JP2004342629A - 垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システム - Google Patents
垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】レーザ出力光を１本の光入力のみで変調することが可能な変調機能を有する垂直共振型面発光半導体レーザ装置およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システムの提供。
【解決手段】基板６０１上に、活性層６０５を含む共振器６０３と、共振器６０３の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡６０２，６０８と、活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光強度を変調する光変調に関する。外部から入力光を入射した場合に、光吸収層６０４の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光を遮断した場合に、光吸収層６０４による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下するという作用を利用して光変調を実現している。
【選択図】 図１
【解決手段】基板６０１上に、活性層６０５を含む共振器６０３と、共振器６０３の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡６０２，６０８と、活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光強度を変調する光変調に関する。外部から入力光を入射した場合に、光吸収層６０４の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光を遮断した場合に、光吸収層６０４による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下するという作用を利用して光変調を実現している。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変調機能を有する垂直共振型面発光半導体レーザ装置およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板と垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は、消費電力が低い、２次元アレイ化が可能である等の特徴から、光通信や光情報処理の機能デバイスとして期待されている。
【０００３】
垂直共振器型面発光半導体レーザ装置内に、可飽和吸収領域を設けることにより、双安定動作を行う装置として、特公平７−１１２０８７号公報（特許文献１）、特開平８−１８１４６号公報（特許文献２）、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）が提案されている。
【０００４】
上記の双安定垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、活性層の注入電流に対するレーザ光出力のヒステリシス特性、および、可飽和吸収領域への光入力に対するレーザ光出力のヒステリシス特性を用いて双安定動作を実現している。
【０００５】
そのため、可飽和吸収領域へ光を入力すると、光入力を切っても光出力はオン状態が維持される。光出力をオフにするためには、活性層の注入電流を下げるか、可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電界を増加して吸収を増加させてやる必要がある。
【０００６】
また、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）においては、可飽和吸収領域に対して外部注入光を結合させるために、光導波路構造を設けている。これにより、可飽和吸収領域に対する外部注入光の結合効率を高くして、より小さい光入力強度で光スイッチ動作を実現している。
【０００７】
また、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）においては、活性層に別な外部注入光を入射することで、活性層の利得クエンチングにより双安定レーザを非発振状態に遷移させている。
【０００８】
垂直共振器型面発光半導体レーザ装置に、可飽和吸収領域を設けた別な従来例として、特開平６−３０２９１６号公報（特許文献４）、特開平９―１０７１４８号公報（特許文献５）が提案されている。これは、可飽和吸収領域が垂直共振器型面発光半導体レーザ自身の光によって吸収飽和する現象を用いた自励発振型の半導体レーザとなっている。
【０００９】
さらに、特開平５−１５２６７４号公報（特許文献６）においては、電界吸収により光吸収率を変化させる外部変調器を垂直共振器型面発光レーザ装置に集積した構造が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】
特公平７−１１２０８７号公報
【特許文献２】
特開平８−１８１４６号公報
【特許文献３】
特公平６−２９６２５号公報
【特許文献４】
特開平６−３０２９１６号公報
【特許文献５】
特開平９―１０７１４８号公報
【特許文献６】
特開平５−１５２６７４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特公平７−１１２０８７号公報（特許文献１）、特開平８−１８１４６号公報（特許文献２）に示された双安定垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、可飽和吸収領域へ光入力を入力すると、光入力を切っても光出力はオン状態が維持される。光出力をオフにするためには、活性層の注入電流を下げるか、可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電界を増加して吸収を増加させてやる必要がある。そのため、光入力のみで出力光のオン、オフを行うことができない。
【００１２】
また、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）においては、光出力をオンにする外部注入光とは別に、活性層に外部注入光を入射することで、双安定レーザ装置を非発振状態に遷移させている。そのため、制御光が２つ必要となってしまう。
【００１３】
また、特開平６−３０２９１６号公報（特許文献４）、特開平９―１０７１４８号公報（特許文献５）に示された自励発振垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、パルス光にデータ信号を自励発振の周波数でそのまま乗せることはできない。
【００１４】
また、特開平５−１５２６７４号公報（特許文献６）に示された外部変調器を集積した垂直共振器型面発光レーザにおいても、光強度の変調を変調器に印加する電界強度で行っており、全光型のスイッチ動作は実現できない。
【００１５】
そこで、本発明の各請求項は、次の目的を有する。
請求項１の目的は、レーザ出力光を１本の光入力のみで変調することが可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を提供することにある。
【００１６】
また、請求項２および３の目的は、上記の変調原理を用いて、より低出力の入力光で光強度を変調させる垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を提供することにある。
【００１７】
また、請求項４から１３に記載の発明においては、上記装置を用いて高性能の光信号処理装置（垂直共振型面発光半導体レーザ装置、それを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システム）を実現することを目的としている。
【００１８】
【発明を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成を採用した。以下、請求項毎の特徴を述べる。
【００１９】
ａ）請求項１記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、外部から入力光が入射された場合に、光吸収層の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光が遮断された場合に、光吸収層による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下することにより光変調が行われることを特徴としている。
【００２０】
ｂ）請求項２記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成されるように共振器の長さが形成され、複数の共振器モードのうちの一つがレーザ発振波長であり、別の共振器モードが入力光波長と一致することを特徴としている。
【００２１】
ｃ）請求項３記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことを特徴としている。
【００２２】
ｄ）請求項４記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調することを特徴としている。
【００２３】
ｅ）請求項５記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置である。
【００２４】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することを特徴としている。
【００２５】
ｇ）請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴としている。
【００２６】
ｈ）請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層および／または活性層の材料として、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴としている。
【００２７】
ｉ）請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光論理演算装置である。
【００２８】
ｊ）請求項１０記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする波長変換装置である。
【００２９】
ｋ）請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の波長変換装置において、波長０．８５μｍ帯の光信号と波長１．３μｍ帯の光信号とを変換することを特徴としている。
【００３０】
ｌ）請求項１２記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光パルス波形整形装置である。
【００３１】
ｍ）請求項１３記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、請求項９記載の光論理演算装置、請求項１０または１１記載の波長変換装置、あるいは請求項１２記載の光パルス波形整形装置を用いたことを特徴とする光伝送システムである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（１）第１の実施形態（請求項１）
本発明の第１の実施形態は、図１に記載されているような、基板６０１上に、活性層６０５を含む共振器６０３と、共振器６０３の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡６０２，６０８と、活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光強度を変調する光変調方式に関するものである。
【００３３】
ここでは図１に示した構造を用いて説明するが、ここで説明する光変調方式は、後述する図１０，図１１，図１２，図１３，図１４，図１６，図１７，図１９に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の構造においても適用できる。
【００３４】
本発明は、例えば図１に示すような光吸収層６０４構造を有する構造を採用することにより、外部から入力光を入射した場合に、この光吸収層６０４の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光を遮断した場合に、光吸収層６０４による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下するという作用を利用して光変調を実現している。より詳細な説明は、後述する実施例１を参照されたい。
【００３５】
図２は、光変調動作を説明する図であり、活性層６０５に対する注入電流（Ｉｏｐ）と光出力の関係を示している。
【００３６】
図１のように、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４を設けることで、図２のＢに示すように、光吸収損失が増加し、光吸収層が設けられていない場合に比べて半導体レーザの閾電流が増加する。
【００３７】
ここで、光吸収層６０４で吸収される波長の光を外部から注入してやると、光吸収層６０４で外部注入光の吸収が発生する。吸収された光により光吸収層６０４内でキャリアが発生するため、外部注入光強度を強くしていくと、光吸収層６０４の吸収飽和が生じる。これにより、光吸収層６０４の吸収係数が低減されるため、活性層６０５で発生した光に対する光吸収損失が低減される。
【００３８】
これにより、半導体レーザの閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、活性層６０５に対する注入電流（Ｉｏｐ）を一定にしておくと、外部から光を注入することで、図２のＡに示すように、光を注入しない場合に比べて出力されるレーザ光強度が増加する。
【００３９】
そして、再び外部注入光を切ると、光吸収層内で光励起されたキャリアが減少し、活性層の光に対する吸収が増加する。従って、図２のＢに示すように、半導体レーザの閾電流が増加して光出力が減少する。
【００４０】
特に、動作電流Ｉｏｐを、外部から入力光があった場合にはレーザ発振し、外部から入力光がない場合にはレーザ発振しないように設定することで、出力光強度の差が大きくなる。従って、変調のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
【００４１】
以上の動作により、外部から入力する光信号をオン／オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を制御して変調することが可能となる。
【００４２】
以上の方式においては、特許文献１，特許文献２，特許文献６に示された方式とは異なり、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を電気的にではなく光信号で変調することが可能である。
【００４３】
また、特許文献３に示された方式とは異なり、１本の制御光のみで、出力光強度を変調することができるため、システム構成が簡略化される。
【００４４】
なお上述したように、本方式では、注入電流−光出力あるいは光入力−光出力のヒステリシス特性を用いていない（図２参照）。注入電流−光出力特性のヒステリシスは、光吸収層の吸収飽和が活性層で発生した光自身で生じるために表れる。本方式では、光吸収層の吸収飽和は、活性層で発生した光に対しては十分小さく、外部注入光に対しては大きくなるような範囲で動作させている。
【００４５】
ヒステリシス特性を利用する双安定レーザでは、外部注入光をオフにしてもレーザ発振状態が維持されるため、出力光強度は強いままである。一方、本方式では、図２のＢに示されているように、外部注入光をオフにしたときに、出力光強度は外部注入光を入力したときよりも低下するため、出力光強度を変調することができる。この点において、双安定レーザと動作が異なっている。
【００４６】
また、光吸収層の位置を、活性層に対して電流を注入する経路の外側に設けることによって、光吸収層の吸収係数の変化が活性層内のキャリア密度に対して依存しなくしている。そのため、特許文献５に示されるような自励発振を抑制することができる。
【００４７】
光吸収層に対しては、逆バイアス電界を印加することも可能である。これにより、外部注入光をオフにしたときに、光吸収層内に残った励起キャリアを速やかに排出することができるため、スイッチオフ時間をより短くすることができる。
【００４８】
また、外部から注入される光は、バイアス光と制御光の２本にすることも可能である。即ち、バイアス光のみでは光吸収層の吸収飽和が生じず、バイアス光と制御光が合わさった場合にのみ吸収飽和が生じるようにバイアス光と制御光の光強度を調整する。この場合、バイアス光はＣＷ光でよいため、、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を変調する信号は、制御光１本のみである。
【００４９】
上記、光吸収層としては、バルク半導体層以外に、量子井戸構造や超格子構造を用いることが可能である。
【００５０】
また、光吸収層は、共振器構造内、下部分布ブラッグ反射鏡内、上部分布ブラッグ反射鏡内、あるいは分布ブラッグ反射鏡の外部に設けることができる。
光吸収層を共振器構造内に設けた場合には、光吸収層を活性層に近接させることができるため、効率よく活性層の光を吸収させることができる。
【００５１】
一方、自励発振を抑制するために、光吸収層は活性層に対する電流注入経路の外側に設ける必要がある。光吸収層を分布ブラッグ反射鏡内に設けた場合には、活性層に電流を注入する電極コンタクト層を共振器内ではなく、活性層から離れた分布ブラッグ反射鏡内に設けることができる。そのため、素子抵抗の増加を抑制することができる。
【００５２】
光吸収層を上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設ける場合、好ましくは光吸収層を活性層側から５周期以内の分布ブラッグ反射鏡に設けることが望ましい。５周期よりも外側では、素子内の光の定在波分布のピーク強度が大きく減衰するため、光吸収層により活性層で発生した光を吸収する効率が低下してしまうためである。
【００５３】
また、光吸収層の位置を、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内の光定在波分布における腹の位置に設けることで、光吸収層による光吸収効率を向上させることができる。
【００５４】
（２）第２の実施形態（請求項２）
本発明の第２の実施形態においては、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成されるように共振器の長さが形成されており、複数の共振器モードのうちのひとつがレーザ発振波長であり、別の共振器モードが入力光波長と一致することを特徴としている。
【００５５】
第２の実施形態の装置は、第１の実施形態に示した光変調方式を用いることが可能となっている。
【００５６】
第２の実施形態の装置においては、図３に示すように、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モード（λ１、λ２、λ３）が形成されるように共振器の長さが形成されている。
【００５７】
例えば、１．３μｍ帯において、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ材料系で分布ブラッグ反射鏡を形成した場合に、共振器の光学波長はが６λ以上になると、高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成される。共振器モードのひとつと、活性層の利得波長をほぼ一致させることで、垂直共振器型面発光半導体レーザの出力光波長を決定することができる。
【００５８】
また、複数の共振器モードのうちで、発振波長とは別の共振器モードを入力光波長と一致させる。これにより、垂直共振器型面発光型半導体レーザ素子に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡を通過して、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができるため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【００５９】
また、入力光波長と出力光波長が異なるため、素子の一方の面から光を入出力する反射型で使用する場合に、入力光と出力光との区別が容易となる。
なお、本実施例の素子は、反射型だけではなく、ウエハの一方の面から入力し、他方の面から出力される透過型で使用することも可能である。
【００６０】
（３）第３の実施形態（請求項３）
本発明の第３の実施形態においては、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことを特徴としている。
【００６１】
第３の実施形態では、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことで、垂直共振器型面発光型半導体レーザ素子に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができる。そのため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【００６２】
また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなる。そのため、入力光の波長範囲が大きくとれるため、システム構成の制限が小さくなる。また、入力光の波長変動に対しても安定に動作させることができる。
【００６３】
特許文献３においては、可飽和吸収領域に対して外部注入光を結合させるために、光導波路構造を設けている。一方、本方式では、導波路で結合させずに基板に垂直方向から入力光を入射させることができる。従って、作製工程が簡略化でき、また素子の集積密度を増加させることができる。
【００６４】
なお、光吸収層の吸収飽和は、活性層の発振領域に対応した部分で発生させる必要がある。従って、入力光を入射する窓部は、面内方向で、活性層の発振領域に対して、キャリアの拡散長以内の距離になるように位置することが望ましい。
【００６５】
（４）第４の実施形態（請求項４）
本発明の第４の実施形態は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調することを特徴としている。
【００６６】
第４の実施形態では、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に、活性層の光を吸収する光吸収層を面内でパターニングして設けている。例えば、発光領域の同心円状の中心部には光吸収層がなく、周辺部にのみ光吸収層が設けられている。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部で光吸収損失が増加するため、基本横モードで発振しやすくなる。
【００６７】
そして、外部から光吸収層で吸収される波長の光を注入してやると、周辺部の光吸収層で吸収飽和が生じることにより、光吸収層の吸収損失が低減される。これにより、横モードが高次モードで発振しやすくなる。活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【００６８】
垂直共振器型面発光レーザ素子は、横モードによって出力される光の放射分布が異なる。従って、基板にほぼ垂直方向の光を選択的に取りこむようにすることで、基本横モードのときは光強度が強く、高次横モードのときには光強度が低下するため、光強度の変調も可能となる（図４参照）。
【００６９】
また、図５に示すように、垂直共振器型面発光レーザ素子から出力される光を、基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、図６に示すように、外部入力信号に応じて出力信号を、通常信号と反転信号の２種類を取り出すことも可能である。
【００７０】
また、別な応用として、信号を垂直共振器型面発光レーザ素子の活性層に注入する電気信号として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、図７に示すように、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。
【００７１】
これにより１系列の光信号（入力光）を２系列の出力光１，２に分離する光分岐動作が可能となる。また、電界吸収型光変調器と本実施形態の発光装置とを集積して構成することもできる。
【００７２】
（５）第５の実施形態（請求項５）
本発明の第５の実施形態は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置である。
【００７３】
電界吸収型光変調器においてバイアスを印加しない場合には、活性層で発光する光に対して透明となっている。そのため、面発光半導体レーザの閾電流は低いままである。
【００７４】
一方、電界吸収型光変調器に逆方向バイアスを印加すると、光吸収係数が増加するため、面発光半導体レーザの閾電流は増加する。従って、活性層に対する注入電流を一定にしておき、電界吸収型光変調器に印加する電界を変調することにより、レーザ光出力強度を変調することが可能となる。
【００７５】
半導体光変調器に電界を印加して変調する方式は、活性層に注入する電流値を直接変調する場合に比べて、変調周波数を増大させることができる。従って、面発光半導体レーザ装置を、１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数で変調することが可能である。
【００７６】
さらに、第５の実施形態では、第４の実施形態と同様に、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に、活性層の光を吸収する光吸収層を面内でパターニングして設けている。例えば、発光領域の同心円状の中心部には光吸収層がなく、周辺部にのみ光吸収層が設けられている。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部で光吸収損失が増加するため、基本横モードで発振しやすくなる。
【００７７】
そして、外部から光吸収層で吸収される波長の光を注入してやると、周辺部の光吸収層で吸収飽和が生じることにより、光吸収層の吸収損失が低減される。これにより、横モードが高次モードで発振しやすくなる。活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【００７８】
本発光装置では、活性層に注入する電流値を一定にしておき、信号を電界吸収型光変調器に印加する電界として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。これにより、例えば１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数のシリアル光信号を、２系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【００７９】
（６）第６の実施形態（請求項６）
本発明の第６の実施形態は、第１から第５の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することを特徴としている。
【００８０】
垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の発振波長を変える機構としては、共振器内に屈折率変調層を設ける方法がある。屈折率変調層は、バルク材料または超格子材料で構成されており、発振波長に対して透明となっている。屈折率変調層に電界を印加したり、電流を注入することによって屈折率を変化させることができる。これにより、共振器の光学長が変化して共振波長を変化させることが可能である。
【００８１】
また、共振器中や、共振器と反射鏡の間や、反射鏡中にギャップを設けて、その間隔を変化させることで発振波長を変えることも可能である。
【００８２】
本発明の第１から第５の実施形態に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、入力光波長範囲を広くとることが可能である。しかし、出力光波長については、素子によって１つの波長しか出力することができなかった。
【００８３】
しかしながら、第６の実施形態では、出力光波長も変えることが可能である。
即ち、同一の素子で、波長λ１、λ２、・・・、というように出力光波長を選択して出射することができる。そのため、波長λ１の光が入力した場合にλ２に波長変換して出力するだけでなく、波長λ２の光が入力した場合にλ１に変換して出力することができる。
【００８４】
後述する第１０の実施形態では、λ１からλ２に波長変換する素子と、λ２からλ１に波長変換する素子とは、構造が異なる別の素子を用いる必要がある。しかしながら、本実施形態では、同一の素子で、λ１とλ２の光信号を相互に変換することが可能である。
【００８５】
また、本素子をモノリシックアレイ化することで、異なる波長を出力できる小型の波長変換スイッチを容易に構成することができる。
【００８６】
（７）第７の実施形態（請求項７）
本発明の第７の実施形態においては、第１から第６の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴としている。
【００８７】
サブバンド間吸収は、通常の伝導帯と価電子帯とのバンド間遷移による吸収とは異なり、量子井戸構造における伝導帯（または価電子帯）内の量子準位間での遷移によって生じる吸収である。サブバンド間吸収はキャリアの緩和時間がバンド間遷移よりも速いため、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いた場合に、吸収飽和からの回復時間を短くすることができる。従って、より高速に光変調を行うことができる。
【００８８】
（８）第８の実施形態（請求項８）
本発明の第８の実施形態においては、第１から第７の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、光吸収層および／または活性層の材料として、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴としている。
【００８９】
窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体は窒素系Ｖ族混晶半導体として知られている。ＩＩＩ族元素としてＧａ，Ｉｎ，Ａｌのいずれかまたは複数の元素を含み、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）の他にＡｓ，Ｐ，Ｓｂのいずれかまたは複数の元素を含む混晶半導体である。
【００９０】
ＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等はＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長することが可能である。そして、窒素組成が小さい範囲において、窒素を含まない元の結晶に比べてエネルギーバンドギャップが小さくなるという特性を有している。これにより、ＧａＡｓ基板上に、１．２μｍ〜１．６μｍの長波長帯の活性層、あるいは光吸収層を形成することができる。従って、光通信で用いられている波長に適した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を構成することができる。
【００９１】
そして、ＧａＡｓ基板を用いることで、ＡｌＧａＡｓ材料系から構成された高性能の分布ブラッグ反射鏡を用いることができる。そのため、本発明の構成の基本となる垂直共振器型面発光レーザの特性が高くなる。
【００９２】
また、窒素は他のＶ族元素であるＡｓやＰとの非混和性が強いことが知られている。従って、光吸収層において窒素組成を高くすることにより、非発光再結合中心が増加してキャリア寿命を短くすることができる。従って、光吸収層に高濃度ドーピングした効果と同様に、キャリア緩和時間を短くすることができ、より高速で光を変調させることが可能となる。
【００９３】
また、Ｖ族元素としてＡｓまたはＰを主たる元素とする半導体に対して、窒素を少ない組成で添加した場合に、伝導帯のバンド端位置が大きく低下する。例えば、Ｎを１％含むＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９は、ＧａＡｓに対して３５０ｍｅＶの伝導帯バンド端不連続を有することが報告されている（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏｌ．３， Ｎｏ．３， ｐ７１９）。
【００９４】
この効果により、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を井戸層に用いると、伝導帯バンド不連続を拡大することができ、伝導帯内のサブバンド間吸収を利用した光吸収層を構成することも可能である。
【００９５】
（９）第９の実施形態（請求項９）
本発明の第９の実施形態は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光論理演算装置である。
【００９６】
例として、活性層の光を吸収する光吸収層を２層設けた場合について説明する。外部入力光Ａは第１の光吸収層に入力され、第１の光吸収層の光吸収係数を飽和させる。また、外部入力光Ｂは、第２の光吸収層に入力され、第２の光吸収層の光吸収係数を飽和させる。
【００９７】
外部入力光ＡとＢが同時に入力された場合に、光吸収層の吸収損失が低減されて、レーザ発振し、外部入力光がない場合、または一方のみ入力された場合にはレーザ発振しないように、活性層の注入電流を制御する。これにより、２本の入力光信号に対して、ＡＮＤの論理演算に対応した光を出力することが可能となる。
【００９８】
また、外部入力光のいずれか一方または両方が入力された場合にレーザ発振し、外部入力光がない場合にレーザ発振しないように活性層の注入電流を設定することもできる。この場合には、２本の入力光信号に対して、ＯＲの論理演算に対応した光を出力することが可能である。
【００９９】
従って、活性層に注入する電流値を制御することで、ＡＮＤ動作とＯＲ動作の両方を実現できる光論理演算素子を構成することができる。
【０１００】
さらに、光吸収層を３層以上設けることにより、多値論理演算を行わせることもできる。また、光吸収層が１層のみの場合でも、各入力信号の強度を調整することにより、論理演算動作を実行させることができる。
【０１０１】
（１０）第１０の実施形態（請求項１０）
本発明の第１０の実施形態は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする波長変換装置である。
【０１０２】
基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いることで、第１の実施形態に記載した光変調方式が実現できる。このとき、外部からの入力光波長と、レーザの出力光波長とを異なる波長に設定することができる。第２の実施形態〜第８の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においても、外部からの入力光波長と、レーザの出力光波長とを異なる波長に設定することができる。
【０１０３】
第１の実施形態に記載した変調方式では、入力光強度のオン／オフ信号を、そのまま出力光強度のオン／オフ信号に変換できるため、異なる波長に光信号を変換することができる。このとき、入力光波長と出力光波長は、ともに光吸収層で吸収される必要があるため、入力光波長と出力光波長は光吸収層のバンドギャップ波長と同じか短い波長である必要がある（図８参照）。
【０１０４】
この範囲であれば、入力光波長は、出力光波長（λ１）よりも短波長（λ２）でも長波長（λ３）でもかまわない。従って、本実施形態の波長変換装置では、入力光と出力光の波長を適切に選択して構成することで、短波長（λ２）から長波長（λ１）への波長変換のみではなく、長波長（λ３）から短波長（λ１）への変換も可能である。例えば、０．８５μｍの波長の光と１．３μｍの波長の光とを変換することも可能である。
【０１０５】
また、本装置を２段に接続することで、光信号を同じ波長に戻すことも可能となる。
【０１０６】
なお、入力光波長が出力光波長よりも短波長である場合、入力光が活性層に入力されると、活性層においても光は吸収され、活性層内で光励起キャリアを発生させる。そのため、活性層に加える注入電流が一定であっても、光励起によるキャリアが活性層に注入されるため、光出力は増加する。従って、外部入力光は光吸収層を吸収飽和する働きに加えて、活性層を光励起する効果により、出力光強度をより大きく変調することができる。
【０１０７】
（１１）第１１の実施形態（請求項１１）
本発明の第１１の実施形態は、第１０の実施形態の波長変換装置において、波長０．８５μｍ帯の光信号と波長１．３μｍ帯の光信号とを変換することを特徴としている。
【０１０８】
０．８５μｍ帯の入力光信号を１．３μｍ帯の出力光信号に変換する場合には、活性層のバンドギャップ波長を１．３μｍ帯とし、光吸収層のバンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定する。波長０．８５μｍ帯の入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、１．３μｍ帯の出力光の強度が変化する。
【０１０９】
逆に、１．３μｍ帯の入力光信号を０．８５μｍ帯の出力光信号に変換する場合には、活性層のバンドギャップ波長を０．８５μｍ帯とし、光吸収層のバンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定する。波長１．３μｍ帯の入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、０．８５μｍ帯の出力光の強度が変化する。
【０１１０】
本発明においては、入出力波長を０．８５μｍ帯から１．３μｍ帯、または１．３μｍ帯から０．８５μｍ帯へと大きく波長変換することが可能である。これは、活性層と光吸収層が積層方向に集積されており、それぞれのバンドギャップを任意に変えることが可能となっているためである。この特徴により、入力光波長と出力光波長との波長差を大きくとることができる。
【０１１１】
１．３μｍ帯の光は、シングルモード石英光ファイバにおいて、伝送損失が小さい波長に対応しており、比較的長距離のＬＡＮや機器間の光伝送に適している。一方、０．８５μｍ帯の光は、マルチモード石英光ファイバを使用した機器内等の光配線に用いることが可能である。
【０１１２】
本実施形態の波長変換装置を用いることにより、機器内の光配線に使用される０．８５μｍ帯の光信号を、一度電気に変換することなくそのまま機器外部の１．３μｍ帯の光信号に変換して入出力させることが可能となる。これにより、伝送のスループットを大きく向上させることができる。
【０１１３】
（１２）第１２の実施形態（請求項１２）
本発明の第１２の実施形態は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光パルス波形整形装置である。
【０１１４】
第１２の実施形態の光パルス波形整形装置においても、基本的に第１の実施形態に記載した光変調方式を用いて動作させている。
【０１１５】
図９に示すように、外部から素子に入力される光として、クロック光と信号光の２種類を用いる。信号光は光伝送による分散の影響でパルス形状が矩形ではなく、劣化して立ち上がりと立ち下がりが裾を引いている場合を考える。一方、クロック光は、矩形状のパルスであり、データ取り出しのタイミングを決定している。
【０１１６】
光パルス形状が伝送によって歪んで、パルスの立ち上がりと立ち下がりが裾を引くようになると、符号間干渉が生じて符号の読み取りエラーが増加してしまう。そこでパルス波形を整形して符号間干渉を抑制する必要が生じる。
【０１１７】
クロック光と信号光が同時に入力されると、入力光強度は信号光においてクロック光と重なった部分が強くなり、重なっていない部分は強度が低くなっている。そして、クロック光と信号光が重なった部分において、垂直共振器型面発光レーザの出力光強度が強くなり（発振状態）、重なっていない部分では垂直共振器型面発光レーザの出力光強度が低くなる（発振停止状態）ように光出力の閾値（Ｐｔｈ）を設定しておく。
【０１１８】
これにより、信号光の立ち上がりと立ち下がりの部分ではＰｔｈよりも入力強度が低くなるため出力強度が低いままとなり、クロック光のパルス幅に相当する出力光が得られる。
【０１１９】
また、クロック光の光強度をＰｔｈよりも低く設定することで、信号光が入力されないクロック光のみの場合では、垂直共振器型面発光レーザの出力光強度は低いままにすることができる。これにより、信号光のオン／オフ情報が、そのまま出力光に継承される。なお、この光パルス波形整形動作は、光を入出力信号に用いた論理演算動作を応用している。
【０１２０】
以上の動作により、劣化してパルスの立ち上がりと立ち下がりで裾を引く光パルス波形を、整形して出力することができる。
【０１２１】
本実施形態の光パルス波形整形装置は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を基本としている。従って、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の特徴である低消費電力、低コスト、２次元アレイ化が容易である等の特徴を生かして光パルス波形整形装置を形成することができる。
【０１２２】
（１３）第１３の実施形態（請求項１３）
本発明の第１３の実施形態による光伝送システムは、第１から第８のいずれかの実施形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、第９の実施形態の光論理演算装置、第１０または第１１の実施形態の波長変換装置、あるいは第１２の実施形態の光パルス波形整形装置を用いたことを特徴とする光伝送システムを用いたことを特徴としている。
【０１２３】
これにより、光論理演算、波長変換、光パルス波形整形、系列分離等の光情報処理機能を有する高性能の光伝送システムを構成することができる。そして、光情報処理を行う半導体発光装置の基本要素は垂直共振器型面発光半導体レーザ装置となっているため、低消費電力、低コストでシステムを構築することができる。また、２次元アレイ化も可能であり、光並列情報処理に適した構造となっている。
【０１２４】
次に、本発明の詳細な実施例を用いて、より具体的に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る変調機能を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１２５】
図１を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）６０２が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ６０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ、例えばＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓとして交互に積層して形成されている。
【０１２６】
ｎ型の下部ＤＢＲ６０２の上には、共振器構造６０３が形成されている。共振器構造６０３中には、基板側からＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる光吸収層６０４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６が設けられている。共振器構造内で、光吸収層６０４、活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６の各層間は、ＧａＡｓスペーサ層で構成されている。
【０１２７】
光吸収層６０４のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップは、活性層６０５のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収できるようにしている。
【０１２８】
また、活性層６０５と光吸収層６０４は、共振器構造内の光の定在波分布における腹の位置に設けられている。これは、活性層および光吸収層と光との結合効率を大きくするためである。また、ＡｌＡｓ層６０６は、共振器構造内の光の定在波分布における節の位置に設けられている。
【０１２９】
共振器構造６０３上には、ｐ型の上部ＤＢＲ６０８が積層されている。ｐ型の上部ＤＢＲ６０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ、例えばＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓとして交互に積層して形成されている。
【０１３０】
積層構造表面から活性層６０５と光吸収層６０４との間までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極６０９が形成されており、メサエッチングして表面が露出した共振器構造６０３途中に、ｎ側電極６１０が形成されている。なお、ｎ側電極６１０は、図示されていないが、共振器構造内のｎ型ＧａＡｓコンタクト層上に形成されている。
【０１３１】
ＡｌＡｓ層６０６は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０１３２】
ｐ側電極６０９とｎ側電極６１０に順方向バイアスを加えると、電流は絶縁領域６０７で電流が狭窄され、酸化されていないＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。
【０１３３】
活性層６０５で発生した光は、下部ＤＢＲ６０２と、上部ＤＢＲ６０８とではさまれた共振器構造６０３内で共振し、レーザ発振して基板と垂直に上方向に出力される。すなわち、図１の半導体発光素子は垂直共振器型面発光半導体レーザとして動作する。
【０１３４】
図１の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内には、活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４が共振器内に設けられている。そのため、図２のＢに示すように、光吸収層６０４により共振器の吸収損失が増加して、光吸収層６０４が設けられていない場合に比べて半導体レーザの閾電流は増加している。
【０１３５】
ここで、外部（基板側）から光吸収層６０４で吸収される波長の光、例えば波長０．９８μｍの光を注入してやる。ＧａＡｓは波長０．９８μｍの光に対しては透明であるため、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１を透過して光吸収層６０４に外部注入光が入射され、光が吸収される。吸収された光により光吸収層６０４内でキャリアが発生するため、外部入力光強度を強くしていくと、光吸収層６０４の吸収飽和が生じる。
【０１３６】
これにより、光吸収層６０４の吸収係数が低減されるため、活性層６０５で発生した光に対する光吸収損失も低減される。これにより、半導体レーザの閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、活性層６０５に対する注入電流（Ｉｏｐ）を一定にしておくと、外部から光を注入することで、図２のＡに示すように、光を注入しない場合に比べて出力されるレーザ光強度が増加する。
【０１３７】
そして、再び外部入力光を切ると、光吸収層６０４内で光励起されたキャリアが減少し、活性層６０５の光に対する吸収が増加する。従って、図２のＢに示すように、半導体レーザの閾電流が増加して光出力が減少する。
【０１３８】
以上の動作により、外部からの光入力信号をオン／オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光強度を制御して変調することが可能となる。
【０１３９】
なお、図１に示した構造において、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１裏面に電極を形成し、光吸収層６０４に対して、逆バイアス電界を印加することも可能である。これにより、外部注入光をオフしたときに、光吸収層６０４内に残った励起キャリアを速やかに排出することができるため、スイッチオフ時間をより短くすることができる。
【０１４０】
（実施例２）
図１０は、本発明の実施例２に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１４１】
図１０を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０２が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ６０２の上には、共振器構造６０３が形成されている。
【０１４２】
共振器構造６０３中には、基板側からＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層６０４が設けられている。共振器構造内で、活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６、光吸収層６０４の各層間は、ＧａＡｓスペーサ層で構成されている。
【０１４３】
光吸収層６０４のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップは、活性層６０５のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収できるようにしている。
【０１４４】
また、活性層６０５と光吸収層６０４は、共振器構造内の光の定在波分布における腹の位置に設けられている。また、ＡｌＡｓ層６０６は、共振器構造内の光の定在波分布における節の位置に設けられている。共振器構造６０３上には、ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０８が積層されている。
【０１４５】
積層構造表面から光吸収層６０４とＡｌＡｓ層６０６との間までエッチングして矩形または円筒状の第１のメサ構造を形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きなメササイズで、ｎ型下部ＤＢＲ６０２に達するまでエッチングして、第２のメサ構造が形成されている。
【０１４６】
第１のメサ構造のエッチングで表面が露出した共振器構造の途中には、ｐ側電極６０９が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１の裏面には、ｎ側電極６１０が形成されている。なお、ｐ側電極６０９は、図示されていないが、共振器構造内のｐ型ＧａＡｓコンタクト層上に形成されている。
【０１４７】
ＡｌＡｓ層６０６は、第２のメサ構造のエッチングにより露出したメサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０１４８】
図１０に示す実施例２の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においても、実施例１と同様に、外部からの光入力信号をオン／オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光強度を制御して変調することができる。なお、実施例１においては、基板裏面から光を入力して、基板表面から光を出力する透過型で構成しているが、実施例２においては、入力光と出力光をともに基板表面から入出力させる反射型となっている。
【０１４９】
さらに、図１０に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、共振器長を長くすることにより、ＤＢＲの高反射帯域中に複数の共振器モードが形成されていることを特徴としている。本実施例では、共振器構造全体の光学的厚さを１０λで作製しており、９５０．５ｎｍ、９８０ｎｍ、１０１２ｎｍの３つの共振器モードが形成されている。
【０１５０】
活性層６０５のバンドギャップ波長を９８０ｎｍとほぼ一致するようにすることで、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光波長を９８０ｎｍとしている。
【０１５１】
また、複数の共振器モードのうちで、発振波長９８０ｎｍとは別の共振器モード９５０．５ｎｍと入力光波長を一致させている。これにより、垂直共振器型面発光型半導体レーザ装置に入力された光は、ｐ型ＤＢＲ６０８を通過して、共振器構造６０３に設けられた光吸収層６０４まで侵入することができるため、光吸収層６０４と入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【０１５２】
また、本実施例においては素子の一方の面から光を入出力する反射型で構成しているが、入力光波長と出力光波長が異なるため、入力光と出力光との信号分離が非常に容易である。
【０１５３】
（実施例３）
図１１は、本発明の実施例３に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１５４】
図１１を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、第１のｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ８０１が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ８０１上には、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ構造からなる光吸収層６０４が形成されており、光吸収層６０４上には第２のｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ８０２、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１５５】
ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４を合わせた領域が共振器構造となっている。活性層６０５は、共振器構造内の光の定在波分布において腹の位置に設けられている。また、ＡｌＡｓ層６０６は、素子の光の定在波分布における節の位置に設けられている。
【０１５６】
光吸収層６０４のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップは、活性層６０５のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収できるようにしている。
【０１５７】
積層構造表面から第２のｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ８０２の途中までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極６０９が形成されており、メサエッチングして表面が露出した面にｎ側電極６１０が形成されている。
【０１５８】
さらに、ｎ側電極６１０の１部が除去されて、外部から光を入力する窓部８０５が形成されている。光吸収層６０４と窓部８０５表面との間隔は、光学的距離においてλ／４よりも薄くなるように作製した。
【０１５９】
ＡｌＡｓ層６０６は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０１６０】
図１１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層６０４に外部から光が入力されるように、窓部８０５が設けられている。そのため、入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、下部ＤＢＲ内に設けられた光吸収層６０４まで侵入することができる。そのため、光吸収層６０４と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【０１６１】
また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなる。そのため、入力光として用いる波長範囲が大きくとることができ、システム構成の制限が小さくなる。また、入力光の波長変動に対しても安定に動作させることができる。
【０１６２】
上記実施例では、光吸収層６０４と窓部８０５表面との間隔を光学的距離でλ／４よりも薄くなるように作製している。しかし、光吸収層６０４と窓部８０５表面との間に薄いＤＢＲが設けられていてもよい。
【０１６３】
光吸収層６０４と窓部８０５表面とのＤＢＲ周期を１〜２周期と小さくすることでも、入力光の反射が抑制されて光吸収層６０４と入力光との結合効率が向上する。しかし、光吸収層６０４と窓部８０５表面とのＤＢＲ周期が増加するほど、光吸収層６０４が侵入できる帯域が狭くなるため、層厚を薄くするほうが好ましい。
【０１６４】
次に、図１１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いた波長変換動作について説明する。
図１１の素子においては、実施例１と同様に入力光強度をオン／オフすることにより、レーザ出力光強度を変調することができる。従って、入力光の強度変調によるデジタル信号を、そのまま出力光の強度によるデジタル信号に変換することができる。
【０１６５】
入力光の波長と出力光の波長は、共に光吸収層６０４のバンドギャップ波長と同じか短い波長である必要がある。これは、光吸収層６０４によって入力光および活性層６０５で発生した光を吸収できるようにするためである。本実施例では、光吸収層６０４のバンドギャップ波長を１１００ｎｍとし、出力光の波長を９８０ｎｍとした。
【０１６６】
一方、入力光はＤＢＲを通らずに光吸収層６０４に結合されるため、入力光波長が共振モードで制限されることがない。そのため、入力光波長の選択範囲が広くなっている。
【０１６７】
入力光波長として９５０ｎｍの光を用いた場合、入力光は光吸収層６０４のバンドギャップ波長より短いため、光吸収層６０４で吸収される。よって、９５０ｎｍの光信号を、９８０ｎｍの光信号に変換することが可能である。
【０１６８】
また、入力光波長として、１０２０ｎｍの光を用いた場合でも、入力光は光吸収層６０４のバンドギャップ波長より短いため、光吸収層６０４で吸収される。そのため、１０２０ｎｍの光信号を、９８０ｎｍの光信号に変換することが可能である。
【０１６９】
即ち、同じ素子を用いて、短波長から長波長への波長変換と、長波長から短波長への変換が可能となる。従って、波長分割多重通信における波長変換処理を、容易に実施することができる。
【０１７０】
（実施例４）
図１２は、本発明の実施例４に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１７１】
図１２を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ６０２が積層されている。ｎ型下部ＤＢＲ６０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層１００１、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１７２】
積層構造表面からｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ６０２に達するまでエッチングして円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてリング状のｐ側電極６０９が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１裏面にはｎ側電極６１０が形成されている。
【０１７３】
さらに、図１２の素子の特徴として、メサ構造頂上部に形成された円形のｐ側電極６０９の開口部において、リング状にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層１００２が形成されている。
【０１７４】
また、ＡｌＡｓ層６０６はメサエッチングした側面から選択的に酸化されて、絶縁領域６０７が形成されている。
【０１７５】
図１２の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、活性層１００１で発生した光を吸収する光吸収層１００２をリング形状で形成している。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部は光吸収層１００２によって光吸収損失が増加するため、高次横モードは基本横モードよりも損失が大きくなり、基本モードが発振しやすくなる。
【０１７６】
一方、外部から光吸収層１００２で吸収される波長の光を注入してやると、光吸収層１００２で吸収飽和が生じることにより、光吸収層１００２の吸収損失が低減する。そのため、発振領域の中心部と周辺部で吸収損失の差がなくなるため、高次横モードで発振しやすくなる。
【０１７７】
従って、活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【０１７８】
垂直共振器型面発光レーザ装置における、出力光の放射分布の１例を図４に示す。基本横モードの場合には、基板と垂直方向で最も光強度が強くなる。一方、高次（１次）モードでは、基板と垂直方向で強度が小さく、１０〜１５度傾いた方向で光強度が強くなっている。そのため、図１２の素子から出力される光を垂直方向、あるいは斜め方向から検出すると、横モードによって光強度が変調される。
【０１７９】
この場合、図１２の素子から出力される光を、基板と垂直方向から検出すると、出力符号は入力符号に対して反転して出力される。一方、基板に対して斜め方向から検出した場合には、反転されずにそのまま出力される。
【０１８０】
また、本実施例では、活性層１００１の井戸層材料としてＧａＩｎＮＡｓを用いている。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長することが可能であり、また窒素組成が小さい範囲において、窒素を含まないＧａＩｎＡｓに比べてエネルギーバンドギャップが小さくなるという特性を有している。
【０１８１】
これにより、ＧａＡｓ基板上に、１．２μｍ〜１．６μｍの長波長帯の活性層を形成することができる。従って、光通信で用いられている波長帯に適した半導体発光装置を構成することができる。本実施例では、出力光波長を１．３μｍとした。
【０１８２】
また、ＧａＡｓ基板を用いることで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系から構成された高性能のＤＢＲを用いることができる。そのため、本発明の構成の基本となる垂直共振器型面発光レーザの特性が高くなる。即ち、消費電力が低く、温度特性が良好な長波長帯面発光レーザを作製できる。
【０１８３】
また、本実施例では、光吸収層１００２の井戸層材料にもＧａＩｎＮＡｓを用いている。窒素（Ｎ）は他のＶ族元素であるＡｓとの非混和性が強いため、光吸収層１００２において活性層よりも窒素組成を高くすることにより、キャリア寿命を短くすることができる。これにより、光吸収層１００２内のキャリア緩和時間を短くして、より高速で光を変調させることができる。
【０１８４】
（実施例５）
図１３は、本発明の実施例５に係る半導体発光素子の断面図である。
図１３を参照すると、ｐ型ＧａＡｓ基板１５０１上に、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０２が積層されている。ｐ型下部ＤＢＲ１５０２上には光吸収層１５０３、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４が積層されている。
【０１８５】
ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４の途中にはＡｌＡｓ層１５０５が設けられている。さらに、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層１００１、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１８６】
積層構造表面からｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４に達するまでエッチングして円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてリング状のｐ側電極６０９が形成されている。
【０１８７】
さらに、メサ構造頂上部に形成された円形のｐ側電極６０９の開口部において、リング状にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層１００２が形成されている。
【０１８８】
１５０６はエッチングで表面が露出したｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４上に形成されたｎ側電極であり、１５０７はｐ型ＧａＡｓ基板１５０１裏面に形成されたｐ側電極（６１０）となっている。
【０１８９】
また、ＡｌＡｓ層６０６および１５０５は側面から選択的に酸化されて、絶縁領域６０７が形成されている。
【０１９０】
図１３の半導体発光素子においては、電極６０９と電極１５０６との間に順方向バイアスを加えることで、活性層１００１に電流が注入されて発光する。このとき、電流はＡｌＡｓ層６０６が選択酸化されていない領域を通るため、電流を酸化の開口径に対応して狭窄することができる。
【０１９１】
活性層１００１で発光した光は、ＤＢＲ６０８と、ＤＢＲ１５０４およびＤＢＲ１５０２との間で共振し、利得が損失を上回ると、基板と垂直方向にレーザ発振する。
【０１９２】
また、光吸収層１５０３は電界吸収型光変調器を構成している。電極１５０６と電極１５０７との間に逆方向バイアスを印加することにより、選択酸化されていないＡｌＡｓ層１５０５を通って、レーザ発振領域の光吸収層１５０３に電界が印加される。
【０１９３】
光吸収層１５０３に電界が印加されると、光吸収層１５０３のバンドギャップは縮小する。電界を印加しない場合には、活性層１００１の光に対して透明であり、電界を印加した場合に活性層１００１の光を吸収するように光吸収層１５０３のバンドギャップを設定した。
【０１９４】
光吸収層１５０３にバイアスを印加しない場合には、活性層１００１で発光する光に対して透明となっているため、面発光半導体レーザの閾電流は低いままである。
【０１９５】
一方、光吸収層１５０３に逆方向バイアスを印加すると、光吸収損失が増加するため、面発光半導体レーザの閾電流は増加する。従って、活性層１００１に対する注入電流を一定にしておき、光吸収層１５０３に印加する電界を変調することにより、レーザ光出力強度を変調することができる。
【０１９６】
光吸収層１５０３からなる電界吸収型光変調器に電界を印加して変調する方式は、活性層１００１に注入する電流値を直接変調する場合に比べて、変調周波数を増大させることができる。従って、面発光半導体レーザ装置を、１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数で変調することが可能である。
【０１９７】
光吸収層１５０３としては、バルク層または量子井戸構造を用いることができる。本実施例においては、光吸収層１５０３をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ構造で構成した。
【０１９８】
また、図１３においては、活性層１００１で発生した光を吸収する別な光吸収層１００２をリング形状で形成している。外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部は光吸収層１００２によって光吸収損失が増加するため、高次横モードは基本横モードよりも損失が大きくなり、基本モードが発振しやすくなる。
【０１９９】
一方、外部から光吸収層１００２で吸収される波長の光を注入してやると、光吸収層１００２で吸収飽和が生じることにより、光吸収層１００２の吸収損失が低減する。そのため、発振領域の中心部と周辺部で吸収損失の差がなくなるため、高次横モードで発振しやすくなる。
【０２００】
従って、活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【０２０１】
以上の構成により、図１３の半導体発光素子は、光吸収層１５０３に印加する電界によって出力光強度を変調し、光吸収層１００２に入力する外部光によって、レーザ発振光の横モードを変調させることができる。それぞれの変調は独立に制御することが可能である。
【０２０２】
活性層１００１に注入する電流値を一定にしておき、信号を光吸収層１５０３に印加する電界として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。これにより、例えば１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数のシリアル信号を、２系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【０２０３】
（実施例６）
図１４は、本発明の実施例６に係る半導体発光素子の断面図である。
図１４を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、第１の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１７０１、１７０３が積層されている。そして、下部ＤＢＲ中には、光吸収層１７０２が設けられている。
【０２０４】
下部ＤＢＲ１７０３上には、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１７０４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層１００１、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層１７０５、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層１７０６が順に積層されている。
【０２０５】
さらに、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層１７０６上にはエアギャップ１７０７を介して上部ＤＢＲ１７０９が設けられている。下部ＤＢＲ１７０３と上部ＤＢＲ１７０９ではさまれた領域が共振器構造１７０８を構成している。
【０２０６】
積層構造表面から下部ＤＢＲ１７０３に達するまでエッチングしてメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極１７１０が形成されている。また、メサ構造のエッチングした底面にはｎ側電極１７１１が形成されている。
【０２０７】
ＡｌＡｓ層６０６は、エッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０２０８】
ｐ側電極１７１０とｎ側電極１７１１に順方向バイアスを加えると、電流はＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、活性層１００１に電流が注入されて、１．３μｍ帯で発光する。活性層１００１で発生した光は、共振器構造１７０８によって選択された共振モードで共振し、基板と垂直にレーザ光が出力される。
【０２０９】
図１４の素子においては、活性層１００１の光を吸収する光吸収層１７０２が設けられている。そのため、吸収損失が増加して、光吸収層１７０２が設けられていない場合に比べて閾電流は高くなっている。ここで、第２のメサ構造エッチング底面から、光吸収層１７０２で吸収される波長の外部入力光を注入してやると、光吸収層１７０２の吸収係数が飽和して光吸収損失が低減される。
【０２１０】
これにより、閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、外部からの光入力信号によって、面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を変調することが可能となる。このとき、入力光波長を出力光波長と異なる波長に設定することにより、波長変換動作を実現できる。
【０２１１】
また、図１４の共振器１７０８内部にはエアギャップ１７０７が設けられている。エアギャップ１７０７の間隔を変化させることにより、共振器１７０８の長さが変化するため、面発光レーザの共振モード波長をシフトさせることが可能となる。
【０２１２】
これにより、出力光波長を掃引可能な波長変換素子を実現することができる。
エアギャップ１７０７の間隔は、静電引力や圧電素子を用いて外部から制御することが可能である。
【０２１３】
図１５は、図１４の波長変換素子を用いて構成した光交換装置の１例を示している。
【０２１４】
図１５において、光ファイバ１８０１から入力された波長λ１、λ２、λ３、λ４の光信号は、波長分波器１８０２で、波長ごとに空間的に分離される。そして、分離されたそれぞれの光信号は波長変換素子１８０３によって波長変換された後に、合波器１８０４で再び合流して１本の光ファイバ１８０１から出力される。
【０２１５】
図１５においては、１例として、λ１をλ４に、λ２をλ３に、λ３をλ２に、λ４をλ１に変換する動作を示している。しかし、各波長変換素子は、波長λ１〜λ４の任意の波長で出力することが可能であり、出力波長の組み合わせを自由に切りかえることができる。
【０２１６】
図１５においては、１本の光ファイバ中を４波長の光信号で伝送しており、波長分割多重伝送方式を用いている。λ１からλ４の波長として、例えば、１２９０ｎｍ、１２９５ｎｍ、１３００ｎｍ、１３０５ｎｍの４波長を用いた。
【０２１７】
図１４の光吸収層１７０２のバンドギャップ波長を１３０５ｎｍより長くすることで、λ１からλ４までの全ての波長を吸収可能である。活性層１７０４のバンドギャップ波長は１２９５ｎｍとした。また、エアギャップ１７０７を変化させることで、発振波長を１２９０〜１３０５ｎｍまで変化させることができる。
【０２１８】
従って、図１４の波長変換素子を用いることで、同一の素子構造で、波長λ１〜λ４の任意の光を入力し、波長λ１〜λ４の任意の光に変換して出力することが可能である。そのため、４素子の波長変換素子をモノリシック集積することが可能である。これにより、波長変換装置のサイズを小型化することができる。
【０２１９】
（実施例７）
図１６は、本発明の実施例７に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０２２０】
図１６に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の構成は、図１１に示した構成と類似している。図１１の構成と異なっている点は、活性層１００１として、波長１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ構造を用いていることである。これにより、光通信に適した波長で、動作させることができる。
【０２２１】
また、光吸収層１１０１として、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＡｓ−ＭＱＷ構造を用いたことを特徴としている。例えば、Ｉｎ組成０．１で窒素組成２％のＧａＩｎＮＡｓとＡｌＡｓとの伝導帯（Γ帯）バンド不連続は、約１．４３ｅＶとなる。
【０２２２】
井戸幅４．６ｎｍの量子井戸構造において、伝導帯に形成される量子準位の基底準位（０次）と３次の準位間のエネルギー差は約９５０ｍｅＶとなり、１．３μｍの波長に相当する。この伝導帯におけるサブバンド間の吸収を用いることで、１．３μｍの光を吸収することができる。
【０２２３】
なお、Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．９８井戸層のバンドギャップ波長は約１．２３μｍであり１．３μｍよりも短くなっている。従って、伝導帯と価電子とのバンド間吸収はほとんど生じることがない。
【０２２４】
光吸収層１１０１の吸収過程として、伝導帯内のサブバンド間吸収を用いたことにより、吸収飽和からの回復時間を短くすることができるため、さらに高速に動作する光変調を実現することができる。
【０２２５】
なお、光吸収層１１０１において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＡｌＡｓ障壁層との界面に１ｎｍ程度のＧａＡｓを中間層として設けることができる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＡｌＡｓ障壁層との界面平坦性を著しく改善することができる。
【０２２６】
以上の実施例においては、基板としてｎ型ＧａＡｓ基板を使用した例を用いて説明した。しかしながら、基板の導電型としてｐ型や（半）絶縁性基板を用いることもできる。また、ＧａＡｓの他に、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ等各種の単結晶基板を使用することができる。
【０２２７】
また、ＤＢＲを構成する半導体材料としては、ＡｌＧａＡｓ系の他にＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＡｌＧａＮ系等を用いることも可能である。あるいは、上部ＤＢＲ構造については、誘電体多層膜を用いることも可能である。
【０２２８】
また、光吸収層は１層のみではなく、素子内に複数設けることも可能である。また、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に波長掃引機構を設けることにより、出力光波長を変化させることも可能である。
【０２２９】
（実施例８）
図１７は、本発明の実施例８に係る半導体発光素子の断面図である。
【０２３０】
図１７を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１６０１、１６０３、１６０５が積層されている。そして、下部ＤＢＲ中には、第１の光吸収層１６０２、第２の光吸収層１６０４が設けられている。
【０２３１】
下部ＤＢＲ１６０５上には、下部ＧａＡｓスペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、上部ＧａＡｓスペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型ＧａＡｓＤＢＲ６０８が設けられている。
【０２３２】
積層構造表面から下部ＤＢＲ１６０５の途中までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極６０９が形成されており、メサエッチングして表面が露出した下部ＤＢＲ１６０５にはｎ側電極６１０が形成されている。ＡｌＡｓ層６０６は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０２３３】
ｐ側電極６０９とｎ側電極６１０に順方向バイアスを加えると、電流は酸化されていないＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。活性層６０５で発生した光は、下部ＤＢＲ１６０１、１６０３、１６０５と、上部ＤＢＲ６０８とではさまれた共振器構造内で共振し、基板と垂直に上方向にレーザ光が出力される。
【０２３４】
光吸収層１６０２および１６０４は、活性層６０５のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収する。本実施例では、光吸収層１６０２のバンドギャップ波長を１．０μｍ、光吸収層１６０４のバンドギャップ波長を１．１μｍとした。
【０２３５】
また、光吸収層１６０２は、素子の光の定在波分布における腹の位置に設けた。これにより、素子内で定在波を構成している光と光吸収層１６０２との結合効率が大きくなる。一方、光吸収層１６０４は、素子の光の定在波分布における節の位置近傍に設けた。
【０２３６】
次に、図１７の半導体発光素子の動作について説明する。
実施例８は、素子に対して２つの入力光ＡとＢを入力し、その論理演算結果を出力光として得る光論理演算素子として動作する。
【０２３７】
入力光Ａは、出力光波長と同じ０．９８μｍであり、基板裏面から素子に入力している。一方、入力光Ｂは波長１．０５μｍであり、エッチングで露出した下部ＤＢＲ１６０５の窓部から入力している。
【０２３８】
入力光Ａは素子の共振器モードと位相整合しているため、定在波分布における腹の位置に設けた光吸収層１６０２と結合して吸収される。一方、光吸収層１６０４は節の位置近傍に設けているため、入力光Ａとの結合効率が低くなっている。
【０２３９】
入力光Ｂの波長は、光吸収層１６０２のバンドギャップ波長よりも長く、光吸収層１６０４のバンドギャップ波長よりも短くなっている。そのため、光吸収層１６０４によって吸収されるが、光吸収層１６０２に対しては透明となっている。従って、入力光Ａは光吸収層１６０２と結合し、入力光Ｂは光吸収層１６０４と結合する構成となっている。
【０２４０】
外部からの入力光ＡとＢが同時に入力された場合には、光吸収層１６０２および１６０４の吸収係数が飽和して、吸収損失が低減される。これにより、レーザ発振して出力光が基板上方に出射される。
【０２４１】
一方、外部入力光がない場合、または一方のみ入力された場合には、光吸収層による吸収損失のため、レーザ発振しないように活性層の注入電流を制御する。これにより、２本の入力光信号Ａ，Ｂに対して、ＡＮＤの論理演算に対応した光を出力することが可能となる。
【０２４２】
また、外部入力光Ａ，Ｂのいずれか一方または両方が入力された場合にレーザ発振し、外部入力光がない場合にレーザ発振しないように活性層の注入電流を設定することもできる。この場合には、２本の入力光信号に対して、ＯＲの論理演算に対応した光を出力することが可能である。
【０２４３】
（実施例９）
図１８は、本発明の実施例９に係る波長変換装置の構成図である。
図１８において、基板１４０１上に波長変換素子１４０４と１４０５が設けられている。１４０２はシングルモード石英光ファイバであり、１４０３はマルチモード石英光ファイバであり、１４０６は光合波器となっている。
【０２４４】
図１８において、シングルモード石英光ファイバ１４０２は外部のＬＡＮに接続されており、波長１．３μｍの光で双方向に光信号を伝送する。外部からシングルモード石英光ファイバ１４０２に入力された光信号は、光合波器１４０６を通って波長変換素子１４０４に入力される。
【０２４５】
ここで、波長１．３μｍから０．８５μｍの光信号に変換された後に、マルチモード石英光ファイバ１４０３に出力される。マルチモード石英光ファイバ１４０３は、機器内のユニットに光接続されており、ユニット間の光配線として使用されている。
【０２４６】
一方、マルチモード石英光ファイバ１４０３からの入力信号は、波長変換素子１４０５において、波長０．８５μｍから１．３μｍに波長変換され、光合波器１４０６を通ってからシングルモード石英光ファイバ１４０２に出力される。
【０２４７】
配線長が比較的短距離の機器内光配線においては、実装が容易なマルチモード石英光ファイバ１４０３が用いており、光信号の波長を０．８５μｍとしている。一方、外部ＬＡＮに接続する場合には、伝送距離が長距離でも伝送損失が低いシングルモード石英光ファイバ１４０２を使用して、光信号の波長を１．３μｍとしている。本実施例の波長変換装置では、装置外部と内部で異なる波長の光信号を、変換する働きをしている。
【０２４８】
波長変換素子の構造は、実施例１に示した図１の半導体発光素子とほぼ同様の構造をしている。０．８５μｍの光信号を１．３μｍの光信号に変換する波長変換素子１４０５においては、活性層をＧａＩｎＮＡｓ材料で構成することにより、バンドギャップ波長を１．３μｍ帯とした。そして、１．３μｍでレーザ発振するように、分布ブラッグ反射鏡と共振器長の層厚を設定している。
【０２４９】
そして、光吸収層のバンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定して、活性層の光を吸収するようにしている。波長０．８５μｍの入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、１．３μｍの出力光強度を変調することができる。
【０２５０】
波長０．８５μｍの外部光が光吸収層に達する途中の層では、各積層構造のバンドギャップは波長０．８５μｍの光に対して透明になるようにした。なお、基板側から外部光を入力する場合には、ＧａＡｓ基板をエッチングで除去して入力窓部を形成する必要がある。
【０２５１】
１．３μｍの光信号を０．８５μｍの光信号に変換する波長変換素子１４０４においては、活性層をＧａＡｓ材料で構成してバンドギャップ波長を０．８５μｍとした。光吸収層はＧａＩｎＮＡｓ材料で構成しており、バンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定した。
【０２５２】
波長１．３μｍの入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、０．８５μｍの出力光強度を変調することができる。なお、基板側から出力光を出射する場合には、ＧａＡｓ基板をエッチングで除去して出力窓部を形成する必要がある。
【０２５３】
図１８の波長変換装置においては、光信号を１度電気に変換してから再び光信号にもどすことなく波長変換している。従って、装置構成が簡略化できる。また、信号変換に要する遅延時間が短縮されるため、信号伝送のスループットを向上させることができる。
【０２５４】
（実施例１０）
図１９は、本発明の実施例１０に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０２５５】
図１９を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０２が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ６０２の上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、第１のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０１、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層６０４、第２のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０２が順に積層されている。
【０２５６】
積層構造表面から第２のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０２の途中までエッチングして矩形または円筒状の第１のメサ構造が形成されている。また、第１のメサ構造よりも大きなメササイズで、第１のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０１の途中までエッチングして、第２のメサ構造が形成されている。さらに、第２のメサ構造よりも大きなサイズで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０２に達するまでエッチングして、第３のメサ構造が形成されている。
【０２５７】
第２のメサ構造のエッチングで表面が露出した第１のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０１の途中には、ｐ側電極６０９が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１の裏面には、ｎ側電極６１０が形成されている。
【０２５８】
ＡｌＡｓ層６０６は、第３のメサ構造のエッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０２５９】
ｐ側電極６０９とｎ側電極６１０に順方向バイアスを加えると、電流は絶縁領域６０７で電流が狭窄され、酸化されていないＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。活性層６０５で発生した光は、下部ＤＢＲ６０２と、上部ＤＢＲ９０１，９０２との間で共振し、レーザ発振して第１のメサ構造の頂上部より、基板と垂直上方向に出力される。
【０２６０】
第１のメサ構造のエッチングで露出した底面は、外部から光吸収層６０４に光を入力する窓部８０５となっている。光吸収層６０４と窓部８０５表面との間隔は、光学的距離においてλ／４よりも薄くなるように作製した。
【０２６１】
これにより、光吸収層６０４と外部入力光との結合効率を向上させて、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。また、入力光として用いる波長範囲を大きくとることができる。
【０２６２】
次に、図１９の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いた光パルス波形整形動作について説明する。
【０２６３】
外部から素子に入力される光として、クロック光と信号光の２種類を用いる。信号光は光伝送による分散の影響でパルス形状が矩形ではなく劣化している場合を考える。一方、クロック光は、矩形状のパルスであり、データ取り出しのタイミングを決定している。図１９においては、クロック光を入力光１とし、信号光を入力光２とした。
【０２６４】
クロック光と信号光が同時に入力されると、光吸収層６０４に入力される入力光強度は信号光においてクロック光と重なった部分が強くなり、重なっていない部分は強度が低くなっている。
【０２６５】
そして、クロック光と信号光が重なった部分において、垂直共振器型面発光レーザが発振状態となり、重なっていない部分では垂直共振器型面発光レーザが発振停止状態となるように光出力の閾値（Ｐｔｈ）を設定する。
【０２６６】
これにより、信号光の立ち上がりと立ち下がりの部分ではＰｔｈよりも入力強度が低くなるため出力強度が低いままとなり、クロック光のパルス幅に対応したパルス幅の出力光が得られる。
【０２６７】
また、クロック光の光強度をＰｔｈよりも低く設定することで、信号光が入力されないクロック光のみの場合では、垂直共振器型面発光レーザ装置の出力光強度は低いままにすることができる。これにより、信号光のオン／オフ情報が、そのまま出力光に継承される。
【０２６８】
上記の光パルス波形整形装置を光伝送システムの中継装置に用いることで、光ファイバ伝送によって劣化した光信号を増幅・整形して出力できるため、伝送距離を伸ばすことが可能となる。また、光パルス波形整形装置を垂直共振器型面発光レーザ装置で構成しているため、装置の製造コストを低減することができる。
【０２６９】
（実施例１１）
図２０は、図１、図１０，図１１，図１２，図１３，図１４，図１６，図１７，図１９に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（波長変換素子）を用いた光伝送モジュールの１例である。
【０２７０】
図２０において、１２０１は入力用光ファイバアレイであり、１２０２は波長変換素子であり、１２０３は合波器であり、１２０４は出力用光ファイバである。
【０２７１】
４本の光ファイバがアレイ化された光ファイバアレイ１２０１から入力された並列光信号（波長λ０）は、それぞれ４個の波長変換素子１２０２で波長λ１、λ２、λ３、λ４に変換される。波長変換された光信号は、光合波器１２０３で１本の光導波路に結合され、それを４波長の波長分割多重方式で１本の光ファイバ１２０４で出力する構成となっている。これにより、並列伝送方式から波長分割多重方式に光信号を高速に変換することができる。
【０２７２】
（実施例１２）
図２１は、図１、図１０，図１１，図１２，図１３，図１４，図１６，図１７，図１９に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（波長変換素子）を用いた光伝送モジュールの別な構成例を示している。
【０２７３】
図２１において、４本の光ファイバがアレイ化された光ファイバアレイ１２０１から入力された並列光信号（波長λ０）は、マイクロレンズアレイ１３０１で集光されて、それぞれ波長変換素子１２０２に入力される。波長変換素子１２０２では、４種類の光信号を波長λ１、λ２、λ３、λ４に波長変換する。
【０２７４】
なお、ここで波長変換素子は、透過型の素子構造を用いた。波長変換された光信号は、面型光合波器１３０２で１本に合成され、集光レンズ１３０３で集光して出力用光ファイバ１２０４に出力される。これにより、図２１に示した光伝送モジュールと同様に、並列伝送方式から波長分割多重方式に光信号を高速に変換することができる。
【０２７５】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。以下、請求項毎にその効果を述べる。
【０２７６】
ａ）請求項１記載の発明によれば、外部から入力光が入射された場合に、前記光吸収層の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光が遮断された場合に、前記光吸収層による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下することを利用して出力光強度を変調する機能を備えたことにより、出力されるレーザ光強度を電気的にではなく１本の光信号で変調することが可能である。従って、制御が容易な光−光スイッチを実現することができ、光―光スイッチ動作を含むシステム構成を簡略化することができる。
【０２７７】
ｂ）請求項２記載の発明によれば、垂直共振器型面発光型半導体レーザ装置に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡を通過して、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができる。そのため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができ、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【０２７８】
ｃ）請求項３記載の発明によれば、垂直共振器型面発光型半導体レーザ装置に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができる。そのため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができ、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなるため、入力光の波長範囲が大きくなる。
【０２７９】
ｄ）請求項４記載の発明によれば、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調するようにしたので、反転信号の形成や、１系列の光信号を２系列に分離する光分岐動作が可能となる。
【０２８０】
ｅ）請求項５記載の発明によれば、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことにより、１０〜５０ＧＨｚの高い変調周波数のシリアル光信号を、２系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【０２８１】
請求項６記載の発明によれば、請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することにより、同一の素子で様々な入力光波長に対して出力光波長を変えて出力することができる。これにより、波長分割多重伝送方式における信号間の波長変換スイッチを容易に構成することができる。
【０２８２】
ｅ）請求項７記載の発明によれば、請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことにより、吸収飽和からの吸収回復時間を短くすることができ、より高速に光変調を行うことができる。
【０２８３】
ｆ）請求項８記載の発明によれば、請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層および／または活性層の材料として、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いたことにより、光通信で用いられている波長に適した長波長帯の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を高性能に構成することができる。
【０２８４】
また、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を光吸収層に用いることで、キャリア緩和時間を短くして、より高速に光を変調させることができる。
【０２８５】
また、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を井戸層に用いると、伝導帯バンド不連続を拡大することができ、伝導帯内のサブバンド間吸収を利用した光吸収層を構成することも可能である。
【０２８６】
請求項９記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いて光論理演算装置を構成したことにより、活性層に注入する電流値を制御することで、ＡＮＤ動作とＯＲ動作の両方を実現できる光論理演算素子を実現することができる。
【０２８７】
ｇ）請求項１０記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことにより、短波長から長波長への波長変換のみではなく、長波長から短波長への変換も可能な波長変換装置を容易に構成することができる。
【０２８８】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１０記載の発明において、波長０．８５μｍ帯の光信号と波長１．３μｍ帯の光信号とを波長変換することにより、シングルモード石英光ファイバを使用した比較的長距離のＬＡＮや機器間の光伝送システムと、マルチモード石英光ファイバを使用した機器内の光伝送システムとを高い伝送スループットで接続することが可能となる。
【０２８９】
ｈ）請求項１２記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことにより、低消費電力、低コスト、２次元アレイ化が容易な光パルス波形整形装置を形成することができる。
【０２９０】
ｉ）請求項１３記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、請求項９記載の光論理演算装置、請求項１０または１１記載の波長変換装置、あるいは請求項１２記載の光パルス波形整形装置を用いたことにより、系列分離等の光情報処理機能を有する高性能の光伝送システムを構成することができる。
【０２９１】
また、基本要素として垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いているため、低消費電力、低コストでシステムを構築することができる。また、２次元アレイ化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】光変調動作を説明するための図である。
【図３】長共振器を含む垂直共振器型面発光半導体レーザの反射スペクトルを示す図である。
【図４】横モードと光放射分布との関係を示す図である。
【図５】横モード光変調装置の構成図である。
【図６】パルス反転動作を説明するための図である。
【図７】パルス系列分離動作を説明するための図である。
【図８】光吸収層の吸収係数と、入力光および出力光波長の関係を説明するための図である。
【図９】光パルス波形整形の動作を説明するための図である。
【図１０】実施例２に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１１】実施例３に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１２】実施例４に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１３】実施例５に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１４】実施例６に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１５】実施例６に係る光交換装置の構成図である。
【図１６】実施例７に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１７】実施例８に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１８】実施例９に係る波長変換装置の構成図である。
【図１９】実施例１０に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図２０】実施例１１に係る光伝送モジュールの構成例である。
【図２１】実施例１２に係る光伝送モジュールの別な構成例である。
【符号の説明】
６０１：ｎ型ＧａＡｓ基板
６０２：ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
６０３：共振器構造
６０４：ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層
６０５：ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層
６０６：ＡｌＡｓ層
６０７：選択酸化された絶縁領域
６０８：ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
６０９：ｐ側電極
６１０：ｎ側電極
８０１：第１のｎ型ＤＢＲ
８０２：第２のｎ型ＤＢＲ
８０３：下部スペーサ層
８０４：上部スペーサ層
８０５：入力窓
９０１：第１のｐ型ＤＢＲ
９０２：第２のｐ型ＤＢＲ
１００１：ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層
１００２：ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層
１１０１：ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＡｓ−ＭＱＷ光吸収層
１２０１：光ファイバアレイ
１２０２：波長変換素子
１２０３：光合波器
１２０４：光ファイバ
１３０１：マイクロレンズアレイ
１３０２：光合波器
１３０３：集光レンズ
１４０１：基板
１４０２：シングルモード石英光ファイバ
１４０３：マルチモード石英光ファイバ
１４０４：波長変換素子Ａ
１４０５：波長変換素子Ｂ
１４０６：光合波器
１５０１：ｐ型ＧａＡｓ基板
１５０２：ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
１５０３：光吸収層
１５０４：ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
１５０５：ＡｌＡｓ層
１５０６：ｎ側電極
１５０７：裏面電極
１６０１：第１の下部ＤＢＲ
１６０２：第１の光吸収層
１６０３：第２の下部ＤＢＲ
１６０４：第２の光吸収層
１６０５：第３の下部ＤＢＲ
１７０１：第１の下部ＤＢＲ
１７０２：光吸収層１７０２
１７０３：第２の下部ＤＢＲ
１７０４：ｎ型ＧａＡｓスペーサ層
１７０５：ｐ型ＧａＡｓスペーサ層
１７０６：ｐ型ＧａＡｓスペーサ層
１７０７：エアギャップ
１７０８：共振器
１７０９：上部ＤＢＲ
１７１０：ｐ側電極
１７１１：ｎ側電極
１８０１：石英光ファイバ
１８０２：波長分波器
１８０３：波長変換素子
１８０４：合波器
【発明の属する技術分野】
本発明は、変調機能を有する垂直共振型面発光半導体レーザ装置およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板と垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は、消費電力が低い、２次元アレイ化が可能である等の特徴から、光通信や光情報処理の機能デバイスとして期待されている。
【０００３】
垂直共振器型面発光半導体レーザ装置内に、可飽和吸収領域を設けることにより、双安定動作を行う装置として、特公平７−１１２０８７号公報（特許文献１）、特開平８−１８１４６号公報（特許文献２）、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）が提案されている。
【０００４】
上記の双安定垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、活性層の注入電流に対するレーザ光出力のヒステリシス特性、および、可飽和吸収領域への光入力に対するレーザ光出力のヒステリシス特性を用いて双安定動作を実現している。
【０００５】
そのため、可飽和吸収領域へ光を入力すると、光入力を切っても光出力はオン状態が維持される。光出力をオフにするためには、活性層の注入電流を下げるか、可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電界を増加して吸収を増加させてやる必要がある。
【０００６】
また、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）においては、可飽和吸収領域に対して外部注入光を結合させるために、光導波路構造を設けている。これにより、可飽和吸収領域に対する外部注入光の結合効率を高くして、より小さい光入力強度で光スイッチ動作を実現している。
【０００７】
また、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）においては、活性層に別な外部注入光を入射することで、活性層の利得クエンチングにより双安定レーザを非発振状態に遷移させている。
【０００８】
垂直共振器型面発光半導体レーザ装置に、可飽和吸収領域を設けた別な従来例として、特開平６−３０２９１６号公報（特許文献４）、特開平９―１０７１４８号公報（特許文献５）が提案されている。これは、可飽和吸収領域が垂直共振器型面発光半導体レーザ自身の光によって吸収飽和する現象を用いた自励発振型の半導体レーザとなっている。
【０００９】
さらに、特開平５−１５２６７４号公報（特許文献６）においては、電界吸収により光吸収率を変化させる外部変調器を垂直共振器型面発光レーザ装置に集積した構造が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】
特公平７−１１２０８７号公報
【特許文献２】
特開平８−１８１４６号公報
【特許文献３】
特公平６−２９６２５号公報
【特許文献４】
特開平６−３０２９１６号公報
【特許文献５】
特開平９―１０７１４８号公報
【特許文献６】
特開平５−１５２６７４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特公平７−１１２０８７号公報（特許文献１）、特開平８−１８１４６号公報（特許文献２）に示された双安定垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、可飽和吸収領域へ光入力を入力すると、光入力を切っても光出力はオン状態が維持される。光出力をオフにするためには、活性層の注入電流を下げるか、可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電界を増加して吸収を増加させてやる必要がある。そのため、光入力のみで出力光のオン、オフを行うことができない。
【００１２】
また、特公平６−２９６２５号公報（特許文献３）においては、光出力をオンにする外部注入光とは別に、活性層に外部注入光を入射することで、双安定レーザ装置を非発振状態に遷移させている。そのため、制御光が２つ必要となってしまう。
【００１３】
また、特開平６−３０２９１６号公報（特許文献４）、特開平９―１０７１４８号公報（特許文献５）に示された自励発振垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、パルス光にデータ信号を自励発振の周波数でそのまま乗せることはできない。
【００１４】
また、特開平５−１５２６７４号公報（特許文献６）に示された外部変調器を集積した垂直共振器型面発光レーザにおいても、光強度の変調を変調器に印加する電界強度で行っており、全光型のスイッチ動作は実現できない。
【００１５】
そこで、本発明の各請求項は、次の目的を有する。
請求項１の目的は、レーザ出力光を１本の光入力のみで変調することが可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を提供することにある。
【００１６】
また、請求項２および３の目的は、上記の変調原理を用いて、より低出力の入力光で光強度を変調させる垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を提供することにある。
【００１７】
また、請求項４から１３に記載の発明においては、上記装置を用いて高性能の光信号処理装置（垂直共振型面発光半導体レーザ装置、それを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システム）を実現することを目的としている。
【００１８】
【発明を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成を採用した。以下、請求項毎の特徴を述べる。
【００１９】
ａ）請求項１記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、外部から入力光が入射された場合に、光吸収層の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光が遮断された場合に、光吸収層による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下することにより光変調が行われることを特徴としている。
【００２０】
ｂ）請求項２記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成されるように共振器の長さが形成され、複数の共振器モードのうちの一つがレーザ発振波長であり、別の共振器モードが入力光波長と一致することを特徴としている。
【００２１】
ｃ）請求項３記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことを特徴としている。
【００２２】
ｄ）請求項４記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調することを特徴としている。
【００２３】
ｅ）請求項５記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置である。
【００２４】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することを特徴としている。
【００２５】
ｇ）請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴としている。
【００２６】
ｈ）請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層および／または活性層の材料として、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴としている。
【００２７】
ｉ）請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光論理演算装置である。
【００２８】
ｊ）請求項１０記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする波長変換装置である。
【００２９】
ｋ）請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の波長変換装置において、波長０．８５μｍ帯の光信号と波長１．３μｍ帯の光信号とを変換することを特徴としている。
【００３０】
ｌ）請求項１２記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光パルス波形整形装置である。
【００３１】
ｍ）請求項１３記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、請求項９記載の光論理演算装置、請求項１０または１１記載の波長変換装置、あるいは請求項１２記載の光パルス波形整形装置を用いたことを特徴とする光伝送システムである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（１）第１の実施形態（請求項１）
本発明の第１の実施形態は、図１に記載されているような、基板６０１上に、活性層６０５を含む共振器６０３と、共振器６０３の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡６０２，６０８と、活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光強度を変調する光変調方式に関するものである。
【００３３】
ここでは図１に示した構造を用いて説明するが、ここで説明する光変調方式は、後述する図１０，図１１，図１２，図１３，図１４，図１６，図１７，図１９に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の構造においても適用できる。
【００３４】
本発明は、例えば図１に示すような光吸収層６０４構造を有する構造を採用することにより、外部から入力光を入射した場合に、この光吸収層６０４の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光を遮断した場合に、光吸収層６０４による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下するという作用を利用して光変調を実現している。より詳細な説明は、後述する実施例１を参照されたい。
【００３５】
図２は、光変調動作を説明する図であり、活性層６０５に対する注入電流（Ｉｏｐ）と光出力の関係を示している。
【００３６】
図１のように、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４を設けることで、図２のＢに示すように、光吸収損失が増加し、光吸収層が設けられていない場合に比べて半導体レーザの閾電流が増加する。
【００３７】
ここで、光吸収層６０４で吸収される波長の光を外部から注入してやると、光吸収層６０４で外部注入光の吸収が発生する。吸収された光により光吸収層６０４内でキャリアが発生するため、外部注入光強度を強くしていくと、光吸収層６０４の吸収飽和が生じる。これにより、光吸収層６０４の吸収係数が低減されるため、活性層６０５で発生した光に対する光吸収損失が低減される。
【００３８】
これにより、半導体レーザの閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、活性層６０５に対する注入電流（Ｉｏｐ）を一定にしておくと、外部から光を注入することで、図２のＡに示すように、光を注入しない場合に比べて出力されるレーザ光強度が増加する。
【００３９】
そして、再び外部注入光を切ると、光吸収層内で光励起されたキャリアが減少し、活性層の光に対する吸収が増加する。従って、図２のＢに示すように、半導体レーザの閾電流が増加して光出力が減少する。
【００４０】
特に、動作電流Ｉｏｐを、外部から入力光があった場合にはレーザ発振し、外部から入力光がない場合にはレーザ発振しないように設定することで、出力光強度の差が大きくなる。従って、変調のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
【００４１】
以上の動作により、外部から入力する光信号をオン／オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を制御して変調することが可能となる。
【００４２】
以上の方式においては、特許文献１，特許文献２，特許文献６に示された方式とは異なり、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を電気的にではなく光信号で変調することが可能である。
【００４３】
また、特許文献３に示された方式とは異なり、１本の制御光のみで、出力光強度を変調することができるため、システム構成が簡略化される。
【００４４】
なお上述したように、本方式では、注入電流−光出力あるいは光入力−光出力のヒステリシス特性を用いていない（図２参照）。注入電流−光出力特性のヒステリシスは、光吸収層の吸収飽和が活性層で発生した光自身で生じるために表れる。本方式では、光吸収層の吸収飽和は、活性層で発生した光に対しては十分小さく、外部注入光に対しては大きくなるような範囲で動作させている。
【００４５】
ヒステリシス特性を利用する双安定レーザでは、外部注入光をオフにしてもレーザ発振状態が維持されるため、出力光強度は強いままである。一方、本方式では、図２のＢに示されているように、外部注入光をオフにしたときに、出力光強度は外部注入光を入力したときよりも低下するため、出力光強度を変調することができる。この点において、双安定レーザと動作が異なっている。
【００４６】
また、光吸収層の位置を、活性層に対して電流を注入する経路の外側に設けることによって、光吸収層の吸収係数の変化が活性層内のキャリア密度に対して依存しなくしている。そのため、特許文献５に示されるような自励発振を抑制することができる。
【００４７】
光吸収層に対しては、逆バイアス電界を印加することも可能である。これにより、外部注入光をオフにしたときに、光吸収層内に残った励起キャリアを速やかに排出することができるため、スイッチオフ時間をより短くすることができる。
【００４８】
また、外部から注入される光は、バイアス光と制御光の２本にすることも可能である。即ち、バイアス光のみでは光吸収層の吸収飽和が生じず、バイアス光と制御光が合わさった場合にのみ吸収飽和が生じるようにバイアス光と制御光の光強度を調整する。この場合、バイアス光はＣＷ光でよいため、、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を変調する信号は、制御光１本のみである。
【００４９】
上記、光吸収層としては、バルク半導体層以外に、量子井戸構造や超格子構造を用いることが可能である。
【００５０】
また、光吸収層は、共振器構造内、下部分布ブラッグ反射鏡内、上部分布ブラッグ反射鏡内、あるいは分布ブラッグ反射鏡の外部に設けることができる。
光吸収層を共振器構造内に設けた場合には、光吸収層を活性層に近接させることができるため、効率よく活性層の光を吸収させることができる。
【００５１】
一方、自励発振を抑制するために、光吸収層は活性層に対する電流注入経路の外側に設ける必要がある。光吸収層を分布ブラッグ反射鏡内に設けた場合には、活性層に電流を注入する電極コンタクト層を共振器内ではなく、活性層から離れた分布ブラッグ反射鏡内に設けることができる。そのため、素子抵抗の増加を抑制することができる。
【００５２】
光吸収層を上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設ける場合、好ましくは光吸収層を活性層側から５周期以内の分布ブラッグ反射鏡に設けることが望ましい。５周期よりも外側では、素子内の光の定在波分布のピーク強度が大きく減衰するため、光吸収層により活性層で発生した光を吸収する効率が低下してしまうためである。
【００５３】
また、光吸収層の位置を、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内の光定在波分布における腹の位置に設けることで、光吸収層による光吸収効率を向上させることができる。
【００５４】
（２）第２の実施形態（請求項２）
本発明の第２の実施形態においては、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成されるように共振器の長さが形成されており、複数の共振器モードのうちのひとつがレーザ発振波長であり、別の共振器モードが入力光波長と一致することを特徴としている。
【００５５】
第２の実施形態の装置は、第１の実施形態に示した光変調方式を用いることが可能となっている。
【００５６】
第２の実施形態の装置においては、図３に示すように、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モード（λ１、λ２、λ３）が形成されるように共振器の長さが形成されている。
【００５７】
例えば、１．３μｍ帯において、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ材料系で分布ブラッグ反射鏡を形成した場合に、共振器の光学波長はが６λ以上になると、高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成される。共振器モードのひとつと、活性層の利得波長をほぼ一致させることで、垂直共振器型面発光半導体レーザの出力光波長を決定することができる。
【００５８】
また、複数の共振器モードのうちで、発振波長とは別の共振器モードを入力光波長と一致させる。これにより、垂直共振器型面発光型半導体レーザ素子に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡を通過して、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができるため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【００５９】
また、入力光波長と出力光波長が異なるため、素子の一方の面から光を入出力する反射型で使用する場合に、入力光と出力光との区別が容易となる。
なお、本実施例の素子は、反射型だけではなく、ウエハの一方の面から入力し、他方の面から出力される透過型で使用することも可能である。
【００６０】
（３）第３の実施形態（請求項３）
本発明の第３の実施形態においては、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことを特徴としている。
【００６１】
第３の実施形態では、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことで、垂直共振器型面発光型半導体レーザ素子に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができる。そのため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【００６２】
また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなる。そのため、入力光の波長範囲が大きくとれるため、システム構成の制限が小さくなる。また、入力光の波長変動に対しても安定に動作させることができる。
【００６３】
特許文献３においては、可飽和吸収領域に対して外部注入光を結合させるために、光導波路構造を設けている。一方、本方式では、導波路で結合させずに基板に垂直方向から入力光を入射させることができる。従って、作製工程が簡略化でき、また素子の集積密度を増加させることができる。
【００６４】
なお、光吸収層の吸収飽和は、活性層の発振領域に対応した部分で発生させる必要がある。従って、入力光を入射する窓部は、面内方向で、活性層の発振領域に対して、キャリアの拡散長以内の距離になるように位置することが望ましい。
【００６５】
（４）第４の実施形態（請求項４）
本発明の第４の実施形態は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調することを特徴としている。
【００６６】
第４の実施形態では、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に、活性層の光を吸収する光吸収層を面内でパターニングして設けている。例えば、発光領域の同心円状の中心部には光吸収層がなく、周辺部にのみ光吸収層が設けられている。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部で光吸収損失が増加するため、基本横モードで発振しやすくなる。
【００６７】
そして、外部から光吸収層で吸収される波長の光を注入してやると、周辺部の光吸収層で吸収飽和が生じることにより、光吸収層の吸収損失が低減される。これにより、横モードが高次モードで発振しやすくなる。活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【００６８】
垂直共振器型面発光レーザ素子は、横モードによって出力される光の放射分布が異なる。従って、基板にほぼ垂直方向の光を選択的に取りこむようにすることで、基本横モードのときは光強度が強く、高次横モードのときには光強度が低下するため、光強度の変調も可能となる（図４参照）。
【００６９】
また、図５に示すように、垂直共振器型面発光レーザ素子から出力される光を、基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、図６に示すように、外部入力信号に応じて出力信号を、通常信号と反転信号の２種類を取り出すことも可能である。
【００７０】
また、別な応用として、信号を垂直共振器型面発光レーザ素子の活性層に注入する電気信号として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、図７に示すように、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。
【００７１】
これにより１系列の光信号（入力光）を２系列の出力光１，２に分離する光分岐動作が可能となる。また、電界吸収型光変調器と本実施形態の発光装置とを集積して構成することもできる。
【００７２】
（５）第５の実施形態（請求項５）
本発明の第５の実施形態は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置である。
【００７３】
電界吸収型光変調器においてバイアスを印加しない場合には、活性層で発光する光に対して透明となっている。そのため、面発光半導体レーザの閾電流は低いままである。
【００７４】
一方、電界吸収型光変調器に逆方向バイアスを印加すると、光吸収係数が増加するため、面発光半導体レーザの閾電流は増加する。従って、活性層に対する注入電流を一定にしておき、電界吸収型光変調器に印加する電界を変調することにより、レーザ光出力強度を変調することが可能となる。
【００７５】
半導体光変調器に電界を印加して変調する方式は、活性層に注入する電流値を直接変調する場合に比べて、変調周波数を増大させることができる。従って、面発光半導体レーザ装置を、１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数で変調することが可能である。
【００７６】
さらに、第５の実施形態では、第４の実施形態と同様に、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に、活性層の光を吸収する光吸収層を面内でパターニングして設けている。例えば、発光領域の同心円状の中心部には光吸収層がなく、周辺部にのみ光吸収層が設けられている。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部で光吸収損失が増加するため、基本横モードで発振しやすくなる。
【００７７】
そして、外部から光吸収層で吸収される波長の光を注入してやると、周辺部の光吸収層で吸収飽和が生じることにより、光吸収層の吸収損失が低減される。これにより、横モードが高次モードで発振しやすくなる。活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【００７８】
本発光装置では、活性層に注入する電流値を一定にしておき、信号を電界吸収型光変調器に印加する電界として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。これにより、例えば１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数のシリアル光信号を、２系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【００７９】
（６）第６の実施形態（請求項６）
本発明の第６の実施形態は、第１から第５の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することを特徴としている。
【００８０】
垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の発振波長を変える機構としては、共振器内に屈折率変調層を設ける方法がある。屈折率変調層は、バルク材料または超格子材料で構成されており、発振波長に対して透明となっている。屈折率変調層に電界を印加したり、電流を注入することによって屈折率を変化させることができる。これにより、共振器の光学長が変化して共振波長を変化させることが可能である。
【００８１】
また、共振器中や、共振器と反射鏡の間や、反射鏡中にギャップを設けて、その間隔を変化させることで発振波長を変えることも可能である。
【００８２】
本発明の第１から第５の実施形態に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、入力光波長範囲を広くとることが可能である。しかし、出力光波長については、素子によって１つの波長しか出力することができなかった。
【００８３】
しかしながら、第６の実施形態では、出力光波長も変えることが可能である。
即ち、同一の素子で、波長λ１、λ２、・・・、というように出力光波長を選択して出射することができる。そのため、波長λ１の光が入力した場合にλ２に波長変換して出力するだけでなく、波長λ２の光が入力した場合にλ１に変換して出力することができる。
【００８４】
後述する第１０の実施形態では、λ１からλ２に波長変換する素子と、λ２からλ１に波長変換する素子とは、構造が異なる別の素子を用いる必要がある。しかしながら、本実施形態では、同一の素子で、λ１とλ２の光信号を相互に変換することが可能である。
【００８５】
また、本素子をモノリシックアレイ化することで、異なる波長を出力できる小型の波長変換スイッチを容易に構成することができる。
【００８６】
（７）第７の実施形態（請求項７）
本発明の第７の実施形態においては、第１から第６の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴としている。
【００８７】
サブバンド間吸収は、通常の伝導帯と価電子帯とのバンド間遷移による吸収とは異なり、量子井戸構造における伝導帯（または価電子帯）内の量子準位間での遷移によって生じる吸収である。サブバンド間吸収はキャリアの緩和時間がバンド間遷移よりも速いため、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いた場合に、吸収飽和からの回復時間を短くすることができる。従って、より高速に光変調を行うことができる。
【００８８】
（８）第８の実施形態（請求項８）
本発明の第８の実施形態においては、第１から第７の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、光吸収層および／または活性層の材料として、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴としている。
【００８９】
窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体は窒素系Ｖ族混晶半導体として知られている。ＩＩＩ族元素としてＧａ，Ｉｎ，Ａｌのいずれかまたは複数の元素を含み、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）の他にＡｓ，Ｐ，Ｓｂのいずれかまたは複数の元素を含む混晶半導体である。
【００９０】
ＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等はＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長することが可能である。そして、窒素組成が小さい範囲において、窒素を含まない元の結晶に比べてエネルギーバンドギャップが小さくなるという特性を有している。これにより、ＧａＡｓ基板上に、１．２μｍ〜１．６μｍの長波長帯の活性層、あるいは光吸収層を形成することができる。従って、光通信で用いられている波長に適した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を構成することができる。
【００９１】
そして、ＧａＡｓ基板を用いることで、ＡｌＧａＡｓ材料系から構成された高性能の分布ブラッグ反射鏡を用いることができる。そのため、本発明の構成の基本となる垂直共振器型面発光レーザの特性が高くなる。
【００９２】
また、窒素は他のＶ族元素であるＡｓやＰとの非混和性が強いことが知られている。従って、光吸収層において窒素組成を高くすることにより、非発光再結合中心が増加してキャリア寿命を短くすることができる。従って、光吸収層に高濃度ドーピングした効果と同様に、キャリア緩和時間を短くすることができ、より高速で光を変調させることが可能となる。
【００９３】
また、Ｖ族元素としてＡｓまたはＰを主たる元素とする半導体に対して、窒素を少ない組成で添加した場合に、伝導帯のバンド端位置が大きく低下する。例えば、Ｎを１％含むＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９は、ＧａＡｓに対して３５０ｍｅＶの伝導帯バンド端不連続を有することが報告されている（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏｌ．３， Ｎｏ．３， ｐ７１９）。
【００９４】
この効果により、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を井戸層に用いると、伝導帯バンド不連続を拡大することができ、伝導帯内のサブバンド間吸収を利用した光吸収層を構成することも可能である。
【００９５】
（９）第９の実施形態（請求項９）
本発明の第９の実施形態は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光論理演算装置である。
【００９６】
例として、活性層の光を吸収する光吸収層を２層設けた場合について説明する。外部入力光Ａは第１の光吸収層に入力され、第１の光吸収層の光吸収係数を飽和させる。また、外部入力光Ｂは、第２の光吸収層に入力され、第２の光吸収層の光吸収係数を飽和させる。
【００９７】
外部入力光ＡとＢが同時に入力された場合に、光吸収層の吸収損失が低減されて、レーザ発振し、外部入力光がない場合、または一方のみ入力された場合にはレーザ発振しないように、活性層の注入電流を制御する。これにより、２本の入力光信号に対して、ＡＮＤの論理演算に対応した光を出力することが可能となる。
【００９８】
また、外部入力光のいずれか一方または両方が入力された場合にレーザ発振し、外部入力光がない場合にレーザ発振しないように活性層の注入電流を設定することもできる。この場合には、２本の入力光信号に対して、ＯＲの論理演算に対応した光を出力することが可能である。
【００９９】
従って、活性層に注入する電流値を制御することで、ＡＮＤ動作とＯＲ動作の両方を実現できる光論理演算素子を構成することができる。
【０１００】
さらに、光吸収層を３層以上設けることにより、多値論理演算を行わせることもできる。また、光吸収層が１層のみの場合でも、各入力信号の強度を調整することにより、論理演算動作を実行させることができる。
【０１０１】
（１０）第１０の実施形態（請求項１０）
本発明の第１０の実施形態は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする波長変換装置である。
【０１０２】
基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いることで、第１の実施形態に記載した光変調方式が実現できる。このとき、外部からの入力光波長と、レーザの出力光波長とを異なる波長に設定することができる。第２の実施形態〜第８の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においても、外部からの入力光波長と、レーザの出力光波長とを異なる波長に設定することができる。
【０１０３】
第１の実施形態に記載した変調方式では、入力光強度のオン／オフ信号を、そのまま出力光強度のオン／オフ信号に変換できるため、異なる波長に光信号を変換することができる。このとき、入力光波長と出力光波長は、ともに光吸収層で吸収される必要があるため、入力光波長と出力光波長は光吸収層のバンドギャップ波長と同じか短い波長である必要がある（図８参照）。
【０１０４】
この範囲であれば、入力光波長は、出力光波長（λ１）よりも短波長（λ２）でも長波長（λ３）でもかまわない。従って、本実施形態の波長変換装置では、入力光と出力光の波長を適切に選択して構成することで、短波長（λ２）から長波長（λ１）への波長変換のみではなく、長波長（λ３）から短波長（λ１）への変換も可能である。例えば、０．８５μｍの波長の光と１．３μｍの波長の光とを変換することも可能である。
【０１０５】
また、本装置を２段に接続することで、光信号を同じ波長に戻すことも可能となる。
【０１０６】
なお、入力光波長が出力光波長よりも短波長である場合、入力光が活性層に入力されると、活性層においても光は吸収され、活性層内で光励起キャリアを発生させる。そのため、活性層に加える注入電流が一定であっても、光励起によるキャリアが活性層に注入されるため、光出力は増加する。従って、外部入力光は光吸収層を吸収飽和する働きに加えて、活性層を光励起する効果により、出力光強度をより大きく変調することができる。
【０１０７】
（１１）第１１の実施形態（請求項１１）
本発明の第１１の実施形態は、第１０の実施形態の波長変換装置において、波長０．８５μｍ帯の光信号と波長１．３μｍ帯の光信号とを変換することを特徴としている。
【０１０８】
０．８５μｍ帯の入力光信号を１．３μｍ帯の出力光信号に変換する場合には、活性層のバンドギャップ波長を１．３μｍ帯とし、光吸収層のバンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定する。波長０．８５μｍ帯の入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、１．３μｍ帯の出力光の強度が変化する。
【０１０９】
逆に、１．３μｍ帯の入力光信号を０．８５μｍ帯の出力光信号に変換する場合には、活性層のバンドギャップ波長を０．８５μｍ帯とし、光吸収層のバンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定する。波長１．３μｍ帯の入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、０．８５μｍ帯の出力光の強度が変化する。
【０１１０】
本発明においては、入出力波長を０．８５μｍ帯から１．３μｍ帯、または１．３μｍ帯から０．８５μｍ帯へと大きく波長変換することが可能である。これは、活性層と光吸収層が積層方向に集積されており、それぞれのバンドギャップを任意に変えることが可能となっているためである。この特徴により、入力光波長と出力光波長との波長差を大きくとることができる。
【０１１１】
１．３μｍ帯の光は、シングルモード石英光ファイバにおいて、伝送損失が小さい波長に対応しており、比較的長距離のＬＡＮや機器間の光伝送に適している。一方、０．８５μｍ帯の光は、マルチモード石英光ファイバを使用した機器内等の光配線に用いることが可能である。
【０１１２】
本実施形態の波長変換装置を用いることにより、機器内の光配線に使用される０．８５μｍ帯の光信号を、一度電気に変換することなくそのまま機器外部の１．３μｍ帯の光信号に変換して入出力させることが可能となる。これにより、伝送のスループットを大きく向上させることができる。
【０１１３】
（１２）第１２の実施形態（請求項１２）
本発明の第１２の実施形態は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光パルス波形整形装置である。
【０１１４】
第１２の実施形態の光パルス波形整形装置においても、基本的に第１の実施形態に記載した光変調方式を用いて動作させている。
【０１１５】
図９に示すように、外部から素子に入力される光として、クロック光と信号光の２種類を用いる。信号光は光伝送による分散の影響でパルス形状が矩形ではなく、劣化して立ち上がりと立ち下がりが裾を引いている場合を考える。一方、クロック光は、矩形状のパルスであり、データ取り出しのタイミングを決定している。
【０１１６】
光パルス形状が伝送によって歪んで、パルスの立ち上がりと立ち下がりが裾を引くようになると、符号間干渉が生じて符号の読み取りエラーが増加してしまう。そこでパルス波形を整形して符号間干渉を抑制する必要が生じる。
【０１１７】
クロック光と信号光が同時に入力されると、入力光強度は信号光においてクロック光と重なった部分が強くなり、重なっていない部分は強度が低くなっている。そして、クロック光と信号光が重なった部分において、垂直共振器型面発光レーザの出力光強度が強くなり（発振状態）、重なっていない部分では垂直共振器型面発光レーザの出力光強度が低くなる（発振停止状態）ように光出力の閾値（Ｐｔｈ）を設定しておく。
【０１１８】
これにより、信号光の立ち上がりと立ち下がりの部分ではＰｔｈよりも入力強度が低くなるため出力強度が低いままとなり、クロック光のパルス幅に相当する出力光が得られる。
【０１１９】
また、クロック光の光強度をＰｔｈよりも低く設定することで、信号光が入力されないクロック光のみの場合では、垂直共振器型面発光レーザの出力光強度は低いままにすることができる。これにより、信号光のオン／オフ情報が、そのまま出力光に継承される。なお、この光パルス波形整形動作は、光を入出力信号に用いた論理演算動作を応用している。
【０１２０】
以上の動作により、劣化してパルスの立ち上がりと立ち下がりで裾を引く光パルス波形を、整形して出力することができる。
【０１２１】
本実施形態の光パルス波形整形装置は、第１から第８の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を基本としている。従って、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の特徴である低消費電力、低コスト、２次元アレイ化が容易である等の特徴を生かして光パルス波形整形装置を形成することができる。
【０１２２】
（１３）第１３の実施形態（請求項１３）
本発明の第１３の実施形態による光伝送システムは、第１から第８のいずれかの実施形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、第９の実施形態の光論理演算装置、第１０または第１１の実施形態の波長変換装置、あるいは第１２の実施形態の光パルス波形整形装置を用いたことを特徴とする光伝送システムを用いたことを特徴としている。
【０１２３】
これにより、光論理演算、波長変換、光パルス波形整形、系列分離等の光情報処理機能を有する高性能の光伝送システムを構成することができる。そして、光情報処理を行う半導体発光装置の基本要素は垂直共振器型面発光半導体レーザ装置となっているため、低消費電力、低コストでシステムを構築することができる。また、２次元アレイ化も可能であり、光並列情報処理に適した構造となっている。
【０１２４】
次に、本発明の詳細な実施例を用いて、より具体的に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る変調機能を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１２５】
図１を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）６０２が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ６０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ、例えばＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓとして交互に積層して形成されている。
【０１２６】
ｎ型の下部ＤＢＲ６０２の上には、共振器構造６０３が形成されている。共振器構造６０３中には、基板側からＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる光吸収層６０４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６が設けられている。共振器構造内で、光吸収層６０４、活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６の各層間は、ＧａＡｓスペーサ層で構成されている。
【０１２７】
光吸収層６０４のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップは、活性層６０５のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収できるようにしている。
【０１２８】
また、活性層６０５と光吸収層６０４は、共振器構造内の光の定在波分布における腹の位置に設けられている。これは、活性層および光吸収層と光との結合効率を大きくするためである。また、ＡｌＡｓ層６０６は、共振器構造内の光の定在波分布における節の位置に設けられている。
【０１２９】
共振器構造６０３上には、ｐ型の上部ＤＢＲ６０８が積層されている。ｐ型の上部ＤＢＲ６０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ、例えばＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓとして交互に積層して形成されている。
【０１３０】
積層構造表面から活性層６０５と光吸収層６０４との間までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極６０９が形成されており、メサエッチングして表面が露出した共振器構造６０３途中に、ｎ側電極６１０が形成されている。なお、ｎ側電極６１０は、図示されていないが、共振器構造内のｎ型ＧａＡｓコンタクト層上に形成されている。
【０１３１】
ＡｌＡｓ層６０６は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０１３２】
ｐ側電極６０９とｎ側電極６１０に順方向バイアスを加えると、電流は絶縁領域６０７で電流が狭窄され、酸化されていないＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。
【０１３３】
活性層６０５で発生した光は、下部ＤＢＲ６０２と、上部ＤＢＲ６０８とではさまれた共振器構造６０３内で共振し、レーザ発振して基板と垂直に上方向に出力される。すなわち、図１の半導体発光素子は垂直共振器型面発光半導体レーザとして動作する。
【０１３４】
図１の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内には、活性層６０５の光を吸収する光吸収層６０４が共振器内に設けられている。そのため、図２のＢに示すように、光吸収層６０４により共振器の吸収損失が増加して、光吸収層６０４が設けられていない場合に比べて半導体レーザの閾電流は増加している。
【０１３５】
ここで、外部（基板側）から光吸収層６０４で吸収される波長の光、例えば波長０．９８μｍの光を注入してやる。ＧａＡｓは波長０．９８μｍの光に対しては透明であるため、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１を透過して光吸収層６０４に外部注入光が入射され、光が吸収される。吸収された光により光吸収層６０４内でキャリアが発生するため、外部入力光強度を強くしていくと、光吸収層６０４の吸収飽和が生じる。
【０１３６】
これにより、光吸収層６０４の吸収係数が低減されるため、活性層６０５で発生した光に対する光吸収損失も低減される。これにより、半導体レーザの閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、活性層６０５に対する注入電流（Ｉｏｐ）を一定にしておくと、外部から光を注入することで、図２のＡに示すように、光を注入しない場合に比べて出力されるレーザ光強度が増加する。
【０１３７】
そして、再び外部入力光を切ると、光吸収層６０４内で光励起されたキャリアが減少し、活性層６０５の光に対する吸収が増加する。従って、図２のＢに示すように、半導体レーザの閾電流が増加して光出力が減少する。
【０１３８】
以上の動作により、外部からの光入力信号をオン／オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光強度を制御して変調することが可能となる。
【０１３９】
なお、図１に示した構造において、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１裏面に電極を形成し、光吸収層６０４に対して、逆バイアス電界を印加することも可能である。これにより、外部注入光をオフしたときに、光吸収層６０４内に残った励起キャリアを速やかに排出することができるため、スイッチオフ時間をより短くすることができる。
【０１４０】
（実施例２）
図１０は、本発明の実施例２に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１４１】
図１０を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０２が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ６０２の上には、共振器構造６０３が形成されている。
【０１４２】
共振器構造６０３中には、基板側からＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層６０４が設けられている。共振器構造内で、活性層６０５、ＡｌＡｓ層６０６、光吸収層６０４の各層間は、ＧａＡｓスペーサ層で構成されている。
【０１４３】
光吸収層６０４のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップは、活性層６０５のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収できるようにしている。
【０１４４】
また、活性層６０５と光吸収層６０４は、共振器構造内の光の定在波分布における腹の位置に設けられている。また、ＡｌＡｓ層６０６は、共振器構造内の光の定在波分布における節の位置に設けられている。共振器構造６０３上には、ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０８が積層されている。
【０１４５】
積層構造表面から光吸収層６０４とＡｌＡｓ層６０６との間までエッチングして矩形または円筒状の第１のメサ構造を形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きなメササイズで、ｎ型下部ＤＢＲ６０２に達するまでエッチングして、第２のメサ構造が形成されている。
【０１４６】
第１のメサ構造のエッチングで表面が露出した共振器構造の途中には、ｐ側電極６０９が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１の裏面には、ｎ側電極６１０が形成されている。なお、ｐ側電極６０９は、図示されていないが、共振器構造内のｐ型ＧａＡｓコンタクト層上に形成されている。
【０１４７】
ＡｌＡｓ層６０６は、第２のメサ構造のエッチングにより露出したメサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０１４８】
図１０に示す実施例２の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においても、実施例１と同様に、外部からの光入力信号をオン／オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光強度を制御して変調することができる。なお、実施例１においては、基板裏面から光を入力して、基板表面から光を出力する透過型で構成しているが、実施例２においては、入力光と出力光をともに基板表面から入出力させる反射型となっている。
【０１４９】
さらに、図１０に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、共振器長を長くすることにより、ＤＢＲの高反射帯域中に複数の共振器モードが形成されていることを特徴としている。本実施例では、共振器構造全体の光学的厚さを１０λで作製しており、９５０．５ｎｍ、９８０ｎｍ、１０１２ｎｍの３つの共振器モードが形成されている。
【０１５０】
活性層６０５のバンドギャップ波長を９８０ｎｍとほぼ一致するようにすることで、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光波長を９８０ｎｍとしている。
【０１５１】
また、複数の共振器モードのうちで、発振波長９８０ｎｍとは別の共振器モード９５０．５ｎｍと入力光波長を一致させている。これにより、垂直共振器型面発光型半導体レーザ装置に入力された光は、ｐ型ＤＢＲ６０８を通過して、共振器構造６０３に設けられた光吸収層６０４まで侵入することができるため、光吸収層６０４と入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【０１５２】
また、本実施例においては素子の一方の面から光を入出力する反射型で構成しているが、入力光波長と出力光波長が異なるため、入力光と出力光との信号分離が非常に容易である。
【０１５３】
（実施例３）
図１１は、本発明の実施例３に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１５４】
図１１を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、第１のｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ８０１が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ８０１上には、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ構造からなる光吸収層６０４が形成されており、光吸収層６０４上には第２のｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ８０２、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１５５】
ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４を合わせた領域が共振器構造となっている。活性層６０５は、共振器構造内の光の定在波分布において腹の位置に設けられている。また、ＡｌＡｓ層６０６は、素子の光の定在波分布における節の位置に設けられている。
【０１５６】
光吸収層６０４のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップは、活性層６０５のＩｎＧａＡｓ井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収できるようにしている。
【０１５７】
積層構造表面から第２のｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ８０２の途中までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極６０９が形成されており、メサエッチングして表面が露出した面にｎ側電極６１０が形成されている。
【０１５８】
さらに、ｎ側電極６１０の１部が除去されて、外部から光を入力する窓部８０５が形成されている。光吸収層６０４と窓部８０５表面との間隔は、光学的距離においてλ／４よりも薄くなるように作製した。
【０１５９】
ＡｌＡｓ層６０６は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０１６０】
図１１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層６０４に外部から光が入力されるように、窓部８０５が設けられている。そのため、入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、下部ＤＢＲ内に設けられた光吸収層６０４まで侵入することができる。そのため、光吸収層６０４と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【０１６１】
また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなる。そのため、入力光として用いる波長範囲が大きくとることができ、システム構成の制限が小さくなる。また、入力光の波長変動に対しても安定に動作させることができる。
【０１６２】
上記実施例では、光吸収層６０４と窓部８０５表面との間隔を光学的距離でλ／４よりも薄くなるように作製している。しかし、光吸収層６０４と窓部８０５表面との間に薄いＤＢＲが設けられていてもよい。
【０１６３】
光吸収層６０４と窓部８０５表面とのＤＢＲ周期を１〜２周期と小さくすることでも、入力光の反射が抑制されて光吸収層６０４と入力光との結合効率が向上する。しかし、光吸収層６０４と窓部８０５表面とのＤＢＲ周期が増加するほど、光吸収層６０４が侵入できる帯域が狭くなるため、層厚を薄くするほうが好ましい。
【０１６４】
次に、図１１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いた波長変換動作について説明する。
図１１の素子においては、実施例１と同様に入力光強度をオン／オフすることにより、レーザ出力光強度を変調することができる。従って、入力光の強度変調によるデジタル信号を、そのまま出力光の強度によるデジタル信号に変換することができる。
【０１６５】
入力光の波長と出力光の波長は、共に光吸収層６０４のバンドギャップ波長と同じか短い波長である必要がある。これは、光吸収層６０４によって入力光および活性層６０５で発生した光を吸収できるようにするためである。本実施例では、光吸収層６０４のバンドギャップ波長を１１００ｎｍとし、出力光の波長を９８０ｎｍとした。
【０１６６】
一方、入力光はＤＢＲを通らずに光吸収層６０４に結合されるため、入力光波長が共振モードで制限されることがない。そのため、入力光波長の選択範囲が広くなっている。
【０１６７】
入力光波長として９５０ｎｍの光を用いた場合、入力光は光吸収層６０４のバンドギャップ波長より短いため、光吸収層６０４で吸収される。よって、９５０ｎｍの光信号を、９８０ｎｍの光信号に変換することが可能である。
【０１６８】
また、入力光波長として、１０２０ｎｍの光を用いた場合でも、入力光は光吸収層６０４のバンドギャップ波長より短いため、光吸収層６０４で吸収される。そのため、１０２０ｎｍの光信号を、９８０ｎｍの光信号に変換することが可能である。
【０１６９】
即ち、同じ素子を用いて、短波長から長波長への波長変換と、長波長から短波長への変換が可能となる。従って、波長分割多重通信における波長変換処理を、容易に実施することができる。
【０１７０】
（実施例４）
図１２は、本発明の実施例４に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０１７１】
図１２を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ６０２が積層されている。ｎ型下部ＤＢＲ６０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層１００１、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１７２】
積層構造表面からｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ６０２に達するまでエッチングして円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてリング状のｐ側電極６０９が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１裏面にはｎ側電極６１０が形成されている。
【０１７３】
さらに、図１２の素子の特徴として、メサ構造頂上部に形成された円形のｐ側電極６０９の開口部において、リング状にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層１００２が形成されている。
【０１７４】
また、ＡｌＡｓ層６０６はメサエッチングした側面から選択的に酸化されて、絶縁領域６０７が形成されている。
【０１７５】
図１２の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、活性層１００１で発生した光を吸収する光吸収層１００２をリング形状で形成している。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部は光吸収層１００２によって光吸収損失が増加するため、高次横モードは基本横モードよりも損失が大きくなり、基本モードが発振しやすくなる。
【０１７６】
一方、外部から光吸収層１００２で吸収される波長の光を注入してやると、光吸収層１００２で吸収飽和が生じることにより、光吸収層１００２の吸収損失が低減する。そのため、発振領域の中心部と周辺部で吸収損失の差がなくなるため、高次横モードで発振しやすくなる。
【０１７７】
従って、活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【０１７８】
垂直共振器型面発光レーザ装置における、出力光の放射分布の１例を図４に示す。基本横モードの場合には、基板と垂直方向で最も光強度が強くなる。一方、高次（１次）モードでは、基板と垂直方向で強度が小さく、１０〜１５度傾いた方向で光強度が強くなっている。そのため、図１２の素子から出力される光を垂直方向、あるいは斜め方向から検出すると、横モードによって光強度が変調される。
【０１７９】
この場合、図１２の素子から出力される光を、基板と垂直方向から検出すると、出力符号は入力符号に対して反転して出力される。一方、基板に対して斜め方向から検出した場合には、反転されずにそのまま出力される。
【０１８０】
また、本実施例では、活性層１００１の井戸層材料としてＧａＩｎＮＡｓを用いている。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長することが可能であり、また窒素組成が小さい範囲において、窒素を含まないＧａＩｎＡｓに比べてエネルギーバンドギャップが小さくなるという特性を有している。
【０１８１】
これにより、ＧａＡｓ基板上に、１．２μｍ〜１．６μｍの長波長帯の活性層を形成することができる。従って、光通信で用いられている波長帯に適した半導体発光装置を構成することができる。本実施例では、出力光波長を１．３μｍとした。
【０１８２】
また、ＧａＡｓ基板を用いることで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系から構成された高性能のＤＢＲを用いることができる。そのため、本発明の構成の基本となる垂直共振器型面発光レーザの特性が高くなる。即ち、消費電力が低く、温度特性が良好な長波長帯面発光レーザを作製できる。
【０１８３】
また、本実施例では、光吸収層１００２の井戸層材料にもＧａＩｎＮＡｓを用いている。窒素（Ｎ）は他のＶ族元素であるＡｓとの非混和性が強いため、光吸収層１００２において活性層よりも窒素組成を高くすることにより、キャリア寿命を短くすることができる。これにより、光吸収層１００２内のキャリア緩和時間を短くして、より高速で光を変調させることができる。
【０１８４】
（実施例５）
図１３は、本発明の実施例５に係る半導体発光素子の断面図である。
図１３を参照すると、ｐ型ＧａＡｓ基板１５０１上に、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０２が積層されている。ｐ型下部ＤＢＲ１５０２上には光吸収層１５０３、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４が積層されている。
【０１８５】
ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４の途中にはＡｌＡｓ層１５０５が設けられている。さらに、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層１００１、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１８６】
積層構造表面からｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４に達するまでエッチングして円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてリング状のｐ側電極６０９が形成されている。
【０１８７】
さらに、メサ構造頂上部に形成された円形のｐ側電極６０９の開口部において、リング状にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層１００２が形成されている。
【０１８８】
１５０６はエッチングで表面が露出したｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ１５０４上に形成されたｎ側電極であり、１５０７はｐ型ＧａＡｓ基板１５０１裏面に形成されたｐ側電極（６１０）となっている。
【０１８９】
また、ＡｌＡｓ層６０６および１５０５は側面から選択的に酸化されて、絶縁領域６０７が形成されている。
【０１９０】
図１３の半導体発光素子においては、電極６０９と電極１５０６との間に順方向バイアスを加えることで、活性層１００１に電流が注入されて発光する。このとき、電流はＡｌＡｓ層６０６が選択酸化されていない領域を通るため、電流を酸化の開口径に対応して狭窄することができる。
【０１９１】
活性層１００１で発光した光は、ＤＢＲ６０８と、ＤＢＲ１５０４およびＤＢＲ１５０２との間で共振し、利得が損失を上回ると、基板と垂直方向にレーザ発振する。
【０１９２】
また、光吸収層１５０３は電界吸収型光変調器を構成している。電極１５０６と電極１５０７との間に逆方向バイアスを印加することにより、選択酸化されていないＡｌＡｓ層１５０５を通って、レーザ発振領域の光吸収層１５０３に電界が印加される。
【０１９３】
光吸収層１５０３に電界が印加されると、光吸収層１５０３のバンドギャップは縮小する。電界を印加しない場合には、活性層１００１の光に対して透明であり、電界を印加した場合に活性層１００１の光を吸収するように光吸収層１５０３のバンドギャップを設定した。
【０１９４】
光吸収層１５０３にバイアスを印加しない場合には、活性層１００１で発光する光に対して透明となっているため、面発光半導体レーザの閾電流は低いままである。
【０１９５】
一方、光吸収層１５０３に逆方向バイアスを印加すると、光吸収損失が増加するため、面発光半導体レーザの閾電流は増加する。従って、活性層１００１に対する注入電流を一定にしておき、光吸収層１５０３に印加する電界を変調することにより、レーザ光出力強度を変調することができる。
【０１９６】
光吸収層１５０３からなる電界吸収型光変調器に電界を印加して変調する方式は、活性層１００１に注入する電流値を直接変調する場合に比べて、変調周波数を増大させることができる。従って、面発光半導体レーザ装置を、１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数で変調することが可能である。
【０１９７】
光吸収層１５０３としては、バルク層または量子井戸構造を用いることができる。本実施例においては、光吸収層１５０３をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ構造で構成した。
【０１９８】
また、図１３においては、活性層１００１で発生した光を吸収する別な光吸収層１００２をリング形状で形成している。外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部は光吸収層１００２によって光吸収損失が増加するため、高次横モードは基本横モードよりも損失が大きくなり、基本モードが発振しやすくなる。
【０１９９】
一方、外部から光吸収層１００２で吸収される波長の光を注入してやると、光吸収層１００２で吸収飽和が生じることにより、光吸収層１００２の吸収損失が低減する。そのため、発振領域の中心部と周辺部で吸収損失の差がなくなるため、高次横モードで発振しやすくなる。
【０２００】
従って、活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【０２０１】
以上の構成により、図１３の半導体発光素子は、光吸収層１５０３に印加する電界によって出力光強度を変調し、光吸収層１００２に入力する外部光によって、レーザ発振光の横モードを変調させることができる。それぞれの変調は独立に制御することが可能である。
【０２０２】
活性層１００１に注入する電流値を一定にしておき、信号を光吸収層１５０３に印加する電界として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。これにより、例えば１０〜５０ＧＨｚと高い変調周波数のシリアル信号を、２系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【０２０３】
（実施例６）
図１４は、本発明の実施例６に係る半導体発光素子の断面図である。
図１４を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、第１の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１７０１、１７０３が積層されている。そして、下部ＤＢＲ中には、光吸収層１７０２が設けられている。
【０２０４】
下部ＤＢＲ１７０３上には、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１７０４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層１００１、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層１７０５、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層１７０６が順に積層されている。
【０２０５】
さらに、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層１７０６上にはエアギャップ１７０７を介して上部ＤＢＲ１７０９が設けられている。下部ＤＢＲ１７０３と上部ＤＢＲ１７０９ではさまれた領域が共振器構造１７０８を構成している。
【０２０６】
積層構造表面から下部ＤＢＲ１７０３に達するまでエッチングしてメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極１７１０が形成されている。また、メサ構造のエッチングした底面にはｎ側電極１７１１が形成されている。
【０２０７】
ＡｌＡｓ層６０６は、エッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０２０８】
ｐ側電極１７１０とｎ側電極１７１１に順方向バイアスを加えると、電流はＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、活性層１００１に電流が注入されて、１．３μｍ帯で発光する。活性層１００１で発生した光は、共振器構造１７０８によって選択された共振モードで共振し、基板と垂直にレーザ光が出力される。
【０２０９】
図１４の素子においては、活性層１００１の光を吸収する光吸収層１７０２が設けられている。そのため、吸収損失が増加して、光吸収層１７０２が設けられていない場合に比べて閾電流は高くなっている。ここで、第２のメサ構造エッチング底面から、光吸収層１７０２で吸収される波長の外部入力光を注入してやると、光吸収層１７０２の吸収係数が飽和して光吸収損失が低減される。
【０２１０】
これにより、閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、外部からの光入力信号によって、面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を変調することが可能となる。このとき、入力光波長を出力光波長と異なる波長に設定することにより、波長変換動作を実現できる。
【０２１１】
また、図１４の共振器１７０８内部にはエアギャップ１７０７が設けられている。エアギャップ１７０７の間隔を変化させることにより、共振器１７０８の長さが変化するため、面発光レーザの共振モード波長をシフトさせることが可能となる。
【０２１２】
これにより、出力光波長を掃引可能な波長変換素子を実現することができる。
エアギャップ１７０７の間隔は、静電引力や圧電素子を用いて外部から制御することが可能である。
【０２１３】
図１５は、図１４の波長変換素子を用いて構成した光交換装置の１例を示している。
【０２１４】
図１５において、光ファイバ１８０１から入力された波長λ１、λ２、λ３、λ４の光信号は、波長分波器１８０２で、波長ごとに空間的に分離される。そして、分離されたそれぞれの光信号は波長変換素子１８０３によって波長変換された後に、合波器１８０４で再び合流して１本の光ファイバ１８０１から出力される。
【０２１５】
図１５においては、１例として、λ１をλ４に、λ２をλ３に、λ３をλ２に、λ４をλ１に変換する動作を示している。しかし、各波長変換素子は、波長λ１〜λ４の任意の波長で出力することが可能であり、出力波長の組み合わせを自由に切りかえることができる。
【０２１６】
図１５においては、１本の光ファイバ中を４波長の光信号で伝送しており、波長分割多重伝送方式を用いている。λ１からλ４の波長として、例えば、１２９０ｎｍ、１２９５ｎｍ、１３００ｎｍ、１３０５ｎｍの４波長を用いた。
【０２１７】
図１４の光吸収層１７０２のバンドギャップ波長を１３０５ｎｍより長くすることで、λ１からλ４までの全ての波長を吸収可能である。活性層１７０４のバンドギャップ波長は１２９５ｎｍとした。また、エアギャップ１７０７を変化させることで、発振波長を１２９０〜１３０５ｎｍまで変化させることができる。
【０２１８】
従って、図１４の波長変換素子を用いることで、同一の素子構造で、波長λ１〜λ４の任意の光を入力し、波長λ１〜λ４の任意の光に変換して出力することが可能である。そのため、４素子の波長変換素子をモノリシック集積することが可能である。これにより、波長変換装置のサイズを小型化することができる。
【０２１９】
（実施例７）
図１６は、本発明の実施例７に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０２２０】
図１６に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の構成は、図１１に示した構成と類似している。図１１の構成と異なっている点は、活性層１００１として、波長１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ構造を用いていることである。これにより、光通信に適した波長で、動作させることができる。
【０２２１】
また、光吸収層１１０１として、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＡｓ−ＭＱＷ構造を用いたことを特徴としている。例えば、Ｉｎ組成０．１で窒素組成２％のＧａＩｎＮＡｓとＡｌＡｓとの伝導帯（Γ帯）バンド不連続は、約１．４３ｅＶとなる。
【０２２２】
井戸幅４．６ｎｍの量子井戸構造において、伝導帯に形成される量子準位の基底準位（０次）と３次の準位間のエネルギー差は約９５０ｍｅＶとなり、１．３μｍの波長に相当する。この伝導帯におけるサブバンド間の吸収を用いることで、１．３μｍの光を吸収することができる。
【０２２３】
なお、Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．９８井戸層のバンドギャップ波長は約１．２３μｍであり１．３μｍよりも短くなっている。従って、伝導帯と価電子とのバンド間吸収はほとんど生じることがない。
【０２２４】
光吸収層１１０１の吸収過程として、伝導帯内のサブバンド間吸収を用いたことにより、吸収飽和からの回復時間を短くすることができるため、さらに高速に動作する光変調を実現することができる。
【０２２５】
なお、光吸収層１１０１において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＡｌＡｓ障壁層との界面に１ｎｍ程度のＧａＡｓを中間層として設けることができる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＡｌＡｓ障壁層との界面平坦性を著しく改善することができる。
【０２２６】
以上の実施例においては、基板としてｎ型ＧａＡｓ基板を使用した例を用いて説明した。しかしながら、基板の導電型としてｐ型や（半）絶縁性基板を用いることもできる。また、ＧａＡｓの他に、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ等各種の単結晶基板を使用することができる。
【０２２７】
また、ＤＢＲを構成する半導体材料としては、ＡｌＧａＡｓ系の他にＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＡｌＧａＮ系等を用いることも可能である。あるいは、上部ＤＢＲ構造については、誘電体多層膜を用いることも可能である。
【０２２８】
また、光吸収層は１層のみではなく、素子内に複数設けることも可能である。また、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に波長掃引機構を設けることにより、出力光波長を変化させることも可能である。
【０２２９】
（実施例８）
図１７は、本発明の実施例８に係る半導体発光素子の断面図である。
【０２３０】
図１７を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１６０１、１６０３、１６０５が積層されている。そして、下部ＤＢＲ中には、第１の光吸収層１６０２、第２の光吸収層１６０４が設けられている。
【０２３１】
下部ＤＢＲ１６０５上には、下部ＧａＡｓスペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、上部ＧａＡｓスペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、ｐ型ＧａＡｓＤＢＲ６０８が設けられている。
【０２３２】
積層構造表面から下部ＤＢＲ１６０５の途中までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてｐ側電極６０９が形成されており、メサエッチングして表面が露出した下部ＤＢＲ１６０５にはｎ側電極６１０が形成されている。ＡｌＡｓ層６０６は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０２３３】
ｐ側電極６０９とｎ側電極６１０に順方向バイアスを加えると、電流は酸化されていないＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。活性層６０５で発生した光は、下部ＤＢＲ１６０１、１６０３、１６０５と、上部ＤＢＲ６０８とではさまれた共振器構造内で共振し、基板と垂直に上方向にレーザ光が出力される。
【０２３４】
光吸収層１６０２および１６０４は、活性層６０５のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層６０５で発生した光を吸収する。本実施例では、光吸収層１６０２のバンドギャップ波長を１．０μｍ、光吸収層１６０４のバンドギャップ波長を１．１μｍとした。
【０２３５】
また、光吸収層１６０２は、素子の光の定在波分布における腹の位置に設けた。これにより、素子内で定在波を構成している光と光吸収層１６０２との結合効率が大きくなる。一方、光吸収層１６０４は、素子の光の定在波分布における節の位置近傍に設けた。
【０２３６】
次に、図１７の半導体発光素子の動作について説明する。
実施例８は、素子に対して２つの入力光ＡとＢを入力し、その論理演算結果を出力光として得る光論理演算素子として動作する。
【０２３７】
入力光Ａは、出力光波長と同じ０．９８μｍであり、基板裏面から素子に入力している。一方、入力光Ｂは波長１．０５μｍであり、エッチングで露出した下部ＤＢＲ１６０５の窓部から入力している。
【０２３８】
入力光Ａは素子の共振器モードと位相整合しているため、定在波分布における腹の位置に設けた光吸収層１６０２と結合して吸収される。一方、光吸収層１６０４は節の位置近傍に設けているため、入力光Ａとの結合効率が低くなっている。
【０２３９】
入力光Ｂの波長は、光吸収層１６０２のバンドギャップ波長よりも長く、光吸収層１６０４のバンドギャップ波長よりも短くなっている。そのため、光吸収層１６０４によって吸収されるが、光吸収層１６０２に対しては透明となっている。従って、入力光Ａは光吸収層１６０２と結合し、入力光Ｂは光吸収層１６０４と結合する構成となっている。
【０２４０】
外部からの入力光ＡとＢが同時に入力された場合には、光吸収層１６０２および１６０４の吸収係数が飽和して、吸収損失が低減される。これにより、レーザ発振して出力光が基板上方に出射される。
【０２４１】
一方、外部入力光がない場合、または一方のみ入力された場合には、光吸収層による吸収損失のため、レーザ発振しないように活性層の注入電流を制御する。これにより、２本の入力光信号Ａ，Ｂに対して、ＡＮＤの論理演算に対応した光を出力することが可能となる。
【０２４２】
また、外部入力光Ａ，Ｂのいずれか一方または両方が入力された場合にレーザ発振し、外部入力光がない場合にレーザ発振しないように活性層の注入電流を設定することもできる。この場合には、２本の入力光信号に対して、ＯＲの論理演算に対応した光を出力することが可能である。
【０２４３】
（実施例９）
図１８は、本発明の実施例９に係る波長変換装置の構成図である。
図１８において、基板１４０１上に波長変換素子１４０４と１４０５が設けられている。１４０２はシングルモード石英光ファイバであり、１４０３はマルチモード石英光ファイバであり、１４０６は光合波器となっている。
【０２４４】
図１８において、シングルモード石英光ファイバ１４０２は外部のＬＡＮに接続されており、波長１．３μｍの光で双方向に光信号を伝送する。外部からシングルモード石英光ファイバ１４０２に入力された光信号は、光合波器１４０６を通って波長変換素子１４０４に入力される。
【０２４５】
ここで、波長１．３μｍから０．８５μｍの光信号に変換された後に、マルチモード石英光ファイバ１４０３に出力される。マルチモード石英光ファイバ１４０３は、機器内のユニットに光接続されており、ユニット間の光配線として使用されている。
【０２４６】
一方、マルチモード石英光ファイバ１４０３からの入力信号は、波長変換素子１４０５において、波長０．８５μｍから１．３μｍに波長変換され、光合波器１４０６を通ってからシングルモード石英光ファイバ１４０２に出力される。
【０２４７】
配線長が比較的短距離の機器内光配線においては、実装が容易なマルチモード石英光ファイバ１４０３が用いており、光信号の波長を０．８５μｍとしている。一方、外部ＬＡＮに接続する場合には、伝送距離が長距離でも伝送損失が低いシングルモード石英光ファイバ１４０２を使用して、光信号の波長を１．３μｍとしている。本実施例の波長変換装置では、装置外部と内部で異なる波長の光信号を、変換する働きをしている。
【０２４８】
波長変換素子の構造は、実施例１に示した図１の半導体発光素子とほぼ同様の構造をしている。０．８５μｍの光信号を１．３μｍの光信号に変換する波長変換素子１４０５においては、活性層をＧａＩｎＮＡｓ材料で構成することにより、バンドギャップ波長を１．３μｍ帯とした。そして、１．３μｍでレーザ発振するように、分布ブラッグ反射鏡と共振器長の層厚を設定している。
【０２４９】
そして、光吸収層のバンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定して、活性層の光を吸収するようにしている。波長０．８５μｍの入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、１．３μｍの出力光強度を変調することができる。
【０２５０】
波長０．８５μｍの外部光が光吸収層に達する途中の層では、各積層構造のバンドギャップは波長０．８５μｍの光に対して透明になるようにした。なお、基板側から外部光を入力する場合には、ＧａＡｓ基板をエッチングで除去して入力窓部を形成する必要がある。
【０２５１】
１．３μｍの光信号を０．８５μｍの光信号に変換する波長変換素子１４０４においては、活性層をＧａＡｓ材料で構成してバンドギャップ波長を０．８５μｍとした。光吸収層はＧａＩｎＮＡｓ材料で構成しており、バンドギャップ波長は１．３μｍと同じか、それよりも長い波長に設定した。
【０２５２】
波長１．３μｍの入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、０．８５μｍの出力光強度を変調することができる。なお、基板側から出力光を出射する場合には、ＧａＡｓ基板をエッチングで除去して出力窓部を形成する必要がある。
【０２５３】
図１８の波長変換装置においては、光信号を１度電気に変換してから再び光信号にもどすことなく波長変換している。従って、装置構成が簡略化できる。また、信号変換に要する遅延時間が短縮されるため、信号伝送のスループットを向上させることができる。
【０２５４】
（実施例１０）
図１９は、本発明の実施例１０に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【０２５５】
図１９を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０２が積層されている。ｎ型の下部ＤＢＲ６０２の上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層８０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５、ＧａＡｓ上部スペーサ層８０４、ＡｌＡｓ層６０６、第１のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０１、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層６０４、第２のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０２が順に積層されている。
【０２５６】
積層構造表面から第２のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０２の途中までエッチングして矩形または円筒状の第１のメサ構造が形成されている。また、第１のメサ構造よりも大きなメササイズで、第１のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０１の途中までエッチングして、第２のメサ構造が形成されている。さらに、第２のメサ構造よりも大きなサイズで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ６０２に達するまでエッチングして、第３のメサ構造が形成されている。
【０２５７】
第２のメサ構造のエッチングで表面が露出した第１のｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＤＢＲ９０１の途中には、ｐ側電極６０９が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１の裏面には、ｎ側電極６１０が形成されている。
【０２５８】
ＡｌＡｓ層６０６は、第３のメサ構造のエッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて絶縁領域６０７が形成されている。
【０２５９】
ｐ側電極６０９とｎ側電極６１０に順方向バイアスを加えると、電流は絶縁領域６０７で電流が狭窄され、酸化されていないＡｌＡｓ層６０６の開口部分を通って、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層６０５に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。活性層６０５で発生した光は、下部ＤＢＲ６０２と、上部ＤＢＲ９０１，９０２との間で共振し、レーザ発振して第１のメサ構造の頂上部より、基板と垂直上方向に出力される。
【０２６０】
第１のメサ構造のエッチングで露出した底面は、外部から光吸収層６０４に光を入力する窓部８０５となっている。光吸収層６０４と窓部８０５表面との間隔は、光学的距離においてλ／４よりも薄くなるように作製した。
【０２６１】
これにより、光吸収層６０４と外部入力光との結合効率を向上させて、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。また、入力光として用いる波長範囲を大きくとることができる。
【０２６２】
次に、図１９の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いた光パルス波形整形動作について説明する。
【０２６３】
外部から素子に入力される光として、クロック光と信号光の２種類を用いる。信号光は光伝送による分散の影響でパルス形状が矩形ではなく劣化している場合を考える。一方、クロック光は、矩形状のパルスであり、データ取り出しのタイミングを決定している。図１９においては、クロック光を入力光１とし、信号光を入力光２とした。
【０２６４】
クロック光と信号光が同時に入力されると、光吸収層６０４に入力される入力光強度は信号光においてクロック光と重なった部分が強くなり、重なっていない部分は強度が低くなっている。
【０２６５】
そして、クロック光と信号光が重なった部分において、垂直共振器型面発光レーザが発振状態となり、重なっていない部分では垂直共振器型面発光レーザが発振停止状態となるように光出力の閾値（Ｐｔｈ）を設定する。
【０２６６】
これにより、信号光の立ち上がりと立ち下がりの部分ではＰｔｈよりも入力強度が低くなるため出力強度が低いままとなり、クロック光のパルス幅に対応したパルス幅の出力光が得られる。
【０２６７】
また、クロック光の光強度をＰｔｈよりも低く設定することで、信号光が入力されないクロック光のみの場合では、垂直共振器型面発光レーザ装置の出力光強度は低いままにすることができる。これにより、信号光のオン／オフ情報が、そのまま出力光に継承される。
【０２６８】
上記の光パルス波形整形装置を光伝送システムの中継装置に用いることで、光ファイバ伝送によって劣化した光信号を増幅・整形して出力できるため、伝送距離を伸ばすことが可能となる。また、光パルス波形整形装置を垂直共振器型面発光レーザ装置で構成しているため、装置の製造コストを低減することができる。
【０２６９】
（実施例１１）
図２０は、図１、図１０，図１１，図１２，図１３，図１４，図１６，図１７，図１９に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（波長変換素子）を用いた光伝送モジュールの１例である。
【０２７０】
図２０において、１２０１は入力用光ファイバアレイであり、１２０２は波長変換素子であり、１２０３は合波器であり、１２０４は出力用光ファイバである。
【０２７１】
４本の光ファイバがアレイ化された光ファイバアレイ１２０１から入力された並列光信号（波長λ０）は、それぞれ４個の波長変換素子１２０２で波長λ１、λ２、λ３、λ４に変換される。波長変換された光信号は、光合波器１２０３で１本の光導波路に結合され、それを４波長の波長分割多重方式で１本の光ファイバ１２０４で出力する構成となっている。これにより、並列伝送方式から波長分割多重方式に光信号を高速に変換することができる。
【０２７２】
（実施例１２）
図２１は、図１、図１０，図１１，図１２，図１３，図１４，図１６，図１７，図１９に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（波長変換素子）を用いた光伝送モジュールの別な構成例を示している。
【０２７３】
図２１において、４本の光ファイバがアレイ化された光ファイバアレイ１２０１から入力された並列光信号（波長λ０）は、マイクロレンズアレイ１３０１で集光されて、それぞれ波長変換素子１２０２に入力される。波長変換素子１２０２では、４種類の光信号を波長λ１、λ２、λ３、λ４に波長変換する。
【０２７４】
なお、ここで波長変換素子は、透過型の素子構造を用いた。波長変換された光信号は、面型光合波器１３０２で１本に合成され、集光レンズ１３０３で集光して出力用光ファイバ１２０４に出力される。これにより、図２１に示した光伝送モジュールと同様に、並列伝送方式から波長分割多重方式に光信号を高速に変換することができる。
【０２７５】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。以下、請求項毎にその効果を述べる。
【０２７６】
ａ）請求項１記載の発明によれば、外部から入力光が入射された場合に、前記光吸収層の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光が遮断された場合に、前記光吸収層による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下することを利用して出力光強度を変調する機能を備えたことにより、出力されるレーザ光強度を電気的にではなく１本の光信号で変調することが可能である。従って、制御が容易な光−光スイッチを実現することができ、光―光スイッチ動作を含むシステム構成を簡略化することができる。
【０２７７】
ｂ）請求項２記載の発明によれば、垂直共振器型面発光型半導体レーザ装置に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡を通過して、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができる。そのため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができ、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【０２７８】
ｃ）請求項３記載の発明によれば、垂直共振器型面発光型半導体レーザ装置に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができる。そのため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができ、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなるため、入力光の波長範囲が大きくなる。
【０２７９】
ｄ）請求項４記載の発明によれば、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調するようにしたので、反転信号の形成や、１系列の光信号を２系列に分離する光分岐動作が可能となる。
【０２８０】
ｅ）請求項５記載の発明によれば、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことにより、１０〜５０ＧＨｚの高い変調周波数のシリアル光信号を、２系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【０２８１】
請求項６記載の発明によれば、請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することにより、同一の素子で様々な入力光波長に対して出力光波長を変えて出力することができる。これにより、波長分割多重伝送方式における信号間の波長変換スイッチを容易に構成することができる。
【０２８２】
ｅ）請求項７記載の発明によれば、請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことにより、吸収飽和からの吸収回復時間を短くすることができ、より高速に光変調を行うことができる。
【０２８３】
ｆ）請求項８記載の発明によれば、請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層および／または活性層の材料として、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いたことにより、光通信で用いられている波長に適した長波長帯の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を高性能に構成することができる。
【０２８４】
また、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を光吸収層に用いることで、キャリア緩和時間を短くして、より高速に光を変調させることができる。
【０２８５】
また、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を井戸層に用いると、伝導帯バンド不連続を拡大することができ、伝導帯内のサブバンド間吸収を利用した光吸収層を構成することも可能である。
【０２８６】
請求項９記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いて光論理演算装置を構成したことにより、活性層に注入する電流値を制御することで、ＡＮＤ動作とＯＲ動作の両方を実現できる光論理演算素子を実現することができる。
【０２８７】
ｇ）請求項１０記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことにより、短波長から長波長への波長変換のみではなく、長波長から短波長への変換も可能な波長変換装置を容易に構成することができる。
【０２８８】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１０記載の発明において、波長０．８５μｍ帯の光信号と波長１．３μｍ帯の光信号とを波長変換することにより、シングルモード石英光ファイバを使用した比較的長距離のＬＡＮや機器間の光伝送システムと、マルチモード石英光ファイバを使用した機器内の光伝送システムとを高い伝送スループットで接続することが可能となる。
【０２８９】
ｈ）請求項１２記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことにより、低消費電力、低コスト、２次元アレイ化が容易な光パルス波形整形装置を形成することができる。
【０２９０】
ｉ）請求項１３記載の発明によれば、請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、請求項９記載の光論理演算装置、請求項１０または１１記載の波長変換装置、あるいは請求項１２記載の光パルス波形整形装置を用いたことにより、系列分離等の光情報処理機能を有する高性能の光伝送システムを構成することができる。
【０２９１】
また、基本要素として垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いているため、低消費電力、低コストでシステムを構築することができる。また、２次元アレイ化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】光変調動作を説明するための図である。
【図３】長共振器を含む垂直共振器型面発光半導体レーザの反射スペクトルを示す図である。
【図４】横モードと光放射分布との関係を示す図である。
【図５】横モード光変調装置の構成図である。
【図６】パルス反転動作を説明するための図である。
【図７】パルス系列分離動作を説明するための図である。
【図８】光吸収層の吸収係数と、入力光および出力光波長の関係を説明するための図である。
【図９】光パルス波形整形の動作を説明するための図である。
【図１０】実施例２に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１１】実施例３に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１２】実施例４に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１３】実施例５に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１４】実施例６に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１５】実施例６に係る光交換装置の構成図である。
【図１６】実施例７に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１７】実施例８に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図１８】実施例９に係る波長変換装置の構成図である。
【図１９】実施例１０に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図２０】実施例１１に係る光伝送モジュールの構成例である。
【図２１】実施例１２に係る光伝送モジュールの別な構成例である。
【符号の説明】
６０１：ｎ型ＧａＡｓ基板
６０２：ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
６０３：共振器構造
６０４：ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層
６０５：ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層
６０６：ＡｌＡｓ層
６０７：選択酸化された絶縁領域
６０８：ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
６０９：ｐ側電極
６１０：ｎ側電極
８０１：第１のｎ型ＤＢＲ
８０２：第２のｎ型ＤＢＲ
８０３：下部スペーサ層
８０４：上部スペーサ層
８０５：入力窓
９０１：第１のｐ型ＤＢＲ
９０２：第２のｐ型ＤＢＲ
１００１：ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ活性層
１００２：ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ光吸収層
１１０１：ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＡｓ−ＭＱＷ光吸収層
１２０１：光ファイバアレイ
１２０２：波長変換素子
１２０３：光合波器
１２０４：光ファイバ
１３０１：マイクロレンズアレイ
１３０２：光合波器
１３０３：集光レンズ
１４０１：基板
１４０２：シングルモード石英光ファイバ
１４０３：マルチモード石英光ファイバ
１４０４：波長変換素子Ａ
１４０５：波長変換素子Ｂ
１４０６：光合波器
１５０１：ｐ型ＧａＡｓ基板
１５０２：ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
１５０３：光吸収層
１５０４：ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
１５０５：ＡｌＡｓ層
１５０６：ｎ側電極
１５０７：裏面電極
１６０１：第１の下部ＤＢＲ
１６０２：第１の光吸収層
１６０３：第２の下部ＤＢＲ
１６０４：第２の光吸収層
１６０５：第３の下部ＤＢＲ
１７０１：第１の下部ＤＢＲ
１７０２：光吸収層１７０２
１７０３：第２の下部ＤＢＲ
１７０４：ｎ型ＧａＡｓスペーサ層
１７０５：ｐ型ＧａＡｓスペーサ層
１７０６：ｐ型ＧａＡｓスペーサ層
１７０７：エアギャップ
１７０８：共振器
１７０９：上部ＤＢＲ
１７１０：ｐ側電極
１７１１：ｎ側電極
１８０１：石英光ファイバ
１８０２：波長分波器
１８０３：波長変換素子
１８０４：合波器
Claims (13)
- 基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、
外部から入力光が入射された場合に、前記光吸収層の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光が遮断された場合に、前記光吸収層による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下することにより光変調が行われることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。 - 基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層とを含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、
前記分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成されるように共振器の長さが形成され、前記複数の共振器モードのうちの一つがレーザ発振波長であり、別の共振器モードが入力光波長と一致することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。 - 基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、
前記分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。 - 基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。 - 基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
出力光波長を掃引する機構をさらに有することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。 - 請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。 - 請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記光吸収層および／または前記活性層の材料として、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。 - 請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光論理演算装置。
- 請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする波長変換装置。
- 請求項１０記載の波長変換装置において、
波長０．８５μｍ帯の光信号と波長１．３μｍ帯の光信号とを変換することを特徴とする波長変換装置。 - 請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光パルス波形整形装置。
- 請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、請求項９記載の光論理演算装置、請求項１０または１１記載の波長変換装置、あるいは請求項１２記載の光パルス波形整形装置を用いたことを特徴とする光伝送システム。
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