JP2012129245A - Vertical-resonator surface-emission laser - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vertical-resonator surface-emission laser that includes an electrode layer having an intra-cavity structure and is capable of operating at a low threshold value.SOLUTION: A resonator has therein three or more odd number of spacer layers 503, 505, and 507, and they are portioned by two or more intermediate mirrors 504 and 506. When an optical distance between an arbitrary number (2N'-1) (N' represents an integer equal to or greater than 1) of mutually adjacent mirrors is represented by d, and phase skips of rays of light reflected by mutually adjacent intermediate mirrors are represented by Φ, and Φ, respectively, a relationship expressed by the following equation (1): 2d*2π/λ+Φ+Φ=2N*π(1) is satisfied. When an optical distance between 2N' mutually adjacent mirrors is represented by d', a relationship expressed by the following equation (2): 2d'*2π/λ+Φ+Φ=(2N-1)*π (2) (where N represents an integer equal to or greater than 1) is satisfied. An electrode layer is provided in an even-numbered spacer layer counting from a lower mirror or in its adjacent portion.

Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザに関するものである。   The present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser.

近年、面発光レーザ素子が盛んに研究されている。面発光レーザは、低閾値、低消費電力、集積化アレイ化が容易、安価などの利点があり、通信、電子写真、センシングなどの分野に応用が期待されている。特に、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
面発光レーザはいくつかの種類に分類できるが、その中の一つとして、垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavitiy Surface Emitting Laser:VCSEL)がある。
これは、活性層を上下DBR(Distributed Bragg Reflector)で挟んで共振器とし、基板に垂直方向に光を共振させ面発光させるレーザ素子である。
In recent years, surface emitting laser elements have been actively studied. A surface emitting laser has advantages such as a low threshold, low power consumption, easy integration into an array, and low cost, and is expected to be applied in fields such as communication, electrophotography, and sensing. In particular, it has already been put into practical use in the communication field such as infrared short-range communication.
Surface emitting lasers can be classified into several types, and one of them is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
This is a laser element in which an active layer is sandwiched between upper and lower DBRs (Distributed Bragg Reflectors) to form a resonator, and light is resonated in a direction perpendicular to the substrate to emit light.

上記垂直共振器型面発光レーザの課題として、電流注入の問題がある。
すなわち、電気抵抗が高い半導体材料を用いて作製されている素子においては(特にp型半導体)、その高抵抗の影響により、ミラーを通しての電流注入またはリング電極による電流注入が困難となる。
例えば、青色領域の半導体レーザでは、主に窒化ガリウム(GaN)系の材料が用いられるが、これを用いて垂直共振器型面発光レーザを作製した場合、p側のDBRの電気抵抗が高く、ミラーを通しての電流注入が非常に困難である。
さらに、p型半導体の電気抵抗が高く電流が広がらず、リング電極を用いて斜め方向より電流を注入することも困難である。
尚、GaN系のVCSELにおいては、電流狭窄構造の作製が困難というのも、斜め方向より電流注入が困難な要因の一つである。
A problem of the vertical cavity surface emitting laser is a problem of current injection.
That is, in an element manufactured using a semiconductor material having high electrical resistance (particularly a p-type semiconductor), current injection through a mirror or current injection through a ring electrode becomes difficult due to the influence of the high resistance.
For example, in a blue region semiconductor laser, a gallium nitride (GaN) -based material is mainly used. When a vertical cavity surface emitting laser is manufactured using this, the p-side DBR has a high electric resistance, Current injection through the mirror is very difficult.
Furthermore, the electric resistance of the p-type semiconductor is high and current does not spread, and it is difficult to inject current from an oblique direction using a ring electrode.
In addition, in GaN-based VCSELs, it is difficult to produce a current confinement structure, which is one of the factors that make current injection difficult from an oblique direction.

これらの問題に対処するため、しばしば用いられるのがイントラキャビティー構造である。
これは、電極層をミラーとクラッド層の境界部(すなわち共振器の内部)に設置し、活性層の直上より電流注入を行うことにより、抵抗値を減らし電流が効率的に活性層に注入されるようにしたものである。
GaN系におけるイントラキャビティー構造は、p側ミラーとして誘電体DBRを用い、該ミラーと共振器との間に電極層を挟んで電流注入する構造がよく用いられる。この際、通常電極層をレーザの定在波の節に置くことで、電極層による光吸収を低減する方策がとられる。
非特許文献1には、このようなイントラキャビティー構造を用いた垂直共振器型面発光レーザの構造が開示されている。
To deal with these problems, intracavity structures are often used.
This is because the electrode layer is installed at the boundary between the mirror and the clad layer (that is, inside the resonator), and the current is injected directly above the active layer, so that the resistance value is reduced and the current is efficiently injected into the active layer. It was made to do.
The intracavity structure in the GaN system often uses a structure in which a dielectric DBR is used as a p-side mirror and current is injected with an electrode layer sandwiched between the mirror and the resonator. At this time, a measure is taken to reduce light absorption by the electrode layer, usually by placing the electrode layer at the node of the standing wave of the laser.
Non-Patent Document 1 discloses a structure of a vertical cavity surface emitting laser using such an intracavity structure.

Applied Physics Letters90,181128(2007)Applied Physics Letters 90, 181128 (2007)

しかしながら、このようなイントラキャビティー構造を用いた垂直共振器型面発光レーザにおいては、DBRで挟まれた共振器中に電極層を配置するため、定在波の節に電極層を配置した場合であっても、光吸収は依然として大きいという課題を有している。   However, in the vertical cavity surface emitting laser using such an intracavity structure, the electrode layer is disposed in the resonator sandwiched between the DBRs. Even so, there is a problem that light absorption is still large.

本発明は、上記課題に鑑み、イントラキャビティー構造の電極層による光吸収をさらに低減することによって、より低閾値で動作可能となる垂直共振器型面発光レーザを提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a vertical cavity surface emitting laser that can operate at a lower threshold by further reducing light absorption by an electrode layer having an intracavity structure.

本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に積層された、下部ミラー、上部ミラー、これらの間に配置された活性層を含む半導体層によって共振器が形成された発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器は、内部に3個以上の奇数個のスペーサ層を有し、該3個以上の奇数個のスペーサ層の間が2個以上の中間ミラーで仕切られており、
前記面発光レーザにおける任意の(2N’−1)個隣同士のミラー間の光学距離をdとし(N’:1以上の整数)、該隣同士の中間ミラーからの反射光の位相とびをそれぞれΦ、Φとするとき、以下の式(1)の関係を満たすと共に、 該隣同士の中間ミラーにおける2N’個隣同士のミラー間の光学距離をd’とするとき、以下の式(2)の関係を満たし、
電流注入のための電極層が、前記下部ミラーより数えて偶数番目のスペーサ層中、またはその隣接部に設けられていることを特徴とする。
2d・2π/λ+Φ+Φ =2N・π 式(1)

2d’・2π/λ+Φ+Φ=(2N−1)・π 式(2)

但し、N:1以上の整数

また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に、下部ミラー、上部ミラー、これらの間に配置された活性層を含む複数の半導体層が積層され、これらにより共振器が形成された垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器は、内部に3個以上の奇数個のスペーサ層を有し、該3個以上の奇数個のスペーサ層の間が中間ミラーで仕切られており、
電流注入のための電極層が、前記共振器により発振される光の定在波の光強度の包絡線が極小となる部位のスペーサ層中、またはその隣接部に導入されていることを特徴とする。
The vertical cavity surface emitting laser of the present invention has a vertical oscillation wavelength λ in which a resonator is formed by a semiconductor layer including a lower mirror, an upper mirror, and an active layer disposed therebetween, which are stacked on a substrate. A cavity surface emitting laser,
The resonator includes three or more odd number of spacer layers therein, and the three or more odd number of spacer layers are partitioned by two or more intermediate mirrors,
The optical distance between any (2N′−1) adjacent mirrors in the surface-emitting laser is d (N ′: an integer of 1 or more), and the phase jump of the reflected light from the adjacent intermediate mirrors, respectively. When Φ 1 and Φ 2 are satisfied, the following equation (1) is satisfied, and when the optical distance between 2N ′ adjacent mirrors in the adjacent intermediate mirror is d ′, the following equation ( Satisfy the relationship of 2)
An electrode layer for current injection is provided in an even-numbered spacer layer counted from the lower mirror or in an adjacent portion thereof.
2d · 2π / λ + Φ 1 + Φ 2 = 2N · π Formula (1)

2d ′ · 2π / λ + Φ 1 + Φ 2 = (2N−1) · π Formula (2)

N: an integer greater than or equal to 1

In the vertical cavity surface emitting laser of the present invention, a plurality of semiconductor layers including a lower mirror, an upper mirror, and an active layer disposed therebetween are stacked on a substrate, thereby forming a resonator. Vertical cavity surface emitting laser,
The resonator has three or more odd spacer layers therein, and the three or more odd spacer layers are partitioned by an intermediate mirror,
An electrode layer for current injection is introduced into the spacer layer at a portion where the envelope of the light intensity of the standing wave of light oscillated by the resonator is minimized, or in the adjacent portion thereof To do.

本発明によれば、イントラキャビティー構造の電極層による光吸収をさらに低減することによって、より低閾値で動作可能となる垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a vertical cavity surface emitting laser that can operate at a lower threshold by further reducing light absorption by an electrode layer having an intracavity structure.

本発明の実施形態1における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明する模式図。The schematic diagram explaining the structural example of the vertical cavity surface emitting laser in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1における面発光レーザの、光の定在波の包絡線強度と電極層における光の強度の重なりの関係を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the relationship between the envelope intensity of the standing wave of light of the surface emitting laser in Embodiment 1 of this invention, and the intensity | strength of the light in an electrode layer. 本発明の実施形態2における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明する模式図。The schematic diagram explaining the structural example of the vertical cavity surface emitting laser in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明する模式図。The schematic diagram explaining the structural example of the vertical cavity surface emitting laser in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施例1における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明する模式断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration example of a vertical cavity surface emitting laser according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施例1における垂直共振器型面発光レーザの共振器内部の光の定在波の強度分布を計算した図。The figure which calculated intensity distribution of the standing wave of the light inside the resonator of the vertical cavity surface emitting laser in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明する模式断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration example of a vertical cavity surface emitting laser in Example 2 of the present invention. 本発明の実施例2における垂直共振器型面発光レーザの共振器内の光の定在波の強度分布を計算した図。The figure which calculated intensity distribution of the standing wave of the light in the resonator of the vertical cavity surface emitting laser in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における垂直共振器型面発光レーザの共振器内部の光の定在波の強度分布を計算した図。The figure which calculated intensity distribution of the standing wave of the light inside the resonator of the vertical cavity surface emitting laser in Example 3 of this invention. 本発明の実施例3における垂直共振器型面発光レーザの共振器内の光の定在波の強度分布を計算した図。The figure which calculated intensity distribution of the standing wave of the light in the resonator of the vertical cavity surface emitting laser in Example 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における垂直共振器型面発光レーザのスペーサ層部の光強度(振幅)の値をプロットした図。The figure which plotted the value of the light intensity (amplitude) of the spacer layer part of the vertical cavity surface emitting laser in Embodiment 3 of this invention.

以下、本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
[実施形態1]
本発明の実施形態1の垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図1を用いて説明する。
図1において、101は基板であり、その上に下部ミラー102が設けられる。更にその上に103のスペーサ層1(第1のスペーサ層)、104の中間ミラー1(第1の中間ミラー)、105のスペーサ層2(第2のスペーサ層)、106の中間ミラー2(第2の中間ミラー)、107のスペーサ層3(第3のスペーサ層)が設けられる。そして、その上に上部ミラー108が設けられ、これらの順に積層されている。
上部電極層109は、105のスペーサ層2中(第2のスペーサ層中)に設けられている。
基板101の裏面には下部電極層110が設けられている。
111はこの素子中における共振光(共振器内で共振する光)の定在波の光強度の包絡線(定在波の腹の位置での光強度を結んだもの)、112は定在波の光強度の一部を模式的に表したものである。
Hereinafter, a configuration example of a vertical cavity surface emitting laser according to an embodiment of the present invention will be described.
[Embodiment 1]
A configuration example of the vertical cavity surface emitting laser according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 1, reference numeral 101 denotes a substrate, on which a lower mirror 102 is provided. Further thereon, 103 spacer layers 1 (first spacer layer), 104 intermediate mirror 1 (first intermediate mirror), 105 spacer layer 2 (second spacer layer), 106 intermediate mirror 2 (first spacer layer). 2 intermediate mirrors) and 107 spacer layers 3 (third spacer layers). And the upper mirror 108 is provided on it and is laminated | stacked in these order.
The upper electrode layer 109 is provided in the spacer layer 2 105 (in the second spacer layer).
A lower electrode layer 110 is provided on the back surface of the substrate 101.
111 is an envelope of the light intensity of the standing wave of the resonant light (light that resonates in the resonator) in this element (the light intensity at the antinode of the standing wave is connected), 112 is the standing wave This is a schematic representation of a part of the light intensity.

つぎに、スペーサ層の配置と光強度制御について説明する。
図1のように、2枚のミラーの間にスペーサ層を3つ導入し、その間をミラーで仕切ることで、定在波の光強度の包絡線分布を制御できる。
包絡線は定在波の光強度の腹の頂点を結んだ線なので、腹における光の強度分布を表している。
つまり、包絡線分布を制御することは、光の強度分布を制御することと等価である。
具体的には、図1の111に示すように、外側2つのスペーサ層の光強度分布を大きくし、中央のスペーサ層は光強度分布を小さくすることができる。
この光強度分布を小さくした部分に電極層を導入することで、電極層による光吸収を低減することができる。定在波の節の部分に電極を置く場合も、光強度分布自体が小さくなっているため、より吸収を低減する効果が期待できる。
Next, the arrangement of the spacer layer and the light intensity control will be described.
As shown in FIG. 1, by introducing three spacer layers between two mirrors and partitioning them with a mirror, the envelope distribution of the light intensity of the standing wave can be controlled.
Since the envelope is a line connecting the vertices of the antinodes of the light intensity of the standing wave, it represents the light intensity distribution in the antinodes.
That is, controlling the envelope distribution is equivalent to controlling the light intensity distribution.
Specifically, as shown by reference numeral 111 in FIG. 1, the light intensity distribution of the outer two spacer layers can be increased, and the light intensity distribution of the central spacer layer can be decreased.
By introducing the electrode layer into the portion where the light intensity distribution is reduced, light absorption by the electrode layer can be reduced. Even when the electrode is placed at the node of the standing wave, since the light intensity distribution itself is small, the effect of further reducing the absorption can be expected.

ここで、光強度分布制御の方法を定性的に説明する。
まず、本実施形態における、上記スペーサ層を仕切るミラーの位置関係に関して説明する。
本実施形態の垂直共振器型面発光レーザにおいては、各ミラー間の距離の設計を適切にすることが必要となる。
ミラー間の距離とは、各ミラーにおけるミラーとスペーサ層の境界部間の距離である。上記境界部は各ミラーに対して2か所ある場合が考えられる。例えば104中間ミラー1については、103スペーサ層1と105スペーサ層2との境界部があるため、上記境界部は2か所ある。このような場合、ミラー間の距離を定義するために用いる上記境界部は、それぞれ別のミラーに近い側の境界部を用いるものとする。例えば、104中間ミラー1と106中間ミラー2の場合には、上記境界部は104中間ミラー1と105スペーサ層2の境界部と、106中間ミラー2とスペーサ層2の境界部を用いる。したがって、104中間ミラー1、106中間ミラー2間の距離は、上記境界部間の距離、すなわち105スペーサ層2の厚さと等しくなる。またミラー間の光学距離とは、ミラー間の距離とミラー間に存在する物質の屈折率を掛けたものである。複数の物質が存在する場合には、それぞれの物質に対して、その物質が占める距離と屈折率に応じて、光学距離を計算し、それぞれを足し合わせたものとする。
ミラー間の距離の設計指針は、具体的には以下のようになる。
任意の隣同士のミラー間の光学距離をd、2枚のミラーによる反射波の位相とびをそれぞれΦ、Φとし、共振波長をλ(発振波長λ)とする。
ミラー間の距離、例えば本実施形態においては、104中間ミラー1、106中間ミラー2間の距離に関しては、以下の式(1)関係が成り立てばよい。

2d・2π/λ+Φ1+Φ2 =2N・π 式(1)
(但し、N:1以上の整数)

上記説明では、例として104の中間ミラー1、106の中間ミラー2を取り上げたが、全ての隣同士のミラーにおいてこの関係が成り立つ。
Here, the light intensity distribution control method will be described qualitatively.
First, the positional relationship of the mirrors that partition the spacer layer in this embodiment will be described.
In the vertical cavity surface emitting laser of this embodiment, it is necessary to design the distance between the mirrors appropriately.
The distance between mirrors is the distance between the mirror and the boundary between the spacer layers in each mirror. There can be a case where there are two boundary portions for each mirror. For example, since the 104 intermediate mirror 1 has a boundary between the 103 spacer layer 1 and the 105 spacer layer 2, there are two boundaries. In such a case, the boundary part used to define the distance between the mirrors is a boundary part on the side close to another mirror. For example, in the case of 104 intermediate mirror 1 and 106 intermediate mirror 2, the boundary portion uses the boundary portion between 104 intermediate mirror 1 and 105 spacer layer 2, and the boundary portion between 106 intermediate mirror 2 and spacer layer 2. Accordingly, the distance between the 104 intermediate mirror 1 and the 106 intermediate mirror 2 is equal to the distance between the boundary portions, that is, the thickness of the 105 spacer layer 2. The optical distance between the mirrors is obtained by multiplying the distance between the mirrors by the refractive index of the substance existing between the mirrors. When there are a plurality of substances, the optical distance is calculated for each substance according to the distance and refractive index occupied by the substance, and each is added.
The design guideline for the distance between the mirrors is specifically as follows.
The optical distance between any adjacent mirrors is d, the phase jumps of the reflected waves by the two mirrors are Φ 1 and Φ 2 , respectively, and the resonance wavelength is λ (oscillation wavelength λ).
Regarding the distance between the mirrors, for example, the distance between the 104 intermediate mirror 1 and the 106 intermediate mirror 2 in the present embodiment, the following equation (1) may be satisfied.

2d · 2π / λ + Φ 1 + Φ 2 = 2N · π Formula (1)
(However, N is an integer of 1 or more)

In the above description, the intermediate mirror 1 of 104 and the intermediate mirror 2 of 106 are taken as an example, but this relationship holds in all adjacent mirrors.

また、2つ隣同士のミラー間の距離、本実施形態においては、104の中間ミラー1と上部ミラー108の間の光学距離d’については以下の式(2)関係が成り立てばよい。

2d’・2π/λ+Φ1+Φ2=(2N−1)・π 式(2)

上記説明では、例として104の中間ミラー1、上部ミラー108を取り上げたが、全ての2つ隣のミラーにおいてこの関係が成り立つ。
最後に、3つ隣同士のミラー間の距離、本実施形態においては下部ミラー102、上部ミラー108の間の距離に関しては、上記式(1)の関係が成り立てばよい。
このように設計した共振器は、図1のように、105のスペーサ層2の位置において、光強度分布が小さくなる。
Further, for the distance between two adjacent mirrors, in this embodiment, the optical distance d ′ between the intermediate mirror 1 104 and the upper mirror 108, the following equation (2) may be satisfied.

2d ′ · 2π / λ + Φ 1 + Φ 2 = (2N−1) · π Formula (2)

In the above description, the intermediate mirror 1 and the upper mirror 108 are taken as an example, but this relationship is established in all the two adjacent mirrors.
Finally, regarding the distance between three adjacent mirrors, in this embodiment, the distance between the lower mirror 102 and the upper mirror 108, the relationship of the above equation (1) may be established.
In the resonator designed in this way, the light intensity distribution becomes small at the position of the spacer layer 2 105 as shown in FIG.

以上を一般化すると、共振器中に3個以上の奇数個のスペーサ層を有し、2個以上の偶数個のミラー層でそれぞれが分けられている垂直共振器型面発光レーザ素子に対して、以下のような条件を満たす必要がある。
すなわち、N’を1以上の整数とし、(2N’−1)個隣同士のミラー間は上記式(1)の、2N’個隣同士のミラー間は上記式(2)の関係を満たす必要がある。
そして、下部ミラーより数えて偶数番目のスペーサ層の光強度分布が極小を示す。
従って、光強度分布が極小となるスペーサ層の位置に、電極層を設けることで、電極層による光吸収を低減できる。
但し、ミラーからの反射波の位相には様々な原因で誤差が生じるため、ミラー間の距離には幅があり、常にNが厳密に整数になるとは限らない。
従って、実際の設計では得ようとする共振波長と照らしながら、Nの値を調整する必要がある。
但し、Nが整数から外れるその値の範囲は小さい程良く、好ましくは±1/8、さらに好ましくは±1/16である。
従って、これに対応するミラー間距離のずれも、好ましくは±λ/8以下、さらに好ましくは±λ/16以下である。
以上が基本の設計指針であるが、ミラーの種類によりスペーサ層の境界部における位相とびΦの値が異なってくるため、以下にそれぞれの代表的な場合を記載する。
To generalize the above, for a vertical cavity surface emitting laser element having three or more odd spacer layers in the resonator and divided by two or more even mirror layers, respectively. It is necessary to satisfy the following conditions.
That is, N ′ must be an integer greater than or equal to 1, and (2N′−1) adjacent mirrors must satisfy the relationship of the above equation (1), and 2N ′ adjacent mirrors must satisfy the relationship of the above equation (2). There is.
The light intensity distribution of the even-numbered spacer layers counted from the lower mirror is minimal.
Therefore, light absorption by the electrode layer can be reduced by providing the electrode layer at the position of the spacer layer where the light intensity distribution is minimized.
However, since errors occur in the phase of the reflected wave from the mirror for various reasons, the distance between the mirrors has a width, and N is not always an integer.
Therefore, it is necessary to adjust the value of N in light of the resonance wavelength to be obtained in an actual design.
However, the smaller the range of the value N deviates from the integer, the better, preferably ± 1/8, more preferably ± 1/16.
Accordingly, the corresponding deviation in the distance between the mirrors is preferably ± λ / 8 or less, more preferably ± λ / 16 or less.
The above is the basic design guideline, but since the value of the phase skip Φ at the boundary portion of the spacer layer differs depending on the type of mirror, each typical case will be described below.

まず、ミラーの種類について説明する。
本実施形態の垂直共振器型面発光レーザにおけるミラーとは、多層膜ミラー(単層膜の場合も含める)、金属ミラー、または両者の複合ミラー、などを指している。
通常の標準的な多層膜ミラーの場合は、多層膜ミラーを構成する各層の厚さdは、その隣接層からの反射光の位相をΦとすると、全て上記式(2)の関係を満たしている。
このような場合、ミラー間の距離は、ミラーとスペーサ層の境界部におけるスペーサ層を構成する層とミラーを構成する層の屈折率の大小関係により決まってくる。
以下において、境界部におけるスペーサ層を構成する層を境界スペーサ層、ミラーを構成する層を境界ミラー層と呼ぶ。なお、ここでは境界スペーサ層は全て誘電体または半導体を想定している。
上記境界スペーサ層、境界ミラー層の屈折率をそれぞれnd、nmとするとき、境界においてつぎの式(3)の関係となるときΦ=πとなり、式(4)の関係となるときΦ=0となる。

nd<nm 式(3)

nd>nm 式(4)

なお、nd=nmとなるときは、そこで光の反射が起こらないため、本発明においては境界とは見なさない。
First, the type of mirror will be described.
The mirror in the vertical cavity surface emitting laser of this embodiment refers to a multilayer mirror (including a single layer film), a metal mirror, or a composite mirror of both.
In the case of an ordinary standard multilayer mirror, the thickness d of each layer constituting the multilayer mirror satisfies the relationship of the above formula (2), where Φ is the phase of the reflected light from the adjacent layer. Yes.
In such a case, the distance between the mirrors is determined by the magnitude relationship between the refractive index of the layer constituting the spacer layer and the layer constituting the mirror at the boundary between the mirror and the spacer layer.
Hereinafter, a layer constituting the spacer layer in the boundary portion is referred to as a boundary spacer layer, and a layer constituting the mirror is referred to as a boundary mirror layer. Here, all the boundary spacer layers are assumed to be dielectrics or semiconductors.
When the refractive indexes of the boundary spacer layer and the boundary mirror layer are nd and nm, respectively, Φ = π when the relationship of the following expression (3) is satisfied at the boundary, and Φ = 0 when the relationship of the expression (4) is satisfied. It becomes.

nd <nm Formula (3)

nd> nm Formula (4)

In addition, when nd = nm, light is not reflected there, so that it is not regarded as a boundary in the present invention.

ここで、まず隣同士のミラーの場合に関して考えると、両方のミラーの境界部で上記式(3)または上記式(4)となるとき(屈折率の関係が同じ時)には、上記式(1)の関係を満たすためには、ミラー間の距離はλN/2となる。
両方のミラーの境界部で屈折率の関係が互いに異なる時、すなわち片方が上記式(3)、もう片方が上記式(4)のときには、ミラー間の距離はλ(2N−1)/4となる。
また、2つ隣同士のミラー間、3つ隣同士のミラー間に関しても同様に考えることができる。
両方のミラー境界部で屈折率の関係が同じ時には、ミラー間の距離はそれぞれλ(2N−1)/4、λN/2となり、異なる時にはそれぞれ、λN/2、λ(2N−1)/4となる。
Here, considering the case of the mirrors adjacent to each other, when the above formula (3) or the above formula (4) is obtained at the boundary between both mirrors (when the refractive index relationship is the same), the above formula ( In order to satisfy the relationship 1), the distance between the mirrors is λN / 2.
When the refractive index relationship is different from each other at the boundary between both mirrors, that is, when one is the above equation (3) and the other is the above equation (4), the distance between the mirrors is λ (2N−1) / 4. Become.
The same applies to the relationship between two adjacent mirrors and between three adjacent mirrors.
When the refractive index relationship is the same at both mirror boundaries, the distance between the mirrors is λ (2N-1) / 4 and λN / 2, respectively, and when they are different, λN / 2 and λ (2N-1) / 4, respectively. It becomes.

つぎに、多層膜ミラーの厚さに誤差がある場合について説明する。
上記いずれの場合も、多層膜ミラーによる位相とびΦは、ミラーを構成する各層の膜厚の誤差により変わってくる。
例えば、各層厚にランダムな誤差があると、その層厚誤差が積み重なり、ミラー全体の位相とびΦが上記の条件よりある程度ずれることになる。
位相とびΦが厳密に上記のような関係になるのは、多層膜ミラーの各層で厳密に上記式(2)が満たされているときのみである。従って、このような場合はNは完全に整数にはならない。
Next, a case where there is an error in the thickness of the multilayer mirror will be described.
In any of the above cases, the phase jump Φ by the multilayer mirror varies depending on the error of the film thickness of each layer constituting the mirror.
For example, if there is a random error in each layer thickness, the layer thickness error accumulates, and the phase jump Φ of the entire mirror deviates to some extent from the above conditions.
The phase jump Φ is strictly in the above relationship only when the above expression (2) is strictly satisfied in each layer of the multilayer mirror. Therefore, in such a case, N is not completely an integer.

つぎに、変則的な多層膜ミラーの場合や金属ミラーの場合について説明する。変則的な多層膜ミラー、すなわち全体的にはミラーとして機能するが、個々の層の条件は上記式(2)の関係を必ずしも満たしてはいないような場合は、位相とびΦの値はやはりミラー全体で変化する。
そのため、上記の境界部の屈折率の関係では、ミラー間の距離を設計できなくなる。
例えば、大部分の層が上記式(2)の関係を満たし、少数の層だけが上記式(2)の関係を著しく逸脱している場合や、個々の厚さや屈折率もバラバラな層が重なり、全体的にλ/4周期を形成している場合、等ではミラー間の距離を設計できなくなる。
また、ミラーが金属ミラーの場合にも、材料により位相とびΦの大きさが異なってくるため、ミラー間の厚さもそれに応じて異なってくる。
例えば、共振波長589nmの光に対して、銀ミラー面での反射光の位相とびΦはおよそπ5/6である。
従って、以上のような場合、それぞれのミラーが持つΦを個別に決定し、それぞれの数値に対して上記式(1)上記式(2)の関係が満たされるよう、個別にミラー間の距離を決める必要がある。
Next, the case of an irregular multilayer mirror or the case of a metal mirror will be described. If the irregular multilayer mirror, that is, the mirror as a whole functions as a mirror but the conditions of the individual layers do not necessarily satisfy the relationship of the above formula (2), the value of the phase jump Φ is still a mirror. It changes as a whole.
For this reason, the distance between the mirrors cannot be designed based on the refractive index relationship at the boundary.
For example, when most of the layers satisfy the relationship of the above equation (2) and only a few layers deviate significantly from the relationship of the above equation (2), or layers with different thicknesses and refractive indexes overlap. When the λ / 4 period is formed as a whole, the distance between the mirrors cannot be designed by, for example.
Also, when the mirror is a metal mirror, the magnitude of the phase jump Φ varies depending on the material, and the thickness between the mirrors varies accordingly.
For example, for light having a resonance wavelength of 589 nm, the phase jump Φ of the reflected light on the silver mirror surface is approximately π5 / 6.
Therefore, in the above case, the Φ of each mirror is individually determined, and the distance between the mirrors is individually set so that the relationship of the above formula (1) and the above formula (2) is satisfied for each numerical value. It is necessary to decide.

つぎに、105のスペーサ層2の部分の光強度を弱くできる理由に関して説明する。
上記式(1)の条件が満たされているミラーからの反射光は、干渉により互いに弱めあう。
従って、105のスペーサ層2に着目すると、上記式(1)の関係を満たしている上方の上部ミラー108と106の中間ミラー2による反射光は互いに弱めあい、下方にある下部ミラー102と104の中間ミラー1による反射光もやはり弱めあう。
反射光が互いに弱めあう関係にあるミラーは、互いのミラーによる共振器への光閉じ込めを低減しあう効果がある。
従って、105のスペーサ層2への光閉じ込めは、上部ミラー108、下部ミラー102だけで閉じ込めた場合よりも、それぞれ106の中間ミラー2、104の中間ミラー1によって閉じ込めが弱められるため、定在波の光強度が落ちる。実際には、閉じ込めの強さは反射率の低いほうのミラーにより決定される。
Next, the reason why the light intensity in the portion 105 of the spacer layer 2 can be weakened will be described.
The reflected lights from the mirrors that satisfy the condition of the above formula (1) weaken each other due to interference.
Accordingly, when focusing on the spacer layer 2 of 105, the reflected light from the intermediate mirror 2 of the upper mirrors 108 and 106 satisfying the relationship of the above formula (1) weakens each other, and the lower mirrors 102 and 104 below are weakened. The reflected light from the intermediate mirror 1 is also weakened.
The mirrors in which the reflected lights weaken each other have the effect of reducing light confinement in the resonator by the mutual mirrors.
Therefore, the optical confinement of 105 in the spacer layer 2 is weakened by the intermediate mirror 1 of 106 and the intermediate mirror 1 of 104, respectively, rather than the case of confining only by the upper mirror 108 and the lower mirror 102. The light intensity of In practice, the strength of confinement is determined by the mirror with the lower reflectivity.

一方、103のスペーサ層1に着目すると、上記式(1)の関係を満たす上方の上部ミラー108と106の中間ミラー2からの反射光は互いに弱めあう。
しかしながら、上記式(2)の関係を満たすミラーからの反射光は干渉により互いに強めあうため、上記式(2)の関係を満たす上部ミラー108と104の中間ミラー1においては、上部ミラーの反射光は中間ミラーの反射光と干渉し強められる。
従って、103のスペーサ層1では、上部ミラー108による光閉じ込めは106の中間ミラー2によって弱められるが、104の中間ミラー1によって強められる分が出てくるため、105のスペーサ層2における閉じ込めよりは強くなる。
下方の下部ミラー102に関しても、103のスペーサ層1では下部ミラー102のみで閉じ込めているため、下部ミラー102の閉じ込めが104の中間ミラー1で弱められている105のスペーサ層2よりも閉じ込めは強い。
107のスペーサ層3の場合も、左右対称であるためこれと同様のことが言える。
On the other hand, when focusing on the spacer layer 103, the reflected light from the intermediate mirror 2 of the upper mirrors 108 and 106 satisfying the relationship of the above formula (1) weakens each other.
However, since the reflected light from the mirror satisfying the relationship of the above formula (2) strengthens each other due to interference, in the intermediate mirror 1 of the upper mirrors 108 and 104 satisfying the relationship of the above formula (2), the reflected light of the upper mirror Interferes with the reflected light of the intermediate mirror and is strengthened.
Therefore, in the spacer layer 1 of 103, the light confinement by the upper mirror 108 is weakened by the intermediate mirror 2 of 106, but the amount enhanced by the intermediate mirror 1 of 104 comes out. Become stronger.
Regarding the lower lower mirror 102 as well, since the spacer layer 1 of 103 is confined only by the lower mirror 102, the confinement of the lower mirror 102 is stronger than the spacer layer 2 of 105 which is weakened by the intermediate mirror 1 of 104. .
The same can be said for the 107 spacer layer 3 because it is symmetrical.

以上により、閉じ込めの弱い105のスペーサ層2では定在波の光強度が弱く、閉じ込めの強い103のスペーサ層1、107のスペーサ層3では光強度が強くなる。
なお、ここでは上部、下部ミラーの反射率>中間ミラーの反射率としている。
但し、このような光分布をとるのは、3つある共振モードのうち1つだけである。
3つのスペーサ層による結合モードには、共振モードは3つ存在し、それぞれ別モードとなる。
本実施形態のようなモードは、波長軸上で、3つのうちの中央部モードであるということが計算により分かっている。
本実施形態においては、活性層の利得ピークとその共振波長を合わせることで、所望のモードで発振させることができる。
また、両脇の共振モードは、ミラーの反射帯域が狭くなると、消えることもある。
As described above, the light intensity of the standing wave is weak in the 105 spacer layer 2 having a weak confinement, and the light intensity is strong in the spacer layer 1 103 and the spacer layer 3 107 having a strong confinement.
Here, the reflectance of the upper and lower mirrors is greater than the reflectance of the intermediate mirror.
However, only one of the three resonance modes has such a light distribution.
There are three resonance modes in the coupling mode by the three spacer layers, and each mode is a different mode.
It has been found by calculation that the mode as in the present embodiment is the central mode of the three on the wavelength axis.
In this embodiment, it is possible to oscillate in a desired mode by matching the gain peak of the active layer and its resonance wavelength.
Also, the resonance modes on both sides may disappear when the reflection band of the mirror is narrowed.

以下に、本実施形態における電極層での光吸収について説明する。
図2は、光の定在波に対する電極層を置く位置と、定在波の強度との関係を表した図である。
図2において、201は強度の弱い定在波の光強度、202は強度の強い定在波の光強度を示す。203は強度の弱い定在波の光強度の包絡線、204は強度の強い定在波の光強度の包絡線、205は電極層である。
図中の点線の四角で囲まれた部分は、電極層が設けられている定在波の節の拡大図である。
図の電極層は光の定在波の節に置いているが、電極層205は有限の厚さを持つため、節の部分に置く場合でも(節以外の位置では明らかに)、光の包絡線が小さい部位に置くほうが、吸収によるロスを低減することができる。
図2においては、定在波の包絡線の強度が強い方が、弱い方よりも定在波の強度と電極層205と重なる面積が小さいことからも明らかである。
Below, the light absorption in the electrode layer in this embodiment is demonstrated.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the position of the electrode layer for the standing wave of light and the intensity of the standing wave.
In FIG. 2, 201 indicates the light intensity of a standing wave having a low intensity, and 202 indicates the light intensity of a standing wave having a high intensity. 203 is an envelope of light intensity of a standing wave having a low intensity, 204 is an envelope of light intensity of a standing wave having a high intensity, and 205 is an electrode layer.
A portion surrounded by a dotted-line square in the drawing is an enlarged view of a standing wave node provided with an electrode layer.
Although the electrode layer in the figure is placed at the node of the standing wave of light, the electrode layer 205 has a finite thickness, so even when it is placed at the node part (obviously at other locations), the light envelope The loss due to absorption can be reduced by placing the wire at a small portion.
In FIG. 2, it is clear that the strength of the standing wave envelope is stronger and the area of the standing wave that overlaps the electrode layer 205 is smaller than the weaker one.

本実施形態においては吸収を低減するため、電極層は定在波の節の部分に導入することが好ましい。
また、図1の上部電極層109は105のスペーサ層2の中に導入されているが、スペーサ層2と中間ミラー2の境界部に導入してもよい。
また、スペーサ層2の隣接部(このときは電極層も中間ミラー2の一部とみなすこともできる)に導入することも可能である。
In the present embodiment, in order to reduce absorption, it is preferable to introduce the electrode layer into the node portion of the standing wave.
Further, although the upper electrode layer 109 in FIG. 1 is introduced into the spacer layer 105, it may be introduced at the boundary between the spacer layer 2 and the intermediate mirror 2.
Moreover, it is also possible to introduce into the adjacent part of the spacer layer 2 (in this case, the electrode layer can also be regarded as a part of the intermediate mirror 2).

本実施形態においては、下部電極層110が基板裏面に設けられているため、電流注入を考えると、上部電極層109から下側は半導体材料で構成することが好ましい。
上側は電極層の上に層を形成しないといけないことから誘電体材料を用いることが好ましいが、半導体材料で構成することも可能である。
また、本実施形態においては、上部電極層から基板までを全て半導体材料とし、下部電極層110を基板裏面に設けたが、基板をサファイアなどの誘電体にすることも可能である。
このような場合、下部電極層は基板裏面には設けず、基板上に形成された共振器の、クラッド層などの部分に設けることが通常である。
In the present embodiment, since the lower electrode layer 110 is provided on the back surface of the substrate, considering current injection, the lower side from the upper electrode layer 109 is preferably made of a semiconductor material.
Since the upper side has to form a layer on the electrode layer, it is preferable to use a dielectric material, but it is also possible to use a semiconductor material.
Further, in this embodiment, the upper electrode layer to the substrate are all made of a semiconductor material, and the lower electrode layer 110 is provided on the back surface of the substrate. However, the substrate can be made of a dielectric such as sapphire.
In such a case, the lower electrode layer is usually not provided on the back surface of the substrate, but is provided on a portion of the resonator formed on the substrate, such as a cladding layer.

本実施形態で用いることのできる誘電体材料としては、SiO2、Al23、HfO2、ZrO2、Ta25、TiO2、Y23などの酸化物を用いることができる。
半導体材料としては、キャリアドープされた、またはノンドープのGaAs、AlGaAs、InP、GaAsInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN、AlN、InNなどのIII−V族化合物半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。
また、ZnSe、CdS、ZnOなどのII−VI族化合物半導体およびそれらの任意の混晶、Si、SiGeなどのIV族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。さらに、各種の有機半導体なども使用可能である。
また、金属ミラーの材料としては、Au、Al、Ti、Ni、Pd、Zn、Pt、Agなどの金属材料およびそれらの任意の合金を用いることができる。
さらに、使用する電極材料としても、Au、Al、Ti、Ni、Pd、Zn、Pt、Ag、Geなどの金属材料およびそれらの任意の合金を用いることができる。
これらは、用いる半導体や誘電体の材料により、適合する合金の種類や組成を選定することができ、レーザ素子などの電気デバイスでは頻繁に用いられる技術である。
例えば、GaAsのn電極層には、Au−Ge−Ni、Au−Ge−Pt、p電極層にはAg−Zn、Au−Znなどの材料が通常用いられる。
また、電極材料として、ITO(Indium Tin Oxaide)、SnO2、In23などの透明導電酸化物を用いることも可能である。
As a dielectric material that can be used in the present embodiment, oxides such as SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , and Y 2 O 3 can be used.
As the semiconductor material, carrier-doped or non-doped GaAs, AlGaAs, InP, GaAsInP, AlGaInP, GaN, InGaN, AlGaN, AlN, InN, and other III-V group compound semiconductors and arbitrary mixed crystals thereof are used. be able to.
Moreover, II-VI group compound semiconductors, such as ZnSe, CdS, ZnO, and those arbitrary mixed crystals, IV group semiconductors, such as Si and SiGe, and those arbitrary mixed crystals, etc. can be used. Furthermore, various organic semiconductors can be used.
In addition, as a material of the metal mirror, metal materials such as Au, Al, Ti, Ni, Pd, Zn, Pt, and Ag, and arbitrary alloys thereof can be used.
Furthermore, as an electrode material to be used, metal materials such as Au, Al, Ti, Ni, Pd, Zn, Pt, Ag, and Ge, and their arbitrary alloys can be used.
These are techniques that are frequently used in electrical devices such as laser elements, because the type and composition of a suitable alloy can be selected depending on the semiconductor and dielectric materials used.
For example, materials such as Au—Ge—Ni and Au—Ge—Pt are usually used for the n-electrode layer of GaAs, and Ag—Zn and Au—Zn are usually used for the p-electrode layer.
In addition, a transparent conductive oxide such as ITO (Indium Tin Oxide), SnO 2 , or In 2 O 3 can be used as the electrode material.

本実施形態においては、レーザの活性層は103スペーサ層1に導入されている(不図示)。
さらに、103のスペーサ層1中の定在波の山の部分に活性層が導入されることで、光閉じ込め係数が大きくなり利得が大きくなるようになっている。
活性層は、光の強度分布が強くなる103のスペーサ層1に設けるのが好ましいが、105のスペーサ層2、あるいはそれら両方に設けてもよい。
活性層に用いられる構造は、量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを用いることができる。
103のスペーサ層1の活性層の上下層はそれぞれ、上部、下部クラッド層となる。
また、本実施形態には描かれていないが、共振器の任意の部位に、水蒸気酸化やイオン注入による電流狭窄層、キャリアの活性層からのオーバーフローを抑えるためのキャリアブロック層を設けることも可能である。
In this embodiment, the active layer of the laser is introduced into the 103 spacer layer 1 (not shown).
Further, the active layer is introduced into the standing wave peak portion in the spacer layer 103 of 103, so that the optical confinement coefficient is increased and the gain is increased.
The active layer is preferably provided on 103 spacer layers 1 where the light intensity distribution is strong, but may be provided on 105 spacer layers 2 or both.
As the structure used for the active layer, a quantum well structure, a strained quantum well structure, a quantum dot structure, or the like can be used.
The upper and lower layers of the active layer 103 of the spacer layer 1 become an upper and lower cladding layer, respectively.
Although not depicted in the present embodiment, it is also possible to provide a current confinement layer due to water vapor oxidation or ion implantation and a carrier block layer for suppressing overflow from the active layer of carriers at any part of the resonator. It is.

本実施形態の垂直共振器型面発光レーザは、上部電極層109、下部電極層110をそれぞれp電極層、n電極層とし、電極からの電流注入にて駆動させることができる。その際、活性層より上側の半導体層はp型、下側の半導体層はn型ドープとなる。
もちろん電極の極性を入れ換えることもでき、その場合には半導体層のドーピングも入れ換える必要がある。
また、本実施形態においては、107のスペーサ層3に活性層を設けたが、105のスペーサ層2に設けることも可能である。
The vertical cavity surface emitting laser according to this embodiment can be driven by injecting current from the electrodes, using the upper electrode layer 109 and the lower electrode layer 110 as a p-electrode layer and an n-electrode layer, respectively. At that time, the semiconductor layer above the active layer is p-type and the lower semiconductor layer is n-type doped.
Of course, the polarity of the electrode can be changed, and in that case, the doping of the semiconductor layer also needs to be changed.
In this embodiment, the active layer is provided on the spacer layer 3 107, but it can also be provided on the spacer layer 2 105.

[実施形態2]
本発明の実施形態2の垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図3を用いて説明する。
図3において、301は基板であり、その上に下部ミラー302が設けられている。
更にその上に303のスペーサ層1(第1のスペーサ層)、304の中間ミラー1(第1の中間ミラー)、305のスペーサ層2(第2のスペーサ層)、306の中間ミラー2(第2の中間ミラー)が設けられている。
その上に、307のスペーサ層3(第3のスペーサ層)、308の中間ミラー3(第3の中間ミラー)、309のスペーサ層4(第4のスペーサ層)、310の中間ミラー4(第4の中間ミラー)、311のスペーサ層5(第5のスペーサ層)が設けられている。
そして、その上に上部ミラー312が設けられ、これらの順に積層されている。本実施形態においては、下部電極層314、上部電極層313は、それぞれ305のスペーサ層2、309のスペーサ層4中(第4のスペーサ層中)に導入されている。
315はこの素子中で共振する定在波の光強度の包絡線を模式的に表したものである。
[Embodiment 2]
A configuration example of the vertical cavity surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 3, reference numeral 301 denotes a substrate, on which a lower mirror 302 is provided.
Further thereon, a spacer layer 1 303 (first spacer layer), an intermediate mirror 1 304 (first intermediate mirror), a spacer layer 2 305 (second spacer layer), an intermediate mirror 2 306 (first spacer layer). 2 intermediate mirrors) are provided.
Furthermore, the spacer layer 3 (third spacer layer) 307, the intermediate mirror 3 (third intermediate mirror) 308, the spacer layer 4 (fourth spacer layer) 309, the intermediate mirror 4 (third) 4 intermediate mirrors) and 311 spacer layers 5 (fifth spacer layers) are provided.
And the upper mirror 312 is provided on it and is laminated | stacked in these order. In the present embodiment, the lower electrode layer 314 and the upper electrode layer 313 are introduced into the spacer layer 2 of 305 and the spacer layer 4 of the 309 (in the fourth spacer layer), respectively.
Reference numeral 315 schematically represents an envelope of the light intensity of a standing wave that resonates in the element.

本実施形態においては、スペーサ層の数を5個に増やすことで、光の強度分布を315に示すように制御可能である。そのため、上部電極層313、下部電極層314とも光強度の低い2つのスペーサ層(それぞれ309のスペーサ層4、305のスペーサ層2)中に導入されている。
もちろん、実施形態1と同様に、スペーサ層中だけでなく、その両隣のミラーとの境界部、または隣接部に設けることも可能である。
さらに、本実施形態の場合は、活性層は307のスペーサ層3に導入されている。
本実施形態においては、隣同士のミラー〜3つ隣のミラー同士の関係は、全て実施形態1のものと同様である。
また、4つ隣、5つ隣のミラー同士の距離は、実施形態1の上記式(2)、上記式(1)の関係をそれぞれ満たしており、ミラー間の誤差に関しても同様の値をとる。
In the present embodiment, the light intensity distribution can be controlled as indicated by 315 by increasing the number of spacer layers to five. Therefore, both the upper electrode layer 313 and the lower electrode layer 314 are introduced into two spacer layers having low light intensity (the spacer layer 4 of 309 and the spacer layer 2 of 305, respectively).
Of course, as in the first embodiment, it can be provided not only in the spacer layer, but also at the boundary portion with the adjacent mirrors or at the adjacent portion.
Furthermore, in the case of this embodiment, the active layer is introduced into the spacer layer 3 307.
In the present embodiment, the relationship between the adjacent mirrors to the three adjacent mirrors is all the same as that of the first embodiment.
Further, the distance between the four adjacent mirrors and the five adjacent mirrors satisfies the relationship of the above formula (2) and the above formula (1) of the first embodiment, and takes the same value for the error between the mirrors. .

本実施形態においては、上部電極層よりも上側、下部電極層よりも下側は、誘電体材料を用いることが好ましいが、半導体材料も用いることができる。
上部電極層313より下側、かつ下部電極層314よりも上側は、半導体材料を用いることが好ましい。
用いることのできる材料は、実施形態1で挙げたものと同様である。
基板の材料は、サファイア、ガラスなどの誘電体、ポリイミドなどのフレキシブル基板があるが、実施形態1と同様の半導体材料を用いることも可能である。電極などの材料は実施形態1と同様である。
活性層、クラッド層などの構成、p電極層、n電極層の配置などは、全て実施形態1と同様になる。
In the present embodiment, a dielectric material is preferably used above the upper electrode layer and below the lower electrode layer, but a semiconductor material can also be used.
A semiconductor material is preferably used below the upper electrode layer 313 and above the lower electrode layer 314.
Materials that can be used are the same as those described in the first embodiment.
The substrate material may be a dielectric material such as sapphire or glass, or a flexible substrate such as polyimide, but the same semiconductor material as in the first embodiment can also be used. Materials such as electrodes are the same as those in the first embodiment.
The configuration of the active layer, the clad layer, etc., the arrangement of the p electrode layer, the n electrode layer, etc. are all the same as in the first embodiment.

[実施形態3]
本発明の実施形態3の垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図4を用いて説明する。図4の素子構成は、図1と全く同様である。
図4が図1と異なる部分は、光の強度分布が実施形態1の分布に比べ、403のスペーサ層1では大きく、405のスペーサ層2では小さくなるということである。
このような光強度分布を得るためには、404の中間ミラー1の反射率を大きく、また、406の中間ミラー2の反射率を小さくすればよい。
その理由は上記で述べた、光強度分布制御の原理から説明することができる。
まず、403のスペーサ層1の光強度を上げるためには、上部ミラー408に対して閉じ込めを強める404の中間ミラー1の反射率を大きくする、または、上部ミラー408に対して閉じ込めを弱める406の中間ミラー2の反射率を小さくすることが必要である。
ここで、406の中間ミラー2の反射率はどんなに小さくても0にはならないことを確認しておく。
次に、405のスペーサ層2の光強度を下げるためには、404の中間ミラー1、406の中間ミラー2の反射率を上げる必要がある。
しかし、406の中間ミラー2の反射率を上げると403のスペーサ層1への閉じ込めが弱まる。
そのため、403のスペーサ層1の光強度を大きく、405のスペーサ層2の光強度を小さくするためには、404の中間ミラー1の反射率を上げ、406の中間ミラー2の反射率を下げるのがよい。
もちろん、404の中間ミラー1の反射率を上げるだけでも効果がある。
[Embodiment 3]
A configuration example of the vertical cavity surface emitting laser according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The element configuration in FIG. 4 is exactly the same as in FIG.
4 differs from FIG. 1 in that the light intensity distribution is larger in the spacer layer 1 of 403 and smaller in the spacer layer 2 of 405 than the distribution of the first embodiment.
In order to obtain such a light intensity distribution, the reflectance of the intermediate mirror 1 404 should be increased, and the reflectance of the intermediate mirror 2 406 should be decreased.
The reason can be explained from the principle of the light intensity distribution control described above.
First, in order to increase the light intensity of the spacer layer 1 at 403, the reflectance of the intermediate mirror 1 at 404 for increasing confinement with respect to the upper mirror 408 is increased, or at 406 for reducing confinement with respect to the upper mirror 408. It is necessary to reduce the reflectivity of the intermediate mirror 2.
Here, it is confirmed that the reflectance of the intermediate mirror 2 406 does not become 0 no matter how small.
Next, in order to reduce the light intensity of the spacer layer 2 405, it is necessary to increase the reflectivity of the intermediate mirror 1 404 and the intermediate mirror 2 406.
However, when the reflectance of the intermediate mirror 2 at 406 is increased, confinement of the spacer layer 1 at 403 is weakened.
Therefore, in order to increase the light intensity of the spacer layer 1 at 403 and decrease the light intensity of the spacer layer 2 at 405, the reflectance of the intermediate mirror 1 at 404 is increased and the reflectance of the intermediate mirror 2 at 406 is decreased. Is good.
Of course, only increasing the reflectance of the intermediate mirror 1 404 is also effective.

本実施形態においては、403のスペーサ層1に活性層、405のスペーサ層2中に上部電極層409が導入されている。
従って、上記のように403のスペーサ層1の光強度を大きく、405のスペーサ層2の光強度を小さくすることで、活性層における利得をより高め、電極層による吸収損失をより減らすことができ、レーザ応用に適した構成となる。好ましくは404の中間ミラー1の反射率は、406の中間ミラー2の反射率よりも大きく、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは30%以上である。
上記のようなミラーの反射率は、ミラーの材料や構成を調整することで制御できる。
また、ミラーが単層膜および多層膜ミラーの場合は、層間の屈折率差、層数、層厚の調整により制御することができる。
ここでいう層間の屈折率差とは、多層膜ミラーを構成する層間の屈折率差と、多層膜ミラーの端の層(前記定義した境界ミラー層)とスペーサ層部における隣接層(境界スペーサ層)間の屈折率差両方を含む。
In this embodiment, an active layer is introduced into the spacer layer 1 403, and an upper electrode layer 409 is introduced into the spacer layer 2 405.
Therefore, by increasing the light intensity of the spacer layer 1 403 and decreasing the light intensity of the spacer layer 2 405 as described above, the gain in the active layer can be further increased and the absorption loss due to the electrode layer can be further reduced. The configuration is suitable for laser applications. Preferably, the reflectance of the intermediate mirror 1 of 404 is larger than the reflectance of the intermediate mirror 2 of 406, more preferably 15% or more, and further preferably 30% or more.
The reflectance of the mirror as described above can be controlled by adjusting the material and configuration of the mirror.
When the mirror is a single layer film or a multilayer film mirror, the mirror can be controlled by adjusting the refractive index difference between layers, the number of layers, and the layer thickness.
The difference in refractive index between layers here means the difference in refractive index between layers constituting the multilayer mirror, the layer at the end of the multilayer mirror (boundary mirror layer as defined above) and the adjacent layer in the spacer layer portion (boundary spacer layer). ) Includes both refractive index differences.

図11に、404の中間ミラー1が厚さλ/4層1層の場合の、その屈折率を下げていった時(すなわち境界スペーサ層との屈折率差を大きくしていった時)、光強度分布の変化の様子を表したグラフを示す。
グラフは、403のスペーサ層1と405のスペーサ層2の部分の光強度(包絡線)の値をプロットしたものである。
404の中間ミラー1の屈折率が下がるほど(境界スペーサ層との屈折率差が大きくなるほど)ミラーの反射率は上がる。
そのため、403のスペーサ層1における光強度が大きくなり、405のスペーサ層2における光強度は小さくなっていることが分かる。
本実施形態においては、ミラーの反射率以外の構成、材料は全て実施形態1と同様である。
但し、403のスペーサ層1に活性層がないと効果が得られないため、少なくともスペーサ層1には活性層が導入されていることが必要である。
In FIG. 11, when the intermediate mirror 1 of 404 has a thickness λ / 4 layer 1 layer, when the refractive index is lowered (that is, when the refractive index difference with the boundary spacer layer is increased), The graph showing the mode of change of light intensity distribution is shown.
The graph is a plot of the light intensity (envelope) values of the portions 403 of the spacer layer 1 and 405 of the spacer layer 2.
As the refractive index of the intermediate mirror 1 404 decreases (the difference in refractive index from the boundary spacer layer increases), the reflectivity of the mirror increases.
Therefore, it can be seen that the light intensity in the spacer layer 1 of 403 increases and the light intensity in the spacer layer 2 of 405 decreases.
In this embodiment, the configuration and materials other than the reflectance of the mirror are all the same as those in the first embodiment.
However, since the effect cannot be obtained unless the spacer layer 1 of 403 has an active layer, it is necessary that at least the spacer layer 1 has an active layer introduced therein.

[実施例1]
実施例1として、本発明を適用した垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図5を用いて説明する。
図5において、501は基板であり、この基板上に下部ミラー502が積層されている。
下部ミラー502はDBRで構成されている。更にその上に503のスペーサ層1が積層され、その内部に活性層511が導入されている。
503のスペーサ層1のうち、活性層511よりも下の層が下部クラッド層512、上の層が上部クラッド層513である。
その上に、504の中間ミラー1、505のスペーサ層2、506の中間ミラー2、507のスペーサ層3の順に積層され、最上部に508の上部ミラーのDBRが積層されている。
電極は、基板の裏面にn電極層509、506の中間ミラー2の一部としてp電極層510が設けられている。尚、図面は模式図であり、縮尺等は実際の物を反映してはいない。
各構成部位の寸法と材料は、以下の通りである。
基板501はGaN基板であり、厚さは430μmとされている。
また、下部ミラー502はGaN/Al0.85In0.15NのDBRで、ペアの各層の厚さはそれぞれ44nm48nm(〜λ/4)であり、全部で30.5ペア積層されている。
λ/4は光学距離に換算した値であり、〜はおよその意味である。以下、波長単位の距離は、以下全て光学距離のことを指す。
なお、図5では表記の便宜上、ペア数は実際よりも少なく描かれている。また、層の順番は、基板よりAlInN、GaNの順である。
503のスペーサ層1はGaNであり、厚さは176nm(〜λ)、下部クラッド層512、上部クラッド層513の厚さはそれぞれ76nmである。
活性層511はIn0.2Ga0.8N/GaNの多重量子井戸構造であり、それぞれ層厚3nm/7.5nmのものが3層/2層ずつで構成されている。
その上の504の中間ミラー1はλ/4層一層で構成されていて、材料はAl0.85In0.15N、厚さ48nmである。
505のスペーサ層2はGaNであり、厚さは85nm(〜λ/2)、506の中間ミラー2は誘電体の部分の材料はHfO2であり、厚さは42nmである。なお、中間ミラー2は、p電極層510と合わせて〜λ/4となっており、p電極層510の厚さは、本実施例では16nmである。
その上の507のスペーサ層3はZrO2であり、厚さは86nm(〜λ/2)、さらに上の上部ミラー508は、ZrO2、HfO2のDBRであり、厚さはそれぞれ43nm(〜λ/4)、50nm(〜λ/4)、積層ペア数は20ペアである。
電極はn電極層509、p電極層510それぞれ、Ti/Al、Ni/Auとなっている。
基板501、下部ミラー502、下部クラッド層512はn型に、上部クラッド層513、504の中間ミラー1、505のスペーサ層2はp型にドーピングされている。
なお、素子は直径20μmの円形型のメサとなっており、高さは1.8μmである。
[Example 1]
As Example 1, a configuration example of a vertical cavity surface emitting laser to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
In FIG. 5, reference numeral 501 denotes a substrate, and a lower mirror 502 is laminated on the substrate.
The lower mirror 502 is composed of DBR. Further, 503 spacer layers 1 are laminated thereon, and an active layer 511 is introduced therein.
Of the spacer layer 1 503, a layer below the active layer 511 is a lower cladding layer 512, and an upper layer is an upper cladding layer 513.
On top of that, the intermediate mirror 1 of 504, the spacer layer 2 of 505, the intermediate mirror 2 of 506, and the spacer layer 3 of 507 are laminated in this order, and the DBR of the upper mirror 508 is laminated on the top.
The electrode is provided with a p-electrode layer 510 as a part of the intermediate mirror 2 of the n-electrode layers 509 and 506 on the back surface of the substrate. The drawings are schematic diagrams, and the scales and the like do not reflect actual objects.
The dimensions and materials of each component are as follows.
The substrate 501 is a GaN substrate and has a thickness of 430 μm.
The lower mirror 502 is a DBR of GaN / Al 0.85 In 0.15 N, and each pair of layers has a thickness of 44 nm and 48 nm (˜λ / 4), and a total of 30.5 pairs are stacked.
λ / 4 is a value converted into an optical distance, and “˜” is an approximate meaning. Hereinafter, the distance in wavelength units refers to the optical distance.
In FIG. 5, the number of pairs is drawn less than the actual number for convenience of description. The order of the layers is AlInN and GaN from the substrate.
The spacer layer 1 of 503 is GaN, the thickness is 176 nm (˜λ), and the thicknesses of the lower cladding layer 512 and the upper cladding layer 513 are each 76 nm.
The active layer 511 has a multiple quantum well structure of In 0.2 Ga 0.8 N / GaN, and each layer thickness of 3 nm / 7.5 nm is composed of three layers / two layers.
Further, the intermediate mirror 1 of 504 is composed of one λ / 4 layer, and the material is Al 0.85 In 0.15 N and the thickness is 48 nm.
The spacer layer 2 of 505 is GaN, the thickness is 85 nm (˜λ / 2), the intermediate mirror 2 of 506 is HfO 2 as the material of the dielectric portion, and the thickness is 42 nm. The intermediate mirror 2 is ˜λ / 4 together with the p electrode layer 510, and the thickness of the p electrode layer 510 is 16 nm in this embodiment.
Further, the spacer layer 3 of 507 is ZrO 2 and has a thickness of 86 nm (˜λ / 2), and the upper mirror 508 is DBR of ZrO 2 and HfO 2 and has a thickness of 43 nm (˜ λ / 4), 50 nm (˜λ / 4), and the number of stacked pairs is 20 pairs.
The electrodes are Ti / Al and Ni / Au, respectively, for the n electrode layer 509 and the p electrode layer 510.
The substrate 501, the lower mirror 502, and the lower cladding layer 512 are doped n-type, and the intermediate mirrors 1 and 505 of the upper cladding layers 513 and 504 are doped p-type.
The element is a circular mesa having a diameter of 20 μm, and the height is 1.8 μm.

図6は本実施例の素子における共振器中の定在波の強度分布を計算した結果である。
601は定在波の光強度、602は層ごとの誘電率、603は定在波の光強度の包絡線である。
この計算は素子のスペーサ層部付近(右上の図の点線で囲んだ領域)の光分布の様子を示している。ただし、右上の図のDBRの層数は実際のものと異なっている。
図にはそれぞれ、誘電率分布とその部分に対応する素子の部材名が表記されている。
図6より、スペーサ層2の部分の包絡線が下がっていることから、この部分の光強度が弱くなっていることが分かる。従って、上記本発明の実施形態で述べたように、この部分の定在波の節に導入されている電極層に存在する光強度も減り、吸収を低減することができる。
計算によると本実施例では、通常のVCSELにおけるスペーサ層が1つのタイプの共振器に比べ、電極層に位置する光の強度を20%程低減出来ている。
FIG. 6 shows the result of calculating the intensity distribution of the standing wave in the resonator in the element of this example.
Reference numeral 601 denotes the light intensity of the standing wave, 602 denotes the dielectric constant for each layer, and 603 denotes the envelope of the light intensity of the standing wave.
This calculation shows the light distribution in the vicinity of the spacer layer portion of the element (region surrounded by the dotted line in the upper right figure). However, the number of DBR layers in the upper right figure is different from the actual one.
In each figure, the dielectric constant distribution and the element name of the element corresponding to the portion are shown.
As can be seen from FIG. 6, the envelope of the spacer layer 2 portion is lowered, so that the light intensity of this portion is weakened. Therefore, as described in the embodiment of the present invention, the light intensity existing in the electrode layer introduced into the node of the standing wave in this portion is also reduced, and the absorption can be reduced.
According to the calculation, in this embodiment, the intensity of light located in the electrode layer can be reduced by about 20% compared to a resonator having a single spacer layer in a normal VCSEL.

本実施例における素子では、電流駆動により波長410nm付近で動作する。本実施例においては、p電極層510とその上部の誘電体層1層を合わせて506の中間ミラー2としている。
厚さは2層あわせてλ/4であり、p電極510の厚さはおよそλ/10と極めて薄いことから、ミラーの反射率および反射波に対する位相とびΦには殆ど影響をもたらさないため、設計の際には電極の影響は除いて考えている。
本来、506の中間ミラー2による反射波の位相とびΦは、電極層があるため0にはならないが、ここではほぼ0と見なして(すなわちp電極層はないものと見なして)おり、従ってスペーサ層2は〜λ/2となっている。
それでも505のスペーサ層2の光強度分布が小さくなっているのは、薄いp電極層510がミラーの特性に殆ど影響を及ぼしてないことを示唆している。
The element in this embodiment operates near a wavelength of 410 nm by current driving. In this embodiment, the p-electrode layer 510 and one dielectric layer on the p-electrode layer 510 are combined to form the intermediate mirror 2 506.
The total thickness of the two layers is λ / 4, and the thickness of the p-electrode 510 is very thin at about λ / 10, so that it hardly affects the reflectivity of the mirror and the phase jump Φ with respect to the reflected wave. In designing, the influence of the electrodes is excluded.
Originally, the phase jump Φ of the reflected wave by the intermediate mirror 2 of 506 does not become 0 because of the presence of the electrode layer, but is regarded as almost 0 here (that is, it is assumed that there is no p electrode layer), and therefore the spacer Layer 2 is ˜λ / 2.
The fact that the light intensity distribution of the spacer layer 2 at 505 is still small suggests that the thin p-electrode layer 510 has little influence on the characteristics of the mirror.

p電極層510が厚い場合には、p電極層も含めてΦを考える必要がある。
それでも吸収が大きくなるため、p電極層510の厚さは薄い方が好ましく、光学距離にして、λ/4以下であることが好ましい。さらに好ましくはλ/8以下である。
但し、薄すぎると今度は抵抗が増えてしまうため、λ/50以上はある方が好ましい。
なお、より導電率の低いITOなどを用いる時には、電極層510の厚さはより厚いほうが好ましく、λ/8以上、λ/2以下が好ましい。
本実施例においては、p電極層510は505のスペーサ層2の隣接部に置かれていると考えており、従って506の中間ミラー2の一部とみなしている。
しかしながら、見方を変え電極部まで含めてスペーサ層として機能していると考えることもできる。
この場合は、p電極層510の厚さも含め、505のスペーサ層2の厚さを考える必要があるが、前述したとおり、本実施例ではp電極層は薄いのでスペーサ層の厚さは電極層を除いて設計している。
p電極層510が厚い場合には、p電極の厚さを含めて505のスペーサ層2の厚さを設計する必要がある。
When the p electrode layer 510 is thick, it is necessary to consider Φ including the p electrode layer.
Still, since absorption increases, it is preferable that the thickness of the p-electrode layer 510 is thin, and the optical distance is preferably λ / 4 or less. More preferably, it is λ / 8 or less.
However, if it is too thin, the resistance will increase, so it is preferable to have λ / 50 or more.
Note that, when ITO or the like having lower conductivity is used, the electrode layer 510 is preferably thicker, more preferably λ / 8 or more and λ / 2 or less.
In this embodiment, it is considered that the p-electrode layer 510 is placed adjacent to the spacer layer 2 505, and is therefore regarded as a part of the intermediate mirror 2 506.
However, it can also be considered that it functions as a spacer layer including the electrode part from a different viewpoint.
In this case, it is necessary to consider the thickness of the spacer layer 2 505 including the thickness of the p electrode layer 510. However, as described above, since the p electrode layer is thin in this embodiment, the thickness of the spacer layer is the electrode layer. Designed except for.
When the p electrode layer 510 is thick, it is necessary to design the thickness of the spacer layer 2 of 505 including the thickness of the p electrode.

つぎに、本実施例におけるレーザ素子の作製方法について説明する。
本実施例のレーザ素子は、結晶成長プロセス、スパッタリングなどの製膜プロセス、フォトリソグラフィー、リフトオフプロセス、ウェット・ドライエッチングなどのエッチングプロセス、蒸着などの電極形成プロセスなどを用いて製造することができる。
まず、基板上に結晶成長により、下部ミラー502、503のスペーサ層1(下部クラッド層512、活性層511、上部クラッド層513)、504の中間ミラー1、505のスペーサ層2までを作製する。その上にp電極層510(Ni/Au)を蒸着し、酸素雰囲気下でアニールする。
その上に506の中間ミラー2、507のスペーサ層3、上部ミラー508をスパッタリングにより製膜し、最後に基板501の裏面にn電極層509を形成する。その後素子の周りをフォトリソのパターニングに沿ってドライエッチングを行い、メサを形成する。
Next, a method for manufacturing a laser element in this example will be described.
The laser element of this embodiment can be manufactured using a crystal growth process, a film forming process such as sputtering, an photolithography, a lift-off process, an etching process such as wet / dry etching, and an electrode forming process such as vapor deposition.
First, the spacer layer 1 (lower cladding layer 512, active layer 511, upper cladding layer 513) of the lower mirrors 502 and 503, and the spacer layer 2 of the intermediate mirrors 1 and 505 of the 504 are fabricated by crystal growth on the substrate. A p-electrode layer 510 (Ni / Au) is deposited thereon and annealed in an oxygen atmosphere.
The intermediate mirror 2 of 506, the spacer layer 3 of 507, and the upper mirror 508 are formed thereon by sputtering, and finally an n-electrode layer 509 is formed on the back surface of the substrate 501. Thereafter, dry etching is performed along the patterning of photolithography around the element to form a mesa.

本実施例においては、下部ミラー502は半導体材料を用いたが、誘電体材料を用いることも可能である。その場合は、上記本発明の実施形態で述べたような5個のスペーサ層を有する形態が好ましい。
また、半導体材料はGaN系のものを用い、誘電体材料はZrO2、HfO2を用いたが、上記本発明の実施形態で述べたような材料は全て用いることが可能である。電極層の材料に関しても同様である。
さらに、上部ミラー508の誘電体も、506の中間ミラー2、507のスペーサ層3と同様の材料を用いたが、もちろん異ならせることも可能である。
特に、506の中間ミラー2がDBRの場合、上部DBRの層間の屈折率差を、506の中間ミラー2の層間の屈折率差よりも大きい構成にすることで、上部ミラーの層数を削減できる。
ここでいう層間の屈折率差の定義に関しては前述した通りであるが、値が一定でない場合(ミラーを構成している層間の屈折率差と、ミラーとその隣接部の材料との屈折率差が異なる場合)には、その平均値とする。
また、上部ミラー508、下部ミラー502も本実施例ではDBRを用いたが、入射光を周期構造の垂直方向に反射するグレーティングミラーやフォトニック結晶のミラーなどを用いることも可能である。
また、同じく上記本発明の実施形態で述べたように、電流狭窄層を導入したり、サファイア基板を用いることもできる。
また、電極の種類もpとnを入れ替えることもできる。このときは結晶のドーピングが本実施例とは逆転する。さらに、素子の上下を入れ替えることもできる。上記の、用いることができる半導体・誘電体・電極材料、電流狭窄層の導入、グレーティングミラー・サファイア基板を用いることのできる点、pとnの入れ替えなどは、以下に述べる実施例2、3においてもすべて同様に可能である。
In this embodiment, the lower mirror 502 is made of a semiconductor material, but a dielectric material can also be used. In that case, a mode having five spacer layers as described in the embodiment of the present invention is preferable.
Further, GaN-based materials are used as the semiconductor material, and ZrO 2 and HfO 2 are used as the dielectric material. However, all the materials described in the embodiment of the present invention can be used. The same applies to the material of the electrode layer.
Further, the dielectric material of the upper mirror 508 is the same material as that of the spacer layer 3 of the intermediate mirrors 2 and 507 of the 506, but it is of course possible to make it different.
In particular, when the intermediate mirror 2 of 506 is a DBR, the number of layers of the upper mirror can be reduced by making the refractive index difference between the layers of the upper DBR larger than the refractive index difference between the layers of the intermediate mirror 2 of 506. .
The definition of the refractive index difference between the layers here is as described above. However, when the value is not constant (the refractive index difference between the layers constituting the mirror and the refractive index difference between the mirror and the adjacent material). Are different from each other), the average value is used.
The upper mirror 508 and the lower mirror 502 also use DBR in this embodiment, but it is also possible to use a grating mirror or a photonic crystal mirror that reflects incident light in the vertical direction of the periodic structure.
Similarly, as described in the embodiment of the present invention, a current confinement layer can be introduced or a sapphire substrate can be used.
Moreover, p and n can also be exchanged for the kind of electrode. At this time, the crystal doping is reversed from that of this embodiment. Furthermore, the upper and lower sides of the element can be switched. In Examples 2 and 3 described below, the semiconductor / dielectric / electrode materials that can be used, the introduction of a current confinement layer, the point that a grating mirror / sapphire substrate can be used, and the replacement of p and n are described below. Are all possible as well.

[実施例2]
実施例2として、上記実施例1と異なる形態の垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図7を用いて説明する。
図7において、704の中間ミラー1は多層膜ミラーとなっており、素子の下部からAl0.85In0.15、GaNの順で2.5ペア積層されている。各層の厚さは実施例1と同様である。
本実施例における704の中間ミラー1以外の構成、寸法、材料に関してはすべて実施例1と同様である。以下、その違いに関して説明する。
本実施例においては、704の中間ミラー1が、多層膜ミラーで層数が実施例1より増えていることで、704の中間ミラー1の反射率が706の中間ミラー2の反射率より大きくなっている。
従って、前記本発明の実施形態で述べたような理由から、703のスペーサ層1の光強度が大きくなり、705のスペーサ層2の光強度が小さくなる。
[Example 2]
As a second embodiment, a configuration example of a vertical cavity surface emitting laser having a different form from the first embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 7, an intermediate mirror 704 is a multilayer mirror, and 2.5 pairs of Al 0.85 In 0.15 and GaN are stacked in this order from the bottom of the element. The thickness of each layer is the same as in Example 1.
The configuration, dimensions, and materials other than the intermediate mirror 1 of 704 in this embodiment are all the same as those in the first embodiment. Hereinafter, the difference will be described.
In this embodiment, since the intermediate mirror 1 of 704 is a multilayer mirror and the number of layers is increased from that of the first embodiment, the reflectance of the intermediate mirror 1 of 704 is larger than the reflectance of the intermediate mirror 2 of 706. ing.
Therefore, the light intensity of the spacer layer 1 703 increases and the light intensity of the spacer layer 2 705 decreases for the reason described in the embodiment of the present invention.

図8は本実施例のレーザ素子における共振器中の定在波の強度分布を計算した結果である。
図8では実施例1に対して、705のスペーサ層2における光強度(包絡線)の値は7.9%小さくなり、703のスペーサ層1における値は25.7%大きくなっている。
従って、電極層を設けている部分の光強度は小さくなることで吸収が減少し、活性層部分の光強度は大きくなることで利得が増すため、垂直共振器レーザにはより有利な条件となる。
但し、704の中間ミラー1の層数を多くすることで、素子の電気抵抗自体は大きくなるため、ミラー層数はどこまでも多い方が好ましいものではなく最適値が存在する。
本実施例では、ミラーの層数は1.5〜5.5ペアが好ましく、さらに好ましくは2.5〜4.5ペアである。
本実施例における素子の作製方法は、704の中間ミラー1が多層膜になっているのみで、工程は実施例1と同様である。
FIG. 8 shows the result of calculating the intensity distribution of the standing wave in the resonator in the laser device of this example.
In FIG. 8, the light intensity (envelope) value of 705 in the spacer layer 2 is 7.9% smaller than that in Example 1, and the value in the spacer layer 1 of 703 is 25.7% larger.
Therefore, since the light intensity in the portion where the electrode layer is provided decreases and the absorption decreases, and the light intensity in the active layer portion increases and the gain increases, this is a more advantageous condition for the vertical cavity laser. .
However, increasing the number of layers of the intermediate mirror 1 of 704 increases the electrical resistance of the element itself. Therefore, it is not preferable that the number of mirror layers is as large as possible, and there is an optimum value.
In this embodiment, the number of mirror layers is preferably 1.5 to 5.5 pairs, and more preferably 2.5 to 4.5 pairs.
The manufacturing method of the element in this example is the same as that of Example 1 except that the intermediate mirror 1 of 704 is a multilayer film.

[実施例3]
実施例3として、上記各実施例と異なる形態の垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図9を用いて説明する。
図9に関しては、素子の部材名は図5と全く同等である。以下、実施例1との違いに関してのみ説明する。
本実施例においては、904の中間ミラー1の屈折率が低くなり、隣接層との屈折率差が大きくなっている。
従って、実施例1に比べ904の中間ミラー1の反射率は増し、906の中間ミラー2よりも大きくなる。
従って、上記本発明の実施形態で述べたような理由から、やはり903のスペーサ層1の光強度が大きくなり、905のスペーサ層2の光強度が小さくなる。
[Example 3]
As Example 3, a configuration example of a vertical cavity surface emitting laser having a different form from each of the above examples will be described with reference to FIG.
Regarding FIG. 9, the element names of the elements are exactly the same as those in FIG. Only the differences from the first embodiment will be described below.
In this embodiment, the refractive index of the intermediate mirror 1 904 is low, and the refractive index difference from the adjacent layer is large.
Accordingly, the reflectance of the intermediate mirror 1 at 904 is increased as compared with the first embodiment, and is larger than that of the intermediate mirror 2 at 906.
Therefore, for the reason described in the embodiment of the present invention, the light intensity of the spacer layer 1 903 is increased and the light intensity of the spacer layer 2 905 is decreased.

図10に、本実施例のレーザ素子における共振器中の定在波の強度分布を計算した結果を示す。
図10でも実施例1に対して、905のスペーサ層2における光強度(包絡線)の値は28.3%小さくなり、903のスペーサ層1における値は15.4%大きくなっている。
従って本実施例においても、電極層部分の光強度は小さくなることで吸収が減少し、活性層部分の光の強度は大きくなることで利得が増すため、垂直共振器レーザにはより有利な条件となる。
本実施例におけるレーザ素子では、904の中間ミラー1の層間の屈折率差は、906の中間ミラー2の層間の屈折率差よりも大きいことが好ましい。
本実施例ではp電極層910を含むため906の中間ミラー2を構成する層間の屈折率差は904の中間ミラー1のそれに比べ小さいが、電極層が極めて薄いため、反射特性に殆ど寄与しない。
従って、実質的には906の中間ミラー2およびその両脇の905のスペーサ層2、907のスペーサ層3により屈折率差が決定している状態になっている。
本実施例においては、904の中間ミラー1はポーラスなGaNで構成されており、平均屈折率は1.86となっている。
本実施例の素子の作製方法は、実施例1にポーラスGaN層を導入する工程が入るのみで、その他は実施例1と同様である。
以上で説明した実施例1〜3は例示的なものであり、本発明において用いるレーザ素子の構造材料、大きさ、形状などの諸条件は、以上の実施例により何ら限定されるものではない。
FIG. 10 shows the result of calculating the intensity distribution of the standing wave in the resonator in the laser device of this example.
Also in FIG. 10, the value of the light intensity (envelope) in 905 spacer layer 2 is 28.3% lower than that in Example 1, and the value in 903 spacer layer 1 is 15.4% higher.
Therefore, also in this embodiment, the light intensity in the electrode layer portion decreases, the absorption decreases, and the light intensity in the active layer portion increases to increase the gain. It becomes.
In the laser element of the present embodiment, the difference in refractive index between the layers of the intermediate mirror 1 at 904 is preferably larger than the difference in refractive index between the layers of the intermediate mirror 2 at 906.
In this embodiment, since the p electrode layer 910 is included, the difference in refractive index between the layers constituting the intermediate mirror 2 of 906 is smaller than that of the intermediate mirror 1 of 904, but the electrode layer is extremely thin and therefore hardly contributes to the reflection characteristics.
Therefore, the refractive index difference is substantially determined by the intermediate mirror 2 of 906, the spacer layer 2 of 905 on both sides thereof, and the spacer layer 3 of 907.
In this embodiment, the intermediate mirror 1 904 is made of porous GaN, and the average refractive index is 1.86.
The device fabrication method of this example is the same as that of Example 1 except that the step of introducing a porous GaN layer is included in Example 1.
Examples 1 to 3 described above are exemplary, and various conditions such as a structural material, a size, and a shape of the laser element used in the present invention are not limited by the above examples.

501:基板
502:下部ミラー
503:スペーサ層1
504:中間ミラー1
505:スペーサ層2
506:中間ミラー2
507:スペーサ層3
508:上部ミラー
509:n電極層
510:p電極層
511:活性層
512:下部クラッド層
513:上部クラッド層
501: Substrate 502: Lower mirror 503: Spacer layer 1
504: Intermediate mirror 1
505: Spacer layer 2
506: Intermediate mirror 2
507: Spacer layer 3
508: Upper mirror 509: n electrode layer 510: p electrode layer 511: active layer 512: lower clad layer 513: upper clad layer

Claims (10)

基板上に積層された、下部ミラー、上部ミラー、これらの間に配置された活性層を含む半導体層によって共振器が形成された発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器は、内部に3個以上の奇数個のスペーサ層を有し、該3個以上の奇数個のスペーサ層の間が2個以上の中間ミラーで仕切られており、
前記面発光レーザにおける任意の(2N’−1)個隣同士のミラー間の光学距離をdとし(N’:1以上の整数)、該隣同士の中間ミラーからの反射光の位相とびをそれぞれΦ1、Φ2とするとき、以下の式(1)の関係を満たすと共に、
該隣同士の中間ミラーにおける2N’個隣同士のミラー間の光学距離をd’とするとき、以下の式(2)の関係を満たし、
電流注入のための電極層が、前記下部ミラーより数えて偶数番目のスペーサ層中、またはその隣接部に設けられていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
2d・2π/λ+Φ1+Φ2 =2N・π 式(1)

2d’・2π/λ+Φ1+Φ2=(2N−1)・π 式(2)

但し、N:1以上の整数
A vertical cavity surface emitting laser having an oscillation wavelength λ in which a resonator is formed by a semiconductor layer including a lower mirror, an upper mirror, and an active layer disposed between the lower mirror and the upper mirror, which are stacked on a substrate,
The resonator includes three or more odd number of spacer layers therein, and the three or more odd number of spacer layers are partitioned by two or more intermediate mirrors,
The optical distance between any (2N′−1) adjacent mirrors in the surface-emitting laser is d (N ′: an integer of 1 or more), and the phase jump of the reflected light from the adjacent intermediate mirrors, respectively. When Φ 1 and Φ 2 are satisfied, the following equation (1) is satisfied:
When the optical distance between 2N ′ adjacent mirrors in the adjacent intermediate mirror is d ′, the relationship of the following formula (2) is satisfied:
A vertical cavity surface emitting laser characterized in that an electrode layer for current injection is provided in an even-numbered spacer layer counted from the lower mirror or in an adjacent portion thereof.
2d · 2π / λ + Φ 1 + Φ 2 = 2N · π Formula (1)

2d ′ · 2π / λ + Φ 1 + Φ 2 = (2N−1) · π Formula (2)

N: an integer greater than or equal to 1
前記スペーサ層は、第1のスペーサ層から第5のスペーサ層による5個のスペーサ層を有し、
前記下部ミラーの上に、第1のスペーサ層、第1の中間ミラー、第2のスペーサ層、第2の中間ミラー、第3のスペーサ層、第3の中間ミラー、第4のスペーサ層、第4の中間ミラー、第5のスペーサ層の順に積層されており、
電流注入のための2つの電極が、それぞれ第2のスペーサ層中、第4のスペーサ層中、またはそれらの隣接部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
The spacer layer has five spacer layers of the first spacer layer to the fifth spacer layer,
On the lower mirror, a first spacer layer, a first intermediate mirror, a second spacer layer, a second intermediate mirror, a third spacer layer, a third intermediate mirror, a fourth spacer layer, a first spacer layer, 4 intermediate mirrors and a fifth spacer layer are stacked in this order.
2. The vertical resonator type according to claim 1, wherein two electrodes for current injection are provided in the second spacer layer, the fourth spacer layer, or their adjacent portions, respectively. Surface emitting laser.
前記2つの電極層のうち上部に位置する電極層の上側および下部に位置する電極層の下側が、誘電体によって構成され、
前記2つの電極層の間が、半導体によって構成されていることを特徴とする請求項2に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
Of the two electrode layers, the upper side of the upper electrode layer and the lower side of the lower electrode layer are constituted by a dielectric,
3. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 2, wherein a gap between the two electrode layers is constituted by a semiconductor.
前記スペーサ層は、第1のスペーサ層から第3のスペーサ層による3個のスペーサ層を有し、
前記下部ミラーの上に、第1のスペーサ層、第1の中間ミラー、第2のスペーサ層、第2の中間ミラー、第3のスペーサ層の順に積層されており、
電流注入のための電極層が、第2のスペーサ層、またはその隣接部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
The spacer layer has three spacer layers of a first spacer layer to a third spacer layer,
On the lower mirror, a first spacer layer, a first intermediate mirror, a second spacer layer, a second intermediate mirror, and a third spacer layer are stacked in this order.
2. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein an electrode layer for current injection is provided on the second spacer layer or on an adjacent portion thereof.
前記電極層より上側が、誘電体によって構成され、
前記電極層より下側が、半導体によって構成されていることを特徴とする請求項4に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
The upper side of the electrode layer is made of a dielectric,
5. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 4, wherein the lower side of the electrode layer is made of a semiconductor.
前記第1の中間ミラーの反射率が、第2の中間ミラーの反射率よりも大きいことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の垂直共振器型面発光レーザ。   6. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 4, wherein the reflectivity of the first intermediate mirror is larger than the reflectivity of the second intermediate mirror. 前記第1の中間ミラーおよび前記第2の中間ミラーが、単層膜または多層膜ミラーであり、
前記第1の中間ミラーの層数が、前記第2の中間ミラーの層数よりも多いことを特徴とする請求項6に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
The first intermediate mirror and the second intermediate mirror are single layer films or multilayer film mirrors;
The vertical cavity surface emitting laser according to claim 6, wherein the number of layers of the first intermediate mirror is larger than the number of layers of the second intermediate mirror.
前記上部ミラーおよび前記第2の中間ミラーが、単層膜または多層膜ミラーであり、
前記上部ミラーの層間の屈折率差が、前記第2の中間ミラーの層間の屈折率差よりも大きいことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
The upper mirror and the second intermediate mirror are single layer films or multilayer film mirrors;
8. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 6, wherein a difference in refractive index between layers of the upper mirror is larger than a difference in refractive index between layers of the second intermediate mirror.
基板上に、下部ミラー、上部ミラー、これらの間に配置された活性層を含む半導体層が積層され、これらにより共振器が形成された垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器は、内部に3個以上の奇数個のスペーサ層を有し、該3個以上の奇数個のスペーサ層の間が中間ミラーで仕切られており、
電流注入のための電極層が、前記共振器内で共振する光の定在波の光強度の包絡線が極小となる部位のスペーサ層中、またはその隣接部に導入されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
A vertical cavity surface emitting laser in which a semiconductor layer including a lower mirror, an upper mirror, and an active layer disposed therebetween is stacked on a substrate, and a resonator is formed by these layers,
The resonator has three or more odd spacer layers therein, and the three or more odd spacer layers are partitioned by an intermediate mirror,
An electrode layer for current injection is introduced into the spacer layer at a portion where the envelope of the light intensity of the standing wave of light resonating in the resonator is minimized or adjacent thereto. Vertical cavity surface emitting laser.
前記電流注入のための電極層が、前記共振器内で共振する光の定在波の節に設けられていることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。   The vertical resonator according to any one of claims 1 to 9, wherein the electrode layer for current injection is provided at a node of a standing wave of light resonating in the resonator. Type surface emitting laser.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023238621A1 (en) * 2022-06-10 2023-12-14 ソニーグループ株式会社 Surface emission laser

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