JP2002252416A - 光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザの出射光を光ファイバ等に容易
に結合することを可能とする光通信システムを提供す
る。 【解決手段】 半導体レーザチップにおいて複数の面発
光半導体レーザを形成する。面発光半導体レーザチップ
から出射された各レーザは、レンズにおいて集光され
る。集光スポットは対向する光ファイバの端面に入射さ
せる。このとき各面発光半導体レーザによる光のスポッ
トは、半導体レーザチップ上の配列を反映した形で光フ
ァイバの端面に集光される。このスポット間隔を適切に
設定すると、スポットが形成される領域内に光ファイバ
のコアがありさえするば、必ず一つ以上のスポットがコ
アに入射するようにすることができる。例えば光ファイ
バのコア径をＤとしたときスポット間隔をＤ／√２以下
となるようにすれば必ず１つ以上のスポットがコアに入
射させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信などに用いら
れる半導体レーザならびにその光通信システムに関する
ものであり、中でも半導体レーザとして製作に使用する
半導体基板面に対して垂直方向に光を発するいわゆる面
発光レーザを用い複数のレーザ素子を形成して、大容量
の通信を可能にした光通信システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】面発光半導体レーザは、基板の表面から
垂直方向にレーザ光を放射するので２次元並列集積が可
能であり、更に、その出力光の広がり角が比較的狭い
（１０度前後）ので光ファイバとの結合が容易であるほ
か、素子の検査が容易であるという特徴を有している。

【０００３】そのため、特に、並列伝送型の光送信モジ
ュール（光インタコネクション装置）を構成するのに適
した素子として開発が盛んに行なわれている。光インタ
コネクション装置の当面の応用対象は、コンピュータ等
の筐体間やボード間の並列接続のほか、短距離の光ファ
イバー通信であるが、将来の期待される応用として大規
模なコンピュータ・ネットワークや長距離大容量通信の
幹線系がある。

【０００４】一般に、面発光半導体レーザは、ＧaＡs
又はＧaＩnＡs からなる活性層と、当該活性層を上下に
挟んで配置された上部の半導体分布ブラッグ反射鏡と基
板側の下部の半導体分布ブラッグ反射鏡からなる光共振
器をもって構成するのが普通であるが、端面発光型半導
体レーザの場合に比較して光共振器の長さが著しく短い
ため、反射鏡の反射率を極めて高い値(９９％以上)に設
定することによってレーザ発振を起こし易くする必要が
ある。このため、通常は、ＡlＡs からなる低屈折率材
料とＧaＡs からなる高屈折率材料を１／４波長の周期
で交互に積層することによって形成した半導体分布ブラ
ッグ反射鏡が使用されている。

【０００５】ところで上記のように、光通信に使用され
るようなレーザ波長が１．１μｍ以上の長波長帯レー
ザ、例えばレーザ波長が１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯
であるような長波長帯レーザは、製作基板にＩnＰが用
いられ、活性層にＩnＧaＡsＰが用いられるが、基板の
ＩnＰの格子定数が大きく、これに整合する反射鏡材料
では屈折率差が大きく取れず、従って積層数を４０対以
上とする必要がある。

【０００６】またＩnＰ基板上に形成される半導体レー
ザには、別の問題として、温度によって特性が大きく変
化する点がある。そのため、温度を一定にする装置を付
加して使用する必要があり、民生用等一般用に供するこ
とが困難であり、このような積層数と温度特性の問題か
ら、実用的な長波長帯面発光半導体は、未だ実用化され
るに至っていない。

【０００７】このような問題を解決するためになされた
発明として、特開平９−２３７９４２号公報に開示され
たものが知られている。それによると、製作基板として
ＧaＡs 基板を用い、基板側の下部上部のうち少なくと
も一方の半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基
板と格子整合が取れるＡlＩnＰからなる半導体層を用
い、さらに、下部上部のうち少なくとも一方の半導体分
布ブラッグ反射鏡の高屈折率層にＧaＩnＮＡs からなる
半導体層を用い、従来よりも大きい屈折率差を得るよう
にし、少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反
射鏡を実現しようというものである。

【０００８】また、ＧaＩnＮＡs を活性層の材料として
使用している。これは、Ｎ組成を増加させることによっ
てバンドギャップ（禁制帯幅）を１．４ｅＶから０ｅＶ
へ向かって低下させることができるので、０．８５μｍ
よりも長い波長を発光する材料として用いることが可能
となるからである。しかもＧaＡs 基板と格子整合が可
能なので、ＧaＩnＮＡs からなる半導体層は、１．３μ
ｍ帯及び１．５５μｍ帯の長波長帯面発光半導体レーザ
のための材料として好ましい点についても言及してい
る。

【０００９】しかしながら、従来は０．８５μｍよりも
長い波長帯の面発光半導体レーザ実現の可能性を示唆す
るにとどまっているだけであり、実際にはそのようなも
のは実現していない。これは基本的な構成は理論的には
ほぼ決まってはいるものの実際に安定したレーザ発光が
得られるようにするためのより具体的な構成がまだ不明
だからである。

【００１０】一例を挙げると、上記のようにＡlＡs か
らなる低屈折率材料とＧaＡs からなる高屈折率材料を
１／４波長の周期で交互に積層することによって形成し
た半導体分布ブラッグ反射鏡を使用したものや、あるい
は特開平９−２３７９４２号公報に開示されたもののよ
うに、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基板
と格子整合が取れるＡlＩnＰからなる半導体層を用いた
ものにおいては、レーザ素子が全く発光しなかったり、
あるいは、発光してもその発光効率が低く、実用レベル
には程遠いものであった。これは、Ａlを含んだ材料が
化学的に非常に活性であり、Ａlに起因する結晶欠陥が
生じ易いためである。

【００１１】これを解決するためには、特開平８−３４
０１４６号公報や特開平７−３０７５２５号公報に開示
された発明のようにＡlを含まないＧaＩnＮＰとＧaＡs
とから半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する提案があ
る。

【００１２】しかしながらＧaＩnＮＰとＧaＡs との屈
折率差はＡlＡsとＧaＡsとの屈折率差に比べて約半分で
あり、反射鏡の積層数を非常に多くなり製作が困難とな
る。

【００１３】すなわち現状では、コンピュータ・ネット
ワークなどで光ファイバー通信が期待されているが、そ
れに使用できるレーザ波長が１．１μｍ〜１．７μｍの
長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた通信シ
ステムが存在せず、その出現が切望されている。

【００１４】また特に上述の様な長波長帯面発光半導体
レーザを使用した光通信システムを作製する上で、最も
時間とコストがかかるのは、長波長帯面発光半導体レー
ザの出射光を光ファイバー等に効率よく結合出来るよう
高精度に実装する工程である。面発光半導体レーザの発
光部の大きさは通常10〜30μm程度であり、この発光部
より15度程度の広がり角を持って出力光が放射される。
これを例えば光ファイバーに効率よく結合させるために
は、レンズにより集光して、50〜150μm程度の直径を持
つ光ファイバーのコアに入射させなければならない。

【００１５】これを図１、２を用いて説明する。図１は
面発光半導体レーザを使用した光通信システムの概念図
である。面発光半導体レーザチップから出射された光
は、レンズにて集光され、集光スポットは対向する光フ
ァイバーのコアに入射している。

【００１６】この様子を光ファイバーの端面上で観察し
た場合の模式図を図２に示す。この時、面発光半導体レ
ーザチップから出射された光が図２(a)の様に光ファイ
バーのコアに入射すれば、半導体レーザの出力光は光フ
ァイバーに結合されるが、図２(b)の様に光ファイバー
のコアに入射しなかった場合は半導体レーザの出力光は
光ファイバーに結合する事が出来ない。

【００１７】ここで図１に示したように面発光レーザは
光ファイバーの端面と対向しており、その間は数ミリ以
下と非常に狭く、しかも中央付近にはレンズが存在して
いる。したがって図２に示すようなファイバー端面での
集光スポットを、実際に直接観察するのは容易ではな
く、特殊な光学系が必要となる。

【００１８】またさらに面発光レーザの発光波長が１．
１μｍ〜１．７μｍの長波長帯である場合、CCD等の一
般的に利用されるSiの撮像素子では長波長帯の光を検出
できないため、検出系には長波長帯に感度を有する非常
に特殊な撮像素子が必要になる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】この様に長波長帯面発
光半導体レーザの出射光を光ファイバーのコアに集光す
る場合、スポットを観察して位置合わせをする事は現実
的には非常に困難であるので、半導体レーザチップやレ
ンズ、光ファイバの物理的な位置合わせを可能な限り精
度良く行い、実装後光ファイバーの他端から出てくる光
を頼りに微調整を行うといった方法を取らざるを得なか
った。しかしこの様な方法は時間とコストがかかり、長
波長帯面発光半導体レーザを使用した光通信システムを
低価格で提供する事の大きな妨げとなっていた。

【００２０】本発明はこのような光通信などに用いられ
るレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯
面発光半導体レーザならびにその光通信システムに関す
るものであり、その第１の目的は、動作電圧、発振閾値
電流等を低くできる面発光型半導体レーザ素子チップを
発光光源として利用し、かつ該半導体レーザの出射光を
光ファイバー等に容易に結合することを可能とする光通
信システムを提案することにある。

【００２１】また第２の目的は、安定して使用できるレ
ーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発
光半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、か
つ該半導体レーザの出射光を光ファイバー等に容易に結
合することを可能とする光通信システムを提案すること
にある。

【００２２】さらに第３の目的は、このような光通信シ
ステムにおいて、該半導体レーザチップ内の効率的な発
光部配列法を提案することにある。

【００２３】また第４の目的は、このような光通信シス
テムにおいて、該半導体レーザチップの実装法を提案す
ることにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために第１に、レーザチップと該レーザチップと接
続される光通信システムにおいて、前記レーザチップは
発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生す
る活性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからな
る層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レー
ザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられ
た反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レ
ーザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する
材料層の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波
干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡である
とともに、前記屈折率が小の材料層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_y
Ｇａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、
かつ前記屈折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と
大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ
＜ｘ≦１）を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チッ
プであり、該レーザチップ上に適切な間隔で２次元的に
配置された複数の面発光型半導体レーザを共通電極で駆
動して一つの発光光源として使用するようにした。

【００２５】また第２に、レーザチップと該レーザチッ
プと接続される光通信システムにおいて、前記レーザチ
ップは発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を
発生する活性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ
からなる層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層と
し、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に
設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型
半導体レーザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを
構成する材料の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光
を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡
であるとともに、前記屈折率が小の材料はＡｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料はＡｌ
_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、
前記活性層と前記反射鏡の間にＧａＩｎＰもしくはＧａ
ＩｎＰＡｓよりなる非発光再結合防止層を設けてなる面
発光型半導体レーザ素子チップであり、該レーザチップ
上に適切な間隔で２次元的に配置された複数の面発光型
半導体レーザを共通電極で駆動して一つの発光光源とし
て使用するようにした。

【００２６】さらに第３に、上記第１、第２の光通信シ
ステムにおいて、前記レーザチップ上の複数の面発光型
半導体レーザが周期的に並んでいる構造を有するように
した。

【００２７】また第４に、上記第１〜３の光通信システ
ムにおいて、前記レーザチップと該レーザチップに光学
的カップリングを行う光伝送モジュールとよりなり、前
記レーザチップと光伝送モジュールは、互いに物理的に
接触するとともに、該接触により互いの位置決めを行う
ようにした。

【００２８】

【発明の実施の形態】最初に本発明の光通信システムに
適用される発光素子である伝送ロスの少ないレーザ発振
波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体
レーザの１例について図３を用いて説明する。前述のよ
うに、従来は本発明が適用しようとしているレーザ発振
波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体
レーザに関しては、その可能性の示唆があるのみで、実
現のための材料、ならびにより具体的、詳細な構成は不
明であった。本発明では、活性層としてＧaＩnＮＡs等
の材料を使用し、さらに具体的な構成を明確にした。以
下にそれを詳述する。

【００２９】本発明では、面方位（１００）のｎ−Ｇａ
Ａｓ基板上に、それぞれの媒質内における発振波長λの
１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）でｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ（ｘ＝１．０）（低屈折率層〜屈折率小の層）とｎ−
Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｙ＝０）（高屈折率層〜屈折率大の
層）を交互に３５周期積層したｎ−半導体分布ブラッグ
反射鏡（AlAs/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射鏡）を
形成し、その上にλ／４の厚さのｎ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層を積層した。この例
ではｎ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝
１）層も下部反射鏡の一部であり低屈折率層（屈折率小
の層）となっている。

【００３０】そしてその上にアンドープ下部ＧａＡｓス
ペーサ層と、３層のＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ量子井戸層である
活性層（量子井戸活性層）とＧａＡｓバリア層（２０ｎ
ｍ）からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上部Ｇ
ａＡｓスペーサ層とが積層されて、媒質内における発振
波長λの１波長分の厚さ（λの厚さ）の共振器を形成し
ている。

【００３１】さらにその上に、Ｃ（炭素）ドープのｐ−
Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層とＺ
ｎドープｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）をそれぞれの
媒質内における発振波長λの１／４倍の厚さで交互に積
層した周期構造（１周期）を積層し、その上にＣドープ
のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．９）とＺｎドープｐ
−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）をそれぞれの媒質内にお
ける発振波長λの１／４倍の厚さで交互に積層した周期
構造（２５周期）とからなる半導体分布ブラッグ反射鏡
（Al_0.9Ga_0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射鏡）
を形成している。この例ではｐ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ
_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層も上部反射鏡の一部であ
り、低屈折率層（屈折率小の層）となっている。

【００３２】なおここで、上部／下部反射鏡ともそれぞ
れ低屈折率層（屈折率小の層）／高屈折率層（屈折率大
の層）を交互に積層して形成するが、本発明ではこれら
の間に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧ
ａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けている。図４
は、低屈折率層（屈折率小の層）と高屈折率層（屈折率
大の層）の間に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層
Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けた半導
体分布ブラッグ反射鏡の一部を示したものである（図３
では図が複雑になるので図示することを省略してい
る）。

【００３３】従来レーザ波長が０．８５μｍ帯の半導体
レーザに関して、このような材料層を設けることも検討
はされているが、まだ検討段階であり、その材料、ある
いはその厚さなどまで詳細には検討されていない。また
本発明のようなレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μ
ｍの長波長帯面発光半導体レーザに関しては全く検討さ
れていない。その理由はこの分野（レーザ発振波長が
１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レー
ザ）が新しい分野であり、まだほとんど研究が進んでい
ないからである。本発明者はいち早くこの分野（レーザ
発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半
導体レーザおよびそれを用いた光通信）の有用性に気付
き、それを実現するために鋭意検討を行った。

【００３４】このような材料層は形成時にガス流量をコ
ントロールするなどして、そのＡｌ組成を連続的もしく
は段階的に変えるようにしてその材料層の屈折率が連続
的もしくは段階的に変化するようにして形成する。より
具体的には、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）
層のｚの値を０から１．０まで変わるように、つまりＧ
ａＡｓ〜ＡｌＧａＡｓ〜ＡｌＡｓという具合にＡｌとＧ
ａの比率が徐々に変わるようにして形成する。これは前
述のように層形成時にガス流量をコントロールすること
によって作成される。また、ＡｌとＧａの比率が前述の
ように連続的に変わるようにして形成しても良いし、段
階的にその比率が変わるようにしても同等の効果があ
る。

【００３５】このような材料層を設ける理由は、半導体
分布ブラッグ反射鏡の持つ問題点の一つであるｐ−半導
体分布ブラッグ反射鏡の電気抵抗が高いという課題を解
決するためである。これは半導体分布ブラッグ反射鏡を
構成する２種類の半導体層の界面に生じるヘテロ障壁が
原因であるが、本発明のように低屈折率層と高屈折率層
の界面に一方の組成から他方の組成へ次第にＡｌ組成が
変化するようにして、屈折率も変化させることによって
ヘテロ障壁の発生を抑制することが可能である。

【００３６】またこのような屈折率が小と大の間の値を
とる材料層Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）は
本発明のようなレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μ
ｍの長波長帯面発光半導体レーザの場合、５ｎｍ〜５０
ｎｍの厚さとするのが良く、これより薄いと抵抗が大と
なり電流が流れにくく、素子が発熱したり、駆動エネル
ギーが高くなるという不具合がある。また厚いと抵抗が
小となり、素子の発熱や、駆動エネルギーの面で有利に
なるが、今度は反射率がとれないという不具合があり、
前述のように最適の範囲（５ｎｍ〜５０ｎｍの厚さ）を
選ぶ必要がある。

【００３７】なお、前述のように従来のレーザ波長が
０．８５μｍ帯の半導体レーザに関してこのような材料
層を設けることも検討されているが、本発明のようなレ
ーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発
光半導体レーザの場合は、より効果的である。なぜな
ら、例えば同等の反射率（例えば９９．５％以上）を得
るためには、０．８５μｍ帯よりも１．１μｍ帯〜１．
７μｍ帯の場合、このような材料層を約２倍程度にする
ことができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値
を低減させることができ、動作電圧、発振閾値電流等が
低くなり、レーザ素子の発熱防止ならびに安定発振、少
エネルギー駆動の面で有利となる。つまり半導体分布ブ
ラッグ反射鏡にこのような材料層を設けることは、本発
明のようなレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの
長波長帯面発光半導体レーザの場合に特に効果的な工夫
といえる。

【００３８】なお効果的な反射率を得るためのより詳細
な検討結果の一例を挙げると、例えば１．３μｍ帯面発
光型レーザ素子では、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝１．０）
（低屈折率層〜屈折率小の層）とＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｙ
＝０）（高屈折率層〜屈折率大の層）を２０周期積層し
た場合においては、半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率
が９９．７％以下となるＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ
＜ｘ≦１）層の厚さは３０ｎｍである。また、反射率が
９９．５％以上となる波長帯域は５３ｎｍであり、反射
率を９９．５％以上と設計した場合、±２％の膜厚制御
ができればよい。

【００３９】そこでこれと同等およびこれより薄い、１
０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍのものを試作したところ、
反射率を実用上問題のない程度に保つことができ、半導
体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を低減させることができ
た１．３μｍ帯面発光型レーザ素子を実現、レーザ発振
に成功した。なお試作したレーザ素子の他の構成は後述
のとおりである。

【００４０】なお多層膜反射鏡においては設計波長（膜
厚制御が完全にできたとして）を含んで反射率の高い帯
域がある。高反射率の帯域（反射率が狙いの波長に対し
て必要値以上である領域を含む）と呼ぶ。設計波長の反
射率が最も高く、波長が離れるにしたがってごくわずか
ずつ低下している領域である。これはある領域から急激
に低下する。そして狙いの波長に対して必要な反射率以
上となるように、本来、多層膜反射鏡の膜厚を原子層レ
ベルで完全に制御する必要がある。

【００４１】しかし実際には±１％程度の膜厚誤差は生
じるので狙いの波長と最も反射率の高い波長はずれてし
まう。例えば狙いの波長が１．３μｍの場合、膜厚制御
が１％ずれたとき、最も反射率の高い波長は１３ｎｍず
れてしまう。よってこの高反射率の帯域（ここでは反射
率が狙いの波長に対して必要値以上である領域）は広い
方が望ましい。しかし中間層を厚くするとこの帯域が狭
くなる傾向にある。

【００４２】このように本発明のようなレーザ発振波長
が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レー
ザにおいて、このような半導体分布ブラッグ反射鏡の構
成を工夫、最適化することにより、反射率を高く維持し
たまま抵抗値を低減させることができるので、動作電
圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱防止
ならびに安定発振、少エネルギー駆動が可能となる。

【００４３】再び図３に戻り、最上部の、ｐ−Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）層は、電極とコンタクトを取るた
めのコンタクト層（ｐ−コンタクト層）としての役割も
持っている。ここで、量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは３
９％（Ga0.61In0.39As）とした。また量子井戸活性層の
厚さは７ｎｍとした。なお量子井戸活性層は、ＧａＡｓ
基板に対して約２．８％の圧縮歪を有していた。

【００４４】またこの面発光型半導体レーザ全体の成長
方法はＭＯＣＶＤ法で行った。この場合、格子緩和は見
られなかった。半導体レーザの各層を構成する原料に
は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリ
メチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、
ＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（フォスフィン）を用い
た。また、キャリアガスにはＨ₂を用いた。図３に示し
た素子の活性層（量子井戸活性層）のように歪が大きい
場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。ここでは、
ＧａＩｎＡｓ層（量子井戸活性層）は５５０℃で成長さ
せている。

【００４５】ここで使用したＭＯＣＶＤ法は過飽和度が
高く高歪活性層の結晶成長に適している。またＭＢＥ法
のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供
給時間を制御すれば良いので量産性にも優れている。

【００４６】またこの例では、電流経路外の部分をプロ
トン（Ｈ⁺）照射によって絶縁層（高抵抗部）を作っ
て、電流狭さく部を形成した。そしてこの例では、上部
反射鏡の最上部の層であり上部反射鏡一部となっている
ｐ−コンタクト層上に光出射部を除いてｐ側電極を形成
し、基板の裏面にｎ側電極を形成した。この例では、上
下反射鏡に挟まれた、キャリアが注入され再結合する活
性領域（本実施例では上部及び下部スペーサ層と多重量
子井戸活性層とからなる共振器）において、活性領域内
にはＡｌを含んだ材料（III 族に占める割合が１％以
上）を用いず、さらに、下部及び上部反射鏡の低屈折率
層の最も活性層に近い層をＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０
＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止層としてい
る。

【００４７】キャリアは、活性層に最も近くワイドギャ
ップである上部及び下部反射鏡の低屈折率層間に閉じ込
められるので、活性領域のみをＡｌを含まない層（III
族に占める割合が１％以下）で構成しても活性領域に接
する反射鏡の低屈折率層（ワイドギャップ層）にＡｌを
含んだ構造としたのでは、キャリアが注入され再結合す
る時、この界面で非発光再結合が生じ発光効率は低下し
てしまう。よって活性領域はＡｌを含まない層で構成す
ることが望ましい。

【００４８】またこのＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ
＜１、０＜ｙ≦１）層よりなる非発光再結合防止層は、
その格子定数がＧａＡｓ基板よりも小さく、引張り歪を
有している。エピタキシャル成長では下地の情報を反映
して成長するので基板表面に欠陥があると成長層へ這い
上がっていく。しかし歪層があるとそのような欠陥の這
い上がりが抑えられ効果があることが知られている。

【００４９】上記欠陥が活性層に達すると発光効率を低
減させてしまう。また、歪を有する活性層では臨界膜厚
が低減し必要な厚さの層を成長できないなどの問題が生
じる。特に活性層の圧縮歪量が例えば２％以上と大きい
場合や、歪層の厚さ臨界膜厚より厚く成長する場合、低
温成長などの非平衡成長を行っても欠陥の存在で成長で
きないなど、特に問題となる。歪層があるとそのような
欠陥の這い上がりが抑えられるので、発光効率を改善し
たり、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上の層を成長で
きたり、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが
可能となる。

【００５０】このＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜
１、０＜ｙ≦１）層は活性領域に接しており活性領域に
キャリアを閉じ込める役割も持っているが、Ｇａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層は格子定
数が小さくなるほどバンドギャップエネルギーを大きく
取り得る。

【００５１】例えばＧａ_xＩｎ_1-xＰ（ｙ＝１の場合）の
場合、ｘが大きくなりＧａＰに近づくと格子定数が大き
くなり、バンドギャップは大きくなる。

【００５２】バンドギャップＥｇは、直接遷移でＥｇ
（Γ）＝1.351＋0.643ｘ＋0.786ｘ²、間接遷移でＥｇ
（Ｘ）＝2.24＋0.02ｘと与えられている。よって活性領
域とＧａ _xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦
１）層のヘテロ障壁は大きくなるのでキャリア閉じ込め
が良好となり、しきい値電流低減、温度特性改善などの
効果がある。

【００５３】さらにこのＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜
ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層よりなる非発光再結合防止層
は、その格子定数がＧａＡｓ基板よりも大きく、圧縮歪
を有しており、かつ前記活性層の格子定数が前記Ｇａ_x
Ｉｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層より
も大きく圧縮歪を有している。

【００５４】またこのＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ
＜１、０＜ｙ≦１）層の歪の方向が活性層と同じ方向な
ので、活性層が感じる実質的な圧縮歪量を低減する方向
に働く。歪が大きいほど外的要因の影響を受けやすいの
で、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上と大きい場合
や、臨界膜厚を超えた場合に特に有効である。

【００５５】例えば発振波長が１．３μｍ帯の面発光型
レーザはＧａＡｓ基板上に形成するのが好ましく、共振
器には半導体多層膜反射鏡を用いる場合が多く、トータ
ル厚さが５〜８μｍで５０〜８０層の半導体層を活性層
成長前に成長する必要がある。（一方、端面発光型レー
ザの場合、活性層成長前のトータル厚さは２μｍ程度で
３層程度の半導体層を成長するだけで良い。）

【００５６】この場合、高品質のＧａＡｓ基板を用いて
もさまざまな原因（一度発生した欠陥は基本的には結晶
成長方向に這い上がるし、ヘテロ界面での欠陥発生など
がある）でＧａＡｓ基板表面の欠陥密度に比べて活性層
成長直前の表面の欠陥密度はどうしても増えてしまう。
活性層成長以前に、歪層の挿入や、活性層が感じる実質
的な圧縮歪量が低減すると、活性層成長直前の表面にあ
る欠陥の影響を低減できるようになる。

【００５７】この例では、活性領域内及び反射鏡と活性
領域との界面にＡｌを含まない構成としたので、キャリ
ア注入時にＡｌに起因していた結晶欠陥が原因となる非
発光再結合がなくなり、非発光再結合が低減した。

【００５８】前述のように、反射鏡と活性領域との界面
にＡｌを含まない構成とする、すなわち非発光再結合防
止層を設けることを、上下反射鏡ともに適用することが
好ましいが、一方の反射鏡に適用するだけでも効果があ
る。

【００５９】またこの例では、上下反射鏡とも半導体分
布ブラッグ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体分布
ブラッグ反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡とし
ても良い。また前述の例では、反射鏡低屈折率層の最も
活性層に近い層のみをＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ
＜１、０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止層としている
が、複数層のＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０
＜ｙ≦１）を非発光再結合防止層としても良い。

【００６０】さらにこの例では、ＧａＡｓ基板と活性層
との間の下部反射鏡にこの考えを適用し、活性層の成長
時に問題となる、Ａｌに起因する結晶欠陥の活性層への
這い上がりによる悪影響が押さえられ、活性層を高品質
に結晶成長することができる。これらにより、発光効率
は高く、信頼性は実用上十分な面発光型半導体レーザが
得られた。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率
層のすべてではなく、少なくとも活性領域に最も近い部
分をＡｌを含まないＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜
１、０＜ｙ≦１）層としただけなので、反射鏡の積層数
を特に増加させることなく、上記効果を得ることができ
ている。

【００６１】このようにして製作した面発光型半導体レ
ーザの発振波長は約１．２μｍであった。ＧａＡｓ基板
上のＧａＩｎＡｓは、Ｉｎ組成の増加で長波長化するが
歪み量の増加をともない、従来１．１μｍまでが長波長
化の限界と考えられていた（文献「ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔ
ｏｎｉｃｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．９
（１９９７）ｐｐ．１３１９−１３２１」参照）。

【００６２】しかしながら今回発明者が製作したよう
に、６００℃以下の低温成長などの非平衡度の高い成長
法により高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を従来より
厚くコヒーレント成長することが可能となり、波長は
１．２μｍまで到達できた。なおこの波長はＳｉ半導体
基板に対して透明である。従ってＳｉ基板上に電子素子
と光素子を集積した回路チップにおいてＳｉ基板を通し
た光伝送が可能となる。

【００６３】以上の説明より明らかなようにＩｎ組成が
大きい高圧縮歪のＧａＩｎＡｓを活性層に用いることに
より、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レー
ザを形成できることがわかった。なお前述のように、こ
のような面発光型半導体レーザは、ＭＯＣＶＤ法で成長
させることができるが、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用
いることもできる。また活性層の積層構造として、３重
量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の
量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ、ＭＱＷ）等を用いるこ
ともできる。

【００６４】レーザの構造も他の構造にしてもかまわな
い。また共振器長はλの厚さとしたがλ／２の整数倍と
することができる。望ましくはλの整数倍である。また
半導体基板としてＧａＡｓを用いた例を示したが、Ｉｎ
Ｐなどの他の半導体基板を用いた場合でも上記の考え方
を適用できる。反射鏡の周期は他の周期でも良い。

【００６５】なおこの例では活性層として、主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層、すなわちＧａ_xＩｎ_1-x
Ａｓ（ＧａＩｎＡｓ活性層）の例を示したが、より長波
長のレーザ発振を行うためには、Ｎを添加し主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層（ＧａＩｎＮＡｓ活
性層）とすればよい。

【００６６】実際にＧａＩｎＮＡｓ活性層の組成を変え
ることにより、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯のそれぞ
れにおいて、レーザ発振を行うことが可能であった。組
成を検討することにより、さらに長波長の例えば１．７
μｍ帯の面発光レーザも可能となる。

【００６７】また、活性層にＧａＡｓＳｂを用いてもＧ
ａＡｓ基板上に１．３μｍ帯面発光レーザを実現でき
る。このように波長１．１μｍ〜１．７μｍの半導体レ
ーザは従来適した材料がなかったが、活性層に高歪のＧ
ａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用い、か
つ、非発光再結合防止層を設けることにより、従来安定
発振が困難であった波長１．１μｍ〜１．７μｍ帯の長
波長領域において、高性能な面発光レーザを実現できる
ようになった。

【００６８】次に本発明の光送受信システムに適用され
る発光素子である長波長帯面発光型半導体レーザの他の
構成について、図５を用いて説明する。この場合も図３
の場合と同様に面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板を
使用している。それぞれの媒質内における発振波長λの
１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）でｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ（ｘ＝０．９）とｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）を
交互に３５周期積層したｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡
（Al_0.9Ga_0.1As/GaAs下部反射鏡）を形成し、その上に
λ／４の厚さのｎ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層を積層した。この例ではｎ−Ｇａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層も下部反射鏡
の一部であり低屈折率層となっている。

【００６９】そしてその上に、アンドープ下部ＧａＡｓ
スペーサ層と、３層のＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y量子井戸
層である活性層（量子井戸活性層）とＧａＡｓバリア層
（１５ｎｍ）から構成される多重量子井戸活性層（この
例では３重量子井戸(ＴＱＷ)）と、アンドープ上部Ｇａ
Ａｓスペーサ層とが積層されて、媒質内における発振波
長の１波長分の厚さ（λの厚さ）の共振器を形成してい
る。

【００７０】さらにその上に、ｐ−半導体分布ブラッグ
反射鏡（上部反射鏡）が形成されている。上部反射鏡
は、被選択酸化層となるＡｌＡｓ層を、ＧａＩｎＰ層と
ＡｌＧａＡｓ層で挟んだ３λ／４の厚さの低屈折率層
（厚さが（λ／４−１５ｎｍ）のＣドープｐ−Ｇａ_xＩ
ｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層、Ｃドープ
ｐ−Ａｌ _zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化層（厚さ３
０ｎｍ）、厚さが（２λ／４−１５ｎｍ）のＣドープｐ
−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層（ｘ＝０．９））と、厚さがλ／
４のＧａＡｓ層（１周期）と、Ｃドープのｐ−Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ層（ｘ＝０．９）とｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ＝０）層をそれぞれの媒質内における発振波長の１
／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２２周期）と
から構成されている半導体分布ブラッグ反射鏡（Al_0.9G
a_0.1As/GaAs上部反射鏡）である。

【００７１】なおこの例においても、図５では複雑にな
るので図示することは省略しているが、半導体分布ブラ
ッグ反射鏡の構造は、図４に示したような低屈折率層
（屈折率小の層）と高屈折率層（屈折率大の層）の間
に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-z
Ａｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けたものである。

【００７２】そして、最上部の、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ＝０）層は、電極とコンタクトを取るためのコンタ
クト層（ｐ−コンタクト層）としての役割も持たせてい
る。ここで量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは３７％、Ｎ
（窒素）組成は０．５％とした。また量子井戸活性層の
厚さは７ｎｍとした。

【００７３】またこの面発光型半導体レーザの成長方法
はＭＯＣＶＤ法で行った。半導体レーザの各層を構成す
る原料には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジ
ウム）、ＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（フォスフィ
ン）、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラ
ジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００
℃以下のような低温成長に適しており、特に低温成長の
必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合に好まし
い。なおキャリアガスにはＨ₂を用いた。

【００７４】またこの例では、ＧａＩｎＮＡｓ層（量子
井戸活性層）は５４０℃で成長した。ＭＯＣＶＤ法は過
飽和度が高くＮと他のＶ族を同時に含んだ材料の結晶成
長に適している。またＭＢＥ法のような高真空を必要と
せず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良い
ので量産性にも優れている。

【００７５】さらにこの例では、所定の大きさのメサ部
分をｐ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝
１）層に達するまで、ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＝１）
被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れた
Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＝１）層を水蒸気で側面から酸化
してＡｌ_xＯ_y電流狭さく層を形成している。

【００７６】最後にポリイミド（絶縁膜）でメサエッチ
ングで除去した部分を埋め込んで平坦化し、上部反射鏡
上のポリイミドを除去し、ｐ−コンタクト層上に光出射
部を除いてｐ側電極を形成し、ＧａＡｓ基板の裏面にｎ
側電極を形成した。

【００７７】この例においては、被選択酸化層の下部に
上部反射鏡の一部としてＧａ_xＩｎ_{1 -x}Ｐ_yＡｓ_1-y（０＜
ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層が挿入している。例えばウェッ
トエッチングの場合では、硫酸系エッチャントを用いれ
ば、ＡｌＧａＡｓ系に対してＧａＩｎＰＡｓ系はエッチ
ング停止層として用いることができるため、Ｇａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層が挿入さ
れていることで、選択酸化のためのメサエッチングの高
さを厳密に制御できる。このため、均一性、再現性を高
められ、低コスト化が図れる。

【００７８】またこの例の面発光型半導体レーザ（素
子）を一次元または二次元に集積した場合、素子製作時
における制御性が良好になることにより、アレイ内の各
素子の素子特性の均一性、再現性も極めて良好になると
いう効果がある。

【００７９】なおこの例では、エッチングストップ層を
兼ねるＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦
１）層を上部反射鏡側に設けたが、下部反射鏡側に設け
ても良い。またこの例においても、上下反射鏡に挟まれ
た、キャリアが注入され再結合する活性領域（本実施例
では上部及び下部スペーサ層と多重量子井戸活性層とか
らなる共振器）において、活性領域内にはＡｌを含んだ
材料を用いず、さらに下部及び上部反射鏡の低屈折率層
の最も活性層に近い層をＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜
ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止層としてい
る。つまりこの例では、活性領域内及び反射鏡と活性領
域との界面に、Ａｌを含まない構成としているので、キ
ャリア注入時に、Ａｌに起因していた結晶欠陥が原因と
なる非発光再結合を低減させることができる。

【００８０】なお反射鏡と活性領域との界面にＡｌを含
まない構成を、この例のように上下反射鏡に適用するこ
とが好ましいが、いずれか一方の反射鏡に適用するだけ
でも効果がある。またこの例では、上下反射鏡とも半導
体分布ブラッグ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体
分布ブラッグ反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡
としても良い。

【００８１】さらにこの例でも、ＧａＡｓ基板と活性層
との間の下部反射鏡に図３の例の場合と同様の考えを適
用したので、活性層の成長時に問題となるＡｌに起因す
る結晶欠陥の活性層への這い上がりによる悪影響が押さ
えられ、活性層を高品質に結晶成長することができる。

【００８２】なお、このような非発光再結合防止層は、
図３、図５のいずれの構成においても半導体分布ブラッ
グ反射鏡の一部を構成するので、その厚さは、媒質内に
おける発振波長λの１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）と
している。あるいはそれを複数層も設けても良い。

【００８３】以上の説明より明らかなように、このよう
な構成により、発光効率は高く、信頼性は実用上十分な
面発光型半導体レーザが得られた。また、半導体分布ブ
ラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてではなく、少なくと
も活性領域に最も近い部分をＡｌを含まないＧａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の非発光再
結合防止層としただけなので、反射鏡の積層数を特に増
加させることなく、上記効果を得ることができた。

【００８４】またこのような構成にしても、ポリイミド
の埋め込みは容易であるので、配線（この例ではｐ側電
極）が段切れしにくく、素子の信頼性は高いものが得ら
れる。このように製作した面発光型半導体レーザの発振
波長は約１．３μｍであった。この例では、主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層を活性層に用いた
（ＧａＩｎＮＡｓ活性層）ので、ＧａＡｓ基板上に長波
長帯の面発光型半導体レーザを形成できた。またＡｌと
Ａｓを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流
狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。

【００８５】被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜か
らなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、
電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の
広がりを抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良く
キャリアを閉じ込めることができる。

【００８６】更に酸化してＡｌ酸化膜となることで屈折
率が小さくなり凸レンズの効果でキャリアの閉じ込めら
れた微小領域に効率良く光を閉じ込めることができ、極
めて効率が良くなり、しきい値電流は低減できる。また
容易に電流狭さく構造を形成できることから、製造コス
トを低減できる。

【００８７】以上の説明から明らかなように図５のよう
な構成においても図３の場合と同様に、１．３μｍ帯の
面発光型半導体レーザを実現でき、しかも低消費電力で
低コストの素子が得られる。

【００８８】なお、図５の面発光型半導体レーザも図３
の場合と同様にＭＯＣＶＤ法で成長させることができる
が、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。
また窒素の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒
素やＮＨ₃等他の窒素化合物を用いることもできる。さ
らに活性層の積層構造として３重量子井戸構造（ＴＱ
Ｗ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構
造（ＳＱＷ、ＤＱＷ、ＭＱＷ）等を用いることもでき
る。レーザの構造も他の構造にしてもかまわない。

【００８９】また図５の面発光型半導体レーザにおい
て、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の組成を変えることで、１．
５５μｍ帯、更にはもっと長波長の１．７μｍ帯の面発
光型半導体レーザも可能となる。ＧａＩｎＮＡｓ活性層
にＴｌ、Ｓｂ、Ｐなど他のIII−Ｖ族元素が含まれてい
てもかまわない。また活性層にＧａＡｓＳｂを用いて
も、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の面発光型半導体レ
ーザを実現できる。

【００９０】なお活性層にＧａＩｎＡｓを用いた場合、
従来１．１μｍまでが長波長化の限界と考えられていた
が、６００℃以下の低温成長により高歪のＧａＩｎＡｓ
量子井戸活性層を従来よりも厚く成長することが可能と
なり、波長は１．２μｍまで到達できる。

【００９１】このように、波長１．１μｍ〜１．７μｍ
の半導体レーザは従来適した材料がなかったが、活性層
に高歪のＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂ
を用い、かつ非発光再結合防止層を設けることにより、
従来安定発振が困難であった波長１．１μｍ〜１．７μ
ｍ帯の長波長領域において、高性能な面発光レーザを実
現できるようになり、光通信システムへの応用ができる
ようになった。

【００９２】図６はこのような長波長帯面発光半導体レ
ーザ素子を、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓウエハに
多数のチップとして形成した例、ならびにレーザ素子チ
ップを示したものである。ここで示したレーザ素子チッ
プには、複数個のレーザ素子が形成されているが、その
個数ｎはその用途に応じて、数ならびに配列方法が決め
られる。

【００９３】図７は図６の工程により作製された、本発
明による光通信システムに使用される長波長帯面発光半
導体レーザチップの詳細図の一例である。図７(a)は半
導体レーザチップの上面図を、図７(b)は半導体レーザ
チップの断面図をそれぞれ示している。図中で半導体レ
ーザチップの上面には、４×４＝16個の面発光半導体レ
ーザが形成されており、各面発光半導体レーザは等間隔
で周期的に形成されている。

【００９４】図７(b)の断面図からも明らかなように、
全ての面発光半導体レーザは共通の上部電極を有してい
る（なおここではあえて図示しないが、この上部電極は
絶縁膜等の絶縁手段により各面発光半導体レーザのコン
タクト層以外とは電気的に絶縁されている）。本レーザ
チップ下部には下部電極も形成されており、上部電極と
下部電極の間に適切な電圧を印加する事により各面発光
半導体レーザを一括して駆動する事が出来る。

【００９５】各面発光半導体レーザは同一基板上に近接
して作製されるため素子特性がそろっており、全ての面
発光半導体レーザから均一な光出力を得る事が出来る。
また面発光半導体レーザ一個あたりの消費電流は、数ｍ
A以下と非常に低いため、この様に10個以上が並列駆動
される構成をとってもチップ全体の消費電流は数十ｍA
程度と低く、一般的な端面発光型半導体レーザと同程度
である。また放熱の観点からも、本半導体レーザチップ
の構成は発熱部がチップ内に分散しており、通常の端面
型半導体レーザよりも有利な構成となっている。

【００９６】図８は本発明による光通信システムの該略
図の一例である。図中の半導体レーザチップ上には図７
に示したように、複数の面発光半導体レーザが形成され
ている。各面発光半導体レーザチップから出射された光
は、レンズにて集光され、集光スポットは対向する光フ
ァイバーの端面に入射している。

【００９７】この様子を光ファイバーの端面上で観察し
た場合の模式図を図９に示す。この時、各面発光半導体
レーザから出射された光のスポットは、半導体レーザチ
ップ上の配列を反映した形で光ファイバーの端面に集光
される。この時のスポットの間隔を適切に設定すると、
このスポットが形成される領域内に光ファイバーのコア
がありさえすれば、必ず一つ以上のスポットがコアに入
射するようにすることが可能である。

【００９８】例えば光ファイバーのコア径をDとした
時、図９の様な配列ではスポットの間隔をD／√2以下と
なるようにすれば、必ず一つ以上のスポットがコアに入
射するようになる。もちろんスポットの配列法を変えれ
ば必要なスポットの間隔も変わるが、いかなる配列であ
ろうとその間隔を適切に設定しさえすれば、スポットが
形成される領域内に光ファイバーのコアがくれば、必ず
一つ以上のスポットがコアに入射するようにすることが
可能である。

【００９９】こうすることによって光通信システムへレ
ーザチップを実装する場合に要求される精度は、「コア
にスポットが入る精度」から「スポット領域にコアが入
る精度」まで大幅に緩和する事が可能になる。もちろん
スポット領域の大きさは、スポットの数を増やす事によ
り拡大が可能なので、必要に応じて変更する事が出来
る。またスポットを不規則に配置するよりも、周期的に
配列した方が、より効率的にスポット領域を大きくする
事が出来る。

【０１００】この様にして光通信システムへレーザチッ
プを実装する場合に要求される実装精度を緩和してやる
事により、従来はスポット観察による厳密な位置合わせ
が必要だったが、本発明のように、レーザチップと光フ
ァイバーあるいは光導波路等よりなる光伝送モジュール
を互いに物理的に接触させ、その光伝送モジュールの外
形寸法の精度により互いの位置決めを行うといった簡便
な実装法が採用できるようになり、光通信システムの低
コスト化をはかる事が可能となる。

【０１０１】このように互いに物理的に接触させて、位
置決め精度を確保するという手段は、従来より実装装置
の単純化やタクトタイムの短縮など大きなメリットがあ
ることは認識されていたが、一般的な部品の外形精度は
数十μm程度であるため、これまで光通信システムへレ
ーザチップを実装する場合には利用する事が出来なかっ
た。しかし本発明によりレーザチップを実装する精度が
大幅に緩和されたことにより、通信システムへレーザチ
ップを実装する場合にもこのように互いに物理的に接触
させて、位置決め精度を確保するという手段を採用する
事が可能となり、光通信システム実装コストの大幅な削
減が可能となった。

【０１０２】

【発明の効果】コンピュータ・ネットワーク、長距離大
容量通信の幹線系など光ファイバー通信が期待されてい
るレーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の分野
において、動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、レー
ザ素子の発熱も少なく安定した発振ができる面発光型半
導体レーザおよびそれを用いた通信システムが存在しな
かったが、本発明のように半導体分布ブラッグ反射鏡を
工夫することにより、動作電圧、発振閾値電流等を低く
でき、レーザ素子の発熱も少なく安定した発振ができ、
また低コストで実用的な光通信システムが実現できた。

【０１０３】さらに、従来光通信システムへレーザチッ
プを実装する際に、スポット観察による厳密な位置合わ
せが必要だったのが、本発明により実装精度を緩和でき
るため、より簡便な実装法を採用する事が可能になり、
光通信システムの低コスト化が実現できた。

【０１０４】コンピュータ・ネットワーク、長距離大容
量通信の幹線系など光ファイバー通信が期待されている
レーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の分野に
おいて、安定して使用できる長波長帯面発光半導体レー
ザおよびそれを用いた通信システムが存在しなかった
が、本発明のように、非発光再結合防止層を設けてなる
面発光型半導体レーザ素子チップとすることにより安定
した発振が可能となり、これを発光光源とした実用的な
光通信システムが実現できた。

【０１０５】さらに、従来光通信システムへレーザチッ
プを実装する際に、スポット観察による厳密な位置合わ
せが必要だったのが、本発明により実装精度を緩和でき
るため、より簡便な実装法を採用する事が可能になり、
光通信システムの低コスト化が実現できた。

【０１０６】このような光通信システムにおいて、発光
スポットの領域を効率的に大きくする事が出来るので、
より簡便な実装法を採用する事が可能になり、光通信シ
ステムの低コスト化を実現できた。

【０１０７】このような光通信システムにおいて、互い
に物理的に接触させて、位置決め精度を確保するという
手段が可能になり、実装装置の単純化やタクトタイムの
短縮がはかれ、光通信システムを低コスト化で実現出来
るようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の面発光半導体レーザを使用した光通信シ
ステムの概念図である。

【図２】図１の集光スポットを光ファイバーの端面上で
観察した場合の模式図である。

【図３】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの素子部断面図である。

【図４】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の構成の部分断面
図である。

【図５】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの他の構成の素子部断面図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子を形成したウエハ基板ならびにレーザ素子
チップを示す平面図である。

【図７】本発明による光通信システムに使用される長波
長帯面発光半導体レーザチップの詳細図である。

【図８】本発明による面発光半導体レーザを使用した光
通信システムの概念図である。

【図９】図８の集光スポットを光ファイバーの端面上で
観察した場合の模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 正良 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 古田 輝幸 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 宮垣 一也 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 金井 健 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 和多田 篤行 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 俊一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 鈴木 幸栄 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 曳地 秀一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 新治 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 5F073 AA08 AA13 AA21 AA62 AA74 AB02 AB17 AB27 AB28 BA02 CA07 CA17 CB02 DA05 DA22 DA23 EA29

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
   れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
   波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活
   性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる
   層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ
   光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた
   反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レー
   ザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材
   料層の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干
   渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であると
   ともに、前記屈折率が小の材料層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
   （０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_y
   Ｇａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、
   かつ前記屈折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と
   大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ
   ＜ｘ≦１）を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チッ
   プであり、該レーザチップ上に２次元的に配置された複
   数の面発光型半導体レーザ素子を共通電極で駆動して一
   つの発光光源として使用することを特徴とする光通信シ
   ステム。
2. 【請求項２】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
   れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
   波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活
   性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる
   層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ
   光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた
   反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レー
   ザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材
   料の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干渉
   によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるとと
   もに、前記屈折率が小の材料はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜
   ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料はＡｌ_yＧａ_1-yＡ
   ｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、前記活性層
   と前記反射鏡の間にＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰＡｓ
   よりなる非発光再結合防止層を設けてなる面発光型半導
   体レーザ素子チップであり、該レーザチップ上に２次元
   的に配置された複数の面発光型半導体レーザ素子を共通
   電極で駆動して一つの発光光源として使用することを特
   徴とする光通信システム。
3. 【請求項３】 前記レーザチップ上の複数の面発光型半
   導体レーザ素子が周期的に並んでいることを特徴とする
   請求項１、２に記載の光通信システム。
4. 【請求項４】 前記光通信システムは、前記レーザチッ
   プと該レーザチップに光学的カップリングを行う光伝送
   モジュールとよりなり、前記レーザチップと光伝送モジ
   ュールは、互いに物理的に接触するとともに、該接触に
   より互いの位置決めを行うようにしたことを特徴とする
   請求項１〜３に記載の光通信システム。