JP2004119831A - Vertical cavity type surface emitting laser element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a variation in a time and spacial lateral mode caused by a large variation of current distribution from a change in temperature, modulation and the like, and to restrict mode noise caused by the difference of transmission characteristics for each mode at a high-speed signal transmission time. <P>SOLUTION: This vertical cavity type surface emitting laser element for generating a laser beam along a laminated direction includes a first DBR reflective mirror 2, a light emitting region layer 4 containing an active layer, a transparent buffer layer 5, and a second DBR reflective mirror 7 on a semiconductor substrate 1. The active layer 4-1 has an optical gain capable of laser oscillation and a concentric circular structure which is separated by an inactive layer 4-2 with non-light emission or a low optical gain. The buffer layer 5 is set to a thickness for separating 0-th diffracted light and primary diffracted light spatially for diffracted light in a concentric circular structure. The second reflective mirror 7 is selectively set to a range for reflecting the 0-th diffracted light and not reflecting higher order diffracted light. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光伝送技術の光源として用いられる垂直共振器型面発光レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、光通信や光伝送などの分野では、出射光のコヒーレンシーが高く高速動作が可能であること、或いは非常に小型であることから、光源として半導体レーザが広く用いられている。中でも、ビームが円形であること、素子基板に対し垂直方向に出力光を取り出せること、しきい値電流が低くできること、製造時にウェハ状態での検査が可能でコストが低いことなどの理由から、垂直共振器型の面発光レーザ素子(以下、VCSELと記す)が多く用いられるようになってきている。
【0003】
VCSELは、端面発光型半導体レーザと異なり、活性層が波長に比べて十分大きく面方向に広がっているため、高次横モードが存在しやすい構造になっている。実際、市販のVCSELの大部分は多数の横モードで発振する。それぞれの横モードは、マルチモードファイバなどの伝送路に対する伝送特性が異なる。そのため、多数の横モードが発振した場合、温度の揺らぎや高速にデジタル信号で変調されることにより、モード間でのエネルギーの授受が起こって伝送特性が時間的に変動してしまう現象(いわゆるモーダルノイズ)や、各モード間での伝送遅延時間差により時間軸ジッタが大きくなる現象(モード分散)などが生じ、伝送特性が劣化する。
【0004】
この伝送特性の劣化を抑制するために、横モードをなるべく単一モードで発振するように、活性層の大きさ(面内方向)を小さくしてやることで高次横モードの励振を抑圧して単一横モード化している。理想的には、活性領域を面内方向に1/2波長程度まで絞り込んで、光を閉じ込めることで、基本横モードのみが定在波として存在できるようにすることが可能となるが、微小な領域に電流を注入する必要があるため素子抵抗が非常に高くなり、高速応答が不可能となる。さらに、高抵抗層に電流を注入することによる温度上昇によって利得の低下を招く。
【0005】
そこで、ある程度広い活性層のなかで、モード毎の利得差を利用して単一横モードの発振を得ている。例えば、(1)基本横モードのみが活性層領域の中心付近にピークを持つことを利用し、上部(出力側)DBRを一部エッチングして反射率を制御して利得の空間的分布をつける方法、(2)横モード間の微妙な波長の違いを利用して、外部共振器や波長フィルタをつける方法、などがある。
【0006】
(1)の例として、図13に示す構造がある(非特許文献1)。半導体基板上101上に、下部DBR反射鏡102、活性層及び上下クラッド層を含む発光領域層103、上部DBR反射鏡104が積層されている。上部DBR反射鏡104の下部に選択酸化層105が形成され、これにより電流狭窄構造が構成されている。最上部にリング状コンタクト電極106が形成され、基板101の下面にべた状コンタクト電極107が形成されている。
【0007】
また、上部DBR反射鏡104の表面に、発光領域中心軸付近を残してリング状の周辺部108がエッチングにより形成されている。ここで、上部DBR反射鏡104の中心付近は反射率が高いように設定され、リング状にエッチングした部分108の反射率が低くなるように設定されている。
【0008】
この構造においては、0次基本横モードが発光領域中心軸付近に発光のピークを持ち、1次の高次横モードが周辺部に発光ピークを持つ。これにより、高次横モードに対する利得が下がり、モード間の利得差を大きくすることができ、選択的に基本横モードのみが発振しやすくしている。
【0009】
(2)の例として、図14に示すような構造がある(特許文献1)。図14の(a)は素子構造、(b)は発光時のニアフィールドパターン、(c)は発光時のスペクトルを示す図である。半導体基板201上に、下部DBR反射鏡202、下部クラッド層203、活性層204、上部クラッド層205、上部DBR反射鏡206、上部電極207と順に形成し、半導体基板201の裏面に開口部208aを持つ下部電極208を形成し、開口部208aに波長フィルタ209を設けている。
【0010】
この例では、基本横モードと高次横モード間に僅かな共振波長の差があることを利用し、波長選択フィルタ209によって高次横モードを光学的にフィルタリングすると共に、開口部208aの大きさを基本横モードのビーム径(図14(b)中の破線で示す)より少し大きい寸法にすることで、高次横モードに対して電極によるマスクを施している。これにより、外部に取り出される光を基本横モードに制限している。
【0011】
しかしいずれの場合にも、共振器特性で横モードを規定するため、温度や電流分布などの変動により各モードに対する利得が変動し、条件によっては意図しないモードの発振が励起されて所望のモードよりも強い発光を示すことすらある。
【0012】
図13の例では、注入電流値が大きくなったり大振幅で変調がかかると、活性層内での電流分布やそれに伴う温度分布などにより、各横モードに対する利得が変動する。結果的に、高次横モードと基本横モードの利得差が小さくなり、或いは逆転して、意図しない高次横モードの発振が起こり得る。
【0013】
図14の例では、上述同様電流分布や温度分布による活性層面内での空間的な利得の分布が変化し、基本横モードの位置が変動したり、意図しない高次横モードのみが発振する場合すらある。これらの問題は全て、活性層領域内での利得の分布が電流や温度分布により変動することに起因している。
【0014】
一方、活性層面内での発光を規定する例として、活性層に周期構造を持ち込むことで、面内方向への発光を制限して、全体の発光に対する面方向へ発光成分を増加させる試みがなされている(特許文献2)。この例は、図15に示すように、基板311上に、下部DBR反射鏡312、バッファ層313、活性層321、バッファ層314、上部DBR反射鏡315が積層された構造で、VCSEL構造になっている。なお、図15(a)は斜視図であり、バッファ層313及び314は図示されていない。図15(b)は断面図である。
【0015】
活性層321を同心円状のフォトニック構造とすることにより、横方向のフォトニックバンドを生成して、横方向への発光を制限している構造になっている。この構造により、同心円活性層321からの発光パターンは、電流分布などによる活性層面内での空間的な位置の変動が抑えられる構造になっている。
【0016】
しかしながら、この場合にも積層方向(縦方向)の発光の制限は、共振器によるものであり、横モードは多数存在可能な構造であり、横モードの対策は何ら施されていない。このため、電流分布や温度分布の変動によらない横モード単一化は実現されない。
【0017】
同様に、量子細線構造などを使用して、面内での活性層利得の分布を作ることにより横モード制御をする方法なども提案されている(特開平6−177480号公報)。しかし、量子構造(量子細線や量子ドット)とするためには一般に、光の波長以下の微細構造が必要となり、通常の活性層(量子井戸構造)に比較するとその寸法は非常に小さいものとなるため、製造時の再現性や均一度に困難を伴う。さらに、体積が非常に小さいため、活性領域からの発光を大きくすることは困難であるという問題がある。
【0018】
【特許文献1】
特開平8−236852号公報
【0019】
【特許文献2】
特開平8−213711号公報
【0020】
【非特許文献1】
IEEE Photonics Technology Letters,Vol.11,No.12,pp.1536−1538,1999
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、垂直共振器型面発光レーザ素子においては、温度変化や変調などによる大きな電流分布変動によって横モードが変化し、時間的にそれぞれの空間的な分布や強度分布が一定しないため、高速信号伝送や通信時に横モード変動に起因する信号の変動雑音が生じ、伝送特性が悪化するという課題があった。
【0022】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、温度変化や変調などによる大きな電流分布変動による時間的空間的な横モードの変動を抑えることができ、高速信号伝送時のモード毎の伝送特性の違いに起因するモード雑音を抑制することのできる垂直共振器型面発光レーザ素子を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
(構成)
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【0024】
即ち本発明は、第1の反射鏡と、この第1の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第2の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の0次回折光と1次以上の高次回折光とを空間的に分離し得る厚さに設定され、第2の反射鏡は、前記0次回折光を反射し、前記高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする。
【0025】
また本発明は、第1の反射鏡と、この第1の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第2の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の0次回折光,1次回折光,及び2次以上の高次回折光を空間的に分離し得る厚さに設定され、第2の反射鏡は、前記1次回折光を反射し、前記0次回折光及び高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする。
【0026】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【0027】
(1) 反射鏡は、分布ブラッグ反射鏡(DBR)であること。
【0028】
(2) 同心構造が、円及び円環からなる同心円構造であること。
【0029】
(3) バッファ層の厚さをLとし、同心円構造の直径をDa、同心円構造による1次回折光の回折角をθとしたとき、第2の反射鏡の中心軸が、同心円構造の中心軸と一致し、かつ第2の反射鏡の直径DmがDa<Dm<Ltanθを満たすこと。さらに、1次回折光のビーム広がり角をθ1としたとき、第2の反射鏡の中心軸が、同心円構造の中心軸と一致し、かつ第2の反射鏡の直径DmがDa<Dm<Ltan(θ−θ1)を満たすこと。
【0030】
(4) 第2の反射鏡上に1次回折光を平行光にする円錐プリズムを設けたこと。
【0031】
(5) 同心構造が楕円及び楕円環からなる同心楕円構造であり、楕円及び楕円環の各長辺方向及び短辺方向が一致しており、楕円及び楕円環の長径方向が活性層の利得が大きい結晶方位と一致していること。
【0032】
(6) 同心構造が長方形及び長方形枠形からなる同心長方形構造であり、長方形及び長方形枠形の各辺がそれぞれ平行であり、長方形及び長方形枠形の長辺方向が活性層の利得が大きい結晶方位と一致していること。
【0033】
(7) バッファ層と発光領域層との間に、第1の反射鏡との組み合わせでは活性層がレーザ発振を起こさない程度に低い反射率を有する部分反射鏡を有すること。第2の反射鏡の一部が、バッファ層と発光領域層との間に部分反射鏡として形成されていること。
【0034】
(8) バッファ層と発光領域層との間に、電流狭窄のために絶縁膜又は高抵抗膜が選択的に形成されていること。
【0035】
(作用)
本発明によれば、活性層に周期構造を導入し活性面内での発光の分布を制御して、横モードを空間的に安定かつ、分離可能なパターンに制限すると共に、共振器により所望の横モードを空間的に選択することのできる構造を採用することにより、温度や電流分布の変動による横モードの変動を小さくすることができる。
【0036】
より具体的には、活性層を例えば中心円及び複数のリングからなる同心円構造とし、中心円直径及び各リングの幅を基本モード単一で発光可能な小さい幅とする。これにより、回折格子と同様の効果が得られ、遠視野での発光パターンが中心円(0次光)とリング状の高次光に分離される。そして、これら各次数のモードが空間的に分離された位置に選択的にDBR共振器を配置することにより、所望の横モードのみを選択的に発光させる構造を実現することで、前述した問題を解決することが可能となる。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【0038】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を説明するためのもので、(a)は全体構成を示す断面図、(b)は活性層構成を示す平面図、(c)は放射光強度分布を示す図である。
【0039】
図1(a)に示すように、n型GaAsから成る半導体基板1上に、Siドープされたn型AlAs/Al0.15Ga0.85Asの四分の一波長積層半導体層からなる下部DBR反射鏡2、Al0.2 Ga0.8 As/GaAsの多重量子井戸からなる活性層を含む発光領域層4が積層されている。発光領域層4上には発振波長近傍で透明なAl Ga1−x As(0.3≦x≦0.6)からなる厚いバッファ層5が形成され、バッファ層5上にはCドープされたp型AlAs/Al0.15Ga0.85As四分の一波長積層半導体層からなる円状の上部DBR反射鏡7が部分的に形成されている。
【0040】
そして、上部DBR反射鏡7を囲むようにバッファ層5上に、AuZnからなる電気的コンタクト用のリング状電極8が形成されている。また、半導体基板1の裏面には、AuGeなどからなる裏面電極9が形成されている。これにより、積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子となっている。
【0041】
活性層を含む発光領域層4は、Alx Ga1−x As(0.3≦x≦0.6)からなる下部クラッド層4−3と上部クラッド層4−4の間に、図1(b)に示すような中心円及び円環からなるレーザ発振可能な光利得を有する活性層4−1と、非発光或いは光利得が低い不活性層4−2とからなる同心円構造を持つ。活性層4−1の直径又は円環の幅は、同心円の半径方向に対して、円環内の光強度分布が単峰である単一横モードでの発振が可能な幅を持つ。また、各活性層4−1は互いに光学的に結合があり、位相同期が可能な間隔で配置される。
【0042】
この同心円構造により、活性層4−1に電流注入された時、各活性層4−1から誘導放出によってコヒーレントに発光した場合、それぞれの活性領域からの発光が干渉し、図中に示されたような0次光10と、ある特定の回折角を持つ高次光11に空間的に分離されることになる。実際には、誘導放出を起こすためには共振器の存在が必要であるため、図に示した矢印は仮想的な光である。例えば、活性層4−1の幅が0.8μmで、不活性層4−2の幅が0.4μmである時、±1次光の回折角は、約12.5°になる。この場合の同心円構造による回折角に対する光強度分布を、図1(c)に示す。なお、円及び円環の数は、中心円と4重の円環について計算した図である。
【0043】
そこで、上部DBR反射鏡7を所望のモードに相当する空間的な位置にのみ置くことにより、所望のモードのみが誘導放出を起こしレーザ発振可能となるように設定することができる。このとき、高次横モードを分離可能な位置に置くための条件として、以下のような位置関係を取る必要がある。
【0044】
図2において、11−1,11−2は、それぞれ同心円構造により回折された+1次,−1次光である。これらは活性層近傍では、0次光ビーム10を含めて空間的には分離されておらず、重なり合った状態にある。そして、活性層4−1から法線方向への距離Lが
L>Da/tanθ(=Lo)    …(1)
を満たす範囲で、分離される。つまり、L≦Loの位置では各回折光が空間的には分離されていないため、同時に発振してしまう。ここで、Daは活性層4−1の最外郭円環の外円直径である。さらに、後述するように上部クラッド層4−4の厚さは極めて薄いため、活性層4−1から法線方向への距離Lは、実質的にはバッファ層5の厚さである。
【0045】
また、高次の回折光は、回折角方向にある角度広がり(±θ1=2θ1)を持ったビームを形成するため、実際にはこの広がりの影響を考慮した距離だけLoより離して上部DBR反射鏡7を置く必要がある。これによりバッファ層5の厚さが決定される。従って、各寸法関係は
Da<Ltan(θ−θ1)     …(2)
と書ける。
【0046】
例えば、前述の例で、円の周囲の円環の数を4とすると、Da=10.4μmである。このとき、Loは約47μmとなる。1次光の広がり角を1次光ピークに対して1/10以下になった角度と定義すると約1°となるため、活性層4−1と上部DBR反射鏡7との距離Lは、約51μm以上必要である。つまり、バッファ層5の厚さが、約51μm以上必要である。この厚さは、通常のVCSELに比較すると非常に厚く、結晶成長で作製するには困難があるが、後述するように、基板接着技術を応用することで実現可能である。
【0047】
また、図2のように、0次光を選択する場合、上部DBR反射鏡7は、同心円活性層4−1の中心軸を含む中心付近に、0次光のみ反射する位置に置かれる。このとき、上部DBR反射鏡7は、中心軸が同心円活性層4−1の中心軸と一致し、直径DmがDaより大きい方が好ましい。何故なら、上部DBR反射鏡7の外側に対応した円環状活性層4−1では上下方向に共振器が形成されず、基本モードでも発振が不可能になるため、活性層として有効に機能せず、単なるロス媒体となるためである。
【0048】
従って、上述の寸法関係と合わせて、Dmの望ましい範囲は、
Da<Dm<Ltan(θ−θ1)  …(3)
と定義される。また、上部DBR反射鏡7以外の部分からの迷光が表面から出力されて、雑音となることを防止するために、光出力面の上部DBR反射鏡以外の部分をなるべくリング状電極8でマスクすることが望ましい。
【0049】
以上で述べた図1、図2の構造は、次に述べるような方法で実現される。例えば、半導体基板1上に通常の結晶成長技術等を用いて、下部DBR反射鏡2、下部クラッド層4−3を積層形成した後、全面に活性層を形成する。その後、上部クラッド層4−4を形成しておく。
【0050】
ここで、全面に形成した活性層が同心円構造に残るように、レジストやSiNxなどの誘電体膜をマスクとしてZnAs2 を拡散源としてZn元素を600〜700℃程度で拡散させて無秩序化し、不活性層4−2を形成する。このときの上部クラッド層4−4が厚いと、同心円構造が微細な構造になった場合、活性層の深さまで拡散させた場合に、横方向の拡散も同時に起こって微細構造が形成できなくなる。このため、上部クラッド層4−4の厚さは、同心円構造の円環の幅と同等程度まで薄くしておく。また、不活性層4−2の形成は、ZnやSiのイオン注入後にアニールを行って無秩序化を行うことや、プロトンインプラにより高抵抗化させることでも実現可能である。
【0051】
次いで、別の支持基板に張り合わされた厚いバッファ層5を、基板接着などの技術を用いて、発光領域層4の上部クラッド層4−4と貼り合わせる。その後に、支持基板を除去する。バッファ層5は、上部クラッド層4−4と同じ材料であっても良い。
【0052】
次いで、バッファ層5上に上部DBR反射鏡7を全面に形成し、所望の位置のみドライエッチングなどの手法で上部DBR反射鏡7をパターニングする。このとき、全面への上部DBR反射鏡形成時に、高温となり押し込み拡散によって同心円の微細構造が崩れる虞のある場合には、DBR反射鏡7を作成したバッファ層5を基板接着しても良い。最後に、電極8を形成することによりレーザ素子が完成する。
【0053】
このように本実施形態によれば、活性層4−1を中心円及び複数のリングからなる同心円構造とし、中心円直径及び各リングの幅を基本モード単一で発光可能な小さい幅とすることにより、回折格子と同様の効果が得られ、遠視野での発光パターンが中心円(0次光)とリング状の高次光に分離される。そして、これら各次数のモードが空間的に分離された位置に上部DBR反射鏡7を選択的に配置することにより、所望の横モードのみを選択的に発光させる構造を実現することができる。従って、温度や電流分布の変動による横モードの変動を小さくすることができる。
【0054】
また、本実施形態の構成においては、活性層4−1が半径方向に対して基本横モードのみ発振する条件下では、出力光は常に所望のモードのみに限定される。各活性層4−1の幅を、電流注入やそれに伴う温度分布などに対してなるべく半径方向には単一横モードでの発振が可能であるような寸法にすることによって、結果として電流注入や温度によらず単一横モード動作可能な素子を実現することが可能である。
【0055】
一方、従来の活性層構造では、直径が0.8μmというような小さな領域に閉じ込めると、非常に抵抗値が上昇し、電流を流したときの温度上昇も大きくなってしまう。これに対し本実施形態によれば、素子抵抗は活性層4−1全体の面積に依存するため、高抵抗化を抑制することができる。例えば、上記の例で、円及び円環の数を4個とすると、面積では直径8.8μmの円とほぼ同じ面積になり、低い抵抗値を得ることが可能であり、高速駆動が可能となる。更に抵抗を下げる場合には、円環の数を増やし、バッファ層5を厚くすれば良い。
【0056】
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0057】
本実施形態が先に説明した第1の実施形態と異なる点は、発光領域層4とバッファ層5との間に選択酸化膜などからなる高抵抗領域(電流狭窄構造)6を設けたことにある。
【0058】
発光領域層4において、不活性層4−2を通じて流れる電流は、レーザ発振には寄与しないため、この電流が占める割合が多いとしきい値の上昇を招くことになる。そこで、本実施形態のように通常のVCSELと同様に、上部クラッド層4−4上の円形の発光領域以外の部分に高抵抗領域6を形成することにより、不活性層4−2を通じて流れる電流を低減し、しきい値の上昇を抑制することができる。
【0059】
(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0060】
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、同心円構造の活性層の作り方にある。第1の実施形態では、不純物の拡散により不活性層4−2を形成することにより同心円構造の活性層4−1を形成しているが、本実施形態では活性層自体はそのままにしておき、同心円構造の不活性層4−2を形成したい部分に相当する活性層の上に高抵抗領域6を形成している。
【0061】
この構造では、同心円構造の活性層4−1以外の部分に注入される電流密度を下げることで、該部分の光利得を実質的に低下させることができ、不純物拡散等により不活性層4−2を形成したのと同じ効果が得られる。なお、高抵抗領域6は、活性層の上に限らず、下、或いは上下に設けてもよい。また、図では上部クラッド層を省略しているが、第1,第2の実施形態と同様に上部クラッド層を設けてもよいのは勿論のことである。
【0062】
また、本実施形態では不活性層4−2の部分は無秩序化していないが、無秩序化を施した不活性層4−2上に、本実施形態と同様な電流狭窄構造を作ることも有効である。つまり、無秩序化された領域には電流狭窄効果がないため、リーク電流が流れて、実効的に発振しきい値電流が上昇する。そのため、無秩序化した不活性層4−2上に高抵抗領域6を形成することで、活性層の不活性化と電流狭窄を同時に実現可能となるという効果がある。
【0063】
(第4の実施形態)
図5は、本発明の第4の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0064】
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、上部DBR反射鏡7を積層方向に2つに分離して設けたことにある。
【0065】
第1の実施形態の構造において、縦方向の光共振器としては、従来のVCSELと比較して長い共振器構造が必要となる。このため、縦モードの不安定性が大きくなるだけでなく、活性層4−1が縦方向の定在波の節にきてしまい、位相整合が取れなくなる虞れがある。この場合、図5に示すように上部DBR反射鏡7を、位相整合を取るための部分反射鏡7−1と高反射率を稼いで共振器を形成するための部分反射鏡7−2に分割し、その間をバッファ用上部クラッド層5で挟む構造にする。
【0066】
このような構成とすることにより、第1の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、定在波を安定化し、位相整合を取りつつ基本横モードのみを選択することが可能となり、より安定した動作が可能となる。
【0067】
(第5の実施形態)
図6は、本発明の第5の実施形態に係わる半導体レーザの活性層構造を示す平面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0068】
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、同心円構造の活性層4−1を分離して形成したことにある。
【0069】
第1の実施形態の構造において、活性層の円環の半径が小さい場合には、中心円で基本モードのみ発振しているため、各円環での相互作用により位相同期発振が保たれるが、円環の半径が大きくなると、円周の長さが長くなり、円周方向の横モードが不安定となることで各円環で位相ずれを起こす可能性が高くなる。この場合には、図6に示すように、円環の一部を切断して扇型状にすることによりモードを安定させることも可能である。
【0070】
本実施形態の構造では、円周方向に1周分で見ると、基本横モードではなく高次のモードとなるが、半径方向には基本横モードが保たれているために、干渉による効果はこれまで述べた実施形態と同様の効果を示し、安定した単峰性の出力が得られる。
【0071】
(第6の実施形態)
図7は、本発明の第6の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0072】
第1〜第5の実施形態では、半径方向の横モードとして基本横モードを選択する例を述べたが、本発明はこれに限定されず、高次横モードを選択することも可能である。
【0073】
本実施形態では、図7に示すように、上部DBR反射鏡7を同心円構造の活性層4−1と中心軸が一致するようにリング状に配置することで、高次横モードに相当する位置に配置した。図7で、10が0次光、11が所望の±1次光、12は2次以上の高次光である。1次の出力光11は基板法線軸に対して一定の広がりを持つ逆円錐状の発光を示す。これにより、1次光のみを上部DBR反射鏡7で反射し、0次光10と2次以上の高次光は上部DBR反射鏡7では反射されなくすることができる。
【0074】
従って本実施形態によれば、1次光のみを選択してレーザ発振させることができる。そしてこの場合、同心円構造の活性層4−1に対向する位置に電極8を配置できるため、円環状の電極を用いるのに比べて、注入電流分布の均一性を高くすることができ、安定した光出力を得ることができるという効果がある。
【0075】
(第7の実施形態)
図8は、本発明の第7の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図7と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0076】
この実施形態は、先の第6の実施形態の構成に加え、光取り出し側に円錐プリズムを設けたものである。
【0077】
第6の実施形態の構成においては、1次の出力光を光ファイバなどに結合させることを考慮すると、出力光ビームの広がり角が大きいと結合効率が低下する。そこで本実施形態では、図8に示すように、素子上面に円錐プリズム13を設置し、基板法線軸に対して一定の広がりを持つ出力光ビームをプリズム13により屈折させて軸方向と平行な光ビームにした。これにより、軸方向に沿った円環出力光を得ることができ、高い効率の結合が可能となる。
【0078】
(第8の実施形態)
図9は、本発明の第8の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図7と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0079】
この実施形態は、円錐プリズムなどの別体を取り付けるのではなく、図9に示すようにレーザ素子自体にモノリシックにプリズム構造を集積したものである。即ち、上部DBR反射鏡7上にプリズム層15が一体形成されている。このプリズム層15は、AlGaAsなどからなる発振波長で透明な材料で作製され、表面が屈折により1次回折光が平行ビームになるような角度に設定されている。
【0080】
本実施形態の構造は、図10に示す方法により実現される。図10では、簡単のため、バッファ層6より上部のみを描いている。図10(a)でバッファ層6、上部DBR反射鏡7を全面に形成したところで、さらに全面にプリズム層15を形成する。この場合、上部DBR反射鏡7は、最外層が空気と接しておらず、プリズム層15に接していることを考慮した積層構造にする必要がある。
【0081】
次いで、図10(b)に示すように、レジスト16をパターニングした後に、ベーキングを行い、図10(c)に示したように半球状に変形させる。その後、塩素系の反応ガス17等を用いてドライエッチングすることにより、レジスト16のパターンがプリズム層15に転写されて、図10(d)の15−1に示したような形状が実現できる。さらに、プリズム層15の不要部分をレジストや誘電膜などをマスク18として用い、ドライエッチングにより上部DBR反射鏡7と共に除去してやることで、前記図9の構造を作製可能である。
【0082】
(第9の実施形態)
図11は、本発明の第9の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0083】
これまでの実施形態では、同心円構造の活性層についてのみ述べてきたが、本発明は必ずしも同心円構造に限定されない。本実施形態では、図11に示すように、活性層4−1を同心楕円構造に形成した。その作り方としては、第1の実施形態と同様に、全面に形成した活性層が同心楕円構造に残るように、不純物の拡散により4−2の部分を無秩序化すればよい。
【0084】
本実施形態の場合、ビーム形状は楕円又は楕円環になるため、それに応じて上部DBR反射鏡7の形状も変更する必要がある。即ち、0次回折光を選択する場合は楕円状に、1次回折光を選択する場合は楕円環状形状が好ましい。活性層を同心楕円構造にすることにより、回折光は活性層の長径方向が短径方向となる同心楕円ビームとなる。しかしながら、上部DBR反射鏡7が存在する部分のみがモードとして存在可能であるので、0次回折光を選択すれば楕円ビームが、1次回折光を選択すれば、楕円環ビームが得られる。
【0085】
ここで、多重量子井戸活性層のゲインが高い方向に楕円の長径方向を一致させるようにすると、偏波が安定するという効果がある。例えば、基板が(100)GaAs基板でAl0.2 Ga0.8 As/GaAs多重量子井戸の活性層を用いた場合は、[011]或いは[01−1]方向を長径方向に一致させることによりそれぞれの方向の偏波モードのゲインが高くなるため、安定した偏波が得られるという効果がある。
【0086】
(第10の実施形態)
図12は、本発明の第10の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0087】
本実施形態では、図12に示すように、活性層4−1を同心長方形構造に形成した。このような同心長方形構造の場合も、第9の実施形態と同様に偏波安定化の効果が得られる。この場合、同心長方形構造の長辺方向を前述の活性層のゲインが高い方向に一致させることにより有効に偏波を安定化できる。このとき得られる回折光は、0次光が光軸中心付近にあり、1次光は同心長方形構造の各辺に直交する方向に傾きを持った4つのビームに分かれる。従って、1次光を選択すると位相の揃ったマルチビームを得ることも可能であるという効果がある。
【0088】
(変形例)
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、活性層を同心円,同心楕円,又は同心長方形構造に形成した例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限るものではなく、同心構造であれば五角形,六角形,その他の図形にしてもよい。
【0089】
実施形態では、GaAs系材料を用いた850nm程度の波長に発光ピークを持つ素子について述べているが、本発明はこれらの材料に何ら限定されることはなく、他の材料系にも適用可能である。例えば、InP系の材料では活性層を直接エッチングした後に、不活性層4−2としてバンドギャップの広い材料を、平坦に近い状態に埋め込むことができる。そのため、その後に上部クラッド層を薄く形成し、基板接着等の技術で厚い上部クラッド層を形成することもできる。
【0090】
また、GaN系の材料では、活性層の一部をエッチング除去後にAlNで埋め込んだ後に薄いクラッド層を形成して厚いクラッド層を基板接着する方法や、活性層の一部を水素中の熱アニールなどの方法で高抵抗化することにより不活性層を作製し、その後にクラッド層を薄く形成して厚いクラッドを持つ別基板を基板接着技術により張り合わせることにより実現可能である。また、活性層のパターンは、実施形態で述べた回折条件、寸法関係の条件を満たす限り、円環のみからなるパターンでも良い。
【0091】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0092】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、素子抵抗の上昇を抑えつつ、温度変動や変調などで生じる電流分布の変動による時間的空間的な横モードの変動を抑えかつ単一化可能となる。これにより、高速信号伝送時のモードごとの伝送特性の違いに起因するモード雑音を抑制することが可能となり、より高速な信号伝送が可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図及び平面図と放射光強度分布を示す特性図。
【図2】第1の実施形態における各部の寸法関係を説明するための模式図。
【図3】第2の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図4】第3の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図5】第4の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図6】第5の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図7】第6の実施形態に係わる半導体レーザの活性層構造を示す平面図。
【図8】第7の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図9】第8の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図10】第8の実施形態におけるプリズム構造の製造工程を示す断面図。
【図11】第9の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図12】第10の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図13】従来の半導体レーザの素子構造を示す斜視図と断面図。
【図14】従来の半導体レーザの素子構造を示す断面図と発光スペクトルを示す特性図。
【図15】従来の半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【符号の説明】
1…半導体基板
2…下部DBR反射鏡
4−1…活性層
4−2…非活性層
4−3…下部クラッド層
4−4…上部クラッド層
5…バッファ層
6…高抵抗層
7…上部DBR反射鏡
8…リング状電極
9…裏面電極
10…0次光
11…1次光(高次光)
12…2次以上の高次光
13…円錐プリズム
15…プリズム層
16,18…レジスト
17…反応ガス
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser device used as a light source for optical communication and optical transmission technology.
[0002]
[Prior art]
At present, in fields such as optical communication and optical transmission, semiconductor lasers are widely used as light sources because of high coherency of emitted light and high-speed operation, or extremely small size. Above all, the beam is circular, the output light can be extracted in the direction perpendicular to the element substrate, the threshold current can be reduced, the inspection in the wafer state can be performed during manufacturing, and the cost is low. 2. Description of the Related Art A cavity type surface emitting laser element (hereinafter, referred to as VCSEL) has been widely used.
[0003]
Unlike an edge-emitting semiconductor laser, a VCSEL has a structure in which a higher-order transverse mode is likely to exist because the active layer extends in the plane direction sufficiently larger than the wavelength. In fact, most commercial VCSELs oscillate in a number of transverse modes. Each transverse mode has different transmission characteristics with respect to a transmission line such as a multimode fiber. Therefore, when a large number of transverse modes oscillate, temperature fluctuations and high-speed modulation by digital signals cause energy transfer between modes to occur, and the transmission characteristics fluctuate over time (so-called modal mode). Noise) and a phenomenon (mode dispersion) in which the time axis jitter increases due to the transmission delay time difference between the modes occurs, and the transmission characteristics deteriorate.
[0004]
In order to suppress the deterioration of the transmission characteristics, the size of the active layer (in-plane direction) is reduced so that the transverse mode oscillates in a single mode as much as possible. One horizontal mode. Ideally, the active region is narrowed down to about 波長 wavelength in the in-plane direction, and light is confined, so that only the fundamental transverse mode can exist as a standing wave. Since the current needs to be injected into the region, the element resistance becomes extremely high, and high-speed response becomes impossible. Further, a gain is lowered due to a temperature rise caused by injecting a current into the high resistance layer.
[0005]
In view of this, in a wide active layer to some extent, a single transverse mode oscillation is obtained by utilizing a gain difference for each mode. For example, (1) utilizing the fact that only the fundamental transverse mode has a peak near the center of the active layer region, the upper (output side) DBR is partially etched to control the reflectivity and provide a spatial distribution of gain. And (2) a method of attaching an external resonator or a wavelength filter by utilizing a delicate wavelength difference between the transverse modes.
[0006]
As an example of (1), there is a structure shown in FIG. 13 (Non-Patent Document 1). On a semiconductor substrate 101, a lower DBR reflector 102, a light emitting region layer 103 including an active layer and upper and lower cladding layers, and an upper DBR reflector 104 are stacked. A selective oxidation layer 105 is formed below the upper DBR reflector 104, thereby forming a current confinement structure. A ring-shaped contact electrode 106 is formed on the uppermost portion, and a solid contact electrode 107 is formed on the lower surface of the substrate 101.
[0007]
Further, a ring-shaped peripheral portion 108 is formed on the surface of the upper DBR reflector 104 by etching except for the vicinity of the central axis of the light emitting region. Here, the vicinity of the center of the upper DBR reflector 104 is set to have a high reflectance, and the reflectance of the ring-etched portion 108 is set to be low.
[0008]
In this structure, the zero-order fundamental transverse mode has a light emission peak near the center axis of the light-emitting region, and the first-order higher-order transverse mode has a light emission peak near the periphery. As a result, the gain for the higher-order transverse mode is reduced, the gain difference between the modes can be increased, and only the fundamental transverse mode can be selectively oscillated.
[0009]
As an example of (2), there is a structure as shown in FIG. 14 (Patent Document 1). 14A shows the element structure, FIG. 14B shows a near-field pattern during light emission, and FIG. 14C shows a spectrum during light emission. A lower DBR reflecting mirror 202, a lower cladding layer 203, an active layer 204, an upper cladding layer 205, an upper DBR reflecting mirror 206, and an upper electrode 207 are sequentially formed on a semiconductor substrate 201, and an opening 208a is formed on the back surface of the semiconductor substrate 201. The lower electrode 208 is formed, and a wavelength filter 209 is provided in the opening 208a.
[0010]
In this example, utilizing the fact that there is a slight difference in the resonance wavelength between the fundamental transverse mode and the higher-order transverse mode, the higher-order transverse mode is optically filtered by the wavelength selection filter 209, and the size of the aperture 208a is increased. Is slightly larger than the beam diameter of the fundamental transverse mode (indicated by the broken line in FIG. 14B), thereby masking the higher-order transverse mode with electrodes. This limits light extracted to the outside to the basic transverse mode.
[0011]
However, in any case, since the transverse mode is defined by the resonator characteristics, the gain for each mode fluctuates due to fluctuations in temperature, current distribution, etc. May even show strong luminescence.
[0012]
In the example of FIG. 13, when the injection current value increases or modulation is performed with a large amplitude, the gain for each transverse mode fluctuates due to the current distribution in the active layer and the accompanying temperature distribution. As a result, the gain difference between the higher-order transverse mode and the fundamental transverse mode becomes smaller or reversed, and unintended higher-order transverse mode oscillation may occur.
[0013]
In the example of FIG. 14, as described above, the spatial gain distribution in the active layer surface due to the current distribution and temperature distribution changes, and the position of the basic lateral mode fluctuates, or only unintended higher-order transverse mode oscillates. There is even. All of these problems stem from the fact that the distribution of gain in the active layer region fluctuates due to current and temperature distributions.
[0014]
On the other hand, as an example of defining light emission in the active layer plane, an attempt has been made to introduce a periodic structure into the active layer to restrict light emission in the in-plane direction and increase the light emission component in the plane direction relative to the entire light emission. (Patent Document 2). In this example, as shown in FIG. 15, a lower DBR reflecting mirror 312, a buffer layer 313, an active layer 321, a buffer layer 314, and an upper DBR reflecting mirror 315 are stacked on a substrate 311 to form a VCSEL structure. ing. FIG. 15A is a perspective view, and the buffer layers 313 and 314 are not shown. FIG. 15B is a sectional view.
[0015]
By forming the active layer 321 into a concentric photonic structure, a photonic band in the horizontal direction is generated to limit light emission in the horizontal direction. With this structure, the light emission pattern from the concentric active layer 321 has a structure in which a change in spatial position in the active layer surface due to a current distribution or the like is suppressed.
[0016]
However, in this case as well, the limitation of light emission in the stacking direction (vertical direction) is due to the resonator, and there are many possible transverse modes, and no measures against the transverse modes are taken. For this reason, the unification of the transverse mode irrespective of the fluctuation of the current distribution or the temperature distribution cannot be realized.
[0017]
Similarly, there has been proposed a method of controlling the transverse mode by forming an active layer gain distribution in a plane using a quantum wire structure or the like (Japanese Patent Laid-Open No. 6-177480). However, in order to form a quantum structure (quantum wire or quantum dot), a fine structure smaller than the wavelength of light is generally required, and its size is very small as compared with a normal active layer (quantum well structure). Therefore, there is a difficulty in reproducibility and uniformity during manufacturing. Further, since the volume is very small, it is difficult to increase the light emission from the active region.
[0018]
[Patent Document 1]
JP-A-8-236852
[0019]
[Patent Document 2]
JP-A-8-213711
[0020]
[Non-patent document 1]
IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 12, pp. 1536-1538, 1999
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, in the vertical cavity surface emitting laser element, the transverse mode changes due to a large current distribution variation due to a temperature change or modulation, and the spatial distribution and the intensity distribution are not constant over time. During high-speed signal transmission and communication, there is a problem that signal fluctuation noise occurs due to lateral mode fluctuation and transmission characteristics deteriorate.
[0022]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object the ability to suppress temporal and spatial lateral mode fluctuations due to large current distribution fluctuations due to temperature changes and modulation. It is an object of the present invention to provide a vertical cavity surface emitting laser device capable of suppressing mode noise caused by a difference in transmission characteristics between modes during signal transmission.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.
[0024]
That is, the present invention provides a first reflecting mirror, a light emitting region layer including an active layer formed on the first reflecting mirror, a transparent buffer layer formed on the light emitting region layer, and a transparent buffer layer formed on the light emitting region layer. A vertical cavity surface emitting laser element that outputs a laser beam along a stacking direction of each reflector and each layer, wherein the active layer is capable of laser oscillation. And has a concentric structure divided by an inactive layer having no light emission or low optical gain, and each of the divided active layers has a single lateral direction in a radial direction from a center point of the concentric structure. The width of the active layer is limited to the width of mode oscillation, and the interval between the divided active layers is a dimension capable of performing phase-locked oscillation with each other. It is set to a thickness that can spatially separate the next diffraction light, 2 of the reflection mirror, the 0 reflects the diffracted light, characterized in that it is selectively formed in a range that does not reflect the higher-order diffracted light.
[0025]
The present invention also provides a first reflecting mirror, a light emitting region layer including an active layer formed on the first reflecting mirror, a transparent buffer layer formed on the light emitting region layer, and a transparent buffer layer formed on the light emitting region layer. A vertical cavity surface emitting laser element that outputs a laser beam along a stacking direction of each reflector and each layer, wherein the active layer is capable of laser oscillation. And has a concentric structure divided by an inactive layer having no light emission or low optical gain, and each of the divided active layers has a single lateral direction in a radial direction from a center point of the concentric structure. The width of the active layer is limited to a mode oscillation width, and the interval between the divided active layers is a dimension capable of performing phase-locked oscillation. The buffer layer includes a zero-order diffracted light, a first-order diffracted light, and a diffracted light of the concentric structure. Thickness capable of spatially separating high-order diffracted light of second or higher order Is set, the second reflecting mirror, the one reflecting the diffracted light, characterized in that it is selectively formed in a range that does not reflect the 0-order diffracted light and higher-order diffracted light.
[0026]
Here, preferred embodiments of the present invention include the following.
[0027]
(1) The reflector should be a distributed Bragg reflector (DBR).
[0028]
(2) The concentric structure is a concentric structure composed of a circle and a ring.
[0029]
(3) Assuming that the thickness of the buffer layer is L, the diameter of the concentric structure is Da, and the diffraction angle of the first-order diffracted light by the concentric structure is θ, the center axis of the second reflecting mirror is equal to the center axis of the concentric structure. And the diameter Dm of the second reflecting mirror satisfies Da <Dm <Ltanθ. Further, when the beam spread angle of the first-order diffracted light is θ1, the central axis of the second reflecting mirror coincides with the central axis of the concentric structure, and the diameter Dm of the second reflecting mirror is Da <Dm <Ltan ( θ−θ1).
[0030]
(4) A conical prism for converting the first-order diffracted light into parallel light is provided on the second reflecting mirror.
[0031]
(5) The concentric structure is a concentric elliptical structure composed of an ellipse and an elliptical ring, and the long side direction and the short side direction of the ellipse and the elliptical ring coincide with each other. Match with large crystal orientation.
[0032]
(6) A crystal in which the concentric structure is a concentric rectangular structure composed of a rectangle and a rectangular frame, and each side of the rectangle and the rectangular frame is parallel to each other, and the longer side direction of the rectangle and the rectangular frame has a large gain of the active layer. Must match direction.
[0033]
(7) Between the buffer layer and the light emitting region layer, there is provided a partial reflector having a low reflectance such that the active layer does not cause laser oscillation in combination with the first reflector. Part of the second reflecting mirror is formed as a partial reflecting mirror between the buffer layer and the light emitting region layer.
[0034]
(8) An insulating film or a high resistance film is selectively formed between the buffer layer and the light emitting region layer for current confinement.
[0035]
(Action)
According to the present invention, the periodic structure is introduced into the active layer to control the distribution of light emission in the active surface, thereby restricting the transverse mode to a spatially stable and separable pattern, and providing a desired mode by the resonator. By adopting a structure capable of spatially selecting the transverse mode, the variation of the transverse mode due to the variation of the temperature and the current distribution can be reduced.
[0036]
More specifically, the active layer has a concentric structure including, for example, a center circle and a plurality of rings, and the center circle diameter and the width of each ring are small enough to emit light in a single fundamental mode. As a result, an effect similar to that of the diffraction grating is obtained, and the light emission pattern in the far field is separated into a central circle (zero-order light) and a ring-like high-order light. By selectively disposing DBR resonators at positions where these modes of each order are spatially separated, a structure that selectively emits light only in a desired transverse mode is realized. It is possible to solve.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0038]
(1st Embodiment)
FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining an element structure of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an entire configuration, FIG. 1B is a plan view illustrating an active layer configuration, (C) is a diagram showing a radiation light intensity distribution.
[0039]
As shown in FIG. 1A, an n-type AlAs / Al doped with Si is formed on a semiconductor substrate 1 made of n-type GaAs. 0.15 Ga 0.85 Lower DBR reflector 2, made of a quarter-wave stacked semiconductor layer of As, Al 0.2 Ga 0.8 A light emitting region layer 4 including an active layer composed of a multiple quantum well of As / GaAs is stacked. On the light-emitting region layer 4, transparent Al near the oscillation wavelength x Ga 1-x A thick buffer layer 5 made of As (0.3 ≦ x ≦ 0.6) is formed, and a C-doped p-type AlAs / Al 0.15 Ga 0.85 A circular upper DBR reflector 7 composed of an As quarter-wave laminated semiconductor layer is partially formed.
[0040]
Then, a ring electrode 8 of AuZn for electrical contact is formed on the buffer layer 5 so as to surround the upper DBR reflecting mirror 7. On the back surface of the semiconductor substrate 1, a back electrode 9 made of AuGe or the like is formed. As a result, a vertical cavity surface emitting laser device that outputs laser light in the stacking direction is obtained.
[0041]
The light emitting region layer 4 including the active layer is made of Al x Ga 1-x Between the lower cladding layer 4-3 and the upper cladding layer 4-4 made of As (0.3 ≦ x ≦ 0.6), laser oscillation consisting of a central circle and a ring as shown in FIG. It has a concentric structure composed of an active layer 4-1 having a high optical gain and an inactive layer 4-2 having no light emission or low optical gain. The diameter of the active layer 4-1 or the width of the ring has a width capable of oscillating in a single transverse mode in which the light intensity distribution in the ring is unimodal in the radial direction of the concentric circle. Further, the respective active layers 4-1 are optically coupled to each other, and are arranged at intervals capable of phase synchronization.
[0042]
Due to this concentric structure, when current is injected into the active layer 4-1, coherent light emission from each active layer 4-1 due to stimulated emission interferes with light emission from each active region, which is shown in the figure. The zero-order light 10 and the higher-order light 11 having a certain diffraction angle are spatially separated. Actually, since the presence of a resonator is required to cause stimulated emission, the arrow shown in the figure is virtual light. For example, when the width of the active layer 4-1 is 0.8 μm and the width of the inactive layer 4-2 is 0.4 μm, the diffraction angle of ± 1st-order light is about 12.5 °. FIG. 1C shows the light intensity distribution with respect to the diffraction angle by the concentric structure in this case. The numbers of circles and rings are calculated for the center circle and the quadruple ring.
[0043]
Therefore, by placing the upper DBR reflecting mirror 7 only at a spatial position corresponding to a desired mode, it is possible to set so that only the desired mode causes stimulated emission and laser oscillation is possible. At this time, it is necessary to take the following positional relationship as a condition for placing the higher-order transverse mode at a separable position.
[0044]
In FIG. 2, reference numerals 11-1 and 11-2 denote + 1st-order and -1st-order lights diffracted by concentric structures, respectively. These are not spatially separated including the zero-order light beam 10 near the active layer, and are in an overlapping state. Then, the distance L from the active layer 4-1 in the normal direction is
L> Da / tan θ (= Lo) (1)
Within the range that satisfies That is, at the position of L ≦ Lo, the respective diffracted lights are not separated spatially, and therefore oscillate at the same time. Here, Da is the outer diameter of the outermost ring of the active layer 4-1. Further, since the thickness of the upper cladding layer 4-4 is extremely thin as described later, the distance L from the active layer 4-1 in the normal direction is substantially the thickness of the buffer layer 5.
[0045]
In addition, since the higher-order diffracted light forms a beam having a certain angular spread (± θ1 = 2θ1) in the diffraction angle direction, the upper DBR reflection is actually separated from Lo by a distance in consideration of the effect of this spread. A mirror 7 needs to be placed. Thereby, the thickness of the buffer layer 5 is determined. Therefore, each dimensional relationship is
Da <Ltan (θ−θ1) (2)
Can be written.
[0046]
For example, in the above-described example, if the number of rings around the circle is 4, Da = 10.4 μm. At this time, Lo is about 47 μm. If the divergence angle of the primary light is defined as an angle that is 1/10 or less of the primary light peak, the angle is about 1 °. Therefore, the distance L between the active layer 4-1 and the upper DBR reflector 7 is about 51 μm or more is required. That is, the thickness of the buffer layer 5 needs to be about 51 μm or more. This thickness is extremely thick as compared with a normal VCSEL, and it is difficult to manufacture the crystal by crystal growth. However, as described later, it can be realized by applying a substrate bonding technique.
[0047]
In addition, as shown in FIG. 2, when the zero-order light is selected, the upper DBR reflecting mirror 7 is placed near a center including the central axis of the concentric active layer 4-1 at a position where only the zero-order light is reflected. At this time, it is preferable that the central axis of the upper DBR reflecting mirror 7 coincides with the central axis of the concentric active layer 4-1, and the diameter Dm is larger than Da. Because, in the annular active layer 4-1 corresponding to the outside of the upper DBR reflector 7, no resonator is formed in the vertical direction, and oscillation is not possible even in the fundamental mode, so that the active layer does not function effectively. Is simply a loss medium.
[0048]
Therefore, in combination with the above dimensional relationship, the desirable range of Dm is
Da <Dm <Ltan (θ−θ1) (3)
Is defined as Further, in order to prevent stray light from a portion other than the upper DBR reflector 7 from being output from the surface and becoming noise, a portion of the light output surface other than the upper DBR reflector is masked by the ring-shaped electrode 8 as much as possible. It is desirable.
[0049]
1 and 2 described above are realized by the following method. For example, after the lower DBR reflector 2 and the lower cladding layer 4-3 are formed on the semiconductor substrate 1 by using a normal crystal growth technique or the like, an active layer is formed on the entire surface. After that, the upper cladding layer 4-4 is formed.
[0050]
Here, ZnAs is used with a resist or a dielectric film such as SiNx as a mask so that the active layer formed on the entire surface remains in a concentric structure. 2 Using Zn as a diffusion source, Zn is diffused at about 600 to 700 ° C. to be disordered, and the inactive layer 4-2 is formed. If the upper cladding layer 4-4 is thick at this time, if the concentric structure becomes a fine structure, and if the concentric structure is diffused to the depth of the active layer, lateral diffusion also occurs at the same time, so that a fine structure cannot be formed. For this reason, the thickness of the upper cladding layer 4-4 is set to be as thin as the width of the ring of the concentric structure. The formation of the inactive layer 4-2 can also be realized by performing annealing after ion implantation of Zn or Si to perform disordering, or by increasing the resistance by proton implantation.
[0051]
Next, the thick buffer layer 5 bonded to another support substrate is bonded to the upper cladding layer 4-4 of the light emitting region layer 4 by using a technique such as substrate bonding. After that, the support substrate is removed. The buffer layer 5 may be made of the same material as the upper clad layer 4-4.
[0052]
Next, the upper DBR reflector 7 is formed on the entire surface of the buffer layer 5, and the upper DBR reflector 7 is patterned only at a desired position by a method such as dry etching. At this time, when forming the upper DBR reflector on the entire surface, if the temperature becomes high and there is a possibility that the fine structure of the concentric circle may be broken by the indentation diffusion, the buffer layer 5 on which the DBR reflector 7 is formed may be bonded to the substrate. Finally, the laser element is completed by forming the electrode 8.
[0053]
As described above, according to the present embodiment, the active layer 4-1 has a concentric circular structure including a central circle and a plurality of rings, and the central circle diameter and the width of each ring are small enough to emit light in a single fundamental mode. As a result, an effect similar to that of the diffraction grating is obtained, and the light emission pattern in the far field is separated into a central circle (zero-order light) and a ring-like high-order light. By selectively arranging the upper DBR reflecting mirror 7 at a position where the modes of each order are spatially separated, it is possible to realize a structure for selectively emitting light only in a desired transverse mode. Therefore, the variation of the transverse mode due to the variation of the temperature or the current distribution can be reduced.
[0054]
In the configuration of the present embodiment, under the condition that the active layer 4-1 oscillates only in the fundamental transverse mode in the radial direction, the output light is always limited to only the desired mode. By making the width of each active layer 4-1 such that oscillation in a single transverse mode is possible in the radial direction as much as possible with respect to current injection and the accompanying temperature distribution, current injection and An element capable of operating in a single transverse mode regardless of temperature can be realized.
[0055]
On the other hand, in the conventional active layer structure, if it is confined in a small area such as 0.8 μm in diameter, the resistance value increases extremely, and the temperature rise when current flows is also increased. On the other hand, according to the present embodiment, since the element resistance depends on the area of the entire active layer 4-1, the increase in resistance can be suppressed. For example, if the number of circles and rings is four in the above example, the area is almost the same as a circle having a diameter of 8.8 μm, a low resistance value can be obtained, and high-speed driving is possible. Become. To further reduce the resistance, the number of rings may be increased and the buffer layer 5 may be made thicker.
[0056]
(Second embodiment)
FIG. 3 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0057]
This embodiment differs from the first embodiment described above in that a high resistance region (current constriction structure) 6 made of a selective oxide film or the like is provided between the light emitting region layer 4 and the buffer layer 5. is there.
[0058]
In the light-emitting region layer 4, the current flowing through the inactive layer 4-2 does not contribute to laser oscillation. Therefore, if the current occupies a large proportion, the threshold value increases. Therefore, as in the case of the normal VCSEL, the high-resistance region 6 is formed in a portion other than the circular light-emitting region on the upper cladding layer 4-4 as in the present embodiment, so that the current flowing through the inactive layer 4-2. And the rise of the threshold can be suppressed.
[0059]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0060]
This embodiment is different from the first embodiment in the method of forming an active layer having a concentric structure. In the first embodiment, the active layer 4-1 having a concentric structure is formed by forming the inactive layer 4-2 by diffusion of impurities. However, in the present embodiment, the active layer itself is left as it is. The high-resistance region 6 is formed on the active layer corresponding to the portion where the inactive layer 4-2 having the concentric structure is to be formed.
[0061]
In this structure, by reducing the current density injected into a portion other than the active layer 4-1 having the concentric structure, the optical gain of the portion can be substantially reduced. The same effect as when forming No. 2 is obtained. Note that the high resistance region 6 is not limited to being provided above the active layer, and may be provided below or above and below. Although the upper cladding layer is omitted in the figure, it goes without saying that the upper cladding layer may be provided as in the first and second embodiments.
[0062]
In the present embodiment, the portion of the inactive layer 4-2 is not disordered, but it is also effective to form a current confinement structure similar to that of the present embodiment on the disordered inactive layer 4-2. is there. That is, since there is no current confinement effect in the disordered region, a leak current flows, and the oscillation threshold current effectively increases. Therefore, by forming the high resistance region 6 on the disordered inactive layer 4-2, there is an effect that the inactivation of the active layer and the current confinement can be realized at the same time.
[0063]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0064]
This embodiment is different from the first embodiment in that the upper DBR reflecting mirror 7 is provided separately in the stacking direction.
[0065]
In the structure of the first embodiment, as the optical resonator in the vertical direction, a resonator structure longer than that of the conventional VCSEL is required. For this reason, not only the instability of the longitudinal mode is increased, but also the active layer 4-1 may come to a node of the standing wave in the longitudinal direction, and the phase matching may not be achieved. In this case, as shown in FIG. 5, the upper DBR reflecting mirror 7 is divided into a partial reflecting mirror 7-1 for achieving phase matching and a partial reflecting mirror 7-2 for obtaining a high reflectance and forming a resonator. Then, the structure is sandwiched between the buffer upper cladding layers 5.
[0066]
With such a configuration, it is possible not only to obtain the same effect as in the first embodiment, but also to stabilize the standing wave and select only the fundamental transverse mode while maintaining phase matching. , More stable operation becomes possible.
[0067]
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a plan view showing an active layer structure of a semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0068]
This embodiment differs from the first embodiment in that the active layer 4-1 having a concentric structure is formed separately.
[0069]
In the structure of the first embodiment, when the radius of the ring of the active layer is small, only the fundamental mode oscillates in the center circle, so that the phase-locked oscillation is maintained by the interaction in each ring. When the radius of the ring becomes large, the length of the circumference becomes long, and the lateral mode in the circumferential direction becomes unstable, so that there is a high possibility that a phase shift occurs in each ring. In this case, as shown in FIG. 6, it is possible to stabilize the mode by cutting a part of the ring to form a fan shape.
[0070]
In the structure of this embodiment, when viewed in one round in the circumferential direction, the mode becomes a higher-order mode instead of the basic lateral mode. However, since the basic lateral mode is maintained in the radial direction, the effect of interference is small. The same effects as in the above-described embodiments are exhibited, and a stable single-peak output is obtained.
[0071]
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0072]
In the first to fifth embodiments, an example has been described in which the basic lateral mode is selected as the radial lateral mode. However, the present invention is not limited to this, and it is also possible to select a higher-order lateral mode.
[0073]
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the upper DBR reflecting mirror 7 is arranged in a ring shape so that the central axis coincides with the active layer 4-1 having the concentric structure, so that the position corresponding to the higher-order transverse mode is obtained. Was placed. In FIG. 7, reference numeral 10 denotes 0-order light, 11 denotes desired ± 1st-order light, and 12 denotes second-order or higher-order light. The primary output light 11 has an inverted conical emission having a certain width with respect to the substrate normal axis. As a result, only the first-order light can be reflected by the upper DBR reflecting mirror 7, and the 0-order light 10 and higher-order light of the second or higher order can be prevented from being reflected by the upper DBR reflecting mirror 7.
[0074]
Therefore, according to the present embodiment, laser oscillation can be performed by selecting only the primary light. In this case, since the electrode 8 can be arranged at a position facing the active layer 4-1 having the concentric structure, the uniformity of the injection current distribution can be increased as compared with the case of using an annular electrode, and a stable state can be obtained. There is an effect that an optical output can be obtained.
[0075]
(Seventh embodiment)
FIG. 8 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a seventh embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0076]
This embodiment is different from the sixth embodiment in that a conical prism is provided on the light extraction side.
[0077]
In the configuration of the sixth embodiment, considering that the primary output light is coupled to an optical fiber or the like, a large divergence angle of the output light beam lowers the coupling efficiency. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, a conical prism 13 is provided on the upper surface of the element, and an output light beam having a certain spread with respect to the normal axis of the substrate is refracted by the prism 13 so that the light parallel to the axial direction is emitted. Beam. Thereby, an annular output light along the axial direction can be obtained, and coupling with high efficiency can be achieved.
[0078]
(Eighth embodiment)
FIG. 9 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to the eighth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0079]
In this embodiment, a prism structure is monolithically integrated in the laser element itself as shown in FIG. 9, instead of attaching a separate body such as a conical prism. That is, the prism layer 15 is integrally formed on the upper DBR reflecting mirror 7. The prism layer 15 is made of a transparent material having an oscillation wavelength of AlGaAs or the like, and is set at an angle such that the first-order diffracted light becomes a parallel beam due to refraction of the surface.
[0080]
The structure of the present embodiment is realized by the method shown in FIG. In FIG. 10, for simplicity, only the upper part of the buffer layer 6 is illustrated. After the buffer layer 6 and the upper DBR reflector 7 are formed on the entire surface in FIG. 10A, a prism layer 15 is further formed on the entire surface. In this case, the upper DBR reflecting mirror 7 needs to have a laminated structure in consideration of the fact that the outermost layer is not in contact with air and is in contact with the prism layer 15.
[0081]
Next, as shown in FIG. 10B, after the resist 16 is patterned, baking is performed, and the resist 16 is deformed into a hemispherical shape as shown in FIG. 10C. Thereafter, the pattern of the resist 16 is transferred to the prism layer 15 by dry etching using a chlorine-based reaction gas 17 or the like, and the shape shown in 15-1 in FIG. 10D can be realized. Further, the unnecessary portion of the prism layer 15 is removed together with the upper DBR reflecting mirror 7 by dry etching using a resist, a dielectric film or the like as a mask 18, whereby the structure shown in FIG. 9 can be manufactured.
[0082]
(Ninth embodiment)
FIG. 11 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to the ninth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0083]
In the above embodiments, only the active layer having a concentric structure has been described, but the present invention is not necessarily limited to the concentric structure. In the present embodiment, as shown in FIG. 11, the active layer 4-1 is formed in a concentric elliptical structure. As in the first embodiment, the portion 4-2 may be disordered by diffusion of impurities so that the active layer formed on the entire surface remains in a concentric elliptical structure as in the first embodiment.
[0084]
In the case of the present embodiment, since the beam shape is an ellipse or an elliptical ring, it is necessary to change the shape of the upper DBR reflecting mirror 7 accordingly. That is, an elliptical shape is preferable when the zero-order diffracted light is selected, and an elliptical ring shape is preferable when the first-order diffracted light is selected. By making the active layer have a concentric elliptical structure, the diffracted light becomes a concentric elliptical beam in which the major axis direction of the active layer is the minor axis direction. However, since only the portion where the upper DBR reflecting mirror 7 exists can exist as a mode, an elliptical beam is obtained by selecting the 0th-order diffracted light, and an elliptical ring beam is obtained by selecting the 1st-order diffracted light.
[0085]
Here, when the major axis direction of the ellipse is made to coincide with the direction in which the gain of the multiple quantum well active layer is high, there is an effect that the polarization is stabilized. For example, if the substrate is a (100) GaAs substrate and the substrate is Al 0.2 Ga 0.8 When the active layer of the As / GaAs multiple quantum well is used, the [011] or [01-1] direction is made to coincide with the major axis direction to increase the gain of the polarization mode in each direction. The effect is that waves can be obtained.
[0086]
(Tenth embodiment)
FIG. 12 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to the tenth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0087]
In the present embodiment, as shown in FIG. 12, the active layer 4-1 has a concentric rectangular structure. Also in the case of such a concentric rectangular structure, the effect of polarization stabilization can be obtained as in the ninth embodiment. In this case, the polarization can be effectively stabilized by matching the long side direction of the concentric rectangular structure with the direction in which the gain of the active layer is high. In the diffracted light obtained at this time, the zero-order light is near the center of the optical axis, and the first-order light is divided into four beams having inclinations in the direction orthogonal to each side of the concentric rectangular structure. Therefore, when the primary light is selected, it is possible to obtain a multi-beam having the same phase.
[0088]
(Modification)
Note that the present invention is not limited to the above embodiments. In the embodiment, an example in which the active layer is formed in a concentric circle, a concentric ellipse, or a concentric rectangular structure has been described. However, the present invention is not necessarily limited thereto. You may.
[0089]
In the embodiment, a device using a GaAs-based material and having an emission peak at a wavelength of about 850 nm is described. However, the present invention is not limited to these materials and can be applied to other material systems. is there. For example, in the case of an InP-based material, a material having a wide band gap can be buried as a near-flat state as the inactive layer 4-2 after directly etching the active layer. Therefore, the upper cladding layer can be formed thinner thereafter, and a thicker upper cladding layer can be formed by a technique such as substrate bonding.
[0090]
In the case of a GaN-based material, a method in which a thin clad layer is formed and then a thick clad layer is adhered to a substrate by etching a part of the active layer with AlN after removing the part of the active layer, or a method of thermally annealing a part of the active layer in hydrogen. This can be realized by forming an inactive layer by increasing the resistance by such a method as described above, and then forming a thin clad layer and bonding another substrate having a thick clad by a substrate bonding technique. Further, the pattern of the active layer may be a pattern consisting of only a ring as long as the diffraction conditions and the dimensional relation conditions described in the embodiment are satisfied.
[0091]
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0092]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to suppress the fluctuation of the temporal and spatial transverse modes due to the fluctuation of the current distribution caused by the temperature fluctuation and the modulation while suppressing the rise of the element resistance and to unify it. . As a result, it is possible to suppress mode noise caused by a difference in transmission characteristics for each mode during high-speed signal transmission, which has the effect of enabling higher-speed signal transmission.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view and a plan view showing a device structure of a semiconductor laser according to a first embodiment, and a characteristic diagram showing a radiation light intensity distribution.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a dimensional relationship of each part in the first embodiment.
FIG. 3 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a second embodiment.
FIG. 4 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a third embodiment.
FIG. 5 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a fourth embodiment.
FIG. 6 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a fifth embodiment.
FIG. 7 is a plan view showing an active layer structure of a semiconductor laser according to a sixth embodiment.
FIG. 8 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a seventh embodiment.
FIG. 9 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to an eighth embodiment.
FIG. 10 is a sectional view showing a manufacturing process of a prism structure according to the eighth embodiment.
FIG. 11 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a ninth embodiment.
FIG. 12 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a tenth embodiment.
FIG. 13 is a perspective view and a cross-sectional view showing the element structure of a conventional semiconductor laser.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a device structure of a conventional semiconductor laser and a characteristic diagram showing an emission spectrum.
FIG. 15 is a sectional view showing an element structure of a conventional semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
1 .... Semiconductor substrate
2. Lower DBR reflector
4-1 Active layer
4-2: Inactive layer
4-3 ... Lower cladding layer
4-4: Upper cladding layer
5 ... Buffer layer
6 High resistance layer
7 Upper DBR reflector
8. Ring electrode
9 Back electrode
10 ... 0th order light
11: 1st order light (higher order light)
12 ... Higher order light of 2nd or higher
13 ... Conical prism
15 ... Prism layer
16, 18 ... resist
17 ... Reaction gas

Claims (9)

第1の反射鏡と、この第1の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第2の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、
前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の0次回折光と1次以上の高次回折光とを空間的に分離し得る厚さに設定され、
第2の反射鏡は、前記0次回折光を反射し、前記高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ素子。
A first reflecting mirror, a light emitting region layer including an active layer formed on the first reflecting mirror, a transparent buffer layer formed on the light emitting region layer, and a transparent buffer layer formed on the transparent buffer layer A vertical cavity surface emitting laser element that includes a second reflecting mirror and outputs laser light along a laminating direction of each reflecting mirror and each layer,
The active layer has an optical gain capable of lasing, has a concentric structure divided by an inactive layer having no light emission or low optical gain, and each of the divided active layers has a center point of the concentric structure. Is limited to a width in which a single transverse mode oscillation is generated in a radiation direction from the device, and the interval between the divided active layers is a dimension capable of performing phase-locked oscillation with each other,
The buffer layer is set to a thickness capable of spatially separating the 0th-order diffracted light and the 1st or higher-order diffracted light of the diffracted light by the concentric structure,
The vertical cavity surface emitting laser device, wherein the second reflecting mirror is selectively formed in a range that reflects the zero-order diffracted light and does not reflect the high-order diffracted light.
第1の反射鏡と、この第1の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第2の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、
前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の0次回折光,1次回折光,及び2次以上の高次回折光を空間的に分離し得る厚さに設定され、
第2の反射鏡は、前記1次回折光を反射し、前記0次回折光及び高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ素子。
A first reflecting mirror, a light emitting region layer including an active layer formed on the first reflecting mirror, a transparent buffer layer formed on the light emitting region layer, and a transparent buffer layer formed on the transparent buffer layer A vertical cavity surface emitting laser element that includes a second reflecting mirror and outputs laser light along a laminating direction of each reflecting mirror and each layer,
The active layer has an optical gain capable of lasing, has a concentric structure divided by an inactive layer having no light emission or low optical gain, and each of the divided active layers has a center point of the concentric structure. Is limited to a width in which a single transverse mode oscillation is generated in a radiation direction from the device, and the interval between the divided active layers is a dimension capable of performing phase-locked oscillation with each other,
The buffer layer is set to a thickness capable of spatially separating zero-order diffracted light, first-order diffracted light, and second-order or higher-order diffracted light of the concentric structure,
A vertical cavity surface emitting laser device, wherein the second reflecting mirror is formed selectively in a range that reflects the first-order diffracted light and does not reflect the zero-order diffracted light and the high-order diffracted light.
前記活性層の同心構造は、円及び円環からなる同心円構造であることを特徴とする請求項1又は2記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。3. The vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1, wherein the concentric structure of the active layer is a concentric structure including a circle and a ring. 前記バッファ層の厚さをLとし、前記同心円構造の直径をDa、前記同心円構造による1次回折光の回折角をθとしたとき、第2の反射鏡の中心軸が前記同心円構造の中心軸と一致し、かつ第2の反射鏡の直径DmがDa<Dm<Ltanθを満たすことを特徴とする請求項3記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。When the thickness of the buffer layer is L, the diameter of the concentric structure is Da, and the diffraction angle of the first-order diffracted light by the concentric structure is θ, the center axis of the second reflecting mirror is the same as the center axis of the concentric structure. 4. The vertical cavity surface emitting laser element according to claim 3, wherein the diameters Dm of the second reflecting mirror are equal to each other and satisfy Da <Dm <Ltanθ. 前記バッファ層の厚さをLとし、前記同心円構造の直径をDa、前記同心円構造による1次回折光の回折角をθ、該1次回折光のビーム広がり角をθ1としたとき、第2の反射鏡の中心軸が前記同心円構造の中心軸と一致し、かつ第2の反射鏡の直径DmがDa<Dm<Ltan(θ−θ1)を満たすことを特徴とする請求項3記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。When the thickness of the buffer layer is L, the diameter of the concentric structure is Da, the diffraction angle of the first-order diffracted light by the concentric structure is θ, and the beam spread angle of the first-order diffracted light is θ1, the second reflecting mirror 4. The vertical resonator type according to claim 3, wherein the central axis of the vertical mirror coincides with the central axis of the concentric structure, and the diameter Dm of the second reflecting mirror satisfies Da <Dm <Ltan (θ−θ1). Surface emitting laser device. 前記活性層の同心構造は円及び円環からなる同心円構造であり、第2の反射鏡上に1次回折光を平行光にする円錐プリズムを設けたことを特徴とする請求項2記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。3. The vertical resonance according to claim 2, wherein the concentric structure of the active layer is a concentric structure including a circle and a ring, and a conical prism that converts the first-order diffracted light into parallel light is provided on the second reflecting mirror. Type surface emitting laser device. 前記活性層の同心構造は楕円及び楕円環からなる同心楕円構造であり、前記楕円及び楕円環の各長辺方向及び短辺方向が一致しており、前記楕円及び楕円環の長径方向が前記活性層の利得が大きい結晶方位と一致していることを特徴とする請求項1又は2記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。The concentric structure of the active layer is a concentric elliptical structure composed of an ellipse and an elliptical ring, and the long sides and short sides of the ellipse and the elliptical ring coincide with each other. 3. The vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1, wherein the gain of the layer matches the crystal orientation. 前記活性層の同心構造は長方形及び長方形枠形からなる同心長方形構造であり、前記長方形及び長方形枠形の各辺がそれぞれ平行であり、前記長方形及び長方形枠形の長辺方向が前記活性層の利得が大きい結晶方位と一致していることを特徴とする請求項1又は2記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。The concentric structure of the active layer is a concentric rectangular structure composed of a rectangle and a rectangular frame, each side of the rectangle and the rectangular frame is parallel to each other, and the longer side direction of the rectangular and the rectangular frame is the active layer. The vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1, wherein the crystal orientation coincides with a crystal orientation having a large gain. 前記バッファ層と前記発光領域層との間に、第1の反射鏡との組み合わせでは前記活性層がレーザ発振を起こさない程度に低い反射率を有する部分反射鏡を有することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。The method according to claim 1, further comprising, between the buffer layer and the light emitting region layer, a partial reflector having a low reflectance such that the active layer does not cause laser oscillation in combination with the first reflector. A vertical cavity surface emitting laser device according to any one of claims 1 to 8.
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