JP2008277445A - 半導体レーザおよび光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】水平共振器面発光レーザにおいて、ファイバ等との光結合損失の少ない円形狭出射ビームを得ることのできる素子構造を提供する。
【手段】第一の手段は、４５°に傾斜した平面反射鏡と楕円形の裏面レンズが集積形成された構造の水平共振器面発光レーザとすることである。第二の手段は、４５°に傾斜した円柱表面形状の反射鏡と円柱表面形状の裏面レンズが集積形成された構造の水平共振器面発光レーザとすることである。これらの手段によりレーザビームの水平成分と垂直成分を独立に整形することが可能となるので、円形狭出射ビームを得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光通信用レーザや光ディスク用レーザ等の半導体レーザ、および半導体レーザを搭載した光送信モジュールやキャンモジュール等の光モジュールに関する。
半導体レーザは、その共振器方向とレーザ光出射方向の組み合わせ方により分類すると次の三種類に分けられる。第一は水平共振器端面発光レーザであり、第二は垂直共振器面発光レーザ、第三は水平共振器面発光レーザである。
第一の水平共振器端面発光レーザは、基板面内に水平な方向に光導波路が形成されており、基板をへき開により分割した端面からレーザ光を出射するものである。このレーザ構造では共振器長を数百μｍ程度と長くすることができるので高い光出力を得ることに適しており、最も一般的に普及しているレーザ構造である。しかしながら、本構造を用いた場合には、レーザの反射鏡を形成するために、作製プロセスの途中で半導体基板を分割する必要がある。このため、ウェハを割らずに作製プロセスと特性検査まで通して行うということができず、製造コストが高くなるというデメリットがある。
次に、第二の垂直共振器面発光レーザは、共振器を半導体基板に垂直な方向に形成した構造をもつレーザである。このため、共振器を形成するために基板を分割する必要がないので、フルウェハのままレーザの作製、検査を行うことができて製造コストを低く抑えることができるというメリットがある。しかしながら本構造の場合は、共振器長が結晶成長膜厚で決まるために非常に短く、高い光出力を得ることが本質的に困難であるという問題がある。
これに対し第三の水平共振器面発光レーザは、上記二つのレーザの優れた点を兼ね備えたレーザ構造であるということができる。本構造は、共振器が基板面内に水平な方向に形成されており、これに、レーザ光を基板表面あるいは裏面から出射させるための４５°に傾斜した反射ミラーが集積形成された構造を持つ。本発明はこの水平共振器面発光レーザに関するものである。
水平共振器面発光レーザの構造例を図１を用いて説明する。図１（ａ）は素子断面の斜視図であり、図１（ｂ）は素子の光軸方向断面図、図１（ｃ）は素子の下面図、図１（ｄ）は光軸に垂直な方向の断面図である。なお、レーザの構造を三次元的に明示にするために、半導体基板の置かれている面をｘｙ平面、半導体基板表面の法線方向をｚ軸方向、レーザ共振器の光軸方向をｘ軸方向として、以下本素子の構造を説明する。
本素子はｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されている。光は基板裏面のｎ電極１２と基板表面のｐ電極１３からＩｎＧａＡｓＰ活性層１４に電流が注入されて発生する。発生した光は、ｚ方向にはｐ型ＩｎＰクラッド層１５／活性層１４／ｎ型ＩｎＰ基板１１からなる光閉じ込め構造により閉じ込められる。また、ｙ方向には半絶縁ＩｎＰ層１６／活性層１４／半絶縁性ＩｎＰ層１６からなる光閉じ込め構造により閉じ込められる。こうしてｙ方向およびｚ方向に閉じ込められた光はｘ軸方向に伝播する。この光の伝播するｘ軸方向には屈折率が周期的に変化する回折格子１７が形成されている。光がこの回折格子で帰還されてレーザ発振が起こる。本レーザは所謂分布帰還形（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザである。こうして発生したレーザ光は、導波路の一端を４５°の角度にエッチング加工することにより形成した反射鏡１８で全反射し、基板裏面方向に導かれる。基板裏面の、４５°反射鏡に対向する部分には無反射コーティング１９が施してあり、レーザ光は基板裏面から出射される。
このような構造をもつ水平共振器面発光レーザでは、共振器を基板面内に形成するので、共振器長を長くとることができ、高い光出力を得ることが容易である。また、基板面に垂直な方向に光を出射するので、フルウェハプロセスでレーザを作製し、検査することも可能であり製造検査にかかるコストも低く抑えられる。
従来の水平共振器面発光レーザの公知例としては、半導体基板の上に形成した多層膜反射鏡と、反射鏡の上に形成した光導波路層と、光導波路層の端部に４５°の角度をなして形成された反射鏡とを備えた水平共振器型面発光レーザが、特許文献１に公開されている。また、第二の公知例としては、１０乃至１００μｍの活性領域と、分布ブラッグ反射鏡と、斜めミラーを有する水平共振器型面発光レーザが、特許文献２に公開されている。また、第三の公知例としては、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓＰ活性層を含んだ光導波路と、光導波路の端部に４５°の角度をもって形成された反射鏡と、ＩｎＰ基板裏面上の４５°反射鏡と対向する位置に形成された円形レンズとを備えた水平共振器型面発光レーザの室温連続発振特性が非特許文献１に報告されている。
特開２００４-２３５１８２号公報 特開２００７-５５９４号公報 「アイトリプルイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ)」、第３巻、第９号、７７６頁
従来の水平共振器面発光レーザには、レーザ出射光が楕円形状になるという問題がある。水平共振器面発光レーザでは、水平方向（ｙ方向）と垂直方向（ｚ方向）の導波路寸法が一般に異なり、通常ｙ方向が長くｚ方向が短い矩形形状となるため、４５°反射鏡で全反射して基板裏面側から出射するビームの広がり角はｘ方向のほうがｙ方向よりも大きくなる。このため、出射レーザ光２１は図２に示すごとくｘ方向の直径がｙ方向の直径より長い楕円形状になる。しかしながら、半導体レーザから出射する光をファイバ等に結合しようとした場合に、光の結合損失を少なくするためにはレーザ光のビーム形状が円形で、かつビーム広がり角が小さいことが望ましい。したがって、上記のようにビーム形状が楕円となる現象は、光結合損失低減の観点から解決しなければならない課題である。
この問題は、非特許文献１に開示されているように円形のレンズを基板裏面に形成しただけでは解決することができない。もちろん、円形レンズを形成することでビーム広がり角を低減することはできるのであるが、円形レンズの曲率はｘ方向とｙ方向で同一なので、ビーム形状を円形に近づけるように整形することはできないのである。このように、従来技術では、水平共振器面発光レーザにおいて光結合損失低減の観点から望ましい円形の狭出射ビームを得ることは出来なかった。
本発明の第一の目的は、円形狭出射ビームを出射し、ファイバや光導波路との結合効率の高い水平共振器面発光型半導体レーザを提供することである。また、本発明の第二の目的は、光結合効率の高い光モジュールを提供することである。また、本発明の第三の目的は、光結合効率の高い光トランシーバを提供することである。
本発明の主な目的は、半導体基板と、該半導体基板の主面上に積層された光を発生する活性層と、該活性層から発生する光を伝播するための光導波路構造と、該光導波路の一部あるいは全部あるいは端部に形成された光を反射ないし帰還する共振器構造部と、該共振器構造部から放射されるレーザ光を基板裏面方向に出射するための反射鏡と、該反射鏡で反射されたレーザ光を出射する基板裏面側に曲面状の半導体表面からなるレンズとを備え、上記半導体基板が右手系直交座標のｘｙ平面にあるとし、また上記光導波路構造の光軸方向がｘ軸方向に平行であるとしたときに、上記反射鏡面の法線方向とｚ軸方向が４５°の角度をなし、レーザ光が基板裏面方向すなわちｚ軸の負の方向に出射する半導体レーザにおいて、上記レンズの基板裏面側からみた外周形状が、
Figure 2008277445
（ここで、ａおよびｂは、それぞれx軸方向の半径、ｙ軸方向の半径を表し、ａ＜ｂなる関係を満たす。）
の関係を満たす楕円形状であり、且つｘ軸方向の半径を表すａとｙ軸方向の半径を表すｂとの間に３μｍ＜ａ＜ｂ＜２００μｍの関係が成り立つことを特徴とする半導体レーザにより達成される。
または、本発明の主な目的は、半導体基板と、該半導体基板の主面上に積層された光を発生する活性層と、該活性層から発生する光を伝播するための光導波路構造と、該光導波路の一部あるいは全部あるいは端部に形成された光を反射ないし帰還する共振器構造部と、該共振器構造部から放射されるレーザ光を基板裏面方向に出射するための反射鏡と、該反射鏡で反射されたレーザ光を出射する基板裏面側に曲面状の半導体表面からなるレンズとを備え、上記半導体基板が右手系直交座標のｘｙ平面にあるとし、また上記光導波路構造の光軸方向がｘ軸方向に平行であるとしたときに、レーザ光がz軸の負の方向に出射する半導体レーザにおいて、上記反射鏡の形状が、円柱の、曲率を持つ表面の形状であり、該円柱形状の中心軸が、z軸方向ならびにｘ軸方向の両方と４５°の角度をなす方向にあり、さらに上記レンズの形状が、円柱の、曲率をもつ表面の形状であり、該円柱形状の中心軸がｙ軸方向に平行であることを特徴とする半導体レーザにより達成される。
以下、本発明の作用について説明する。本発明のポイントは、水平共振器面発光レーザに、レーザビームのｘ方向成分とｙ方向成分をそれぞれ独立に整形する機能を集積形成して、円形狭出射ビームを実現することにある。その具体的な実現手段として我々は、以下の二つの素子構造を考案した。
第一の素子構造は、基板裏面のレーザ光を出射する部位に楕円形のレンズを集積形成した構造である。この素子構造を図３に示す。図３（ａ）は本素子の断面構造を示す斜視図である。図３（ｂ）は本素子の下面図である。本構造では楕円形のレンズが基板裏面に形成されている。楕円レンズではレンズ表面のｘ方向とｙ方向の曲率半径が異なるので、レーザビームのｘ方向成分とｙ方向成分をそれぞれ独立に適切な曲率のレンズ形状で整形することができる。このため図中に鎖線にて示してあるように、出射ビーム２１の形状を円形狭出射ビームに整形することができるのである。より具体的に述べると、楕円形状はｘ軸方向の半径ａがｙ軸方向の半径ｂより短く、すなわちａ＜ｂの関係を満たすように設定する。寸法範囲をさらに限定すれば、３μｍ＜ａ＜ｂ＜２００μｍの関係を満たす寸法に設定する。ここで、楕円形状をａ＜ｂの関係を満たすように設定する理由について述べる。その理由は、このようにｘ軸方向の径がｙ軸方向の径より短い楕円レンズとした場合、レンズ形状の曲率半径はｘ軸方向の方がｙ軸方向よりも小さくなる。このため、広がり角の大きいｘ方向のビーム成分を曲率半径の小さいレンズ形状で整形し、広がり角の小さいｙ方向のビーム成分を曲率半径の大きいレンズ形状で整形することができる。すなわち、ビームのｘ方向とｙ方向をそれぞれ適切な曲率のレンズ形状で整形できるので、出射ビームを円形狭出射ビームに整形することができるのである。次に、レンズの楕円形状の好ましい寸法範囲を３μｍ＜ａ＜ｂ＜２００μｍに限定する理由を述べる。楕円形状の寸法範囲の下限と上限は光のスポットサイズの下限と上限から規定される値である。まず、光スポットのｘ軸方向の半径の下限について検討する。例えば１．３μｍ帯レーザにおける光スポットのｘ軸方向の半径の下限がどの程度であるかを見積もると、光の半導体内での光の放射角が小さく例えば３°であり、基板の厚みが薄く５０μｍである場合に、スポット半径は３μｍと見積もられる。したがって、この光スポットをカバーするために、レンズ形状のｘ軸方向の半径は少なくとも３μｍより大きくなければならない。次に、光スポットのｙ軸方向の半径の上限について検討する。例えば１．５μｍ帯レーザにおける光スポットのｙ軸方向の半径の上限がどの程度であるかを見積もると、光の半導体内での光の放射角が大きく例えば１３°であり、基板の厚みが厚く６５０μｍの場合に、スポット半径は１５０μｍと見積もられる。光はこのスポットの外側にもしみだしているので、光を完全にレンズ内に収めるため、レンズの半径は１５０μｍよりも大きい必要がある。しかしながら、半径が２００μｍ以上となった場合にはレンズ曲率が小さくなりビーム整形効果が不十分になるという問題があり、半径は２００μｍ以上にならないことが好ましい。以上の考察の結果、レンズの楕円形状の寸法範囲は３μｍ＜ａ＜ｂ＜２００μｍであることが好適である。
第二の素子構造は、４５°に傾斜した反射鏡と裏面レンズの双方を、円柱表面状の形状とした素子構造である。図４にその構造断面図を示す。本構造ではレーザビームのｘ方向成分を円柱表面形状の裏面レンズ４１で整形し、レーザビームのｙ成分を円柱表面形状の反射鏡４２で整形する。すなわち、レーザビームのｘ方向成分とｙ方向成分を独立に整形することができるので、円形で狭出射なレーザビームを得ることができる。本発明の作用を示すシミュレーション結果を図５に示す。図５（ａ）は、従来構造である平面状の反射鏡と円形の裏面レンズをもつレーザの出射ビームスポット形状の計算結果であり、図５（ｂ）は、本発明の円柱表面状の反射鏡と円柱表面状の裏面レンズをもつレーザの出射ビームスポット形状の計算結果である。このように、従来の平面状の反射鏡と円形の裏面レンズを用いた場合には、ビームスポット形状は楕円形になってしまうが、本発明の円柱表面形状の反射鏡と円柱表面形状の裏面レンズを用いた場合には、円形のビームスポット形状が得られることがわかる。
本発明によれば、円形狭出射ビームを出射する水平共振器面発光レーザを実現できる。このため、本レーザ素子を適用した光モジュールや光トランシーバの光結合効率を向上させることができる。また、本発明のレーザ素子を用いれば、レーザ実装時の高精度な光軸調整が不要となるので実装工程が簡易になり、光モジュールや光トランシーバの大幅な低コスト化を実現できる。
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
本発明の第一の実施例を、図６および図７を用いて説明する。本実施例は波長１．３μm帯のＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型水平共振器面発光レーザである。図６（ａ）は、本発明の第一の実施例の断面斜視図である。図６（ｂ）は、光の進行方向に平行な面での断面図である。図６（ｃ）は、素子の下面図である。図６（ｄ）は、光の進行方向に交差する面での断面図である。図７は、素子の製造工程を示す断面図である。図６（ａ）および図６（ｄ）に示すように、素子の光導波路部分はストライプ状に加工され、埋込みヘテロ型（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ）構造を有する。この構造はよく知られたものである。この例では、埋込みへテロ構造におけるストライプ状の光導波路部分の周囲は、鉄をドープした高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ１６で埋め込まれている。
当該実施例における積層構造の断面図は図７（ａ）に示した通りである。基板はｎ型ＩｎＰ基板１１である。活性層６１はｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪多重量子井戸層、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層の積層構造からなっている。活性領域となる量子井戸層は、厚さ７ｎｍのウェル層と厚さ８ｎｍのバリア層を５周期積層し、レーザとして十分な特性を実現できるように設計した。これらの層の上方には、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる回折格子層１７を形成した。活性層領域および回折格子層１７の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成した。
尚、ここで、量子井戸層を挟んで設けられた光閉じ込め層は、量子井戸層の光閉じ込めを強化するための層である。光導波機能はコア領域を、これより屈折率の低いクラッド層で挟み込むことによって生じるものであり、クラッド層／量子井戸層／クラッド層の積層構造により光導波機能が実現されるものであるが、具体的形態では、量子井戸層における光閉じ込めを強化するため、量子井戸層を挟んで光閉じ込め層を設けているのである。その目的より、クラッド層の屈折率は前記光閉じ込め層の屈折率より低い値とする。尚、本実施例では基板側のクラッド層は当該基板がこの役割を担っているが、勿論、半導体基板上に基板側クラッド層を別に設けることも可能である。
回折格子層１７の極性はｐ型とした。このような構造は、光の伝播方向に屈折率のみが周期的に変化するので屈折率結合型ＤＦＢレーザと呼ばれる。なお、本実施例では、回折格子がＤＦＢレーザの全領域で均一に形成されたものを説明したが、必要に応じて、領域の一部に回折格子の位相をずらして構成した、いわゆる位相シフト構造を設けても良い。
次に、本実施例の製造プロセスを、図７を用いて説明する。まず、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪多重量子井戸層、およびｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層からなるＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１を形成する。次に、その上方にＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層１７を含む多層構造を形成する。さらに、その上方にｐ型ＩｎＰクラッド層１５とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７２を形成する（図７（ａ））。この多層構造を有するＩｎＰウェハ上に、二酸化珪素膜７３を被覆して保護マスクとする。この二酸化珪素マスク７３を用いて、図７の（ｂ）に示すように、コンタクト層７２、ｐ型クラッド層１５、回折格子層１７、活性層６１、そしてＩｎＰ基板の一部までをエッチングすることにより、光導波路を形成する。エッチングには、例えば塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、あるいは臭素系溶液等によるウェットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法を用いても良い。
次に、本試料を結晶成長炉に搬入してＭＯＶＰＥ法を用いて６００℃にてＦｅをドープした半絶縁性ＩｎＰ層１６を埋め込み成長した（図７（ｃ））。このエッチング工程と埋込み層を再成長させるプロセスにより、埋込みヘテロ構造を形成した。埋込みへテロ構造は、光導波路の光の進行方向の両側を光を閉じ込め得る材料で埋め込んだ構造である。閉じ込めに用いる材料は、通例高抵抗の材料とする。本例では、Ｆｅをドープした高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ１６を用いた。図６（ｄ）は素子の光の進行方向と交差する面での断面図である。図６（ｄ）より埋込み構造が十分理解されるであろう。
なお、この埋込み構造形成工程においては光導波路の光の進行方向の両側を埋め込むと同時に、光導波路の光出射側の端も半絶縁性ＩｎＰ１６で埋め込んだ。光導波路の先端をＩｎＰで埋め込んだ理由は、こうすることにより４５°傾斜ミラーをエッチング加工する部分がＩｎＰ材料だけで構成されるようにすることができて、エッチングで形成するミラーを完全に平滑に加工することが容易になるからである。
その後、埋込み成長のための選択成長マスクとして用いた二酸化珪素膜７３を除去してエッチングマスク用の窒化珪素膜を形成し、４５°の傾斜角度にＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ層１６をエッチングした（図７（ｄ））。この傾斜エッチングには、塩素とアルゴンガスを用いた化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ：Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、ウェハを４５°の角度に傾斜させてエッチングすることにより４５°のエッチングを実現した。なお、本実施例ではＣＡＩＢＥを用いたエッチング方法について記載したが、塩素系ガスの反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｈｃｈｉｎｇ）や、ウェットエッチングを用いても良い。
次に、窒化珪素膜７４を除去した後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の上部にｐ電極１３を蒸着した。さらに、基板裏面を１００μｍの厚みまで研磨した後、基板裏面に窒化珪素マスク７５を形成した。続いて、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、レンズとする部分の周囲をドーナツ状に深さ１６μｍまでエッチングした（図７（ｅ））。ここで、ドーナツ状パタンの形状は図６（ｃ）に示す如く楕円形状とし、光導波路に平行な方向と光導波路に垂直な方向の直径が異なるパタンとした。引き続いて、ドーナツ状形状に掘り込んだ部分に囲まれた柱状部分の上部の窒化珪素マスクを除去し、臭化水素酸と過酸化水素と水の混合溶液によりウェットエッチングを行った。これにより柱状部分は表面から食刻されて角がとれ、裏面のＩｎＰにレンズ形状が形成された（図７（ｆ））。ここで、レンズ形状の凸部の高さは８μｍとし、レンズ楕円形状の光導波路に平行な方向の半径は３５μｍ、光導波路に垂直な方向の半径は１１０μｍとした。
このように、レンズの径が光導波路に平行な方向と光導波路に垂直な方向で異なる楕円形状とすることにより、レンズの曲率を光導波路に平行な方向と垂直な方向で変えることができるので、レーザビームを光導波路に平行な方向と垂直な方向で独立に整形することができるのである。次に、窒化珪素マスク１５を完全に除去し、レンズの表面に窒化酸化珪素からなる無反射コーティング膜１９を形成した。さらに、ｎ側電極１２を形成した。又、素子の後端面には、通例の半導体光素子で用いられる高反射コーティング膜６２を形成した。
本発明の水平共振器面発光レーザは、室温、連続条件におけるスロープ効率の平均値が０.４Ｗ／Ａであり、高効率な発振特性を示した。また、本発明の効果を反映して、レーザ裏面から１００μｍの位置で直径５０μｍの完全に円形なビームスポットとなる狭出射ビームを得た。一方、本発明の効果を示すため比較用に作製した、裏面レンズの形状が円形のレーザ素子では、レーザ裏面から１００μｍの位置でのビームスポット形状が短軸の直径が４０μｍ、長軸の直径が６０μｍの楕円形状となった。
この結果、本発明の効果により、円形狭出射ビームの水平共振器面発光レーザが得られることが分かった。また、本発明のレーザ素子に対し５０℃、５ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、推定寿命として１００万時間が得られ、本発明のレーザ素子が高い信頼性を有することも実証された。
なお、本実施例では本発明をＩｎＰ基板上に形成された波長帯１．３μmのＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型レーザに適用した例を示したが、基板材料や活性層材料、そして発振波長はこの例に限定されるものではない。本発明は例えば１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰレーザ等のその他の材料系にも同様に適用可能である。
本発明の第二の実施例を、図８〜１０を用いて説明する。本実施例は波長１．３μm帯のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸型水平共振器面発光レーザである。図８（ａ）は、本発明の第二の実施例の断面斜視図である。図８（ｂ）は、光の進行方向に平行な面での断面図である。図８（ｃ）は、素子の下面図である。図８（ｄ）は、光の進行方向に交差する面での断面図である。図９は、素子の製造工程を示す断面図である。図８（ａ）および図８（ｄ）に示すように、素子の光導波路部分はストライプ状に加工され、埋込みヘテロ構造を有する。この例では、埋込みへテロ構造におけるストライプ状の光導波路部分の周囲は、ルテニウムをドープした高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ１６で埋め込まれている。
当該実施例における積層構造の断面図は図９（ａ）に示した通りである。基板はｎ型ＩｎＰ基板１１である。活性層１４はｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層の積層構造からなっている。活性層１４の上方には、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層１７を形成した。活性層領域および回折格子層１７の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成した。
回折格子層１７の極性はｐ型とした。このような構造は、光の伝播方向に屈折率のみが周期的に変化するので屈折率結合型ＤＦＢレーザと呼ばれる。なお、本実施例では、回折格子がＤＦＢレーザの全領域で均一に形成されたものを説明したが、必要に応じて、領域の一部に回折格子の位相をずらして構成した、いわゆる位相シフト構造を設けても良い。
次に、本実施例の製造プロセスを、図９を用いて説明する。まず、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層からなるＩｎＧａＡｓＰ活性層１４を形成する。次に、その上方にＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層１７を含む多層構造を形成する。さらに、その上方にｐ型ＩｎＰクラッド層１５とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７２を形成する（図９（ａ））。次に、本発明の第一の実施例に記載してある手法と同様の手法を用いて、埋め込みヘテロ構造の光導波路を形成する。ただし、本実施例では光導波路の光の伝播方向に垂直な方向のみに埋め込み構造を形成し、光導波路の光出射側先端部分には埋め込み構造を形成しない点が異なっているので注意されたい。
次に、この多層構造の上に、端部が半円形状の窒化珪素マスク７４を形成する。この窒化珪素マスク７４を用いて、図９の（ｂ）に示すように、コンタクト層７２、ｐ型クラッド層１５、回折格子層１７、活性層１４、そしてＩｎＰ基板の一部までをエッチングすることにより、４５°に傾斜した反射鏡を形成する。エッチングには、塩素ガスを基板表面に供給しながらアルゴンイオンビームでエッチングする、所謂化学アシストイオンビームエッチング技術を用いた。この際、基板を４５°に傾斜させてエッチングすることにより、４５°の角度のエッチング面を形成した。なお、本実施例の場合には４５°反射鏡の加工面が第一の実施例のようにＩｎＰ材料単独でなく、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＩｎＧａＡｓＰの多層構造であることから、エッチング速度の不均一性に伴い反射鏡表面に数ナノメートルの凹凸形状が生じた。しかし、この凹凸はレーザ光の波長と比較して十分小さいために反射特性に大きな悪影響を与えることがなかった。次に、窒化珪素膜７４を除去した後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の上部にｐ電極１３を蒸着した。さらに、基板裏面を９０μｍの厚みまで研磨した後、基板裏面にフォトレジストマスク９１を形成した。
このフォトレジストマスクは、光導波路の光軸方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に形成したストライプ形状をもち、１５０℃で熱処理することにより半円形の断面形状をもたせた（図９（ｃ））。続いて、アルゴンガスのイオンビームエッチングにより基板裏面のＩｎＰをエッチングしてフォトレジストマスクの円柱状形状をＩｎＰ基板裏面に転写することで、円柱表面状の形状を持つ裏面レンズ４１を形成した（図９（ｄ））。このように、反射ミラーと裏面レンズを共に円柱表面形状とし、それぞれがレーザビームの光導波路に平行な方向と垂直な方向のそれぞれを独立に整形できるようにすることで、円形狭出射ビームを実現するのである。次に、レンズの表面に窒化酸化珪素からなる無反射コーティング膜１９を形成し、さらに、ｎ側電極１２を形成した。又、素子の後端面には、通例の半導体光素子で用いられる高反射コーティング膜６１を形成した。
本発明の１．３μｍ帯水平共振器面発光レーザは、室温、連続条件におけるスロープ効率の平均値が０.３５Ｗ／Ａであり、高効率な発振特性を示した。また、本発明の効果を反映して、レーザ裏面から１００μｍの位置でのビームスポット形状が短軸直径、長軸直径ともに１００μｍの完全に円形な出射ビームを得た。ビーム拡がり角は６°ｘ６°であった。一方、本発明の効果を示すため比較用に作製した、平面形状の４５°反射鏡と円形の裏面レンズをもつ１．３μｍ帯水平共振器面発光レーザでは、レーザ裏面から１００μｍの位置でのビームスポット形状が短軸の直径が４０μｍ、長軸の直径が６０μｍの楕円形状となり、またビーム放射角が６°ｘ１２°であり、円形狭出射ビームを得ることはできなかった。
この結果、本発明の効果により、円形狭出射ビームの水平共振器面発光レーザが得られた。また、本発明のレーザ素子に対し８０℃、３ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、推定寿命として２００万時間が得られ、本発明のレーザ素子が高い信頼性を有することも実証された。
図１０は本発明のレーザ素子１０１をヒートシンク１０２上に実装した後、光学レンズ１０３、後端面光出力モニタ用のフォトダイオード１０４と光ファイバ１０５とを一体化した光送信モジュールの構造図である。室温、連続条件においてしきい値電流５ｍＡ、発振効率０．３Ｗ/Ａであった。また、本発明の円形狭出射ビームを反映してレンズとの光結合効率は高く、５ｍＷ以上の最高モジュール光出力を達成した。また、本発明の効果を反映して実装は容易であり、低コストで光送信モジュールを製造することができた。
また、図１１は本発明のレーザ素子１０１をキャンタイプのパッケージ１１１に組み込んだキャンモジュールの例である。キャンモジュール筐体としては金型プレス成型で作製したパッケージを使用した。半導体レーザが円形狭出射ビームを出射する本発明の効果を反映して、円形狭出射ビームを出射するキャンモジュールが得られた。
本発明の第三の実施例を、図１２を用いて説明する。本実施例は、本発明の半導体レーザを、一本の光ファイバで複数の波長の光を伝送する波長多重伝送や一芯双方向光伝送の端末機として用いられる光モジュールに適用した例である。
図１２の構成では、本発明のレーザ素子１０１と受光素子１２１が、基板表面の水平方向直線上にそれぞれ載置された光素子搭載基板１２２と、基板の一方の面内に基板平行に対して角度を有し、基板厚み方向を伝播する光を屈折するための第一の傾斜面１２３が設けられた第一の光機能集積基板１２４と、同様に基板の一方の面内に基板平行に対して角度を有し、基板厚み方向を伝播する光を屈折するための第二の傾斜面１２５が設けられた第二の光機能集積基板１２６がそれぞれ設けられている。また、本構成では上記光素子搭載基板１２２と、第一および第二の光機能集積基板１２４、１２６をそれぞれ基板厚み方向に積層しているとともに、第一の傾斜面１２３と第二の傾斜面１２５の間の光路に、伝播光の波長透過率がそれぞれ異なる第一および第二の波長選択フィルタ１２７、１２８をそれぞれ載置している。これによって、光素子搭載基板１２２上の本発明のレーザ素子１０１から出射された光が、第一の光機能集積基板１２４および第一の波長選択フィルタ１２７および第二の光機能集積基板１２６を通過し、基板の外部に設けられた光ファイバ１２９と光接続される。光ファイバはパッケージ１３０に固定されている。
また、光ファイバ１２９から出射された、レーザ素子１０１の出射光とは異なる波長の光が、第二の光機能集積基板１２６を通過し、第一の波長選択フィルタ１２７および第二の波長選択フィルタ１２８で反射され、第二の光機能集積基板１２４を通過し、光素子搭載基板１２２上の受光素子１２１に入射される、一芯双方向光モジュールの機能を有することが出来る。
ここで、光素子搭載基板１２２、および第一の光機能集積基板１２４、および第二の光機能集積基板１２６の材料にはＳｉを用いた。
また、上記伝播光が、第一の光機能集積基板１２４に設けられた第一の傾斜面１２３と第二の光機能集積基板１２６に設けられた第二の傾斜面１２５をそれぞれ通過する際、第一及び二の傾斜面１２３、１２５の傾斜角度および光機能集積基板１２４、１２６とその外部の物質との屈折率差によって折り曲げられる。このため、光ファイバ１２９から光機能集積基板平面に対して垂直に入出射される光が光機能集積基板１２４、１２６を通過し、光素子搭載基板１２２上のレーザ素子１０１及び受光素子１２１に対して垂直に授受されるように、第一及び二の傾斜面１２３、１２５の傾斜角度は等しくした。
本実施例では、レーザ素子から円形狭出射ビームが面方向に出射する本発明の効果を反映して、レーザ素子実装時の光軸調整のトレランスが大きく、実装工程が極めて容易となり、光モジュールを低いコストで製造することができた。
本発明の第四の実施例を、図１３を用いて説明する。本実施例は、本発明の光送信モジュールを用いた光トランシーバの例である。本実施例の光トランシーバは、光トランシーバ筐体１３１、電気入出力ピン１３２、光ファイバ１３３、光コネクタ１３４、光受信モジュール１３５、光送信モジュール１３６、および信号処理制御部１３７から構成されており、受信した光信号を電気信号に変換して電気入出力ピン１３２を介して外部に出力する機能を有すると共に、電気入出力ピン１３２を介して外部から入力された電気信号を光信号に変換して送信する機能を有する。光ファイバ１３３は一方の端で光トランシーバ筐体１３１に接続され、他端で光コネクタ１３４に接続される。光コネクタ１３４は外部の光伝送路から入力された受信光を光ファイバ１３３へ送出できる構造を有すると共に、光ファイバ１３３から入力された送信光を外部の光伝送路へ送出できる構造を有する。本発明の光結合効率の高い半導体レーザを搭載した効果を反映して、非常に低いコストで光トランシーバを製造することができた。
本発明の背景技術を説明する図であり、（ａ）は素子断面の斜視図、（ｂ）は素子の光軸方向断面図、（ｃ）は素子の下面図、（ｄ）は光軸に垂直な方向の断面図である。 本発明の解決しようとする課題を説明する図である。 本発明の作用を説明する図であり、（ａ）は本素子の断面構造を示す斜視図、（ｂ）は本素子の下面図である。 本発明の作用を説明する図である。 本発明の作用を説明する図であり、（ａ）は、従来構造である平面状の反射鏡と円形の裏面レンズをもつレーザの出射ビームスポット形状の計算結果、（ｂ）は、本発明の円柱表面状の反射鏡と円柱表面状の裏面レンズをもつレーザの出射ビームスポット形状の計算結果を示す図である。 本発明の第一の実施例を説明する図であり、（ａ）は本発明の第一の実施例の断面斜視図、（ｂ）は光の進行方向に平行な面での断面図、（ｃ）は素子の下面図、（ｄ）は光の進行方向に交差する面での断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、本発明の第一の実施例を説明する図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第二の実施例を説明する図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第二の実施例を説明する図である。 本発明の第二の実施例を説明する図である。 本発明の第二の実施例を説明する図である。 本発明の第三の実施例を説明する図であり、（ａ）はその俯瞰図、（ｂ）は、その横断面図である。 本発明の第四の実施例を説明する図である。
符号の説明
１１…ｎ型ＩｎＰ基板、１２…ｎ電極、１３…ｐ電極、１４…ＩｎＧａＡｓＰ活性層、１５…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１６…半絶縁性ＩｎＰ、１７…回折格子、１８…反射鏡、１９…無反射コーティング、２１…出射レーザ光、３１…楕円形裏面レンズ、４１…円柱表面形状裏面レンズ、４２…円柱表面形状反射鏡、６１…ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層、６２…高反射コーティング膜、７２…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７３…二酸化珪素膜、７４…窒化珪素膜、７５…窒化珪素マスク、９１…フォトレジストマスク、１０１…レーザ素子、１０２…ヒートシンク、１０３…光学レンズ、１０４…フォトダイオード、１０５…光ファイバ、１１１…キャンタイプパッケージ、１２１…受光素子、１２２…光素子搭載基板、１２３…第一の傾斜面、１２４…第一の光機能集積基板、１２５…第二の傾斜面、１２６…第二の光機能集積基板、１２７…第一の波長選択フィルタ、１２８…第二の波長選択フィルタ、１２９…光ファイバ、１３０…パッケージ、１３１…光トランシーバ筐体、１３２…電気入出力ピン、１３３…光ファイバ、１３４…光コネクタ、１３５…光受信モジュール、１３６…光送信モジュール、１３７…信号処理制御部。

Claims (10)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の主面上に設けられた光を発生する活性層と、
    前記半導体基板の主面上に設けられ、前記活性層から発生する光を伝播するための光導波路層と、
    前記光導波路層の少なくとも一部に設けられた光を反射もしくは帰還するための共振器構造部と、
    前記共振器構造部から放射されるレーザ光を前記基板半導体の裏面方向に出射するための前記光導波路層の一端に設けられた反射鏡と、
    前記反射鏡で反射された前記レーザ光を出射する前記半導体基板の裏面側に曲面状の半導体表面からなるレンズとを備え、
    前記半導体基板が右手系直交座標のｘｙ平面にあるとし、前記光導波路層の光軸方向がｘ軸方向に平行な方向にあるとした場合に、
    前記反射鏡の主面に対する法線方向とz軸方向が４５°の角度をなし、前記レーザ光がｚ軸の負の方向である前記半導体基板の裏面方向に出射する半導体レーザにおいて、
    前記レンズの前記半導体基板の裏面側から見た外周形状が、
    下記の（式１）で示す関係を満たす楕円形状を有することを特徴とする半導体レーザ。
    Figure 2008277445
    （ここで、ａおよびｂは、それぞれx軸方向の半径、ｙ軸方向の半径を表し、ａ＜ｂなる関係を満たす。）
  2. 前記x軸方向の半径を表すａと、前記ｙ軸方向の半径を表すｂとの間に、
    ３μｍ＜ａ＜ｂ＜２００μｍの関係が成り立つことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 前記反射鏡は、平面形状を有し、
    前記レンズのｙ軸方向の断面形状が、楕円の曲率を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  4. 前記レンズは、前記半導体基板の裏面外側に突出した形状を有することを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
  5. 半導体基板と、
    前記半導体基板の主面上に設けられた光を発生する活性層と、
    前記半導体基板の主面上に設けられ、前記活性層から発生する光を伝播するための光導波路層と、
    前記光導波路層の少なくとも一部に設けられた光を反射もしくは帰還するための共振器構造部と、
    前記共振器構造部から放射されるレーザ光を前記基板半導体の裏面方向に出射するための前記光導波路層の一端に設けられた反射鏡と、
    前記反射鏡で反射された前記レーザ光を出射する前記半導体基板の裏面側に曲面状の半導体表面からなるレンズとを備え、
    前記半導体基板が右手系直交座標のｘｙ平面にあるとし、前記光導波路層の光軸方向がｘ軸方向に平行な方向にあるとした場合に、
    前記反射鏡の主面に対する法線方向とz軸方向が４５°の角度をなし、前記レーザ光がｚ軸の負の方向である前記半導体基板の裏面方向に出射する半導体レーザにおいて、
    前記反射鏡は、円柱の曲率を有する鏡面を有し、該円柱の中心軸が、ｚ軸方向とｘ軸方向の両方に対して４５°の角度をなす方向に配置され、さらに前記レンズは、円柱の曲率を有する表面形状であり、該円柱の中心軸がｙ軸方向に平行となるように配置されていることを特徴とする半導体レーザ。
  6. 前記反射鏡は、前記光導波路層外側に突出した曲面であることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ。
  7. 前記レンズは、前記半導体基板の裏面外側に突出した形状を有することを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ。
  8. 光素子搭載基板と、
    前記光素子搭載基板の主面上に配置された半導体レーザおよび受光素子と、
    前記光素子搭載基板の主面に対して所定の角度を有する第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面と所定の間隔を有して対向して設けられた第２の傾斜面とが内蔵された光機能集積基板と、を備え、
    前記第１の傾斜面と前記第２の傾斜面のそれぞれの面上に、伝播光の波長透過率が互いに異なる第１および第２の波長選択フィルタが載置され、
    前記第１の波長選択フィルタは、前記半導体レーザから出射され前記光機能集積基板の上方に設けられた光ファイバへ伝播する光を透過し、前記光ファイバから入射した光を反射させ前記第２の波長選択フィルタへ伝播し、
    前記第２の波長選択フィルタは、前記第１の波長選択フィルタより伝播された光を反射し、前記第２の波長選択フィルタで反射した光は、前記受光素子にて受光されることを特徴とする光モジュール。
  9. 前記光素子搭載基板の主面に対する前記前記第１の傾斜面と、前記第２の傾斜面の角度は等しいことを特徴とする請求項８記載の光モジュール。
  10. 前記伝播する光は、前記光機能集積基板の材料と前記第１および第２の傾斜面間に存在する材料との屈折率差により曲げられることを特徴とする請求項８記載の光モジュール。
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