JP2004063657A - Surface emitting laser, surface emitting laser array, light transmitting module, light transmitting/receiving module and optical communication system - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光レーザおよび面発光レーザアレイおよび光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ（面発光レーザ）は、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型に比べて高性能が得られ、冷却素子などが不必要であることから、面発光レーザを用いたシステムは極めて低コストであり、光インターコネクションの光源，光ピックアップ用の光源等の民生用途で用いられている。
【０００３】
面発光型半導体レーザは、レーザ光を発生する活性層を含んだ活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっている。その反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に活性層よりワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００４】
ところで、反射鏡の反射率は９９％以上と極めて高くする必要がある。反射率は積層数を増やすことによって高くなる。しかし、積層数が増加すると、面発光型半導体レーザの作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料は、ＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので、良く用いられている。
【０００５】
また、低しきい値化のために、ｐ側領域に電流狭さく構造が用いられている。特開平７−２４０５０６号には、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、イオン注入により高抵抗層を形成した電流狭さく構造とを用いた構造が示されている。また、特許第２９１７９７１号には、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓの一部を選択的に酸化した酸化膜を用いた電流狭さく構造を用いた面発光レーザが示されている。ここで、酸化には、高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。高温での水蒸気供給による酸化は、ＡｌｘＯｙのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭さく層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、電流通路を極めて狭くできること、さらに酸化により屈折率が小さくなり横方向の光閉じ込め効果があることから、無効電流の低減化，活性領域の低減化に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。これらのような構成のマルチモード動作０．８５μｍ帯ＶＣＳＥＬが短距離の光伝送に用いられている。
【０００６】
ところで、低コストで高速の光通信システムを実現するためには、光ファイバーにおける伝送損失の小さい１．３μｍ帯等の長波長であって、シングルモードで高出力動作するＶＣＳＥＬが必要となる。ＶＣＳＥＬにおいてシングルモード動作を実現するために、一般に基本横モードのみ閉じ込めるように酸化狭窄径を極めて狭くする（１．３μｍ帯では５〜６μｍ程度以下にする）ことで実現している。しかしながら、酸化狭窄径を狭くするにしたがって抵抗が上昇し駆動電圧が高くなるとともに発熱により素子特性が劣化し、さらに電流が注入される活性領域が狭くなることから、光出力も低減するという極めて大きな問題がある。
【０００７】
また、ｐ型半導体材料では、禁則帯幅の異なる２種の半導体層のヘテロ界面に生じるポテンシャル障壁の影響が大きく、ｐ型半導体分布ブラッグ反射鏡（ｐ−ＤＢＲ）の抵抗が高くなりやすく、抵抗を下げるためにある程度高濃度にドーピングする必要がある。しかしながら、０．８５μｍ帯に比べて長波長帯においては、ドープされたｐ−ＤＢＲによる正孔の自由キャリア吸収および価電子帯間吸収が顕著になり、光学的特性が劣化するという問題がある。これらのため、ｐ−ＤＢＲに電気を流さないトンネル接合構造（Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ ｅｔ ａｌ．， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．３６， Ｎｏ．１６， ｐｐ．１３８８−１３９０， ２０００）、イントラキャビティーコンタクト構造（Ｇ．Ｓｔｅｉｎｌｅ ｅｔ ａｌ．， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．３７， Ｎｏ．２， ｐｐ．９３−９５， ２００１）のＶＣＳＥＬが検討されている。しかしながら、これらは選択酸化層により電流通路を狭くして基本モードを選択的に発振させる構成であり、抵抗が上昇し、高出力が得られないなどの問題があった。また、特開平１１−２４３２５７には、電流狭窄や光閉じ込めのための選択酸化を用いずに、イオン注入による電流狭窄、一方の反射鏡と活性領域との間に光学的ガイド構造を含んだイントラキャビティー構造も提案されている。しかしながら、製造の再現性を向上させることを目的としており、低抵抗化やシングルモード高出力化を意図した設計にはなっていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シングルモード高出力の得られる面発光レーザおよび面発光レーザアレイおよび光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、活性層に選択的に電流を注入する電流注入部を形成するための電流狭窄部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間であって、電流注入部よりも狭い領域からなる基本横モード選択部の周囲に、高次モード発振抑制部が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、電流注入部よりも狭い領域の共振器長がＮλ／２ｎ（Ｎ：整数、λ：発振波長、ｎ：媒体内の実効屈折率）の厚さになっていて、共振器長がＮλ／２ｎの厚さとなっている領域の周囲に他の厚さの共振器長の領域が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の面発光レーザにおいて、共振器長がＮλ／２ｎの厚さとなっている領域の周囲の共振器長は、Ｎλ／２ｎ＋λ／４ｎの厚さとなっていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間に、電流注入部よりも狭い領域であって、発振方向に垂直な方向における屈折率が周囲よりも高い光ガイド部が形成されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光レーザにおいて、前記一方の反射鏡は、誘電体からなり、前記光ガイド部は、半導体層で形成され、誘電体からなる反射鏡に埋め込まれた構成となっていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の面発光レーザにおいて、発振方向に垂直な方向における光ガイド部の周囲は空気からなることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、少なくともｐ側のオーミック電極は、共振器内部に形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項８記載の発明は、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間に、金属アパーチャーが形成され、電流注入部よりも金属アパーチャーが狭いことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザによって構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイである。
【００１８】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項９記載の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴とする光送信モジュールである。
【００１９】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項９記載の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴とする光送受信モジュールである。
【００２０】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項９記載の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴とする光通信システムである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の面発光レーザは、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、活性層に選択的に電流を注入する電流注入部を形成するための電流狭窄部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間であって、電流注入部よりも狭い領域からなる基本横モード選択部の周囲に、高次モード発振抑制部が形成されていることを特徴としている。
【００２３】
この第１の実施形態の面発光レーザでは、モード選択手段と電流狭窄手段とを別々にし、抵抗増加の原因となる狭い電流注入部を広くした構造で基本横モードを選択的に発振させることができる構造としたので、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、温度上昇を抑えられ、環境温度が高温であってもシングルモード高出力が得られる。なお、高次モード発振抑制部とは、高次モードの実効的な反射率を相対的に下げるための構造を有する領域であって、様々の方法を用いることができる。
【００２４】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の面発光レーザは、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、電流注入部よりも狭い領域の共振器長がＮλ／２ｎ（Ｎ：整数、λ：発振波長、ｎ：媒体内の実効屈折率）の厚さになっていて、共振器長がＮλ／２ｎの厚さとなっている領域の周囲に他の厚さの共振器長の領域が形成されていることを特徴としている。
【００２５】
この第２の実施形態では、基本横モードのみ発振条件を満たす大きさの領域（基本横モード選択部）だけ共振器長をＮλ／２ｎの厚さとしたので、Ｎλ／２ｎの厚さの部分以外では設計波長λに対して反射率が低くなる。高次モードにおいて発振条件を満たすためには基本横モード選択部よりも広い領域でＮλ／２ｎの厚さが必要である。つまり、広い面積が必要な高次モードにおいては、反射率が低くなり発振条件を満たさなくなるので、基本モードのみ選択的に発振させることができる。さらに電流狭窄手段を別に設け、電流注入部の大きさを基本モード選択部よりも広くした構造としたので、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、抵抗が低減し、温度上昇を抑えられ、高温環境下においてもシングルモード高出力が得られる。
【００２６】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の面発光レーザは、第２の実施形態において、共振器長がＮλ／２ｎの厚さとなっている領域（基本横モード選択部）の周囲（高次モード発振抑制部）の共振器長が、Ｎλ／２ｎ＋λ／４ｎの厚さとなっていることを特徴としている。
【００２７】
共振器長がＮλ／２ｎの厚さ以外では、設計波長λに対して反射率が低くなるが、Ｎλ／２ｎ＋λ／４ｎの厚さの時に反射率が最も低くなるので、高次モード発振抑制効果が高くなる。
【００２８】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態の面発光レーザは、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間に、電流注入部よりも狭い領域であって、発振方向に垂直な方向における屈折率が周囲よりも高い光ガイド部が形成されていることを特徴としている。
【００２９】
モード選択手段と電流狭窄手段を別々にする方法として、活性領域と一方の反射鏡との間に、電流注入部よりも狭く、発振方向に垂直な方向における屈折率が周囲よりも高い光ガイド部（基本横モード選択部）を設ける構造が挙げられる。この構造では、基本モードのみが相対的に損失を受けない大きさとした光ガイド部に光を閉じ込めるので、抵抗増加の原因となる狭い電流注入部を広げた構造で基本モードを選択的に発振させることができて、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、温度上昇を抑えられ、環境温度が高温においても高出力が得られる。
【００３０】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態の面発光レーザは、第４の実施形態において、一方の反射鏡が、誘電体からなり、光ガイド部が、半導体層で形成されメサ形状となっており、誘電体からなる反射鏡に埋め込まれた構成となっていることを特徴としている。
【００３１】
上記光ガイド部を形成する手段として、屈折率の高い半導体をメサ形状として光ガイド部（基本横モード選択部）とし、その周囲（高次モード発振抑制部）を屈折率の低い誘電体で埋め込むことで実現することができる。半導体と誘電体とでは屈折率差が大きいので、光閉じ込め効果は高い。
【００３２】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態の面発光レーザは、第４の実施形態において、発振方向に垂直な方向における光ガイド部の周囲が空気からなることを特徴としている。
【００３３】
上記光ガイド部を形成する手段として、半導体または誘電体をメサ形状として光ガイド部（基本横モード選択部）とし、その周囲（高次モード発振抑制部）を屈折率の低い空気とすることで実現することができる。誘電体反射鏡部を別途形成し、光ガイド部に張り合わせることで実現できる。低屈折率部を空気としたが、低屈折率部は、窒素，真空等であっても良い。
【００３４】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態の面発光レーザは、第１乃至第６のいずれかの実施形態において、少なくともｐ側のオーミック電極が共振器内部に形成されていることを特徴としている。
【００３５】
本発明では、ｐ−ＤＢＲを電流経路とする必要がなくなり、ドープされたｐ−ＤＢＲによる正孔の自由キャリア吸収および価電子帯間吸収による光学的特性劣化の問題を避けることができ、低しきい値動作をし、シングルモード高出力が得られる。
【００３６】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態の面発光レーザは、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間に、金属アパーチャーが形成され、電流注入部よりも金属アパーチャーが狭いことを特徴としている。
【００３７】
ここで、金属アパーチャーは、内側が金属のない部分（基本横モード選択部）と、外側が金属がある部分（高次モード発振抑制部）とから構成されており、金属のない部分を光が導波できる。基本横モードのみ導波できる大きさの金属アパーチャーにより高次モードがカットされるので、基本横モードのみ選択的に発振させることができる。電流注入部の大きさを基本モード選択部より広くした構造としたので、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、抵抗が低減し、温度上昇を抑えられ、高温環境下においてもシングルモード高出力が得られる。また、金属アパーチャーは、オーミック電極を兼ねることができ、より内部にコンタクトした構造となるので、電流経路を短くでき、抵抗を更に低減できる。
【００３８】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態の面発光レーザアレイは、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光レーザによって構成されていることを特徴としている。
【００３９】
本発明の面発光レーザでは、抵抗が低減され、発熱が改善されたので、面発光レーザアレイとした場合に、他の素子（面発光レーザ）で発生した熱による特性劣化（しきい値上昇，出力低下など）が低減し、高性能の面発光レーザアレイを実現できる。さらに、他の素子（面発光レーザ）への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。また、複数の素子（面発光レーザ）をアレイにすることで、同時により多くのデータを伝送することが可能となる。
【００４０】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態の光送信モジュールは、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光レーザ、または、第９の実施形態の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴としている。
【００４１】
本発明の面発光レーザは、上記のようにシングルモード高出力が得られる素子であるので、Ｓ／Ｎが大きく取れ、シングルモードファイバーと組み合わせることで高速データ伝送が可能となる。また、抵抗が低減され、高温まで高性能を維持できるので、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【００４２】
（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態の光送受信モジュールは、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光レーザ、または、第９の実施形態の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴としている。
【００４３】
本発明の面発光レーザは、上記のようにシングルモード高出力が得られる素子であるので、Ｓ／Ｎが大きく取れ、シングルモードファイバーと組み合わせることで高速データ伝送が可能となる。また、抵抗が低減され、高温まで高性能を維持できるので、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【００４４】
（第１２の実施形態）
本発明の第１２の実施形態の光通信システムは、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光レーザ、または、第９の実施形態の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴としている。
【００４５】
本発明の面発光レーザは、上記のようにシングルモード高出力が得られる素子であるので、Ｓ／Ｎが大きく取れ、シングルモードファイバーと組み合わせることで高速データ伝送が可能となる。また、抵抗が低減され、高温まで高性能を維持できるので、冷却素子が不要な低コストな光ファイバー通信システム，光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００４７】
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００４８】
図１に示すように、この第１の実施例の面発光型半導体レーザ素子は、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に，それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さでｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝１．０）とｎ−ＧａＡｓとを交互に３５周期積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に下部反射鏡ともいう）が形成されている。
【００４９】
そして、その上に、下部ＧａＡｓスペーサ（クラッド）層，３層のＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（ｘ、ｙ）井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸活性層，上部ＧａＡｓスペーサ（クラッド）層が形成されている。なお、上部ＧａＡｓスペーサ層中の定在波の節の位置には、ｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層（厚さ２０ｎｍ）が形成されている。また、多重量子井戸活性層とスペーサ（クラッド）層とで、Ｎλ／２ｎ（Ｎ：整数、λ：発振波長、ｎ：媒体内の実効屈折率）の厚さになっている。この第１の実施例では、Ｎは６とした。
【００５０】
さらにその上に、ＧａＩｎＰエッチングストップ層と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層とが形成され、その一部が直径５μｍだけエッチング除去されており、この領域だけ共振条件を満たす基本モード選択部を形成している。ここで、エッチングは、硫酸系のエッチング液でｐ−ＧａＡｓコンタクト層を（Ｐ系材料に対して）選択的にエッチングし、次に塩酸系のエッチング液でＧａＩｎＰエッチングストップ層を（Ａｓ系材料に対して）選択的にエッチングした。また、残されたｐ−ＧａＡｓコンタクト層の上にはリング状のｐ側電極が形成されている。なお、ＧａＩｎＰエッチングストップ層とｐ−ＧａＡｓコンタクト層との合計はλ／４ｎの厚さであり、共振器長はＮλ／２ｎ＋λ／４ｎの厚さとなっており、共振条件を満たしておらず、高次モード発振抑制部を形成している。
【００５１】
さらにこの上に、ＣａＦ２とａ−Ｓｉ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、例えば、８周期から構成された上部反射鏡（誘電体反射鏡）が形成されている。誘電体反射鏡としては、ＣａＦ２／ａ−Ｓｉ以外にも、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２，ＳｉＯ２／ＡｌＯ３，ＭｇＦ／ＺｎＳｅなど、他の材料を用いることもできる。
【００５２】
この第１の実施例の面発光レーザにおいて、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３７％，窒素組成は０．５％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍとした。また、井戸層は、ＧａＡｓ基板に対して約２．５％の圧縮歪（高歪）を有していた。ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ活性層の原料には、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）を用い、窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。また、キャリアガスには、Ｈ２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原料である。この第１の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の活性層のように、歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。この第１の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【００５３】
また、この第１の実施例では、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌｘＯｙ電流狭さく部を形成した。酸化されていない電流注入領域は、基本モード選択部よりも広い、直径１０μｍとした。また、ＧａＡｓ基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【００５４】
この第１の実施例において、作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長λは約１．３μｍであった。また、ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたので、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。また、基本横モードのみ存在し得る狭い領域のみ活性層の高い利得が得られる波長λに対して共振条件を満たす共振器長Ｎλ／２ｎとしたので、基本横モード発振であった。従来、酸化狭窄構造の素子においては基本横モード発振させるために酸化狭窄径を５〜６μｍ程度に狭くすることで実現したが、この第１の実施例では、酸化狭窄径を１０μｍと広くしたので、抵抗は半分以下に低減でき、発熱を抑えることができた。また、ｐ−ＤＢＲを電流経路としておらず、ドープされたｐ−ＤＢＲによる正孔の自由キャリア吸収および価電子帯間吸収による光学的損失を避けることができた。よって、低しきい値動作をし、基本横モードによるシングルモード高出力が得られた。
【００５５】
なお、電流狭窄構造をこの第１の実施例では選択酸化で行ったが、電流狭窄構造で光を閉じ込める構造としておらず、プロトン等のイオン注入法による高抵抗化で形成しても良い。また、クラッド層としてＧａＡｓを用いたが、ＡｌＧａＡｓなどＧａＡｓよりもバンドギャップの大きい材料をすべてもしくは一部に用いても良い。また、メサ，ｐ側電極（上部電極），電流注入領域の形状を円形としたが、矩形としても良い。
【００５６】
（第２の実施例）
図２は本発明の第２の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００５７】
この第２の実施例の面発光レーザが第１の実施例の面発光レーザとは異なるところは、第１の実施例のｐ側電極と同様に、ｎ側電極も共振器内に形成したことである。第２の実施例では、下部反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）にも電流を流さない構造としたので、抵抗を下げるためのドーピングが必要ではなく、ｎ−ＤＢＲはアンドープとし、代りにｎ−ＧａＡｓコンタクト層をｎ−ＤＢＲと活性層との間に設けた。このため、下部反射鏡での吸収も低減し、しきい値を下げることができ、出力も向上した。この第２の実施例では、ｎ側電極を形成するためにコンタクト層を表面に出す必要があるが、これは、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層の上部にＧａＩｎＰエッチングストップ層を設けて制御した。
【００５８】
（第３の実施例）
図３は本発明の第３の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００５９】
この第３の実施例の面発光レーザが第１の実施例の面発光レーザと主に異なるところは、基本モード選択部として、半導体凹部を形成し、そこだけ共振器長をＮλ／２ｎとする構造ではなく、凸部（メサ部）とし、そこだけ共振器長をＮλ／２ｎとしたことである。具体的には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層上にＧａＩｎＰ光ガイド層を成長し、直径５μｍの基本モード選択部以外を選択的にエッチング除去して形成した。そして、上部反射鏡である誘電体が半導体凸部を埋め込んでおり、凸部である半導体の屈折率が周辺の誘電体より高いので、光が凸部に閉じ込められる。この効果によりしきい値電流は更に低減した。なお、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層は共振器の中にも存在するので、吸収を低減するために定在波の節の位置になるように厚さを設計することが好ましい。また、光ガイド層として、ＧａＩｎＰを用いたが、ＧａＡｓなど他の材料を用いても良く、複数の層から構成しても良い。
【００６０】
（第４の実施例）
図４は本発明の第４の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００６１】
この第４の実施例の面発光レーザが第３の実施例の面発光レーザと主に異なるところは、第２の実施例の構造のように、ｎ側電極（下部電極）も共振器内に形成したことである。第４の実施例では、下部反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）にも電流を流さない構造としたので、抵抗を下げるためのドーピングが必要ではなく、ｎ−ＤＢＲはアンドープとし、代りに、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層をｎ−ＤＢＲと活性層との間に設けた。このため、下部反射鏡での吸収も低減し、しきい値を下げることができ、出力も向上した。第４の実施例では、ｎ側電極を形成するためにコンタクト層を表面に出す必要があるが、これは、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層の上部にＧａＩｎＰエッチングストップ層を設けて制御した。
【００６２】
（第５の実施例）
図５は本発明の第５の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００６３】
この第５の実施例の面発光レーザが第３の実施例の面発光レーザと主に異なるところは、光ガイド層を上部反射鏡である誘電体で埋め込んだ構造ではなく、周囲は空気としたことである。この第５の実施例では、凸部である半導体の屈折率が周辺の空気より高いので、光が凸部に閉じ込められる。この効果により、しきい値電流は更に低減した。
【００６４】
この第５の実施例の素子（面発光レーザ）は、光ガイド層とｐ側電極との間に空間を設けて配置させ、上部反射鏡を別途形成し、上部反射鏡を光ガイド層に接着して形成した。
【００６５】
（第６の実施例）
図６は本発明の第６の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００６６】
この第６の実施例の面発光レーザが第５の実施例の面発光レーザと主に異なるところは、第６の実施例の面発光レーザでは、第２の実施例の構造のように、ｎ側電極（下部電極）も共振器内に形成したことである。第６の実施例の面発光レーザでは、下部反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）にも電流を流さない構造としたので、抵抗を下げるためのドーピングが必要ではなく、ｎ−ＤＢＲはアンドープとし、代りにｎ−ＧａＡｓコンタクト層をｎ−ＤＢＲと活性層との間に設けた。このため、下部反射鏡での吸収も低減し、しきい値を下げることができ、出力も向上した。第６の実施例の面発光レーザでは、ｎ側電極を形成するためにコンタクト層を表面に出す必要があるが、これは、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層の上部にＧａＩｎＰエッチングストップ層を設けて制御した。
【００６７】
（第７の実施例）
図７は本発明の第７の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００６８】
第７の実施例の面発光レーザが第１の実施例の面発光レーザと主に異なるところは、高次モード発振抑制部として、金属部を形成して高次モード光を遮断するようにしている点である。第７の実施例の面発光レーザでは、オーミックコンタクトを取るために高濃度となるコンタクト層が腹の位置にならないように、基本モード選択部のコンタクト層をエッチングして除去して、活性層とクラッド層を含む共振器部分がＮλ／２ｎの厚さとなるようにした。上記金属部は、ｐ側電極を兼ねており、電流狭窄部より内側（電流注入部側）に一部が形成されているので、さらに抵抗が低減された。
【００６９】
（第８の実施例）
図８は本発明の第８の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００７０】
第８の実施例の面発光レーザが第７の実施例の面発光レーザと主に異なるところは、コンタクト層が定在波の腹の位置にならないようにする仕方である。第８の実施例の面発光レーザでは、ＧａＩｎＰ光ガイド層をメサ形状にして基本モード選択部を形成し、その周辺に高次モード発振抑制部として金属部を形成した。活性層とクラッド層及び光ガイド層を含む共振器部分がＮλ／２ｎの厚さとなるようにした。そしてコンタクト層は節の位置になるようにした。上記金属部はｐ側電極を兼ねており、電流狭窄部より内側（電流注入部側）に一部が形成されているので、さらに抵抗が低減された。
【００７１】
（第９の実施例）
図９は本発明の第９の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【００７２】
第９の実施例の面発光レーザが第７の実施例の面発光レーザと異なるところは、第９の実施例の面発光レーザでは、第７の実施例のｐ側電極と同様に、ｎ側電極も共振器内に形成したことである。第９の実施例の面発光レーザでは、下部反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）にも電流を流さない構造としたので、抵抗を下げるためのドーピングが必要ではなく、ｎ−ＤＢＲはアンドープとし、代りにｎ−ＧａＡｓコンタクト層をｎ−ＤＢＲと活性層との間に設けた。このため、下部反射鏡での吸収も低減し、しきい値を下げることができ、出力も向上した。第９の実施例の面発光レーザでは、ｎ側電極を形成するためにコンタクト層を表面に出す必要があるが、これは、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層の上部にＧａＩｎＰエッチングストップ層を設けて制御した。
【００７３】
なお、高次モード発振抑制方法としては、高次モードの実効的な反射率を相対的に下げることができれば良く、実施例に示した方法以外であってもかまわない。
【００７４】
（第１０の実施例）
図１０は本発明の第１０の実施例の面発光レーザアレイ（面発光型半導体レーザアレイチップ）を示す図である。
【００７５】
この第１０の実施例の面発光レーザアレイは、第２の実施例の面発光レーザの８素子が１次元に並んで構成されている。これは２次元に集積させてもかまわない。第１０の実施例の面発光レーザアレイでは、上面にｐ側個別電極とｎ側共通電極が形成されている。
【００７６】
（第１１の実施例）
図１１は本発明の第１１の実施例の光送信モジュールの概要図である。この第１１の実施例の光送信モジュールは、第１０の実施例の面発光レーザアレイ（面発光型半導体レーザアレイチップ）とシリカファイバーとを組み合わせたものとなっている。この第１１の実施例では、面発光レーザからのレーザ光が光ファイバーに入力され、伝送される。シングルモードファイバーを用いている。同時により多くのデータを伝送するために複数の半導体レーザが集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。この第１１の実施例では、シングルモード高出力面発光レーザを用いているので、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
【００７７】
この第１１の実施例では、面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）と光ファイバーとを１対１に対応させたが、発振波長の異なる複数の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を１次元または２次元にアレイ状に配置して波長多重送信することにより、伝送速度を更に増大することが可能となる。
【００７８】
（第１２の実施例）
図１２は本発明の第１２の実施例の光送受信モジュールの概要図である。この第１２の実施例の光送受信モジュールは、第２の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）と、受信用フォトダイオードと、安価なフッ素系ＰＯＦ（プラスチックオプティカルファイバー）とを組み合わせたものとなっている。
【００７９】
本発明による面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を光通信システムに用いる場合、面発光レーザとＰＯＦは低コストであるので、図１２に示すように、送信用の面発光レーザと、受信用フォトダイオードと、ＰＯＦとを組み合わせた光送受信モジュールを用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、ＰＯＦはファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、本発明の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）の場合、抵抗が小さく発熱が小さいので高温まで高出力が得られ、温度特性が良いこと、及び、低しきい値であることにより、冷却システムなしで使える、低コストのシステムを実現できる。
【００８０】
本発明に係る面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を用いた光通信システムとしては、光ファイバーを用いたＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらには、機器内のボード間データ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等、光インターコネクションとして特に短距離通信に用いることができる。
【００８１】
近年ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクトに変えると、例えばコンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると、超高速コンピュータシステムが可能となる。
【００８２】
また、複数のコンピュータシステム等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムが構築できる。特に、面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）は端面発光型レーザに比べて桁違いに低消費電力化でき２次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。
【００８３】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、活性層に選択的に電流を注入する電流注入部を形成するための電流狭窄部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間であって、電流注入部よりも狭い領域からなる基本横モード選択部の周囲に、高次モード発振抑制部が形成されているので（すなわち、モード選択手段と電流狭窄手段とを別々にし、抵抗増加の原因となる狭い電流注入部を広げた構造で基本横モードを選択的に発振させることができる構造としたので）、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、温度上昇を抑えられ、環境温度が高温であってもシングルモード高出力を得ることができる。
【００８４】
また、請求項２記載の発明によれば、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、電流注入部よりも狭い領域の共振器長がＮλ／２ｎ（Ｎ：整数、λ：発振波長、ｎ：媒体内の実効屈折率）の厚さになっていて、共振器長がＮλ／２ｎの厚さとなっている領域の周囲に他の厚さの共振器長の領域が形成されているので（すなわち、基本横モードのみ発振条件を満たす大きさの領域（基本横モード選択部）だけ共振器長をＮλ／２ｎの厚さとしたので）、広い面積が必要な高次モードにおいては反射率が低くなり発振条件を満たさなくなり、これによって、基本モードのみ選択的に発振させることができる。さらに電流狭窄手段は別に設け、電流注入部の大きさを基本モード選択部より広くした構造としたので、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、抵抗が低減し温度上昇を抑えられ、高温環境下においてもシングルモード高出力を得ることができる。
【００８５】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の面発光レーザにおいて、共振器長がＮλ／２ｎの厚さとなっている領域の周囲の共振器長は、Ｎλ／２ｎ＋λ／４ｎの厚さとなっており、この場合、共振器長がＮλ／２ｎの厚さ以外では設計波長λに対して反射率が低くなるが、Ｎλ／２ｎ＋λ／４ｎの厚さのときに反射率が最も低くなるので、高次モード発振抑制効果が高くなる。
【００８６】
また、請求項４記載の発明によれば、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間に、電流注入部よりも狭い領域であって、発振方向に垂直な方向における屈折率が周囲よりも高い光ガイド部が形成されているので（すなわち、活性領域と一方の反射鏡との間に、発振方向に垂直な方向における屈折率が周囲より高く、電流注入部より狭くて基本モードのみが相対的に損失を受けない大きさとした光ガイド部を設けて光を閉じ込めたので）、広い電流注入部を有する構造でも基本モードを選択的に発振させることができ、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、温度上昇を抑えられ、環境温度が高温においても高出力を得ることができる。
【００８７】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の面発光レーザにおいて、前記一方の反射鏡は、誘電体からなり、前記光ガイド部は、半導体層で形成され、誘電体からなる反射鏡に埋め込まれた構成となっているので（すなわち、屈折率の高い半導体をメサ形状として光ガイド部とし、その周囲を屈折率の低い誘電体で埋め込んだので）、半導体と誘電体とでは屈折率差が大きいことにより、光閉じ込め効果を高めることができる。
【００８８】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項４記載の面発光レーザにおいて、発振方向に垂直な方向における光ガイド部の周囲は空気からなるので（すなわち、半導体または誘電体をメサ形状として光ガイド部とし、その周囲を屈折率の低い空気としたので）、半導体と空気、または誘電体と空気は屈折率差が大きいことにより、光閉じ込め効果を高めることができる。
【００８９】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、少なくともｐ側のオーミック電極は、共振器内部に形成されているので、ｐ−ＤＢＲを電流経路とする必要がなくなり、ドープされたｐ−ＤＢＲによる正孔の自由キャリア吸収および価電子帯間吸収による光学的特性劣化の問題を避けることができ、低しきい値動作をし、シングルモード高出力が得られる。
【００９０】
また、請求項８記載の発明によれば、少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造と、電流狭窄部により活性層に電流を選択的に注入する電流注入部とを有する面発光レーザにおいて、活性領域と上部反射鏡および下部反射鏡のうちの一方の反射鏡との間に、金属アパーチャーが形成され、電流注入部よりも金属アパーチャーが狭いものとなっており、基本横モードのみ導波できる大きさの金属アパーチャーにより高次モードがカットされるので、基本横モードのみ選択的に発振させることができる。また、電流注入部の大きさを基本モード選択部より広くした構造としたので、モード選択手段と電流狭窄手段を兼ねた従来構造の素子に比べて、抵抗が低減し温度上昇を抑えられ、高温環境下においてもシングルモード高出力が得られる。また、金属アパーチャーはオーミック電極を兼ねることができ、より内部にコンタクトした構造なので電流経路を短くでき、抵抗を更に低減できる。
【００９１】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザによって構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイであり、本発明の面発光レーザは発熱が改善されているので、アレイとした場合、他の素子で発生した熱による特性劣化（しきい値上昇，出力低下など）が低減し、高性能の面発光レーザアレイを実現できる。さらに他の素子への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。また、複数の素子をアレイにすることで、同時により多くのデータを伝送することが可能となる。
【００９２】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項９記載の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴とする光送信モジュールであり、本発明の面発光レーザは、上述したようにシングルモード高出力が得られる素子であるので、Ｓ／Ｎが大きく取れ、シングルモードファイバーと組み合わせることで、高速データ伝送が可能となる。また、抵抗が低減され高温まで高性能を維持できるので、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【００９３】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項９記載の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴とする光送受信モジュールであり、本発明の面発光レーザは、上述したようにシングルモード高出力が得られる素子であるので、Ｓ／Ｎが大きく取れ、シングルモードファイバーと組み合わせることで、高速データ伝送が可能となる。また、抵抗が低減され高温まで高性能を維持できるので、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【００９４】
また、請求項１２記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項９記載の面発光レーザアレイを光源として用いたことを特徴とする光通信システムであり、本発明の面発光レーザは、上述したようにシングルモード高出力が得られる素子であるので、Ｓ／Ｎが大きく取れ、シングルモードファイバーと組み合わせることで、高速データ伝送が可能となる。また、抵抗が低減され高温まで高性能を維持できるので、冷却素子が不要な低コストな光ファイバー通信システム，光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図６】本発明の第６の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図７】本発明の第７の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図８】本発明の第８の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図９】本発明の第９の実施例の面発光レーザ（面発光型半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１０】本発明の第１０の実施例の面発光レーザアレイ（面発光型半導体レーザアレイチップ）を示す図である。
【図１１】本発明の第１１の実施例の光送信モジュールの概要図である。
【図１２】本発明の第１２の実施例の光送受信モジュールの概要図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting laser, a surface emitting laser array, an optical transmitting module, an optical transmitting and receiving module, and an optical communication system.
[0002]
[Prior art]
A surface-emitting type semiconductor laser (surface-emitting laser) emits light in a direction perpendicular to a substrate, and has higher performance than an edge-emitting type and does not require a cooling element or the like. A system using a surface emitting laser is extremely low-cost, and is used in consumer applications such as a light source for an optical interconnection and a light source for an optical pickup.
[0003]
A surface-emitting type semiconductor laser has a structure in which an active region including an active layer for generating laser light is sandwiched between reflectors. As the reflecting mirror, a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately stacked is widely used. As the material of the semiconductor distributed Bragg reflector, a material that does not absorb the light generated from the active layer (generally, a material having a wider band gap than the active layer) and is lattice-matched to the substrate to prevent lattice relaxation from being used is used. Can be
[0004]
By the way, the reflectivity of the reflecting mirror needs to be extremely high at 99% or more. The reflectivity is increased by increasing the number of layers. However, when the number of layers increases, it becomes difficult to manufacture a surface-emitting type semiconductor laser. Therefore, it is preferable that the refractive index difference between the low refractive index layer and the high refractive index layer is large. AlGaAs-based materials are often used because AlAs and GaAs are terminating substances, and the lattice constant is almost the same as that of GaAs as the substrate, the refractive index difference is large, and high reflectance can be obtained with a small number of stacked layers. Have been.
[0005]
In order to lower the threshold voltage, a current narrowing structure is used in the p-side region. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-240506 discloses a structure using a resonator using a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlAs / GaAs and a current narrowing structure in which a high resistance layer is formed by ion implantation. Japanese Patent No. 2917971 discloses a surface using a resonator using a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlGaAs / GaAs and a current narrowing structure using an oxide film obtained by selectively oxidizing a part of Al (Ga) As. A light emitting laser is shown. Here, oxidation by steam supply at a high temperature is used for the oxidation. The oxidation by steam supply at high temperature x O y In addition, the distance between the active layer and the narrow layer can be strictly controlled by crystal growth, the current path can be extremely narrow, and the refractive index decreases due to oxidation, resulting in lateral optical confinement. Since it is effective, it is suitable for reducing the reactive current and the active region, and is suitable for reducing the power consumption. A VCSEL having a multimode operation of 0.85 μm band having such a configuration is used for short-distance optical transmission.
[0006]
By the way, in order to realize a low-cost and high-speed optical communication system, a VCSEL that has a long wavelength such as a 1.3 μm band with a small transmission loss in an optical fiber and operates in a single mode and high output is required. In order to realize a single mode operation in a VCSEL, the VCSEL is generally realized by making the diameter of the oxidized constriction extremely narrow so as to confine only the fundamental transverse mode (5 to 6 μm or less in the 1.3 μm band). However, as the diameter of the oxide constriction becomes narrower, the resistance rises, the driving voltage becomes higher, the device characteristics deteriorate due to heat generation, and the active region into which the current is injected becomes narrower. There's a problem.
[0007]
Further, in the case of a p-type semiconductor material, the influence of a potential barrier generated at a hetero interface between two kinds of semiconductor layers having different forbidden band widths is large, and the resistance of a p-type semiconductor distributed Bragg reflector (p-DBR) tends to be high. It is necessary to dope to a certain high concentration in order to lower the concentration. However, in the longer wavelength band than in the 0.85 μm band, the free carrier absorption of holes and the inter-valence band absorption by the doped p-DBR become remarkable, and there is a problem that optical characteristics are deteriorated. For these reasons, a tunnel junction structure (KD Choquette et al., Electron. Lett., Vol. 36, No. 16, pp. 1383-1390, 2000) that does not allow electricity to flow through the p-DBR, an intracavity. VCSELs having a contact structure (G. Steinle et al., Electron. Lett., Vol. 37, No. 2, pp. 93-95, 2001) are being studied. However, these are configurations in which the current path is narrowed by the selective oxidation layer to selectively oscillate the fundamental mode, and there are problems that the resistance increases and high output cannot be obtained. Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-243257 discloses a method of confining current by ion implantation without using selective oxidation for current confinement and light confinement, and an intratrade including an optical guide structure between one reflector and the active region. Cavity structures have also been proposed. However, the purpose is to improve the reproducibility of manufacturing, and the design is not intended to reduce the resistance or increase the single-mode high output.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a surface emitting laser, a surface emitting laser array, an optical transmitting module, an optical transmitting and receiving module, and an optical communication system capable of obtaining a single mode high output.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 provides a resonator structure including an active region including at least one active layer, and an upper reflector and a lower reflector provided above and below the active layer. And a current confining portion for forming a current injection portion for selectively injecting current into the active layer, wherein the active region is connected to one of the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror. A high-order mode oscillation suppressing section is formed around the basic transverse mode selecting section, which is between the current injection sections and is narrower than the current injection section.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an active region including at least one active layer, a resonator structure including an upper reflector and a lower reflector provided above and below the active layer, and a current confinement portion. In a surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting current into the active layer, the cavity length of a region narrower than the current injection portion is Nλ / 2n (N: integer, λ: oscillation wavelength, n: medium (Effective refractive index), and a region having a cavity length of another thickness is formed around a region where the cavity length is Nλ / 2n. .
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the second aspect, the resonator length around the region where the resonator length is Nλ / 2n is Nλ / 2n + λ / 4n. It is characterized by becoming.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an active region including at least one active layer, a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active layer, and a current confining portion. In a surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting current into an active layer, a region narrower than the current injection portion between the active region and one of the upper reflector and the lower reflector. Wherein an optical guide portion having a higher refractive index in a direction perpendicular to the oscillation direction than the surroundings is formed.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the fourth aspect, the one reflecting mirror is made of a dielectric, and the light guide portion is formed of a semiconductor layer, and the reflecting mirror is made of a dielectric. It is characterized in that it is embedded in the device.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the fourth aspect, the periphery of the light guide section in a direction perpendicular to the oscillation direction is made of air.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to any one of the first to sixth aspects, at least the p-side ohmic electrode is formed inside the resonator. I have.
[0016]
The invention according to claim 8 provides an active region including at least one active layer, a resonator structure including upper and lower reflectors provided above and below the active layer, and a current confinement portion. In a surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting current into an active layer, a metal aperture is formed between an active region and one of an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror. It is characterized in that the metal aperture is narrower than the injection part.
[0017]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a surface emitting laser array including the surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects.
[0018]
According to a tenth aspect of the present invention, the surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects or the surface emitting laser array according to the ninth aspect is used as a light source. An optical transmission module.
[0019]
According to an eleventh aspect of the present invention, a surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects or the surface emitting laser array according to the ninth aspect is used as a light source. It is an optical transceiver module.
[0020]
According to a twelfth aspect of the present invention, the surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects or the surface emitting laser array according to the ninth aspect is used as a light source. It is an optical communication system.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0022]
(1st Embodiment)
The surface emitting laser according to the first embodiment of the present invention has an active region including at least one active layer, a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided on upper and lower portions of the active layer, In a surface emitting laser having a current confinement portion for forming a current injection portion for selectively injecting a current into an active layer, a current confining portion is formed between an active region and one of an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror. In addition, a high-order mode oscillation suppressing section is formed around a basic transverse mode selecting section formed of a smaller area than the current injection section.
[0023]
In the surface emitting laser according to the first embodiment, the mode selection means and the current confinement means are separated from each other, and the fundamental transverse mode can be selectively oscillated by a structure in which a narrow current injection portion which causes an increase in resistance is widened. With this structure, a rise in temperature can be suppressed, and a single-mode high output can be obtained even when the ambient temperature is high, as compared with an element having a conventional structure that also serves as a mode selection unit and a current confinement unit. The high-order mode oscillation suppressing unit is a region having a structure for relatively lowering the effective reflectivity of the high-order mode, and various methods can be used.
[0024]
(Second embodiment)
A surface emitting laser according to a second embodiment of the present invention includes an active region including at least one active layer, a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active layer, In a surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting a current into an active layer by a current constriction portion, the cavity length of a region narrower than the current injection portion is Nλ / 2n (N: integer, λ: oscillation wavelength, n: effective refractive index in the medium), and a region having a cavity length of another thickness is formed around a region where the cavity length is Nλ / 2n. It is characterized by.
[0025]
In the second embodiment, the resonator length is set to a thickness of Nλ / 2n only in a region (basic transverse mode selection unit) having a size that satisfies the oscillation condition only in the fundamental transverse mode. In this case, the reflectance becomes lower with respect to the design wavelength λ. In order to satisfy the oscillation condition in the higher-order mode, a thickness of Nλ / 2n is required in a wider area than the fundamental transverse mode selection section. In other words, in a high-order mode requiring a large area, the reflectance becomes low and the oscillation condition is not satisfied, so that only the fundamental mode can be selectively oscillated. In addition, a current confinement means is provided separately, and the size of the current injection part is made wider than that of the basic mode selection part. Therefore, the resistance is reduced as compared with the element of the conventional structure which also serves as the mode selection means and the current confinement means. In addition, the temperature rise can be suppressed, and a single mode high output can be obtained even in a high temperature environment.
[0026]
(Third embodiment)
The surface emitting laser according to the third embodiment of the present invention is the same as the second embodiment, except that the resonator length is Nλ / 2n thick (basic transverse mode selection section) surrounding (higher mode oscillation suppression). ) Is characterized in that the resonator length of the portion (a) has a thickness of Nλ / 2n + λ / 4n.
[0027]
When the resonator length is other than the thickness of Nλ / 2n, the reflectance is low with respect to the design wavelength λ. However, when the thickness is Nλ / 2n + λ / 4n, the reflectance becomes lowest, so that the higher-order mode oscillation suppressing effect is obtained. Will be higher.
[0028]
(Fourth embodiment)
A surface emitting laser according to a fourth embodiment of the present invention includes: an active region including at least one active layer; a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active layer; In a surface emitting laser having a current injection part for selectively injecting a current into an active layer by a current confinement part, a current injection part is provided between an active region and one of an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror. A light guide portion having a smaller area than the surrounding area and having a higher refractive index in a direction perpendicular to the oscillation direction is formed.
[0029]
As a method of separating the mode selection means and the current confinement means, a light guide section which is narrower than the current injection section and has a higher refractive index in the direction perpendicular to the oscillation direction than the surroundings is provided between the active region and one of the reflecting mirrors. (Basic transverse mode selection unit). In this structure, light is confined in the light guide portion which has a size in which only the fundamental mode is relatively insensitive to loss, so that the fundamental mode is selectively oscillated by a structure in which a narrow current injection portion which causes an increase in resistance is widened. As a result, the temperature rise can be suppressed, and a high output can be obtained even when the ambient temperature is high, as compared with a device having a conventional structure that also serves as a mode selecting means and a current confining means.
[0030]
(Fifth embodiment)
The surface emitting laser according to the fifth embodiment of the present invention is different from the fourth embodiment in that one of the reflecting mirrors is made of a dielectric, and the light guide is formed of a semiconductor layer and has a mesa shape. It is characterized in that it is embedded in a reflector made of a body.
[0031]
As a means for forming the light guide section, a semiconductor having a high refractive index is formed into a mesa shape to be a light guide section (basic transverse mode selection section), and the periphery thereof (higher mode oscillation suppression section) is embedded with a dielectric having a low refractive index. It can be realized by. Since the refractive index difference between the semiconductor and the dielectric is large, the light confinement effect is high.
[0032]
(Sixth embodiment)
The surface emitting laser according to the sixth embodiment of the present invention is characterized in that, in the fourth embodiment, the periphery of the light guide in a direction perpendicular to the oscillation direction is made of air.
[0033]
As a means for forming the light guide section, a semiconductor or a dielectric is formed into a mesa shape to form an optical guide section (basic transverse mode selection section), and the surrounding area (higher mode oscillation suppression section) is made of air having a low refractive index. Can be realized. This can be realized by separately forming a dielectric reflecting mirror portion and attaching it to the light guide portion. Although the low refractive index portion is air, the low refractive index portion may be nitrogen, vacuum, or the like.
[0034]
(Seventh embodiment)
The surface emitting laser according to the seventh embodiment of the present invention is characterized in that, in any one of the first to sixth embodiments, at least the p-side ohmic electrode is formed inside the resonator.
[0035]
In the present invention, it is not necessary to use the p-DBR as a current path, and it is possible to avoid the problem of optical characteristic deterioration due to free carrier absorption of holes and absorption between valence bands due to the doped p-DBR. Threshold operation is performed, and a single mode high output is obtained.
[0036]
(Eighth embodiment)
A surface emitting laser according to an eighth embodiment of the present invention includes: an active region including at least one active layer; a resonator structure including an upper reflector and a lower reflector provided above and below the active layer; In a surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting a current into an active layer by a current confinement portion, a metal aperture is provided between the active region and one of an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror. It is characterized in that the metal aperture is narrower than the current injection part.
[0037]
Here, the metal aperture is composed of a metal-free part on the inside (basic transverse mode selection unit) and a metal-free part on the outside (higher-order mode oscillation suppression unit). Can be guided. Since the higher-order mode is cut by the metal aperture having a size capable of guiding only the fundamental transverse mode, only the fundamental transverse mode can be selectively oscillated. The structure of the current injection section is wider than that of the basic mode selection section, so that the resistance is reduced, the temperature rise is suppressed, and the temperature rise is reduced as compared with the element of the conventional structure that combines the mode selection means and the current confinement means. A single mode high output can be obtained even below. Further, the metal aperture can also serve as an ohmic electrode, and has a structure in which the metal aperture is in contact with the inside, so that the current path can be shortened and the resistance can be further reduced.
[0038]
(Ninth embodiment)
The surface emitting laser array according to the ninth embodiment of the present invention is characterized by being constituted by the surface emitting laser according to any one of the first to eighth embodiments.
[0039]
In the surface emitting laser of the present invention, the resistance is reduced and the heat generation is improved. Therefore, when the surface emitting laser array is used, the characteristic deterioration (threshold increase, Output reduction) can be reduced, and a high performance surface emitting laser array can be realized. Further, since the influence of heat on other elements (surface emitting lasers) can be reduced, there is an advantage that the distance between the elements can be reduced. Further, by forming a plurality of elements (surface emitting lasers) in an array, it is possible to transmit more data at the same time.
[0040]
(Tenth embodiment)
An optical transmitter module according to a tenth embodiment of the present invention uses the surface emitting laser according to any one of the first to eighth embodiments or the surface emitting laser array according to the ninth embodiment as a light source. And
[0041]
Since the surface emitting laser of the present invention is an element capable of obtaining a single-mode high output as described above, a large S / N can be obtained, and high-speed data transmission becomes possible by combining with a single-mode fiber. Further, since the resistance is reduced and the high performance can be maintained up to a high temperature, a low-cost optical transmission module which does not require a cooling element can be realized.
[0042]
(Eleventh embodiment)
An optical transceiver module according to an eleventh embodiment of the present invention uses the surface emitting laser according to any one of the first to eighth embodiments or the surface emitting laser array according to the ninth embodiment as a light source. And
[0043]
Since the surface emitting laser of the present invention is an element capable of obtaining a single-mode high output as described above, a large S / N can be obtained, and high-speed data transmission becomes possible by combining with a single-mode fiber. Further, since the resistance is reduced and the high performance can be maintained up to a high temperature, a low-cost optical transceiver module that does not require a cooling element can be realized.
[0044]
(Twelfth embodiment)
An optical communication system according to a twelfth embodiment of the present invention uses the surface emitting laser according to any one of the first to eighth embodiments or the surface emitting laser array according to the ninth embodiment as a light source. And
[0045]
Since the surface emitting laser of the present invention is an element capable of obtaining a single-mode high output as described above, a large S / N can be obtained, and high-speed data transmission becomes possible by combining with a single-mode fiber. Further, since the resistance is reduced and the high performance can be maintained up to a high temperature, a low-cost optical communication system such as an optical fiber communication system or an optical interconnection system that does not require a cooling element can be realized.
[0046]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0047]
(First embodiment)
FIG. 1 is a view showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a first embodiment of the present invention.
[0048]
As shown in FIG. 1, the surface-emitting type semiconductor laser device of the first embodiment has a thickness of １ ／ times the oscillation wavelength in each medium on an n-GaAs substrate having a (100) plane orientation. And n-Al x Ga 1-x An n-semiconductor distributed Bragg reflector (lower semiconductor distributed Bragg reflector: also simply referred to as a lower reflector) having a periodic structure in which As (x = 1.0) and n-GaAs are alternately stacked for 35 periods is formed. I have.
[0049]
Then, a lower GaAs spacer (cladding) layer and three Ga layers are formed thereon. x In 1-x N y As 1-y (X, y) A multiple quantum well active layer composed of a well layer and a GaAs barrier layer, and an upper GaAs spacer (cladding) layer are formed. At the position of the node of the standing wave in the upper GaAs spacer layer, a p-AlAs selectively oxidized layer (thickness: 20 nm) is formed. The thickness of the multiple quantum well active layer and the spacer (cladding) layer is Nλ / 2n (N: integer, λ: oscillation wavelength, n: effective refractive index in the medium). In the first embodiment, N is 6.
[0050]
Further thereon, a GaInP etching stop layer and a p-GaAs contact layer are formed, and a part thereof is etched away by a diameter of 5 μm, and only this region forms a fundamental mode selecting portion satisfying a resonance condition. . Here, in the etching, the p-GaAs contact layer is selectively etched (with respect to the P-based material) with a sulfuric acid-based etchant, and then the GaInP etching stop layer is changed with the hydrochloric acid-based etchant (to the As-based material). (In contrast). A ring-shaped p-side electrode is formed on the remaining p-GaAs contact layer. Note that the total of the GaInP etching stop layer and the p-GaAs contact layer has a thickness of λ / 4n, and the resonator length has a thickness of Nλ / 2n + λ / 4n. A next mode oscillation suppressing section is formed.
[0051]
Further on this, CaF 2 And a-Si are alternately stacked with a thickness of 1/4 times the oscillation wavelength in each medium, for example, an upper reflecting mirror (dielectric reflecting mirror) having eight periods is formed. . CaF is used as a dielectric reflecting mirror. 2 / A-Si, besides SiO 2 / TiO 2 , SiO 2 / AlO 3 , MgF / ZnSe, etc., can also be used.
[0052]
In the surface emitting laser according to the first embodiment, the In composition x of the well layer in the active layer was 37%, and the nitrogen composition was 0.5%. The thickness of the well layer was 7 nm. The well layer had a compressive strain (high strain) of about 2.5% with respect to the GaAs substrate. The raw materials of the GaInNAs active layer by MOCVD include TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium), AsH 3 (Arsine), and DMHy (dimethylhydrazine) was used as a nitrogen source. Further, the carrier gas contains H 2 Was used. Since DMHy decomposes at low temperature, it is suitable for low-temperature growth at a temperature of 600 ° C. or lower, and is a preferable raw material particularly when growing a quantum well layer having a large strain that requires low-temperature growth. When the strain is large as in the active layer of the GaInNAs surface-emitting type semiconductor laser device of the first embodiment, it is preferable to perform non-equilibrium low-temperature growth. In this first example, the GaInNAs layer was grown at 540 ° C.
[0053]
In the first embodiment, a mesa of a predetermined size is formed by exposing at least the side surface of the p-AlAs layer to be selectively oxidized, and the AlAs which has appeared on the side surface is oxidized from the side surface with water vapor to form an AlAs. x O y A current narrowing portion was formed. The non-oxidized current injection region had a diameter of 10 μm, which was wider than the fundamental mode selection portion. Further, an n-side electrode was formed on the back surface of the GaAs substrate.
[0054]
In the first embodiment, the oscillation wavelength λ of the manufactured surface-emitting type semiconductor laser device was about 1.3 μm. Also, since GaInNAs was used for the active layer, a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device could be formed on the GaAs substrate. Further, since the resonator length Nλ / 2n satisfying the resonance condition was satisfied for the wavelength λ at which a high gain of the active layer was obtained only in a narrow region where only the fundamental transverse mode could exist, the fundamental transverse mode oscillation was obtained. Conventionally, in an element having an oxide confinement structure, the oscillation confinement diameter was reduced to about 5 to 6 μm in order to cause fundamental transverse mode oscillation. However, in the first embodiment, the oxidation confinement diameter was increased to 10 μm. The resistance could be reduced to less than half and the heat generation could be suppressed. Further, the p-DBR was not used as a current path, and optical loss due to free carrier absorption of holes and absorption between valence bands due to the doped p-DBR could be avoided. Therefore, a low-threshold operation was performed, and a single-mode high output in the basic lateral mode was obtained.
[0055]
Although the current confinement structure is formed by selective oxidation in the first embodiment, the current confinement structure may not be a structure for confining light, but may be formed by increasing the resistance by ion implantation of protons or the like. Although GaAs is used for the cladding layer, a material having a band gap larger than that of GaAs, such as AlGaAs, may be used for all or part of the material. Further, the shapes of the mesa, the p-side electrode (upper electrode), and the current injection region are circular, but may be rectangular.
[0056]
(Second embodiment)
FIG. 2 is a view showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a second embodiment of the present invention.
[0057]
The surface emitting laser according to the second embodiment is different from the surface emitting laser according to the first embodiment in that an n-side electrode is also formed in a resonator, similarly to the p-side electrode according to the first embodiment. It is. In the second embodiment, the structure is such that current does not flow through the lower reflector (n-DBR). Therefore, doping for lowering the resistance is not required, and the n-DBR is undoped. A layer was provided between the n-DBR and the active layer. For this reason, the absorption by the lower reflector was reduced, the threshold value was lowered, and the output was improved. In the second embodiment, it is necessary to expose a contact layer on the surface in order to form an n-side electrode. This was controlled by providing a GaInP etching stop layer above the n-GaAs contact layer.
[0058]
(Third embodiment)
FIG. 3 is a view showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a third embodiment of the present invention.
[0059]
The main difference between the surface emitting laser according to the third embodiment and the surface emitting laser according to the first embodiment is that a semiconductor recess is formed as a fundamental mode selector, and the cavity length is Nλ / 2n. The structure is not a structure, but a protrusion (mesa), and the resonator length is Nλ / 2n. Specifically, a GaInP light guide layer was grown on the p-GaAs contact layer, and was formed by selectively etching away portions other than the fundamental mode selection portion having a diameter of 5 μm. The dielectric material serving as the upper reflecting mirror embeds the semiconductor convex part, and the semiconductor that is the convex part has a higher refractive index than the surrounding dielectric substance, so that light is confined in the convex part. This effect further reduced the threshold current. Since the p-GaAs contact layer is also present in the resonator, it is preferable to design the thickness so as to be at the position of the node of the standing wave in order to reduce absorption. Further, although GaInP is used as the light guide layer, another material such as GaAs may be used, or a plurality of layers may be used.
[0060]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a view showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a fourth embodiment of the present invention.
[0061]
The main difference between the surface emitting laser of the fourth embodiment and the surface emitting laser of the third embodiment is that, like the structure of the second embodiment, the n-side electrode (lower electrode) is also provided in the resonator. It is formed. In the fourth embodiment, the structure is such that current does not flow through the lower reflector (n-DBR). Therefore, doping for lowering the resistance is not necessary. The n-DBR is undoped, and instead, n-GaAs is used. A contact layer was provided between the n-DBR and the active layer. For this reason, the absorption by the lower reflector was reduced, the threshold value was lowered, and the output was improved. In the fourth embodiment, it is necessary to expose a contact layer on the surface in order to form an n-side electrode. This was controlled by providing a GaInP etching stop layer above the n-GaAs contact layer.
[0062]
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to a fifth embodiment of the present invention.
[0063]
The main difference between the surface emitting laser of the fifth embodiment and the surface emitting laser of the third embodiment is that the light guide layer is not a structure in which the dielectric material as the upper reflector is embedded, but the surroundings are air. That is. In the fifth embodiment, since the refractive index of the semiconductor as the convex portion is higher than that of the surrounding air, light is confined in the convex portion. Due to this effect, the threshold current was further reduced.
[0064]
In the element (surface emitting laser) of the fifth embodiment, a space is provided between the light guide layer and the p-side electrode, an upper reflector is separately formed, and the upper reflector is bonded to the light guide layer. Formed.
[0065]
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a view showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to a sixth embodiment of the present invention.
[0066]
The main difference between the surface emitting laser according to the sixth embodiment and the surface emitting laser according to the fifth embodiment is that, in the surface emitting laser according to the sixth embodiment, as in the structure according to the second embodiment, n The side electrode (lower electrode) is also formed in the resonator. The surface emitting laser according to the sixth embodiment has a structure in which no current flows through the lower reflecting mirror (n-DBR). Therefore, doping for lowering the resistance is not required, and the n-DBR is undoped. An n-GaAs contact layer was provided between the n-DBR and the active layer. For this reason, the absorption by the lower reflector was reduced, the threshold value was lowered, and the output was improved. In the surface emitting laser of the sixth embodiment, it is necessary to expose a contact layer on the surface in order to form an n-side electrode. This was controlled by providing a GaInP etching stop layer above the n-GaAs contact layer. .
[0067]
(Seventh embodiment)
FIG. 7 is a view showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a seventh embodiment of the present invention.
[0068]
The main difference between the surface emitting laser of the seventh embodiment and the surface emitting laser of the first embodiment is that a metal part is formed as a high-order mode oscillation suppressing portion so as to block high-order mode light. It is a point. In the surface emitting laser according to the seventh embodiment, the contact layer of the fundamental mode selection portion is removed by etching so that the contact layer having a high concentration for making ohmic contact is not located at the antinode. The thickness of the resonator portion including the cladding layer was set to Nλ / 2n. Since the metal part also serves as the p-side electrode and is partially formed inside the current constriction part (current injection part side), the resistance is further reduced.
[0069]
(Eighth embodiment)
FIG. 8 is a view showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to an eighth embodiment of the present invention.
[0070]
The main difference between the surface emitting laser of the eighth embodiment and the surface emitting laser of the seventh embodiment is a method of preventing the contact layer from being located at the antinode of the standing wave. In the surface emitting laser according to the eighth embodiment, the fundamental mode selector is formed with the GaInP light guide layer in a mesa shape, and a metal portion is formed around the fundamental mode selector as a higher mode oscillation suppressor. The resonator portion including the active layer, the cladding layer, and the light guide layer had a thickness of Nλ / 2n. The contact layer was located at the node. Since the metal part also serves as the p-side electrode and is partially formed inside the current constriction part (current injection part side), the resistance is further reduced.
[0071]
(Ninth embodiment)
FIG. 9 is a view showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to a ninth embodiment of the present invention.
[0072]
The difference between the surface emitting laser of the ninth embodiment and the surface emitting laser of the seventh embodiment is that, in the surface emitting laser of the ninth embodiment, similarly to the p-side electrode of the seventh embodiment, the n-side The electrodes are also formed in the resonator. The surface emitting laser according to the ninth embodiment has a structure in which no current flows through the lower reflecting mirror (n-DBR). Therefore, doping for lowering the resistance is not necessary, and the n-DBR is undoped. An n-GaAs contact layer was provided between the n-DBR and the active layer. For this reason, the absorption by the lower reflector was reduced, the threshold value was lowered, and the output was improved. In the surface emitting laser according to the ninth embodiment, it is necessary to expose a contact layer on the surface in order to form an n-side electrode. This was controlled by providing a GaInP etching stop layer above the n-GaAs contact layer. .
[0073]
As a method of suppressing higher-order mode oscillation, any method can be used as long as the effective reflectivity of the higher-order mode can be relatively reduced, and a method other than the method described in the embodiment may be used.
[0074]
(Tenth embodiment)
FIG. 10 is a view showing a surface emitting laser array (surface emitting semiconductor laser array chip) according to a tenth embodiment of the present invention.
[0075]
The surface emitting laser array according to the tenth embodiment includes eight elements of the surface emitting laser according to the second embodiment arranged one-dimensionally. This may be integrated in two dimensions. In the surface emitting laser array of the tenth embodiment, a p-side individual electrode and an n-side common electrode are formed on the upper surface.
[0076]
(Eleventh embodiment)
FIG. 11 is a schematic diagram of an optical transmission module according to an eleventh embodiment of the present invention. The optical transmission module of the eleventh embodiment is a combination of the surface emitting laser array (surface emitting semiconductor laser array chip) of the tenth embodiment and silica fibers. In the eleventh embodiment, laser light from a surface emitting laser is input to an optical fiber and transmitted. Single mode fiber is used. In order to simultaneously transmit more data, parallel transmission using a laser array in which a plurality of semiconductor lasers are integrated has been attempted. In the eleventh embodiment, since a single-mode high-output surface-emitting laser is used, high-speed parallel transmission is possible, and more data can be transmitted simultaneously than in the past.
[0077]
In the eleventh embodiment, the surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) and the optical fiber are in one-to-one correspondence, but a plurality of surface emitting lasers (surface emitting semiconductor laser device) having different oscillation wavelengths are used. By arranging one-dimensionally or two-dimensionally in an array and performing wavelength-division multiplexing transmission, the transmission speed can be further increased.
[0078]
(Twelfth embodiment)
FIG. 12 is a schematic diagram of an optical transceiver module according to a twelfth embodiment of the present invention. The optical transceiver module of the twelfth embodiment combines the surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) of the second embodiment, a receiving photodiode, and an inexpensive fluorine-based POF (plastic optical fiber). It has become.
[0079]
When the surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to the present invention is used in an optical communication system, the surface emitting laser and the POF are low in cost, and therefore, as shown in FIG. A low-cost optical communication system using an optical transceiver module in which a photodiode for use and a POF are combined can be realized. In addition, since the POF has a large fiber diameter and can be easily coupled with the fiber and can reduce the mounting cost, an extremely low-cost module can be realized. Further, in the case of the surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) of the present invention, since the resistance is small and the heat generation is small, a high output can be obtained up to a high temperature, the temperature characteristics are good, and the threshold value is low. A low-cost system that can be used without a cooling system can be realized.
[0080]
As an optical communication system using the surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser element) according to the present invention, transmission between devices such as a computer such as a LAN (Local Area Network) using an optical fiber, and furthermore, a board in the device It can be used particularly for short-distance communication as optical interconnection, such as data transmission between devices, between LSIs in a board, between elements in an LSI, and the like.
[0081]
In recent years, processing performance of LSIs and the like has been improved, but the transmission speed of a portion connecting these components will become a bottleneck in the future. When the signal connection in the system is changed from the conventional electrical connection to the optical interconnect, for example, between the boards of the computer system, between the LSIs in the board, between the elements in the LSI, etc., the optical transmission module and the optical transmission and reception module according to the present invention are used. When connected, an ultra-high-speed computer system becomes possible.
[0082]
When a plurality of computer systems are connected using the optical transmission module and the optical transmission / reception module according to the present invention, an ultra-high-speed network system can be constructed. In particular, a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) is suitable for a parallel transmission type optical communication system because power consumption can be reduced by orders of magnitude as compared with an edge emitting laser and a two-dimensional array can be easily formed.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, an active region including at least one active layer, and a resonator including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active layer. In a surface emitting laser having a structure and a current confinement portion for forming a current injection portion for selectively injecting a current into an active layer, an active region, one of an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror, And the higher-order mode oscillation suppressing portion is formed around the basic transverse mode selecting portion formed of a region smaller than the current injection portion (that is, the mode selecting means and the current confining means are separately provided). And a structure in which the fundamental transverse mode can be selectively oscillated by a structure in which a narrow current injection portion which causes an increase in resistance is widened), as compared with a device having a conventional structure which also serves as a mode selection means and a current confinement means. And warm It is suppressed to rise, even if an environmental temperature a high temperature can be obtained a single-mode high-power.
[0084]
According to the second aspect of the present invention, an active region including at least one active layer, a resonator structure including upper and lower reflectors provided above and below the active layer, and a current constriction In a surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting a current into an active layer by a portion, the cavity length of a region narrower than the current injection portion is Nλ / 2n (N: integer, λ: oscillation wavelength, n: (Effective refractive index in the medium), and a region having a cavity length of another thickness is formed around a region where the cavity length is Nλ / 2n (that is, the cavity length is Nλ / 2n). The resonator length is set to a thickness of Nλ / 2n only in a region (basic transverse mode selection section) having a size that satisfies the oscillation condition only in the fundamental transverse mode. Oscillation conditions are no longer met, Mode only can be selectively oscillated. Further, since the current confining means is provided separately and the size of the current injection part is made wider than that of the basic mode selecting part, the resistance is reduced and the temperature is reduced as compared with the element of the conventional structure which also serves as the mode selecting means and the current confining means. The rise can be suppressed and a single mode high output can be obtained even in a high temperature environment.
[0085]
According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the second aspect, the cavity length around the region where the cavity length is Nλ / 2n is Nλ / 2n + λ / 4n. In this case, the reflectance is low with respect to the design wavelength λ when the resonator length is other than the thickness of Nλ / 2n, but the reflectance is lowest when the thickness is Nλ / 2n + λ / 4n. Therefore, the higher-order mode oscillation suppressing effect is enhanced.
[0086]
According to the fourth aspect of the present invention, an active region including at least one active layer, a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active layer, and a current constriction is provided. A surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting current into the active layer by the portion, wherein the current injection portion is located between the active region and one of the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror. Since the light guide portion is formed in a narrow region and has a higher refractive index in the direction perpendicular to the oscillation direction than the surroundings (that is, the direction perpendicular to the oscillation direction is between the active region and one of the reflecting mirrors). Since the light confinement is provided by providing a light guide portion having a refractive index higher than that of the surroundings, being narrower than the current injection portion, and having a size in which only the fundamental mode is relatively insensitive to loss), even a structure having a wide current injection portion is fundamental. mode It can be selectively oscillated, than the device of the conventional structure which also serves as a mode selecting means and the current constricting section is suppressed temperature rise, can be environmental temperature to obtain a even higher output at high temperatures.
[0087]
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the fourth aspect, the one reflecting mirror is made of a dielectric, and the light guide portion is made of a semiconductor layer and made of a dielectric. Since the structure is embedded in the reflecting mirror (that is, the semiconductor having a high refractive index is formed into a mesa shape as the light guide portion, and the periphery thereof is embedded with a dielectric having a low refractive index), the semiconductor and the dielectric are not separated. Due to the large difference in the refractive index, the light confinement effect can be enhanced.
[0088]
According to the sixth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the fourth aspect, the periphery of the light guide portion in a direction perpendicular to the oscillation direction is made of air (ie, the semiconductor or the dielectric is formed into a mesa shape). Since the light guide section is formed and the surrounding area is made of air having a low refractive index), the semiconductor and air or the dielectric and air have a large difference in refractive index, so that the light confinement effect can be enhanced.
[0089]
According to a seventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to any one of the first to sixth aspects, at least the p-side ohmic electrode is formed inside the resonator. It is not necessary to use the p-DBR as a current path, and the problem of optical characteristic deterioration due to free carrier absorption of holes and absorption between valence bands due to the doped p-DBR can be avoided. Thus, a single mode high output is obtained.
[0090]
According to the present invention, an active region including at least one active layer, a resonator structure including an upper reflector and a lower reflector provided above and below the active layer, and a current constriction A surface emitting laser having a current injection portion for selectively injecting a current into the active layer by the portion, wherein a metal aperture is formed between the active region and one of the upper reflector and the lower reflector. Since the metal aperture is narrower than that of the current injection part and the higher order mode is cut by the metal aperture having a size capable of guiding only the fundamental transverse mode, only the fundamental transverse mode can be selectively oscillated. . In addition, since the size of the current injection section is made wider than that of the basic mode selection section, the resistance is reduced, the temperature rise is suppressed, and the temperature is increased as compared with the element of the conventional structure which also serves as the mode selection means and the current confinement means. Single mode high output can be obtained even under the environment. Further, the metal aperture can also serve as an ohmic electrode, and since it has a structure in which the metal aperture is in contact with the inside, the current path can be shortened, and the resistance can be further reduced.
[0091]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a surface emitting laser array comprising the surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects. Since surface-emitting lasers have improved heat generation, when they are used as an array, characteristic deterioration (threshold rise, output decrease, etc.) due to heat generated by other elements is reduced, realizing a high-performance surface-emitting laser array. it can. Further, since the influence of heat on other elements can be reduced, there is an advantage that the interval between the elements can be reduced. In addition, by forming a plurality of elements in an array, it is possible to transmit more data at the same time.
[0092]
According to a tenth aspect of the present invention, the surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects or the surface emitting laser array according to the ninth aspect is used as a light source. Since the surface emitting laser of the present invention is an element capable of obtaining a single-mode high output as described above, a large S / N can be obtained and high-speed data transmission can be achieved by combining with a single-mode fiber. Becomes possible. In addition, since the resistance is reduced and the high performance can be maintained up to a high temperature, a low-cost optical transmission module that does not require a cooling element can be realized.
[0093]
According to an eleventh aspect of the present invention, the surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects or the surface emitting laser array according to the ninth aspect is used as a light source. Since the surface emitting laser of the present invention is an element capable of obtaining a single mode high output as described above, a large S / N can be obtained and high speed data transmission can be achieved by combining with a single mode fiber. Becomes possible. In addition, since the resistance is reduced and the high performance can be maintained up to a high temperature, a low-cost optical transceiver module that does not require a cooling element can be realized.
[0094]
According to a twelfth aspect of the present invention, the surface emitting laser according to any one of the first to eighth aspects or the surface emitting laser array according to the ninth aspect is used as a light source. Since the surface emitting laser of the present invention is an element capable of obtaining a single-mode high output as described above, a large S / N can be obtained and high-speed data transmission can be achieved by combining with a single-mode fiber. Becomes possible. Further, since the resistance is reduced and the high performance can be maintained up to a high temperature, an optical communication system such as an optical fiber communication system or an optical interconnection system which does not require a cooling element can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view showing a surface emitting laser (a surface emitting semiconductor laser device) according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a surface emitting laser (surface emitting semiconductor laser device) according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a surface emitting laser array (surface emitting semiconductor laser array chip) according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram of an optical transmission module according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram of an optical transceiver module according to a twelfth embodiment of the present invention.
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