JP2001284723A - 面発光レーザおよびこれを用いた光送信モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】面発光レーザを備えた光送信モジュールにおい
て、レーザ出力を高く保持しながら光ファイバに入射さ
れるレーザ光の光量を低く抑え、光軸調整や組立にかか
る手間も低減する。 【解決手段】面発光レーザの発光面に、レーザ出力の一
部（例えば約２／３）を吸収して残り（約１／３）を透
過させるフォトダイオードを形成する。このフォトダイ
オードは、ｐ型コンタクト層（ｐ層）２９、光吸収層
（ｉ層）３０、およびｎ型コンタクト層（ｎ層）３１か
らなるＰＩＮフォトダイオードである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、面発光レーザおよ
びこれを用いた光送信モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザと光ファイバとで構成される光送
信モジュールでは、レーザから光が出ている状態で光フ
ァイバを外すことがあり、その際に作業者の目を保護す
る目的で、レーザ出力が低く設定されている。また、こ
の光送信モジュールでは、レーザからの出力光が光ファ
イバ端面等で反射され、この反射光がレーザ内に入射さ
れることによって戻り光ノイズが生じる。レーザ出力が
低い場合には、この戻り光ノイズの影響によってレーザ
の発振が不安定になり易いため、レーザ出力に含まれる
ノイズが増大する。

【０００３】したがって、レーザと光ファイバとで構成
される光送信モジュールには、レーザ出力を高く保持し
ながら、光ファイバに入射されるレーザ光の光量を低く
抑えることが求められている。

【０００４】一方、光送信モジュールの発光素子とし
て、従来の端面発光レーザに代えて面発光レーザを使用
することが検討されている。しかしながら、面発光レー
ザには端面発光レーザのような副放射光がないため、そ
のままでは出射光をモニタすることができない。

【０００５】これに対して、特開平１１−１０１９２７
号公報には、面発光レーザと光ファイバとで構成される
光送信モジュールであって、面発光レーザの出力光の一
部をモニタ用に取り出し、残りを光ファイバに入射する
ように構成された２種類のモジュールが記載されてい
る。いずれのモジュールにおいても、面発光レーザと光
ファイバは、面発光レーザからの出力光の光軸と光ファ
イバの光軸が９０°となるように配置されている。

【０００６】第１のモジュールでは、面発光レーザと光
ファイバとの間に、ハーフミラー面を有するフォトダイ
オードを設けている。このハーフミラー面で光軸を９０
°曲げることにより、面発光レーザからの出力光の一部
を光ファイバに入射させ、残りをこのフォトダイオード
で吸収し、フォトダイオードの光電変換により生じた電
流で出力光をモニタしている。

【０００７】第２のモジュールでは、面発光レーザと光
ファイバとの間にハーフミラーを設けている。このハー
フミラーで光軸を９０°曲げることにより、面発光レー
ザからの出力光の一部を光ファイバに入射させ、ハーフ
ミラーを透過したレーザ光をフォトダイオードで吸収し
てモニタしている。

【０００８】これらのモジュールによれば、レーザ出力
を高く保持しながら、光ファイバに入射されるレーザ光
の光量を低く抑えることが可能となる。

【０００９】なお、出射光をモニタできる面発光レーザ
については、例えば「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．５０６〜５０７」
や特開平１１−３３０６０９号公報に、面発光レーザの
出射面にモニタ用のフォトダイオードを設けることが記
載されている。しかしながら、これらのフォトダイオー
ドは、あくまでモニタのために面発光レーザからの出力
の極一部（例えば６〜７％）を吸収するためのものであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】特開平１１−１０１９
２７号公報に記載のモジュールでは、面発光レーザから
の出力光の光軸をハーフミラー等で９０°曲げてから光
ファイバに入射させるため、ハーフミラー等と光ファイ
バとの間に集光レンズを設ける必要がある。このよう
に、前述のモジュールには、ハーフミラーや集光レンズ
を設けることに伴って、光軸調整や組立に手間がかかる
という問題点がある。

【００１１】本発明は、このような従来技術の問題点に
着目してなされたものであり、面発光レーザと光ファイ
バとで構成される光送信モジュールにおいて、面発光レ
ーザの出力光がモニタできるとともに、レーザ出力を高
く保持しながら光ファイバに入射されるレーザ光の光量
を低く抑えることができ、しかも光軸調整や組立にかか
る手間が低減された光送信モジュールを提供することを
課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、発光面に、レーザ出力の１／２以上４／
５以下を吸収して残り（すなわち、レーザ出力の１／５
以上１／２以下）を透過させるフォトダイオードが形成
されている面発光レーザを提供する。

【００１３】前記フォトダイオードは発光面に層状に形
成されたＰＩＮフォトダイオードであることが好まし
い。

【００１４】本発明はまた、本発明の面発光レーザを、
光ファイバへの入射光を発光する発光素子として有する
光送信モジュールを提供する。

【００１５】本発明の光送信モジュールは、面発光レー
ザの発光面と光ファイバの入射端面が光学部品を介さず
に対向配置されていることが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１７】図１および図２により、本発明の一実施形
態に相当する面発光レーザについて説明する。図１はこ
の面発光レーザを示す断面図であり、図２はこの面発光
レーザを発光面側から見た平面図である。

【００１８】この面発光レーザは、ｎ型ＧａＡｓからな
る半導体基板１と、半導体基板１の一方の面（表面）に
設けた積層体２と、積層体２に設けた電極３，４と、半
導体基板１の他方の面（裏面）に設けた電極５と、積層
体２と電極３，４との間および露出面に設けた絶縁層６
とで、主に構成されている。電極３はｐ型オーミック電
極であり、電極４，５はｎ型オーミック電極である。

【００１９】積層体２は、半導体基板１の表面側から順
に積層された、バッファ層２２、ｎ型ＤＢＲミラー２
３、ｎ型クラッド層２４、活性層２５、ｐ型クラッド層
２６、電流狭窄層２７、ｐ型ＤＢＲミラー２８、ｐ型コ
ンタクト層２９、光吸収層３０、およびｎ型コンタクト
層３１からなる。

【００２０】バッファ層２２はｎ型ＧａＡｓからなる。
ｎ型ＤＢＲミラー２３は、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層とからなる３０ペアの多層膜であっ
て、波長が８００ｎｍ付近である光に対して９９％以上
の反射率を有する。ｎ型クラッド層２４はｎ型Ａｌ_0.5
Ｇａ_0.5 Ａｓ層からなる。活性層２５は、ＧａＡｓから
なるウエル層とＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓからなるバリア層
とで構成され、ウエル層が５層である多重量子井戸構造
の活性層である。ｐ型クラッド層２６はｐ型Ａｌ _0.5 Ｇ
ａ_0.5 Ａｓからなる。

【００２１】電流狭窄層２７はｐ型ＡｌＡｓからなる。
この電流狭窄層２７は所定直径の円の範囲内にあり、そ
の外側には酸化アルミニウムからなる絶縁体層３２が形
成されている。この電流狭窄層２７は、ｐ型オーミック
電極３からの電流を共振器中央部分に集中させるために
形成されている。

【００２２】ｐ型ＤＢＲミラー２８は、ｐ型ＡｌＡｓ層
とｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層とからなる２２ペアの多
層膜であって、波長が８００ｎｍ付近である光に対して
９８．５％以上の反射率を有する。ｐ型コンタクト層２
９はｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層からなる。光吸収層３
０はＧａＡｓ層からなる。ｎ型コンタクト層３１はｎ型
Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層からなる。

【００２３】この積層体２は、半導体基板１の表面にこ
れらの層を順次形成した後に、ｎ型ＤＢＲミラー２３よ
り上側（基板とは反対側）の部分をエッチングすること
によって、直方体の土台部２Ａを有し、この土体部２Ａ
の上の中心位置に第１円柱部２Ｂを有し、第１円柱部２
Ｂの上に第２円柱部２Ｃを有する構造に形成されてい
る。

【００２４】第１円柱部２Ｂと第２円柱部２Ｃとの境界
位置はｐ型コンタクト層２９と光吸収層３０との境界位
置である。第１円柱部２Ｂと第２円柱部２Ｃとは底面円
が同心であって、底面円の直径は第１円柱部２Ｂよりも
第２円柱部２Ｃの方が小さくなっている。これにより、
積層体２に、ｐ型コンタクト層２９からなるリング状の
露出部２９ａが形成されている。

【００２５】絶縁層６は、この積層体２の土台部２Ａの
第１円柱部２Ｂとの段差面（ｎ型ＤＢＲミラー２３が露
出している面）と、第１円柱部２Ｂの外周面全体と、第
２円柱部２Ｃの外周面全体と、ｐ型コンタクト層２９か
らなるリング状の露出部２９ａの一部に形成されてい
る。

【００２６】ｐ型オーミック電極３は、コンタクト部３
ａと正方形のパッド部３ｂとこれらをつなぐ帯状の連結
部３ｃとからなる。コンタクト部３ａは、ｐ型コンタク
ト層２９のリング状の露出部２９ａに接触している部分
であって、その平面形状は、図２に示すように、開口部
３０ａを有するリング状である。このコンタクト部３ａ
の開口部３０ａとは反対側の部分に、連結部３ｃが連続
している。パッド部３ｂは、絶縁層６を介してｎ型ＤＢ
Ｒミラー２３の上面に形成されている。連結部３ｃは、
絶縁層６を介して、第１円柱部２Ｂの周面に、第１円柱
部２Ｂの軸方向に沿って形成されている。

【００２７】すなわち、ｐ型オーミック電極３は、コン
タクト部３ａにより、ｐ型コンタクト層２９とコンタク
トされている。ｐ型オーミック電極３の材料は、クロム
と金−亜鉛合金とからなる。

【００２８】ｎ型オーミック電極４は、コンタクト部４
ａと正方形のパッド部４ｂとこれらをつなぐ帯状の連結
部４ｃとからなる。コンタクト部４ａは、ｎ型コンタク
ト層３１の上面に接触している部分であって、図２に示
すように、その平面形状はリング状である。このリング
の穴４０ａがこの面発光レーザの出射口をなす。

【００２９】パッド部４ｂは、絶縁層６を介して、ｎ型
ＤＢＲミラー２３の上面に形成されている。連結部４ｃ
は、絶縁層６を介して、第１円柱部２Ｂの周面および第
２円柱部２Ｃの周面と、第１円柱部２Ｂの端面（ｐ型コ
ンタクト層２９の露出部２９ａ）とに、両円柱部の軸方
向および径方向に沿って形成されている。この連結部４
ｃは、第１円柱部２Ｂの端面位置では、ｐ型オーミック
電極３のコンタクト部３ａの開口部３０ａ内に、コンタ
クト部３ａと接触しないように配置されている。

【００３０】すなわち、ｎ型オーミック電極４は、コン
タクト部４ａにより、ｎ型コンタクト層３１とコンタク
トされている。このｎ型オーミック電極４と半導体基板
１の裏面に設けたｎ型オーミック電極５は、いずれも金
−ゲルマニウム合金等の金属からなる。

【００３１】この面発光レーザでは、ｎ型ＤＢＲミラー
２３、ｎ型クラッド層２４、活性層２５、ｐ型クラッド
層２６、電流狭窄層２７、およびｐ型ＤＢＲミラー２８
により、レーザ共振器が構成されている。ｐ型コンタク
ト層（ｐ層）２９、光吸収層（ｉ層）３０、およびｎ型
コンタクト層（ｎ層）３１により、ＰＩＮフォトダイオ
ードが構成されている。基板裏面のｎ型オーミック電極
５はレーザ共振器用の電極であり、ｎ型オーミック電極
４はＰＩＮフォトダイオード用の電極である。ｐ型オー
ミック電極３は、レーザ共振器とＰＩＮフォトダイオー
ドの共通電極である。

【００３２】ｎ型オーミック電極４のパッド部４ｂとｐ
型オーミック電極３のパッド部３ｂとの間には、ＰＩＮ
フォトダイオードによる光電変換で生じた電流を検出す
る外部回路が接続してある。また、この外部回路は、レ
ーザ共振器の駆動電流を制御する制御装置に接続されて
おり、この制御装置により、外部回路の電流検出値に応
じてレーザ共振器の駆動電流が制御されるようになって
いる。

【００３３】この面発光レーザは、ｐ型オーミック電極
３と基板裏面のｎ型オーミック電極５との間にレーザ発
振用の所定電圧を印加して、活性層２５に電流を供給す
ることにより、ｐ型ＤＢＲミラー２８からレーザ発振が
得られる。このレーザ光は、ｐ型コンタクト層２９から
ＰＩＮフォトダイオードに入射される。

【００３４】したがって、レーザ発振と同時に、ＰＩＮ
フォトダイオードのｐ型コンタクト層２９とｎ型コンタ
クト層３１との間に逆バイアスの電圧をかけて、光吸収
層３０を空乏層とすることにより、ＰＩＮフォトダイオ
ードに入射された光の一部はこの空乏層で吸収されて電
流に変換される。この電流がｎ型オーミック電極４とｐ
型オーミック電極３との間に接続された外部回路で検出
される。この外部回路による電流検出値に応じて、制御
装置によりレーザ共振器の駆動電流が制御される。

【００３５】ＰＩＮフォトダイオードの空乏層で吸収さ
れなかったレーザ光は、ｎ型コンタクト層３１を透過し
て、出射口（ｎ型オーミック電極４の穴）４０ａから外
部に出射される。

【００３６】以上のように、この面発光レーザは、発光
面に、レーザ出力の一部を吸収して残りを透過させる層
状のＰＩＮフォトダイオードが形成されている。このＰ
ＩＮフォトダイオードによる光吸収率は、主に、光吸収
層（ｉ層）３０の厚さと吸収係数によって変化する。

【００３７】本発明では、これらの値を適宜選択して、
レーザ出力のフォトダイオードによる光吸収率を１／２
以上４／５以下とする（すなわち、レーザ出力のフォト
ダイオードによる光透過率を１／５以上１／２以下とす
る）ことにより、レーザ出力を高く保持しながら外部に
出射されるレーザ光の光量を低く抑えている。

【００３８】図３により、本発明の一実施形態に相当す
る光送信モジュールについて説明する。図３はこの光送
信モジュールを示す断面図である。

【００３９】この光送信モジュールは、上述の面発光レ
ーザ１００と光ファイバ２００とハウジング３００とで
構成されている。ハウジング３００は、面発光レーザ１
００を固定するベース３０１とファイバホルダ３０２と
からなる。面発光レーザ１００のｎ型オーミック電極５
側がベース３０１の表面に固定されている。ベース３０
１の裏面から接続ピン３０１Ａが出ている。光ファイバ
２００の先端部にはフェルール２０１が固定され、この
フェルール２０１がファイバホルダ３０２に取り付けら
れている。

【００４０】この光送信モジュールは、光ファイバ２０
０が固定されたフェルール２０１をファイバホルダ３０
２に取り付けた後に、このファイバホルダ３０２を、面
発光レーザ１００が固定されたベース３０１と結合する
ことによって、組み立てられる。この光送信モジュール
においては、面発光レーザ１００の発光面（出射口４０
ａ）と光ファイバ２００の入射端面が、光学部品を介さ
ずに対向配置されている。

【００４１】この面発光レーザ１００は、前述のよう
に、発光面に、レーザ出力の一部を吸収して残りを透過
させる層状のＰＩＮフォトダイオードが形成されてい
る。したがって、レーザ出力のフォトダイオードによる
光吸収率が例えば２／３の値となるように、光吸収層３
０の厚さの設計と材料の選択を行うことにより、面発光
レーザ１００から出射されて光ファイバに入射されるレ
ーザ光の光量をレーザ出力の約１／３にすることができ
る。

【００４２】したがって、この光送信モジュールによれ
ば、面発光レーザ１００の出力光がＰＩＮフォトダイオ
ードでモニタできるとともに、レーザ出力を高く保持し
ながら光ファイバに入射されるレーザ光の光量を低く抑
えることができる。また、特開平１１−１０１９２７号
公報に記載の光送信モジュールのように、光ファイバ２
００の入射端面と面発光レーザ１００との間に光学部品
を設置する必要がないため、光軸調整や組立にかかる手
間が低減される。

【００４３】この光送信モジュールを用い、面発光レー
ザ１００の光吸収層３０の厚さを変えることにより、レ
ーザ出力のフォトダイオードによる光透過率を変えて、
光転送試験を行った。すなわち、データ長が「１０²³−
１」であるＰＲＢＳ（Ｐｓｅｕｄｏ Ｒａｎｄｏｍ Ｂ
ｉｔ Ｓｔｒｅａｍ）信号をＮＲＺ（Ｎｏｎ Ｒｅｔｕ
ｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）符号化したデータを、１Ｇｂｐ
ｓの転送速度で光転送したときのＢＥＲ（Ｂｉｔ Ｅｒ
ｒｏｒ Ｒａｔｅ）を測定した。

【００４４】このとき、レーザ共振器への注入電流は、
フォトダイオードのない面発光レーザ（すなわち、図１
において、光吸収層３０、ｎ型コンタクト層３１、およ
びｎ型オーミック電極４のない面発光レーザ）による平
均出射パワーが０ｄＢｍとなる値にした。

【００４５】その結果を、ＢＥＲとレーザ出力のフォト
ダイオードによる光透過率との関係を示すグラフにまと
めた。このグラフを図４に示す。

【００４６】この図から分かるように、レーザ出力のフ
ォトダイオードによる光透過率が１／５以上１／２以下
であると、ＢＥＲを１０^-12 以上の良好な値とすること
ができる。フォトダイオードの光透過率が１／５未満で
あると、面発光レーザ１００から光ファイバ２００に入
射される光量が過少となるため、信号対雑音比（Ｓ／
Ｎ）が小さくなる。フォトダイオードの光透過率が１／
２を超えると、面発光レーザ１００から光ファイバ２０
０に入射される光量が過大となって戻り光ノイズが大き
くなるため、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が小さくなる。

【００４７】このように、レーザ出力のフォトダイオー
ドによる光透過率を１／５以上１／２以下とすることに
より、光ファイバ２００に入射されるレーザ光の光量
を、良好な信号対雑音比が得られる範囲内で低く抑える
ことができる。また、このように光ファイバ２００に入
射されるレーザ光の光量を低く抑えることができること
によって、レーザから光が出ている状態で光ファイバを
外す際に作業者の目を保護できる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の面発光レ
ーザによれば、レーザ出力を高く保持しながら外部に出
射されるレーザ光の光量を低く抑えることができる。

【００４９】本発明の光送信モジュールによれば、面発
光レーザの出力光がモニタできるとともに、レーザ出力
を高く保持しながら光ファイバに入射されるレーザ光の
光量を低く抑えることができる。そのため、レーザから
光が出ている状態で光ファイバを外す際に作業者の目を
保護できるとともに、戻り光ノイズの影響を小さくして
送信信号の信号対雑音比を大きくすることができる。

【００５０】特に、請求項４の光送信モジュールによれ
ば、光軸調整や組立にかかる手間が低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に相当する面発光レーザを
示す断面図である。

【図２】本発明の一実施形態に相当する面発光レーザを
示す平面図である。

【図３】本発明の一実施形態に相当する光送信モジュー
ルを示す平面図である。

【図４】図３の光送信モジュールの光転送試験によって
得られた、ＢＥＲとレーザ出力のフォトダイオードによ
る光透過率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 積層体 ２Ａ 土台部 ２Ｂ 第１円柱部 ２Ｃ 第２円柱部 ３ ｐ型オーミック電極 ３ａ コンタクト部 ３ｂ パッド部 ３ｃ 連結部 ４ ｎ型オーミック電極 ４ａ コンタクト部 ４ｂ パッド部 ４ｃ 連結部 ５ ｎ型オーミック電極 ６ 絶縁層 ６０ 絶縁層 ２２ バッファ層 ２３ ｎ型ＤＢＲミラー ２４ ｎ型クラッド層 ２５ 活性層 ２６ ｐ型クラッド層 ２７ 電流狭窄層 ２８ ｐ型ＤＢＲミラー ２９ ｐ型コンタクト層 ３０ 光吸収層 ３１ ｎ型コンタクト層 ３２ 絶縁体層 １００ 面発光レーザ ２００ 光ファイバ ３００ ハウジング ３０１ ベース ３０１Ａ 接続ピン ３０２ ファイバホルダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 篤 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA65 AA74 AB13 AB17 BA01 CA04 CB02 DA31 EA26 FA02 FA30 GA02 GA12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光面に、レーザ出力の１／２以上４／
   ５以下を吸収して残りを透過させるフォトダイオードが
   形成されている面発光レーザ。
2. 【請求項２】 前記フォトダイオードは発光面に層状に
   形成されたＰＩＮフォトダイオードである請求項１記載
   の面発光レーザ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の面発光レーザ
   を、光ファイバへの入射光を発光する発光素子として有
   する光送信モジュール。
4. 【請求項４】 面発光レーザの発光面と光ファイバの入
   射端面が光学部品を介さずに対向配置されている請求項
   ３記載の光送信モジュール。