JP2011243650A - Semiconductor laser element - Google Patents

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Keishi Takaki
啓史 高木
Hirotatsu Ishii
宏辰 石井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser element capable of obtaining a desired shape of an outgoing beam and preventing lowering current injection efficiency.SOLUTION: The semiconductor laser element comprises a p-side electrode 113, an n-side electrode 117, an upper BDR mirror 116 composed of dielectric material, a lower DBR mirror 102, and a resonator 110 including an active layer 105. The upper BDR mirror 116, the p-side electrode 113, the resonator 110, and the lower DBR mirror 102 are disposed in this sequence, and concentric circular grooves 121, 122, and 123 forming Fresnel zone patterns are formed on a main surface of the BDR mirror 116.

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、垂直共振器型の面発光型半導体レーザ(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER)素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly, to a vertical cavity surface emitting semiconductor laser (VCSEL) device.

面発光型半導体レーザの遠視野像(FFP:Far Field Pattern)は広がっており、面発光型半導体レーザからの出射ビームを光ファイバ等の外部光学部品に結合させるには、結合効率を上げるために集光用レンズ等を使用している。   The far field image (FFP: Far Field Pattern) of the surface emitting semiconductor laser is widened, and in order to couple the outgoing beam from the surface emitting semiconductor laser to an external optical component such as an optical fiber, in order to increase the coupling efficiency A condensing lens is used.

面発光型半導体レーザの遠視野像のビーム広がり角度を小さくするため、裏面半導体や上部DBR反射鏡上の半導体を一部欠損させることで、ビーム形状を成型する技術が開示されている(特許文献1、2、3参照)。   In order to reduce the beam divergence angle of a far-field image of a surface emitting semiconductor laser, a technique for forming a beam shape by partially losing a semiconductor on a back semiconductor or an upper DBR reflector is disclosed (Patent Document). 1, 2, 3).

しかしながら、裏面形成の場合(特許文献1、2参照)は、基板を薄膜化した後に裏面に加工して形成するのでプロセス的な難しさがあること、発光点からレンズまでの距離が長いことで異なるモード毎に収差が大きくなること、半導体部を伝搬することで出射側の光が広がってしまうこと、基板の吸収損失の影響を受けることなどが問題となっていた。また、半導体DBR上に当該層を形成する場合(特許文献3参照)には、電極を端部に作成する必要があるので、電流注入効率が悪くなるという問題があった。   However, in the case of forming the back surface (see Patent Documents 1 and 2), since the substrate is thinned and then processed on the back surface, there is a process difficulty, and the distance from the light emitting point to the lens is long. There have been problems such as increased aberration for each different mode, spread of light on the emission side by propagating through the semiconductor part, and influence of absorption loss of the substrate. Moreover, when forming the said layer on semiconductor DBR (refer patent document 3), since it was necessary to produce an electrode in an edge part, there existed a problem that current injection efficiency worsened.

米国特許第5073041号公報US Pat. No. 5,073,401 米国特許第6888871号公報US Pat. No. 6,888,871 欧州特許公開公報第2101379号公報European Patent Publication No. 2101379

本発明は、所望の出射ビーム形状が得られ、電流注入効率が悪くなることが抑制できる半導体レーザ素子を提供することを主な目的とする。   The main object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that can obtain a desired outgoing beam shape and suppress the deterioration of current injection efficiency.

本発明によれば、
基板と、前記基板上に順に形成された、第1のDBRミラー領域と、活性層と、第2のDBRミラー領域と、前記活性層に電流を注入させるための活性層に対して基板側の第1の電極と、活性層に対して表面側の第2の電極と、前記活性層に注入される電流を狭窄させるため開口を含む電流狭窄層と、を備え、前記基板と反対側の表面からレーザ光を放射する面発光型半導体レーザであって、
前記第2のDBRミラー領域は、異なる二つの屈折率を持つ層のペアの繰り返し構造を含み、さらに、
前記第2のDBRミラー領域の前記基板と反対側の表面に、フレネルゾーンを形成し、かつ、前記開口と同心の同心円状の誘電体材料からなる溝が形成されている面発光型半導体レーザが提供される。
According to the present invention,
A substrate, a first DBR mirror region, an active layer, a second DBR mirror region, and an active layer for injecting current into the active layer, which are sequentially formed on the substrate, A first electrode, a second electrode on a surface side with respect to the active layer, and a current confinement layer including an opening for constricting a current injected into the active layer, and a surface opposite to the substrate A surface emitting semiconductor laser that emits laser light from
The second DBR mirror region includes a repeating structure of a pair of layers having two different refractive indexes, and
A surface-emitting type semiconductor laser in which a Fresnel zone is formed on a surface of the second DBR mirror region opposite to the substrate and a groove made of a concentric dielectric material concentric with the opening is formed. Provided.

好ましくは、前記溝の境界部が、開口部の中心を中心とする半径Rm=mfλの関係を満たす(Rm:半径、m:フレネルゾーンの次数、f:焦点距離、λ:波長)となっている。 Preferably, the boundary portion of the groove satisfies a relationship of radius Rm 2 = mfλ centered on the center of the opening (Rm: radius, m: order of Fresnel zone, f: focal length, λ: wavelength). ing.

また、好ましくは、前記層は誘電体膜のペアからなる。   Preferably, the layer comprises a pair of dielectric films.

また、好ましくは、前記誘電体膜のペアは、SiO/SiN、あるいはα−Si/SiOのペアからなる。 Preferably, the dielectric film pair is made of SiO 2 / SiN x or α-Si / SiO 2 pair.

また、好ましくは、前記溝が前記第2のDBRミラー領域の前記表面側の前記ペアの少なくとも一部に形成されている。   Preferably, the groove is formed in at least a part of the pair on the surface side of the second DBR mirror region.

また、好ましくは、前記溝の厚みが前記表面の1ペアである。 Preferably, the groove has a thickness of one pair on the surface.

また、本発明によれば、上記いずれかの半導体レーザ素子を複数備えるレーザアレイが提供される。   According to the present invention, there is provided a laser array including a plurality of any of the semiconductor laser elements described above.

また、本発明によれば、上記いずれかの半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える光学機器が提供される。   Moreover, according to this invention, an optical apparatus provided with one of the said semiconductor laser elements or laser arrays is provided.

また、本発明によれば、上記いずれかの半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える通信システムが提供される。   According to the present invention, there is provided a communication system including any one of the above semiconductor laser elements or laser arrays.

本発明によれば、所望の出射ビーム形状が得られ、電流注入効率が悪くなることが抑制できる半導体レーザ素子が提供される。   According to the present invention, there is provided a semiconductor laser device capable of obtaining a desired emitted beam shape and suppressing deterioration of current injection efficiency.

本発明の好ましい第1の実施の形態の半導体レーザ素子を説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the semiconductor laser element of preferable 1st Embodiment of this invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の半導体レーザ素子のフレネルゾーンプレートを説明するための図であり、図2(a)は概略平面図、図2(b)は概略縦断面図である。It is a figure for demonstrating the Fresnel zone plate of the semiconductor laser element of the preferable 1st and 2nd embodiment of this invention, Fig.2 (a) is a schematic plan view, FIG.2 (b) is a schematic longitudinal cross-sectional view. It is. 本発明の好ましい第2の実施の形態の半導体レーザ素子を説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the semiconductor laser element of preferable 2nd Embodiment of this invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを説明するための概略斜視図である。1 is a schematic perspective view for explaining a surface emitting laser array using a plurality of surface emitting semiconductor laser elements according to preferred first and second embodiments of the present invention. FIG. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイチップを説明するための概略平面図である。It is a schematic plan view for explaining a surface emitting laser array chip using a plurality of surface emitting semiconductor laser elements according to the first and second preferred embodiments of the present invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the surface emitting laser package using the surface emitting semiconductor laser element of the preferable 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the surface emitting laser package using the surface emitting laser array which used multiple surface emitting semiconductor laser elements of the preferable 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the surface emitting laser package using the surface emitting semiconductor laser element of the preferable 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光ディスク用ピックアップを説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the pick-up for optical discs using the surface emitting semiconductor laser element of the preferable 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光送受信モジュールを説明するための概略平面図である。It is a schematic plan view for demonstrating the optical transmission / reception module using the surface emitting semiconductor laser element of the preferable 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。Optical coupling structure of the surface emitting semiconductor laser element and the optical waveguide of the first and second preferred embodiments of the present invention, or the surface emitting semiconductor laser element of the first and second preferred embodiments of the present invention It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the optical coupling structure of the surface emitting laser array using two or more and an optical waveguide. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。Optical coupling structure of the surface emitting semiconductor laser element and the optical waveguide of the first and second preferred embodiments of the present invention, or the surface emitting semiconductor laser element of the first and second preferred embodiments of the present invention It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the optical coupling structure of the surface emitting laser array using two or more and an optical waveguide. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。Optical coupling structure of the surface emitting semiconductor laser element and the optical waveguide of the first and second preferred embodiments of the present invention, or the surface emitting semiconductor laser element of the first and second preferred embodiments of the present invention It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the optical coupling structure of the surface emitting laser array using two or more and an optical waveguide. 本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた通信システム、または本発明の好ましい第1および第2の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを用いた通信システムを説明するための概略構成図である。A communication system using the surface emitting semiconductor laser elements of the first and second preferred embodiments of the present invention, or a plurality of surface emitting semiconductor laser elements of the first and second preferred embodiments of the present invention. It is a schematic block diagram for demonstrating the communication system using the surface emitting laser array which was used.

以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, a surface emitting semiconductor laser element according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.

(第1の実施の形態)
図1を参照して、本発明の好ましい第1の実施の形態の半導体レーザ素子100を説明する。
(First embodiment)
A semiconductor laser device 100 according to a preferred first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図1は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子100の模式的な断面図である。本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子は、レーザ発振波長が1100nm帯である。図1に示すように、この面発光型半導体レーザ素子100は、基板101と、基板101上に形成された下部半導体多層膜反射鏡である下部DBR(Distributed Bragg Reflector)ミラー102と、バッファ層103と、n型コンタクト層104と、多重量子井戸構造を有する活性層105と、外周に位置する電流狭窄部107aと電流狭窄部107aの中心に位置する円形の電流注入部107bとを有する電流狭窄層107と、p型クラッド層108と、p型コンタクト層111とが順次積層した構造を有する。活性層105からp型コンタクト層111までが円柱状のメサポスト130を構成している。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser element 100 according to the present embodiment. The surface emitting semiconductor laser element according to the present embodiment has a lasing wavelength in the 1100 nm band. As shown in FIG. 1, the surface emitting semiconductor laser device 100 includes a substrate 101, a lower DBR (Distributed Bragg Reflector) mirror 102 that is a lower semiconductor multilayer reflector formed on the substrate 101, and a buffer layer 103. A current confinement having an n + -type contact layer 104, an active layer 105 having a multiple quantum well structure, a current confinement portion 107a located at the outer periphery, and a circular current injection portion 107b located at the center of the current confinement portion 107a. The layer 107, the p-type cladding layer 108, and the p + -type contact layer 111 are sequentially stacked. The active layer 105 to the p + -type contact layer 111 constitute a cylindrical mesa post 130.

基板101は、アンドープのGaAsからなる。下部DBRミラー102は、GaAs/Al0.9Ga0.1As層の40ペアからなる。バッファ層103は、アンドープのGaAsからなる。n型コンタクト層104は、セレン(Se)、シリコン(Si)などのn型ドーパントをドープした、n型のGaAsからなる。活性層105は、層数が3のGaInAs井戸層と層数が4のGaAs障壁層が交互に積層した多重量子井戸構造を有しており、最下層のGaAs障壁層はn型クラッド層としても機能する。電流狭窄層107については、電流狭窄部107aは主にAl酸化物からなり、電流注入部107bはAlAsからなる。電流注入部107bの半径R21は5μmである。電流狭窄部107aによって、p側円環電極113とn側電極117との間に流れる電流の経路を制限して、電流注入部107bに電流の流れを集中させており、電流狭窄層107は、電流経路制限層として機能している。 The substrate 101 is made of undoped GaAs. The lower DBR mirror 102 is composed of 40 pairs of GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As layers. The buffer layer 103 is made of undoped GaAs. The n + -type contact layer 104 is made of n + -type GaAs doped with an n-type dopant such as selenium (Se) or silicon (Si). The active layer 105 has a multiple quantum well structure in which a GaInAs well layer having 3 layers and a GaAs barrier layer having 4 layers are alternately stacked, and the lowermost GaAs barrier layer may be an n-type cladding layer. Function. In the current confinement layer 107, the current confinement portion 107a is mainly made of Al oxide, and the current injection portion 107b is made of AlAs. The radius R21 of the current injection portion 107b is 5 μm. The current confinement portion 107a restricts the path of the current flowing between the p-side annular electrode 113 and the n-side electrode 117, and the current flow is concentrated in the current injection portion 107b. It functions as a current path limiting layer.

p型クラッド層108、p型コンタクト層111は、それぞれ炭素(C)、亜鉛(Zn)あるいはベリリウム(Be)などのp型ドーパントをドープしたp型、p型のGaAsからなる。各p型又はn型層のアクセプタ又はドナー濃度は、例えば1×1018cm−3程度であり、各p型又はn型層のアクセプタまたはドナー濃度は、例えば3×1019cm−3以上である。 The p-type cladding layer 108 and the p + -type contact layer 111 are made of p-type and p + -type GaAs doped with a p-type dopant such as carbon (C), zinc (Zn), or beryllium (Be), respectively. The acceptor or donor concentration of each p-type or n-type layer is, for example, about 1 × 10 18 cm −3 , and the acceptor or donor concentration of each p + -type or n + -type layer is, for example, 3 × 10 19 cm −3. That's it.

型コンタクト層111上に、Ti/Pt(下層がTiでその上にPtが形成された構造)からなり、中心に開口113aを有するとともに、メサポスト130の外周と一致する外周を有するp側円環電極113が形成されている。p側円環電極113の外径は、たとえば30μmであり、開口部113aの内径は、たとえば14μmである。 on the p + -type contact layer 111 made of Ti / Pt (lower layer thereon Pt is formed by Ti structure), which has an opening 113a in the center, p-side having an outer peripheral matching the outer periphery of the mesa post 130 An annular electrode 113 is formed. The outer diameter of the p-side annular electrode 113 is, for example, 30 μm, and the inner diameter of the opening 113a is, for example, 14 μm.

p側円環電極113の開口部113a内には、その上に積層される層の平坦性をもたらすために、p側円環電極113とほぼ同じ厚さの円板状の誘電体層114が形成されている。誘電体層114の上面からバッファ層103の底面までの部分が共振器110を構成している。   In the opening 113a of the p-side annular electrode 113, a disc-shaped dielectric layer 114 having a thickness substantially the same as that of the p-side annular electrode 113 is provided in order to provide flatness of the layer laminated thereon. Is formed. A portion from the upper surface of the dielectric layer 114 to the bottom surface of the buffer layer 103 constitutes the resonator 110.

p側円環電極113および誘電体層114上には、誘電体からなる上部多層膜反射鏡である上部DBRミラー116が形成されている。上部DBRミラー116は、たとえば
たとえばSiN/SiOの10〜12ペアからなる。また、表面保護のためにSiO143とその上のSiN144からなるパッシベーション膜145が全面に形成されている。このパッシベーション膜145のSiO143とSiN144は、DBRミラー116の最下層のSiOとSiNを兼ねている。従って、SiN/SiOからなる上部DBRミラー116は、その最下層は、パッシベーション膜145のSiO143であり、その上に、パッシベーション膜145のSiN144があり、その上にSiOとSiNが交互に積層され、最上層より一つ下の層がSiO128であり、最上層がSiN129である構造となっている。
On the p-side annular electrode 113 and the dielectric layer 114, an upper DBR mirror 116, which is an upper multilayer film reflecting mirror made of a dielectric, is formed. The upper DBR mirror 116 is made of, for example, 10 to 12 pairs of SiN x / SiO 2 . Further, a passivation film 145 made of SiO 2 143 and SiN x 144 thereon is formed on the entire surface for surface protection. The SiO 2 143 and SiN x 144 in the passivation film 145 also serve as the lowermost SiO 2 and SiN x in the DBR mirror 116. Therefore, in the upper DBR mirror 116 made of SiN x / SiO 2 , the lowermost layer is SiO 2 143 of the passivation film 145, and there is SiN x 144 of the passivation film 145, on which SiO 2 and SiN x is alternately stacked, and the layer one layer below the top layer is SiO 2 128 and the top layer is SiN x 129.

SiO128とSiN129には、同心円状の環状溝121、122、123が形成されており、SiO128とSiN129とにより概略矩形の溝からなるフレネルゾーンプレート120が構成されている。 SiO 2 128 and SiN x 129 are formed with concentric annular grooves 121, 122, and 123, and Fresnel zone plate 120 composed of a substantially rectangular groove is constituted by SiO 2 128 and SiN x 129. .

図2を参照すれば、フレネルゾーンプレート120の一番内側の溝121の内側の半径R11は5μmであり、外側の半径R12は7.1μmである。その外側の溝122の内側の半径R13は8.7μmであり、外側の半径R14は10.0μmである。その外側の溝123の内側の半径R15は11.2μmであり、外側の半径R16は12.2μmである。フレネルゾーンプレートに設けられた溝の境界部は、開口の中心部を中心として,半径Rm=mfλの関係を満たし(Rm:半径、m:フレネルゾーンの次数、f:焦点距離、λ:波長)、この境界部の間に設けられた領域がフレネルゾーン(フレネル帯)となっている。 Referring to FIG. 2, the inner radius R11 of the innermost groove 121 of the Fresnel zone plate 120 is 5 μm, and the outer radius R12 is 7.1 μm. The inner radius R13 of the outer groove 122 is 8.7 μm, and the outer radius R14 is 10.0 μm. The inner radius R15 of the outer groove 123 is 11.2 μm, and the outer radius R16 is 12.2 μm. The boundary portion of the groove provided in the Fresnel zone plate satisfies the relationship of radius Rm 2 = mfλ with the center of the opening as the center (Rm: radius, m: order of Fresnel zone, f: focal length, λ: wavelength) ), A region provided between the boundary portions is a Fresnel zone (Fresnel zone).

再び、図1を参照すれば、n型コンタクト層104は、メサポスト130の下部から半径方向外側に延びており、その表面にたとえばAuGeNi/Au(下側がAuGeNi、上側Au)からなる半円環状のn側電極117が形成されている。n側電極117は、たとえば外径が80μm、内径が45μmである。 Referring again to FIG. 1, the n + -type contact layer 104 extends radially outward from the lower portion of the mesa post 130, and has a semicircular ring formed of, for example, AuGeNi / Au (lower is AuGeNi, upper Au) on the surface. N-side electrode 117 is formed. The n-side electrode 117 has, for example, an outer diameter of 80 μm and an inner diameter of 45 μm.

n側電極117に対して、パッシベーション膜145に形成された開口部147を介して接触するように、Auからなるn側引き出し電極136が形成されている。一方、p側円環電極113に対しても、パッシベーション膜145に形成された開口部146を介して接触するように、Auからなるp側引き出し電極135が形成されている。そして、n側電極117およびp側円環電極113は、それぞれn側引き出し電極136およびp側引き出し電極135によって、外部に設けた電流供給回路(図示せず)に電気的に接続している。   An n-side lead electrode 136 made of Au is formed so as to be in contact with the n-side electrode 117 through an opening 147 formed in the passivation film 145. On the other hand, a p-side lead electrode 135 made of Au is formed so as to contact the p-side annular electrode 113 through an opening 146 formed in the passivation film 145. The n-side electrode 117 and the p-side annular electrode 113 are electrically connected to a current supply circuit (not shown) provided outside by an n-side extraction electrode 136 and a p-side extraction electrode 135, respectively.

面発光型半導体レーザ素子100は、外部に設けた電流供給回路(図示せず)からそれぞれn側引き出し電極136およびp側引き出し電極135を介してn側電極117およびp側円環電極113間に電圧を印加すると、電流注入部107bを介して電流が活性層105に供給される。その結果、活性層105はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である波長λの光は、下部DBRミラー102と上部DBRミラー116との間で定在波を形成し、活性層105によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、p側円環電極113の開口部113aから1100nm帯のレーザ光が出力し、フレネルゾーンプレート120で回折されて集光される。   The surface-emitting type semiconductor laser device 100 is connected between an n-side electrode 117 and a p-side annular electrode 113 through an n-side extraction electrode 136 and a p-side extraction electrode 135 from a current supply circuit (not shown) provided outside. When a voltage is applied, a current is supplied to the active layer 105 through the current injection unit 107b. As a result, the active layer 105 is carrier-injected and emits spontaneous emission light. Of the spontaneous emission light, light having a wavelength λ which is a laser oscillation wavelength forms a standing wave between the lower DBR mirror 102 and the upper DBR mirror 116 and is amplified by the active layer 105. When the injection current becomes equal to or greater than the threshold value, the light that forms the standing wave laser oscillates, and the 1100 nm band laser light is output from the opening 113a of the p-side annular electrode 113 and is diffracted by the Fresnel zone plate 120. And condensed.

本実施の形態では、電流注入部107bの半径R21は5μmであり、フレネルゾーンプレート120の一番内側の溝121の内側の半径R11は5μmであり、電流注入部107bの半径R21と同じである。半導体レーザ素子100から出射するレーザ光151のビーム広がり角度θは3度であった。これに対して、溝121、122、123を設けない場合の、レーザ光152のビーム広がり角度θは10度であった。 In the present embodiment, the radius R21 of the current injection portion 107b is 5 μm, the radius R11 inside the innermost groove 121 of the Fresnel zone plate 120 is 5 μm, and is the same as the radius R21 of the current injection portion 107b. . The beam divergence angle θ 1 of the laser beam 151 emitted from the semiconductor laser element 100 was 3 degrees. In contrast, in the case without the groove 121, 122 and 123, the beam divergence angle theta 2 of the laser beam 152 was 10 degrees.

本実施の形態では、フレネルゾーンプレート120の一番内側の溝121の内側の半径R11と電流注入部107bの半径R21と同じであるので、電流注入部107bからの光がフレネルゾーンプレート120に達するとビーム径が多少広がっているので、フレネルゾーンプレート120による回折作用を受け、レーザ光151のビーム広がり角度θは小さくなる。その一方で、ビーム径は多少広がる程度なので、上部DBRミラー116の等価的な反射率は溝121、122、123を設けない場合と殆ど変わらない。また、p側電極113の外側の上部DBRミラー116にフレネルゾーンプレート120を形成するので、電流注入効率が悪くなることが抑制できる。 In this embodiment, since the radius R11 inside the innermost groove 121 of the Fresnel zone plate 120 and the radius R21 of the current injection portion 107b are the same, the light from the current injection portion 107b reaches the Fresnel zone plate 120. Then, since the beam diameter is slightly expanded, the beam expansion angle θ 1 of the laser beam 151 is decreased due to the diffraction action by the Fresnel zone plate 120. On the other hand, since the beam diameter is somewhat widened, the equivalent reflectivity of the upper DBR mirror 116 is almost the same as when the grooves 121, 122, 123 are not provided. Further, since the Fresnel zone plate 120 is formed on the upper DBR mirror 116 outside the p-side electrode 113, it is possible to suppress the current injection efficiency from being deteriorated.

本構造のようにp型電極からの電流注入箇所が共振器内にある構造を採用すると、上部DBRミラー上には電極用の金属などレーザ光を遮蔽する材料を積層する必要が無いのでメサポスト上の光の存在する領域に渡ってフレネルゾーンを形成することができる。また、DBRの材料として誘電体材料を用いたことによって、GaAs/AlGaAsなどの半導体材料を用いたDBRに比べて熱レンズ効果による光路ズレにより生じるフレネルゾーンのパターンによるケラレを最小化することができる。   If a structure in which the current injection point from the p-type electrode is in the resonator as in this structure is adopted, there is no need to laminate a laser shielding material such as a metal for the electrode on the upper DBR mirror. The Fresnel zone can be formed over the region where the light exists. Further, by using a dielectric material as the DBR material, vignetting due to the Fresnel zone pattern caused by the optical path shift due to the thermal lens effect can be minimized as compared with DBR using a semiconductor material such as GaAs / AlGaAs. .

次に、面発光型半導体レーザ素子100の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser element 100 will be described.

はじめに、エピタキシャル成長法によって、基板101上に下部DBRミラー102、バッファ層103、n型コンタクト層104、活性層105、AlAsからなる被酸化層、p型クラッド層108、p型コンタクト層111、電極段差調整用の円板状の誘電体層114を順に選択的に形成する First, the lower DBR mirror 102, the buffer layer 103, the n + -type contact layer 104, the active layer 105, the oxidized layer made of AlAs, the p-type cladding layer 108, the p + -type contact layer 111, A disk-shaped dielectric layer 114 for electrode step adjustment is selectively formed in order.

次に、リフトオフ法を用いて、誘電体層114の周囲のp型コンタクト層111上に、Ti/Pt層からなるp側円環電極113を選択的に形成する。 Next, a p-side annular electrode 113 made of a Ti / Pt layer is selectively formed on the p + -type contact layer 111 around the dielectric layer 114 by using a lift-off method.

次に、p側円環電極113と開口部を覆うレジストパターンからなる部分をマスクとして,酸エッチング液等を用いてn型コンタクト層104に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポスト130をp側円環電極113に対して自己整合的に形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層103に到る深さまでn型コンタクト層104をエッチングする。 Next, by using the resist pattern covering the p-side annular electrode 113 and the opening as a mask, the semiconductor layer is etched to a depth reaching the n-type contact layer 104 using an acid etching solution or the like to form a cylindrical mesa post 130 is formed in a self-aligned manner with respect to the p-side annular electrode 113, another mask is formed, and the n + -type contact layer 104 is etched to a depth reaching the buffer layer 103.

次に、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、AlAsからなる被酸化層(電流狭窄層107に相当する層)をメサポスト130の外周側から選択酸化する。このとき、AlAsからなる被酸化層の外周部に選択酸化が起こり、Al酸化物を含む電流狭窄部107aが形成される。上記選択酸化はAlAsからなる被酸化層の外周側からほぼ均一に進行するので、中心にはAlAsからなる電流注入部107bが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部107bの直径の大きさを制御する。   Next, heat treatment is performed in a water vapor atmosphere to selectively oxidize the oxidized layer made of AlAs (the layer corresponding to the current confinement layer 107) from the outer peripheral side of the mesa post 130. At this time, selective oxidation occurs in the outer peripheral portion of the oxidized layer made of AlAs, and the current confinement portion 107a containing Al oxide is formed. Since the selective oxidation proceeds almost uniformly from the outer peripheral side of the layer to be oxidized made of AlAs, a current injection portion 107b made of AlAs is formed at the center. Here, the diameter of the current injection portion 107b is controlled by adjusting the heat treatment time and the like.

次に、メサポスト130の外周側のn型コンタクト層104の表面に、半円環状のn側電極117を形成する。 Next, a semi-circular n-side electrode 117 is formed on the surface of the n + -type contact layer 104 on the outer peripheral side of the mesa post 130.

次に、プラズマCVD法を用いて全面にSiO膜143およびSiN膜144からなるパッシベーション膜145を形成した後、n側電極117およびp側円環電極113上においてパッシベーション膜145に開口部147、146をそれぞれ形成し、これらの開口部147、146を介してn側電極134に接触するn側引き出し電極136と、p側円環電極131に接触するp側引き出し電極135をそれぞれ形成する。 Next, a passivation film 145 composed of a SiO 2 film 143 and a SiN x film 144 is formed on the entire surface by plasma CVD, and then an opening 147 is formed in the passivation film 145 on the n-side electrode 117 and the p-side annular electrode 113. 146 are formed, and an n-side extraction electrode 136 that contacts the n-side electrode 134 and a p-side extraction electrode 135 that contacts the p-side annular electrode 131 are formed through these openings 147 and 146, respectively.

次に、プラズマCVD法を用いて上部DBRミラー116を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術により、SiO128とSiN129に、同心円状の環状溝121、122、123を形成して、SiO128とSiN129とからなるフレネルゾーンプレート120を形成する。 Next, the upper DBR mirror 116 is formed using a plasma CVD method. Next, concentric annular grooves 121, 122, and 123 are formed in SiO 2 128 and SiN x 129 by a photolithography technique to form a Fresnel zone plate 120 made of SiO 2 128 and SiN x 129.

次に、基板101の裏面を研磨し、基板101の厚さをたとえば150μmに調整する。その後、素子分離を行い、図1に示す面発光型半導体レーザ素子100が完成する。本願の構造によれば、基板から突出した上部DBRミラー上(特にメサポスト上のDBRミラー上)にフレネルゾーンプレート120を形成するので、電流注入部の開口との位置あわせが容易にできる。   Next, the back surface of the substrate 101 is polished, and the thickness of the substrate 101 is adjusted to, for example, 150 μm. Thereafter, element isolation is performed to complete the surface emitting semiconductor laser element 100 shown in FIG. According to the structure of the present application, since the Fresnel zone plate 120 is formed on the upper DBR mirror protruding from the substrate (particularly on the DBR mirror on the mesa post), the alignment with the opening of the current injection portion can be easily performed.

(第2の実施の形態)
次に、図3を参照して、本発明の好ましい第2の実施の形態の半導体レーザ素子100を説明する。上述の第1の実施の形態では、電流注入部107bの半径R21は5μmであり、フレネルゾーンプレート120の一番内側の溝121の内側の半径R11は5μmであり、電流注入部107bの半径R21と同じとしたが、本実施の形態では、フレネルゾーンプレート120の一番内側の溝121の内側の半径R11は5μmであるが、電流注入部107bの半径R22を10μmとし、電流注入部107bの半径R22をフレネルゾーンプレート120の一番内側の溝121の内側の半径R11よりも大きくした点が第1の実施の形態と異なるが、他の点は同様であり、製造方法も同様である(ただし、構造については第1の実施の形態と基本設計は同じで、必要な部分はサイズを大きくする)。本実施の形態では、半導体レーザ素子100の焦点距離は40μmであり、非常に短焦点のものとすることができ、半導体レーザ素子100から出射するレーザ光153は半導体レーザ素子100から40μm離れた所で集光する。従って、その位置近傍に、例えば、シングルモード光ファイバを位置すれば、集光レンズ等を使用しなくても効率よく半導体レーザ素子100と光ファイバとを結合させることができる。
(Second Embodiment)
Next, a semiconductor laser device 100 according to a second preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the above-described first embodiment, the radius R21 of the current injection portion 107b is 5 μm, the radius R11 inside the innermost groove 121 of the Fresnel zone plate 120 is 5 μm, and the radius R21 of the current injection portion 107b. In this embodiment, the inner radius R11 of the innermost groove 121 of the Fresnel zone plate 120 is 5 μm, but the radius R22 of the current injection portion 107b is 10 μm, and the current injection portion 107b The radius R22 is different from the first embodiment in that the radius R22 is larger than the radius R11 inside the innermost groove 121 of the Fresnel zone plate 120, but the other points are the same, and the manufacturing method is also the same ( However, the basic design of the structure is the same as that of the first embodiment, and the necessary parts are increased in size). In the present embodiment, the focal length of the semiconductor laser element 100 is 40 μm, and the focal length of the semiconductor laser element 100 can be very short, and the laser beam 153 emitted from the semiconductor laser element 100 is separated from the semiconductor laser element 100 by 40 μm. To collect light. Therefore, for example, if a single mode optical fiber is positioned in the vicinity of the position, the semiconductor laser element 100 and the optical fiber can be efficiently coupled without using a condensing lens or the like.

上記実施の形態では、上部DBRミラー116は、SiN/SiOの10〜12ペアから構成したが、たとえばα−Si(アモルファスシリコン)/SiOまたはα−Si/Alのペアを、その材料の屈折率に応じて99%程度の適切な反射率が得られるようなペア数にしたものでもよい。上部DBRミラー116をα−Si/SiOの複数ペアで構成する場合は、最上層のα−Si/SiOのペアに同心円状の環状溝121、122、123を形成してフレネルゾーンプレート120を形成し、上部DBRミラー116をα−Si/Alの複数ペアで構成する場合は、最上層のα−Si/Alのペアに同心円状の環状溝121、122、123を形成してフレネルゾーンプレート120を形成する。なお、同心円状の環状溝121、122、123の数は3個に限られず、適宜変更することができる。また、フレネルゾーンプレート120を形成するのは最上層の2層に限られず、その層数も適宜変更することができる。ただし、最上層の1ペアによってフレネルゾーンプレートを形成すると、異なる組成の層の界面を利用することができるので均一な光学長の膜厚のフレネルゾーンプレートを形成することが可能で、また、フレネルゾーンプレートの光学長がλ/2となるためにもっとも都合が良い。 In the above embodiment, the upper DBR mirror 116 is composed of 10-12 pairs of SiN x / SiO 2. For example, a pair of α-Si (amorphous silicon) / SiO 2 or α-Si / Al 2 O 3 is used. Depending on the refractive index of the material, the number of pairs may be such that an appropriate reflectivity of about 99% can be obtained. When configuring the upper DBR mirror 116 with a plurality pairs of α-Si / SiO 2 is a Fresnel zone plate 120 to form a concentric annular groove 121, 122, 123 on the uppermost layer of the α-Si / SiO 2 pairs forming a upper DBR If the mirror 116 is composed of a plurality pairs of α-Si / Al 2 O 3 is concentric annular grooves 121, 122, 123 to a pair of uppermost α-Si / Al 2 O 3 To form the Fresnel zone plate 120. The number of concentric annular grooves 121, 122, 123 is not limited to three and can be changed as appropriate. Further, the formation of the Fresnel zone plate 120 is not limited to the uppermost two layers, and the number of layers can be appropriately changed. However, if the Fresnel zone plate is formed by a pair of uppermost layers, the interface between layers having different compositions can be used, so that it is possible to form a Fresnel zone plate with a uniform optical length. This is most convenient because the optical length of the zone plate is λ / 2.

上記実施の形態では、被酸化層はAlAsからなるものであったが、Al1−xGaAs(0<x<0.2)からなるものでもよい。被酸化層がAl1−xGaAsからなる場合は、電流狭窄層は、電流狭窄部が(Al1−xGaからなり、電流注入部がAl1−xGaAsからなるものとなる。 In the above embodiment, the layer to be oxidized is made of AlAs, but may be made of Al 1-x Ga x As (0 <x <0.2). When the layer to be oxidized is made of Al 1-x Ga x As, the current confinement layer is made of (Al 1-x Ga x ) 2 O 3 and the current injection portion is made of Al 1-x Ga x As. It will consist of

上記のように、誘電体DBR116の一部をエッチング加工してフレネルゾーンプレート機能を持たせることで、所望のFFP(ビーム広がり角度)を備える面発光型半導体レーザ素子を、レーザ特性を損なうことなく実現できる。その結果、特に外付けの結合素子を用いなくても、マルチモードの面発光型半導体レーザ素子をシングルモードファイバや幅小の導波路コアにも容易に結合することができるようになる。また、2次元に配列されたマルチモードの面発光型半導体レーザ素子を用いて、2次元配列など高密度集積の有機導波路やPLC(Planar Lightwave Circuit)導波路に結合させることも容易に行えるようになる。   As described above, a part of the dielectric DBR 116 is etched so as to have a Fresnel zone plate function, so that a surface emitting semiconductor laser element having a desired FFP (beam divergence angle) can be obtained without impairing laser characteristics. realizable. As a result, the multimode surface emitting semiconductor laser element can be easily coupled to a single mode fiber or a narrow waveguide core without using an external coupling element. In addition, a multi-mode surface-emitting semiconductor laser element arranged in two dimensions can be easily coupled to a high-density integrated organic waveguide such as a two-dimensional arrangement or a PLC (Planar Lightwave Circuit) waveguide. become.

以上の実施の形態では、1100nm帯のレーザの活性層105を構成する井戸層/障壁層の組み合わせとして、GaInAs/GaAsとしたが、上記本発明の好ましい実施の形態は、波長に応じて(基板やその他の層構成はこれらの井戸層と障壁層の組み合わせに応じて適宜選択され)、1300nm帯のレーザの場合は、GaInNAs(Sb)/GaAs、GaInNAs(Sb)/GaNAs(Sb)、980nm帯のレーザの場合はInGaAs/GaAsP、850nm帯のレーザの場合GaAs/AlGaAsなど(井戸層と障壁層の組み合わせについてはこれらに限られない)を選択することができる。量子井戸層及びバリア層は、発振させたい所望の波長に合わせてその量子井戸幅などを任意に設計作成することができる。フレネルゾーンプレート120を形成するための同心円状の環状溝121、122、123の半径も、この波長に応じて適宜変更することにより、所望の集光特性の面発光レーザを作成することができる。また、本発明の面発光型半導体レーザを積層する基板が活性層等の条件により適宜選択(主にはIII−V族化合物基板)されることは言うまでもない。   In the above embodiment, GaInAs / GaAs is used as the combination of the well layer / barrier layer constituting the active layer 105 of the 1100 nm band laser, but the preferred embodiment of the present invention described above depends on the wavelength (substrate And other layer configurations are appropriately selected according to the combination of the well layer and the barrier layer. InGaAs / GaAsP can be selected in the case of the laser of, and GaAs / AlGaAs in the case of the laser of 850 nm band (the combination of the well layer and the barrier layer is not limited to these). The quantum well layer and the barrier layer can be arbitrarily designed and produced in accordance with the desired wavelength to be oscillated. By appropriately changing the radii of the concentric annular grooves 121, 122, and 123 for forming the Fresnel zone plate 120 according to this wavelength, a surface emitting laser having a desired condensing characteristic can be created. It goes without saying that the substrate on which the surface emitting semiconductor laser of the present invention is laminated is appropriately selected (mainly a III-V group compound substrate) depending on conditions such as the active layer.

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を複数用いた面発光レーザアレイの例を図4、5を参照して説明する。一例として、図4に示したように、面発光レーザアレイチップ700がCLCC(Ceramic Leaded chip carrier)と呼ばれる周知のフラットパッケージ710に実装されたものを用いている。図では煩雑さを避けるために、金属キャスター(電極)714と面発光レーザアレイチップ700との接続は省略してある。面発光レーザアレイチップ700は図5に示したように、中央部に設けられた複数の面発光型半導体レーザ素子100からなる素子部702、及び周囲に設けられ、素子部702の複数の発光部と接続(図示せず)された複数の電極パッド706を有している。さらに、各電極パッド706はフラットパッケージ712の金属キャスター714と接続(図示せず)されている。各発光部は、フラットパッケージ712と接続された(図示せず)外部制御回路によって発光制御され、所定の波長のレーザ光を射出する。   Next, an example of a surface emitting laser array using a plurality of surface emitting semiconductor laser elements 100 according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As an example, as shown in FIG. 4, a surface emitting laser array chip 700 mounted on a known flat package 710 called CLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier) is used. In the figure, the connection between the metal caster (electrode) 714 and the surface emitting laser array chip 700 is omitted for the sake of simplicity. As shown in FIG. 5, the surface emitting laser array chip 700 includes an element portion 702 including a plurality of surface emitting semiconductor laser elements 100 provided in the center, and a plurality of light emitting portions of the element portion 702 provided around the element portion 702. And a plurality of electrode pads 706 connected (not shown). Furthermore, each electrode pad 706 is connected to a metal caster 714 of the flat package 712 (not shown). Each light emitting unit is controlled to emit light by an external control circuit (not shown) connected to the flat package 712, and emits laser light having a predetermined wavelength.

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を光学機器に適用した例について図面を参照して説明する。図6は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を発光素子のパッケージに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。面発光レーザパッケージ300は、面発光型半導体レーザ素子100、基板304および電極306からなる面発光レーザモジュール302、ハウジング310、光ファイバマウント312、光ファイバ314とからなる。電極306は、外部の制御回路(図示せず)に電気的に接続され、面発光レーザパッケージの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子100から出射したレーザ光はレンズ等の外部集光素子を用いることなく光ファイバ314に結合される。   Next, an example in which the surface emitting semiconductor laser device 100 according to the preferred embodiment of the present invention is applied to an optical apparatus will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration when the surface emitting semiconductor laser device 100 according to the preferred embodiment of the present invention is applied to a package of a light emitting device. The surface emitting laser package 300 includes a surface emitting semiconductor laser element 100, a surface emitting laser module 302 including a substrate 304 and an electrode 306, a housing 310, an optical fiber mount 312, and an optical fiber 314. The electrode 306 is electrically connected to an external control circuit (not shown), and the light emission of the surface emitting laser package is controlled. Laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser element 100 is coupled to the optical fiber 314 without using an external condensing element such as a lens.

次に、図7を参照して、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を複数有する面発光レーザ素子アレイチップ700を、2次元配列など高密度集積の有機導波路810やPLC(Planar Lightwave Circuit)導波路820に結合させる発光素子のパッケージに適応したときの構成を説明する。面発光レーザパッケージ800は、面発光レーザ素子アレイチップ700、ハウジング850、導波路マウント840、2次元配列の複数の導波路830を有する有機導波路810またはPLC導波路820を備えている。面発光レーザ素子アレイチップ700の各面発光型半導体レーザ素子100から出射したレーザ光はレンズ等の外部集光素子を用いることなく有機導波路810またはPLC導波路820の各導波路830に結合される。   Next, referring to FIG. 7, a surface emitting laser element array chip 700 having a plurality of surface emitting semiconductor laser elements 100 according to a preferred embodiment of the present invention is integrated with a high-density integrated organic waveguide 810 such as a two-dimensional array. In addition, a configuration when applied to a package of a light emitting element coupled to a PLC (Planar Lightwave Circuit) waveguide 820 will be described. The surface emitting laser package 800 includes a surface emitting laser element array chip 700, a housing 850, a waveguide mount 840, an organic waveguide 810 having a plurality of waveguides 830 in two dimensions, or a PLC waveguide 820. Laser light emitted from each surface emitting semiconductor laser element 100 of the surface emitting laser element array chip 700 is coupled to each waveguide 830 of the organic waveguide 810 or the PLC waveguide 820 without using an external condensing element such as a lens. The

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を光学機器に適用した別の例について図面を参照して説明する。図8は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を発光素子のパッケージに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。面発光レーザパッケージ300は、面発光型半導体レーザ素子100、基板304および電極306からなる面発光レーザモジュール302、レンズ316、ハウジング310、光ファイバマウント312、光ファイバ314とからなる。電極306は、外部の制御回路(図示せず)に電気的に接続され、面発光レーザパッケージの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子100から出射したレーザ光はレンズ316で集光され光ファイバ314に結合される。   Next, another example in which the surface-emitting type semiconductor laser device 100 according to the preferred embodiment of the present invention is applied to an optical apparatus will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration when the surface emitting semiconductor laser device 100 according to the preferred embodiment of the present invention is applied to a package of the light emitting device. The surface emitting laser package 300 includes a surface emitting semiconductor laser element 100, a surface emitting laser module 302 including a substrate 304 and an electrode 306, a lens 316, a housing 310, an optical fiber mount 312, and an optical fiber 314. The electrode 306 is electrically connected to an external control circuit (not shown), and the light emission of the surface emitting laser package is controlled. Laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser element 100 is condensed by a lens 316 and coupled to an optical fiber 314.

図9は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を光記憶媒体への書き込み/読み出し装置のピックアップに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。ピックアップ350は、面発光型半導体レーザ素子100、基板354、電極356、駆動IC358、およびこれらの要素を封止する樹脂360からなる面発光レーザモジュールと、レンズ376、ハーフミラー370、回折格子374、光センサー380、光記憶媒体372とからなる。樹脂360の出射面は凸状に加工されレンズ362を構成している。電極354は、外部の制御回路(図示せず)に電気的に接続され、レーザピックアップの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子100から出射したレーザ光は、レンズ362で平行光とされ、ハーフミラー370で反射された後、レンズ376によって集光され光記憶媒体372の所定の箇所に集光される。また、光媒体で反射された光は光センサー380に入射される。ここでは、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光型半導体レーザ素子100を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信用の発光素子パッケージ、あるいは光ディスク用ピックアップに適用した例を示したがこれに限られず、測量機器、レーザポインター、光学マウス、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等の光学機器として用いることもできる。   FIG. 9 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration when the surface-emitting type semiconductor laser device 100 according to the preferred embodiment of the present invention is applied to a pickup of a writing / reading device for an optical storage medium. The pickup 350 includes a surface emitting laser module including a surface emitting semiconductor laser element 100, a substrate 354, an electrode 356, a driving IC 358, and a resin 360 that seals these elements, a lens 376, a half mirror 370, a diffraction grating 374, An optical sensor 380 and an optical storage medium 372 are included. The exit surface of the resin 360 is processed into a convex shape to constitute a lens 362. The electrode 354 is electrically connected to an external control circuit (not shown), and the light emission of the laser pickup is controlled. Laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser element 100 is converted into parallel light by the lens 362, reflected by the half mirror 370, collected by the lens 376, and collected at a predetermined location on the optical storage medium 372. . Further, the light reflected by the optical medium is incident on the optical sensor 380. Here, the surface-emitting semiconductor laser device 100 or the surface-emitting laser device array having a plurality of surface-emitting semiconductor laser devices 100 according to the preferred embodiment of the present invention is applied to a light-emitting device package for communication or an optical disk pickup. An example is shown, but the present invention is not limited to this, and it is used as an optical instrument such as a surveying instrument, a laser pointer, an optical mouse, a printer, a light source for scanning exposure of photoresist, a laser pumping light source, a processing fiber laser light source, etc. You can also.

図10は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100を適用した光送受信モジュールの概略構成図である。図10に示すように、光送受信モジュール400は、保持部材402、光導波路(光ファイバ)412と、保持部材402上で光導波路(光ファイバ)412の位置決め用のスペーサ410、光導波路(光ファイバ)412を介して光信号を送信する面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光型半導体レーザ素子100を複数有する面発光レーザ素子アレイ及び光信号を受信する受光素子404、面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイの発光状態を制御する駆動回路406、受光素子404で受信された信号を増幅する増幅回路408とで構成されている。面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイは外部の制御部(図示せず)からの制御信号によって駆動回路406を介して発光制御され、受光素子404で受信された信号が増幅回路408を介して制御部へ送信される。煩雑さを避けるために、駆動回路406と面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイおよび増幅回路408と受光素子404のワイヤボンディングは省略している。   FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an optical transceiver module to which the surface emitting semiconductor laser device 100 according to the preferred embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 10, the optical transceiver module 400 includes a holding member 402, an optical waveguide (optical fiber) 412, a spacer 410 for positioning the optical waveguide (optical fiber) 412 on the holding member 402, and an optical waveguide (optical fiber). ) A surface emitting semiconductor laser element 100 that transmits an optical signal via 412 or a surface emitting laser element array having a plurality of surface emitting semiconductor laser elements 100, a light receiving element 404 that receives an optical signal, and a surface emitting semiconductor laser element 100. Alternatively, the driving circuit 406 controls the light emission state of the surface emitting laser element array, and the amplifier circuit 408 amplifies the signal received by the light receiving element 404. The surface emitting semiconductor laser element 100 or the surface emitting laser element array is controlled to emit light via a drive circuit 406 by a control signal from an external control unit (not shown), and a signal received by the light receiving element 404 is amplified. Is transmitted to the control unit. In order to avoid complication, the wire bonding of the drive circuit 406 and the surface emitting semiconductor laser element 100 or the surface emitting laser element array / amplifier circuit 408 and the light receiving element 404 is omitted.

図11〜図13は図10における面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイと、光導波路412との光結合部分の概略構成図であり、基板500、面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイ、光導波路412は図11〜図13で共通している。図11では、導波路412の端面が光軸に対してほぼ45度に傾斜するように加工されており、さらにこの傾斜面が反射面504として、反射膜のコーティング等による鏡面加工が施され、面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、導波路412の下面から導波路に入射され、傾斜面504で反射されて光導波路412内を伝播する。図12では、面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイ上、光導波路412の端面側方に内部に反射面504の設けられたミラーアセンブリ506が設置されて、面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、ミラーアセンブリ506の下面から入射され、反射面504で反射され、ミラーアセンブリ506から出射された光が光導波路412に結合されて光導波路412内を伝播する。ミラーアセンブリ506の入射面あるいは/および出射面にはマイクロレンズ(アレイ)が設けられてもよい。図13は、コネクタハウジング512内に光ファイバ412が配置され、さらに光ファイバ心線の曲部514の端部が面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイに対向するように配置され、面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光が光ファイバ412に結合される。   11 to 13 are schematic configuration diagrams of an optical coupling portion between the surface emitting semiconductor laser element 100 or the surface emitting laser element array and the optical waveguide 412 in FIG. The surface emitting laser element array and the optical waveguide 412 are common in FIGS. In FIG. 11, the end surface of the waveguide 412 is processed so as to be inclined at approximately 45 degrees with respect to the optical axis. Further, this inclined surface is used as a reflecting surface 504 and is subjected to mirror surface processing such as coating of a reflecting film. Light emitted from the surface-emitting type semiconductor laser device 100 or the surface-emitting laser device array enters the waveguide from the lower surface of the waveguide 412, is reflected by the inclined surface 504, and propagates through the optical waveguide 412. In FIG. 12, on the surface emitting semiconductor laser element 100 or the surface emitting laser element array, a mirror assembly 506 having a reflecting surface 504 provided therein is provided on the side of the end face of the optical waveguide 412 so that the surface emitting semiconductor laser element is provided. The light emitted from 100 or the surface emitting laser element array is incident from the lower surface of the mirror assembly 506, reflected by the reflecting surface 504, and the light emitted from the mirror assembly 506 is coupled to the optical waveguide 412 to pass through the optical waveguide 412. Propagate. A microlens (array) may be provided on the entrance surface and / or the exit surface of the mirror assembly 506. In FIG. 13, the optical fiber 412 is disposed in the connector housing 512, and the end portion of the curved portion 514 of the optical fiber core wire is disposed so as to face the surface emitting semiconductor laser element 100 or the surface emitting laser element array. Light emitted from the surface emitting semiconductor laser element 100 or the surface emitting laser element array is coupled to the optical fiber 412.

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光型半導体レーザ素子100を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信システムに適用した例を示す。図14には、面発光型半導体レーザ素子100あるいは面発光レーザ素子アレイを用いた波長多重伝送システムの構成例が示されている。図14の波長多重伝送システムはコンピュータ、ボードあるいはチップ602、通信制御回路(CPU,MPU、光―電気変換回路、電気―光変換回路、波長制御回路)604、面発光型半導体レーザ素子100を複数有する面発光レーザ素子アレイ606、受光素子集積部608、合波器610、分波器612、電気配線616、光ファイバ617、618、通信対象のネットワーク、PC、ボード、チップなど614からなる。図14の波長多重伝送システムでは、発振波長の異なる複数の面発光レーザ素子を配列して面発光レーザアレイ606を構成し、面発光レーザアレイ606の各面発光レーザ素子からの各発振光を合波器を通して1本の光ファイバに結合させるように構成されている。このような構成では、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。このように、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、モードが安定しており、且つ、各発振波長が安定しているので、高い信頼性で高密度大容量の波長多重伝送が可能になる。なお、本実施形態では各面発光レーザアレイ606あるいは受光素子集積部608からの出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバは合波器610あるいは分波器612を用いて1本の光ファイバに結合されているが、用途に応じては出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバをそのまま通信対象のネットワーク、PC、ボード、チップなど614に接続して並列伝送システムとすることもできる。この場合、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、モードが安定しており、且つ、各波長が安定しているので、複数の光源をもつ信頼性の高い並列伝送システムの構築が容易になる。   Next, an example in which a surface emitting laser element 100 or a surface emitting laser element array having a plurality of surface emitting semiconductor laser elements 100 according to a preferred embodiment of the present invention is applied to a communication system will be described. FIG. 14 shows a configuration example of a wavelength multiplexing transmission system using the surface emitting semiconductor laser element 100 or the surface emitting laser element array. The wavelength multiplexing transmission system of FIG. 14 includes a computer, a board or chip 602, a communication control circuit (CPU, MPU, optical-electrical conversion circuit, electrical-optical conversion circuit, wavelength control circuit) 604, and a plurality of surface emitting semiconductor laser elements 100. It includes a surface emitting laser element array 606, a light receiving element integrated unit 608, a multiplexer 610, a duplexer 612, an electrical wiring 616, optical fibers 617 and 618, a communication target network, a PC, a board, a chip, and the like 614. In the wavelength division multiplex transmission system of FIG. 14, a surface emitting laser array 606 is configured by arranging a plurality of surface emitting laser elements having different oscillation wavelengths, and each oscillation light from each surface emitting laser element of the surface emitting laser array 606 is combined. It is configured to be coupled to one optical fiber through a waver. In such a configuration, a large amount of signal can be transmitted with high throughput with a single fiber. As described above, the surface emitting laser array according to the preferred embodiment of the present invention is stable in mode and stable in each oscillation wavelength. It becomes possible. In this embodiment, the output optical fiber or the input optical fiber from each surface emitting laser array 606 or the light receiving element integrated unit 608 is coupled to one optical fiber using the multiplexer 610 or the demultiplexer 612. However, depending on the application, an output optical fiber or an input optical fiber can be directly connected to a communication target network, PC, board, chip, or the like 614 to form a parallel transmission system. In this case, since the surface emitting laser array according to the preferred embodiment of the present invention has a stable mode and each wavelength is stable, a highly reliable parallel transmission system having a plurality of light sources can be constructed. It becomes easy.

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。   While various typical embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. Accordingly, the scope of the invention is limited only by the following claims.

100 面発光型半導体レーザ素子
101 基板
102 下部DBRミラー
103 バッファ層
104 n型コンタクト層
105 活性層
107 電流狭窄層
107a 電流狭窄部
107b 電流注入部
108 p型クラッド層
110 共振器
111 p型コンタクト層
113 p側円環電極
113a 開口部
114 誘電体層
116 上部DBRミラー
117 n側電極
120 フレネルゾーンプレート
121、122、123 溝
130 メサポスト
135 p側引き出し電極
136 n側引き出し電極
128、143 SiO
129、144 SiN
145 パッシベーション膜
146、147 開口
151、152、153 レーザ光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Surface emitting semiconductor laser element 101 Substrate 102 Lower DBR mirror 103 Buffer layer 104 n + type contact layer 105 Active layer 107 Current confinement layer 107a Current confinement part 107b Current injection part 108 P type clad layer 110 Resonator 111 p + type contact Layer 113 p-side annular electrode 113a opening 114 dielectric layer 116 upper DBR mirror 117 n-side electrode 120 Fresnel zone plate 121, 122, 123 groove 130 mesa post 135 p-side extraction electrode 136 n-side extraction electrode 128, 143 SiO 2 film 129, 144 SiN x film 145 Passivation film 146, 147 Opening 151, 152, 153 Laser light

Claims (9)

基板と、前記基板上に順に形成された、第1のDBRミラー領域と、活性層と、第2のDBRミラー領域と、前記活性層に電流を注入させるための活性層に対して基板側の第1の電極と、活性層に対して表面側の第2の電極と、前記活性層に注入される電流を狭窄させるため開口を含む電流狭窄層と、を備え、前記基板と反対側の表面からレーザ光を放射する面発光型半導体レーザであって、
前記前記第2のDBRミラー領域は、異なる二つの屈折率を持つ層のペアの繰り返し構造を含み、さらに、
前記第2のDBRミラー領域の前記基板と反対側の表面に、フレネルゾーンを形成し、かつ、前記開口と同心の同心円状の誘電体材料からなる溝が形成されている面発光型半導体レーザ。
A substrate, a first DBR mirror region, an active layer, a second DBR mirror region, and an active layer for injecting current into the active layer, which are sequentially formed on the substrate, A first electrode, a second electrode on a surface side with respect to the active layer, and a current confinement layer including an opening for constricting a current injected into the active layer, and a surface opposite to the substrate A surface emitting semiconductor laser that emits laser light from
The second DBR mirror region includes a repeating structure of a pair of layers having two different refractive indexes, and
A surface emitting semiconductor laser in which a Fresnel zone is formed on the surface of the second DBR mirror region opposite to the substrate, and a groove made of a concentric dielectric material concentric with the opening is formed.
前記溝の境界部が、開口部の中心を中心とする半径Rm=mfλの関係を満たす(Rm:半径、m:フレネルゾーンの次数、f:焦点距離、λ:波長)となっていることを特徴とする請求項1に記載の面発光型半導体レーザ。 The boundary of the groove satisfies a relationship of radius Rm 2 = mfλ centered on the center of the opening (Rm: radius, m: order of Fresnel zone, f: focal length, λ: wavelength). The surface emitting semiconductor laser according to claim 1. 前記層は誘電体膜のペアからなることを特徴とする請求項1または2に記載の面発光型半導体レーザ。   3. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the layer is made of a pair of dielectric films. 前記誘電体膜のペアは、SiO/SiN、あるいはα−Si/SiOのペアからなることを特徴とする請求項3に記載の面発光型半導体レーザ。 Said pairs dielectric film, the surface-emitting type semiconductor laser according to claim 3, characterized in that it consists of SiO 2 / SiN x or α-Si / SiO 2 pair. 前記溝が前記第2のDBRミラー領域の前記表面側の前記ペアの少なくとも一部に形成されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。   5. The surface-emitting type semiconductor laser according to claim 1, wherein the groove is formed in at least a part of the pair on the surface side of the second DBR mirror region. 前記溝の厚みが前記表面の1ペアであることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の面発光型半導体レーザ。 5. The surface emitting semiconductor laser according to claim 2, wherein a thickness of the groove is one pair of the surfaces. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子を複数備えるレーザアレイ。   A laser array comprising a plurality of semiconductor laser elements according to claim 1. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える光学機器。   An optical apparatus comprising the semiconductor laser element or the laser array according to any one of claims 1 to 7. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える通信システム。   A communication system comprising the semiconductor laser element or the laser array according to any one of claims 1 to 7.
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