JP2013197377A - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高速変調と伝送特性とを両立できる面発光レーザ素子を提供すること。
【解決手段】高屈折率層と低屈折率層の周期構造から構成され、光共振器を構成している下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡との間に形成された活性層と、上部多層膜反射鏡と活性層との間に形成された、電流注入部と選択酸化熱処理によって電流注入部の外周に形成された電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、上部多層膜反射鏡の直下に形成された、表面に凹部を有する屈折率差調整層と、を備え、凹部は、電流注入部の外径と略一致する内径を有するとともに、電流狭窄層と屈折率差調整層との積層方向から見た場合に電流注入部と略重なるように形成され、凹部の形成によって、光共振器内の、電流注入部に対応する領域における実効屈折率から、電流狭窄部に対応する領域における実効屈折率を引いた屈折率差が小さくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子に関するものである。

面発光レーザ素子において、出力されるレーザ光信号の伝送特性を良好にするために、高次の横モード（以下、単に高次モードと呼ぶ）でのレーザ発振を抑制する技術が開示されている。特許文献１〜４では、高次モードの光に対して損失等を与えることによって、高次モードでのレーザ発振を抑制している。

特開２００３−３３２６８４号公報 特開２００４−６３６５７号公報 特開２００８−９８２３４号公報 特許第４６３９２４９号公報

近年要求されているたとえば１０〜４０Ｇｂｐｓの高速変調の実現のためには、面発光レーザ素子の寄生容量を低減することが好ましい。酸化層によって形成した電流狭窄層を備えた面発光レーザ素子の場合、電流狭窄層の厚さを厚くする、あるいは電流狭窄層を複数層設けることによって、寄生容量は低減される。

しかしながら、電流狭窄層の厚さを厚くしたり、複数層設けた場合、横モードの屈折率閉じ込めが強くなるため、高次モードでのレーザ発振が起こり易くなるという問題があった。
特許文献１〜４では、高次モードに選択的に損失を与えることによって、高次モードのレーザ発振を抑制している。ところが、そのような方法の場合、モードが不安定になり、モード競合雑音などが発生し、伝送特性が劣化してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高速変調と伝送特性とを両立できる面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ素子は、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から構成され、光共振器を構成している下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に形成された活性層と、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に形成された、電流注入部と選択酸化熱処理によって電流注入部の外周に形成された電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、前記上部多層膜反射鏡の直下に形成された、表面に凹部を有する屈折率差調整層と、を備え、前記凹部は、前記電流注入部の外径と略一致する内径を有するとともに、前記電流狭窄層と前記屈折率差調整層との積層方向から見た場合に前記電流注入部と略重なるように形成され、前記凹部の形成によって、前記光共振器内の、前記電流注入部に対応する領域における実効屈折率から、前記電流狭窄部に対応する領域における実効屈折率を引いた屈折率差が小さくなることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記屈折率差調整層の凹部の深さは、前記屈折率差が−１．０×１０^−２より大きく、２．５×１０^−３以下になるように設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記屈折率差調整層の凹部の深さは、前記屈折率差が１０^−３以下になるように設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記屈折率差調整層は、誘電体からなることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記屈折率差調整層は、位相調整層として機能することを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、上部イントラキャビティ構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層の厚さは合計４０ｎｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層の厚さは合計６０ｎｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層を複数備えることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記屈折率差調整層の凹部の深さは、前記光共振器内の光損失が極小となるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、寄生容量が低減されつつ高次モードでのレーザ発振が抑制されるので、高速変調と伝送特性とを両立できる面発光レーザ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図２は、面発光レーザ素子の凹部の深さと光損失との関係を示す図である。 図３は、比較例１の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。 図４は、実施例１の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。 図５は、面発光レーザ素子の凹部の深さと光損失との関係を示す図である。 図６は、比較例２の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。 図７は、実施例２の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。 図８は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図９は、実施の形態３に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図１に示すように、面発光レーザ素子１００は、面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓからなる基板１上に積層された下部多層膜反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、電流狭窄層８、ｐ型スペーサ層９、ｐ型高導電率層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型コンタクト層１２、ｐ側電極１３、屈折率差補正層の機能を有する位相調整層１４、および上部多層膜反射鏡として機能する上部ＤＢＲミラー１５を備える。

ｐ型コンタクト層１２およびｎ型コンタクト層３は、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１５との間に形成されている。活性層６は、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１５との間に形成されている。電流狭窄層８は、上部ＤＢＲミラー１５と活性層６との間に形成されている。ｐ型高導電率層１０は、ｐ型コンタクト層１２と電流狭窄層８との間に形成されている。ｐ側電極１３はｐ型コンタクト層１２上に形成され、ｎ側電極４はｎ型コンタクト層３上に形成されている。

ｎ型クラッド層５からｐ型コンタクト層１２までの積層構造は、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストＭとして形成されている。メサポスト径はたとえば直径３０μｍである。また、ｎ型コンタクト層３はメサポストＭの外周側に延設している。また、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１５とは共振器長Ｌの光共振器Ｒを形成している。

下部ＤＢＲミラー２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層（不図示）上に形成される。下部ＤＢＲミラー２は、たとえば低屈折率層として機能するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ半導体層と、高屈折率層として機能するＧａＡｓ半導体層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば４０．５ペア積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。下部ＤＢＲミラー２の複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）である。

ｎ型コンタクト層３およびｎ型クラッド層５は、ｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型クラッド層７は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される（たとえば、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓが望ましい。）。ｎ型クラッド層５とｐ型クラッド層７とは活性層６を挟むように形成されており、分離閉じ込め（Separate Confinement Heterostructure、ＳＣＨ）構造を形成している。

ｐ型スペーサ層９、１１は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型高導電率層１０は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型コンタクト層１２は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。

ｎ型クラッド層５、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層９、１１には、キャリア濃度がたとえば１×１０^１８ｃｍ^−３程度となるようにｐ型またはｎ型ドーパントが添加されており、確実にｐ型またはｎ型の導電型とされている。また、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層１２のキャリア濃度はたとえばそれぞれ２×１０^１８ｃｍ^−３、３×１０^１９ｃｍ^−３程度である。また、ｐ型高導電率層１０のキャリア濃度は３×１０^１９ｃｍ^−３であり、ｐ型スペーサ層９、１１よりも高導電率とされている。このｐ型高導電率層１０は、ｐ側電極１３から注入される電流の紙面横方向における経路となり、より効率的に活性層６に電流を注入するように機能している。

なお、ｐ型高導電率層１０のキャリア濃度は、高導電率、低抵抗の点からは３×１０^１９ｃｍ^−３以上が好ましく、製造上の容易さからは１×１０^２１ｃｍ^−３以下が好ましい。ｐ型高導電率層は２層以上設けてもよい。

電流狭窄層８は、電流注入部としての開口部８ａと電流狭窄部としての選択酸化層８ｂとから構成されている。開口部８ａはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．２）からなり、選択酸化層８ｂは（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる。なお、ｘはたとえば０．０２である。電流狭窄層８は、１０Ｇｂｐｓを超えるような高速変調を実現するのに重要な寄生容量低減のために、たとえば厚さが４０ｎｍ以上、さらには６０ｎｍ以上と比較的厚く形成されている。また、この電流狭窄層８は、Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなるＡｌ含有層を選択酸化熱処理することによって形成される。すなわち、選択酸化層８ｂは、このＡｌ含有層がメサポストＭの外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで開口部８ａの外周にリング状に形成されている。選択酸化層８ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極１３から注入される電流を狭窄して開口部８ａ内に集中させることで、開口部８ａ直下における活性層６内の電流密度を高める機能を有する。なお、開口部８ａの開口径はたとえば６μｍである。

また、電流狭窄層８は、積層方向における、活性層６の中心から電流狭窄層８の中心までの距離がλ／４ｎ〜７λ／４ｎ、好ましくは３λ／４ｎ〜５λ／４ｎの範囲になるように形成されている。ここで、ｎは、活性層６から電流狭窄層８までの実効屈折率とする。選択酸化層８ｂの応力により活性層６に転位が入りやすいので、信頼性の向上のためには、活性層６の中心から電流狭窄層８の中心までの距離は３λ／４ｎ以上が望ましく、変調効率の低下を防ぐためには、５λ／４ｎ以下が望ましい。また、信頼性の向上のためには、電流狭窄層８の厚さは７０ｎｍ以下が好ましい。その他の層の厚さは、活性層６の位置に光共振器Ｒ内の光の定在波の腹が形成され、電流狭窄層８およびｐ型高導電率層１０の位置に定在波の節が形成されるように調整されている。これによって、光に損失を与える電流狭窄層８およびｐ型高導電率層１０と光の定在波との重なりが少なくなるので好ましい。

活性層６は、井戸層と障壁層とが交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）を有する。なお、井戸層はたとえばＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層はたとえばＧａＡｓからなる。この活性層６は、ｐ側電極１３から注入されて電流狭窄層８によって狭窄された電流により、たとえば１．０μｍ〜１．１μｍ（１．０μｍ帯とする）の波長の光を含む自然放出光を発するようにその半導体材料の組成および膜厚が設定されている。

上部ＤＢＲミラー１５は、たとえば低屈折率層として機能するＳｉＯ₂層と、高屈折率層として機能するＳｉＮｘ層やアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）とを１ペアとする複合誘電体層がたとえば９ペア積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー２と同様に各層の厚さがλ／４ｎとされている。

ｐ側電極１３は、ｐ型コンタクト層１２の外延に沿ってリング状に形成されている。一方、ｎ側電極４は、メサポストＭの外周側に延設したｎ型コンタクト層３の延設部分の表面に形成され、メサポストＭの周囲を取り囲むようにＣ字状に形成されている。

位相調整層１４は、ＳｉＮｘなどの誘電体からなり、上部ＤＢＲミラー１５の直下に形成されている。この位相調整層１４は、その厚さの調整によって、ｐ型コンタクト層１２が光の定在波の節に位置し、上部ＤＢＲミラー１５の最下面が定在波の腹に位置するように調整する機能を有する。ここで、位相調整層１４は、表面に形成された深さΔＬの凹部１４ａを有する。この凹部１４ａの内径は、電流狭窄層８の開口部８ａの外径または選択酸化層８ｂの内径と略一致するように設定されている。また、凹部１４ａは、電流狭窄層８と位相調整層１４との積層方向から見た場合に開口部８ａと略重なるように位置している。

つぎに、この面発光レーザ素子１００の動作について説明する。はじめに、不図示のレーザ制御器が、ｐ側電極１３とｎ側電極４との間にバイアス電圧および変調電圧を印加し電流を注入する。ｐ側のキャリア（ホール）については、ｐ側電極１３からｐ型コンタクト層１２、ｐ型スペーサ層１１を通過し、高導電率のｐ型高導電率層１０においては層内を紙面横方向に流れ、その後ｐ型スペーサ層９を通過し、電流狭窄層８の開口部８ａ内に集中して密度が高められた状態で、活性層６に注入される。一方、ｎ側のキャリア（電子）については、ｎ側電極４からｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５を通過して、活性層６に注入される。

このように、この面発光レーザ素子１００は、ｐ側のキャリアおよびｎ側のキャリアのいずれもが、ＤＢＲミラーを経由しないで活性層に注入される、いわゆるダブルイントラキャビティ構造を有する。

キャリアが注入された活性層６は、自然放出光を発生する。発生した自然放出光は、活性層６の光増幅作用と光共振器Ｒの作用とによって、１．０μｍ波長帯のいずれかの波長においてレーザ発振する。その結果、この面発光レーザ素子１００は、上部ＤＢＲミラー１５上から変調信号を含むレーザ信号光を出力する。レーザ発振時には光共振器Ｒ内にはレーザ光の定在波が形成されている。

ここで、光共振器Ｒ内の、電流狭窄層８の開口部８ａに対応する領域Ａ１における、光共振器Ｒの長さ方向（半導体層の積層方向）での実効屈折率ｎ_eff１と、選択酸化層８ｂに対応する領域Ａ２における、光共振器Ｒの長さ方向での実効屈折率ｎ_eff２とを比較すると、選択酸化層８ｂは半導体層よりも屈折率が低いために、ｎ_eff２＜ｎ_eff１である。このように領域Ａ１と領域Ａ２とで実効屈折率の屈折率差が生じる結果、レーザ光は領域Ａ１への横方向の光閉じ込めを受ける。

寄生容量低減のために選択酸化層８ｂの厚さを厚くすると、領域Ａ１と領域Ａ２との屈折率差が増大するため、横モードの基本モード（以下、単に基本モードと呼ぶ）の光だけでなく、高次モードもが領域Ａ１への光閉じ込めを受けるようになる。そのため、高次モードでのレーザ発振が起こりやすくなるため、上部ＤＢＲミラー１５上から出力されるレーザ信号光に高次モードの光が混入することとなる。特に、選択酸化層の膜厚が４０ｎｍ以上になると領域Ａ１と領域Ａ２の実効屈折率の差が５×１０^−３以上となり、高次モードの光の混入が顕著になる。

これに対して、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００では、屈折率差調整層として機能する位相調整層１４が、開口部８ａと略重なるように形成された深さΔＬの凹部１４ａを有する。このために、領域Ａ１では、光共振器Ｒの共振器長が（Ｌ−ΔＬ）に短くなるので、実効屈折率ｎ_eff１が減少する。これによって、上記屈折率差は小さくなるように調整され、高次モードの光の閉じ込めが抑制されるので、高次モードでのレーザ発振が抑制される。

なお、凹部１４ａの深さをΔＬ、凹部１４ａが無い場合の光共振器Ｒの共振器長をＬとし、凹部１４ａを設けたことによって領域Ａ１の実効屈折率がΔｎ_eff１だけ変化するとした場合、以下の関係式（１）が成り立つ。なお、「〜」はその両辺の値が略等しいことを意味する。

ΔＬ／Ｌ〜Δｎ_eff１／ｎ_eff１〜Δλ／λ ・・・ （１）

式（１）において、λは、光共振器Ｒの共振器長がＬである場合のレーザ発振波長である。凹部１４ａが存在することによってレーザ発振波長は（λ−Δλ）になる。したがって、凹部１４ａの深さΔＬは、所望のレーザ発振波長と、選択酸化層８ｂの厚さおよびその屈折率と、基本モードが好適な横方向の光閉じ込めを受けつつ、高次モードは横方向の光閉じ込めが十分に抑制され、カットオフとなるような（ｎ_eff１−ｎ_eff２）の値と、を勘案して、その深さΔＬを設定することが好ましい。（ｎ_eff１−ｎ_eff２）の値はたとえば２．５×１０^−３以下、より好適には１×１０^−３以下が好ましい。なお、（ｎ_eff１−ｎ_eff２）が負の値、たとえば−１×１０^−３から−１×１０^−２程度となり、いわゆる反導波路が形成されるような状態でもよい。なぜなら、このような場合であっても、電流注入を行った際、熱レンズ効果により、上記開口部の屈折率が、注入する電流値によって、１×１０^−２程度以上高くなるため、レーザ発振時には（ｎ_eff１−ｎ_eff２）は正の値となるからである。

また、位相調整層１４に凹部１４ａを形成したことによって、光共振器Ｒ内での光の定在波の節の位置が変化するため、たとえば定在波の節と電流狭窄層８またはｐ型高導電率層１０との位置関係が変化し、それによって光共振器Ｒ内の光損失が増大する場合がある。したがって、凹部１４ａの深さΔＬは、光共振器Ｒ内の光損失（特に基本モードの光に対する光損失）が小さいような値に設定することがより好ましい。

位相調整層１４の凹部１４ａは、たとえば以下のように作製することができる。まず、面発光レーザ素子１００のメサポストＭを形成した後に、たとえばプラズマＣＶＤ法等によって、ｐ型コンタクト層１２に、位相調整層１４を形成すべきＳｉＮｘ等からなる誘電体層を形成する。つぎに、フォトリソグラフィ技術によって、この誘電体層上に、凹部１４ａの形状に孔が開いたマスクを形成する。つぎに、マスクの孔の内部に露出した誘電体層を所定の深さΔＬだけエッチングし、その後マスクを除去することによって、凹部１４ａを形成することができる。

つぎに、図１に示す実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００の構成によって実現される光学特性について、２Ｄ−ＦＶＭ（有限体積法）を用いてシミュレーション計算した。以下、その計算結果について説明する。

まず、光共振器Ｒの共振器長Ｌを約２μｍ、選択酸化層８ｂ（電流狭窄層８）の厚さを４０ｎｍ、光共振器Ｒ内の実効屈折率差（ｎ_eff１−ｎ_eff２）を５×１０^−３、レーザ発振波長λを約１．０６μｍ（１０６０ｎｍ）、位相調整層１４の材質をＳｉＮｘ（屈折率：１．９４）、凹部１４ａ以外の部分における位相調整層１４の厚さを１００ｎｍに設定し、深さΔＬと光共振器Ｒ内の光損失との関係を計算した（これらの計算条件を条件１とする）。上述の通り、深さΔＬを増やすとともに実効屈折率差（ｎ_eff１−ｎ_eff２）が減少する。

図２は、面発光レーザ素子の凹部の深さと光損失との関係を示す図である。なお、光損失は基本モードの光に対するものである。図２に示すように、深さΔＬが２０ｎｍのときに光損失が極小となった。なお、ΔＬを２０ｎｍとした場合、実効屈折率差（ｎ_eff１−ｎ_eff２）は−５×１０^−３程度となる。以下、凹部１４ａの深さΔＬを２０ｎｍとした面発光レーザ素子を実施例１、凹部１４ａを形成しない面発光レーザ素子を比較例１とする。

図３は、比較例１の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。面発光レーザ素子の環境温度は２９８Ｋ、駆動電流は直流電流として計算している。図３（ａ）は面発光レーザ素子の駆動電流と出力されるレーザ光の光強度との関係を示している。なお、凡例において、「ＬＰ_０１」は基本モードであるＬＰ_０１モードのレーザ光の光強度、「ＬＰ_１１」、「ＬＰ_２１」はそれぞれ高次モードであるＬＰ_１１モード、ＬＰ_２１モードのレーザ光の強度をそれぞれ示し、「Ｔｏｔａｌ」はこれらのモードの光強度を合計した総強度を示している。図３（ｂ）は面発光レーザ素子の駆動電流とサイドモード抑圧比（Side-Mode Suppression Ratio：ＳＭＳＲ）との関係を示している。ここで、ＳＭＳＲとは、基本モードのレーザ光と、最も強度が高い高次モードのレーザ光との強度比である。図３（ｃ）は、駆動電流が５．０ｍＡのときの、面発光レーザ素子が出力するレーザ光の強度スペクトルを示している。なお、図３（ｂ）、（ｃ）は縦軸が対数目盛である点に注意されたい。

図３に示すように、比較例１の面発光レーザ素子では、駆動電流が小さいときは基本モードのレーザ光の強度が高いが、駆動電流が大きくなると、総強度に占める高次モードのレーザ光の強度の割合が高くなり、ＳＭＳＲが低下した。また、図３（ｃ）に示すように、基本モードである約１０６０．７ｎｍのレーザ光の強度に対して、高次モードである約１０５９．８ｎｍのレーザ光の強度が高かった。また、図３（ｃ）の強度スペクトルにおけるＲＭＳでの半値全幅も０．３５ｎｍと比較的広い値となった。

一方、図４は、実施例１の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。面発光レーザ素子の環境温度、駆動電流、および図４（ａ）〜（ｃ）における凡例や座標軸等の意味は図３（ａ）〜（ｃ）と同様である。

図４に示すように、実施例１の面発光レーザ素子では、総強度に占める基本モードのレーザ光の強度の割合が非常に高くなり、ＳＭＳＲも非常に高くなった。また、図４（ｃ）に示すように、基本モードである約１０６０．５ｎｍのレーザ光の強度が、他の高次モードのレーザ光の強度に対して非常に高かった。また、図４（ｃ）の強度スペクトルにおけるＲＭＳでの半値全幅も０．０６ｎｍと非常に狭い値であった。図４の結果から、実施例１の面発光レーザ素子は単一モード性が高いことが確認された。

つぎに、上述した計算条件１において、選択酸化層８ｂ（電流狭窄層８）の厚さを６０ｎｍに変更し、深さΔＬと光共振器Ｒ内の光損失との関係を計算した（これらの計算条件を条件２とする）。

図５は、面発光レーザ素子の凹部の深さと光損失との関係を示す図である。なお、光損失は基本モードの光に対するものである。図５に示すように、深さΔＬが３０ｎｍのときに光損失が極小となった。なお、ΔＬを３０ｎｍとした場合、実効屈折率差（ｎ_eff１−ｎ_eff２）は−７．５×１０^−３程度となる。以下、凹部１４ａの深さΔＬを３０ｎｍとした面発光レーザ素子を実施例２、凹部１４ａを形成しない面発光レーザ素子を比較例２とする。

図６は、比較例２の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。面発光レーザ素子の環境温度、駆動電流、および図６（ａ）〜（ｃ）における凡例や座標軸等の意味は図３（ａ）〜（ｃ）と同様である。

図６に示すように、比較例２の面発光レーザ素子では、図示した駆動電流の範囲のほぼ全体で、総強度に占める高次モードのレーザ光の強度の割合が高くなり、ＳＭＳＲが低かった。また、図６（ｃ）に示すように、基本モードである約１０５９．８ｎｍのレーザ光の強度に対して、高次モードである約１０５８．８ｎｍのレーザ光の強度が高かった。また、図６（ｃ）の強度スペクトルにおけるＲＭＳでの半値全幅も０．２６ｎｍと比較的広い値となった。

一方、図７は、実施例２の面発光レーザ素子の光学特性を示す図である。面発光レーザ素子の環境温度、駆動電流、および図７（ａ）〜（ｃ）における凡例や座標軸等の意味は図３（ａ）〜（ｃ）と同様である。

図７に示すように、実施例２の面発光レーザ素子では、総強度に占める基本モードのレーザ光の強度の割合が非常に高くなり、ＳＭＳＲも非常に高くなった。また、図７（ｃ）に示すように、基本モードである約１０５９．７ｎｍのレーザ光の強度が、他の高次モードのレーザ光の強度に対して非常に高かった。また、図７（ｃ）の強度スペクトルにおけるＲＭＳでの半値全幅も０．０３ｎｍと非常に狭い値であった。図７の結果から、実施例２の面発光レーザ素子は単一モード性が高いことが確認された。

以上説明したように、本実施の形態１およびその実施例の面発光レーザ素子は、寄生容量が低減されつつ、高次モードでのレーザ発振が抑制された単一モード性が高いものであるので、高速変調と伝送特性とを両立できる面発光レーザ素子である。

（実施の形態２）
上記実施の形態１では、位相調整層が屈折率差調整層としての機能を有していたが、位相調整層の他に、上部ＤＢＲミラーの直下に屈折率差調整層を設けても良いし、あるいは上部ＤＢＲミラーの直下に位置する他の誘電体層や半導体層に屈折率差調整層としての機能を持たせても良い。

図８は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図８に示すように、面発光レーザ素子２００は、基板１、下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、電流狭窄層８、ｐ型スペーサ層９、ｐ型高導電率層１０、ｐ型スペーサ層１１、屈折率差調整層としてのｐ型コンタクト層２２、ｐ側電極１３、および上部ＤＢＲミラー１５を備える。すなわち、この面発光レーザ素子２００は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００において、位相調整層１４を削除し、ｐ型コンタクト層１２を屈折率差調整層としてのｐ型コンタクト層２２に置き換えた構成を有する。

ｐ型コンタクト層２２は、例えばｐ型コンタクト層１２と同様の組成および厚さとできる。また、ｐ型コンタクト層２２は、開口部８ａと略重なるように形成された凹部２２ａを有するので、光共振器Ｒ内の開口部８ａに対応する領域の実効屈折率を増大させ、選択酸化層８ｂに対応する領域の実効屈折率との屈折率差が小さくなるように調整する屈折率差調整層として機能する。その結果、面発光レーザ素子２００は、寄生容量が低減されつつ高次モードでのレーザ発振が抑制された、単一モード性が高いものとなる。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図９に示すように、面発光レーザ素子３００は、基板１、下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、電流狭窄層３８Ａ、ｐ型スペーサ層３９、電流狭窄層３８Ｂ、ｐ型スペーサ層９、ｐ型高導電率層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型コンタクト層１２、ｐ側電極１３、屈折率差補正層の機能を有する位相調整層３４、および上部ＤＢＲミラー１５を備える。すなわち、この面発光レーザ素子３００は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００において、電流狭窄層８を、電流狭窄層３８Ａ、ｐ型スペーサ層３９、および電流狭窄層３８Ｂの積層構造に置き換え、かつ位相調整層１４を位相調整層３４に置き換えた構成を有する。

ｐ型スペーサ層３９は、たとえばｐ型スペーサ層９と同様の組成および厚さとできる。電流狭窄層３８Ａは、電流注入部としての開口部３８Ａａと電流狭窄部としての選択酸化層３８Ａｂとから構成されている。電流狭窄層３８Ｂは、電流注入部としての開口部３８Ｂａと電流狭窄部としての選択酸化層３８Ｂｂとから構成されている。電流狭窄層３８Ａ、３８Ｂの組成は電流狭窄層８と同様にできる。電流狭窄層３８Ａ、３８Ｂの合計の厚さは、寄生容量低減のために、たとえば４０ｎｍ以上、さらには６０ｎｍ以上と比較的厚くされている。電流狭窄層３８Ａ、３８Ｂのそれぞれの厚さは特に限定されないが、たとえば電流狭窄層３８Ａ、３８Ｂの厚さはいずれも２０ｎｍである。また、活性層６により近接している開口部３８Ａａの開口径は、開口部３８Ｂａの開口径よりも小さくなっている。これによって、電流はより効果的に活性層６に高密度で注入される。開口部３８Ａａと開口部３８Ｂａの開口径の好ましい範囲は開口部８ａと同様にできる。

位相調整層３４は、開口部３８Ａａ、３８Ｂａのそれぞれの内径と略同じ内径をそれぞれ有し、開口部３８Ａａ、３８Ｂａのそれぞれと略重なるように形成された２段階の凹部３４ａ、３４ｂを有する。これによって、光共振器Ｒ内の開口部３８Ａａ、３８Ｂａが重なる部分に対応する領域の実効屈折率と、開口部３８Ｂａだけに対応する領域の実効屈折率とは、それぞれ異なる量だけ増大される。これによって、寄生容量が低減されつつ、開口部３８Ａａに対応する領域の実効屈折率を高次モードが抑制されるように制御されるため、単一モード性が高いものとなる。

上部ＤＢＲミラー１５の上面からの凹部３４ａ、３４ｂの深さについては、たとえば電流狭窄層３８Ａ、３８Ｂの厚さがいずれも２０ｎｍの場合、それぞれ２０ｎｍ、１０ｎｍであることが好ましい。すなわち、電流狭窄層３８Ａ、３８Ｂの厚さの合計が、実施例１と同様に４０ｎｍであれば、凹部３４ａの深さは実施例１と同様に２０ｎｍとすることが好ましい。

なお、上記実施の形態３では、２つの電流狭窄層の開口部の開口径が互いに異なるが、同一にしても良い。また、電流狭窄層の数が増えても、高次モードの発振に関わる光閉じ込めの議論は開口部に対応する領域の光共振器Ｒの長さ方向での実効屈折率と選択酸化層に対応する領域の光共振器Ｒの長さ方向での実効屈折率の差で決まるので、電流狭窄層の数は３以上としても良い。

また、屈折率差調整層は、誘電体または半導体からなるもののいずれでもよいが、誘電体からなることが好ましい。誘電体の場合は、半導体よりも屈折率が比較的低いので、同量の実効屈折率差を調整するための凹部の深さが深くなる（式（１）参照）。その結果、たとえばエッチングによって凹部を形成する場合の深さの作製誤差を小さくできるので、深さの精度が高くなる。誘電体としては、ＳｉＮｘまたはＳｉＯ_２が好ましいが、特に限定はされない。

また、上記実施の形態に係る面発光レーザ素子１００は、ダブルイントラキャビティ構造を有しているが、本発明はこれに限定されず、活性層の上部から注入されるキャリアが、上部ＤＢＲミラーを経由しないで活性層に注入される、いわゆる上部イントラキャビティ構造を有する面発光レーザ素子や、イントラキャビティ構造でない面発光レーザ素子にも、本発明は適用できる。すなわち、活性層に注入されるキャリアが、下部ＤＢＲミラーまたは上下部ＤＢＲミラーのそれぞれを経由して活性層に注入される構造の面発光レーザ素子でもよい。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 基板
２ 下部ＤＢＲミラー
３ ｎ型コンタクト層
４ ｎ側電極
５ ｎ型クラッド層
６ 活性層
７ ｐ型クラッド層
８、３８Ａ、３８Ｂ 電流狭窄層
８ａ、３８Ａａ、３８Ｂａ 開口部
８ｂ、３８Ａｂ、３８Ｂｂ 選択酸化層
９、１１、３９ ｐ型スペーサ層
１０ ｐ型高導電率層
１２、２２ ｐ型コンタクト層
１３ ｐ側電極
１４、３４ 位相調整層
１４ａ、２２ａ、３４ａ、３４ｂ 凹部
１５ 上部ＤＢＲミラー
１００〜３００ 面発光レーザ素子
Ａ１、Ａ２ 領域
Ｒ 光共振器
Ｍ メサポスト

Claims (10)

1. 高屈折率層と低屈折率層の周期構造から構成され、光共振器を構成している下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、
   前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に形成された活性層と、
   前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に形成された、電流注入部と選択酸化熱処理によって電流注入部の外周に形成された電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、
   前記上部多層膜反射鏡の直下に形成された、表面に凹部を有する屈折率差調整層と、
   を備え、
   前記凹部は、前記電流注入部の外径と略一致する内径を有するとともに、前記電流狭窄層と前記屈折率差調整層との積層方向から見た場合に前記電流注入部と略重なるように形成され、前記凹部の形成によって、前記光共振器内の、前記電流注入部に対応する領域における実効屈折率から、前記電流狭窄部に対応する領域における実効屈折率を引いた屈折率差が小さくなることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記屈折率差調整層の凹部の深さは、前記屈折率差が−１．０×１０^−２より大きく、２．５×１０^−３以下になるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記屈折率差調整層の凹部の深さは、前記屈折率差が１０^−３以下になるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記屈折率差調整層は、誘電体からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
5. 前記屈折率差調整層は、位相調整層として機能することを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子。
6. 上部イントラキャビティ構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
7. 前記電流狭窄層の厚さは合計４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
8. 前記電流狭窄層の厚さは合計６０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ素子。
9. 前記電流狭窄層を複数備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
10. 前記屈折率差調整層の凹部の深さは、前記光共振器内の光損失が極小となるように設定されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。

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