JP2017022344A - 面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】外部光源を設けることなく、緩和振動周波数を向上させて高速周波数応答が可能な面発光レーザを提供すること。【解決手段】面発光レーザ１は、活性層と、活性層で発振した発振光を反射する反射鏡と、面発光レーザの出射面側とは反対方向に出射する光を活性層側へ反射させる光反射層と、反射鏡と光反射層との間に形成され、光反射層により反射される戻り光が発振光と同位相の光となるように形成された位相制御層とを含み、活性層、反射鏡、光反射層および位相制御層は、同一の基板上に積層されている。【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザに関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ: Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、低消費電力や高速伝送である点で優れたデバイスであり、近年、パソコン用マウスやEther系通信用光源として実用化されている。ＶＣＳＥＬでは、高い反射率を有するミラーの間にキャビティが形成され、これにより光利得長が極めて短くなっている。このため、共振器内のフォトンライフタイムが通常の導波型レーザに比べて極めて小さい。これにより、直接変調方式の場合は、低電流領域で数ギガヘルツ（GHz）の信号を発生させるのに適した構造となる。

しかしながら、近年、更なる通信速度の向上の要求が高まり、数十GHz以上の変調速度が必要となっているので、低コストや低消費電力の点で有利な直接変調方式では、従来のVCSELでは構造上そのような要求を実現するのが難しくなってきている。

変調周波数が10GHz程度までの場合、ＶＣＳＥＬの素子容量を小さくしてＶＣＳＥＬを作製すれば、直接変調方式の構造を実現できる。しかし、高速な伝送速度の要求に対しては、何らかの手段によって、緩和振動周波数の特性を向上させることが必須となる。緩和振動周波数は、共振器長、フォトン密度、フォトンライフタイム、電子のライフタイム、微分光学利得といった物理パラメータに依存するので、従来のVCSELでは、これらのどの物理パラメータにより上記緩和振動周波数の特性を飛躍的に向上させることは困難である。

従来、緩和振動周波数を向上させるため、光子共鳴現象を利用することによりＶＣＳＥＬのレーザ光の位相と同じ光を外部から入射させ、ＶＣＳＥＬ共振器内のフォトン密度を上昇させ、緩和振動を上昇させるようにしている（非特許文献１）。

L. Chrostowski,et.al., "50 GHz Optically Injection-Locked 1.55μm VCSELs," Photonics Technology Letters, Feb. 2006.

しかしながら、非特許文献１に開示された方法では、ＶＣＳＥＬの素子に加えて、別途光源を設ける必要があり、しかもこの場合、光源は、ＶＣＳＥＬの発振波長と極めて近い波長をもつようにしなければならない。これは、ＶＣＳＥＬは光利得長が短いため、レーザ発振するために上下に高反射膜層（反射鏡）を設け共振器Q値を大きくしており、この上下の反射鏡は外部からの入力光の波長の特性として、共振波長の異なる波長に対して反射率が極めて高くなるものを採用するので、共振器内の活性層内部に光が侵入できないからである。

本発明は、このような状況下においてなされたものであり、その目的は、外部光源を設けることなく、緩和振動周波数を向上させて高速周波数応答可能な面発光レーザを提供することである。

上記の課題を解決するための発明は、面発光レーザであって、活性層と、前記活性層で発振した発振光を反射する反射鏡と、前記面発光レーザの出射面側とは反対方向に出射する光を前記活性層側へ反射させる光反射層と、前記反射鏡と前記光反射層との間に形成され、前記光反射層により反射される戻り光が前記発振光と同位相の光となるように形成された位相制御層とを含み、前記活性層、前記反射鏡、前記光反射層および前記位相制御層は、同一の基板上に積層されている。

前記面発光レーザは、前記位相制御層に電界を印加するための電流ストッパー層をさらに含むようにしてもよい。

前記電流ストッパー層は、ｐ型ドープされて形成するようにしてもよい。

前記基板は、ＩｎＰまたはＧａＡｓで形成するようにしてもよい。

本発明によれば、外部光源を設けることなく、緩和振動周波数を向上させて高速周波数応答ができる。

本発明の実施形態における面発光レーザの断面例を示す図である。 面発光レーザにおける電流と光出力との関係を示す図である。 直接変調したときの面発光レーザの周波数と相対感度との関係を示す図である。

図１は、本発明の実施形態における面発光レーザ１の断面例を示す図である。

図１に示すように、面発光レーザ１は、ＩｎＰ基板１０を備えており、このＩｎＰ基板１０上に、基板側から順に、電流ストッパー層１６と、位相制御層１４と、第１反射鏡１３と、活性層１２と、トンネル接合層１５と、第２反射鏡１１とが積層されている。本実施形態では、反射鏡は、第１反射鏡１３と第２反射鏡１１とを含む。

基板１０の下には、下部電極３３および光反射層３４が形成される。下部電極３３はカソードであり、上部電極３１はアノードであり、電極３２はカソードである。光反射層３４によって光２２が反射し、その反射光２３が戻り光として位相制御層１４を介して活性層１２に戻る。

電流ストッパー層１６は、位相制御層に電界が印加されるようにｐドープのInAlAsで形成される。

位相制御層１４は、ノンドープのＩｎＡｌＡｓとＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）とを交互に５０ペア積層して形成される。この位相制御層１４によって、出射面１１Ａ側からの出射光２１とは反対方向に出射する光２２が発振光と同位相の光（反射光２４）となるように活性層１２（共振器）に戻ることになる。

第１反射鏡１３は、１.３μｍの光学波長の４分の１に相当する膜厚でかつ屈折率の異なるn-InAlGaAs (λg=1.2μm)/InP層を交互に５６ペア積層して形成される。

活性層１２は、１．３μｍ波長のＭＱＷにより構成され、基板側から、ｎ−ＩｎＰスペーサー層（第１スペーサー層）、InAlGaAs/ InAlGaAs 圧縮歪活性層、ｐ−ＩｎＰスペーサー層（第２スペーサー層）が形成される。なお、上記第1スペーサー層、上記圧縮歪活性層および上記第２スペーサー層で構成されるレーザキャビティ長は、３／２λ厚とする。

活性層１２は、上述のｎ−ＩｎＰスペーサー層、圧縮歪活性層およびｐ−ＩｎＰスペーサー層によって共振領域が形成される。この共振領域は、これらの半導体層中における発振光の位相変化量が２πとなるように設定されており、一波長共振器構造を形成する。

トンネル接合層１５は、高濃度ドープしたｐ⁺-ＩｎＡｌＧａＡｓ／ｎ⁺-ＩｎＧａＡｓで形成される。

第２反射鏡１１は、１.３μｍの光学波長の４分の１に相当する膜厚でかつ交互に積層された屈折率の異なるメタモルフィック（metamorphic）となる、Ｓｉドープされたｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層で形成される。

次に、上述した面発光レーザ１の作製方法について再度図１を参照して説明する。

まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、電流ストッパー層１６、位相制御層１４、第１反射鏡１３、活性層１２、トンネル接合層１５、第２反射鏡１１を基板１０上に順次成長させて積層する。この場合、第２反射鏡１１は、Ｓｉドープしたn型ＧａＡｓ／Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層を順次エピタキシャル成長させる。

デバイス形成工程では、デバイス上面に絶縁膜で直径６．５μｍのφの円形マスクを作製する。次に、ＳｉＣｌ₄ガスを用いて、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でメタモルフィックＤＢＲ層をエッチングして、円形メサを形成する。その後、各電極３１，３２，３３を設けるために、対応する半導体層にＡｕＧｅＮｉ電極を蒸着する。また、図１に示した光２２を活性層１２側へ反射させるため、光反射層３４としてのＡｕを基板１０裏面に蒸着する。このようにして本実施形態の面発光レーザ１が作製される。

図２は、面発光レーザ１における電流と光出力との関係を示してある。光出力が最大（４ｍＷ）になるのは、２０℃で注入電流が１３ｍＡの場合である。レーザ発振は、１１５℃まで確認することができる。

図３は、直接変調したときの面発光レーザ１の変調周波数と相対感度との関係を示してある。図３において、（ａ）は位相制御層１４への印加電圧が０ｖの場合、（ｂ）は位相制御層１４への印加電圧が５ｖの場合、を示す。

直接変調したときの小信号応答は、バイアス電流＝１２ｍＡ、電圧が０ｖの場合（（ａ）参照）、緩和振動周波数は１０ＧＨｚ程度となる。一方、印加電圧が５ｖの場合（（ｂ）参照）には、カットオフ周波数として ３０ＧＨｚ以上の動作となり、光子共鳴動作の効果により緩和振動周波数が増大することがわかった。

以上説明したように本実施形態の面発光レーザ１では、位相制御層１４によって、出射光２１とは反対方向に出射する光２２を、発振光と同位相の光として活性層１２（共振器）に戻すことになるので、これにより光子共鳴現象が生じて共振器内のフォトン密度が上昇し、緩和振動周波数が向上する。よって、周波数応答が高速となる。また、面発光レーザ１では、外部から光を入射する必要がないため、光学系のアライメントを容易に行うことができる。

本実施形態を詳述してきたが、具体的な半導体の材料や動作周波数等は実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。
例えば、上記実施形態では、長波長帯の面発光レーザについて説明しているが、ＧａＡｓ系の短距離用の面発光レーザに適用しても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
図１において、位相制御層１４は基板１０側に配置されているが、光の出射面を下面にし、位相制御層１４を上面に配置してもよい。
また、上記実施形態において、位相制御層１４はＭＱＷ層を用いているが、バルク結晶を用いてポッケルス効果のみによって位相制御層１４の位相制御機能を有するようにしてもよい。

１ 面発光レーザ
１０ 基板
１１ 第２反射鏡
１２ 活性層
１３ 第１反射鏡
１４ 位相制御層
１５ トンネル接合層
１６ 電流ストッパー層

Claims (4)

1. 面発光レーザであって、
   活性層と、
   前記活性層で発振した発振光を反射する反射鏡と、
   前記面発光レーザの出射面側とは反対方向に出射する光を前記活性層側へ反射させる光反射層と、
   前記反射鏡と前記光反射層との間に形成され、前記光反射層により反射される戻り光が前記発振光と同位相の光となるように形成された位相制御層と
   を含み、
   前記活性層、前記反射鏡、前記光反射層および前記位相制御層は、同一の基板上に積層されていることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記位相制御層に電界を印加するための電流ストッパー層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記電流ストッパー層は、ｐ型ドープされて形成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。
4. 前記基板は、ＩｎＰまたはＧａＡｓで形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。