JP2002252430A - 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
光型半導体レーザ素子チップを発光光源としてりようし
た組付け調整が容易な複数の光ファイバを用いた光送受
信システムを提供する。 【解決手段】 面状に配置した複数の光ファイバの配置
にあわせた位置に発光部を成長させた面発光型半導体レ
ーザ素子を直接接合させる。

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した組付け
調整が容易な複数の光ファイバを用いた光送受信システ
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た組
付け調整が容易な複数の光ファイバを用いた光送受信シ
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、システム構築時に調整不要な複数の光
ファイバの接合部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、システム構築時に調整不要で、光ファイ
バの数を設定可能な複数の光ファイバを用いた接合部を
提案することにある。

【００１４】また第５の目的は、このような光通信シス
テムにおいて、システム構築時に調整不要で、小型の接
続部とすることが可能な複数の光ファイバを用いた接合
部を提案することにある。

【００１５】

【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
プを発光光源としたものであり、面状に配置した複数の
光ファイバの配置に合わせた位置に発光部を成長させた
前記面発光型半導体レーザ素子を直接接合させるするよ
うにした。

【００１６】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を発光光源としたもので
あり、面状に配置した複数の光ファイバの配置に合わせ
た位置に発光部を成長させた前記面発光型半導体レーザ
素子を直接接合させるするようにした。

【００１７】さらに第３に、上記第１、第２の光通信シ
ステムにおいて、前記面発光型半導体レーザ素子に接合
する複数の光ファイバを樹脂により一体化して構成する
接続部を有するようにした。

【００１８】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、前記面発光型半導体レーザ素子に
光ファイバの配置を決定する穴を有する部材を接着し、
その穴を介して光ファイバを挿入して発光部と光ファイ
バの接合をする接合部を有するようにした。

【００１９】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、前記面発光型半導体レーザ
素子に接合する光ファイバに外接する正六角形による最
密充填の配置になるように接合をする接合部を有するよ
うにした。

【００２０】

【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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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）。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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（II
I 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Ｇ
ａ_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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。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。

【００５２】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。

【００５３】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）。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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。

【００８２】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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】図５はレーザ発振波長が１．１μｍ帯〜
１．７μｍ帯の長波長帯面発光半導体レーザと複数の光
ファイバを用いた通信システムの一例である。従来より
レーザ発振波長が０．８５μｍ帯では光通信システムが
検討されていたが、光ファイバーの伝送ロスが大きくて
長距離では実用的ではなかった。また従来より知られて
いる端面発光型の半導体レーザを用いた複数の光ファイ
バを用いた通信システムでは発光部とファイバを１つず
つ調整する必要があり調整工程が複雑であるばかりでな
く、直接接合することや２次元に配列することは困難で
あった。また発光部の出射角も大きくたてよこ比も１で
なく、カップリング効率を高めるためにカップリングレ
ンズを発光部とファイバの間に設ける必要があった。

【００９２】本発明の１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の長
波長帯面発光半導体レーザは前述のように省エネルギ
ー、低発熱、安定駆動ができる。 また、１．３μｍ帯の
場合を図６に示すが、出射角がたて、よことも約１５度
と端面型に比較して小さく、形状も円形でビーム整形を
する必要がない。したがって照射面がファイバコア径よ
り小さければカップリングレンズなしでカップリングす
ることができる。他の長波長帯域でも同様である。照射
面形状とファイバコア径との差が余裕度となり、複数の
ファイバを一まとめにして調整することが可能である。

【００９３】ここで本発明の１．１μｍ帯〜１．７μｍ
帯の長波長帯面発光半導体レーザの発光面とファイバの
関係を図７に示す。

【００９４】面発光半導体レーザの発光部の径をd₁、フ
ァイバのコア径をd₂、ファイバ径をd₃、発光面からファ
イバまでの距離L₁、ファイバ間の距離をL₂とする。今、
発光放射角の1/2をθとすると照射面（ファイバ端）で
のマージンmは、 m＝ 1/2・d₂ − 1/2・d₁ −L₁・tanθ で表される。

【００９５】各々の面発光半導体レーザ素子とファイバ
の距離がばらついても、ファイバ間方向への影響は小さ
くθ=７°とすると約1/8となる。発光部の径3μm、コア
径10μmとすると、L₁＝28μmでmがほぼ0となる（L₁＝1/
2（d₂ − d₁）・tan^-1 θがマージン0）。また L₁＝10
μmで3μm以上のマージンが得られる。

【００９６】従来のフェルールを用いた接続方法では位
置精度0.5μmを要求され、またわずかでも誤差があれば
カップリング効率が減少する。なお一般的に3μmであれ
ば組付け装置が効率のよいものが使える。

【００９７】上記マージンはカップリング効率の劣化の
ない条件での位置マージンであり、 L₁ < 1/2（d₂ − d₁）・tan^-1 θ を満たすことにより隣接ファイバ間の距離のマージンを
得ることができる。また、 L₁ < (1/2（d₂ − d₁） − ｍ)・tan^-1 θ を満たすことにより隣接ファイバ間の距離のマージンm
以上を得ることができる。

【００９８】図５に示すように、発光部から出射された
レーザ光は光ファイバ端面でコアの径の内側に照射さ
れ、高効率でカップリングされ、光ファイバにおいては
長波長のために伝送ロスが小さく長距離に渡って伝送で
き実用性の非常に高い複数の光ファイバを用いた光通信
システムが可能となる。前述のように本発明における面
発光型半導体レーザ素子は発光部を隣接発光部同士で干
渉しない範囲で２次元の任意の位置に形成することがで
きるので接続部の形状は一次元アレイに固定されたもの
ではない。

【００９９】複数ファイバを容易に一まとめに固定する
手段としては、複数のファイバのそれぞれを治具で仮固
定しておき、図８のように接合部を合成樹脂で固定化す
ることで実現できる。コネクタ接合部に位置合わせをす
るガイドを設けておくことで、システム構築時には調整
をする必要がなく、メンテナンスも容易な複数の光ファ
イバを用いた光通信システムが可能となる。

【０１００】また光ファイバ数は利用するシステム毎に
異なるので、ファイバ数が選択できるとシステムが柔軟
になる。図９(b)のように接合部にファイバ径とほぼ同
じ穴をもつようにし、図９(c)の面発光半導体レーザと
をあらかじめ調整の上接着しておく。図９(a)のように
必要な数のファイバ一まとめにしたものを数種類用意し
ておくきこの接合部に挿入するようにすることで、ファ
イバを無駄に使用することがなくなり、後からのファイ
バ数を増加することも可能である柔軟な複数の光ファイ
バを用いた光通信システムが可能となる。

【０１０１】さらに本発明の面発光型半導体レーザー
１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の長波長帯面発光半導体レ
ーザは２次元的に発光部を設定することができるので、
図１０に示すように隣接したファイバとは接しない六角
形を１つの単位として２次元に展開することにより図１
１のように最密充填となり、接続部の総面積を最小にし
た接合部が可能となる。ここで六角形はファイバ外形に
ほぼ接する状態まで可能であり、合成樹脂で固定した
り、ファイバ径とほぼ同じ穴を持つ接合部で構成するこ
とが可能であり、小型の接続部を持つ複数の光ファイバ
を用いた光通信システムが可能となる。

【０１０２】

【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１．１μｍ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、従来通信分野においては、端面発
光型の半導体レーザを用いるため複数の光ファイバを用
いた光通信システムを実現する場合に、１つのファイバ
に対し１つの発光部の位置調整をする必要があった。本
発明請求項１における面発光型の半導体レーザは端面型
に比較して出射角が小さく、ビーム整形を必要としない
ためカップリングレンズの必要もなく、複数のファイバ
をまとめて全体として調整をおこなうことが可能とな
り、組付け調整の生産性を向上した光通信システムの構
築がができるようになった。

【０１０４】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１．１μｍ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、従来通信分野においては、端面発
光型の半導体レーザを用いるため複数の光ファイバを用
いた光通信システムを実現する場合に、１つのファイバ
に対し１つの発光部の位置調整をする必要があった。本
発明請求項１における面発光型の半導体レーザは端面型
に比較して出射角が小さく、ビーム整形を必要としない
ためカップリングレンズの必要もなく、複数のファイバ
をまとめて全体として調整をおこなうことが可能とな
り、組付け調整の生産性を向上した光通信システムの構
築がができるようになった。

【０１０６】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、通信分野において
は、端面発光型の半導体レーザを用いるため複数の光フ
ァイバを用いた光通信システムを実現する場合に、１つ
のファイバに対し１つの発光部の位置調整をする必要が
あった。またファイバアレイ化する場合も一次元しか実
現できなかった。本発明請求項１における面発光型の半
導体レーザは端面型に比較して出射角が小さく、ビーム
整形を必要としないためカップリングレンズの必要もな
く、合成樹脂で複数のファイバを固定して、全体として
調整をおこなうため、組付け調整の生産性を向上した光
通信システムの構築がができるようになった。

【０１０７】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、従来通信分野にお
いては、端面発光型の半導体レーザを用いるため複数の
光ファイバを用いた光通信システムを実現する場合に、
１つのファイバに対し１つの発光部の位置調整をする必
要があった。またファイバアレイ化する場合も一次元し
か実現できなかった。本発明請求項１および２における
面発光型の半導体レーザは端面型に比較して出射角が小
さく、ビーム整形を必要としないためカップリングレン
ズの必要もなく、ファイバの位置を決定する穴をもつ部
材により、複数のファイバを固定して、全体として調整
をおこなうため、組付け調整の生産性を向上した光通信
システムの構築ができるようになった。また、ファイバ
数の設定等も任意に行なえるため、より柔軟な光通信シ
ステムが実現できた。

【０１０８】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、従来通信分野にお
いては、端面発光型の半導体レーザを用いるため複数の
光ファイバを用いた光通信システムを実現する場合に、
１つのファイバに対し１つの発光部の位置調整をする必
要があった。またファイバアレイ化する場合も一次元し
か実現できなかった。本発明請求項１および２における
面発光型の半導体レーザは端面型に比較して出射角が小
さく、ビーム整形を必要としないためカップリングレン
ズの必要もなく、合成樹脂やファイバの位置を決定する
穴をもつ部材により、複数のファイバを固定して、全体
として調整をおこなうため、組付け調整の生産性を向上
した光通信システムの構築がができるようになった。ま
た、再密充填で光ファイバが配置されるので、より少な
い面積で実装でき、接続部を小型化した光通信システム
が実現できた。

【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
体レーザ素子と複数の光ファイバを用いた光通信システ
ムの構成図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子の出射角を示した図である。

【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の各寸法の定義を示す図であ
る。

【図８】本発明の一実施形態に係る複数のファイバを樹
脂で固定する過程を示した図である。

【図９】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子と複数の光ファイバの接続形態を示す図で
ある。

【図１０】本発明の一実施形態に係る最密充填における
光ファイバの配置可能な位置を示す図である。

【図１１】本発明の一実施形態に係る最密充填で複数の
ファイバを配置した例を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 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） 2H037 AA01 BA05 CA06 DA03 5F073 AA74 AB17 AB28 BA01 CA07 CB02 DA05 DA22 EA23 FA07

Claims (5)

【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、面状に配置した複数の
   光ファイバの配置に合わせた位置に発光部を成長させた
   前記面発光型半導体レーザ素子を直接接合させることを
   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を発光光源としたものであり、面状
   に配置した複数の光ファイバの配置に合わせた位置に発
   光部を成長させた前記面発光型半導体レーザ素子を直接
   接合させる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に接合す
   る複数の光ファイバを樹脂により一体化して構成するこ
   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】 前記面発光型半導体レーザ素子に光ファ
   イバの配置を決定する穴を有する部材を接着し、その穴
   を介して光ファイバを挿入して発光部と光ファイバの接
   合をすることを特徴とする請求項１、２、３に記載の光
   通信システム。
5. 【請求項５】 前記面発光型半導体レーザ素子に接合す
   る光ファイバに外接する正六角形による最密充填の配置
   になるように接合をすることを特徴とする請求項１、
   ２、３、４に記載の光通信システム。