(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導増幅により光を増幅し、両端における端面のうちの一方の端面から出射光を出力するスーパールミネッセントダイオードであって、
半導体基板上に形成されている第１の導電型のクラッド層と、
前記第１の導電型のクラッド層の上に形成されている活性層と、
前記活性層の上に形成されている第２の導電型のクラッド層と、
前記光を出射する前記一方の端面と反対側の他方の端面に形成され、反射率が波長依存性をもつ多層膜と、
を有し、前記多層膜によって前記一方の端面から出力する前記出射光のスペクトル形状が制御可能に構成されており、
前記多層膜は、該多層膜の高反射帯域の波長範囲と、前記出射光のスペクトルの波長範囲は少なくとも一部が重複しており、
前記多層膜の高反射帯域の波長範囲は、前記出射光のスペクトルの波長範囲よりも狭い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】
前記活性層を構成する量子井戸の各基底準位のうち最も長波長な基底準位の波長と、前記活性層を構成する量子井戸のうち最も短波長な１次準位の波長とによる波長範囲は、
前記多層膜の高反射帯域の波長範囲よりも広い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。
【請求項３】
前記高反射帯域は、素子の駆動条件での活性層で生じる利得スペクトルの極小値を含んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項４】
前記活性層を構成する量子井戸の各基底準位のうち最も長波長な基底準位の波長は、前記多層膜の高反射率帯域の波長範囲の波長よりも長波長であり、
前記活性層を構成する量子井戸のうち最も短波長な１次準位の波長は、前記多層膜の高反射帯域の波長範囲の波長よりも短波長であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項５】
前記活性層は、単一または複数の同一構造の量子井戸で構成されており、
前記高反射帯域の少なくとも一部は基底準位と一次準位の間に位置していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項６】
前記活性層は複数の量子井戸で構成され、各量子井戸の基底および１次の各準位のうち、最も利得が大きい準位は前記高反射帯域の外に存在し、
かつ、それ以外の準位のうち少なくとも一つの準位が前記高反射帯域内に存在することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項７】
前記反射率の波長依存性は、１０％以上の変化であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項８】
前記高反射帯域を活性層の利得がそのピーク値から外れた低い波長領域に位置させ、前記多層膜を用いない場合よりも、該高反射帯域のスペクトルを増加させることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項９】
前記第１の導電型のクラッド層は、ＧａＡｓ基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項１０】
前記活性層は、非対称量子井戸を有す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。
【請求項１１】
前記スーパールミネッセントダイオードの出射光のスペクトル形状が、単峰性またはガウス関数状であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項１２】
前記一方の端面にＡＲコートが設けられていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオードを備えていることを特徴とするＳＤ−ＯＣＴシステム。
【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、スーパールミネッセントダイオードを備えたＳＤ−ＯＣＴシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体や生体の断層像を取得する方式として、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれる方式が知られている。
ＯＣＴシステムは非破壊、非侵襲であるため、工業製品の検査や、医用分野での診断などで使用されている。
このようなＯＣＴシステムのうち、ＳＤ−ＯＣＴと呼ばれるシステムにおいては、特許文献１に開示されているような広帯域なスペクトル幅をもつ光源から光を出射し、ＯＣＴ光学系で干渉した光のスペクトルを取得する分光器による方式が一般的に用いられる。
そして、ＳＤ−ＯＣＴでは特許文献１にも記載のように、取得するスペクトル幅が大きいほど断層像の分解能が向上する。そのため、ＳＤ−ＯＣＴシステム応用においては、広帯域な光源が求められる。
【０００３】
また、ＯＣＴ光学系では光源の光を光ファイバへ結合させる必要がある。そのため、光源に求められる特性として、そのスペクトルが広帯域であるとともに、光ファイバへ効率よく光結合できることが求められる。
このように、光ファイバへ結合し、広帯域なスペクトルをもつ光源として、スーパールミネッセントダイオード（以下、これをＳＬＤと記す。）と呼ばれる半導体デバイスがある。
ＳＬＤは、通常の半導体レーザと同様に端面から光を出射する構造となっている。
動作原理も半導体レーザと同様に電流注入により活性層内に反転分布を生じさせ、それによる誘導増幅により発光する。
ただし、半導体レーザとは異なり、共振のための１対の反射鏡を持たせない構造としており、共振現象を防いでいる。
そのため、ＳＬＤでは半導体内に形成される導波構造の一往復または端から端までの片方向の光の伝搬のうちに誘導増幅により光を増幅し、端面より光を出力している。
【０００４】
ＳＬＤの活性層としては複数の構造がある。
一つは非特許文献１のような通常の半導体レーザで多用される活性層構造、より具体的には同じ構造の量子井戸を活性層内に複数配置した構造である。
もう一つは発光波長（より厳密には基底準位の発光波長）の異なる複数の量子井戸層を一つの導波路構造内に活性層として組み込んだ、非対称量子井戸または変調量子井戸と呼ばれる構造を取り入れている。
特許文献１においては、広帯域化のために発光波長の異なる２つの量子井戸を活性層として使用したＳＬＤが開示されており、８４ｎｍの波長幅を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８３７３６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ＶＯＬ．３２、Ｎｏ７  ｐｐ２５５、１９９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、応用するシステムの要求仕様によっては、波長帯域だけではなくスペクトル形状についても要求される場合がある。
例えば、ＳＤ−ＯＣＴシステムでは、広帯域化とともに、光源のスペクトル形状も最終的な断層像の品質に影響を与える。
ここで求められるスペクトル形状の一例を挙げると、取得したスペクトルをフーリエ変換により断層像にする関係により、光源のスペクトル形状は単峰性、理想的にはガウス関数状のスペクトル形状が望ましい。
これにより、フーリエ変換した際にＳＮが悪化したり、本来ない偽信号が生成されることを抑えられるため、断層像の高品質化が可能となる。
このように、ＯＣＴシステムでは光源のスペクトル形状に最適スペクトル形状というものが存在し、光源であるＳＬＤとしては、その要求を満足できることが望まれる。
【０００８】
一方、現実に使用されている光源であるＳＬＤでは、特許文献１にも示されている様にＯＣＴ応用を満足する数十ｎｍの波長帯域が実現できているが、そのスペクトル形状はシステムの要求仕様にしたがって任意に制御できないという課題がある。
このスペクトル形状が任意に制御できないという課題に関連して、スペクトル形状が決まるメカニズムについてもう少し詳細に説明する。
非特許文献１の様な単一または同じ構造の量子井戸を複数導入した構造では、量子井戸からの発光スペクトルは、ＳＬＤが誘導増幅で光を発生させているため、量子井戸で生じる誘導増幅の波長依存性（以下、利得スペクトルと呼ぶ）により決まる。
そして、この利得スペクトルは量子井戸内のキャリアのエネルギー分布、いわゆるフェルミーディラック分布と、量子井戸の状態密度、具体的には矩形の状態密度の形状の掛け算で決まる。
これら２つは量子力学と材料の物性により決まっているため、人工的に自由に形状を制御することは不可能である。
そのため、実施例１の計算例で示すように、注入レベルを上げることによりスペクトルの広帯域化はできても、ＯＣＴ応用で理想とする単峰性の形状などへ自由にその形状を制御することはできない。
【０００９】
また、活性層として、特許文献１にもあるように、基底準位の発光波長が異なる非対称量子井戸構造とした場合、ある程度はスペクトル形状を制御することも可能である。
例えば、長波長で発光する量子井戸の数を短波長の量子井戸の数より多くすることで長波長の発光強度を上げることは可能である。
しかしながら、非対称量子井戸構造を導入してもあくまでも一つ一つの量子井戸の利得スペクトルは上述したように人工的に自由に制御できるものではなく決まった形状をしている。そのため、非対称量子井戸構造を導入し利得スペクトルを制御しようとしても、制御できる範囲はそれらの重ね合わせでしかなく、応用先の要求、たとえばＯＣＴ応用での単峰性のスペクトル形状などへ自由に形状を制御することは困難である。
【００１０】
さらに、光出力を上げるために駆動電流を増加させていくと、キャリアがより高次の準位に多く存在するようになるため、あるレベルから１次準位からの発光に起因する短波側の発光が強くなるという現象が生じる。
その結果、中心にピークを持つ単峰性のスペクトル形状の実現は難しくなる。そのため、光出力からの要請でこのレベルの注入を行うことが必要な場合、利得スペクトルは同時に決まってしまい、利得スペクトルのみを制御することができなくなる。
これも、量子井戸の利得スペクトルが量子力学と材料物性に支配されていることが原因であり、利得スペクトル形状を制御するためのパラメータの数が少ないことが課題の解決を困難にしている。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、スペクトル形状が、量子力学や材料物性などとは関係なく、自由に制御することが可能となるスーパールミネッセントダイオード、スーパールミネッセントダイオードを備えたＳＤ−ＯＣＴシステムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、誘導増幅により光を増幅し、両端における端面のうちの一方の端面から出射光を出力するスーパールミネッセントダイオードであって、
半導体基板上に形成されている第１の導電型のクラッド層と、
前記第１の導電型のクラッド層の上に形成されている活性層と、
前記活性層の上に形成されている第２の導電型のクラッド層と、
前記光を出射する前記一方の端面と反対側の他方の端面に形成され、反射率が波長依存性をもつ多層膜と、
を有し、前記多層膜によって前記一方の端面から出力する前記出射光のスペクトル形状が制御可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明のＳＤ−ＯＣＴシステムは、上記したスーパールミネッセントダイオードを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、スペクトル形状が、量子力学や材料物性などとは関係なく、自由に制御することが可能となるスーパールミネッセントダイオード、スーパールミネッセントダイオードを備えたＳＤ−ＯＣＴシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１におけるＳＬＤの半導体層構造を説明する図。
【図２】本発明の実施形態における２つの形態の出射光と損失エネルギーの比較について説明する図。
【図３】本発明の実施例１における量子井戸の利得スペクトルのキャリア密度依存性について説明する図。
【図４】本発明の実施例１におけるＳＬＤでの出射光のスペクトルについて説明する図。
【図５】本発明の実施例２におけるＳＬＤ素子構造を説明する図。
【図６】本発明の実施例２におけるＳＬＤの出射光のスペクトル形状について説明する図。
【図７】本発明の実施例３におけるＳＬＤからのスペクトル形状、反射率、利得スペクトルについて説明する図。
【図８】本発明の実施例１におけるＳＬＤを用いたＳＤ−ＯＣＴシステムについて説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ところで、ＳＬＤでは両端における端面のうち、通常の応用では一方の端面から出射される光を光ファイバへ取り込んで利用する。
例えば、ＳＤ−ＯＣＴシステムの場合には、一方の端面から出射される光を光ファイバへ取り込み、干渉系および測定対象物へ導入するようにして利用している。以下では、このようにシステム等へ取り込んで利用する光を出射する端面を前端面、それと反対側の他方の端面を後端面と呼ぶ。
スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）は活性層での誘導増幅により光が増幅され、これが出射される光の大部分を占める。
そして、この誘導増幅は距離に対して指数関数的に増加する。
そのため、ＳＬＤはその素子長を変えると、誘導増幅の増幅率が同じ場合、光出力は素子長とともに急激に増加する。
【００１６】
ここで、後端面で反射率が変化した場合を考える。
前端面の反射率が０で後端面の反射率も０の場合、そのＳＬＤで光が出射されるまでに誘導増幅される距離は最大で素子長（光伝搬方向の長さ）と同一となる。一方、前端面の反射率は０で後端面の反射率が１００％の場合、そのＳＬＤで光が出射されるまでに誘導増幅される距離は最大で素子長の２倍となる。
これは、前端面付近で自然放出により発光した光が後端面方向に向かって誘導増幅しながら伝搬し、後端面で反射された後、前端面に向かって誘導増幅しながら伝搬したのちに前端面から出射される場合である。後端面がこの中間の反射率である場合、これらの中間の現象が起きる。
そして、上記のようにＳＬＤでは伝搬距離に対して指数関数的に増幅されるため、後端面の反射率を０から１００％まで変化させたときの前端面での光出力は２倍ではなく、それ以上に大きな増減となる。
このようなことから、本発明者は後端面の反射率を制御することにより、前端面の光出力を大きく増減させることができることに着眼した。
【００１７】
そしてさらに、本発明者は後端面で波長によって反射率が変わる場合を思考実験した。すると、上記のメカニズムにより、後端面の反射率に波長依存性を持たせることによって、波長ごとの増幅率を素子全体で見ると実効的に制御できることが見出された。
つまり、上記思考実験のように、ＳＬＤ全体で見たときの増幅率は、前端面から後端面までの光伝搬時の利得スペクトルにより決まる増幅率、後端面での反射率および後端面から前端面まで伝搬時の増幅率の掛け算である。
したがって、後端面の波長分布を制御することにより、ＳＬＤ全体での光増幅率の波長依存性は後端面の反射率スペクトル形状を制御することで制御できるということを見出した。
これにより、本発明者は量子井戸の物性と材料パラメータで決まっていたＳＬＤの増幅特性に対し、後端面の反射率という半導体材料の外からくわえられる構成でそれを制御可能にするという、新たなかつ人工的に制御できる手法を見出した。
以上で説明したように、ＯＣＴ応用では単峰性のスペクトルが望ましい。そのため、活性層が持っている本来の利得分布により決まるＳＬＤのスペクトルと、ＯＣＴシステムなどのシステムが理想とするスペクトル形状を比較し、その差分を後端面の反射率分布で補正し、より理想的なスペクトル形状に近づけることが可能となる。
【００１８】
本発明では、スペクトル形状を制御できるだけでなく、スペクトル形状制御を行った際のエネルギー損失が小さいという利点も有する。
これを説明するため、後端面の反射率を変化させる構成と前端面から出射された光を波長フィルタを通して波長選択を行う構成での、スペクトル形状を制御する際に生じる損失エネルギーの比較を行う。
本発明の実施形態における後端面の反射率を変化させた際の前端面と後端面での光出力変化の計算例を図２（ａ）に示す。
そして、前端面から出射された光を波長フィルタを通して波長選択を行う構成、例えば、従来例である特許文献２（特開６２−２６７６号公報）でのフィルタでの光の吸収率とファイバへ出力される光量の関係を図２（ｂ）示す。
図２では前端面で出力される光出力とともに、後端面からの出射（本発明の構成）や波長フィルタでの吸収（特許文献２の構成）により損失となってしまう光量も示している。
図２（ａ）に示すように、本発明の構成で後端面の反射率を変化させる構成の場合には、反射率を０から１００％まで変化させた場合に、後端面からの損失と比較して、前端面から出射される光量の変化分が大きいことが分かる。
一方、図２（ｂ）の場合、フィルタを透過しない光はすべて損失となるため、光出力を抑制した分はすべて損失となる。
【００１９】
そして、スペクトル形状を制御した際に、デバイスに投入された全エネルギーと出力される光のエネルギーの割合を考える。
本実施形態の構成の場合、後端面の反射率を波長ごとに変化させる構成であり、図２（ａ）に示すように、ある波長での光量を抑制した場合でも、後端面から損失として出ていく光量は少ない。
つまり、デバイス全体でみると、その波長においては光の増幅率が小さくなっており、反射率が高い波長においては、デバイス全体から見ると増幅率が高いと見ることができる。
そして、同じ活性層内でこの現象が起きるため、投入されたエネルギーは増幅率が高い波長の光に多く変換され、効率よくスペクトル形状を変化させることができる。
一方、特許文献２に示すようにデバイスから出力した光に波長フィルタを通してスペクトル形状を制御する場合、図２（ｂ）に示すように、スペクトル制御のためにフィルタで吸収される光はすべて損失となってしまう。
そのため、デバイスに投入された光のうち、損失となってしまう光が多く、ファイバへ出力される光量は減少してしまうこととなる。
これらのことから、スペクトル形状制御をすることによる電気から光への変換効率は、特許文献２のような構成と比較し、本発明の構成でスペクトル形状制御を実施した場合の方が高いという利点がある。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として本発明を適用したＳＬＤの構成例について、図１を用いて説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施例におけるＳＬＤの縦方向の層構成は、半導体基板上に各層が次のように積層して構成されている。
すなわち、ＧａＡｓ基板５０１の上部に、Ａｌ0.5Ｇａ０0.5Ａｓで構成されるｎ−クラッド層（第１の導電型のクラッド層）５０２が配置されている。
ｎ−クラッド層５０２の上には１つのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸（図示せず）を含む活性層５０３が位置している。
活性層５０３は１つの量子井戸層で構成されており、基底準位からの発光波長は１０５０ｎｍである。
活性層５０３の上にはｐ型Ａｌ0.5ＧａＡｓ層で構成されるｐ−クラッド層（第２の導電型のクラッド層）５０４が配置されている。
ｐ−クラッド層５０４の上には厚さ１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓで構成されるコンタクト層５０７が位置している。
コンタクト層５０７の上部にはコンタクト層５０７と電気的接触が確保されている上部電極５１０がある。
そして、基板５０１の下には基板５０１と電気的接触が確保されている基板裏面の下部電極５１１がある。
【００２１】
本実施例におけるＳＬＤの素子形状は、図１（ｂ）に示すように、
ｐ−クラッド層５０４およびコンタクト層５０７はｐ−クラッド層の途中まで部分的に除去され、残った部分は幅が４μｍのリッジ形状５２０となっている。
そして、素子長は０．３ｍｍであり、リッジ上部には上部電極５１０が形成されている。
リッジ端面はＧａＡｓ結晶の劈開面であり、リッジ構造で決まる光の導波方向とＧａＡｓ劈開面両は垂直になっている。
そして、前端面には反射率を低くするための、いわゆるＡＲコートが施されており、後端面には反射率スペクトルを制御するための多層膜５２１が付加されている。
多層膜５２１は屈折率が１．５と１．６の２種類のＳｉＯｘＮｙが中心波長９６５ｎｍのＤＢＲとして２０ペア積層されて形成されている。
この多層膜５２１で実現される反射率スペクトルを図１（ｃ）に示す。
【００２２】
図３に、本実施例の活性層の利得スペクトルをそのキャリア密度依存性とともに示す。
これより、キャリア密度が低い状態では基底準位の１０５０ｎｍ付近の長波長側からの発光が見られるが、キャリア密度の増加とともに９３０ｎｍ付近の１次準位からの発光が増大する。
そして、キャリア密度が６〜８×１０18ｃｍ-3付近で、これら２つの発光が同程度となる。
本実施例では、このＳＬＤの駆動条件であるキャリア密度６×１０18ｃｍ-3で駆動した場合において、ＳＬＤが出力するスペクトルがシステムが理想とする単峰性に近づくように、後端面の多層膜５２１が設計し装荷されている。
なお、具体的な設計指針については以下で説明する。
【００２３】
このような素子構造のＳＬＤにおいて、後端面の反射率が波長依存性を持たないような構成の反射鏡の場合と、本実施例の多層膜５２１により実現される反射率スペクトルを持っている場合での前端面から出射される光のスペクトル形状の計算結果を図４に示す。
図４（ａ）は後端面の反射率は波長によらず０．３である。一方、図４（ｂ）は先ほど述べた多層膜５２１を装荷した場合である。
図４（ａ）ではキャリア密度が比較的低い場合には基底準位からの発光のみであるが、キャリア密度が上がると１次準位からの発光が見られるようになる。
これにより発光波長の帯域は広がるが、中央部に大きなディップがあり、キャリア密度を増減させてもこのディップを埋めることはできないことがわかる。
このようなディップは先に述べたキャリアの分布と量子井戸の状態密度の掛け算で決まっているため、本実施例の量子井戸固有の現象ではなく量子井戸構造に共通した現象である。
そのため、量子井戸幅や材料等の構成を変えても解消できるものではない。
【００２４】
一方、図４（ｂ）に示すように、多層膜５２１を装荷した場合には、キャリア密度が低い状態では大きな差は無い。
しかし、９３０ｎｍ付近の１次準位からの発光が増大するキャリア密度６ｘ１０18ｃｍ-3で駆動した場合において、ＳＬＤのスペクトル形状がより単峰性に近づいており、ＯＣＴ応用において要求されているスペクトル形状に近づいていることが分かる。
そして、キャリア密度８ｘ１０18ｃｍ-3で駆動した場合では短波長側の発光が強くなり単峰性ではなくなっているが、中央付近のディップが埋まっており、多層膜５２１によりスペクトル形状制御の影響が見られる。
ここで、ＳＬＤの発光スペクトル形状制御に使用した多層膜５２１の設計指針は２つある。
そのうちの一つは、基底準位と一次準位の間の利得がその周囲より低い波長、より具体的には、量子井戸固有の利得スペクトル形状のディップ、つまり極小値の波長に後端面の反射率が高い高反射帯域を配置することである。
本実施例の場合、図３から明らかなように、９６０ｎｍ付近に極小値があることが分かる。それに対応して、図４（ａ）の場合にはＳＬＤのスペクトルにもディップが生じている。
ここで、高反射帯域とは、反射率の最大値と、反射率が最大となる波長から見て短波長側および長波長側にそれぞれ隣接する反射率の極小値の中間の反射率となる２つの波長（反射率が最大となる波長から短波長側および長波長側にそれぞれ点在する）の間の波長帯域を指す。
例えば、図１（ｃ）では、高反射帯域は９３０ｎｍから１０１０ｎｍである。
【００２５】
そして、もう一つの条件としては、利得スペクトルが正の範囲、つまり吸収ではなく増幅が生じる範囲において、後端面の反射率が１０％を超える変動があることである。
反射率の変動が無い場合、すべての波長において増幅してしまうため、前端面でのスペクトル形状を制御することはできない。
また、前端面のＡＲコートはレーザ発振を抑制するため、５％以下であることが望ましい。ＳＬＤスペクトルのリップルを減らす場合には、さらに低い値が必要である。
ＳＬＤ発光スペクトルのディップの位置は駆動条件により変化するため、一意には決まらない。
しかし、本実施例の様な単一または同一構造を持つ複数の量子井戸を有するＳＬＤでは、熱飽和などの制限より、基底準位と１次の準位に反転分布が生じ、この間にディップが生じることが多い。
そのため、この波長帯に後端面の反射率の最大値を持ってくることは有用である。この様にすることで、ＳＬＤが出力するスペクトルを平坦化、そして単峰性にすることができる。
本実施例でも基底準位と１次準位の間に後端面の反射率の最大値が位置している。
【００２６】
本実施例における素子作製手順を以下に示す。
まず、ＧａＡｓ基板５０１上に半導体層構成を有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法により、ｎ−クラッド層５０２、活性層５０３、ｐ−クラッド層５０４、コンタクト層５０７を成長させる。
そのウエハにスパッタ法を用いて誘電体膜を形成する。その後、半導体リソグラフィー法を用いてフォトレジストでリッジ形成のためのストライプ形成マスクを形成する。
ドライエッチング法を用いて、ストライプ形成マスク以外の部分の半導体を選択的に除去し、高さが０．５μｍのリッジ形状を作成する。
その後ＳｉＯ2を半導体表面に形成し、フォトリソグラフィー法によって、リッジ上部のＳｉＯ2を部分的に除去する。
次に、真空蒸着法およびリソグラフィー法を用いてｐ側およびｎ側電極５１０、５１１を形成する。良好な電気特性を得るため、高温窒素雰囲気中で電極と半導体を合金化する。
【００２７】
最後に、劈開により端面に結晶面を出し、反射率を調整するための誘電体膜を両端面にコーティングする。
前端面には一般的なＡＲコート、後端面には反射率スペクトルを制御するための１．５と１．６の２種類のＳｉＯｘＮｙが中心波長９６５ｎｍのＤＢＲとして２０ペア積層で構成された多層膜５２１が形成されている。
これらの誘電体膜を前後の劈開面に施し、デバイスが完成する。
【００２８】
このようにして作成したスーパールミネッセントダイオードであるＳＬＤを光源に備えたＳＤ−ＯＣＴシステムを図８に示す。
このシステムは光源部６００、ファイバ同士を光結合する光結合部６２０、参照光反射部６３０、測定対象物６５０へ光を照射するための照射光学系６４０、分光器６６０およびスペクトル情報を画像に変換する画像変換部６７０より構成されている。
光源部６００は駆動回路６０１と図１に示すＳＬＤ６０２、光ファイバへ光を結合するレンズ６０３より構成されており、ＳＬＤ６０２から出射された光は６０３を通して光ファイバへ入射する。
光結合部６２０により分波された光の一部は参照光反射部６３０へ入る。参照光反射部６３０はコリメータレンズ６３１および６３２、反射鏡６３３で構成されており、反射鏡６３３で反射し再度光ファイバへ入射する。
光ファイバから光結合部６２０で分波されたもう片方の光は、照射光学系６４０へ入る。照射光学系６４０はコリメータレンズ６４１および６４２、光路を９０°曲げるための反射鏡６４３で構成されている。
照射光学系６４０は入射した光を測定対象物６５０へ入射するとともに、反射光を再び光ファイバへ結合する役割がある。
【００２９】
そして、参照光学系６３０および照射光学系６４０から戻ってきた光は光結合部６２０を通り、分光器６６０へ入る。分光器６６０はコリメータレンズ６６１および６６２、分光するためのグレーティング６６３およびグレーティング６６３により分光された光のスペクトル情報を得るためのラインセンサ６６４で構成されている。
分光器６６０はそれに入射した光のスペクトル情報を得る構成となっている。
分光器６６０で得た情報は、６５０の断層画像へ変換するための画像変換部６７０で画像へ変換され、最終的な出力である断層画像情報が得られる。
【００３０】
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態のＳＬＤの構成例について、図５を用いて説明する。
本実施例においては、半導体層構成は量子井戸層として、非対称量子井戸を用いている点を除いて実施例１と同一である。
そのため、実施例１との差分、およびそれによるＳＬＤの発光スペクトルへの影響の差分のみを説明する。
なお、同一の部材には同一の符号を付している。
本実施例では基底準位の発光波長が異なる２つの量子井戸（図示せず）を用いている。
それぞれの量子井戸の発光波長は１０５０ｎｍと９３０ｎｍである。そして、１０５０ｎｍの量子井戸にキャリア密度５×１０18ｃｍ-3が蓄積されるような注入電流値において９３０ｎｍの量子井戸に３×１０18ｃｍ-3が蓄積されるような構造となっている。本実施例ではこの状態が素子の駆動条件である。
また、後端面の多層膜５２１０は中心波長が９９０ｎｍとなっている。各層の屈折率や積層ペア数は実施例１と同一である。素子長は実施例１とは異なり０．５ｍｍである。
非対称量子井戸において短波長側の量子井戸のキャリアを長波長側の量子井戸と比較して小さくする制御は、量子井戸幅を狭くすることで、基底準位の上昇とバリア層から井戸層への遷移レートが下がるという現象を利用して実現している。
【００３１】
本素子の駆動条件において、後端面の反射率が波長依存性を持たないような構成の反射鏡の場合と、本実施例の多層膜５２１０により実現される反射率スペクトルを持っている場合での前端面から出射される光のスペクトル形状の計算結果を図６に示す。
図６（ａ）は後端面の反射率が波長によらず０．３の場合、（ｂ）は中心波長が９９０ｎｍとなっている多層膜５２１０を用いた場合である
図６（ａ）および図６（ｂ）を比較すると、図６（ｂ）の方がより単峰性になっていることがわかる。
このように、非対称量子井戸を導入したＳＬＤにおいても、後端面の反射率スペクトルを制御することでＳＬＤの出射する光のスペクトル形状を制御することができ、各応用が要求するスペクトル形状へと近づけることができる。
本実施例では２つの量子井戸の０次準位の中間の９９０ｎｍ付近の発光を後端面の反射率をあげることにより増強し、応用先が要求するスペクトル、本実施例ではＯＣＴ応用に求められる単峰性のスペクトル形状に近づけている。
【００３２】
本実施例のような非対称量子井戸を用いた場合でも、それぞれの量子井戸の準位の付近の発光は強くなるが、それらの準位の間の発光を選択的に強くすることはできない。
これは、上述のように各量子井戸の利得スペクトル形状が決まっており、その重ねあわせでＳＬＤのスペクトル形状がきまるためである。
なお、本実施例では非対称量子井戸を用いているため、それぞれの量子井戸の０次準位からの発光のみで広い波長帯域をカバーできている。そのため、駆動条件のキャリア密度は実施例１と比較して低レベルであり、これは素子の寿命や信頼性を大きくすることにつながる。
本実施例では２つの基底準位の間に反射率の最大値が位置しているが、３つ以上の異なる波長を持つ基底準位の量子井戸を導入している場合、最も短い波長の基底準位と、最も長い波長の基底準位の間の波長領域に、後端面の反射率の最大値を設けることが望ましい。
これは、この間の波長帯に主に反転分布が形成されるため、この間に反射率の最大値を位置させることで、反転分布の生じている波長帯内に反射率の波長依存性を設けることができ、ＳＬＤの出射光のスペクトル制御が効果的に行われるためである。
【００３３】
［実施例３］
実施例３として、上記各実施例と異なる形態のＳＬＤの構成例について説明する。
本実施例においては、半導体層構成は量子井戸層として、非対称量子井戸を用いている点を除いて実施例１と同一である。そのため、実施例１との差分、およびそれによるＳＬＤの発光スペクトルへの影響の差分のみを説明する。
本実施例では３つの基底準位の発光波長が異なる量子井戸を用いている。それぞれの量子井戸の発光波長は１０５０ｎｍ、９９０ｎｍと９３０ｎｍである。
そして、１０５０ｎｍの量子井戸にキャリア密度５×１０18ｃｍ-3が蓄積されるような注入電流値において９９０ｎｍおよび９３０ｎｍの量子井戸に３×１０18ｃｍ-3が蓄積されるような構造となっている。本実施例ではこの状態が素子の駆動条件である。
また、後端面の多層膜は中心波長が１０３０ｎｍとなっており、この点が実施例１および２と大きく異なる。
実施例１および実施例２では２つの発光強度のピーク値が存在し、それらの中間に後端面の反射率の極大値を配置した。
【００３４】
一方、本実施例ではＳＬＤの発光強度の中央付近ではなく、より長波長側、具体的には、最も長波長な量子井戸の基底準位の近くに後端面の反射率の極大値を位置させている。
後端面の反射率分布（図７（ａ））および駆動条件で後端面の反射率が一定の場合（図７（ｂ））、本実施例の多層膜を装荷し、反射率制御を行った場合（図７（ｃ））のＳＬＤスペクトルの計算結果を示す。また、図７（ｄ）に駆動条件での利得スペクトルを示す。
図７（ａ）のように後端面の反射率を設計する理由は、図７（ｂ）に示した本実施例で、後端面の反射率制御を行わない場合の駆動条件におけるＳＬＤの発光スペクトルを見ると理解できる。
本実施例では、最も長波長の１０５０ｎｍの量子井戸にもっとも大きなキャリア密度を実現しているにもかかわらず、量子井戸のピークと比較して低い。
これは、図３からも分かるように、量子井戸の利得は基底準位付近のピークに対して対称ではなく、短波長側のほうが伸びが大きいことが原因である。
これも上述のようにキャリア密度分布と状態密度の形状が原因である。
そして、このような非対称性が存在するため、非対称量子井戸構造でそれぞれの量子井戸の利得スペクトルを重ね合わせた場合、図７（ｄ）の様に短波長側の光強度がより大きくなってしまう。
【００３５】
本実施例ではこれを解消するため、長波長側により多くのキャリアを入れているが、完全に対称にはできていない。本実施例の駆動条件より多くのキャリアを長波長側の量子井戸にいれたとしても、この状況は解消できないどころかより悪化する。
それは、図１（ａ）で示したように、量子井戸構造では、あるキャリア密度（図３では６×１０18ｃｍ-3）を超えると一次準位からの発光がより強くなってしまうためであり、駆動条件の工夫のみでは、スペクトル形状をより単峰性に近づけることはできない。
そこで、本実施例では最も長波長な量子井戸の基底準位の近くの１０３０ｎｍ付近に反射率のピークを持たせ、ＳＬＤのスペクトル形状を制御している。
この結果、反射率制御を行うことでＳＬＤスペクトル形状がより単峰性に近づき、かつ波長帯域も広がっていることが図７（ｃ）よりわかる。
本実施例の駆動条件では、図７（ｄ）に示すように、利得スペクトルの極小値が９６０ｎｍおよび１０１０ｎｍ付近にあることが分かる。そして、後端面の高反射帯域内に１０１０ｎｍ付近の極小値が含まれていることが分かる。
【００３６】
上記した実施例１から実施例３での説明から理解できるように、ＳＬＤの駆動条件において、量子井戸の利得スペクトルから得られるＳＬＤのスペクトル形状と応用先からのスペクトル形状の差分が大きいところの波長を中心に反射率を高くする。これにより、その差分を埋め、応用先が要求するスペクトルに近づけることができる。
同様に、上記した実施例１から実施例３での説明から理解できるように、スペクトル形状を制御するためには、駆動条件においてＳＬＤの活性層の利得スペクトルが正の範囲、
言い換えるとバンド間吸収ではなく誘導放出が起きている波長範囲で後端面の反射率が変化している必要がある。
これは、誘導放出が起きている範囲がＳＬＤの出射光のスペクトル範囲であり、スペクトル形状を変化させるためには、この範囲において後端面の反射率を変化させる必要があるためである。
【００３７】
後端面の反射率の変化量は、好ましくは、１０％以上の変化があると良い。これは、図２（ａ）より、後端面の反射率が最大値から１０％変化するとＳＬＤの光出力は約１０％程度変化するためである。
そして、駆動条件はスペクトル形状のほかに光出力や設計素子寿命からの制限もあるため、それらすべてを満足するように決定される。
そのため、素子設計によっては、実施例１から３に示されるように、条件により最適な反射率スペクトル形状は異なる。
しかし、上述のように活性層の利得スペクトルから得られるＳＬＤスペクトル形状と応用先からのスペクトル形状の差分が大きいところの波長を中心に反射率を高くすることでその差分を埋めるという思想は同一である。
【００３８】
活性層が量子井戸構造である場合には、上記、誘導放出が発生する波長範囲は、活性層を構成する量子井戸の各基底準位のうち最も長波長な準位の波長と、各量子井戸の１次準位のうち、最も短波な準位の波長の間と言い換えることができる。
これは、図３より分かるように、量子井戸構造においては、１次準位までであればキャリアを蓄積し、反転分布を起こさせることが現実的なキャリア密度で可能であるためである。
一方、２次以上の準位は存在したとしても、その波長で反転分布を生じさせ、誘導増幅を生じさせることは現実的ではない。
そのため、量子井戸構造の活性層の場合、上記の波長範囲、具体的には、最も短波長な１次準位の波長と最も長波長な基底準位の波長の間に後端面の反射率が高い高反射率帯域の一部が存在すればＳＬＤのスペクトルを変化させることができる。
好ましくはこの範囲において、最大値から１０％以上の反射率変化があればＳＬＤの出射スペクトルを効果的に変化させることができる。
【００３９】
また、上記した実施例１から実施例３では、ＧａＡｓ基板上でＳＬＤを形成しているが、本発明の効果はＩｎＰ基板上やＧａＮ基板上に形成する他の材料系を用いたＳＬＤにおいても同様に効果を奏する。
そのため、本発明はＧａＡｓ基板上に形成されたＳＬＤに限定されるものではなく、また活性層の発光波長帯についても１０５０ｎｍに限定されるものではない。
また、活性層構造は、上記した実施例１から実施例３では量子井戸構造であるが、これに限定されるものではない。
バルクや量子細線、量子ドットなど量子井戸以外の閉じ込め構造であっても良い。
この場合、後端面の反射率スペクトルの最大値は、ＳＬＤ駆動条件において活性層に利得スペクトルが生じている波長範囲にあることが必要である。
【符号の説明】
【００４０】
５０１：ＧａＡｓ基板
５０２：ｎ−クラッド層
５０３：活性層
５０４：ｐ−クラッド層
５０７：コンタクト層
５１０：上部電極
５１１：下部電極
５２１：多層膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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