JP2014203894A - 位相同期長波長帯面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】高速直接変調可能で、高光出力が可能なＩｎ−ｐｈａｓｅの面発光レーザアレイ素子を実現する。
【解決手段】ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板上の第１の反射鏡と、第１の反射鏡上の第１のスペーサー層および活性層と、活性層上の第２のスペーサー層と、第２のスペーサー層内の一面に並べられたトンネル接合層と、スペーサー層上の第２反射鏡とから構成される面発光レーザにおいて、トンネル接合層は、面発光レーサアレイの複数の素子と、複数の素子の間に配置された光利得を有する層とから構成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザに関し、詳細には面出射形の半導体レーザアレイに関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、低消費電力、高速伝送が可能といった優れた可能性を持ったデバイスで、パソコン用マウスや、Ｅｔｈｅｒ系短距離通信用の光源として広く実用化されている。またレーザ共振器長が従来の導波型に比べ、２桁程度短い構成が可能なためフォトンのライフタイムが短く、高速変調動作に有利なデバイス形態となっている。しかしながら、面発光レーザは、短共振器であるため、光利得長も極端に短い構造となり、レーザ発振を達成するためには出射面の反射率をきわめて高くする必要が生じる。

そのため本質的に、高光出力を得ることが難しいといった問題点があり、多くの場合、所望の光出力を得るために、出射面積を増大させるという方法がとられていた。

面発光レーザを短距離通信用として用いる場合は、前述のように出射面積を増大させるという手法で充分であったが、これを長距離光伝送用光源とする場合には、従来の条件に加え、単一横モードおよび高光出力を同時に満足させることが必須となる。単純に出射面積を増大させるために面発光レーザの素子のサイズ大きくすると、面発光レーザの出射形状の近視野像がマルチモードになり、それに対応して伝搬定数が変わるため、縦モードもマルチモード化して、長距離高速光伝送が不可能となる。そこで単一横モード化を満足させるように、素子径を小さくすると、今度は発光径の減少にともない光出力の低下が生じ、これも結果的に長距離光通信用には不適なデバイスとなっていた。

そこで前述の問題を解決するために、面発光レーザを、横モードは単一になるような素子径（出射面積）に設定し、各素子が単一条件の状態で素子をアレイ化し、そして素子間どうしの位相を同期する位相同期レーザとする手法が考えられる。（非特許文献１）これは、面発光レーザアレイの素子間に光結合を行うことで素子どうしの位相がロックするという現象（ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋ）を用いたものである。全素子間の位相が同相（ｉｎ−ｐａｈｓｅ）でロックされると遠視野像の出射ビームは単峰性となり、光出力も素子数に応じて増加させることが可能となるから、面発光レーザアレイの素子全体としてあたかも一素子で単一モードのレーザ発振している様に振る舞い、コヒーレンス性を失わずに高光出力を得ることが可能となる。さらに出射光は干渉光となり、遠視野像が数度以下の半値全幅となり、光ファイバーへの結合が、ほぼ１００％を達成することが容易に可能となる。

Semiconductor laser Conf. 2000 pp61-62 D.Zhou and L.J.Mawst IEE Electronics lettersVo.46 No.10 2010 pp712-714 D.F.Siriani et al.

従来の面発光レーザにおいて、面発光レーザアレイの素子間どうしに光結合が生じた場合、素子と素子のちょうど中点に当たるところでは、電界強度が０となる方がエネルギー的に安定である。従って、単に光結合が生じるように素子を隣接しただけでは、となりの素子同士がちょうど逆相（ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅ）でｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋされる。図６は非特許文献１に記載の面発光レーザのａｎｔｉ−ｐｈａｓｅでｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋした場合の電界強度分布を示している。図６のように面発光レーザがａｎｔｉ−ｐｈａｓｅでｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋされると（６０６）、高光出力は得るが、出射ビームの形状は多峰性となり、光ファイバーとの高光結合が難しくなり、光伝送には不向きであるという問題があった。

ここで、Ｉｎ−ｐｈａｓｅの遠視野像を実現するためには、ＧａＡｓ系面発光レーザでは、出射面の半導体ＤＢＲを１ペア取り除いたり、フォトニック結晶を用いたりして実現していた（非特許文献２）。しかしながら長距離伝送には、光ファイバーの伝送損失を最小とするため、長波長（１．３−１．５５μｍ）の発光材料であるＩｎＰ系の材料が想定され、構造面と材料面の制約から半導体ＤＢＲが用いられなかったり、精密な加工精度が必要なフォトニック結晶は作製しにくく、かつ空孔を設けると光の散乱ロスが大きくなり高光出力が得られにくいという問題点があり、高光出力で、ｉｎ−ｐｈａｓｅの位相同期ＶＣＳＥＬは長波長帯では達成できていなかった。

本発明は上記の課題を解消する目的として、高速直接変調可能で、高光出力が可能なｉｎ−ｐｈａｓｅの面発光レーザアレイの素子を実現するために、素子間に光利得を有する層を特徴とする。これにより、ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅよりもｉｎ−ｐｈａｓｅのモードの方がエネルギー的に安定なｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋしやすい構造を提供するものである。

具体的には、請求項１に記載の発明は、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上の第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上の第１のスペーサー層である活性層と、前記活性層上の第２のスペーサー層と、前記第２のスペーサー層内の一面に並べられたトンネル接合層と、前記スペーサー層上の第２反射鏡とから構成される面発光レーザにおいて、前記トンネル接合層は、前記面発光レーザアレイの複数の素子と、前記複数の素子の間に配置された光利得を有する層とから構成されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の面発光レーザの前記トンネル接合層が、高濃度ドープしたｐ＋−ＡｌＧａＡｓ／ｎ＋−ＩｎＧａＡｓであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の面発光レーザの前記トンネル接合層が、前記面発光レーザアレイの複数の素子と、前記複数の素子の間に配置された光利得を有する層とが行方向および列方向に交互に配置されることを特徴とすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の面発光レーザ前記トンネル接合層が、前記素子部分を直径７μｍ以下の円形とし、前記光利得を有する層を１μｍ以下の円形とし、前記素子部分の間隔６μｍ以下としたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明の位相同期面発光半導体レーザによれば、同相（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）でｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋしたアレイレーザが実現する。これにより、縦モード、横モード単一で、かつ高光出力が可能となり、長距離光ファイバー伝送用光源として、高出力かつ高速直接変調で動作する面発光レーザの適用が可能となる。

本発明の第１の実施形態における１．３μｍ帯の長波長面発光半導体レーザの断面構造を示す図である。 図１に示す長波長面発光半導体レーザの製造において行ったトンネル接合面のパターンを示す図である。 図１に示す長波長面発光半導体レーザの特性を示す図表である。 図１に示す長波長面発光半導体レーザの室温（２０℃）での小信号特性を示す図である。 図１に示す長波長面発光半導体レーザの電界強度分布を示す図である。 非特許文献１に記載の従来の面発光レーザの電界強度分布を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施形態における１．３μｍ帯の長波長面発光半導体レーザ１００の断面構造を示す図である。長波長面発光半導体レーザ１００は、ＩｎＰ基板１０１と、屈折率の異なるｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰ層が交互に積層された第１の反射鏡１０２と、ｎ−ＩｎＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ圧縮歪活性層（１０３）と第１のスペーサー層１０４―０と、ｐ−ＩｎＰ第２のスペーサー層１０４−１および１０４−２と、素子部分１０５−１および中間光利得領域１０５−２からなるトンネル接合層１０５と、屈折率の異なる変性したＧａＡｓ／Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層が積層された第２の反射鏡層１０６とにより構成される。

ここで、長波長面発光半導体レーザ１００の製造工程について説明する。ＩｎＰ基板上１０１上に、ＭＯＣＶＤ法で、第１の反射鏡１０２として、１．３μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された、屈折率の異なるｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ（λｇ＝１．２μｍ）／ＩｎＰ層を５６ペア成長する。次に、第１の反射鏡１０２上にｎ−ＩｎＰの第１のスペーサー層１０４−０、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ圧縮歪活性層１０３、ｐ−ＩｎＰの第２のスペーサー層１０４−１、トンネル接合層１０５として高濃度ドープしたｐ＋−ＡｌＧａＡｓ／ｎ＋−ＩｎＧａＡｓを順次成長させる。第１のスペーサー層１０４−０と、活性層と、第２のスペーサー層とで構成されるレーザキャビティ長は５λ／２厚に設定した。

その後、トンネル接合層１０５を、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングして、面発光レーザアレイの素子部分１０５−１を直径６μｍ、中間光利得領域１０５−２を１μｍの円形な形状で形成し、素子部分１０５−１の間隔を６μｍ（円形のエッジからエッジまで）とし、それ以外の部分はエッチングで取り除き、素子数として３×３の計９素子の面発光レーザアレイを形成した。図２は、長波長面発光半導体レーザ１００の製造において行ったトンネル接合層のパターンを示すである。その後再度結晶成長を行い、ＩｎＰ層１０４−２で全体を覆う。最後に１．３μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なる変性したＧａＡｓ／Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層（第２の反射鏡）１０６を順次エピタキシャル成長させる。

デバイス形成工程として、上面に絶縁膜で直径１００μφの円形マスクを作製し、その後、ＳｉＣｌ_４ガスを用いて、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）でｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ＤＢＲ層をエッチングして、円形メサを形成する。その後、上下に発振ビームに当たらないように、ＡｕＧｅＮｉの電極を蒸着し、上面は反射率を上昇させるため金を蒸着し、下面は出射光を取り出すため、円形に電極を取り除き、レーザ発振した光が、活性層に戻るのを防ぐために、反射防止膜としてＳｉＯ_２膜を形成した。

図３は、長波長面発光半導体レーザ１００の特性を示す図表であり、（ａ）は長波長面発光半導体レーザ１００の構造電流−光特性を示す図である。デバイスは熱伝導性の良いｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃの層を下にして基板面から測定している。２０℃、閾値３０ｍＡにおいて、素子全体の最大１００ｍＡ時には、光出力４０ｍＷ、最高温度１１５℃までレーザ発振が確認された。また、発振スペクトルを観察するとｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋした場合の発振波長の統合が観測され、位相同期していることが観測された。

また、図３（ｂ）は長波長面発光半導体レーザ１００の出射方向の遠視野像を示す図である。Ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅの場合、遠視野像は、４つの多峰性が観測されるが、本発明の素子では単峰性をしていることから、Ｉｎ−ｐｈａｓｅでｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋされていることがわかり、素子間に設けた光利得層の効果が確認された。

図４に、長波長面発光半導体レーザ１００の室温（２０℃）での小信号特性を示す。１００ｍＡで４０Ｇｂｐｓの変調が可能であり、これにより、高出力、高速変調が実現された。

次に、本発明の作用を説明する。図５は、図１に示す長波長面発光半導体レーザ１００にｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋが生じた場合の横方向の電界分布を示す。図６のようにＶＣＳＥＬ間に光利得層がない場合は、隣同士の素子間で位相がπ異なり、素子間の中間地点で電界強度が０になるようにａｎｔｉ−ｐｈａｓｅでｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋする（６０６）。

一方、図５の様に素子間に光利得層があると、ｉｎ−ｐｈａｓｅでｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋした方がエネルギー的に安定なため、素子間の位相差は０となる。これにより、同相のアレイレーザが成立するため（５０６）、出射ビームが単峰性であり、高光出力化が可能となる。

１０１、５０１、６０１ ＩｎＰ基板
１０２、５０２、６０２ 第１の反射鏡
１０４−０、 第１のスペーサー層
１０３、５０３、６０３ 活性層
１０４−１、１０４−２ 第２のスペーサー層
１０５ トンネル接合層
１０５−１、５０４、６０４ 面発光レーザアレイ素子部分
１０５−２、５０７ 中間光利得領域
１０６、６０５ 第２の反射鏡
５０６ ｉｎ−ｐｈａｓｅでｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋした場合の電界強度分布
６０６ ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅでｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋした場合の電界強度分布

Claims (4)

1. ＩｎＰ基板と、
   前記ＩｎＰ基板上の第１の反射鏡と、
   前記第１の反射鏡上の第１のスペーサー層および活性層と、
   前記活性層上の第２のスペーサー層と、
   前記第２のスペーサー層内の一面に並べられたトンネル接合層と、
   前記スペーサー層上の第２反射鏡と
   から構成される面発光レーザにおいて、
   前記トンネル接合層は、前記面発光レーザアレイの複数の素子と、前記複数の素子の間に配置された光利得を有する層とから構成されることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記トンネル接合層は、高濃度ドープしたｐ＋−ＡｌＧａＡｓ／ｎ＋−ＩｎＧａＡｓであることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記トンネル接合層は、前記面発光レーザアレイの複数の素子と、前記複数の素子の間に配置された光利得を有する層とが行方向および列方向に交互に配置されることを特徴とすることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
4. 前記トンネル接合層は、前記素子部分を直径７μｍ以下の円形とし、前記光利得を有する層を１μｍ以下の円形とし、前記素子部分の間隔６μｍ以下としたことを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。

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