JP2004214311A - 画発光レーザ素子、面発光レーザ素子を使用した光送信器、光送受信器および光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度特性が良好で、高出力動作が可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いた光送信器、光送受信器および光通信システムを提供すること。
【解決手段】ｎ型基板２上に、下部半導体多層膜反射層３、下部クラッド層４、活性層５、上部クラッド層６を積層した構造を有する。上部クラッド層６上には、上部半導体多層膜反射層７を有し、ｐ型の上部半導体多層膜反射層７の一部に電流狭窄層８を配置する。下部半導体多層膜反射層３の上部領域および下部クラッド層４よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されている。光出射側の上部半導体多層膜反射層７を構成する高屈折率層をＴｌを含む半導体材料を使用することで、温度上昇に伴って高屈折率層の屈折率と低屈折率層の屈折率との差分値を減少させ、スロープ効率の減少を緩和もしくは解消する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板に対して垂直方向に共振器構造を有する面発光レーザの技術に関し、特に、温度特性が良好な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を使用した光送信器、光送受信器および光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ。以下、単に面発光レーザ素子と称する。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを初め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。
【０００３】
その理由として、面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列を容易に形成できること、反射鏡を設けるために劈開する必要がないのでウェハレベルでテストできること、活性層のボリュームが各段に小さいので極低閾値で発振できるため消費電力が小さいこと等の利点を有していることが挙げられる。
【０００４】
さらに、面発光レーザ素子では、共振器長が極端に短いことから、発振スペクトルの縦モードはおのずと基本モード発振が得られることを特徴としている。これらの利点を有することから、面発光レーザ素子は、光通信ネットワークや、コンピュータ間を光接続して情報を伝送する光インターコネクション用のデバイスとして注目されている。
【０００５】
特に、光通信ネットワークにおける信号光源として利用する場合には、伝送用光ファイバを伝送する際に損失が低い波長を有し、一定の強度を有するレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実現する必要がある。そのため、１．２μｍ以上の出射波長を有する面発光レーザ素子の開発がおこなわれており、近年の結晶成長技術の成長に伴い、活性層にＧａＩｎＮＡｓＳｂ系の材料を用いてレーザ発振を実現した例が報告されている。
【０００６】
１．２μｍ以上のレーザ光を発振する面発光レーザ素子の構造を示す断面図を図７に示す。この面発光レーザ素子１０１は、ｎ型基板１０２上に、順次ｎ型の分布帰還型反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ。以下、「ＤＢＲ反射鏡」という）を含んで形成された下部半導体多層膜反射層１０３、下部クラッド層１０４、活性層１０５、上部クラッド層１０６を積層した構造を有する。さらに、上部クラッド層１０６上には、ｐ型のＤＢＲ反射鏡を積層した上部半導体多層膜反射層１０７を有し、ｐ型の上部半導体多層膜反射層１０７の一部に電流狭窄層１０８を配置することでたとえば１０μｍ径の開口部を面発光レーザ素子に構成する。電流狭窄層１０８は、非選択酸化領域１０８ａと選択酸化領域１０８ｂとで構成される。下部半導体多層反射層１０３の上部領域よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されており、メサポスト状領域周縁にはポリイミド層１０９が配置されている。上部半導体多層膜反射層１０７上面の露出した部分と接した構造を有するｐ側電極１１０が配置されている。ｎ型基板１０２下面には、裏面電極１１１が配置されている。ここで、活性層１０５は、長波長帯発振を可能とするためたとえばＧａＩｎＮＡｓＳｂ系により構成される。なお、図７に示す従来技術にかかる面発光レーザ素子１０１において、光出射側のＤＢＲ反射鏡は上部半導体多層膜反射層１０７となる。
【０００７】
図８に従来技術にかかる面発光レーザ１０１の下部半導体多層膜反射層１０３と上部半導体多層膜反射層１０７の構造を説明するための図を示す。なお、図８において、図７と共通する部分には同一の符号を付している。上部半導体多層膜反射層１０７は、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発光波長、ｎは屈折率）であるｐ型の高屈折率層１１４とｐ型の低屈折率層１１５との積層構造を１ペアとして、それをたとえば２２ペア分積層している。ｐ型高屈折率層１１４は、たとえばｐ型ＧａＡｓで形成し、ｐ型低屈折率層１１５は、たとえばｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓで形成する。また、下部半導体多層膜反射層１０３は、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発光波長、ｎは屈折率）であるｎ型の高屈折率層１１２とｎ型の低屈折率層１１３との積層構造を１ペアとして、それをたとえば３３．５ペア分積層している。ｎ型の高屈折率層１１２は、たとえばｎ型ＧａＡｓで形成し、ｎ型の低屈折率層１１３は、たとえばｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓで形成する。このような構造とすることによって、室温での連続発振を可能とする面発光レーザ素子を実現する。（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−６８６０４号公報（第５頁、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の長波長帯面発光レーザ素子は、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子と比較し、温度特性が良好ではないため、光通信ネットワークの信号光源として使用するには問題がある。すなわち、信号光源として使用する場合、温度変化に対して光出力が安定している必要があるが、従来の長波長帯面発光レーザ素子は、活性層の温度上昇に対する光出力の低下が著しく、この要求に応えられない。光出力の低下は、主として温度上昇に伴うスロープ効率の低下に起因する。
【００１０】
長波長帯面発光レーザ素子は、温度上昇に伴って活性層中のキャリア分布が高エネルギー側にシフトし、Ｂｅｒｎａｒｄ＆Ｄｕｒａｆｆｏｕｒｇ条件を満たすキャリアの数が著しく減少する。また、活性層を上下クラッド層によって挟み込むＤＨ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型の面発光レーザの場合、キャリア分布の高エネルギーシフトによってキャリア閉じこめ効果が低下する。このため、従来の長波長帯面発光レーザ素子は、温度上昇に伴って光利得が減少し、スロープ効率が減少することによって光出力が低下することとなる。
【００１１】
上記面発光レーザ素子について、活性層の温度上昇を抑制するために、ペルチェ素子等を備えた温調モジュールを用いた冷却装置をヒートシンクに接続してある程度温度特性を改善することは可能である。しかし、一般に冷却装置は電流駆動で動作するため、冷却装置を備えることで消費電力が増大すると共に、面発光レーザ装置の構造が複雑化し、製造コストも増大するため、妥当ではない。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、温度特性が良好で、高出力動作が可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いた光送信器、光送受信器および光通信システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる面発光レーザ素子は、半導体基板上に、光反射側多層膜反射層と、光出射側半導体多層膜反射層と、光反射側半導体多層膜反射層および光出射側半導体多層膜反射層の間に挟設された活性層とを備え、前記半導体基板に垂直にレーザ光を出射する面発光レーザ素子において、前記光出射側半導体多層膜反射層は、低屈折率層と、出射されるレーザ光に対して前記低屈折率層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層との対を複数積層した構造を有し、少なくとも一部の前記高屈折率層および／または前記低屈折率層は、温度上昇に応じて前記高屈折率層の屈折率と前記低屈折率層の屈折率の差分値が減少するよう変化する半導体材料を含んで形成されたことを特徴とする。
【００１４】
この請求項１の発明によれば、高温下で光出射側のＤＢＲ反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差が小さくなるため、高温下であっても光出射側の半導体多層膜反射層の反射率を下げ、スロープ効率の低減を緩和または解消することができる。
【００１５】
また、請求項２にかかる面発光レーザ素子は、前記高屈折率層の屈折率の温度上昇に対する増加率は、前記低屈折率層の屈折率の温度上昇に対する増加率よりも低いことを特徴とする。
【００１６】
この請求項２の発明によれば、温度上昇に伴って高屈折率層と低屈折率層の屈折率の差分値が減少するため、出射側半導体多層膜反射層の反射率を下げ、スロープ効率の低減を緩和または解消することができる。
【００１７】
また、請求項３にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記光出射側半導体多層膜反射層において、前記高屈折率層はＴｌを含む半導体材料によって形成されたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記光出射側半導体多層膜反射層において、高屈折率層はＴｌＧａＩｎＡｓＰを含んで形成され、低屈折率層はＡｌＧａＡｓを含んで形成されたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項５にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記光出射側半導体多層膜反射層において、前記高屈折率層はＢｉを含む半導体材料によって形成されたことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項６にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記光出射側半導体多層膜反射層において、高屈折率層はＧａＩｎＡｓＢｉを含んで形成され、低屈折率層はＡｌＧａＡｓを含んで形成されたことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項７にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記半導体基板は、ＧａＡｓを含んで形成され、前記活性層は、ＧａＩｎＡｓ（Ｓｂ）、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）またはＧａＡｓＳｂを含んで形成された量子井戸層を備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項８にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記半導体基板は、ＧａＡｓを含んで形成され、前記活性層は、（Ｇａ）ＩｎＡｓを含んで形成された量子ドット層を備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項９にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記半導体基板は、ＧａＡｓを含んで形成され、前記反射側半導体多層膜反射層は、ＡｌＧａＡｓを含んで形成されることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１０にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記半導体基板は、ＩｎＰを含んで形成され、前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）を含んで形成されることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１１にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記半導体基板は、ＩｎＰを含んで形成され、前記反射側半導体多層膜反射層は、ＡｌＧａＡｓＳｂを含んで形成されたことを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１２にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、発振波長が１．０μｍ以上であることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１３にかかる光送信器は、請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、請求項１４にかかる光送受信器は、請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部とを備えたことを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１５にかかる光通信システムは、請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入力し、伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファイバの他端から出力された前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明にかかる面発光レーザ素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分がふくまれている。
【００３１】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。また、図２は、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子１の下部半導体多層膜反射層３と上部半導体多層膜反射層７の構造を説明するための図である。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、光出射側半導体多層膜反射層の高屈折率層に屈折率変化の温度依存性の少ない材料を用いることによって、環境温度の高温化に伴う閾値電流値の低減およびスロープ効率劣化の緩和もしくは解消を実現する。以下、図１および図２を参照して、具体的な構造を説明する。
【００３２】
実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、ｎ型基板２上に、順次、ｎ型のＤＢＲ反射鏡を積層した下部半導体多層膜反射層３、下部クラッド層４、活性層５、上部クラッド層６を積層した構造を有する。上部クラッド層６上には、ｐ型のＤＢＲ反射鏡を積層した上部半導体多層膜反射層７を有し、ｐ型の上部半導体多層膜反射層７の一部に電流狭窄層８を配置することで、たとえば１０μｍ径の開口部を備えた面発光レーザ素子を構成する。電流狭窄層８は、非選択酸化領域８ａと選択酸化領域８ｂとで構成される。下部半導体多層膜反射層３の上部領域および下部クラッド層４よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されている。また、メサポスト状領域周縁にはポリイミド層９が配置されており、中央に開口部を備え、上部半導体多層膜反射層７上面の露出した部分と接した構造を有するｐ側電極１０が配置されている。ｎ型基板２下面には、裏面電極１１が配置されている。
【００３３】
図１に示す面発光レーザ素子１を得るためには、まず、ｎ型基板２、たとえば、（１００）面のｎ型ＧａＡｓ上に、たとえばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、下部半導体多層膜反射層３が形成される。下部半導体多層膜反射層３は、図２に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発光波長、ｎは屈折率）であるｎ型の高屈折率層１２とｎ型の低屈折率層１３との積層構造を１ペアとして、それをたとえば３５．５ペア分積層している。なお、ｎ型の高屈折率層１２は、たとえばｎ型ＧａＡｓで形成し、ｎ型の低屈折率層１３は、たとえばｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓで形成する。
【００３４】
そして、下部半導体多層反射層３上には、順に、下部クラッド層４、活性層５、上部クラッド層６が形成され、これら層構造によって共振器長ｍλ（ｍは自然数）の共振器が構成される。クラッド層４、６は、たとえばＧａＡｓで形成され、それぞれ、たとえば片側２７０ｎｍずつ成長する。活性層５は、たとえばＧａ_０．６３Ｉｎ_０．３７Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_０．３７Ｓｂ_{０．０１６}井戸層を７．３ｎｍ、ＧａＮ_{０．０１８}Ａｓ_{０ ．９８２}障壁層を２０ｎｍずつとで構成される５重量子井戸を有する。活性層５は、２λの膜厚を有する。
【００３５】
さらに、上部クラッド層６の上部には、上部半導体多層膜反射層７が形成される。上部半導体多層膜反射層７は、図２に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発光波長、ｎは屈折率）であるｐ型の高屈折率層１４とｐ型の低屈折率層１５との積層構造を１ペアとして、それをたとえば２２ペア分積層している。なお、ｐ型の高屈折率層１４は、屈折率変化の温度依存性が少ない半導体材料、たとえば、ｐ型のＴｌＩｎＧａＰあるいはＧａＩｎＡｓＢｉで形成し、ｐ型の低屈折率層１５は、たとえばｐ型のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓで形成する。光出射側に位置する上部半導体多層膜反射層７については、後に詳細に説明する。次に、後の工程で電流狭窄の作用を果たす電流狭窄層８として、たとえば、ｐ型のＡｌＡｓ層を、上部半導体多層膜反射層７の活性層５側から見て最初のペアの中に挿入する。
【００３６】
次に、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層反射層７と上部クラッド層６と活性層５と下部クラッド層４と電流狭窄層８と下部半導体多層反射層３の一部とからなる積層構造の外縁部を除去し、これによりたとえば直径４０μｍのメサポストを形成する。
【００３７】
次に、水蒸気雰囲気中にて約４００℃の温度で酸化処理を行うことで、電流狭窄層８、たとえばｐ型のＡｌＡｓ層を上記メサポストの側壁から選択的に酸化させ、これによって、選択酸化領域８ｂが形成される。たとえば、メサポストの直径が４０μｍであって、選択酸化領域８ｂが１７．５μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心の非選択酸化領域８ａの面積、すなわち電流が通過するアパーチャの面積は、約２０μｍ^２（直径５μｍ）になる。
【００３８】
そして、ポリイミド層９によって、メサポストの周囲を埋めこむ。上部半導体多層膜反射層７のメサポスト上部の外周５〜１０μｍ程度の幅で接触するｐ側電極１０をリング状に形成し、ポリイミド層９上にはワイヤをボンディングする電極パッドを、上記したｐ側電極１０に接触するように形成する。また、ｎ型基板２の裏面には、基板の厚さをたとえば２００μｍ厚に研磨した後、裏面電極１１を形成する。
【００３９】
次に、上記した上部半導体多層膜反射層７について詳細に説明する。上部半導体多層膜反射層７は、上記したように、高屈折率層１４を、屈折率変化の温度依存性が少ない半導体材料、たとえば、ｐ型Ｔｌ_０．０４Ｉｎ_０．４８Ｇａ_０．４８Ｐにより構成する。なお、低屈折率層１５は、従来と同様、温度依存性を示す半導体材料、たとえば、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓにより構成する。以下、光出射側の反射層である、上部半導体多層膜反射層７を構成する高屈折率層１４に屈折率変化の温度依存性の少ない半導体材料を用いる理由を述べる。
【００４０】
既に説明したように、従来の長波長帯面発光レーザ素子は、温度上昇に伴い光利得が減少することによってスロープ効率が低減し、ひいては光出力が低下するという問題を有する。本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、出射側に位置する上部半導体多層膜反射層７における反射率に温度依存性を付与することによって、スロープ効率の低減を抑制している。
【００４１】
まず、高屈折率層１４に屈折率変化の温度依存性の少ない半導体材料を用いることによって、温度上昇に伴って上部半導体多層膜反射層７の反射率が低下することを示す。面発光レーザ素子において、ＤＢＲ反射鏡である半導体多層膜反射層の反射率は、高屈折率層の屈折率ｎ_１および低屈折率層の屈折率ｎ_２と相関関係を有し、具体的には、
Ｒ∝（ｎ_１−ｎ_２）^２・・・（１）
の関係を有する。したがって、高温条件の下でｎ_１−ｎ_２の絶対値が低下する半導体材料によって高屈折率層１４および／または低屈折率層１５を形成することで出射側に位置する上部半導体多層膜反射層７の反射率を、温度上昇に伴って低下させることができる。
【００４２】
図３は、面発光レーザ素子の光出射側の半導体多層膜反射層に使用される材料の屈折率の温度依存性を模式的に示すグラフである。曲線ｌ_１は、高屈折率層の材料として従来使用されていたＧａＡｓに関する屈折率の温度依存性を示し、曲線ｌ_２は、本実施の形態で使用されるＴｌＩｎＧａＡｓＰの屈折率の温度依存性を示す。また、曲線ｌ_３は、低屈折率層の材料として使用されるＡｌＧａＡｓの屈折率の温度依存性を示す。図３に示すように、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓは、温度に依存して屈折率が上昇する一方、ＴｌＧａＩｎＡｓＰは、温度に依存して屈折率が上昇することはない。このため、ＴｌＩｎＧａＡｓＰとＡｌＧａＡｓとを組み合わせて半導体多層膜反射層を構成した場合、温度の上昇に伴って屈折率の差分値は減少し、（１）式により半導体多層膜反射層の反射率が低下することとなる。
【００４３】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、図３の結果を踏まえて半導体多層膜反射層の反射率の温度依存性について示す模式的なグラフである。図４（ａ）は、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子において、出射側に位置する上部半導体多層膜反射層７の反射率の温度依存性について示す。一方、図４（ｂ）は、比較のために示すグラフであり、高屈折率層をＧａＡｓによって形成し、低屈折率層をＡｌＧａＡｓによって形成した従来の半導体多層膜反射層の反射率の温度依存性を示す。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）において、実線は、室温レベル（２５℃程度）における反射率を示し、破線は、高温（例えば、７０℃程度）における反射率を示す。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、出射側に位置する上部半導体多層膜反射層７の反射率は、高屈折率層１４の屈折率の温度依存性が低いために温度が上昇するにつれ低屈折率層１５との屈折率差が減少し、反射率が低下している。一方、比較例として示す図４（ｂ）のグラフでは、温度の上昇に関わらず反射率はほぼ一定の値に維持される。これは、高屈折率層を形成するＧａＡｓと低屈折率層を形成するＡｌＧａＡｓの屈折率の温度依存性が図３のグラフに示すようにほぼ同様の傾向を示すことに起因するものである。すなわち、半導体多層膜反射層の反射率は（１）式に示すように高屈折率層の屈折率と低屈折率層の屈折率との差分値の自乗に比例することから、差分値が一定の場合、半導体多層膜反射層の反射率は温度上昇にも関わらず一定の値を維持することとなる。以上の説明より、従来の半導体多層膜反射層は反射率が一定に維持されるのに対し、本実施の形態１においては、光出射側の上部半導体多層膜反射層７の反射率は温度上昇と共に低下することが示された。
【００４５】
次に、半導体多層膜反射層７の反射率とスロープ効率との関係について説明する。その前提として、まず反射率と開口部から出力されるレーザ光の効率η_ｆとの関係を示す。開口部から出力されるレーザ光の効率η_ｆは、外部微分量子効率η_ｄ、光出射側である上部半導体多層膜反射層７の反射率Ｒ_ｆ、光出射側と反対側となる下部半導体多層膜反射層３の反射率Ｒ_ｒを用いて、
η_ｆ＝η_ｄ／［１＋（Ｒ_ｆ／Ｒ_ｒ）^１／２｛（１−Ｒ_ｒ）／（１−Ｒ_ｆ）｝］
・・・（２）
と表現することができる。ここで、光反射側に位置する下部半導体多層膜反射層３の反射率Ｒ_ｒが一定とすると、（２）式に示すように、レーザ光の効率η_ｆは、外部量子微分効率η_ｄと上部半導体多層膜反射層７の反射率Ｒ_ｆの関数となる。外部量子微分効率η_ｄは温度上昇と共に低下するため、従来のように反射率Ｒ_ｆが一定の値を維持される場合には、レーザ光の効率η_ｆは減少する。一方、本実施の形態１では、上記したように反射率Ｒ_ｆは温度上昇に伴って低下するため、温度の上昇に伴って（２）式右辺の分母の値は減少し、η_ｄの減少分を補償することとなる。すなわち、光出射側である上部半導体多層膜反射層７の反射率が減少する場合、レーザ光の効率η_ｆの温度変化による減少が抑制される。
【００４６】
そして、効率η_ｆとスロープ効率Ｓ_ｒの関係は、レーザ光の波長λを用いて
Ｓ_ｒ＝１．２４η_ｆ／λ・・・（３）
と表される。（３）式より、スロープ効率は、効率η_ｆと比例する関係にある。このため、効率η_ｆの減少を抑制することによって、スロープ効率の減少が緩和もしくは解消されることとなる。
【００４７】
以上説明したように、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、光出射側となる上部半導体多層膜反射層７の高屈折率層１４に、屈折率変化の温度依存性の少ない半導体材料を用いることによって、スロープ効率の減少を抑制することが可能となる。スロープ効率の温度依存性を抑制することにより、環境温度の変化によらず低閾値電流での動作が可能となり、光出力の安定した面発光レーザ素子を実現することが可能となる。実際に上記構造の面発光レーザ素子を作製したところ、閾値電流値が０．５ｍＡ、スロープ効率が０．３Ｗ／Ａであって、０℃乃至８５℃の範囲におけるスロープ効率の減少率を１０％程度に抑制した温度特性に優れた面発光レーザ素子を得ることができた。
【００４８】
以上のように本発明にかかる面発光レーザ素子１について実施の形態１によって説明したが、この開示の一部をなす論述および図面は、この発明を限定するものではない。この開示から当業者は、様々な代替実施の形態、実施例および運用技術を導くことができると思われる。
【００４９】
たとえば、実施の形態１では、光出射側である上部半導体多層膜反射層７の高屈折率層１４として、ＴｌＩｎＧａＡｓＰおよびＧａＩｎＡｓＢｉを用いるとしたが、ＴｌＧａＡｓまたはＴｌＧａＰまたはＴｌＩｎＧａＰを用いるとしてもよい。
【００５０】
また、屈折率変化の温度依存性の少ない半導体材料として、Ｔｌ系以外の、例えばＢｉ系の半導体材料を用いて高屈折率層１４を形成しても良い。Ｂｉ系の半導体材料とは、具体的には、ＧａＡｓＢｉ、ＧａＩｎＡｓＢｉ等Ｂｉを含有する半導体材料のことをいう。かかる半導体材料もＴｌを含んだ半導体材料と同様に、屈折率変化の温度依存性が少ないため、高温でもスロープ効率の減少を緩和もしくは解消し、安定した光出力を備えた面発光レーザ素子を実現することができる。
【００５１】
さらに、光出射側である上部半導体多層膜反射層７の低屈折率層１５についても、従来とは異なる半導体材料を用いることとしても良い。（１）式でも示したように、上部半導体多層膜反射層７の反射率は高屈折率層１４と低屈折率層１５の屈折率差に依存することから、高屈折率層１４を従来と同様の半導体材料によって形成し、低屈折率層１５を屈折率変化の温度依存性が大きい半導体材料によって形成しても良い。さらには、Ｔｌ等を含む高屈折率層１４と屈折率変化の温度依存性の高い低屈折率層１５とを組み合わせた構造によって上部半導体多層膜反射層７を形成しても良い。
【００５２】
なお、上部半導体多層膜反射層７を形成するあらゆる高屈折率層１４、低屈折率層１５について上記構造を採用する必要はない。上部半導体多層膜反射層７の反射率に温度依存性を持たせたのはあくまで温度上昇による光利得の低下を補償してスロープ効率の減少を緩和もしくは解消するためである。したがって、かかる目的を達成できるのであれば、一部の高屈折率層および／または低屈折率層についてのみ上記半導体材料によって形成することとしても良い。
【００５３】
また、実施の形態１では、ｎ型基板２はＧａＡｓによって形成されるものとしたが、ＩｎＰによって形成することとしても良い。基板をＩｎＰとした場合、光出射側の反対側となる半導体多層反射層は、基板であるＩｎＰとほぼ格子整合するＡｌＧａＡｓＳｂとＧａＡｓＳｂとの対を１ペアとして、たとえば、３５．５ペア積層することにより形成する。また、光出射側となる半導体多層反射層は、低屈折率層としてたとえばＡｌＧａＡｓＳｂと、高屈折率層としてＴｌを含む半導体材料、たとえば、ＴｌＧａＩｎＰとの対を１ペアとして、たとえば、２２ペア積層することにより形成する。さらに、活性層は、たとえば、７層のＡｌＧａＩｎＡｓ系の量子井戸層を備えた構造としても良い。
【００５４】
また、活性層５を形成する量子井戸層についても、ＧａＩｎＮＡｓＳｂで構成するほか、例えばＩｎＰ基板上であれば、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）で構成してもよい。同様に、ＧａＡｓＳｂで構成してもよい。また、ＧａＡｓ基板上であれば、活性層５をＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）ＧａＡｓＳｂのいずれかを用いた量子井戸層か、または（Ｇａ）ＩｎＡｓの量子ドット層によって形成する構造としても良い。
【００５５】
また、光出射側と反対側となる下部半導体多層膜反射鏡３を形成する低屈折率層１３についても、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓに限定される必要はなく、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ≦１）により低屈折率層１３を形成することも可能である。同様に、高屈折率層１２についても、ＧａＡｓに限定される必要はなく、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０≦ｘ２≦０．２）により高屈折率層１２を形成することも可能である。また、光出射側の上部半導体多層膜反射鏡７を形成する低屈折率層１５についても、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓに限定される必要はなく、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ３Ａｓ（０．５≦ｘ３≦１）により低屈折率層１５を形成することも可能である。
【００５６】
また、電流狭窄層８において非選択酸化領域８ａを構成する酸化前の半導体層についても、ＡｌＡｓ以外にも、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ａｓ（０．９７≦ｘ４＜１）を使用しても良い。
【００５７】
また、面発光レーザ素子を構成する半導体層について、導電型を上記したものと反対としてもよい。たとえば、ｐ型基板上に順次半導体層を積層する構造とすることが可能である。また、ｐ型のドーパントとしてはＣを用いるのが一般的だが、Ｚｎ、Ｂｅを用いることとしても良い。さらに、面発光レーザ素子から出力されるレーザ光の波長についても、８５０ｎｍ以上の長波長帯、例えば、９８０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯、１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯等に本発明を適用することが可能である。
【００５８】
さらに、活性層５について、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１においては、５重量子井戸層を有する構造として説明したが、単一量子井戸層、もしくは、２層乃至５層程度の量子井戸層を有する多重量子井戸層を備えた構造としても良い。
【００５９】
（実施の形態２）
次に実施の形態２にかかる光通信器について説明する。図５は、実施の形態２にかかる光通信器の構造を示すブロック図である。本実施の形態２にかかる光通信器は、光信号を送受信するための光送信部３４および光受信部３５を有する光送受信器３１と、電気信号を光送受信器３１に入力する信号多重化回路３２と、光送受信器３１が受信した光信号から得られる電気信号を分離する信号分離回路３３とを有する。
【００６０】
光送信部３４は、信号多重化回路３２から入力された電気信号を光信号に変換して送信するためのものである。具体的には、光送信部３４は、光信号を出射する面発光レーザ素子３６と、入力された電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６を制御する制御回路３７と、面発光レーザ素子３６から出射された光信号を外部に出力するための出力光学系３８とを有する。
【００６１】
光送信部３４に含まれる面発光レーザ素子３６には、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子を用いる。したがって、面発光レーザ素子３６は、温度特性が良好で、熱飽和が生じにくいために高い光強度のレーザ光を出力する。
【００６２】
光受信部３５は、外部から受信した光信号を電気信号に変換して信号分離回路３３に出力するためのものである。具体的には、光受信部３５は、光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子３９と、光信号を光電変換素子３９に導くための入力光学系４０と、光電変換素子３９から出力される電気信号を増幅する増幅回路４１とを有する。光電変換素子３９は、受信した光信号の強度に基づいて電気信号を出力する。光電変換素子３９としては、フォトダイオードのほか、光抵抗などを用いることが可能である。
【００６３】
信号多重化回路３２は、外部から入力される複数の電気信号を多重化して１本の電気信号にするためのものである。多重化されて得られた１本の電気信号は、光送受信器３１を構成する光送信部３４に出力される。
【００６４】
信号分離回路３３は、光送受信器３１を構成する光受信部３５から得られた電気信号について、複数の電気信号に分離するためのものである。光受信部３５で受信される光信号は元来複数の信号を含んでいるため、光信号を光電変換して得られる電気信号についても、情報を取り出すためには複数の電気信号に分離する必要があるためである。
【００６５】
次に、本実施の形態２にかかる光通信器の動作について説明する。実施の形態２にかかる光通信器は、複数の電気信号について送受信をおこなうためのものである。最初に、送信動作について説明する。
【００６６】
まず、外部から入力された複数の電気信号は、信号多重化回路３２で単一の電気信号に変換される。そして、この単一の電気信号が信号多重化回路３２から制御回路３７に入力され、制御回路３７は、この電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６に注入する電流を制御する。具体的には、制御回路３７によって、電気信号波形に対応した波形を有する光信号が面発光レーザ素子３６から出射される。
【００６７】
次に、受信動作について説明する。外部から伝送された光信号は、入力光学系４０を介して入射し、光電変換素子３９によって受信される。光電変換素子３９は受信した光信号の強度変化に対応した波形を有する電気信号を出力する機能を有し、変換された電気信号は増幅回路４１に入力される。外部から入力された光信号の強度は、一般に微弱であるため、光電変換素子３９から出力される電気信号の強度も微弱となり、増幅回路４１によってその強度を増幅される。その後、増幅された電気信号は信号分離回路３３に入力され、複数の電気信号に分離される。以上で受信動作が終了する。
【００６８】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる光通信システムについて説明する。図６は、実施の形態３にかかる光通信システムの構造を示す模式図である。実施の形態３にかかる光通信システムは、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子を信号光源に使用している。具体的には、本実施の形態３にかかる光通信システムは、信号多重化回路４２と、信号多重化回路４２に接続された制御回路４３と、制御回路４３に接続された面発光レーザ素子４４と、伝送用光ファイバ４６と、面発光レーザ素子４４と伝送用光ファイバ４６の一端とを光結合させるための光学系４５とを有する。また、伝送用光ファイバ４６の他端と光学系４７を介して光結合した光電変換素子４８と、光電変換素子４８とを接続された増幅回路４９と、増幅回路４９と接続された信号分離回路５０とを有する。
【００６９】
信号多重化回路４２で得られた単一の電気信号は制御回路４３に入力され、この電気信号に基づいて制御回路４３は面発光レーザ素子４４に注入する電流について制御を行う。これにより、面発光レーザ素子４４から出力される光信号は、信号多重化回路４２で得られた電気信号に対応した波形を有する。面発光レーザ素子４４から出力された光信号は光学系４５を介して伝送用光ファイバ４６の一端に入射し、伝送用光ファイバ４６中を伝送する。
【００７０】
そして、伝送用光ファイバ４６中を伝送した光信号は、伝送用光ファイバ４６の他端から出射し、光学系４７を介して光電変換素子４８に入射する。光電変換素子４８は、受信した光信号に基づく電気信号を出力し、増幅回路４９で増幅された後に信号分離回路５０に入力される。
【００７１】
信号分離回路５０は、入力された電気信号について、信号多重化回路４２で多重化される前の個々の電気信号に分離して、情報を復元する。このようにして本実施の形態３にかかる光通信システムは情報の伝送をおこなう。
【００７２】
本実施の形態３にかかる光通信システムでは、送信側の信号光源として、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子を使用している。そのため、環境温度が高温下である場合でも、低閾値で信頼性の高い信号光源を使用することが可能である。また、温度特性が良好で、熱飽和を抑制できるために高出力のレーザ光を出力することが可能である。
【００７３】
また、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は出射波長を１．２μｍ以上の波長を有するため、伝送用光ファイバ４６において低損失となる波長を選択することが可能である。また、これらの波長帯において、既存の光通信システムを利用することができるという利点も有する。たとえば、出射波長を１．４８０μｍとして、伝送用光ファイバ４６の途上にＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を配置する構造としてもよい。この場合、ＥＤＦＡによって光信号の強度を増幅することができるので、伝送距離をさらに延伸させることができる。同様に、ＴＤＦＡ、ラマン増幅器等を用いてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる面発光レーザ素子によれば、光出射側の半導体多層膜反射層の高屈折率層に温度依存性のない半導体材料を用いることにより、環境温度に依存しない、低い閾値電流での動作が可能で、高い光出力を達成する面発光レーザを作製することが可能となった。
【００７５】
また、請求項１１から１４の発明によれば、温度特性が改善された面発光レーザ素子を用いたため、閾値電流密度の温度依存性が低く、高温でもレーザ発振が可能で、高出力の信号光源を有した光送受信器および光通信システムを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の断面図である。
【図２】本実施の形態にかかる面発光レーザ１の下部半導体多層膜反射層３と上部半導体多層膜反射層７の構造を説明するための図である。
【図３】ＧａＡｓ、ＴｌＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓの屈折率変化の温度依存性を示す模式的なグラフである。
【図４】（ａ）は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子における光出射側の上部半導体多層膜反射層７の反射率の温度変化を示す模式的なグラフであって、（ｂ）は従来の面発光レーザ素子の上部半導体多層膜反射層の反射率の温度変化を示す模式的なグラフである。
【図５】実施の形態２にかかる光通信器の構造を示すブロック図である。
【図６】実施の形態３にかかる光通信システムの構造を示す模式図である。
【図７】従来技術にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図８】従来技術にかかる面発光レーザ１０１の下部半導体多層膜反射層１０３と上部半導体多層膜反射層１０７の構造を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 面発光レーザ素子
２ ｎ型基板
３ 下部半導体多層膜反射層
４ 下部クラッド層
５ 活性層
６ 上部クラッド層
７ 上部半導体多層膜反射層
８ 電流狭窄層
８ａ 非選択酸化領域
８ｂ 選択酸化領域
９ ポリイミド層
１０ ｐ側電極
１１ 裏面電極
１２ 高屈折率層
１３ 低屈折率層
１４ 高屈折率層
１５ 低屈折率層
３１ 光送受信器
３２ 信号多重化回路
３３ 信号分離回路
３４ 光送信部
３５ 光受信部
３６ 面発光レーザ素子
３７ 制御回路
３８ 出力光学系
３９ 光電変換素子
４０ 入力光学系
４１ 増幅回路
４２ 信号多重化回路
４３ 制御回路
４４ 面発光レーザ素子
４５ 光学系
４６ 伝送用光ファイバ
４７ 光学系
４８ 光電変換素子
４９ 増幅回路
５０ 信号分離回路
１０１ 面発光レーザ素子
１０２ ｎ型基板
１０３ 下部半導体多層膜反射層
１０４ 下部クラッド層
１０５ 活性層
１０６ 上部クラッド層
１０７ 上部半導体多層膜反射層
１０８ 電流狭窄層
１０８ａ 非選択酸化領域
１０８ｂ 選択酸化領域
１０９ ポリイミド層
１１０ ｐ側電極
１１１ 裏面電極
１１２、１１４ 高屈折率層
１１３、１１５ 低屈折率層

Claims (15)

1. 半導体基板上に、光反射側多層膜反射層と、光出射側半導体多層膜反射層と、光反射側半導体多層膜反射層および光出射側半導体多層膜反射層の間に挟設された活性層とを備え、前記半導体基板に垂直にレーザ光を出射する面発光レーザ素子において、
   前記光出射側半導体多層膜反射層は、低屈折率層と、出射されるレーザ光に対して前記低屈折率層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層との対を複数積層した構造を有し、少なくとも一部の前記高屈折率層および／または前記低屈折率層は、温度上昇に応じて前記高屈折率層の屈折率と前記低屈折率層の屈折率の差分値が減少するよう屈折率が変化する半導体材料を含んで形成されたことを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記高屈折率層の屈折率の温度上昇に対する増加率は、前記低屈折率層の屈折率の温度上昇に対する増加率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記光出射側半導体多層膜反射層において、前記高屈折率層はＴｌを含む半導体材料によって形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記光出射側半導体多層膜反射層において、前記高屈折率層はＴｌＧａＩｎＡｓＰを含んで形成され、前記低屈折率層はＡｌＧａＡｓを含んで形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
5. 前記光出射側半導体多層膜反射層において、前記高屈折率層はＢｉを含む半導体材料によって形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記光出射側半導体多層膜反射層において、前記高屈折率層がＧａＩｎＡｓＢｉを含んで形成され、前記低屈折率層はＡｌＧａＡｓを含んで形成されたことを特徴とする請求項１、２または５に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記半導体基板は、ＧａＡｓを含んで形成され、
   前記活性層は、ＧａＩｎＡｓ（Ｓｂ）、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）またはＧａＡｓＳｂを含んで形成された量子井戸層を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
8. 前記半導体基板は、ＧａＡｓを含んで形成され、
   前記活性層は、（Ｇａ）ＩｎＡｓを含んで形成された量子ドット層を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
9. 前記半導体基板は、ＧａＡｓを含んで形成され、
   前記反射側半導体多層膜反射層は、ＡｌＧａＡｓを含んで形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
10. 前記半導体基板は、ＩｎＰを含んで形成され、
    前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）を含んで形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
11. 前記半導体基板は、ＩｎＰを含んで形成され、
    前記反射側半導体多層膜反射層は、ＡｌＧａＡｓＳｂを含んで形成されたことを特徴とする請求項１乃至６または１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
12. 前記レーザ光の波長が１．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路と、
    を備えたことを特徴とする光送信器。
14. 請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、
    外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部と、
    を備えたことを特徴とする光送受信器。
15. 請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
    該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
    前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入力し、伝送する伝送用光ファイバと、
    該伝送用光ファイバの他端から出力された前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
    を備えたことを特徴とする光通信システム。

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