JP2002261401A - Optical communication module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[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モジュールに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser used for optical communication and the like and an optical communication system therefor, and more particularly to a so-called surface which emits light in a direction perpendicular to the surface of a semiconductor substrate used for manufacturing the semiconductor laser. The present invention relates to an optical communication module in which a plurality of laser elements are formed using a light emitting laser to enable large-capacity communication.
【0002】[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。2. Description of the Related Art A surface emitting semiconductor laser emits laser light in a vertical direction from the surface of a substrate, so that two-dimensional parallel integration is possible, and the spread angle of the output light is relatively narrow (about 10 degrees). Therefore, it is easy to couple with an optical fiber and easy to inspect the element.
Therefore, in particular, development as an element suitable for configuring an optical transmission module (optical interconnection device) of a parallel transmission type has been actively conducted. The immediate application of the optical interconnection device is parallel connection between housings of computers and the like and between boards, as well as short-distance optical fiber communication, but large-scale computer networks and long distances are expected applications in the future. There is a trunk system for distance and large-capacity communication.
【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。Generally, a surface emitting semiconductor laser is made of GaAs.
Or, it is common to comprise an active layer made of GaInAs, and an optical resonator consisting of an upper semiconductor distributed Bragg reflector disposed above and below the active layer and a lower semiconductor distributed Bragg reflector on the substrate side. However, since the length of the optical resonator is significantly shorter than that of the edge emitting semiconductor laser, it is necessary to set the reflectivity of the reflecting mirror to an extremely high value (99% or more) so as to easily cause laser oscillation. There is. For this reason, a semiconductor distributed Bragg reflector formed by alternately laminating a low-refractive-index material made of AlAs and a high-refractive-index material made of GaAs with a period of 1/4 wavelength is usually used.
【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。By the way, as described above, a long wavelength band laser having a laser wavelength of 1.1 μm or more used for optical communication, for example, a long wavelength band having a laser wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm. In the laser, InP is used for the production substrate and InGaAsP is used for the active layer. However, the lattice constant of InP of the substrate is large, and a large difference in the refractive index cannot be obtained with a reflecting mirror material that matches the substrate. Must be more than pairs.
【0005】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。Another problem with semiconductor lasers formed on InP substrates is that the characteristics change significantly with temperature. For this reason, it is necessary to add a device for keeping the temperature constant, and it is difficult to use the device for general purposes such as consumer use. Light emitting semiconductors have not yet been put to practical use.
【0006】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。As an invention made to solve such a problem, one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-237942 is known. According to this, a GaAs substrate is used as a production substrate, and a semiconductor layer made of AlInP that can be lattice-matched with the substrate is used as a low refractive index layer of at least one of the semiconductor distributed Bragg reflectors in the lower part on the substrate side. A semiconductor layer made of GaInNAs is used as a high refractive index layer of at least one of the lower and upper semiconductor distributed Bragg reflecting mirrors so that a larger refractive index difference is obtained than in the prior art. It is to realize a mirror.
【0007】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。Further, GaInNAs is used as a material for the active layer. This is because the band gap (forbidden band width) is increased from 1.4 eV to 0 eV by increasing the N composition.
0.85 μm
This is because it can be used as a material that emits a longer wavelength. In addition, since lattice matching with the GaAs substrate is possible, the semiconductor layer made of GaInNAs is 1.3 μm.
Reference is also made to the fact that it is preferable as a material for long-wavelength surface emitting semiconductor lasers in the m-band and 1.55 μm band.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】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。However, in the past, this has merely suggested the possibility of realizing a surface emitting semiconductor laser in a wavelength band longer than 0.85 μm, and such a device is actually realized. I haven't. This is because the basic configuration is almost theoretically determined, but a more specific configuration for realizing stable laser emission is still unknown.
【0009】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。As an example, a semiconductor distributed Bragg reflector formed by alternately laminating a low-refractive-index material made of AlAs and a high-refractive-index material made of GaAs at a period of 1/4 wavelength as described above is used. In the case of using a semiconductor layer made of AlInP capable of lattice-matching with the same substrate as the low-refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector, as disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 9-237942, The laser element does not emit light at all,
Alternatively, even if light is emitted, the light emission efficiency is low, which is far from a practical level. This is because the material containing Al is chemically very active, and crystal defects due to Al are likely to occur.
【0010】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。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。In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-34
GaInNP and GaAs that do not contain Al as in the inventions disclosed in JP-A No. 0146 and JP-A-7-307525.
Therefore, there is a proposal for forming a semiconductor distributed Bragg reflector. However, the refractive index difference between GaInNP and GaAs is about half of the refractive index difference between AlAs and GaAs, and the number of stacked reflectors is very large, making it difficult to manufacture.
【0011】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。That is, at present, optical fiber communication is expected in a computer network or the like. A long wavelength band surface emitting semiconductor laser having a laser wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm and a communication system using the same are available. It does not exist and its appearance is longing for.
【0012】さらに、特開平11-307868に光ファイバと
面発光レーザとを簡易に光学的結合を可能にしたモジュ
ールの構成方法が示されている。これはコネクタ側にレ
ーザ選択用の電極パターンを設定して、組みつけの際に
前記電極パターンと光ファイバとの位置精度をもちい
て、光ファイバに結合可能なレーザの一つを選択してい
る構造を有している。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-307868 discloses a method of constructing a module capable of easily optically coupling an optical fiber and a surface emitting laser. In this method, an electrode pattern for laser selection is set on the connector side, and at the time of assembly, one of the lasers that can be coupled to the optical fiber is selected by using the positional accuracy between the electrode pattern and the optical fiber. It has a structure.
【0013】しかし、特開平11-307868に示された方法
はファイバとの光結合を容易に実現してはいるが、たと
えばテープファイバ等のアレイファイバなどの複数本の
ファイバとの結合を前記方法で一括で行う場合には、フ
ァイバコアに対するレーザの入射位置がばらつくため、
各ファイバ間での信号強度のばらつきに起因して、伝送
速度が低下するなどの通信品質に問題が残る。また、選
択されたレーザ素子の性能が劣化していたりしていた場
合には結合する光ファイバでの通信に問題が残り、モジ
ュールとして歩留まりが低下するなどの問題がある。However, although the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-307868 easily realizes optical coupling with a fiber, the coupling with a plurality of fibers such as an array fiber such as a tape fiber is performed by the method. In the case of batch processing, the incident position of the laser on the fiber core varies,
There remains a problem in communication quality such as a decrease in transmission speed due to a variation in signal strength between the fibers. Further, when the performance of the selected laser element is degraded, a problem remains in communication using the optical fiber to be coupled, and the yield as a module is lowered.
【0014】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、生産性に優れ、安価で信頼性に
優れたなシステムの構築を可能とする光通信モジュール
を提案することにある。The present invention relates to a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm used for such optical communication and the like, and an optical communication system therefor. Proposes an optical communication module that uses a surface-emitting type semiconductor laser device chip that can lower operating voltage, oscillation threshold current, etc., as a light-emitting light source, and enables the construction of a highly productive, inexpensive, and highly reliable system. Is to do.
【0015】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、生
産性に優れ、安価で信頼性に優れたシステムの構築を可
能とする光通信システムを提案することにある。A second object is to use a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device chip having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, which can be used stably, as a light emitting light source, which is excellent in productivity and inexpensive. An object of the present invention is to propose an optical communication system capable of constructing a highly reliable system.
【0016】さらに第3の目的は、このような光通信モ
ジュールにおいて、モジュールの組み付け工程を簡素化
して、生産性に優れ安価な光通信モジュールを提案する
ことにある。A third object of the present invention is to provide a low cost optical communication module which is excellent in productivity and simplifies the process of assembling such an optical communication module.
【0017】また第4の目的は、このような光通信モジ
ュールにおいて、生産性に優れ、信頼性に優れた光通信
モジュールを提案することにある。A fourth object of the present invention is to propose an optical communication module having excellent productivity and excellent reliability in such an optical communication module.
【0018】また第5の目的は、このような光通信モジ
ュールにおいて、不要な発光を抑え、生産性、信頼性に
優れた光通信モジュールを提案することにある。A fifth object of the present invention is to propose an optical communication module which suppresses unnecessary light emission and is excellent in productivity and reliability in such an optical communication module.
【0019】また第6の目的は、このような光通信モジ
ュールにおいて、安価で、信頼性に優れた光通信モジュ
ールを提案することにある。A sixth object is to propose an inexpensive and highly reliable optical communication module in such an optical communication module.
【0020】さらに第7の目的は、このような光通信モ
ジュールを安価に製作することにある。Further, a seventh object is to manufacture such an optical communication module at low cost.
【0021】[0021]
【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AlxGa1−x
As(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はA
lyGa1−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AlzGa1−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モジュールで状
あって、前記レーザチップ上には所定の間隔に二次元状
に配置された複数のレーザ発光素子および該レーザ発光
素子おのおのに対応し電気的に結合された電極パターン
が形成されているとともに、少なくともひとつ以上から
なる光導波部材が配列して保持されている部材とを結合
してなる光モジュールであって、前記レーザ発光素子の
発光部は、前記光導波部材の光導波部の断面積より小さ
く、かつ前記断面積内に複数存在可能な密度で配列され
ていて、前記光導波部材に光学的に結合している複数の
前記レーザ発光素子に対応する前記複数の電極を選択的
に電気的に結合する手段を設けるようにした。According to the present invention, in order to achieve the above object, first, in a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1 μm. 0.7 μm, and the light-generating active layer is a layer whose main element is Ga, In, N, As or a layer consisting of Ga, In, As. What is claimed is: 1. A surface-emitting type semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflecting mirror provided at a lower portion, wherein the reflecting mirror periodically changes the refractive index of a material layer constituting the reflecting mirror to be small / large and is incident. A semiconductor distributed Bragg reflector for reflecting light by light wave interference, and the material layer having a small refractive index is made of AlxGa1-x.
As (0 <x ≦ 1), the material layer having a large refractive index is made of A
a reflecting mirror with lyGa1-yAs (0 ≦ y <x ≦ 1), and a material layer AlzGa1- between the small and large material layers having a refractive index between the small and large refractive indexes. zAs
(0 ≦ y <z <x ≦ 1) An optical communication module using a surface-emitting type semiconductor laser element chip provided with (0 ≦ y <z <x ≦ 1) as a light emitting light source, and two-dimensionally arranged at predetermined intervals on the laser chip. A plurality of laser light emitting elements and an electrically coupled electrode pattern corresponding to each of the laser light emitting elements are formed, and a member in which at least one or more optical waveguide members are arranged and held. An optical module formed by coupling, wherein the light-emitting portion of the laser light-emitting element is smaller than a cross-sectional area of the optical waveguide portion of the optical waveguide member, and is arranged at a density that can exist in the cross-sectional area. A means for selectively electrically coupling the plurality of electrodes corresponding to the plurality of laser light emitting elements optically coupled to the optical waveguide member is provided.
【0022】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AlxGa1
−xAs(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料は
AlyGa1−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
たとした光通信モジュールで状あって、前記レーザチッ
プ上には所定の間隔に二次元状に配置された複数のレー
ザ発光素子および該レーザ発光素子おのおのに対応し電
気的に結合された電極パターンが形成されているととも
に、少なくともひとつ以上からなる光導波部材が配列し
て保持されている部材とを結合してなる光モジュールで
あって、前記レーザ発光素子の発光部は、前記光導波部
材の光導波部の断面積より小さく、かつ前記断面積内に
複数存在可能な密度で配列されていて、前記光導波部材
に光学的に結合している複数の前記レーザ発光素子に対
応する前記複数の電極を選択的に電気的に結合する手段
を設けるようにした。Secondly, in a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and the active layer for generating light includes a main element. Is Ga, In, N, As
Or a layer made of Ga, In, As, and a surface emitting semiconductor laser device chip having a resonator structure including reflectors provided above and below the active layer in order to obtain a laser beam. The reflector is a semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index of the material constituting the reflector changes periodically as small / large and reflects incident light by light wave interference. AlxGa1
−xAs (0 <x ≦ 1), and the material having the large refractive index is a reflector made of AlyGa1-yAs (0 ≦ y <x ≦ 1), and GaInP or GaInP is provided between the active layer and the reflector. An optical communication module using a surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination preventing layer made of GaInPAs as a light emitting light source, and two-dimensionally arranged at predetermined intervals on the laser chip. A plurality of laser light emitting elements and an electrically coupled electrode pattern corresponding to each of the laser light emitting elements are formed, and a member in which at least one or more optical waveguide members are arranged and held. An optical module formed by coupling, wherein a light-emitting portion of the laser light-emitting element is smaller than a cross-sectional area of an optical waveguide portion of the optical waveguide member and a plurality of light-emitting portions can exist in the cross-sectional area. In it has been arranged, and to the plurality of electrodes corresponding to a plurality of said laser light emitting element optically coupled to the optical waveguide member selectively providing means for electrically coupling.
【0023】さらに第3に、上記第1、第2の光通信モ
ジュールにおいて、前記光導波部材が配列して保持され
ている部材の前記発光素子搭載基板に対向する表面に前
記レーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された
電極パターンが少なくとも2つ以上と接触可能な大きさ
を有する外部回路への電気的接続を行う電極パターンを
設けるようにした。Thirdly, in the first and second optical communication modules, each of the laser light emitting elements is provided on a surface of the member in which the optical waveguide members are arranged and held, the surface facing the light emitting element mounting substrate. There is provided an electrode pattern for making an electrical connection to an external circuit having a size capable of contacting at least two or more correspondingly electrically coupled electrode patterns.
【0024】また第4に、上記第1、第2の光通信モジ
ュールにおいて、前記光導波部材と前記発光素子搭載基
板を所定の位置関係に設置した後、前記発光素子を駆動
するための外部回路への接続を行う前に、前記発光素子
基板上の発光素子おのおのに対応し電気的に結合された
電極を駆動して、前記光導波部材のもう一方の出射端面
からの光出射強度情報を元に前記外部駆動回路への接続
用電極と前記発光素子おのおのに対応し電気的に結合さ
れた電極パターンとを選択的に電気的接続を行うように
した。Fourth, in the first and second optical communication modules, after the optical waveguide member and the light emitting element mounting substrate are set in a predetermined positional relationship, an external circuit for driving the light emitting element is provided. Before the connection to the light emitting element substrate, an electrode electrically connected to each light emitting element on the light emitting element substrate is driven, and light emission intensity information from the other emission end face of the optical waveguide member is used as a source. In addition, the electrode for connection to the external drive circuit and the electrode pattern electrically connected to each of the light emitting elements are selectively electrically connected.
【0025】さらに第5に、上記第1、第2および第3
の光通信モジュールにおいて、前記光導波部材が配列し
て保持されている部材の前記発光素子搭載基板に対向す
る表面に設置される電極パターンと前記発光素子おのお
のに対応し電気的に結合された電極パターンとが所定の
範囲内でのみ電気的接触する手段を設けるようにした。Fifth, the first, second, and third
In the optical communication module of (1), an electrode pattern provided on a surface of the member in which the optical waveguide members are arranged and held and opposed to the light emitting element mounting substrate is electrically connected to each of the light emitting elements. Means for electrically contacting the pattern only within a predetermined range is provided.
【0026】また第6に、上記第1〜第6の光通信モジ
ュールにおいて、前記前記レーザ素子の配置位置が少な
くとも一部が不等間隔に配置してなるようにした。Sixth, in the first to sixth optical communication modules, at least a part of the laser elements is arranged at irregular intervals.
【0027】さらに第7に、上記第1、第2および第3
の光通信モジュールにおいて、前記レーザ発光素子と該
レーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された電
極パターンとを、別々の基板に製作するようにした。Seventh, the first, second and third parts
In the above optical communication module, the laser light emitting device and the electrode pattern corresponding to each of the laser light emitting devices and electrically connected to each other are manufactured on separate substrates.
【0028】[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1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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, an example of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a small laser oscillation wavelength of 1.1 to 1.7 .mu.m, which is a light emitting element applied to the optical communication system of the present invention, having a small transmission loss. This will be described with reference to FIG. As described above, a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm to which the present invention is conventionally applied only suggests the possibility. The material, as well as the more specific and detailed composition, were unknown. In the present invention, a material such as GaInNAs is used for the active layer, and a more specific configuration is clarified. The details are described below.
【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−AlxGa1−
xAs(x=1.0)(低屈折率層〜屈折率小の層)と
n−AlyGa1−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−GaxI
n1−xPyAs1−y(x=0.5、y=1)層を積
層した。この例ではn−GaxIn1−xPyAs1−
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。In the present invention, n-Ga having a plane orientation of (100) is used.
On the As substrate, n-AlxGa1- was formed at a thickness (thickness of λ / 4) of 発 振 of the oscillation wavelength λ in each medium.
xAs (x = 1.0) (low refractive index layer to low refractive index layer) and n-AlyGa1-yAs (y = 0) (high refractive index layer to high refractive index layer) were alternately laminated for 35 periods. An n-semiconductor distributed Bragg reflector (AlAs / GaAs lower semiconductor distributed Bragg reflector) is formed, and an n-GaxI having a thickness of λ / 4 is formed thereon.
n1-xPyAs1-y (x = 0.5, y = 1) layers were laminated. In this example, n-GaxIn1-xPyAs1-
The y (x = 0.5, y = 1) layer is also a part of the lower reflector and is a low refractive index layer (a layer having a small refractive index).
【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GaxIn1−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(2
0nm)からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上
部GaAs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。An undoped lower GaAs spacer layer, an active layer (quantum well active layer), which is a three-layer GaxIn1-xAs quantum well layer, and a GaAs barrier layer (2) are formed thereon.
0 nm) and an undoped upper GaAs spacer layer are laminated to form a resonator having a thickness of one oscillation wavelength λ (thickness of λ) in the medium.
【0031】さらにその上に、C(炭素)ドープのp−
GaxIn1−xPyAs1−y(x=0.5、y=
1)層とZnドープp−AlxGa1−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−AlxGa1−xAs(x=
0.9)とZnドープp−AlxGa1−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(Al0.9Ga0.1As/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−GaxIn1−xPyAs1−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。Furthermore, p-doped C (carbon) is further added.
GaxIn1-xPyAs1-y (x = 0.5, y =
1) Layer and Zn-doped p-AlxGa1-xAs (x =
0) are alternately laminated with a thickness of 1 / times the oscillation wavelength λ in each medium, and a periodic structure (one period) is laminated,
On top of this, C-doped p-AlxGa1-xAs (x =
0.9) and Zn-doped p-AlxGa1-xAs (x =
Semiconductor Bragg reflector (Al0.9Ga0.1As / GaAs upper semiconductor distributed Bragg) consisting of a periodic structure (25 periods) in which each layer is alternately laminated with a thickness of 1/4 of the oscillation wavelength λ in each medium. (Reflection mirror). In this example, p-GaxIn1-xPyAs1-y (x = 0.5,
The y = 1) layer is also a part of the upper reflecting mirror and is a low refractive index layer (a layer having a small refractive index).
【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AlzG
a1−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AlzGa1−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)。Here, both the upper and lower reflecting mirrors are formed by alternately laminating a low refractive index layer (a layer having a small refractive index) / a high refractive index layer (a layer having a large refractive index). Between these, the material layer AlzG whose refractive index takes a value between small and large
a1−zAs (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided. FIG. 2 shows a material layer AlzGa1-zAs (0) having a refractive index between a low refractive index and a high refractive index layer (high refractive index layer) between a low refractive index layer (low refractive index layer) and a high refractive index layer (high refractive index layer). FIG. 1 shows a part of a semiconductor distributed Bragg reflector provided with ≦ y <z <x ≦ 1 (not shown in FIG. 1 because the figure is complicated).
【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。Conventionally, it has been studied to provide such a material layer for a semiconductor laser having a laser wavelength of 0.85 μm band, but it is still in the study stage, and the material, its thickness, etc. are described in detail. Not considered. Further, the laser oscillation wavelength as in the present invention is 1.1 μm to 1.7 μm.
No consideration has been given to a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of m. The reason for this is that this field (a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm) is a new field, and little research has yet been made. The present inventor has quickly noticed the usefulness of this field (a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm and optical communication using the same), and intensively studied for realizing it. went.
【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。In such a material layer, the refractive index of the material layer is changed continuously or stepwise by controlling the gas flow rate at the time of formation and changing the Al composition continuously or stepwise. And formed.
【0035】より具体的には、AlzGa1−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〜AlA
s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、A
l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。More specifically, AlzGa1-zAs
(0 ≦ y <z <x ≦ 1) The value of z of the layer is changed from 0 to 1.0, that is, GaAs to AlGaAs to AlA.
It is formed so that the ratio of Al and Ga changes gradually as in s. This is created by controlling the gas flow during layer formation as described above. Also, A
The same effect can be obtained by changing the ratio between 1 and Ga continuously as described above, or by changing the ratio stepwise.
【0036】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。The reason for providing such a material layer is to solve the problem that the electrical resistance of the p-semiconductor distributed Bragg reflector, which is one of the problems of the distributed Bragg reflector, is high. This is due to the hetero barrier generated at the interface between the two types of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector. However, as in the present invention, the interface between the low refractive index layer and the high refractive index layer is changed from one composition to the other. It is possible to suppress the generation of the hetero barrier by changing the Al composition gradually to the composition and changing the refractive index.
【0037】またこのような屈折率が小と大の間の値を
とる材料層AlzGa1−zAs(0≦y<z<x≦
1)は本発明のようなレーザ発振波長が1.1μm〜
1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザの場合、5n
m〜50nm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。The material layer AlzGa1-zAs having such a refractive index between a small value and a large value (0 ≦ y <z <x ≦
1) The laser oscillation wavelength as in the present invention is 1.1 μm or more.
In the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser of 1.7 μm, 5n
The thickness is preferably from m to 50 nm. If the thickness is smaller than this, there is a problem that the resistance becomes large and current does not easily flow, and the element generates heat and the driving energy becomes high. If the thickness is large, the resistance becomes small, which is advantageous in terms of heat generation of the element and driving energy. However, there is a problem that the reflectance cannot be obtained, and the optimum range (thickness of 5 nm to 50 nm) as described above. You need to choose
【0038】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。As described above, it has been considered to provide such a material layer for a conventional semiconductor laser having a laser wavelength in the 0.85 μm band. In the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1.7 μm, it is more effective. This is because, for example, in order to obtain the same reflectance (for example, 99.5% or more), the band from 1.1 μm to 1.0 μm is more than 0.85 μm.
In the case of the 7 μm band, such a material layer can be approximately doubled, so that the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector can be reduced, the operating voltage, the oscillation threshold current, and the like are reduced, and the laser device This is advantageous in terms of preventing heat generation, stable oscillation, and low energy driving.
【0039】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。In other words, providing such a material layer on a semiconductor distributed Bragg reflector is particularly effective in the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm as in the present invention. It can be said that it is a device.
【0040】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、AlxGa1−xAs(x=1.
0)(低屈折率層〜屈折率小の層)とAlyGa1−y
As(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AlzGa1−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。An example of a more detailed examination result for obtaining an effective reflectance is, for example, in a 1.3 μm band surface emitting laser device, AlxGa1-xAs (x = 1.
0) (low refractive index layer to low refractive index layer) and AlyGa1-y
When As (y = 0) (high-refractive-index layer to high-refractive-index layer) is laminated for 20 periods, AlzGa1-zAs in which the reflectance of the semiconductor distributed Bragg reflector becomes 99.7% or less is obtained.
The thickness of the (0 ≦ y <z <x ≦ 1) layer is 30 nm. The wavelength band where the reflectance is 99.5% or more is 53 nm.
When the reflectance is designed to be 99.5% or more, ± 2
% Can be controlled. Therefore, when prototypes of 10 nm, 20 nm, and 30 nm which are equivalent to and thinner than this were prototyped, the reflectivity could be kept to a practically acceptable level, and the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector could be reduced. A 1.3 μm band surface emitting laser device was realized, and laser oscillation was successful. Other configurations of the prototyped laser element are as described below.
【0041】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。In the multilayer mirror, there is a band having a high reflectance including the design wavelength (assuming that the film thickness can be completely controlled). It is referred to as a high-reflectance band (including a region where the reflectivity is equal to or more than a required value for a target wavelength). This is the region where the reflectance at the design wavelength is the highest and decreases very little as the wavelength increases. It drops off sharply from some area. Originally, it is necessary to completely control the film thickness of the multilayer mirror at the atomic layer level so that the reflectance is higher than the required reflectance for the target wavelength.
【0042】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。However, a film thickness error of about ± 1% actually occurs, so that the target wavelength deviates from the wavelength having the highest reflectance. For example, when the target wavelength is 1.3 μm, when the film thickness control is shifted by 1%, the wavelength having the highest reflectance is shifted by 13 nm. Therefore, it is desirable that the band of the high reflectance (here, the region where the reflectance is equal to or more than a required value with respect to a target wavelength) is wide. However, thickening the intermediate layer tends to narrow this band.
【0043】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。As described above, in a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm as in the present invention, the configuration of such a semiconductor distributed Bragg reflector is devised and optimized. Since the resistance value can be reduced while maintaining a high reflectance, the operating voltage, the oscillation threshold current, and the like can be reduced, so that heat generation of the laser element, stable oscillation, and low-energy driving can be achieved.
【0044】再び図1に戻り、最上部の、p−AlxG
a1−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
39%(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、GaA
s基板に対して約2.8%の圧縮歪を有していた。Referring again to FIG. 1, the uppermost p-AlxG
The a1-xAs (x = 0) layer also has a role as a contact layer (p-contact layer) for making contact with an electrode. Here, the In composition x of the quantum well active layer was 39% (Ga0.61In0.39As). The thickness of the quantum well active layer was 7 nm. The quantum well active layer is made of GaAs
It had a compression strain of about 2.8% with respect to the s substrate.
【0045】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。The whole surface emitting semiconductor laser was grown by MOCVD. In this case, no lattice relaxation was observed. The materials constituting each layer of the semiconductor laser include TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium),
AsH3 (arsine) and PH3 (phosphine) were used. H2 was used as a carrier gas. In the case where the strain is large as in the active layer (quantum well active layer) of the device shown in FIG. here,
The GaInAs layer (quantum well active layer) is grown at 550 ° C. The MOCVD method used here has a high degree of supersaturation and is suitable for crystal growth of a high strain active layer. In addition, high vacuum is not required as in the MBE method, and the supply flow rate and supply time of the source gas may be controlled.
【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。In this example, a portion outside the current path was irradiated with protons (H +) to form an insulating layer (high-resistance portion), thereby forming a current narrowing portion. In this example, a p-side electrode is formed on the p-contact layer which is the uppermost layer of the upper reflector and is a part of the upper reflector, excluding the light emitting portion, and an n-side electrode is formed on the back surface of the substrate. Was formed.
【0047】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
axIn1−xPyAs1−y(0<x<1、0<y≦
1)の非発光再結合防止層としている。In this example, the active region (in this embodiment, a resonator composed of the upper and lower spacer layers and the multiple quantum well active layer) sandwiched between the upper and lower reflectors and into which carriers are injected and recombined is used. In the material containing Al (II
The ratio of the low refractive index layer of the lower and upper reflectors closest to the active layer is G.
axIn1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <y ≦
The non-radiative recombination preventing layer of 1) is used.
【0048】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。Since the carriers are confined between the low refractive index layers of the upper and lower reflectors, which are the wide gaps closest to the active layer, only the active region contains an Al-free layer (III
Even if the reflective mirror is configured to contain Al in the low refractive index layer (wide gap layer) of the reflector in contact with the active region even when the carrier is injected and recombined, Non-radiative recombination occurs at this interface, and the luminous efficiency decreases. Therefore, it is desirable that the active region be formed of a layer containing no Al.
【0049】またこのGaxIn1-xPyAs1−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。The GaxIn1-xPyAs1-y
The non-radiative recombination preventing layer composed of (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layers has a lattice constant smaller than that of the GaAs substrate and has a tensile strain. In the epitaxial growth, the growth is performed by reflecting the information of the base, and if there is a defect on the surface of the substrate, it goes up to the growth layer. However, it is known that the presence of a strained layer is effective in preventing such defects from climbing.
【0050】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。When the above defects reach the active layer, the luminous efficiency is reduced. In the case of an active layer having a strain, there arises a problem that the critical thickness is reduced and a layer having a required thickness cannot be grown. In particular, when the amount of compressive strain of the active layer is large, for example, 2% or more, or when the thickness of the strained layer is larger than the critical thickness, even if non-equilibrium growth such as low-temperature growth is performed, growth cannot be performed due to the presence of defects. This is particularly problematic. If a strained layer is present, such a defect can be prevented from climbing up, so that the luminous efficiency can be improved, a layer having a compressive strain of 2% or more of the active layer can be grown, or the thickness of the strained layer can be reduced to a critical film. It becomes possible to grow thicker than thick.
【0051】このGaxIn1-xPyAs1−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、Gax
In1-xPyAs1−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GaxIn1-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。This GaxIn1-xPyAs1-y (0 <
x <1, 0 <y ≦ 1) The layer is in contact with the active region and also has a role of confining carriers in the active region.
The In1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layer can have a larger band gap energy as the lattice constant decreases. For example, in the case of GaxIn1-xP (when y = 1), when x increases and approaches GaP, the lattice constant increases and the band gap increases.
【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GaxIn1-xPyAs1−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。The band gap Eg is determined by the direct transition.
(Γ) = 1.351 + 0.643x + 0.786x2, Eg in indirect transition
(X) = 2.24 + 0.02x. Therefore, the active region and GaxIn1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <
Since the hetero barrier in the y ≦ 1) layer is large, carrier confinement is good, and there are effects such as a reduction in threshold current and an improvement in temperature characteristics.
【0053】さらにこのGaxIn1-xPyAs1−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G
axIn1-xPyAs1−y(0<x<1、0<y≦
1)層よりも大きく圧縮歪を有している。Further, the GaxIn1-xPyAs1-y
The non-radiative recombination prevention layer composed of (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layers has a larger lattice constant than the GaAs substrate, has a compressive strain, and has a lattice constant of the active layer. G
axIn1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <y ≦
1) It has a larger compressive strain than the layer.
【0054】またこのGaxIn1-xPyAs1−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。The GaxIn1-xPyAs1-y
(0 <x <1, 0 <y ≦ 1) Since the direction of the strain of the layer is the same as that of the active layer, it works in the direction of reducing the substantial amount of compressive strain felt by the active layer. The larger the strain is, the more easily affected by external factors. Therefore, it is particularly effective when the amount of compressive strain of the active layer is as large as 2% or more, or when it exceeds the critical film thickness.
【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。)For example, a surface emitting laser having an oscillation wavelength in the 1.3 μm band is preferably formed on a GaAs substrate, and a semiconductor multilayer mirror is often used as a resonator, and the total thickness is 5 to 8 μm. It is necessary to grow 50 to 80 semiconductor layers before growing the active layer. (On the other hand, in the case of the edge emitting laser, the total thickness before growing the active layer is about 2 μm, and it is only necessary to grow about three semiconductor layers.)
【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。In this case, even if a high-quality GaAs substrate is used, the surface of the GaAs substrate is caused by various causes (defects once generated basically crawl in the crystal growth direction and defects are generated at a hetero interface). The defect density on the surface immediately before the growth of the active layer is inevitably higher than the defect density of the active layer.
If the insertion of a strained layer or the substantial amount of compressive strain felt by the active layer is reduced before the growth of the active layer, the influence of defects on the surface immediately before the growth of the active layer can be reduced.
【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。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G
axIn1−xPyAs1−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
xIn1−xPyAs1−y(0<x<1、0<y≦
1)を非発光再結合防止層としても良い。In this example, Al is not contained in the active region and in the interface between the reflector and the active region. Therefore, non-radiative recombination caused by crystal defects caused by Al during carrier injection is eliminated. And non-radiative recombination was reduced. As described above, it is preferable to apply the configuration including no Al at the interface between the reflector and the active region, that is, to provide a non-radiative recombination prevention layer for both the upper and lower reflectors. It is effective just to apply. In this example, both the upper and lower reflecting mirrors are semiconductor distributed Bragg reflecting mirrors, but one reflecting mirror may be a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror and the other reflecting mirror may be a dielectric reflecting mirror. In the above-described example, only the layer closest to the active layer in the low-refractive-index layer of the reflector is G
axIn1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <y ≦
Although the non-radiative recombination preventing layer of 1) is used, a plurality of Ga
xIn1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <y ≦
1) may be a non-radiative recombination preventing layer.
【0058】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GaxIn1−xPyAs1−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。Further, in this example, this idea is applied to the lower reflector between the GaAs substrate and the active layer, and a crystal defect caused by Al, which is a problem during the growth of the active layer, rises into the active layer. The adverse effect is suppressed, and the active layer can be crystal-grown with high quality. As a result, a surface-emitting type semiconductor laser having high luminous efficiency and sufficient reliability for practical use was obtained. In addition, not all of the low refractive index layers of the semiconductor distributed Bragg reflector but at least a portion closest to the active region is made of GaxIn1-xPyAs1-y containing no Al.
Since only (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layers are used, the above-described effect can be obtained without particularly increasing the number of stacked reflectors.
【0059】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)。The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured in this manner was about 1.2 μm. GaInAs on a GaAs substrate has a longer wavelength due to an increase in the In composition, but with an increase in the amount of strain. Conventionally, up to 1.1 μm has been considered to be the limit of a longer wavelength (see the document “IEEE Photo”).
onics. Technol. Lett. Vol. 9
(1997) p. 1319-1321 ").
【0060】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。However, as manufactured by the inventor of the present invention, a high strain GaInAs quantum well active layer can be grown coherently thicker than before by a non-equilibrium growth method such as low temperature growth of 600 ° C. or less. Reached 1.2 μm. This wavelength is transparent to the Si semiconductor substrate. Therefore, light transmission through the Si substrate becomes possible in a circuit chip in which an electronic element and an optical element are integrated on the Si substrate.
【0061】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。As is apparent from the above description, it was found that a long-wavelength surface emitting semiconductor laser can be formed on a GaAs substrate by using GaInAs having a high In composition and a high compression strain for the active layer. As described above, such a surface emitting semiconductor laser can be grown by MOCVD, but other growth methods such as MBE can also be used. Although the triple quantum well structure (TQW) has been described as an example of the stacked structure of the active layer, a structure (SQW, MQW) using a quantum well of another number of wells may be used.
【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。The structure of the laser may be another structure. Although the length of the resonator is set to the thickness of λ, it can be set to an integral multiple of λ / 2. Desirably, it is an integral multiple of λ. Also, an example in which GaAs is used as the semiconductor substrate has been described.
The above concept can be applied even when another semiconductor substrate such as P is used. The period of the reflecting mirror may be another period.
【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GaxIn1
−xAs(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(GaInNA
s活性層)とすればよい。In this example, as the active layer, a layer whose main element is Ga, In, or As, that is, GaxIn1
Although an example of -xAs (GaInAs active layer) is shown, in order to perform laser oscillation of a longer wavelength, a layer (GaInNA) in which N is added and the main element is Ga, In, N, and As is used.
s active layer).
【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。By actually changing the composition of the GaInNAs active layer, it was possible to perform laser oscillation in each of the 1.3 μm band and the 1.55 μm band. By studying the composition, a longer wavelength, for example, 1.7
A surface emitting laser in the μm band is also possible.
【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。Further, when GaAsSb is used for the active layer,
A 1.3 μm band surface emitting laser can be realized on an aAs substrate. As described above, a semiconductor laser having a wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm has not conventionally been available with a suitable material.
By using aInAs, GaInNAs, and GaAsSb, and providing a non-radiative recombination preventing layer, a high-performance surface emitting laser in a long wavelength region of the 1.1 μm to 1.7 μm band where stable oscillation has been difficult in the past. Can be realized.
【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。この場合も図1
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−AlxGa1−
xAs(x=0.9)とn−AlxGa1−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(Al0.9Ga0.1As/GaAs下部反射鏡)を形成し、
その上にλ/4の厚さのn−GaxIn1−xPyAs
1−y(x=0.5、y=1)層を積層した。この例で
はn−GaxIn1−xPyAs1−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。Next, another configuration of a long wavelength band surface emitting semiconductor laser which is a light emitting element applied to the optical transmitting / receiving system of the present invention will be described with reference to FIG. Also in this case, FIG.
As in the case of (1), an n-GaAs substrate having a plane orientation of (100) is used. N-AlxGa1--thickness (1/4 thickness) of the oscillation wavelength? In each medium.
xAs (x = 0.9) and n-AlxGa1-xAs (x
= 0) to form an n-semiconductor distributed Bragg reflector (Al0.9Ga0.1As / GaAs lower reflector) in which 35 periods are alternately stacked,
N-GaxIn1-xPyAs having a thickness of λ / 4 thereon
1-y (x = 0.5, y = 1) layers were laminated. In this example, n-GaxIn1-xPyAs1-y (x = 0.5,
The y = 1) layer is also a part of the lower reflector and is a low refractive index layer.
【0067】そしてその上に、アンドープ下部GaAs
スペーサ層と、3層のGaxIn1−xNyAs1−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GaAs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。On top of that, undoped lower GaAs
Spacer layer and three layers of GaxIn1-xNyAs1-y
Active layer (quantum well active layer) which is a quantum well layer and GaAs
A multi-quantum well active layer (a triple quantum well (TQW) in this example) composed of a barrier layer (15 nm) and an undoped upper GaAs spacer layer are stacked, and have a thickness corresponding to one oscillation wavelength in the medium. (Thickness of λ).
【0068】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−GaxI
n1−xPyAs1−y(x=0.5、y=1)層、C
ドープp−AlzGa1−zAs(z=1)被選択酸化
層(厚さ30nm)、厚さが(2λ/4−15nm)の
Cドープp−AlxGa1−xAs層(x=0.9))
と、厚さがλ/4のGaAs層(1周期)と、Cドープ
のp−AlxGa1−xAs層(x=0.9)とp−A
lxGa1−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(Al0.9Ga0.1As/GaAs上部反射鏡)である。Further, a p-semiconductor distributed Bragg reflector (upper reflector) is formed thereon. The upper reflecting mirror is a low refractive index layer having a thickness of 3λ / 4 (a C-doped p-type layer having a thickness of (λ / 4-15 nm)) in which an AlAs layer serving as a selective oxidation layer is sandwiched between a GaInP layer and an AlGaAs layer. GaxI
n1-xPyAs1-y (x = 0.5, y = 1) layer, C
Doped p-AlzGa1-zAs (z = 1) layer to be selectively oxidized (thickness 30 nm), C-doped p-AlxGa1-xAs layer (x = 0.9) with thickness (2λ / 4-15 nm))
A GaAs layer (one period) having a thickness of λ / 4, a C-doped p-AlxGa1-xAs layer (x = 0.9) and a p-A
A semiconductor distributed Bragg reflector (Al0.x) having a periodic structure (22 periods) in which lxGa1-xAs (x = 0) layers are alternately stacked with a thickness of 1/4 of the oscillation wavelength in each medium. 9Ga0.1As / GaAs upper reflector).
【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AlzGa1
−zAs(0≦y<z<x≦1)を設けたものである。Also in this example, although it is not shown in FIG. 3 because it becomes complicated in FIG. 3, the structure of the semiconductor distributed Bragg reflector has a low refractive index layer (low refractive index layer) as shown in FIG. Layer) and a high-refractive-index layer (high-refractive-index layer), a material layer AlzGa1 having a refractive index between a small value and a large value.
−zAs (0 ≦ y <z <x ≦ 1).
【0070】そして、最上部の、p−AlxGa1−x
As(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。The uppermost p-AlxGa1-x
The As (x = 0) layer also has a role as a contact layer (p-contact layer) for making contact with the electrode. Here, the In composition x of the quantum well active layer is 37%,
The N (nitrogen) composition was 0.5%. The thickness of the quantum well active layer was 7 nm.
【0071】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。The surface-emitting type semiconductor laser was grown by MOCVD. The materials constituting each layer of the semiconductor laser include TMA (trimethylaluminum), TM
G (trimethylgallium), TMI (trimethylindium), AsH3 (arsine), PH3 (phosphine), and DMHy (dimethylhydrazine) were used as raw materials for nitrogen. DMHy decomposes at low temperature, so 600
It is suitable for low-temperature growth at a temperature of less than or equal to ° C., and is particularly preferable when growing a quantum well layer having a large strain that requires low-temperature growth. Note that H2 was used as a carrier gas.
【0072】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。In this example, the GaInNAs layer (quantum well active layer) was grown at 540 ° C. The MOCVD method has a high degree of supersaturation and is suitable for crystal growth of a material containing N and another V group simultaneously. In addition, high vacuum is not required as in the MBE method, and the supply flow rate and supply time of the source gas may be controlled.
【0073】さらにこの例では、所定の大きさのメサ部
分をp−GaxIn1−xPyAs1−y(x=0.
5、y=1)層に達するまで、p−AlzGa1−zA
s(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AlzGa1−zAs(z=1)層を水蒸
気で側面から酸化してAlxOy電流狭さく層を形成し
ている。Further, in this example, a mesa portion having a predetermined size is formed by p-GaxIn1-xPyAs1-y (x = 0.
5, y = 1) p-AlzGa1-zA until the layer is reached
s (z = 1) is formed by exposing the side surface of the selective oxidation layer,
The AlzGa1-zAs (z = 1) layer on the side surface is oxidized from the side surface with water vapor to form an AlxOy current narrowing layer.
【0074】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。Finally, the portion removed by mesa etching with a polyimide (insulating film) is buried and flattened, the polyimide on the upper reflector is removed, and a p-side electrode is formed on the p-contact layer except for the light emitting portion. And n on the back surface of the GaAs substrate.
Side electrodes were formed.
【0075】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GaxIn1−xPyAs1−
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、G
axIn1−xPyAs1−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。In this example, below the layer to be selectively oxidized, GaxIn1-xPyAs1-
The y (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layer is inserted. For example, in the case of wet etching, if a sulfuric acid-based etchant is used, a GaInPAs-based material can be used as an etching stop layer with respect to an AlGaAs-based material.
axIn1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <y ≦
1) By inserting the layer, the height of mesa etching for selective oxidation can be strictly controlled. Therefore, uniformity and reproducibility can be improved, and cost can be reduced.
【0076】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。なおこの例では、エッチングストップ
層を兼ねるGaxIn1−xPyAs1−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。When the surface-emitting type semiconductor laser (element) of this example is integrated one-dimensionally or two-dimensionally, the controllability at the time of manufacturing the element is improved, and the uniformity of the element characteristics of each element in the array is improved. In addition, there is an effect that reproducibility becomes extremely good. In this example, GaxIn1-xPyAs1-y (0 <x <
Although the 1,0 <y ≦ 1) layer is provided on the upper reflecting mirror side, it may be provided on the lower reflecting mirror side.
【0077】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GaxIn1−xPyAs1
−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。Also in this example, in the active region (in this embodiment, a resonator composed of the upper and lower spacer layers and the multiple quantum well active layer) sandwiched between the upper and lower reflecting mirrors and into which carriers are injected and recombined, In the active region, a material containing Al is not used, and the lower refractive index layers of the lower and upper reflectors, which are closest to the active layer, are made of GaxIn1-xPyAs1.
A non-radiative recombination preventing layer of -y (0 <x <1, 0 <y ≦ 1). That is, in this example, Al is not included in the active region and at the interface between the reflecting mirror and the active region, so that non-radiative recombination caused by crystal defects caused by Al during carrier injection is reduced. Can be done.
【0078】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。It is preferable to apply a structure in which Al is not contained at the interface between the reflecting mirror and the active region to the upper and lower reflecting mirrors as in this example, but it is effective to apply the structure to only one of the reflecting mirrors. . In this example, both the upper and lower reflecting mirrors are semiconductor distributed Bragg reflecting mirrors, but one reflecting mirror may be a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror and the other reflecting mirror may be a dielectric reflecting mirror.
【0079】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。Further, also in this example, the same idea as in the case of the example of FIG. 1 is applied to the lower reflector between the GaAs substrate and the active layer, so that crystal defects caused by Al which are problematic at the time of growing the active layer. Of the active layer is suppressed, and crystal growth of the active layer with high quality can be achieved.
【0080】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。Incidentally, such a non-radiative recombination preventing layer is
1 and 3, a part of the semiconductor distributed Bragg reflector is formed, and its thickness is 、 of the oscillation wavelength λ in the medium (thickness of λ / 4). ). Alternatively, a plurality of layers may be provided.
【0081】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GaxIn
1−xPyAs1−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。As is clear from the above description, a surface emitting semiconductor laser having high luminous efficiency and sufficient reliability for practical use was obtained by such a configuration. Also, not all of the low refractive index layers of the semiconductor distributed Bragg reflector, but at least a portion closest to the active region is made of GaxIn containing no Al.
Since only the non-radiative recombination preventing layer of 1-xPyAs1-y (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) was used, the above-mentioned effect could be obtained without particularly increasing the number of stacked reflectors. .
【0082】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。Even with such a structure, since the polyimide can be easily embedded, the wiring (p-side electrode in this example) is hardly disconnected, and a device having high reliability can be obtained. The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured in this manner was about 1.3 μm.
【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。In this example, the main elements are Ga, In,
A layer composed of N and As was used as an active layer (GaInNAs
As a result, a long-wavelength surface emitting semiconductor laser could be formed on the GaAs substrate. Further, the current was narrowed by selective oxidation of the selectively oxidized layer containing Al and As as main components, so that the threshold current was low.
【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。According to the current narrowing structure using the current narrowing layer made of the Al oxide film obtained by selectively oxidizing the selectively oxidized layer,
By forming the current narrowing layer close to the active layer, the spread of current can be suppressed, and carriers can be efficiently confined in a minute region that is not exposed to the atmosphere. Further oxidized to Al
By forming an oxide film, the refractive index is reduced, and light can be efficiently confined in a minute region in which carriers are confined by the effect of the convex lens, and the efficiency is extremely improved, and the threshold current can be reduced. In addition, since the current narrowing structure can be easily formed, the manufacturing cost can be reduced.
【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。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。As is clear from the above description, even in the configuration shown in FIG. 3, a 1.3 μm band surface-emitting type semiconductor laser can be realized as in the case of FIG. Is obtained. The surface emitting semiconductor laser of FIG. 3 can be grown by MOCVD as in the case of FIG. 1, but other growth methods such as MBE can be used. Although DMHy is used as the nitrogen source, activated nitrogen and other nitrogen compounds such as NH 3 can be used.
【0086】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。Further, an example of a triple quantum well structure (TQW) has been shown as a laminated structure of the active layer. However, a structure using other quantum wells (SQW, DQW, MQW) or the like can also be used. The structure of the laser may be another structure.
【0087】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。In the surface-emitting type semiconductor laser shown in FIG. 3, by changing the composition of the GaInNAs active layer, 1.
A surface emitting semiconductor laser in the 55 μm band, and even in the longer wavelength 1.7 μm band, is also possible. The GaInNAs active layer may contain other III-V elements such as Tl, Sb, and P. Also, even if GaAsSb is used for the active layer, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be realized on a GaAs substrate.
【0088】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。When GaInAs is used for the active layer,
Conventionally, up to 1.1 μm has been considered to be the limit of increasing the wavelength.
The quantum well active layer can be grown thicker than before, and the wavelength can reach up to 1.2 μm. in this way,
Conventionally, there is no suitable material for the semiconductor laser having a wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, but GaInAs, G
By using aInNAs and GaAsSb and providing a non-radiative recombination prevention layer, a high-performance surface-emitting laser can be realized in the long wavelength region of the 1.1 μm to 1.7 μm wavelength band where stable oscillation has conventionally been difficult. As a result, application to optical communication systems has become possible.
【0089】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。FIG. 4 shows an example in which such a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device is formed as a large number of chips on an n-GaAs wafer having a plane orientation of (100), and a laser device chip. In the laser element chip shown here, 1 to n laser elements are formed, and the number n and the arrangement method are determined according to the application.
【0090】図5は長波長帯面発光半導体レーザを用い
た光通信モジュールの一例であり、本発明では、同一半
導体基板上にモノリシックに複数の上記面発光レーザ素
子と一対一に対応した電極を所定の間隔に製作してなる
素子基板と、前記基板上もしくは別基板上に外部レーザ
駆動回路へ接続するための電極パターンを形成して、電
気的には接続されていない状態でモジュール基板上に設
置してなり、光学的に結合する光導波部材(実施例では
光ファイバ)とそれを固定するためのコネクタ部材とを
所定の配置に設置してなる構造から光モジュールは構成
される。FIG. 5 shows an example of an optical communication module using a long wavelength band surface emitting semiconductor laser. In the present invention, electrodes corresponding to a plurality of the above surface emitting laser elements in a one-to-one correspondence are monolithically formed on the same semiconductor substrate. An element substrate manufactured at a predetermined interval and an electrode pattern for connecting to an external laser drive circuit are formed on the substrate or on another substrate, and are electrically connected to the module substrate on a module substrate. The optical module is constituted by a structure in which an optical waveguide member (optical fiber in the embodiment) to be optically coupled and a connector member for fixing the optical waveguide member are arranged in a predetermined arrangement.
【0091】この時、前記レーザ素子はその発光部が前
記光導波部材の光導波部の断面積より小さくなるように
作製され、かつ前記光ファイバのコア断面積の範囲内に
複数存在可能な密度で配列されている。前記コネクタ部
の前記レーザの電極に対抗する面には前記レーザ用電極
と前記外部駆動回路と接続する駆動回路用電極とを選択
的に接続するための所定の大きさ、形状の接続用電極パ
ターンを設置している。At this time, the laser element is manufactured such that its light emitting portion is smaller than the cross-sectional area of the optical waveguide portion of the optical waveguide member, and the laser element has a density which can exist within a range of the core cross-sectional area of the optical fiber. It is arranged in. A connection electrode pattern of a predetermined size and shape for selectively connecting the laser electrode and a drive circuit electrode connected to the external drive circuit on a surface of the connector portion facing the laser electrode. Is installed.
【0092】前記接続用電極は、少なくとも前記レーザ
電極のうち少なくとも2つ以上と接続可能な大きさおよ
び形状を有していて、前記光ファイバを前記コネクタと
ともにモジュール基板に設置した際にファイバと前記接
続用電極との位置関係、たとえば、ファイバのコア中心
―接続用電極パッド中心間距離=レーザ電極とレーザ素
子との間隔、に設定しておくと、前記光ファイバのコア
に光学的に接続可能な複数の前記レーザ素子に対応する
レーザ電極と対応する前記外部駆動回路接続用電極とを
電気的接続することが可能であり、選択的に光ファイバ
に光学的に結合する複数のレーザと外部駆動回路とを接
続し、通信時に前記レーザ素子を一対のレーザ素子とし
て駆動することにより通信を行う。The connection electrode has a size and a shape that can be connected to at least two or more of the laser electrodes. When the optical fiber is mounted on the module substrate together with the connector, the fiber and the connection electrode are connected to each other. By setting the positional relationship with the connection electrode, for example, the distance between the center of the fiber core and the center of the connection electrode pad = the distance between the laser electrode and the laser element, the optical fiber can be optically connected to the core. It is possible to electrically connect the laser electrodes corresponding to the plurality of laser elements and the corresponding electrodes for external drive circuit connection, and to selectively drive the plurality of lasers optically coupled to the optical fiber and the external drive. Communication is performed by connecting a circuit and driving the laser element as a pair of laser elements during communication.
【0093】第6図および第7図を用いて、より具体的に
説明する。本実施例では、前記レーザ素子は二次元上に
アレイ上に配列されて作製される。今、一つのレーザ素
子の光出射面の重心と対応するレーザ用電極のパッド部
分の重心との距離をLとする。この時、前記接続用電極
パッドの重心位置を光ファイバのコア中心からファイバ
配列方向に垂直な方向に、コア中心ととの距離がLにな
るように設定しておき、かつレーザ電極より大きく、同
時に二つ以上の前記電極と接触可能な大きさに前記電極
パッドを形成しておく。A more specific description will be given with reference to FIGS. 6 and 7. In this embodiment, the laser elements are manufactured by being arranged two-dimensionally on an array. Now, let L be the distance between the center of gravity of the light emitting surface of one laser element and the center of gravity of the corresponding pad portion of the laser electrode. At this time, the center of gravity of the connection electrode pad is set in a direction perpendicular to the fiber arrangement direction from the center of the optical fiber so that the distance from the center of the core is L, and is larger than the laser electrode. At the same time, the electrode pad is formed in such a size that it can contact two or more of the electrodes.
【0094】レーザ用電極のパッド部および接続用電極
パッドは他の配線パターンよりも高さ方向で大きく形成
するか、もしくは他の配線部は絶縁膜等で保護するなど
の構造とすることにより、不要な接続を防止しておく。The pad portion of the laser electrode and the connection electrode pad are formed larger in the height direction than other wiring patterns, or the other wiring portions are protected by an insulating film or the like. Prevent unnecessary connections.
【0095】コネクタ部をレーザ素子部に概略位置決め
して設置すると前記接続用電極パッドが接触したレーザ
素子のみが外部駆動回路と接続される。この時ファイバ
配列方向がレーザ配置に対して大きく傾かなければ(こ
れは、図示しないがモジュール基板にガイド用の穴を、
コネクタ側にピンを所定の位置に設置して、前記ガイド
にピンを挿入することにより、ラフなアライメントは実
現可能である)、少なくとも前記電極パターンが接続し
た電極のうちに、個々の光ファイバに入射可能なレーザ
を含んだ電気的接続が可能である。よって、外部回路で
駆動するレーザ素子による光伝送が可能な光モジュール
を実現できる。When the connector section is roughly positioned and installed on the laser element section, only the laser element contacted with the connection electrode pad is connected to the external drive circuit. At this time, unless the fiber arrangement direction is greatly inclined with respect to the laser arrangement (this is not shown, a guide hole is formed in the module substrate,
Rough alignment can be realized by placing pins at predetermined positions on the connector side and inserting the pins into the guides.) At least, among the electrodes to which the electrode pattern is connected, individual optical fibers An electrical connection including a laser that can be incident is possible. Therefore, an optical module capable of transmitting light using a laser element driven by an external circuit can be realized.
【0096】第8図および第9図に他の実施例を示す。本
実施例では、上記実施例とは異なりコネクタ側には接続
用電極パターンは設定しない。その代わり、第9図に示
すように光ファイバを設置後、たとえばワイヤボンディ
ング等の接続装置により選択的に外部駆動回路接続用電
極パターンとワイヤ接続することによりモジュールを作
製している。FIGS. 8 and 9 show another embodiment. In this embodiment, unlike the above embodiment, no connection electrode pattern is set on the connector side. Instead, as shown in FIG. 9, a module is manufactured by installing an optical fiber and then selectively connecting the external drive circuit connecting electrode pattern with a wire using a connection device such as wire bonding.
【0097】すなわち、ファイバコネクタと素子基板と
を組み付けた後、外部電源に接続したプローブ電極等で
レーザ素子基板の共通電極およびレーザ電極から電力を
供給して個別にレーザを発振させ、対応する光ファイバ
のもう一方の端面からの出射光強度をモニタリングす
る。そのときのレーザ電極と光強度から、所望の光パワ
ーが得られた電極データを記憶しておき、そのデータを
もとにボンディング装置により選択的に外部駆動回路接
続用電極パターンとワイヤ接続する。本方法のより、モ
ジュール検査と組み付けを同時に完了することも可能に
なる。That is, after assembling the fiber connector and the element substrate, power is supplied from the common electrode and the laser electrode of the laser element substrate by a probe electrode or the like connected to an external power supply, and the laser is individually oscillated. The intensity of light emitted from the other end of the fiber is monitored. Electrode data at which a desired optical power is obtained from the laser electrode and light intensity at that time is stored, and based on the data, a bonding apparatus is used to selectively wire-connect to an external drive circuit connection electrode pattern. With this method, it is also possible to complete the module inspection and the assembly at the same time.
【0098】また第10図に他の実施例を示す。本実施
例では上記実施例のように、レーザ素子を均等に配置す
るのではなく、対向して設置してなる光導波部材の設置
間隔およびレーザ素子基板との相対設置位置精度に応じ
て発光素子の配置を一部不等間隔にすることにより、も
ともと前記光導波部材が設置されない部分のレーザ素子
を作製時に間引くなどすることにより製造コストを抑え
たり、さらに組み付け精度に応じて前記光導波部材が対
向する確率の高い部分にレーザ素子を密に配置すること
により、結合効率のばらつきを抑えることが可能であ
る。FIG. 10 shows another embodiment. In this embodiment, as in the above embodiment, the laser elements are not evenly arranged, but the light emitting element is set in accordance with the installation interval of the optical waveguide members installed facing each other and the accuracy of the relative installation position with the laser element substrate. By making the arrangement of some irregular intervals, the manufacturing cost can be reduced by thinning out the laser element of the portion where the optical waveguide member is not originally installed at the time of fabrication, or the optical waveguide member can be reduced in accordance with the assembling accuracy. By arranging the laser elements densely in the portion where the probability of opposition is high, it is possible to suppress variations in coupling efficiency.
【0099】なお、図5〜図10に示した例では、複数
の面発光型半導体レーザ素子とそれらのおのおのに対応
し電気的に結合された電極パターン(レーザ用電極)と
を同一のチップに形成したものであるが、面発光型半導
体レーザ素子を形成するチップと電極パターン(レーザ
用電極)を形成するチップを別々に形成することも可能
である。本発明のモジュールに使用される面発光型半導
体レーザ素子は、前述のように高価なGaAs基板上に
製作されるので、このように別々の基板に製作するよう
にし、電極パターン(レーザ用電極)を安価なSi基板
上に形成することにより、このモジュールの製作コスト
を大幅に低減することができる。In the examples shown in FIGS. 5 to 10, a plurality of surface-emitting type semiconductor laser devices and electrode patterns (laser electrodes) electrically corresponding to each of them are mounted on the same chip. Although it is formed, it is also possible to separately form a chip for forming a surface emitting semiconductor laser element and a chip for forming an electrode pattern (electrode for laser). Since the surface-emitting type semiconductor laser device used in the module of the present invention is manufactured on an expensive GaAs substrate as described above, it is manufactured on a separate substrate as described above, and an electrode pattern (electrode for laser) is formed. Is formed on an inexpensive Si substrate, the manufacturing cost of this module can be greatly reduced.
【0100】[0100]
【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。さらに、組み付け時の要求
精度を緩和する構造とすることにより生産性に優れ、安
価で信頼性に優れたなシステムの構築を可能とする光通
信モジュールが実現できた。[Effect of the Invention] [Claim 1 to the corresponding Effect] computer networks, the laser oscillation wavelength trunk lines such as fiber optic communications is expected long-distance large-capacity communications 1.1
In the field of the μm band to the 1.7 μm band, there has been no surface emitting semiconductor laser capable of lowering the operating voltage, the oscillation threshold current and the like, generating less heat from the laser element and performing stable oscillation, and a communication system using the same. However, by devising a semiconductor distributed Bragg reflector as in the present invention, the operating voltage, oscillation threshold current, and the like can be reduced, the laser element generates less heat, and stable oscillation can be achieved. The system has been realized. Furthermore, by adopting a structure that relaxes the required accuracy at the time of assembly, an optical communication module that is capable of constructing a system that is excellent in productivity, inexpensive and highly reliable can be realized.
【0101】〔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。さらに、組み付け時の要求精度を緩和する構造とす
ることにより生産性に優れ、安価で信頼性に優れたなシ
ステムの構築を可能とする光通信モジュールが実現でき
た。[Effects Corresponding to Claim 2] The laser oscillation wavelength at which optical fiber communication is expected to be 1.1 μm, such as a computer network, a trunk system for long-distance large-capacity communication, etc.
In the field of m band to 1.7 μm band, there is no long wavelength band surface emitting semiconductor laser that can be used stably and a communication system using the same. By using the surface emitting semiconductor laser device chip thus provided, stable oscillation became possible, and a practical optical communication system using this as a light emitting light source was realized. Furthermore, by adopting a structure that relaxes the required accuracy at the time of assembly, an optical communication module that is capable of constructing a system that is excellent in productivity, inexpensive and highly reliable can be realized.
【0102】〔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、モジュールの組み付け工程を簡
素化して、生産性に優れ安価な光通信モジュールを実現
できた。[Effects Corresponding to Claim 3] In such an optical communication system, the module assembling process is simplified, and an inexpensive optical communication module with high productivity can be realized.
【0103】〔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、モジュールの組み付けと検査工
程を一体化することにより、生産性に優れ安価な光通信
モジュールを実現できた。[Effects Corresponding to Claim 4] In such an optical communication system, an inexpensive optical communication module having excellent productivity can be realized by integrating the module assembly and the inspection process.
【0104】〔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、不要な発光を抑え、生産性、信
頼性に優れた光通信モジュールを実現できた。[Effects Corresponding to Claim 5] In such an optical communication system, unnecessary light emission is suppressed, and an optical communication module excellent in productivity and reliability can be realized.
【0105】〔請求項6に対応した効果〕このような光
通信モジュールにおいて、製造コストを抑えた安価で、
信頼性に優れた光通信モジュールを実現できた。[Effects Corresponding to Claim 6] In such an optical communication module, the manufacturing cost is reduced and the cost is reduced.
An optical communication module with excellent reliability was realized.
【0106】〔請求項7に対応した効果〕このような光
通信モジュールにおいて、面発光型半導体レーザ素子と
それらのおのおのに対応し電気的に結合された電極パタ
ーン(レーザ用電極)とを別々の基板に製作するように
したので、このモジュールの製作コストを大幅に低減す
ることができ、安価で、信頼性に優れた光通信モジュー
ルを実現できた。[Effects Corresponding to Claim 7] In such an optical communication module, the surface-emitting type semiconductor laser elements and the electrode patterns (laser electrodes) electrically corresponding to each of them are separated from each other. Since the module is manufactured on a substrate, the manufacturing cost of the module can be greatly reduced, and an inexpensive and highly reliable optical communication module can be realized.
【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。FIG. 1 is a sectional view of an element part of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a configuration of a semiconductor distributed Bragg reflector of a long wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 3 is a sectional view of an element portion of another configuration of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 4 is a plan view showing a wafer substrate and a laser element chip on which a long wavelength band surface emitting semiconductor laser element according to one embodiment of the present invention is formed.
【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モジュールを示す斜視図で
ある。FIG. 5 is a perspective view showing an optical communication module using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.
【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モジュールを示す概略図で
ある。FIG. 6 is a schematic diagram showing an optical communication module using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.
【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モジュールの断面を示す概
略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a cross section of an optical communication module using a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.
【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モジュールを示す概略図で
ある。FIG. 8 is a schematic diagram showing an optical communication module using a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
【図9】本発明の一実施形態に係る光通信モジュールの
組み付けシステムの概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram of a system for assembling an optical communication module according to an embodiment of the present invention.
【図10】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モジュールを示す概略図
である。FIG. 10 is a schematic diagram showing an optical communication module using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── 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 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 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 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 BA05 CA34 DA04 5F073 AB17 AB28 BA01 CA07 CA17 CB02 DA05 DA23 EA15 EA23 FA01 FA07 FA11 GA01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kazuya Miyagaki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company, Ltd. (72) Inventor Ken Kanai 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Atsuyuki Watada 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Yukie Suzuki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Satoru Sugahara 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Shunichi Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Invention Person Shuichi Hikiji 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Takuro Sekiya 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Stock Company In Ricoh (72) Inventor Shinji Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Co., Ltd. (Reference) 2H037 AA01 BA05 CA34 DA04 5F073 AB17 AB28 BA01 CA07 CA17 CB02 DA05 DA23 EA15 EA23 FA01 FA07 FA11 GA01
Claims (7)
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AlxGa1−xA
s(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はAl
yGa1−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AlzGa1−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モジュール状あっ
て、前記レーザチップ上には所定の間隔に二次元状に配
置された複数のレーザ発光素子および該レーザ発光素子
おのおのに対応し電気的に結合された電極パターンが形
成されているとともに、少なくともひとつ以上からなる
光導波部材が配列して保持されている部材とを結合して
なる光モジュールであって、前記レーザ発光素子の発光
部は、前記光導波部材の光導波部の断面積より小さく、
かつ前記断面積内に複数存在可能な密度で配列されてい
て、前記光導波部材に光学的に結合している複数の前記
レーザ発光素子に対応する前記複数の電極を選択的に電
気的に結合する手段を設けたことを特徴とする光通信モ
ジュール。In a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and an active layer for generating light includes a main element of Ga, A surface emitting type having a layer structure of In, N, and As or a layer of Ga, In, and As and having a resonator structure including reflectors provided above and below the active layer to obtain a laser beam. A semiconductor laser element chip, wherein the reflecting mirror is a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror that periodically changes a refractive index of a material layer constituting the reflecting mirror to small / large and reflects incident light by light wave interference; The material layer having a small ratio is AlxGa1-xA.
s (0 <x ≦ 1), and the material layer having a large refractive index is made of Al
a reflecting mirror having yGa1-yAs (0 ≦ y <x ≦ 1), and a material layer AlzGa1- between the material layers having the small and large refractive indices, the refractive index of which takes a value between the small and large. zAs (0
≦ y <z <x ≦ 1) in the form of an optical communication module using a surface-emitting type semiconductor laser element chip as a light emitting source, and a plurality of two-dimensionally arranged at predetermined intervals on the laser chip. A laser light emitting element and an electrically coupled electrode pattern corresponding to each of the laser light emitting elements are formed, and a member in which at least one or more optical waveguide members are arranged and held is connected. In the optical module, the light emitting portion of the laser light emitting element is smaller than the cross-sectional area of the optical waveguide portion of the optical waveguide member,
And the plurality of electrodes corresponding to the plurality of laser light emitting elements which are arranged at a density that can exist in the cross-sectional area and are optically coupled to the optical waveguide member are selectively electrically coupled. An optical communication module, comprising:
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AlxGa1−xAs
(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料はAlyG
a1−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光通信
モジュール状あって、前記レーザチップ上には所定の間
隔に二次元状に配置された複数のレーザ発光素子および
該レーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された
電極パターンが形成されているとともに、少なくともひ
とつ以上からなる光導波部材が配列して保持されている
部材とを結合してなる光モジュールであって、前記レー
ザ発光素子の発光部は、前記光導波部材の光導波部の断
面積より小さく、かつ前記断面積内に複数存在可能な密
度で配列されていて、前記光導波部材に光学的に結合し
ている複数の前記レーザ発光素子に対応する前記複数の
電極を選択的に電気的に結合する手段を設けたことを特
徴とする光通信モジュール。2. In a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and has an active layer for generating light, wherein the main element is Ga, A surface emitting type having a layer structure of In, N, and As or a layer of Ga, In, and As and having a resonator structure including reflectors provided above and below the active layer to obtain a laser beam. A semiconductor laser device chip, wherein the reflecting mirror is a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror that periodically changes the refractive index of a material forming the reflecting mirror to small / large and reflects incident light by light wave interference; But the material is AlxGa1-xAs
(0 <x ≦ 1), and the material having a large refractive index is AlyG
a1-yAs (0 ≦ y <x ≦ 1),
GaInP or Ga between the active layer and the reflector.
There is an optical communication module using a surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-light emitting recombination preventing layer made of InPAs as a light emitting source, and a plurality of two-dimensionally arranged at predetermined intervals on the laser chip. A laser light emitting element and an electrically coupled electrode pattern corresponding to each of the laser light emitting elements are formed, and a member in which at least one or more optical waveguide members are arranged and held is connected. An optical module, wherein the light emitting portions of the laser light emitting element are arranged at a density that is smaller than a cross-sectional area of the optical waveguide portion of the optical waveguide member and a density that can exist in the cross-sectional area. An optical communication module comprising means for selectively electrically coupling the plurality of electrodes corresponding to the plurality of laser light emitting elements optically coupled to a member. Yuru.
る部材の前記発光素子搭載基板に対向する表面に前記レ
ーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された電極
パターンが少なくとも2つ以上と接触可能な大きさを有
する外部回路への電気的接続を行う電極パターンを設け
たことを特徴とする請求項1または2記載の光通信モジ
ュール。3. At least two or more electrode patterns electrically coupled to each of the laser light emitting elements are provided on a surface of the member on which the optical waveguide members are arranged and held and facing the light emitting element mounting substrate. 3. The optical communication module according to claim 1, further comprising an electrode pattern for making an electrical connection to an external circuit having a size capable of contacting the optical communication module.
導波部材と前記発光素子搭載基板を所定の位置関係に設
置した後、前記発光素子を駆動するための外部回路への
接続を行う前に、前記発光素子基板上の発光素子おのお
のに対応し電気的に結合された電極を駆動して、前記光
導波部材のもう一方の出射端面からの光出射強度情報を
元に前記外部駆動回路への接続用電極と前記発光素子お
のおのに対応し電気的に結合された電極パターンとを選
択的に電気的接続を行うことを特徴とする請求項1また
は2記載の光通信モジュール。4. In the optical communication module, after setting the optical waveguide member and the light emitting element mounting board in a predetermined positional relationship, before connecting to an external circuit for driving the light emitting element, Driving electrodes electrically coupled to the respective light emitting elements on the light emitting element substrate to connect to the external drive circuit based on light emission intensity information from the other emission end face of the optical waveguide member 3. The optical communication module according to claim 1, wherein an electrode and an electrode pattern corresponding to each of the light-emitting elements and electrically coupled thereto are selectively electrically connected.
導波部材が配列して保持されている部材の前記発光素子
搭載基板に対向する表面に設置される電極パターンと前
記発光素子おのおのに対応し電気的に結合された電極パ
ターンとが所定の範囲内でのみ電気的接触する手段を設
けたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記
載の光通信モジュール。5. In the optical communication module, an electrode pattern provided on a surface of the member, in which the optical waveguide members are arranged and held, facing the light emitting element mounting substrate, and an electrical pattern corresponding to each of the light emitting elements. The optical communication module according to any one of claims 1 to 3, further comprising means for making electrical contact with an electrode pattern coupled to the first electrode only within a predetermined range.
ーザ素子の配置位置が少なくとも一部が不等間隔に配置
してなることを特徴とする請求項1から5のいずれか1
項記載の光通信モジュール。6. The optical communication module according to claim 1, wherein the laser elements are arranged at least partially at unequal intervals.
The optical communication module according to the item.
おのおのに対応し電気的に結合された電極パターンと
を、別々の基板に製作したことを特徴とする請求項1か
ら6のいずれか1項記載の光通信モジュール。7. The laser light emitting device according to claim 1, wherein said laser light emitting device and an electrode pattern corresponding to each of said laser light emitting devices and electrically connected thereto are manufactured on separate substrates. The optical communication module as described in the above.
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---|---|---|---|
JP2001053219A JP2002261401A (en) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | Optical communication module |
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---|---|
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006258863A (en) * | 2005-03-15 | 2006-09-28 | Fuji Xerox Co Ltd | Method for mounting optical module |
JP2010182800A (en) * | 2009-02-04 | 2010-08-19 | Hitachi Cable Ltd | Optical transmission module |
JP2018163990A (en) * | 2017-03-27 | 2018-10-18 | スタンレー電気株式会社 | Light emitting device |
-
2001
- 2001-02-27 JP JP2001053219A patent/JP2002261401A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7325981B2 (en) | 2005-03-15 | 2008-02-05 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Optical module, mounting method of the same and optical system having optical module mounted on substrate |
JP2010182800A (en) * | 2009-02-04 | 2010-08-19 | Hitachi Cable Ltd | Optical transmission module |
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