JP2008034478A - Surface-emitting laser element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、トンネル接合構造を有する面発光レーザ素子に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser element having a tunnel junction structure.
下記の非特許文献1には、pn接合構造中にトンネル接合構造を埋め込んだ面発光レーザ素子が開示されている。pn接合構造に対して逆方向に電流を注入すると、トンネル接合構造にだけ電流が流れ、活性層に流入する。トンネル接合構造の屈折率は、その周囲の層の屈折率よりも高いため、トンネル接合構造は光導波路のコアとしての機能を持つ。活性層で発生した光は、この光導波路を通って光共振器内を繰り返し往復し、レーザ発振を起こす。
面発光レーザ素子に対しては、高出力と基本横モード発振(横単一モード発振)の両立が要望されている。高出力化のためには、より多くの電流を活性層に注入できるように、トンネル接合面の径を大きくすることが好ましい。上記の面発光レーザ素子では、トンネル接合面の直径が5μmのときは、基本横モード発振を実現することができる。しかし、直径をより大きくすると、基本横モードだけでなく、より高次の横モードもレーザ発振を起こしてしまう。 For surface emitting laser elements, both high output and fundamental transverse mode oscillation (lateral single mode oscillation) are desired. In order to increase the output, it is preferable to increase the diameter of the tunnel junction surface so that more current can be injected into the active layer. In the surface emitting laser element described above, fundamental transverse mode oscillation can be realized when the diameter of the tunnel junction surface is 5 μm. However, when the diameter is made larger, not only the fundamental transverse mode but also higher order transverse modes cause laser oscillation.
そこで、本発明は、高出力と基本横モード発振の両立が容易な面発光レーザ素子を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface emitting laser element that can easily achieve both high output and fundamental transverse mode oscillation.
本発明に係る面発光レーザ素子は、第1の反射層と、第1の反射層上に設けられた第1のスペーサ層と、第1のスペーサ層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第2のスペーサ層と、第2のスペーサ層上に設けられた第1のトンネル接合構造と、第2のスペーサ層上に設けられ、第1のトンネル接合構造から離間した第2のトンネル接合構造と、第2のスペーサ層上に設けられ、第1および第2のトンネル接合構造を覆い、第1の導電型を有する第3のスペーサ層と、第3のスペーサ層上に設けられた第2の反射層とを備えている。第1および第2のトンネル接合構造の各々は、第2のスペーサ層上に設けられ第2の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ第1の導電型を有する上部層とを含んでいる。 A surface-emitting laser device according to the present invention includes a first reflective layer, a first spacer layer provided on the first reflective layer, an active layer provided on the first spacer layer, and an active layer. A second spacer layer provided on the second spacer layer; a first tunnel junction structure provided on the second spacer layer; and a second spacer layer provided on the second spacer layer and spaced apart from the first tunnel junction structure. Two tunnel junction structures and a second spacer layer provided on the second spacer layer, covering the first and second tunnel junction structures and having the first conductivity type, and on the third spacer layer And a second reflective layer provided. Each of the first and second tunnel junction structures includes a lower layer provided on the second spacer layer and having a second conductivity type, and an upper layer provided on the lower layer and having the first conductivity type. Is included.
面発光レーザ素子の動作時に第1および第2のトンネル接合構造に電流が流れると、第1のトンネル接合構造だけでなく第2のトンネル接合構造も発熱する。このため、第1のトンネル接合構造から第2のトンネル接合構造へ向かう方向の熱勾配は、第1のトンネル接合構造が単独で設けられている場合に比べて緩やかになる。これに応じて屈折率勾配も緩やかになるので、その方向での熱レンズ効果の収束作用が抑えられる。これにより、高次横モードがレーザ発振を起こしにくくなるので、第1のトンネル接合構造におけるトンネル接合面の面積を大きくしても、横多モード発振が起こりにくい。したがって、この面発光レーザ素子は、高出力と基本横モード発振の両立が容易である。 When a current flows through the first and second tunnel junction structures during the operation of the surface emitting laser element, not only the first tunnel junction structure but also the second tunnel junction structure generates heat. For this reason, the thermal gradient in the direction from the first tunnel junction structure to the second tunnel junction structure becomes gentler than that in the case where the first tunnel junction structure is provided alone. Accordingly, the refractive index gradient also becomes gentle, so that the convergence of the thermal lens effect in that direction can be suppressed. As a result, the high-order transverse mode is less likely to cause laser oscillation, so that even if the area of the tunnel junction surface in the first tunnel junction structure is increased, transverse multimode oscillation is unlikely to occur. Therefore, this surface emitting laser element can easily achieve both high output and fundamental transverse mode oscillation.
第2のトンネル接合構造は、第1のトンネル接合構造を包囲する環状体であってもよい。 The second tunnel junction structure may be an annular body surrounding the first tunnel junction structure.
第2のトンネル接合構造によって第1のトンネル接合構造を包囲することで、第1のトンネル接合構造からその外側に向かう任意の方向で熱勾配および屈折率勾配が緩やかになる。この結果、熱レンズ効果の収束作用が大きく抑えられ、高次横モードがレーザ発振を極めて起こしにくくなるので、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易になる。 By surrounding the first tunnel junction structure with the second tunnel junction structure, the thermal gradient and the refractive index gradient are moderated in any direction from the first tunnel junction structure toward the outside thereof. As a result, the converging action of the thermal lens effect is greatly suppressed, and the high-order transverse mode becomes extremely difficult to cause laser oscillation, so that both high output and fundamental transverse mode oscillation are made easier.
第1のトンネル接合構造は、楕円形の平面形状を有していてもよい。第2のトンネル接合構造は、第1のトンネル接合構造を楕円状に包囲する環状体であってもよい。 The first tunnel junction structure may have an elliptical planar shape. The second tunnel junction structure may be an annular body that surrounds the first tunnel junction structure in an elliptical shape.
第1のトンネル接合構造が楕円形であるため、直線偏光したレーザ光を生成することが可能になる。第2のトンネル接合構造によって第1のトンネル接合構造を包囲することで、第1のトンネル接合構造からその外側に向かう任意の方向で熱勾配および屈折率勾配が緩やかになる。この結果、直線偏光したレーザ光を生成する場合でも、熱レンズ効果の収束作用を抑え、高出力と基本横モード発振を容易に両立できるようになる。 Since the first tunnel junction structure is elliptical, it becomes possible to generate linearly polarized laser light. By surrounding the first tunnel junction structure with the second tunnel junction structure, the thermal gradient and the refractive index gradient are moderated in any direction from the first tunnel junction structure toward the outside thereof. As a result, even when linearly polarized laser light is generated, the convergence effect of the thermal lens effect is suppressed, and both high output and fundamental transverse mode oscillation can be easily achieved.
本発明の面発光レーザ素子は、第2のスペーサ層上に設けられ、第1および第2のトンネル接合構造から離間した第3のトンネル接合構造を更に備えていてもよい。第3のトンネル接合構造は、第2のスペーサ層上に設けられ第2の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ第1の導電型を有する上部層とを含んでいてもよい。第1のトンネル接合構造は、円形の平面形状を有しており、第2および第3のトンネル接合構造は、第1のトンネル接合構造の平面形状の中心を通る一つの直線上において、第1のトンネル接合構造をその両側から挟むように配置されていてもよい。 The surface emitting laser element of the present invention may further include a third tunnel junction structure provided on the second spacer layer and spaced apart from the first and second tunnel junction structures. The third tunnel junction structure may include a lower layer provided on the second spacer layer and having the second conductivity type, and an upper layer provided on the lower layer and having the first conductivity type. Good. The first tunnel junction structure has a circular planar shape, and the second and third tunnel junction structures have a first straight line passing through the center of the planar shape of the first tunnel junction structure. These tunnel junction structures may be arranged so as to be sandwiched from both sides thereof.
第1〜第3のトンネル接合構造に電流が流れて発熱が起こると、第2および第3のトンネル接合構造が並ぶ方向と、その方向に直交する方向とでは熱分布および屈折率分布が異なることになる。このため、活性層で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じる。その結果、これらの直交偏光間で利得差が生じるので、第1〜第3のトンネル接合構造の寸法や配置を適切に設定すれば、一方の偏光のみをレーザ発振させることができる。このように、この面発光レーザ素子は、第1のトンネル接合構造が円形であるにもかかわらず、直線偏光されたレーザ光を生成することができる。 When heat flows due to current flowing through the first to third tunnel junction structures, the heat distribution and the refractive index distribution differ between the direction in which the second and third tunnel junction structures are arranged and the direction perpendicular to the direction. become. For this reason, a difference occurs in the group velocity between two polarized light beams generated in the active layer and orthogonal to each other. As a result, a gain difference is generated between these orthogonally polarized lights, so that only one polarized light can be laser-oscillated if the dimensions and arrangement of the first to third tunnel junction structures are appropriately set. As described above, the surface emitting laser element can generate linearly polarized laser light even though the first tunnel junction structure is circular.
本発明によれば、高出力と基本横モード発振の両立が容易な面発光レーザ素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a surface-emitting laser element that can easily achieve both high output and fundamental transverse mode oscillation.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第1実施形態
図1は、本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザ素子10を示す縦断面図であり、ここで、(a)は面発光レーザ素子10の全体を示し、(b)は面発光レーザ素子10に含まれるトンネル接合構造18および19を拡大して示している。図2は、図1のII−II線に沿った面発光レーザ素子10の横断面図である。このレーザ素子10は、垂直共振器型の面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)素子である。
First Embodiment FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a surface emitting
面発光レーザ素子10は、n型半導体からなる基板11を有しており、この基板11の一方の主面、すなわち上面には、反射層として分布ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector。以下、「DBR」)12が設けられている。基板11は、n型のGaAsからなる。DBR12は、n型ドーパントとしてSiがドープされたGaAs層の上にAlGaAs層(Alの組成比は0.9)を重ねた積層体を33周期積み重ねた構造を有している。
The surface-emitting
DBR12の上面には、スペーサ層13、活性層14、およびスペーサ層15が順次に積層されている。スペーサ層13はn型半導体からなり、スペーサ層15はp型半導体からなる。具体的には、スペーサ層13は、SiがドープされたGaAsからなる。活性層14は、InGaAs(Inの組成比は0.2)からなり、三重量子井戸(Triple Quantum Well:TQW)構造を有している。スペーサ層15は、p型ドーパントとしてCがドープされたAlGaAs(Alの組成比は0.2)からなる。
On the upper surface of the
p型スペーサ層15の上面には、二つのトンネル接合構造18、19が設けられている。図2に示すように、トンネル接合構造18は円形の平面形状を有しており、トンネル接合構造19は、トンネル接合構造18を包囲する円環形の平面形状を有している。これらのトンネル接合構造18,19は、互いに同軸に配置されている。各トンネル接合構造の高さ(厚さ)は30nmである。図1(b)に示すように、各トンネル接合構造は、p型スペーサ層15の上面に直接形成された下部層20と、下部層20の上面に直接形成された上部層21からなる。下部層20と上部層21との界面はトンネル接合40を成している。下部層20はp型半導体からなり、上部層21はn型半導体からなる。具外的には、下部層20は、p型ドーパントとしてCがドープされたInGaAs(Inの組成比は0.1)からなり、上部層21は、n型ドーパントとしてSiがドープされたInGaAs(Inの組成比は0.1)からなる。
Two
更に、p型スペーサ層15の上面には、トンネル接合構造18、19を覆うように、n型半導体からなるスペーサ層25が直接形成されている。このn型スペーサ層25は、SiがドープされたGaAsからなる。p型スペーサ層15とn型スペーサ層25との界面はpn接合を成している。
Further, a
n型スペーサ層25の上面には、コンタクト層26および上部電極27が順次に形成されている。また、基板11の上面とは反対側の主面、すなわち底面の全体には、下部電極30が形成されている。上部電極27はアノードであり、下部電極30はカソードである。コンタクト層26は、SiがドープされたGaAsからなる。図2に示すように、コンタクト層26および上部電極27は円環形の平面形状を有している。
A
n型スペーサ層25の上面には、更に、反射層としてDBR28が設けられている。コンタクト層26および上部電極27の開口は、このDBR28によって充填されている。DBR28は、Al2O3層の上にアモルファスSi層を重ねた積層体を4周期積み重ねた構造を有している。
On the upper surface of the n-
下側のDBR12と上側のDBR28は、光共振器を形成する。この光共振器は、基板11の主面に垂直な光軸を有している。基板11の主面に垂直な方向に沿ってDBR28を上方から見ると、トンネル接合構造18および19は、DBR28の下方に配置され、DBR28によって覆われている。DBR28は、トンネル接合構造18、19と同軸に配置されている。したがって、光共振器の光軸、トンネル接合構造18の中心軸、およびトンネル接合構造19の開口の中心軸は、同一直線上に配置されている。光共振器の光軸は、トンネル接合構造18とは交差するが、トンネル接合構造19とは交差しない。
The
上部電極27および下部電極30を介して面発光レーザ素子10に電流を流すと、DBR28からレーザ光が出射する。この電流は、p型スペーサ層15およびn型スペーサ層25からなるpn接合に対して逆方向に供給されるので、このpn接合によって遮断されるが、トンネル効果によってトンネル接合構造18および19を通過することはできる。このように、面発光レーザ素子10は、n型スペーサ層25中においてトンネル接合構造18および19でのみ電流が流れるという電流狭窄構造を有している。
When a current is passed through the surface emitting
活性層14にキャリアが注入されると、活性層14で光が発生する。トンネル接合構造18、19は、n型スペーサ層25より高い屈折率を有しているので、光導波路のコアとしての機能も有する。したがって、活性層14で発生した光は、n型スペーサ層25中において、主にトンネル接合構造18および19を通過する。この光は、DBR12および28によって繰り返し反射されて活性層14を通過し、そこで増幅される。この結果、最終的にレーザ発振が起こる。
When carriers are injected into the
以下では、図3および図4を参照しながら、面発光レーザ素子10の製造方法を説明する。まず、図3(a)に示すように、MOVPE法を用いて、基板11上に下側DBR層12、n型スペーサ層13、活性層14、p型スペーサ層15、p型InGaAs層20a、およびn型InGaAs層21aを順次に形成する。層20aおよび21aは、p型スペーサ層15の上面全体を覆う連続したトンネル接合構造22を成しており、トンネル接合構造18および19の母体となる。
Below, the manufacturing method of the surface emitting
次に、リアクタから基板11を取り出し、n型InGaAs層21の上面全体にレジスト24を塗布する。図3(b)に示すように、このレジスト24は、トンネル接合構造18および19(図2を参照)と同じ平面形状を有するように、フォトリソグラフィによってパターニングされる。
Next, the
続いて、図3(c)に示すように、パターンニングされたレジスト24をマスクとして用いてトンネル接合構造22をウェットエッチングし、トンネル接合構造18および19を形成する。この後、基板11を洗浄してから再びリアクタに搬入し、図4(d)に示すように、MOVPE法を用いてn型スペーサ層25を形成し、更にn型スペーサ層25の上面全体にコンタクト層26aを形成する。続いて、コンタクト層26aの上面に、開口27aを有する円環形の上部電極27を形成すると共に、基板11の下面全体に下部電極30を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, the
次に、図4(e)に示すように、コンタクト層26aのうち上部電極27の開口27aから露出する部分のみをウェットエッチングにより除去し、円環形のコンタクト層26を得る。この後、コンタクト層26および上部電極27の各開口を充填するようにDBRを蒸着し、上部電極27上のDBRをリフトオフ法によって除去してDBR28を形成する。こうして面発光レーザ素子10が完成する。
Next, as shown in FIG. 4E, only the portion of the contact layer 26a exposed from the
本発明者は、面発光レーザ素子10を作製すると共に、比較用の面発光レーザ素子も作製し、各々の特性を調べた。後述する図7(a)に示すように、比較用レーザ素子50は、面発光レーザ素子10からトンネル接合構造19を取り除いた構造を有している。各レーザ素子において、トンネル接合構造18の直径Dは7μmである。また、トンネル接合構造19は、内径が11μm、外径が15μmの円環であり、その幅Wは2μmである。
The inventor manufactured the surface-emitting
図5は、面発光レーザ素子10および比較用レーザ素子50の室温での電流−光出力特性を示している。ここで、実線は面発光レーザ素子10の特性を示し、破線は比較用レーザ素子50の特性を示している。比較用レーザ素子50の室温での最大光出力は3.0mWであるのに対し、面発光レーザ素子10の最大光出力は4.9mWである。面発光レーザ素子10の出力がより大きいのは、トンネル接合構造19の分だけトンネル接合の面積が大きく、それに応じて電流注入面積が大きくなり、結果として、より多くのキャリアが活性層14に注入されるためである。
FIG. 5 shows current-light output characteristics of the surface emitting
図6は、面発光レーザ素子10および比較用レーザ素子50の電流に対する横モード抑圧比の変化を示している。ここで、丸印および三角印は、様々な電流の下で測定された面発光レーザ素子10および比較用レーザ素子50の横モード抑圧比をそれぞれ示している。比較用レーザ素子50では、いずれの電流値でも横モード抑圧比が30dBに達しておらず、マルチモード発振が行われていることが分かる。一方、面発光レーザ素子10では、その出力に熱飽和が見られるような電流値の下でも、横モード抑圧比が30dB以上を維持しており、いずれの電流値でも基本横モード発振が行われている。
FIG. 6 shows the change of the transverse mode suppression ratio with respect to the current of the surface emitting
このように、面発光レーザ素子10は比較用レーザ素子50に比べて電流注入面積が大きいにもかかわらず、基本横モード発振が確保されている。以下では、図7および図8を参照しながら、この理由を説明する。ここで、図7(a)は、面発光レーザ素子50の縦断面図であり、図7(b)は、面発光レーザ素子50内の熱分布を図7(a)に対応させて表す概略図である。図8(a)は、面発光レーザ素子10の縦断面図であり、図8(b)は、面発光レーザ素子10内の熱分布を図8(a)に対応させて表す概略図である。
Thus, although the surface emitting
トンネル接合を利用した電流狭窄構造を有する面発光レーザ素子では、電流がトンネル接合構造を通過して流れるが、トンネル接合構造は抵抗体であるため、電流が流れると発熱する。この発熱は、比較用レーザ素子50では、トンネル接合構造18の径方向に沿って図7(b)に示すようなガウス型の熱分布(温度分布)50aを形成する。トンネル接合構造18の周縁部は電流の流れない領域に接しているため、トンネル接合構造18の中央部に比べて温度が低い。トンネル接合構造18の外側の領域でも、トンネル接合構造18の中心軸から遠ざかるにつれて温度が低下する。
In a surface emitting laser element having a current confinement structure using a tunnel junction, a current flows through the tunnel junction structure. However, since the tunnel junction structure is a resistor, heat is generated when a current flows. In the
比較用レーザ素子50の屈折率は、熱分布50aに応じて変化する。つまり、図7(b)の50aは、比較用レーザ素子50の屈折率分布をも表している。比較用レーザ素子50の屈折率は、熱分布50aに対応して、トンネル接合構造18の中心軸から遠ざかるにつれて低下する。こうして、ガウス型の屈折率分布50aが形成される。この屈折率分布50aは、「熱レンズ効果」と呼ばれる現象を発生させ、光共振器内を伝播する光を収束させる。この熱レンズ効果は、基本横モードだけでなく、より高次の横モード42も収束させる。この結果、比較用レーザ素子50では、基本横モードと高次横モード間の損失差が減少し、基本横モードだけでなく、高次横モードまでもがレーザ発振を起こしたと考えられる。
The refractive index of the
これに対し、面発光レーザ素子10では、トンネル接合構造18に加えて、その外側に設けたもう一つのトンネル接合構造19が電流によって発熱する。このため、トンネル接合構造18からトンネル接合構造19へ向かう任意の方向において熱勾配が緩やかになり、それに応じて屈折率勾配も緩やかになる。トンネル接合構造19はトンネル接合構造18から離間しているため、面発光レーザ素子10の屈折率は、トンネル接合構造18の中心軸から遠ざかるにつれて一旦、減少する。しかし、トンネル接合構造19に近づくにつれて温度が上昇し、それに伴い屈折率も上昇する。したがって、図8(b)に示すように、面発光レーザ素子10の熱分布および屈折率分布10aはガウス型ではなくなる。
On the other hand, in the surface emitting
屈折率分布10aは、トンネル接合構造18の中心軸上にピークを有すると共に、トンネル接合構造19に対応する径方向位置にもピークを有する。基本横モードは、トンネル接合構造18の中心軸上にピークを有するガウス型の光パワー分布を有するので、屈折率分布10aによって十分に収束され、レーザ発振を起こす。しかし、より高次の横モードは、その光パワーのピークがトンネル接合構造18の中心軸から径方向にずれるため、トンネル接合構造19に対応する屈折率ピークの影響を比較的強く受ける。このため、高次横モードに対しては熱レンズ効果の収束作用が抑えられ、図8(b)に示すように、高次横モード42の回折損失が増加する。これにより、高次横モードがレーザ発振に至らず、結果として、比較用レーザ素子50と同じトンネル接合構造18を有するにもかかわらず、基本横モード発振が維持されたと考えられる。
The
なお、トンネル接合構造18および19の平面形状の寸法を下記の表に示すように設定した面発光レーザ素子を作製したところ、いずれにおいても基本横モード発振が得られた。
ここで、「主トンネル」は、光共振器の光軸上に配置されたトンネル接合構造18を表し、「副トンネル」は、光共振器の光軸からずらして配置されたトンネル接合構造19を表している。一つの主トンネルの直径値に対して副トンネルの内径値を2通り用意し、各内径値に対して副トンネルの幅を2通り用意した。したがって、主トンネルの各直径値に対して面発光レーザ素子を4個ずつ作製した。
In addition, when a surface emitting laser element in which the planar shape dimensions of the
Here, the “main tunnel” represents the
このように、本実施形態では、トンネル接合構造18の外側に別のトンネル接合構造19を離間させて配置することで、電流注入面積(トンネル接合面積)を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を保つことができる。したがって、電流注入面積の拡大による高出力と、基本横モード発振(単一横モード発振)との両立を容易に実現することができる。
As described above, in the present embodiment, by disposing another
特に、本実施形態では、トンネル接合構造19がトンネル接合構造18を包囲する環状体であるため、トンネル接合構造18からトンネル接合構造19へ向かう任意の方向において屈折率勾配を緩和し、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用を大きく抑えることができる。これにより、高次横モードがレーザ発振を極めて起こしにくくなるので、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易である。したがって、面発光レーザ素子10は、それ単独では横多モード発振してしまうほど面積の大きなトンネル接合構造18を有するにもかかわらず、基本横モード発振を行うことができる。
In particular, in this embodiment, since the
第2実施形態
本発明の第2の実施形態に係る面発光レーザ素子は、トンネル接合構造の平面形状が第1実施形態と異なる。第2実施形態の他の構成は、第1実施形態と同様である。図9は、本実施形態の面発光レーザ素子の横断面図であり、トンネル接合構造31および32を示している。この図は、第1実施形態に対する図2に対応する。
Second Embodiment A surface-emitting laser element according to a second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in the planar shape of a tunnel junction structure. Other configurations of the second embodiment are the same as those of the first embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view of the surface emitting laser element according to the present embodiment and shows
トンネル接合構造31は、DBR28と同軸に配置されており、楕円形の平面形状を有している。トンネル接合構造32は、トンネル接合構造31を楕円状に包囲し、トンネル接合構造31から離間した環状の平面形状を有している。図9に示すように、基板11の主面に垂直な方向(図9の紙面に垂直な方向)に沿ってDBR28を上方から見ると、トンネル接合構造31および32は、DBR28の下方に配置され、DBR28によって覆われている。
The
トンネル接合構造31が楕円形状であるため、出力レーザ光を直線偏光にすることができる。トンネル接合構造31に電流が流れて発熱が起こると、トンネル接合構造31の楕円形の長軸方向と短軸方向とで屈折率分布が異なるようになる。このため、活性層14で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じる。その結果、これらの直交偏光間で利得差が生じ、結果として、一方の偏光のみがレーザ発振を起こして出力されることになる。このように、本実施形態の面発光レーザ素子からは、一方向に偏光したレーザ光が出射する。
Since the
トンネル接合構造32は、このような直線偏光を出射する面発光レーザ素子において横多モード発振を防止するように働く。トンネル接合構造31の外側にトンネル接合構造32がトンネル接合構造31から離間させて配置されているため、第1実施形態と同様に、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用が抑えられる。このため、トンネル接合構造32によって電流注入面積を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を保つことができる。特に本実施形態では、トンネル接合構造32がトンネル接合構造31を包囲する環状体であるため、トンネル接合構造31からトンネル接合構造32へ向かう任意の方向において屈折率勾配を緩和し、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用を大きく抑えることができる。これにより、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易になるので、トンネル接合構造31におけるトンネル接合面積が、それ単独では横多モード発振してしまうほど大きくても、基本横モード発振を確保することができる。
The
第3実施形態
本発明の第3の実施形態に係る面発光レーザ素子は、トンネル接合構造の平面形状が第1、第2実施形態と異なる。第3実施形態の他の構成は、第1実施形態と同様である。図10は、本実施形態の面発光レーザ素子の横断面図であり、トンネル接合構造35、36および37を示している。この図は、第1実施形態に対する図2に対応する。
Third Embodiment A surface-emitting laser element according to a third embodiment of the present invention is different from the first and second embodiments in the planar shape of a tunnel junction structure. Other configurations of the third embodiment are the same as those of the first embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view of the surface emitting laser element according to the present embodiment and shows
トンネル接合構造35はDBR28と同軸に配置されており、円形の平面形状を有している。トンネル接合構造36および37は、トンネル接合構造35の直径よりも小さい同一の直径を有する円形の平面形状を有している。トンネル接合構造36、37は、トンネル接合構造35の一つの直径の延長線上においてトンネル接合構造35の両側に配置されており、トンネル接合構造35から離間している。すなわち、トンネル接合構造35〜37の円形平面形状の各中心は、一本の直線45上に配置されている。図10に示すように、基板11の主面に垂直な方向(図10の紙面に垂直な方向)に沿ってDBR28を上方から見ると、トンネル接合構造35〜37は、DBR28の下方に配置され、DBR28によって覆われている。
The
トンネル接合構造35の外側にトンネル接合構造36、37がトンネル接合構造35から離間させて配置されているため、上記実施形態と同様に、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用が抑えられる。このため、トンネル接合構造36、37によって電流注入面積を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を確保することができる。
Since the
更に、本実施形態では、トンネル接合構造35が円形であるにもかかわらず出力レーザ光を直線偏光にすることができる。トンネル接合構造35〜37に電流が流れて発熱が起こると、トンネル接合構造36および37が並ぶ方向(図10の直線45に沿った方向)と、その方向に直交する方向とでは屈折率分布が異なるようになる。このため、活性層14で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じるので、これらの直交偏光間で利得差が生じ、結果として、一方の直線偏光のみがレーザ発振を起こして出力される。このように、本実施形態の面発光レーザ素子からは、一方向に偏光したレーザ光が出射する。
Furthermore, in the present embodiment, the output laser light can be linearly polarized although the
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
活性層14とp型スペーサ層15との間に、これらの層14,15よりも高いバンドギャップを有する別のp型スペーサ層を追加してもよい。この追加スペーサ層は、例えば、p型ドーパントとしてCがドープされたAlGaAsからなる。このような追加スペーサを設けることで、活性層14にキャリアが効率良く閉じ込められるので、面発光レーザ素子の電流−光出力特性を改良することができる。
Another p-type spacer layer having a higher band gap than these
本発明において、第1のトンネル接合構造から離間した第2のトンネル接合構造は、単一でもよいし、第3実施形態のように複数であってもよい。第2のトンネル接合構造を複数設ける場合、高次横モードのレーザ発振を防ぐ観点からは、それらの第2のトンネル接合構造を第3実施形態のように一直線上に配置する必要は必ずしもなく、不規則に配置してもよい。また、高次横モードのレーザ発振を防ぐためには、それら第2のトンネル接合構造の平面形状が同一である必要もない。 In the present invention, the second tunnel junction structure separated from the first tunnel junction structure may be single or plural as in the third embodiment. When a plurality of second tunnel junction structures are provided, it is not always necessary to arrange the second tunnel junction structures on a straight line as in the third embodiment, from the viewpoint of preventing laser oscillation of higher-order transverse modes. You may arrange irregularly. In order to prevent high-order transverse mode laser oscillation, the planar shapes of the second tunnel junction structures do not have to be the same.
上記実施形態では、基板11、スペーサ層13、上部層21、およびスペーサ層25がn型であり、スペーサ層15、および下部層20がp型であるが、これらの層の導電型を逆にしてもよい。また、スペーサ層13はノンドープ層であってもよい。
In the above embodiment, the
10…面発光レーザ素子、11…基板、12…下側DBR、13…n型スペーサ層、14…活性層、15…p型スペーサ層、25…n型スペーサ層、27…上部電極、28…上側DBR、30…下部電極、18、19、31、32、35〜37…トンネル接合構造、50…比較用レーザ素子。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第1の反射層上に設けられた第1のスペーサ層と、
前記第1のスペーサ層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第2のスペーサ層と、
前記第2のスペーサ層上に設けられた第1のトンネル接合構造と、
前記第2のスペーサ層上に設けられ、前記第1のトンネル接合構造から離間した第2のトンネル接合構造と、
前記第2のスペーサ層上に設けられ、前記第1および第2のトンネル接合構造を覆い、第1の導電型を有する第3のスペーサ層と、
前記第3のスペーサ層上に設けられた第2の反射層と、
を備え、
前記第1および第2のトンネル接合構造の各々は、前記第2のスペーサ層上に設けられ第2の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ前記第1の導電型を有する上部層とを含んでいる、
る面発光レーザ素子。 A first reflective layer;
A first spacer layer provided on the first reflective layer;
An active layer provided on the first spacer layer;
A second spacer layer provided on the active layer;
A first tunnel junction structure provided on the second spacer layer;
A second tunnel junction structure provided on the second spacer layer and spaced apart from the first tunnel junction structure;
A third spacer layer provided on the second spacer layer, covering the first and second tunnel junction structures and having a first conductivity type;
A second reflective layer provided on the third spacer layer;
With
Each of the first and second tunnel junction structures has a lower layer provided on the second spacer layer and having a second conductivity type, and has the first conductivity type provided on the lower layer. Including upper layer,
Surface emitting laser element.
前記第2のトンネル接合構造は、前記第1のトンネル接合構造を楕円状に包囲する環状体である、請求項1に記載の面発光レーザ素子。 The first tunnel junction structure has an elliptical planar shape,
2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the second tunnel junction structure is an annular body that surrounds the first tunnel junction structure in an elliptical shape.
前記第3のトンネル接合構造は、前記第2のスペーサ層上に設けられ前記第2の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ前記第1の導電型を有する上部層とを含んでおり、
前記第1のトンネル接合構造は、円形の平面形状を有しており、
前記第2および第3のトンネル接合構造は、前記第1のトンネル接合構造の前記平面形状の中心を通る一つの直線上において、前記第1のトンネル接合構造をその両側から挟むように配置されている、請求項1に記載の面発光レーザ素子。
2. The surface-emitting laser device according to claim 1, further comprising a third tunnel junction structure provided on the second spacer layer and spaced apart from the first and second tunnel junction structures.
The third tunnel junction structure includes: a lower layer provided on the second spacer layer and having the second conductivity type; and an upper layer provided on the lower layer and having the first conductivity type. Including
The first tunnel junction structure has a circular planar shape,
The second and third tunnel junction structures are arranged so as to sandwich the first tunnel junction structure from both sides thereof on one straight line passing through the center of the planar shape of the first tunnel junction structure. The surface emitting laser element according to claim 1.
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