JP2006005324A - 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光方向を任意所望の特定の方向に安定して制御することができ、更に単一基本横モード発振において高出力が得られ、更に高速変調が可能な面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】 基板の表面（基板面）に平行な方向に、レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの周辺を取り囲んで、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅が、前記基板面に平行な面内において、互いに直交する２方向で相違している事を特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステムに関する。

近年、基板と垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子（面発光型半導体レーザ素子）が、精力的に研究されている。面発光レーザは、端面発光型レーザに比べて活性層体積が小さい事により発振閾値電流が低く、また、共振器構造が高速変調に適し、更に、円形状の高品質な出射ビーム形状を有する等の特徴を有している。この様な特徴から、ＬＡＮ等の高速光通信光源，電子写真システムの光源として非常に注目されている。

更に、面発光レーザ素子は基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せる事から、高密度２次元アレイ集積が容易であり、並列光インターコネクション用光源，高速高精彩電子写真システム等への応用が検討されている。

現在、面発光レーザ素子の代表的な構造として、注入電流の狭窄構造の違いから、選択酸化型面発光レーザ素子とイオン注入型面発光レーザ素子との２種の構造を挙げる事ができる。

選択酸化型面発光レーザ素子は、Ａｌを含む半導体層を選択的に酸化（選択酸化）する事により形成したＡｌの酸化物からなる選択酸化電流狭窄層により、電流の狭窄と同時に横モードの閉じ込めを行なうことが可能であり、低閾値電流，高効率動作を実現している。また、水素イオン注入型面発光レーザ素子では、水素イオン注入によって設けられた高抵抗化電流狭窄構造によって、同様に低閾値動作を実現している。この様に、いずれの構造も注入領域を素子の中央部にあたる特定の領域に狭窄する事により、端面発光型レーザに比べて低発振閾値電流を実現している。

また、光通信用途の光源では、ファイバとの結合が容易な円形のビーム形状以外にも、単一基本横モード発振が強く望まれており、選択酸化型面発光レーザ素子では、電流狭窄径を波長の３倍程度以下の寸法にする事により、この要求を満たす事ができる。しかしながら、シングルモードデバイスでは、選択酸化構造による素子抵抗と静電容量の増大が、変調帯域を制限する要因となっている。また、空間的ホールバーニングの影響により、単一基本横モードにおいて高出力発振を得る事が難しいという問題を有している。

一方、水素イオン注入型面発光レーザ素子では、選択酸化電流狭窄層による寄生容量等の問題は無いものの、作りつけの導波構造は存在せず、主に電流注入による発熱によって生じた僅かな屈折率変化によって横モードの閉じ込めが行なわれている。従って、選択酸化型面発光レーザ素子に比べて、横方向の閉じ込めは弱く、比較的大きな狭窄径に対しても、単一基本横モード発振が可能であるという特徴を持つ一方、閉じ込めが弱い事によって横モードが不安定であるという問題がある。

非特許文献１は、単一基本横モードにおける高出力発振を実現する構造として、ＡＲＲＯＷ構造（Ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）、又はＳ−ＡＲＲＯＷ構造（Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ＡＲＲＯＷ）と呼ばれる面発光レーザ素子の構造が示されている。

この非特許文献１では、面発光レーザ素子の単一基本横モードにおける高出力化という課題に対し、反導波構造による改良を試みている。反導波構造とは、素子の発振領域を低屈折率コアとし、前記領域（低屈折率コア）のレーザ共振方向に垂直な方向における周辺を、相対的に屈折率の大きな領域により取り囲んだ構造である。この様な反導波構造では、前記のレーザ共振方向に垂直な方向における高次横モードの漏れが大きくなり、単一基本横モード発振を高い出力まで保つ事が可能である。

また、特に、非特許文献２には、低屈折率コアを形成する素子の発振領域に接して、低屈折率領域と高屈折率領域とよりなる周期構造を設け、低屈折率コアが半波長共振器となる様に共振器構造を設けた反導波構造が示されている。

この非特許文献２では、上記の構造により反導波構造において問題となっている横モードの漏洩を減少させて、７ｍＷを超える単一基本横モード出力を得ている。

また、近年、長距離，超高速の光通信への応用を考えた場合、単一基本横モード発振以外にも、レーザ光の偏光方向によって光学部品の反射率が異なる事に起因した雑音の発生が問題となっており、レーザ光の偏光方向が特定の方向に制御されている事が、非常に強く望まれている。

レーザ光の偏光方向を制御する為の方法として、従来では、例えば、特許文献１の様に、応力を有した薄膜を用いて素子に異方性の応力を加え、活性層利得に異方性を持たせる方法や、特許文献２の様に、傾斜基板上に素子を形成する方法が開示されている。これらの方法では、いずれも活性層の光学利得に異方性が生じ、光学利得の大きい方向に偏光方向を制御する事ができる。
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ． ７６， Ｎｏ． １３、 ２０００、 ｐｐ．１６５９、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｖｏｌ．３８， Ｎｏ．１２， ２００２， ｐｐ． １５９９ ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｖｏｌ．３８， Ｎｏ．１２， ２００２， ｐｐ． １５９９ 特開平１１−５４８３８ 特開２００１−６０７３９

しかしながら、上述した特許文献２に示されている、傾斜基板上に面発光レーザ素子を形成する方法では、（００１）面方位を有する基板に比べて、傾斜基板上における結晶成長条件の調整，制御が難しいという問題がある。更に、発振光の偏光方向を、結晶の特定の方位に沿った方向に一括して制御する事はできるものの、個別の素子毎に、任意所望の方向に制御する事は難しい。

また、特許文献１に示されている、応力を有する薄膜によって活性層に異方性歪を加える方法では、加工条件の再現性及び制御性により、偏光制御が不安定になるという問題がある。

本発明は、偏光方向を任意所望の特定の方向に安定して制御することができ、更に単一基本横モード発振において高出力が得られ、更に高速変調が可能な面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの周辺を取り囲んで、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造が、基板面に平行な面内における特定の一方向と、該特定の一方向以外の方向とで、相違している事を特徴としている。

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素子において、前記低屈折率コアの幅が、前記基板面に平行な面内において互いに直交する２方向で相違している事を特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記周期構造が、前記基板面に平行な面内において互いに直交する２方向で相違している事を特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３記載の面発光レーザ素子において、互いに直交する２方向のうちの一方向における前記周期構造の反射帯域が、同方向における基本横モードを基板面へ射影した波長に対して、長波側に設定されている事を特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの外側に、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記周期構造が、基板面に平行な面内において特定の方向に部分的に設けられている事を特徴としている。

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素子において、活性層はＩＩＩ−Ｖ族半導体で構成され、活性層を構成するＩＩＩ族元素として、Ｇａ，Ｉｎのうちのいずれか、又は全てを含み、また、活性層を構成するＶ族元素として、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのうちのいずれか、又は全てを含んでいる事を特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子により構成されている事を特徴とする面発光レーザアレイである。

また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムである。

また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光通信システムである。

また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする電子写真システムである。

また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光ディスクシステムである。

請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの周辺を取り囲んで、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造が、基板面に平行な面内における特定の一方向と、該特定の一方向以外の方向とで、相違しているので、偏光方向を任意所望の特定の方向に安定して制御することができ、更に単一基本横モード発振において高出力が得られ、更に高速変調が可能な面発光レーザ素子を提供することができる。

すなわち、請求項１乃至請求項４記載の面発光レーザ素子では、偏光方向が任意所望の特定の方向に揃い、更に高出力まで単一基本横モード発振が可能である（単一基本横モード発振において高出力が得られる）。また、本面発光レーザ素子は、素子抵抗が低い事から電気的周波数特性に優れており、更に素子発熱が低く放熱性が高い事から、高い微分利得と高出力が得られるので、高い緩和振動周波数を得る事ができる。以上から高速変調が可能な面発光レーザ素子を提供する事ができる。

特に、請求項４記載の面発光レーザ素子では、高い偏光比を有して偏光方向が特定の方向に揃い、更に高出力まで単一基本横モード発振が可能である。

また、請求項５記載の発明によれば、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの外側に、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造が、基板面に平行な面内において特定の方向に部分的に設けられているので、偏光方向を任意所望の特定の方向に安定して制御することができ、更に単一基本横モード発振において高出力が得られ、更に高速変調が可能な面発光レーザ素子を提供することができる。

すなわち、請求項５記載の面発光レーザ素子も、偏光方向が任意所望の特定の方向に揃い、更に高出力まで単一基本横モード発振が可能である。また、本面発光レーザ素子は、素子抵抗が低い事から電気的周波数特性に優れており、更に素子発熱が低く放熱性が高い事から、高い微分利得と高出力が得られるので、高い緩和振動周波数を得る事ができる。以上から高速変調が可能な面発光レーザ素子を提供する事ができる。

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素子において、活性層はＩＩＩ−Ｖ族半導体で構成され、活性層を構成するＩＩＩ族元素として、Ｇａ，Ｉｎのうちのいずれか、又は全てを含み、また、活性層を構成するＶ族元素として、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのうちのいずれか、又は全てを含んでいるので、偏光方向を任意所望の特定の方向に安定して制御することができ、単一基本横モード発振において高出力が得られ、高速変調が可能であり、更に温度特性に優れた長波長帯面発光レーザ素子を提供する事ができる。

より具体的に、請求項６記載の発明では、ＧａＡｓ基板上に１．１μｍから１．６μｍまでの発振波長を持つ面発光レーザ素子を提供することができる。また、ＧａＡｓ基板上では、特性の優れたＡｌＧａＡｓ混晶による分布ブラッグ反射器を用いる事が可能であり、特性の優れた素子を提供できる。更に、これらの材料の中でもＧａＩｎＡｓに数％以下の窒素を微量添加したＧａＩｎＮＡｓ材料は、ＧａＡｓ等のバリア層に対し伝導帯バンド不連続量が大きく、従来のＩｎＰ基板上における同波長帯の素子と比べ良好な温度特性を有した素子を提供できる。更に、請求項１乃至請求項５と同様に、偏光方向を任意所望の特定の方向に安定して制御することができ、高出力まで単一横モード発振が可能であり、更に高速変調が可能な特に光ファイバ通信に好適な面発光レーザ素子を提供することができる。

また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子により構成された事を特徴とする面発光レーザアレイであるので、偏光方向を任意所望の特定の方向に安定して制御することができ、単一基本横モード発振において高出力が得られ、更に高速変調が可能なモノリシック面発光レーザアレイを提供することができる。

すなわち、請求項７記載の発明では、偏光方向が任意所望の特定の方向に揃い、高出力まで基本横モード発振が可能であり、更に高速変調が可能なビーム品質の良い面発光モノリシックレーザアレイを提供することができる。

また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムであり、偏光方向が任意所望の特定の方向に安定して制御され、基本横モードで高出力まで発振が得られ（単一基本横モード発振において高出力が得られ）、更に高速変調が可能な面発光レーザ、または、面発光レーザアレイを光源とした事により、高速伝送が可能な信頼性の高い光インターコネクションシステムを提供することができる。

また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光通信システムであり、偏光方向が任意所望の特定の方向に安定して制御され、基本横モードで高出力まで発振が得られ（単一基本横モード発振において高出力が得られ）、更に高速変調が可能な面発光レーザ、または、面発光レーザアレイを光源とした事により、光ファイバ通信に好適な信頼性の高い光通信システムを提供することができる。

また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする電子写真システムであり、偏光方向が任意所望の特定の方向に安定して制御され、基本横モードで高出力まで発振が得られ（単一基本横モード発振において高出力が得られ）、更に高速変調が可能な面発光レーザ、または、面発光レーザアレイを光源とした事により、高精細で高速書き込みが可能な低コストの電子写真システムを提供することができる。

また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光ディスクシステムであり、偏光方向が任意所望の特定の方向に安定して制御され、基本横モードで高出力まで発振が得られ（単一基本横モード発振において高出力が得られ）、更に高速変調が可能な面発光レーザ、または、面発光レーザアレイを光源とした事により、信頼性に優れた、高速アクセスが可能な光ディスクシステムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

本発明では、偏光方向を制御するのに、反導波構造を有する面発光レーザ素子において、横モードの閉じ込めに異方性を持たせるようにしている。

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの周辺を取り囲んで、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造が、基板面に平行な面内における特定の一方向と、該特定の一方向以外の方向とで、相違している事を特徴としている。

すなわち、本発明では、前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造の構造が、基板面に平行な面内における特定の一方向と、該特定の一方向以外の方向において相違する構成とし、低屈折率コアの幅、または、周期構造の構造が、特定の一方向と該特定の一方向以外の方向とで異方性形状（構造）を有する様にしている。

ここで、低屈折率コアは、具体的には、電流注入領域に対応したレーザ発振領域とすることができる。

また、上記の特定の一方向以外の方向における低屈折率コアの幅、または、周期構造は、更に互いに異なった方向間において夫々相違していても良く、また同じであっても良い。

また、以後、本明細書中において、単に「基板面に平行な方向に設けた屈折率の周期構造」、又は「屈折率の周期構造」と記した場合は、「レーザ共振方向に垂直な方向に設けた実効屈折率が低屈折である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造」の事を指すものとする。

この第１の形態では、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの周辺を取り囲んで、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造の構造が、基板面に平行な面内における特定の一方向と、該特定の一方向以外の方向において相違する構成とし、低屈折率コアの幅、または、周期構造の構造が、特定の一方向と該特定の一方向以外の方向とで異方性形状（構造）を有する様にしている事によって、基板面に平行な面内に設けた屈折率の周期構造による横モードの閉じ込めの強さに異方性を生じさせ、特定の方向に偏光を有した基本横モードのみを選択的に発振させる事ができる。以下、より詳細な説明を行なう。

前述した非特許文献２には、反導波構造（ＡＲＲＯＷ構造）と、レーザ共振方向に垂直な方向に設けた屈折率の周期構造による横モードの閉じ込めについて、記載がなされている。ここで、反導波構造とは、基板の表面（基板面）に平行な面内において、レーザ共振が生じる領域を、これの周辺領域（高屈折率クラッド）に対して実効屈折率が相対的に低屈折率となる様に、横モードの導波構造を形成した構造を指す。更に、この非特許文献２には、横モードの回折損失を低減する為に、高屈折率クラッド層中において、基板面に平行な面内に実効屈折率が低屈折である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けてなる周期構造を形成した例が示されている。

この非特許文献２に記載されている様に、単一の低屈折率コアと高屈折率クラッドのみから形成される反導波路構造では、高屈折率クラッド中における基板面に平行な方向の波長λ_ｌは、低屈折率コアの屈折率ｎ_０、高屈折率クラッドの屈折率ｎ_１、真空中における光の波長λ_０、及び低屈折率コアの幅ｄを用いて、次式（数１）の様に近似する事ができる。ここで、基板面に平行な方向の波長とは、光波の基板面に平行な方向における伝搬係数（波数）に対応した波長を意味しており、任意の方向に伝搬する光波を基板面に射影した際の波長を意味する。

数１において、ｍは横モードの次数である。つまり、基板面に平行な方向における波長λ_１は、低屈折率コアの屈折率ｎ_０、高屈折率クラッドの屈折率ｎ_１、及び低屈折率コアの幅ｄによって決まっている。

また、特に、低屈折率コア，高屈折率クラッドの屈折率ｎ_０，ｎ_１が一定の場合には、波長λ_ｌは、数１の様に低屈折率コアの幅ｄに依存して決まる。

従って、高屈折率クラッドが一様な屈折率を有する場合は、低屈折率コアの幅ｄに応じて基板面に平行な方向の波長λ_ｌが変化する。具体的には、非特許文献２に記載されている様に、ｎ_０＝３．３， ｎ_１＝３．３５， λ_０＝０．９８μｍ， ｄ＝８μｍに対し、０次、１次、２次モードの基板面に平行な方向の波長λ_ｌは、それぞれ、１．７０μｍ， １．６６μｍ， １．６２μｍとなる。

ここで、基板に平行な方向に設けた周期構造を形成する各領域の幅を、それぞれの領域中における基本横モードの横方向の波長（基板面に平行な方向の波長）の１／４の奇数倍の幅に選ぶ事によって、レーザ共振方向と同様な共振器構造を設ける事ができる。但し、この場合は、共振器部分が相対的に低屈折率であるので、共振器部分と屈折率の周期構造との境界において、定在波の電界強度が零と成る半波長共振器が形成される。

この様な構成とすると、基本横モードは、屈折率の周期構造によって低屈折率領域に閉じ込められ、基板面に平行な方向へのモード漏洩が抑制され、モード損失を低減する事ができる。ここで、屈折率の周期構造の周期数を比較的少ない数に選んでおくと、反射帯域（ストップバンド）の幅が小さくなる点と、上述の様に、高次横モードが基本横モードに対して約４０ｎｍと比較的大きな波長間隔を有する点とから、高次横モードに対する共振波長は、屈折率の周期構造によるストップバンドから外れ、基本横モードのみを選択的に基板面に平行な方向に閉じ込める事ができる。

なお、レーザ共振方向に垂直な方向（基板に平行な方向）に屈折率の異なる領域を設ける方法としては、非特許文献２に示されている様に、垂直方向（レーザ共振方向）の共振波長を面内において異なる波長とする事により実現する事ができる。

つまり、基板面に平行な方向の実効屈折率変化△ｎと共振波長変化△λの間には、等価的に、次式（数２）の関係が存在する事が知られており、共振波長を他の領域に対し相対的に長波長とする事によって、実効屈折率を相対的に大きく、また、共振波長を他の領域に対し相対的に短波長とする事によって、実効屈折率を相対的に小さくする事ができる。

共振波長を大きく変化させる為には、共振器スペーサー層等の様にレーザ共振領域周辺の層の厚さを変化させる事が効果的である。非特許文献２の素子では、エッチングと再成長技術を用いて、エッチングが行われた特定の領域における特定の半導体層の厚さを周辺領域に対して相対的に薄く形成し、周辺領域に対して実効屈折率が相対的に低い領域を形成している。

以上の従来技術では、低屈折率コアの周辺に実効屈折率が低屈折である領域と高屈折率である領域からなる屈折率の周期構造を設ける事により、基板面に平行な方向へのモードの漏洩が低減できるとともに、基本横モードのみを選択的に閉じ込める事が可能になり、単一基本横モードにおける高出力動作が得られる。

次に、本発明の第１の形態の面発光レーザ素子における構成および動作について、具体的に説明する。

本発明の面発光レーザ素子では、低屈折率コアと、基板面に平行な方向における前記低屈折率コアの周辺に、屈折率の周期構造を設けた反導波構造を有する従来技術の素子の様な面発光レーザ素子において、基板面に平行な方向における前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造の構成に異方性を設け、互いに異方性を有した方向における横モードの閉じ込めの大きさを夫々異なった大きさに制御し、レーザ発振光の偏光方向を特定の方向に制御するとともに、単一基本横モードにおいて高出力動作を得る事を可能とするものである。

つまり、上述した様に、反導波構造における横方向の波長は、低屈折率領域及び高屈折率領域の屈折率差、低屈折率コアの幅に依存して決まり、また周期構造の反射帯域（ストップバンド）反射率は、低屈折率領域及び高屈折率領域の幅、及び繰り返し周期等の周期構造に依存して決まる。従って、基板面に平行な方向におけるこれらの幅、または構造に異方性を設ける事によって、基板面に平行な方向のモード閉じ込めを異なる大きさに設定する事ができる。横モードの閉じ込めを異なる大きさに設定する事により、基板面に平行な方向に対するモードの漏洩による損失、または、モード分布と電流注入領域に対応した利得領域との結合を異なったものとする事ができる。

即ち、特定の方向に対するモードの漏洩損失が大きくなる様に、又はモード分布と利得領域との結合が小さくなる様に上記の構造を選ぶ事によって、この方向に電場振幅（偏光）を有するモードの発振を抑制する事ができる。

以上の様に、第１の形態では、高屈折率領域と低屈折率領域による周期構造によって、単一基本横モードによる高出力動作を得られ、また、基板面に平行な方向において前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造の構成に異方性を設けた事により、偏光方向を特定の方向に制御することができる。

また、本発明の面発光レーザ素子の電流狭窄構造としては、水素イオン注入による高抵抗化領域を用いる事が望ましい。水素イオン注入による高抵抗化領域は、屈折率変化を殆どが生じないので、屈折率の周期構造の設計が容易になる。更に、従来の選択酸化型面発光レーザ素子の様に電流狭窄構造の形成に選択酸化工程を必要としないので、メサを形成する必要がない。従って、横方向への放熱性に優れている。また、本発明の面発光レーザ素子は、電流狭窄と横モードの制御を異なる構造によって行なっているので、従来の選択酸化型面発光レーザ素子の様に単一基本横モード制御のために、電流狭窄径を微小に絞る必要が無く、素子を低抵抗に形成する事が容易である。また選択酸化電流狭窄層を素子構成に含まないので、寄生容量の問題が無い。また、従来の水素イオン注入型面発光レーザ素子と比べた場合には、横モードが不安定であるという点が改良されている。また、素子抵抗，容量が小さい事により、電気的な周波数特性に優れている。また更に、素子発熱が低く、放熱性が高い事から、高い微分利得と高出力が得られるので、高い緩和振動周波数を得る事ができる。以上から高速変調が可能な面発光レーザ素子が得られる。

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅が、前記基板面に平行な面内において互いに直交する２方向で相違している事を特徴としている。

第２の形態では、第１の形態の面発光レーザ素子において（すなわち、レーザ共振領域を低屈折率コアとした反導波型面発光レーザ素子において）、前記低屈折率コアの幅が、前記基板面に平行な面内において互いに直交する２方向で相違している事によって、基板面に平行な面内に設けた屈折率の周期構造による横モードの閉じ込めの強さに異方性を生じさせ、特定の方向に偏光を有した基本横モードのみを選択的に発振させる動作を得る事ができる。以下、より詳細な説明を行なう。

前述の様に、高屈折率クラッド層における基板面に平行な方向の波長λ_ｌは、低屈折率コア，高屈折率クラッドの屈折率ｎ_０，ｎ_１が一定の場合には、数１の様に低屈折率コアの幅ｄに依存して決まるので、本発明の第２の形態の様に、低屈折率コアの幅を直交する２方向において異なった幅に形成した場合は、それぞれの方向における基板面に平行な方向の波長は異なった波長となる。

従って、前記の互いに直交する２方向に対し、基板面に平行な面内に設けた屈折率の周期構造として、同じ構造を有する周期構造を設けると、互いに直交する２方向における基板面に平行な方向の波長が異なる事により、横モードの閉じ込めの強さは異なったものとなる。従って、互いに直交する２方向の内、一方の方向（以後、この方向を第一の方向と呼ぶ）に対して、屈折率の周期構造による基本横モードの閉じ込めが最も効率良く行なわれる様に周期構造の幅及び周期を選ぶと、残る一方の方向（以後、この方向を第二の方向と呼ぶ）に対しては、第二の方向における基本横モードの基板面に平行な方向の波長が、第一の方向における波長と異なる事によって基本横モードの閉じ込めの作用が小さくなり、基板面に平行な方向へのモードの漏洩が大きくなる。よって、第二の方向における基板面に平行な方向への損失は高く、第一の方向に偏光を有した基本横モードを選択的に発振させる事ができる。

以上の様に、特定の方向（第一の方向）における基本横モードの、基板面に平行な方向における波長に対して、閉じ込め効率が最大となる様に屈折率の異なる周期構造を設けた場合、これと直交する方向（第二の方向）における低屈折率コアの幅を第一の方向における低屈折率コアの幅と相違させる事によって、第一の方向に偏光を有した基本横モードのみを選択的に発振させる事ができる。更に、高屈折率領域と低屈折率領域による周期構造は、基本横モードのみを選択的に閉じ込めている事により、高出力まで単一基本横モード発振を維持する事ができる。

また、本発明の面発光レーザ素子の電流狭窄構造としては、第１の形態と同様に水素イオン注入による高抵抗化領域を用いる事が望ましい。この場合、第１の形態に記載した動作と同様の動作が得られ、素子抵抗、容量が小さく電気的な周波数特性に優れた素子が得られる。また更に、素子発熱が低く、放熱性が高い事から、高い微分利得と高出力が得られるので、高い緩和振動周波数を得る事ができる。以上から高速変調が可能な面発光レーザ素子が得られる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１の形態の面発光レーザ素子において、前記周期構造が、前記基板面に平行な面内において互いに直交する２方向で相違している事を特徴としている。

第１，第２の形態で説明した様に、低屈折率コアの周辺に設けられる周期構造は、周期構造を構成する低屈折率領域及び高屈折率領域の幅を、それぞれの領域中における基本横モードの横方向の波長（基板面に平行な方向の波長）の１／４の奇数倍の幅に選ぶ事により、効果的に基本横モードの閉じ込めを行なう事ができる。この様に、横モードの閉じ込め効率は、周期構造を形成する領域の幅等の構成に依存して決まっている。

また、前述した様に、高屈折率クラッド層における基板面に平行な方向の波長λ_ｌは、低屈折率コアと、高屈折率クラッドの屈折率ｎ_０，ｎ_１が一定の場合には、数１の様に低屈折率コアの幅ｄに依存して決まので、例えば低屈折率コアが正方形の様に等方性形状を有する場合は、基板面に平行な方向の波長λ_ｌは、互いに直交する２方向において同じ波長となる。

従って、第３の形態の様に、周期構造の構成に異方性を設けた場合、互いに異方性を設けた方向における横モードの閉じ込めを異なる大きさに設定する事ができる。例えば、互いに直交する２方向の内、一方の方向（以後、方向を第一の方向と呼ぶ）に対しては、屈折率の周期構造による基本横モードの閉じ込めが最も効率良く行なわれる様に、つまり、周期構造が基本横モードのみに対してブラッグ反射の位相条件を満たす様に高屈折率領域及び低屈折率領域の幅をそれぞれの領域中における基本横モードの基板面に平行な方向の波長の１／４の奇数倍の幅とし、更に第一の方向と直交する第二の方向に対してはこれ以外の幅とした場合、第二の方向では、ブラッグ反射の条件が満たされていないので、第一の方向に比べて横モードの閉じ込めが小さくなる。つまり、第二の方向においては、モードの漏洩による損失の為に、この方向に電場振幅（偏光）を有するモードは発振が抑制される。以上から、第一の方向に偏光を有した基本横モードのみが選択的に発振する。

この様に、第３の形態では、低屈折率コアの周辺に設けた屈折率の周期構造に異方性を設ける事により、特定の方向に偏光が制御され、更に単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な面発光レーザ素子が得られる動作を有する。また、周期構造に異方性を設ける方法としては、低屈折率領域及び高屈折率領域の幅等に加え、これらの屈折率差及び繰り返し周期等も挙げられる。

また、本発明の面発光レーザ素子の電流狭窄構造としては、第１の形態と同様に水素イオン注入による高抵抗化領域を用いる事が望ましい。この場合、第１の形態に記載した動作と同様の動作が得られ、素子抵抗、容量が小さく電気的な周波数特性に優れた素子が得られる。また更に、素子発熱が低く、放熱性が高い事から、高い微分利得と高出力が得られるので、高い緩和振動周波数を得る事ができる。以上から高速変調が可能な面発光レーザ素子が得られる。

（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第２または第３の形態の面発光レーザ素子において、互いに直交する２方向のうちの一方向における前記周期構造の反射帯域が、同方向における基本横モードを基板面へ射影した波長に対して、長波側に設定されている事を特徴としている。

第２，第３の形態の面発光レーザ素子において、高出力まで高い偏光比を得る為には、上記第二の方向に偏光を有するモードの発振を効果的に抑制する必要がある。この為には、第二の方向における周期構造の反射帯域（ストップバンド）を、前記第二の方向における基本横モードの横方向の波長（基板面に射影した波長）に対し相対的に長波に設定しておく事が効果的である。

つまり、数１の様に、高次横モードの横方向の波長は基本横モードの横方向の波長に対して常に短波であるので、屈折率の周期構造におけるストップバンドを、基本横モードの横方向の波長に対し、長波長側に設定しておく事によって、全てのモードに対して反射率を低く設定する事が可能であり、モードの漏洩損失を大きくする事ができる。これにより、第二の方向に偏光を有したモードの発振が効率良く抑制され、高い偏光比を得る事ができる。ここで、基本横モードを基板面に射影した波長は、面発光レーザ素子の構造から、数１を用いて見積もる事ができる。

以上の様に、第４の形態では、より効果的に第二の方向に電場振幅（偏光）を有するモードの発振を抑制する事が可能になり、高出力まで高い偏光比を有した単一基本横モード発振が得られる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの外側に、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記周期構造が、基板面に平行な面内において特定の方向に部分的に設けられている事を特徴としている。

ここで、低屈折率コアは、具体的には、電流注入領域に対応したレーザ発振領域とすることができる。

この第５の形態では、基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの外側に、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記周期構造が、基板面に平行な面内において特定の方向に部分的に設けられている事によって、低屈折率領域と高屈折領域とからなる周期構造を設けた方向（以後、第１の形態の構成および動作と同様に、偏光方向の制御を行なう方向を第一の方向とする）においては、基本横モードを選択的にかつ効果的に閉じ込める事が可能であり、高出力まで単一基本横モードで発振が得られる。また、周期構造を設けていない第二の方向（以後、第１の形態の構成および動作と同様に、レーザ発振を抑制する方向を第二の方向とする）においては、完全な反導波であり、横モードの閉じ込め構造をもたないので、基板面に平行な方向へのモードの漏洩による損失が大きく、発振が抑制される。以上から第一の方向に偏光を有した単一基本横モード発振を得ることができる。

また、第一の方向における高屈折率領域と低屈折率領域による周期構造は、基本横モードのみを選択的に閉じ込めているので、高次横モードに対しては第二の方向と同様に損失が大きい。よって、第一の方向に偏光が揃い、高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができる。

また、本発明の第５の形態の面発光レーザ素子の電流狭窄構造としては、第１乃至第４の形態と同様に水素イオン注入による高抵抗化領域を用いる事が望ましい。この場合、第１乃至第４の形態において説明した動作と同様の動作が得られ、素子抵抗，容量が小さく電気的な周波数特性に優れた素子が得られる。また更に、素子発熱が低く、放熱性が高い事から、高い微分利得と高出力が得られるので、高い緩和振動周波数を得る事ができる。以上から高速変調が可能な面発光レーザ素子が得られる。

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、活性層はＩＩＩ−Ｖ族半導体で構成され、活性層を構成するＩＩＩ族元素として、Ｇａ，Ｉｎのうちのいずれか、又は全てを含み、また、活性層を構成するＶ族元素として、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのうちのいずれか、又は全てを含んでいる事を特徴としている。

このように、第６の形態の面発光レーザ素子では、活性層を構成するＩＩＩ族元素として、Ｇａ，Ｉｎのうちのいずれか、又は全てを含み、また、Ｖ族元素として、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのうちのいずれか、又は全てを含んでいる構成としている。活性層材料として上記の材料を用いる事で、ＧａＡｓ基板上に１．１μｍから１．６μｍまでの発振波長を持つ面発光レーザ素子が得られる。ＧａＡｓ基板上では、特性の優れたＡｌＧａＡｓ混晶による分布ブラッグ反射器を用いる事が可能で、特性の優れた素子が得られる。更に、これらの材料の中でもＧａＩｎＡｓに数％以下の窒素を微量添加したＧａＩｎＮＡｓ材料は、ＧａＡｓ等のバリア層に対し伝導帯バンド不連続量が大きく、従来のＩｎＰ基板上における同波長帯の素子と比べ良好な温度特性を有している。更に、第１乃至第５の形態によって、偏光方向が特定の方向に揃っている為に、光学系の偏光方向に対する反射率の違いに起因する雑音の影響が無く、更に高出力まで単一横モード発振が得られるので、特に光ファイバ等に対する結合効率が高い。以上から、光ファイバ通信に好適な面発光レーザ素子を提供できる。

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子により構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。

第７の形態の面発光レーザアレイでは、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子によってモノリシックレーザアレイを構成している。この第７の形態によれば、偏光方向が任意所望の特定の方向に揃ったモノリシックアレイを容易に形成する事ができる。また、更に高出力まで基本横モード発振が可能なビーム品質の良い面発光レーザアレイを得る事ができる。従って、第７の形態の面発光レーザアレイは、電子写真システムのマルチビーム書き込み系や、長距離の光通信システム等に好適な光源として用いることができる。また、本発明の面発光レーザアレイでは、個々の素子の偏光方向は、写真製版工程におけるレジストのパターニングにより、任意の方向へ設定する事が可能であり、アレイ内の任意の素子における偏光方向を、個々に設定した面発光レーザアレイを得る事が可能である。

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする光インターコネクションシステムである。

第８の形態の光インターコネクションシステムでは、光インターコネクションシステムの光源として、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが用いられている。本発明の面発光レーザ素子，面発光レーザアレイでは、偏光方向が特定の方向に制御されている為、偏光方向による光学系の反射率等の違いに起因する雑音の影響が無い。また、基本横モードで、高出力まで発振が得られるので、光ファイバとの結合が高い。また、高次横モードの発振が抑制されている事から、出力等の素子の動作状態が変化した場合でも、結合率が変化しファイバへの光入力が変化する様な事が非常に少ない。よって、これを用いた光インターコネクションシステムは、信頼性の高いものとなる。

（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが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。

第９の形態の光通信システムでは、通信光源として、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが用いられている。本発明の面発光レーザ素子，面発光レーザアレイでは、偏光方向が特定の方向に制御されている為、偏光方向による光学系の反射率等の違いに起因した雑音の影響が無い。更に、基本横モードで、高出力まで発振が得られるので、光ファイバとの結合が高い。また、高次横モードの発振が抑制されている事から、出力等の素子の動作状態が変化した場合でも、結合率が変化しファイバへの光入力が変化する様な事が非常に少ない。また、従来に比べ、高出力が得られるので、長距離の通信が可能である。よって、これを用いた光通信システムは、信頼性の高いものとなる。

（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする電子写真システムである。

第１０の形態の電子写真システムは、書き込み光源として、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが用いられている。

電子写真システムでは、光学系の設計の冗長度が小さく、偏光方向の違いによる反射率等の影響が非常に大きく、従来の偏光方向の制御がなされていない面発光レーザ素子では、高精細な電子写真システムを得る事が難しかった。これに対し、本発明の面発光レーザ素子，面発光レーザアレイでは、偏光方向が特定の方向に制御されている為、高精細な電子写真システムを構成する事ができる。また、従来の面発光レーザ素子は、出力が小さく、電子写真システムの書き込み光源として用いる事が難しかったが、本発明の面発光レーザ素子，面発光レーザアレイでは、基本横モードで、高出力まで発振が得られる。従って、電子写真システムの書き込み光源として用いる事が容易である。また、面発光レーザ素子を電子写真システムの書き込み光源として用いると、出射ビームが円形である事から、ビーム成形が容易である。更に、高いアレイ間の位置精度を有している事から、同一のレンズで、複数のビームを再現性良く、容易に集光する事ができる。よって、光学系が簡単で済み、低コスト，高精彩なシステムを得る事ができる。また、本発明の面発光レーザ素子は、出力が大きい事から、特にアレイを用いた場合には高速書き込みが可能である。以上の様に、低コスト，高精彩の電子写真システムを提供することができる。

（第１１の形態）
本発明の第１１の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする光ディスクシステムである。

第１１の形態の光ディスクシステムは、読み出し，書き込み光源として、第１乃至第６のいずれかの形態の面発光レーザ素子、又は、第７の形態の面発光レーザアレイが用いられている。

光ディスクシステムの中でも、光磁気ディスクは信号の読み取りに直線偏光を有するレーザ光源が必要である。本発明の面発光レーザ素子は、上述したように、偏光方向が特定の方向に揃った直線偏光を有するので、従来応用する事が困難であった光磁気ディスクの読み出し光源に用いる事ができる。

また、従来の面発光レーザ素子は、単一基本横モード発振における出力が小さく、光ディスクシステムの光源として用いる事が難しかったが、本発明の面発光レーザ素子，面発光レーザアレイでは、基本横モードで、安定に高出力まで発振が得られる。従って、光ディスクシステムの書き込み光源として用いる事が可能でき、また信頼性の高い光ディスクシステムを構成する事が可能である。また、面発光レーザアレイを用いる事により、高密度の読み出し，書き込みが可能であり、高速な光ディスクシステムを構成する事が可能である。以上の様に、信頼性に優れた、高速アクセスが可能な光ディスクシステムを提供する事ができる。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施例１の面発光レーザ素子を示す図である。なお、図１（ａ）は上面図、図２（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図１（ａ）に示した第一の方向，第二の方向における断面図である。

実施例１の面発光レーザ素子は、ＩｎＧａＡｓを活性層材料とした０．９８μｍ帯を発振波長とする面発光レーザ素子である。実施例１の面発光レーザ素子は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により結晶成長を行なうことで作製され、この場合、ＩＩＩ族原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族原料には、アルシン（ＡｓＨ_３）ガスを用いている。また、ｐ型ドーパントであるＣ（炭素）のドーピング原料にはＣＢｒ_４を用い、ｎ型ドーパントであるＳｅのドーピング原料にはＨ_２Ｓｅを用いている。以下、その構造を製造工程に従い説明する。

実施例１の面発光レーザ素子は、先ず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層１０２、ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの対を１周期とした３６周期のｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ下部半導体分布ブラッグ反射器１０３、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー１０４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０５、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー１０６、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層１０７、ｐ−ＧａＡｓ層１０８が順次に結晶成長されている。

ここで、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の厚さは、夫々の半導体層中おけるレーザ発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（夫々の半導体層中における発振波長の１／４の厚さ）になるように形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＰ層１０７は、上部分布ブラッグ反射器を構成する一部の層として形成され、ｐ−ＧａＩｎＰ層１０７の厚さはＧａＩｎＰ層内におけるレーザ発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（ＧａＩｎＰ層中における発振波長の１／４の厚さ）となる様に結晶成長が行われている。また、ｐ−ＧａＡｓ層１０８の厚さは５０ｎｍとしている。なお、上部分布ブラッグ反射器は、層１０７，１０８，１０９によって構成されている。

また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１０５と、これの上下に設けられているＧａＡｓ共振器スペーサー層１０４，１０６の厚さは、これらの半導体層中におけるレーザ発振光の位相変化の合計が２πとなる厚さに設けられており、一波長共振器を形成している。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１０５は、高い誘導放出確率を得る為に、共振器スペーサー層の中央の、発振光の定在波の腹に対応する位置に設けられている。

この実施例１の様に、共振器スペーサー層１０４，１０６の屈折率が、これと接する半導体分布ブラッグ反射器を構成する半導体層１０３，１０７の屈折率よりも大きい場合には、共振器スペーサー層１０４，１０６、及び活性層１０５における発振光の位相変化が２πの整数倍となる様に選ぶ事により、共振器スペーサー層１０４，１０６の中央に設けた活性層が、定在波の節に対応する様に共振器構造（１λ共振器構造）を形成する事ができる。この際、半導体分布ブラッグ反射器と共振器スペーサー層１０４，１０６の境界は発振光の定在波の腹に対応した位置となっている。

次に、図１（ａ）に示した高屈折率領域に対応したレジストパターンを素子表面に形成し、硫酸系エッチャントを用いて、図１（ａ）の低屈折率領域に対応する領域のｐ−ＧａＡｓ層１０８を湿式エッチングにより除去した。ここで、ｐ−ＧａＡｓ層１０８の湿式エッチングは、これの下層であるｐ−ＧａＩｎＰ層１０７をエッチング停止層として選択的に行なっている。

次に、レジストの除去を行い、適切な表面清浄化処理を施した後、再成長によって、ｐ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体分布ブラッグ反射器の結晶成長を行った。ここで、ｐ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体分布ブラッグ反射器の結晶成長は、ｐ−ＧａＡｓ層１０８から行っており、ｐ−ＧａＡｓ層１０８の厚さは、ＧａＡｓ層中における発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（ＧａＡｓ層中における発振波長の１／４の厚さ）になる様に成長を行なっている。従って、ｐ−ＧａＡｓ層１０８のエッチングが行なわれた領域では、設計のレーザ共振波長に対し、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは半導体分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件が満たされる様に設けられている。また、ｐ−ＧａＡｓ層１０８のエッチング除去が行われなかった領域では、エッチングが行なわれた領域に対し、ＧａＡｓ層の厚さが厚く形成されている。また、上部ｐ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ分布ブラッグ反射器の最表面ＧａＡｓ層１０９には、表面部の炭素濃度を高濃度としたコンタクト層（図示せず）を設けている。

次に素子表面にレジストパターンを形成し、水素イオン注入を行い、高抵抗化領域からなる電流狭窄構造１１０が形成されている。ここで、電流狭窄構造１１０の電流狭窄径は８μｍとしている。ここで、水素イオン注入が行われなかった領域（電流注入領域）は、図１（ａ）において斜線領域で示されており、低屈折率コアの内側に、低屈折率コアと空間的に重なる様に形成されている。次に、素子表面にｐ側電極１１１を形成し、裏面研磨の後基板裏面にｎ側電極１１２の形成を行って、図１（ｂ），（ｃ）に示すような面発光レーザ素子としている。

この様に、エッチングと再成長を用いて、共振器スペーサー層の近くに位置する分布ブラッグ反射器の構成層の厚さに変化を与える事により、面内の所望の位置におけるレーザ共振方向（基板に垂直な方向）のレーザ共振波長を、効率良く変化させる事が可能である。

ここで、エッチングが行われた領域における共振波長は、エッチングが行われなかった領域の共振波長に対し、相対的に短波長となっている。即ち、第１の形態で説明した様に、基板に平行な方向における実効屈折率は相対的に小さくなる。具体的には、５０ｎｍの共振波長のシフトに対し、およそ０．１程度の実効屈折率の変化を得る事が可能である。

次に、実施例１の面発光レーザ素子の具体的な構造について詳しく説明する。

実施例１の面発光レーザ素子では、図１（ａ）に示す様に基板面に平行な方向に、レーザ発振領域を中心とした、実効屈折率が小さな領域からなる低屈折率コアを備えている。また、更に低屈折率コアの周辺には、高屈折率領域からなるクラッド層を備えており、これらによる反導波構造が形成されている。また、高屈折率クラッド層中の低屈折率コアに接した領域には、低屈折率領域と高屈折率領域との繰り返しによる３周期の屈折率の周期構造が設けられている。

ここで、低屈折率コアの形状は、図１（ａ）に示した様に長方形であり、第一の方向における低屈折率コアの幅Ｄ１は、第二の方向における低屈折率コアの幅Ｄ２に対して、相対的に広く設けられている。具体的に、実施例１の面発光レーザ素子における低屈折率コアは、第一の方向における幅Ｄ１が１０μｍ、第二の方向における幅Ｄ２が８μｍとなるように構成されている。

また、基板面に平行な方向における波長は、数１で示されている様に、低屈折率コアの幅ｄ，実効屈折率ｎ_０と、これを取り囲む高屈折率層の実効屈折率ｎ_１によって決まり、低屈折率コアの幅ｄが互いに異なる第一の方向と第二の方向とでは、基板面に平行な方向の波長は異なった波長になっている。ここで、第一の方向における高屈折率クラッド層中の基本横モードの基板面に平行な方向の波長をλ_ｌ ^１とし、第二の方向における高屈折率クラッド層中の基板面に平行な方向の波長をλ_ｌ ^２とする。なお、基板面に平行な方向の波長とは、前述の様に、高屈折率クラッド層中における基本横モードの、基板面に平行な方向の波数に対応した波長を意味している。

また、更に、第一の方向と第二の方向との両方向において、周期構造を形成する高屈折率領域の幅ｄ１及び低屈折率領域の幅ｄ２は、第一の方向における基板面に平行な方向の基本横モードの波長に対し、夫々の領域中の夫々の方向における位相変化がπ／２の奇数倍（夫々の媒質中における基板面に平行な方向の波長の１／４の奇数倍）となる厚さに形成されている。つまり、第一の方向においては、屈折率の異なる領域から形成された周期構造を反射鏡として垂直方向と類似な共振器構造が形成されている。但し、第一の方向に形成された共振器構造は、コアの屈折率が、これと第一の方向に接する高屈折領域に比べ小さい為に、低屈折率コアと高屈折領域との境界が定在波の節となるいわゆる半波長共振器構造を形成している。

ここで、低屈折率領域における基板面に平行な方向の波長は、低屈折率コアの幅の２倍に対応する。従って、低屈折領域の幅ｄ２を第一の方向における低屈折率コアの幅Ｄ１に対して、２・Ｄ１の１／４倍の厚さに形成する事により、上記の条件が満たされる。一方、高屈折領域における基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^１は、数１より求める事ができ、高屈折領域の幅ｄ１を、第一の方向における基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^１の１／４倍の厚さに形成する事により、上記の条件が満たされる。ここで、具体的に、この実施例１の面発光レーザ素子では、ｄ１＝１．２７μｍ （３λ_ｌ ^１／４）、ｄ２＝５μｍ （Ｄ１／２）としている。

この様に、第一の方向に対しては、周期構造による反射帯域（ストップバンド）は、基本横モードの基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^１に対応する様に選ばれているので、第一の方向に偏光を有した基本横モードは、基板面に平行な方向に設けた共振器構造により共振し、低屈折率コア中に閉じ込められる。ここで、ストップバンドの幅は、周期構造の周期数を少なく選ぶ事により狭くなるので、基本横モードのみを選択的に閉じ込める事が可能であり、この実施例１の素子における周期構造は、第一の方向に偏光を有する基本横モードのみを選択的に閉じ込める。

これに対し、第二の方向では、低屈折率コアの幅が第一の方向における幅と異なり狭く形成されているので、第二の方向に偏光を有する基本横モードの基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^２は、第一の方向に偏光を有する基本横モードの基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^１と異なり短波長になっており、λ_ｌ ^２の値が屈折率の周期構造によるストップバンドから外れる事により、第一の方向に比べて横モードの閉じ込めが小さくなっている。従って、第二の方向における横モードは、基板面に平行な方向へ漏洩し、モード漏洩による損失によって発振が抑制される。

また、高次横モードほど、基板面に平行な方向（基板に平行方向）の波長が短波長であるので、この実施例１の様に、第二の方向における低屈折率コアの幅Ｄ２を第一の方向における低屈折率コアの幅Ｄ１に対して狭く選ぶ事により、第二の方向の基板面に平行な波長は、全ての高次横モードにおいて、第一の方向における基本横モードの基板面に平行な方向の波長に対し短波長とする事ができる。つまり、第一の方向に対して最適となる様に構造を選んだ屈折率の周期構造のストップバンドから外れた波長に設定する事が可能である。従って、第二の方向における全ての高次横モードの損失を大きくする事ができ、効率良く発振を抑制する事ができる。

この実施例１の面発光レーザ素子は、高出力まで第一の方向に偏光を有した単一基本横モード発振を得る事が可能であった。

また、更に、この実施例１の面発光レーザ素子は、選択酸化型面発光レーザ素子の様に選択酸化電流狭窄層によって横モード制御を行っていないので、電流狭窄径を大きくする事が可能であり、低抵抗である。更にエッチングによりメサ形状を形成していないので、放熱性にすぐれている。このように、この実施例１の素子は、熱による出力の飽和レベルが高かった。また、選択酸化型面発光レーザ素子の様に、構造内に選択酸化電流狭窄層を含まない構造となっているので、寄生容量が非常に少なく、高速変調が可能であった。

また、この実施例１では、レーザ共振方向に垂直な方向（基板に平行な平行）に設けた屈折率の周期構造、及び水素イオン注入領域として、方形形状を有する例を示したが、この他にも、例えば図２の様な楕円形状を有する場合であってもよい。図２の面発光レーザ素子では、互いに直交する２方向において、楕円の長軸方向と短軸方向とがそれぞれ第一の方向，第二の方向となる様に選ばれ、屈折率の周期構造は、第一の方向における基本横モードの基板板面に平行な方向の波長がストップバンドの中心に対応する様に、低屈折率領域と高屈折率領域の幅が選ばれている。これによって、図１（ａ）乃至（ｃ）の素子と同様に、第一の方向に偏光を有した単一基本横モード発振を得る事ができる。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施例２の面発光レーザ素子を示す図である。なお、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図３（ａ）に示した第一の方向，第二の方向における断面図である。

実施例２の面発光レーザ素子は、ＧａＩｎＮＡｓを活性層材料とした１．３μｍ帯を発振波長とする面発光レーザ素子である。実施例２の面発光レーザ素子は、活性層の窒素原料としてジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いて、実施例１と同様の方法，手順により作製される。
以下、その構造について説明する。

実施例２の面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層２０２、ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの対を１周期とした３６周期のｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ下部半導体分布ブラッグ反射器２０３、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー２０４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０５、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー２０６、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層２０７、ｐ−ＧａＡｓ層２０８が順次に結晶成長されている。

ここで、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の厚さは、実施例１と同様に、夫々の半導体層中におけるレーザ発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（夫々の半導体層中における発振波長の１／４の厚さ）になるように形成されている。また、共振器の構成は、実施例１と同様な、１λ共振器構造としている。

また、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層２０７の厚さは、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層中おけるレーザ発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（夫々の半導体層中における発振波長の１／４の厚さ）としており、更に、ｐ−ＧａＡｓ層２０８の厚さは、５０ｎｍとしている。

次に、写真製版技術を用いて、図３（ａ）に示した高屈折率領域に対応するレジストパターンを素子表面に形成し、硫酸系エッチャントによってＧａＡｓ層２０８の除去を行っている。次に、レジストを除去し、適切な表面清浄化処理の後、ＧａＡｓ層２０８から成長が始まる様に、上部ｐ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ分布ブラッグ反射器の一部の層２０９の結晶成長を行っている（すなわち、実施例２の面発光レーザにおいて、上部半導体分布ブラッグ反射器は、層２０７，２０８，２０９によって構成されている。）。この際、最初の再成長層となるＧａＡｓ層２０８は、ＧａＡｓ層２０８中における発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（ＧａＡｓ層２０８中における発振波長の１／４の厚さ）になる様に成長が行なわれている。

従って、ｐ−ＧａＡｓ層２０８のエッチングが行なわれた領域では、設計のレーザ共振波長に対し、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは半導体分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件が満たされる様に設けられている。また、ｐ−ＧａＡｓ層２０８のエッチング除去が行われなかった領域では、エッチングが行なわれた領域に対し、ＧａＡｓ層の厚さが厚く形成されている。

次に、素子表面にレジストパターンを形成し、水素イオン注入を行い高抵抗化領域からなる電流狭窄構造２１０が形成されている。ここで、電流狭窄径は１４μｍとしている。また、この実施例２の面発光レーザ素子では、第一の方向における低屈折率コアの幅Ｄ１が１４μｍ、第二の方向における低屈折率コアの幅Ｄ２が２０μｍとなるように構成されている。ここで、水素イオン注入が行われなかった領域（電流注入領域）は、図３（ａ）において斜線領域で示されており、低屈折率コアの内側に、低屈折率コアと空間的に重なる様に形成されている。

また、実施例１と同様に、ｐ−ＧａＡｓ層２０８のエッチングが行われた領域は、エッチングが行われなかった領域に比べ共振波長が相対的に短波長となり、レーザ共振方向に垂直な方向（基板に平行な方向）における実行屈折率が小さな低屈折率領域を形成している。

この実施例２の面発光レーザ素子は、図３（ａ）乃至（ｃ）に示す様に基板面に平行な方向に、レーザ発振領域を中心とした、実効屈折率が小さな領域からなる低屈折率コアを備えている。また、更に低屈折率コアの周辺には、高屈折率領域からなるクラッド層を備えており、これらによる反導波構造が形成されている。また、第一の方向においては、高屈折率クラッド層中の低屈折率コアに接する領域に、低屈折率領域と高屈折率領域との繰り返しによる３周期の周期構造が設けられている。また、この実施例２の素子は、図３（ａ）乃至（ｃ）に示す様に第二の方向には周期構造が設けられていない。

また、更に、第一の方向においては、周期構造を形成する高屈折率領域の幅ｄ１及び低屈折率領域の幅ｄ２は、第一の方向における基板面に平行な方向における波長に対し、夫々の領域中の夫々の方向における位相変化がπ／２の奇数倍（夫々の媒質中における基板面に平行な方向の波長の１／４の奇数倍）となるように形成されている。つまり、実施例１と同様に、第一の方向においては、屈折率の異なる領域から形成された周期構造を反射鏡として垂直方向と類似な共振器構造が形成されている。従って、第一の方向に偏光を有した基本横モードは、前記の周期構造により基板面に平行な方向に共振し閉じ込められるので、基板面に平行な方向へのモード漏洩による損失が低く抑えられる。

一方、第二の方向に対しては、低屈折率コアに接して高屈折率クラッド層のみが接し、実屈折率差による完全な半導波構造が形成されているので、基板面に平行な方向に対し全てのモードの漏洩が生じ、第二の方向に偏光を有したモードの損失が大きくなる。

ここで、実施例１で述べた様に低屈折率領域における基板面に平行な方向の波長は、低屈折率コアの幅の２倍に対応する。従って、低屈折領域の幅ｄ２を第一の方向における低屈折率コアの幅Ｄ１に対して、２・Ｄ１の１／４倍の厚さに形成する事により、上記の条件が満たされる。一方、高屈折領域における基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^１は、数１より求める事ができ、高屈折領域の幅ｄ１を、第一の方向における基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^１の１／４倍の幅に形成する事により上記の条件が満たされる。ここで、λ_ｌ ^１は、実施例１と同様に、高屈折率クラッド層中の基本横モードの、基板面に平行な方向の波数に対応した波長を意味している。この実施例２の面発光レーザ素子では、具体的には、ｄ１＝１．６９μｍ（３λ_ｌ ^１／４）、ｄ２＝７μｍ（Ｄ１／２）としている。

以上から、第一の方向に偏光を有する基本横モードの損失が最も低くなるので、第一の方向に偏光を有する基本横モードが選択的に発振する。また、更に第一の方向に設けた屈折率の周期構造により、高出力まで単一基本横モード発振が得る事ができる。

この実施例２の面発光レーザ素子は、高出力まで第一の方向に偏光を有した単一基本横モード発振を得る事が可能であった。

また、更に、この実施例２の面発光レーザ素子は、選択酸化型面発光レーザ素子の様に選択酸化電流狭窄層によって横モード制御を行っていないので、電流狭窄径を大きくする事が可能であり、低抵抗である。また、素子はエッチングによりメサ形状を形成していないので、放熱性にすぐれている。このように、この実施例２の素子は、熱による出力の飽和レベルが高かった。また、選択酸化型面発光レーザ素子の様に、構造内に選択酸化電流狭窄層を含まない構造となっているので、寄生容量が非常に少なく、高速変調が可能であった。

なお、上述の説明では、第一の方向にのみ横モードの閉じ込め構造を設ける実施例として、図３（ａ）乃至（ｃ）の方形状の低屈折率コアを有した面発光レーザ素子を用いているが、この他にも、例えば図４の様に楕円形状の低屈折率コアを有した素子構造とする事もできる。図４の面発光レーザ素子は、楕円形状の低屈折率コアに対して、図３（ａ）乃至（ｃ）と同様な構成とした例について示したものであり、低屈折率コアの形状及び屈折率の周期構造の形状が楕円形状である点を除き、垂直方向の層構成、及び基板面に平行な方向のにおける屈折率の周期構造による共振条件等は、図３（ａ）乃至（ｃ）の素子と同様に定められる。また図４の面発光レーザ素子では、第一の方向を含み角度θの範囲において、屈折率の周期構造を設けている。この様に、コアの形状が楕円形状（若しくは円形）である場合は、一対の方向として、第一の方向からある角度範囲を含む構成も取る事ができる。

図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施例３の面発光レーザ素子を示す図である。なお、図５（ａ）は上面図を示したものであり、図５（ｂ），図５（ｃ）はそれぞれ、図５（ａ）に示した第一の方向，第二の方向における断面図である。

実施例３の面発光レーザ素子は、ＧａＡｓを活性層材料とした０．８５μｍ帯を発振波長とする面発光レーザ素子である。実施例３の面発光レーザ素子は、実施例１及び実施例２と同様に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により結晶成長を行なっている。以下、その構造を製造工程に従い説明する。

実施例３の面発光レーザ素子は、図５（ｂ）に示すように、先ず、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層３０２、ｎ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓの対を１周期とした４０周期のｎ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ下部半導体分布ブラッグ反射器３０３、ノンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ共振器スペーサー３０４、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ多重量子井戸活性層３０５、ノンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ共振器スペーサー３０６、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層３０７、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層３０８が順次に結晶成長されている。

ここで、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の厚さは、夫々の半導体層中におけるレーザ発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（夫々の半導体層中における発振波長の１／４の厚さ）に形成されている。また、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層３０７は、上部分布ブラッグ反射器を構成する一部の層として結晶成長が行なわれており、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層３０７の厚さはＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層内におけるレーザ発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層中における発振波長の１／４の厚さ）となる様に結晶成長が行われている。また、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層３０８の厚さは、３０ｎｍとしている。

また、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ多重量子井戸活性層３０５と、これの両側に設けられているＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ共振器スペーサー層３０４，３０６の厚さは、これらの半導体層中におけるレーザ発振光の位相変化の合計が２πとなる厚さに設けられており、一波長共振器を形成している。また、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ量子井戸活性層３０５は、高い誘導放出確率を得る為に、共振器スペーサー層の中央の、発振光の定在波の腹に対応する位置に設けられている。

次に、図５（ａ）に示した高屈折率領域に対応したレジストパターンを素子表面に形成し、図５（ａ）の低屈折率領域に対応する領域のｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層３０８を湿式エッチングにより除去している。

次に、レジストの除去を行い、適切な表面清浄化処理を施した後、再成長によって、２６周期のｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ半導体分布ブラッグ反射器３０９の結晶成長を行っている。ここで、ｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ半導体分布ブラッグ反射器３０９は、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層から結晶成長を行っている。また、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層の厚さは、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層中における発振光の位相変化がπ／２となる厚さ（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層中における発振波長の１／４の厚さ）になる様にしている。また、上部ｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ分布ブラッグ反射器３０９の最表面には炭素を高濃度にドーピングしたＧａＡｓコンタクト層（図示せず）を設けている。

従って、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層３０８のエッチングが行なわれた領域では、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは、設計のレーザ共振波長に対して半導体分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件が満たされる様に設けられている。また、ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層３０８のエッチング除去が行われなかった領域では、エッチングが行なわれた領域に対してＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層の厚さが厚く形成されている。

次に、素子表面にレジストパターンを形成した後、水素イオン注入を行い、ｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ半導体分布ブラッグ反射器３０９中に高抵抗化領域からなる電流狭窄構造３１０を形成している。ここで、電流狭窄構造の電流狭窄径は８μｍとしている。また、水素イオン注入が行われなかった領域（電流注入領域）は、図５（ａ）において斜線領域で示されており、低屈折率コアの内側に、低屈折率コアと空間的に重なる様に形成されている。次に、素子表面にｐ側電極３１１を形成し、裏面研磨の後、基板裏面にｎ側電極３１２の形成を行って、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の示す面発光レーザ素子としている。

次に、実施例３の面発光レーザ素子の具体的な構造について詳しく説明する。

この実施例３の面発光レーザ素子は、図５（ａ）乃至（ｃ）に示す様に、基板面に平行な方向に、レーザ発振領域を中心とした、実効屈折率が小さな領域からなる低屈折率コアを備えている。また、更に低屈折率コアの周辺には、高屈折率領域からなるクラッド層を備えており、これらによる反導波構造が形成されている。また、高屈折率クラッド層中の低屈折率コアに接した領域には、低屈折率領域と高屈折率領域との繰り返しによる３周期の屈折率の周期構造が設けられている。

また、この実施例３では、図５（ａ）に示す様に、低屈折率コアの形状を正方形形状とし、一辺の長さＤ１を８μｍとしている。ここで、この実施例３では、図５（ａ）に示す第一の方向と第二の方向とにおける屈折率の周期構造の構成が異なっており、第一の方向に対しては、高屈折領域，低屈折領域の幅ｄ１，ｄ２が、夫々の領域中における位相変化がπ／２の奇数倍（夫々の媒質中における基板面に平行な方向の波長λ_ｌ ^１の１／４の奇数倍）となる様に設定されている。λ_ｌ ^１は、実施例１と同様に、第一及び第二の方向の高屈折率クラッド層中における、基板面に平行な方向の基本横モードの波長を意味している。（この実施例３では、低屈折率コアの形状を正方形形状としているので、第一の方向における波長λ_ｌ ^１と第二の方向における波長λ_ｌ ^２は等しい）。この実施例３の面発光レーザ素子では、具体的には、ｄ１＝１．１μｍ（３λ_ｌ ^１／４）、ｄ２＝５μｍ（Ｄ１／２）としている。つまり、第一の方向においては、屈折率の異なる領域から形成された周期構造を反射鏡として垂直方向と類似な共振器構造が形成されている。

これに対し、第二の方向では、高屈折領域，低屈折率領域の幅ｄ３，ｄ４は、第一の方向における前記領域の幅ｄ１，ｄ２に対して、相対的に広くなる様に設けられている。具体的には、ｄ３＝１．４３μｍ、ｄ４＝５．２μｍと、約１．３倍広く設けている。

この様に、第二の方向における低屈折率領域及び高屈折率領域の幅を、基本横モードに対して最適に閉じ込めがなされる様に設定された第一の方向における低屈折率領域及び高屈折率領域の幅に対して厚く設ける事により、全てのモードに対して反射率を低く設定する事ができる。つまり、数１を用いて説明した様に、高次横モードの波長は、基本横モードの波長に対して常に短波であるので、周期構造によるストップバンドを長波長側に設定する事により、全てのモードにおいて反射率を低く設定する事ができる。

この様に、この実施例３の素子では、第一の方向では、この方向に電場振幅（偏光）を有するモードのみ選択的に閉じ込めがなされ、第二の方向では、全てのモードに対して閉じ込めが低く設定されている。従って、第二の方向に偏光を有するモードはモードの漏洩による損失の為に発振が抑制され、第一の方向に偏光を有する基本横モードのみを選択的に発振させる事ができる。

以上の様に、この実施例３の面発光レーザ素子では、第一の方向に偏光が揃い、高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができた。

また、更に、この実施例３の面発光レーザ素子は、選択酸化型面発光レーザ素子の様に、選択酸化電流狭窄層によって横モード制御を行っていないので、電流狭窄径を大きくする事が可能であり低抵抗である。更に、エッチングによりメサ形状を形成していないので、放熱性にすぐれている。この様に本実施例の素子は、熱による出力の飽和レベルが高かった。また、選択酸化型面発光レーザ素子の様に、構造内に選択酸化電流狭窄層を含まない構造となっているので、寄生容量が非常に少なく、高速変調が可能であった。

また、この実施例３では、レーザ共振方向に垂直な方向（基板に平行な平行）に設けた屈折率の周期構造、及び水素イオン注入領域として、正方形形状を有する例を示したが、この他にも図２に対応する様な、楕円形状を有する場合であってもよい。

また、上述の各例では、結晶成長方法として、ＭＯＣＶＤ法を例に挙げて説明を行なったが、この他にも、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）等の、その他の結晶成長法を用いる事もできる。また、基板として、ｎ型基板の他にも、半絶縁性基板，ｐ型基板を用いても良い。また、発振波長も、以上で説明した０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯，１．３μｍ帯以外にも、０．６５μｍ帯，１．５μｍ帯等の波長で有っても良く、素子を構成する半導体材料は、発振波長に応じ、上述以外のものが用いられていても良い。例えば、０．６５μｍ帯ではＡｌＧａＩｎＰ系混晶を用いることができ、また、１．５μｍ帯ではＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系混晶半導体を用いる事ができる。また、分布ブラッグ反射器は、これらの波長帯で透明であって、且つ可能な限り屈折率差が大きく取れる材料の組み合わせを用いる事により、少ない積層数で高い反射率を得る事ができる。また、素子構造は、上述の各例で示した以外の構造であっても良く、また、上述の各例で示した素子も、他の発振波長で有っても良い。また、分布ブラッグ反射器の材料，構成を発振波長に応じて最適に選ぶ事で、いずれの構造でも任意の発振波長に対応した素子を形成する事ができる。

また、素子の抵抗をより一層低減する為には、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ等のヘテロ界面には、これらの間の組成を有するヘテロスパイク緩衝層を設ける事が効果的である。ヘテロスパイク緩衝層としては、ヘテロ界面を構成する２層の間の組成を有する単層や、組成の異なる複数の層を組み合わせたもの、又は組成を連続的に変化させたもの等が挙げられる。

図６は実施例４の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。図６の面発光レーザアレイは、本発明の面発光レーザ素子を２次元に４×４個集積したモノリシックレーザアレイとして構成されており、個々の面発光レーザ素子を独立に駆動する為に、個別に上部電極に配線が設けられている。図６の面発光レーザアレイは、前述の各例と同様の手順，方法で作製することができる。

図６の面発光レーザアレイを構成する個々の面発光レーザ素子には、実施例１乃至実施例３のいずれかの面発光レーザ（すなわち、偏光方向が任意所望の特定の方向に揃い、高出力まで単一基本横モードで発振が得られる面発光レーザ）が用いられる。この際、偏光方向は、写真製版によるパターニングによりその方向を制御する事ができるので、アレイを構成する個々の素子毎に違った方向に設定する事もできる。この様に、実施例４では、偏光が任意所望の特定の方向に安定して制御された、単一横モードで高出力動作する面発光レーザアレイが得られた。

図７は実施例５の光インターコネクションシステムの一例としてのレーザアレイモジュールを示す図である。また、図８は実施例５の光インターコネクションシステムの一例としての機器間並列光インターコネクションシステムを示す図である。

図７のレーザアレイモジュールは、シリコン基板上に、本発明の１次元モノリシック面発光レーザアレイと、マイクロレンズアレイと、ファイバアレイとが実装されて構成されている。面発光レーザアレイは、ファイバに対向して設けられており、マイクロレンズアレイを介してシリコン基板に形成したＶ溝に実装された石英シングルモードファイバと結合している。面発光レーザアレイの発振波長は１．３μｍ帯であり、石英シングルモードファイバを用いる事で高速伝送が行える。

また、図８のインターコネクションシステムは、機器１と機器２との間を、光ファイバアレイを用いて接続したものとなっている。ここで、送信側である機器１には、本発明による面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いた１次元レーザアレイモジュールと、これの駆動回路とが設けられている。また、受信側である機器２には、フォトダイオードアレイモジュールと、信号検出回路とが設けられている。

実施例５の光インターコネクションシステムは、本発明による面発光レーザアレイを用いた事で、環境温度等、駆動条件の変化に対しても偏光が特定の方向に揃い基本横モードで安定に発振し、ファイバとの結合率の変化も少なく、信頼性の高いものにする事ができた。

なお、上述の例では、並列光インターコネクションシステムを例に説明したが、この他にも、単一素子を用いたシリアル伝送システムを構成する事もできる。また、機器間の他にも、ボード間，チップ間，チップ内のインターコネクションに応用する事もできる。

図９は実施例６に係る光通信システムとしての光ＬＡＮシステムを示す図である。

図９の光ＬＡＮシステムは、本発明による面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いて構成されている。すなわち、図９の光ＬＡＮシステムは、サーバーとコアスイッチとの間、及び、コアスイッチと各スイッチ間、及び、スイッチと各端末との間の光伝送の光源に、本発明のいずれかの面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイが用いられている。

また、各機器間は、石英シングルモードファイバ又はマルチモードファイバによって結合されている。図９の光ＬＡＮシステムでは、光源に、本発明による面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイ用いた事で、環境温度等、駆動条件の変化に対しても偏光が特定の方向に揃い基本横モードで安定に発振し、ファイバとの結合率の変化も少なく信頼性の高いインターコネクションシステムを構成する事ができた。

図１０は実施例７に係る電子写真システムを示す図である。

図１０の電子写真システムは、感光ドラムと、走査収束光学系（光学走査系）と、書き込み光源と、同期制御部（同期制御回路）とを有しており、書き込み光源には、本発明による面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイが用いられている。

図９の電子写真システムでは、同期制御回路によって制御がなされ、光源からの光は、ポリゴンミラー，レンズ収束系からなる走査収束光学系（光学走査系）により、感光ドラム上に集光され、潜像を形成する。面発光レーザ素子としては、例えば７８０ｎｍ帯等を発振波長とするものを用いる事ができる。従来、面発光レーザ素子は、発熱の影響により高出力動作が困難であったが、本発明の面発光レーザ素子は、従来の素子に比べ高出力動作が可能であり、電子写真システムの書き込み光源として用いる事ができる。また、発振モードも単一基本横モードであるので、遠視野像は単峰性であり、ビームの集光が容易な事から、高精彩な画質を得る事ができる。

また、特にＡｌＧａＩｎＰ系材料を活性層材料とした赤色面発光レーザ素子は、発振波長が６５０ｎｍ程度とＡｌＧａＡｓ系材料に比べて短波長発振が可能であり、光学設計の余裕度を大きくする事ができる。従って、高精彩電子写真の書き込み光源として好適である。この様な赤色面発光レーザ素子は、活性層にＡｌＧａＩｎＰ系材料を用い、分布ブラッグ反射器にＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いて構成する事ができる。ところが、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、温度変化に対する影響を非常に受けやすく、素子発熱による温度上昇により、出力の飽和，発振の停止等が問題となっている。しかしながら、本発明によって構成された赤色面発光レーザ素子は、電流注入領域を大きく設定できるので低抵抗であり、素子発熱も少ない。よって、従来に比べて高出力動作が可能である。

また更に、本発明における面発光レーザ素子では、特定の方向に偏光方向が制御されている事により、感光ドラム上に集光されるビームスポット形状が揃っており、電子写真システムの光源として好ましい特性を備えている。つまり、電子写真システムでは、ビームのスポット形状が偏光方向により異なるという問題があるが、本発明の面発光レーザ素子では、偏光方向が制御されている事から、この問題が無い。以上の様に、本発明によって構成された面発光レーザ素子は、電子写真システムの書き込み光源として好適である。

また、実施例４の面発光レーザアレイを用いる事によってマルチビーム書き込み系を得る事ができるので、書き込み速度等も従来に比べて高速にできる。以上から、高速、且つ高精彩な電子写真システムを得る事ができる。

図１１は実施例８の光ディスクシステムを示す図である。

図１１の光ディスクシステムは、光ディスクと、光学系１及び２と、ビームスプリッターと、光検出器と、レーザ光源（書き込み光源）と、同期制御部（同期制御回路）とを有しており、レーザ光源（書き込み光源）には、本発明の面発光レーザ、又は面発光レーザアレイが用いられている。

また、光学系１，光学系２，ビームスプリッター，光検出器，レーザ光源は、光ヘッドを構成し、アクチュエーターにより、ディスクの任意のトラックにアクセスできる様に構成されている。なお、ここで、光学系１は、回折格子，光束拡大レンズから構成されており、光学系２は、１／４波長板，絞込みレンズから構成されている。

図１１の光ディスクシステムでは、レーザ光源は同期制御回路によって制御され、同期制御回路によって制御されたレーザ光源からのレーザ光は、光学系１及び２により光ディスクの表面に収束されて光ディスク表面を照射する。光ディスクの表面には、情報ピットと、例えば情報ピットの規則配列によって構成されるトラックが形成されている。例えば、読み出し操作においては、光ディスク表面で反射されたレーザ光は、再び光学系２を通った後、ビームスプリッターによって、光検出器に導かれる。光検出器では、情報ピットによる情報信号と、トラック信号を検出し、これを元にして、ディスクとヘッドとの距離、及び情報トラックに対する光ヘッドのサーボを行なっている。

本発明の面発光レーザ素子は偏光方向が特定の方向に揃い、従来の素子に比べ基本単一横モードにおいて高出力動作が可能である。また、単峰性のビームスポットを安定に得る事が可能であり、ビーム成形に必要な光学系を非常に簡略化できるので製造コストを低減する事ができる。以上の様に、偏光方向が特定の方向に容易に制御できるので、特に光磁気ディスクの読み出し光源用途に好適である。更に単峰性のビームスポットが安定に得られる為、信頼性の高い光ディスクシステムを構成する事が可能である。また、レーザ光源として、実施例４の面発光レーザアレイを用いた場合には、高速な読み出しを行なう事が可能である。以上の様に、高速、且つ信頼性の高い光ディスクシステムを得る事ができる。

実施例１の面発光レーザ素子を示す図である。 図１の面発光レーザ素子の変形例を示す図である。 実施例２の面発光レーザ素子を示す図である。 図３の面発光レーザ素子の変形例を示す図である。 実施例３の面発光レーザ素子を示す図である。 実施例４の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。 実施例５の光インターコネクションシステムの一例としてのレーザアレイモジュールを示す図である。 実施例５の光インターコネクションシステムの一例としての機器間並列光インターコネクションシステムを示す図である。 実施例６に係る光通信システムとしての光ＬＡＮシステムを示す図である。 実施例７に係る電子写真システムを示す図である。 実施例８の光ディスクシステムを示す図である。

符号の説明

１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
１０３ ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射器
１０４ ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー層
１０５ ノンドープＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
１０６ ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー層
１０７ ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層
１０８ ｐ−ＧａＡｓ層
１０９ ｐ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ上部分布ブラッグ反射器
１１０ 水素イオン注入高抵抗化領域
１１１ ｐ側電極
１１２ ｎ側電極
２０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
２０２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
２０３ ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射器
２０４ ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー層
２０５ ノンドープＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
２０６ ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー層
２０７ ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層
２０８ ｐ−ＧａＡｓ層
２０９ ｐ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ上部分布ブラッグ反射器
２１０ 水素イオン注入高抵抗化領域
２１１ ｐ側電極
２１２ ｎ側電極
３０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
３０２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
３０３ ｎ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ下部分布ブラッグ反射器
３０４ ノンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ共振器スペーサー層
３０５ ノンドープＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ多重量子井戸活性層
３０６ ノンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ共振器スペーサー層
３０７ ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層
３０８ ｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層
３０９ ｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ上部分布ブラッグ反射器
３１０ 水素イオン注入高抵抗化領域
３１１ ｐ側電極
３１２ ｎ側電極

Claims (11)

1. 基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの周辺を取り囲んで、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅、または、前記周期構造が、基板面に平行な面内における特定の一方向と、該特定の一方向以外の方向とで、相違している事を特徴とする面発光レーザ素子。
2. 請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記低屈折率コアの幅が、前記基板面に平行な面内において互いに直交する２方向で相違している事を特徴とする面発光レーザ素子。
3. 請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記周期構造が、前記基板面に平行な面内において互いに直交する２方向で相違している事を特徴とする面発光レーザ素子。
4. 請求項２または請求項３記載の面発光レーザ素子において、互いに直交する２方向のうちの一方向における前記周期構造の反射帯域が、同方向における基本横モードを基板面へ射影した波長に対して、長波側に設定されている事を特徴とする面発光レーザ素子。
5. 基板上に、活性層と、前記活性層を挟んで設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層及び共振器スペーサー層を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器と、前記活性層への電流注入領域を規定する高抵抗領域とが設けられ、レーザ共振は、前記活性層の電流注入領域において前記一対の分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして基板に垂直な方向に生じるようになっており、前記基板の表面（基板面）に平行な方向に、前記レーザ共振領域を中心とした低屈折率コアと、前記低屈折率コアの外側に、実効屈折率が低屈折率である領域と高屈折率である領域とを繰り返し設けて成る周期構造とが形成されている面発光レーザ素子において、前記周期構造が、基板面に平行な面内において特定の方向に部分的に設けられている事を特徴とする面発光レーザ素子。
6. 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素子において、活性層はＩＩＩ−Ｖ族半導体で構成され、活性層を構成するＩＩＩ族元素として、Ｇａ，Ｉｎのうちのいずれか、又は全てを含み、また、活性層を構成するＶ族元素として、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのうちのいずれか、又は全てを含んでいる事を特徴とする面発光レーザ素子。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子により構成されている事を特徴とする面発光レーザアレイ。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステム。
9. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光通信システム。
10. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする電子写真システム。
11. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイが用いられている事を特徴とする光ディスクシステム。

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