JP2002252418A - 光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モニタ用受光素子に半導体レーザ光出力を制
御するのに十分な光を分岐し、光出力を安定化させ、信
頼性、効率の高い光通信システムを提供する。 【解決手段】 レーザチップは発振波長が１．１μｍ〜
１．７μｍであり、レーザ光を得るために活性層の上部
およ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とする。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、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）とする。ここで、モニ
タ用受光素子の出力を用いて半導体レーザの光出力を制
御するようにする。この光出力を分岐する分岐手段にお
いて、使用波長帯での光透過率を１%以上50%以下とし、
モニタ用受光素子も独立して複数とする。

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。
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。

【０００３】一般に、面発光半導体レーザは、ＧaＡs
または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。

【０００４】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。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。

【０００５】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。

【０００６】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帯および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。

【０００７】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。

【０００８】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。これを解決するためには、特開平
８−３４０１４６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。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。

【０００９】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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】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することに
よって低消費電力で、半導体レーザの光出力を安定化す
ることによって信頼性の高い、光通信システムを提案す
ることにある。

【００１１】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、信
頼性が高く実用的で、半導体レーザの光出力を安定化す
ることによって信頼性の高い、光通信システムを提案す
ることにある。

【００１２】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、モニタ用受光素子に半導体レーザ光出
力を制御するのに十分な光を分岐しつつ、効率の高い光
通信システムを提案することにある。

【００１３】また第４の目的は、このような光通信シス
テムにおいて、分岐手段を光ファイバまたは光導波路を
固定する実装基板にモノリシックに形成することで、部
品点数が少なくコンパクトな光通信システムを提案する
ことにある。

【００１４】さらに第５の目的は、このような分岐手段
を共通化することにより、部品点数を減らし、コンパク
トかつ低コストな光通信システムを提案することにあ
る。

【００１５】また第６の目的は、このような光通信シス
テムにおいて、分岐手段をモニタ用受光素子面に形成す
ることで、部品点数が少なくコンパクトな光通信システ
ムを提案することにある。

【００１６】さらに第７の目的は、このような光通信シ
ステムにおいて、分岐手段を光ファイバまたは光導波路
端面に形成することで、光路長が小さく、部品点数が少
なくコンパクトな光通信システムを提案することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】レーザチップと該レーザ
チップから出射したレーザ光を分岐する分岐手段と、該
分岐されたレーザ光と光結合している光伝送路としての
光ファイバもしくは光導波路と、分岐された他方のレー
ザ光をモニタする受光素子とを含む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Ｇ
ａ、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
の上部およ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_yＧａ_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を発光光源とした光通信シ
ステムであって、前記モニタ用受光素子の出力をもちい
て、半導体レーザの光出力を制御するようにした。

【００１８】また第２に、レーザチップと該レーザチッ
プから出射したレーザ光を分岐する分岐手段と、該分岐
されたレーザ光と光結合している光伝送路としての光フ
ァイバもしくは光導波路と、分岐された他方のレーザ光
をモニタする受光素子とを含む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〜１．７
μｍであり、光を発生する活性層を、主たる元素がＧ
ａ、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
の上部およ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-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Ｇａ
ＩｎＰ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を発
光光源とし光通信システムであって、前記モニタ用受光
素子の出力をもちいて、半導体レーザの光出力を制御す
るようにした。

【００１９】さらに第３に、上記第１、第２の光通信シ
ステムにおいて、前記半導体レーザからの光出力を分岐
する分岐手段において、使用波長帯での光透過率を１%
以上50%以下にするようにした。

【００２０】また第４に、上記第１、第２の光通信シス
テムにおいて、前記分岐手段は光ファイバまたは光導波
路を固定する実装基板の一部をなすようにした。

【００２１】さらに第５に、上記第１〜第４の光通信シ
ステムにおいて、前記半導体レーザは、独立した複数の
発光素子よりなり、それに対応して、光ファイバもしく
は光導波路およびモニタ用受光素子も独立して複数ある
とともに、前記分岐手段はそれらに共通的に設けられた
構造である分岐手段であるようにした。

【００２２】また第６に、上記第１、第２、第３の光通
信システムにおいて、前記分岐手段は受光素子の一部で
あるまたは表面に形成されているようにした。

【００２３】さらに第７に、上記第１、第２、第３の光
通信システムにおいて、前記分岐手段は光ファイバまた
は導波路の端面に形成されているようにした。

【００２４】

【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１を用いて説明する。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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２
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１
では図が複雑になるので図示することを省略してい
る）。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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ＧａＡｓ〜ＡｌＧａＡｓ〜ＡｌＡｓとい
う具合にＡｌとＧａ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Ｇ
ａ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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。そこでこれと同等およびこれより薄
い、１０ｎｍ、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。

【００３９】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。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１．３
μｍ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。

【００４０】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。

【００４１】再び図１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。

【００４２】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。

【００４３】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１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。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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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
およ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、
下部およ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。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および下部反
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。

【００４７】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。

【００４８】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。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。バンドギャップＥ
ｇは、直接遷移でＥｇ（Γ）＝1.351＋0.643ｘ＋0.786
ｘ²、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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。）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ＧａＡ
ｓ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。

【００５４】この例では、活性領域内および反射鏡と活
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。

【００５５】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。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。

【００５６】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 -x}Ｐ_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。

【００５７】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。

【００５８】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）。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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（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、ＭＱＷ）等を用いることもできる。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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３を用いて説明する。

【００６７】この場合も図１の場合と同様に面方位（１
００）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-xＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−Ａ
ｌ_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_xＩ
ｎ_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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】上部反射鏡は、被選択酸化層となるＡｌＡ
ｓ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_xＩｎ_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３０ｎｍ）、厚さが（２λ／４−１５
ｎｍ）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_xＧａ_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_0.9Ga_0.1As/GaAs上部反射鏡）である。

【００７１】なおこの例においても、図３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２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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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
例では上部およ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、さらに下部およ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、活性領域内および反射鏡と
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。

【００８２】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。

【００８３】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１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。

【００８４】なお、このような非発光再結合防止層は、
図１、図３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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。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。

【００８９】以上の説明から明らかなように図３のよう
な構成においても図１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。

【００９０】なお、図３の面発光型半導体レーザも図１
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。

【００９１】さらに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、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。

【００９２】また図３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。

【００９３】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。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、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ、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り、光
通信システムへの応用ができるようになった。

【００９４】図４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。こので示したレーザ素子チッ
プには、１〜ｎ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。

【００９５】長波長帯面発光半導体レーザを用いた光通
信システムの一例として、半導体レーザとその光出力を
光通信用とモニタ用とにそのエネルギー比率を変えて分
岐する分岐手段であるミラー、モニタ用受光素子との関
係を示す模式図を図５に示す。なお、この図５および後
述の図７、図８も同様であるが、紙面に対して垂直方向
に複数個のレーザ素子がアレイ状にそしてそれに対応し
て光導波路も複数個設けた構成となっている（図では１
個しか示していない。）。通信システムは、面発光型半
導体レーザとその駆動回路を有する光送信部、面型受光
素子とその駆動回路を有する光受光部、およびそれらの
間の伝送経路として作用する光ファイバーまたは光導波
路からなっている。ここでは、半導体レーザおよび面型
受光素子の駆動回路は図示しないが、それぞれの素子と
同一の実装基板上に実装しているか、あるいは半導体レ
ーザ素子形成基板にウエハプロセスにより、レーザ素子
形成と同様に作り込んでいる。また、光伝送経路の両側
に、光送信部と光受光部（ここでいっている光受光部は
上記モニタ用受光部とは別物である。図示はしていな
い。）を備えることで、双方向の通信を行う光通信シス
テムが実現できる。

【００９６】図５に示すように長波長帯面発光レーザア
レイ素子の一方の面から出射されたレーザ光は、ミラー
で分岐され、光軸を合わせた光ファイバまたは光導波路
に導かれる。ミラーで分岐されたもう一方の光は、モニ
タ用受光素子に導かれる。ここで、このレーザ光を分岐
するミラーは、半導体レーザの出力をモニタし、モニタ
用受光素子の出力を用いて半導体レーザの出力を制御す
るため、モニタ用受光素子側に分岐される光強度は、受
光素子の感度内で小さい方がよく、光通信システムの消
費電力などを考慮すると、分岐された光の多くは、デー
タを光信号として伝送する伝送経路としての光ファイバ
や光導波路側に分岐されるのが好ましい。そのために、
本発明に用いる１．１〜１．７μmの波長の範囲におい
て、AuやAg、Alなどの金属薄膜の膜厚を制御して透過率
を制御したミラーを用いることができる。また、同様に
十分厚い金属膜を用い、全反射する条件において、その
反射面に溝や円、正方形など各種形状の開口部を設け、
透過率を制御したミラーを用いても良い。この場合、光
による干渉をさけるために、溝のピッチや開口部のサイ
ズをランダムにする、また、開口の配置をランダムにし
た方がよい。更に、誘電体や半導体多層膜によって、透
過率を制御したミラーを用いても良い。

【００９７】従来の端面発光型半導体レーザに比べ、本
発明の光通信システムに使用される発振波長が１．１μ
ｍ〜１．７μｍの面発光型半導体レーザは、温度による
光出力の変動が小さく、経時変化の少なく非常に安定し
たレーザであるが、より信頼性の高い光通信システムを
形成するには、半導体レーザ出力をモニタしてその出力
を制御した方がよい。従来、端面発光型半導体レーザで
は、後方劈開面からもレーザ光が放出されるため、この
光をモニタすることによって半導体レーザ出力を制御す
ることが知られているが、本実施例のような面発光型半
導体レーザを用いたシステムでは、レーザ出力は、半導
体レーザの一方の面からだけであり、従来のようなモニ
タ受光素子の配置は取れない。また、本発明のシステム
に使用される発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの面発
光型半導体レーザでは、光放射角は10度程度と非常に小
さく、半導体レーザを光ファイバや光導波路に近接させ
ることで、カップリングレンズを用いずに光結合させる
ことができるが、モニタ用受光素子を挿入することはで
きない。本発明では、上記のようなミラーを用いること
で、半導体レーザと光ファイバまたは光導波路間の光路
長を大きくすることなく、半導体レーザの光出力をモニ
タし、半導体レーザの光出力を制御できる。また、ミラ
ーを用いて光軸を折り曲げているため、半導体レーザ面
と光ファイバまたは光導波路の光軸が平行となり、半導
体レーザおよび光ファイバまたは光導波路がモジュール
の面に対して平行に固定できるため、固定しやすく、強
固に固定できる利点もある。また、光通信システムのモ
ジュールとしては大きくなるが、半導体レーザの光軸に
対して、ミラーの前後にカップリングレンズを用いても
よい。

【００９８】なお前述のように図示しないが、本発明で
は、複数個のレーザ素子およびこれに対応した光導波路
（この例では光ファイバ）が用いられるが、分岐手段と
してのミラーは、共通の１つのミラー（図５の紙面に対
して垂直方向にのびた共通ミラー）を用いることができ
る。これにより、このような半導体レーザ素子群、モニ
タ用受光素子群および光の分岐手段よりなるユニットの
コンパクト化、低コスト化を実現できる。

【００９９】図６にこのように分岐したレーザ光を用い
て、半導体レーザの出力を制御するブロック図を示す。
電気信号としてのデータおよびクロックが入力された駆
動回路によって、半導体レーザが駆動され、そこから放
出されたレーザ光の一部はミラーで分岐され、モニタ用
受光素子に導かれる。ここで光強度として検出され、そ
の出力が一定になるようにレーザ出力制御部によって制
御される。駆動回路は、本発明のシステムに使用される
半導体レーザは発振電圧が低しきい値であるため、低消
費電力の点でCMOSを用いることが好ましいが、バイポー
ラを用いても良い。また、モニタ用受光素子は、本発明
の波長域が１．１〜１．７μmであるため、InGaAs材料
のフォトダイオードを用いることができる。経時変化や
温度変化によるレーザ光の変動は時間的に緩やかな変化
であるため、応答速度は低くとも高感度のフォトダイオ
ードでも良い。

【０１００】再度図５に戻って、実施例について説明す
る。図２に示す長波長帯面発光型半導体レーザを４個並
べたレーザアレイ素子と図示していない駆動回路および
レーザ出力制御部を熱伝導性の良いSiの実装基板上に実
装した。なお、４個の半導体レーザ素子は１枚のチップ
上にその配列ピッチを２００μｍとして形成したもの
で、発振波長は、１．３μmのものを使用した。つい
で、熱伝導性がよく、１．３μmの光に対して透明なSi
を用いて、分岐手段としてのミラーを形成する。使用し
たＳｉは単結晶Ｓｉであり、最終的に異方性エッチング
によって形成されるミラー面を考慮して、ウエハの結晶
軸に対する切り出し面を決定している。なおエッチャン
トはＫＯＨを用いた。このようにして45度のミラー面を
実装基板とモノリシックに形成し、傾斜面にAuを蒸着し
た後、光導波路を形成した。Au膜厚をかえて、波長１．
３μmのレーザ光の透過率を制御した。光導波路は、ク
ラッドを形成した後、コアにポリメチルメタクリレート
(PMMA)を用い、パターニングを行い、上層にクラッド層
を形成した。コアのサイズは50×50μmとした。この導
波路は、モジュール形成後、図示していない光ファイバ
と光結合し、長距離通信システムをなしている。光導波
路として、PMMAの他に、ポリイミドやエポキシ樹脂、ポ
リウレタンやポリエチレンなどのポリマー導波路やシリ
コン酸化膜などの無機膜も用いることができる。また、
形成方法もスピンコートやディップコートなどの塗布と
パターニングを組み合わせたり、樹脂モールドや金型加
工によるものなどが用いられる。半導体レーザの光軸と
光導波路の光軸を一致させ、各々の実装基板を固定し、
ミラー面が形成されている実装基板に分岐された光軸に
あわせて受光素子である面入射型フォトダイオードを固
定した。ここでは、InP基板上にバッファ層を設けた上
に光吸収層としてInGaAs層をもつフォトダイオードを用
いた。受光素子の出力をボンディングによってレーザ出
力制御部に電気的に接続し、半導体レーザの出力を制御
した。

【０１０１】以下に外部の温度を変えた場合の検討結果
を示す。この結果は２０℃の場合のものである。実際に
は０℃〜７０℃まで１０℃ずつ変えて調べたが、結果は
２０℃の場合とほとんど同じであったので、ここではこ
のデータのみ示す。

【０１０２】

【表１】 評価記号： ○実使用に耐える △実使用にやや難あり ×実使用不可

【０１０３】この様に、透過率が１%より小さい場合に
は、通信のmWレベルに対して10μＷレベルの光がモニタ
ーされるが、変動のレンジはそれよりも小さいため、レ
ーザ出力の変動を検出し制御するのに十分な光が受光素
子側へ導かれず、半導体レーザの出力に変動が見られ
る。一方、透過率が５０％を超える領域では、信号伝送
に比べ、半導体レーザの出力を制御する側のエネルギー
消費が大きく、システムとして効率の悪いものとなっ
た。なお実際のシステムとして使用する場合には透過率
が、２％以上30%以下がシステム設計上好ましい。従っ
て、この様な構成にすることによって、コンパクトなモ
ジュールで、外部の温度変化によらず、レーザ出力を安
定に制御できるため、信頼性の高い光通信システムを構
築できた。また、その場合の半導体レーザからの光出力
を分岐するミラーの光透過率を1%以上50%以下にするこ
とが実用的であることがわかった。

【０１０４】ここでは、半導体素子数を４個としたが、
1個でも、また、8、12、16個など送信するデータによっ
て適宜必要な数でかまわない。また、光導波路に光結合
させたが、光ファイバを用いてもよく、遠距離で、大容
量の情報を転送するにはシングルモードファイバが適し
ており、近距離で低コストにするにはプラスチック光フ
ァイバ（POF）が適しており、また両者のバランスの取
れた領域にはマルチモードファイバが適しており、適宜
使用できる。

【０１０５】次に、本発明の別の実施例として、受光素
子の電極とミラーを一体に形成した例を図７に示す。図
１に示す長波長帯面発光型半導体レーザ素子をSi基板上
に図示していない駆動回路およびレーザ出力制御部とと
もに実装した。なお、発振波長は、１．２μmのものを
使用した。一方、実施例１同様モニタ用受光素子として
GaAsP材料を用いたフォトダイオードを用い、その光検
出面のｐ型電極と反射ミラーかねたミラーを形成する。
１．２μmの光が透過しない厚さ300nmのAu膜を蒸着し、
０．７〜５μm径のランダムな円状の開口を形成し、ミ
ラーの透過率を５％とした。レーザ素子に対して、４５
度の角度で固定し、この出力をレーザ出力制御部に電気
的に接続し、半導体レーザ出力のレーザ出力を制御し
た。一方、このミラーを介したレーザ光の光軸とコア径
５０μm、クラッド径１２５μmのマルチモードファイバ
の光軸とを一致させて光学的に接続し、光通信システム
を構築した。この様な構成にすることで、部品点数が少
なくコンパクトなモジュールを形成でき、また、レーザ
出力を安定に制御できるため、信頼性の高い光通信シス
テムを構築できる。

【０１０６】ここでは、モニタ用受光素子の電極とミラ
ーかねて一体に形成したが、モニタ用受光素子の表面に
形成し、単にミラーとしての機能しかなく、電極などの
ようにモニタ用受光素子の構成部分をかねなくても良
い。

【０１０７】次に、本発明の別の実施例として、光導波
路端面にミラーを形成した例を図８に示す。図２に示す
長波長帯面発光型半導体レーザアレイ素子をSi基板上に
図示していない駆動回路およびレーザ出力制御部ととも
に実装した。なお、レーザ素子数は、４個で、そのピッ
チは、200μm、発振波長は、１．３μmのものを使用し
た。実施例１同様に、基板上に光導波路を形成した。光
導波路は、クラッドを形成した後、コアにフッ素化ポリ
イミドを用い、パターニングを行い、上層にクラッド層
を形成した。コアのサイズは50×50μmとした。この導
波路は、モジュール形成後、図示していない光ファイバ
と光結合し、長距離通信システムをなしている。光導波
路として、ポリイミドの他に、PMMAやエポキシ樹脂、ポ
リウレタンやポリエチレンなどのポリマー導波路やシリ
コン酸化膜などの無機膜も用いることができる。また、
形成方法もスピンコートやディップコートなどの塗布と
パターニングを組み合わせたり、樹脂モールドや金型加
工によるものなどが用いられる。この導波路をダイヤモ
ンドブレードを用いて、端面を４５度に加工し、端面に
Auを蒸着し、ミラーとしての透過率を3%とした。この様
な光導波路と半導体レーザを光軸を一致させて光学的に
結合させ、ミラーによって分岐された光軸上にモニタ用
受光素子を固定し、その出力をレーザ出力制御部に電気
的に接続し、レーザ出力を制御できる光通信システムを
構築した。この様な構成にすることで、部品点数が少な
くコンパクトなモジュールを形成でき、また、レーザ出
力を安定に制御できるため、信頼性の高い光通信システ
ムを構築できる。

【０１０８】

【発明の効果】（請求項１に対応した効果）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１．１
μｍ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。

【０１０９】さらに、半導体レーザからの光出力をモニ
タし、経時変化や温度変化による光出力の変動を制御す
ることによって、光出力が安定し信頼性の高い光通信シ
ステムが実現できた。

【０１１０】（請求項２に対応した効果）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１．１μ
ｍ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。

【０１１１】さらに、半導体レーザからの光出力をモニ
タし、経時変化や温度変化による光出力の変動を制御す
ることによって、光出力が安定し信頼性の高い光通信シ
ステムが実現できた。

【０１１２】（請求項３に対応した効果）このような光
通信システムにおいて、半導体レーザからの光出力を分
岐するミラーの光透過率を1％以上50%以下にすることに
よって、モニタ用受光素子に半導体レーザ光出力を制御
するのに十分な光を分岐しつつ、効率の高い光通信シス
テムを実現できた。

【０１１３】（請求項４に対応した効果）このような光
通信システムにおいて、半導体レーザからの光出力を分
岐するミラーを光ファイバまたは光導波路を固定する実
装基板とモノリシックに形成することで、部品点数が少
なくコンパクトな光通信システムを実現できた。

【０１１４】（請求項５に対応した効果）このような光
通信システムにおいて、分岐手段を共通的に設けられた
構造としたので、部品点数が少なく、また分岐手段を個
々のレーザ素子あるいは光導波路と一つ一つ行う必要も
なく、アセンブリコストの低減がはかれ、コンパクト低
コスト光通信システムを実現できた。

【０１１５】（請求項６に対応した効果）このような光
通信システムにおいて、半導体レーザからの光出力を分
岐するミラーを受光素子の一部とするまたはその表面に
形成することによって、部品点数が少なくコンパクトな
光通信システムを実現できた。

【０１１６】（請求項７に対応した効果）このような光
通信システムにおいて、半導体レーザからの光出力を分
岐するミラーを光ファイバまたは光導波路端面に形成す
ることで、光路長が小さく、部品点数が少なくコンパク
トな光通信システムを実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの素子部の断面図である。

【図２】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
を示す図である。

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

【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
体レーザ素子を用いた光通信システムの半導体レーザと
ミラーおよびモニタ用受光素子の関係を示す模式図であ
る。

【図６】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子を用いた光通信システムのモニタ用受光素
子の出力を用いて半導体レーザの出力を制御するブロッ
ク図である。

【図７】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子を用いた光通信システムの半導体レーザと
ミラーおよびモニタ用受光素子の関係を示す模式図であ
る。

【図８】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子を用いた光通信システムの半導体レーザと
ミラーおよびモニタ用受光素子の関係を示す模式図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 菅原 悟 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 関谷 卓朗 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） 2H037 AA01 BA02 BA11 CA10 CA37 DA03 DA04 DA06 5F073 AA65 AB04 AB17 BA02 CA07 CA17 EA15 FA02 FA04 FA06 FA07

Claims (7)

【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から出射
   したレーザ光を分岐する分岐手段と、該分岐されたレー
   ザ光と光結合している光伝送路としての光ファイバもし
   くは光導波路と、分岐された他方のレーザ光をモニタす
   る受光素子とを含む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および下
   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_yＧａ_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
   ーザ素子チップを発光光源とした光通信システムであっ
   て、前記モニタ用受光素子の出力を用いて、半導体レー
   ザの光出力を制御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から出射
   したレーザ光を分岐する分岐手段と、該分岐されたレー
   ザ光と光結合している光伝送路としての光ファイバもし
   くは光導波路と、分岐された他方のレーザ光をモニタす
   る受光素子とを含む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および下
   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_xＧ
   ａ_1-xＡｓ（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を発光光源とし光
   通信システムであって、前記モニタ用受光素子の出力を
   用いて、半導体レーザの光出力を制御することを特徴と
   する光通信システム。
3. 【請求項３】 前記半導体レーザからの光出力を分岐す
   る分岐手段において、使用波長帯での光透過率を１%以
   上50%以下にすることを特徴とする請求項１または２記
   載の光通信システム。
4. 【請求項４】 前記分岐手段は光ファイバまたは光導波
   路を固定する実装基板の一部をなすことを特徴とする請
   求項１または２記載の光通信システム。
5. 【請求項５】 前記半導体レーザは、独立した複数の発
   光素子よりなり、それに対応して、光ファイバもしくは
   光導波路およびモニタ用受光素子も独立して複数あると
   ともに、前記分岐手段はそれらに共通的に設けられた構
   造である分岐手段であることを特徴とする請求項１から
   ４のいずれか１項に記載の光通信システム。
6. 【請求項６】 前記分岐手段は受光素子の一部であるま
   たは表面に形成されていることを特徴とする請求項１か
   ら３のいずれか１項に記載の光通信システム。
7. 【請求項７】 前記分岐手段は光ファイバまたは導波路
   の端面に形成されていることを特徴とする請求項１から
   ３のいずれか１項に記載の光通信システム。