JP2006245473A - 垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光スイッチング方法および光送信モジュールおよび光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 活性層のキャリア密度変動を抑制し、従来よりも高速変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 活性層１０４は第１の共振器内において中央に位置するように形成されている。また、光吸収層１０７は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層１０５の上端とｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第２共振器スペーサ層１０９の下端から等しい距離に位置するように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光スイッチング方法および光送信モジュールおよび光伝送装置に関する。

近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、ＬＡＮやアクセス系、ホームネットワークにも展開されてきている。例えば、イーサネットにおいては、１０Ｇｂｐｓの伝送容量が開発されてきている。将来的には更なる伝送容量の増加が求められており、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送システムが期待されている。

伝送容量が１０Ｇｂｐｓ以下の光伝送用光源においては、半導体レーザの注入電流を変調することで出力光強度を変調する直接変調方式が主に用いられている。しかしながら、在来の半導体レーザを直接変調により１０ＧＨｚを超えた変調周波数で動作させることは困難である。そこで、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送用光源としては、半導体レーザから出力された光を外部変調器で変調する方式が開発されている。しかし、外部変調方式では、モジュールサイズが大きく、また部品点数が多いためコストが高いというデメリットがある。そのため、外部変調器を備えた光伝送技術は、幹線系のような高価なシステムには用いられても、ＬＡＮやホームネットワークのような一般ユーザが用いるシステムには不向きとなっている。

また、ＬＡＮや光インターコネクション用の光源として、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）が用いられるようになってきている。ＶＣＳＥＬは、従来の端面発光型半導体レーザに比べて、低消費電力であり、また製造工程で劈開が不用でウエハ状態で素子の検査が可能であるため、低コスト化に優れた特徴を有している。そのため、１０Ｇｂｐｓを超えた大容量の光ＬＡＮや光インターコネクション用光源として、直接変調によるＶＣＳＥＬが期待されている。

ＶＣＳＥＬを高速に変調する方法としては、これまで、例えば特許文献１，特許文献２，特許文献３，非特許文献１に示されているような報告がなされている。

すなわち、特許文献１には、ＶＣＳＥＬの上部多層膜反射鏡の途中に光吸収層を設け、光吸収層に逆バイアスを加えて吸収係数を変化させる外部変調器付き面発光レーザが提案されており、特許文献１では、活性層への定常的な電流注入によって得られるレーザ光を、外部変調器の光吸収率を変化させて出力光をオン・オフしている。

また、特許文献２では、ＶＣＳＥＬの共振器内に、多重量子井戸構造からなる光吸収層を設け、光吸収層に逆バイアスを加えて光吸収係数を変化させることで、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を変化させて、発振閾値を変化させるようにしており、これにより、活性層に一定電流を注入していても、レーザ光出力強度を大きく変調することができる。

また、非特許文献１では、光学的に結合した２重共振器を有するＶＣＳＥＬにおいて、一方の共振器内には活性層を備え、他方の共振器内にはＧａＡｓ吸収層を備えており、活性層には直流電流を加え、ＧａＡｓ吸収層に逆バイアスをかけて、レーザ光出力強度を２ＧＨｚで変調（光スイッチング）している。

また、特許文献３では、ＶＣＳＥＬの一対の分布ブラッグ反射器の一方の屈折率を、電界あるいはキャリア注入あるいは光注入で変化させて、分布ブラッグ反射器の共振波長を変化させるようにしており、分布ブラッグ反射器の共振波長と発光波長との波長差が変化することにより、レーザ光強度を高速に変調している。
特開平５−１５２６７４号公報 特開２００３−２０２５２９号公報 特開平５−６３３０１号公報 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ． ７６， ｐｐ．１９７５−１９７７ （２０００）

上述した特許文献１に記載された素子においては、光吸収層の上下に多層膜反射鏡を設けて、その共鳴効果で光の吸収率を増加させて変調している。そのため、共鳴波長と一致する波長の光については吸収率を大きく変化させられるが、共鳴波長と異なる波長の光に対しては、光吸収層の層厚が薄いため吸収率の変化が小さくなっている。従って、上記素子を有効に動作させるためには、ＶＣＳＥＬの発振波長と光吸収層の共鳴波長を厳密に一致させる必要があり、作製が困難である。

また、特許文献２，非特許文献１，特許文献３に記載された素子は、いずれも活性層に注入する電流を一定にしておいて、共振器の吸収損失や屈折率を変化させることによって、レーザ光出力強度を変調している。このとき、素子内部の光出力の変化によって、活性層内部のキャリア密度が変動するため、活性層にキャリアを蓄積するための時間が必要であり、変調速度を律速する原因となっている。

本発明は、活性層のキャリア密度変動を抑制し、従来よりも高速変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光スイッチング方法および光送信モジュールおよび光伝送装置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、第１の多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の多層膜反射鏡が順次に形成され、第１の共振器と第２の共振器の少なくも一方に活性層が設けられた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は異なる二つの共振波長を有しており、第２の多層膜反射鏡中において第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置には光吸収層が設けられ、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、活性層が高い利得を有していることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、低い反射損失を有することを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なっており、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、高い活性層光閉じ込め係数を有することを特徴としている。

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垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層は多重量子井戸構造で構成されていることを特徴としている。

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垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡の導電型がｎ型であることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることを特徴としている。

また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されたことを特徴としている。

また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の共振器と第２の共振器内にそれぞれ第１の活性層と第２の活性層を有しており、それぞれの活性層に対して独立に電流を注入する手段が設けられていることを特徴としている。

また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の光スイッチング方法において、活性層に注入する電流はレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させることを特徴としている。

また、請求項１１記載の発明は、請求項９記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の光スイッチング方法において、一方の活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるとともに、他方の活性層に注入する電流を変調してレーザ光強度を変調させることを特徴としている。

また、請求項１２記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子とを備えたことを特徴とする光送信モジュールである。

また、請求項１３記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子と、受光素子とを含むことを特徴とする光伝送装置である。

請求項１記載の発明によれば、基板上に、第１の多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の多層膜反射鏡が順次に形成され、第１の共振器と第２の共振器の少なくも一方に活性層が設けられた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は異なる二つの共振波長を有しており、第２の多層膜反射鏡中において第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置には光吸収層が設けられ、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるように構成されているので、活性層のキャリア密度変動を抑制し、従来よりも高速変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して形成された二つの共振波長を有し、光吸収層に電界を印加しない状態ではあらかじめ一方の共振波長が優先して発振するように構成されている。光吸収層に電界を印加すると、光吸収層の吸収端が長波長側にシフトすることにより共振波長に対して吸収係数が増加する。このとき、光吸収層は、第２の多層膜反射鏡中で第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置に設けられているため、一方の共振波長では垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）内部の電界強度分布の腹に位置し、他方の共振波長では電界強度分布の節に位置する。そのため、光吸収層が腹の位置となる共振波長は大きな吸収損失を受けて発振が抑制されるが、節の位置となる共振波長ではレーザ発振が持続する。これにより、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、垂直共振器型面発光半導体レーザの発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させることができる。光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は半導体レーザの緩和振動周波数よりも高く、１０ＧＨｚ以上で高速に吸収係数を変調することが可能である。そして、本発明では発振波長をスイッチングしているが、常にどちらかの共振波長でレーザ光を出力しているため、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができ、変調速度を増加させることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、活性層が高い利得を有しているので、光吸収層に電界を印加しない場合、活性層利得が高い。これにより、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、垂直共振器型面発光半導体レーザの発振波長を二つの共振波長間で高速にスイッチング動作させることができる。

また、請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、低い反射損失を有しているので、光吸収層に電界を印加しない場合、反射損失が低い第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長を優先して発振させることができる。これにより、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、垂直共振器型面発光半導体レーザの発振波長を二つの共振波長間で高速にスイッチング動作させることができる。

また、請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なっているため、長波長側の共振波長では共振器長の長い方の共振器に閉じ込められる光の割合が増加し、短波長側の共振波長では共振器長の短い方の共振器に閉じ込められる光の割合が増加する。従って、活性層を一方の共振器のみに設けると、二つの共振波長で活性層光閉じ込め係数を変えることができる。そして、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、高い活性層光閉じ込め係数を有することにより、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長を優先して発振させることができる。従って、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、垂直共振器型面発光半導体レーザの発振波長を二つの共振波長間で高速にスイッチング動作させることができる。

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垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、光吸収層が多重量子井戸構造で構成されているので、急峻な吸収端を得ることができ、電界印加時の光吸収層の吸収係数変化を大きくすることができる。また、バルクの光吸収層と比較して同じ吸収係数の変化量を得るのに必要な電界が小さくなるため、低電圧で動作させることができる。

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垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、高反射率が必要であり積層数が多い第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡がｎ型で形成されているので、素子の抵抗を低減させることができ、これにより、ＶＣＳＥＬの消費電力を低減することができる。

また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、高反射率が必要であり積層数が多い第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されているので、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の内部吸収損失を低減することができ、低閾値電流化や外部量子効率の向上を図ることができる。

また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されたことを特徴としており、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体は石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有し、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、多層膜反射鏡として高反射率でかつ熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができる。従って、高性能の長波長帯ＶＣＳＥＬを形成することができる。

また、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍ近傍でＶＣＳＥＬを動作させることができ、波長変調信号を石英光ファイバで伝送した後でも波長分散による信号劣化を抑制することができる。

また、光吸収層を窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成することにより、長波長の吸収端を有し、かつＧａＡｓ基板と格子整合させることが可能となり、光吸収層の層厚を厚く形成して吸収損失を増加させることが可能となる。

また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の共振器と第２の共振器内にそれぞれ第１の活性層と第２の活性層を有しており、それぞれの活性層に対して独立に電流を注入する手段が設けられているので、第１の共振器内に設けられた第１の活性層に電流注入したときの発振光と第２の共振器内に設けられた第２の活性層に電流注入したときの発振光とはモード同期し、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）内部の光子密度を増加させることができる。これにより、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長との間のスイッチング速度をさらに向上させることができる。

また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の光スイッチング方法において、活性層に注入する電流はレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させることを特徴としており、光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は半導体レーザの緩和振動周波数よりも高く、１０ＧＨｚ以上で高速に吸収係数を変調することが可能となる。そして、本発明では発振波長をスイッチングしているが、常にどちらかの共振波長でレーザ光を出力しているため、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができ、変調速度を増加させることができる。

また、請求項１１記載の発明によれば、請求項９記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の光スイッチング方法において、一方の活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるとともに、他方の活性層に注入する電流を変調してレーザ光強度を変調させることを特徴としており、他方の活性層に注入する電流を外部信号に応じて変調することにより、発振波長スイッチングとは独立にレーザ光強度を変調することができ、１素子で４値のデジタル符号を伝送することができる。従って、伝送容量を増加させることが可能となる。

また、請求項１２記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子とを備えたことを特徴とする光送信モジュールであるので、単チャンネル当たり１０Ｇｂｐｓを超えて（例えば４０Ｇｂｐｓで）ＶＣＳＥＬを駆動し、レーザ光出力強度を高速変調することができる。従って、大容量伝送に用いられる光送信モジュールを小型、低コストで形成することができる。

また、請求項１３記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子と、受光素子とを含むことを特徴とする光伝送装置であるので、外部変調器を用いることなく単チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える（例えば４０Ｇｂｐｓでの）光信号伝送が可能となる。従って、大容量伝送できる光伝送装置を小型化，低コスト化することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る書体識別装置の構成例を示す図である。図１を参照すると、この書体識別装置は、

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に、第１の多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の多層膜反射鏡が順次に形成され、第１の共振器と第２の共振器の少なくも一方には活性層が設けられた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は異なる二つの共振波長を有しており、第２の多層膜反射鏡中において第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置には光吸収層が設けられ、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。

第１の共振器と第２の共振器は、共振器長が等しい場合でも、第１の共振器と第２の共振器との間に設けられた第２の多層膜反射鏡（ＤＢＲ）を介して第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合し、共振器長に対応した波長をはさんで短波長側と長波長側に二つの共振波長を形成する（図９を参照）。

光吸収層が第２のＤＢＲ中で第１の共振器の上表面と第２の共振器の下表面から等距離の位置に設けられている構造で、共振波長におけるＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布を計算したところ、二つの共振波長の一方は第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となり、他方の共振波長では第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となることがわかった。さらに、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長では、光吸収層は電界強度分布の腹に位置する（図１０（ａ））。一方、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長では、光吸収層は電界強度分布の節に位置することが見出された（図１０（ｂ））。

例えば、第１の共振器と第２の共振器をそれぞれ１波長共振器で構成し、第１の共振器と第２の共振器との間に設けられた第２のＤＢＲの積層周期数が、１．５、３．５、５．５、７．５、９．５、・・・の場合には、短波長側の共振波長が第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となり、長波長側の共振波長が第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる。第１の共振器と第２の間に設けられた第２のＤＢＲの積層周期数が、２．５、４．５、６．５、８．５、１０．５、・・・の場合には、短波長側の共振波長が第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となり、長波長側の共振波長が第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる。

なお、ＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布は特性マトリクス法を用いて計算した。積層構造の最上面と最下面での入射電界強度が共に零となるときの波長と活性層利得の組み合わせを計算することで共振条件を求めた。

光吸収層が第２のＤＢＲ中で第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置に設けられた場合、光吸収層が二つの共振波長の両方に対して吸収を有している場合でも、ＶＣＳＥＬ内部の光と結合する割合は、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも大きくなるため、大きな吸収損失を与えることになる。

そこで、本発明では光吸収層に電界を印加しない場合、光吸収層の吸収端を短波長側の共振波長よりも短波長になるように形成した。これにより、光吸収層に電界を加えない場合、光吸収層は二つの共振波長の光に対してほぼ透明となっている。光吸収層に電界を印加しない状態では、あらかじめ第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長が優先して発振するようにＶＣＳＥＬ構造を形成しておく。

一方、光吸収層に電界を印加すると、フランツ・ケルディッシュ効果により光吸収層の吸収端が長波長側にシフトする。本発明では電界印加時の光吸収層の吸収端が、長波長側の共振波長と同等、または長波長となるように形成している。そのため、光吸収層は二つの共振波長の光に対して大きな吸収係数を有している。しかしながら、ＶＣＳＥＬ内部の光と結合する割合は、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも大きくなるため、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長に対して大きな吸収損失を与えることになる。これにより、光吸収層に電界を印加した場合には、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の発振が抑制される。

第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の発振が抑制されると、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の発振利得に消費されていたキャリアが減少する代わりに、他方の共振波長の利得が増加するため、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長のレーザ光強度が増加する。これにより、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させることができる。

光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は半導体レーザの緩和振動周波数よりも高く、１０ＧＨｚ以上で高速に吸収係数を変調することが可能である。また、一方の波長の利得を変化させることで他方の波長の利得を変化させる相互利得変調を用いており、１０ＧＨｚ以上の速度で発振波長をスイッチング動作させることができる。そして、本発明では発振波長をスイッチングしているが、常にどちらかの共振波長でレーザ光を出力しているため、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができ、変調速度を増加させることができる。

上記の第１の形態では、光吸収層の吸収端が、電界を印加しない場合には短波長側の共振波長よりも短波長になり、電界印加時には長波長側の共振波長と同等、または長波長となるように形成している。

すなわち、本発明では、光吸収層に電界を印加しない状態では第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長を優先して発振させる必要があるため、光吸収層に電界を印加しないときの光吸収層吸収端は、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長よりも短波長であることが好ましい。

また、光吸収層に電界を印加した状態では第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の発振を抑制する必要があるため、光吸収層に電界を印加したときの光吸収層吸収端は、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長と同等、または長波長であることが好ましい。

本発明では、光吸収層が第２のＤＢＲ中で第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置に設けられることを特徴としているが、等距離の位置からわずかにずれた位置にある場合でも、電界を印加された光吸収層が二つの共振波長の光に対して与える吸収損失差が、二つの共振波長の発振条件を変化させられる程度に大きければ、波長スイッチング動作を起こすことができる。好ましくは、二つの共振波長で光吸収層の位置における光定在波の位相ずれが大きくなるように、光吸収層は、第２のＤＢＲ中で第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置から、８分の１波長に対応する光学距離以内に位置する必要がある。このことからわかるように、本発明では、「等距離」とは厳密な等距離を意味するものではなく、第２のＤＢＲ中で第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置から、８分の１波長に対応する光学距離以内の範囲までの位置を、広義に、「等距離の位置」と呼ぶことにする。

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、活性層が高い利得を有していることを特徴としている。そのため、光吸収層に電界を印加しない場合、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長（活性層利得が高い共振波長）を優先して発振させることができる。これにより、第１の形態で説明したように、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を二つの共振波長間で高速にスイッチング動作させることができる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、低い反射損失を有することを特徴としている。そのため、光吸収層に電界を印加しない場合、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長（反射損失が低い共振波長）を優先して発振させることができる。これにより、第１の形態で説明したように、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を二つの共振波長間で高速にスイッチング動作させることができる。

長波長側の共振波長よりも短波長側の共振波長を低い反射損失にする方法としては、第１のＤＢＲ、第２のＤＢＲ、第３のＤＢＲの少なくとも１つについて、ＤＢＲのブラッグ波長を長波長にずらすことによって実現できる。ＤＢＲのブラッグ波長が等しい場合には、共振器長に対応した波長をはさんで短波長側と長波長側に二つの共振波長を形成する。ＤＢＲのブラッグ波長を長波長にずらした場合には、ＤＢＲのブラッグ波長を長波長にずらさない場合に比べて、二つの共振波長は共に長波長側にシフトする。そのため、短波長側の共振波長は、第１の共振器及び第２の共振器及び長波長にずらしていないＤＢＲの設計ブラッグ波長、即ち最もＤＢＲの反射率が高くなる波長に近づくことになる。これにより、短波長側の共振波長が長波長側の共振波長よりも反射損失が低下する。

同様に、短波長側の共振波長よりも長波長側の共振波長を低い反射損失にする方法としては、第１のＤＢＲ、第２のＤＢＲ、第３のＤＢＲの少なくとも一つについて、ＤＢＲのブラッグ波長を短波長にずらすことによって実現できる。

また、このとき、活性層の利得は短波長側の共振波長と長波長側の共振波長とでほぼ同じであることが好ましい。活性層利得を二つの共振波長で同等にする方法としては、例えば利得ピーク波長が異なる量子井戸層を複数積層した多重量子井戸構造で活性層を構成することにより可能となる。

（第４の形態）
ＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の計算より、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が等しい場合、二つの共振波長ともにＶＣＳＥＬ内部の光定在波は第１の共振器と第２の共振器に均等に閉じ込められるという結果が得られた。しかしながら、例えば第１の共振器の共振器長を第２の共振器の共振器長よりも長くした場合、長波長側の共振波長では第１の共振器に閉じ込められる光の割合が増加し、短波長側の共振波長では第２の共振器に閉じ込められる光の割合が増加するという結果が得られた。これより、活性層を一方の共振器のみに設けると、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長とで活性層光閉じ込め係数を変えることが可能となる。

そこで、本発明の第４の形態では、第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なっており、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、高い活性層光閉じ込め係数を有することを特徴としている。

例えば、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長が長波長側の場合、活性層を共振器長が長い方の共振器内に設けることによって長波長側の共振波長で活性層光閉じ込め係数を高くすることができる。また、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長が短波長側の場合、活性層を共振器長が短い方の共振器内に設けることによって短波長側の共振波長で活性層光閉じ込め係数を高くすることができる。

これにより、光吸収層に電界を印加しない場合、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長（活性層光閉じ込め係数が高い共振波長）が優先して発振する。従って、第１の形態で説明したように、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共振波長と長波長側の共振波長との間で高速にスイッチング動作させることができる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層は多重量子井戸構造で構成されていることを特徴としている。

多重量子井戸構造からなる光吸収層に電界を印加すると、光吸収層の吸収端は量子閉じ込めシュタルク効果により、長波長側にシフトする。このとき、量子井戸に閉じ込められた励起子が高電界をかけた状態でも存在するため、急峻な吸収端を得ることができる。これにより、電界印加時の光吸収層の吸収係数変化を大きくすることができる。また、バルクの光吸収層と比較して、同じ吸収係数の変化量を得るのに必要な電界が小さくなるため、低電圧で動作させることができる。

（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垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡の導電型がｎ型であることを特徴としている。

第１のＤＢＲ及び第３のＤＢＲは、ＶＣＳＥＬの閾値電流を低減するために、高反射率にする必要があり、ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の積層周期を多くする必要がある。一方、第１の共振器と第２の共振器の間に設けられた第２のＤＢＲは、二つの共振器が光学的に結合する必要があるため、積層周期を１０周期以下と少なくする必要がある。

屈折率の異なる半導体層を積層すると界面にヘテロ障壁が形成される。半導体層において、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも約１桁大きいため、正孔はヘテロ障壁をトンネルすることが困難である。そのため、ｐ型半導体を積層したＤＢＲの抵抗は、ｎ型半導体層を積層したＤＢＲよりも抵抗が高くなる。

そこで、第６の形態では、高反射率が必要であるため積層数が多い第１のＤＢＲ及び第３のＤＢＲをｎ型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。これにより、ＶＣＳＥＬの消費電力を低減することができる。

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることを特徴としている。

ＤＢＲを構成する半導体層のキャリア濃度が増加すると、自由キャリアによる光吸収が増加する。さらにｐ型半導体層では正孔濃度が増加すると、自由キャリア吸収に加えて、価電子帯間吸収やオージェ再結合による光吸収が増加してしまう。

基板に隣接した第１のＤＢＲ及び最表面側の第３のＤＢＲは、ＶＣＳＥＬの閾値電流を低減するために、高反射率にする必要があり、ＤＢＲの積層周期数を多くしている。積層周期数が多い第１のＤＢＲ及び第３のＤＢＲにおいて、各半導体層のキャリア濃度を低減させることにより、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を効果的に低減することができる。従って、ＶＣＳＥＬの閾値電流を低減でき、また外部量子効率も増加させることができる。

低キャリア濃度層のキャリア濃度としては、半導体層中の自由キャリア吸収を１０ｃｍ^−１未満に低減して、光吸収損失の影響を抑制できるようにするために、５×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが望ましい。

低キャリア濃度層は、半導体層の結晶成長時にドーパントを供給せずに成長することにより形成することができる。また、ドナーとアクセプター濃度を制御して補償し、キャリア濃度を低減させることができる。また、キャリアを不活性化する不純物を添加して形成することも可能である。

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第１乃至第７のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されたことを特徴としている。

窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体としては、例えば、ＧａＮＡｓ， ＧａＩｎＮＡｓ， ＡｌＧａＮＡｓ， ＡｌＧａＩｎＮＡｓ， ＧａＮＡｓＰ， ＧａＩｎＮＡｓＰ， ＡｌＧａＮＡｓＰ， ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ， ＧａＮＡｓＳｂ， ＧａＩｎＮＡｓＳｂ， ＡｌＧａＮＡｓＳｂ， ＡｌＧａＩｎＮＡｓＳｂ， ＧａＮＡｓＰＳｂ， ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ， ＡｌＧａＮＡｓＰＳｂ， ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等がある。

窒素と他のＶ族元素との混晶半導体は、石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ等の障壁層との伝導帯電子の閉じ込め障壁高さを高くすることができるため、活性層からの電子オーバーフローが抑制され、良好な温度特性を有している。また、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、多層膜反射鏡として高反射率でかつ熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができる。従って、高性能の長波長帯ＶＣＳＥＬを形成することができる。

また、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍ近傍でＶＣＳＥＬを動作させることができる。本発明では、二つの波長間でＶＣＳＥＬの波長変調を実施しているが、波長分散が小さい１．３μｍ帯を用いることで、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。

また、光吸収層を窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成することにより、長波長の吸収端を有し、かつＧａＡｓ基板と格子整合させることが可能となる。従って、ＧａＡｓ基板上の長波長帯ＶＣＳＥＬにおいて光吸収層の層厚を厚く形成することができ、大きな吸収損失を与えることが可能である。

（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第１乃至第８のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の共振器と第２の共振器内にそれぞれ第１の活性層と第２の活性層を有しており、それぞれの活性層に対して独立に電流を注入する手段が設けられていることを特徴としている。

二つの活性層は異なる共振器内に設けられているが、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合しており、二つの共振波長に対して、二つの活性層はともに利得を有している。従って、第１の共振器内に設けられた第１の活性層に電流注入したときの発振光と、第２の共振器内に設けられた第２の活性層に電流注入したときの発振光はモード同期する。これにより、１つの活性層に電流注入して発生する光子密度に、第２の活性層で発生させた光子密度がモード同期して加えられるため、ＶＣＳＥＬ素子内部の光子密度を増加させることができる。これにより、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長間のスイッチング速度をさらに向上させることができる。

（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の光スイッチング方法において、活性層に注入する電流はレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させることを特徴としている。

光吸収層に電界を印加しない場合、光吸収層の吸収端を短波長側の共振波長よりも短波長になるように形成した。これにより、光吸収層に電界を加えない場合、光吸収層は二つの共振波長の光に対してほぼ透明となっている。光吸収層に電界を印加しない状態では、あらかじめ第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長が優先して発振するようにＶＣＳＥＬ構造を形成した。

光吸収層に電界を印加すると光吸収層の吸収端は長波長側にシフトする。本発明では、電界印加時の光吸収層の吸収端が、長波長側の共振波長と同等、または長波長となるように形成している。そのため、光吸収層は二つの共振波長の光に対して大きな吸収係数を有している。しかしながら、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長では光吸収層が電界強度分布の腹に位置し、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長では光吸収層が電界強度分布の節に位置するため、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長に対して大きな吸収損失を与えることになる。これにより、光吸収層に電界を印加した場合には、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の発振が抑制される。

第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の発振が抑制されると、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の発振利得に消費されていたキャリアが減少する代わりに、他方の共振波長の利得が増加するため、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長のレーザ光強度が増加する。これにより、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させることができる。

光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は半導体レーザの緩和振動周波数よりも高く、１０ＧＨｚ以上で高速に吸収係数を変調することが可能である。また、一方の波長の利得を変化させることで他方の波長の利得を変化させる相互利得変調を用いており、１０ＧＨｚ以上の速度で発振波長をスイッチング動作させることができる。そして、本発明では発振波長をスイッチングしているが、常にどちらかの共振波長でレーザ光を出力しているため、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができ、変調速度を増加させることができる。

また、電気的な変調を電流駆動ではなく電圧駆動で行っているため、１０ＧＨｚ以上の高速変調動作させる駆動回路を簡易化することができ、コストを低減することができる。

（第１１の形態）
本発明の第１１の形態は、第９の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の光スイッチング方法において、一方の活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるとともに、他方の活性層に注入する電流を変調してレーザ光強度を変調させることを特徴としている。

第１１の形態も、第１０の形態と同様に、１つの活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を長波長側の共振波長と短波長側の共振波長との間で高速にスイッチング動作させることができる。さらに、他方の活性層に注入する電流を変化させることにより、同時にレーザ光強度を変調することができる。発振波長スイッチングと光強度変調は独立に駆動することが可能であるため、１つの素子で４値のデジタル符号を伝送することができる。これにより、伝送容量を増加させることができる。

（第１２の形態）
本発明の第１２の形態は、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子とを備えたことを特徴とする光送信モジュールである。

第１乃至第９の形態のＶＣＳＥＬは、活性層に一定電流を連続的に注入してレーザ発振させ、光吸収層に印加する電界を外部信号に応じて変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を１０ＧＨｚ以上で高速にスイッチングすることができる。第１２の形態では、ＶＣＳＥＬから出力されるレーザ光のうち、波長選択素子において特定の選択された波長のみが外部に出力されるようになっている。これにより、波長変調信号が光強度変調信号に変換されて、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量データ送信が可能な光送信モジュールを構成することができる。

本発明の光送信モジュールは外部変調器を用いていないことから、モジュールサイズの小型化や低コスト化ができる。さらに、ＶＣＳＥＬの変調を電圧駆動しているため、電流駆動に比べて少ない電力消費となる。そのため、１０Ｇｂｐｓ以上の高速駆動でも駆動回路を小型化，低コスト化することができる。

波長選択素子としては、例えば多層膜フィルタ，共振器構造，回折格子，干渉計等を用いることができる。

（第１３の形態）
本発明の第１３の形態は、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子と、受光素子とを含むことを特徴とする光伝送装置である。

第１乃至第９の形態のＶＣＳＥＬは、外部変調器を用いることなく単チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える（例えば４０Ｇｂｐｓでの）光信号伝送が可能であり、小型，低コストで作製することができる。従って、大容量伝送できる光伝送装置を小型化，低コスト化することができる。

なお、光伝送装置は、石英系光ファイバを用いたシステムだけでなく、プラスチック光ファイバや導波路を用いて形成することもできる。また、空間光伝送システムを構築することもできる。

実施例１は、第１，第２の形態に対応している。

図１は、本発明の実施例１による垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図１を参照すると、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｐ型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２が積層されている。そして、ｐ型下部ＤＢＲ １０２は、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に３０．５周期積層して形成されている。そして、ｐ型下部ＤＢＲ １０２上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器下部スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０４、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層１０５、中央ＤＢＲ １１４が順次に積層されている。ここで、中央ＤＢＲ １１４は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８ＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを１０．５周期積層して形成されている。そして、中央ＤＢＲ １１４の中央位置には、層厚３０ｎｍのＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓ光吸収層１０７が設けられている。そして、中央ＤＢＲ １１４において、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓ光吸収層１０７よりも下側はｎ型中央ＤＢＲ １０６となっており、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓ光吸収層１０７よりも上側はｐ型中央ＤＢＲ １０８となっている。さらに、ｐ型中央ＤＢＲ １０８上には、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第２共振器スペーサ層１０９、ｐ型上部ＤＢＲ １０９が積層されている。ここで、ｐ型上部ＤＢＲ １１０は、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に１５周期積層して形成されている。

ｐ型下部ＤＢＲ １０２とｎ型中央ＤＢＲ １０６ではさまれた領域は第１の共振器となっている。また、ｐ型中央ＤＢＲ １０８とｐ型上部ＤＢＲ １１０ではさまれた領域は第２の共振器となっている。この実施例１では、第１の共振器と第２の共振器を１波長共振器で形成しており、光学的な共振器長を同じにしている。例えば、共振器長の光学的距離に対応した波長を８５０ｎｍとした。また、ＤＢＲ １０２，１０６，１０８，１１０は波長の４分の１の光学的厚さで屈折率が異なる層を交互に積層して形成しているが、ＤＢＲに対応した波長も８５０ｎｍとした。

活性層１０４は第１の共振器内において中央に位置するように形成されている。また、光吸収層１０７は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層１０５の上端とｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第２共振器スペーサ層１０９の下端から等しい距離に位置するように形成されている。

上記積層構造表面から、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層１０５までエッチングされて、メサ構造が形成されている。そして、ｐ型上部ＤＢＲ １１０表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。また、メサ構造底面のｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層１０５上に、第２の電極１１２が形成されている。また、ｐ型基板１０１裏面には、第３の電極１１３が形成されている。

上記構造では、各層の光学的距離に対応する波長を８５０ｎｍで形成した。第１の共振器と第２の共振器は、中央ＤＢＲ １１４を介して光学的に結合しているため、二つの共振波長を形成する。この実施例１では、二つの共振波長は８４３ｎｍと８５７ｎｍになっている。

第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向バイアスを印加すると、活性層１０４に電流が注入されて発光する。活性層１０４は利得ピーク波長が８６５ｍとなるように形成しており、活性層１０４の利得は短波長側の共振波長（８４３ｎｍ）よりも長波長側の共振波長（８５７ｎｍ）の方が高くなっている。そのため、通常、ＶＣＳＥＬは長波長側の共振波長（８５７ｎｍ）でレーザ発振する。

光吸収層１０７は電界を加えない場合の吸収端が８３０ｎｍとなるように形成されており、二つの共振波長８４３ｎｍ，８５７ｎｍの両方に対して透明となっている。第１の電極１１１と第２の電極１１２の間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層１０７に電界が印加され、フランツ・ケルディッシュ効果により光吸収層の吸収端が約４０ｎｍ長波長側にシフトする。これにより、光吸収層１０７は二つの共振波長に対して吸収係数が増加する。

光吸収層１０７はｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層１０５の上端とｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第２共振器スペーサ層１０９の下端から等しい距離に位置するように形成している。そして、中央ＤＢＲ １０４の積層周期数が１０．５周期となっており、短波長側の共振波長では第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となり、長波長側の共振波長では第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる。従って、光吸収層１０７は、短波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の節に位置し、長波長側の共振波長では電界強度分布の腹に位置する。そのため、光吸収層１０７は、電界が印加されると、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長の両方に対して吸収を有しているが、ＶＣＳＥＬ内部の光と結合する割合は長波長側の共振波長の方が大きいため、長波長側の共振波長に対してより大きな吸収損失となる。これにより、長波長側の共振波長の発振が抑制される。

長波長側の共振波長の発振が抑制されると、長波長側の共振波長の発振利得に消費されていたキャリアが減少し、短波長側の共振波長に対する利得が増加する。これにより、短波長側の共振波長のレーザ光強度が増加する。従って、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を長波長側の共振波長と短波長側の共振波長との間でスイッチング動作させることができる。

光吸収層１０７に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は半導体レーザの緩和振動周波数よりも高く、１０ＧＨｚ以上で高速に吸収係数を変調することが可能である。また、一方の波長の利得を変化させることで他方の波長の利得を変化させる相互利得変調を用いており、１０ＧＨｚ以上の速度で発振波長をスイッチング動作させることができる。そして、本発明では発振波長をスイッチングしているが、常にどちらかの共振波長でレーザ光を出力しているため、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができ、変調速度を増加させることができる。

以上の動作により、この実施例１では、チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える大容量伝送に適したＶＣＳＥＬを、外部変調器を用いない１素子で形成することができる。

なお、この実施例１においては、活性層１０４を基板側の第１の共振器内に設けているが、活性層１０４を第２の共振器内に設けることも可能である。

実施例２は、第１，第３，第６の形態に対応している。

図２は、本発明の実施例２による垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図２において、図１と同様の箇所には同じ符号を付している。図２を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）２０２が積層されている。ｎ型下部ＤＢＲ ２０２は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に３０．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型下部ＤＢＲ ２０２上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器下部スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ ＭＱＷ活性層１０４、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層２０３、中央ＤＢＲ ２０８が順次に積層されている。ここで、中央ＤＢＲ ２０８はＡｌ_０．２Ｇａ_０．８ＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に９．５周期積層して形成されている。そして、中央ＤＢＲ ２０８の中央位置には、層厚３０ｎｍのＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓ光吸収層１０７が設けられている。そして、中央ＤＢＲ ２０８において、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓ光吸収層１０７よりも下側はｐ型中央ＤＢＲ ２０４となっており、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓ光吸収層１０７よりも上側はｎ型中央ＤＢＲ ２０５となっている。さらに、ｎ型中央ＤＢＲ ２０５上には、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第２共振器スペーサ層２０６、ｎ型上部ＤＢＲ ２０７が積層されている。ここで、ｎ型上部ＤＢＲ ２０７は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に１５周期積層して形成されている。

ｎ型下部ＤＢＲ ２０２とｐ型中央ＤＢＲ ２０４ではさまれた領域は第１の共振器となっている。また、ｎ型中央ＤＢＲ ２０５とｎ型上部ＤＢＲ ２０７ではさまれた領域は第２の共振器となっている。この実施例２では、第１の共振器と第２の共振器を１波長共振器で形成しており、光学的な共振器長を同じにしている。例えば、共振器長の光学的距離に対応した波長を８５０ｎｍとした。また、下部ＤＢＲ ２０２，中央ＤＢＲ ２０４，２０５は、波長８５０ｎｍの４分の１の光学的厚さでＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層とＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層を交互に積層して形成している。一方、上部ＤＢＲ ２０７は、波長８６０ｎｍの４分の１の光学的厚さでＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層とＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層を交互に積層して形成した。

活性層１０４は、第１の共振器内において中央に位置するように形成されている。また、光吸収層１０７は、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層２０３の上端とｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第２共振器スペーサ層２０６の下端から等しい距離に位置するように形成されている。

上記積層構造表面から、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層２０３までエッチングされて、メサ構造が形成されている。そして、ｎ型上部ＤＢＲ ２０７表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。また、メサ構造底面のｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層２０３上には、第２の電極１１２が形成されている。また、ｎ型基板１０１裏面には、第３の電極１１３が形成されている。

この実施例２では、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、８４５ｎｍと８６０ｎｍとなっている。活性層１０４は利得ピーク波長を例えば８５２ｎｍとし、短波長側の共振波長（８４５ｎｍ）と長波長側の共振波長（８６０ｎｍ）でほぼ同じ利得となるように形成した。上部ＤＢＲ ２０７のブラッグ波長を８６０ｎｍにすることで、短波長側の共振波長（８４５ｎｍ）はＤＢＲの高反射帯域の中心波長８５０ｎｍに近くなっており、長波長側の共振波長（８６０ｎｍ）よりも短波長側の共振波長（８４５ｎｍ）の方が低い反射損失を有している。従って、通常ＶＣＳＥＬは短波長側の共振波長（８４５ｎｍ）でレーザ発振する。

光吸収層１０７は電界を加えない場合の吸収端が８３０ｎｍとなるように形成されており、二つの共振波長８４０ｎｍ，８５５ｎｍの両方に対して透明となっている。第１の電極１１１と第２の電極１１２の間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層１０７に電界が印加され、フランツ・ケルディッシュ効果により光吸収層の吸収端が約４０ｎｍ長波長側にシフトする。これにより、光吸収層１０７は二つの共振波長に対して吸収係数が増加する。

光吸収層１０７はｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第１共振器上部スペーサ層２０３の上端とｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ第２共振器スペーサ層２０６の下端から等しい距離に位置するように形成されており、かつ中央ＤＢＲ ２０８の積層周期数を９．５周期とした。これにより、光吸収層１０７は、短波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の腹に位置し、長波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の節に位置する。そのため、光吸収層１０７は、電界が印加されると、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長の両方に対して吸収を有しているが、ＶＣＳＥＬ内部の光と結合する割合は短波長側の共振波長の方が大きいため、短波長側の共振波長に対してより大きな吸収損失となる。これにより、短波長側の共振波長の発振が抑制される。

短波長側の共振波長の発振が抑制されると、短波長側の共振波長の発振利得に消費されていたキャリアが減少し、長波長側の共振波長に対する利得が増加する。これにより、長波長側の共振波長のレーザ光強度が増加する。従って、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共振波長と長波長側の共振波長との間でスイッチング動作させることができる。

下部ＤＢＲ ２０２及び上部ＤＢＲ ２０７は、ＶＣＳＥＬの閾値電流を低減するために高反射率にする必要があり、ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の積層周期を多くする必要がある。一方、第１の共振器と第２の共振器との間に設けられた中央ＤＢＲ ２０８は、二つの共振器を光学的に結合させる必要があるため、積層周期数を例えば９．５周期と少なくする必要がある。

屈折率の異なる半導体層を積層すると界面にヘテロ障壁が形成される。半導体層において、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも約１桁大きいため、正孔はヘテロ障壁をトンネルすることが困難である。そのため、ｐ型半導体を積層したＤＢＲの抵抗は、ｎ型半導体層を積層したＤＢＲよりも抵抗が高くなる。

そこで、この実施例２では、高反射率が必要であるため積層数が多い下部ＤＢＲ ２０２及び上部ＤＢＲ ２０７をｎ型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。これにより、ＶＣＳＥＬの消費電力を低減することができる。

実施例３は、第１，第４、第５，第６の形態に対応している。

図３は、本発明の実施例３による垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図３において、図１，図２と同様の箇所には同じ符号を付している。図３を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）３０１が積層されている。ｎ型下部ＤＢＲ ３０１は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に３０．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型下部ＤＢＲ ３０１上には、ＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＡｓ／ ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層３０３、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４、中央ＤＢＲ ３１０が順次に積層されている。ここで、中央ＤＢＲ ３１０は、ＧａＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に９．５周期積層して形成されている。そして、中央ＤＢＲ ３１０の中央位置には、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ光吸収層３０６が設けられている。そして、中央ＤＢＲ ３１０において、光吸収層３０６よりも下側はｐ型中央ＤＢＲ ３０５となっており、光吸収層３０６よりも上側はｎ型中央ＤＢＲ ３０７となっている。さらに、ｎ型中央ＤＢＲ ３０７上には、ｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８、ｎ型上部ＤＢＲ ３０９が積層されている。ここで、ｎ型上部ＤＢＲ ３０９は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に１５周期積層して形成されている。

ｎ型下部ＤＢＲ ３０１とｐ型中央ＤＢＲ ３０５ではさまれた領域は第１の共振器となっている。また、ｎ型中央ＤＢＲ ３０７とｎ型上部ＤＢＲ ３０９ではさまれた領域は第２の共振器となっている。この実施例３では、第１の共振器と第２の共振器を１波長共振器で形成しており、第１の共振器の共振器長に対応した波長を９７５ｎｍとし、第２の共振器の共振器長に対応した波長を９８５ｎｍとした。下部ＤＢＲ ３０１，中央ＤＢＲ ３０５，３０７，上部ＤＢＲ ３０９は、波長９８０ｎｍの４分の１の光学的厚さでＧａＡｓ層とＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層を交互に積層して形成されている。

活性層３０３は、第１の共振器内において中央に位置するように形成されている。また、光吸収層３０６は、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４の上端とｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８の下端から等しい距離に位置するように形成されている。

上記積層構造表面から、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４までエッチングされて、メサ構造が形成されている。そして、ｎ型上部ＤＢＲ ３０９表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。また、メサ構造底面のｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４上には、第２の電極１１２が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面には、第３の電極１１３が形成されている。

この実施例３では、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、９７２ｎｍと９８８ｎｍとなっている。活性層３０３は、利得ピーク波長を例えば９３０ｎｍとし、短波長側の共振波長（９７２ｎｍ）と長波長側の共振波長（９８８ｎｍ）でほぼ同じ利得となるように作製した。また、ＤＢＲについても高反射帯域の中心波長を９８８ｎｍとし、短波長側の共振波長（９７２ｎｍ）と長波長側の共振波長（９８８ｎｍ）で反射率が同等となるように形成した。しかしながら、第１の共振器の共振器長を第２の共振器の共振器長よりも短くしているため、短波長側の共振波長では第１の共振器に閉じ込められる光の割合が増加する。一方、長波長側の共振波長では第２の共振器に閉じ込められる光の割合が増加する。活性層３０３は第１の共振器内に設けられているため、長波長側の共振波長よりも短波長側の共振波長の方が高い活性層光閉じ込め係数を有している。これにより、光吸収層に電界を印加しない場合、二つの共振波長のうち活性層光閉じ込め係数が高い短波長側の共振波長が優先して発振する。

光吸収層３０６は、電界を加えない場合の吸収端が９５０ｎｍとなるように形成されており、二つの共振波長に対して透明となっている。第１の電極１１１と第２の電極１１２の間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層３０６に電界が印加され、量子閉じ込めシュタルク効果により光吸収層の吸収端が約４０ｎｍ長波長側にシフトする。これにより、光吸収層３０６は二つの共振波長に対して吸収係数が増加する。

光吸収層３０６は、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４の上端とｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８の下端から等しい距離に位置するように形成されており、かつ中央ＤＢＲ ３１０の積層周期数を９．５周期で構成したため、短波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の腹に位置する。一方、長波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の節に位置する。そのため、光吸収層３０６は、電界が印加されると、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長の両方に対して吸収を有しているが、ＶＣＳＥＬ内部の光と結合する割合は短波長側の共振波長の方が大きいため、短波長側の共振波長に対してより大きな吸収損失となる。これにより、短波長側の共振波長の発振が抑制される。

短波長側の共振波長の発振が抑制されると、短波長側の共振波長の発振利得に消費されていたキャリアが減少し、長波長側の共振波長に対する利得が増加する。これにより、長波長側の共振波長のレーザ光強度が増加する。従って、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共振波長と長波長側の共振波長との間でスイッチング動作させることができる。

この実施例３では、光吸収層３０６として、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ構造を用いており、この場合、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層に励起子が閉じ込められることで、電界を加えた場合でも、バルク光吸収層に比べて急峻な光吸収端を得ることができる。従って、光吸収層３０６に電界を印加したときに、光吸収層の吸収係数変化を大きくすることができる。

なお、この実施例３では、光吸収層として井戸層に歪を含むＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造を用いた例で説明したが、歪を含まない多重量子井戸構造や、井戸層と障壁層が反対方向の歪を有する歪補償構造や、単一量子井戸構造を用いることも可能である。

実施例４は、第１，第３，第５，第７，第８の形態に対応している。

図４は、本発明の実施例４による垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図４において、図１，図３と同様の箇所には同じ符号を付している。図４を参照すると、アンドープＧａＡｓ基板４０１上に、アンドープ下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）４０２が積層されている。アンドープ下部ＤＢＲ ４０２は、アンドープＧａＡｓとアンドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に３５．５周期積層して形成されている。下部ＤＢＲ ４０２上には、ｎ型ＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層４０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層４０４、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４、中央ＤＢＲ ３１０が順次積層されている。ここで、中央ＤＢＲ ３１０は、ＧａＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に９．５周期積層して形成されている。そして、中央ＤＢＲ ３１０の中央位置には、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ光吸収層４０５が設けられている。そして、中央ＤＢＲ ３１０において、光吸収層４０５よりも下側はｐ型中央ＤＢＲ ３０５となっており、光吸収層４０５よりも上側はｎ型中央ＤＢＲ ３０７となっている。さらに、ｎ型中央ＤＢＲ ３０７上には、ｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８、アンドープ上部ＤＢＲ ４０６が積層されている。ここで、アンドープ上部ＤＢＲ ４０６は、アンドープＧａＡｓとアンドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に１８周期積層して形成されている。

アンドープ下部ＤＢＲ ４０２とｐ型中央ＤＢＲ ３０５ではさまれた領域は、第１の共振器となっている。また、ｎ型中央ＤＢＲ ３０７とアンドープ上部ＤＢＲ ４０６ではさまれた領域は第２の共振器となっている。この実施例４では、第１の共振器と第２の共振器を１波長共振器で形成しており、光学的な共振器長を同じにしている。例えば、共振器長の光学的距離に対応した波長を１３００ｎｍとした。下部ＤＢＲ ４０２，中央ＤＢＲ ３０５，３０７は、波長１３００ｎｍの４分の１の光学的厚さでＧａＡｓ層とＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層を交互に積層して形成している。上部ＤＢＲ ４０６は、波長１３１０ｎｍの４分の１の光学的厚さでＧａＡｓ層とＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層を交互に積層して形成している。

活性層４０４は、第１の共振器内において中央に位置するように形成されている。また、光吸収層４０５は、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４の上端とｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８の下端から等しい距離に位置するように形成されている。

上記積層構造表面から、ｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。また、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。また、第２のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型ＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層４０３の途中までエッチングされて、第３のメサ構造が形成されている。

そして、第１のメサ構造底面のｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８上に、第１の電極１１１が形成されている。また、第２のメサ構造底面のｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４上に、第２の電極１１２が形成されている。また、第３のメサ構造底面のｎ型ＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層４０３上に、第３の電極１１３が形成されている。

この実施例４では、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、１２９２ｎｍと１３１５ｎｍとなっている。そのため、短波長側の共振波長（１２９２ｎｍ）の方がＤＢＲの高反射帯域の中心波長１３００ｎｍに近くなっており、長波長側の共振波長（１３１５ｎｍ）よりも短波長側の共振波長（１２９２ｎｍ）の方が低い反射損失を有している。従って、通常、ＶＣＳＥＬは短波長側の共振波長（１２９２ｎｍ）でレーザ発振する。

光吸収層４０５は、電界を加えない場合の吸収端が１２６０ｎｍとなるように形成しており、二つの共振波長に対して透明となっている。第１の電極１１１と第２の電極１１２の間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層４０５に電界が印加され、量子閉じ込めシュタルク効果により光吸収層の吸収端が約６０ｎｍ長波長側にシフトする。これにより、光吸収層４０５は二つの共振波長に対して吸収係数が増加する。

光吸収層４０５は、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４の上端とｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層３０８の下端から等しい距離に位置するように形成されており、かつ中央ＤＢＲ ３１０の積層周期数を９．５周期で構成したため、短波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の腹に位置する。一方、長波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の節に位置する。そのため、光吸収層４０５は、電界が印加されると、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長の両方に対して吸収を有しているが、ＶＣＳＥＬ内部の光と結合する割合は短波長側の共振波長の方が大きいため、短波長側の共振波長に対してより大きな吸収損失となる。これにより、短波長側の共振波長の発振が抑制される。

短波長側の共振波長の発振が抑制されると、短波長側の共振波長の発振利得に消費されていたキャリアが減少し、長波長側の共振波長に対する利得が増加する。これにより、長波長側の共振波長のレーザ光強度が増加する。従って、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共振波長と長波長側の共振波長との間でスイッチング動作させることができる。

ＤＢＲを構成する半導体層のキャリア濃度が増加すると、自由キャリアによる光吸収が増加する。さらにｐ型半導体層では正孔濃度が増加すると、自由キャリア吸収に加えて、価電子帯間吸収やオージェ再結合による光吸収が増加してしまう。この実施例４では、下部ＤＢＲ ４０２と上部ＤＢＲ ４０６をアンドープ層で構成しているため、ＤＢＲのキャリア濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以下に低減できる。そのため、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を効果的に低減することができ、低閾値電流化や外部量子効率向上が可能となる。

また、活性層４０４は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓを井戸層として用いている。ＧａＩｎＮＡｓ材料は、石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯電子の閉じ込め障壁高さを３００ｍｅＶ以上と高くすることができるため、活性層からの電子オーバーフローが抑制され、良好な温度特性を有している。また、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、多層膜反射鏡として高反射率でかつ熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができる。従って、高性能の長波長帯ＶＣＳＥＬを形成することができる。

また、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍ近傍でＶＣＳＥＬを動作させることができる。本発明では、二つの波長間でＶＣＳＥＬの波長変調を実施しているが、波長分散が小さい１．３μｍ帯を用いることで、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。

実施例５は、第１，第２，第５，第８，第９の形態に対応している。

図５は、本発明の実施例５による垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図５において、図１，図３，図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図５を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）３０１が積層されている。ｎ型下部ＤＢＲ ３０１は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に３５．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型下部ＤＢＲ ３０１上には、ＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ ＧａＡｓ ＭＱＷ第１活性層４０４、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４、中央ＤＢＲ ３１０が順次に積層されている。ここで、中央ＤＢＲ ３１０は、ＧａＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に９．５周期積層して形成されている。中央ＤＢＲ ３１０の中央位置には、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ光吸収層４０５が設けられている。そして、中央ＤＢＲ ３１０において、光吸収層４０５よりも下側はｐ型中央ＤＢＲ ３０５となっており、光吸収層４０５よりも上側はｎ型中央ＤＢＲ ３０７となっている。さらに、ｎ型中央ＤＢＲ ３０７上には、ｎ型ＧａＡｓ第２共振器下部スペーサ層５０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ第２活性層５０２、ｐ型ＧａＡｓ第２共振器下部スペーサ層５０３、ｐ型上部ＤＢＲ ５０４が積層されている。ここで、ｐ型上部ＤＢＲ ５０４は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に１８周期積層して形成されている。

ｎ型下部ＤＢＲ ３０１とｐ型中央ＤＢＲ ３０５ではさまれた領域は第１の共振器となっている。また、ｎ型中央ＤＢＲ ３０７とｐ型上部ＤＢＲ ５０４ではさまれた領域は第２の共振器となっている。この実施例５では、第１の共振器と第２の共振器を１波長共振器で形成しており、光学的な共振器長を同じにしている。例えば、共振器長の光学的距離に対応した波長を１３００ｎｍとした。下部ＤＢＲ ３０１，中央ＤＢＲ ３０５，３０７，上部ＤＢＲ ５０４は、波長１３００ｎｍの４分の１の光学的厚さでＧａＡｓ層とＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層を交互に積層して形成している。

第１の活性層４０４は、第１の共振器内において中央に位置するように形成されている。また、第２の活性層５０３は、第２の共振器内において中央に位置するように形成されている。また、光吸収層４０５は、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４の上端とｎ型ＧａＡｓ第２共振器下部スペーサ層５０１の下端から等しい距離に位置するように形成されている。

上記積層構造表面から、ｎ型ＧａＡｓ第２共振器下部スペーサ層５０１までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。また、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。そして、第１のメサ構造頂上部のｐ型上部ＤＢＲ ５０４上には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。また、第１のメサ構造底面のｎ型ＧａＡｓ第２共振器下部スペーサ層５０１上には、第２の電極１１２が形成されている。また、第２のメサ構造底面のｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４上には、第３の電極１１３が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１裏面には、第４の電極５０５が形成されている。

この実施例５では、第１の共振器と第２の共振器が光学的に結合して形成された二つの共振波長は、１２８９ｎｍと１３１２ｎｍとなっている。活性層４０４，５０２は、利得ピーク波長が１２９０ｎｍとなるように形成されており、長波長側の共振波長（１３１２ｎｍ）よりも短波長側の共振波長（１２８９ｎｍ）で利得が高い。そのため、通常、ＶＣＳＥＬは短波長側の共振波長（１２８９ｎｍ）でレーザ発振する。

光吸収層４０５は電界を加えない場合の吸収端が１２６０ｎｍとなるように形成しており、二つの共振波長に対して透明となっている。第１の電極１１１と第２の電極１１２の間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層４０５に電界が印加され、量子閉じ込めシュタルク効果により光吸収層の吸収端が約６０ｎｍ長波長側にシフトする。これにより、光吸収層４０５は二つの共振波長に対して吸収係数が増加する。

光吸収層４０５は、ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層３０４の上端とｎ型ＧａＡｓ第２共振器下部スペーサ層５０１の下端から等しい距離に位置するように形成されており、かつ中央ＤＢＲ ３１０の積層周期数を９．５周期で構成したため、短波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の腹に位置する。一方、長波長側の共振波長ではＶＣＳＥＬ内部の電界強度分布の節に位置する。そのため、光吸収層４０５は、電界が印加されると、長波長側の共振波長と短波長側の共振波長の両方に対して吸収を有しているが、ＶＣＳＥＬ内部の光と結合する割合は短波長側の共振波長の方が大きいため、短波長側の共振波長に対してより大きな吸収損失となる。これにより、短波長側の共振波長の発振が抑制される。

短波長側の共振波長の発振が抑制されると、短波長側の共振波長の発振利得に消費されていたキャリアが減少し、長波長側の共振波長に対する利得が増加する。これにより、長波長側の共振波長のレーザ光強度が増加する。従って、活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流より高い一定値で連続的に注入しておき、光吸収層に加える電界を変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共振波長と長波長側の共振波長との間でスイッチング動作させることができる。

実施例５のＶＣＳＥＬは、第１の共振器と第２の共振器との両方に活性層を有している。二つの活性層４０４，５０２は異なる共振器内に設けられているが、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合しており、二つの共振波長に対して、二つの活性層はともに利得を有している。従って、第１の共振器内に設けられた活性層に電流注入したときの発振光と第２の共振器内に設けられた活性層に電流注入したときの発振光とはモード同期する。これにより、１つの活性層に電流注入して発生する光子密度に、第２の活性層で発生させた光子密度がモード同期して加えられるため、ＶＣＳＥＬ素子内部の光子密度を増加させることができる。これにより、短波長側の共振波長と長波長側の共振波長との間のスイッチング速度をさらに向上させることができる。

上記各実施例に示したＶＣＳＥＬにおいては、活性層に対する電流狭窄手段については示されていない。活性層に対する電流狭窄手段としては、Ａｌを含む層を側面から選択的に酸化したＡｌ酸化狭窄構造や、特定の半導体層を側面から選択的にサイドエッチングしたエアギャップ構造や、イオン注入により形成した高抵抗領域や、トンネル接合等を用いることが可能である。

実施例６は、第１２の形態に対応している。

図６は、実施例６による光送信モジュールを示す図である。図６を参照すると、光送信モジュール６０１においては、光源６０２として、実施例１〜４のいずれかの垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いている。直流電源６０３は、ＶＣＳＥＬ ６０２の活性層に一定電流を注入し、レーザ発振させる。また、変調バイアス電源６０４は、外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ ６０２の光吸収層に加える電界を変調させる。これにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を変調することができる。

ＶＣＳＥＬ ６０２から出力されたレーザ光は、波長選択素子６０５において選択された特定の波長のみが外部に出力されるようになっている。これにより、波長変調信号が光強度変調信号に変換される。この実施例６では、波長選択素子６０５として誘電体多層膜フィルタを用いて形成した。

これにより、単チャンネル当たり４０ＧｂｐｓでＶＣＳＥＬを直接電圧駆動することで、出力されるレーザ光強度を高速に変調することができる。従って、モジュールサイズが小さく、低コストの光送信モジュールを提供することができる。

実施例７は、第１３の形態に対応している。

図７は、実施例７による光伝送装置を示す図である。図７を参照すると、光送信部７０１において、電気信号が光信号に変換されて光ファイバケーブル７０５に導入される。光ファイバケーブル７０５を導波した光は、光受信部７０６で再び電気信号に変換されて出力される。

光送信部７０１においては、光源７０２として実施例４記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いている。また、直流電源７０３は、ＶＣＳＥＬ ７０２の活性層に一定電流を注入し、レーザ発振させる。また、変調バイアス電源７０４は、光送信部に外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ ７０２の光吸収層に加える電界を変調させる。これにより、単チャンネル当たり４０Ｇｂｐｓの伝送容量で、ＶＣＳＥＬの発振波長を高速変調することができる。

光受信部７０６では、光ファイバケーブル７０５から出力された光信号を、波長選択素子７０７で波長ごとに分離し、特定の選択された波長が受光素子７０８で受光される。波長選択素子７０７を通ることによって、波長変調信号が光強度変調信号に変換される。受光素子７０８で受光された光信号は電気に変換され、受信回路７０９において、信号増幅，波形整形等を行って、光受信部７０６から外部に出力される。

波長選択素子７０７としては、多層膜フィルタ，共振器構造，回折格子，干渉計等を用いることが可能である。また、この実施例７では、波長選択素子７０７を光受信部７０６内において受光素子７０８の直前に設けているが、光送信部７０１内におけるＶＣＳＥＬ ７０２と光ファイバケーブル７０５の間や、光ファイバケーブル７０５の途中に設けることも可能である。

この実施例７の光伝送装置は、光送信部７０１の光源として実施例４記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いているため、外部変調器を用いることなく４０Ｇｂｐｓの光信号伝送が可能となっている。従って、モジュールサイズの小型化や低コスト化ができる。さらに、ＶＣＳＥＬの変調を電圧駆動しているため、電流駆動に比べて少ない電力消費となる。そのため、４０Ｇｂｐｓの高速駆動でも駆動回路を小型化、低コスト化することができる。

実施例８は、第１１，第１３の形態に対応している。

図８は、実施例８による光伝送装置を示す図である。図８を参照すると、光送信部７０１において、電気信号が光信号に変換されて光ファイバケーブル７０５に導入される。光ファイバケーブル７０５を導波した光は、光受信部７０６で再び電気信号に変換されて出力される。

光送信部７０１においては、光源８０１として実施例５記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いている。直流電源７０３は、ＶＣＳＥＬ ８０１の第１の活性層に一定電流を注入し、レーザ発振させる。また、変調バイアス電源７０４は、光送信部７０１に外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ ８０１の光吸収層に加える電界を変調させる。これにより、４０ＧｂｐｓでＶＣＳＥＬの発振波長を変調することができる。さらに、電流駆動回路８０２は、外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ ８０１の第２の活性層に注入する電流を変調する。そのため、発振波長の変調とは独立に、第２の活性層に注入する電流によって同時に光強度を２０Ｇｂｐｓで変調することができる。

光受信部７０６では、光ファイバケーブル７０５から出力された光信号を、光分岐素子８０３で二つの波長に分離し、受光素子アレイ８０４で受光される。光分岐素子８０３を通ることによって分離された各波長の光信号は、それぞれ別々の受光素子に入力され電気信号に変換される。そして、受信回路７０９において信号増幅，波形整形等を行って演算回路８０５に入力される。演算回路８０５では、受光素子アレイ８０４で受光した信号を、波長変調符号と強度変調符号に分離して符号を再生し、外部に出力する。これにより、チャンネル当たり６０Ｇｂｐｓの信号を伝送することができ、伝送容量をさらに増加させることが可能となる。

本発明は、光通信システムや光インターコネクションシステムなどに利用可能である。

実施例１の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。 実施例２の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。 実施例３の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。 実施例４の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。 実施例５の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。 実施例６の光送信モジュールを示す図である。 実施例７の光伝送装置を示す図である。 実施例８の光伝送装置を示す図である。 二重共振器を有する垂直共振器型面発光レーザの反射スペクトルの一例を示す図である。 垂直共振器型面発光レーザ装置内の電界強度分布を示す図である。

符号の説明

１０１ ｐ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 下部ＤＢＲ
１０３ ＡｌＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層
１０４ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
１０５ ｎ型ＡｌＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層
１０６ ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 中央ＤＢＲ
１０７ ＡｌＧａＡｓ光吸収層
１０８ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 中央ＤＢＲ
１０９ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２共振器スペーサ層
１１０ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 上部ＤＢＲ
１１１ 第１の電極
１１２ 第２の電極
１１３ 第３の電極
１１４ 中央ＤＢＲ
２０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２０２ ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 下部ＤＢＲ
２０３ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層
２０４ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 中央ＤＢＲ
２０５ ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 中央ＤＢＲ
２０６ ｎ型ＡｌＧａＡｓ第２共振器スペーサ層
２０７ ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 上部ＤＢＲ
２０８ 中央ＤＢＲ
３０１ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 下部ＤＢＲ
３０２ ＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層
３０３ ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
３０４ ｐ型ＧａＡｓ第１共振器上部スペーサ層
３０５ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 中央ＤＢＲ
３０６ ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ光吸収層
３０７ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 中央ＤＢＲ
３０８ ｎ型ＧａＡｓ第２共振器スペーサ層
３０９ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 上部ＤＢＲ
３１０ 中央ＤＢＲ
４０１ アンドープＧａＡｓ基板
４０２ アンドープＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 下部ＤＢＲ
４０３ ｎ型ＧａＡｓ第１共振器下部スペーサ層
４０４ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
４０５ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ光吸収層
４０６ アンドープＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 上部ＤＢＲ
５０１ ｎ型ＧａＡｓ第２共振器下部スペーサ層
５０２ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ 第２活性層
５０３ ｐ型ＧａＡｓ第２共振器上部スペーサ層
５０４ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ 上部ＤＢＲ
５０５ 第４の電極
６０１ 光送信モジュール
６０２ ＶＣＳＥＬ
６０３ 直流電源回路
６０４ 変調バイアス回路
６０５ 波長選択素子
７０１ 光送信モジュール
７０２ ＶＣＳＥＬ
７０３ 直流電源回路
７０４ 変調バイアス回路
７０５ 光ファイバ
７０６ 光受信モジュール
７０７ 波長選択素子
７０８ 受光素子
７０９ 受信回路
８０１ ＶＣＳＥＬ
８０２ 電流駆動回路
８０３ 波長分岐素子
８０４ 受光素子アレイ
８０５ 演算回路

Claims (13)

1. 基板上に、第１の多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の多層膜反射鏡が順次に形成され、第１の共振器と第２の共振器の少なくも一方に活性層が設けられた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置であって、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は異なる二つの共振波長を有しており、第２の多層膜反射鏡中において第１の共振器と第２の共振器から等距離の位置には光吸収層が設けられ、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
2. 請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、活性層が高い利得を有していることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
3. 請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、低い反射損失を有することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
4. 請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の共振器と第２の共振器の共振器長が異なっており、二つの共振波長のうち、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が同符号となる共振波長の方が、第１の共振器の中央部と第２の共振器の中央部における電界強度が異符号となる共振波長よりも、高い活性層光閉じ込め係数を有することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層は多重量子井戸構造で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡の導電型がｎ型であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の多層膜反射鏡及び第３の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び／または光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の共振器と第２の共振器内にそれぞれ第１の活性層と第２の活性層を有しており、それぞれの活性層に対して独立に電流を注入する手段が設けられていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の光スイッチング方法において、活性層に注入する電流はレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させることを特徴とする光スイッチング方法。
11. 請求項９記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の光スイッチング方法において、一方の活性層に注入する電流をレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振波長を二つの共振波長間でスイッチング動作させるとともに、他方の活性層に注入する電流を変調してレーザ光強度を変調させることを特徴とする光スイッチング方法。
12. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子とを備えたことを特徴とする光送信モジュール。
13. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の二つの共振波長のいずれかを選択する波長選択素子と、受光素子とを含むことを特徴とする光伝送装置。

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