(57)【要約】【課題】複数の波長帯の光を発光可能であり、特に、複数の異なる波長帯の光を各々複数の縦モードで発振可能で、高出力且つ高歩留まりで製造可能な半導体発光素子、およびそれを用いた光パルス試験器を提供する。【解決手段】第１の光出射端面に開口し第１の利得波長を有する第１のＭＱＷ活性層と第２の光出射端面に開口し第２の利得波長を有する第２のＭＱＷ活性層とそれらを光学的に結合させる結合導波路層とが光の導波方向に結合され、結合導波路層の上方の電極と下部電極とが短絡され、第１の利得波長は第２の利得波長より長く、結合導波路層近傍に第２の利得波長に相当するブラッグ波長を有する回折格子が形成され、第１のＭＱＷ活性層で生成された光が第１の光出射端面と第２の光出射端面とでなる共振器で発振し、第２のＭＱＷ活性層で生成された光が回折格子と第２の光出射端面とでなる共振器で発振し、ともに第２の光出射端面から出射される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、
劈開によって形成された第１の光出射端面と第２の光出射端面とを有し、前記第１の光出射端面に開口し第１の利得波長を有する第１の多重量子井戸型活性層と前記第２の光出射端面に開口し第２の利得波長を有する第２の多重量子井戸型活性層とそれらを光学的に結合させる結合導波路層とが光の導波方向に結合され、前記第１の多重量子井戸型活性層の上方に第１の電極を、前記第２の多重量子井戸型活性層の上方に第２の電極を、前記結合導波路層の上方に第３の電極を、前記半導体基板の底面に前記第３の電極と短絡される第４の電極を備えている半導体発光素子であって、
前記第１の利得波長は前記第２の利得波長より長く、
前記結合導波路層近傍に、前記第２の利得波長に相当するブラッグ波長を有する回折格子が形成され、
前記第１の電極と前記第４の電極との通電によって前記第１の多重量子井戸型活性層で生成された光が、前記第１の光出射端面と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、前記第２の電極と前記第４の電極との通電によって前記第２の多重量子井戸型活性層で生成された光が、前記回折格子と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、ともに前記第２の光出射端面から出射されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記結合導波路層は、前記第２の利得波長と同じかまたはより短い組成波長を有するバルク型構造であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子と、該半導体発光素子の前記第１の電極または前記第２の電極のいずれか一方と前記第４の電極との間に光パルスを発するためのパルス状の駆動電流を印加する発光素子駆動回路とを含み、該半導体発光素子の前記第２の光出射端面から出射された前記光パルスを被測定光ファイバに出力する発光部と、
前記被測定光ファイバからの前記光パルスの戻り光を電気信号に変換する受光部と、
前記受光部によって変換された電気信号に基づいて前記被測定光ファイバの損失分布特性を解析する信号処理部と、を備えた光パルス試験器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子およびそれを用いた光パルス試験器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の分野において、複数波長の光を出力するシステムが用いられている。そして、例えば２波長のレーザ光を出力するシステムの場合には、各波長用に製作された２つの半導体レーザを用意し、各半導体レーザからの出力光を合波して出力する構成としていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これに対し本願出願人は、このような複雑な光学系を要さずに構成される２波長レーザ光源として、利得波長の大きく異なる複数の活性層を結合導波層を介して直列につなぎ、かつ結合導波層近傍に回折格子を配置して各波長が独立に発振を実現することで単体のチップから複数波長のレーザ光を出射できる半導体発光素子を提案している（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０９２６６号公報
【特許文献２】特願２０１０−５８６１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示された構成においては、長波側の活性層に電流を注入して発振させた際に、隣接する結合導波路層へ漏れキャリアが流入し、これが自由キャリア吸収を惹き起おこして出力が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、複数の互いに異なる利得波長を有する活性層を結合導波路層を介して直列に接続した半導体発光素子において、長波の活性層で放出及び増幅された光が結合導波路層を通過する際に長波の活性層から漏れてくるキャリアによって吸収され光出力が低下することを抑制するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体発光素子は、半導体基板上に、劈開によって形成された第１の光出射端面と第２の光出射端面とを有し、前記第１の光出射端面に開口し第１の利得波長を有する第１の多重量子井戸型活性層と前記第２の光出射端面に開口し第２の利得波長を有する第２の多重量子井戸型活性層とそれらを光学的に結合させる結合導波路層とが光の導波方向に結合され、前記第１の多重量子井戸型活性層の上方に第１の電極を、前記第２の多重量子井戸型活性層の上方に第２の電極を、前記結合導波路層の上方に第３の電極を、前記半導体基板の底面に前記第３の電極と短絡される第４の電極を備えている半導体発光素子であって、前記第１の利得波長は前記第２の利得波長より長く、前記結合導波路層近傍に、前記第２の利得波長に相当するブラッグ波長を有する回折格子が形成され、前記第１の電極と前記第４の電極との通電によって前記第１の多重量子井戸型活性層で生成された光が、前記第１の光出射端面と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、前記第２の電極と前記第４の電極との通電によって前記第２の多重量子井戸型活性層で生成された光が、前記回折格子と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、ともに前記第２の光出射端面から出射される構成を有している。
【０００８】
この構成により、長波側の活性層へ注入した電流の一部が隣接する結合導波路層へ漏れだし、長波側の活性層が放出する光を吸収して発振出力を低下させることを防ぐことが出来る。
【０００９】
さらに本発明の半導体発光素子は、前記結合導波路層が前記第２の利得波長と同じかまたはより短い組成波長を有するバルク型構造であってもよい。
【００１０】
この構成により、高い製造歩留まりで製造できる。
【００１１】
本発明の光パルス試験器は上記いずれかの半導体発光素子と、該半導体発光素子の前記第１の電極または前記第２の電極のいずれか一方と前記第４の電極との間に光パルスを発するためのパルス状の駆動電流を印加する発光素子駆動回路とを含み、該半導体発光素子の前記第２の光出射端面から出射された前記光パルスを被測定光ファイバに出力する発光部と、前記被測定光ファイバからの前記光パルスの戻り光を電気信号に変換する受光部と、前記受光部によって変換された電気信号に基づいて前記被測定光ファイバの損失分布特性を解析する信号処理部と、を備えている。
【００１２】
この構成により、複数の波長帯の光を複数の縦モードで高光出力で発振可能な半導体発光素子を備えるため、小型且つ高性能な光パルス試験器を実現できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、複数の波長帯の光を発光可能な半導体発光素子を高光出力で動作させることが出来る半導体発光素子、およびそれを用いた小型且つ高性能な光パルス試験器を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施形態の光パルス試験器の構成を示すブロック図
【図３】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る半導体発光素子およびそれを用いた光パルス試験器の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態を図１に示す。この図は第１の実施形態の半導体発光素子１０を光の伝搬方向に沿って切断した断面図である。
【００１７】
半導体発光素子１０は、図１に示すように、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１１と、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２と、利得波長λ1を有するＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる第１の多重量子井戸型の活性層１３ａを有する第１の利得領域Ｉと、利得波長λ2（＜λ1）を有するＩｎＧａＡｓＰからなる第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂを有する第２の利得領域ＩＩと、λ2よりさらに短い組成波長を有するＩｎＧａＡｓＰからなるバルク型結合導波路層１９を有する結合導波路領域ＩＩＩを備える。
【００１８】
ここで、利得波長とは、後述する複数の縦モードの発振波長のうち所望の縦モードのピーク波長を示すものとする。本実施形態では、利得波長λ1、λ2として光パルス試験器で用いる波長１．５５μｍ、１．３μｍを例にして説明する。なお、利得波長λ1、λ2は、それぞれ１．５２≦λ1≦１．５８、１．２８≦λ2≦１．３４の範囲内の値であってもよい。
【００１９】
あるいは１．２８〜１．３４、１．４７〜１．５０、１．５２〜１．５５、１．６０〜１．６５の各波長範囲からの任意の組み合わせであってもよい（ただしλ1＞λ2として選択する。単位はμｍ、以下同じ）。
【００２０】
またその時の結合導波路層１９の組成波長λjは１．０５≦λj≦１．２７であっても良い。なお組成波長とは、半導体混晶のバンドギャップエネルギーを光の波長で表したもので、混晶組成の表現方法の一つである。
【００２１】
第１の多重量子井戸型の活性層１３ａ、結合導波路層１９および第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂは、光の導波方向に沿って配置され、バットジョイント手法により光学的に結合されている。なお、ここで言う第１の多重量子井戸型の活性層１３ａおよび第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂは、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造とそれを挟む光分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層を含んでいる。
【００２２】
また、第１の多重量子井戸型の活性層１３ａ、結合導波路層１９および第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂの上面にはｐ型ＩｎＰクラッド層１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１５がこの順に積層されている。
【００２３】
また、コンタクト層上には第１の利得領域Ｉ用の第１の上部電極１７ａ、第２の利得領域ＩＩ用の第２の上部電極１７ｂ、結合導波路領域ＩＩＩ用の第３の上部電極１７ｃ、およびｎ型半導体基板１１の下面には下部電極（または第４の電極）１６が蒸着形成されている。
【００２４】
なおこの図１では、各上部電極間の分離抵抗を改善するため、コンタクト層は各上部電極の下方部分を残してエッチングにより除去し、第１の上部電極１７ａの下方に第１のコンタクト層１５ａが、第２の上部電極１７ｂの下方に第２のコンタクト層１５ｂが、第３の上部電極の下方に第３のコンタクト層１５ｃが、それぞれ独立して形成された構成を表している。
【００２５】
さらに、第１の多重量子井戸型の活性層１３ａおよび第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂは、劈開によって形成された第１の光出射端面１０ａおよび第２の光出射端面１０ｂをそれぞれ有する。第１の光出射端面１０ａには高反射（ＨＲ）コート１８ａが、第２の光出射端面１０ｂには低反射（ＬＲ）コート１８ｂがそれぞれ施されており、第２の光出射端面１０ｂから出射される光に対する反射率が、第１の光出射端面１０ａから出射される光に対する反射率より低くなっている。
【００２６】
ここで、ＨＲコート１８ａが施された第１の光出射端面１０ａ側の反射率は９０％以上、ＬＲコート１８ｂが施された第２の光出射端面１０ｂ側の反射率は１〜１０％程度とすることが好ましい。
【００２７】
さらに、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２の結合導波路領域ＩＩＩにおいて、結合導波路層１９近傍に、１．３μｍのブラッグ波長λgおよび１００ｃｍ-1以上の結合係数κを有する回折格子２０が形成されている。
【００２８】
なお、回折格子２０が形成される位置は、図１に示したように結合導波路層１９の下方であってもよく、あるいは結合導波路層１９の上方のｐ型ＩｎＰクラッド層１４内であってもよい（図示せず）。また、第１の利得領域Ｉの第１の光出射端面１０ａ近傍に１．５５μｍのブラッグ波長を有する回折格子が同時に形成されていてもよい。
【００２９】
このような構造を有する半導体発光素子の製造方法については、特許文献２に詳細に述べられている。
【００３０】
さらに、第３の上部電極１７ｃはＡｕワイヤの配線により下部電極１６と電気的に短絡される。なお、両電極を共に接地した構成としてもよい。
【００３１】
次に、以上のように構成された本実施形態の半導体発光素子１０の動作について説明する。
【００３２】
第１の利得領域Ｉ用の第１の上部電極１７ａと下部電極１６との間に電流が印加された場合には、第１の多重量子井戸型の活性層１３ａの内部が発光状態となる。しかし第１の上部電極１７ａと第３の上部電極１７ｃの間の分離抵抗が有限であるため、電流の一部は結合導波路領域ＩＩＩへと漏れてくる。
【００３３】
しかし本発明では結合導波路領域ＩＩＩの第３の上部電極１７ｃが下部電極１６と電気的に短絡しているため、漏れ電流は結合導波路層１９へは流入せず、第３の上部電極１７ｃへと流れる。これにより第１の利得領域Ｉからの漏れ電流が結合導波路領域ＩＩＩおよび第２の利得領域ＩＩを流れることで生じるキャリアによる光吸収が抑制され、第１の利得領域Ｉの発光によるレーザ光出力が向上する。
【００３４】
これにより図３に示すように、特に高電流時における１．５５μｍ光出力の飽和が大きく改善され、高出力動作が実現される。チップ出力が２００ｍＷ以上得られているので、光パルス試験器の代表例である光タイムドメインリフレクトメータ（Optical Time Domain Reflectometer）に用いた場合、ダイナミックレンジとして３５ｄＢ以上の高性能が得られる。
【００３５】
一方、第２の利得領域ＩＩ用の第２の上部電極１７ｂと下部電極１６との間に電流が印加された場合には、第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂの内部が発光状態となる。
【００３６】
第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂで生成された１．３μｍ帯の光は、第２の活性層１３ｂに沿って伝搬する。この１．３μｍの光は、１．３μｍのブラッグ波長λgを有する回折格子２０で９０％以上反射されるため、利得波長が１．５５μｍの第１の多重量子井戸型の活性層１３ａにおける光吸収は抑制されている。
【００３７】
この場合には第２の多重量子井戸型の活性層１３ｂで生成された１．３μm帯の光はほとんど第１の多重量子井戸型の活性層１３ａへ侵入しないため、図３に示すように第３の上部電極１７ｃをショートした効果は前記の場合に比べて小さくなる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子は、結合導波路層領域の上部電極を下部電極にショートすることで光出力の飽和を抑制し高光出力化を実現する。特に長波側の光を発振させる時に大きな効果が得られる。
【００３９】
（第２の実施形態）
複数の異なる波長帯の光を複数の縦モードで発振可能な第１の実施形態の半導体発光素子１０は、光パルス試験器の光源として用いることができる。以下、半導体発光素子１０を備えた光パルス試験器の実施形態について図面を用いて説明する。
【００４０】
図２に示すように、第２の実施形態の光パルス試験器は、半導体発光素子１０および半導体発光素子１０に光パルスを発するためのパルス状の駆動電流を印加する発光素子駆動回路２を有し、半導体発光素子１０の第２の光出射端面１０ｂから出射された光パルスを被測定光ファイバ３に出力する発光部１と、被測定光ファイバ３からの光パルスの戻り光を電気信号に変換する受光部４と、受光部４によって変換された電気信号に基づいて被測定光ファイバ３の損失分布特性を解析する信号処理部５と、を備える。
【００４１】
なお、信号処理部５は、発光素子駆動回路２が半導体発光素子１０に駆動電流を印加するタイミングを制御する。
【００４２】
さらに、本実施形態の光パルス試験器は、発光部１からの光パルスをバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６に出力するとともに、被測定光ファイバ３からの戻り光を受光部４に出力する光カプラ７と、被測定光ファイバ３と光結合する光コネクタ８と、信号処理部５の処理結果を表示する表示部９と、を備える。
【００４３】
次に、以上のように構成された本実施形態の光パルス試験器の動作を説明する。なお、以下の説明においては、本実施形態の光パルス試験器は半導体発光素子１０を備えているものとする。
【００４４】
まず、発光素子駆動回路２によって、半導体発光素子１０の第１の利得領域Ｉ（または第２の利得領域ＩＩ）にパルス状の駆動電流が印加され、第３の上部電極１７ｃは下部電極１６とショートされていることにより、発光部１から１．５５μｍ帯（または１．３μｍ帯）の光パルスが出力される。
【００４５】
そして、発光部１から出力された光パルスが、光カプラ７、ＢＰＦ６、光コネクタ８を経て、被測定光ファイバ３に入射される。被測定光ファイバ３に入射された光パルスは、戻り光となって光カプラ７を介して受光部４に受光される。
【００４６】
戻り光は、受光部４によって電気信号に変換され、信号処理部５に入力される。そして、信号処理部５によって、被測定光ファイバ３の損失分布特性が算出される。算出された損失分布特性は表示部９に表示される。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態の光パルス試験器は、１つの素子で複数の異なる波長帯の光を高光出力で発振可能な半導体発光素子を備えるため、小型化および高性能化を実現できる。
【符号の説明】
【００４８】
１  発光部
２  発光素子駆動回路
３  被測定光ファイバ
４  受光部
５  信号処理部
１０  半導体発光素子
１０ａ  第１の光出射端面
１０ｂ  第２の光出射端面
１３ａ  第１の活性層
１３ｂ  第２の活性層
１９  結合導波路層
２０  回折格子
１７ａ  第１の上部電極（または第１の電極）
１７ｂ  第２の上部電極（または第２の電極）
１７ｃ  第３の上部電極（または第３の電極）
１６  下部電極（または第４の電極）
１８ａ  高反射（ＨＲ）コート
１８ｂ  低反射（ＬＲ）コート
２０  回折格子
【図１】
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【図２】
2012084627.tif 000004
【図３】
2012084627.tif 000005