DE3887840T2 - Superlumineszierende Diode. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Superlumineszenzdiode, die effektiv als Lichtquelle für einen Lichtleitfaserkreisel, eine optische Scheibe (CD) oder dergleichen eingesetzt wird und die kohärentes Licht mit hoher Intensität und kleinem Strahlungswinkel ausstrahlen kann.
• Bei einer Superlumineszenzdiode zum Ableiten eines großen Ausstoßes kohärenten Lichts von einer Endfläche einer aktiven Schicht ist es wichtig, die Laseroszillation bei einer Fabry- Perot-(FP)-Wellenart zu unterdrücken. Um diese Oszillation zu verhindern, wurden Gegenmaßnahmen zur Verringerung des Lichtemissionsfaktors an der Endfläche der aktiven Schicht vorgeschlagen, zum Beispiel eine Endflächen-Antireflexions-(AR)- Lage, die Bildung eines nicht erregenden Bereichs, schräges Anätzen einer Endfläche, Abdecken der Endfläche und dergleichen. Es bereitet jedoch Schwierigkeiten, nur unter Verwendung der AR-Lage die FP-Wellen-Oszillation ausreichend zu unterdrücken. Wenn die FP-Wellen-Oszillation durch schräges Anätzen der Endfläche oder durch Bedecken der Endfläche oder eine kombinierte Maßnahme verhindert wird, wird der Brechungskoeffizient an der Endfläche unerwartet hoch, und das Reflexionsvermögen erreicht etwa 1% im Vergleich mit dem Fall der Spaltung. Besonders wenn die Stärke der aktiven Schicht erhöht wird, macht sich dieser Einfluß bemerkbar, und das Reflexionsvermögen wird ebenfalls erhöht. Die FP-Wellen-Oszillation ist somit ausschließlich unter Anwendung der oben genannten Mittel schwer zu vermeiden.
• Die Fig. 1a bis 1c zeigen eine abgedeckte Superlumineszenzdiode, bei der ein mit einem endflächenabdeckenden Bereich 11 kombinierter Nicht-Erregungsbereich 10 ausgebildet ist. Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Strominjektionsbereich, 10 ist ein Nicht-Erregungsbereich und 11 ist ein endflächenabdeckender Bereich. Bezugszeichen 13 bezeichnet eine auf einer Lichtauslaßfläche gebildete AR-Lage. Da die Breite der aktiven Schicht 3 des Nicht-Erregungsbereichs 10 gleich der des Strominjektionsbereich 9 ist, wird das Licht effektiv geleitet. Somit werden im Nicht-Erregungsbereich 10 Teilchen erregt, und der Absorptionskoeffizient wird dadurch verringert. Um die FP-Wellen-Oszillation zu verhindern, muß deshalb die Länge des Nicht-Erregungsbereichs 10 mehrfach beträchtlich länger sein als die des Strominjektionsbereichs 9, d. h. sie muß verlängert werden.
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine abgedeckte Superlumineszenzdiode, bei der ein Nicht-Erregungsbereich gebildet ist, der den Nachteil der in den Fig. 1a bis 1c gezeigten Diode zum Teil beseitigen kann. Das Merkmal dieser Diode besteht darin, daß die axiale Ausrichtung der gespaltenen Endfläche und die der aktiven Schichten des Strominjektionsbereichs 9 und des Nicht-Erregungsbereichs 10 von der vertikalen Richtung versetzt sind, und beide Endflächen dienen nicht ohne weiteres als Resonator bei der Laseroszillation. Die Unterdrückungswirkung der FP-Wellen-Oszillation wird erhöht, wenn der Versatz der axialen Ausrichtung der aktiven Schicht an beiden Endflächen größer wird und das reflektierte Licht an den Endflächen aus dem Wellenleiters austritt. Da die Lichtaustrittsrichtung nicht senkrecht zur Endfläche ist, ist es jedoch schwierig, einen hohen Kopplungswirkungsgrad im Hinblick auf die Kopplung mit einem Lichtwellenleiter zu erhalten.
• Wenn bei einer herkömmlichen Superlumineszenzdiode mit dem oben genannten Aufbau eine Lichtleitschicht, in der Nähe der aktiven Schicht ausgebildet ist, um die Lichtausbeute zu verbessern, wie dies in den Fig. 1a bis 1c gezeigt ist, so wird der effektive Absorptionskoeffizient des Nichterregungs- Injektionsbereichs verringert, und die FP-Laseroszillation neigt zum Auftreten.
• Darüber hinaus beschreibt der Aufsatz "High-Power Superluminescent Diodes" von G.A. Alphonse und anderen, Optical Fiber Conference, 19. Januar 1987, Reno, Nevada, USA, Seite 21, eine Superlumineszenzdiode, bei der der Winkel zwischen der Endfläche für die Lichtemission und der optischen Achse des eine aktive Schicht darstellenden Wellenleiters in etwa eher 85º als 90º ist. Gleichermaßen beträgt auch der Winkel zwischen der gegenüberliegenden Endfläche und der optischen Achse des Wellenleiters etwa 85º, wobei das an der Endfläche für die Lichtemission und der gegenüberliegenden Endfläche reflektierte Licht nicht mit der optischen Achse des Wellenleiters zusammenfällt, so daß die Laseroszillation unterdrückt wird. Strukturell wird jedoch die Richtung der Lichtemission von der Endfläche nicht 90º davon betragen.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine hochlumineszente Diode zu schaffen, die selbst bei kleiner Länge des Elements die FP-Wellen-Oszillation in ausreichendem Maß unterdrücken und für einen hohen Kopplungswirkungsgrad bei einer Lichtleitfaser sorgen kann.
• Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Meßeinrichtung vorzusehen, die die Positionen von entlang eines Lichtwellenleiters verstreuten Hindernispunkten und die Amplitude gestreuten Lichts genau messen kann.
• Um das Hauptziel zu erreichen, wurde eine Superlumineszenzdiode gemäß Anspruch 1 geschaffen.
• Um das weitere Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, ist eine Wellenleitermeßeinrichtung entsprechend Anspruch 8 vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1a bis 1c zeigen den Aufbau einer herkömmlichen Superlumineszenzdiode, wobei Fig. 1a eine Draufsicht, Fig. 1b eine Schnittansicht längs einer Streifenrichtung und Fig. 1c eine Querschnittsansicht ist;
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine andere herkömmliche Diode;
• Fig. 3 und 4 sind Draufsichten zur Erläuterung des Prinzip der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 5a bis 5c zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin Fig. 5a eine Draufsicht, Fig. 5b eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 5a und Fig. 5c eine Schnittansicht eines lichtemittierenden Teils längs der Linie B-B' in Fig. 5a ist;
• Fig. 6 ist ein Diagramm der Temperaturabhängigkeit vom Lichtaustritt einer Superlumineszenzdiode;
• Fig. 7 ist ein Diagramm eines Spektrums der Superlumineszenzdiode;
• Fig. 8 ist ein Diagramm von mit einer Einzelwellenfaser gekoppeltem Licht;
• Fig. 9a bis 9c zeigen eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin Fig. 9a eine Draufsicht, Fig. 9b eine Schnittansicht einer Lichtleiterschicht und Fig. 9c eine Schnittansicht eines lichtemittierenden Teils darstellt;
• Fig. 10a und 10b zeigen eine noch andere Ausführungsform und 10b der vorliegenden Erfindung, in der Fig. 10a eine Draufsicht und Fig. 10b eine Seitenansicht von Fig. 10a sind;
• Fig. 11a und 11b zeigen noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin Fig. 11a eine Draufsicht und Fig. 11b eine Seitenansicht nach Fig. 11a sind;
• Fig. 12 und 13 sind Draufsichten noch anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 14 ist ein Schaubild einer Hindernispunkt-Sucheinrichtung für Lichtwellenleiter, die eine Superlumineszenzdiode nach der vorliegenden Erfindung als Lichtquelle verwenden; und
• Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, die das Ergebnis der Suche nach Hindernispunkten eines SiO&sub2;-Lichtwellenleiters mit der in Fig. 14 gezeigten Einrichtung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Die vorliegende Erfindung wird jetzt im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 3 ist eine Draufsicht, die den Aufbau und das Grundprinzip einer Superlumineszenzdiode gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Diode hat als Ganzes die Form eines Kastens. Eine aktive Schicht eines Strominjektionsbereichs 9 ist linear und senkrecht zu einer Spaltendfläche oder einer durch Polieren gebildeten Endfläche ausgebildet. Ein Nicht- Erregungsbereich oder Lichtabsorptionsbereich 10 wird durch Wiederholung kleiner, axialer Versatzwinkel R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; . . . , Rn gebildet, so daß fast das gesamte vom Strominjektionsbereich 9 emittierte Licht mit geringem Verlust in einer von einer verlängerten Achse des Strominjektionsbereich unterschiedlichen Richtung geleitet werden kann.
• Bei dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau wird das von dem Strominjektionsteil 9 emittierte und sich zu dem Nicht-Erregungsbereich 10 ausbreitende Licht in Komponenten (1), die aufgrund der Krümmung des Wellenleiters in dem Nicht-Erregungsbereich 10 durchgelassen werden, in Komponenten (2), die zur Endfläche geleitet und dadurch reflektiert werden und in (nicht gezeigte) Komponenten klassifiziert, die während der Weiterleitung absorbiert werden.
• Die Durchlaßmenge der Komponenten (1) wird durch den Krümmungswinkel des Wellenleiters und den Unterschied im Brechungsindex der aktiven Schicht und einer eingebetteten Schicht in der Leiterstruktur bestimmt. Wenn der Krümmungswinkel kleiner und der Unterschied im Brechungsindex größer wird, ist die Durchlaßmenge für die Komponenten (1) klein. Da die durchgelassenen Lichtkomponenten in der eingebetteten Schicht zerstreut und von der Endfläche reflektiert werden, ist die Menge der zu der Strominjektionsschicht 9 zurückgeführten und wieder einer Kopplung unterworfenen Lichtkomponenten klein.
• Wenn die axialen Versatzwinkel R&sub1; bis Rn kleiner sind, kann beinahe das gesamte Licht zum Entweichen geleitet werden.
• Die zur Endfläche geleiteten Lichtkomponenten (2) werden von dieser reflektiert und können in einer Richtung entweichen, bei der die austretenden Lichtkomponenten überhaupt nicht an den Strominjektionsbereich gekoppelt sind.
• In diesem Fall wird bei Gruppe III-V-Elementen, wenn R' > 5 ist, das reflektierte Licht außerhalb des Wellenleiters abgestrahlt.
• Wenn auf einer Lichtextraktionsendfläche ein AR-Film ausgebildet ist, kann der Effekt der Unterdrückung der FP-Wellen- Oszillation erhöht werden.
• Obwohl der Wellenleiter des Nicht-Erregungungsteils oder des Lichtabsorptionsteils Teil eines Polygons ist, kann in Fig. 3 der Wellenleiter selbstverständlich auch Teil eines Kreises, einer Ellipse oder einer Kurve höherer, zum Beispiel zweiter oder dritter Ordnung, sein. Fig. 4 ist eine den Fall zeigende Draufsicht, bei dem der Wellenleiter Teil eines Kreises ist. In Fig. 4 erreicht der Wellenleiter eine Fläche gegenüber der Auslaßendfläche. Falls der gekrümmte Wellenleiter eine Seitenfläche erreicht, kann der gleiche Effekt, wie oben beschrieben, erzielt werden.
• Im folgenden wird die Wirkung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
(Ausführungsform 1)
• Die Fig. 5a bis 5c zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines InP/GaInAsP- Materials. Um eine Superlumineszenzdiode gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten, werden in einem ersten Wachstum eine n-Typ-GaInAsP-Lichtleitschicht 2 (&lambda;: 1.1-um- Aufbau), eine nichtdotierte GaInAsP-Aktivschicht 3 (&lambda;: 1.3- um-Aufbau), eine p-Typ-InP-Hüllschicht 4 und eine p-Typ- GaInAsP-Elektrodenschicht 5 (&lambda;: 1.1-um-Aufbau) auf einem n- Typ-InP-Substrat 1 durch LPE (Liquid Phase Epitaxy/Flüssigphasenepitaxie) und VPE (Vapor Phase Epitaxy/Dampfphasenepitaxie, zum Beispiel MO-CVD = Metal Oxide- Chemical Vapor Deposition/Chemisches Aufdampfen) oder MBE (Molecular Beam Epitaxy/Molekularstrahlepitaxie), aufgewachsen. Dann wurde auf der Gesamtfläche der p-Typ-GaInAsP-Elektrodenschicht 5 durch bipolares RF-(Radio Frequency/Radiofrequenz )-Sputtern oder CVD eine SiO&sub2;- oder SiN-Dünnschicht (-film) gebildet. Um eine aktive Schicht einzubetten, wurde der Dünnfilm durch Photoätzen wie folgt gemustert. Ein Strominjektionsbereich 9 wurde in Streifenform in < 110> -Richtung in einer Breite von 4 bis 5 um und einer Länge von 400 um gebildet, und ein Nicht-Errregungsbereich oder ein Lichtabsorptionsbereich 10 mit der gleichen Breite wie der Streifenbreite des Strominjektionsbereichs wurde so gebildet, daß die Länge des Nicht-Erregungsbereichs 10 - bei einem Radius von R = 0.8 mm- 200 um wurde. Danach wurden die Schichten 5, 4, 3 und 2 mit einer 4%-igen Brom-Methanol-Lösung unter Verwendung der SiO&sub2;- oder SiN-Streifen-Dünnschicht als Maske bis zum Freilegen des Substrats 1 geätzt, um auf diese Weise eine invertierte Mesa-Mehrschicht-Struktur auszubilden. In einem zweiten Wachstum wurden durch LPE eine p-Typ-InP-Schicht 6 und eine n-Typ-InP-Schicht 7 eingebettet, um den Strom in einem durch das Ätzen entfernten Teil zu regulieren. Eine Au- Zn-Schicht wurde auf die obere Fläche des erhaltenen Wafers aufgebracht, und eine ohmsche p-Typ-Elektrode 8 wurde durch Photoätzung nur auf dem Strominjektionsbereich 9 gebildet. Nachdem das Substrat 1 unter Erhalten einer Gesamtstärke von 80 um poliert wurde, wurde eine Au-Ge-Ni-Schicht auf das Substrat aufgebracht, um eine ohmsche n-Typ-Elektrode 12 auf der gesamten Fläche auszubilden. Der Schichtstrukturen des erhaltenen Elements im Zustand von Fig. 5 sind folgende, wobei die jeweiligen Kristallschichten auf eine InP- Gitterkonstante abgestimmt sind:
• 1: Sn-dotiertes n-Typ-InP-Substrat; Stärke = 80 um, Trägerdichte = 8·10¹&sup8; cm&supmin;³, EPD = 10&sup4; cm&supmin;²
• 2: Sn-dotierte n-Typ-GaInAsP-Lichtleitschicht; Stärke= 0.2 um, Trägerdichte = 5·10¹&sup7; cm&supmin;³
• 3: nicht dotierte n-Typ-GaInAsP-Aktivschicht; Stärke 0.2 bis 0.3 um
• 4: Zn-dotierte kristalline p-Typ-InP-Schicht; Stärke = 1.5 um, Trägerdichte = 5·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 5: Zn-dotierte p-Typ-GaInAsP-Elektrodenschicht; Stärke = 0.7 um, Trägerdichte = 5·10¹&sup8;cm&supmin;³
• 6: Zn-dotierte p-Typ-InP-Stromregelungsschicht; Stärke = 1.5 um, Trägerdichte = 1·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 7: Sn-dotierte n-Typ-InP-Stromregelungsschicht; Stärke = 1.5 um, Trägerdichte = 1·10¹&sup7;cm&supmin;³.
• Eine einen Vielschichtfilm aus SiO&sub2; und TiO&sub2; umfassende Anti- Reflexions-Lage 13 wurde auf der Lichtaustrittsfläche 13 gebildet, um so im Hinblick auf Licht mit einer Wellenlänge von 1.3 um ein Reflexionsvermögen von 0.5% oder weniger zu erhalten. Das Element wurde in zwei gleichförmige Pellets mit einer Gesamtlänge von 600 um und einer Breite von 400 um geteilt, jedes Pellet wurde durch eine AuSn-Lötung auf einem Kühlkörper angebracht, und Strom- und Lichtaustrittseigenschaften wurden mit Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1.3 um gemessen. Als Folge dessen wurde der Lichtauslaß erhöht, ohne in Verbindung mit einer Strominjektion bei einem kontinuierlichen 25º-Betrieb Oszillation zu verursachen, und es konnte ein inkohärenter Lichtauslaß von 12 mW bei 200 mA erreicht werden. Da im Vergleich zu einem herkömmlichen Element das injizierte Licht durch den Nicht-Erregungsbereich 10 in einer von der verlängerten Achse des Strominjektionsbereichs unterschiedlichen Richtung geleitet wurde, konnte durch Anwendung eines axialen Versatzes an der Endfläche die Rückführung des Lichts von der Endfläche zu dem lichtemittierenden Teil effektiv verhindert werden. Daher konnte die Gesamtlänge bis auf 1/4 oder weniger gegenüber der eines herkömmlichen Elements verkürzt werden, und die FP-Wellen-Oszillation konnte in ausreichendem Maß unterdrückt werden.
• Die Eigenschaften des Elements werden im folgenden detaillierter beschrieben.
• Fig. 6 gibt die Temperaturabhängigkeit der Superlumineszenzdiode mit dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau wieder. Bei einer Hochtemperatur von 50ºC und einem Strom von 200 mA ist ein Lichtauslaß von 3 mW erreichbar.
• Fig. 7 zeigt ein Spektrum der in Fig. 5 dargestellten Superlumineszenzdiode. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, kann die FP-Wellen-Oszillation bei einem hohen Auslaß von 10 mW ausreichend unterdrückt werden. Nach Messung unter Verwendung eines Interferometers ist die Kohärenzlänge bei einem hohem Ausstoß von 10 mW so kurz wie etwa 30 um. Wenn ein den Strahlungswinkel des Lichts bestimmendes weites Feldstärkendiagramm gemessen wurde, betrug seine Weite in einer Richtung senkrecht zu der aktiven Schicht nur 52º und in einer Richtung parallel zu der aktiven Schicht 48º. Daher konnte eine scharfe Richtwirkung erreicht werden.
• Als Folge dieser hervorragenden Eigenschaften kann ein hoher Lichteintritt in eine Einwellenfaser erzielt werden.
• Fig. 8 zeigt Ergebnisse einer Lichteintrittuntersuchung durch Linsenkopplung an eine Einwellenfaser mit einem Kerndurchmesser von 10 um. Ein hoher Lichteintritt von 800 uW wurde bei 25ºC und 150 mA erhalten.
• Bei einem Kopplungsversuch unter Verwendung einer sphärischen Endfaser mit hohem Kopplungswirkungsgrad konnte ein Ergebnis von 1.8 mW bei 200 mA erzielt werden.
• Bei dieser Ausführung wurde das n-Typ-InP-Substrat angewendet. Der gleiche, oben beschriebene Effekt kann jedoch auch bei Verwendung eines p-Typ-InP-Substrats erreicht werden. In diesem Fall werden in dem Aufbau die n- und p-Typ-Bereiche ausgewechselt. In dieser Ausführungsform wurde eine BH- (Buried Hetero/heteroeingegrabene)-Superlumineszenzdiode oder eine Superlumineszenzdiode vom eingebetteten Typ erläutert. Die gleiche Wirkung - wie oben beschrieben - kann jedoch erzielt werden, wenn die vorliegende Erfindung bei einer DCPBH- (Double Channel Planar Buried Heterostructure laser - Laser mit planar eingebetteter Doppelkanal-Heterostruktur)-Diode oder einer VSB-(V-grooved Substrate Buried-Heterostructure laser - Laser mit V-Nut- Substrat-eingebetteter Heterostuktur)-Diode angewendet wird.
• In den Fig. 5a bis 5c beträgt die Länge der Elektrode 8 des Strominjektionsteils 400 um. Wenn die Elektrode 8 auf der gesamten Fläche über dem Strominjektionsteil 9 und dem Lichtabsorptionsteil 10 gebildet wurde, konnte jedoch eine Superlumineszenzdiode mit einem breiten Spektrum ausgeführt werden. In diesem Fall muß der Krümmungsradius R des gebogenen Leiters verringert werden. Bei R = 8 um trat Laseroszillation auf. Wenn R = 500 um war, konnte jedoch die Superlumineszenzdiode erzielt werden.
(Ausführungsform 2)
• Die Fig. 9a bis 9c zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines GaAs/AlGaAs- Materials. Um eine Superlumineszenzdiode dieser Ausführungsform zu erhalten, stehen wie bei Ausführungsform 1 verschiedene Wachstumstechniken zur Verfügung. Bei dieser Ausführungsform wurden auf einem n-Typ-GaAs-Substrat 14 aufeinanderfolgend in einem ersten Wachstum eine 0.5 um starke n- Typ-GaAs-Pufferschicht 15, eine 1 um starke n-Typ- Al0.35Ga0.65As-Hüllschicht 16, eine 0.5 um starke, nicht dotierte Al0.05Ga0.95As-Aktivschicht 17, eine 0.10 um starke p-Typ-Al0.20Ga0.80As-Lichtleitschicht 18, eine 2 um starke p- Typ-Al0.35Ga0.65As-Hüllschicht 19 und eine 0.5 um starke p- Typ-Elektrodenschicht 20 gewachsen. Dann wurde eine invertierte Mesa-Mehrschicht-Struktur gebildet, was dem gleichen Ablauf wie bei der Ausführungsform 1 zur Durchführung des Einbettungswachstums in dem nachfolgenden Prozeß folgt. In einem zweiten Wachstum wurden in einem durch Ätzen entfernten Teil eine p-Typ-Al0.35Ga0.65As-Schicht 21 und eine n-Typ- Al0.35Ga0.65As-Schicht 22 durch LPE eingebettet, um Stromregulierungs- und optische Begrenzungseffekte zu erreichen. Die Strukturen der jeweiligen Schichten des erhaltenen Elements nach Fig. 9a bis 9c sind folgende, wobei die jeweiligen kristallinen Schichten auf eine GaAs-Gitterkonstanten abgestimmt sind:
• 14: Si-dotiertes N-Typ-GaAs-Substrat; Stärke = 80 um, Trägerdichte = 5·10¹&sup8; cm&supmin;³, EPD = 500 cm&supmin;²
• 15: Si-dotierte n-Typ-GaAs-Pufferschicht; Trägerdichte = 1·10¹&sup8;cm&supmin;³
• 16: Si-dotierte n-Typ-Al0.35Ga0.65As-Hüllschicht; Trägerdichte = 5·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 17: nicht-dotierte n-Typ-Al0.35Ga0.95As-Aktivschicht l8: Zn-dotierte p-Typ-Al0.20Ga0.80As-Lichtleitschicht; Trägerdichte = 5·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 19: Zn-dotierte p-Typ-Al0.35Ga0.65As-Hüllschicht; Trägerdichte = 5·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 20: Zn-dotierte p-Typ-GaAs-Elektrodenschicht; Trägerdichte = 5·10¹&sup8;cm&supmin;³
• 21: Zn-dotierte p-Typ-Al0.35Ga0.65As-Einbettungsschicht; Trägerdichte = 1·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 22: Si-dotierte n-Typ-Al0.35Ga0.65As-Einbettungsschicht; Trägerdichte = 1·10¹&sup7;cm&supmin;³.
• Die Größen der jeweiligen Elementteile sind die gleichen wie in Ausführungsform 1.
• Der erhaltene Wafer wurde der Gestaltung einer ohmschen p- Typ-Elektrode, einem Polieren des Substrats und der Bildung einer ohmschen n-Typ-Elektrode unterworfen und danach auf einem Kühlkörper angebracht. Die Strom-Lichtaustrittseigenschaften und das Lichtemissionsspektrum des Wafers wurden gemessen. Der Lichtaustritt wurde zusammen mit einer Erhöhung des injizierten Stroms erhöht, und bei 150 mA konnte ein Lichtaustritt von 18 mW erreicht werden. Ein Element mit einer AR-Lage auf seiner Lichtabgabefläche konnte einen zwei- bis dreifachen Lichtauslaß liefern und verzeichnete 38 mW bei 150 mA. Was das Lichtemissionsspektrum anbelangt, so konnte ein inkohärenter Lichtaustritt mit einer Halbbreite von 200 Å erreicht werden, während die FP-Wellen-Oszillation, wie bei der Ausführungsform 1, verhindert wurde und die Lichtemissionszentrum-Wellenlänge 0.83 um betrug.
• Bei dieser Ausführungsform wurden das GaInAsP-Element mit einer Wellenlänge von 1.3 um und das GaAs/GaAlAs-Element mit einer Wellenlänge von 0.83 um exemplifiziert. Die vorliegende Erfindung kann jedoch für inkohärente lichtemittierende Elemente unter Verwendung anderer Wellenlängenbereiche und unterschiedlicher Halbleiter eingesetzt werden.
(Ausführungsform 3)
• Die Fig. 10a und 10b zeigen noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines InP/GaInAsP-Materials. Um eine Superlumineszenzdiode dieser Ausführungsform zu erhalten, wurden auf einem n-Typ-InP- Substrat 31 durch LPE und VPE oder MBE in einem ersten Wachstum eine n-Typ-GaInAsP-Lichtleitschicht 32 (&lambda;: 1.1-um-Zusammensetzung), eine nicht-dotierte GaInAsP-Aktivschicht 33 (&lambda;: 1.3-um-Zusammensetzung), eine p-Typ-InP-Hüllschicht 34 und eine p-Typ-GaInAsP-Elektrodenschicht 35 (&lambda;: 1.1-um-Zusammensetzung) aufgewachsen. Ein SiO&sub2;- oder SiN-Dünnfilm wurde auf der gesamten Fläche der p-Typ-GaInAsP-Elektrodenschicht 35 durch bipolares RF-Bedampfen oder CVD ausgebildet. Um die aktive Schicht einzubetten, wurde danach der Dünnfilm durch Photoätzung in einer Streifenform entlang einer < 110> -Richtung - bei einer Breite von 4 bis 5 um - linear gemustert.
• Anschließend wurden die Schichten 35, 34, 33 und 32 mit einer 4%-igen Brom-Methanol-Lösung - unter Verwendung der SiO&sub2;- oder SiN-Dünnschichtstreifen als Maske - geätzt, um das Substrat freizusetzen und dadurch eine invertierte Mesa-Mehrschicht-Struktur auszubilden. In einem zweiten Wachstum wurden in einem durch Ätzung entfernten Teil durch LPE eine p-Typ-InP-Schicht 36 und eine n-Typ-InP-Schicht 37 eingebettet, um eine Stromregulierungswirkung zu erzielen. Eine Au-Zn-Schicht wurde auf der oberen Fläche des erhaltenen Wafers abgelagert, und an einer Endfläche wurde durch Photoätzung ein Elektrodenmuster ausgebildet, um eine Lichtstrahlungsrichtung im Winkel von 20º zu erhalten, so daß nur auf dem Strominjektionsbereich 9 eine ohmsche p-Typ-Elektrode 38 ausgebildet wurde. Das Substrat 31 wurde, um eine Gesamtstärke von etwa 80 um zu erhalten, poliert, und anschließend wurde darauf eine Au-Ge-Ni-Schicht zur Bildung einer ohmschen n-Typ-Elektrode 42 auf der gesamten Fläche abgelagert. Die Strukturen der jeweiligen Schichten des erhaltenen Elements nach Fig. 10a und 10b sind folgende, wobei die jeweiligen kristallinen Schichten auf eine InP-Gitterkonstanten abgestimmt sind:
• 31: Sn-dotiertes n-Typ-InP-Substrat; Stärke = 80 um, Trägerdichte = 3·10¹&sup8; cm&supmin;³, EPD = 5·10&sup4; cm&supmin;²
• 32: Sn-dotierte n-Typ-GaInAsP-Lichtleitschicht; Stärke = 0.2 um, Trägerdichte = 5·10¹&sup7; cm&supmin;³
• 33: nicht-dotierte n-Typ-GaInAsP-Aktivschicht; Stärke = 0.2 bis 0.3 um
• 34: Zn-dotierte kristalline p-Typ-InP-Schicht; Stärke = 1.5 um, Trägerdichte = 5·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 35: Zn-dotierte p-Typ-GaInAsP-Elektrodenschicht; Stärke = 0.7 um, Trägerdichte = 5·10¹&sup8; cm&supmin;³
• 36: Zn-dotierte p-Typ-InP-Stromregulierungsschicht; Stärke 1.5 um, Trägerdichte = 1·10¹&sup7;cm&supmin;³
• 37: Sn-dotierte n-Typ-InP-Stromregulierungsschicht; Stärke 1.5 um, Trägerdichte = 1·10¹&sup7;cm&supmin;³.
• Danach wurde auf der gesamten Fläche auf der Seite der p-Typ- Elektrode ein SiO&sub2;-Film gebildet und durch Photoätzung gemustert, um nur auf dem Strominjektionsbereich 9 zu verbleiben. Die erhaltene Struktur wurde unter Verwendung eines Br-Basisgases mit einem RIE-Gerät (Reactive Ion Etching/reaktives Ionenätzen) geätzt, wobei das SiO&sub2;-Filmmuster als Maske verwendet wurde, um einen den Bereich 9 ausschließenden Bereich 44 bis zum Freilegen des Substrats zu ätzen und so eine die FP-Wellen-Oszillation unterdrückende Endfläche 45 auszubilden, die als Lichtabsorptionsteil dient.
• Eine Anti-Reflexionslage, die einen Mehrschicht-Film aus SiO&sub2; und TiO&sub2; umfaßt, wurde auf der Lichtauslaßfläche zur Erzielung eines Reflexionsvermögens von 0.5% oder weniger, bezogen auf Licht mit einer Wellenlänge von 1.3 um, ausgebildet. Das erhaltene Element wurde in gleichförmige Pellets mit einer Gesamtlänge von 500 um und einer Breite von 400 um sowie einem 400 um breiten Strominjektionsbereich 9 geteilt. Jedes Pellet wurde durch AuSn-Lötung auf einem Kühlkörper angebracht, und seine Strom- und Lichtaustrittseigenschaften bei einer Wellenlänge von 1.3 um wurden gemessen. Als Ergebnis wurde in Verbindung mit einer Strominjektion bei einem gleichbleibenden 25ºC-Betrieb der Lichtaustritt erhöht, ohne eine Oszillation zu verursachen, und es konnte ein inkohärenter Lichtauslaß von 12 mW bei 200 mA erreicht werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Element konnte die Rückführung des Lichts von der Endfläche zu dem lichtemittierenden Teil wirksam verhindert werden, und die Länge des Elements konnte gegenüber der des herkömmlichen Elements auf etwa 1/4 oder weniger verringert werden. Außerdem konnte die FP-Wellen-Modulation in ausreichendem Maß unterdrückt werden. Bei einer Strominjektion von 175 mA könnte ein Lichtaustritt von 1 mW bei Kopplung mit einer SLM- (Single mode/Einmoden)-Faser mit einem Kerndurchmesser von 10 um über eine Linse erreicht werden.
• Bei einem Muster, bei dem ein in den Fig. 11a und 11b gezeigter Nicht-Erregungsbereich und ein AR-Film auch an der Endfläche zur Unterdrückung der FP-Wellen gebildet wurde, konnte inkohärentes Licht mit einem guten Spektrum, frei von einer Modulation in der FP-Art, erzielt werden.
• Bei einer eingegrabenen Struktur ist sowohl ein Aufbau, bei dem ein eine Mesastruktur einschließender aktiver Teil mit einem organischen Material, wie zum Beispiel Polyimid oder niedrigschmelzendem Glas, eingegraben ist, verfügbar, als auch eine Struktur, bei der die Mesastruktur mit einer epitaxialen Gruppe III-V-Einkristallschicht eingebettet ist. Da der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem aktiven Teil und einem eingegrabenen Teil groß ist, ist bei diesen Strukturen der Verlust, selbst wenn der Winkel R des gekrümmten Leiterteils oder der Krümmungswinkel des Wellenleiterteils groß sind, gering. Das Licht kann daher durch den Nicht-Erregungsteil effektiv zur Endfläche geleitet und bei großem Einfallswinkel derart reflektiert werden, daß es nicht zu dem aktiven Teil zurückgeworfen wird.
• Gemäß Fig. 12 steht eine Struktur zur Verfügung, bei der die aktive Schicht des Nicht-Erregungsteils verjüngt und das verjüngte Ende in die Endfläche eingegraben ist. In Fig. 12 ist ein vorderes Ende E des Wellenleiters des Lichtabsorptionsteils 10 von allen Endflächen getrennt. Mit dieser Anordnung kann die Erzeugung von reflektiertem Licht am Endteil des Lichtabsorptionsteils - wie bei den oben beschriebenen Ausführungen - verhindert werden.
• Gemäß Fig. 13 ist der überwiegende Teil des Wellenleiters des Lichtabsorptionsteils 10 linear ausgebildet, und ein vorbestimmter Krümmungswinkel P ist an einem Verbindungsteil mit einem Erregungsteil, zum Beispiel dem Strominjektionsteil 9, vorgesehen, um die optischen Achsen des Strominjektionsteils 9 und des Lichtabsorptionsteils 10 zu versetzen. Bei dieser Anordnung kann der gleiche Effekt - wie oben beschrieben - erreicht werden.
• Da ein Nicht-Strominjektionsteil zur Lichtleitung in einer Richtung, die von einer verlängerten Achse des Strominjektionsteils verschieden ist, an das lineare Strominjektionsteil angrenzend ausgebildet ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, die Rückführung des Lichts von der Endfläche zu einem Lichtemissionsteil in aus reichendem Maß verhindert und somit die FP-Wellen-Oszillation ausreichend unterdrückt werden. Die Unterdrückungswirkung für die FP-Wellen-Oszillation hat zwei charakteristische Merkmale, nämlich eine Lichtabsorptionswirkung an dem Nicht- Strominjektionsteil und die Leitung des Lichts in einer von der verlängerten Achsrichtung des Lichtemissionsteils völlig verschiedenen Richtung. Da die FP-Wellen-Oszillation wirksam unterdrückt werden kann, kann sich die Länge des Elements verringert werden. Daher kann der Nutzeffekt bei der Anwendung eines Wafers verbessert und die Leistungsfähigkeit des Elements erhöht werden. Falls die aktive Schicht oder der Wellenleiter außerdem eine MQW-(Multi Quantum Well/Mehrfach- Potentialtopf)-Struktur aufweist, tritt sofort nach Strominjektion eine Wellenlängenverschiebung an einem Absorptionsende auf. Der Effekt der Schrägreflexion an der Endfläche ist daher auffallend.
• Da das inkohärente Licht mit einer großen Spektrumsbreite fest an eine Einmodenfaser koppelbar ist, kann auf diese Weise die Superlumineszenzdiode gemäß der vorliegenden Erfindung als eine Lichtquelle für vielfältige optische Meßeinrichtungen angewendet werden.
• Als Anwendungsbeispiel wird nachfolgend ein Fall beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem Suchgerät für Hindernisse in Lichtwellenleitern angewendet wird, das einen Hindernispunkten in einem kleinen Lichtwellenleiter mit hoher Positionsgenauigkeit suchen kann.
• Fig. 14 stellt die Lichtwellenleiter-Hindernissuchvorrichtung dar. Das Prinzip dieser Vorrichtung wird nun kurz beschrieben. Es wird eine Lichtquelle mit einer großen Spektrumsbreite verwendet, und von der Lichtquelle emittiertes Licht wird weitergeleitet, um auf einen zu messenden Lichtwellenleiter zu fallen. Von Hindernispunkten zurückgestreutes Licht, das in dem Lichtwellerileiter zerstreut wurde und sich in einer Einfallsrichtung ausbreitet, wird mit Referenzlicht in Interferenz gebracht, um eine Verzögerungszeit oder einen optischen Wegunterschied zu dem zurückgestreuten und dem Referenzlicht zu schaffen. Mit Bezug auf jede Verzögerung wird ein Interferenzteil gemessen, um die Energie des in dem Lichtwellenleiter gestreuten Lichts zu ermitteln und dadurch die Positionen der Hindernispunkte zu erhalten.
• In Fig. 14 bezeichnet Bezugszeichen 133 eine Fokussierlinse, 134 einen Faser-Photokoppler, 135 einen zylindrischen Elektrostriktions-Oszillator, 136 einen Totalreflexionsspiegel, 137 eine Kollimatorlinse und 138 einen Totalreflexionsspiegel.
• Eine Lichtemissionsdiode 123 ist eine in den obigen Ausführungsbeispielen beschriebene, und das von der Diode emittierte Licht wird von einer Kollimatorlinse 124 in paralleles Licht gerichtet. Danach fällt das parallele Licht über die Fokussierlinse 133 auf den Faser-Photokoppler 134. Der Faser- Photokoppler 134 kann das von einem Abzweigteil C&sub1; einfallende Licht in zwei Richtungen, d. h. zu den Abzweigteilen C&sub2; und C&sub3; aufteilen. Ein Ausgangsende des Abzweigteils C&sub2; des Photokopplers 134 ist angeordnet, um einen Ausbreitungswellentyp des zu messenden Lichtwellenleiters 128 zu erregen. Das auf den Abzweigteil C&sub2; treffende Licht fällt vom Ausgangsende der Faser des Abzweigteils C&sub2; auf den Lichtwellenleiter 128. Das in diesem Lichtwellenleiter erzeugte, zurückgestreute Licht fällt wieder auf die Faser des Abzweigteils C&sub2; und wird von der Faser des Abzweigteils C&sub2; durch den Abzweigteil C&sub4; abgegeben. Das von dem Abzweigteil C&sub1; einfallende und zum Abzweigteil C&sub3; verteilte Licht wird durch den am Faserausgangsende des Abzweigteils C&sub3; angeordneten Totalreflexionsspiegel 136 totalreflektiert und breitet sich wieder zum Abzweigteil C&sub3; aus. Dieses Licht wird mit dem zurückgestreuten, in dem Lichtwellenleiter 128 zerstreuten Licht gemischt und kehrt durch den Abzweigteil C&sub2; zurück. Das gemischte Licht wird über den Abzweigteil C&sub4; abgegeben und durch die Kollimatorlinse 137 zu parallelem Licht gerichtet. Dieses Licht gelangt dann in ein Michelson-Interferometer 139. Danach wird das parallele Licht durch einen Strahlenteiler 125 in zwei Richtungen geteilt. Das den Strahlenteiler 125 passierende Licht wird von einem Totalreflexionsspiegel 126 reflektiert und anschließend vom Strahlenteiler 125 reflektiert. Das reflektierte Licht wird mit von dem Strahlenteiler 125 zurückgeworfenem Licht gemischt und dann von dem Totalreflexionsspiegel 138 reflektiert, um zu dem Strahlenteiler 125 zurückzugelangen. Das gemischte Licht fällt auf einen Photodetektor 129. Das Interferenzsignal, das durch den Photodetektor 129 in ein elektrisches Signal umgewandelt wurde, wird durch einen Verstärker 130 verstärkt, durchläuft ein Selektionspegelmeßgerät 131 und wird in einen Personalcomputer 132 aufgenommen.
• Gemäß Fig. 14 ist die Faser des Abzweigteils C&sub2; des Faser- Photokopplers um den zylindrischen Elektrostriktionsoszillator 135 gewickelt. Der Elektrostriktionsoszillator 135 wird bei einer Resonanzfrequenz von 20 kHz mit Wechselstrom betrieben, und das sich über die Faser der Abzweigteils C&sub2; fortpflanzende Licht wird phasenmoduliert. Daher wird das zurückgestreute, sich über den Abzweigteil C&sub2; ausbreitende Licht ebenfalls phasenmoduliert. Wenn das phasenmodulierte, zurückgestreute Licht mit Referenzlicht, das sich durch den Abzweigteil C&sub3; fortpflanzt, zur Interferenz gebracht, durch den Totalreflexionsspiegel 136 reflektiert wird und sich wieder über den Abzweigteil C&sub3; ausbreitet, so schwingt die Amplitude einer Interferenzintensität bei 20 kHz. Bei dieser Ausführungsform wird die 20-kHz-Komponente durch ein Selektionspegelmeßgerät 131 ermittelt.
• Bei der in Fig. 14 gezeigten Vorrichtung kann bei Verwendung des in Fig. 5 dargestellten Elements als Lichtemissionsdiode 123 inkohärentes Licht fest in die Faser eingekoppelt werden. Wenn Hindernispunkte in einem 1.8-cm-langen SiO&sub2;-Glas -Wellenleiter gesucht wurden, könnten sie, wie bei A, B, C und D in Fig. 15 angezeigt, mit hoher Positionsgenauigkeit ermittelt werden.
• Zu weiteren Einzelheiten der Funktion dieser Vorrichtung wird auf die japanische Patentanmeldung Nr. 62-27346 verwiesen.

Claims (8)

1. Superlumineszenzdiode, umfassend:

einen Strominjektionsteil (9; 39), mit einer benachbart zu einer ersten Endfläche ausgebildeten Stromsinjektionselektrode;

einen an den Strominjektionsteil angrenzenden lichtabsorbierenden Teil (10; 40); und

einen Wellenleiter, der kontinuierlich, sich vom einen Wellenleiterabschnitt bildenden Strominjektionsteil erstreckend ausgebildet ist, wobei der Wellenleiter aus einer aktiven Schicht (3; 17; 33) zum Lichtemittieren und Hüllschichten (4, 6; 19, 16; 34, 36), die eine größere Bandlücke als die aktive Schicht aufweisen, indem sie aus einem einen niedrigeren Brechungsindex als die aktive Schicht aufweisenden Material gebildet sind, zusammengesetzt ist, wobei die aktive Schicht streifenförmig ausgebildet ist, deren beide Seiten in einem Material eingebettet sind, das eine größere Bandlücke als die aktive Schicht (3; 17; 33) aufweist, nämlich einem Material, das einen niedrigeren Brechungsindex als die aktive Schicht aufweist; wobei der Wellenleiter des Strominjektionsteils (9; 39) linear senkrecht zur ersten Endfläche ausgebildet ist; und wobei der Wellenleiter des lichtabsorbierenden Teils (10; 40) einen Endteil (45) aufweist, um reflektiertes Licht in einer anderen Richtung als der Richtung des durch den Wellenleiter sich fortpflanzenden Lichts zu leiten.

2. Superlumineszenzdiode nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter (2) des lichtabsorbierenden Teils (10) eine Struktur zum Leiten von Licht in einer anderen Richtung als der der Achse des Strominjektionsteils (9) aufweist.

3. Superlumineszenzdiode nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter des lichtabsorbierenden Teils (10) eine Struktur aufweist, bei der der Querschnitt der aktiven Schicht (17) allmählich in einer von einem Ende (8) des Strominjektionsteils (9) wegweisenden Richtung abnimmt.

4. Superlumineszenzdiode nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter-Endteil des lichtabsorbierenden Teils (10; 40) sich bis zu einer zweiten Endfläche (45) erstreckt.

5. Superlumineszenzdiode nach Anspruch 4, wobei sich der Wellenleiter des lichtabsorbierenden Teils (10) auf einer Verlängerung der Achse des Strominjektionsteils (39) befindet und die zweite Endfläche (45) relativ zur Achse des Strominjektionsteils geneigt ist.

6. Superlumineszenzdiode nach Anspruch 4, wobei der Wellenleiter des lichtabsorbierenden Teils (10) einen gebogenen Abschnitt benachbart zu dem Strominjektionsteil (9) und einen sich von diesem gebogenen Abschnitt bis zur zweiten Endfläche erstreckenden linearen Abschnitt aufweist.

7. Superlumineszenzdiode nach Anspruch 1, die weiter eine auf der ersten Endfläche geformte Antireflexionsschicht (13; 43) aufweist.

8. Wellenleiter-Meßvorrichtung, umfassend:

eine Lichtquelle, die eine Superlumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist;

Lichtleitmittel, die so angeordnet sind, daß von der Superlumineszenzdiode emittiertes Licht durch eine Lichtleitfaser geleitet und durch einen Faserkoppler (134) in einen Referenz-Port, dessen eines Ende mit einem Spiegel (136) verbunden ist, und einen Meß-Port geteilt wird, dessen eines Ende über einen Faser-Phasenmodulator (135) mit einem zu messenden Wellenleiter (128) verbunden ist, und daß Referenzlicht, das von dem emittierten Licht abgeleitet wird, und rückwärtiges Licht, das an Hindernispunkten in dem Wellenleiter rückwärts gestreut wird, an dem Faserkoppler (134) kombiniert, an einen anderen Port des Faserkopplers (134) geleitet und miteinander optisch in Interferenz gebracht werden, indem das Referenzlicht mit einer optischen Verzögerung beaufschlagt oder das in Interferenz befindliche Licht in eine ein Interferometer aufweisende Verzögerungsleitung geleitet wird; und

Mittel zum Erhalten einer Position des Hindernispunktes in dem Wellenleiter durch Feststellen der Interferenz- Komponenten des rückwärts gestreuten Lichts und des Referenzlichts.