JP2006294810A - 面発光半導体レーザアレイおよびそれを用いた光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 各発光部の出射ニアフィールドパターンを調整したマルチスポット型のＶＣＳＥＬアレイを提供する。
【解決手段】 ＶＣＳＥＬアレイは、１次元または２次元にアレイ状に配列された発光部Ｓ１、Ｓ２を含み、各発光部Ｓ１、Ｓ２は、基板３０上に、第１の反射ミラー３１、第２の反射ミラー３４、第１および第２の反射ミラーの間の活性領域３２および電流狭窄層３３、第２の反射ミラーの上方の出射開口３６を有し、各発光部Ｓ１、Ｓ２は、同時に駆動されて出射開口３６からレーザ光を出射する。発光部Ｓ１のニアフィールドパターンは、発光部Ｓ２に向けて非対称に偏心し、発光部Ｓ２のニアフィールドパターンは、発光部Ｓ１に向けて非対称に偏心している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光インターコネクション、光メモリ、光交換、光情報処理、レーザビームプリンター、複写機等の光源などに用いられる面発光型半導体レーザアレイおよびそれを用いた光伝送システムに関する。

面発光型半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser diode:以下適宜ＶＣＳＥＬと称する）は、半導体基板と垂直方向に共振器を構成し、光を基板と垂直方向に出射する光デバイスであり、１次元または２次元アレイ状に高密度な集積をすることができる並列光源として注目されている。

ＶＣＳＥＬにおいて、効率よくレーザを発振させるため、垂直共振器間においてキャリアと光の閉じこめが行われる。基板の水平方向の狭窄構造を作製する手段として、基板上に細いポストを作製し、ポスト自体を電流経路とするエアポスト型、ポスト構造を作製した後にコントロール層と呼ぶＡｌＡｓ層の一部を酸化して電流経路を制限する選択酸化型、プロトンインプラにより絶縁領域を形成し電流経路を制限するプロトン照射型などがある。これらの中で、選択酸化型のＶＣＳＥＬが、しきい電流値も低く、電流−光特性も優れているという特性があり、実用化が進められている。

特許文献１は、メサ構造に含まれるコンタクト層、上部多層膜反射鏡、電流狭窄部の側面が、メサ頂部の金属コンタクト層に整合されたＶＣＳＥＬを開示している。これにより、出射窓を有する金属コンタクト層と電流狭窄部との位置決め精度を高くし、基本横モード発振でありながら光出力を改善している。

また、空間伝送などの光源は、比較的大きな出力を必要とする。このため、並列光源として複数の発光部（マルチスポット）を基板上に備えたマルチスポット型のＶＣＳＥＬが用いられる。複数の発光部は、駆動回路からの同一駆動信号により駆動され、各発光部のレーザ光が出力され、合成されたレーザ光となる。

特許文献２は、上部及び下部の半導体多層反射膜の内少なくとも一方が基板面内の一方向について他方向よりも長くなるように構成され、発光ビームの強度パターンが方向性をもつように構成されたＶＣＳＥＬを開示している。例えば図２０に示すように、矩形状または楕円状の発光パターンｐの短軸をｎの方向に揃うようにＶＣＳＥＬを１次元または２次元に配列することで、均一な光照射を行うことが可能なレーザ装置を提供している。

また特許文献３は、例えば図２１に示すように、主走査方向Ｙの中央の光源から両端部の光源にかけて発光孔（ニアフィールドパターン径）が小さくなる構成の光源を開示している。中央の光源から出射された光ビームは、感光体面上の焦点で像を結び、端部の光源から出射された光ビームは、感光体の手前の焦点で像を結んだ後、除々に太くなり、結果として、感光体面上では中央のスポット径と等しいスポット径が形成される。

特開２００４−２３０８７号 特開平１０−６５２６６号 特開平１０−５２９４１号

しかしながら、上記従来のマルチスポット型のＶＣＳＥＬには次のような課題がある。図２２は、従来のマルチスポット型のＶＣＳＥＬにおける隣接する２つの発光部の概略構成を示している。ｎ型の半導体基板９１０上に、ｎ型の下部反射ミラー９１１、活性層９１２、ｐ型の電流狭窄層９１３、ｐ型の上部反射ミラー９１４が積層され、その上にｐ側電極層９１５が形成されている。基板上には、円筒状のポスト（またはメサ）９１６が形成され、ポスト９１６は、上部反射ミラー９１４、電流狭窄層９１３、活性層９１２、および下部反射ミラー９１１の一部を含んでいる。電流狭窄層９１３の外周には、ポスト形状を反映した選択酸化領域９１３ａが形成され、酸化されずに残った円形状の導電性領域である酸化アパーチャ９１３ｂが形成されている。電極層９１５には、酸化アパーチャ９１３ｂの軸方向の中心Ｃ１、Ｃ２と整合するように円形状の出射開口９１７が形成されている。また、各ポスト（発光部）に共通のｎ側電極９１８が基板の裏面に形成されている。

ＶＣＳＥＬを駆動すると、酸化アパーチャ９１３ｂの径および電極層９１５の出射開口９１７の径に従い、中心軸Ｃ１、Ｃ２に関して発散角θのレーザ光が基板から垂直方向に出射される。このとき、それぞれのポスト９１６の出射開口９１７におけるニアフィールドパターン（ＮＦＰ）９２０は、対称的な単峰性をもち、合成されたレーザ光のＦＦＰのビームプロファイル９２１は、中央部に出力が低下した部分９２２を含んでいる。これは、製造上の限界からポスト９１６の間隔を一定以上に狭めることは困難であるためである。このことは、光信号を伝送する光学系において好ましいものではない。

さらに光スリット、レンズ、受光素子にレーザ光を入射させる場合、レーザ光の発散角度が安定しかつ狭いことが好ましい。シングルスポットのＶＣＳＥＬの場合には、こうした要求を満足させることが容易ではあるが、マルチスポット型のレーザアレイの場合、上記したように製造上の限界からポストの間隔を一定以上に狭めることが困難であるため、各レーザ光の発光点が空間的に広がってしまい、合成されたレーザ光の発散角度もシングルスポットのように狭めることが難しいという課題がある。特に、アレイ端部に位置するポスト（発光部）からのレーザ光は、レンズなどの光学部材においてけられ易いため、アレイ端部のレーザ光の発散角度を狭めることが必要であった。

一方、特許文献２における出射ニアフィールドパターンは基本的に同一であり、特許文献３では、発光孔のサイズは異なるもののニアフィールドパターンが対称であるため、合成されたレーザ光のニアフィールドパターンまたはビームプロファイルには、依然として中央に出力低下部分が生じてしまい、上述した課題を解決し得るものではない。

本発明は、上記従来の課題を解決するために成されたものであり、各発光部の出射ニアフィールドパターンを調整し、光伝送用の光源に適したマルチスポット型の面発光型半導体レーザアレイを提供することを目的とする。
さらに本発明は、マルチスポット型の面発光型半導体レーザアレイを光源に含み、光伝送に適したビームプロファイルを有する光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、１次元または２次元アレイ状に配列された複数の発光部を含み、各発光部は、基板上に、第１の反射ミラー、第２の反射ミラー、第１および第２の反射ミラーの間に形成された活性領域および電流狭窄層、第２の反射ミラーの上方の複数の出射開口を有し、各発光部は、同時に駆動されて各出射開口からレーザ光を出射し、少なくとも１つの発光部のレーザ光のニアフィールドパターンが、他の発光部のレーザ光のニアフィールドパターンと異なるものである。これにより、合成されたレーザ光のビームプロファイルを所望のパターンとすることができる。

好ましくは、少なくとも１つの発光部は、アレイ端部に位置し、そのレーザ光のニアフィールドパターンが、中央に向けて非対称に偏心している。これにより、合成されたビームプロファイルの中央部の出力低下を抑制したレーザ光を得ることができる。レーザ光は、高出力を有するマルチモード発振であることが望ましい。

好ましくは、複数の発光部が２次元アレイ状に配列（例えば、３×３の配列）されているとき、周辺部に位置する８つの発光部のレーザ光のニアフィールドパターンが、中央の発光部へ向けて偏心している。これにより、従来構成の、同一のニアフィールドパターンを配列させた面発光型半導体レーザアレイと比較して、合成されたレーザ光の発散角度が抑制され、かつ、中央部に大きな出力低下のないレーザ光を得ることができる。このようなレーザ光を光信号として用いることで、正確な光伝送を実現させることが可能である。

さらに本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、１次元または２次元アレイ状に配列された複数の発光部を含み、各発光部は、基板上に、第１の反射ミラー、第２の反射ミラー、第１および第２の反射ミラーの間の活性領域および電流狭窄層、第２の反射ミラーの上方の複数の出射開口を有し、各発光部は、同時に駆動されて基板と垂直方向に各出射開口からレーザ光を出射し、少なくとも１つの発光部の出射開口の中心が、対応する電流狭窄層の酸化アパーチャの中心から偏心している。

好ましくは、少なくとも１つの発光部はアレイ端部に位置し、アレイ端部に位置する発光部の出射開口の中心は、アレイ中心に向かうように、酸化アパーチャの中心から偏心している。例えば、発光部が１次元状に配列されていれば、その両端の出射開口を中心に向けて偏心させてもよいし、一方の出射開口のみを中心に向けて偏心させてもよい。２次元状であれば、周辺部のすべての出射開口を偏心させてもよいし、少なくとも１つを偏心させてもよい。この場合にも、偏心させる方向は、アレイの中央に配向されることが望ましい。

好ましくは、複数の発光部は、基板上に形成された複数のポストを含み、出射開口はポスト頂部に形成され、酸化アパーチャは、ポスト内の電流狭窄層に形成される。ポストの形状は、円筒状または矩形状であってもよく、ポストは、メサと同義である。また、電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層を含み、ＡｌＡｓ層を選択的に酸化することで酸化アパーチャが形成される。この場合、ポストの側面から酸化させることで、ポストの形状を反映した酸化アパーチャを得ることができる。さらに、出射開口は、ポスト頂部の電極層に形成されても良いし、単層または多層の反射膜に形成してもよい。

本発明に係る面発光型半導体レーザアレイによれば、少なくとも１つの発光部のレーザ光のニアフィールド（近視野）パターンを他の発光部のそれと異ならせることで、合成されたレーザ光のビームプロファイルの中央部の出力低下を抑制することができる。このような面発光型半導体レーザアレイを光伝送用の光源に用いることで、より正確な光伝送を実現することができる。

以下、本発明のマルチスポット型のＶＣＳＥＬについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの模式的な平面図である。図１Ａは、発光部１−１、１−２、・・・１−ｎ（ｎは２以上の正の整数）を１次元アレイ状に配列させたＶＣＳＥＬアレイ１０であり、図１Ｂは、発光部１−１、１−２、・・・１−ｎをｍ列（ｍは２以上の正の整数）配列させて２次元状アレイ状のＶＣＳＥＬアレイ１２を示している。これらの発光部１−１、１−２、・・・１−ｎは、後述するように、半導体基板上に形成されるものであり、各発光部は、駆動回路からの同一駆動信号により同時に発光され、各発光部から出射されたレーザ光は、合成され、高出力のレーザ光が得られる。

図２は、マルチスポット型のＶＣＳＥＬアレイを駆動する回路の構成を示す図である。同図に示すように、レーザーダイオード・ドライバ（ＬＤＤ）２０は、マイクロコンピュータ等からの駆動制御信号を入力し、これに応答して発光部１−１、１−２、・・・１−ｎに対して同一の駆動信号２２を供給する。各発光部１−１、１−２、・・・１−ｎは、同一の駆動信号２２により駆動され、レーザ光を出射し、全体として１つの光信号が光ファイバ等に入射される。

図３は、本実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの発光部の構成を示す断面図である。図３は、一例として、２つの発光部が形成されたＶＣＳＥＬアレイを示している。同図に示すように、ｎ型の半導体基板３０上に、ｎ型の下部反射ミラー３１、活性領域３２、ｐ型の電流狭窄層３３、ｐ型の上部反射ミラー３４が積層され、その上にｐ側電極層３５が形成されている。ｐ側電極層３５には、レーザ光を出射するための出射開口３６が形成されている。また、基板３０の裏面にはｎ側電極層３７が形成されている。

２つの発光部Ｓ１、Ｓ２は、例えば、基板３０上に形成された円筒状のポストまたはメサ内に形成される。各ポストは、好ましくは、上部反射ミラー３４から下部反射ミラー３１の一部に至るまでエッチングにより形成されている。そして、ポスト内の電流狭窄層３３の外周には、ポスト形状を反映して選択的に酸化された酸化領域３３ａが形成され、酸化されずに残った円形状の導電性領域である酸化アパーチャ３３ｂが形成されている。

本実施例のＶＣＳＥＬにおいて、特徴的な点は、ポスト頂部のｐ側電極層３５に形成された出射開口３６の軸方向の中心Ｅ１、Ｅ２が、酸化アパーチャ３３ｂの軸方向の中心Ｃ１、Ｃ２から距離ｄだけ偏心していることである。すなわち、発光部Ｓ１の出射開口３６は、Ａ方向すなわち発光部Ｓ２に向かうように偏心し、他方、発光部Ｓ２の出射開口３６は、Ｂ方向すなわち発光部Ｓ１に向かうように偏心している。好ましくは、出射開口３６の周縁Ｐは、酸化アパーチャ３３ｂの周縁と一致する。または、好ましくは、偏心距離ｄは、酸化アパーチャ３３ｂの径の約最大２０％である。なお、ポストが円筒状であるとき、ポストの軸方向の中心と酸化アパーチャ３３ｂの中心はほぼ一致する。

出射開口３６を偏心させることで、活性領域３２で発光されたレーザ光は、出射開口３６の周縁Ｐにおいて内部に反射され、周縁Ｐと対向する周縁Ｑにおいて出射が助長される。このため、発光部Ｓ１から出射されたレーザ光は、ポストの軸方向の中心Ｃ１または酸化アパーチャの中心に関して、周縁Ｐ側の発散角θ１が抑制され、周縁Ｑ側の発散角θ２が助長された、非対称のニアフィールドパターンとなる。言い換えれば、発散角θ２は、発光部２に向けてより傾斜されたニアフィールドパターンとなる。一方、発光部Ｓ２から出射されたレーザ光は、Ｐ部側の発散角θ１が抑制され、Ｑ部側の発散角θ２が助長された、非対称のニアフィールドパターンとなる。

この結果、発光部Ｓ１と発光部Ｓ２のビームが重複する領域が多くなり、発光部Ｓ１と発光部Ｓ２の中央での合成がより多くなる。これにより、合成されたビームプロファイル３８は、図示するように中央の出力低下部分が抑制されたレーザ光となる。さらに、合成されたビームプロファイル半径Ｒ（ピーク強度の１／ｅ^２における半径）は、従来の図２２に示す合成されたビームプロファイルの半径よりも小さくなり、アレイから出射される合成されたレーザ光の発散角度またはビーム径を絞ることができる。

なお上記実施例では、出射開口をｐ側電極層に形成し、ｐ側電極層の裏面において発振したレーザ光を反射するようにしたが、これに限らず、他の導電層または半導体層により、発振するレーザ光をポスト内へ反射させる光反射層を形成するようにしてもよい。さらに発光部Ｓ１とＳ２の偏心距離ｄを等しくしたが、必ずしも等しくなくてもよい。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例は、出射開口の形状を酸化アパーチャの形状と相似形（双方とも平面形状は円形）としたが、第２の実施例は、図４に示すように出射開口４０を矩形状としている。出射開口４０の形状を除き、他の構成は、第１の実施例と同様であり、第２の実施例の場合にも、ニアフィールドパターンを非対称とし、かつ互いに接近する方向へ偏心させることで、合成されたビームプロファイル３８は、中央部の窪み（出力低下）が抑制され、かつパターン半径Ｒが絞られたレーザ光となる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。図５は、第３の実施例のＶＣＳＥＬの断面構造を示している。同図に示すように、第３の実施例では、基板上に３つの発光部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を形成している。この場合、中央に位置する発光部Ｓ２の出射開口の中心は、ポストの軸方向の中心Ｃ２または酸化アパーチャの中心と一致している。一方、発光部Ｓ１の出射開口の中心は、酸化アパーチャの中心Ｃ１からＡ方向すなわち発光部Ｓ２に向けて偏心し、発光部Ｓ３の出射開口の中心は、酸化アパーチャの中心Ｃ３からＢ方向すなわち発光部Ｓ２に向けて偏心している。

以下、詳細な構成を説明する。マルチスポット型のＶＣＳＥＬアレイ５０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１１０上に、ｎ型のバッファ層１１１、ｎ型の下部ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector:分布ブラック型反射鏡)層１１２、アンドープの下部スペーサ層とアンドープの量子井戸活性層とアンドープの上部スペーサ層とを含む活性領域１１３、ｐ型の上部ＤＢＲ層１１４を順次積層している。基板上に積層された複数の半導体層を所定の深さまで異方性エッチングすることにより、基板上にポスト１０２、１０４および１０６が形成される。ポスト１０２、１０４、１０６は、それぞれ円筒状を有し、その外形はほぼ同一サイズである。

ポスト１０２、１０４、１０６の上部ＤＢＲ層１０８の最下層には、ｐ型のＡｌＡｓ層１１５が形成されている。また、上部ＤＢＲ層１０８の最上層は、ｐ型のコンタクト層が形成されるようにしてもよい。ＡｌＡｓ層１１５は、ポスト１０２、１０４、１０６の側面から一部が酸化された酸化領域１１６と、酸化領域１１６によって囲まれた円形状の酸化アパーチャ（導電領域）１１７とを有する。ＡｌＡｓ層１１５は、酸化領域１１６によって囲まれた酸化アパーチャ１１７内に光およびキャリアを閉じ込める電流狭窄層として働く。ポスト１０２、１０４、１０６に形成された各酸化アパーチャ１１７の径は等しく、それぞれ、例えば約１２μｍである。ここで、酸化アパーチャの径は、当該酸化アパーチャを基板と水平方向の面内で測定したときの直径である。

ポスト１０２、１０４、１０６の頂部には、円形状の出射開口１１８が形成されたコンタクトメタル１１９がパターン形成されている。さらに、ポスト１０２、１０４、１０６の側壁および上面は、層間絶縁膜１２０によって覆われ、層間絶縁膜１２０には、コンタクトメタル１１９を露出するためのコンタクトホールが形成されている。このコンタクトホールを介してｐ側電極層１２１がパターン形成されている。また、基板の裏面にはｎ側電極１２２が形成されている。

発光部Ｓ１のポスト１０２において、コンタクトメタル１１９の出射開口１１８は、酸化アパーチャ１１７の軸方向の中心Ｃ１からＡ方向すなわち発光部Ｓ２に向けてオフセットしている。発光部Ｓ３のポスト１０６において、出射開口１１８は、酸化アパーチャ１１７の軸方向の中心Ｃ３からＢ方向すなわち発光部Ｓ２に向けてオフセットしている。中央の発光部Ｓ２のポスト１０４において、出射開口１１８の中心は、酸化アパーチャ１１７の軸方向の中心Ｃ２に一致している。

第３の実施例によれば、両側に位置する発光部Ｓ１、Ｓ３からのレーザ光のニアフィールドパターンを、中央の発光部Ｓ２に向けさせることで、合成されたレーザ光の発散角度を絞ることができる。同時に、ビームプロファイルにおいて局所的な出力低下も防止することができる。

さらに第３の実施例では、電流狭窄層を作成する手段として、ＡｌＡｓ層を選択酸化するようにしたが、これに限らず、図５Ｂに示すように、プロトンを注入し拡散領域１３０を形成することで導電性のアパーチャ１３１を形成するようにしてもよい。この場合には、必ずしも発光部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を形成するポストまたはメサの形成は不要である。

次に、本発明の第４の実施例について説明する。第４の実施例は、光反射膜により発光部の出射開口を形成している。図６は、第４の実施例のマルチスポット型ＶＣＳＥＬアレイに用いられる１つの発光部の断面図であり、図中、第３の実施例（図５）と同一構成については同一参照番号を付してある。第４の実施例では、ポスト頂部の上部ＤＢＲ層（最上部にｐ型コンタクト層を含むものであってもよい）１０８上に、単層または多層の反射膜層１４０が形成されている。反射膜層１４０には、上部ＤＢＲ層１０８を露出するためのコンタクトホール１４１が形成され、コンタクトホール１４１を介してｐ側電極層１２１が上部ＤＢＲ層１０８に電気的に接続されている。

反射膜１４０の中央には、出射開口１４２が形成されている。この出射開口１４２の位置は、上記したようにアレイ状の発光部の位置に応じて偏心させることができる。図６の例は、出射開口１４２の中心が、ポストの軸方向の中心Ｃすなわち酸化アパーチャ１３１の中心と一致している例を示している。反射膜１４０は、ポスト内で発振されたレーザ光をポスト内へ反射させるため、出射開口１４２の位置を調整することで、出射開口のニアフィールドパターンを調整することができる。

図７は、シングルスポットＶＣＳＥＬにおけるコンタクトメタル径比とＦＦＰ（ファーフィールドパターン）変化を示す実験結果である。第３の実施例において、コンタクトメタルに形成された出射開口の径をΦＡとし、酸化アパーチャの径をΦＢとしたとき、横軸にコンタクトメタル／酸化径（ΦＡ／ΦＢ）、縦軸にＦＦＰ変化率を示したものである。ＦＦＰは、ピーク強度の１／ｅ^２における半径の変化率である。ＦＦＰ変化率が１のとき、ＦＦＰまたは発散角度には変化がないことを示しており、コンタクトメタル径／酸化アパーチャ径の値が大きくなるにつれて、ＦＦＰの変化が鈍り、１に近づくことがわかる。つまり、コンタクトメタル径が酸化アパーチャ径よりも大きくなればなるほど、ＦＦＰの変化が小さくなる。従って、アレイ上の端部に位置する発光部ほど、コンタクトメタル径／酸化アパーチャ径の値を小さくし、より中心にニアフィールドパターンが偏心されるようにすることが望ましい。

図８は、シングルスポットＶＣＳＥＬにおける酸化アパーチャ径を中心にコンタクトメタル中心を偏心させたときのＦＦＰ(発散角度)の変化を示す実験結果である。横軸は、偏心距離ｄと酸化アパーチャの半径（ΦＢ／２）との比、縦軸にＦＦＰ変化率を示している。この実験結果から、酸化アパーチャの半径に対する偏心距離ｄが大きくなり、１．３に近づくと、ＦＦＰ変化率が１に近づくことがわかる。従って、偏心距離ｄと酸化アパーチャの半径は、１．１以下とすることが望ましい。すなわち、偏心距離ｄは、酸化アパーチャの約２０％以下とすることが望ましい。

次に、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について説明する。有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０に、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚が０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１１１を積層する。その上に、各層の厚さがλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であるＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとを交互に４０．５周期積層した下部ｎ型ＤＢＲ層１１２を形成する。下部ｎ型ＤＢＲ層１１２は、キャリア濃度は、１×１０¹⁸cm^-3である。その上に、アンドープ下部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層とアンドープ上部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスペーサ層とで構成された活性層領域１１３が形成される。

活性領域１１３上に、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層された上部ＤＢＲ層１１４が形成される。キャリア濃度は、１×１０¹⁸cm^-3である。また上部ｐ型ＤＢＲ層１１３の最下層には、低抵抗のｐ型ＡｌＡｓ層１１５が含まれている。さらに、上部ＤＢＲ層１１４の最上部に、キャリア濃度が１×１０¹⁹cm^-3となる膜厚１０ｎｍ程のｐ型ＧａＡｓコンタクト層が積層される。

それぞれのポスト１０２、１０４、１０６は、所定のマスクを用いて反応性イオンエッチングにより下部ｎ型ＤＢＲ層１１２の途中までエッチングする。これにより、同一の外径の円柱もしくは角柱のポスト１０２、１０４、１０６が形成される。ポストの間隔は、約５０μｍ程度である。

ポスト内の電流狭窄層（ＡｌＡｓ層）は、酸化工程において酸化される。このとき、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓ層がアルミ酸化物(ＡｌｘＯｙ)に変化するが、ＡｌＡｓの方がＡｌＧａＡｓに比べて酸化速度が圧倒的に速いため、ＡｌＡｓのみが選択的にポスト側壁端部からポスト中心部へ向っての酸化が進行し、最終的にメサの外形を反映した酸化領域１１６が形成される。酸化領域１１６によって囲まれた酸化アパーチャ（導電領域）１１７の径は、それぞれのポストにおいてほぼ等しい。酸化領域１１７は、導電性が低下し電流狭窄部となるが、同時に周囲の半導体層に比べ光学屈折率が半分程度（〜１．６）である関係から、光閉じ込め領域としても機能し、光およびキャリアが酸化アパーチャ１１７内に閉じ込められる。

ポストの底部、側部、および頂部の一部は、ＳｉＮまたはＳｉＯＮ等の層間絶縁膜１２０によって覆われる。ｐ側電極層１２１の材料として、Ａｕ等が用いられる。また、基板裏面のｎ側電極１２２としてＡｕ／Ｇｅが用いられる。

図９は、マルチチップ型のＶＣＳＥＬアレイが形成された半導体チップをモジュール化したときのパッケージの断面構成を示す図である。同図に示すように、パッケージ３００は、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを含むチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、チップ３１０の裏面に形成されたｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の表面に形成されたｐ側電極にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。

チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０の各メサからレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整する。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。

図１０は、他の半導体チップをモジュール化したパッケージの構成を示す図である。同図のパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０の代わりに、キャップ３５０の中央の開口内に平板ガラス３６２が固定されている。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のマトリックス状に形成されたアレイのほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０の各発光部からレーザ光が出射される。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の発散角度θ以上になるように調整する。このパッケージ３０２は、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。

図１１は、図９または図１０に示すパッケージを用いたスリット−集光レンズ光学系を示す図である。上記したようにＶＣＳＥＬアレイを含むパッケージ３００の上面からは、発散角θで合成レーザ光が出射される。この発散角θのレーザ光は、スリット３８０を通過することで径を絞られた、その後に集光レンズ３９０に入射される。これにより、高出力でありながら、ビーム径の小さな光伝送を行うことができる。

図１２は、図９または図１０に示すパッケージを用いたビーム分離−フォトダイオード入射光学系を示す図である。パッケージ３００の上面から発散角θで出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３９０またはハーフミラーに入射され、そこで、一部が受光フォトダイオード３９２に入射される。これは、例えばＶＣＳＥＬのレーザ光の光量をモニタする光学系に用いられる。

図１３は、図９に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。

ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

図１４は、図９に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５２０へ向けて反射される。反射ミラー５２０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。本発明のマルチスポット型のＶＣＳＥＬアレイを用いることで、高出力でありながら単峰性のレーザ光を光伝送に用いることができる。

図１５は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、マルチスポット型ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。本発明によるマルチスポット側のＶＣＳＥＬは、すべての領域において大きな出力低下のないビームプロファイルを有しているため、受光部６３０は、どの領域においても適切にレーザ光の検出を行うことができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１６は、光伝送装置の外観構成を示す図であり、図１７はその内部構成を模式的に示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１８および図１９に示す。これらの図において、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１６および図１７に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。

上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。さらに、制御信号を光信号で伝送する構成とし、光ファイバ８７０または別の光ファイバで伝送しても良い。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明に係るマルチスポット型面発光レーザは、プリンタや複写装置の光源や光通信、光ネットワーク等の光源として、広く利用することができる。

図１Ａは、１次元に発光部が配列されたＶＣＳＥＬアレイを示す平面図、図１Ｂは、２次元に発光部が配列されたＶＣＳＥＬアレイを示す図である。 マルチスポット型のＶＣＳＥＬの駆動回路の構成を示す図である。 本発明の第１の実施例に係るマルチスポット型のＶＣＳＥＬの構成を説明する図である。 本発明の第２の実施例に係るマルチスポット型のＶＣＳＥＬの構成を説明する図である。 図５Ａは本発明の第３の実施例に係るマルチスポット型のＶＣＳＥＬの構成を示す断面図、図５Ｂは第３の実施例の変形例を示す図である。 本発明の第４の実施例に係るマルチスポット型のＶＣＳＥＬの構成を説明する図である。 シングルスポットＶＣＳＥＬにおけるコンタクトメタル径比とＦＦＰ変化を示す実験結果である。 シングルスポットＶＣＳＥＬにおける酸化アパーチャ径を中心にコンタクトメタル中心を偏心させたときのＦＦＰ変化を示す実験結果である。 マルチスポット型のＶＣＳＥＬアレイが形成された半導体チップをモジュール化したパッケージの構成を示す概略断面図である。 他のパッケージの構成を示す概略断面図である。 本実施例に係るＶＣＳＥＬアレイを適用したスリット−集光レンズ光学系を示す図である。 本実施例に係るＶＣＳＥＬアレイを適用したビーム分離−フォトダイオード入射光学系を示す図である。 図８に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。 図９に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 光伝送装置の内部構成を示し、同図(ａ)は上面を切り取ったときの内部構造を示し、同図（ｂ）は側面を切り取ったときの内部構造を示している。 図１５の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。 図１５の映像伝送システムを裏側から示した図である。 従来のマルチスポット型ＶＣＳＥＬの発光パターンを示す図である。 従来のマルチスポット型ＶＣＳＥＬの発光孔を示す図である。 従来のマルチスポット型ＶＣＳＥＬの課題を説明する図である。

符号の説明

１０、１２、５０：ＶＣＳＥＬアレイ
１０２、１０４、１０６：ポスト
１１０：ｎ−ＧａＡｓ基板
１１１：バッファ層
１１２：下部ＤＢＲミラー層
１１３：活性領域
１１４：上部ＤＢＲミラー層
１０９：コンタクト層
１１５：ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）
１１６：酸化領域
１１７：酸化アパーチャ
１１８：出射開口
１１９：コンタクトメタル
１２０：層間絶縁膜
１２１：ｐ側電極
１２２：ｎ側電極

Claims (19)

1. １次元または２次元アレイ状に配列された複数の発光部を含み、各発光部は、基板上に、第１の反射ミラー、第２の反射ミラー、第１および第２の反射ミラーの間に形成された活性領域および電流狭窄層、第２の反射ミラーの上方の複数の出射開口を有し、各発光部は、同時に駆動されて各出射開口からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザアレイであって、
   少なくとも１つの発光部のレーザ光のニアフィールドパターンが、他の発光部のレーザ光のニアフィールドパターンと異なる、面発光型半導体レーザアレイ。
2. 少なくとも１つの発光部はアレイ端部に位置する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
3. 少なくとも１つの発光部のレーザ光のニアフィールドパターンは、出射開口の中心軸に関して非対称である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
4. アレイ端部に位置する発光部のレーザ光のニアフィールドパターンは、アレイ中央に向けて偏心している、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
5. 複数の発光部が２次元アレイ状に配列されているとき、アレイ周辺に位置する複数の発光部のレーザ光のニアフィールドパターンが、アレイ中央に向けて偏心している、請求項１または３に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
6. １次元または２次元アレイ状に配列された複数の発光部を含み、各発光部は、基板上に、第１の反射ミラー、第２の反射ミラー、第１および第２の反射ミラーの間に形成された活性領域および電流狭窄層、第２の反射ミラーの上方の複数の出射開口を有し、各発光部は、同時に駆動されて各出射開口からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザアレイであって、
   少なくとも１つの発光部の出射開口の中心が、対応する電流狭窄層の酸化アパーチャの中心から偏心している、面発光型半導体レーザアレイ。
7. 少なくとも１つの発光部はアレイ端部に位置する、請求項６に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
8. アレイ端部に位置する発光部の出射開口の中心は、アレイ中心に向かうように、酸化アパーチャの中心から偏心している、請求項６または７に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
9. 複数の発光部は、基板上に形成された複数のポストを含み、出射開口はポスト頂部に形成され、酸化アパーチャは、ポスト内の電流狭窄層に形成される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
10. 電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層を含み、ＡｌＡｓ層をポスト側面から選択的に酸化することで酸化アパーチャが形成される、請求項９に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
11. 出射開口は、発光部へ電流を注入する電極層に形成されている、請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
12. 出射開口は、ポスト頂部に形成された単層または多層反射膜によって形成されている、請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
13. 複数の発光部から出射されたレーザ光は合成されて１つの光信号として作用する、請求項１ないし１２いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
14. 請求項１ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイの半導体チップを実装したモジュール。
15. 請求項１４に記載のモジュールと、面発光型半導体レーザアレイに駆動信号を供給する駆動回路とを備えた面発光型半導体レーザ装置。
16. 請求項１４に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
17. 請求項１４に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
18. 請求項１４に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
19. 請求項１４に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。

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