わない。
【００３１】
図５に本発明第２の実施の形態のスーパールミネッセントダイオードの導波路を示す模式図である。このスーパールミネッセントダイオード40は、１つの基板上に３つの発光領域40ａ、40ｂおよび40ｃと、スター型合波器44と、一本の導波路43とを備えた素子である。このように、発光領域の数や合波器の構成は種々のものを採用することができる。なお、発光領域、合波器および導波路の層構成や製造方法は上述の第１の実施形態の素子と同様のものを採用することができる。
【００３２】
なお、上述の各実施形態では導波路発光領域を３個または４個のアレイ状に設けたが、発光領域の数は２つでもよいし、４つ以上であってもよい。また、複数の発光領域は必ずしも互いに平行に配置されている必要もない。
【００３３】
上記実施形態では、合波器としてＹ分岐型の合波器、及びスター型合波器を用いたが、これに限定されるものではなく、MMI（マルチモード干渉）型の合波器、スラブ型、マッハツェンダ型方向性結合器でも構わない。
【００３４】
上記実施形態では、0.9〜1.2μｍ帯の中心波長の出力光を発する発光領域を設けるものとしたが、他の波長帯の発光領域を設けてもよい。例えばGaAs基板を用いる場合、650ｎｍ、800ｎｍあるいは950ｎｍの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。また、上記実施の形態においては、活性層をInGaAs歪量子井戸とGaAs障壁層から構成されるものとしたが、GaAs障壁層に換えてInGaAsP障壁層を用いてもよい。また、活性層を挟んで設けられるクラッド層としてInGaPからなるものとしたが、AlGaAsを用いてもよい。またInP基板を用いる場合、1.3μｍ、1.5μｍあるいは1.6μｍの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。GaN基板を用いるのであれば365ｎｍ、405ｎｍあるいは450ｎｍの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。
【００３５】
また、複数の発光領域がそれぞれ異なる中心波長の光を出力するものである必要はなく、少なくとも一つの発光領域から出力される光の中心波長が他の発光領域から出力される光の中心波長と異なるものであれば波長域を広げる効果を得ることができる。また、複数の発光領域の全てが同一の中心波長の光を出力するものであってもよく、この場合でも高出力化の効果は十分に得ることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、各発光領域に量子井戸構造の活性層を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばバルクによる活性層構造、量子細線、量子ドット構造を採用することもできる。
【００３７】
さらに、上記実施形態では、素子の作製方法としてそれぞれ異なる中心波長の光を出力する発光領域を順に選択成長させて作製するものとしたが、他の手法を用いて作製しても良い。例えばマスクの幅を変えた選択成長方法により量子井戸厚を素子毎に変調することにより発光領域毎に中心波長を異ならせる手法を用いてもよい。またレーザアニールを用いた波長トリミングによって、発光領域毎の発光波長を微妙にチューニングしたものでもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、発光領域および合波器を含めた導波路を同時に作製するものとしたが、作製する順番はこれに限定されるものではなく、発光領域の層構造すなわち光源部を先に作製した後で合波器を作製するようにしてもよい。
【００３９】
さらに、上記実施形態では、各発光領域毎に個別に駆動できるように、発光領域の上部電極が個別に形成されているものとしたが、個別に駆動する必要がない場合には発光領域上の電極は連続的に形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態の素子構造を示す斜視図
【図２】図１に示す素子の上面図
【図３】電流−光出力特性のシミュレーションを示す図
【図４】スペクトル特性のシミュレーションを示す図（その１）
【図５】スペクトル特性のシミュレーションを示す図（その２）
【図６Ａ】素子の作製工程を示す斜視図１
【図６Ｂ】素子の作製工程を示す斜視図２
【図６Ｃ】素子の作製工程を示す斜視図３
【図６Ｄ】図６Ｃの素子のVID-VID断面図
【図６Ｅ】素子の作製工程を示す斜視図４
【図６Ｆ】素子の作製工程を示す斜視図５
【図６Ｇ】素子の作製工程を示す斜視図６
【図６Ｈ】素子の作製工程を示す斜視図７
【図７】本発明の第２の実施形態の素子の導波路構造を示す模式図
【図８】従来の斜め光導波路構造を示す素子
【符号の説明】
【００４１】
1 n型GaAs基板
2 n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
3 Al0.06Ga0.94As活性層
4 p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
5 n-GaAsキャップ層
6 SiO2絶縁膜
7 ストライプ領域
8 p型電極
9 n型電極
10、40 スーパールミネッセントダイオード
10ａ〜10ｄ 光源部
11 GaAs基板
12 前方端面（出射端面）
13、43 導波路
14、44 合波器
15 後方端面
16ａ〜16ｄ、40ａ〜40ｃ 導波路型発光領域
22 n-InGaPクラッド層
23 InGaAsP光導波層
24 p-InGaPクラッド層
25 SiO2膜
26ａ〜26ｄ 活性層
27ａ〜27ｄ p-InGaPクラッド層
29 n-AlGaInP電流ブロック層
30 p-InGaP上部クラッド層
31 p-GaAsコンタクト層
32 溝
33 合波部ｐ電極
33ａ〜33ｄ 光源部ｐ電極
34 ｎ電極
【技術分野】
【０００１】
本発明はスーパールミネッセントダイオードに関し、特に、高出力化され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。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信、計測、及び医療分野における光を用いた診断等に置いて安価な多波長光源に対する要求が強くなっている。具体的には光通信における波長検査用、ファイバジャイロ、OTDR計測用、眼科検診で実用化されているOCT（Optical Coherence Tomography）用光源が該当する。このような多波長光源としては、低コスト化の可能性が高いスーパールミネッセントダイオード（以下、「SLD」という。）に期待が集まっている。
【０００３】
SLDは通常の発光ダイオード同様にインコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示しながら、光出力特性では半導体レーザ同様に１ｍＷ以上の光出力を得ることが可能な素子である。SLDは半導体レーザ同様に注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される機構を用いている。ただし半導体レーザと異なり端面反射による共振器の形成を抑え、FPモード発振（レーザ発振）が生じないようにする必要がある。レーザ発振を抑制するためには端面における光反射率を抑制する必要があり、その方法として(1)光反射防止(AR)膜、(2)端面窓構造、(3)斜め光導波路構造などが知られている。特に光導波路を共振器端面から僅かに傾けることにより発振を抑制する斜め光導波路構造は古くから採用されている方法である。1978年にD.R.SCIFRESらにより非特許文献１において、GaAs/AlGaAs半導体レーザのストライプを端面の垂直方向に対して傾けていくと、実効的な端面反射率が低下し共振器が形成されなくなりSLDとしての性能を示すことが報告されている。また1988年にはA.GERARDらにより非特許文献２において、５度傾斜ストライプ構造による28ｍＷの高出力SLDが報告されている。
【０００４】
この非特許文献２にて報告された斜め光導波路構造を備えたSLDの概要を図６に示す。図６に示すSLDは、ｎ型GaAs基板１上にｎ型のAl0.4Ga0.6Asクラッド層２、Al0.06Ga0.94As活性層３、ｐ型のAl0.4Ga0.6Asクラッド層４、ｎ型のGaAsキャップ層５、SiO2からなる絶縁膜６（以下、「SiO2膜６」という。）が積層形成されている。電流を注入するためのストライプ領域のSiO2膜６は除去され、該SiO2膜が除去された直下の電流ブロック層５とクラッド層４はZn拡散領域（図中の斜線で示す領域）となっている。ストライプ領域７は、その延びる方向が、光出射端面の法線Ｎに対し所定の傾きθを有するように形成された斜め光導波路構造となっている。ｎ型電極９は基板１の裏面に、ｐ型電極８はSiO2膜６およびストライプ領域７上に形成されている。
【０００５】
さて一方、光源として用いられるSLDの高出力化も望まれており、高出力化の方法としては、(1)端面反射率の低減、(2)放熱性の向上、(3)光導波路領域の増加が挙げられる。このうち(3)光導波路領域の増加は注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が増幅される領域を大きくすることができるため、SLDを高出力化させる方法として良く用いられている。具体的には素子長を長くする方法と発光幅を広げる方法(非特許文献３参照)がある。
【非特許文献１】IEEE J. Quantum Electron, 1978, QE-14, p223-227
【非特許文献２】IEEE J. Quantum Electron, 1988, Vol.24, p2454-2457
【非特許文献３】応用物理 第68巻 第2号 p175-176
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の通り、SLDの高出力化のために光導波路領域を増加させる方法が知られているが、１本の導波路の長さ、発光幅を広げる方法には出力増加の限界がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、インコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示し、従来のSLDと比較してさらに出力の高い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ものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、１つの基板上に、
複数の導波路型発光領域と、
一端が前記基板に垂直な出射端面まで延びる１本の導波路と、
前記複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、前記導波路に導く合波器とが設けられてなることを特徴とするものである。
【０００９】
合波器としては、Ｙ分岐型の合波器、スラブ型合波器、マッハツェンダ型方向性結合器、MMI（マルチモード干渉）型の合波器など複数の発光領域からの光を合波できるものであればよい。
【００１０】
ここで、前記１本の導波路は前記出射端面に垂直な法線方向に対して傾きを有していることが望ましい。法線方向に対する傾きの角度は、４°以上、１８°以下が好ましく、特に４.５°程度が最適である。
【００１１】
また、前記複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも１つの出力光の中心波長が他の出力光の中心波長と異なっていてもよい。さらに、複数の導波路型発光領域の出力光の中心波長が互いに異なるものとしてもよい。
【００１２】
なおここで、中心波長とは、発光スペクトルを積分してその重心を求めて得られる波長をいうものとする。また、ここで「波長が異なる」とは、製造誤差により生じる異なりを含まないものとする。具体的には中心波長が１０ｎｍ程度以上異なるものをいう。
【００１３】
なお、本発明のスーパールミネッセントダイオードは、前記基板がGaAsからなり、前記複数の導波路型発光領域の各々が、InGaAs歪量子井戸層と、GaAsまたはInGaAsPからなる障壁層とから構成される歪量子井戸活性層を有し、前記歪量子井戸活性層がInGaPまたはAlGaAsからなるクラッド層で挟まれているものとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、１つの基板上に複数の導波路型発光領域と、一端が基板に垂直な出射端面まで延びる１本の導波路と、複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、導波路に導く合波器とが設けられてなり、複数の発光領域からの出力光を合波して、出射端面の一箇所から出力するので、１素子中に１つの発光領域のみの場合と比較して高出力な光を得ることができる。また１素子中で複数の発光領域からの光を合波することができるので、複数の個別に形成されたSLDの出力光をレンズ、プリズム、ミラー等の光学部品を用いて合波する方式に較べ、光源としての大きさを小さくすることができる。小型化により種々の装置において光源として用いる際の実装の自由度が大きくなる、実装時の占有面積の狭小化が図れるなどの点で非常に効果が高い。さらに、複数の光学部品を備える光源と比較して振動にも強いために信頼性も高い。また、半導体から構成されるものであるために量産効果が期待され、量産により格段に安価になる可能性もある。
【００１５】
なお、一本の導波路型発光領域のみを備えた従来のSLDにおいて、高出力化を図るため発光幅（発光領域の導波路の幅）を広げると、出力光がマルチモードとなってしまい光源としての用途に制限が生じるが、本発明のスーパールミネッセントダイオードは複数の導波路型発光領域のそれぞれの発光幅をシングルモード発光が可能な幅に設定すれば、シングルモードの出力光でかつ高出力化を達成することができるので光源として有用である。
【００１６】
また、複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも１つの中心波長が他の中心波長と異なるものであれば、スペクトル帯域の広い素子とすることができる。スペクトル帯域の広い素子は、例えばOCTを用いた光診断装置に光源として用いた場合、解像度の向上に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態のスーパールミネッセントダイオードの概略構成を示す斜視図であり、図２はその上面図である。図２には、素子内部に設けられている光導波路を破線で示している。
【００１９】
本スーパールミネッセントダイオード10は、１つの基板11上に、互いに平行に配置された４つの導波路型発光領域16ａ〜16ｄと、一端が基板11に垂直な出射端面12まで延びる１本の導波路13と、基板11上に設けられた、複数の導波路型発光領域16ａ〜16ｄからの出力光を合波し導波路13に導く合波器14とを備えてなる。すなわち、本スーパールミネッセントダイオード10は、それぞれが従来型のSLDに相当する４つの光源部10ａ〜10ｄと合波器14と１本の導波路13とが１つの基板11上に集積化された半導体集積化光源とみなすこともできる。
【００２０】
各導波路型発光領域16ａ〜16ｄは合波器14に接続され、合波器14はさらに１本の導波路13に接続されている。この導波路13は、出射端面12の法線方向Ｎに対し所定角度θ1傾けて形成されている。導波路13の法線方向Ｎからの傾きは４°〜１８°が好ましく、特に最適な傾きは４.５°である。
【００２１】
なお、出射端面12の法線Ｎに対する導波路13の延びる方向の傾きθ1と、出射端面12の法線Ｎに対する出射光軸の傾きθ2との関係は、下記式（１）（スネルの法則）で表される。
ｎ1・sinθ1=ｎ2・sinθ2 (1)
ここでｎ1はストライプ内での等価屈折率、ｎ2は出力媒体屈折率である。例えば、ｎ1をGaAsの屈折率、ｎ2を空気の屈折率とし、導波路13の延びる方向を出射端面の法線に対して５度傾けた場合、すなわちθ1＝５度のとき、上記式（１）からθ2は17.8度である。
【００２２】
４つの発光領域16ａ〜16ｄ上にそれぞれ設けられている電流注入用の電極33ａ〜33ｄは互いに分離して形成されている。すなわち、４つの発光領域は電気的に分離されており、個別の光源部10ａ〜10ｄとしてそれぞれを任意の電流値で駆動することができる。
【００２３】
上記実施形態のスーパールミネッセントダイオード10において、４つの発光領域16ａ〜16ｄを、出力光の中心波長がそれぞれ950ｎｍ、1000ｎｍ、1050ｎｍおよび1100ｎｍとなるように活性層を設計した場合について素子特性のシミュレーションした結果を図３から図５を用いて説明する。
【００２４】
図３は駆動する発光領域を１つずつ増やした場合の電流−光出力特性のシミュレーション結果を示すものである。１領域のみ駆動した場合（１素子）から、２素子、３素子、４素子と発光領域の数が増えるにつれて光出力が増加することがわかる。このように、複数の導波路型発光領域を備えたことにより、導波路型発光領域を１つしか有していない従来型のSLDでは達成できなかった高出力の発光が可能である。
【００２５】
図４および図５は、波長と光出力（Intensity)の特性、すなわち発光スペクトルのシミュレーション結果を示すものである。図４は、４つの発光領域を同時にかつ、各発光領域に対して同一の駆動電流値で駆動した場合の発光スペクトルを示し、図５は、４つの発光領域のうち、波長950ｎｍと、1100ｎｍの２つを各々20ｍＷで、1000ｎｍ、1050ｎｍの２つを各々30ｍＷで駆動した場合の発光スペクトルを示すものである。各発光領域の出力光の中心波長が異なることから、図４および図５に示すように、発光帯域を十分広くすることができる。また、図５に示す発光スペクトルの形状は、ガウシアンに近い形状となっており、それぞれの発光領域に対して駆動電流を個別に制御し、個々の光出力を調整することにより、スペクトル形状を所望の形状に整形することができることがわかる。
【００２６】
次に本素子の構成と作製方法の具体的な例を、図６Ａ〜図６Ｈ参照して説明する。
【００２７】
図６Ａ〜図６Ｈは本素子の作製過程を示す図である。まず、ｎ型GaAs基板11上に第１回目の結晶成長にてn-InGaPクラッド層22、InGaAsP光導波層23（波長組成800ｎｍ、厚さ0.2μｍ）、p-InGaPクラッド層24を成長させる（図６Ａ）。次にSiO2膜25を全面に形成した後、第1の光源部を形成する領域25aのみSiO2膜25を選択的に除去し、続けてウェットエッチングによりp-InGaPクラッド層24とInGaAsP光導波層23をそれぞれ除去する（図６Ｂ）。このウェハに第２回目の結晶成長により第１の光源部10ａの発光部を構成する、InGaAs歪量子井戸層およびGaAs障壁層から構成されるInGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ａを成長させ、さらにp-InGaPクラッド層27ａを成長させる。続けて再度全面にSiO2膜を形成し直し、第２の光源部10ｂを形成する領域25ｂのみSiO2膜を選択的に除去し、続けてp-InGaPクラッド層24とInGaAsP光導波層23をそれぞれ除去し、第３回目の結晶成長により第２の光源部10ｂの発光部となる活性層26ｂおよびp-InGaPクラッド層27ｃを成長させる。なお、同様に、ウェットエッチングと結晶成長を繰り返し、順次第３、第４の光源部10ｃ、10ｄを形成する（図６ＣおよびＤ）。なお、図６Ｄは図６ＣのVIＤ-VIＤ断面図である。なおここでは、それぞれの光源部10ａ〜10ｄについて、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ａを950ｎｍの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ｂを1000ｎｍの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ｃを1050ｎｍの中心波長、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層26ｄを1100ｎｍの中心波長となるように各層の組成比を設定して成長させる。
【００２８】
次に素子内部にフォトレジスト工程およびエッチング工程を経て導波路を形成する。フォトレジスト工程により図６Ｅに示すようなマスク28を形成し、気相エッチング法を用いてエッチングを行い、p-InGaPクラッド24、27ａ、27ｂ、27ｃおよび27ｄの途中まで除去し、その除去した部分に第５回目の結晶成長により、n-AlGaInP電流ブロック層29を選択成長させる（図６Ｆ）。そして最後の結晶成長工程として、全面にp-InGaP上部層30、およびp-GaAsコンタクト層31を成長させる（図６Ｇ）。その後、図６Ｇに示すように、合波器および発光領域を電気的に分離するためにp-GaAsコンタクト層31の一部をエッチングにより除去し溝32を設ける。その後、分離されたコンタクト層31上のそれぞれにｐ電極33、33ａ〜33ｄを形成し、基板11裏面にｎ電極34を形成する。ｐ電極は、発光領域側の電極33ａ〜33ｄと合波器側の電極33とが電気的に分離されており、かつ、発光領域側においても、各発光領域毎に独立して電流駆動が可能なように、各電極33ａ〜33ｄはそれぞれ電気的に分離されている（図６（Ｈ））。なお、合波器領域における電極は本素子をジャンクションダウン実装する際に必要であり、ジャンクションアップで実装する場合にはなくても構わない。
【００２９】
合波器部分は最終的には端面に垂直な法線方向から５度斜めに形成する。また、前方端面12および後方端面15は、発振の抑制と光の取り出し効率の向上のために両端面とも無反射膜を形成するが、更に取り出し効率を向上するために後方端面15のみであれば反射率を上げた膜としてもよい。
【００３０】
各発光領域内の導波路16ａ〜16ｄおよび一本の導波路13の幅を３μｍ程度以下とすることにより、シングルモードの発光を行うことができる。ただし、本発明はシングルモード発光を行うものに限定されるものではなく、マルチモード発光を行うものであっても構わない。
【００３１】
図５に本発明第２の実施の形態のスーパールミネッセントダイオードの導波路を示す模式図である。このスーパールミネッセントダイオード40は、１つの基板上に３つの発光領域40ａ、40ｂおよび40ｃと、スター型合波器44と、一本の導波路43とを備えた素子である。このように、発光領域の数や合波器の構成は種々のものを採用することができる。なお、発光領域、合波器および導波路の層構成や製造方法は上述の第１の実施形態の素子と同様のものを採用することができる。
【００３２】
なお、上述の各実施形態では導波路発光領域を３個または４個のアレイ状に設けたが、発光領域の数は２つでもよいし、４つ以上であってもよい。また、複数の発光領域は必ずしも互いに平行に配置されている必要もない。
【００３３】
上記実施形態では、合波器としてＹ分岐型の合波器、及びスター型合波器を用いたが、これに限定されるものではなく、MMI（マルチモード干渉）型の合波器、スラブ型、マッハツェンダ型方向性結合器でも構わない。
【００３４】
上記実施形態では、0.9〜1.2μｍ帯の中心波長の出力光を発する発光領域を設けるものとしたが、他の波長帯の発光領域を設けてもよい。例えばGaAs基板を用いる場合、650ｎｍ、800ｎｍあるいは950ｎｍの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。また、上記実施の形態においては、活性層をInGaAs歪量子井戸とGaAs障壁層から構成されるものとしたが、GaAs障壁層に換えてInGaAsP障壁層を用いてもよい。また、活性層を挟んで設けられるクラッド層としてInGaPからなるものとしたが、AlGaAsを用いてもよい。またInP基板を用いる場合、1.3μｍ、1.5μｍあるいは1.6μｍの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。GaN基板を用いるのであれば365ｎｍ、405ｎｍあるいは450ｎｍの中心波長の光を出力する発光領域を設けてもよい。
【００３５】
また、複数の発光領域がそれぞれ異なる中心波長の光を出力するものである必要はなく、少なくとも一つの発光領域から出力される光の中心波長が他の発光領域から出力される光の中心波長と異なるものであれば波長域を広げる効果を得ることができる。また、複数の発光領域の全てが同一の中心波長の光を出力するものであってもよく、この場合でも高出力化の効果は十分に得ることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、各発光領域に量子井戸構造の活性層を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばバルクによる活性層構造、量子細線、量子ドット構造を採用することもできる。
【００３７】
さらに、上記実施形態では、素子の作製方法としてそれぞれ異なる中心波長の光を出力する発光領域を順に選択成長させて作製するものとしたが、他の手法を用いて作製しても良い。例えばマスクの幅を変えた選択成長方法により量子井戸厚を素子毎に変調することにより発光領域毎に中心波長を異ならせる手法を用いてもよい。またレーザアニールを用いた波長トリミングによって、発光領域毎の発光波長を微妙にチューニングしたものでもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、発光領域および合波器を含めた導波路を同時に作製するものとしたが、作製する順番はこれに限定されるものではなく、発光領域の層構造すなわち光源部を先に作製した後で合波器を作製するようにしてもよい。
【００３９】
さらに、上記実施形態では、各発光領域毎に個別に駆動できるように、発光領域の上部電極が個別に形成されているものとしたが、個別に駆動する必要がない場合には発光領域上の電極は連続的に形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態の素子構造を示す斜視図
【図２】図１に示す素子の上面図
【図３】電流−光出力特性のシミュレーションを示す図
【図４】スペクトル特性のシミュレーションを示す図（その１）
【図５】スペクトル特性のシミュレーションを示す図（その２）
【図６Ａ】素子の作製工程を示す斜視図１
【図６Ｂ】素子の作製工程を示す斜視図２
【図６Ｃ】素子の作製工程を示す斜視図３
【図６Ｄ】図６Ｃの素子のVID-VID断面図
【図６Ｅ】素子の作製工程を示す斜視図４
【図６Ｆ】素子の作製工程を示す斜視図５
【図６Ｇ】素子の作製工程を示す斜視図６
【図６Ｈ】素子の作製工程を示す斜視図７
【図７】本発明の第２の実施形態の素子の導波路構造を示す模式図
【図８】従来の斜め光導波路構造を示す素子
【符号の説明】
【００４１】
1 n型GaAs基板
2 n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
3 Al0.06Ga0.94As活性層
4 p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
5 n-GaAsキャップ層
6 SiO2絶縁膜
7 ストライプ領域
8 p型電極
9 n型電極
10、40 スーパールミネッセントダイオード
10ａ〜10ｄ 光源部
11 GaAs基板
12 前方端面（出射端面）
13、43 導波路
14、44 合波器
15 後方端面
16ａ〜16ｄ、40ａ〜40ｃ 導波路型発光領域
22 n-InGaPクラッド層
23 InGaAsP光導波層
24 p-InGaPクラッド層
25 SiO2膜
26ａ〜26ｄ 活性層
27ａ〜27ｄ p-InGaPクラッド層
29 n-AlGaInP電流ブロック層
30 p-InGaP上部クラッド層
31 p-GaAsコンタクト層
32 溝
33 合波部ｐ電極
33ａ〜33ｄ 光源部ｐ電極
34 ｎ電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの基板上に、
複数の導波路型発光領域と、
一端が前記基板に垂直な出射端面まで延びる１本の導波路と、
前記複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、前記導波路に導く合波器とが設けられてな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。
【請求項２】
前記１本の導波路が前記出射端面に垂直な法線方向に対して傾きを有していることを特徴とする請求項１記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項３】
前記複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも１つの出力光の中心波長が他の出力光の中心波長と異なることを特徴とする請求項１または２記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項４】
前記基板がGaAsからなり、
前記複数の導波路型発光領域の各々が、InGaAs歪量子井戸層と、GaAsまたはInGaAsPからなる障壁層とから構成される歪量子井戸活性層を有し、
前記歪量子井戸活性層がInGaPまたはAlGaAsからなるクラッド層で挟まれていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項１】
１つの基板上に、
複数の導波路型発光領域と、
一端が前記基板に垂直な出射端面まで延びる１本の導波路と、
前記複数の導波路型発光領域の各々の出力光を合波し、前記導波路に導く合波器とが設けられてな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。
【請求項２】
前記１本の導波路が前記出射端面に垂直な法線方向に対して傾きを有していることを特徴とする請求項１記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項３】
前記複数の導波路型発光領域の出力光のうち少なくとも１つの出力光の中心波長が他の出力光の中心波長と異なることを特徴とする請求項１または２記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項４】
前記基板がGaAsからなり、
前記複数の導波路型発光領域の各々が、InGaAs歪量子井戸層と、GaAsまたはInGaAsPからなる障壁層とから構成される歪量子井戸活性層を有し、
前記歪量子井戸活性層がInGaPまたはAlGaAsからなるクラッド層で挟まれていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のスーパールミネッセントダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１４９８０８（Ｐ２００７−１４９８０８Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３９８６３（Ｐ２００５−３３９８６３）
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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