JP2011216557A - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュール - Google Patents

面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】低消費電力化が可能な面発光レーザを提供すること。
【解決手段】基板上に形成された下部多層膜反射鏡と、下部多層膜反射鏡上に形成された第１導電型コンタクト層と、第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層上に形成された電流狭窄部を有する電流狭窄層と、第２導電型高導電率層上に形成された第２導電型コンタクト層と、第２導電型コンタクト層上に形成された上部多層膜反射鏡と、第２導電型コンタクト層上に形成された第２導電型側電極と、第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型側電極と、を備え、２５℃〜９０℃の環境温度の変化に対して、４ｄＢ以上の消光比を取る為の変調時のバイアス電流を中心とする変調領域での微分抵抗の変動量が１５Ω以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長８５０ｎｍ以上のレーザ光を発振する面発光レーザ、ならびに、これを用いた面発光レーザアレイ、光源、および光モジュールに関するものである。
従来、光インターコネクション用の光源として、発振するレーザ光の波長が８５０ｎｍ帯の面発光レーザが主に用いられている。この８５０ｎｍ帯面発光レーザは、活性層のＧａＡｓ系量子井戸のエネルギーバンドギャップに対応させて、これを駆動させるＩＣドライバーは通常３．３Ｖ駆動となっている。
しかしながら、光インターコネクションの用途に限らず、面発光レーザは、一層低消費電力であることが市場から要求されている。このような低消費電力化を実現する方法として、活性層のエネルギーバンドギャップが一層低く、バイアス電圧を一層低くすることができる発振波長８５０ｎｍ以上の面発光レーザを用いる方法が検討されている。発振波長を長くする為に、活性層に歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸を用いる事で、微分利得は増加し、更なる低消費電力化が期待できる。
従来の波長８５０ｎｍ以上の面発光レーザは、たとえば非特許文献１に開示される構造を有している。この面発光レーザは、選択酸化型の電流狭窄層を有し、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される多層膜反射鏡であるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーを光共振器として用いており、上部ＤＢＲミラー上にｐ側電極が形成された構成を有している。
しかしながら、従来構造の面発光レーザは、閾値電流以上のバイアス電流を流した場合に、電流値および環境温度に応じて素子抵抗が変化するため、この素子に信号としての変調電圧を印加する場合には、印加する変調電圧を大きくするか、若しくはバイアス電流を増加しなければならず、消費電力が増加してしまうと言う問題があった。以下、具体的に説明する。
図１９は、従来構造の面発光レーザの電流に対する素子の微分抵抗の特性（Ｉ−Ｒｄ特性）を模式的に示す図である。なお、図１９において、線Ｃ３はＩ−Ｒｄ特性を示している。図１９に示すように、この面発光レーザは、電流が増加するにつれて微分抵抗が減少するような傾斜した特性を有している。ここで、この面発光レーザからレーザ信号光を出力するために、所定のバイアス電圧を印加するとともに、バイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅Ｖｍを有する変調電圧を印加する場合を考える。この場合、面発光レーザには、閾値電流Ｉｔｈ以上のバイアス電流Ｉｂとともに、振幅Ｖｍに対応した変調電流が流れる。ところが、図１９に示すように、面発光レーザの微分抵抗は傾斜しているため、正方向の振幅＋Ｖｍに対応する変調電流Ｉｍ＋と、負方向の振幅−Ｖｍに対応する変調電流Ｉｍ−とが、非対称になる。その結果、出力するレーザ信号光の強度も、バイアス電流を中心として正負方向に対して非対称な振幅を有するものとなるため、同じ消光比の光信号を得る為の平均変調電流が増加し、消費電力が増加する。
また、端面出射型レーザでは、電流注入領域が、面発光レーザに比べて面積で１０倍以上なので、微分抵抗は５Ω以下の値が容易に得られ、抵抗変動量も小さくする事が可能である。しかしながら、変調速度が１０ＧＨｚ以上の面発光レーザであって、７０Ω以下の微分抵抗で、且つ、微分抵抗変動が小さい面発光レーザはこれまで得る事が出来なかった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低消費電力化が可能な面発光レーザ、ならびに、これを用いた面発光レーザアレイ、光源、および光モジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザは、基板と、前記基板上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる下部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡上に形成された第１導電型コンタクト層と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第２導電型クラッド層上に形成された、電流狭窄部を有する電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に形成された第２導電型高導電率層と、前記第２導電型高導電率層上に形成された第２導電型コンタクト層と、前記第２導電型コンタクト層上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる上部多層膜反射鏡と、前記第２導電型コンタクト層上に形成された第２導電型側電極と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型側電極と、を少なくとも備えた面発光レーザにおいて、２５℃〜９０℃の環境温度の変化に対して、４ｄＢ以上の消光比を取る為の変調時のバイアス電流を中心とする変調領域での微分抵抗の変動量が１５Ω以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、閾値電流が１．２ｍＡ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、２５℃〜９０℃の環境温度の範囲において、４ｄＢ以上の消光比を取る為のバイアス電流を中心とする変調領域の微分抵抗が、７０Ω以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時のバイアス電流を中心とする変調領域がバイアス電流を中心として±３ｍＡ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時のバイアス電流を中心とする変調電圧が±０．２Ｖ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時のバイアス電流を中心とする変調電圧が±０．１Ｖ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、同一温度での微分抵抗の最大値と最小値の差分が最大値の１７％以下であり、かつ１ｍＡ〜３ｍＡの間から１０ｍＡ以上にわたって平坦であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、基板と、前記基板上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる下部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡上に形成された第１導電型コンタクト層と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記第２導電型クラッド層上に形成され、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる電流注入部と選択酸化熱処理によって形成された（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に形成された第２導電型高導電率層と、前記第２導電型高導電率層上に形成された第２導電型コンタクト層と、前記第２導電型コンタクト層上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる上部多層膜反射鏡と、前記第２導電型コンタクト層上に形成された第２導電型側電極と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型側電極と、を備え、前記電流狭窄層の直上から前記第２導電型コンタクト層までが、積層方向において該第２導電型コンタクト層に向かってＡｌ組成が単調減少するＡｌ１−ｙＧａｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）からなり、前記電流狭窄層の直下から前記第１導電型コンタクト層までが、積層方向において該第１導電型コンタクト層に向かってＡｌ組成が単調減少するＡｌ１−ｚＧａｚＡｓ（ｘ＜ｚ≦１）からなり、前記第２導電型クラッド層はＡｌ１−ｚＧａｚＡｓ（ｚ≠１）からなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記活性層は、少なくとも８５０ｎｍ以上の波長の光を発生する材料から構成されることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２導電型側電極と前記活性層との間に存在するヘテロ界面の数が３〜３０であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２導電型高導電率層は、３×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下のキャリア濃度を有することを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、λ／４ｎ〜７λ／４ｎの範囲にあることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、３λ／４ｎ〜５λ／４ｎの範囲にあることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２導電型高導電率層の層厚を抵抗率で除算した値が、７×１０−４［１／Ω］以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は誘電体からなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２導電型クラッド層には第２導電型ドーパントが添加されており、前記第１導電型クラッド層には第１導電型ドーパントが添加されていることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザアレイは、４〜１５個の上記発明のいずれか一つの面発光レーザの素子が１次元または２次元のアレイ状に配列されたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記発明のいずれか一つの面発光レーザまたは上記発明の面発光レーザアレイと、前記面発光レーザまたは前記面発光レーザアレイに対して、前記バイアス電圧と該バイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅を有する前記変調電圧とを印加する制御器と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る光モジュールは、上記発明のいずれか一つの面発光レーザ、上記発明の面発光レーザアレイ、または上記発明の光源と、前記面発光レーザ、前記面発光レーザアレイ、または前記光源が出射するレーザ光を伝播する光導波路と、前記レーザ光を前記光導波路に結合させる光結合手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、面発光レーザの低消費電力化が可能であるという効果を奏する
図１は、実施の形態１に係る光源の構成を模式的に示した図である。 図２は、図１に示す面発光レーザのＡ−Ａ線要部断面図である。 図３は、実施の形態１に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を模式的に示す図である。 図４は、環境温度が２５℃の場合の実施例、比較例１〜３に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を示す図である。 図５は、環境温度が５０℃の場合の実施例、比較例１、２に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を示す図である。 図６は、環境温度が９０℃の場合の実施例、比較例１、２に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を示す図である。 図７は、図４〜図６に示したＩ−Ｒｄ特性における１０Ｇ変調時の微分抵抗値および微分抵抗値の変動量を示す図である。 図８は、実施の形態１と同様の構成の光源において、所定のバイアス電圧と変調電圧とを印加した場合の、微分抵抗値の変動量（ΔＲｄ）と、出力したレーザ信号光の消光比との関係を示す図である。 図９は、実施の形態２に係る面発光レーザアレイ装置の模式的な斜視図である。 図１０は、図９に示す面発光レーザアレイ装置の模式的な平面図である。 図１１は、実施の形態３に係る面発光レーザパッケージの模式的な断面図である。 図１２は、実施の形態４に係る光ピックアップの模式的な一部断面図である。 図１３は、実施の形態５に係る２つの光送受信モジュールが、２本の光導波路を介して接続している状態を示す模式な平面図である。 図１４は、図１３に示す光送受信モジュールにおける面発光レーザと光導波路との光結合部分の一例を示す側面図である。 図１５は、面発光レーザと光導波路との光結合部分の他の一例を示す側面図である。 図１６は、面発光レーザと光導波路との光結合部分のさらに他の一例を示す一部断面側面図である。 図１７は、面発光レーザと光導波路との光結合部分のさらに他の一例を示す側面図である。 図１８は、実施の形態６に係る波長多重伝送システムの模式的な構成図である。 図１９は、従来構造の面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を模式的に示す図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面において、同一または対応する要素には、適宜同一符号を付している。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る光源１００の構成を模式的に示した図である。図１に示すように、この光源１００は、面発光レーザ１０１と、面発光レーザ１０１を制御する制御器１０２とを備える。また、図２は図１に示す面発光レーザ１０１のＡ−Ａ線要部断面図である。
図１、２に示すように、この面発光レーザ１０１は、面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層された下部多層膜反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、電流狭窄層８、ｐ型スペーサ層９、ｐ型高導電率層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型コンタクト層１２、ｐ側電極１３、上部多層膜反射鏡として機能する上部ＤＢＲミラー１４、ｎ側引出電極１５、およびｐ側引出電極１６を備える。このうち、ｎ型クラッド層５からｐ型コンタクト層１２までの積層構造は、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストＭとして形成されている。メサポスト径はたとえば直径３０μｍである。また、ｎ型コンタクト層３はメサポストＭの外周側に延設している。また、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１４とは光共振器を形成している。
下部ＤＢＲミラー２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層上に形成される。下部ＤＢＲミラー２は、低屈折率層として機能するＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ半導体層と、高屈折折率層として機能するＧａＡｓ半導体層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば４０．５ペア積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。下部ＤＢＲミラー２の複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。
ｎ型コンタクト層３は、アンドープの下部ＤＢＲミラー２上にｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。ｎ型クラッド層５は、ｎ型コンタクト層３上にｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型クラッド層７は、活性層６上にｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｎ型クラッド層５とｐ型クラッド層７とは活性層６を挟むように形成されており、分離閉じ込め（Separate Confinement Heterostructure、ＳＣＨ）構造を形成している。
また、ｐ型スペーサ層９は、電流狭窄層８上にｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型高導電率層１０は、ｐ型スペーサ層９上にｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。また、ｐ型スペーサ層１１は、ｐ型高導電率層１０上にｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。そして、ｐ型コンタクト層１２は、ｐ型スペーサ層１１上にｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。なお、各半導体層の組成については後に詳述する。
また、ｎ型クラッド層５、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層９、１１には、キャリア濃度がたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度となるようにｐ型またはｎ型ドーパントが添加されており、確実にｐ型またはｎ型の導電型とされている。また、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層１２のキャリア濃度はたとえば順に２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１９ｃｍ−３程度である。また、ｐ型高導電率層１０のキャリア濃度は３×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型スペーサ層９、１１よりも高導電率とされている。このｐ型高導電率層１０は、ｐ側電極１３から注入される電流の紙面横方向における経路となり、より効率的に活性層６に電流を注入するように機能している。
なお、ｐ型高導電率層１０のキャリア濃度は、高導電率、低抵抗の点からは３×１０１９ｃｍ−３以上が好ましく、製造上の容易さからは１×１０２１ｃｍ−３以下が好ましい。また、キャリア濃度が３×１０１９ｃｍ−３の場合、ＡｌＧａＡｓであるｐ型高導電率層１０の抵抗率は４×１０−３Ω・ｃｍであるから、ｐ型高導電率層１０の層厚が３０ｎｍであるとすると、層厚を抵抗率で除算した値は７×１０−４［１／Ω］以上である。また、ｐ型デルタドープ層は２層以上設けてもよい。
電流狭窄層８は、電流注入部としての開口部８ａと電流狭窄部としての選択酸化層８ｂとから構成されている。開口部８ａはＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなり、選択酸化層８ｂは（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる。なお、ｘはたとえば０．０２である。この電流狭窄層８は、たとえば厚さ３０ｎｍであり、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるＡｌ含有層を選択酸化熱処理することによって形成される。すなわち、選択酸化層８ｂは、このＡｌ含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで輪帯状に形成されている。選択酸化層８ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極１３から注入される電流を狭窄して開口部８ａ内に集中させることで、開口部８ａ直下における活性層６内の電流密度を高めている。なお、開口部８ａの開口径はたとえば直径６μｍである。
また、電流狭窄層８は、活性層６の中心から電流狭窄層８の中心までの距離がλ／４ｎ〜７λ／４ｎ、好ましくは３λ／４ｎ〜５λ／４ｎの範囲になるように形成されている。ここで、ｎは、活性層６から電流狭窄層８までの平均の屈折率とする。信頼性の為には、３λ／４ｎ以上が望ましく、変調効率の低下を防ぐためには、７λ／４ｎ以下が望ましいからである。また、その他の層の厚さは、活性層６の位置に光共振器内の光の定在波の腹が形成され、電流狭窄層８およびｐ型高導電率層１０の位置に定在波の節が形成されるように調整されている。
活性層６は、３層の量子井戸層６ａと２層の障壁層６ｂとが交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）を有する。なお、量子井戸層６ａはたとえばＧａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ等のＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層６ｂはたとえばＧａＡｓからなる。この活性層６は、ｐ側電極１３から注入されて電流狭窄層８によって狭窄された電流により、少なくとも８５０ｎｍ以上の波長の光を含む自然放出光を発する。
上部ＤＢＲミラー１４は、ｐ型コンタクト層１２上に形成される。上部ＤＢＲミラー１４は、低屈折率層として機能するＳｉＯ2層と、高屈折折率層として機能するＳｉＮ層とを１ペアとする複合誘電体層がたとえば９ペア積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー２と同様に各層の厚さがλ／４ｎとされている。なお、上部ＤＢＲミラー１４の直径は、ｐ型コンタクト層１２の直径よりも小さいため、ｐ型コンタクト層１２は上部ＤＢＲミラー１４の外周側に延設している。
ｐ側電極１３は、ｐ型コンタクト層１２の上記延設した部分の表面に、上部ＤＢＲミラー１４を取り囲むようにリング状に形成されている。すなわち、ｐ側電極１３は、上部ＤＢＲミラー１４を介さずにｐ型コンタクト層１２上に直接形成されている。一方、ｎ側電極４は、メサポストＭの外周側に延設したｎ型コンタクト層３の延設部分の表面に形成され、メサポストＭの周囲を取り囲むようにＣ字状に形成されている。また、ｎ側引出電極１５およびｐ側引出電極１６は、それぞれｎ側電極４およびｐ側電極１３に接続している。
また、制御器１０２は、ｎ側引出電極１５およびｐ側引出電極１６を介してｐ側電極１３およびｎ側電極４に電気的に接続している。この制御器１０２は、ｐ側電極１３とｎ側電極４との間に所定のバイアス電圧と、このバイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅を有する信号としての変調電圧とを印加するように構成されており、たとえばレーザ駆動用の公知のＩＣドライバーにより実現される。変調電圧の変調周波数はたとえば１０ＧＨｚ以上である。
つぎに、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層９、１１、ｐ型高導電率層１０、およびｐ型コンタクト層１２の組成について説明する。まず、電流狭窄層８の直上のｐ型スペーサ層９からｐ型コンタクト層１２までは、Ａｌ１−ｙＧａｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）からなる。ただし、上述したように、ｎ型コンタクト層３およびｎ型クラッド層５はＧａＡｓからなるので、ｙ＝１である。また、電流狭窄層８の直下のｐ型クラッド層７からｎ型コンタクト層３までは、Ａｌ１−ｚＧａｚＡｓ（ｘ＜ｚ≦１）からなる。ただし、ｐ型クラッド層７においてはｚ≠１であり、Ａｌを必ず含んでいる。また、上述したように、ｐ型コンタクト層１２はＧａＡｓからなるので、ｚ＝１である。
つぎに、上記各半導体層のＡｌ組成について説明する。図２において、線Ｃ１は半導体層の積層方向におけるＡｌ組成の分布を示している。線Ｃ１が示すように、Ａｌ組成は、電流狭窄層８からｐ型コンタクト層１２に向かってなだらかに単調減少している。また、電流狭窄層８からｎ型コンタクト層３に向かっても、Ａｌ組成は段階的に単調減少している。なお、Ａｌ組成が単調減少しているとは、Ａｌ組成が途中で増加に転じないことを意味している。
つぎに、この光源１００の動作について説明する。はじめに、制御器１０２が、ｐ側電極１３とｎ側電極４との間にバイアス電圧および変調電圧を印加し電流を注入する。ｐ側のキャリア（ホール）については、主に図２の経路Ｐが示すように、ｐ側電極１３からｐ型コンタクト層１２、ｐ型スペーサ層１１を通過し、高導電率のｐ型高導電率層１０においては層内を紙面横方向に流れ、その後ｐ型スペーサ層９を通過し、電流狭窄層８の開口部８ａ内に集中して密度が高められた状態で、活性層６に注入される。一方、ｎ側のキャリア（電子）については、ｎ側電極４からｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５を通過して、活性層６に注入される。
キャリアが注入された活性層６は、自然放出光を発生する。発生した自然放出光は、活性層６の光増幅作用と光共振器の作用とによってレーザ発振する。その結果、この面発光レーザ１０１は、上部ＤＢＲミラー１４上から変調信号を含むレーザ信号光を出力する。
上述したように、ｐ側電極１３は、上部ＤＢＲミラー１４を介さずにｐ型コンタクト層１２上に直接形成されており、ｎ側電極４も、下部ＤＢＲミラー２を介さずにｎ型コンタクト層３上に直接形成されている。その結果、ｐ側電極１３およびｎ側電極４と、活性層６との間に存在する異種材料間の界面であるヘテロ界面の数が少なくなっている。また、Ａｌ組成は、電流狭窄層８からｐ型コンタクト層１２に向かって単調減少し、かつ電流狭窄層８からｎ型コンタクト層３に向かっても単調減少しているため、ヘテロ界面におけるバンドオフセットも単調に変化している。
ここで、たとえば室温において、従来のような上部ＤＢＲミラー上にｐ側電極が形成された構成の面発光レーザに電流を流す場合を考える。電流はホールとしてｐ側電極から注入されるが、ホールの一部は上部ＤＢＲミラー内に存在する多数のヘテロ界面においてトラップされるため、面発光レーザの微分抵抗が高くなる。なお、ヘテロ界面のバリアエネルギーをφＢとすると、微分抵抗率は、１／ｅｘｐ（−φＢ／ｋＴ）に比例する。ただし、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、φＢは６０ｍｅＶ程度である。
一般的に、面発光レーザは注入する電流を増加させるにつれて温度上昇する。その結果、ホールは熱エネルギーを得るので、ヘテロ界面でトラップされるホールの割合が減少する。そのため、上述した式が示すように微分抵抗率も減少する。すなわち、従来の面発光レーザは、駆動電流の増加に応じて微分抵抗が減少し、図１９に示すようなＩ−Ｒｄ特性となる。たとえば、非特許文献１に開示される面発光レーザの場合、ｐ側電極から活性層との間に存在するヘテロ界面の数は、上部ＤＢＲミラー内だけでも３５ペアの場合で７０〜２１０程度と多くなっている。
一方、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、上述したように、ｐ側電極１３と活性層６との間に存在するヘテロ界面の数が従来よりも大幅に少ない。さらに、ヘテロ界面におけるバンドオフセットも単調に変化しているため、キャリアの経路においてエネルギーレベルに凹凸が無く単調に変化する。その結果、ヘテロ界面においてトラップされるホールの割合は、室温においてもきわめて少なくなるため、素子が温度上昇しても、微分抵抗はあまり変動しなくなる。また、ｎ側電極４から注入されるキャリアである電子についても、ｎ側電極４から活性層６に注入される電子が通過するヘテロ界面が少なく、またバンドオフセットも単調に変化するため、微分抵抗の変動はさらに少なくなる。なお、ｐ側電極１３と活性層６との間に存在するヘテロ界面の数は、３〜３０が好ましい。
さらに、この面発光レーザ１０１においては、図２の経路Ｐが示すように、ｐ側電極１３から電流狭窄層８の開口部８ａまでキャリアを注入する際に、低抵抗のｐ型高導電率層１０を経由するようにしているとともに、開口部８ａにより電流が狭窄された後は、キャリアは、Ａｌを必ず含んでいるＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層７を介して活性層６に注入される。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓよりもキャリアの移動度が小さいため、電流が横方向に広がりにくい。その結果、素子の温度が変化したとしても、電流経路が変動せずに安定しているので、微分抵抗の変動はさらに少なくなる。
ちなみに、活性層６の中心から電流狭窄層８の中心までの距離が３λ／４ｎ以上の距離とすると、活性層６の信頼性を向上し好ましいが、このように電流狭窄層８と活性層６との距離を離隔させても、上述したようにｐ型クラッド層７はＡｌを必ず含んでいるＡｌＧａＡｓからなるので、電流が横方向に広がりにくい。
また、ｐ型高導電率層１０内におけるホールの移動度μは、その半導体材料にかかわらず、４００（３００／Ｔ）２．３に比例する。したがって、素子の温度が上昇すると移動度は低下して微分抵抗が増加する。この微分抵抗の増加が、上述したヘテロ界面におけるキャリアトラップによる微分抵抗の減少を打ち消すように作用するため、微分抵抗の変動はさらに少なくなる。
本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、以上のような複合的な作用によって、閾値電流以上の電流において、微分抵抗の変動がきわめて少ないものとなる。また、８
５０ｎｍ帯以上、特に１０００ｎｍ帯以上の面発光レーザの場合、活性層のバンドギャップが小さく、バイアス電圧を一層低くし、低消費電力駆動が可能である。
図３は、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１のＩ−Ｒｄ特性を模式的に示す図である。なお、図３において、線Ｃ２がＩ−Ｒｄ特性を示している。図３に示すように、この面発光レーザ１０１は、閾値電流以上の電流値に関して、電流の増加にかかわらず微分抵抗がほぼ一定である特性を有している。したがって、制御器１０２がバイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅Ｖｍを有する変調電圧を印加した場合にも、正方向の振幅＋Ｖｍに対応する変調電流Ｉｍ＋と、負方向の振幅−Ｖｍに対応する変調電流Ｉｍ−とがバイアス電流Ｉｂに関して対称になる。その結果、出力するレーザ信号光の光強度も、バイアス電流に対応する光強度を中心として正負方向に対して対称な振幅を有するものとなる。したがって、消光比が大きくでき、低消費電力化できる。
このように、本実施の形態１に係る光源１００は、低消費電力化が可能なので、特に１０ＧＨｚ以上の高速の変調電圧を印加して、１０Ｇｂｐ以上の高速伝送を実現するための光源として適するものとなる。
また、上述したように、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、素子の温度上昇に伴う微分抵抗の変動がきわめて少ないものとなる。したがって、この面発光レーザ１０１は、環境温度が変化しても微分抵抗の変動がきわめて少ないため、変調時の光出力の環境温度依存性が小さい。さらに、活性層６の量子井戸層６ａが、利得曲線の温度変化が小さいＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなるため、閾値電流および閾値電圧が小さい事に加え、Ｉ−Ｌ特性の環境温度依存性が小さい。したがって、本実施の形態１に係る光源１００は、ペルチェ素子等の温度調整手段が消費電力の少ないものでよい、あるいは不要なので、一層簡易かつ低消費電力、さらには低コストのものとなる。
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る光源１００の製造方法の一例について説明する。まず、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ、ＣＢＥ、ＭＯＣＶＤ等の公知の成長方法を用いて、表面にアンドープＧａＡｓバッファ層を積層したｎ型ＧａＡｓ基板１上に、下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、電流狭窄層８を形成するためのＡｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるＡｌ含有層、ｐ型スペーサ層９、ｐ型高導電率層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型コンタクト層１２を順次積層する。
つぎに、リフトオフ法を用いて、ｐ型コンタクト層１２上にｐ側電極１３を形成する。つぎに、ｐ側電極１３をＳｉＮ膜で覆い、酸エッチング液等を用いてｎ型クラッド層５に到る深さまでエッチングして円柱状のメサポストＭを形成する。
つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、Ａｌ含有層をメサポストＭの外周側から選択酸化し、電流狭窄層８を形成する。このように、電流狭窄層８は選択酸化熱処理によって簡易かつ高精度に所望の形状に形成できる。
つぎに、メサポストＭの外周側のｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極４を形成し、さらにｎ側引出電極１５およびｐ側引出電極１６を形成する。
つぎに、上部ＤＢＲミラー１４を形成した後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面を研磨して所望の厚さとし、素子分離を行って、面発光レーザ１０１が完成する。そして、この面発光レーザ１０１と、レーザ駆動用の公知のＩＣドライバーを備える制御器１０２とを接続し、光源１００が完成する。
（実施例、比較例）
本発明の実施例として、上述した製造方法によって製造した面発光レーザに制御器を接続し、実施の形態１に係るものと同様の構成の光源を作製した。なお、レーザ発振波長λが１１００ｎｍになるように、活性層の組成、上部および下部ＤＢＲミラーの層厚、ならびに光共振器長等を調整した。この実施例に係る面発光レーザの閾値電流は０．３ｍＡであった。
また、比較例１、２として、実施例に係る面発光レーザと略同様の構成であるが、図１におけるｐ型クラッド層７がＡｌを含まないＧａＡｓからなる点が異なる発振波長１３００ｎｍの面発光レーザ（比較例１）、およびｐ型高導電率層のキャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３である点が異なる発振波長１３００ｎｍの面発光レーザ（比較例２）を製造し、これらに制御器を接続し、光源を作製した。なお、レーザ発振波長λが１３００ｎｍになるように、活性層の組成、上部および下部ＤＢＲミラーの層厚、ならびに光共振器長等を調整した。比較例１、２に係る面発光レーザの閾値電流はいずれも２．５ｍＡであった。なお、比較例において、１１００ｎｍと１３００ｎｍの発振波長の面発光レーザを用いたが、１３００ｎｍのデータは活性層がＧａＩｎＮＡｓの場合の例であり、結晶性が悪化して、閾値電流が高くなっている。活性層がＩｎＧａＡｓであれば、発振波長８５０〜１２２０ｎｍにおいては、閾値電流スロープ効率は同等であるが，バイアス電圧は長波長化する程低下し、低消費電力化が可能である。
また、比較例３として、実施例に係る面発光レーザにおいて、上部ＤＢＲミラーを、下部ＤＢＲミラーと同一であり導電型をｐ型として材料で構成し、かつｐ型コンタクト層とｐ側電極を上部ＤＢＲミラー上に設けた構成の面発光レーザを製造し、これらに制御器を接続し、光源を作製した。なお、レーザ発振波長λが８５０ｎｍになるように、活性層の組成、上部および下部ＤＢＲミラーの層厚、ならびに光共振器長等を調整した。比較例３に係る面発光レーザの閾値電流は０．３ｍＡであった。
つぎに、実施例および各比較例に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を測定した。そして、これらのＩ−Ｒｄ特性から、１０ＧＨｚの変調電圧で変調を行う場合（以下、１０Ｇ変調という）を想定して、バイアス電流５ｍＡ（実施例および比較例３）または７ｍＡ（比較例１、２）、変調電流±３ｍＡとなるようにバイアス電圧と変調電圧とを印加する場合の、素子の微分抵抗値を算出した。なお、環境温度は２５℃、５０℃、９０℃とした（比較例３は２５℃のみ）。
図４は、環境温度が２５℃の場合の実施例、比較例１〜３に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を示す図である。また、図５は、環境温度が５０℃の場合の実施例、比較例１、２に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を示す図である。また、図６は、環境温度が９０℃の場合の実施例、比較例１、２に係る面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性を示す図である。なお、図４〜図６において、矢印Ａｒ１〜Ａｒ４は、それぞれ比較例１〜３、実施例に係る面発光レーザに対して印加する電流の範囲を示している。
図４〜図６に示すように、比較例１、３に係る面発光レーザは、図１９と同様に、電流が増加するにつれて微分抵抗が大きく減少するような傾斜したＩ−Ｒｄ特性を有していた。また、比較例２に係る面発光レーザは、電流の変化に対する微分抵抗の変動は少ないが、環境温度が変化した場合の微分抵抗の変動が大きいＩ−Ｒｄ特性を有していた。これに対して、本発明の実施例に係る面発光レーザは、電流および環境温度のいずれの変化に対しても、微分抵抗の変動が少ないＩ−Ｒｄ特性を有していた。
つぎに、図７は、図４〜図６に示したＩ−Ｒｄ特性における１０Ｇ変調時、すなわち図４〜６に示した矢印Ａｒ１〜Ａｒ４の範囲で電流を変化させた場合の微分抵抗値および微分抵抗値の変動量を示す図である。なお、各環境温度において、微分抵抗値は、電流が最小値の場合の微分抵抗値（ｍｉｎ）、電流が最大値の場合の微分抵抗値（ｍａｘ）、（ｍｉｎ）−（ｍａｘ）で定義される差分値（ｄｉｆ）の順に表している。また、２５−９０℃での変動量とは、２５−９０℃における微分抵抗値の最大値と最小値との差分を意味する。
図７に示すように、比較例１〜３に係る面発光レーザは、微分抵抗値が高いとともに、その変動量も１９Ω、４８Ω、または４４Ω以上と大きかった。これに対して、本発明の実施例に係る面発光レーザは、微分抵抗値が低くその変動量も１０Ωと小さかった。なお、図７に示した値は、発振波長にはよらないが、変調周波数には依存する。例えば，１０Ｇｂｐｓ変調の為には、２．５Ｇｂｐｓ変調用、面発光レーザよりも酸化アパーチャー径（電流狭窄層の開口部の開口径）を小さくし、活性層体積を小さくする事で、緩和振動周波数の電流注入効率を向上させる構造とするが、抵抗はその分増加する。なお、本発明は１０Ｇｂｐｓ変調を主眼にしている。
図４〜図７の結果が示すように、本発明の実施例に係る面発光レーザは、電流の変化および環境温度の変化に対して微分抵抗値の変動が小さいので、通常用いられる±０．１Ｖの電圧変調を全環境温度領域（２５〜９０℃）に渡って調節する事が無く１０Ｇｂｐｓ駆動することが可能であり、ＩＣドライバーの簡易化、低消費電力化が実現できる。
ところで、２５℃〜９０℃の環境温度の変化に対する微分抵抗の変動量は、上記実施例に係る面発光レーザのように１５Ω以下であることが好ましい。以下、具体的に説明する。
図８は、実施の形態１と同様の構成の光源において、バイアス電流（５ｍＡ）を中心として，±０．１Ｖの変調電圧で変調した場合の、変調領域の微分抵抗値の変動量（ΔＲｄ）と，出力したレーザ信号光の消光比（ＥＲ）の関係の計算結果を示す図である。なお、閾値電流は１．２ｍＡ、最大電流時に微分抵抗値が５０Ωであるとして計算している。ここで、１０ギガビットイーサーネットの規格では、消光比が４ｄＢ以上という要求がある。
図８に示すように、バイアス電流を中心として、使用される環境温度範囲（２５〜９０℃）で１５Ω以下の抵抗変動であれば、通常のＩＣドライバーの変調振幅である±０．１Ｖでも、１０ギガビットイーサーネットの規格である消光比が４ｄＢ以上とする事が可能である。なお、これ以上抵抗変動が大きいと、消光比が減少してしまい、変調電圧振幅を大きくするか、バイアス電流を大きくするしかないので、消費電力が増大してしまう。変調電圧振幅は、低消費電力の観点からは±０．１Ｖ以下が望ましいが、±０．２Ｖ以下でも良い。
なお、上記実施の形態１では、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層９、１１、ｐ型高導電率層１０等を構成するＡｌＧａＡｓが、アロイである例を示したが、ＡｌＧａＡｓからなる層はデジタルアロイから構成されても良い。デジタルアロイは、１層あたりの膜厚が２．５ｎｍ以下の薄膜層から構成され、トンネル効果によりミニバンドを形成する。例えば、膜厚１．５ｎｍのＧａＡｓ層と膜厚１ｎｍのＡｌＡｓ層とのペアを１０ペア繰り返し形成することにより、平均Ａｌ組成が４０％で厚さが２５ｎｍのＡｌＧａＡｓ層と見なす事が可能である。この平均組成を有するＡｌＧａＡｓ層が、図２の様な組成傾斜になっていれば良い。なお、膜厚２．５ｎｍ以下の高Ａｌ組成（たとえば８０％）のＡｌＧａＡｓ層が１層のみ有る場合では、トンネル効果により、このＡｌＧａＡｓ層を介してキャリアが注入可能であるので、このＡｌＧａＡｓ層は抵抗上昇にほぼ寄与しない。この場合は、このＡｌＧａＡｓ層は無視して考える事ができる。
また、本発明に係る面発光レーザは、１０Ｇｂｐｓ〜４０Ｇｂｐｓにおいても直接変調が可能である。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２として、本発明の面発光レーザを用いた、光インターコネクション用の信号光源等に用いられる面発光レーザアレイ装置について説明する。図９は、実施の形態２に係る面発光レーザアレイ装置の模式的な斜視図である。図９に示すように、この面発光レーザアレイ装置２００は、ＣＬＣＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｌｅａｄｅｄ ｃｈｉｐ ｃａｒｒｉｅｒ）と呼ばれる周知のフラットパッケージ２０１に、面発光レーザアレイチップ２１０が実装されたものである。なお、面発光レーザアレイチップ２１０は、不図示の配線によって金属キャスター（電極）２０２と接続している。
図１０は、図９に示す面発光レーザアレイチップ２１０の模式的な平面図である。図１０に示すように、面発光レーザアレイチップ２１０は、中央部に設けられ、本発明の面発光レーザ２０６を４０個だけ２次元的に配列して構成された面発光レーザアレイ部２０５と、面発光レーザアレイ部２０５の周囲に設けられ、面発光レーザアレイ部２０５の各面発光レーザ２０６の電極と不図示の配線で接続した複数の電極パッド２０３とを有している。さらに、各電極パッド２０３はフラットパッケージ２０１の金属キャスター２０２と接続している。さらに、金属キャスター２０２は、各面発光レーザ２０６の発光を制御するための外部の制御回路（図示しない）に電気的に接続している。なお、面発光レーザ２０６としては、たとえば実施の形態１に係る面発光レーザ１０１を使用することができる。
つぎに、この面発光レーザアレイ装置２００の動作を説明する。面発光レーザアレイ部２０５の各面発光レーザ２０６は、外部の制御回路から金属キャスター２０２と電極パッド２０３とを介してバイアス電圧と変調電圧とを印加され、それぞれの上部から所定の波長のレーザ信号光を出射する。
この面発光レーザアレイ装置２００は、簡易な制御によって高品質の光信号を出力できる本発明の面発光レーザ２０６を使用しているため、制御回路も含めた構成が簡易であり、かつ低消費電力、低コストのものとなる。
。
なお、この面発光レーザアレイ装置２００の面発光レーザアレイ部２０５は、面発光レーザ２０６を２次元的に配列したものであるが、１次元的に配列してもよい。また、面発光レーザアレイ部２０５を構成する面発光レーザ２０６の数も特に限定はされない。たとえば、光インターコネクション用の信号光源としては、４〜１５個の面発光レーザを１次元的に配列したものが、現状の光モジュールでは好適に使用されている。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３として、本発明の面発光レーザを備えた光源であり、光インターコネクション用の信号光源等に用いられる面発光レーザパッケージについて説明する。図１１は、本実施の形態３に係る面発光レーザパッケージの模式的な断面図である。図１１に示すように、この面発光レーザパッケージ３００は、本発明の面発光レーザ３１２、面発光レーザ３１２を載置する基板３１１、基板３１１に設けられた電極３１３、および面発光レーザ３１２と電極３１３とを接続するワイヤ３１４を備える面発光レーザモジュール３１０と、面発光レーザモジュール３１０を収容するハウジング３２０と、面発光レーザモジュール３１０の上方に設けられ、アーム３２４によってハウジング３２０に保持されたレンズ３２３と、ハウジング３２０上部に設けられた光ファイバマウント３２１と、光ファイバマウント３２１に挿通保持された光ファイバ３２２とを備えている。電極３１３は、面発光レーザモジュール３１０の発光状態を制御するための外部の制御回路（図示しない）に電気的に接続している。なお、面発光レーザ３１２としては、たとえば実施の形態１に係る面発光レーザ１０１を使用することができる。
つぎに、この面発光レーザパッケージ３００の動作を説明する。面発光レーザ３１２は、外部の制御回路から電極３１３とワイヤ３１４とを介してバイアス電圧と変調電圧とを印加され、その上部から所定の波長のレーザ信号光Ｌ１を出射する。レンズ３２３はレーザ信号光Ｌ１を集光し、光ファイバ３２２に結合する。光ファイバ３２２は結合されたレーザ信号光Ｌ１を伝送する。
この面発光レーザパッケージ３００は、簡易な制御によって高品質の光信号を出力できる本発明の面発光レーザ３１２を使用しているため、制御回路も含めた構成が簡易であり、かつ低消費電力、低コストのものとなる。
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４として、本発明の面発光レーザを備えた光源であり、光記憶媒体の書き込み／読み出し装置に用いられる光ピックアップについて説明する。図１２は、本実施の形態４に係る光ピックアップの模式的な一部断面図である。図１２に示すように、この光ピックアップ３０１は、本発明の面発光レーザ３３２、面発光レーザ３３２を載置する基板３３１、基板３３１に設けられた電極３３３、基板３３１に載置された駆動ＩＣ３３４、面発光レーザ３３２と駆動ＩＣ３３４と電極３３３とを順次接続するワイヤ３３５、およびこれらの要素を封止する樹脂３３６からなる面発光レーザモジュール３３０と、面発光レーザモジュール３３０の上方に設けられたハーフミラー３４０と、面発光レーザモジュール３３０とハーフミラー３４０との間に設けられた回折格子３４１と、ハーフミラー３４０と光記憶媒体３６０との間に設けられたレンズ３４２と、ハーフミラー３４０を挟んで光記憶媒体３６０とは反対側に設けられた光センサ３５０とを備えている。
なお、面発光レーザ３３２としては、たとえば実施の形態１に係る面発光レーザ１０１を使用することができる。また、樹脂３３６の上部は凸状に加工され、レンズ３３６ａを構成している。また、電極３３３は、光ピックアップ３０１の発光状態を制御するための不図示の外部の制御回路（図示しない）に電気的に接続している。
つぎに、この光ピックアップ３０１の動作を、光記憶媒体３６０に記録された情報の読み出しを行なう場合について説明する。面発光レーザ３３２は、外部の制御回路から電極３３３とワイヤ３３５とを介して電力と電気信号とを供給された駆動ＩＣ３３４によって、バイアス電圧と変調電圧とを印加され、その上部からレーザ信号光Ｌ２を出射する。樹脂３３６のレンズ３３６ａはレーザ信号光Ｌ２を平行光（レーザ信号光Ｌ３）とする。ハーフミラー３４０はレーザ信号光Ｌ３を光記憶媒体３６０の所定の箇所に集光させる。すると、レーザ信号光Ｌ３は光記憶媒体３６０によって反射され、光記憶媒体３６０に記録された情報を含む反射信号光Ｌ４が発生する。反射信号光Ｌ４は、レンズ３４２、ハーフミラー３４０を順次通過する。そして、光センサ３５０は反射信号光Ｌ４を受光する。その後、光センサ３５０は反射信号光Ｌ４を電気信号に変換し、変換された電気信号は書き込み／読み出し装置に接続されたパーソナルコンピュータ等に送信され、記録された情報の読み出しが行なわれる。
この光ピックアップ３０１は、簡易な制御によって高品質の光信号を出力できる本発明の面発光レーザ３３２を使用しているため、構成が簡易であり、かつ低消費電力、低コストのものとなる。
なお、上記実施の形態３、４において、各面発光レーザをたとえば実施の形態２のような面発光レーザアレイ装置に適宜置き換えてもよい。
また、上記実施の形態３、４では、本発明の面発光レーザを通信用の面発光レーザパッケージ、あるいは光記憶媒体の書き込み／読み出し装置に用いられる光ピックアップに適用したものであるが、本発明の面発光レーザはこれに限らず、測量機器、レーザーポインター、光学マウスなどの光学機器、あるいはプリンタ、フォトレジストの走査露光用光源、レーザポンピング用光源や、加工用ファイバレーザの光源として用いることもできる。
（実施の形態５）
本発明の面発光レーザおよび面発光レーザアレイは、光導波路と組み合わせて様々な光モジュールを構成することができる。以下では、本発明の実施の形態５として、本発明の面発光レーザを用いた光モジュールである光送受信モジュールについて説明する。図１３は、本実施の形態５に係る２つの光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂが、２本の光導波路４１０Ａ、４１０Ｂを介して接続している状態を示す模式な平面図である。図１３において、光送受信モジュール４００Ａは、保持部材４０１Ａと、保持部材４０１Ａ上に設けられた各要素、すなわち、光ファイバ等の光導波路４１０Ａ、４１０Ｂを載置してこれらの位置決めを行うためのスペーサ４０６Ａ、光導波路４１０Ａを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザ４０２Ａ、光導波路４１０Ｂを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子４０３Ａ、面発光レーザ４０２Ａの発光状態を制御する駆動回路４０４Ａ、および受光素子４０３Ａが変換した電気信号を増幅する増幅回路４０５Ａとで構成されている。面発光レーザ４０２Ａは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路４０４Ａを介して発光制御される。また、受光素子４０３Ａが変換した電気信号は増幅回路４０５Ａを介して制御部へ送信される。なお、煩雑さを避けるために、駆動回路４０４Ａと面発光レーザ４０２Ａおよび増幅回路４０５Ａと受光素子４０３Ａのワイヤボンディングは記載を省略している。
なお、光送受信モジュール４００Ｂは、光送受信モジュール４００Ａと同様の構成を有するが、光送受信モジュール４００Ａとは送信に係る構成と受信に係る構成とが入れ替わっている。すなわち、光送受信モジュール４００Ｂは、保持部材４０１Ｂと、保持部材４０１Ｂ上に設けられた各要素、すなわち、光導波路４１０Ａ、４１０Ｂの位置決めを行うためのスペーサ４０６Ｂ、光導波路４１０Ｂを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザ４０２Ｂ、光導波路４１０Ａを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子４０３Ｂ、面発光レーザ４０２Ｂの発光状態を制御する駆動回路４０４Ｂ、および受光素子４０３Ｂが変換した電気信号を増幅する増幅回路４０５Ｂとで構成されている。面発光レーザ４０２Ｂは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路４０４Ｂを介して発光制御される。また、受光素子４０３Ｂが変換した電気信号は増幅回路４０５Ｂを介して制御部へ送信される。
この光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂは、簡易な制御によって高品質の光信号を出力できる本発明の面発光レーザ４０２Ａ、４０２Ｂを使用しているため、構成が簡易であり、かつ低消費電力、低コストのものとなる。
つぎに、図１３に示す光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂにおける面発光レーザ４０２Ａ、４０２Ｂと光導波路４１０Ａ、４１０Ｂとの光結合部分について具体的に説明する。なお、以下では、光送受信モジュール４００Ａと面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとを用いて光結合部分の説明を行うが、これらの光結合部分は光送受信モジュール４００Ｂと面発光レーザ４０２Ｂと光導波路４１０Ｂとの組み合わせに対しても適用できるものである。
はじめに、図１４は、図１３に示す光送受信モジュール４００Ａにおける面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の一例を示す側面図である。図１４に示すように、光導波路４１０Ａの端面はその光軸に対して略４５度傾斜するように加工されており、かつ端面には光結合手段としての反射膜４１１Ａが形成され、鏡面加工されている。また、面発光レーザ４０２Ａと反射膜４１１Ａとの相対位置はスペーサ４０６Ａによって位置決めされており、面発光レーザ４０２Ａが反射膜４１１Ａの下方に位置するように調整されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は反射膜４１１Ａによって反射されて光導波路４１０Ａに結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。
図１５は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の他の一例を示す側面図である。図１５に示す例では、光結合手段として、面発光レーザ４０２Ａ上であって光導波路４１０Ａの端面側方に、面発光レーザ４０２Ａに対向する入射面４２０ａと光導波路４１０Ａの端面に対向する出射面４２０ｂとを有し、内部に反射面４２１の設けられたミラーアセンブリ４２０が設置されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、ミラーアセンブリ４２０に入射面４２０ａから入射し、反射面４２１によって反射され、出射面４２０ｂから出射されて光導波路４１０Ａの端面で結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。なお、ミラーアセンブリ４２０の入射面４２０ａおよび／または出射面４２０ｂに、コリメートや集光を行なうためのマイクロレンズ（アレイ）を設けてもよい。
また、図１６は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分のさらに他の一例を示す一部断面側面図である。図１６に示す例では、スペーサ４０６Ａに載置されたコネクタハウジング４３０内に光ファイバである光導波路４１０Ａが保持され、さらに光結合手段として、光ファイバ心線４３１が、なめらかに屈曲して一方の端面が光導波路４１０Ａに接続するとともに他方の端面が面発光レーザ４０２Ａに対向するように保持されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、光ファイバ心線４３１の端面から入射して光ファイバ心線４３１を伝播し、その後光導波路４１０Ａ内に結合されて伝播する。
また、図１７は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分のさらに他の一例を示す側面図である。図１７に示す例では、スペーサ４０６Ａに載置された光導波路４１０Ａには、光軸に対して略４５度傾斜する傾斜内面を有する楔形の溝４１２Ａが形成されている。また、この傾斜内面には反射膜４１１Ａが形成され、鏡面加工されている。そして、溝４１２Ａと反射膜４１１Ａとが光結合手段を構成している。また、面発光レーザ４０２Ａは、この溝４１２Ａ上の位置において、光導波路４１０Ａに直接取り付けられている。なお、この面発光レーザ４０２Ａは、その基板側すなわち下方へ光信号Ｌ６を出射するように構成されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、溝４１２Ａの傾斜内面に形成された反射膜４１１Ａによって反射されて光導波路４１０Ａに結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。
（実施の形態６）
つぎに、本発明の実施の形態６として、本発明の面発光レーザおよび面発光レーザアレイを用いた光通信システムについて説明する。図１８は、本実施の形態６に係る波長多重伝送システムの模式的な構成図である。図１８に示すように、この波長多重伝送システム５００は、コンピュータ、ボードあるいはチップ等である信号生成処理手段５０１と、信号生成処理手段５０１と電気配線５０８Ａ、５０８Ｂで接続し、ＣＰＵ、ＭＰＵ、波長制御回路等から構成される通信制御回路５０２と、通信制御回路５０２とそれぞれ電気配線５０９Ａ、５０９Ｂで接続した面発光レーザアレイ５０３および受光素子集積部５０４と、面発光レーザアレイ５０３と光ファイバアレイ５１０Ａで接続した波長多重光合波器５０５と、受光素子集積部５０４と光ファイバアレイ５１０Ｂで接続した波長多重光分波器５０６と、波長多重光合波器５０５および波長多重光分波器５０６のそれぞれと１本の光ファイバ５１１Ａ、５１１Ｂで接続したネットワーク、ＰＣ、ボード、チップ等である通信対象５０７とを備える。なお、面発光レーザアレイ５０３は、発振波長が互いに異なる本発明の面発光レーザを１次元的または２次元的に配列したものである。
つぎに、波長多重伝送システム５００の動作を説明する。信号生成処理手段５０１は、通信対象５０７に送信すべき電気信号を生成し、電気配線５０８Ａを介して通信制御回路５０２に送信する。通信制御回路５０２は電気配線５０９Ａを介して面発光レーザアレイ５０３に駆動電力を与えるとともに、面発光レーザアレイ５０３を構成する各面発光レーザに互いに異なる信号を与えて光信号を発生させる。光ファイバアレイ５１０Ａを構成する各光ファイバは面発光レーザアレイ５０３を構成する各面発光レーザに光学的に結合しており、発生した各光信号を信号光ごとに異なる光ファイバによって波長多重光合波器５０５に伝送する。波長多重光合波器５０５は伝送された各光信号を波長多重合波して１本の光ファイバ５１１Ａに結合する。光ファイバ５１１Ａは波長多重合波した光信号を通信対象５０７に伝送する。
一方、波長多重光分波器５０６は、通信対象５０７から光ファイバ５１１Ｂを介して伝送されてきた波長多重合波された光信号を波長ごとに分波し、光ファイバアレイ５１０Ｂを構成する各光ファイバに光信号毎に結合させる。光ファイバアレイ５１０Ｂは、各光信号を受光素子集積部５０４に伝送する。光ファイバアレイ５１０Ｂを構成する各光ファイバは受光素子集積部５０４を構成する各受光素子は、光ファイバアレイ５１０Ｂを構成する各光ファイバに光学的に結合しており、各光信号を受光して電気信号に変換し、各電気信号を、電気配線５０９Ｂを介して通信制御回路５０２に伝送する。通信制御回路５０２は各電気信号を、電気配線５０８Ｂを介して信号生成処理手段５０１に伝送する。信号生成処理手段５０１は各電気信号の信号処理を行なう。
この波長多重伝送システム５００は、簡易な制御によって高品質の光信号を出力できる本発明の面発光レーザアレイ５０３を使用しているため、構成が簡易であり、かつ低消費電力、低コストで高密度大容量の波長多重伝送が可能なものとなる。また、面発光レーザアレイ５０３を構成する各面発光レーザからの各光信号を波長多重光合波器５０５によって１本の光ファイバ５１１Ａに結合させるようにしているので、１本のファイバで、高スループットに大容量の信号伝送ができる。
なお、用途に応じては、この波長多重伝送システム５００の構成において、面発光レーザアレイ５０３および受光素子集積部５０４のそれぞれを、光ファイバアレイによってそのまま通信対象５０７に接続して並列伝送システムとすることもできる。さらに、本発明の面発光レーザアレイは、高周波変調特性にも優れているので、５０Ｇｂｉｔ／ｓを超える伝送速度で、２００ｍを超える長距離通信を実現することができる。
なお、上記実施の形態に係る面発光レーザにおいては、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層１２はＡｌを含まないＧａＡｓからなるものである。また、ｐ型スペーサ層９、１１、ｐ型高導電率層１０は、ＡｌＧａＡｓからなるものである。しかしながら、Ａｌ組成が電流狭窄層８からｐ型コンタクト層１２に向かって単調減少し、かつ電流狭窄層８からｎ型コンタクト層３に向かって単調減少するという条件を満たせば、これらの各層の組成は実施の形態のものに限定されず、たとえばｎ型コンタクト層３をＡｌＧａＡｓからなるものとしてもよい。また、Ａｌ組成が単調減少するという条件を満たせば、実施の形態で示した半導体層以外の半導体層を備えていてもよい。
また、上記実施の形態においては、上部ＤＢＲミラーは全体が誘電体多層膜からなるが、少なくともその一部が誘電体多層膜であり、その他の部分が半導体多層膜である構成としてもよい。また、面発光レーザを構成する半導体材料は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系に限らず、レーザ発振波長に応じてＩｎＰ系等の他の半導体材料を使用することができる。本発明は、ＧａＡｓ基板で実施例を示したが、ＩｎＰ基板でも良い。その際、酸化に供する層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ若しくはＡｌＩｎＡｓとする。酸化層からｐ型コンタクト層間と、酸化層からｎ型コンタクト層間はＡｌＧａＩｎＡｓで構成し、コンタクト層に向かうに連れてＡｌ組成が単調減少になるように構成する。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。
１ 基板
２ 下部ＤＢＲミラー
３ ｎ型コンタクト層
４ ｎ側電極
５ ｎ型クラッド層
６ 活性層
６ａ 量子井戸層
６ｂ 障壁層
７ ｐ型クラッド層
８ 電流狭窄層
８ａ 開口部
８ｂ 選択酸化層
９、１１ ｐ型スペーサ層
１０ ｐ型高導電率層
１２ ｐ型コンタクト層
１３ ｐ側電極
１４ 上部ＤＢＲミラー
１５ ｎ側引出電極
１６ ｐ側引出電極
１００ 光源
１０１、２０６、３１２、３３２、４０２Ａ、４０２Ｂ 面発光レーザ
１０２ 制御器
２００ 面発光レーザアレイ装置
２０１ フラットパッケージ
２０２ 金属キャスター
２０３ 電極パッド
２０５ 面発光レーザアレイ部
２１０ 面発光レーザアレイチップ
３００ 面発光レーザパッケージ
３０１ 光ピックアップ
３１０、３３０ 面発光レーザモジュール
３１３、３３３ 電極
３１４、３３５ ワイヤ
３２０ ハウジング
３２１ 光ファイバマウント
３２２、５１１Ａ、５１１Ｂ 光ファイバ
３２３、３３６ａ、３４２ レンズ
３２４ アーム
３３４ 駆動ＩＣ
３３６ 樹脂
３４０ ハーフミラー
３４１ 回折格子
３５０ 光センサ
３６０ 光記憶媒体
４００Ａ、４００Ｂ 光送受信モジュール
４０１Ａ、４０１Ｂ 保持部材
４０３Ａ、４０３Ｂ 受光素子
４０４Ａ、４０４Ｂ 駆動回路
４０５Ａ、４０５Ｂ 増幅回路
４０６Ａ、４０６Ｂ スペーサ
４１０Ａ、４１０Ｂ 光導波路
４１１Ａ 反射膜
４１２Ａ 溝
４２０ ミラーアセンブリ
４２１ 反射面
４３１ 光ファイバ心線
５００ 波長多重伝送システム
５０１ 信号生成処理手段
５０２ 通信制御回路
５０３ 面発光レーザアレイ
５０４ 受光素子集積部
５０５ 波長多重合波器
５０６ 波長多重分波器
５０７ 通信対象
５０８Ａ、５０８Ｂ、５０９Ａ、５０９Ｂ 電気配線
５１０Ａ、５１０Ｂ 光ファイバアレイ
Ａｒ１〜Ａｒ４ 矢印
Ｃ１〜Ｃ３ 線
Ｌ１〜Ｌ３ レーザ信号光
Ｌ４ 反射信号光
Ｌ６ 光信号
Ｐ 経路

Claims (19)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる下部多層膜反射鏡と、
    前記下部多層膜反射鏡上に形成された第１導電型コンタクト層と、
    前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、
    前記第１導電型クラッド層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、
    前記第２導電型クラッド層上に形成された、電流狭窄部を有する電流狭窄層と、
    前記電流狭窄層上に形成された第２導電型高導電率層と、
    前記第２導電型高導電率層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
    前記第２導電型コンタクト層上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる上部多層膜反射鏡と、
    前記第２導電型コンタクト層上に形成された第２導電型側電極と、
    前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型側電極と、
    を少なくとも備えた面発光レーザにおいて、
    ２５℃〜９０℃の環境温度の変化に対して、４ｄＢ以上の消光比を取る為の変調時のバイアス電流を中心とする変調領域での微分抵抗の変動量が１５Ω以下であることを特徴とする面発光レーザ。
  2. 閾値電流が１．２ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. ２５℃〜９０℃の環境温度の範囲において、４ｄＢ以上の消光比を取る為のバイアス電流を中心とする変調領域の微分抵抗が、７０Ω以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時のバイアス電流を中心とする変調領域がバイアス電流を中心として±３ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  5. 前記変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時のバイアス電流を中心とする変調電圧が±０．２Ｖ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  6. 前記変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時のバイアス電流を中心とする変調電圧が±０．１Ｖ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  7. 同一温度での微分抵抗の最大値と最小値の差分が最大値の１７％以下であり、かつ１ｍＡ〜３ｍＡの間から１０ｍＡ以上にわたって平坦であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  8. 基板と、
    前記基板上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる下部多層膜反射鏡と、
    前記下部多層膜反射鏡上に形成された第１導電型コンタクト層と、
    前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、
    前記第１導電型クラッド層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、
    前記第２導電型クラッド層上に形成され、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる電流注入部と選択酸化熱処理によって形成された（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、
    前記電流狭窄層上に形成された第２導電型高導電率層と、
    前記第２導電型高導電率層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
    前記第２導電型コンタクト層上に形成された、高屈折率層と低屈折率層との周期構造からなる上部多層膜反射鏡と、
    前記第２導電型コンタクト層上に形成された第２導電型側電極と、
    前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型側電極と、
    を備え、前記電流狭窄層の直上から前記第２導電型コンタクト層までが、積層方向において該第２導電型コンタクト層に向かってＡｌ組成が単調減少するＡｌ１−ｙＧａｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）からなり、前記電流狭窄層の直下から前記第１導電型コンタクト層までが、積層方向において該第１導電型コンタクト層に向かってＡｌ組成が単調減少するＡｌ１−ｚＧａｚＡｓ（ｘ＜ｚ≦１）からなり、前記第２導電型クラッド層はＡｌ１−ｚＧａｚＡｓ（ｚ≠１）からなることを特徴とする面発光レーザ。
  9. 前記活性層は、少なくとも８５０ｎｍ以上の波長の光を発生する材料から構成されることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ。
  10. 前記第２導電型側電極と前記活性層との間に存在するヘテロ界面の数が３〜３０であることを特徴とする請求項８または９に記載の面発光レーザ。
  11. 前記第２導電型高導電率層は、３×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下のキャリア濃度を有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  12. 前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、λ／４ｎ〜７λ／４ｎの範囲にあることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  13. 前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、３λ／４ｎ〜５λ／４ｎの範囲にあることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  14. 前記第２導電型高導電率層の層厚を抵抗率で除算した値が、７×１０−４［１／Ω］以上であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  15. 前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は誘電体からなることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  16. 前記第２導電型クラッド層には第２導電型ドーパントが添加されており、前記第１導電型クラッド層には第１導電型ドーパントが添加されていることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  17. ４〜１５個の請求項１〜１６のいずれか一つに記載の面発光レーザの素子が１次元または２次元のアレイ状に配列されたものであることを特徴とする面発光レーザアレイ。
  18. 請求項１〜１６のいずれか一つに記載の面発光レーザまたは請求項１７に記載の面発光レーザアレイと、前記面発光レーザまたは前記面発光レーザアレイに対して、前記バイアス電圧と該バイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅を有する前記変調電圧とを印加する制御器と、を備えたことを特徴とする光源。
  19. 請求項１〜１６のいずれか一つに記載の面発光レーザ、請求項１７に記載の面発光レーザアレイ、または請求項１８に記載の光源と、
    前記面発光レーザ、前記面発光レーザアレイ、または前記光源が出射するレーザ光を伝播する光導波路と、
    前記レーザ光を前記光導波路に結合させる光結合手段と、
    を備えることを特徴とする光モジュール。
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