JP2004015027A - 面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を使用した光送受信器、光通信器および光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】閾値電流が低く、スロープ効率が大きい面発光レーザ素子を実現する。
【解決手段】ｎ型基板１上に、反射側半導体多層膜反射鏡２、下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層７、出射側半導体多層膜反射鏡８が順次積層され、出射側半導体多層膜反射鏡８内部には、開口部５と、開口部５の周囲に配置された選択酸化層６を有する。下部クラッド層３上部および下部クラッド層３より上の半導体層はメサポスト状に形成され、上面を除くメサポスト状領域全体および下部クラッド層３の上面全体が保護層１０に覆われている。メサポスト状領域周縁にポリイミド層１１が配置され、中央に開口部を備えたｐ側電極１２が配置されている。また、ｎ型基板１下面には、ｎ側電極１３が配置されている。出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率を９９．４％〜９９．８％とし、反射側半導体多層膜反射鏡２の反射率を９９．９％以上とする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に対して垂直方向に発振する面発光レーザの技術に関し、特に、閾値が低く、スロープ効率が大きい面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を使用した光送受信器、光通信器および光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ。以下、「面発光レーザ素子」と言う。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、基板面に対して垂直方向にレーザ光が出射される構造を有する。
【０００３】
そのため、面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列を容易に形成できる。また、面発光レーザ素子は、端面発光型レーザ素子と異なり、ミラーを設けるために劈開する必要がないことや、活性層の体積が格段に小さいので極低閾値でレーザ発振が可能であり、消費電力が小さいこと等の利点を有する。
【０００４】
さらに、面発光レーザ素子では、共振器長が極端に短いことから、発振スペクトルの縦モードはおのずと基本モード発振が得られることを特徴としている。これらの利点を有することから、面発光レーザ素子は、光通信ネットワークや、コンピュータ間を光接続して情報を伝送する光インターコネクションにおける信号光源として、また、その他の様々なアプリケーション用のデバイスとして注目されている。
【０００５】
光通信ネットワークにおける信号光源として利用するためには、伝送用光ファイバを伝送する際に損失が低い波長を有し、一定の強度を有するレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実現する必要がある。そのため、１．２μｍ以上の出射波長を有する面発光レーザ素子の開発がおこなわれており、近年の結晶成長技術の進歩に伴い活性層にＧａＩｎＮＡｓ系の材料を用いてレーザ発振を実現した例が報告されている。
【０００６】
例えば、ＬＥＯＳ−２００１　Ａｎｎｕａｌ　ＭｅｅｔｉｎｇのＰｏｓｔ　Ｄｅａｄｌｉｎｅ　Ｐａｐｅｒ　（ＰＤ１．２）において、Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓのグループより、酸化狭窄型の面発光レーザ素子についての報告がなされている。これによると、ｎ型のＧａＡｓ基板上に、順次ｎ型の分布帰還型反射鏡（ＤＢＲ　：　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ。以下「ＤＢＲ反射鏡」という。）を４０層積層した下部半導体多層膜反射鏡、ＧａＩｎＮＡｓによって形成された３重量子井戸層を含む活性層、ｐ型のＤＢＲ反射鏡を２８層積層した上部半導体多層膜反射鏡を有し、ｐ型の上部半導体多層膜反射鏡ＤＢＲ反射鏡の一部に電流狭窄層を配置することで１１μｍ径の開口部を備えた面発光レーザ素子が報告されている。このような構造とすることによって、室温での連続発振を実現し、閾値電流が６ｍＡ程度、最大光強度が０．７ｍＷ程度の面発光レーザ素子を実現している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のＡｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓのグループが報告した面発光レーザ素子を実際に信号光源として使用した場合、新たな問題が生じる。光通信システムでは信号光を長距離伝送することから、一般的に信号光源から出力されるレーザ光は最低でも１ｍＷ程度の光強度を有する必要がある。上記の面発光レーザ素子の最大光強度は０．７ｍＷ程度しかなく、現時点で信号光源として使用することは適切ではない。
【０００８】
また、２．４ＧＢｉｔ／ｓ以上、例えば１０ＧＢｉｔ／ｓでレーザ光を直接変調するためには、一般に閾値電流の５倍以上の注入電流によって面発光レーザ素子を駆動する必要がある。上記面発光レーザ素子の場合、閾値電流が６ｍＡであるため、駆動時の注入電流は３０ｍＡ以上となり、消費電力の面および実際には熱飽和が生じることを考慮すると信号光源として使用するのは現実的ではない。信号光源として使用するためには、閾値電流が１ｍＡ程度であって、駆動時の注入電流は５〜６ｍＡ程度であることが望ましい。注入電流が５ｍＡの場合に光強度１ｍＷを実現するためには、スロープ効率を０．２５ｍＷ／ｍＡ、６ｍＡの場合には０．２ｍＷ／ｍＡとする必要があり、上記面発光レーザ素子は、スロープ効率の観点からも、信号光源として使用することは適切ではない。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、閾値電流を１ｍＡ程度に抑制し、スロープ効率が０．２ｍＷ／ｍＡ以上となる面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を使用した光送受信器、光通信器および光通信システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる面発光レーザ素子は、半導体基板上に積層された活性層を備え、前記半導体基板に対して垂直方向に１．２μｍ以上、１．６μｍ以下のレーザ光を出射する面発光レーザ素子において、前記レーザ光に対して９９．９パーセント以上の反射率を有する反射側半導体多層膜反射鏡と、前記レーザ光に対して９９．４パーセント以上、９９．８パーセント以下の反射率を有する出射側半導体多層膜反射鏡とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この請求項１の発明によれば、反射側半導体多層膜反射鏡の反射率を９９．９％以上とし、出射側半導体多層膜反射鏡の反射率を９９．４％以上、９９．８％以下としたため、閾値電流が１ｍＡ以下となり、スロープ効率を０．２ｍＷ／ｍＡ以上とすることができる。
【００１２】
また、請求項２にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記反射側半導体多層膜反射鏡は、前記半導体基板と前記活性層との間に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を３０層以上有し、前記出射側半導体多層膜反射鏡は、前記活性層上に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を２０層以上、２３層以下だけ有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記反射側半導体多層膜反射鏡は、前記活性層上に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を３４層以上有し、前記出射側半導体多層膜反射鏡は、前記半導体基板と前記活性層との間に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を２３層以上、２７層以下だけ有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記高屈折率領域は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ_１≦０．４）によって形成され、前記低屈折率領域は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０．６≦ｘ_２≦０．９５）によって形成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、量子井戸層を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項６にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記量子井戸層は、Ｇａ_ｘ３Ｉｎ_１−ｘ３Ｎ_ｙ３Ａｓ_１−ｙ３（０．３≦ｘ_３＜１、０＜ｙ_３＜１）によって形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項７にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記量子井戸層は、Ｇａ_ｘ４Ｉｎ_１−ｘ４Ａｓ_{１−ｙ４−ｚ}Ｎ_ｙ４Ｓｂ_ｚ（０．３≦ｘ_４＜１、０＜ｙ_４＜０．０３、０．００２≦ｚ≦０．０６）によって形成されることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項８にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記量子井戸層は、ＧａＡｓ_ｙ５Ｓｂ_１−ｙ５（０＜ｙ_５＜１）によって形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項９にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、量子ドット層を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１０にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体基板は、ＧａＡｓによって形成されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１１にかかる光送受信器は、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１２にかかる光通信器は、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する信号分離回路とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１３にかかる光通信システムは、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入力し、伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファイバの他端から出力された前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を使用した光送受信器、光通信器および光通信システムの好適な実施の形態について説明する。図面の記載において、同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２５】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面鳥瞰図である。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、反射側半導体多層膜反射鏡および出射側半導体多層膜反射鏡の構造を最適化することによって、閾値電流値の低減およびスロープ効率の改善をおこなっている。以下、図１を参照して具体的な構造を説明する。
【００２６】
実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、ｎ型基板１上に、順次反射側半導体多層膜反射鏡２、下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層７、出射側半導体多層膜反射鏡８が積層されている。また、出射側半導体多層膜反射鏡８内部には、開口部５と、開口部５の周囲に配置された選択酸化層６を有する。さらに、下部クラッド層３の上部領域および下部クラッド層３よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されており、出射側半導体多層膜反射鏡８上面の一部を除いてメサポスト状領域全体および下部クラッド層３の上面全体が保護層１０に覆われている。また、メサポスト状領域周縁にはポリイミド層１１が配置されており、中央に開口部を備え、半導体多層膜反射鏡８上面の露出した部分と接した構造を有するｐ側電極１２が配置されている。また、ｎ型基板１下面には、ｎ側電極１３が配置されている。なお、ｎ型基板１は、ｎ型の導電型を有するＧａＡｓによって形成されている。
【００２７】
下部クラッド層３、上部クラッド層７は、それぞれ活性層４を上下から挟み込むように積層されており、活性層４と共に光共振器を形成する。本実施の形態１においては、光共振器の光学長を出射波長と等しいものとするが、出射波長の２倍の値等、他の光学長を有しても良い。下部クラッド層３はｎ型のＧａＡｓによって形成され、上部クラッド層７は、ｐ型のＧａＡｓによって形成される。なお、共振器内低在波の腹が活性層４の部分に来るように、下部クラッド層３および上部クラッド層７は互いにほぼ等しい光学長を実現する膜厚を有することが好ましい。
【００２８】
活性層４は、多重量子井戸層を備えた構造を有する。具体的には、活性層４は、順次積層された障壁層１４ａ、量子井戸層１５ａ、障壁層１４ｂ、量子井戸層１５ｂ、障壁層１４ｃ、量子井戸層１５ｃ、障壁層１４ｄによって形成される。すなわち、活性層４は、３層の量子井戸層を４層の障壁層によって挟み込んだ構造を有する。
【００２９】
量子井戸層１５ａ〜１５ｃは、量子閉じ込め効果によってキャリアを効率良く閉じ込める構造を有し、Ｇａ_ｘ３Ｉｎ_１−ｘ３Ｎ_ｙ３Ａｓ_１−ｙ３（０．３≦ｘ_３＜１、０＜ｙ_３＜１）によって形成される。また、障壁層１４ａ〜１４ｄは、複数の量子井戸層を空間的に互いに分離するためのもので、ＧａＮＡｓもしくはＧａＡｓによって形成される。
【００３０】
開口部５は、ＡｌＡｓによって形成される。また、選択酸化層６は、ＡｌＡｓを選択酸化することによって形成される。選択酸化層６は絶縁性を有し、ｐ側電極１２から注入された電流を狭窄して活性層４における電流密度を高める機能を有する。また、選択酸化層６は開口部５と異なる屈折率を有し、発振横モードを制御する機能も有する。
【００３１】
ｐ側電極１２は、中央に開口部を備えた構造を有する。この開口部は、活性層４で発生した光を外部に出力するための出射窓として機能するためのものである。また、ｐ側電極１２は、出射側半導体多層膜反射鏡８上のみならず、ポリイミド層１１上にも延伸した構造を有するため、寄生容量を低減する観点からポリイミド層１１は低誘電率の物質によって形成されている。
【００３２】
反射側半導体多層膜反射鏡２は、ｎ型の導電型を有し、高屈折率領域と低屈折率領域とを対とするｎ型ＤＢＲ反射鏡を複数積層した構造を有する。また、出射側半導体多層膜反射鏡８は、ｐ型の導電型を有し、高屈折率領域と低屈折率領域とを対とするｐ型ＤＢＲ反射鏡を複数積層した構造を有する。高屈折率領域は、ｐ型もしくはｎ型のＧａＡｓによって形成され、低屈折率領域は、ｐ型もしくはｎ型のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓによって形成されている。ここで、反射側半導体多層膜反射鏡２を構成するｎ型ＤＢＲ反射鏡は３０層積層されており、出射側半導体多層膜反射鏡８を構成するｐ型ＤＢＲ反射鏡は２０〜２３層積層されている。なお、各領域の界面には、抵抗低減のために組成傾斜領域を介在させることが好ましい。
【００３３】
次に、ｎ型ＤＢＲ反射鏡およびｐ型ＤＢＲ反射鏡を積層する数を上記のように決定した理由について説明する。既に説明したように、面発光レーザ素子を信号光源等として利用するためには、閾値電流が低い値に抑制され、スロープ効率を改善する必要がある。まず、これらの条件を満たすために必要な反射側半導体多層膜反射鏡２および出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率について導出し、導出した反射率を実現するために必要なｎ型ＤＢＲ反射鏡およびｐ型ＤＢＲ反射鏡を積層する数を決定する。
【００３４】
最初に、スロープ効率を改善するために必要な条件について検討する。ｐ側電極１２が有する開口部から出力されるレーザ光の効率η_ｆは、外部微分量子効率η_ｄ、出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率Ｒ_ｆ、反射側半導体多層膜反射鏡２の反射率Ｒ_ｒを用いて、
η_ｆ＝η_ｄ（１＋［Ｒ_ｆ／Ｒ_ｒ｛１−（Ｒ_ｒ／１−Ｒ_ｆ）｝］^１／２）^−１・・（１）
と表現することができる。効率η_ｆが大きいほど出力されるレーザ光の効率は大きな値となる。そして、効率η_ｆとスロープ効率Ｓ_ｆの関係は、レーザ光の波長λを用いて、
Ｓ_ｆ＝１．２４η_ｆ／λ・・・（２）
と表される。そのため、（１）式および（２）式を用いて、スロープ効率Ｓ_ｆが０．２ｍＷ／ｍＡ以上となる条件を探ることができる。ここで、外部微分量子効率η_ｄ、波長λは既知の値であるため、出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率Ｒ_ｆ、反射側半導体多層膜反射鏡２の反射率Ｒ_ｒを最適化することで、所望のスロープ効率を実現することができる。具体的に計算した結果について、図２に示す。図２のグラフは、横軸を出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率とし、縦軸をスロープ効率とする。なお、グラフにおいては、反射側半導体多層膜反射鏡２の反射率Ｒ_ｒの値を９９．９％以上として計算している。反射側半導体多層膜反射鏡２側からレーザ光を出射することはないため、反射率Ｒ_ｒを高く設定する必要があるためである。図２のグラフに示したように、スロープ効率Ｓ_ｆを高めるためには、出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率Ｒ_ｆを９９．８パーセント以下であることが好ましく、この反射率に対応した数のｐ型ＤＢＲ層を積層する必要がある。
【００３５】
次に、閾値電流を１ｍＡ以下とするために必要な条件について検討する。閾値電流密度Ｊ_ｔｈについては、
Ｊ_ｔｈ＝（Ｎ_ｗＪ_ｔｒ／η_ｉ）ｅｘｐ｛α_ｉ＋（α_ｍ／Ｇ_０Ｎ_ｗΓ_ｗ）｝・・（３）
と表される。なお、（３）式においてＮ_ｗは量子井戸数、Ｊ_ｔｒは透明化電流密度、η_ｉは内部量子効率、α_ｉは内部損失、α_ｍはミラー損失、Ｇ_０は利得、Γ_ｗは活性層４内への光閉じ込め係数である。また、ミラー損失α_ｍは、
α_ｍ＝（１／２）Ｌ×ｌｎ（１／Ｒ_ｆＲ_ｒ）・・・（４）
と表される。（４）式を（３）式に代入することで、閾値電流密度Ｊ_ｔｈは出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率Ｒ_ｆの関数となり、反射率Ｒ_ｆが大きくなるにつれて閾値電流密度Ｊ_ｔｈは低下することが分かる。反射側半導体多層膜反射鏡２の反射率Ｒ_ｒを９９．９％以上とし、出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率Ｒ_ｆ以外の変数について具体的な値を代入して計算したところ、図３に示すようなグラフとなった。図３に示すグラフは、横軸が反射率Ｒ_ｆ、縦軸が閾値電流密度Ｊ_ｔｈを示す。ここで、活性層４のうち実際に電流が流れ込んで発光に寄与する部分の水平断面積は一般に３０μｍ^２程度であるため、閾値電流の値を１ｍＡ以下とするためには、閾値電流密度Ｊ_ｔｈは３ｋＡ／ｃｍ^２以下としなければならない。この条件と、図３のグラフから、閾値電流を１ｍＡ以下とするのに必要な出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率Ｒ_ｆは、９９．４％以上であることが好ましい。
【００３６】
すなわち、スロープ効率を０．２ｍＷ／ｍＡ以上とするためには出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率は９９．８％以下が条件となり、閾値電流を１ｍＡ以下とするためには出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率は９９．４％以上が条件となる。この結果、双方の条件を満たす出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率は９９．４％以上、９９．８％以下ということとなる。
【００３７】
次に、このような反射率を実現するために必要なｐ型ＤＢＲ反射鏡の積層数およびｎ型ＤＢＲ反射鏡の積層数について導出する。図４（ａ）は、ｎ型ＤＢＲ反射鏡の積層数と最大反射率との関係を示す表であり、図４（ｂ）は、ｐ型ＤＢＲ反射鏡の積層数と最大反射率との関係を示す表である。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）において、同じ積層数のｎ型ＤＢＲ反射鏡とｐ型ＤＢＲ反射鏡の反射率が異なるのは、各ＤＢＲ反射鏡の外側の領域の屈折率が相違するためである。例えば、ｎ型ＤＢＲ反射鏡の外側（下側）にはｎ型基板１、すなわちＧａＡｓ等の半導体層が存在し、半導体層の屈折率は３．５程度となるのに対し、ｐ型ＤＢＲ反射鏡の外側（上側）は屈折率が１程度の空気が存在するため、反射率が異なることとなる。本願発明者等は、実際に異なる構造の面発光レーザ素子を実験的に作成した上で反射率について測定し、最大反射率を求めている。
【００３８】
図４（ａ）の表を参照すると、ｎ型基板１側に設けられた反射側半導体多層膜反射鏡２の反射率が９９．９％以上となるのに必要なｎ型ＤＢＲ反射鏡の積層数は、３０層以上であることが分かる。また、図４（ｂ）の表より、出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率が９９．４％以上、９９．８％以下となるのに必要なｐ型ＤＢＲ鏡の積層数は２０層以上、２３層以下となる。
【００３９】
このように反射側半導体多層膜反射鏡２および出射側半導体多層膜反射鏡８を構成することで、反射側半導体多層膜反射鏡２の反射率が９９．９％以上となり、出射側半導体多層膜反射鏡８の反射率が９９．４％以上、９９．８％以下となる。そのため、閾値電流値を１ｍＡ以下に抑制することが可能となり、スロープ効率についても０．２ｍＷ／ｍＡ以上とすることができる。そのため、閾値電流値の５倍以上の注入電流、例えば６ｍＡの電流を注入した場合、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子から出射されるレーザ光の強度は１ｍＷ以上となり、信号光源などの用途に使用することが可能となる。
【００４０】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子について説明する。図５は、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の構造を示す模式図である。実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、基板下面に配置された電極が開口部を有し、この開口部からレーザ光が出射される構造を有する。以下、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の構造について具体的に説明する。
【００４１】
図５に示すように、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、ｎ型基板１上に、順次出射側半導体多層膜反射鏡１７、下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層７、反射側半導体多層膜反射鏡１８が積層された構造を有する。また、反射側半導体多層膜反射鏡１８の一部領域において、開口部５および開口部５の周囲に選択酸化層６が配置されている。下部クラッド層３の上部領域および下部クラッド層３よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されており、反射側半導体多層膜反射鏡１８上面の一部領域を除いてメサポスト状領域全体および下部クラッド層３の上面全体が保護層１０に覆われている。また、メサポスト状領域周縁には保護層１０を挟んでポリイミド層１１が積層されており、反射側半導体多層膜反射鏡１８上面およびポリイミド層１１上にはｐ側電極１９が配置されている。ｐ側電極１９は、実施の形態１のように開口部を有さず、レーザ光がｐ側電極１９近傍から出射されることはない。そのかわり、ｎ型基板１下面には開口部を備えたｎ側電極２０が配置され、レーザ光はｎ側電極２０に備えられた開口部から出射する構造を有する。また、ｎ側電極２０の開口部、すなわちレーザ光出射部には、ｎ型基板１と空気の界面における反射を防ぐために、無反射膜２１が形成されている。なお、ｎ側電極２０は、図５に示すようにｎ型基板１下面全体に配置する構造としても良いが、円環形状としても良い。また、実施の形態２において、実施の形態１と同一の符号を付した部分については、特に言及しない限り同等の構造を有し、同等の機能を発揮するものとする。
【００４２】
出射側半導体多層膜反射鏡１７は、ｎ型の導電型を有し、高屈折率領域と低屈折率領域とを対とするｎ型ＤＢＲ反射鏡を複数積層した構造を有する。また、反射側半導体多層膜反射鏡１８は、ｐ型の導電型を有し、高屈折率領域と低屈折率領域とを対とするｐ型ＤＢＲ反射鏡を複数積層した構造を有する。高屈折率領域はｐ型若しくはｎ型のＧａＡｓによって形成され、低屈折率領域はｐ型若しくはｎ型のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓによって形成されている。
【００４３】
本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、実施の形態１と異なり、ｎ型基板１の下面からレーザ光を出射する構造を有する。本実施の形態２において、ｎ型基板１はＧａＡｓによって形成されており、ＧａＡｓの禁制帯幅は室温で１．４２８ｅＶ程度であり、０．８６８２μｍ以下の波長の光が入射した場合、ｎ型基板１に吸収され、電子・正孔対を生成する。しかし、本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子から出射されるレーザ光は、１．２μｍ〜１．６μｍ程度の波長を有するため、レーザ光がｎ型基板１に吸収されずに外部に出射することが可能である。
【００４４】
ｎ型基板１の下面から出射する構造を有することから、出射側半導体多層膜反射鏡１７および反射側半導体多層膜反射鏡１８は、実施の形態１と反対に位置することとなる。このため、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子について閾値電流を抑制しつつスロープ効率を改善するためには、改めて出射側半導体多層膜反射鏡１７および反射側半導体多層膜反射鏡１８の構造を最適化する必要がある。
【００４５】
反射率を最適化するための式（１）〜（４）については、実施の形態２についても実施の形態１と同様に成立する。そのため、図２および図３を参照して、実施の形態２における出射側半導体多層膜反射鏡１７の反射率は９９．４％以上、９９．８％以下となり、反射側半導体多層膜反射鏡１８の反射率は９９．９％以上となる。
【００４６】
次に、出射側半導体多層膜反射鏡１７を構成するｎ型ＤＢＲ鏡の積層数および反射側半導体多層膜反射鏡１８を構成するｐ型ＤＢＲ鏡の積層数について検討する。ｎ型ＤＢＲ鏡の積層数と出射側半導体多層膜反射鏡１７の反射率とは図４（ａ）に示した関係を有するため、出射側半導体多層膜反射鏡１７の反射率を９９．４％以上、９９．８％以下とするためには２３層以上、２６層以下だけｎ型ＤＢＲ鏡を積層すればよい。同様に、ｐ型ＤＢＲ鏡の積層数と反射側半導体多層膜反射鏡１８の反射率とは図４（ｂ）に示した関係を有するため、反射側半導体多層膜反射鏡１８の反射率を９９．９％以上とするためにはｐ型ＤＢＲ鏡を２６層以上積層すればよい。このように出射側半導体多層膜反射鏡１７および反射側半導体多層膜反射鏡１８を構成することで、閾値電流が１ｍＡ以下であって、スロープ効率が０．２ｍＷ／ｍＡとなる面発光レーザ素子を実現することができる。
【００４７】
以上のように、本発明にかかる面発光レーザ素子について実施の形態１および実施の形態２によって説明したが、この開示の一部をなす論述および図面は、この発明を限定するものではない。この開示から当業者は、様々な代替実施の形態、実施例および運用技術を導くことができると思われる。例えば、実施の形態１および２では、ｎ型基板１はＧａＡｓによって形成されるものとしたが、ＩｎＰによって形成することとしても良い。また、活性層４を形成する量子井戸層についても、Ｇａ_ｘ３Ｉｎ_１−ｘ３Ｎ_ｙ３Ａｓ_１−ｙ３（０．３≦ｘ_３＜１、０＜ｙ_３＜１）の他、Ｇａ_ｘ４Ｉｎ_１−ｘ４Ａｓ_{１−ｙ４−ｚ}Ｎ_ｙ４Ｓｂ_ｚ（０．３≦ｘ_４＜１、０＜ｙ_４＜０．０３、０．００２≦ｚ≦０．０６）を用いても良い。Ｇａ_ｘ４Ｉｎ_１−ｘ４Ａｓ_{１−ｙ４−ｚ}Ｎ_ｙ４Ｓｂ_ｚを使用した場合、結晶性が向上することが確認されており、より特性に優れた面発光レーザ素子を実現することができる。同様に、ＧａＡｓ_ｙ５Ｓｂ_１−ｙ５（０＜ｙ_５＜１）を用いても良いし、活性層４を量子井戸層ではなく、量子ドット層によって形成する構造としても良い。
【００４８】
また、ｎ型ＤＢＲ鏡およびｐ型ＤＢＲ鏡を形成する高屈折率領域についても、ＧａＡｓに限定される必要はなく、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ_１≦０．４）を高屈折率領域として使用することが可能である。同様に、低屈折率領域についても、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓに限定される必要はなく、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０．６≦ｘ_２≦０．９５）を低屈折率領域として使用することが可能である。高屈折率領域および低屈折率領域の組成が変化することで積層するｎ型ＤＢＲ鏡およびｐ型ＤＢＲ鏡の反射率が変化する場合もあるが、その場合でも、図４（ａ）および図４（ｂ）で示すような表を実験的若しくは理論的に導出することで、適切な反射率を実現する積層数を求めることが可能である。
【００４９】
また、開口部５を形成する半導体層すなわち選択酸化層６の酸化前の半導体層について、ＡｌＡｓ以外にも、Ａｌ_ｘ６Ｇａ_１−ｘ６Ａｓ（０．９７≦ｘ_６＜１）を使用しても良い。さらに、面発光レーザ素子を構成する半導体層について、導電型を上記したものと反対としても良い。たとえば、ｐ型基板上に順次半導体層を積層する構造とすることが可能である。
【００５０】
さらに、活性層４について、３重の量子井戸層を有する構造としなくても良く、単一量子井戸層若しくは２層〜５層程度の量子井戸層を有する多重量子井戸層を備えた構造としても良い。
【００５１】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる光通信器について説明する。図６は、実施の形態３にかかる光通信器の構造を示すブロック図である。本実施の形態３にかかる光通信器は、光信号を送受信するための光送信部３４および光受信部３５を有する光送受信器３１と、電気信号を光送受信器３１に入力する信号多重化回路３２と、光送受信器３１が受信した光信号から得られる電気信号を分離する信号分離回路３３とを有する。
【００５２】
光送信部３４は、信号多重化回路３２から入力された電気信号を光信号に変換して送信するためのものである。具体的には、光送信部３４は、光信号を出射する面発光レーザ素子３６と、入力された電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６を制御する制御回路３７と、面発光レーザ素子３６から出射された光信号を外部に出力するための出力光学系３８とを有する。
【００５３】
光送信部３４に含まれる面発光レーザ素子３６には、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を用いる。したがって、面発光レーザ素子３６は、閾値電流値が低く、スロープ効率が改善されており、１ｍＷ以上の強度の光信号を出力することが可能である。
【００５４】
光受信部３５は、外部から受信した光信号を電気信号に変換して信号分離回路３３に出力するためのものである。具体的には、光受信部３５は、光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子３９と、光信号を光電変換素子３９に導くための入力光学系４０と、光電変換素子３９から出力される電気信号を増幅する増幅回路４１とを有する。光電変換素子３９は、受信した光信号の強度に基づいて電気信号を出力する。光電変換素子３９としては、フォトダイオードの他、光抵抗などを用いることが可能である。
【００５５】
信号多重化回路３２は、外部から入力される複数の電気信号を多重化して１本の電気信号にするためのものである。多重化されて得られた１本の電気信号は、光送受信器３１を構成する光送信部３４に出力される。
【００５６】
信号分離回路３３は、光送受信器３１を構成する光受信部３５から得られた電気信号について、複数の電気信号に分離するためのものである。光受信部３５で受信される光信号は元来複数の信号を含んでいるため、光信号を光電変換して得られる電気信号についても、情報を取り出すためには複数の電気信号に分離する必要があるためである。
【００５７】
次に、本実施の形態３にかかる光通信器の動作について説明する。実施の形態３にかかる光通信器は、複数の電気信号について送受信をおこなうためのものである。最初に、送信動作について説明する。
【００５８】
まず、外部から入力された複数の電気信号は、信号多重化回路３２で単一の電気信号に変換される。そして、この単一の電気信号が信号多重化回路３２から制御回路３７に入力され、制御回路３７は、この電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６に注入する電流を制御する。具体的には、制御回路３７によって、電気信号波形に対応した波形を有する光信号が面発光レーザ素子３６から出射される。
【００５９】
次に、受信動作について説明する。外部から伝送されてきた光信号は、入力光学系４０を介して入射し、光電変換素子３９によって受信される。光電変換素子３９は受信した光信号の強度変化に対応した波形を有する電気信号を出力する機能を有し、変換された電気信号は増幅回路４１に入力される。外部から入力された光信号の強度は、一般に微弱であるため、光電変換素子３９から出力される電気信号の強度も微弱となり、増幅回路４１によってその強度を増幅される。その後、増幅された電気信号は信号分離回路３３に入力され、複数の電気信号に分離される。以上で受信動作が終了する。
【００６０】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる光通信システムについて説明する。図７は、実施の形態４にかかる光通信システムの構造を示す模式図である。実施の形態４にかかる光通信システムは、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を信号光源に使用している。具体的には、本実施の形態４にかかる光通信システムは、信号多重化回路４２と、信号多重化回路４２に接続された制御回路４３と、制御回路４３に接続された面発光レーザ素子４４と、伝送用光ファイバ４６と、面発光レーザ素子４４と伝送用光ファイバ４６の一端とを光結合させるための光学系とを有する。また、伝送用光ファイバ４６の他端と光学系４７を介して光結合した光電変換素子４８と、光電変換素子４８と接続された増幅回路４９と、増幅回路４９と接続された信号分離回路５０とを有する。
【００６１】
信号多重化回路４２で得られた単一の電気信号は制御回路４３に入力され、この電気信号に基づいて制御回路４３は面発光レーザ素子４４に注入する電流について制御をおこなう。これにより、面発光レーザ素子４４から出力される光信号は、信号多重化回路４２で得られた電気信号に対応した波形を有する。面発光レーザ素子４４から出力された光信号は光学系４５を介して伝送用光ファイバ４６の一端に入射し、伝送用光ファイバ４６中を伝送する。
【００６２】
そして、伝送用光ファイバ４６中を伝送した光信号は、伝送用光ファイバ４６の他端から出射し、光学系４７を介して光電変換素子４８に入射する。光電変換素子４８は、受信した光信号に基づく電気信号を出力し、増幅回路４９で増幅された後に信号分離回路５０に入力される。
【００６３】
信号分離回路５０は、入力された電気信号について、信号多重化回路４２で多重化される前の個々の電気信号に分離して、情報を復元する。このようにして本実施の形態４にかかる光通信システムは情報の伝送をおこなう。
【００６４】
本実施の形態４にかかる光通信システムでは、送信側の信号光源として、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を使用している。そのため、閾値が低く、スロープ効率が改善され、光強度が１ｍＷ以上の面発光レーザ素子を使用することが可能である。そのため、光通信システムにおいて伝送用光ファイバ４６のファイバ長を長くとることが可能であり、光信号の長距離伝送が可能である。
【００６５】
また、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子は、波長が１．２μｍ以上のレーザ光を出射するため、伝送用光ファイバ４６において低損失となる波長を選択することが可能である。また、これらの波長帯において、既存の光通信システムを利用することができるという利点も有する。たとえば、出射波長を１．５５０μｍ程度として、伝送用光ファイバ４６の途上にＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ　Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を配置する構造としても良い。この場合、ＥＤＦＡによって光信号の強度を増幅することができるので、伝送距離をさらに延伸させることができる。同様に、ＴＤＦＡ、ラマン増幅器等を用いても良い。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜１０の発明によれば、出射側反射面の反射率を９９．４％以上、９９．８％以下とし、反射側反射面の反射率を９９．９％としたため、閾値電流値を１ｍＡ以下に抑制し、スロープ効率を０．２ｍＷ／ｍＡ以上とすることができるという効果を奏する。そのため、閾値電流値の５倍以上の値、たとえば６ｍＡの電流を注入した場合、出射されるレーザ光の強度は１ｍＷ以上となり、信号光源等として使用することが可能となる効果を奏する。
【００６７】
また、請求項１１〜１３の発明によれば、請求項１〜１０に記載の面発光レーザ素子を使用することとしたため、低閾値で動作し、高い光出力を有する光源を使用することができ、光信号を長距離伝送することが可能な光送受信器、光通信器および光通信システムを実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面鳥瞰図である。
【図２】出射側半導体多層膜反射鏡の反射率とスロープ効率との関係を示すグラフである。
【図３】出射側半導体多層膜反射鏡の反射率と閾値電流値との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、ｎ型ＤＢＲ反射鏡の積層数と反射率との関係を示す図表であり、（ｂ）は、ｐ型ＤＢＲ反射鏡の積層数と反射率との関係を示す図表である。
【図５】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図６】実施の形態３にかかる光通信器の構造を示すブロック図である。
【図７】実施の形態４にかかる光通信システムの構造を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　　　　　ｎ型基板
２、１８　　反射側半導体多層膜反射鏡
３　　　　　下部クラッド層
４　　　　　活性層
５　　　　　開口部
６　　　　　選択酸化層
７　　　　　上部クラッド層
８、１７　　出射側半導体多層膜反射鏡
１０　　　保護層
１１　　　ポリイミド層
１２、１９　　ｐ側電極
１３、２０　　ｎ側電極
１４ａ〜１４ｄ　　障壁層
１５ａ〜１５ｃ　　量子井戸層
２１　　無反射膜
３１　　　光送受信器
３２　　　信号多重化回路
３３　　　信号分離回路
３４　　　光送信部
３５　　　光受信部
３６　　　面発光レーザ素子
３７　　　制御回路
３８　　　出力光学系
３９　　　光電変換素子
４０　　　入力光学系
４１　　　増幅回路
４２　　　信号多重化回路
４３　　　制御回路
４４　　　面発光レーザ素子
４５　　　光学系
４６　　　伝送用光ファイバ
４７　　　光学系
４８　　　光電変換素子
４９　　　増幅回路
５０　　　信号分離回路

Claims (13)

1. 半導体基板上に積層された活性層を備え、前記半導体基板に対して垂直方向に１．２μｍ以上、１．６μｍ以下のレーザ光を出射する面発光レーザ素子において、
   前記レーザ光に対して９９．９パーセント以上の反射率を有する反射側半導体多層膜反射鏡と、
   前記レーザ光に対して９９．４パーセント以上、９９．８パーセント以下の反射率を有する出射側半導体多層膜反射鏡と、
   を備えたことを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記反射側半導体多層膜反射鏡は、前記半導体基板と前記活性層との間に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を３０層以上有し、
   前記出射側半導体多層膜反射鏡は、前記活性層上に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を２０層以上、２３層以下だけ有することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記反射側半導体多層膜反射鏡は、前記活性層上に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を３４層以上有し、
   前記出射側半導体多層膜反射鏡は、前記半導体基板と前記活性層との間に積層され、低屈折率領域と高屈折率領域を備えた分布帰還型反射鏡を２３層以上、２７層以下だけ有することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記高屈折率領域は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ_１≦０．４）によって形成され、前記低屈折率領域は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０．６≦ｘ_２≦０．９５）によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
5. 前記活性層は、量子井戸層を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
6. 前記量子井戸層は、Ｇａ_ｘ３Ｉｎ_１−ｘ３Ｎ_ｙ３Ａｓ_１−ｙ３（０．３≦ｘ_３＜１、０＜ｙ_３＜１）によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記量子井戸層は、Ｇａ_ｘ４Ｉｎ_１−ｘ４Ａｓ_{１−ｙ４−ｚ}Ｎ_ｙ４Ｓｂ_ｚ（０．３≦ｘ_４＜１、０＜ｙ_４＜０．０３、０．００２≦ｚ≦０．０６）によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
8. 前記量子井戸層は、ＧａＡｓ_ｙ５Ｓｂ_１−ｙ５（０＜ｙ_５＜１）によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
9. 前記活性層は、量子ドット層を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
10. 前記半導体基板は、ＧａＡｓによって形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、
    外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部と、
    を備えたことを特徴とする光送受信器。
12. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
    複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、
    該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
    外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する信号分離回路と、
    を備えたことを特徴とする光通信器。
13. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
    該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
    前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入力し、伝送する伝送用光ファイバと、
    該伝送用光ファイバの他端から出力された前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
    を備えたことを特徴とする光通信システム。

Images