JP2008283028A - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システム。 - Google Patents

面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システム。 Download PDF

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Abstract

【課題】モード制御を効果的に行うことができるＶＣＳＥＬを提供する。
【解決手段】ＶＣＳＥＬ１００は、ｐ型のＧａＡｓ基板１０２と、ＧａＡｓ基板１０２上に形成されたｐ型の下部ＤＢＲ１０６と、下部ＤＢＲ１０６上に形成され、光を発生する活性層１１２と、活性層１１２上に形成され、発振波長の光を選択的に吸収または反射し、レーザ光のモードを制御とする光モード制御層１２０と、光モード選択層１２０上に形成された上部ＤＢＲ１２４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システムに関する。
光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）への関心が高まっている。ＶＣＳＥＬは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。
ＶＣＳＥＬを光通信の光源等に用いる場合、レーザ光のモード選択が要求される。例えば、ＶＣＳＥＬを光ファイバーに結合し、長距離通信を行うような場合には、シングルモードが望まれる。シングルモードを得るためには、通常、ＶＣＳＥＬの電流狭窄層のアパーチャー径を、３ないし４ミクロン程度に加工する必要がある。
選択酸化型のＶＣＳＥＬでは、電流狭窄層にＡｌＡｓまたはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓを用い、この一部を酸化して電流狭窄層にアパーチャーを形成している。Ａｌの酸化反応によってアパーチャーを形成するため、その径を正確に制御することが難しく、特にシングルモードを得るための小さなアパーチャー径の再現性が難しく、結果としてＶＣＳＥＬの歩留まりが低下してしまう。
例えば、特許文献１は、ｎ型ＧａＡｓ基板、ｎ型半導体多層膜反射鏡、第１スペーサ層、活性層、第２スペーサ層、電流狭窄層、ｐ型ＧａＡｓ電流導入層、再成長界面、ｐ型第３スペーサ層、多層膜反射鏡等により面発光レーザを構成し、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、もしくはＡｌＡｓ等のバンドギャプが２ｅＶ以上のワイドギャップ半導体を電流狭窄層に用い、ホトリソグラフ工程と再成長工程によりアパーチャー層を形成することで、ＶＣＳＥＬの歩留まりを改善している。
特許文献２は、目的の発振モード以外の発振モードを抑制する境界領域と、その境界領域によって分割され、目的の発振モードに対応した発光スポットを得るために複数の分割領域を発光面の表面に形成し、横モードの安定化を図る面発光型半導体レーザを開示している。
また、ＶＣＳＥＬを導光路や記録媒体の読み書き用の光源に用いるような場合、レーザ光の偏向方向を制御する必要がある。特許文献３は、レーザの偏波方向を、金属／誘電体回折格子型偏光子と半導体多層膜反射鏡から成る複合反射鏡の複屈折と位相差を用いて制御する面発光レーザの偏波制御法を開示している。
特開平１１−２０４８７５号 特開２００２−３５９４３２号 特開平８−５６０４９号
本発明は、従来の発光面の表面加工によるモード制御に比べて効果的モード制御に行うことができる面発光型半導体レーザおよびこれを用いたモジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システム、並びに面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
請求項１に係る面発光型半導体レーザは、基板と、基板上に形成された下部反射鏡と、下部反射鏡上に形成され、光を発生する活性層と、活性層上に形成され、下部反射鏡との間で共振器を形成する上部反射鏡と、下部反射鏡と上部反射鏡の間に形成され、かつ活性層で発せられた光を選択的に吸収しまたは反射する開口部が形成され、レーザ光のモードを光学的に制御する光モード制御層と、下部反射鏡と上部反射鏡との間に形成され、駆動時に流される電流を狭窄する電流狭窄層とを有する。
請求項２において、活性層で発せられた光の一部は開口部を通過し、その他の光は光モード制御層により吸収または反射される。
請求項３において、光モード制御層は、活性層と格子定数が整合する半導体層から構成される。
請求項４において、光モード制御層は、金属層を含む。
請求項５において、電流狭窄層は、高抵抗部と高抵抗部によって囲まれた導電部とを有し、光モード制御層の開口部の中心は、導電部の中心に一致する。
請求項６において、光モード制御層の開口部の径は、電流狭窄層の導電部の径よりも小さい。
請求項７において、電流狭窄層の高抵抗部は、選択的に酸化された領域である。
請求項８において、下部反射鏡は第１導電型を有し、光モード制御層は第２導電型を有し、光モード制御層と上部反射鏡との間に電極が形成され、当該電極が光モード制御層に電気的に接続される。
請求項９において、光モード制御層の開口部は、円形状に加工される。
請求項１０において、光モード制御層の開口部は、スリット状に加工される。
請求項１１において、光モード制御層の開口部は、開口部の中心に関して非対称となる複数の開口部に加工される。
請求項１２において、光モード制御層の開口部は、開口部の中心に関して点対称となる複数の開口部に加工される。
請求項１３において、光モード制御層の開口部の径は、出射されるレーザ光の波長に応じて選択される。
請求項１４に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、少なくとも下部反射鏡、電流狭窄層および活性層を構成する半導体各層を積層する工程と、積層された半導体層の最上層にフォトリソ工程により開口部を形成し、レーザ光のモードを光学的に制御するための光モード制御層を形成する工程と、光モード制御層上に、下部反射鏡との間で共振器を構成する上部反射鏡を形成する工程とを有する。
請求項１５において、製造方法はさらに、少なくとも光モード制御層から電流狭窄層に至るポスト構造を基板上に形成する工程と、ポスト構造の側面から電流狭窄層の一部を酸化し、酸化領域によって囲まれた導電部を形成する工程とを含む。
請求項１６において、下部反射鏡、活性層、電流狭窄層および光モード制御層は、エピタキシャル成長により形成される。
請求項１７に係るモジュールは、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と、面発光型半導体レーザに電気的に接続された電気接続端子と、面発光型半導体レーザから出射された光を入射する光学部品とを備える。
請求項１８に係る光源装置は、請求項１ないし１３いずれか１つに記載された面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザから発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段と備える。
請求項１９に係る情報処理装置は、請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備える。
請求項２０に係る光送信装置は、請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備える。
請求項２１に係る光空間伝送装置は、請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。
請求項２２に係る光空間伝送システムは、請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。
請求項１によれば、活性層で発せられた光が共振器内の光モード制御層によって光学的に制御され、発光面でモード制御する従来と比較して、より効果的なモード制御を実現することができる。
請求項２によれば、活性層で発せられた光の一部を反射または吸収することでゲインを低下させ、レーザ光のモード制御を行うことができる。
請求項３によれば、下部反射鏡、活性層および電流狭窄層と連続する一連の工程により光モード制御層を形成することができる。
請求項４によれば、光を反射する金属層によりモード制御を行うことができる。
請求項５によれば、導電部と開口部の中心が一致することでモード制御を正確に行うことができる。
請求項６によれば、従来と比較して、電流狭窄層の導電部の径が大きくても、シングルモードのレーザ光を得ることが可能となる。
請求項７によれば、選択酸化による再現性を改善し、結果として面発光型半導体レーザの製造歩留まりが改善される。
請求項８によれば、光モード制御層を利用して電流の注入を行うことができる。
請求項９によれば、シングルモードのレーザ光を得ることができる。
請求項１０によれば、スリットの方向に一致したレーザ光のパターンを得ることでレーザ光の偏向制御を行うことができる。
請求項１１によれば、レーザ光の偏向制御を行うことができる。
請求項１２によれば、点対称の光強度パターンを持つレーザ光を得ることができる。
請求項１３によれば、レーザ光の波長の選択をすることができる。
請求項１４によれば、共振器内に精度の高い開口部を持つ光モード制御層が形成され、光モードの制御を効果的に行うことができる。
請求項１５によれば、従来と比較して電流狭窄層の導電部の径の再現性を改善し、面発光型半導体レーザの歩留まりを改善することができる。
請求項１６によれば、一連の製造工程により下部反射鏡、活性層、電流狭窄層および光モード制御層を形成することができ、製造工程の複雑化を回避し、製造コストの低減を図ることができる。
請求項１７ないし２２によれば、目的に応じて制御されたモードを有するレーザ光を光通信や情報記録の光源に利用することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す概略断面図である。本実施例に係るＶＣＳＥＬ１００は、ｐ型のＧａＡｓ基板１０２の裏面にｐ側電極１０４を含み、さらに基板１０２上に、２種のｘ値の異なるｐ型のＡｌxＧａ1-xＡｓを互いに積層し多層膜による反射鏡を構成する下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡）１０６、ｐ型のＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる電流狭窄層１０８、ｐ型下部スペーサ層１１０、量子井戸構造を有する活性層１１２、ｎ型上部スペーサ層１１４、２種のｘ値の異なるｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓを数周期積層し多層膜による部分的な反射鏡を構成する中間ＤＢＲ１１６、ｎ型のＧａＡｓからなり、中央に開口部１１８が形成された光モード制御層１２０、光モード制御層１２０にオーミック接続されるｎ側電極１２２、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層した誘電体多層膜による反射鏡を構成する上部ＤＢＲ１２４、基板１０２上に形成されたポスト構造Ｐの底部、側面および頂部の一部を覆うＳｉＮ等の絶縁膜１２６を備えている。
基板上の下部ＤＢＲ１０６から光モード制御層１２０までの半導体層は、一連のエピタキシャル成長により形成される。そして、光モード制御層１２０から下部ＤＢＲ１０６に至るまで半導体層をエッチングすることにより円筒状のポスト構造Ｐが形成される。ポスト構造Ｐの最上層である光モード制御層１２０は、ＧａＡｓ層であり、Ａｌを露出させないことで表面の酸化を防止している。
電流狭窄層１０８は、ポスト構造Ｐを形成した後に、ポスト構造Ｐの側面から酸化される。電流狭窄層１０８は、他の半導体層に比較してＡｌ組成が高いため他の半導体層よりも酸化速度が速い。この酸化によって、電流狭窄層１０８の周縁には高抵抗部が形成され、高抵抗部によって囲まれた導電部１２８が形成される。導電部１２８は、動作時に電流の狭窄を行い、その径は、おおよそ８〜６ミクロンである。なお、電流狭窄層は、ＡｌＡｓから構成するようにしてもよい。
光モード制御層１２０は、下部ＤＢＲ１０６と上部ＤＢＲ１２４に挟まれた活性層１１２の近傍において、発振波長の光の吸収または光の反射を行う層である。または、下部ＤＢＲ１０６と上部ＤＢＲ１２４に挟まれた活性層１１２の近傍において屈折率を変化させる層である。光モード制御層１２０は、光学的に光の吸収または反射を行うことで、発振モードの制御、特に横モードを制御する。
本実施例のＶＣＳＥＬでは、８５０ｎｍ近辺での発振を想定し、光モード制御層１２０の膜厚を約２００ｎｍとしている。光モード制御層１２０の中央に形成された開口部１１８は、ＧａＡｓ層をエッチングして形成される。開口部１１８では、８５０ｎｍの光吸収は起こらないが、ＧａＡｓが残った部分では、光吸収が起こるため、レーザ発振時にゲインが小さくなる。
光モード制御層１２０の開口部１１８は、フォトリソ工程により形成される。これにより、開口部１１８は、フォトリソ精度で決まる正確なパターンとなり得る。開口部１１８と導電部１２８の中心は、それぞれ光軸に一致し、好ましくは、開口部１１８の径は、４〜３ミクロンであり、導電部１２８の径よりも小さい。開口部１１８の径を精度良く形成することで、発振モードの制御をより正確に行うことが可能となる。
また、光モード制御層１２０は、中間ＤＢＲ１１６を介して活性層１１２に近接して配置されている。中間ＤＢＲ１１６は、光モード制御層１２０にオーミック接続されたｎ側電極１２２から拡散された金等をゲッタリングするために介在させているが、活性層１１２または上部スペーサ層１１４上に光モード制御層１２０を形成するようにしてもよい。光モード制御層１２０を、レーザ光の発光面である最表面に形成するのではなく、ゲイン媒質中に形成しているため、発振モードを非常に効果的に制御することができる。つまり、開口部１１８の僅かな形状の変化であっても、発振モードへの大きな影響を与えることができる。
図２は、光モード制御層のプロファイル例を示す平面図である。図２ＡないしＣに示す光モード制御層は、主に横モードを制御し、図２Ｄに示す光モード制御層は、主に偏光制御を行う。
図２Ａにおいて、光モード制御層１２０は、ポスト構造Ｐの形成時に円形状に加工され、この外形とほぼ同心円状に円形の開口部１１８が形成されている。開口部１１８の中心は、上記したように電流狭窄層１０８の導電部１２８の中心に一致し、また光軸に一致する。開口部１１８の径を導電部１２８の径と略等しいかそれよりも小さくすることで、横モードが制御され、シングルモードのレーザ光が得られる。図２Ａによる横モード制御を行ったときの光強度分布を図３Ａに示す。同図に示すように、レーザ光の光強度分布は、単峰性のシングルモードとなる。
図２Ｂに示す光モード制御層１２０は、円形状の開口部を中心に沿って分割した線対称の２つの半円形状の開口部１４０を有している。これにより、ＧａＡｓ層が残っている部分でのゲインが小さくなり、レーザ光の光強度分布は、図３Ｂに示すように、２つの半円形状の開口部１４０に対応したピークをもつ双峰性のシングルモードとなる。
図２Ｃに示す光モード制御層１２０は、円形状の開口部を４つに分割した点対称となる扇状の開口部１４２を有している。これにより、レーザ光の光強度分布は、開口部１４２に対応して４つのピークをもつシングルモードとなる。
図２Ｄに示す光モード制御層１２０は、円形状の開口部を直線方向に分割し、３つのスリット１４４が形成されるように加工されている。これにより、レーザ光の光強度分布は、３つのスリットに応じた３つのピークを持つパターンとなり、また出射されるレーザ光は、スリット１４４の方向に整列されるため、偏光の制御に効果的である。
さらに、光モード制御層１２０は、上記のようにレーザ光の横モードや偏光制御の他、レーザ光の縦モードを制御することも可能である。すなわち、光モード制御層１２０の開口部１１８の径を変化させることで、発振波長を選択することができる。
図４は、電流狭窄層１０８の導電部１２８の径を一定としたときの光モード制御層１２０の開口部１１８の径と発振波長との関係を示している。この図から明らかなように、開口部の径１１８（横軸に示すＧａＡｓアパーチャー径）を６ミクロンから１０ミクロンに増加させると、その増加にほぼ比例するように、発振波長が約８２７ｎｍから８３９ｎｍへと増加する。従って、開口部１１８の径を選択することで、所望の発振波長のレーザ光を得ることができる。
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例では、光モード制御層であるＧａＡｓ層をエッチングして開口部１１８を形成したが、ＧａＡｓ層とその下地のＡｌＧａＡｓ層とのエッチングの選択比が小さいため、下地のＡｌＧａＡｓ層がオーバーエッチングされ、中間ＤＢＲ１１６の膜厚が変動し好ましくない。そこで、第２の実施例は、このようなエッチングによる膜厚の損傷を回避した構成を採用する。
図５は、第２の実施例のＶＣＳＥＬの概略断面を示す図であり、第１の実施例と同一構成については同一参照番号を付してある。第２の実施例のＶＣＳＥＬ１００Ａでは、ポスト構造Ｐのキャップ層、すなわちエピタキシャル成長による最終層として２０ｎｍの膜厚のｎ型のＧａＡｓ層１６０を形成する。ＧａＡｓ層１６０の周縁部には、ｎ側電極１２２がオーミック接続され、ｎ側電極１２２から離間して、リング状の光モード制御層１６２が形成される。光モード制御層１６２の中央には、円形状の開口部１６４が形成され、開口部１６４の中心は、光軸に一致し、また開口部１６４の径は導電部１２８の径と等しいかそれよりも幾分小さい。光モード制御層１６４は、例えば金、チタンまたはタングステン等の金属からなり、リフトオフにより精度良く形成される。リフトオフの工程では、レジストパターンを形成する際にレジストをエッチングするが、レジストとＧａＡｓ層１６０の選択比は十分であり、中間ＤＢＲ１１６のＡｌＧａＡｓ層の膜厚の損傷を防止することができる。
キャップ層であるＧａＡｓ層１６０は、膜厚が非常に薄いため、活性層１１２で発生された光を透過する。ＧａＡｓ層１６０を透過した光は、その界面において光モード制御層１６２の金属が存在する部分では反射され、金属がない開口部１６４のみを透過する。これにより、第１の実施例のときと同様に、発振されるレーザ光の横モード制御、偏光制御および縦モード制御を行うことが可能となる。
図５に示す例では、光モード制御層１６２をｎ側電極１２２から離間して別個に形成する例を示したが、例えば、ＧａＡｓ層１６０とオーミック接触可能な金（Ａｕ）をｎ側電極１２２に用いた場合には、図６に示すように、ｎ側電極１２２と光モード制御層１６２とが共に接続されるように同時にリフトオフにより形成することも可能である。
また、第２の実施例では、発振波長の光を反射する光モード制御層を示したが、発振波長の光を吸収する光モード制御層を形成するようにしてもよい。例えば、発振波長が１ミクロン近辺であれば、図５に示す光モード制御層をアモルファスシリコンから形成するようにしてもよい。アモルファスシリコンは、１ミクロンの波長を吸収するため、光を反射するときと同様に、発振波長の横モード制御、偏光制御および縦モード制御を行うことができる。
次に、本発明の第３の実施例について説明する。第１の実施例では、ｎ側電極１２２を光モード制御層１２０と上部ＤＢＲとの間に形成したが、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１００Ｂは、図７に示すように、光モード制御層１２０を形成した後、その上にｎ型の上部ＤＢＲ１７０を形成し、その上にｎ側電極１７２を形成する。上部ＤＢＲ１７０は、例えばＩＴＯのような半導体多層膜から形成され、ｎ側電極１７２は上部ＤＢＲ１７０を介して光モード制御層１２０に電気的に接続される。その他の構成は、第１の実施例と同様である。
次に、第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について図８および図９を参照して説明する。先ず、図８Ａに示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｐ型ＧａＡｓ基板１０２上に、例えばＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ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４０．５周期積層した、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3のｐ型の下部ＤＢＲ１０６、ｐ型のＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる電流狭窄層１０８、ｐ型のＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる下部スぺーサー層１１０、アンドープ量子井戸活性層(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)１１２、ｎ型のＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる上部スぺーサー層１１４、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ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複数周期積層したｎ型の中間ＤＢＲ１１６、キャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3となる膜厚２００ｎｍのｎ型のＧａＡｓ層（光モード制御層）１２０を順次積層する。
エピタキシャル成長を止めてチャンバーから基板を取り出し、次に、図８Ｂに示すように、光モード制御層１２０上に円形状のフォトレジストパターンＭを形成する。次に、図８Ｃに示すように、フォトレジストパターンＭを用いて半導体層をドライエッチングし、基板１０２上に円筒状のポスト構造Ｐを形成する。ポスト構造Ｐは、少なくとも電流狭窄層１０８を露出する。
次に、図９Ａに示すように、基板を酸化炉に入れて、一定時間の酸化を行う。これにより、ポスト構造Ｐの側面から一定距離だけ酸化され電流狭窄層１０８に酸化領域１０８ａが形成される。酸化領域１０８ａによって囲まれた領域は、動作時に電流狭窄を行う導電部１２８となる。
次に、フォトレジストパターンＭを除去し、基板の全面にＳｉＮ等の絶縁膜１２６を形成し、次いで、図９Ｂに示すように、絶縁膜１２６をフォトリソ工程によりエッチングし、ポスト構造Ｐの頂部に円形状の開口１２６ａを形成し、ＧａＡｓ層１２０を露出させる。
次に、フォトリソ工程によりポスト構造Ｐの頂部に現れているＧａＡｓ層１２０の中央部をエッチングして、図９Ｃに示すように、円形状の開口部１１８を形成し、光モード制御層１２０を得る。
次に、光モード制御層１２０上に、リフトオフによりｎ側電極１２２を形成する。電極の材質としてはＡｕやＣｕなどを使用することができる。次に、光モード制御層１２０上に、誘電体であるＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層した誘電体多層膜による上部ＤＢＲ１２４を形成する。誘電体多層膜は、真空蒸着または電子ビーム蒸着によって行うが、その際、光学的なモニターを用いて膜厚管理を行いＳｉＯ２とＴｉＯ２を所定の厚みになるよう交互に着膜する。最後に、基板１０２の裏面にｐ側電極１０４を形成する。こうして、発振波長が約８５０ｎｍのレーザ光を出射するＶＣＳＥＬが得られる。
モード制御を行う層の材料としては、ＧａＡｓ以外に、格子整合される材料、例えばＩｎＧａＡｓ等を用いることができる。また、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの場合には、最終層であるＧａＡｓ層の膜厚を２０ｎｍとし、その後、フォトリソ工程により発振波長の光を吸収しまたは反射する光モード制御層をＧａＡｓ層上に形成する。
上記例では、基板上に単一のポスト構造Ｐを形成する例を示したが、基板上に複数のポスト構造Ｐを形成し、複数のポスト構造Ｐからレーザ光を出射するマルチビームまたはマルチスポットのＶＣＳＥＬであってもよい。さらに上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬに適用することも可能である。さらに、ポスト構造の形状は、円筒状の他、矩形状であってもよい。
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用したモジュール、光送信装置、空間伝送システム、光伝送装置等について図面を参照して説明する。図１０Ａは、ＶＣＳＥＬを実装したパッケージ（モジュール）の構成を示す断面図である。パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ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、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に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から垂直方向に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からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、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や温度センサを含ませるようにしてもよい。
図１０Ｂは、他のパッケージの構成を示す図であり、同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。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からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
図１１は、ＶＣＳＥＬを光源として適用した例を示す図である。光源装置３７０は、図１０Ａまたは図１０ＢのようにＶＣＳＥＬを実装したパッケージ３００、パッケージ３００からのマルチビームのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
図１２は、図１０Ａに示す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、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０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１３は、図１２に示すモジュール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。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５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０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。
図１４Ａ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、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。
図１４Ｂは、光伝送システムに利用される光伝送装置の概観構成を示す図である。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を含み、内部に送信回路基板／受信回路基板を有している。
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１５に示す。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１４Ｂ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、制御信号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。
本発明に係る面発光型半導体レーザは、光情報処理や光高速データ通信の分野で利用することができる。
本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す概略断面図であり、図１Ａは、上部ＤＢＲを形成する前の状態を示し、図１Ｂは、上部ＤＢＲを形成した後の状態を示す。 光モード制御層のプロファイルを示す平面図である。 光モード制御層による横モード制御された光強度分布を示す図である。 光モード制御層の開口部の径と発振波長の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの変形例を示す概略断面図である。 本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 本実施例に係るＶＣＳＥＬに光学部品を実装したモジュールの構成を示す概略断面図である。 ＶＣＳＥＬを使用した光源装置の構成例を示す図である。 図１０に示すモジュールを用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。 図１０に示すモジュール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。 図１４Ａは、光伝送システムの構成を示すブロック図、図１４Ｂは、光伝送装置の外観構成を示す図である。 図１４Ｂ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。
符号の説明
１００：ＶＣＳＥＬ １０２：基板
１０４：ｐ側電極 １０６：下部ＤＢＲ
１０８：電流狭窄層 １１０：下部スペーサ層
１１２：活性層 １１４：上部スペーサ層
１１６：中間ＤＢＲ １１８：開口部
１２０：光モード制御層 １２２：ｎ側電極
１２４：上部ＤＢＲ １２６：絶縁膜
１２８：導電部 １３０：ｐ側上部電極
１４０：半円状開口 １４２：扇状開口
１４４：スリット １６０：ＧａＡｓ層
１６２：光モード制御層 １６４：開口部
１７０：上部ＤＢＲ １７２：ｎ側電極
Ｐ：ポスト構造

Claims (22)

  1. 基板と、
    基板上に形成された下部反射鏡と、
    下部反射鏡上に形成され、光を発生する活性層と、
    活性層上に形成され、下部反射鏡との間で共振器を形成する上部反射鏡と、
    下部反射鏡と上部反射鏡の間に形成され、かつ活性層で発せられた光を選択的に吸収しまたは反射する開口部が形成され、レーザ光のモードを光学的に制御する光モード制御層と、
    下部反射鏡と上部反射鏡との間に形成され、駆動時に流される電流を狭窄する電流狭窄層と、
    を有する面発光型半導体レーザ。
  2. 活性層で発せられた光の一部は開口部を通過し、その他の光は光モード制御層により吸収または反射される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  3. 光モード制御層は、活性層と格子定数が整合する半導体層から構成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  4. 光モード制御層は、金属層を含む、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  5. 電流狭窄層は、導電部と該導電部より高抵抗な高抵抗部とを有し、該導電部は該高抵抗部によって囲まれ、光モード制御層の開口部の中心は、導電部の中心に一致する、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  6. 光モード制御層の開口部の径は、電流狭窄層の導電部の径よりも小さい、請求項５に記載の面発光型半導体レーザ。
  7. 電流狭窄層の高抵抗部は、選択的に酸化された領域である、請求項５または６に記載の面発光型半導体レーザ。
  8. 下部反射鏡は第１導電型を有し、光モード制御層は第２導電型を有し、光モード制御層と上部反射鏡との間に電極が形成され、当該電極が光モード制御層に電気的に接続される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  9. 光モード制御層の開口部は、円形状に加工される、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。
  10. 光モード制御層の開口部は、スリット状に加工される、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。
  11. 光モード制御層の開口部は、開口部の中心に関して非対称となる複数の開口部に加工される、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。
  12. 光モード制御層の開口部は、開口部の中心に関して点対称となる複数の開口部に加工される、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。
  13. 光モード制御層の開口部の径は、出射されるレーザ光の波長に応じて選択される、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。
  14. 基板上に、少なくとも下部反射鏡、電流狭窄層および活性層を構成する半導体各層を積層する工程と、
    積層された半導体層の最上層にフォトリソ工程により開口部を形成し、レーザ光のモードを光学的に制御するための光モード制御層を形成する工程と、
    光モード制御層上に、下部反射鏡との間で共振器を構成する上部反射鏡を形成する工程と、
    を有する面発光型半導体レーザの製造方法。
  15. 製造方法はさらに、少なくとも光モード制御層から電流狭窄層に至るポスト構造を基板上に形成する工程と、
    ポスト構造の側面から電流狭窄層の一部を酸化し、酸化領域によって囲まれた導電部を形成する工程とを含む、請求項１４に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
  16. 下部反射鏡、活性層、電流狭窄層および光モード制御層は、エピタキシャル成長により形成される、請求項１４に記載の製造方法。
  17. 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と、面発光型半導体レーザに電気的に接続された電気接続端子と、面発光型半導体レーザから出射された光を入射する光学部品とを備えたモジュール。
  18. 請求項１ないし１３いずれか１つに記載された面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザから発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段と備えた、光源装置。
  19. 請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備えた、情報処理装置。
  20. 請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
  21. 請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザ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。
  22. 請求項１７に記載されたモジュールと、面発光型半導体レーザ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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