JP2014154787A - 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振波長が高精度に制御された面発光レーザ素子および面発光レーザアレイ素子を提供すること。
【解決手段】光共振器を構成する第１の反射鏡および第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された、発光領域を有する活性層と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された波長調整層と、を備え、前記波長調整層は、少なくとも前記光共振器内で発振するレーザ光の電界分布の幅内の領域で、層厚方向の光学長が面内位置によって異なる面発光レーザ素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子および面発光レーザアレイ素子に関するものである。

従来、基板上に複数の面発光レーザ素子が配列された面発光レーザアレイ素子およびこれを信号光源として用いた光インターコネクションが開示されている。この面発光レーザアレイ素子は、個々の面発光レーザ素子が異なる波長のレーザ信号光を出力するように構成されている（非特許文献１〜３、特許文献１参照）。これらの文献で使用されている面発光レーザアレイ素子は、レーザ信号光の波長間隔が５ｎｍ程度以上のＣＷＤＭ（Coarse Wavelength Division Multiplexing）光信号を出力するものである。

一方、ＷＤＭ光信号の波長間隔がより狭い高密度なＤｅｎｓｅ−ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）光信号を利用した光インターコネクションシステムも開示されている。たとえば、シリコンフォトニクス技術を利用して、半導体集積素子内に、演算処理装置、変調器、光合波／分波器、受光素子（Photo Detector,ＰＤ）を集積し、複数の半導体集積素子間をシリコン光導波路で接続し、半導体集積素子間の光通信を行なう光インターコネクションシステムが開示されている（非特許文献４参照）。

特開２００７−２１４４３０号公報

Padullaparthi Babu Dayal, Takahiro Sakaguchi, Akihiro Matsutani, and Fumio Koyama, "Multiple-Wavelength Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers by Grading a Spacer Layer for Short-Reach Wavelength Division Multiplexing Applications", Appl. Phys. Express 2(2009) 092501. 鈴木貞一 他,「高密度CWDM用モノリシック多波長VCSELの試作」,信学技報, vol. 107, no. 198, OPE2007-86, pp. 101-106, 2007年8月. B. E. Lemoff et al. "MAUI: Enabling fiber-to-the-processor with parallel multiwavelength optical interconnects." J. Lightwave Technol., 22(9):2043, 2004. Kannan Raji et al. ""Macrochip" Computer Systems Enabled by Silicon Photonic Interconnects", Proceedings SPIE 7607, 760702, 2010

ところで、ＣＷＤＭまたはＤＷＤＭ信号光源を、面発光レーザ素子または面発光レーザアレイ素子を用いて実現する場合には、各面発光レーザ素子のレーザ発振波長を高精度に制御する必要がある。
また、これまでに開示されている複数波長を有する面発光レーザアレイでは、作製方法が容易でなかった。例えば非特許文献１では、多数の発振波長を実現するためには波長調整用のスペーサ層の膜厚を変える必要があり、リソグラフィーとエッチング工程を複数回繰り返して行なう必要があり、作製工程が複雑になる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、レーザ発振波長が高精度に制御された面発光レーザ素子および面発光レーザアレイ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、光共振器を構成する第１の反射鏡および第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された、発光領域を有する活性層と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された波長調整層と、を備え、前記波長調整層は、少なくとも前記光共振器内で発振するレーザ光の電界分布の幅内の領域で、層厚方向の光学長が面内位置によって異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、上記発明において、前記波長調整層は、第１の屈折率を有し、凸部または凹部のパターンが形成されたパターン形成層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、上記発明において、前記波長調整層は、前記パターン形成層と、前記パターン形成層を覆うように形成され、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有するパターン保護層とが積層した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、上記発明において、前記パターン形成層および前記パターン保護層とは誘電体材料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、上記発明において、前記パターン形成層は半導体材料からなり、前記パターン保護層は誘電体材料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、上記発明において、単一モードレーザ光を出力することを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、複数の上記発明の面発光レーザ素子を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アレイ素子は、上記発明において、前記複数の面発光レーザ素子は、前記電界分布の幅内の領域で層厚方向の実効光学長が互いに異なり、かつ互いにレーザ発振波長が異なることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、上記発明において、前記複数の面発光レーザ素子は、前記パターン形成層のパターンが互いに異なることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ発振波長が高精度に制御された面発光レーザ素子および面発光レーザアレイ素子を実現できるという効果を奏する。また、多数の発振波長を実現する場合であっても、波長調整層のパターン形成層のパターンを変えるだけで波長を変えることができるため、一回のパターン形成工程で作製可能である。

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、図１に示すパターン形成層の一部の模式的な平面図である。 図３は、図１の波長調整層を示す図である。 図４は、２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。 図５は、異なるΔｄに対する２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。 図６は、異なる材料の組み合わせに対する２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。 図７は、異なる光共振器長に対する２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。 図８は、パターン形成層に適用できるパターンの他の態様の例を示す図である。 図９は、実施の形態２に係る面発光レーザアレイ素子の模式的な断面図である。 図１０は、図９に示す各面発光レーザ素子の波長調整層を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子および面発光レーザアレイ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。また、以下では、半導体層の面に対して平行なｘｙ平面を定義して、適宜説明を行う。

（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、第１の反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）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、電流拡散層１０、ｐ側電極１１、波長調整層１２、および第２の反射鏡として機能する上部誘電体ＤＢＲミラー１３を備える。

電流拡散層１０およびｎ型コンタクト層３は、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１３との間に配置されている。活性層６および波長調整層１２は、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１３との間に配置されている。電流狭窄層８は、電流拡散層１０と活性層６との間に配置されている。ｐ側電極１１は電流拡散層１０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から電流拡散層１０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はメサポストの外周側に延在している。また、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１３とは光共振器を構成している。

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、低屈折率層として機能するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層と、高屈折率層として機能するＧａＡｓ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、周期構造を有する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層厚は、λ／４ｎ（λ：レーザ発振波長、ｎ：屈折率）である。たとえば、λが１０６０ｎｍの場合、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の層厚は約８８ｎｍであり、ＧａＡｓ層の層厚は約７６ｎｍ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およびｐ型スペーサ層９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）。

電流拡散層１０は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成したｐ型コンタクト層およびｐ型ＧａＡｓまたはｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成したｐ型スペーサ層の積層構造からなる。

ｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９のキャリア濃度は、ｐ型ドーパントによる吸収損失の増加を防ぐため、たとえば３×１０^１７ｃｍ^−３程度となっている。また、ｎ型クラッド層５、ｎ型コンタクト層３のキャリア濃度は、たとえばそれぞれ１×１０^１８ｃｍ^−３、２×１０^１８ｃｍ^−３程度である。また、電流拡散層１０のｐ型スペーサ層およびｐ型コンタクト層のキャリア濃度は、たとえば３×１０^１９ｃｍ^−３程度である。

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＜０．１）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、Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなるＡｌ含有半導体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含有半導体層がメサポスト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１１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、活性層６における開口部８ａの直下の領域に注入される電流密度を高める機能を有する。開口部８ａの開口径はたとえば６μｍであるが、高速動作と信頼性の観点では、たとえば４μｍ〜１５μｍが好ましい。さらに、高次の横モード発振を抑制するためには、たとえば４μｍ〜８μｍがさらに好ましい。

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（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層の両側を分離閉じ込め（Separate Confinement Heterostructure）層で挟んだＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。この活性層６は、ｐ側電極１１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、開口部８ａの直下付近の発光領域Ｓにおいて自然放出光を発光する。活性層６は、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層厚が設定されている。たとえば、井戸層は所望の波長帯域の光を放出するように選択される材料であるＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層は井戸層に対して障壁となるように、たとえばＧａＡｓからなる。

ｐ側電極１１は、電流拡散層１０上にリング状に形成されている。一方、ｎ側電極４は、メサポストの外周側に延在したｎ型コンタクト層３の延在部分の表面に形成され、メサポストの周囲を取り囲むようにＣ字状に形成されている。

波長調整層１２は、電流拡散層１０上であってｐ側電極１１の内周側に形成されている。波長調整層１２は、パターン形成層１２ａと、パターン形成層１２ａを覆うように形成されたパターン保護層１２ｂとが積層した構造を有する。

図２は、パターン形成層１２ａの一部の模式的な平面図である。図３は、波長調整層１２を示す図である。パターン形成層１２ａは、一辺の長さが２ａ_ｘ、２ａ_ｙ、深さΔｄである直方体状の凸部１２ａａが、ｘ方向にはΛ_ｘのピッチ、ｙ方向にはΛ_ｙのピッチで格子状に並んだパターンが形成されているものである。

また、パターン形成層１２ａは第１の屈折率である屈折率ｎ_１を有する。パターン保護層１２ｂは、第１の屈折率とは異なる値の第２の屈折率である屈折率ｎ_２を有する。パターン形成層１２ａはたとえばＳｉＯ_２からなり、パターン保護層１２ｂはたとえばＳｉＮ_ｘからなる。この場合、ｎ_１は１．４５、ｎ_２はたとえば２．２であり、ｎ_１＜ｎ_２である。

上部誘電体ＤＢＲミラー１３は、波長調整層１２上に形成されている。上部誘電体ＤＢＲミラー１３は、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、周期構造を有する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と同様に各層の層厚がλ／４ｎとされている。

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１１とｎ側電極４との間に電圧を印加し電流を注入する。ｐ側のキャリア（ホール）は、電流拡散層１０で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の発光領域Ｓ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、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子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、上部誘電体ＤＢＲミラー１３上からレーザ光Ｌ１を出力する。レーザ光Ｌ１が単一モードレーザ光であることが好ましい。レーザ発振時には光共振器内にはレーザ光Ｌ１の定在波が形成されている。このため、レーザ光Ｌ１の波長は光共振器長に依存する値である。

ここで、波長調整層１２は、互いに異なる屈折率を有するパターン形成層１２ａとパターン保護層１２ｂとが積層した構造を有する。パターン形成層１２ａには凸部１２ａａのパターンが形成されているため、半導体層面内で凸部１２ａａがある位置と凸部１２ａａが無い位置とでは、層厚方向の平均屈折率が異なるので、その層厚方向の光学長も異なる。なお、光学長は屈折率と物理的長さとの積で表される。

このとき、光共振器内において、レーザ光Ｌ１は、図１にプロファイルＰで示すようなｘｙ平面で電界Ｅ（ｘ、ｙ）の分布を有する。電界Ｅ（ｘ、ｙ）の分布がガウシアン分布の場合、その分布の幅Ｗは電界の２乗の強度がピークの１／ｅ^２となる幅で定義される。電界Ｅ（ｘ、ｙ）の分布がガウシアン分布でない場合であっても、電界の２乗の強度がピークの１／ｅ^２（約１３．５％）となる幅で分布の幅Ｗを定義することができる。その結果、レーザ光Ｌ１が感じる波長調整層１２の層厚方向の光学長（実効光学長とする）は、少なくとも電界Ｅ（ｘ、ｙ）の分布の幅内の領域での凸部１２ａａのパターンの密度や凸部１２ａａの深さΔｄによって異なることとなる。たとえば、パターン形成層１２ａの屈折率ｎ_１、パターン保護層１２ｂの屈折率ｎ_２について、ｎ_１＜ｎ_２である場合、電界Ｅ（ｘ、ｙ）の分布の幅内で凸部１２ａａのパターンの密度が高い方が、波長調整層１２の層厚方向の実効光学長は短くなる。

波長調整層１２は光共振器内に存在するため、波長調整層１２の層厚方向の実効光学長を変化させると光共振器長も変化する。したがって、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００から出力されるレーザ光Ｌ１の波長（レーザ発振波長）は、波長調整層１２におけるパターンの制御によって制御することができる。このような波長調整層１２におけるパターンは、電子ビーム描画装置やステッパー装置とエッチングとを用いて正確に形成することができる。また、深さΔｄが大きい方が、凸部１２ａａのパターンの密度を変化させた場合の実効光学長の変化が大きくなるが、深さΔｄはエッチング時間の制御などによって容易に制御できる。したがって、面発光レーザ素子１００から出力されるレーザ光Ｌ１の波長も、正確に制御することができる。

たとえば、面発光レーザ素子１００の実効的な光共振器長をＬ_ｃａｖ、光共振器内の実効屈折率をｎ_ｅｆｆ、レーザ発振波長をλとすると、２ｎ_ｅｆｆＬ_ｃａｖ＝ｍλ（ただし、ｍは自然数）の関係が成り立つ。波長調整層１２の層厚方向の実効光学長をΔＬだけ変化させたときにレーザ発振波長がΔλだけ変化すると仮定すると、２ｎ_ｅｆｆ（Ｌ_ｃａｖ＋ΔＬ）＝ｍ（λ＋Δλ）の関係が成り立つ。このとき、Δλは以下の式（１）で表される。
Δλ＝（λ／ｎ_ｅｆｆＬ_ｃａｖ）ΔＬ ・・・ （１）

式（１）から明らかなように、ΔＬが同じならば、λ／ｎ_ｅｆｆＬ_ｃａｖが大きい程（すなわち波長が長い程、または共振器の実効的な光学長ｎ_ｅｆｆＬ_ｃａｖが短い程）、Δλを大きくできるので、波長の制御範囲を広くできる。

つぎに、波長調整層１２の設計パラメータと、レーザ発振波長の変化量との関係について説明する。

図３に示すように、パターン形成層１２ａの屈折率をｎ_１、層厚をｄ_１（ｘ、ｙ）とする。また、パターン保護層１２ｂの屈折率をｎ_２、層厚をｄ_２（ｘ、ｙ）とする。ｄ_１（ｘ、ｙ）、ｄ_２（ｘ、ｙ）はｘ、ｙの関数である。また、波長調整層１２におけるｘｙ平面での電界分布をＥ（ｘ、ｙ）とする。このとき、波長調整層１２の実効光学長Ｌ_ｅｆｆは、以下の式（２）で表される。

式（２）のＬ_ｅｆｆをΔＬだけ変化させると、式（１）に示すΔλだけ波長を変化させることができる。式（２）からわかるように、ΔＬを大きくするためには、層厚ｄ_１（ｘ、ｙ）と層厚ｄ_２（ｘ、ｙ）との差が異なる位置において大きく異なること、すなわち深さΔｄが大きいことが好ましく、またｎ_１とｎ_２との差が大きいことが好ましい。

つぎに、パターン形成層１２ａが図２に示すパターンを有している場合に、パターンを変化させた場合の具体的なレーザ発振波長の変化量について説明する。

ここでは、基準となるレーザ発振波長λを１０６０ｎｍ、光共振器内の実効屈折率ｎ_ｅｆｆを３．３、Ｌ_ｃａｖを１２８４．８４８ｎｍ（すなわち光共振器は４波長分の長さである４λ共振器）、ｎ_１を誘電体であるＳｉＯ_２の屈折率である１．４５、ｎ_２を誘電体であるＳｉＮｘの屈折率の一例である２．２、凸部１２ａａの深さΔｄを５０ｎｍとする。また、図２に示すパラメータについて、Λ_ｘ＝Λ_ｙ＝Λ＝３００ｎｍとする。また、ａ_ｘ＝ａ_ｙ＝ａとし、ａを０から１５０ｎｍまで変化させる。これは、凸部１２ａａのｘｙ平面での断面積を変化させることに相当する。また、簡略化のためにパターンのピッチは電界分布Ｅ（ｘ、ｙ）の分布の幅Ｗよりも十分小さいとすると、式（２）は下記式（３）のように近似できる。

図４は、２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。波長変化量は１０６０ｎｍからの波長変化量を示している。図４に示すように、ａを０から１５０ｎｍまで変化させる、すなわち２ａ／Λを０から１まで変化させることで、短波長側に約３０ｎｍもレーザ発振波長を変化させることができる。

つぎに、他のパラメータは図４の場合と同じにしたまま、深さΔｄを１０ｎｍまたは３０ｎｍとした。図５は、異なるΔｄ（１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ）に対する２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。図５に示すように、深さΔｄが大きいほど波長変化量を大きくできる。

つぎに、他のパラメータは図４の場合と同じにしたまま、深さΔｄを３０ｎｍとし、ｎ_１、ｎ_２を図４と同様にそれぞれ１．４５、２．２とするか、またはｎ_１を半導体材料であるＧａＡｓの屈折率である３．４、ｎ_２をＳｉＯ_２の屈折率である１．４５とした。図６は、異なる材料の組み合わせ（ＳｉＯ_２（１．４５）／ＳｉＮｘ（２．２）、ＧａＡｓ（３．４）／ＳｉＯ_２（１．４５））に対する２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。図６に示すように、半導体材料と誘電体材料との組み合わせのように、ｎ_１とｎ_２の差が大きいほど波長変化量を大きくできる。また、ｎ_１＞ｎ_２の場合は波長を長波長側に変化させることができる。このように、パターン形成層１２ａおよびパターン保護層１２ｂのうちの一方を半導体材料、他方を誘電体材料で構成してもよい。また、パターン形成層１２ａおよびパターン保護層１２ｂのうちの両方を半導体材料で構成してもよい。

つぎに、他のパラメータは図４の場合と同じにしたまま、深さΔｄを３０ｎｍとし、Ｌ_ｃａｖを図４と同様に１２８４．８４８ｎｍ（４λ共振器）、または６４２．４２４ｎｍ（２λ共振器）、３２１．２１２ｎｍ（λ共振器）とした。図７は、異なる光共振器長（４λ、２λ、λ）に対する２ａ／Λと波長変化量との関係を示す図である。図７に示すように、光共振器長が短いほど波長変化量を大きくできる。特にλ共振器であれば波長変化量を７０ｎｍときわめて広くできる。

なお、波長調整層のパターン形成層に形成されるパターンとしては、図２に示すものに限られず、さまざまなパターンを使用することができる。図８は、パターン形成層に適用できるパターンの他の態様の例を示す図である。図８（ａ）は、半径ｒの円柱状の凸部が、ｘ方向にはΛ_ｘのピッチ、ｙ方向にはΛ_ｙのピッチで格子状に並んだパターンが形成されているものである。図８（ｂ）は、ｘｙ平面での断面がひし形状の凸部が、ｘ方向にはΛ_ｘのピッチ、ｙ方向にはΛ_ｙのピッチで格子状に並んだパターンが形成されているものである。図８（ｃ）は、半径ｒの円柱状の凸部が、ピッチがΛの三角格子状に並んだパターンが形成されているものである。図８（ｄ）は、円柱状の凸部が、同心円の上に並んだパターンが形成されているものである。また、図８（ｄ）では、同心円の半径Ｒが大きくなるにつれて、円柱状の凸部の半径が大きくなっている。これによって、同心円を含む所定幅の円環領域における凸部の面積の割合を、円環領域の半径に依らず一定にすることができる。その他、凸部を同心円状に形成したパターンや、放射状のパターンも使用できる。さらには、これらのパターンの凸部とそれ以外の部分を反転させ、凸部を凹部としたパターンも使用できる。

各パターンの適用範囲は特に限定されるものではないが、凸部を同心円状に形成したパターン、放射状のパターンや、図８（ｄ）に示すパターンは、等方性が高いため、偏波依存性が低い面発光レーザ素子に使用するのにより好適である。また、図２、図８（ａ）〜図８（ｃ）のパターンは、異方性が高いため、単一偏波面発光レーザ素子に使用するのにより好適である。

また、上記のパターンのピッチ（Λ_ｘ、Λ_ｙ、Λ等）は、レーザ光Ｌ１の幅Ｗ（１／ｅ^２幅）よりも十分小さいことが好ましく、たとえばΛ_ｘ、Λ_ｙ、Λ＜Ｗ／５であることが好ましい。これによって、レーザ光Ｌ１の電界分布の範囲内に十分な量のパターンを含ませることができるので、パターンの密度の変化による実効光学長の変化がより平均化されることにより、レーザ発振波長の制御性が高くなるとともに設計も容易になる。

また、上記の凸部のサイズ（２ａ_ｘ、２ａ_ｙ、ｒ等）は、レーザ光Ｌ１の光共振器内での波長λ／ｎ_ｅｆｆよりも小さいことが好ましく、たとえば２ａ_ｘ、２ａ_ｙ、ｒ＜λ／ｎ_ｅｆｆであることが好ましい。これによって、レーザ光Ｌ１が凸部で散乱される成分が少なくなり、光損失が低減するので、出力されるレーザ光Ｌ１の強度が高くなる。

また、上記の凸部の深さΔｄは、パターンのピッチ（Λ_ｘ、Λ_ｙ、Λ等）よりも十分小さいことが好ましく、たとえばΔｄ＜Λ_ｘ、Λ_ｙ、Λであることが好ましい。これによって、凸部とそれ以外の部分でのレーザ光Ｌ１の定在波の位相ずれが十分小さくなる。

（実施の形態２）
図９は、実施の形態２に係る面発光レーザアレイ素子の模式的な断面図である。図９に示す面発光レーザアレイ素子１０００は、図１に示す実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００と同様の構成を有する複数の面発光レーザ素子２００、３００、４００、５００が１次元的にアレイ状に配列した構成を有する。なお、各面発光レーザ素子２００、３００、４００、５００は、共通の基板１、下部ＤＢＲミラー２およびｎ型コンタクト層３を備えている。また、各面発光レーザ素子２００、３００、４００、５００は、それぞれ波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２を備えている。

図１０は、図９に示す各面発光レーザ素子の波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２を示す図である。波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２は、それぞれ、第１の屈折率を有するパターン形成層２１２ａ、３１２ａ、４１２ａ、５１２ａと、第１の屈折率とは異なる値の第２の屈折率を有するパターン保護層２１２ｂ、３１２ｂ、４１２ｂ、５１２ｂとが積層した構造を有する。また、パターン形成層２１２ａ、３１２ａ、４１２ａ、５１２ａにはいずれも図２に示すパターン形成層１２と同様のパターンが形成されているが、パターン形成層２１２ａ、３１２ａ、４１２ａ、５１２ａにおけるパラメータ２ａ／Λ（すなわち、パターンにおける凸部の面積比率）は互いに異なっている。これによって、波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２の層厚方向の実効光学長も互いに異なるので、面発光レーザ素子２００、３００、４００、５００は互いにレーザ発振波長が異なるレーザ光を出力することができる。

波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２は、パターン形成層とパターン保護層との積層構造からなる点は同じであり、そのパターンの面積比率のみが異なるものであるから、マスクパターンを場所に応じて変更するだけで、同一の工程（マスクパターン形成工程とエッチング工程）で形成することができる。また、同一の工程で形成できるので、たとえばパターンの凸部の深さの波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２毎のばらつきも小さい。また、たとえば凸部の深さに製造上誤差が生じたとしても、同一の工程で形成すれば、その誤差については、各波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２間でのばらつきは少ない。そのため、各面発光レーザ素子２００、３００、４００、５００間でのレーザ発振波長の相対的な差にばらつきが生じにくいので好ましい。

なお、本実施の形態２に係る面発光レーザアレイ素子１０００では、面発光レーザ素子２００、３００、４００、５００のレーザ発振波長を互いに異なるようにしているが、波長調整層２１２、３１２、４１２、５１２の層厚方向の実効光学長を同一とすれば、面発光レーザ素子２００、３００、４００、５００のレーザ発振波長をより高精度に同一とすることもできる。
本実施の形態２では、面発光レーザが１次元的にアレイ状に配列した構成をとっているが、これに限定されず、２次元的なアレイ状に配列した構成であってもよい。本発明を用いれば、異なる波長あるいは同一波長を有する面発光レーザ素子を任意に配置した２次元的なアレイ構成を実現することが可能である。

上記実施の形態では、波長調整層は、互いに屈折率が異なるパターン形成層とパターン保護層とが積層した構造である。しかし、波長調整層の構成としては、これに限定されず、レーザ光の電界分布の幅内の領域に対応する波長調整層の面内で、位置によって層厚方向の実効光学長が異なる構成であればよい。

たとえば、波長調整層は、パターン形成層の単層から構成されていてもよい。その場合、パターン形成層の凸部の周囲が空隙となるように構成すれば、パターン形成層の屈折率と空気の屈折率との大きな屈折率差によって、波長調整量をより大きくできる。

また、波長調整層の位置は、光共振器内であれば特に限定はされない。また、波長調整層において、層厚方向の光学長が面内位置によって異なる領域は、少なくとも光共振器内で発振するレーザ光の電界分布の幅内の領域であればよいが、当該幅の領域外まで広がっていてもよい。

また、本発明に対して使用できる面発光レ−ザ素子は、図１に示す構成のものに限定されない。たとえば、本発明は、イントラキャビティ構造でない面発光レーザ素子にも適用できる。すなわち、活性層に注入されるキャリアが、下部ＤＢＲミラーおよび／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にも本発明は適用できる。キャリアを注入する経路となるＤＢＲミラーは半導体材料で構成することが好ましい。

また、上記実施の形態では、活性層の下部にｎ型半導体層が配置され、活性層の上部にｐ型半導体層が配置されているが、活性層の上部にｎ型半導体層が配置され、活性層の下部にｐ型半導体層が配置されていてもよい。

また、上記実施の形態では、１．０μｍ波長帯用にその化合物半導体の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、所望のレーザ光の発振波長に応じて適宜設定されるものであり、特に限定はされない。たとえば、各半導体層を構成する半導体材料としてＩｎＰ系の材料を用いてもよい。

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 電流狭窄層
８ａ 開口部
８ｂ 選択酸化層
９ ｐ型スペーサ層
１０ 電流拡散層
１１ ｐ側電極
１２、２１２、３１２、４１２、５１２ 波長調整層
１２ａ、２１２ａ、３１２ａ、４１２ａ、５１２ａ パターン形成層
１２ａａ 凸部
１２ｂ、２１２ｂ、３１２ｂ、４１２ｂ、５１２ｂ パターン保護層
１３ 上部ＤＢＲミラー
１００、２００、３００、４００、５００ 面発光レーザ素子
１０００ 面発光レーザアレイ素子
Ｌ１ レーザ光
Ｐ プロファイル
Ｓ 発光領域

Claims (9)

1. 光共振器を構成する第１の反射鏡および第２の反射鏡と、
   前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された、発光領域を有する活性層と、
   前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された波長調整層と、
   を備え、前記波長調整層は、少なくとも前記光共振器内で発振するレーザ光の電界分布の幅内の領域で、層厚方向の光学長が面内位置によって異なることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記波長調整層は、第１の屈折率を有し、凸部または凹部のパターンが形成されたパターン形成層を有す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. 前記波長調整層は、前記パターン形成層と、前記パターン形成層を覆うように形成され、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有するパターン保護層とが積層した構造を有す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. 前記パターン形成層および前記パターン保護層とは誘電体材料からなることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記パターン形成層は半導体材料からなり、前記パターン保護層は誘電体材料からなることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
6. 単一モードレーザ光を出力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. 複数の請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子を備えることを特徴とする面発光レーザアレイ素子。
8. 前記複数の面発光レーザ素子は、前記電界分布の幅内の領域で層厚方向の実効光学長が互いに異なり、かつ互いにレーザ発振波長が異なることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザアレイ素子。
9. 前記複数の面発光レーザ素子は、前記パターン形成層のパターンが互いに異なることを特徴とする、請求項２を引用する請求項８に記載の面発光レーザアレイ素子。

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