JP2002252428A - 長波長帯面発光レーザ素子を用いた光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発
光型半導体レーザチップを発光光源として利用し、カッ
プリングレンズを用いることなく高効率でレーザ光を光
ファイバにカップリング可能な光通信システムを提供す
る。 【解決手段】 （１）上記もしくは下部反射鏡領域の少
なくとも一方の反射鏡の反射率を半径方向に変化させ
る、（２）上部もしくは下部反射領域、または、活性層
の利得もしくは損失を半径方向で変化させる、少なくと
も１つの特徴を有する同心円状の微細構造を有する面発
光型半導体レーザ素子チップであって、半径方向の変化
の間隔は半径方向に対して不均一とし、レーザ素子チッ
プの発光部から所定の距離の位置に光ファイバの端面が
発光部と相対するように光ファイバを配設する。

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ものであ
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カップリングが容易
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
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
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。

【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。

【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光通信シ
ステムが存在せず、その出現が切望されている。

【００１０】さらにまた、このような光通信システムを
効率の良いものとするための１．１〜１．７μｍの長波
長帯面発光半導体レーザと光ファイバの良好なカップリ
ングの方法についてもその出現が期待されている。この
ような光ファイバカップリングの方法の一例として、特
許第３１０２７４２号公報に記載された発明が知られて
いる。これは、０．８５μｍ帯の面発光レーザ素子にフ
レネルゾーンのはたらきをする微細構造を設けたもので
あるが、本発明のように１．１〜１．７μｍ帯のような
長波長帯レーザ素子に良好に適用する事が可能かどうか
わからない。その理由は、利用する発振波長が異なるか
らであるが、本発明ではこの点に着目し鋭意検討を行っ
た結果、未だ解決すべき課題があることを見出した。

【００１１】

【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し、カップ
リングレンズを用いることなくレーザ光が光ファイバに
高効率にカップリングでき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。

【００１２】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、カ
ップリングレンズを用いることなくレーザ光が光ファイ
バに高効率にカップリングでき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。

【００１３】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、カップリングレンズを用いることなく
レーザ光が光ファイバにカップリングでき、かつ、レー
ザチップの作製が容易である光通信システムを提案する
ことにある。

【００１４】また第４の目的は、このような光通信シス
テムにおいて、カップリングレンズを用いることなくレ
ーザ光が光ファイバに高効率にカップリングでき、大容
量の通信を提案することにある。

【００１５】また第５の目的は、このような光通信シス
テムにおいて、集光スポットを小さくすることにある。

【００１６】また第６の目的は、このような光通信シス
テムにおいて、集光スポットの光強度を大きくすること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
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、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、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、
屈折率が小の材料層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）
とし、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、かつ屈折率が小と大の
材料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ものであ
り、面発光型半導体レーザ素子チップは、同心円状の微
細構造を有し、微細構造は、（１）上部もしくは下部反
射鏡領域の少なくとも一方の反射鏡の反射率を半径方向
に変化させる、または、（２）上部もしくは下部反射鏡
領域、または、活性層の利得もしくは損失を半径方向で
変化させる、または、（３）上部もしくは下部反射鏡領
域の少なくとも一方の反射鏡の反射率を半径方向で変化
させ、かつ、上部もしくは下部反射鏡領域、または、活
性層の利得もしくは損失を半径方向で変化させることを
特徴とし、半径方向の変化の間隔は半径方向に対して不
均一であり、レーザ素子チップの発光部から所定の距離
の位置に光ファイバの端面が発光部と相対するように光
ファイバを配置するようにした。

【００１８】また第２に、レーザチップとレーザチップ
と接続される光通信システムにおいて、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、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、
屈折率が小の材料はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）と
し、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、活性層と反射鏡の間にＧａ
ＩｎＰもしくはＧａＩｎＰＡｓよりなる非発光再カップ
リング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たものであり、面発光型半導体レー
ザ素子チップは、同心円状の微細構造を有し、微細構造
は、（１）上部もしくは下部反射鏡領域の少なくとも一
方の反射鏡の反射率を半径方向に変化させる、または、
（２）上部もしくは下部反射鏡領域、または、活性層の
利得もしくは損失を半径方向で変化させる、または、
（３）上部もしくは下部反射鏡領域の少なくとも一方の
反射鏡の反射率を半径方向で変化させ、かつ、上部もし
くは下部反射鏡領域、または、活性層の利得もしくは損
失を半径方向で変化させることを特徴とし、半径方向の
変化の間隔は半径方向に対して不均一であり、レーザ素
子チップの発光部から所定の距離の位置に光ファイバの
端面が発光部と相対するように光ファイバを配置するよ
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、面発光型半導体レーザ素子チップの上
部のコンタクト層を相異なる半径を有する同心円状のパ
ターン形状とし、隣接する同心円パターンの間隔は不等
ピッチであり、レーザ素子チップの発光部から所定の距
離の位置に光ファイバの端面が発光部と相対するように
光ファイバを配置するようにした。

【００２０】また第４に、上記第１、第２、第３の光通
信システムにおいて、微細構造、または、同心円状のパ
ターンがアレイ状にｎ個配列され、光ファイバも微細構
造またはパターンに対応してアレイ状にｎ個配列するよ
うにした。

【００２１】また第５に、上記第１、第２、第３、第４
の光通信システムにおいて、微細構造で反射鏡の反射率
が高い部分、または、レーザ素子の利得の高い部分、ま
たはレーザ素子の損失の小さい部分どうしの間の間隔
は、１つの半径方向変化の中心から光ファイバ端までの
光路に対応する位相が、１つの半径方向変化の中心から
前記光ファイバ端までの光路に対応する位相と２ｍπ
（ｍは正の整数）だけ異なるようにした。

【００２２】また第６に、上記第１、第２、第３、第４
の光通信システムにおいて、微細構造で反射鏡の反射率
が低い部分、または、レーザ素子の利得の低い部分、ま
たはレーザ素子の損失の大きい部分どうしの間の間隔
は、１つの半径方向変化の中心から光ファイバ端までの
光路に対応する位相が、１つの半径方向変化の中心から
光ファイバ端までの光路に対応する位相とｎπ（ｎは奇
数）だけ異なるようにした。

【００２３】

【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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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）。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】ここで、量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは３
９％（Ga_0.61In_0.39As）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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】この例では、上下反射鏡に挟まれた、キャ
リアが注入され再カップリングする活性領域（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）の非発光再カップリング防止層としている。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カップリングする時、この
界面で非発光再カップリング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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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
発光再カップリングがなくなり、非発光再カップリング
が低減した。

【００５４】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、すなわち非発光再カップ
リング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。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）の非発光再カップリング防止層とし
ているが、複数層のＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜
１、０＜ｙ≦１）を非発光再カップリング防止層として
も良い。

【００５５】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。

【００５６】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）。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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、非発光再カップリング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
現できるようになった。

【００６４】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。

【００６５】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_x
Ｉｎ_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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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カップリングする活性領域
（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Ａ
ｌ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_yＡ
ｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の非発光再カップリ
ング防止層としている。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カップリングを低減さ
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。

【００８２】なお、このような非発光再カップリング防
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。

【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
カップリング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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】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、かつ非発光再カッ
プリング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。

【００９３】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。ここ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。

【００９４】図５は本発明の光通信システムに用いる長
波長帯面発光半導体レーザの一例であり、面発光レーザ
チップ部分の断面部を示している。図５の例では上部の
コンタクト層を同心円状のパターンとしている。しか
し、この実施例以外にも上部半導体分布反射鏡や下部半
導体分布反射鏡を同心円状に屈折率を変えて反射率を局
所的に変化させる構造でも同様の効果が得られる。すな
わち、同心円状の微細構造は（１）前記上部もしくは下
部反射鏡領域の少なくとも一方の反射鏡の反射率を半径
方向に変化させる、または、（２）前記上部もしくは下
部反射鏡領域、または、前記活性層の利得もしくは損失
を半径方向で変化させる、または、（３）前記上部もし
くは下部反射鏡領域の少なくとも一方の反射鏡の反射率
を半径方向で変化させ、かつ、前記上部もしくは下部反
射鏡領域、または、前記活性層の利得もしくは損失を半
径方向で変化させる、これら３つのいずれかの構造をと
りさえすれば良い。これらの微細構造は、光ファイバの
コアの断面形状が通常円形であるためカップリング損失
を小さくするために円形が好ましい。

【００９５】同心円状の微細構造の設計は以下の通り行
う。反射率の高い環状部またはレーザ利得の高い部分の
平均半径をｒとし、環状部幅の中心から光ファイバ端面
までの距離をＬ、レーザ発振波長をλ、ｍを正の整数
（ｍ＝１、２、…）とすると、 ｒ＝√（２ｍＬλ） で表される。例えば、Ｌ＝３００μｍ、λ＝１．３μｍ
とすると平均半径は次のように設定すれば良い。

【００９６】

【表１】

【００９７】また、反射率の低い環状部またはレーザ利
得の低い部分は、その平均半径をｒとし、レーザチップ
から光ファイバまでの距離をＬ、レーザ発振波長をλ、
さらに、ｍを正の整数（ｍ＝１、２、…）とすると、 ｒ＝√（（２ｍ−１）Ｌλ） とする。例えば、Ｌ＝３００μｍ、λ＝１．３μｍとす
ると平均半径は次のように設定すれば良い。

【００９８】

【表２】

【００９９】同心円状の微細加工は従来の光リソグラフ
と反応性イオンエッチングを用いて作ることができる。
反射率またはレーザ利得を同心円状に半径方向で変化さ
せるには、図３に示されるレーザチップの断面図で、上
部半導体分布ブラッグ反射鏡と下部半導体ブラッグ反射
鏡の少なくとも一方を膜面内で膜厚を変化させて反射率
に分布を持たせる。また、電流狭さく層を同心円状の環
状開口に作製しても同様の効果が得られる。

【０１００】上記面発光レーザを点灯するとレーザビー
ムは凸レンズもしくはフレネルレンズなどによって集光
されるように、レーザ発光部から所定の位置（この例で
は３００μｍ先）で集光スポットが得られる。この位置
に光ファイバをその端面が発光部と相対するように配置
させる。

【０１０１】上記面発光レーザを用いた光通信システム
の一実施例を図６に示す。同心円状にパターンを有する
面発光レーザ６１と集光スポット付近に光ファイバ６２
を配置させる。面発光レーザの発光部は例えば上記のよ
うなパターンを有しており、カップリングレンズを用い
ることなくビームを集光させることができる。面発光レ
ーザは前述の通り、１．１μｍ帯から１．７μｍ帯の長
波長帯レーザある。この波長域でも特に１．３μｍ帯や
１．５５μｍ帯は石英ファイバの内部損失が非常に小さ
くなる波長である。従って、本発明によって、従来の面
発光レーザでは不可能であった長距離光通信に適したシ
ステムが実現され、特に、面発光レーザの出射部がレン
ズ機能を有するため、カップリングレンズを用いること
なく光ファイバにカップリングすることができる。端面
発光型レーザではレンズや光ファイバからの戻り光によ
ってレーザ発振条件が変わり光強度変化や発振波長の変
化を引き起こす。このため従来では光アイソレータが必
要となり光通信システムを低コストにできなかった。し
かし、本発明では面発光型レーザを用いており、レーザ
には高反射率の反射鏡があるため戻り光の影響を受けに
くい。したがって光アイソレータが不要となり、かつ、
上記同心円状パターン形成によるレンズ機能を有するた
めカップリングレンズも不要となる。レーザ素子と光フ
ァイバとの位置調整になるので実装が比較的に容易にな
る。したがって、低コストで実装が容易な光通信システ
ムが実現できる。

【０１０２】なお、レーザ利得または損失を変化させる
方法として次のような実施例がある。図示しないが、電
流狭さく層に表２のような同心円状パターンを形成す
る。この場合、上部と下部の半導体反射膜の反射率は面
内で局所的に変化させる必要は無い。また、上部のコン
タクト層にも同心円状のパターンを形成する必要はな
い。電流狭さく層に同心円状のパターンを形成すること
によって面発光レーザのレーザ利得（または損失）をフ
レネルゾーンのような空間分布を持たせる事ができる。
このため凸レンズ効果をもったレーザ光が出射されるた
め、所定の位置で集光スポットが得られる。この位置に
光ファイバ端面を配置させることによってカップリング
レンズを用いることなく光ファイバにカップリングする
ことができる。

【０１０３】（請求項３の実施例）図５に示すように、
面発光半導体レーザ素子チップの上部のコンタクト層を
同心円状のパターン形状とする。これらの同心円状の半
径は例えば表１に示すように設計できる。このパターン
はフレネルゾーンとして動作するため、レーザ発振した
ビームは同心円状のパターンを通過して所定の位置に集
光される。この位置に光ファイバ端面を設置すれば、カ
ップリングレンズを用いることなくカップリングでき
る。本発明ではコンタクト層に同心円状のパターン形成
を施すため、レーザ素子チップを構成する多数の膜のう
ち上部のコンタクト層のみにフレネルゾーン構造を施す
ことで凸レンズ効果を得る。この同心円状のパターンは
従来の光リソグラフと反応性イオンエッチングを用いる
と作製可能であり、反射鏡の反射率を局所的に変化させ
る場合に比べて作製プロセスが簡単になる。

【０１０４】上記に示したように１．１μｍ帯〜１．７
μｍ帯の面発光型レーザを用いるため、従来の０．８５
μｍ帯面発光型レーザでは不可能であった長距離光通信
に適したシステムが実現され、特に、面発光レーザの出
射部がレンズ機能を有するため、カップリングレンズを
用いることなく光ファイバにカップリングすることがで
きる。面発光レーザ特有の戻り光に強い特性を持つた
め、光アイソレータが不要である。さらに、同心円状の
パターンによってレーザ光を集光させる機能を持たせる
ため、半導体反射膜の反射率やレーザ利得を局所的に変
化させる構造に比べて作製プロセスが容易になる。

【０１０５】（請求項４の実施例）図７には請求項４の
発明の一実施例を示す。面発光レーザ６３の上部のコン
タクト層には同心円状のパターンがアレイ状に配列され
ている。この例では１つのレーザチップに同心円状のパ
ターンを施した発光素子を３つ形成した例を示してい
る。アレイ数は本発明の効果に影響を及ぼさないのでい
くつでも良い。また、光ファイバアレイ６４が面発光レ
ーザの直後に配置される。光ファイバアレイの各ファイ
バは面発光レーザからの集光ビームのビームウエストに
設置されるのが理想である。同心円状のパターンは表１
に示すように、または、パターン間の遮蔽部は表２のよ
うに配置させることによってカップリングレンズを用い
ることなく集光スポットを得ることができる。同心円状
のパターンがアレイ状に配列されているので集光スポッ
トもアレイ状に配列される。このアレイ形状に合わせて
光ファイバを配列させる。このため、カップリングレン
ズアレイを用いることなく光ファイバアレイにレーザア
レイ光をカップリングすることが可能である。また、本
発明に使われる面発光レーザは発振波長が、前述の通
り、１．１μｍ帯から１．７μｍ帯である。特に１．３
μｍ帯や１．５５μｍ帯は石英ファイバでの内部損失が
非常に小さいため長距離伝送に適する。以上より、カッ
プリングレンズアレイを用いることなくレーザアレイ光
を光ファイバアレイにカップリングさせることが可能に
なるため、大容量の光通信システムを実現できる。

【０１０６】（請求項５の実施例）同心円状の微細構造
で反射鏡の反射率が高い部分、または、レーザ素子の利
得の高い部分、またはレーザ素子の損失の小さい部分ど
うしの間の間隔は、１つの半径方向変化の中心から光フ
ァイバ端までの光路に対応する位相が、前記１つの半径
方向変化の中心から前記光ファイバ端までの光路に対応
する位相と２ｍπ（ｍは正の整数）だけ異なるようにす
る。例えば、表１のように微細構造の半径を設定すれば
所定の距離（この場合３００μｍ先の位置）でビームが
集光される。さらに、例えば反射率を変化させる場合で
半径方向に見た時、好ましくは反射率の高い部分の幅は
反射率の低い部分の幅より短くする。以上の構成にする
と、位相のずれの少ない干渉スポットになるため集光ス
ポット径を小さくすることができる。単一モード光ファ
イバへのカップリングでは集光スポットはファイバのコ
ア径程度に小さくする方が効率よくカップリングしやす
い。

【０１０７】本発明に使われる面発光レーザは発振波長
が、前述の通り、１．１μｍ帯から１．７μｍ帯であ
る。特に１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯は石英ファイバ
での内部損失が非常に小さいため長距離伝送に適する。
以上より、光アイソレータやカップリングレンズを用い
ることなく長距離伝送に適した波長帯の面発光レーザを
用いて単一モード光ファイバにカップリングできる光通
信システムを実現できる。

【０１０８】（請求項６の実施例）同心円状の微細構造
で反射鏡の反射率が低い部分、または、レーザ素子の利
得の低い部分、またはレーザ素子の損失の大きい部分ど
うしの間の間隔は、１つの半径方向変化の中心から光フ
ァイバ端までの光路に対応する位相が、前記１つの半径
方向変化の中心から前記光ファイバ端までの光路に対応
する位相とｎπ（ｎは奇数）だけ異なるようにする。例
えば表２のように微細構造の半径を設定すれば所定の距
離（この場合３００μｍ先の位置）でビームが集光され
る。さらに、例えば反射率を変化させる場合で半径方向
に見た時、好ましくは反射率の低い部分の幅は反射率の
高い部分の幅よりも短くする。以上の構成によれば、集
光スポット位置で光強度を弱める位相をもつ光を除外す
ることができる。また、集光スポット径は大きくなる
が、集光スポットの光強度を高くすることができる。

【０１０９】本発明に使われる面発光レーザは発振波長
が、前述の通り、１．１μｍ帯から１．７μｍ帯であ
る。特に１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯は石英ファイバ
での内部損失が非常に小さいため長距離伝送に適する。
集光スポット径は先の実施例に比べ大きくなるが光強度
は逆に大きくすることができる。このため、光アイソレ
ータやカップリングレンズを不要とする長波長帯面発光
レーザを用いた光通信システムを実現できる。

【０１１０】

【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
それを用いた光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。

【０１１１】さらに、従来１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯
の端面発光型レーザと単一モード光ファイバとのカップ
リングを高効率にするにはレーザの光出射部の形状やカ
ップリングレンズ系などを工夫しなければならなかった
が、本発明の面発光レーザを用いるとカップリングレン
ズが不要となる。また、面発光レーザを用いるため光ア
イソレータを不要とする。従って、低コストで実装が容
易な光通信システムが実現できた。

【０１１２】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
用いた光通信システムが存在しなかったが、本発明のよ
うに、非発光再カップリング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。

【０１１３】さらに、従来１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯
の端面発光型レーザと単一モード光ファイバとのカップ
リングを高効率にするにはレーザの光出射部の形状やカ
ップリングレンズ系などを工夫しなければならなかった
が、本発明の面発光レーザを用いるとカップリングレン
ズが不要となる。また、面発光レーザを用いるため光ア
イソレータを不要とする。従って、低コストで実装が容
易な光通信システムが実現できた。

【０１１４】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、上部のコンタクト
層のみを同心円状のパターン形成としたため作製が容易
で、カップリングレンズを不要とするさらに低コストで
実装が容易な光通信システムを実現できた。

【０１１５】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、発光部分をアレイ
化し光ファイバアレイにカップリングさせるため、カッ
プリングレンズアレイが不要となり、低コストで実装が
容易な大容量の光通信システムを実現できた。

【０１１６】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、同心円状の微細構
造からのレーザ光が光ファイバ端面で強め合うためレー
ザ光の集光スポットを小さくできる光通信システムを実
現できた。

【０１１７】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、光ファイバ端面で
位相がπの奇数倍となる位置からのビームを除去するよ
うに同心円状の微細構造を設定するため集光位置での光
強度を強くすることができる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
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
体レーザ素子チップの図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子と光ファイバを用いた光通信システムの図
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
体レーザ素子と光ファイバアレイを用いた光通信システ
ムの図である。

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 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 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 (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 Ｆターム(参考） 5F073 AA74 AB17 AB28 BA01 CA07 CB02 DA05 DA22 EA23 FA07

Claims (6)

【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
   プを発光光源としたものであり、前記面発光型半導体レ
   ーザ素子チップは、同心円状の微細構造を有し、前記微
   細構造は、（１）前記上部もしくは下部反射鏡領域の少
   なくとも一方の反射鏡の反射率を半径方向に変化させ
   る、または、（２）前記上部もしくは下部反射鏡領域、
   または、前記活性層の利得もしくは損失を半径方向で変
   化させる、または、（３）前記上部もしくは下部反射鏡
   領域の少なくとも一方の反射鏡の反射率を半径方向で変
   化させ、かつ、前記上部もしくは下部反射鏡領域、また
   は、前記活性層の利得もしくは損失を半径方向で変化さ
   せることを特徴とし、前記半径方向の変化の間隔は半径
   方向に対して不均一であり、前記レーザ素子チップの発
   光部から所定の距離の位置に光ファイバの端面が前記発
   光部と相対するように光ファイバを配置したことを特徴
   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
   よりなる非発光再カップリング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たものであ
   り、前記面発光型半導体レーザ素子チップは、同心円状
   の微細構造を有し、前記微細構造は、（１）前記上部も
   しくは下部反射鏡領域の少なくとも一方の反射鏡の反射
   率を半径方向に変化させる、または、（２）前記上部も
   しくは下部反射鏡領域、または、前記活性層の利得もし
   くは損失を半径方向で変化させる、または、（３）前記
   上部もしくは下部反射鏡領域の少なくとも一方の反射鏡
   の反射率を半径方向で変化させ、かつ、前記上部もしく
   は下部反射鏡領域、または、前記活性層の利得もしくは
   損失を半径方向で変化させることを特徴とし、前記半径
   方向の変化の間隔は半径方向に対して不均一であり、前
   記レーザ素子チップの発光部から所定の距離の位置に光
   ファイバの端面が前記発光部と相対するように光ファイ
   バを配置したことを特徴とする光通信システム。
3. 【請求項３】 前記面発光型半導体レーザ素子チップの
   上部のコンタクト層を相異なる半径を有する同心円状の
   パターン形状とし、隣接する同心円パターンの間隔は不
   等ピッチであり、前記レーザ素子チップの発光部から所
   定の距離の位置に光ファイバの端面が前記発光部と相対
   するように光ファイバを配置したことを特徴とする請求
   項１又は２に記載の光通信システム。
4. 【請求項４】 前記微細構造、または、前記同心円状の
   パターンがアレイ状にｎ個配列され、光ファイバも前記
   微細構造または前記パターンに対応してアレイ状にｎ個
   配列されることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光
   通信システム。
5. 【請求項５】 前記微細構造で反射鏡の反射率が高い部
   分、または、レーザ素子の利得の高い部分、またはレー
   ザ素子の損失の小さい部分どうしの間の間隔は、１つの
   半径方向変化の中心から光ファイバ端までの光路に対応
   する位相が、前記１つの半径方向変化の中心から前記光
   ファイバ端までの光路に対応する位相と２ｍπ（ｍは正
   の整数）だけ異なることを特徴とする請求項１乃至４に
   記載の光通信システム。
6. 【請求項６】 前記微細構造で反射鏡の反射率が低い部
   分、または、レーザ素子の利得の低い部分、またはレー
   ザ素子の損失の大きい部分どうしの間の間隔は、１つの
   半径方向変化の中心から光ファイバ端までの光路に対応
   する位相が、前記１つの半径方向変化の中心から前記光
   ファイバ端までの光路に対応する位相とｎπ（ｎは奇
   数）だけ異なることを特徴とする請求項１乃至４に記載
   の光通信システム。