JP2005340623A - 面発光型半導体レーザおよびその製造方法、光スイッチ、ならびに、光分岐比可変素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を変化させることができる面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る面発光型半導体レーザは，基板１０１と、基板１０１の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラー１０２と、第１分布ブラッグ反射型ミラー１０２の上方に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラー１０４と、第１分布ブラッグ反射型ミラー１０２内、または、第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層１０５と、を含み、活性層１０３から発生する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、第１分布ブラッグ反射型ミラー１０２は、低次モードのレーザ光が、基板１０１の上方向に出射できるように、第２分布ブラッグ反射型ミラー１０４のペア数より多いペア数で形成されており、絶縁層１０５の開口径は、高次モードのレーザ光が、基板１０１の下方向に出射できるように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光型半導体レーザおよびその製造方法、光スイッチ、ならびに、光分岐比可変素子に関する。

面発光型半導体レーザは、半導体基板に垂直にレーザ光を出射する半導体レーザであり、端面型半導体レーザに比べて扱いが容易で、しかも放射パターンが円形であることから、各種センサや光通信の光源として期待されている。また、光通信の光源として用いられる面発光型半導体レーザは、中短距離の光通信だけでなく、チップ間、チップ内通信など光回路素子としても期待されている。

また、光回路(ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuitなど)の分野において、平面方向の方向性結合器を用いた干渉型スイッチなどが広く用いられている(たとえば、特許文献１参照)。しかし、上下方向（平面方向に垂直な方向）に方向性結合器を形成することは困難である。
特開平６−５１３５４号公報

本発明の目的は、基板の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を変化させることができる面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、前記面発光型半導体レーザを用いる光スイッチを提供することにある。また、本発明の他の目的は、基板の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を変化させることができる光分岐比可変素子を提供することにある。

本発明に係る面発光型半導体レーザは、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
前記活性層から発生する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成されており、
前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記基板の下方向に出射できるように形成されている。

本発明において、特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」の他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）とは、Ａ上に直接形成されたＢと、Ａ上に、Ａ上の他のものを介して形成されたＢと、を含む。

この面発光型半導体レーザによれば、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射でき、かつ、前記高次モードのレーザ光が、前記基板の下方向に出射できる。

本発明に係る面発光型半導体レーザは、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
前記活性層から発生する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成されており、
前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーの上面で全反射できるように形成されている。

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーは、柱状部を構成し、
前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成されていることができる。

この面発光型半導体レーザによれば、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできる。

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記柱状部の側面は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように傾斜していることができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記柱状部の外径に対する、前記高次モードのレーザ光における前記基板の上方向への出力割合と下方向への出力割合との関係において、
前記基板の上方向に出射されるレーザ光の割合を示す第１の線は、前記基板の下方向に出射されるレーザ光の割合を示す第２の線と交差し、
前記柱状部の外径は、前記第１の線と前記第２の線とが交差するときにおける前記柱状部の外径より小さいことができる。

本発明において、上方向への出力割合とは、レーザ光の基板の上方向の出力と下方向の出力と側面からの出力による損失とを足し合わせたものに対する上方向の出力の割合である。同様に、下方向への出力割合とは、レーザ光の基板の上方向の出力と下方向の出力と側面からの出力による損失とを足し合わせたものに対する下方向の出力の割合である。したがって、上方向への出力割合と下方向への出力割合とを足し合わせるとほぼ１になる場合と、損失等の関係で１にならない場合がある。

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記柱状部の外径に対する、前記高次モードのレーザ光における前記基板の上方向への出力割合と下方向への出力割合との関係において、
前記基板の上方向に出射されるレーザ光の出力割合を示す第１の線は、前記基板の下方向に出射されるレーザ光の出力割合を示す第２の線と交差し、
前記柱状部の外径は、前記第１の線と前記第２の線とが交差するときにおける前記柱状部の外径より小さいことができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記柱状部の外径に対する、前記高次モードのレーザ光における前記基板の上方向への出力割合および下方向への出力割合の関係において、
前記基板の上方向に出射されるレーザ光における前記関係を示す第１の線は、前記基板の下方向に出射されるレーザ光における前記関係を示す第２の線と交差し、
前記柱状部の外径は、前記第１の線と前記第２の線とが交差するときにおける前記柱状部の外径より小さいことができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記基板の上方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計に対する、前記基板の下方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計の比は、電流および光の少なくとも一方による励起状態に応じて変化することができる。

この面発光型半導体レーザによれば、電流および光の少なくとも一方による励起状態を変化させることにより、前記基板の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を変化させることができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記電流の電流量、および、前記光の光量の少なくとも一方が増加すると、
前記基板の上方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計は減少し、
前記基板の下方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計は増加することができる。

本発明に係る光スイッチは、上述の面発光型半導体レーザを用いることができる。

本発明に係る光分岐比可変素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された入射層と、
前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
前記入射層に入射する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成されており、
前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記基板の下方向に出射できるように形成されている。

本発明に係る光分岐比可変素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された入射層と、
前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
前記入射層に入射する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーの上面で全反射できるように形成されている。

本発明に係る光分岐比可変素子において、
少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーは、柱状部を構成し、
前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成されていることができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、
基板の上方に、少なくとも、第１分布ブラッグ反射型ミラー、活性層、および、第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層のうち少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための層をエッチングすることにより、柱状部を形成する第１エッチング工程と、
前記柱状部内の層を側面から酸化して、開口部を有するように絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部をエッチングすることにより、前記柱状部の外径を小さくする第２エッチング工程と、を含む。

本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記柱状部の外径および前記絶縁層の開口径は、前記活性層から発生する光が、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射されるように形成され、
前記第１エッチング工程により形成される前記柱状部の外径は、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくなるように形成されることができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記第２エッチング工程により形成される前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくなるように形成されることができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、
基板の上方に、少なくとも、第１分布ブラッグ反射型ミラー、活性層、および、第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層のうち少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための層をエッチングすることにより、柱状部を形成する工程と、
前記柱状部内の層を側面から酸化して、開口部を有するように絶縁層を形成する工程と、を含み、
前記柱状部の外径および前記絶縁層の開口径は、前記活性層から発生する光が、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射されるように形成され、
前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成され、
前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記基板の下方向に出射できるように形成される。

本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成されることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら述べる。

１．デバイスの構造
図１は、本発明を適用した光素子１００を模式的に示す断面図であり、図２は、図１に示す光素子１００を模式的に示す平面図である。図１は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。まず、光素子１００が面発光型半導体レーザである例について説明する。なお、以下、光素子１００を面発光型半導体レーザ（以下、「面発光レーザ」ともいう）１００ともいう。

図１および図２に示すように、本実施の形態に係る面発光レーザ１００は、基板（本実施の形態ではｎ型ＧａＡｓ基板）１０１と、基板１０１上に形成された垂直共振器（以下「共振器」という）１４０と、第１電極１０７と、第２電極１０９と、を含む。

次に、この面発光レーザ１００の各構成要素について述べる。

共振器１４０は、半導体多層膜からなる第１分布ブラッグ反射型ミラー（以下、「第１ミラー」ともいう）１０２と、活性層１０３と、半導体多層膜からなる第２分布ブラッグ反射型ミラー（以下、「第２ミラー」ともいう）１０４と、絶縁層１０５と、を含む。前の段落に「垂直共振器」を単に「共振器」と書く、とあるので問題ないかもしれませんが、横方向の光閉じ込め(共振)は酸化径で決定されています。単に、「共振器」と書く場合、も加えた方がいいかもしれません。活性層１０３から発生する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として、第１出射面１０８、または第２出射面１１８から出射される。低次モードのレーザ光のモードの次数は、高次モードのレーザ光のモードの次数より小さい。具体的には、たとえば、低次モードのレーザ光は、基本モード（０次モード、柱状部１３０が円筒形状である場合にはＬＰ０１モード）のレーザ光であることができ、高次モードのレーザ光は、１次モード（柱状部１３０が円筒形状である場合にはＬＰ１１モードのレーザ光であることができる。また、たとえば、低次モードのレーザ光は、１次モードのレーザ光であることができ、高次モードのレーザ光は、２次モードのレーザ光であることができる。また、たとえば、低次モードのレーザ光は、基本モードのレーザ光であることができ、高次モードのレーザ光は、２次モードのレーザ光であることができる。なお、低次モードのレーザ光、および高次モードのレーザ光の次数はこれらに限定されるわけではない。

第１ミラー１０２は、低次モードのレーザ光が、基板１０１の上方向（図１における＋Ｚ方向）に出射できるように、第２ミラー１０４のペア数より多いペア数で形成されている。具体的には、共振器１４０は、たとえば、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した３７．５ペアの分布ブラッグ反射型ミラー（ＤＢＲ）である第１ミラー１０２と、ＧａＡｓウエル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの半導体多層膜からなる分布ブラッグ反射型ミラー（ＤＢＲ）である第２ミラー１０４と、を含む。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。

第２ミラー１０４は、たとえば、Ｃ、Ｚｎ、あるいはＭｇなどがドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、たとえば、Ｓｉ、あるいはＳｅなどがドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、および第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。

第２ミラー１０４、活性層１０３および第１ミラー１０２の一部は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）１３０を構成している。柱状部１３０の側面は埋込み絶縁層１０６で覆われている。埋込み絶縁層１０６を構成する樹脂は、たとえば、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂などを用いることができ、特に、加工の容易性や絶縁性の観点から、ポリイミド樹脂またはフッ素系樹脂であるのが望ましい。

第２ミラー１０４内には、開口部を有する絶縁層１０５が形成されている。絶縁層１０５は、柱状部１３０の周縁に沿ったリング形状を有することができる。絶縁層１０５は、たとえば酸化アルミニウムからなることができる。

絶縁層１０５の開口径Ｒは、高次モードのレーザ光が、基板１０１の下方向（図１における−Ｚ方向）に出射できるように形成されている。詳細については、１−２．デバイスの動作の項にて説明する。

柱状部１３０の外径Ｌは、基板１０１の下方向（図１における−Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向（図１における＋Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成されている。詳細については、１−２．デバイスの動作の項にて説明する。なお、柱状部１３０の外径Ｌとは、図１に示すように、柱状部１３０の最下端の外径である。

柱状部１３０の側面は、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように傾斜している。詳細については、１−２．デバイスの動作の項にて説明する。なお、柱状部１３０の側面は、図１に示すように、基板１０１の垂直上方向（＋Ｚ方向）に対して、角度θだけ傾斜している。角度θは、たとえば７〜８°である。

柱状部１３０および埋込み絶縁層１０６の上には、第１電極１０７が形成されている。第１電極１０７は、図２に示すように、リング状の平面形状を有する接続部１０７ａと、直線状の平面形状を有する引き出し部１０７ｂと、円状の平面形状を有するパッド部１０７ｃと、を有する。第１電極１０７は、接続部１０７ａにおいて第２ミラー１０４と電気的に接続されている。第１電極１０７の引き出し部１０７ｂは、接続部１０７ａとパッド部１０７ｃとを接続している。第１電極１０７のパッド部１０７ｃは、電極パッドとして用いることができる。第１電極１０７における柱状部１３０上の開口部は、レーザ光の第１出射面１０８となる。第１電極１０７は、たとえばＡｕとＺｎの合金とＡｕとの積層膜からなる。

さらに、第１ミラー１０２の上には、第２電極１０９が形成されている。第２電極１０９は、図２に示すように、リング状の平面形状を有する接続部１０９ａと、直線状の平面形状を有する引き出し部１０９ｂと、円状の平面形状を有するパッド部１０９ｃと、を有する。第２電極１０９は、接続部１０９ａにおいて第１ミラー１０２と電気的に接続されている。第２電極１０９の引き出し部１０９ｂは、接続部１０９ａとパッド部１０９ｃとを接続している。第２電極１０９のパッド部１０９ｃは、電極パッドとして用いることができる。第２電極１０９の接続部１０９ａは、主として埋込み絶縁層１０６を取り囲むように設けられている。言い換えれば、埋込み絶縁層１０６は第２電極１０９の内側に設けられている。第２電極１０９は、たとえばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。

図１および図２に示す面発光レーザ１００では、第１電極１０７は第２ミラー１０４と接合し、かつ、第２電極１０９は第１ミラー１０２と接合している。この第１電極１０７および第２電極１０９によって活性層１０３に電流が注入される。

なお、本実施の形態では、第２電極１０９が第１ミラー１０２上に設けられている場合について示したが、第２電極１０９を基板１０１の裏面１０１ｂに設けてもよい。

第１電極１０７および第２電極１０９を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、密着性強化、拡散防止、あるいは酸化防止などのために必要に応じて、たとえばＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、あるいはＰｔなどの金属やこれらの合金などが利用可能である。

基板１０１には、基板１０１を貫通する開口部１１４が形成されていることができる。この場合、この開口部１１４の底面１１４ｂがレーザ光の第２出射面１１８となる。

１−２．デバイスの動作
本実施の形態に係る面発光レーザ１００の動作を以下に示す。なお、下記の面発光レーザ１００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。

まず、第１電極１０７と第２電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、かかる再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第２ミラー１０４の上面１０４ａにある第１出射面１０８、および基板１０１の裏面１０１ｂにある第２出射面１１８から、基板１０１に対して垂直上下方向にレーザ光が出射される。以下、詳細に説明する。

一般に、誘電体や自由空間を伝播する光は、
ω＝ｃｋ_０＝（ｃ／ｎ）・ｎｋ_０＝ｃｋ／ｎ ・・・式（１）
を満たす。ここで、ωは角周波数であり、ｃは自由空間中の光の速度であり、ｎは媒質の屈折率であり、ｋ_０は自由空間の波数であり、ｋは媒質中の波数である。ｋ＝ｎｋ_０であるから、媒質中の波数ｋは、屈折率ｎに比例して大きくなる。

図３および図４は、屈折率ｎの媒質１０と自由空間２０との境界面１２における光の挙動を模式的に示す図である。ｎ_０は自由空間２０の屈折率である。図３および図４は、光が媒質１０中から境界面１２へ当たる例について示している。すなわち、入射光１４は、境界面１２において反射する反射光１６と、境界面１２において屈折する屈折光１８となる。また、入射光１４は、境界面１２に入射角θで入射する。図３に示すように、屈折率の高い媒質（媒質１０）から低い媒質（自由空間）へ光が入射する場合に、入射角θがある程度小さいと、境界面１２の界面方向の波数成分は連続性を有する。すなわち、図３に示すように、反射光１６の界面方向の波数成分と、屈折光１８の界面方向の波数成分とは、同じｋ_ｂ１となる。

一方、図４に示すように、入射角θがある程度大きいと、境界面１２の界面方向の波数成分は連続性を有しない。すなわち、反射光１６の界面方向の波数成分と、屈折光１８の界面方向の波数成分とが異なる。具体的には、反射光１６の界面方向の波数成分ｋ_ｂ２は、屈折光１８の界面方向の波数成分ｋ_０より大きい。これがいわゆる全反射の条件である。このことを式で示すと、
ｋ_０＜ｋ_ｂ２ ・・・式（２）
ｋ_０＜ｎｋ_０ｓｉｎθ
となる。上述の式（１）および式（２）より、全反射条件を図示すると、図５のようになる。直線Ａは、
ω＝ｃｋ_０
を図示したものである。したがって、直線Ａの傾きは、ｃである。直線Ａにおけるｋ_０よりも大きいｋ_ｂ２、すなわち式（２）の条件を満たすｋ_ｂ２は、図５に示すように、領域Ｂ内の値を有する。言い換えるならば、ｋ_ｂ２が直線Ａの右側（図５に示す矢印ａ側）の領域Ｂ内の値を有する際に、全反射条件を満たす。

そこで、発振モードの場合における全反射条件を図示すると、図６のようになる。発振モードの場合は、光は定在波であるから群速度∂ω／∂ｋ_ｂ２は０である。したがって、図６に示すように、低次モードの光を示す直線Ｌ、および高次モードの光を示す直線Ｈの傾きは０となる。すなわち、１つの発振モード（角周波数）に対して、様々な波数成分を有することができる。そして、１つの発振モードに対して、全反射する波数成分（ｋ_０＜ｋ_ｂ２）と、全反射しない波数成分（ｋ_０＞ｋ_ｂ２）とが混在する。その混在の割合は、各発振モードによって異なる。図６では、低次モードを示す直線Ｌのうち、全反射する部分を実線で示し、全反射しない部分を点線で示している。また、高次モードを示す直線Ｈのうち、全反射する部分を実線で示し、全反射しない部分を点線で示している。

次に、本実施の形態に係る面発光レーザ１００の場合について説明する。共振器１４０内における高次モードの光の縦方向（図１に示すＺ方向）の波数成分ｋ_ｚの分布は、たとえば図７のようになる。絶縁層１０５の開口径Ｒを調整すると、波数成分ｋ_ｚの分布の山は、たとえば図７に示す矢印の方向に移動する。なお、図７において、絶縁層１０５の開口径Ｒを調整する前の波数成分ｋ_ｚの分布ｈ’は点線で示されており、絶縁層１０５の開口径Ｒを調整した後の波数成分ｋ_ｚの分布ｈは実線で示されている。本実施の形態に係る面発光レーザ１００は、調整された絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。

この波数成分ｋ_ｚの分布を示す図７と、波数成分ｋ_ｚに対する角周波数ωの関係Ｈを示す図とを便宜上重ね合わせた図が図８である。直線Ａの傾きは、ｃ／ｎ_ｃｌａｄである。ｎ_ｃｌａｄは、絶縁層１０５を含む垂直断面の平均屈折率である。式で表すと、近似的に
ｎ_ｃｌａｄ＝√ε_ｃｌａｄ
ε_ｃｌａｄ＝∫ε（ｚ）｜Ｅ（ｚ）｜^２ｄｚ／∫｜Ｅ（ｚ）｜^２ｄｚ
となる（たとえば、Ｇ．Ｒｏｎａｌｄ Ｈａｄｌｅｙ；ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１３（１９９５）１４８３参照）。

絶縁層１０５の開口部の半導体層を含む垂直断面（以下、「半導体層垂直断面」ともいう。）と、絶縁層１０５を含む垂直断面（以下、「絶縁層垂直断面」ともいう。）との境界における全反射条件は、縦方向（図１に示すｚ方向）の波数成分で決定される。すなわち、上述したように、半導体層垂直断面と、絶縁層垂直断面との境界における全反射条件は、ｋ_ｚが直線Ａの右側の領域Ｂ内の値を有する場合に満たされる。なお、ここで、垂直断面とは、図１に示すＺ方向に平行な断面をいう。

図８に示すように、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における縦方向の波数成分ｋ_ｚの分布ｈの山が直線Ａの右側の領域Ｂ内に存在するような絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。言い換えるならば、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における縦方向の波数成分ｋ_ｚの大半が全反射条件を満たすような絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。これにより、半導体層垂直断面と、絶縁層垂直断面との境界において、高次モードの光は全反射することができる。そして、縦方向（図１に示すｚ方向）については、分布ブラッグ反射型ミラーである第１ミラー１０２および第２ミラー１０４によって、反射を繰り返すことができる。したがって、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードのレーザ光を発振させることができる。

また、共振器１４０内における高次モードの光の横方向（図１に示すｘ−ｙ平面に平行な方向）の波数成分ｋ_ｘｙの分布は、たとえば図９のようになる。絶縁層１０５の開口径Ｒを調整すると、波数成分ｋ_ｘｙの分布の山は、たとえば図９に示す矢印の方向に移動する。なお、図９において、絶縁層１０５の開口径Ｒを調整する前の波数成分ｋ_ｘｙの分布ｈ’は点線で示されており、絶縁層１０５の開口径Ｒを調整した後の波数成分ｋ_ｘｙの分布ｈは実線で示されている。本実施の形態に係る面発光レーザ１００は、調整された絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。

この波数成分ｋ_ｘｙの分布を示す図９と、波数成分ｋ_ｘｙに対する角周波数ωの関係Ｈを示す図とを便宜上重ね合わせた図が図１０である。直線Ａの傾きは、ｃである。直線Ｃの傾きは、ｃ／ｎ_ｓｕｂである。ｎ_ｓｕｂは、基板１０１の屈折率である。第２ミラー１０４と自由空間との境界面、すなわち第２ミラー１０４の上面１０４ａ、より具体的には第１出射面１０８における全反射条件は、横方向（図１に示すｘ−ｙ平面に平行な方向）の波数成分で決定される。すなわち、上述したように、第２ミラー１０４と自由空間との境界面（第１出射面１０８）における全反射条件は、ｋ_ｘｙが直線Ａの右側の領域Ｂ内の値を有する場合に満たされる。図１０に示すように、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの分布の山の大半が直線Ａの右側の領域Ｂ内に存在するような絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。言い換えるならば、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの大半が、第２ミラー１０４と自由空間との境界面における全反射条件を満たすような絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。これにより、第２ミラー１０４と自由空間との境界面（第１出射面１０８）において、高次モードの光は全反射することができる。

なお、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの分布の山の少なくとも一部が直線Ａの右側の領域Ｂ内に存在するような絶縁層１０５の開口径Ｒを有することができる。言い換えるならば、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの少なくとも一部が、第２ミラー１０４と自由空間との境界面における全反射条件を満たすような絶縁層１０５の開口径Ｒを有することができる。

また、第１ミラー１０２と基板１０１との境界面における全反射条件は、横方向（図１に示すｘ−ｙ平面に平行な方向）の波数成分で決定される。すなわち、上述したように、第１ミラー１０２と基板１０１との境界面、すなわち第１ミラー１０２の裏面１０２ｂにおける全反射条件は、ｋ_ｘｙが直線Ｃの左側の領域Ｂ内の値を有する場合には満たされない。図１０に示すように、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの分布ｈの山が直線Ｃの左側の領域Ｂ内に存在するような絶縁層１０５の開口径Ｒを有することができる。言い換えるならば、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、高次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの大半が、第１ミラー１０２と基板１０１との境界面における全反射条件を満たさないような絶縁層１０５の開口径Ｒを有することができる。これにより、第１ミラー１０２と基板１０１との境界面において、高次モードの光は全反射しないことができる。そして、上述したように、第２ミラー１０４と自由空間との境界面（第１出射面１０８）において、高次モードの光は全反射することができる。したがって、高次モードのレーザ光は、基板１０１の下方向（図１に示す−Ｚ方向）に第２出射面１１８から出射することができる。

図１１は、共振器１４０内における低次モードの光の縦方向（図１に示すｚ方向）の波数成分ｋ_ｚの分布ｌ、および、低次モードの光の縦方向の波数成分ｋ_ｚに対する角周波数ωの関係Ｌを図８に加えた図である。上述の高次モードの光と同様に、図１１に示すように、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、低次モードの光における縦方向の波数成分ｋ_ｚの分布ｌの山が直線Ａの右側の領域Ｂ内に存在するような絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。言い換えるならば、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、低次モードの光における縦方向の波数成分ｋ_ｚの大半が、半導体層垂直断面と、絶縁層垂直断面との境界における全反射条件を満たすような絶縁層１０５の開口径Ｒを有する。これにより、半導体層垂直断面と、絶縁層垂直断面との境界において、低次モードの光は全反射することができる。そして、縦方向（図１に示すｚ方向）については、分布ブラッグ反射型ミラーである第１ミラー１０２および第２ミラー１０４によって、反射を繰り返すことができる。したがって、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、低次モードのレーザ光を発振させることができる。

図１２は、共振器１４０内における低次モードの光の横方向（図１に示すｘ−ｙ平面に平行な方向）の波数成分ｋ_ｘｙの分布ｌ、および、低次モードの光の横方向の波数成分ｋ_ｘｙに対する角周波数ωの関係Ｌを図１０に加えた図である。図１２に示すように、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、低次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの分布ｌの山が直線Ａの左側の領域内に存在するような絶縁層１０５の開口径Ｒを有することができる。言い換えるならば、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、低次モードの光における横方向の波数成分ｋ_ｘｙの大半が、第２ミラー１０４と自由空間との境界面における全反射条件を満たさないような絶縁層１０５の開口径Ｒを有することができる。これにより、第２ミラー１０４と自由空間との境界面において、低次モードの光は全反射しないことができる。そして、上述したように、第１ミラー１０２は第２ミラー１０４のペア数より多いペア数で形成されている。したがって、低次モードのレーザ光は、基板１０１の上方向（図１に示す＋Ｚ方向）に第１出射面１０８から出射することができる。

さらに、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、上述したように、柱状部１３０の外径Ｌは、基板１０１の下方向（図１における−Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向（図１における＋Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成されている。このことについて、図１３〜図１５を参照しながら説明する。図１３〜図１５は、柱状部１３０の外径Ｌに対する、低次モード（図示の例では、０次モード）および高次モード（図示の例では、１次モード）のレーザ光における基板１０１の上方向への出力割合、および下方向への出力割合の関係（以下、「柱状部外径Ｌに対する出力割合の関係」ともいう）を示している。図１３は、絶縁層１０５の開口径Ｒが６．０μｍの場合、図１４は、絶縁層１０５の開口径Ｒが８．０μｍの場合、図１５は、絶縁層１０５の開口径Ｒが１１．０μｍの場合である。

なお、図１３〜図１５に示す例における面発光レーザでは、絶縁層１０５の開口径Ｒは、６．０〜１１．０μｍ程度であることが望ましい。絶縁層１０５の開口径Ｒが、６．０μｍより小さいと、０次モードのみしか発振せず、また、１１．０μｍより大きいと、後述する高次モードの基板１０１の上下方向の出力割合の逆転が起こらないからである。

図１３〜図１５に示すように、高次モードのレーザ光における、柱状部外径Ｌに対する基板１０１の上方向への出力割合の関係を示す第１の線（図示の例では、高次モード（上方向）の線）は、柱状部外径Ｌに対する基板１０１の下方向への出力割合の関係を示す第２の線（図示の例では、高次モード（下方向）の線）と交差することができる。具体的には、図１３〜図１５に示すように、第１の線は第２の線と矢印Ａで示す交点において交差する。そして、柱状部１３０の外径Ｌは、第１の線（高次モード（上方向）の線）と第２の線（高次モード（下方向）の線）とが交差するとき（矢印Ａ）における柱状部１３０の外径Ｌより小さくすることができる。これにより、図１３〜図１５に示すように、基板１０１の下方向（図１における−Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力割合（すなわち、出力）が、基板１０１の上方向（図１における＋Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力割合（すなわち、出力）より大きくできる。基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力割合は、たとえば、図１３および図１４に示すように、矢印Ｂで示す点において最大値を取ることができる。すなわち、本実施の形態に係る面発光レーザ１００は、たとえば、矢印Ｂで示す点における柱状部１３０の外径Ｌを有することにより、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力割合を最大にすることができる。具体的には、たとえば、図１４に示すように、絶縁層１０５の開口径Ｒが８μｍの場合には、柱状部１３０の外径Ｌは１０．５μｍ前後が最適である。

図１３〜図１５に示す例では、０次モードと１次モードを用いているので、デバイスが小型であり出力も小さくなる。これにより、光回路の高機能化という点で、光回路を高密度化、および省電力化することができる。また、光通信などに本実施の形態に係る面発光レーザ１００を用いる場合には、必要に応じて、所望の出力を得ることのできる、より高次のモード（たとえば、２次モードと３次モードなど）を用いることができる。

なお、図１３〜図１５に示す例の数値は、すべて８５０ｎｍ帯の波長を用いる場合の値であるが、使用する波長に比例した大きさの構造を用いることにより、所望の波長に対して同様の結果を得ることができる。具体的には、たとえば、１．３μｍ帯の波長を用いる場合には、図１３〜図１５に示す例の数値を、（１３００／８５０）倍することにより、同様の結果を得ることができる。

また、柱状部１３０の側面の傾斜角θを変化させることによって、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力を、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくすることもできる。これは、柱状部１３０の側面の傾斜角θを変化させると、横方向（図１に示すｘ−ｙ平面に平行な方向）の波数成分ｋ_ｘｙの分布が変化するためである。

また、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、基板１０１の上方向に出射される低次モードのレーザ光の出力と、高次モードのレーザ光の出力との合計に対する、基板１０１の下方向に出射される低次モードのレーザ光の出力と、高次モードのレーザ光の出力との合計の比は、電流および光の少なくとも一方による励起状態に応じて変化することができる。具体的には、以下の通りである。

まず、電流による励起について説明する。たとえば、活性層１０３に注入する電流を増やすほど、低次モードに比べ、高次モードが優勢に発振することができる（A Comprehensive Model for the Modal Dynamics of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers : IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol38, No2, February 2002参照）。また、上述したように、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、基板１０１の下方向（図１における−Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向（図１における＋Ｚ方向）に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくできる。したがって、本実施の形態に係る面発光レーザ１００では、たとえば注入電流の電流量を増加させると、基板１０１の上方向に出射される低次モードのレーザ光の出力と、高次モードのレーザ光の出力との合計を減少させることができ、かつ、基板１０１の下方向に出射される低次モードのレーザ光の出力と、高次モードのレーザ光の出力との合計を増加させることができる。すなわち、本実施の形態に係る面発光レーザ１００によれば、注入電流量で基板１０１の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を切り替えることができる。

また、光励起の場合は、励起光の強度、励起光の照射位置、または２光源の励起光の位相などにより、基板１０１の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を切り替えることができる。具体的には、たとえば励起光の光量を増加させると、基板１０１の上方向に出射される低次モードのレーザ光の出力と、高次モードのレーザ光の出力との合計を減少させることができ、かつ、基板１０１の下方向に出射される低次モードのレーザ光の出力と、高次モードのレーザ光の出力との合計を増加させることができる。励起光は、たとえば活性層１０３の側面から入射させることができる。なお、光励起と電流励起を組み合わせることも可能である。

したがって、電流および光の少なくとも一方による励起状態を変化させることにより、基板１０１の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を切り替えることができる。

なお、基板１０１の上下方向に出射されるレーザ光の基本的な出力比をあまり変化させずに、該出力比を切り替えるための電流量および光量の少なくとも一方を調整するには、たとえば、柱状部１３０の絶縁層１０５の下面から下の部分の深さＨ、および、柱状部１３０の側面の傾斜角θの少なくとも一方を変化させることもできる。これは、柱状部１３０の絶縁層１０５の下面から下の部分の深さＨを変化させた場合は、電流閉じ込めが多少変化して、利得の面内分布が変化し、かつ、熱抵抗（廃熱効率）が変化することなどにより、各モード（低次モード、および高次モード）の発振しやすさが変化するためである。また、柱状部１３０の側面の傾斜角θを変化させた場合は、光閉じ込めに多少影響することにより、各モードの発振しやすさが変化するためである。

１−３．デバイスの製造方法
次に、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造方法の一例について、図１、図２、図１６〜図２０を用いて述べる。図１６〜図２０は、図１および図２に示す本実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面に対応している。

（１）まず、図１６に示すように、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０１の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、半導体多層膜１５０を形成する。ここで、半導体多層膜１５０は、たとえばｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した３７．５ペアの第１ミラー１０２と、ＧａＡｓウエル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー１０４とからなる。これらの層を順に基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１５０が形成される。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。

なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて絶縁層１０５（図１参照）となるＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。絶縁層１０５となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、たとえば０．９５以上である。また、第２ミラー１０４の最表面の層は、キャリア密度を高くし、電極（第１電極１０７）とのオーミック接触をとりやすくしておくのが望ましい。

エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜１５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。

次に、半導体多層膜１５０上に、レジストを塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図１６に示すように、所定のパターンのレジスト層Ｒ１を形成する。レジスト層Ｒ１は、柱状部１３０（図１参照）の形成予定領域より広い領域の上方に形成する。

（２）次いで、図１７に示すように、このレジスト層Ｒ１をマスクとして、たとえばドライエッチング法により、第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２の一部をエッチング（第１エッチング）して、柱状の半導体堆積体（柱状部）１３０を形成する（第１エッチング工程）。第１エッチング後の柱状部１３０の外径Ｌ’は、最終的な柱状部１３０の外径Ｌ（図１参照）より大きいように形成することができる。また、第１エッチング工程により形成される柱状部１３０の外径Ｌ’は、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくなるように形成されることができる。すなわち、たとえば図１３〜図１５に示す例では、第１エッチング工程により形成される柱状部１３０の外径Ｌ’は、矢印Ａで示される交点における柱状部外径より大きな値で形成されることができる。柱状部１３０の外径Ｌ’とは、図１７に示すように、柱状部１３０の最下端の外径である。柱状部１３０の外径Ｌ’は、たとえば２５μｍ程度である。

また、第１エッチング後の柱状部１３０の側面は、最終的な柱状部１３０の側面の傾斜よりも緩やかに傾斜するように形成することができる。第１エッチング後の柱状部１３０の側面は、図１７に示すように、基板１０１の垂直上方向（＋Ｚ方向）に対して、角度θ’だけ傾斜している。その後、レジスト層Ｒ１を除去する。

（３）次に、基板１０１の裏面１０１ｂ上に、レジストを塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図１８に示すように、所定のパターンのレジスト層Ｒ２を形成する。レジスト層Ｒ２は、開口部１１４（図１参照）の形成予定領域以外の領域に形成する。

次に、レジスト層Ｒ２をマスクとして、たとえばドライエッチング法またはウェットエッチング法などにより、基板１０１を裏面１０１ｂ側からエッチングして、開口部１１４を形成する。図示の例では、開口部１１４は基板１０１を貫通しない程度の深さで形成されている。開口部１１４の底面１１４ｂは、第２出射面１１８となる。その後、レジスト層Ｒ２を除去する。

（４）次に、図１９に示すように、たとえば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部１３０が形成された基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中の絶縁層１０５となるＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化して、絶縁層１０５を形成する。酸化速度は、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層の膜厚およびＡｌ組成比に依存する。酸化速度、および酸化時間を調整することによって、上述したように、絶縁層１０５の開口径Ｒは、高次モードのレーザ光が基板１０１の下方向に出射できるように形成することができる。

（５）次に、少なくとも柱状部１３０上に、レジストを塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図２０に示すように、所定のパターンのレジスト層Ｒ３を形成する。レジスト層Ｒ３は、柱状部１３０（図１参照）の形成予定領域の上方に形成する。

次に、図２０に示すように、このレジスト層Ｒ３をマスクとして、たとえばドライエッチング法により、第２ミラー１０４、絶縁層１０５、活性層１０３、および第１ミラー１０２の一部をエッチング（第２エッチング）して、柱状部１３０の外径を小さくする（第２エッチング工程）。第２エッチング工程により形成される柱状部１３０の外径は、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくなるように形成されることができる。柱状部１３０の外径Ｌとは、図２０に示すように、柱状部１３０の最下端の外径である。

また、第２エッチング工程により形成される柱状部１３０の側面は、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように傾斜して形成されることができる。柱状部１３０の側面は、図２０に示すように、基板１０１の垂直上方向（＋Ｚ方向）に対して、角度θだけ傾斜している。その後、レジスト層Ｒ３を除去する。

（６）次に、図２１に示すように、柱状部１３０、すなわち第１ミラー１０２の一部、活性層１０３、および第２ミラー１０４を取り囲む埋込み絶縁層１０６を形成する。

ここでは、埋込み絶縁層１０６を形成するための材料として、ポリイミド樹脂を用いた場合について述べる。まず、たとえばスピンコート法を用いて前駆体（ポリイミド前駆体）を、柱状部１３０を有する基板１０１上に塗布して、前駆体層を形成する。この際、前記前駆体層の膜厚が柱状部１３０の高さより大きくなるように形成する。なお、前記前駆体層の形成方法としては、前述したスピンコート法のほか、ディッピング法、スプレーコート法、液滴吐出法等の公知技術が利用できる。

次いで、この基板１０１を、たとえばホットプレート等を用いて加熱して溶媒を除去した後、たとえば３５０℃程度の炉に入れて、前駆体層をイミド化させることにより、ほぼ完全に硬化したポリイミド樹脂層を形成する。続いて、図２１に示すように、柱状部１３０の上面１３０ａを露出させて、埋込み絶縁層１０６を形成する。柱状部１３０の上面１３０ａを露出させる方法としては、ＣＭＰ法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法などが利用できる。また、感光性を有する樹脂で埋込み絶縁層１０６を形成することもできる。埋込み絶縁層１０６は、必要に応じてリソグラフィー技術およびエッチング技術などによってパターニングすることができる。

（７）次に、活性層１０３に電流を注入するための第１電極１０７、第２電極１０９およびレーザ光の第１出射面１０８（図１および図２参照）を形成する工程について述べる。

まず、第１電極１０７および第２電極１０９を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第１ミラー１０２および第２ミラー１０４の露出している上面を洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。次に、たとえば真空蒸着法により埋込み絶縁層１０６および柱状部１３０の上面に第１電極１０７となる層（図示せず）を形成する。第１電極１０７となる層は、たとえばＡｕとＺｎの合金とＡｕとの積層膜からなる。次に、リフトオフ法により、柱状部１３０の上面に、前記積層膜が形成されていない部分を形成する。この部分が第１出射面１０８（図１および図２参照）となる。なお、前記工程において、リフトオフ法のかわりに、ドライエッチング法あるいはウェットエッチング法を用いることもできる。

また、第１ミラー１０２の露出している上面１０２ａに、たとえば真空蒸着法により第２電極１０９となる層（図示せず）を形成する。第２電極１０９となる層は、たとえばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。次いで、アニール処理する。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施の形態で用いた電極材料の場合は、通常４００℃前後で行う。以上の工程により、第１電極１０７および第２電極１０９が形成される。

以上のプロセスにより、図１および図２に示す面発光型半導体レーザ１００が得られる。

１−４．作用・効果
本実施の形態に係る面発光レーザ１００によれば、低次モードのレーザ光が、基板１０１の上方向に出射でき、かつ、高次モードのレーザ光が、基板１０１の下方向に出射できる。

また、本実施の形態に係る面発光レーザ１００によれば、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくできる。

また、本実施の形態に係る面発光レーザ１００によれば、電流および光の少なくとも一方による励起状態を変化させることにより、基板１０１の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を切り替えることができる。

本実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造方法によれば、第１エッチング工程により形成される柱状部１３０の外径Ｌ’は、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きくなるように形成されることができる。これにより、第１エッチング工程は、たとえば、低次モードおよび高次モードのレーザ光が基板１０１の上方向にほとんどすべて出射されるような面発光レーザの柱状部を形成するためのエッチング条件と同一の条件で行うことができる。

また、本実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造方法によれば、柱状部１３０を形成する第１エッチング工程と、柱状部１３０の外径を小さくする第２エッチング工程と、を行う。これにより、複数の面発光レーザを同一基板にアレイ状に配置する場合に、一部の面発光レーザを基板１０１の下方向に出射される高次モードのレーザ光の出力が、基板１０１の上方向に出射される高次モードのレーザ光の出力より大きいものとし、かつ、他の面発光レーザを低次モードおよび高次モードのレーザ光が基板１０１の上方向にほとんどすべて出射されるようなもの（以下、「上方向出射面発光レーザ」という）とすることができる。この場合、第２エッチング工程を行うときには、上方向出射面発光レーザを形成する領域は、たとえばレジストなどでマスクしておくことができる。

また、本実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造方法によれば、柱状部１３０を形成する第１エッチング工程と、柱状部１３０内の層を側面から酸化して、開口部を有するように絶縁層１０５を形成する工程と、柱状部１３０の外径を小さくする第２エッチング工程と、を行う。これにより、絶縁層１０５を形成するときには、柱状部１３０の外径Ｌ’はある程度大きくしておくことが可能である（少なくとも最終的な柱状部１３０の外径Ｌよりは大きくできる）。柱状部１３０の外径Ｌ’はある程度大きい方が、絶縁層１０５の開口部の所望の開口径Ｒをより高い精度で得ることができる。したがって、本実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造方法によれば、所望の開口径Ｒをより高い精度で得ることができる。そして、第２エッチング工程において、柱状部１３０の外径を小さくするので、柱状部１３０の所望の外径Ｌもより高い精度で得ることができる。

１−５．応用例
上述した例においては、光素子１００が面発光レーザである場合について説明したが、本発明は、面発光レーザ以外のデバイスにも適用可能である。

たとえば、本発明は、光スイッチに適用することができる。上述したように、本実施の形態に係る光素子１００は、電流および光の少なくとも一方による励起状態を変化させることにより、基板１０１の上下方向に出射されるレーザ光の出力比を切り替えることができる。すなわち、本実施の形態に係る光素子１００は、光スイッチとして機能する。本発明を光スイッチに適用することにより、光回路設計の自由度が向上し、光回路の高機能化、および微細化を図ることができる。

また、たとえば、本発明は、光分岐比可変素子に適用することができる。この場合、面発光レーザ１００における共振器１４０の活性層１０３を入射層１０３に置き換えて適用することができる。なお、活性層１０３は、利得を有するのに対し、入射層１０３は、利得を有する場合と、利得を有しない場合とを含む。入射層１０３は、たとえば、面発光レーザ１００における活性層１０３と同じ材料からなることができる。光分岐比可変素子では、入射層１０３が受光する光の受光強度、または受光部分（低次モードに結合しやすい部分、または、低次モードに結合しにくい部分が存在する）などの受光状態によって、基板１０１の上下方向に出射される光の分岐比を変えることができる。なお、入射光は、たとえば入射層１０３の側面から入射させることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されず、各種の態様を取りうる。たとえば、上記実施の形態において、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替えても本発明の趣旨を逸脱するものではない。

また、上述した本発明の実施の形態では、基板１０１に開口部１１４を形成して第２出射面１１８を設ける例について説明したが、たとえば、基板１０１に開口部１１４を形成しないこともできる。この場合、たとえば基板１０１自体に光導波路を形成し、共振器１４０から出射される光を光導波路によって伝播させることができる。このとき、基板１０１の裏面１０１ｂと自由空間との境界において高次モードの光を全反射させることができる。これにより、光導波路に入射される高次モードの光の入射効率を上げることができる。言い換えるならば、基板１０１の裏面１０１ｂから高次モードの光が出射される損失を減らすことができる。基板１０１としては、共振器１４０から出射されるレーザ光を吸収する材料を用いることもできるし、吸収しない材料を用いることもできる。

または、基板１０１と共振器１４０との間に犠牲層を形成しておき、この犠牲層をエッチングすることにより、共振器１４０を基板１０１から切り離し（エピタキシャルリフトオフ）、他の基板に接合することもできる（特開２００４−２２９０１号公報、または、特開２００４−４７６９１号公報参照）。他の基板としては、共振器１４０から出射されるレーザ光を吸収する材料を用いることもできるし、吸収しない材料を用いることもできる。また、他の基板には、開口部１１４を形成することもできるし、開口部１１４を形成しないこともできる。

また、上述した本発明の実施の形態では、第１出射面１０８および第２出射面１１８から出射される光は自由空間に入射される、すなわち、面発光レーザ１００の外部は自由空間である例について説明したが、たとえば、第１出射面１０８または第２出射面１１８から出射される光は、たとえば、光導波路またはフォトダイオードなどに直接入射されることもできる。この場合、本実施の形態に係る面発光レーザ１００を３次元光回路または光集積回路などに用いることができる。具体的には、第１出射面１０８は、第２ミラー１０４の屈折率よりも低い屈折率を有する部材、たとえばＳｉＮ、ＳｉＯ_２、またはＡｌ_２Ｏ_３などからなる部材に接していることができる。第２出射面１１８は、基板１０１の屈折率よりも低い屈折率を有する部材、たとえばＳｉＮ、ＳｉＯ_２、またはＡｌ_２Ｏ_３などからなる部材に接していることができる。

また、上述した本発明の実施の形態では、低次モードおよび高次モードのそれぞれが１つのモードである例について説明したが、たとえば、低次モードおよび高次モードの少なくとも一方は、複数のモードであることもできる。具体的には、たとえば、低次モードとして０次モードおよび１次モード、高次モードとして２次モード、３次モード、および４次モードを用いる場合などである。

また、上述した本発明の実施の形態では、柱状部１３０を形成する第１エッチング工程と、柱状部１３０の外径を小さくする第２エッチング工程と、を行う例について説明したが、たとえば、第２エッチング工程を行わずに、第１エッチング工程によって所望の柱状部１３０の外径Ｌを得ることもできる。

また、上述した本発明の実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ系のものについて説明したが、発振波長に応じてその他の材料系、たとえば、ＡｌＧａＰ系、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系などの半導体材料を用いることも可能である。

実施の形態に係る面発光レーザを模式的に示す断面図。 実施の形態に係る面発光レーザを模式的に示す平面図。 屈折率ｎの媒質と自由空間との境界面における光の挙動を模式的に示す図。 屈折率ｎの媒質と自由空間との境界面における光の挙動を模式的に示す図。 屈折率ｎの媒質と自由空間との境界面における全反射条件を示す図。 実施の形態に係る面発光レーザの発振モードの場合における全反射条件を示す図。 共振器内における高次モードの光の縦方向の波数成分ｋ_ｚの分布を示す図。 図７と、波数成分ｋ_ｚに対する角周波数ωの関係Ｈを示す図とを便宜上重ね合わせた図。 共振器内における高次モードの光の横方向の波数成分ｋ_ｘｙの分布を示す図。 図９と、波数成分ｋ_ｘｙに対する角周波数ωの関係Ｈを示す図とを便宜上重ね合わせた図。 共振器内における低次モードの光の縦方向の波数成分ｋ_ｚの分布ｌ、および、低次モードの光の縦方向の波数成分ｋ_ｚに対する角周波数ωの関係Ｌを図８に加えた図 共振器内における低次モードの光の横方向の波数成分ｋ_ｘｙの分布ｌ、および、低次モードの光の横方向の波数成分ｋ_ｘｙに対する角周波数ωの関係Ｌを図１０に加えた図。 柱状部の外径Ｌに対する、低次モードおよび高次モードのレーザ光における基板の上方向への出力割合、および下方向への出力割合の関係を示す図。 柱状部の外径Ｌに対する、低次モードおよび高次モードのレーザ光における基板の上方向への出力割合、および下方向への出力割合の関係を示す図。 柱状部の外径Ｌに対する、低次モードおよび高次モードのレーザ光における基板の上方向への出力割合、および下方向への出力割合の関係を示す図。 実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。 実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。 実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。 実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。 実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。 実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。

符号の説明

１０ 媒質、１２ 境界面、１４ 入射光、１６ 反射光、１８ 屈折光、２０ 自由空間、１００ 光素子、１０１ 基板、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層（入射層）、１０４ 第２ミラー、１０５ 絶縁層、１０６ 埋込み絶縁層、１０７ 第１電極、１０８ 第１出射面、１０９ 第２電極、１１４ 開口部、１１８ 第２出射面、１３０ 柱状部、１４０ 共振器、１５０ 半導体多層膜

Claims (16)

1. 基板と、
   前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された活性層と、
   前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
   前記活性層から発生する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成されており、
   前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記基板の下方向に出射できるように形成されている、面発光型半導体レーザ。
2. 基板と、
   前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された活性層と、
   前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
   前記活性層から発生する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
   前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーの上面で全反射できるように形成されている、面発光型半導体レーザ。
3. 請求項１または２において、
   少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーは、柱状部を構成し、
   前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成されている、面発光型半導体レーザ。
4. 請求項３において、
   前記柱状部の側面は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように傾斜している、面発光型半導体レーザ。
5. 請求項１または２において、
   前記柱状部の外径に対する、前記高次モードのレーザ光における前記基板の上方向への出力割合と下方向への出力割合との関係において、
   前記基板の上方向に出射されるレーザ光の割合を示す第１の線は、前記基板の下方向に出射されるレーザ光の割合を示す第２の線と交差し、
   前記柱状部の外径は、前記第１の線と前記第２の線とが交差するときにおける前記柱状部の外径より小さい、面発光型半導体レーザ。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記基板の上方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計に対する、前記基板の下方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計の比は、電流および光の少なくとも一方による励起状態に応じて変化する、面発光型半導体レーザ。
7. 請求項６において、
   前記電流の電流量、および、前記光の光量の少なくとも一方が増加すると、
   前記基板の上方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計は減少し、
   前記基板の下方向に出射される、前記低次モードのレーザ光の出力と、前記高次モードのレーザ光の出力との合計は増加する、面発光型半導体レーザ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の面発光型半導体レーザを用いる、光スイッチ。
9. 基板と、
   前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された入射層と、
   前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
   前記入射層に入射する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
   前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成されており、
   前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記基板の下方向に出射できるように形成されている、光分岐比可変素子。
10. 基板と、
    前記基板の上方に形成された第１分布ブラッグ反射型ミラーと、
    前記第１分布ブラッグ反射型ミラーの上方に形成された入射層と、
    前記活性層の上方に形成された第２分布ブラッグ反射型ミラーと、
    前記第１分布ブラッグ反射型ミラー内、または、前記第２分布ブラッグ反射型ミラー内に形成された、開口部を有する絶縁層と、を含み、
    前記入射層に入射する光は、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射され、
    前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成されており、
    前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーの上面で全反射できるように形成されている、光分岐比可変素子。
11. 請求項９または１０において、
    少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーは、柱状部を構成し、
    前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成されている、光分岐比可変素子。
12. 基板の上方に、少なくとも、第１分布ブラッグ反射型ミラー、活性層、および、第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
    前記半導体層のうち少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための層をエッチングすることにより、柱状部を形成する第１エッチング工程と、
    前記柱状部内の層を側面から酸化して、開口部を有するように絶縁層を形成する工程と、
    前記柱状部をエッチングすることにより、前記柱状部の外径を小さくする第２エッチング工程と、を含む、面発光型半導体レーザの製造方法。
13. 請求項１２において、
    前記柱状部の外径および前記絶縁層の開口径は、前記活性層から発生する光が、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射されるように形成され、
    前記第１エッチング工程により形成される前記柱状部の外径は、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくなるように形成される、面発光型半導体レーザの製造方法。
14. 請求項１３において、
    前記第２エッチング工程により形成される前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくなるように形成される、面発光型半導体レーザの製造方法。
15. 基板の上方に、少なくとも、第１分布ブラッグ反射型ミラー、活性層、および、第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
    前記半導体層のうち少なくとも前記第２分布ブラッグ反射型ミラーを構成するための層をエッチングすることにより、柱状部を形成する工程と、
    前記柱状部内の層を側面から酸化して、開口部を有するように絶縁層を形成する工程と、を含み、
    前記柱状部の外径および前記絶縁層の開口径は、前記活性層から発生する光が、低次モードのレーザ光、または高次モードのレーザ光として出射されるように形成され、
    前記第１分布ブラッグ反射型ミラーは、前記低次モードのレーザ光が、前記基板の上方向に出射できるように、前記第２分布ブラッグ反射型ミラーのペア数より多いペア数で形成され、
    前記絶縁層の開口径は、前記高次モードのレーザ光が、前記基板の下方向に出射できるように形成される、面発光型半導体レーザの製造方法。
16. 請求項１５において、
    前記柱状部の外径は、前記基板の下方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力が、前記基板の上方向に出射される前記高次モードのレーザ光の出力より大きくできるように形成される、面発光型半導体レーザの製造方法。

Images