JP2004079896A

JP2004079896A - 面発光レーザ装置

Info

Publication number: JP2004079896A
Application number: JP2002240669A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Isogai; 磯貝　和範
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】光通信等への応用が可能なだけの出力を有する長波長帯面発光レーザ装置を提供する。
【解決手段】面発光レーザ装置は、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１の上に円柱状の１．３μｍ帯共振器４２を設けた構成を採る。０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１は、非酸化ｐ型クラッド層４と非酸化多層反射膜６及び酸化多層膜５で構成され、平面的に見た面積が１．３μｍ帯共振器４２よりも小さい光導波路を有しているので、波長０．９８μｍのレーザ光の回折損失を小さくできる。また、誘電体多層反射膜２６は断熱性の誘電体で構成されているので、熱による性能劣化を低減する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体を用いた面発光レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザは、半導体基板の主面に対して垂直方向に光を出射するレーザで、２次元に高密度で集積することが可能なデバイスである。そのため、面発光レーザは、並列光情報処理用、光通信用、光インターコネクション用光源として期待されている。
【０００３】
しかし、面発光レーザの共振器長は端面発光レーザの共振器長に比べて極めて短いため、利得を確保するために９９．９％に近い高反射率の反射膜が必要である。また、面発光レーザにおいては、共振器が極めて小さいことと抵抗が通常のレーザよりはるかに大きいことのために駆動中に多量の熱が発生してキャリアのオーバーフローが起こり、光出力が飽和しやすいという課題があった。特に長波長帯材料では、価電子帯間吸収及びオージェ非発光再結合が短波長帯材料に比べて起こりやすい上、一般的な長波長帯レーザの材料であるＩｎＧａＡｓＰ（インジウム／ガリウム／ヒ素／リン）系材料では伝導帯オフセットが小さいためキャリアのオーバーフローが起こりやすく、高温度での長波長帯レーザ発振が困難である。
【０００４】
以下に、図４を参照して、従来の長波長帯面発光レーザ装置を説明する。
【０００５】
図４は、特開２０００−２３２２５０号公報に開示された従来の長波長帯面発光レーザ装置の構成を模式的に示す断面図である。
【０００６】
同図に示すように、従来の長波長帯面発光レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に形成され、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１と、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１の上に円柱状に形成された０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１を励起光源とする１．３μｍ帯共振器１４２とから構成されている。
【０００７】
０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に順に設けられたｎ型半導体多層反射膜１０２、ＩｎＧａＡｓからなる波長０．９８μｍの活性層１０３、ｐ型クラッド層及び多層反射膜１０６と、多層反射膜１０６の上に、１．３μｍ帯共振器１４２を挟んで設けられたｐ側電極１０８と、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面上に設けられたｎ側電極１１０を有している。また、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１の上面側には、ｎ型半導体多層反射膜１０２まで達する溝１０９が設けられている。そして、ｐ型クラッド層のうち、１．３μｍ帯共振器１４２の直下方に位置する領域の一部は非酸化クラッド層１０４であり、残りの部分は選択酸化クラッド層１０５となっている。なお、多層反射膜１０６は、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ_０．９８ＧａＡｓの１８ペアからなっているＤＢＲミラーである。ここで、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ_０．９８ＧａＡｓとは、１組のｐ−ＧａＡｓ層とｐ−Ａｌ_０．９８ＧａＡｓ層を示す表記である。本明細書中では、この他の積層膜についても同様の表記を行なう。
【０００８】
一方、１．３μｍ帯共振器１４２は、下から順に、アモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉと表記する）層とＡｌ_２Ｏ_３層の６ペアからなる第１の高反射膜１２６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２５、波長１．３μｍの活性層１２４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２３及びａ−Ｓｉ層とＡｌ_２Ｏ_３層の多数ペアからなる第２の高反射膜１２７とを有している。また、１．３μｍ帯共振器１４２の側面及び溝１０９を含む０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１の上面を覆うようにＳｉＯ_２膜が設けられている。このＳｉＯ_２膜は、ｐ型電極１０８を周りの層から電気的に分離させるためのものである。
【０００９】
この長波長帯面発光レーザ装置では、波長０．９８μｍの活性層１０３に電流を流して波長０．９８μｍのレーザ光を発光させ、このレーザ光で波長１．３μｍの活性層１２４を励起し、１．３μｍのレーザ発振を実現する。
【００１０】
このため、従来の長波長帯面発光レーザ装置の温度特性は、温度特性に優れたＧａＡｓ系の０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１の特性で決定される。すなわち、この構造により、温度特性が改善された長波長帯面発光レーザ装置が実現されている。
【００１１】
以上のような構造の従来の長波長帯面発光レーザ装置は、次のようにして製造される。
【００１２】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１とＩｎＰ基板とを準備する。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１を形成し、ＩｎＰ基板上にはエッチストップ層、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２３、波長１．３μｍの活性層１２４、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２５及びａ−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３の６ペアからなる第１の高反射膜１２６を順に形成する。
【００１３】
次に、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１の多層反射膜１０６と第１の高反射膜１２６とをウエハ融着により接着することで、２つの基板を接着する。続いて、ＩｎＰ基板及びエッチストップ層を除去してから、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２３の上に多数ペアのａ−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３からなる第２の高反射膜１２７を形成する。
【００１４】
そして、第１の高反射膜１２６及び第２の高反射膜１２７と、この両層に挟まれた各層とをエッチングによってパターニングし、直径約２０μｍの円柱状の１．３μｍ帯共振器１４２を形成する。次いで、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１の上部に溝１０９を設ける。その後、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１のＡｌを含むｐ型クラッド層を水蒸気下で選択酸化させて、ｐ型クラッド層のうち１．３μｍ帯共振器１４２の直下方に位置する領域の一部で、直径約１５μｍの領域を非酸化クラッド層１０４とし、残りの部分を選択酸化クラッド層１０５とする。次に、基板の上面全体にＳｉＯ_２　を堆積してから第２の高反射膜１２７の上面と、多層反射膜１０６の一部を露出させる。そして、多層反射膜１０６の露出部分の上にｐ側電極１０８を、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面上にｎ側電極１１０を、それぞれ設けることにより、従来の長波長帯面発光レーザ装置が作製される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の長波長帯面発光レーザ装置は、波長の短い面発光レーザでより波長の長い面発光レーザの活性層を励起する構成を採っている。しかし、面発光レーザは、端面発光レーザに比べて出力が小さいので、従来の長波長帯面発光レーザ装置において、１．３μｍ帯共振器に入射される途中で０．９８μｍ帯面発光レーザ素子の励起レーザ光の損失があれば、１．３μｍ帯共振器１４２から光通信等に十分な出力のレーザ光を得るのは難しい。
【００１６】
ところが、上述した従来の長波長帯面発光レーザ装置では、波長０．９８μｍの励起レーザ光の回折損失は、選択酸化層がない場合よりも小さくなっているものの、無視できないだけの回折損失はやはり生じている。また、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子１４１の活性層１０３からの熱が上記第１及び第２の多層膜を通して１．３μｍ帯共振器１４２の活性層１２４に伝導するためキャリアのオーバーフローが起こりやすいという不具合がある。
【００１７】
本発明の目的は、光通信等への応用が可能なだけの出力を有する長波長帯面発光レーザ装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の面発光レーザ装置は、半導体基板と、上記半導体基板の上方に設けられた第１の活性層と、上記第１の活性層上に設けられたクラッド層と、上記クラッド層の上に設けられ、複数の層を積層してなる第１の多層膜とを有する面発光レーザ素子と、上記面発光レーザ素子の上方に設けられた第２の多層膜と、上記第２の多層膜の上方に設けられ、上記面発光レーザ素子を励起光源とする第２の活性層と、上記第２の活性層の上方に設けられた第３の多層膜とを有する共振器とを備え、上記クラッド層と、上記第１の多層膜の上記複数の層のうち上記クラッド層から連続する少なくとも２つの層とは、共に上記共振器の直下方に位置する中央部を除いて酸化されており、且つ光導波路を構成している。
【００１９】
この構成により、クラッド層及び第１の多層膜の酸化部分と非酸化部分とから構成される光導波路を、従来の面発光レーザ装置よりも光導波路を長くすることができるので、励起光の閉じこめが良好に行われ、第２の活性層を効率良く励起することが可能になる。そのため、光通信等の用途に利用できるだけの出力を有する面発光レーザ装置を実現することができる。
【００２０】
上記第１の多層膜を構成する上記少なくとも２つの層の各層は、Ａｌを含んでいることにより、第１の多層膜を選択酸化することで、従来よりも長い光導波路を容易に設けることが可能になる。
【００２１】
上記第２の多層膜は、誘電体からなることにより、第２の多層膜が半導体から構成される場合に比べて、膜厚を薄くすることができる。例えば、２つの層が交互に積層される場合、積層されるペア数が少なくてすむ。このため、励起光の回折損失を低減することが可能となる。
【００２２】
上記第２の多層膜は、断熱性材料からなることにより、第１の活性層で生じる熱が第２の活性層に伝播しにくくなっているので、熱による面発光レーザ装置の出力低下を抑えることができる。
【００２３】
上記第２の多層膜は交互に積層された第１の層及び第２の層から構成され、上記第１の層と上記第２の層の組み合わせは、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２とＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２、ＬａＦ_３とＺｒＯ_２、ＬａＦ_３とＴｉＯ_２のうちから選ばれた１組であることが好ましい。
【００２４】
上記第３の多層膜は、上記第２の多層膜を構成する材料よりも熱伝導率の大きい材料から構成されていることにより、第１の活性層で生じる熱が第２の活性層に伝播する場合でも、上方に熱を逃がすことで第２の活性層の温度の上昇を防ぐことができる。そのため、熱による面発光レーザ装置の出力低下をより効果的に抑えることができる。
【００２５】
平面的に見て、上記中央部の面積は、上記面発光レーザ素子の面積よりも小さいことにより、面発光レーザ素子から発振された光がより確実に第２の活性層に照射されるので、面発光レーザ装置の出力をさらに向上させることができる。
【００２６】
本発明の第２の面発光レーザ装置は、半導体基板と、上記半導体基板の上方に設けられた第１の活性層と、上記第１の活性層上に設けられたクラッド層と、上記クラッド層の上に設けられた第１の多層膜とを有する面発光レーザ素子と、上記面発光レーザ素子の上方に設けられた第２の多層膜と、上記第２の多層膜の上方に設けられ、上記面発光レーザ素子を励起光源とする第２の活性層と、上記第２の活性層の上方に設けられた第３の多層膜とを有する共振器とを備え、上記クラッド層は、上記共振器の直下方に位置する中央部を除いて酸化されるとともに光導波路を構成しており、上記第２の多層膜は、断熱性材料を含んでいることにより、第１の活性層で生じる熱が第２の活性層に伝播しにくくなっているので、熱による面発光レーザ装置の出力低下を抑えることができる。
【００２７】
上記第２の多層膜は交互に積層された第１の層及び第２の層から構成され、上記第１の層と上記第２の層の組み合わせは、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２とＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２、ＬａＦ_３とＺｒＯ_２、ＬａＦ_３とＴｉＯ_２のうちから選ばれた１組であることが好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る面発光レーザ装置は、従来の長波長帯面発光レーザ装置と同様に、より短い波長帯の面発光レーザを長波長帯共振器の励起光源として用いる構成を採っている。
【００２９】
この構成を採用するに際して、本願発明者らは、他の構成を含めて検討を行った。例えば、長波長帯共振器に電流を直接流す一般的な面発光レーザや、面発光レーザに比べて出力が大きい端面発光レーザを長波長帯共振器の励起光源として用いる構成なども検討した。
【００３０】
長波長帯共振器に電流を直接流す駆動方法では、上述のように多層反射膜の抵抗が高いため発熱が起こり、これによる不具合を防ぐためには複雑な構成が必要となる。また、端面発光レーザを長波長帯共振器の側方に配置する場合には、活性層の位置合わせ等が困難である上製造コストも高いため、実用的ではなかった。
【００３１】
そのため、従来の構成を利用でき、且つ改良の余地がある構成として、従来と同様の構成を採ることとした。そして、種々の検討の結果、回折損失の低減するために、励起用面発光レーザのｐ型クラッド層から複数層の多層反射膜に亘る選択酸化を行い、光導波路を形成することと、該光導波路の直径を長波長帯共振器の直径よりも十分に小さくすること、及び誘電体で第２の多層膜を構成してペア数を低減することが有効であることが見いだされた。
【００３２】
本願発明者らはまた、励起用面発光レーザで発生する熱の長波長帯共振器への影響を低減する手段の検討も行い、長波長帯共振器の多層反射膜のうち励起用面発光レーザに対向する層を断熱性の誘電体材料で構成することが長波長帯共振器の発光効率を向上させる上で有効であることを見いだした。以下に本発明の実施形態を説明する。
【００３３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る長波長帯面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【００３４】
同図に示すように、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置は、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１上に、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１からのレーザ光によって励起される直径が約２０μｍの１．３μｍ帯共振器４２が設けられた構造になっている。
【００３５】
０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上面上に下から順に設けられたｎ型半導体多層反射膜２、波長０．９８μｍの活性層３と、波長０．９８μｍの活性層３の上であって少なくとも１．３μｍ帯共振器４２の直下方に位置する中央部に設けられた非酸化ｐ型クラッド層４及び非酸化多層反射膜６と、波長０．９８μｍの活性層３の上に設けられ、非酸化ｐ型クラッド層４及び非酸化多層反射膜６と同じ層の一部を酸化することにより形成された酸化多層膜５と、非酸化多層反射膜６の上に、１．３μｍ帯共振器４２を挟んで設けられたｐ側電極８と、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上に設けられたｎ側電極１０を有している。そして、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１の上面側には、ｎ型半導体多層反射膜２まで達する溝９が設けられている。なお、図１に示す例では、非酸化多層反射膜６の一部は、電極とのコンタクトを取るため、酸化多層膜５の上にも設けられている。
【００３６】
また、ｎ型半導体多層反射膜２はｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ_０．９８ＧａＡｓの２５ペアからなり、波長０．９８μｍの活性層３はＩｎＧａＡｓからなる。そして、非酸化ｐ型クラッド層４はｐ−ＡｌＡｓからなり、非酸化多層反射膜６はｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＡｓの２０ペアからなる。非酸化ｐ型クラッド層４及び非酸化多層反射膜６の直径は、ここでは約１０μｍとなっている。また、ｎ型半導体多層反射膜２及び非酸化多層反射膜６を構成するｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ_０．９８ＧａＡｓ及びｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＡｓの各層の厚みはλ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）となっている。
【００３７】
次に、１．３μｍ帯共振器４２は、下から順に、ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２（ジルコニウムオキサイド）の１１ペアからなる誘電体多層反射膜２６、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５、波長１．３μｍの活性層２４、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３及びａ−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３の６ペアからなる多層反射膜２７とを有している。また、１．３μｍ帯共振器４２の側面及び溝９を含む０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１の上面（１．３μｍ帯共振器４２との接触面を除く）を覆うようにＳｉＯ_２膜７が設けられている。ここで、誘電体多層反射膜２６及び多層反射膜２７を構成する各層の厚みは、それぞれλ／４ｎである。また、図１には示されていないが、実際には活性層３の下にもクラッド層がある。
【００３８】
本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置が従来のものと異なっている主な点は４つある。
【００３９】
まず第１は、ｐ−ＡｌＡｓにより構成されたクラッド層から複数のｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＡｓ層に亘る多数層を選択酸化することにより酸化多層膜５が設けられている点である。本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置では、多層反射膜を構成する全層にＡｌが含まれているため、多層反射膜を酸化することで、従来よりも厚みのある酸化多層膜５が形成される。
【００４０】
これに比べて従来の長波長帯面発光レーザ装置においては、ｐ−ＡｌＡｓにより構成されたクラッド層のみ酸化している。
【００４１】
多層反射膜が酸化されて酸化多層膜５になると、酸化前に比べて屈折率が低くなり、波長０．９８μｍの活性層３で生じた光は、非酸化ｐ型クラッド層４と非酸化多層反射膜６に集中する。すなわち、非酸化ｐ型クラッド層４と非酸化多層反射膜６と酸化多層膜５とが光導波路としての機能を果たしている。そして、誘電体多層反射膜２６を通過して波長１．３μｍの活性層２４に照射される。
【００４２】
ここで、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置では、従来のものより光導波路が長くなっているので、波長０．９８μｍの光が確実に波長１．３μｍの活性層２４を励起できるように絞り込まれる。これにより、波長１．３μｍの活性層２４を励起する際の回折によるエネルギー損失が抑えられ、出力が比較的小さい面発光レーザ素子を用いて長波長帯の共振器を励起させることが可能になる。
【００４３】
次に、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置が従来と異なる第２の点は、１．３μｍ帯共振器４２のうち、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１側にある誘電体多層反射膜２６が、断熱性材料からなることである。
【００４４】
長波長帯面発光レーザ装置の動作時に、波長０．９８μｍの活性層３は１００℃以上もの高温になる。一方で、波長１．３μｍの活性層２４は、熱の影響を受けるとキャリアのオーバーフローが起こりやすくなり、光出力が低下する。そのため、誘電体多層反射膜２６が断熱性材料からなることにより、波長０．９８μｍの活性層３で発生した熱が波長１．３μｍの活性層２４に伝わりにくくなり、波長帯面発光レーザ装置を安定して動作させることが可能となる。ここで、断熱性材料とは、熱伝導率が比較的小さい物質を指し、具体的にはＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２，ＴｉＯ_２及びＬａＦ_３などの物質である。ただし、多層反射膜として機能させるためには、ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２のように、屈折率に差がある材料ペアを選択する必要がある。
【００４５】
図３（ａ）は、多層膜の材料として用いられる誘電体の熱伝導率と屈折率の一覧を示す図であり、（ｂ）は、参考までに、多層膜の材料として用いられる半導体の熱伝導率と屈折率の一覧を示す図である。なお、各材料の屈折率は光の波長のより若干変わるが、大きく変わることはない。また、熱伝導率は資料によって多少の違いがあるため、おおよその値を示している。
【００４６】
同図（ａ）を参照して、本実施形態において誘電体多層反射膜２６として使用可能な材料の組み合わせは、例えば、ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２／ＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２、ＬａＦ_３／ＺｒＯ_２、ＬａＦ_３／ＴｉＯ_２などである。これらの組み合わせでは、多層膜がａ−Ｓｉや半導体からなる場合に比べて熱伝導率が著しく小さくなっていることが分かる。
【００４７】
なお、本実施形態においては、誘電体多層反射膜２６を誘電体材料で構成している。このため、半導体材料から構成する場合に比べて屈折率の差を取りやすくなっており、ペア数を少なくすることができる。例えば、半導体材料で多層反射膜を構成した場合２０ペア以上必要であったが、本実施形態の誘電体多層反射膜２６では１１ペアのみで反射鏡として機能させることが可能である。反射鏡の各層の厚みは発振波長λと屈折率ｎによりλ／４ｎと表せるが、ｎの絶対値としては半導体も誘電体も大きな差異はないので、ペア数が少ない程厚みを薄くすることができる。そして、誘電体多層反射膜２６の厚みが薄いことで、誘電体多層反射膜２６を通過する際の波長０．９８μｍの光の回折損失をさらに小さく抑えることができる。この構造により、さらに効率良く波長１．３μｍの活性層２４を励起できるようになっている。
【００４８】
次に、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置が従来と異なる第３の点は、多層反射膜２７が誘電体多層反射膜２６の構成材料よりも熱伝導率の大きい材料で構成されている点である。
【００４９】
本実施形態では従来と同じａ−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３から多層反射膜２７を構成する例を示しているが、これに代えてａ−Ｓｉ／ＭｇＯやａ−Ｓｉ／ＮａＦなどを用いてもよい。図３（ａ）から分かるように、これらの材料ペアは、ａ−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３と同等の熱伝導率を示す上、大きな屈折率差を取ることができる。
【００５０】
多層反射膜２７を熱伝導性の良い物質で構成することにより、波長１．３μｍの活性層２４に伝わる熱を速やかに上方に逃がすことができる。誘電体多層反射膜２６の厚さは数μｍ程度であるので、断熱性材料で構成されていても、完全に熱を遮断することは難しい。それ故、多層反射膜２７の上方へ熱を逃がすことにより、波長１．３μｍの活性層２４の温度を下げ、長波長帯面発光レーザ装置の動作をより安定化することができる。
【００５１】
次に、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置が従来と異なる第４の点は、１．３μｍ帯共振器４２の直下方に設けられた非酸化ｐ型クラッド層４及び非酸化多層反射膜６の上方から見たときの面積が、１．３μｍ帯共振器４２の上方から見たときの面積よりも小さい点である。特に、本実施形態においては、波長０．９８μｍのレーザ光が、より少ない損失で波長１．３μｍの活性層２４に照射されるように、非酸化ｐ型クラッド層４及び非酸化多層反射膜６の面積と１．３μｍ帯共振器４２の面積の比が最適に調整されている。なぜなら、非酸化層の断面積が大きすぎると波長０．９８μｍのレーザ光が効率良く波長１．３μｍの活性層２４に入射されず、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１が正常にレーザ発振しなくなるからである。
【００５２】
以上のように、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置によれば、光の回折による損失と、熱の発生による出力及び安定性の低下とを考慮した構成を採ることにより、光通信などに十分な出力で長波長レーザ光を発射することができる。なお、本実施形態の例では出力するレーザ光の波長は１．３μｍであったが、長波長帯に限らず、同様の励起構造を用いて他の波長のレーザ光を出力する面発光レーザを作製することが可能である。
【００５３】
次に、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置の製造方法について簡単に説明する。
【００５４】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置の製造方法を示す断面図である。
【００５５】
まず、図２（ａ）に示す工程で、ｎ型ＧａＡｓ基板１とＩｎＰ基板とを準備する。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１上には０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１を形成し、ＩｎＰ基板上にはエッチストップ層、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３、波長１．３μｍの活性層２４、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５及びＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２の１１ペアからなる誘電体多層反射膜２６を順に形成する。なお、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＡｓの２０ペアからなる多層反射膜５ａと、ｐ−ＡｌＡｓからなるｐ型クラッド層４ａと、波長０．９８μｍの活性層３とを有している。
【００５６】
次に、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１の多層反射膜５ａと誘電体多層反射膜２６とをウエハ融着により接着することで、２つの基板を接着する。続いて、ＩｎＰ基板及びエッチストップ層を除去してから、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３の上に６ペアのａ−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３からなる多層反射膜２７を形成する。
【００５７】
そして、誘電体多層反射膜２６及び多層反射膜２７と、この両層に挟まれた各層とをエッチングによってパターニングし、直径約２０μｍの円柱状の１．３μｍ帯共振器４２を形成する。次いで、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１の上部に溝９を設ける。
【００５８】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１のｐ型クラッド層４ａ及び多層反射膜５ａを水蒸気下で選択酸化させて、ｐ型クラッド層４ａ及び多層反射膜５ａのうち１．３μｍ帯共振器４２の直下方に位置する領域で、直径約１０μｍの領域をそれぞれ非酸化ｐ型クラッド層４及び非酸化多層反射膜６とする。また、ｐ型クラッド層４ａ及び多層反射膜５ａのうち酸化された層は、酸化多層膜５とする。
【００５９】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、基板の上面全体にＳｉＯ_２　を堆積してから多層反射膜２７の上面と、非酸化多層反射膜６の一部を露出させることによりＳｉＯ_２　膜７を形成する。そして、非酸化多層反射膜６の露出部分の上にｐ側電極８を、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にｎ側電極１０を、それぞれ設けることにより、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置が作製される。以上で説明したように、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置は、公知技術を用いて製造することができる。
【００６０】
なお、本実施形態の長波長帯面発光レーザ装置では上述の４つの特徴すべてを有する例を示したが、それぞれ１つの特徴のみを有する長波長帯面発光レーザ装置であっても、従来のものに比べて優れた性能を発揮する。
【００６１】
例えば、非酸化ｐ型クラッド層４と非酸化多層反射膜６と酸化多層膜５が光導波路としての機能を有し、従来と同じ構成の１．３μｍ帯共振器４２を有する場合でも、波長０．９８μｍのレーザ光の回折損失が小さくなるので、従来よりも高出力の長波長帯面発光レーザ装置を実現できる。
【００６２】
また、誘電体多層反射膜２６が断熱性材料からなり、それ以外は従来と同様の構成を有する長波長帯面発光レーザ装置や、多層反射膜２７を熱良導体で構成する以外は従来と同様の構成を有する長波長帯面発光レーザ装置であっても、従来よりも高い出力が期待できる。
【００６３】
また、非酸化ｐ型クラッド層４及び非酸化多層反射膜６と１．３μｍ帯共振器４２の各面積が、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子が正常に発振でき、波長０．９８μｍのレーザ光が最も効率的に波長１．３μｍの活性層２４に照射されるとともに１．３μｍのレーザ光が単一横モードで発振できるように最適化されている構成であれば、１．３μｍ帯共振器４２は従来と同一の構成であってよい。
【００６４】
なお、波長０．９８μｍの活性層３で生じる熱を下方に逃がすために、ｎ側電極１０の下方に例えばＳｉＣなどの熱良導体からなる放熱板をさらに設けてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の長波長帯面発光レーザ装置によれば、１．３μｍ帯共振器４２よりも面積の小さい光導波路を０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１に設けることにより、０．９８μｍ帯面発光レーザ素子４１からの光の回折損失を小さくできるので、光通信への応用に使用できるだけの高出力を実現することができる。また、誘電体多層反射膜２６を断熱性材料から構成するなど、熱への対策を講ずることにより、より出力を大きくすることが可能になっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る長波長帯面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る長波長帯面発光レーザ装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、それぞれ多層膜の材料として用いられる誘電体の熱伝導率と屈折率の一覧を示す図、及び多層膜の材料として用いられる半導体の熱伝導率と屈折率の一覧を示す図である。
【図４】従来の長波長帯面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　　ｎ型ＧａＡｓ基板
２　　　　　　　　　　　ｎ型半導体多層反射膜
３　　　　　　　　　　　波長０．９８μｍの活性層
４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　非酸化ｐ型クラッド層
４ａ　　　　　　　　　　ｐ型クラッド層
５　　　　　　　　　　　酸化多層膜
５ａ　　　　　　　　　　多層反射膜
６　　　　　　　　　　　非酸化多層反射膜
７　　　　　　　　　　　ＳｉＯ_２膜
８　　　　　　　　　　　ｐ側電極
９　　　　　　　　　　　溝
１０　　　　　　　　　　ｎ型電極
２３　　　　　　　　　　ｎ型ＩｎＰクラッド層
２４　　　　　　　　　　波長１．３μｍの活性層
２５　　　　　　　　　　ｐ型ＩｎＰクラッド層
２６　　　　　　　　　　誘電体多層反射膜
２７　　　　　　　　　　多層反射膜
４１　　　　　　　　　　０．９８μｍ帯面発光レーザ素子
４２　　　　　　　　　　１．３μｍ帯共振器

Claims

半導体基板と、上記半導体基板の上方に設けられた第１の活性層と、上記第１の活性層上に設けられたクラッド層と、上記クラッド層の上に設けられ、複数の層を積層してなる第１の多層膜とを有する面発光レーザ素子と、
上記面発光レーザ素子の上方に設けられた第２の多層膜と、上記第２の多層膜の上方に設けられ、上記面発光レーザ素子を励起光源とする第２の活性層と、上記第２の活性層の上方に設けられた第３の多層膜とを有する共振器と
を備え、
上記クラッド層と、上記第１の多層膜の上記複数の層のうち上記クラッド層から連続する少なくとも２つの層とは、共に上記共振器の直下方に位置する中央部を除いて酸化されており、且つ光導波路を構成していることを特徴とする面発光レーザ装置。
請求項１に記載の面発光レーザ装置において、
上記第１の多層膜を構成する上記少なくとも２つの層の各層は、Ａｌを含んでいることを特徴とする面発光レーザ装置。
請求項１または２に記載の面発光レーザ装置において、
上記第２の多層膜は、誘電体からなることを特徴とする面発光レーザ装置。
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の面発光レーザ装置において、
上記第２の多層膜は、断熱性材料からなることを特徴とする面発光レーザ装置。
請求項４に記載の面発光レーザ装置において、
上記第２の多層膜は交互に積層された第１の層及び第２の層から構成され、
上記第１の層と上記第２の層の組み合わせは、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２とＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２、ＬａＦ_３とＺｒＯ_２、ＬａＦ_３とＴｉＯ_２のうちから選ばれた１組であることを特徴とする面発光レーザ装置。
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の面発光レーザ装置において、
上記第３の多層膜は、上記第２の多層膜を構成する材料よりも熱伝導率の大きい材料から構成されていることを特徴とする面発光レーザ装置。
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の面発光レーザ装置において、
平面的に見て、上記中央部の面積は、上記面発光レーザ素子の面積よりも小さいことを特徴とする面発光レーザ装置。
半導体基板と、上記半導体基板の上方に設けられた第１の活性層と、上記第１の活性層上に設けられたクラッド層と、上記クラッド層の上に設けられた第１の多層膜とを有する面発光レーザ素子と、
上記面発光レーザ素子の上方に設けられた第２の多層膜と、上記第２の多層膜の上方に設けられ、上記面発光レーザ素子を励起光源とする第２の活性層と、上記第２の活性層の上方に設けられた第３の多層膜とを有する共振器と
を備え、
上記クラッド層は、上記共振器の直下方に位置する中央部を除いて酸化されるとともに光導波路を構成しており、
上記第２の多層膜は、断熱性材料を含んでいることを特徴とする面発光レーザ装置。
請求項８に記載の面発光レーザ装置において、
上記第２の多層膜は交互に積層された第１の層及び第２の層から構成され、
上記第１の層と上記第２の層の組み合わせは、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２とＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２、ＬａＦ_３とＺｒＯ_２、ＬａＦ_３とＴｉＯ_２のうちから選ばれた１組であることを特徴とする面発光レーザ装置。