JP2006351692A - 面発光レーザ、およびその製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振波長を高精度に制御することが可能な面発光レーザ、およびその製造方法および装置を提供する。
【解決手段】 高精度に発振波長を制御できる面発光レーザ１を作製するため片面にｎ電極１１が形成されたｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、下部ＤＢＲ層１３、活性層１４および第１の上部ＤＢＲ層（上部反射層）１５Ａを形成する。その段階で反射率または透過率を計測し、所望の発振波長になるように、第１の上部ＤＢＲ層１５Ａ上に波長調整をするための波長調整層１６を形成する。更に、波長調整層１６上に、第２の上部ＤＢＲ層（上部反射層）１５Ｂ及びｐ電極１７を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光レーザ、およびその製造方法および装置に関する。

近年、光ファイバを用いた高速光通信が、オフイスや一般家庭においても可能になってきた。ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）により、最大１００Ｍｂｐｓの高速通信網が整備されはじめ、ＳＯＨＯ（Small Office Home Office）等に導入されている。

高速光通信においては、通信用半導体レーザの波長を多重化して送信するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長多重）が広く用いられている。通信用半導体レーザの１つに面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）がある。

このＶＣＳＥＬは、活性層を上下から屈折率の異なる２種の透明材料からなる分布ブラッグ反射構造（ＤＢＲ）で包み込んで、光を閉じ込めることで発振させる。基板側のＤＢＲである下部ＤＢＲは、４０周期（８０層）程度であり、膜厚の精度には高い値が要求される。このときの膜厚制御が十分でないと、発振波長をうまくコントロールできない。

発振波長のコントロールを可能する従来の面発光レーザとして、例えば、レーザの温度により発振波長を制御する構成（例えば、特許文献１参照。）、面発光レーザを磁場中に置き、磁場により誘電体多層膜に力を付与して共振器長を変化させる構成（例えば、特許文献２参照。）、上部反射膜がたわみ膜を有し、このたわみ膜のたわみ量を電圧により制御して共振器長を変化させる構成（例えば、特許文献３参照。）が知られている。
特開平８−４６５９３号公報（［００１５］〜［００１８］、図１、図２） 特開平１０−２７９４３号公報（［００１２］〜［００１５］、図１） 特開２００２−２８９９６９号公報（［００２６］〜［００２９］、図１）

しかし、従来の面発光レーザによると、膜厚制御性の高いＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いても膜厚誤差が生じるため、発振波長は多層膜の予め設定した膜厚のバラツキの範囲内でしか制御することができない。

従って、本発明の目的は、発振波長を高精度に制御することが可能な面発光レーザ、およびその製造方法および装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は、上記目的を達成するため、活性層の上下面をそれぞれ多層膜による上部反射層および下部反射層で挟持した面発光レーザにおいて、前記上部反射層は、所定の厚さの波長調整層を含むことを特徴とする面発光レーザを提供する。

上記面発光レーザによれば、波長調整層の厚さを選択することにより、面発光レーザの作製段階で目標発振波長が得られる。

前記波長調整層は、前記活性層から外部に出射される発振波長が目標発振波長に対して±１μｍ以下の精度を有するように前記所定の厚さを選択してもよい。膜構成を適切に選択すれば、波長調整層の膜厚変化に対する発振波長の変化を小さくすることが可能であり、膜厚変化の１／１０の精度で発振波長を制御できる。これにより、目標発振波長に対して±１μｍ以下の高精度な波長制御が可能になる。

波長調整層および上部反射層は、誘電体からなる構成にすることができる。誘電体は、屈折率が高いことから、上部反射層の層数を少なくすることができる。

波長調整層は、半導体から構成し、波長調整層の上に形成される上部反射層は、誘電体から構成することができる。また、波長調整層は、誘電体から構成し、波長調整層の上に形成される上部反射層は、半導体から構成することができる。

上部反射層は、複数の波長調整層を含む構成とすることができる。波長調整層を複数回に分けて活性層上に挿入することにより、より精度の高い発振波長が得られる。

本発明の第２の態様は、上記目的を達成するため、活性層の上下面をそれぞれ多層膜による上部反射層および下部反射層で挟持した面発光レーザの製造方法において、基板側に前記下部反射層および前記活性層を形成する第１の工程と、前記第１の工程によって得られた積層体における発振波長を測定する第２の工程と、前記発振波長の測定結果に応じた厚さの波長調整層を前記活性層上に形成する第３の工程と、前記波長調整層上に前記上部反射層を形成する第４の工程とを含むことを特徴とする面発光レーザの製造方法を提供する。

上記面発光レーザの製造方法によれば、発振波長の測定結果に応じた厚さの波長調整層を設けることにより、面発光レーザの作製段階で目標発振波長が得られる。下部反射層、活性層、波長調整層および上部反射層は、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）やＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）等の膜厚制御性に優れる着膜法により形成することができる。

上記第１の工程は、活性層上に上部反射層の一部を着膜する工程を含み、第４の工程は、上部反射層の残りを着膜する構成としてもよい。

上記第２の工程は、着膜装置内で発振波長を測定し、上記第３および第４の工程は、着膜装置内で波長調整層および上部反射層を形成してもよい。これにより、作製途中の積層体を着膜装置から取り出すことなく発振波長の測定と膜形成を行うことができる。

本発明の第３の態様は、上記目的を達成するため、活性層の上下面をそれぞれ多層膜による上部反射層および下部反射層で挟持した面発光レーザの製造装置において、基板側に前記下部反射層および前記活性層を形成する着膜装置と、前記着膜部によって得られた積層体における発振波長透過特性または反射特性を測定する測定手段とを備え、前記着膜装置は、前記発振波長透過（又は反射）波長ピークの測定結果に応じた厚さの波長調整層を前記活性層上に形成し、前記波長調整層上に前記上部反射層を形成することを特徴とする面発光レーザの製造装置を提供する。

本発明によれば、波長調整層の厚さを選択することにより、発振波長を高精度に制御することが可能となる。

（面発光レーザの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る面発光レーザの構成を示す。この面発光レーザ１は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、下部ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)層１３、ＧａＡｓ系からなるＭＱＷ(Multi Quantum Well:多重量子井戸構造）の活性層１４、酸化狭窄層１４ａ、第１の上部ＤＢＲ層１５Ａ、位相制御層としての波長調整層１６、および第２の上部ＤＢＲ層１５Ｂを、この順序でＭＯＣＶＤ法等により順次形成し、ＧａＡｓ基板１２の下面にｎ電極１１、および第２の上部ＤＢＲ層１５Ｂの上面に開口１７ａを有するｐ電極１７を形成したものである。

下部ＤＢＲ層１３は、例えば、ｎ型半導体Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１ＡｓとＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓを交互に４０周期（８０層）設けた多層膜からなる。

第１の上部ＤＢＲ層１５Ａは、例えば、ｐ型半導体Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１ＡｓとＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓの４周期からなり、第２の上部ＤＢＲ層１５Ｂは、誘電体ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の６周期からなる。

波長調整層１６は、例えば、ＴｉＯ_２膜（やＳｉＯ_２膜など）による１層からなり、その膜厚（ＱＷＯＴ：quarter-wave optical-thickness）を適切に選ぶことにより、最終的な発振波長を制御できる。なお、波長調整層１６は、１箇所に限定されるものではなく、異なる位置に配置してもよい。

（面発光レーザの製造方法）
次に、面発光レーザ１の製造方法を図１〜図５を参照して説明する。

図２は、製造工程の途中の段階で反射率を測定した結果を示す。図３は、波長調整層１６の膜厚と発振波長の関係を示す。図４は、面発光レーザ完成後の反射率を測定した結果を示す。

まず、片面にｎ電極１１が形成されたｎ−ＧａＡｓ基板１２を準備し（Ｓ１０１）、このｎ−ＧａＡｓ基板１２を着膜装置に入れて、ＧａＡｓ基板１２のｎ電極１１を有しない面上に下部ＤＢＲ層１７を着膜する（Ｓ１０２）。さらに、下部ＤＢＲ層１７上に活性層１４を着膜する（Ｓ１０３）。次に、活性層１４上に、酸化狭窄層１４ａを含むｐ型半導体による第１の上部ＤＢＲ層（上部ＤＢＲ層の一部）１５Ａを、例えば、４周期まで着膜する（Ｓ１０４）。

次に、第１の上部ＤＢＲ層１５Ａまで形成した積層体（中間品）を着膜装置から取り出し、反射率を測定する（Ｓ１０５）。その反射率の測定結果が、図２に示すように、目標発振波長８６０ｎｍに対し８５４ｎｍであったとする。次ぎにメサ形状にエッチングを行って、酸化狭窄層１４ａに対し酸化狭窄を行い、電流経路を形成する。

目標発振波長８６０ｎｍに対し８５４ｎｍとなった原因は主にキャビティ製膜時の膜厚ばらつきによるものと考えられるが、次に、測定値である８５４ｎｍに対応する波長調整層１６の膜厚と発振波長との関係図を用いて次に着膜すべき波長調整層１６の厚さを決定する（Ｓ１０６）。すなわち、図３に示すように、波長調整層１６の膜厚（単位ＱＷＯＴ）と発振波長の関係を示す特性（反射スペクトル）図や対応表を目標波長や測定波長に応じて用意しておき、目標発振波長が８６０ｎｍ、測定波長が８５４ｎｍであるので、それらに対応する図３から波長調整層１６の膜厚を１．５５ＱＷＯＴ（λ／４ｎ）＝１４５ｎｍと決定する。なお、図２および図４では反射スペクトルを測定したが、透過スペクトルでもよい。なお、ここではＴｉＯ_２を例に挙げたが、膜堆積時に、より精密な膜厚制御が出来る材料を用いることが重要であることは言うまでもない。

次に、中間品を着膜装置に戻し、誘電体による波長調整層１６を１４５ｎｍの膜厚に成膜する（Ｓ１０７）。

次に、波長調整層１６上に誘電体による第２の上部ＤＢＲ層（上部ＤＢＲ層の残り）１５Ｂを、例えば、６周期をλ／４づつ堆積する（Ｓ１０８）。その後、上部ＤＢＲ層１５Ｂの上に、開口１７ａを有するｐ電極１７を形成し、図１に示す面発光レーザ１が完成する。

図１に示す面発光レーザ１は、ｎ電極１１とｐ電極１７の間に所定の電圧を印加すると、活性層１４が励起される。この励起により、活性層１４は、図４に示すように目標発振波長８６０ｎｍで発振させることができる。

（実施の形態の効果）
この実施の形態によれば、作製工程の途中で、その反射特性を測定することにより、その時点で発振波長が予測でき、目標値と異なることがあっても、波長調整層１６を活性層１４上に設けることで所望の波長で発振するように反射率特性のディップ位置を調節することができるため、従来は、発振波長を膜厚バラツキの範囲内でしか制御できなかったのに対し、面発光レーザ１の発振波長を±１μｍ以下の精度に制御することができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

例えば、着膜装置（チャンバ）内に反射率（または透過率）を測定するための光学系を配置し、所望の発振波長からのずれを着膜装置内で測定するようにすれば、作製の途中で中間品を着膜装置から取り出すことなく、発振波長を制御することができる。

上記実施の形態では、上部ＤＢＲ層の一部を、活性層を着膜してから（または[活性層着膜後に]）発振波長を測定したが、上部ＤＢＲ層の一部を着膜せずに発振波長を測定してもよい。

本発明の実施の形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。 活性層上に上部ＤＢＲ層を４周期まで作製した段階における反射率の測定結果を示す図である。 波長調整層の膜厚と発振波長の関係を示す図である。 完成後の面発光レーザの反射率の測定結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１ 面発光レーザ
１１ ｎ電極
１２ ＧａＡｓ基板
１３ 下部ＤＢＲ層
１４ 活性層
１４ａ 酸化狭窄層
１５Ａ 第１の上部ＤＢＲ層
１５Ｂ 第２の上部ＤＢＲ層
１６ 波長調整層
１７ ｐ電極
１７ａ 開口

Claims (10)

1. 活性層の上下面をそれぞれ多層膜による上部反射層および下部反射層で挟持した面発光レーザにおいて、
   前記上部反射層は、所定の厚さの波長調整層を含むことを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記波長調整層は、前記活性層から外部に出射される発振波長が目標発振波長に対して±１μｍ以下の精度を有するように前記所定の厚さが選択されたことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記波長調整層および前記上部反射層は、誘電体からなることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
4. 前記波長調整層は、半導体からなり、
   前記波長調整層の上に形成される前記上部反射層は、誘電体からなることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
5. 前記波長調整層は、誘電体からなり、
   前記波長調整層の上に形成される前記上部反射層は、半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
6. 前記上部反射層は、複数の前記波長調整層を含むことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
7. 活性層の上下面をそれぞれ多層膜による上部反射層および下部反射層で挟持した面発光レーザの製造方法において、
   基板側に前記下部反射層および前記活性層を形成する第１の工程と、
   前記第１の工程によって得られた積層体における発振波長透過特性または反射特性を測定する第２の工程と、
   前記発振波長透過（又は反射）波長ピークの測定結果に応じた厚さの波長調整層を前記活性層上に形成する第３の工程と、
   前記波長調整層上に前記上部反射層を形成する第４の工程とを含むことを特徴とする面発光レーザの製造方法。
8. 前記第１の工程は、前記活性層上に前記上部反射層の一部を着膜する工程を含み、
   前記第４の工程は、前記上部反射層の残りを着膜することを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザの製造方法。
9. 前記第２の工程は、着膜装置内で前記発振波長を測定し、
   前記第３および第４の工程は、前記着膜装置内で前記波長調整層および前記上部反射層を形成することを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザの製造方法。
10. 活性層の上下面をそれぞれ多層膜による上部反射層および下部反射層で挟持した面発光レーザの製造装置において、
    基板側に前記下部反射層および前記活性層を形成する着膜装置と、
    前記着膜部によって得られた積層体における発振波長透過特性または反射特性を測定する測定手段とを備え、
    前記着膜装置は、前記発振波長透過（又は反射）波長ピークの測定結果に応じた厚さの波長調整層を前記活性層上に形成し、前記波長調整層上に前記上部反射層を形成することを特徴とする面発光レーザの製造装置。