JP2005347482A - Surface emitting laser, emitting laser array, optical transmission module, optical propagation module and optical communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光レーザ及び面発光レーザアレイ及び光送信モジュール及び光送受信モジュール及び光通信システムに関する。 The present invention relates to a surface emitting laser, a surface emitting laser array, an optical transmission module, an optical transmission / reception module, and an optical communication system.
面発光型半導体レーザ素子（以下、本明細書において、面発光レーザと称す）は、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面型に比べて低コストで高性能が得られることから、光インターコネクションなどの光通信の光源，光ピックアップ用の光源，画像形成装置の光源など、民生用途で用いられている。 A surface-emitting semiconductor laser element (hereinafter referred to as a surface-emitting laser in this specification) is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate. Therefore, it is used in consumer applications such as a light source for optical communication such as optical interconnection, a light source for optical pickup, and a light source for image forming apparatus.
面発光レーザは、レーザ光を発生する活性層を含んだ活性領域を上部反射鏡および下部反射鏡で挟んだ構造となっている。上部反射鏡および下部反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に、活性層よりもワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。 The surface emitting laser has a structure in which an active region including an active layer that generates laser light is sandwiched between an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror. As the upper reflector and the lower reflector, a semiconductor distributed Bragg reflector in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately stacked is widely used. As a material of the semiconductor distributed Bragg reflector, a material that does not absorb light generated from the active layer (generally, a material having a wider band gap than the active layer), and a material that lattice matches with the substrate so as not to generate lattice relaxation. Is used.
ところで、反射鏡の反射率は９９％以上と極めて高くする必要がある。反射率は積層数を増やすことによって高くなる。しかし、積層数が増加すると、面発光レーザの作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。基板がＧａＡｓであるとき、ＡｌＧａＡｓ系材料は、ＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので、良く用いられている。 By the way, the reflectance of the reflecting mirror needs to be extremely high as 99% or more. The reflectivity is increased by increasing the number of layers. However, when the number of stacked layers increases, it becomes difficult to manufacture a surface emitting laser. For this reason, it is preferable that the difference in refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer is large. When the substrate is GaAs, the AlGaAs-based material has AlAs and GaAs as termination materials, the lattice constant is almost the same as that of GaAs as the substrate, the refractive index difference is large, and high reflectivity is obtained with a small number of layers. It is often used because it can.
また、低しきい値化のために電流狭さく構造が用いられている。特許文献１には、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓの一部を選択的に酸化したＡｌ酸化膜を用いた電流狭さく構造とを用いた面発光レーザが示されている。酸化には、高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。高温での水蒸気供給による酸化は、ＡｌｘＯｙのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭さく層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、電流通路を極めて狭くできることから、無効電流の低減，活性領域の低減に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。 Further, a current narrowing structure is used for lowering the threshold. Patent Document 1 discloses a surface light emission using a resonator using a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlGaAs / GaAs and a current narrowing structure using an Al oxide film in which a part of Al (Ga) As is selectively oxidized. A laser is shown. Oxidation by supplying water vapor at a high temperature is used for the oxidation. Oxidation by supplying water vapor at high temperature becomes a perfect insulator such as Al x O y , the distance between the active layer and the narrow layer can be strictly controlled by crystal growth, and the current path can be extremely narrow. It is suitable for reduction of reactive current and active region and is suitable for low power consumption.
特許文献１では、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるに従って酸化速度が激増していくことを利用しており、酸化したい層のＡｌ組成を他よりも大きくすることで、酸化したい層のみを酸化するようにしている。これにより、選択酸化による電流狭さく構造を得ることができる。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ酸化層のＡｌ組成よりも小さくしている（つまり、Ｇａ組成を大きくしている）。特許文献１では、被選択酸化層にＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．９７）を用い、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９２）を用いている。 Patent Document 1 utilizes the fact that the oxidation rate increases drastically as the Al composition of AlGaAs increases. By increasing the Al composition of the layer to be oxidized more than the others, only the layer to be oxidized is oxidized. I have to. Thereby, a current narrowing structure by selective oxidation can be obtained. For this reason, the Al composition of the AlGaAs layer serving as the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector is smaller than the Al composition of the Al (Ga) As oxide layer (that is, the Ga composition is increased). In Patent Document 1, Al y Ga 1-y As (y = 0.97) is used for the selective oxidation layer, and Al x Ga 1-x As (x = 0) is used for the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector. .92) is used.
このように高反射率の得られるＡｌＧａＡｓ系材料よりなる反射鏡とＡｌ酸化膜を用いた電流狭窄構造を採用した０．７８μｍ帯，０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯の面発光レーザが実用レベルの性能を実現している。 Surface emitting lasers of 0.78 μm band, 0.85 μm band, and 0.98 μm band adopting a current confinement structure using a reflector made of an AlGaAs-based material and an Al oxide film with high reflectivity are practically used. The performance of.
上述のように、Ａｌ酸化膜を用いた電流狭窄構造を採用すると、Ａｌ酸化膜作製工程中に反射鏡の低屈折率層が酸化されないようにするために、被選択酸化層であるＡｌ（Ｇａ）ＡｓよりもＡｌ組成を小さくする必要があった。具体的には、被選択酸化層をＡｌＡｓとした場合、低屈折率層にはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９程度）が良く用いられている。 As described above, when the current confinement structure using the Al oxide film is adopted, the selective oxidation layer Al (Ga) is used in order to prevent the low refractive index layer of the reflecting mirror from being oxidized during the Al oxide film manufacturing process. ) It was necessary to make the Al composition smaller than As. Specifically, when the selective oxidation layer is AlAs, Al x Ga 1-x As (x = about 0.9) is often used for the low refractive index layer.
しかしながら、このような面発光レーザは熱飽和特性が良好でないといった問題があった。図１には、ＡｌＧａＡｓ混晶の熱抵抗率のＡｌ組成依存性が示されている。図１から、終端材料であるＧａＡｓ，ＡｌＡｓの熱抵抗は小さいが、混晶（ＡｌＧａＡｓ）となることで急激に熱抵抗が大きくなることがわかる。ＡｌＡｓとＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とでは、約３倍違う。このため、活性層で発生した熱は逃げにくく、活性層にこもってしまい、活性層の温度上昇が早く、小さな注入電流で光出力が飽和してしまうという欠点があった。
本発明は、放熱性を改善して高出力を得ることの可能な面発光レーザ及び面発光レーザアレイ及び光送信モジュール及び光送受信モジュール及び光通信システムを提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a surface emitting laser, a surface emitting laser array, an optical transmission module, an optical transmission / reception module, and an optical communication system that can improve heat dissipation and obtain a high output.
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する活性層を含んだ活性領域と、活性領域の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡とからなる共振器構造を有する面発光レーザにおいて、上部反射鏡および下部反射鏡の少なくとも一方は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、該半導体分布ブラッグ反射鏡は、屈折率が小さい低屈折率層と屈折率が大きい高屈折率層とが交互に積層されて構成されており、該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、屈折率が小さい低屈折率層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大きい高屈折率層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する複数の低屈折率層の少なくとも一部の層もしくは複数の高屈折率層の少なくとも一部の層は、平均組成よりも熱抵抗が小さい複数の材料からなる超格子構造により構成された半導体層であることを特徴としている。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes an active region including an active layer for generating laser light on a GaAs substrate, an upper reflector and a lower portion provided above and below the active region. In a surface emitting laser having a resonator structure including a reflecting mirror, at least one of the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror includes a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror that periodically changes the refractive index and reflects incident light by light wave interference. The semiconductor distributed Bragg reflector is configured by alternately laminating a low refractive index layer having a low refractive index and a high refractive index layer having a large refractive index, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector is The low refractive index layer having a small refractive index is made of Al x Ga 1-x As (0 <x ≦ 1), and the high refractive index layer having a large refractive index is Al y Ga 1-y As (0 ≦ y <x ≦ 1). ) A superlattice made of a plurality of materials having a thermal resistance lower than the average composition, at least a part of the plurality of low refractive index layers or at least a part of the plurality of high refractive index layers constituting the conductor distributed Bragg reflector The semiconductor layer is structured by a structure.
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光レーザにおいて、平均組成よりも熱抵抗の小さい複数の材料からなる超格子構造により構成された前記半導体層は、下部反射鏡内の活性層に近い領域に設けられる高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方であることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the first aspect, the semiconductor layer formed of a superlattice structure made of a plurality of materials having a thermal resistance smaller than the average composition is provided in the lower reflector. It is characterized by being at least one of a high refractive index layer and a low refractive index layer provided in a region close to the active layer.
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面発光レーザにおいて、前記半導体層は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの超格子構造から構成されるＡｌＧａＡｓであることを特徴としている。 According to a third aspect of the invention, in the surface emitting laser according to the first or second aspect, the semiconductor layer is AlGaAs composed of a superlattice structure of AlAs and GaAs.
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、上記半導体層を含む反射鏡は、導電型がｎ型であることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to any one of the first to third aspects, the reflective mirror including the semiconductor layer has an n-type conductivity. Yes.
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、該面発光レーザは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有していることを特徴としている。 The invention according to claim 5 is the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface emitting laser contains nitrogen (N) and another group V element at the same time. It has an active layer made of a group III-V mixed crystal semiconductor.
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザが同一基板上に複数個形成されていることを特徴とする面発光レーザアレイである。 The invention according to claim 6 is a surface emitting laser array, wherein a plurality of surface emitting lasers according to any one of claims 1 to 5 are formed on the same substrate. .
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項６記載の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールである。 The invention according to claim 7 is characterized in that the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 6 is used as a light source. Is an optical transmission module.
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項６記載の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールである。 The invention according to claim 8 is characterized in that the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 6 is used as a light source. Is an optical transceiver module.
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項６記載の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムである。 The invention according to claim 9 is characterized in that the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 6 is used as a light source. Is an optical communication system.
請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、従来ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）であった、反射鏡を構成する低屈折率層，高屈折率層の少なくとも一部に、その平均組成よりも熱抵抗が小さい複数の材料を選択して超格子構造を構成した半導体層を用いることで、反射鏡の熱抵抗が低下し、活性層で発生した熱を外部に逃がす効率が改善する。これにより、電流注入による活性層の温度上昇を低減でき、従来よりも高電流注入まで光出力が上昇し、結果として高出力となる面発光レーザを提供することができる。 According to the first to fifth aspects of the present invention, at least one of the low refractive index layer and the high refractive index layer constituting the reflecting mirror, which was conventionally Al z Ga 1-z As (0 <z <1). By using a semiconductor layer that has a superlattice structure by selecting a plurality of materials having a thermal resistance smaller than the average composition, the thermal resistance of the reflecting mirror is reduced, and the heat generated in the active layer is externally transmitted. The escape efficiency is improved. As a result, the temperature rise of the active layer due to current injection can be reduced, and the optical output can be increased up to higher current injection than before, and as a result, a surface emitting laser with high output can be provided.
特に、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の面発光レーザにおいて、平均組成よりも熱抵抗が小さい複数の材料からなる超格子構造により構成された前記半導体層は、下部反射鏡内の活性層に近い領域に設けられる高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方であるので、電流狭窄構造としてＡｌ酸化膜を用いた構成のようにメサ構造が形成される面発光レーザにおいても、下部反射鏡内の活性層に近い領域に設けられる高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方が酸化されるといった不具合を生じず、上記効果を得ることができる。また、放熱改善効果の高い下部反射鏡の活性層に近い部分のみの熱抵抗を下げることができるので、製造方法が容易であって、エッチング深さのマージンを大きく取りつつ熱抵抗を低減することができる。 In particular, according to a second aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the first aspect, the semiconductor layer composed of a superlattice structure made of a plurality of materials having a thermal resistance smaller than the average composition is a lower reflecting mirror. In a surface emitting laser in which a mesa structure is formed as in a configuration using an Al oxide film as a current confinement structure because it is at least one of a high refractive index layer and a low refractive index layer provided in a region close to the active layer However, the above effect can be obtained without causing a problem that at least one of the high refractive index layer and the low refractive index layer provided in a region near the active layer in the lower reflecting mirror is oxidized. In addition, since the thermal resistance of only the portion close to the active layer of the lower reflecting mirror, which has a high heat dissipation improvement effect, can be lowered, the manufacturing method is easy, and the thermal resistance can be reduced while taking a large etching depth margin. Can do.
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の面発光レーザにおいて、前記半導体層は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの超格子構造から構成されるＡｌＧａＡｓであり、ＡｌＧａＡｓで熱抵抗が最も小さいＡｌＡｓとＧａＡｓからなる超格子構造を用いたので、放熱改善効果を高めることができる。 According to a third aspect of the present invention, in the surface-emitting laser according to the first or second aspect, the semiconductor layer is AlGaAs composed of a superlattice structure of AlAs and GaAs. Since the superlattice structure made of AlAs and GaAs having the smallest resistance is used, the heat dissipation improvement effect can be enhanced.
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、上記半導体層を含む反射鏡は、導電型がｎ型であり、超格子構造をｎ型である反射鏡に形成することで、超格子構造中の各層間のヘテロ界面のバンド不連続による電気抵抗の上昇を抑えることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to any one of the first to third aspects, the reflector including the semiconductor layer has an n-type conductivity, By forming the lattice structure on an n-type reflecting mirror, an increase in electrical resistance due to band discontinuity at the heterointerface between layers in the superlattice structure can be suppressed.
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、該面発光レーザは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有しているので（例えばＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にしているので）、シリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性が良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の波長に対応できるとともに、光ファイバーの伝送損失が小さく長距離伝送可能で、低価格、低消費電力、小型、温度特性が良い面発光レーザを提供することができる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to any one of the first to fourth aspects, the surface emitting laser contains nitrogen (N) and another group V element at the same time. Since it has an active layer made of a mixed III-V mixed crystal semiconductor (for example, a GaInNAs-based material is used as an active layer), the transmission loss of silica fiber is small and the matching is good at 1.3 μm band, 1 It is possible to provide a surface emitting laser that can cope with a wavelength of .55 μm band, has a small optical fiber transmission loss and can be transmitted over a long distance, has low cost, low power consumption, small size, and good temperature characteristics.
なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗を低減できるので、低電圧駆動が可能となり、好ましい。これにより、安価で、距離を気にしないで、光ネットワーク，光配線の大容量化を図ることができる。 Note that the MOCVD method is preferable because the resistance of the semiconductor distributed Bragg reflector of the surface emitting laser can be reduced, and low voltage driving is possible. As a result, the capacity of the optical network and the optical wiring can be increased without considering the distance.
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザが同一基板上に複数個形成されていることを特徴とする面発光レーザアレイであり、熱抵抗の小さい材料からなる超格子構造による半導体層を有する反射鏡を用いることで、アレイ内の他の素子への熱干渉を低減でき、素子特性の均一性が改善されたアレイ素子を提供することができる。 According to a sixth aspect of the invention, a surface emitting laser array comprising a plurality of the surface emitting lasers according to any one of the first to fifth aspects formed on the same substrate. Array elements that can reduce thermal interference with other elements in the array and improve the uniformity of element characteristics by using a reflector having a semiconductor layer with a superlattice structure made of a material with low thermal resistance Can be provided.
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項６記載の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールであり、放熱性が改善されて光出力の高い面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要となり、低コスト，低消費電力，小型であって、温度特性が良く高温まで使用できる高性能な光送信モジュールを実現することができる。 According to the invention described in claim 7, the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 6 is used as a light source. This is an optical transmission module characterized by using a surface emitting laser with improved heat dissipation and high optical output, eliminating the need for cooling elements, low cost, low power consumption, small size, and good temperature characteristics A high-performance optical transmission module that can be used up to a high temperature can be realized.
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項６記載の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールであり、放熱性が改善されて光出力の高い面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要となり、低コスト，低消費電力，小型であって、温度特性が良く高温まで使用できる高性能な光送受信モジュールを実現することができる。 According to the invention described in claim 8, the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 6 is used as a light source. An optical transmitter / receiver module featuring a surface emitting laser with improved heat dissipation and high optical output, eliminating the need for cooling elements, low cost, low power consumption, small size, and good temperature characteristics A high-performance optical transceiver module that can be used up to high temperatures can be realized.
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ、または、請求項６記載の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムであり、放熱性が改善されて光出力の高い面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要となり、低コスト，低消費電力，小型であって、温度特性が良く高温まで使用できる高性能な光通信システムを実現することができる。 According to the invention described in claim 9, the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 6 is used as a light source. An optical communication system featuring a surface emitting laser with improved heat dissipation and high optical output, eliminating the need for cooling elements, low cost, low power consumption, small size, and good temperature characteristics A high-performance optical communication system that can be used up to high temperatures can be realized.
また、熱特性が改善されるので、高出力であるとともに高温特性にも優れており、安い光源である面発光レーザ、安い光ファイバーであるＰＯＦを用いた、より経済的な光通信システムも実現できる。 In addition, since the thermal characteristics are improved, it has high output and high temperature characteristics, and a more economical optical communication system using a surface emitting laser that is a cheap light source and POF that is a cheap optical fiber can be realized. .
これらは極めて経済的であることから、特に一般家庭やオフィスの室内，機器内などの光通信システムに用いることが効果的である。
Since these are extremely economical, it is particularly effective to use them in optical communication systems such as in ordinary homes and offices and in equipment.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
（第１の形態）
本発明の第１の形態の面発光レーザは、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する活性層を含んだ活性領域と、活性領域の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡とからなる共振器構造を有する面発光レーザにおいて、上部反射鏡および下部反射鏡の少なくとも一方は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、該半導体分布ブラッグ反射鏡は、屈折率が小さい低屈折率層と屈折率が大きい高屈折率層とが交互に積層されて構成されており、該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、屈折率が小さい低屈折率層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大きい高屈折率層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する複数の低屈折率層の少なくとも一部の層もしくは複数の高屈折率層の少なくとも一部の層は、平均組成よりも熱抵抗が小さい複数の材料からなる超格子構造により構成された半導体層であることを特徴としている。
(First form)
A surface-emitting laser according to a first aspect of the present invention includes an active region including an active layer that generates laser light on a GaAs substrate, and an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active region, In the surface emitting laser having the resonator structure, at least one of the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror includes a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror that periodically changes the refractive index and reflects incident light by light wave interference. The distributed Bragg reflector is configured by alternately laminating a low refractive index layer having a small refractive index and a high refractive index layer having a large refractive index, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector has a refractive index. The small low refractive index layer is made of Al x Ga 1-x As (0 <x ≦ 1), and the high refractive index layer having a large refractive index is made of Al y Ga 1-y As (0 ≦ y <x ≦ 1). , Semiconductor distribution A superlattice structure composed of a plurality of materials having a thermal resistance lower than the average composition, at least a part of the plurality of low refractive index layers or at least a part of the plurality of high refractive index layers constituting the mirror reflector It is a semiconductor layer comprised by these.
面発光レーザの発振光の波長よりも充分薄い厚さの層を交互に積層した超格子構造にすると、光学的には、それらが一様に混ざったとした時の平均組成の混晶が形成されている場合と同様であるとみなすことができる。ただし、屈折率については、超格子構造にすることで、わずかに高屈折率化するとの報告もある。したがって、このような超格子構造により構成された半導体層を用いても反射鏡を構成することができる。 When a superlattice structure is formed by alternately laminating layers with a thickness sufficiently smaller than the wavelength of the oscillation light of a surface emitting laser, a mixed crystal having an average composition is formed optically when they are uniformly mixed. It can be considered that it is the same as that. However, there is a report that the refractive index is slightly increased by using a superlattice structure. Therefore, a reflecting mirror can be formed even using a semiconductor layer having such a superlattice structure.
一方、ＡｌＧａＡｓの熱抵抗は、組成が終端物質であるＡｌＡｓ，ＧａＡｓに近づくほど小さくなる。したがって、従来ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）であった、反射鏡を構成する低屈折率層，高屈折率層の少なくとも一部に、その平均組成よりも熱抵抗が小さい複数の材料を選択して超格子構造を構成した半導体層を用いることで、反射鏡の熱抵抗が低下し、活性層で発生した熱を外部に逃がす効率が改善する。これにより、電流注入による活性層の温度上昇を低減でき、従来よりも高電流注入まで光出力が上昇し、結果として高出力となる面発光レーザを提供することができる。 On the other hand, the thermal resistance of AlGaAs decreases as the composition approaches AlAs and GaAs, which are termination materials. Therefore, at least a part of the low refractive index layer and the high refractive index layer constituting the reflecting mirror, which is conventionally Al z Ga 1-z As (0 <z <1), has a smaller thermal resistance than the average composition. By using a semiconductor layer having a superlattice structure by selecting a plurality of materials, the thermal resistance of the reflecting mirror is lowered, and the efficiency of releasing the heat generated in the active layer to the outside is improved. As a result, the temperature rise of the active layer due to current injection can be reduced, and the optical output can be increased up to higher current injection than before, and as a result, a surface emitting laser with high output can be provided.
なお、本発明では、上述のように、上部反射鏡および下部反射鏡の少なくとも一方の反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含むものであれば良く、上部反射鏡および下部反射鏡のいずれか一方しか半導体分布ブラッグ反射鏡を含んでいない場合には、上部反射鏡および下部反射鏡のいずれか一方を半導体分布ブラッグ反射鏡とし、他の一方を半導体分布ブラッグ反射鏡とは異なる種類の反射鏡から構成されているものにしても良い。半導体分布ブラッグ反射鏡とは異なる種類の反射鏡としては、例えば誘電体多層膜反射鏡が考えられる。 In the present invention, as described above, at least one of the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror includes a semiconductor distributed Bragg reflector that periodically changes the refractive index and reflects incident light by light wave interference. If only one of the upper reflector and the lower reflector includes a semiconductor distributed Bragg reflector, either the upper reflector or the lower reflector is a semiconductor distributed Bragg reflector, and the other One of these may be made of a reflector of a different type from the semiconductor distributed Bragg reflector. As a type of reflector different from the semiconductor distributed Bragg reflector, for example, a dielectric multilayer reflector can be considered.
また、上部反射鏡，下部反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層との間に、それらの中間の組成となる中間層が形成されていても良い。 In the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror, an intermediate layer having an intermediate composition may be formed between the low refractive index layer and the high refractive index layer.
（第２の形態）
本発明の第２の形態の面発光レーザは、第１の形態の面発光レーザにおいて、平均組成よりも熱抵抗の小さい複数の材料からなる超格子構造により構成された前記半導体層は、下部反射鏡内の活性層に近い領域に設けられる高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方であり、下部反射鏡内の基板側に設けられる高屈折率層及び低屈折率層は、一定組成層からなることを特徴としている。
(Second form)
The surface-emitting laser according to the second aspect of the present invention is the surface-emitting laser according to the first aspect, wherein the semiconductor layer formed of a superlattice structure composed of a plurality of materials having a thermal resistance smaller than the average composition has a lower reflection At least one of a high refractive index layer and a low refractive index layer provided in a region near the active layer in the mirror, and the high refractive index layer and the low refractive index layer provided on the substrate side in the lower reflecting mirror are constant composition layers It is characterized by consisting of.
電流狭窄構造としてＡｌ酸化膜を用いた構成では、Ａｌ酸化膜を形成するために被選択酸化層の側面が現れるようにメサ構造を形成する必要がある。Ａｌ酸化膜は、その目的から活性層の極く近くに形成される。また、ホールの方が拡がりにくいので、少なくともｐ側にＡｌ酸化層を設けると狭窄効果が得られる。メサ形成には、ドライエッチングまたはウエットエッチングが用いられる。しかしながら、そのエッチング深さを狙いどおりに制御することは容易ではない。このため、エピウエハの表面から被選択酸化層までの低屈折率層はもちろん、被選択酸化層よりも基板側の低屈折率層もエッチングするように狙い、確実に被選択酸化層がエッチングされるようにプロセス設計する必要がある。この場合、活性層より基板側がｐ型である場合はもちろん、基板側がｎ型である場合も、活性層に近い基板側の低屈折率層がエッチングされる可能性がある。 In the configuration using the Al oxide film as the current confinement structure, it is necessary to form the mesa structure so that the side surface of the selective oxidation layer appears in order to form the Al oxide film. The Al oxide film is formed very close to the active layer for that purpose. Further, since the hole is less likely to expand, a constriction effect can be obtained by providing an Al oxide layer at least on the p side. For the mesa formation, dry etching or wet etching is used. However, it is not easy to control the etching depth as intended. Therefore, not only the low refractive index layer from the surface of the epitaxial wafer to the selective oxidation layer but also the low refractive index layer on the substrate side of the selective oxidation layer is aimed to be etched, and the selective oxidation layer is surely etched. So that the process needs to be designed. In this case, not only when the substrate side is p-type from the active layer, but also when the substrate side is n-type, the low refractive index layer on the substrate side close to the active layer may be etched.
また、Ａｌ酸化膜の厚さは２０ｎｍから５０ｎｍ程度が良く用いられている。一方、低屈折率層はλ／４の奇数倍の厚さとなり、Ａｌ酸化層よりも厚い場合が多い。反射鏡の低屈折率層としては、ＡｌＧａＡｓの組成のうちで最も屈折率が小さくかつ熱抵抗の低いＡｌＡｓを用いることが好ましい。しかし、選択酸化工程時に、このＡｌ酸化層と同等以上の厚さを有するＡｌＡｓからなる低屈折率層の側面が現れている場合、Ａｌ酸化層と同等以上の速度で酸化されてしまい、低屈折率層が全面Ａｌ酸化膜になってしまうなど、狙った構造が作れなくなってしまう。 Also, the thickness of the Al oxide film is often about 20 nm to 50 nm. On the other hand, the low refractive index layer is an odd multiple of λ / 4 and is often thicker than the Al oxide layer. As the low refractive index layer of the reflecting mirror, it is preferable to use AlAs having the lowest refractive index and the lowest thermal resistance among the AlGaAs compositions. However, when the side surface of the low refractive index layer made of AlAs having a thickness equal to or greater than that of the Al oxide layer appears at the time of the selective oxidation step, the side surface is oxidized at a rate equal to or greater than that of the Al oxide layer, resulting in low refraction. The target layer cannot be made, for example, the rate layer becomes the entire surface of an Al oxide film.
そこで従来では、下部反射鏡を構成するすべての低屈折率層を酸化速度の遅いＡｌＧａＡｓとしており、この場合には、熱抵抗が大きいことから放熱性が悪くなっていた。これを改善するために、下部反射鏡の基板側に設けられる低屈折率層を熱抵抗の低いＡｌＡｓ層とし、下部反射鏡内の活性層に近い領域に設けられる低屈折率層を酸化速度が被選択酸化層より小さいＡｌＧａＡｓとする構成が特開２００２−１６４６２１号に提案されている。この提案によれば、エッチング深さのマージンを大きく取りつつ熱抵抗を低減できる。 Therefore, conventionally, all the low refractive index layers constituting the lower reflecting mirror are made of AlGaAs having a slow oxidation rate. In this case, the heat dissipation is poor because of the high thermal resistance. In order to improve this, the low refractive index layer provided on the substrate side of the lower reflector is an AlAs layer having a low thermal resistance, and the low refractive index layer provided in the region near the active layer in the lower reflector has an oxidation rate. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-164621 proposes a configuration in which AlGaAs is smaller than the selective oxidation layer. According to this proposal, it is possible to reduce the thermal resistance while taking a large margin for the etching depth.
しかしながら、特開２００２−１６４６２１号に記載されている構成においても、活性層に近い領域に設けられる低屈折率層に熱抵抗の大きいＡｌＧａＡｓが用いられており、放熱は不十分であった。 However, even in the configuration described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-164621, AlGaAs having a high thermal resistance is used for the low refractive index layer provided in the region close to the active layer, and heat dissipation is insufficient.
本発明では、反射鏡の一部の層のみを、より熱抵抗の低い複数種類の層からなる超格子構造で形成しているので、放熱性が改善される。なお、下部反射鏡のすべての低屈折率層を超格子構造としても良いが、界面が増えることによる抵抗の増加、製造が複雑になるとともに結晶成長装置に負担がかかるなどの不具合が生じる場合があるので、単層で形成できるところは単層で形成した方が好ましい。 In the present invention, since only a part of the layers of the reflecting mirror is formed with a superlattice structure composed of a plurality of types of layers having lower thermal resistance, heat dissipation is improved. Note that all the low refractive index layers of the lower reflector may have a superlattice structure, but there may be problems such as an increase in resistance due to an increase in the interface, complicated manufacturing, and a burden on the crystal growth apparatus. Therefore, it is preferable to form a single layer where it can be formed as a single layer.
したがって、本発明によれば、製造方法が容易であって、エッチング深さのマージンを大きく取りつつ、熱抵抗を低減できる。 Therefore, according to the present invention, the manufacturing method is easy, and it is possible to reduce the thermal resistance while taking a large etching depth margin.
また、高屈折率層としては熱抵抗の低いＧａＡｓが最も好ましいが、発振波長がＧａＡｓで吸収される波長の場合は、Ａｌを加えたＡｌＧａＡｓが用いられており熱抵抗が大きくなるので、上記と同様に放熱性が悪くなる。この場合も、発振光の吸収の極めて少ない組成により超格子構造を構成することで放熱性を改善することができる。 As the high refractive index layer, GaAs having a low thermal resistance is most preferable. However, when the oscillation wavelength is a wavelength that is absorbed by GaAs, AlGaAs added with Al is used, and the thermal resistance becomes large. Similarly, the heat dissipation becomes worse. Also in this case, the heat dissipation can be improved by forming the superlattice structure with a composition that absorbs very little oscillation light.
また、超格子を構成する層は、Ａｌ組成が平均組成ｚより大きい層と小さい層の少なくとも２種類の層から構成される。電流狭窄構造を形成するＡｌ酸化膜の酸化速度は、大きなＡｌ組成依存性を持つとともに厚さ依存性を持つ。したがって、被選択酸化層と比較して酸化速度を小さくするために、Ａｌ組成の大きい層の厚さは、被選択酸化層の厚さよりも薄くする必要がある。このようにすれば、大きく酸化されることはなく、問題は生じない。 The layers constituting the superlattice are composed of at least two types of layers, a layer having an Al composition larger than the average composition z and a layer having a smaller Al composition. The oxidation rate of the Al oxide film forming the current confinement structure has a large Al composition dependency and a thickness dependency. Therefore, in order to reduce the oxidation rate as compared with the selective oxidation layer, the thickness of the layer having a large Al composition needs to be smaller than the thickness of the selective oxidation layer. In this way, there is no significant oxidation and no problem occurs.
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態の面発光レーザにおいて、前記半導体層は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの超格子構造から構成されるＡｌＧａＡｓであることを特徴としている。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the first or second aspect, the semiconductor layer is AlGaAs composed of a superlattice structure of AlAs and GaAs.
図１はＡｌＧａＡｓ混晶の熱抵抗率のＡｌ組成依存性を示す図である。超格子構造は、平均組成ｚよりも大きい層と小さい層の少なくとも２種類の層から構成されるが、図１からわかるように、ＡｌＧａＡｓで熱抵抗が小さい組成はＡｌＡｓとＧａＡｓであるので、超格子構造はＡｌＡｓとＧａＡｓとから構成するのが望ましい。すなわち、第１または第２の形態の面発光レーザにおいて、前記半導体層は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの超格子構造から構成されるＡｌＧａＡｓであるのが良い。 FIG. 1 is a graph showing the Al composition dependency of the thermal resistivity of an AlGaAs mixed crystal. The superlattice structure is composed of at least two kinds of layers, a layer larger than the average composition z and a small layer. As can be seen from FIG. 1, the composition having a low thermal resistance is AlAs and GaAs. The lattice structure is preferably composed of AlAs and GaAs. That is, in the surface emitting laser of the first or second mode, the semiconductor layer may be AlGaAs composed of a superlattice structure of AlAs and GaAs.
このように、第３の形態では、ＡｌＧａＡｓで熱抵抗が最も小さいＡｌＡｓとＧａＡｓからなる超格子構造を用いたので、放熱の改善効果を高めることができる。 As described above, in the third embodiment, since the superlattice structure made of AlAs and GaAs having the smallest thermal resistance is used as AlGaAs, the effect of improving heat dissipation can be enhanced.
（第４の形態）
本発明の第４の形態の面発光レーザは、第１乃至第３のいずれかの形態の面発光レーザにおいて、上記半導体層を含む反射鏡は、導電型がｎ型であること特徴としている。
(4th form)
A surface emitting laser according to a fourth aspect of the present invention is the surface emitting laser according to any one of the first to third aspects, wherein the reflection mirror including the semiconductor layer has an n-type conductivity.
超格子構造中の各層間のヘテロ界面ではバンド不連続があり、電気抵抗が大きくなる傾向にある。この傾向はｐ型材料の方が顕著であるので、超格子構造は導電型がｎ型である反射鏡に形成することが好ましい。 There is a band discontinuity at the heterointerface between each layer in the superlattice structure, and the electric resistance tends to increase. Since this tendency is more remarkable in the p-type material, it is preferable that the superlattice structure is formed in a reflecting mirror whose conductivity type is n-type.
このように、第４の形態では、超格子構造をｎ型である反射鏡に形成することで、超格子構造中の各層間のヘテロ界面のバンド不連続による電気抵抗の上昇を抑えることができる。 As described above, in the fourth embodiment, by forming the superlattice structure in the n-type reflecting mirror, it is possible to suppress an increase in electrical resistance due to band discontinuity at the heterointerface between layers in the superlattice structure. .
（第５の形態）
本発明の第５の形態の面発光レーザは、第１乃至第４のいずれかの形態の面発光レーザにおいて、該面発光レーザは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有していることを特徴としている。
(5th form)
A surface emitting laser according to a fifth aspect of the present invention is the surface emitting laser according to any one of the first to fourth aspects, wherein the surface emitting laser contains nitrogen (N) and another group V element at the same time. It has an active layer made of a -V group mixed crystal semiconductor.
安価で、距離を気にしないで、光ネットワーク，光配線の大容量化を図るためには、光源としてシリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性の良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の波長が好ましい。 In order to increase the capacity of an optical network and optical wiring at low cost without worrying about the distance, the wavelength of the 1.3 μm band and 1.55 μm band, which has a low transmission loss of silica fiber as a light source and good consistency, is suitable. preferable.
１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯では、ＩｎＰ基板上の材料系が一般的であり、端面発光型レーザでは実績がある。しかし、この従来の長波長帯半導体レーザでは、環境温度が室温から８０℃になると動作電流が３倍にも増加する大きな欠点を持っている。従って、冷却素子を使わない低コストシステムを実現するために、温度特性の良好な長波長帯半導体レーザの開発が極めて重要である。温度特性が悪い主な理由は伝導帯バンド不連続が小さいために電子がオーバーフローし易く、これの温度依存性が大きいためである。また、面発光レーザにおいては反射鏡に適した材料がないため高性能化は困難であり、実用レベルの特性が得られていないのが現状である。 In the 1.3 μm band and the 1.55 μm band, the material system on the InP substrate is common, and the edge emitting laser has a track record. However, this conventional long-wavelength semiconductor laser has a major drawback that the operating current increases three times when the environmental temperature is changed from room temperature to 80 ° C. Therefore, in order to realize a low-cost system that does not use a cooling element, it is extremely important to develop a long wavelength semiconductor laser with good temperature characteristics. The main reason for the poor temperature characteristics is that electrons are likely to overflow because the conduction band discontinuity is small, and the temperature dependence thereof is large. In addition, since there is no material suitable for a reflecting mirror in a surface emitting laser, it is difficult to achieve high performance, and the practical level of characteristics has not been obtained.
最近、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯を形成できる材料系が注目され、ＧａＩｎＮＡｓ（例えば、特開平６−３７３５５号公報参照）が研究されている。新材料であるＧａＩｎＮＡｓは、レーザ特性の温度依存性を極めて小さくすることができる材料として注目されている。ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体である。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓよりも格子定数が大きいＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能であり、更にバンドギャップエネルギーが小さくなり、１．３μｍ，１．５５μｍ帯での発光が可能な材料である。また、文献「Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３５ （１９９６） ｐｐ．１２７３−１２７５」では、近藤らにより、ＧａＩｎＮＡｓのバンドラインナップが計算されている。ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）の添加によりバンドギャップエネルギーが小さくなるが、伝導帯と価電子帯ともにエネルギーが下がり、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ等のＧａＡｓ格子整合系材料に対して伝導帯のバンド不連続が極めて大きくなり、このため、高特性温度半導体レーザが実現できると予想されており、実際に、半導体レーザのしきい値電流密度が１ｋＡ／ｃｍ２以下の低い値であって、かつ、環境温度が室温から８０℃になっても動作電流がわずか１．３倍にしか増加せず、特性温度が２００Ｋを越える良好な端面発光型レーザが文献「Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｙｙｓ． Ｖｏｌ．３９ （２０００） ｐｐ．３４０３−３４０５」で報告されている。このため、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる材料は、１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯等の長波長帯面発光レーザの活性層材料として好ましい。また、ＧａＡｓ基板上に形成できるので、０．８５μｍ帯面発光レーザで実用化されている高性能なＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲやＡｌ酸化層による電流狭窄構造を用いることができる。 Recently, a material system capable of forming a 1.3 μm band on a GaAs substrate has attracted attention, and GaInNAs (for example, see JP-A-6-37355) has been studied. GaInNAs, which is a new material, has attracted attention as a material that can extremely reduce the temperature dependence of laser characteristics. GaInNAs is a group III-V mixed crystal semiconductor containing nitrogen (N) and other group V elements. That is, GaInNAs can lattice-match the lattice constant to GaAs by adding nitrogen (N) to GaInAs, which has a larger lattice constant than GaAs, and the band gap energy is further reduced to 1.3 μm, 1 It is a material that can emit light in the .55 μm band. In the document “Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) pp. 1273-1275”, the band lineup of GaInNAs is calculated by Kondo et al. GaInNAs has a band gap energy that decreases with the addition of nitrogen (N), but the energy decreases in both the conduction band and the valence band. Therefore, it is expected that a high characteristic temperature semiconductor laser can be realized. Actually, the threshold current density of the semiconductor laser is a low value of 1 kA / cm 2 or less, and the ambient temperature is Even when the temperature is increased from room temperature to 80 ° C., the operating current increases only by a factor of 1.3, and a good edge-emitting laser having a characteristic temperature exceeding 200 K is disclosed in the document “Jpn. J. Appl. Pys. Vol. 2000) pp. 3403-3405. For this reason, a material made of a III-V mixed crystal semiconductor containing nitrogen (N) and other group V elements at the same time is an active layer material for a long-wavelength surface emitting laser of 1.3 μm band, 1.55 μm band, etc. As preferred. Further, since it can be formed on a GaAs substrate, it is possible to use a high-performance AlGaAs-based DBR that has been put to practical use in a 0.85 μm band-emitting laser or a current confinement structure using an Al oxide layer.
本発明の熱抵抗の小さい材料からなる超格子構造による半導体層を有した反射鏡を用いることで、より高出力化できるので、光ファイバーの伝送損失が小さく長距離伝送可能で、低価格、低消費電力、小型、温度特性が良く、光出力の高い面発光レーザを提供することができる。なお、ＧａＩｎＮＡｓ系材料とは、Ｐ，Ｓｂ，Ａｌ等の他のＩＩＩ−Ｖ族元素を含んでいる場合もある。 By using a reflector having a semiconductor layer with a superlattice structure made of a material with low thermal resistance according to the present invention, higher output can be achieved, so that transmission loss of an optical fiber is small and long-distance transmission is possible, and low cost and low consumption. A surface-emitting laser with good power, small size, good temperature characteristics, and high optical output can be provided. The GaInNAs-based material may contain other group III-V elements such as P, Sb, and Al.
（第６の形態）
本発明の第６の形態の面発光レーザアレイは、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザが同一基板上に複数個形成されていることを特徴としている。
(Sixth form)
The surface emitting laser array of the sixth aspect of the present invention is characterized in that a plurality of surface emitting lasers of any one of the first to fifth aspects are formed on the same substrate.
面発光レーザの場合には、アレイ化が容易で、しかも通常の半導体プロセスで形成できるので、素子の位置制度が高い。更に本発明のように熱抵抗の小さい材料からなる超格子構造による半導体層を有した反射鏡を用いることで、アレイ内の他の素子への熱干渉を低減でき、素子特性の均一性が改善されたアレイを提供できる。 In the case of a surface emitting laser, since it is easy to form an array and can be formed by a normal semiconductor process, the position system of the element is high. Furthermore, by using a reflector having a semiconductor layer with a superlattice structure made of a material with low thermal resistance as in the present invention, thermal interference with other elements in the array can be reduced, and uniformity of element characteristics is improved. Array can be provided.
（第７の形態）
本発明の第７の形態の光送信モジュールは、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ、または、第６の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
(7th form)
An optical transmission module according to a seventh aspect of the present invention is characterized in that the surface-emitting laser according to any one of the first to fifth aspects or the surface-emitting laser array according to the sixth aspect is used as a light source. Yes.
第７の形態では、放熱性が改善されて光出力の高い面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要となり、低コスト，低消費電力，小型であって、温度特性が良く高温まで使用できる高性能な光送信モジュールを実現することができる。 In the seventh embodiment, by using a surface emitting laser with improved heat dissipation and high light output, no cooling element is required, low cost, low power consumption, small size, good temperature characteristics, and usable up to high temperatures. A high-performance optical transmission module can be realized.
また、熱特性が改善されるので、高出力であるとともに高温特性にも優れており、安い光源である面発光レーザ、安い光ファイバーであるＰＯＦを用いたより経済的な光送信モジュールも実現できる。 In addition, since the thermal characteristics are improved, it is possible to realize a more economical optical transmission module that uses a surface emitting laser that is a cheap light source and POF that is a cheap optical fiber because it has high output and high temperature characteristics.
（第８の形態）
本発明の第８の形態の光送受信モジュールは、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ、または、第６の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
(8th form)
An optical transceiver module according to an eighth aspect of the present invention is characterized in that the surface-emitting laser according to any one of the first to fifth aspects or the surface-emitting laser array according to the sixth aspect is used as a light source. Yes.
第８の形態では、放熱性が改善されて光出力の高い面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要となり、低コスト，低消費電力，小型であって、温度特性が良く高温まで使用できる高性能な光送受信モジュールを実現することができる。 In the eighth embodiment, by using a surface emitting laser with improved heat dissipation and high light output, no cooling element is required, low cost, low power consumption, small size, good temperature characteristics and high temperature use. A high-performance optical transceiver module can be realized.
また、熱特性が改善されるので、高出力であるとともに高温特性にも優れており、安い光源である面発光レーザ、安い光ファイバーであるＰＯＦを用いたより経済的な光送受信モジュールも実現できる。 In addition, since the thermal characteristics are improved, it is possible to realize a more economical optical transmission / reception module using a surface emitting laser that is a cheap light source and POF that is a cheap optical fiber because it has high output and high temperature characteristics.
（第９の形態）
本発明の第９の形態の光通信システムは、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ、または、第６の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
(9th form)
An optical communication system according to a ninth aspect of the present invention is characterized in that the surface emitting laser according to any one of the first to fifth aspects or the surface emitting laser array according to the sixth aspect is used as a light source. Yes.
第９の形態では、放熱性が改善されて光出力の高い面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要となり、低コスト，低消費電力，小型であって、温度特性が良く高温まで使用できる高性能な光通信システムを実現することができる。 In the ninth embodiment, by using a surface emitting laser with improved heat dissipation and high light output, no cooling element is required, low cost, low power consumption, small size, good temperature characteristics and high temperature use. A high-performance optical communication system can be realized.
また、熱特性が改善されるので、高出力であるとともに高温特性にも優れており、安い光源である面発光レーザ、安い光ファイバーであるＰＯＦを用いたより経済的な光通信システムも実現できる。 In addition, since the thermal characteristics are improved, it has high output and high temperature characteristics, and a more economical optical communication system using a surface emitting laser that is a cheap light source and POF that is a cheap optical fiber can be realized.
そして、極めて経済的であることから、特に一般家庭やオフィスの室内，機器内などの光通信システムに用いることが効果的である。 Since it is extremely economical, it is particularly effective to use it in an optical communication system such as a general home or office room or equipment.
本発明の実施例１は、波長０．９８μｍ帯の面発光レーザについてのものである。図２（ａ），（ｂ）は実施例１の０．９８μｍ帯面発光レーザを示す図である。なお、図２（ｂ）は図２（ａ）の面発光レーザの反射鏡の部分拡大図である。 Example 1 of the present invention relates to a surface emitting laser having a wavelength of 0.98 μm. 2A and 2B are diagrams showing the 0.98 μm band surface emitting laser of Example 1. FIG. FIG. 2B is a partially enlarged view of the reflecting mirror of the surface emitting laser shown in FIG.
図２（ａ），（ｂ）に示すように、実施例１の面発光レーザは、３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に，それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで、平均Ａｌ組成が０．９となるｎ−ＡｌＧａＡｓ（超格子構造）とｎ−ＧａＡｓとを交互に３５周期積層したｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）が形成されている。超格子構造はＡｌＡｓとＧａＡｓとから構成され、平均Ａｌ組成が０．９となるようにＡｌＡｓを２７ＭＬ（モノレイヤー）、ＧａＡｓを３ＭＬとして交互に積層した。このそれぞれの厚さは、他の厚さでもかまわない。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the surface emitting laser of Example 1 has an oscillation wavelength in each medium on an n-GaAs substrate having a surface orientation (100) of 3 inches. N-semiconductor distributed Bragg reflector (lower reflector) in which n-AlGaAs (superlattice structure) and n-GaAs having an average Al composition of 0.9 and a thickness of 1/4 are stacked 35 times alternately. Is formed. The superlattice structure is composed of AlAs and GaAs, and AlAs is laminated alternately with 27 ML (monolayer) and GaAs with 3 ML so that the average Al composition is 0.9. The respective thicknesses may be other thicknesses.
そして、ｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）の上に、アンドープ下部ＡｌＧａＡｓスペーサ層，３層のＧａＩｎＡｓ量子井戸層と４層のＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＡｌＧａＡｓスペーサ層が形成されている。 Then, on the n-semiconductor distributed Bragg reflector (lower reflector), an undoped lower AlGaAs spacer layer, a multi-quantum well active layer comprising three GaInAs quantum well layers and four GaAs barrier layers, an undoped upper AlGaAs spacer A layer is formed.
そして、アンドープ上部ＡｌＧａＡｓスペーサ層の上にｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）が形成されている。上部反射鏡は、Ｃドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−ＧａＡｓとをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（例えば、２５周期）から構成されている（図では詳細は省略）。 A p-semiconductor distributed Bragg reflector (upper reflector) is formed on the undoped upper AlGaAs spacer layer. The upper reflector is formed by alternately stacking C-doped p-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) and p-GaAs at a thickness that is ¼ times the oscillation wavelength in each medium. It is composed of a periodic structure (for example, 25 periods) (details are omitted in the figure).
そして、上部反射鏡の最上部のＧａＡｓ層は、電極とコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。 The uppermost GaAs layer of the upper reflecting mirror also serves as a contact layer that contacts the electrode.
ＭＯＣＶＤ法による結晶成長の原料としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン）を用いた。キャリアガスにはＨ２を用いた。 TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), TMI (trimethylindium), AsH 3 (arsine) were used as raw materials for crystal growth by MOCVD. H 2 was used as a carrier gas.
実施例１では、電流経路外の部分をプロトン（Ｈ＋）照射によって絶縁層（高抵抗部）を作って、電流狭さく部を形成した。そして、上部反射鏡の最上部の層であるｐ−コンタクト層上に、光出射部を除いてｐ側電極を形成し、また、ＧａＡｓ基板の裏面には、ｎ側電極を形成した。 In Example 1, an insulating layer (high resistance portion) was formed by proton (H + ) irradiation outside the current path to form a current narrowing portion. A p-side electrode was formed on the p-contact layer, which is the uppermost layer of the upper reflecting mirror, except for the light emitting portion, and an n-side electrode was formed on the back surface of the GaAs substrate.
実施例１では、伝導帯バンド不連続の大きくできるＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓを活性層にしたので、しきい値は小さく、温度特性は良好だった。 In Example 1, since GaInAs / GaAs, which can be increased in conduction band discontinuity, was used as the active layer, the threshold value was small and the temperature characteristics were good.
実施例１において、下部反射鏡の低屈折率層及び高屈折率層は、平均組成であるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓよりも熱抵抗の小さいＡｌＡｓとＧａＡｓとで構成している。文献「信学技報 ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ ＯＦ ＩＥＩＣＥ． ＬＱＥ２００１−１３７（２００２−２）」において、上部反射鏡よりも下部反射鏡の熱抵抗を下げることで、放熱特性が大きく改善することが報告されている。実施例１では、下部反射鏡の熱抵抗を低減したので、効果的に放熱性が改善し、高出力が得られた。 In Example 1, the low-refractive index layer and the high-refractive index layer of the lower reflecting mirror are composed of AlAs and GaAs having a lower thermal resistance than Al 0.9 Ga 0.1 As, which is an average composition. In the document “Science Technical Report TECHNICICAL REPORT OF IEICE. LQE2001-137 (2002-2)”, it is reported that the heat radiation characteristic is greatly improved by lowering the thermal resistance of the lower reflecting mirror than the upper reflecting mirror. . In Example 1, since the thermal resistance of the lower reflecting mirror was reduced, the heat dissipation was effectively improved and a high output was obtained.
なお、超格子構造中の各層間のヘテロ界面ではバンド不連続があり、電気抵抗が大きくなる傾向にある。この傾向はｐ型材料の方が顕著であるので、超格子構造は実施例１のようにｎ型である反射鏡に形成することが好ましく、下部反射鏡をｎ型とすると効果的である。 Note that there is a band discontinuity at the heterointerface between the layers in the superlattice structure, and the electric resistance tends to increase. Since this tendency is more remarkable in the p-type material, the superlattice structure is preferably formed in an n-type reflector as in the first embodiment, and the lower reflector is effective in the n-type.
このように、実施例１によれば、熱抵抗の小さい材料からなる超格子構造による半導体層を有した反射鏡を用いることで、より高出力化できて、低価格、低消費電力、小型、温度特性が良く、光出力の高い面発光レーザを提供することができる。 Thus, according to Example 1, by using a reflector having a semiconductor layer with a superlattice structure made of a material with low thermal resistance, it is possible to achieve higher output, lower cost, lower power consumption, smaller size, A surface emitting laser with good temperature characteristics and high light output can be provided.
本発明の実施例２は、波長１．３μｍ帯の面発光レーザについてのものである。図３は実施例２の１．３μｍ帯面発光レーザを示す図である。実施例２では、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いた。 Example 2 of the present invention relates to a surface emitting laser having a wavelength band of 1.3 μm. FIG. 3 is a diagram showing a 1.3 μm band surface emitting laser of Example 2. FIG. In Example 2, a GaInNAs-based material was used for the active layer.
図３に示すように、実施例２の面発光レーザは、３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に、それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで一定組成層としてｎ−ＡｌＡｓとｎ−ＧａＡｓを交互に２５周期積層した第１のｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部第１反射鏡）が形成され、また、第１のｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部第１反射鏡）の上に、平均Ａｌ組成が０．９となるｎ−ＡｌＧａＡｓ（超格子構造）とｎ−ＧａＡｓとを交互に１０周期積層した第２のｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部第２反射鏡）が形成されている。超格子構造はＡｌＡｓとＧａＡｓとから構成され、平均Ａｌ組成が０．９となるようにＡｌＡｓを２７ＭＬ（モノレイヤー）、ＧａＡｓを３ＭＬとして交互に積層した。 As shown in FIG. 3, the surface emitting laser of Example 2 has a thickness of 1/4 times the oscillation wavelength in each medium on an n-GaAs substrate having a surface orientation (100) of 3 inches. As a constant composition layer, a first n-semiconductor distributed Bragg reflector (lower first reflector) in which n-AlAs and n-GaAs are alternately stacked for 25 periods is formed, and a first n-semiconductor distributed Bragg is formed. A second n-semiconductor distribution Bragg in which n-AlGaAs (superlattice structure) having an average Al composition of 0.9 and n-GaAs are alternately laminated on the reflecting mirror (lower first reflecting mirror) for 10 periods. A reflecting mirror (lower second reflecting mirror) is formed. The superlattice structure is composed of AlAs and GaAs, and AlAs is laminated alternately with 27 ML (monolayer) and GaAs with 3 ML so that the average Al composition is 0.9.
そして、第２のｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部第２反射鏡）の上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層、３層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層と４層のＧａＮＰＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層、アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。 A multiple quantum well active layer comprising an undoped lower GaAs spacer layer, three GaInNAs quantum well layers, and four GaNPAs barrier layers on a second n-semiconductor distributed Bragg reflector (lower second reflector) An undoped upper GaAs spacer layer is formed.
そして、アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層の上に、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）が形成されている。上部反射鏡は、Ｃドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−ＧａＡｓとをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（例えば、２５周期）から構成されている（図では詳細は省略）。なお、上部反射鏡中の活性層に近い位置に、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層を例えば３０ｎｍの厚さで設けた。 A p-semiconductor distributed Bragg reflector (upper reflector) is formed on the undoped upper GaAs spacer layer. The upper reflector is formed by alternately stacking C-doped p-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) and p-GaAs at a thickness that is ¼ times the oscillation wavelength in each medium. It is composed of a periodic structure (for example, 25 periods) (details are omitted in the figure). A selective oxidation layer made of AlAs was provided at a thickness of, for example, 30 nm at a position near the active layer in the upper reflecting mirror.
上部反射鏡の最上部のＧａＡｓ層は、電極とコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。また、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は０．８％とした。井戸層の厚さは７ｎｍとし、ＧａＡｓ基板に対して約２．１％の圧縮歪（高歪）を有している。また、ＧａＮＰＡｓ障壁層はＮ組成０．８％、Ｐ組成４％、厚さは２０ｎｍとし、ＧａＡｓ基板に対して０．３％の引っ張り歪みを有している。 The uppermost GaAs layer of the upper reflecting mirror also serves as a contact layer that contacts the electrode. The In composition x of the well layer in the active layer was 33%, and the nitrogen composition was 0.8%. The thickness of the well layer is 7 nm and has a compressive strain (high strain) of about 2.1% with respect to the GaAs substrate. The GaNPAs barrier layer has an N composition of 0.8%, a P composition of 4%, a thickness of 20 nm, and a tensile strain of 0.3% with respect to the GaAs substrate.
ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ活性層の原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン）を用い、窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。また、キャリアガスにはＨ２を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適しており，特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合、好ましい原料である。この実施例２のＧａＩｎＮＡｓ面発光レーザの活性層のように歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。この実施例２では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５５０℃で成長させた。 TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium), AsH 3 (arsine) was used as a raw material for the GaInNAs active layer by MOCVD, and DMHy (dimethylhydrazine) was used as a nitrogen raw material. Further, the carrier gas was used H 2. DMHy is suitable for low temperature growth at 600 ° C. or lower because it decomposes at low temperature, and is a preferable raw material when growing a quantum well layer having a large strain required for low temperature growth. When the strain is large as in the active layer of the GaInNAs surface emitting laser of Example 2, low temperature growth that is non-equilibrium is preferable. In Example 2, the GaInNAs layer was grown at 550 ° C.
そして、所定の大きさのメサを下部第２反射鏡途中まで塩素系ガスでエッチングしてｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓ被選択酸化層を水蒸気で側面から酸化してＡｌｘＯｙ電流狭さく部を形成した。そして、次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層上，光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、またｎ−ＧａＡｓ基板の裏面にｎ側電極を形成した。 Then, a mesa having a predetermined size is etched with a chlorine-based gas halfway through the second lower reflecting mirror to expose the side surface of the p-AlAs selective oxidation layer, and the AlAs selective oxidation layer having the side surface is formed on the water vapor. Then, the Al x O y current narrowing part was formed by oxidation from the side. Next, the etched portion is buried and flattened with polyimide, the polyimide on the p-contact layer and the upper reflecting mirror having the light emitting portion is removed, and a p-side electrode is formed in addition to the light emitting portion on the p contact layer. In addition, an n-side electrode was formed on the back surface of the n-GaAs substrate.
作製した面発光レーザの発振波長は、約１．３μｍであった。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたことで、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光レーザを形成できた。 The oscillation wavelength of the manufactured surface emitting laser was about 1.3 μm. That is, by using GaInNAs as the active layer, a long wavelength surface emitting laser could be formed on the GaAs substrate.
また、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料により活性層を形成したことで、障壁層とのバンド不連続が大きく温度特性の良好な面発光レーザを得ることができた。 Further, by forming an active layer with a GaInNAs material on a GaAs substrate, a surface emitting laser having a large band discontinuity with the barrier layer and good temperature characteristics could be obtained.
また、ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の広がりが抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込めることができる。さらに酸化してＡｌ酸化膜となることで屈折率が小さくなり、凸レンズの効果でキャリアの閉じ込められた微小領域に効率良く光を閉じ込めることができ、極めて効率が良くなり、しきい値電流は低減される。また、容易に電流狭さく構造を形成できることから、製造コストを低減できる。 In addition, the threshold current was low because the current was narrowed by selective oxidation of the selective oxidation layer mainly composed of Al and As. According to the current narrowing structure using the current narrowing layer composed of the Al oxide film that selectively oxidizes the selective oxidation layer, the current spreading can be suppressed by forming the current narrowing layer close to the active layer, and the minuteness that does not touch the atmosphere. Carriers can be confined efficiently in the region. Furthermore, the refractive index is reduced by oxidizing it into an Al oxide film, and light can be efficiently confined in a minute region where carriers are confined by the effect of the convex lens, resulting in extremely high efficiency and a reduced threshold current. Is done. In addition, since the current narrowing structure can be easily formed, the manufacturing cost can be reduced.
この実施例２において、下部反射鏡の低屈折率層及び高屈折率層は、平均組成であるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓよりも熱抵抗の小さいＡｌＡｓとＧａＡｓとで構成したので、放熱性が向上し、高出力が得られた。また、超格子構造は、活性層側の下部反射鏡のみに形成したので、全体に形成した場合に比べて、エピプロセスは複雑にならず、エピ装置への負担は小さい。 In Example 2, since the low-refractive index layer and the high-refractive index layer of the lower reflecting mirror are composed of AlAs and GaAs having a lower thermal resistance than the average composition Al 0.9 Ga 0.1 As, heat dissipation Improved and high output was obtained. Further, since the superlattice structure is formed only in the lower reflecting mirror on the active layer side, the epi process is not complicated and the burden on the epi apparatus is small as compared with the case where it is formed as a whole.
なお、メサ形成時、ドライエッチングによるエッチング深さを狙いどおりに制御することは容易ではない。このため基板側の下部反射鏡の活性層に近い低屈折率層がエッチングされる可能性がある。この実施例２においては、確実に被選択酸化層がエッチングされるようにエッチング深さのマージンを設けてプロセス設計しており、結果的に下部反射鏡の活性層に近い下部第２反射鏡の途中までエッチングされた。しかしながら、下部第２反射鏡の超格子構造からなる低屈折率層を構成するＡｌＡｓ層は、被選択酸化層（３０ｎｍ）より極めて薄くしたので、メサ内部まで酸化されることはなかった。 It should be noted that it is not easy to control the etching depth by dry etching as intended when forming the mesa. For this reason, the low refractive index layer close to the active layer of the lower reflecting mirror on the substrate side may be etched. In the second embodiment, the process design is performed by providing an etching depth margin so that the selective oxidation layer is surely etched. As a result, the lower second reflecting mirror close to the active layer of the lower reflecting mirror is designed. It was etched halfway. However, the AlAs layer constituting the low refractive index layer composed of the superlattice structure of the lower second reflecting mirror was made extremely thinner than the selective oxidation layer (30 nm), and thus was not oxidized to the inside of the mesa.
また、超格子構造中の各層間のヘテロ界面ではバンド不連続があり、電気抵抗が大きくなる傾向にある。この傾向はｐ型材料の方が顕著であるので、超格子構造はこの実施例２のようにｎ型である反射鏡に形成することが好ましい。さらに、この実施例２では、ｎ型下部反射鏡を構成する低屈折率層の一部のみを超格子構造としており、抵抗上昇はそれほど見られなかった。 In addition, there is a band discontinuity at the heterointerface between the layers in the superlattice structure, and the electric resistance tends to increase. Since this tendency is more remarkable in the p-type material, it is preferable to form the superlattice structure in an n-type reflector as in the second embodiment. Further, in Example 2, only a part of the low refractive index layer constituting the n-type lower reflecting mirror has a superlattice structure, and the resistance increase was not so much observed.
また、ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素と他のＶ族を含んだ半導体層の作製にはＭＢＥ法が主に用いられていたが、原理的に高真空中での成長なので原料供給量を大きくできない。原料供給量を大きくすると、排気系に負担がかかるデメリットがある。すなわち、高真空排気系の排気ポンプを必要とするが、ＭＢＥチャンバー内の残留原料等を除去するなどのために排気系に負担がかかり故障しやすいことからスループットは悪い。 Further, the MBE method is mainly used for the production of a semiconductor layer containing nitrogen and other group V such as GaInNAs. However, since the growth is performed in a high vacuum in principle, the amount of material supply cannot be increased. Increasing the amount of raw material supply has the disadvantage of placing a burden on the exhaust system. That is, although a high vacuum exhaust system exhaust pump is required, the throughput is poor because a burden is placed on the exhaust system to easily remove a residual raw material in the MBE chamber and the like, and failure occurs.
面発光レーザは、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含んだ活性領域を半導体多層膜反射鏡で挟んで構成されている。端面発光型レーザの結晶成長層の厚さが３μｍ程度であるのに対して、例えば１．３μｍ波長帯面発光レーザでは１０μｍを超える結晶成長層の厚さが必要になるが、ＭＢＥ法では高真空を必要とすることから原料供給量を高くすることができず、成長速度は１μｍ／ｈ程度であり、１０μｍの厚さを成長するには、原料供給量を変えるための成長中断時間を設けないとしても、最低１０時間かかる。 The surface emitting laser is configured by sandwiching an active region including at least one active layer that generates laser light between semiconductor multilayer film reflecting mirrors. While the thickness of the crystal growth layer of the edge-emitting laser is about 3 μm, for example, the thickness of the crystal growth layer exceeding 10 μm is required for the 1.3 μm wavelength surface emitting laser, but the MBE method requires a high thickness. Since a vacuum is required, the raw material supply rate cannot be increased, the growth rate is about 1 μm / h, and a growth interruption time for changing the raw material supply amount is provided to grow a thickness of 10 μm. If not, it will take at least 10 hours.
活性領域の厚さは全体に比べて通常ごくわずかであり（１０％以下）、ほとんどが多層膜反射鏡を構成する層である。半導体多層膜反射鏡は、それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）で低屈折率層と高屈折率層を交互に積層して（例えば２０〜４０ペア）形成されている。 The thickness of the active region is usually very small compared to the whole (10% or less), and most of them are layers constituting the multilayer mirror. The semiconductor multilayer mirror is formed by alternately laminating a low refractive index layer and a high refractive index layer with a thickness (1/4) of the oscillation wavelength in each medium (λ / 4 thickness) (for example, 20 to 20). 40 pairs) are formed.
ＧａＡｓ基板上の面発光レーザでは、ＡｌＧａＡｓ系材料を用い、Ａｌ組成を変えて低屈折率層（Ａｌ組成大）と高屈折率層（Ａｌ組成小）としている。しかし実際には、特にｐ側は各層のヘテロ障壁により抵抗が大きくなるので、低屈折率層と高屈折率層との間に、Ａｌ組成が両者の間となる薄い中間層を挿入して多層膜反射鏡の抵抗を低減している。 In a surface emitting laser on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material is used, and the Al composition is changed to form a low refractive index layer (Al composition large) and a high refractive index layer (Al composition small). However, in actuality, the resistance increases particularly due to the hetero-barrier of each layer on the p side. Therefore, a thin intermediate layer with an Al composition between them is inserted between the low refractive index layer and the high refractive index layer. The resistance of the film reflector is reduced.
このように、面発光レーザは、１００層を超える組成の異なる半導体層を成長しなければならない他に、多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との間にも中間層を設けるなど、瞬時に原料供給量を制御する必要がある素子である。しかし、ＭＢＥ法では、原料供給を原料セルの温度を変えて供給量を制御しており、臨機応変に組成をコントロールすることができない。よって、ＭＢＥ法により成長した半導体多層膜反射鏡は、抵抗を低くするのは困難であり、動作電圧が高い。 As described above, in the surface emitting laser, in addition to growing semiconductor layers having different compositions exceeding 100 layers, an intermediate layer is provided between the low refractive index layer and the high refractive index layer of the multilayer reflector. It is an element that needs to control the raw material supply amount instantaneously. However, in the MBE method, the supply amount is controlled by changing the temperature of the raw material cell, and the composition cannot be controlled flexibly. Therefore, it is difficult to reduce the resistance of the semiconductor multilayer mirror grown by the MBE method, and the operating voltage is high.
一方、ＭＯＣＶＤ法は原料ガス流量を制御するだけで良く、瞬時に組成をコントロールできるとともに、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、また成長速度を例えば３μｍ／ｈ以上と高くでき、容易にスループットを上げられることから、極めて量産に適した成長方法である。 On the other hand, the MOCVD method only needs to control the raw material gas flow rate, can control the composition instantaneously, does not require a high vacuum like the MBE method, and can easily increase the growth rate to 3 μm / h or more, for example. Since the throughput can be increased, it is a growth method extremely suitable for mass production.
なお、この実施例２では、障壁層としてＧａＮＰＡｓを用いたが、ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂなど、他の材料を用いることもできる。 In the second embodiment, GaNPAs is used as the barrier layer, but other materials such as GaAs, GaNAs, GaPAs, GaInNAs, GaInNPAs, GaNAsSb, GaNPAsSb, GaInNAsSb, and GaInNPAsSb can also be used.
このように、実施例２によれば、熱抵抗の小さい材料からなる超格子構造による半導体層を有した反射鏡を用いることで、より高出力化できるので、光ファイバーの伝送損失が小さく長距離伝送可能で、低価格、低消費電力、小型、温度特性が良く、光出力の高い面発光レーザを提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, by using a reflector having a semiconductor layer with a superlattice structure made of a material having a low thermal resistance, higher output can be achieved, so that transmission loss of an optical fiber is small and long-distance transmission is performed. It is possible to provide a surface emitting laser that is low in cost, low in power consumption, small in size, good in temperature characteristics, and high in light output.
図４は本発明の実施例３の面発光レーザアレイ（面発光レーザアレイチップ）を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a surface emitting laser array (surface emitting laser array chip) according to a third embodiment of the present invention.
実施例３の面発光レーザアレイは、実施例２の面発光レーザが１０個、１次元に並んだものとなっている。なお、１次元に限らず、２次元に集積させてもかまわない。実施例３の面発光レーザアレイは、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板上に形成されており、上面にｐ側個別電極が形成され、基板の裏面にｎ側共通電極が形成されている。 In the surface emitting laser array of Example 3, ten surface emitting lasers of Example 2 are arranged one-dimensionally. In addition, you may accumulate not only in one dimension but in two dimensions. The surface emitting laser array of Example 3 is formed on an n-type GaAs semiconductor substrate, a p-side individual electrode is formed on the top surface, and an n-side common electrode is formed on the back surface of the substrate.
図５は実施例３の面発光レーザアレイチップとシリカファイバーとを組み合わせた実施例４の光送信モジュールを示す図である。実施例４の光送信モジュールは、面発光レーザからのレーザ光が光ファイバーに入力され、伝送されるようになっている。なお、光ファイバーには、シングルモードファイバーを用いている。同時により多くのデータを伝送するために複数の半導体レーザが集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。実施例４では、シングルモード高出力面発光レーザを用いているので、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。 FIG. 5 is a diagram showing an optical transmission module of Example 4 in which the surface emitting laser array chip of Example 3 and silica fiber are combined. In the optical transmission module according to the fourth embodiment, laser light from a surface emitting laser is input to an optical fiber and transmitted. A single mode fiber is used as the optical fiber. In order to transmit more data simultaneously, parallel transmission using a laser array in which a plurality of semiconductor lasers are integrated has been attempted. In Example 4, since a single-mode high-power surface emitting laser is used, high-speed parallel transmission is possible, and more data can be transmitted simultaneously than in the past.
さらに、本発明による面発光レーザ，面発光レーザアレイを光通信システムに用いると、低コストの光送信モジュールを実現できる他、これを用いた低コスト，高信頼性の光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光レーザは、シリカファイバーの吸収が少なく適しており、更に、温度特性が良いこと、及び低しきい値であること、更に放熱特性が改善されたことにより、高温まで冷却なしで使えるシステムを実現できる。 Furthermore, when the surface emitting laser and the surface emitting laser array according to the present invention are used in an optical communication system, a low-cost optical transmission module can be realized, and a low-cost and highly reliable optical communication system using the module can be realized. In addition, the surface emitting laser using GaInNAs is suitable because it absorbs less silica fiber, has good temperature characteristics, has a low threshold, and has improved heat dissipation characteristics. A system that can be used without cooling can be realized.
なお、上述の例では、面発光レーザと光ファイバーとを１対１に対応させたが、発振波長の異なる複数の面発光レーザを１次元または２次元にアレイ状に配置して、波長多重送信することにより、伝送速度を更に増大することが可能となる。 In the above example, the surface emitting laser and the optical fiber are made to correspond one-to-one. However, a plurality of surface emitting lasers having different oscillation wavelengths are arranged in an array in one or two dimensions, and wavelength division multiplexing is performed. This makes it possible to further increase the transmission rate.
図６は本発明の実施例５の光送受信モジュールを示す図である。実施例５の光送受信モジュールは、実施例２の半導体レーザ（面発光レーザ）と、受信用フォトダイオードと、光ファイバーとを組み合わせたものとなっている。 FIG. 6 is a diagram illustrating an optical transceiver module according to a fifth embodiment of the present invention. The optical transceiver module according to the fifth embodiment is a combination of the semiconductor laser (surface emitting laser) according to the second embodiment, a receiving photodiode, and an optical fiber.
本発明の面発光レーザを光通信システムに用いる場合、本発明の面発光レーザは低コストであるので、図６に示すように、送信用の半導体レーザ（１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光レーザ）と、受信用フォトダイオードと、光ファイバーとを組み合わせた光送信モジュールを用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、本発明を採用したＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光レーザの場合，温度特性が良いこと、低しきい値であること、更に放熱特性が改善されたことにより、高温まで冷却なしで使えるより低コストのシステムを実現できる。 When the surface-emitting laser of the present invention is used in an optical communication system, the surface-emitting laser of the present invention is low in cost, and therefore, as shown in FIG. 6, a transmission semiconductor laser (1.3 μm band GaInNAs surface-emitting laser) and In addition, a low-cost optical communication system using an optical transmission module in which a receiving photodiode and an optical fiber are combined can be realized. Further, in the case of a surface emitting laser using GaInNAs adopting the present invention, the temperature characteristic is good, the threshold value is low, and the heat radiation characteristic is improved, so that it can be used at low temperature without cooling. System can be realized.
さらに、１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光レーザとを組み合わせると、ファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。 Furthermore, when a fluorine-doped POF (plastic fiber) that has a low loss in a long wavelength band such as 1.3 μm and a surface emitting laser using GaInNAs as an active layer are combined, the cost of the fiber is reduced and the diameter of the fiber is reduced. Since it is large and can be easily coupled with a fiber and the mounting cost can be reduced, a very low-cost module can be realized.
本発明の面発光レーザを用いた光通信システムとしては、光ファイバーを用いた長距離通信に用いることができるのみならず、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらにはボード間のデータ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等、光インターコネクションとして短距離通信に用いることができる。 The optical communication system using the surface emitting laser of the present invention can be used not only for long-distance communication using an optical fiber, but also for transmission between devices such as a LAN (Local Area Network), and between boards. It can be used for short-range communication as an optical interconnection such as data transmission, between LSIs in a board, between elements in an LSI, and the like.
近年ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクトに変えると、例えばコンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を、本発明の光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると、超高速コンピュータシステムが可能となる。 In recent years, the processing performance of LSIs and the like has improved, but the transmission speed of the portion connecting them will become a bottleneck in the future. When the signal connection in the system is changed from the conventional electrical connection to the optical interconnect, for example, between the boards of the computer system, between the LSIs in the board, between the elements in the LSI, etc., the optical transmission module or optical transmission / reception module of the present invention is used. Connection, an ultra-high-speed computer system becomes possible.
また、複数のコンピュータシステム等を本発明の光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムが構築できる。特に面発光レーザは、端面発光型レーザに比べて、桁違いに低消費電力化でき、２次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。 In addition, when a plurality of computer systems are connected using the optical transmission module or the optical transmission / reception module of the present invention, an ultra-high speed network system can be constructed. In particular, a surface emitting laser is suitable for a parallel transmission type optical communication system because it can reduce power consumption by orders of magnitude compared to an edge emitting laser and can easily form a two-dimensional array.
これらのように、低コストであることから、家庭用、オフィスの室内用，機器内用等の短距離のデータ通信に有効である。
Because of the low cost as described above, it is effective for short-distance data communication for home use, office indoor use, and device use.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007250878A (en) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor optical device |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPH04324690A (en) * | 1991-04-24 | 1992-11-13 | Sanyo Electric Co Ltd | Surface emitting type semiconductor laser |
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-
2004
- 2004-06-02 JP JP2004164715A patent/JP2005347482A/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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