JP2002141603A

JP2002141603A - 半導体レーザ装置および半導体レーザアレイおよび半導体レーザ装置の製造方法および送信モジュールおよびローカルエリアネットワークシステムおよび光データリンクシステムおよび光インターコネクションシステム

Info

Publication number: JP2002141603A
Application number: JP2000334095A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takahashi; 孝志高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】波長多重分割方式の光伝送に適し、製造が容
易であり、低消費電力であり、電気的に制御可能な半導
体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体基板上に、電気的に励起される垂
直共振器型面発光レーザＡが形成され、垂直共振器型面
発光レーザＡ上に、垂直共振器型面発光レーザＡからの
レーザ光で光励起されて垂直共振器型面発光レーザより
も長波長の光を放射するマイクロディスク構造またはマ
イクロシリンダ構造またはマイクロリング構造を有する
マイクロキャビティレーザＢが積層形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
および半導体レーザアレイおよび半導体レーザ装置の製
造方法および送信モジュールおよびローカルエリアネッ
トワークシステムおよび光データリンクシステムおよび
光インターコネクションシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、波長多重分割（ＷＤＭ）方式を用
いた光伝送の研究開発が盛んである。幹線系光通信だけ
でなく、１０ギガビットイーサネット（登録商標）ＬＡ
Ｎシステムや光インターコネクションシステムにおいて
も、波長多重分割（ＷＤＭ）方式の使用が検討されてい
る。

【０００３】幹線系光通信においては、光源としてＩｎ
ＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザが用いられている。しかし、
波長多重分割（ＷＤＭ）方式に用いるためには、ＤＦＢ
レーザの発振波長を個別に変える必要がある。このよう
な用途に用いられる多波長ＤＦＢレーザとして、例えば
特開平０６−９７６００号には、回折格子の周期を各レ
ーザ毎に変えて形成する技術が示されている。

【０００４】特開平０６−９７６００号に示されている
技術では、１回のマスク形成とエッチングで多波長アレ
イを形成できるという特徴がある。しかしながら、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザは、閾電流が高いこと、ま
た、ＬＤの特性温度が低いため冷却装置が必要であるこ
と、また、価格が高いなどのデメリットがある。そのた
め、ＬＡＮや光インターコネクションシステムに用いら
れる光源としては、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳ
ＥＬ）が有望と考えられている。

【０００５】ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬ
は、閾電流が低く、特性温度が高く、また光出射面を劈
開で形成する必要がないため低コストで製造可能である
等の特徴がある。

【０００６】特開平１１−３３０６３１号には、ＷＤＭ
用ＶＣＳＥＬアレイの例が示されており、特開平１１−
３３０６３１号では、複数のエッチング停止層を備え
て、これを選択的にパターン形成して除去する工程を繰
り返すことにより、各素子毎に半導体多層膜反射鏡では
さまれた共振器長を変えて発振波長を変えている。この
ように、ＶＣＳＥＬでは、共振器が垂直方向であるた
め、発振波長を変えるためには基板面内で層厚を変えて
形成しなければならず、多波長アレイを作製するプロセ
スが複雑となってしまう。

【０００７】ＶＣＳＥＬと同様に閾値が低い半導体レー
ザとしては、マイクロディスクまたはマイクロシリンダ
またはマイクロリング構造を有するマイクロキャビティ
レーザがある（特開平１１−３３０６２９号を参照）。
このレーザは、ホイスパリング・ギャラリモードでレー
ザ発振することが知られている。従って、マイクロディ
スクまたはマイクロシリンダまたはマイクロリングの直
径を変えることで共振器長が変化し、発振波長が異なる
アレイを容易に形成することが可能である。

【０００８】また、マイクロディスク構造と同様に共振
器のＱ値が高いレーザとしては、フォトニック結晶構造
で共振器を構成したフォトニック結晶レーザがある（特
開平１１−３３０６１９号を参照）。フォトニック結晶
レーザにおいても、フォトニック結晶の格子間隔を変え
ることにより、反射帰還する光の波長が変化して発振波
長が異なるアレイを形成することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したマイクロディ
スク構造またはマイクロシリンダ構造またはマイクロリ
ング構造を有するマイクロキャビティレーザは、マイク
ロディスク，マイクロシリンダ，マイクロリングの周囲
が低屈折率の空気で囲まれていることにより、光閉じ込
め効率の高い共振器を構成している。そのため、マイク
ロディスク，マイクロシリンダ，マイクロリングの周囲
を埋め込んで平坦化することができず、電気的にレーザ
を駆動する場合には、素子の上部電極にマイクロプロー
ブを接触させるか、ワイヤで配線を引き出す必要があ
り、実装が困難となっている。そのため、光励起で動作
させることが行われる。しかし、光励起型では現実の伝
送装置に組み込むことは困難であるという問題があっ
た。

【００１０】一方、フォトニック結晶レーザでは、素子
表面に微細な空気ホールが多数形成されているため、上
部電極の形成が困難となっている。そのため、光励起で
動作させることが行われているが、光励起型では現実の
伝送装置に組み込むことは困難であるという問題があっ
た。

【００１１】本発明は、波長多重分割方式の光伝送に適
し、製造が容易であり、低消費電力であり、電気的に制
御可能な半導体レーザ装置および半導体レーザアレイお
よび半導体レーザ装置の製造方法および送信モジュール
およびローカルエリアネットワークシステムおよび光デ
ータリンクシステムおよび光インターコネクションシス
テムを提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、電気的に
励起される垂直共振器型面発光レーザが形成され、垂直
共振器型面発光レーザ上に、垂直共振器型面発光レーザ
からのレーザ光で光励起されて垂直共振器型面発光レー
ザよりも長波長の光を放射するマイクロディスク構造ま
たはマイクロシリンダ構造またはマイクロリング構造を
有するマイクロキャビティレーザが積層形成されている
ことを特徴としている。

【００１３】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の半導体レーザ装置において、マイクロディスク構造
またはマイクロシリンダ構造またはマイクロリング構造
を有するマイクロキャビティレーザからの光を取り出す
光導波路が、マイクロディスクまたはマイクロシリンダ
またはマイクロリングに結合して形成されていることを
特徴としている。

【００１４】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体レーザ装置を同一半導体基板
上に複数配置した半導体レーザアレイであって、複数の
半導体レーザ装置は、マイクロディスクまたはマイクロ
シリンダまたはマイクロリングの直径が異なっているこ
とを特徴としている。

【００１５】また、請求項４記載の発明は、半導体基板
上に、電気的に励起される垂直共振器型面発光レーザが
形成され、垂直共振器型面発光レーザ上に、活性層の上
下がクラッド層ではさまれたダブルヘテロ構造が水平方
向に２次元周期構造を形成するよう配置された２次元フ
ォトニック結晶が積層形成されており、２次元フォトニ
ック結晶は垂直共振器型面発光レーザからのレーザ光で
光励起されて垂直共振器型面発光レーザよりも長波長の
レーザ光を放射するようになっていることを特徴として
いる。

【００１６】また、請求項５記載の発明は、請求項４記
載の半導体レーザ装置において、２次元フォトニック結
晶から放射されるレーザ光を取り出すフォトニック結晶
光導波路が、前記２次元フォトニック結晶に一体形成さ
れていることを特徴としている。

【００１７】また、請求項６記載の発明は、請求項４ま
たは請求項５記載の半導体レーザ装置を同一半導体基板
上に複数配置した半導体レーザアレイであって、複数の
半導体装置は、２次元フォトニック結晶の周期構造が異
なっていることを特徴としている。

【００１８】また、請求項７記載の発明は、請求項１ま
たは請求項４記載の半導体レーザ装置において、前記垂
直共振器型面発光レーザは、Ａｌ_aＧａ_1-aＡｓ（０≦ａ
＜ｂ）とＡｌ_bＧａ_1-bＡｓ（ａ＜ｂ≦１）とを周期的に
積層した半導体多層膜反射鏡と、Ｇａ_1-cＩｎ_cＡｓ（０
＜ｃ＜１）活性層とを含んでおり、半導体基板としての
ＧａＡｓ基板上に形成されていることを特徴としてい
る。

【００１９】また、請求項８記載の発明は、請求項１記
載の半導体レーザ装置において、マイクロディスク構造
またはマイクロシリンダ構造またはマイクロリング構造
を有するマイクロキャビティレーザの活性層が、Ｇａ
（Ｉｎ）ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡ
ｓＳｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ
Ａｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ量子ドット，Ｇ
ａＩｎＮＡｓＳｂ量子ドットのいずれかで構成されてお
り、マイクロディスク構造またはマイクロシリンダ構造
またはマイクロリング構造を有するマイクロキャビティ
レーザの発振波長が１．２μｍよりも長波長であること
を特徴としている。

【００２０】また、請求項９記載の発明は、請求項４記
載の半導体レーザ装置において、２次元フォトニック結
晶の活性層が、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ
Ｓｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドッ
ト，Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ
Ｓｂ量子ドット，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子ドットのいず
れかで構成されており、フォトニック結晶レーザの発振
波長が１．２μｍよりも長波長であることを特徴として
いる。

【００２１】また、請求項１０記載の発明は、半導体基
板上に、電気的に励起される垂直共振器型面発光レーザ
と、マイクロディスク構造またはマイクロシリンダ構造
またはマイクロリング構造を有するマイクロキャビティ
レーザ、または、２次元フォトニック結晶とを、１回の
結晶成長でモノリシックに積層形成することを特徴とし
ている。

【００２２】また、請求項１１記載の発明は、請求項
１，請求項２，請求項４，請求項５，請求項７，請求項
８，請求項９のいずれか一項に記載の半導体レーザ装
置、または、請求項３または請求項６記載の半導体レー
ザアレイを用いて波長多重分割方式の光伝送が可能に構
成されている送信モジュールである。

【００２３】また、請求項１２記載の発明は、請求項１
１記載の送信モジュールを用いるローカルエリアネット
ワークシステムである。

【００２４】また、請求項１３記載の発明は、請求項１
１記載の送信モジュールを用いる光データリンクシステ
ムである。

【００２５】また、請求項１４記載の発明は、請求項１
１記載の送信モジュールを用いる光インターコネクショ
ンシステムである。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２７】第１の実施形態本発明の第１の実施形態の半導体レーザ装置は、半導体
基板上に、電気的に励起される垂直共振器型面発光レー
ザが形成され、垂直共振器型面発光レーザ上に、垂直共
振器型面発光レーザからのレーザ光で光励起されて垂直
共振器型面発光レーザよりも長波長の光を放射するマイ
クロディスク構造またはマイクロシリンダ構造またはマ
イクロリング構造を有するマイクロキャビティレーザが
積層形成されていることを特徴としている。

【００２８】また、上記構成の半導体レーザ装置におい
て、マイクロディスク構造またはマイクロシリンダ構造
またはマイクロリング構造を有するマイクロキャビティ
レーザからの光を取り出す光導波路が、マイクロディス
クまたはマイクロシリンダまたはマイクロリングに結合
して形成されている（例えば、一体形成されている）こ
とを特徴としている。

【００２９】また、上記半導体レーザ装置を同一半導体
基板上に複数配置して半導体レーザアレイとする場合、
複数の半導体レーザ装置は、マイクロディスクまたはマ
イクロシリンダまたはマイクロリングの直径が異なって
いることを特徴としている。

【００３０】また、第１の実施形態の半導体レーザ装置
において、垂直共振器型面発光レーザは、Ａｌ_aＧａ_1-a
Ａｓ（０≦ａ＜ｂ）とＡｌ_bＧａ_1-bＡｓ（ａ＜ｂ≦１）
とを周期的に積層した半導体多層膜反射鏡と、Ｇａ_1-c
Ｉｎ_cＡｓ（０＜ｃ＜１）活性層とを含んでおり、半導
体基板としてのＧａＡｓ基板上に形成されていることを
特徴としている。

【００３１】また、第１の実施形態の半導体レーザ装置
を作製する場合、半導体基板上に、電気的に励起される
垂直共振器型面発光レーザと、マイクロディスク構造ま
たはマイクロシリンダ構造またはマイクロリング構造を
有するマイクロキャビティレーザとを、１回の結晶成長
でモノリシックに積層形成することを特徴としている。

【００３２】図１，図２，図３は第１の実施形態の具体
例を示す図であり、図１，図２，図３の例では半導体レ
ーザアレイとして構成されている場合が示されている。
すなわち、異なる発振波長λ₁，λ₂，λ₃のレーザ光を
放射する多波長半導体レーザアレイ１１８として構成さ
れている場合が示されている。なお、図１は平面図であ
り、図２は図１のＸ−Ｘ’線における断面図であり、図
３は図１のＹ−Ｙ’線における断面図である。

【００３３】図１を参照すると、この多波長半導体レー
ザアレイ１１８は、マイクロディスク構造１１６を含む
半導体レーザ装置が３素子（すなわち、ｃｈ１，ｃｈ
２，ｃｈ３の３素子）、同一基板上にモノリシックに集
積されて構成されている。なお、図１において、１１４
は、マイクロディスク構造１１６を含む半導体レーザ装
置に電流を注入するためのｐ側個別電極である。また、
１１７は、マイクロディスク構造１１６と結合して、マ
イクロディスク内でレーザ発振したレーザ光を外部に取
り出すための光導波路である。なお、図１の例では、半
導体レーザ装置の集積数を３素子としたが、３素子に限
らず、任意の集積数のものにすることができる。

【００３４】また、図２を参照すると、図１の多波長半
導体レーザアレイ１１８を構成する各半導体レーザ装置
ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３は、それぞれ、次の構造となっ
ている。すなわち、各半導体レーザ装置ｃｈ１，ｃｈ
２，ｃｈ３は、共通のｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、Ｇ
ａＡｓとＡｌＡｓを交互に積層して形成したｎ型半導体
多層膜反射鏡１０２と、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ下部スペー
サ層１０３と、圧縮歪ＧａＩｎＡｓを量子井戸層としＧ
ａＡｓを障壁層として構成した多重量子井戸活性層１０
４と、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ上部スペーサ層１０５と、Ｇ
ａＡｓとＡｌＡｓを交互に積層して形成したｐ型半導体
多層膜反射鏡１０６とが、順次に積層されて形成されて
いる。

【００３５】さらに、ｐ型半導体多層膜反射鏡１０６上
には、ＧａＡｓ光導波層１０７と、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下
部クラッド層１０８と、ＧａＡｓ下部障壁層１０９と、
圧縮歪ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層としＧａＡｓを障壁
層として構成した多重量子井戸活性層１１０と、ＧａＡ
ｓ上部障壁層１１１と、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド
層１１２とが積層されている。そして、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5
Ｐ上部クラッド層１１２からｐ型半導体多層膜反射鏡１
０６の最表面層であるｐ型ＧａＡｓ層までドライエッチ
ングされて円筒構造が形成され、更に、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5
Ｐ上部クラッド層１１２とＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッ
ド層１０８は、塩酸エッチング溶液を用いた化学エッチ
ングにより選択的にサイドエッチングされて円筒径が細
くなっている。これにより、マイクロディスク構造１１
６のレーザ部Ｂが形成されている。

【００３６】また、図２において、領域１１３は、マイ
クロディスク構造１１６の下側を除いて、ＧａＩｎＡｓ
／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４近傍にプロトンを
イオン注入して形成された半絶縁性領域である。また、
１１４は、前述したように、マイクロディスク構造１１
６の周辺で、ｐ型半導体多層膜反射鏡１０６の最表面の
ｐ型ＧａＡｓ層が露出した部分に形成されたｐ側個別電
極である。また、１１５は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の
裏面に形成されたｎ側共通電極である。

【００３７】換言すれば、この半導体レーザ装置では、
図２に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に積層さ
れたｎ型半導体多層膜反射鏡１０２からｐ型半導体多層
膜反射鏡１０６までと、ｐ側電極１１４，ｎ側電極１１
５とにより垂直共振器型面発光レーザ部（ＶＣＳＥＬ
部）Ａが構成され、また、ＧａＡｓ光導波層１０７から
Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド層１１２までの積層構造
によりマイクロディスク構造１１６のレーザ部Ｂが構成
され、垂直共振器型面発光レーザ部（ＶＣＳＥＬ部）Ａ
とマイクロディスク構造１１６のレーザ部Ｂとが積層方
向に集積されて構成されている。

【００３８】ここで、マイクロディスク構造１１６のレ
ーザ部Ｂの量子井戸活性層１１０は、ＧａＩｎＮＡｓ材
料で構成されている。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板
上に単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることができ
る材料であり、発光波長１．２〜１．６μｍが得られ
る。これにより、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の
バンドギャップ波長を約１．３μｍに設定することがで
き、この場合、石英系光ファイバの伝送損失が低い１．
３μｍ帯の長波長半導体レーザを得ることができる。

【００３９】なお、バンドギャップ波長が１．２μｍよ
りも長波長で、ＧａＡｓ基板上に単結晶でエピタキシャ
ル成長可能な材料としては、ＧａＩｎＮＡｓの他に、Ｇ
ａＡｓＮ，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳ
ｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ
量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ量子ドット，ＧａＩ
ｎＮＡｓＳｂ量子ドット等があり、これらの材料では、
発光波長１．２〜１．６μｍが得られる。従って、上記
材料をマイクロディスク構造のレーザ部Ｂの活性層１１
０として用いてもよい。

【００４０】換言すれば、ＧａＡｓ基板上には、１．２
μｍよりも短波長の垂直共振器型面発光レーザ、例えば
発振波長０．９８μｍのＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系
垂直共振器型面発光レーザと、発光波長１．２〜１．６
μｍのＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ，Ｇ
ａＩｎＮＡｓＳｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット，Ｇａ
（Ｉｎ）ＮＡｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ量子
ドット，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子ドットのいずれかで構
成された活性層とをモノリシックに集積することができ
る。これにより、石英系光ファイバの伝送損失が低い
１．３μｍまたは１．５５μｍ帯の長波長半導体レーザ
を形成することができる。

【００４１】また、発光波長１．２〜１．６μｍ帯の活
性層（マイクロディスク構造のレーザ部Ｂの活性層）と
して、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いる場合に
は、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長させたＧａＩｎ
ＡｓＰ／ＩｎＰ系マイクロディスク構造のレーザ部Ｂ
と、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＧ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬ部Ａとを、基板同士
を接着して集積することになる。

【００４２】また、図１に示すように、マイクロディス
ク構造１１６の側面には、マイクロディスクから光を外
部に取り出すための光導波路１１７が、マイクロディス
クに結合して、一体形成されている。図３を参照する
と、光導波路１１７は、ＧａＡｓ光導波層１０７をコア
とし、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層膜反射鏡１０
６を下側クラッドとし、空気を上側クラッドとして構成
されたスラブ導波路となっている。ＧａＡｓ光導波層１
０７は、マイクロディスク構造のレーザの発振波長約
１．３μｍに対して透明になっており、低損失のコアを
形成している。

【００４３】光導波路１１７は、次のような工程で作製
される。すなわち、マイクロディスク構造１１６を形成
するドライエッチングと同時に、マイクロディスク構造
１１６の積層構造表面からｐ型半導体多層膜反射鏡１０
６の最表面層であるｐ型ＧａＡｓ層までをドライエッチ
ングして、リッジストライプ形状を形成し、また、リッ
ジストライプ領域の積層構造もＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部ク
ラッド層１０８に達するまでドライエッチングして除去
し、その後、塩酸エッチング溶液を用いた化学エッチン
グによってＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド層１０８を完
全に除去して、ＧａＡｓ光導波層１０７のコアを作製す
ることができる。

【００４４】マイクロディスク構造１１６のレーザ部Ｂ
における円筒形状のＧａＡｓ光導波層１０７は、光導波
路１１７のＧａＡｓ光導波層１０７と接するように配置
されている。これにより、マイクロディスク構造１１６
のレーザ部Ｂで発振した光信号は、光導波路１１７と光
学的に結合して光導波路１１７を通って外部に取り出さ
れるようになっている。

【００４５】次に、このような構成の第１の実施形態の
半導体レーザ装置（半導体レーザアレイ）の動作につい
て説明する。ＶＣＳＥＬ部Ａにおいては、ｐ側電極１１
４から注入された電流は、プロトンイオン注入で形成さ
れた半絶縁性領域１１３によって電流狭窄され、半絶縁
性になっていないＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸
活性層１０４に流れ込み、発光再結合する。なお、ＶＣ
ＳＥＬ部ＡにおけるＧａＩｎＡｓ量子井戸層のバンドギ
ャップ波長は約０．９８μｍに設定され、ｎ型半導体多
層膜反射鏡１０２とｐ型半導体多層膜反射鏡１０６は、
波長０．９８μｍに対して９９％の高反射率を有するよ
うに設計されており、そして、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ下部
スペーサ層１０３からＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ上部スペーサ
層１０５は、波長０．９８μｍのλ共振器を構成するよ
うに層厚が調整されている。この場合、ＧａＩｎＡｓ／
ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４で発光再結合して生
じた光は、上下の半導体多層膜反射鏡１０２，１０６間
に閉じ込められて共振し、波長０．９８μｍのレーザ光
をｎ型ＧａＡｓ基板１０１に対して垂直方向に放射する
ことができる。

【００４６】ＶＣＳＥＬ部Ａで放射されたレーザ光は、
ＶＣＳＥＬ部Ａ上に積層形成されているマイクロディス
ク構造のレーザ部Ｂに入射する。マイクロディスク構造
のレーザ部ＢにおけるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量
子井戸活性層１１０のバンドギャップ波長は約１．３μ
ｍとなっており、ＶＣＳＥＬ部Ａの発振波長よりも長波
長となっている。そして、ＧａＡｓ光導波層１０７、Ｇ
ａＡｓ障壁層１０９，１１１、及び、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
クラッド層１０８，１１２のバンドギャップ波長は、Ｖ
ＣＳＥＬ部Ａの発振波長よりも短波長であり、透明であ
る。従って、マイクロディスク構造のレーザ部ＢのＧａ
ＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１１０では、
ＶＣＳＥＬ部Ａから放射されたレーザ光が効率よく吸収
されてキャリアを発生し、そのキャリアが再び発光再結
合して波長約１．３μｍの光を発生する。ＧａＩｎＮＡ
ｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１１０で発生した光
は、マイクロディスクの外周と空気の界面で全反射し、
マイクロディスクの外周に沿って周回しながら共振し、
レーザ発振する（ホイスパリング・ギャラリモード）。

【００４７】このように、マイクロディスク構造のレー
ザ部Ｂは、集積されたＶＣＳＥＬ部Ａにより光励起され
て動作する。従って、ＶＣＳＥＬ部Ａの光出力を電気的
に制御することにより、マイクロディスク構造のレーザ
部Ｂの光出力も制御可能である。従って、この半導体レ
ーザ装置では、マイクロディスク構造のレーザ部Ｂの光
出力を電気的に変調したり、ＡＰＣ動作させることが可
能となる。

【００４８】また、マイクロディスク構造のレーザ部Ｂ
とＶＣＳＥＬ部Ａはモノリシックに集積されており、１
回の結晶成長で積層構造を形成することができる。従っ
て、マイクロディスク構造のレーザ部ＢとＶＣＳＥＬ部
Ａをアライメントしてディスクリートに構成したり、そ
れぞれ別々の基板に形成した後に基板接着させる等の工
程を行う必要がなく、製造工程が簡単となっている。

【００４９】また、閾電流密度が低く量子効率が高い高
性能のＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系ＶＣＳＥＬを
光励起用光源に用い、この光励起用光源に近接して閾光
密度の低いマイクロディスク構造のレーザを配置して動
作させているので、ファブリーペロ型半導体レーザやＤ
ＦＢレーザと比較して、消費電力を抑制することができ
る。

【００５０】また、上述した例では、ｎ型半導体多層膜
反射鏡１０２，ｐ型半導体多層膜反射鏡１０６は、最も
屈折率差が大きく取れるＧａＡｓとＡｌＡｓを交互に積
層して形成されている。従って、２０周期程度と比較的
少ない周期で９９％の高反射率が得られる。また、Ｇａ
ＡｓとＡｌＡｓは２元化合物半導体であり、熱抵抗が小
さいため、半導体多層膜反射鏡の放熱特性が良好であ
る。さらに、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＡｌ_0.2Ｇａ_0.8
Ａｓスペーサ層では伝導帯バンド不連続が約３００ｍｅ
Ｖと大きくとれるため、量子井戸層に電子を有効に閉じ
込めることができる。従って、ＶＣＳＥＬの特性温度は
１５０〜２００Ｋと高い値が得られる。そのため、図２
に示した半導体レーザ装置においては、閾電流の温度変
化を抑制して、高温でも低消費電力で動作させることが
できる。

【００５１】また、マイクロディスク構造のレーザにお
いては、共振器は、マイクロディスクの周囲を周回する
ホイスパリング・ギャラリモードで構成される。従っ
て、マイクロディスクの直径を変えることにより共振器
長を変えて、マイクロディスク構造のレーザの発振波長
を変えることができる（発振波長を異にすることができ
る）。図１に示した半導体レーザアレイにおいては、各
半導体レーザ装置（素子）ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３ごと
にマイクロディスクの直径をｄ₁，ｄ₂，ｄ₃と変えるこ
とにより、ぞれぞれ異なる発振波長λ₁，λ₂，λ₃が得
られる。これにより、モノリシックに集積した多波長半
導体レーザアレイ１１８を作製できる。例えば、マイク
ロディスクの直径を４〜６μｍと変えることにより、マ
イクロディスク構造のレーザの発振波長を１．２８〜
１．３２μｍの範囲で変化させることができる。

【００５２】マイクロディスクの大きさは、マスクパタ
ーンを変えることにより、基板面内で素子ごとに変える
ことができる（すなわち、マイクロディスクの直径を基
板面内で変えることにより共振器長を変えて、１枚の基
板上に発振波長の異なるマイクロディスク構造のレーザ
をモノリシックに形成できる。このとき、マイクロディ
スクの直径は、１回のマスク形成とエッチング工程によ
り基板面内で変えることができる。）。従って、１回の
マスク形成とドライエッチング工程でモノリシック集積
した多波長半導体レーザアレイを作製することができ、
製造工程が容易となっている。

【００５３】なお、上述の例では、ホイスパリング・ギ
ャラリモードで発振するレーザ構造として、マイクロデ
ィスク構造を採用しているが、マイクロディスク構造の
かわりにマイクロシリンダ構造やマイクロリング構造等
を用いても、マイクロディスク構造を用いる場合と同様
の作用効果を得ることができ、同様に多波長半導体レー
ザアレイを形成できる。すなわち、マイクロシリンダ構
造やマイクロリング構造を用いる場合、マイクロシリン
ダ，マイクロリングの大きさは、マスクパターンを変え
ることにより、基板面内で素子ごとに変えることができ
る（すなわち、マイクロシリンダ，マイクロリングの直
径を基板面内で変えることにより共振器長を変えて、１
枚の基板上に発振波長の異なるマイクロシリンダ構造，
マイクロリング構造のレーザをモノリシックに形成でき
る。このとき、マイクロシリンダ，マイクロリングの直
径は、１回のマスク形成とエッチング工程により基板面
内で変えることができる。）。従って、１回のマスク形
成とドライエッチング工程でモノリシック集積した多波
長半導体レーザアレイを作製することができ、製造工程
が容易となっている。

【００５４】また、光導波路１１７を導波したレーザ光
は、平面光回路（ＰＬＣ）と容易に結合させることが可
能である。例えば、マイクロディスク構造のレーザから
の光信号を光増幅器で増幅して伝送させたり、光変調器
を集積して外部変調により１０ＧＨｚ以上の高速変調を
行うことができる。また、光導波路の光信号の一部を受
光素子でモニターして、マイクロディスク構造のレーザ
からの光出力が一定になるように励起用ＶＣＳＥＬの駆
動電流を制御することもできる。また、波長の異なる光
信号を光合流器で合流させて、１本の光ファイバに結合
させることも可能となる。

【００５５】第２の実施形態本発明の第２の実施形態の半導体レーザ装置は、半導体
基板上に、電気的に励起される垂直共振器型面発光レー
ザが形成され、垂直共振器型面発光レーザ上に、活性層
の上下がクラッド層ではさまれたダブルヘテロ構造が水
平方向に２次元周期構造を形成するよう配置された２次
元フォトニック結晶が積層形成されており、２次元フォ
トニック結晶は垂直共振器型面発光レーザからのレーザ
光で光励起されて垂直共振器型面発光レーザよりも長波
長のレーザ光を放射するようになっていることを特徴と
している。

【００５６】また、上記構成の半導体レーザ装置におい
て、２次元フォトニック結晶から放射されるレーザ光を
取り出すフォトニック結晶光導波路が、前記２次元フォ
トニック結晶に一体形成されていることを特徴としてい
る。

【００５７】また、上記半導体レーザ装置を同一半導体
基板上に複数配置して半導体レーザアレイとする場合、
複数の半導体装置は、２次元フォトニック結晶の周期構
造が異なっていることを特徴としている。

【００５８】また、第２の実施形態の半導体レーザ装置
においても、垂直共振器型面発光レーザは、Ａｌ_aＧａ
_1-aＡｓ（０≦ａ＜ｂ）とＡｌ_bＧａ_1-bＡｓ（ａ＜ｂ≦
１）とを周期的に積層した半導体多層膜反射鏡と、Ｇａ
_1-cＩｎ_cＡｓ（０＜ｃ＜１）活性層とを含んでおり、半
導体基板としてのＧａＡｓ基板上に形成されていること
を特徴としている。

【００５９】また、第２の実施形態の半導体レーザ装置
を作製する場合、半導体基板上に、電気的に励起される
垂直共振器型面発光レーザと、２次元フォトニック結晶
とを、１回の結晶成長でモノリシックに積層形成するこ
とを特徴としている。

【００６０】図４，図５，図６は、第２の実施形態の具
体例を示す図であり、図４，図５，図６の例では、半導
体レーザアレイとして構成されている場合が示されてい
る。すなわち、異なる発振波長λ₁，λ₂，λ₃のレーザ
光を放射する多波長半導体レーザアレイ２０６として構
成されている場合が示されている。なお、図４は平面図
であり、図５は図４のＸ−Ｘ’線における断面図であ
り、図６は図４のＹ−Ｙ’線における断面図である。

【００６１】図４を参照すると、この多波長半導体レー
ザアレイ２０６は、２次元フォトニック結晶を含む半導
体レーザ装置２０３が３素子（すなわち、ｃｈ１，ｃｈ
２，ｃｈ３の３素子）、同一基板上にモノリシックに集
積されて構成されている。なお、図４において、１１４
は、半導体レーザ装置に電流を注入するためのｐ側個別
電極である。また、２０５は、レーザ発振した光を外部
に取り出すためのフォトニック結晶光導波路である。

【００６２】また、図５を参照すると、多波長半導体レ
ーザアレイ２０６を構成する各半導体レーザ装置ｃｈ
１，ｃｈ２，ｃｈ３は、それぞれ、次の構造となってい
る。なお、図５において図２と同様の箇所には同じ符号
を付している。すなわち、各半導体レーザ装置ｃｈ１，
ｃｈ２，ｃｈ３は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、図２
の半導体レーザ装置と同様に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
半導体多層膜反射鏡１０２と、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ下部
スペーサ層１０３と、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子
井戸活性層１０４と、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ上部スペーサ
層１０５と、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層膜反射
鏡１０６とが、順次に積層されて形成されている。

【００６３】さらに、ｐ型半導体多層膜反射鏡１０６上
には、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド層１０８と、Ｇａ
Ａｓ光導波層２０１と、圧縮歪ＧａＩｎＮＡｓを量子井
戸層としＧａＡｓを障壁層として構成した多重量子井戸
活性層１１０と、ＧａＡｓ障壁層２０２と、Ｇａ_0.5Ｉ
ｎ_0.5Ｐ上部クラッド層１１２とが積層されている。そ
して、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド層１１２からｐ型
半導体多層膜反射鏡１０６の最表面層であるｐ型ＧａＡ
ｓ層までドライエッチングされて六角柱構造が形成さ
れ、六角柱構造部には微小径の円筒形状の空気ホールが
ダイヤモンド格子を組んで２次元的に配置されている。
これにより、フォトニックバンドを有する２次元フォト
ニック結晶が形成されている。

【００６４】また、図５において、領域１１３は、六角
柱構造の下側を除いて、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量
子井戸活性層１０４近傍にプロトンをイオン注入して形
成された半絶縁性領域である。また、１１４は、六角柱
構造の周辺で、ｐ型半導体多層膜反射鏡１０６の最表面
のｐ型ＧａＡｓ層が露出した部分に形成されたｐ側個別
電極である。また、１１５は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１
の裏面に形成されたｎ側共通電極である。

【００６５】換言すれば、この半導体レーザ装置では、
図５に示すように、ＶＣＳＥＬ部Ａとフォトニック結晶
のレーザ部Ｂが、積層方向に集積されて構成されてい
る。ＶＣＳＥＬ部Ａの構造は第１の実施形態と同様であ
り、ｐ側電極１１４とｎ側電極１１５間に通電すること
により、波長０．９８μｍのレーザ光をｎ型ＧａＡｓ基
板１０１に対して垂直方向に放射することができる。

【００６６】また、フォトニック結晶を含む半導体レー
ザ装置２０３の側面には、図４に示すように、光を外部
に取り出すための光導波路２０５が一体形成されてい
る。光導波路２０５は、中央の光導波領域が２次元フォ
トニック結晶で囲まれたフォトニック結晶光導波路とな
っている。フォトニック結晶は、空気ホールが２次元ダ
イヤモンド格子状に並んで形成されており、空気ホール
の格子間隔は、導波するレーザ波長に対して高反射率に
なるように設計されている。

【００６７】図６を参照すると、フォトニック結晶光導
波路２０５は、垂直方向においては、ＧａＡｓ光導波層
２０１をコアとし、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド層１
０８を下側クラッドとし、空気を上側クラッドとして構
成したスラブ導波路となっている。ＧａＡｓ光導波層２
０１は、フォトニック結晶のレーザの発振波長約１．３
μｍに対して透明になっており、低損失のコアを形成し
ている。

【００６８】また、図４を参照すると、六角柱構造のフ
ォトニック結晶レーザにおいて、一部格子のない直線状
の光導波領域２０４が形成されている。光導波領域２０
４は、フォトニック結晶光導波路２０５とＴ字形に接続
されている。

【００６９】次に、このような構成の第２の実施形態の
半導体レーザ装置（半導体レーザアレイ）の動作につい
て説明する。ＶＣＳＥＬ部Ａで放射された光は、ＶＣＳ
ＥＬ部Ａ上に積層形成されているフォトニック結晶のレ
ーザ部Ｂに入射する。フォトニック結晶のレーザ部Ｂに
おけるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１
１０のバンドギャップ波長は約１．３μｍとなってお
り、ＶＣＳＥＬ部Ａの発振波長よりも長波長となってい
る。そして、ＧａＡｓ光導波層２０１、ＧａＡｓ障壁層
２０２、及び、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層１０８，１
１２のバンドギャップ波長は、ＶＣＳＥＬ部Ａの発振波
長よりも短波長であり、透明となっている。そのため、
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１１０で
は、ＶＣＳＥＬ部Ａから放射されたレーザ光が効率よく
吸収されてキャリアを発生し、そのキャリアが再び発光
再結合して波長約１．３μｍの光を周囲に放射する。Ｇ
ａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１１０で発
生した光は、空気ホールと半導体スラブ構造が２次元ダ
イヤモンド格子状に並んだ２次元フォトニック結晶を伝
播する過程で、フォトニック結晶の格子間隔ａに対応し
た波長が反射されて帰還される。そして、中央のフォト
ニック結晶格子がない欠陥領域に光が局在して増幅さ
れ、レーザ発振する。

【００７０】フォトニック結晶のレーザ部Ｂで発振した
レーザ光は、光導波領域２０４を通ってフォトニック結
晶光導波路２０５のＧａＡｓ光導波層コア２０１に結合
する。光導波領域２０４とフォトニック結晶光導波路２
０５は直角に接続されているが、フォトニック結晶固有
の特性により、低損失で光結合させることが可能であ
る。そして、フォトニック結晶光導波路２０５を導波し
たレーザ光は、光増幅器，光変調器，受光素子，分岐型
光スイッチ，光合流器等を備えたＰＬＣに容易に結合さ
せることができる。

【００７１】このように、フォトニック結晶のレーザ部
Ｂは、モノリシックに集積されたＶＣＳＥＬ部Ａにより
光励起されて動作する。従って、ＶＣＳＥＬ部Ａの光出
力を電気的に制御することにより、フォトニック結晶の
レーザ部Ｂの光出力も制御可能である。従って、この半
導体レーザ装置では、フォトニック結晶のレーザ部Ｂの
光出力を電気的に変調したり、ＡＰＣ動作させることが
可能となる。

【００７２】また、フォトニック結晶のレーザ部ＢとＶ
ＣＳＥＬ部Ａはモノリシックに集積されており、１回の
結晶成長で積層構造を形成することができる。従って、
製造工程が簡単となっている。

【００７３】また、閾電流密度が低く量子効率や特性温
度が高い高性能のＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系Ｖ
ＣＳＥＬを光励起用光源に用い、この光励起用光源に近
接して閾光密度の低いフォトニック結晶のレーザを配置
して動作させているので、消費電力を抑制することがで
きる。

【００７４】また、この第２の実施形態の半導体レーザ
装置においては、発振波長は、フォトニック結晶を構成
する空気ホールの格子間隔ａ（図５を参照）で決定され
る。従って、フォトニック結晶の格子間隔ａを変えるこ
とで、フォトニック結晶のレーザの発振波長は変化する
（すなわち、２次元フォトニック結晶の周期を変えるこ
とにより、反射帰還する光の波長を変えて、フォトニッ
ク結晶レーザの発振波長を変化させることができる）。
そこで、図４に示した半導体レーザアレイにおいては、
各半導体レーザ装置（素子）ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３ご
とにフォトニック結晶の格子間隔ａを変えることによ
り、ぞれぞれ異なる発振波長λ₁，λ₂，λ ₃が得られ
る。これにより、モノリシックに集積された多波長半導
体レーザアレイ２０６を提供できる。

【００７５】なお、フォトニック結晶の格子間隔ａは、
マスクパターンを変えることにより、基板面内で半導体
レーザ装置（素子）ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３ごとに変え
ることができる。従って、１回のマスク形成とドライエ
ッチング工程で、モノリシック集積された多波長半導体
レーザアレイを作製することができ、製造工程が容易と
なっている。

【００７６】すなわち、２次元フォトニック結晶の周期
を素子によって変えることにより、反射帰還する光の波
長を変えて、１枚の基板上に発振波長の異なるフォトニ
ック結晶レーザをモノリシックに形成できる。このと
き、２次元フォトニック結晶の周期構造は、１回のマス
ク形成とエッチング工程により基板面内で変えることが
できるので、モノリシック集積された多波長半導体レー
ザアレイを作製することができ、製造工程が容易となっ
ている。

【００７７】なお、上述の例では、２次元フォトニック
結晶で分布帰還型レーザを構成しているが、フォトニッ
ク結晶ミラーで囲まれた微小リング共振器を構成し、ホ
イスパリング・ギャラリモードでレーザ発振させ、多波
長半導体レーザアレイを形成することもできる。

【００７８】また、バンドギャップ波長が１．２μｍよ
りも長波長で、ＧａＡｓ基板上に単結晶でエピタキシャ
ル成長可能な材料としては、ＧａＩｎＮＡｓの他に、Ｇ
ａＡｓＮ，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳ
ｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ
量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ量子ドット，ＧａＩ
ｎＮＡｓＳｂ量子ドット等があり、これらの材料では、
発光波長１．２〜１．６μｍが得られる。従って、上記
材料をフォトニック結晶のレーザ部Ｂの活性層１１０と
して用いてもよい。

【００７９】換言すれば、ＧａＡｓ基板上には、１．２
μｍよりも短波長の垂直共振器型面発光レーザ、例えば
発振波長０．９８μｍのＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系
垂直共振器型面発光レーザと、発光波長１．２〜１．６
μｍのＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ，Ｇ
ａＩｎＮＡｓＳｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット，Ｇａ
（Ｉｎ）ＮＡｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ量子
ドット，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子ドットのいずれかで構
成された活性層とをモノリシックに集積することができ
る。これにより、石英系光ファイバの伝送損失が低い
１．３μｍまたは１．５５μｍ帯の長波長半導体レーザ
を形成することができる。

【００８０】第３の実施形態本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態
の半導体レーザ装置または半導体レーザアレイを用いた
波長多重分割方式用の送信モジュールであり、また、こ
の波長多重分割方式用の送信モジュールを用いたローカ
ルエリアネットワークシステムまたは光データリンクシ
ステムまたは光インターコネクションシステムである。

【００８１】図７は、本発明の半導体レーザ装置（多波
長半導体レーザアレイ）を適用した光伝送システムの構
成例を示す図である。図７を参照すると、この光伝送シ
ステムは、サーバ３０１と、サーバ３０１側の送受信モ
ジュール３０２と、２芯光ファイバケーブル３０３と、
相手側の送受信モジュール３０４と、スイッチングハブ
３０５とにより構成されている。

【００８２】ここで、サーバ３０１側の送受信モジュー
ル３０２は、送信モジュール３０６と、受信モジュール
３０７とを備えている。また、相手側の送受信モジュー
ル３０４は、受信モジュール３０８と、送信モジュール
３０９とを備えている。

【００８３】このような構成の光伝送モジュールでは、
サーバ３０１からの電気的データ信号は、送受信モジュ
ール３０２中の送信モジュール３０６で光信号に変換さ
れ、石英光ファイバ３１０を通って相手側に伝送され
る。そして、相手側の送受信モジュール３０４中の受信
モジュール３０８で再び電気信号に変換されて、スイッ
チングハブ３０５に送られる。また、同様に、スイッチ
ングハブ３０５からの信号も、送信モジュール３０９，
石英光ファイバ３１０，受信モジュール３０７を通って
サーバ３０１に伝送される。図７の例では、伝送媒体と
して２芯光ファイバケーブル３０３を用いており、送信
と受信で別々の光ファイバを使用して双方向通信を行っ
ている。

【００８４】ところで、図７の光伝送システムでは、１
本の光ファイバを伝送する光信号は、例えば４つの異な
る波長λ₁〜λ₄の光が同時に伝送される波長多重分割
（ＷＤＭ）方式を用いている。各波長の光信号は１０Ｇ
Ｈｚで変調されており、片道最大４０Ｇｂｐｓの伝送容
量を有している。

【００８５】図８は、図７の送信モジュール３０６また
は３０９の構成例を示す図である。図８を参照すると、
送信モジュールは、回路基板４０１と、４波長半導体レ
ーザ（ＬＤ）アレイ４０３と、４波長半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）アレイ４０３の光出力をモニターする受光（ＰＤ）
アレイ４０２と、波長の異なる光を合流して１本の光フ
ァイバ４０５に結合させる光合流器４０４とから構成さ
れている。

【００８６】送信モジュールに送られてくる電気信号Ｅ
は、８ビット〜６４ビットのパラレル信号となってい
る。回路基板４０１中のパラレル／シリアル変換回路
（Ｐ／Ｓ）４０６では、８〜６４ビットのパラレル信号
を４本のパラレル信号に変換する。ＬＤ駆動回路（Ｄｒ
ｖ）４０７では、変換された信号に応じてＬＤ４０９を
直接強度変調するようにＬＤ４０９を駆動する。変調周
波数は、１０Ｇｂｐｓとなっている。ＬＤアレイ４０３
中の各ＬＤ４０９は、ＬＤ駆動回路（Ｄｒｖ）４０７か
らの駆動電流によってレーザ光を放射し、電気信号を光
信号に変換する。

【００８７】ＰＤアレイ４０２は、ＬＤアレイ４０３の
各ＬＤ４０９からの光出力をモニターする４素子のＩｎ
ＧａＡｓピンダイオード（ＰＤ）４０８から構成され
ている。ＰＤアレイ４０２では、ＬＤアレイ４０９から
の光出力の１部が光導波路によって導波されてＰＤ４０
８に入力される。ＩｎＧａＡｓピンダイオード４０８
は、ＬＤ４０９の光出力を受光してモニター電流に変換
する。ＬＤ駆動回路（Ｄｒｖ）４０７では、ＩｎＧａＡ
ｓピンダイオード（ＰＤ）４０８からのモニター電流
が一定値となるようにＬＤ４０９の駆動電流を制御する
ことにより、光出力を安定化させている。

【００８８】ＬＤアレイ４０３の各ＬＤ４０９からの光
信号は光導波路を通って光合流器４０４に入力され、光
合流器４０４で合流して１本の光ファイバ４０５から光
信号Ｏとして出力される。ここで、光合流器４０４とし
ては、例えばＡＷＧ（ａｒｒａｙｅｄｗａｖｅｇｕｉ
ｄｅｇｒａｔｉｎｇ）やＦＢＧ（ｆｉｂｅｒＢｒａ
ｇｇｇｒａｔｉｎｇ）等の素子を用いることができ
る。

【００８９】図８の多波長半導体レーザアレイ４０３に
は、第１または第２の実施形態の半導体レーザアレイを
用いることができる。例えば、各ＬＤ４０９には、図
１，図２，図３に示したようなＶＣＳＥＬ部Ａ上にマイ
クロディスク構造のレーザ部Ｂが積層された半導体レー
ザ装置を用いることができる。この場合、モノリシック
に集積されたマイクロディスク構造のレーザ（図８の４
つのＬＤ４０９）は、発振波長が１２９０ｎｍ，１３０
０ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍと異なるようにマ
イクロディスクの直径を変えて作製されている。そし
て、ＬＤ駆動回路（Ｄｒｖ）４０７からの駆動電流は、
ＶＣＳＥＬ部Ａを駆動してＶＣＳＥＬ部Ａを９８０ｎｍ
でレーザ発振させ、ＶＣＳＥＬ部Ａからのレーザ光は、
モノリシックに集積されたマイクロディスク構造のレー
ザ部Ｂを光励起して１．３μｍ帯でレーザ発振させる。

【００９０】このように、送信モジュール３０６，３０
９には、第１または第２の実施形態に示した温度特性が
良好で低消費電力の半導体レーザ装置（半導体レーザア
レイ）が用いられている。従って、送信モジュール３０
６，３０９の消費電力も低減することができる。また、
第１または第２の実施形態のモノリシック集積多波長半
導体レーザアレイは、製造工程が容易となっている。そ
のため、半導体レーザアレイの製造コストを低減して、
低コストの送信モジュール３０６，３０９を作製するこ
とができる。

【００９１】さらに、図７に示した光伝送システムは、
低消費電力で低コストの波長多重分割（ＷＤＭ）方式の
送信モジュールを用いているので、４０Ｇｂｐｓの高速
伝送を低消費電力，低コストで実現することができる。

【００９２】なお、図７の例では、サーバ３０１とスイ
ッチングハブ３０５を接続するローカルエリアネットワ
ーク（ＬＡＮ）の場合について示されているが、本発明
の半導体レーザ装置（半導体レーザアレイ）は、ＬＡＮ
だけでなく、情報機器間を接続するインターフェース
や、ボード間を接続する光インターコネクション、また
はボード内光インターコネクション等の様々なＷＤＭ光
伝送システムに適用することが可能である。すなわち、
光データリンクシステムまたは光インターコネクション
システムに適用可能である。

【００９３】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項３，請求項７，請求項８記載の発明によれば、半導
体基板上に、電気的に励起される垂直共振器型面発光レ
ーザが形成され、垂直共振器型面発光レーザ上に、垂直
共振器型面発光レーザからのレーザ光で光励起されて垂
直共振器型面発光レーザよりも長波長の光を放射するマ
イクロディスク構造またはマイクロシリンダ構造または
マイクロリング構造を有するマイクロキャビティレーザ
が積層形成されているので、波長多重分割方式の光伝送
に適し、製造が容易であり、低消費電力であり、電気的
に制御可能な半導体レーザ装置および半導体レーザアレ
イを提供することができる。

【００９４】すなわち、マイクロディスク構造またはマ
イクロシリンダ構造またはマイクロリング構造を有する
マイクロキャビティレーザは、エピタキシャル成長また
は基板接着等によって集積された垂直共振器型面発光レ
ーザにより光励起されて動作する。垂直共振器型面発光
レーザは電気的に励起可能であるため、垂直共振器型面
発光レーザの光出力を電気的に制御することにより、マ
イクロディスク構造またはマイクロシリンダ構造または
マイクロリング構造を有するマイクロキャビティレーザ
の光出力も制御することができる。

【００９５】さらに、閾電流密度の低い垂直共振器型面
発光レーザを光励起用光源に用い、励起光源に近接して
閾光密度の低いマイクロディスク構造またはマイクロシ
リンダ構造またはマイクロリング構造を有するマイクロ
キャビティレーザが集積されていることにより、半導体
レーザの消費電力を抑制することができる。

【００９６】特に、請求項２記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体レーザ装置において、マイクロディス
ク構造またはマイクロシリンダ構造またはマイクロリン
グ構造を有するマイクロキャビティレーザからの光を取
り出す光導波路が、マイクロディスクまたはマイクロシ
リンダまたはマイクロリングに結合して形成されている
ので、光回路との集積を容易にすることができる。具体
的に、光導波路を導波したレーザ光を、光増幅器，光変
調器，受光素子，分岐スイッチ，光合流器等の機能を有
する平面光回路と容易に結合させることができる。

【００９７】また、請求項３記載の発明によれば、請求
項１または請求項２記載の半導体レーザ装置を同一半導
体基板上に複数配置した半導体レーザアレイであって、
複数の半導体レーザ装置は、マイクロディスクまたはマ
イクロシリンダまたはマイクロリングの直径が異なって
いるので、製造工程が容易であり、低消費電力であり、
電気的に個別制御できるモノリシックの多波長半導体レ
ーザアレイを提供することができる。

【００９８】また、請求項４乃至請求項７，請求項９記
載の発明によれば、半導体基板上に、電気的に励起され
る垂直共振器型面発光レーザが形成され、垂直共振器型
面発光レーザ上に、活性層の上下がクラッド層ではさま
れたダブルヘテロ構造が水平方向に２次元周期構造を形
成するよう配置された２次元フォトニック結晶が積層形
成されており、２次元フォトニック結晶は垂直共振器型
面発光レーザからのレーザ光で光励起されて垂直共振器
型面発光レーザよりも長波長のレーザ光を放射するよう
になっているので、波長多重分割方式の光伝送に適し、
製造が容易であり、低消費電力であり、電気的に制御可
能な半導体レーザ装置および半導体レーザアレイを提供
することができる。

【００９９】すなわち、フォトニック結晶レーザは、エ
ピタキシャル成長または基板接着等により集積された垂
直共振器型面発光レーザにより光励起されて動作する。
垂直共振器型面発光レーザは電気的に励起可能であるた
め、垂直共振器型面発光レーザの光出力を電気的に制御
することにより、フォトニック結晶レーザの光出力も制
御することができる。

【０１００】さらに、閾電流密度の低い垂直共振器型面
発光レーザを光励起用光源に用い、励起光源に近接して
閾光密度の低いフォトニック結晶レーザが集積されてい
ることにより、半導体レーザの消費電力を抑制すること
ができる。

【０１０１】特に、請求項５記載の発明によれば、請求
項４記載の半導体レーザ装置において、２次元フォトニ
ック結晶から放射されるレーザ光を取り出すフォトニッ
ク結晶光導波路が、前記２次元フォトニック結晶に一体
形成されているので、光回路との集積を容易にすること
ができる。具体的に、フォトニック結晶光導波路を導波
したレーザ光を、光増幅器，光変調器，受光素子，分岐
スイッチ，光合流器等の機能を有する平面光回路と容易
に結合させることができる。また、フォトニック結晶光
導波路は、低損失の９０°曲がり導波路を形成すること
ができるため、光回路をより小型化することもできる。

【０１０２】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項４または請求項５記載の半導体レーザ装置を同一半導
体基板上に複数配置した半導体レーザアレイであって、
複数の半導体装置は、２次元フォトニック結晶の周期構
造が異なっているので、製造工程が容易であり、低消費
電力であり、電気的に個別制御できるモノリシックの多
波長半導体レーザアレイを提供することができる。

【０１０３】また、請求項７記載の発明によれば、Ａｌ
_aＧａ_1-aＡｓ（０≦ａ＜ｂ）とＡｌ _bＧａ_1-bＡｓ（ａ＜
ｂ≦１）とを周期的に積層した半導体多層膜反射鏡と、
Ｇａ _1-cＩｎ_cＡｓ（０＜ｃ＜１）活性層とを含んだ垂直
共振器型面発光レーザを用いることにより、垂直共振器
型面発光レーザの動作電流の温度変化を抑制して、低消
費電力の半導体レーザを形成することができる。すなわ
ち、Ａｌ_aＧａ_1-aＡｓ（０≦ａ＜ｂ）とＡｌ_bＧａ_1-bＡ
ｓ（ａ＜ｂ≦１）を周期的に積層した半導体多層膜反射
鏡では、Ａｌ_aＧａ_1-aＡｓ（０≦ａ＜ｂ）層とＡｌ_bＧ
ａ_1-bＡｓ（ａ＜ｂ≦１）層との屈折率差を大きくとれ
るため、比較的少ない周期で高反射率を得ることができ
る。また、半導体多層膜反射鏡の熱抵抗もＡｌＧａＩｎ
Ｐ系材料やＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた場合に比べて
小さくできる。さらに、Ｇａ_1-cＩｎ_cＡｓ（０＜ｃ＜
１）活性層とＡｌ_bＧａ_1-bＡｓ（ａ＜ｂ≦１）層では伝
導帯バンド不連続が大きくとれるため、活性層に電子を
有効に閉じ込めることができる。従って、垂直共振器型
面発光レーザの動作電流の温度変化を抑制して、低消費
電力の半導体レーザを形成することができる。

【０１０４】また、請求項８記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体レーザ装置において、マイクロディス
ク構造またはマイクロシリンダ構造またはマイクロリン
グ構造を有するマイクロキャビティレーザの活性層が、
Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ，ＧａＩｎ
ＮＡｓＳｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉ
ｎ）ＮＡｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ量子ドッ
ト，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子ドットのいずれかで構成さ
れており、マイクロディスク構造またはマイクロシリン
ダ構造またはマイクロリング構造を有するマイクロキャ
ビティレーザの発振波長が１．２μｍよりも長波長であ
るので、石英系光ファイバの伝送損失が低い１．３μｍ
または１．５５μｍ帯の長波長半導体レーザを形成する
ことができる。

【０１０５】また、請求項９記載の発明によれば、請求
項４記載の半導体レーザ装置において、２次元フォトニ
ック結晶の活性層が、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉ
ｎ）ＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ
量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉ
ｎ）ＡｓＳｂ量子ドット，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子ドッ
トのいずれかで構成されており、フォトニック結晶レー
ザの発振波長が１．２μｍよりも長波長であるので、石
英系光ファイバの伝送損失が低い１．３μｍまたは１．
５５μｍ帯の長波長半導体レーザを形成することができ
る。

【０１０６】また、請求項１０記載の発明によれば、半
導体基板上に、電気的に励起される垂直共振器型面発光
レーザと、マイクロディスク構造またはマイクロシリン
ダ構造またはマイクロリング構造を有するマイクロキャ
ビティレーザ、または、２次元フォトニック結晶とを、
１回の結晶成長でモノリシックに積層形成するので、製
造工程をさらに簡単にすることができる。

【０１０７】また、請求項１１記載の発明によれば、請
求項１，請求項２，請求項４，請求項５，請求項７，請
求項８，請求項９のいずれか一項に記載の半導体レーザ
装置、または、請求項３または請求項６記載の半導体レ
ーザアレイを用いて波長多重分割方式の光伝送が可能に
構成されており、低消費電力で製造工程が容易な多波長
半導体レーザ（アレイ）を用いて波長多重分割方式用の
送信モジュールを構成できるので、低消費電力で低コス
トの波長多重分割方式用送信モジュールを提供すること
ができる。

【０１０８】また、請求項１２，請求項１３，請求項１
４記載の発明によれば、請求項１１記載の低消費電力で
低コストの送信モジュールを用いてローカルエリアネッ
トワークシステムおよび光データリンクシステムおよび
光インターコネクションシステムを構成しているので、
低消費電力で低コストの、波長分割多重方式を用いたロ
ーカルエリアネットワークシステムおよび光データリン
クシステムおよび光インターコネクションシステムを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の半導体レーザアレイ
の構成例を示す図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ’線における断面図である。

【図３】図１のＹ−Ｙ’線における断面図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の半導体レーザアレイ
の構成例を示す図である。

【図５】図４のＸ−Ｘ’線における断面図である。

【図６】図４のＹ−Ｙ’線における断面図である。

【図７】本発明の半導体レーザ装置（多波長半導体レー
ザアレイ）を適用した光伝送システムの構成例を示す図
である。

【図８】図７の送信モジュールの構成例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０１ｎ型ＧａＡｓ基板１０２ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層膜反射
鏡１０３Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ下部スペーサ層１０４ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性
層１０５Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ上部スペーサ層１０６ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層膜反射
鏡１０７ＧａＡｓ光導波層１０８Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド層１０９ＧａＡｓ下部障壁層１１０ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活
性層１１１ＧａＡｓ上部障壁層１１２Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド層１１３プロトンイオン注入半絶縁性領域１１４ｐ側個別電極１１５ｎ側共通電極１１６マイクロディスク構造１１７光導波路１１８半導体レーザアレイ２０１ＧａＡｓ光導波層２０２ＧａＡｓ障壁層２０３フォトニック結晶２０４光導波領域２０５フォトニック結晶光導波路２０６半導体レーザアレイ３０１サーバ３０２送受信モジュール３０３２芯光ファイバケーブル３０４送受信モジュール３０５スイッチングハブ３０６送信モジュール３０７受信モジュール３０８受信モジュール３０９送信モジュール３１０石英光ファイバ４０１回路基板４０２受光アレイ４０３４波長半導体レーザアレイ４０４光合流器４０５光ファイバ４０６パラレル／シリアル変換回路４０７ＬＤ駆動回路４０８ＰＤ４０９ＬＤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (54)【発明の名称】半導体レーザ装置および半導体レーザアレイおよび半導体レーザ装置の製造方法および送信モジュールおよびローカルエリアネットワークシステムおよび光データリンクシステムおよび光インターコネクションシステム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、電気的に励起される垂
直共振器型面発光レーザが形成され、垂直共振器型面発
光レーザ上に、垂直共振器型面発光レーザからのレーザ
光で光励起されて垂直共振器型面発光レーザよりも長波
長の光を放射するマイクロディスク構造またはマイクロ
シリンダ構造またはマイクロリング構造を有するマイク
ロキャビティレーザが積層形成されていることを特徴と
する半導体レーザ装置。
【請求項２】請求項１記載の半導体レーザ装置におい
て、マイクロディスク構造またはマイクロシリンダ構造
またはマイクロリング構造を有するマイクロキャビティ
レーザからの光を取り出す光導波路が、マイクロディス
クまたはマイクロシリンダまたはマイクロリングに結合
して形成されていることを特徴とする半導体レーザ装
置。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の半導体レ
ーザ装置を同一半導体基板上に複数配置した半導体レー
ザアレイであって、複数の半導体レーザ装置は、マイク
ロディスクまたはマイクロシリンダまたはマイクロリン
グの直径が異なっていることを特徴とする半導体レーザ
アレイ。
【請求項４】半導体基板上に、電気的に励起される垂
直共振器型面発光レーザが形成され、垂直共振器型面発
光レーザ上に、活性層の上下がクラッド層ではさまれた
ダブルヘテロ構造が水平方向に２次元周期構造を形成す
るよう配置された２次元フォトニック結晶が積層形成さ
れており、２次元フォトニック結晶は垂直共振器型面発
光レーザからのレーザ光で光励起されて垂直共振器型面
発光レーザよりも長波長のレーザ光を放射するようにな
っていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】請求項４記載の半導体レーザ装置におい
て、２次元フォトニック結晶から放射されるレーザ光を
取り出すフォトニック結晶光導波路が、前記２次元フォ
トニック結晶に一体形成されていることを特徴とする半
導体レーザ装置。
【請求項６】請求項４または請求項５記載の半導体レ
ーザ装置を同一半導体基板上に複数配置した半導体レー
ザアレイであって、複数の半導体装置は、２次元フォト
ニック結晶の周期構造が異なっていることを特徴とする
半導体レーザアレイ。
【請求項７】請求項１または請求項４記載の半導体レ
ーザ装置において、前記垂直共振器型面発光レーザは、
Ａｌ_aＧａ_1-aＡｓ（０≦ａ＜ｂ）とＡｌ_bＧａ_1-bＡｓ
（ａ＜ｂ≦１）とを周期的に積層した半導体多層膜反射
鏡と、Ｇａ_1-cＩｎ_cＡｓ（０＜ｃ＜１）活性層とを含ん
でおり、半導体基板としてのＧａＡｓ基板上に形成され
ていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項８】請求項１記載の半導体レーザ装置におい
て、マイクロディスク構造またはマイクロシリンダ構造
またはマイクロリング構造を有するマイクロキャビティ
レーザの活性層が、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉｎ）
ＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子
ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）
ＡｓＳｂ量子ドット，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子ドットの
いずれかで構成されており、マイクロディスク構造また
はマイクロシリンダ構造またはマイクロリング構造を有
するマイクロキャビティレーザの発振波長が１．２μｍ
よりも長波長であることを特徴とする半導体レーザ装
置。
【請求項９】請求項４記載の半導体レーザ装置におい
て、２次元フォトニック結晶の活性層が、Ｇａ（Ｉｎ）
ＮＡｓ，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，
Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ量子
ドット，Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ量子ドット，ＧａＩｎＮ
ＡｓＳｂ量子ドットのいずれかで構成されており、フォ
トニック結晶レーザの発振波長が１．２μｍよりも長波
長であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１０】半導体基板上に、電気的に励起される
垂直共振器型面発光レーザと、マイクロディスク構造ま
たはマイクロシリンダ構造またはマイクロリング構造を
有するマイクロキャビティレーザ、または、２次元フォ
トニック結晶とを、１回の結晶成長でモノリシックに積
層形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方
法。
【請求項１１】請求項１，請求項２，請求項４，請求
項５，請求項７，請求項８，請求項９のいずれか一項に
記載の半導体レーザ装置、または、請求項３または請求
項６記載の半導体レーザアレイを用いて波長多重分割方
式の光伝送が可能に構成されていることを特徴とする送
信モジュール。
【請求項１２】請求項１１記載の送信モジュールを用
いることを特徴とするローカルエリアネットワークシス
テム。
【請求項１３】請求項１１記載の送信モジュールを用
いることを特徴とする光データリンクシステム。
【請求項１４】請求項１１記載の送信モジュールを用
いることを特徴とする光インターコネクションシステ
ム。