JP3717215B2 - 面発光レーザ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光レーザ、特に、連続波長（cw）出力を有する垂直キャビティ(vertical cavity)面発光レーザ（VCSEL)に関する。VCSELは、直線および２次元アレイであるので比較的製造し易く、レーザプリントおよび走査、光相互接続、ファイバー通信、光並行処理、データ記憶および表示など広範囲に使用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
典型的に、VCSELは、光を成長板と垂直な方向に放射するエピタキシャル型半導体 p-i-n 層構造である。光キャビティが、それぞれ９９％を越える反射率（Ｒ）を有する、典型的に４分の１波長（λ/４）半導体または誘電分散形ブラッグ反射板（ＤＢＲ)からなる上および下ミラーを有する薄い（１μｍ程度の）ファブリ・ペローのエタロンの中心に配置される。発光源を供給する１つ以上の光活性層は、光キャビティにおいて電界分布の波腹になるよう配置され、光利得特性が、エタロンの透過共振に合致する。上および下スペーサ層は、通常、上ミラーと下ミラーとの間の光キャビティの必要な長さを規定する活性層の上および下にそれぞれ配設されている。
【０００３】
VCSELに対して考え得る応用の多くは、出力ビームプロファイルのガウス特性に依存している。単一縦モード動作は、ミラーのストップバンド内の唯一のファブリ・ペロー共振を有するように設計されたVCSELに固有のものであるが、横モード特性は、それ程制御されてない。直径が小さく（＜５μｍ）、指標ガイドされた「エッチングされたピラー」型VCSELは、TEM00単一横モード動作を示し得るが、処理が難しく、活性量が少なく、表面散乱および回折損失を有し、その結果、低電力動作となる。さらに実用的な、直径の大きな（〜１５-２０μｍ）利得ガイドされたVCSELは、閾近くで基本的横モードで動作され得るが、空間ホールバーニング熱レンジングと自己集束との組み合わせのために、閾以上ではより高オーダーの横モード特性を発達させ得る。
【０００４】
Morgan,R.A.らは、「垂直キャビティ上面発光レーザの横モード制御」、IEEE Photon.Tech.Lett.4、374(1993)において、上金属リングコンタクトにおける中央出口窓、および「利得ガイド」アパーチャ(aperture)（後者はマスクを用いるＨ+注入によって規定されている）の直径それぞれｗおよびｇが、別々に調節される、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層構造を有するVCSELを開示している。コンタクト窓の直径ｗは、単一モード放射を選択するように小さな値（≦５μｍ）に調整され、一方、利得ガイドアパーチャの直径ｇは、処理生産性および十分に低い電圧を維持するのに十分に大きく（典型的に１５-２０μｍ）なるように制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術においては、次に示す問題があった。即ち、上記の従来技術の構造を用いても、VCSELの最大連続波長単一横モード動作出力は２.６ｍＷ以下に制限されるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、連続波長単一横モード動作出力を向上するVCSELを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による面発光レーザは、発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、および該ＭＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、該ＭＱＷ活性領域が、その周辺部より中心部により多くの数の量子井戸を有するように形成され、これにより上記目的が達成される。
【０００８】
より好適には、前記活性領域は、前記周辺部が単一量子井戸（ＳＱＷ）を有するように形成されている。
【０００９】
より好適には前記量子井戸の数は、前記中心部と前記周辺部との間に配置されている中間部を介して該中心部から該周辺部へ実質的に漸次減少する。
【００１０】
より好適には、前記中心部は、一般的に、単一基本横モード出力を生成する前記活性領域のモード領域に限られる。
【００１１】
より好適には、前記活性領域の中心部が、約５μｍ以下の直径を有する。
【００１２】
より好適には、前記活性領域は、その断面領域のどこにおいても同数ｎの量子井戸を有するＭＱＷ活性領域を形成し、それから、前記周辺部の該量子井戸の少なくとも１つ（好適には、ｎ−１量子井戸）を除去することによって製造されたものである。
【００１３】
本発明による面発光レーザは、発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、電流を該ＭＱＷ活性領域へガイドする電流ガイド領域、および該活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、該電流ガイド領域が、比較的小さなアパーチャを有し該ＭＱＷ活性領域の中心部へ延びている第１の電流ガイド部および比較的大きなアパーチャを有する第２の電流ガイド部を有するように形成され、これにより上記目的が達成される。
【００１４】
より好適には、前記電流ガイド領域の前記第１および第２の電流ガイド部は、電気抵抗を増加させるためにイオン注入によって形成されたものである。
【００１５】
より好適には、前記第１および第２の電流ガイド部は、深さが異なるイオン注入部を有する。
【００１６】
本発明による面発光レーザは、発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、および該ＭＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、該ミラーの１つは、ミラーの断面領域の中心部における構造が該断面領域の周辺部の構造と異なる層構造を有し、これにより上記目的が達成される。
【００１７】
より好適には、前記ミラーの前記１つの層構造は、前記周辺部より前記中心部において層の数が多い。
【００１８】
より好適には、前記ミラーの前記１つの層の数が、前記中心領域から前記周辺領域へと実質的に漸次減少する。
【００１９】
より好適には、前記ミラーの前記１つが、前記レーザの出力ミラーである。
【００２０】
以下、作用について説明する。
【００２１】
本発明の第１の局面によると、発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、およびＭＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、ＭＱＷ活性領域は、その周辺部よりもその中心部に、より多くの数の量子井戸を有するように形成されている面発光レーザを提供している。
【００２２】
好適には、活性領域は、周辺部が単一量子井戸（ＳＱＷ）を有するように形成されている。
【００２３】
また、好適には、量子井戸の数は、中心部と周辺部との間に配置されている中間部を介して、中心部から周辺部へ実質的に漸次減少する。
【００２４】
通常、中心部は、単一基本横モード出力を生成し、典型的に約５μｍ以下の直径を有する活性領域のモード領域に限られる。
【００２５】
好適には、活性領域は、その断面領域のどこにおいても同数ｎの量子井戸を有するＭＱＷ活性領域を形成し、それから、（例えば、選択的エッチングにより）、周辺部の少なくとも１つの量子井戸（好適には、ｎ-１量子井戸）を除去することによって製造されたものである。
【００２６】
本発明の第２の局面によると、発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、電流をＭＱＷ活性領域へガイドする電流ガイド領域、および活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、電流ガイド領域が、比較的小さなアパーチャを有しＭＱＷ活性領域の中心部へ延びている第１の電流ガイド部および比較的大きなアパーチャを有する第２の電流ガイド部を有するように形成されている面発光レーザを提供している。
【００２７】
電流ガイド領域の第１および第２の部分は、好適には、電気抵抗を増加させるためにイオン注入によって形成されたものである。イオンは、注入された材料を考慮し適切であればどんなイオンでもかまわない。例えば、ＧａＡｓ以外の材料には、注入されるイオンはＯ2-でかまわないが、ＧａＡｓ材料にはＨ+であり得る。
【００２８】
好適には、第１および第２の電流ガイド部は、深さが異なるイオン注入部を有する。電流ガイド領域は、活性領域の深さの少なくとも一部に延びるかまたは、光キャビティのスペーサ領域の深さの少なくとも一部に延びるかまたは、スペーサ領域の深さの少なくとも一部および活性領域の深さの少なくとも一部に延び得る。
【００２９】
本発明の第３の局面によると、発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、およびＭＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、（好適には、レーザの出力ミラーを規定する）ミラーの１つは、ミラーの断面領域の中心部における構造が断面領域の周辺部の構造と異なる層構造を有している面発光レーザを提供している。
【００３０】
本発明の第３の局面の１つの実施態様において、ミラーの１つの層構造は、周辺部より中心部において層の数が多い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の第１、第２および第３の局面をさらに詳しく図面を参照して説明する。
【００３２】
図１において、従来のVCSELは、下ＤＢＲミラー１２を順次形成する半導体基板１０、下半導体スペーサ領域１４、ＭＱＷ活性領域１６、上半導体スペーサ領域１８、上ＤＢＲミラー２０および中央出口窓２４を有する上金属リング電気コンタクト２２を備えている。上ミラー２０は、VCSELの出力ミラーを形成する。ＤＢＲミラー１２および２０は、高および低反射率を有する多数のペアの４分の１波長ミラー層、典型的には、３０以上のペアのミラー層のそれ自体公知の方法で形成される。下電気コンタクト（図示せず）は、基板１０の下側に設けられる。VCSELからの光出力は、矢印Ｏの方向である。
【００３３】
VCSELは、利得ガイドされた構造を提供するために、半径の内側へのＨ+イオン注入により形成される円形電流ガイド領域２６を有する。円形領域２６は、典型的に、利得ガイド直径を表す１５−２０μｍの内径を有する。図１において、領域２６は、円筒内面を有するはっきりした限界の明確な内周辺を有するように示されている。しかし、これらの部分は、実際は、領域２６を形成するために用いられたイオン注入工程の本来の性質のために僅かに曲がっている（同様のことが図２から図４の対応部分に当てはまる）。図１に示された実施態様において、出口窓２４の直径は、電流ガイド領域２６の内径とほぼ同じである。このような構造の欠点は、閾を越えると、熱レンジング、空間ホールバーニング、自己集束および不均一電流注入などの多くの効果のため、光出力対 VCSELの電流特性において「キンク」を伴う高オーダーの横モードが現れることである（上記のMorgan、R.A.参照）。この欠点を軽減するために、Morgan、R.A.らは、レージングをTEM00モードに制限するために、出口窓２４の直径を≦５μｍにまで減少させることを提案している。しかし、このように窓直径を減少しても、VCSELの最大連続波長（cw)単一横モード電力出力はなお２.６ｍＷ以下に制限されている。
【００３４】
図２において、本発明の第１の局面によるVCSELの実施態様は、図１と同様の構造を有し、同様の部分は同じ参照符号で示されている。VCSELの光キャビティは、ｎλ/2(λは、放射光の波長であり、ｎは整数）の長さを有し、活性領域１６ならびに上および下スペーサ領域１８および１４によって規定されている。本実施態様において、ＭＱＷ活性領域１６は、先ず、下スペーサ領域１４の上に数層（本実施態様では５層）の量子井戸の層をエピタキシャルに堆積し、それから、活性領域１６が、中央部１６ａにおいては全数の量子井戸から、〜５μｍ離れた領域１６の周辺部１６ｂにおいて単一井戸へと漸次減少するように層構造を放射状にエッチングすることによって形成される。量子井戸の数の減少は、部分１６ａと１６ｂとの間の円形中間部１６ｃにおいて実質的に漸次減少する。この構造は、その上に上スペーサ領域１８それから上ＤＢＲミラー２０となる。
【００３５】
その必要な放射プロファイリングを生成するための活性領域１６のエッチングは、ウェット化学エッチングまたはドライエッチングで行い得る。ドライエッチングは、フォトレジストディスクの溶融を二次的ドライエッチング用のレンズライク（lens-like)マスクを生成するために行うマイクロレンズ製造工程を用いて行われ得る（例えば、(i)Matinaga、F.M.ら「４Ｋでの半球形マイクロキャビティ単一量子井戸の低閾動作」、Appl.Phys.Lett.62、443(1993)、 (ii) Daly、D.ら「フォトレジストの溶融によるマイクロレンズの製造」。Meas.Sci.Technol.1(1990)759-766、 および(iii) Mersereau、K.ら[石英ガラスマイクロレンズアレイの製造および測定」、SPIE Vol.1751、Miniature and Micro-Optics(1992)、229-233を参照）。レンズライクマスクおよび活性領域が、同じ速度でエッチングされるエッチング方法を用いることによって、レンズライクマスクのプロファイルが、活性領域にエッチングされ得る。
【００３６】
量子井戸の光利得は、注入された電流が電子状態の密度のステップライク（step-like)形態のために増加するに従って飽和する。従って、単一量子井戸（ＳＱＷ）は、最低の注入電流強度で透明（transparency)に達するが、入手可能な全利得は、多重量子井戸（ＭＱＷ）になるに従い高くなる。モード中心でのＭＱＷから周辺エッジでのＳＱＷへの構造を放射状にエッチングすることによって、適切に高い電流注入条件下で、入手可能な全利得は放射状に変化し、基本横モードの維持の寄与することが確実になる。この構造によって、VCSELからの連続波長（CW)単一横モード電力出力の向上が可能であると考えられる。
【００３７】
同様の効果が、図３の実施態様に示される構造によって達成され得る。ここでは、活性領域を放射状にプロファイルするのではなく、イオン注入の位置および深さを制御し、特定の電流パターンを規定する特定に成形された電流ガイド領域２６を生成する。イオン注入工程のイオン注入量の半径制御が、２つのステップにおいて、異なった半径深さで行われ、電流ガイド領域２６の周辺は、小さな内径（〜５μｍ）を有する第１の円形電流ガイド部２６ａおよび大きな内径（〜１０μｍ）を有する隣接する第２の円形電流ガイド部２６ｂによって規定されている。本実施態様において、部分２６ａは、上スペーサ領域１８で形成され、部分２６ｂは、部分的に上スペーサ領域１８および部分的に活性領域１６に形成されている。
【００３８】
部分２６ａの効果は、電流を主に活性領域１６の中心部１６ａを流れさせることであり、一方、部分２６ｂは、十分な電流が中間および周辺領域１６ｃおよび１６ｂに流れることを可能にし、レージングがそこに起こるようにする。図３において、活性領域１６の量子井戸の１つは、電流ガイド部２６ｂの内周辺によって境界が定められているように示されている。構造的にいうと、活性領域１６は、電気抵抗を増加させるためにイオン注入された活性領域１６の一部を含む電流ガイド領域２６ｂを通って外側に延びている。要求される電気抵抗を与えるのに必要な割合のイオン注入は、活性領域１６の光透明度に実質的に影響しない。しかし、増加した電気抵抗のために、部分２６ｂは、機能的に活性領域１６の一部であるとみなされない。これは、VCSELが作動する電圧入力レベルで、部分２６ｂを通る電流が、そのような部分でレージングが起こるのに必要な閾電流より低いためである。
【００３９】
図３に示すように、電流ガイド部２６ａおよび２６ｂは、発光方向Ｏにおいて互いに位置がずれている。部分２６ａは、下向きすなわち窓２４から離れて開いているファンネル構造が形成されるように窓２４の近くに位置している。しかし、上向きに開いているファンネル構造は、電流ガイド部２６ｂを部分２６ａより窓２４に近くに形成することによって設けられ得る。
【００４０】
VCSELは、このようなレーザにおける活性層は非常に薄いのでパス毎に小さな利得有するのみである。つまり、ミラー反射率は非常に高くなくてはならない（＞９９％）。これを達成するために、通常、前述したように、３０以上の４分の１波長ミラーペアからＤＢＲミラーを形成する。本発明の第３の局面によると（図４参照）、出力ＤＢＲミラー２０の層構造は、図２または図３に関連して上記したようなプロファイルに代わってまたはつけ加えて大幅な半径消失を生成するようにプロファイルされている。ミラー２０のこのプロファイルは、モード中心から数マイクロメートル１つまたは２つのミラーのペアを除去（例えば、エッチング）することによって行われ得る。従って、ミラー層構造は周辺部と中心部とでは異なった構造を有している。これは、図２に関連して上記したマイクロレンズ型ドライエッチング工程によって行われ得る。図４の実施態様において、エッチングは、TEM00単一横モード動作を促進するような方法で、他の横モードの反射が優勢である、ミラー２０のそれらの周辺部の反射率を減少させることによって行われている。この結果は、不要な横モードの放射の活性化を減少させることである。
【００４１】
異なるモード形状を生成するようにミラー２０の半径消失プロファイルを配置することもまた本発明のこの第３の局面の範囲内である。例えば、モード中心で１つまたは２つのミラーペアのエッチングは、「ドーナッツ」型横モードプロファイルを形成することによって行われ得る。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、連続波長単一モード電力出力の向上を可能にするVCSELを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電流ガイド領域を有する従来のVCSELの模式図。
【図２】本発明の第１の局面によるVCSELの実施態様の模式図。
【図３】本発明の第２の局面によるVCSELの実施態様の模式図。
【図４】本発明の第３の局面によるVCSELの実施態様の模式図。
【符号の説明】
１２ 下ミラー
１６ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域
２０ 上ミラー
２６ 電流ガイド部

Claims (12)

  1. 発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域と、該ＭＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ設けられた上および下スペーサ層とを有する光キャビティ、および該上および下スペーサ層の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、前記上および下ミラーが配置された領域において、該ＭＱＷ活性領域が、その周辺部より中心部により多くの数の量子井戸を有するように形成されている面発光レーザ。
  2. 前記活性領域は、前記周辺部が単一量子井戸を有するように形成されている請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 前記量子井戸の数は、前記中心部と前記周辺部との間に配置されている中間部を介して該中心部から該周辺部へ実質的に漸次減少する請求項１または２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記中心部は、一般的に、単一基本横モード出力を生成する前記活性領域のモード領域に限られる請求項１、２または３に記載のレーザ。
  5. 前記活性領域の中心部が、約５μｍ以下の直径を有する請求項４に記載の面発光レーザ。
  6. 前記活性領域は、その断面領域のどこにおいても同数ｎの量子井戸を有するＭＱＷ活性領域を形成し、それから、前記周辺部の該量子井戸の少なくとも１つを除去することによって製造されたものである請求項１、２、３、４または５のいずれかに記載の面発光レーザ。
  7. 発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、電流を該ＭＱＷ活性領域へガイドする電流ガイド領域、および該活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、
    該電流ガイド領域が、該ＭＱＷ活性領域の中心部にアパーチャを有する第１の電流ガイド部および該ＭＱＷ活性領域の中心部に該第１の電流ガイド部のアパーチャよりも大きなアパーチャを有する第２の電流ガイド部を有するように形成されており、
    該第２の電流ガイド部は、該第１の電流ガイド部よりも下ミラー側に配置されている面発光レーザ。
  8. 前記電流ガイド領域の前記第１および第２の電流ガイド部は、電気抵抗を増加させるためにイオン注入によって形成されたものである請求項７に記載の面発光レーザ。
  9. 前記第１および第２の電流ガイド部は、深さが異なるイオン注入部を有する請求項７または８に記載の面発光レーザ。
  10. 発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、および該ＭＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザであって、
    該上および下ミラーの１つは、該ミラーの断面領域の中心部における構造が該断面領域の周辺部の構造と異なる層構造を有しており、
    前記上および下ミラーの１つは、前記活性領域における周辺部の反射率を中心部の反射率よりも低くすることによって該活性領域を単一横モードとするために、前記層の数を、前記中心領域から前記周辺領域へと実質的に漸次減少させている、面発光レーザ。
  11. 前記上および下ミラーの１つの前記層構造は、前記周辺部より前記中心部において層の数が多い請求項１０に記載の面発光レーザ。
  12. 前記上および下ミラーの１つが、前記レーザの出力ミラーである請求項１０または１１に記載の面発光レーザ。
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