JP3720454B2 - マルチモード光リンク用の低ノイズ表面発光レーザ - Google Patents

マルチモード光リンク用の低ノイズ表面発光レーザ Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、光伝送システムに関し、特に、多数の横モード又は多数のフィラメンテーション(filamentation)で動作する低ノイズの表面発光レーザを含む光通信網に関する。
【０００２】
【従来の技術】
或る場所から他の場所へと情報を運ぶために使用される光通信システムは、少なくとも次の３つの要素から構成される。
【０００３】
(1)光ビームを生成し、伝送すべきデータで前記光ビームを変調する送信器
(2)前記光ビームを受信し、その光ビームからデータを回復させる受信器
(3)前記送信器から前記受信器へと光ビームを運ぶ光ファイバ等の媒体
光は、光学媒体内を単一のモード又は多数のモードで伝搬可能である。
【０００４】
多数モードでの動作は、一般に、１つのレーザキャビティ内の多数のモードからなるものと理解されている。しかし、この多数モード動作は、非均一な利得又は損失に起因するフィラメンテーションと共に発生し得るものである。これは、波長と比べて大きな横寸法を有するレーザの場合に特に顕著である。便宜上、レーザの動作を説明するために本書で用いる「多数モード」及び「マルチモード」という用語は、単一のレーザキャビティにおける多数モードと多数フィラメンテーションとの両方を含むものとする。
【０００５】
所与の光学媒体は、多数のモードをサポートすることも、単一のモードのみをサポートすることもできる。これは、光学媒体の物理的な寸法及びパラメータによって決定され、光ファイバの場合には、その光ファイバの直径とコア及びクラッドの屈折率の差とによって決定される。
【０００６】
マルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いた光通信システムは、相互モード分散(intermodal dispersion)やモード選択損失（ＭＳＬ）に起因するモードノイズ等のパラメータによって性能が低下する。相互モード分散は、ファイバ長が長くなるにつれて悪化する。相互モード分散が影響を与えるのはマルチモードファイバだけでなので、長距離の場合には単一モードファイバ（ＳＭＦ）システムが好ましい。
【０００７】
図１は、単一モードファイバ及び単一モードで動作するレーザを用いた光通信システムに関する「相対強度ノイズ（ＲＩＮ）／周波数」をプロットしたものである。レーザの緩和発振は、レーザの特性変調周波数であり、キャビティ中の光子密度の２乗根に比例する。曲線102の緩和発振は、図１(a)の周波数軸上の点110により示されている。曲線104の緩和発振は、図１(b)の周波数軸上の点112により示されている。相対強度ノイズ（ＲＩＮ）のピークは緩和周波数で発生し、図１(a),(b)ではそれぞれ点114,116により示されている。
【０００８】
図１(a)のレーザと図１(b)のレーザとを比較すると、図１(b)のレーザは、同じ電流バイアスで図１(a)の鏡面反射率よりも大きな鏡面反射率を有している（反射率は、特定の鏡面の反射率として特に示さない限り、両方の鏡面の幾何平均反射率として定義される）。図１(a)のレーザよりも図１(b)のレーザの方が光子密度が高いので、図１(b)のレーザの緩和発振もまた図１(a)のレーザの緩和発振よりも高くなる。論説「Relative intensity noise of vertical cavity surface emitting lasers」(D.M.Kuchta et.al., Appl.Phys.Lett 62, 1993年3月15日，1194頁〜1196頁）には、単一モードレーザに関する相対強度ノイズと鏡面反射率との関係について記載されている。
【０００９】
電流密度が同一であると仮定した場合、曲線104で表されるレーザは一層高い緩和周波数を有するが、曲線102のレーザよりも効率が低い。通常、レーザは、光学的パワーと電気的パワーとの比ができる限り大きくなるよう効率が高くなるように設計される。効率を高くするには、最適化された出力を有するレーザを設計する必要がある。レーザは通常は、レーザの性能を低下させ得る過度の熱生成を最小限に抑えるために、効率が高くなるように設計される。
【００１０】
マルチモード光ファイバは、構成要素が低コストであるため、短距離光リンク（10km未満）で使用される。パッケージング及び位置合わせが比較的容易なことによってＭＭＦシステムが単一モードファイバシステムよりもかなり廉価になるので、マルチモードファイバは好適なものとなる。また数百メートル未満の距離で通信を行う場合には、既存の光通信システムはローカルエリア用にマルチモードファイバを使用している。
【００１１】
マルチモードレーザは通常は単一モードレーザよりもＲＩＮが高い。図２は、マルチモードファイバと多数モード／フィラメントで動作する垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とを用いた光通信システムに関する「相対強度ノイズ（ＲＩＮ）／周波数」をグラフにしたものである。マルチモードレーザは、多数の緩和発振周波数を有すると共に多数のＲＩＮピークを有する傾向にある。例えば、図２(a)に示す３つの曲線202,204,206は、マルチモードレーザの異なるモードの緩和周波数をそれぞれ表している。図２(b)に示すマルチモードレーザのＲＩＮは、曲線202,204,206の和を合成したものである。マルチモードレーザのＲＩＮは、レーザの異なるモード／フィラメントのＲＩＮを加算したものであり、マルチモードレーザのＲＩＮは通常は単一モードレーザのＲＩＮよりも高い。図１(a),(b)の曲線と図２(b)の曲線とを比較すると、レーザの出力が同じ場合には、図１(a),(b)のＲＩＮ120は全体的に図２(b)のＲＩＮ220よりも低い。また、マルチモードレーザのＲＩＮは曲線を加算したものなので、そのＲＩＮは、単一モードレーザのＲＩＮ波形よりも予想が困難な一層複雑な波形を有するものとなる傾向がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記より、マルチモードレーザを使用してデータを伝送する光通信システムによって１Gbit/secを超えるデータ伝送速度でデータを伝送するための低ノイズで高速で経済的な方法が必要であることは明らかである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マルチモード光学媒体上に最大1.0Gbit/sec又はそれ以上のデータ転送速度及び１×10-9誤り／ビット未満のビット誤り率でデータを高信頼性をもって伝送するために使用することができる低ノイズマルチモードＶＣＳＥＬを提供するものである。この低ノイズマルチモード表面発光レーザは、活性領域と、第１の導電型を有する第１のブラッグ鏡面領域と、第２の導電型を有する第２のブラッグ鏡面領域とを備えている。出力を最大限にし、ひいては効率が高くなるように最適な鏡面反射率が設計される従来のレーザとは対照的に、本発明では、鏡面反射率は、出力が最大出力の半分未満になる点まで増大される。マルチモードレーザの第１及び第２の鏡面領域の反射率は高く、典型的には最高反射率の鏡面では99.9％を越え、出力鏡面では99.5％を越える。
【００１４】
鏡面反射率が高くなると、ＲＩＮが減少し、後方反射に対するレーザ感度が低下し、眼の安全に関する要件を満たすために出力が低下され、レーザパワー消費量が低減する。典型的には、鏡面領域の高い反射率は、ＤＢＲ（分散ブラッグ反射鏡面）対の数を増加させてＱ（共鳴キャビティの線質係数(quality factor)）を増大させることにより達成される。マルチモードレーザの各モード／フィラメントがそれらに関するＱを１つずつ有することに留意されたい。レーザキャビティのＱを増加させると、キャビティ中の光子密度が高くなり、これにより、所与の出力での各モード／フィラメントの緩和発振の周波数が高くなる。その緩和周波数がＶＣＳＥＬの動作周波数よりも高い場合、Ｑの高いマルチモードレーザは、動作周波数において一層低いＲＩＮを示すものとなる。
【００１５】
更に、ＤＢＲの鏡面反射率を増大させると、様々な空間的なモード／フィラメントのしきい値が低下し、一層低いバイアスでの空間的なモード／フィラメントの形成に資することになる。従って、所与の出力では、Ｑの高い表面発光レーザは、広いスペクトルエンベロープ幅を有するものとなる。これは、システムのモードノイズに対する感度が低くなるように広いスペクトルエンベロープ幅が必要とされるマルチモードファイバリンクで使用するための大面積ＶＣＳＥＬに有利である。このため、反射率（Ｒ）を増大させるとＲＩＮが低下し、（個々のフィラメント及び高位モードの動作に起因して）スペクトルのエンベロープ幅が増大する。スペクトルのエンベロープ幅は、モード及びフィラメントの多数の個々の線幅を含むものとなる。
【００１６】
高反射率の鏡面領域の利点は、反射率が高いと、緩和周波数が高くなり、その結果、低いバイアス電流での動作周波数でＲＩＮが低くなり、レーザが一層静かなものとなる。また、キャビティ中の光子密度の変化と電流の変化との比が一層大きくなり、このため、所与のバイアス増加で緩和発振が一層高い周波数で生じることになる。マルチモードレーザの場合、622Mb/secで−130dB/Hzよりも良好なＲＩＮが観測された。一般に、本発明のＶＣＳＥＬは、一層低いバイアスで一層低いＲＩＮを達成し、高反射率の鏡面を有さない類似構成のＳＥＬよりも低い10-12誤り／ビット未満のＢＥＲを満たすものとなる。10mA未満のバイアス電流では、532Mb/sec（ファイバチャネル標準）で−116dB/Hz未満のＲＩＮを達成することができる。
【００１７】
反射率Ｒが最大レーザ出力に必要なものよりも大きい場合、Ｒの更なる増加で低出力が低下する。光リンク環境における眼の安全のため、ＶＣＳＥＬの出力は980nmで１mW未満に維持される。
【００１８】
出力キャビティの反射率Ｒを増加させることの別の利点は、後方反射に対するレーザの感度が低下することにある。ＶＣＳＥＬへの反射は、レーザを不安定にし、これによりレーザ出力が変動し得る。Ｒを増大させることによって、キャビティに再進入する光が減少し、そのキャビティが高い内部フィールド(internal field)を有するため、後方反射に対する感度が低下する。
【００１９】
従来型の単一モードＶＣＳＥＬ構造又はマルチモードＶＣＳＥＬ構造では、上部鏡面領域に形成された陽子隔離領域の境界は、その上部鏡面領域の表面上に形成された電極の側壁の手前で又はその側壁と一致して止まる。陽子隔離領域は、ＶＣＳＥＬに高抵抗の領域を導入し、このため、電流は基本的に陽子注入なしで当該領域へ送られる。陽子注入は、電流を狭窄させて(constrict)光学フィールドと電気的に引き出される活性領域との重なりを最適化するために使用される。陽子が注入された領域は、光学的損失の大きなものとなる。
【００２０】
上述のように、マルチモードレーザの各モード又はフィラメントは、関連するＱを１つずつ有している。従来のマルチモードＶＣＳＥＬ構造では、各モード毎にＱが異なり、特に光学損失領域の境界付近のモードがそうである。緩和発振が一様に一層高い周波数へと拡張されるように、マルチモードレーザの全てのモード／フィラメントが類似したＱを有していることが望ましい。レーザの最も外側のモードに干渉しないように光学損失領域を位置決めすることにより、マルチモードレーザの異なるモード毎に一層類似したＱを達成することができると考えられる。底部発光ＶＣＳＥＬの場合、これは、光学キャビティの横寸法が光学損失領域間の横方向間隔よりも小さいときにもたらされる。
【００２１】
ＶＣＳＥＬ中の光学損失領域が放出光のパターンに干渉するのを防止するために、本発明では光学損失領域は光学キャビティの横境界を超えて延びる。しかし、光学損失領域を電流経路から過度に離れた位置に配置すると、電流を浪費して、熱消散が増大することになる。光学キャビティの境界から約２〜４μm手前で光学損失領域の境界を終端させることが好ましい。これにより、電極の側壁の境界付近のモードは、上部電極の中心付近のモードよりも低いＱをエッジ付近のモードに生じさせ得る高い光学損失を被ることがなくなる。底部発光ＶＣＳＥＬの場合には、光学キャビティの側壁は上部電極の側壁とほぼ整列する。従って、陽子隔離領域は、電極の側壁から約２〜４μmの位置に配置すべきである。
【００２２】
第１の実施例では、マルチモードＶＣＳＥＬは、第１及び第２のブラッグ鏡面領域と活性領域とを備えた底部発光レーザであり、その第１及び第２の鏡面領域は高い反射率を有している。第１の実施例では、光学損失領域の上部表面が第２のブラッグ鏡面領域の上部表面と一致する。典型的には金製の鏡面である電極が、第２のブラッグ鏡面の上面に形成される。第２の実施例では、光学損失領域の上面が第１の表面と一致し、電極は第２の表面に形成される。この場合、前記第２の表面は、前記第１の表面の上部に位置決めされて、前記第１の表面とほぼ平行になる。
【００２３】
本発明によるマルチモードレーザの作製方法は、基板上に第１の鏡面領域を形成し、その第１の鏡面領域の第１の表面に活性領域を形成し、その活性領域の表面に第２の鏡面領域を形成して前記活性領域が前記第１の鏡面領域と前記第２の鏡面領域との間に位置決めされるようにする、という各ステップを有するものであり、この場合には、前記第１の鏡面領域及び前記第２の鏡面領域の反射率は、マルチモード垂直キャビティの出力が最大出力の1/2よりも低くなるように設計される。最大出力の1/2よりも低い出力を達成するために、前記第１及び第２の鏡面領域の反射率は典型的には99.5％よりも高くなる。
【００２４】
本発明の更なる特徴及び利点は、本書の残り部分と添付図面を参照することにより理解されよう。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の第１の実施例による底部発光マルチモードＶＣＳＥＬ300を示す断面図である。このマルチモードＶＣＳＥＬ300は、ｎ基板304上に成長させた第１のブラッグ鏡面領域302と、活性領域306と、陽子隔離領域320を含む第２のブラッグ鏡面領域308とを備えている。好適にはＶＣＳＥＬ300は、ｎ+ GaAs（ヒ化ガリウム）基板上で成長される。GaAs基板304は、ｎ型ドーパント、好適にはシリコンでドープされ、そのシリコンドーパント濃度は典型的には５×1017〜５×1019atom／cm3の範囲となる。
【００２６】
ブラッグ鏡面領域302,308、及び活性領域306は、当業界で周知の技法を用いて形成される。第１のブラッグ鏡面領域302は、基板304の第１の表面312上に成長され、典型的には異なる屈折率を有する交互の１／４波長層から構成される。この交互の１／４波長層は典型的には、AlAs及びGaAsから構成される。各層の界面は、AlAs/GaAs/Al0.3Ga0.7As可変デューティサイクル短周期規則格子を用いてグレーディングを施して、GaAs/AlAs界面におけるヘテロ接合のバンドの不連続性を低減させることが可能である。
【００２７】
通常、マルチモードレーザは、最大出力を与えるように設計される。最大出力は通常は最適出力とも定義される。テキストブック「Lasers」(A.Siegman，473〜479頁）では、レーザ出力について論じられている。最適出力が得られるように鏡面反射率が設計される従来のマルチモードレーザとは対照的に、本発明では鏡面反射率は、出力が最適出力の１／２未満になるように増大される。好適には、鏡面反射率は、出力が最適出力の10％未満になるように増大される。
【００２８】
図４を参照する。同図には「レーザ出力／反射率」のグラフが示されている。ｘ軸は（１−Ｒ）を表すものである。ここで、Ｒは総キャビティ反射率である。従って、原点（点402）は100％の反射率を表している。また、ｙ軸はレーザ出力を表している。点404はレーザの最適出力を表し、ｙ軸上の点406はレーザの最適出力の１／２を表している。従来のレーザでは、マルチモードレーザの反射率は点408の周りに設計される。本発明では、マルチモードレーザの反射率は、出力が最適出力の１／２未満になるように設計される。
【００２９】
本発明によるマルチモードＶＣＳＥＬに必要な出力を達成するために、第１及び第２の鏡面領域303,309の反射率が高くなっており、典型的には99.5％よりも高くなる。図３の好適実施例では、第１の鏡面領域303（出力鏡面）の反射率は典型的には約99.8％である。第１の鏡面領域（出力鏡面）の反射率が99.8％であることは底部発光構造に当てはまる。図９に示した上部発光構造の場合には、第１の鏡面領域の反射率は典型的には99.9％よりも高く、第２の鏡面は、反射率が99.5％よりも高い出力鏡面となる。この反射率を達成するために、典型的には、1017〜1019atom／cm3の範囲のｎドーパント濃度を有する21.5対またはそれ以上の対の交互のGaAs/AlAs１／４波長層で第１のブラッグ鏡面領域302を構成する。
【００３０】
第１のブラッグ鏡面302を形成した後、そのブラッグ鏡面302の第１の表面313上にＶＣＳＥＬ300の活性領域306を形成する。活性領域306は典型的には、ｎクラッド層314aと、量子ウェル領域316と、ｐクラッド領域314bとを含む。クラッド層314a,314bは好適には、１〜10×1018atom/cm3の範囲でドープされたAl0.3Ga0.7Asから構成される。量子ウェル領域316は、約80〜100Åの厚さを有するヒ化ガリウム障壁を有する約60〜80Åの厚さを有するひずんだ(strained)In0.2Ga0.8As(ヒ化インジウムガリウム)の１つ又は２つ以上のＭＱＷから構成される。
【００３１】
第２のブラッグ鏡面領域308は、活性領域306の上面318上に形成される。第１のブラッグ鏡面302と同様に、第２のブラッグ鏡面308は、異なる屈折率を有する交互の１／４波長層から構成されるが、ｐドープされる。この第２のブラッグ鏡面の反射率は高く、典型的には約97〜98％である。この高い反射率を達成するために、第２のブラッグ鏡面領域308は典型的には、炭素(C)又はベリリウム(Be)がドープされた15〜20対の交互のAlAs層を含む。この交互の層は、濃度が1×1019atom/cm3であり、C又はBeがドープされたGaAsを有している。この交互の層の界面は、AlAs/GaAs/Al(0.3)Ga(0.7)As可変デューティサイクル短周期規則格子を使用してグレーディングを施して、GaAs/AlAsの交互の層の界面でのヘテロ接合のバンド不連続性を低減させることが可能である。
【００３２】
上述のように、第１の鏡面303及び第２の鏡面309の鏡面反射率は、99.5％よりも高い反射率となるように設計される。第１及び第２の鏡面領域303,309は、ブラッグ鏡面のみから構成することも、ブラッグ鏡面と電極鏡面とを組み合わせて構成することも可能である。図３に示した実施例を参照する。電極322は好適には、反射率の高い材料である金から構成される。従って、第２のブラッグ鏡面308の反射率は約97〜98％であるが、第２の鏡面領域309の反射率（第２のブラッグ鏡面308の反射率と電極鏡面322の反射率とを組み合わせた反射率）は約99％を超える。好適には、第２の鏡面領域309の反射率は99.8％である。
【００３３】
図５(a)は、本発明によるマルチモードレーザの異なるモード／フィラメントに関する「ＲＩＮ／周波数」のグラフである。図２(a),(b)に示す動作を有する従来のマルチモードレーザと比べて、本発明のマルチモードレーザは、図５(a)の垂直キャビティ表面発光マルチモードレーザが従来のマルチモードレーザよりも高い反射率を有することを除き、同様の特性を有するものである。上述のように、（図５(a),(b)に示す本実施例の場合の）第１の鏡面領域と第２の鏡面領域との両方の反射率は、99.5％よりも高くすべきである。
【００３４】
鏡面反射率を増大させると緩和周波数が増大すると考えられる。従って、図２(a)と図５(a)とを比較すると、第５(a)に示す第１の緩和周波数（最低緩和発振周波数）508は、図２(a)の第１の緩和周波数208よりも高くなる。更に、鏡面反射率を増大させると動作周波数におけるＲＩＮが低減すると考えられる。緩和発振周波数が動作周波数よりも高いので、図５(a),(b)のマルチモードレーザは、低いＢＥＲ（10-9誤り／ビット未満）で１Gbit/secを超えるデータ伝送速度で動作することができる。更に、データ転送速度が１Gbit/secのとき、ＲＩＮは−130dB/Hz未満であり、許容可能なＢＥＲが達成される。
【００３５】
図３に示した実施例では、光学損失領域は陽子隔離領域である。ただし、水素のイオン注入によって誘導される図３及び図５ないし図９に示す光学損失領域の代わりに、他の光学損失領域又は交互の高抵抗領域を使用することも可能である。陽子隔離領域320は、高抵抗の領域を導入し、典型的には第２のブラッグ鏡面308に形成される。電極322は、第２のブラッグ鏡面308の第１の表面上に形成される。電極324は、基板304の底面325に形成される。典型的には、６ミクロンよりも大きなアパーチャを有するＶＣＳＥＬはマルチモードレーザとして規定され、６ミクロンよりも小さなアパーチャを有するＶＣＳＥＬは単一モードＶＣＳＥＬとして規定される。ただし、マルチモードレーザにとって重要なことは、キャビティ内に多数のモード／フィラメントが存在することである。
【００３６】
マルチモードレーザの場合と同様にモードの数を増加させると、必要とされるアパーチャの開口が大きくなる。陽子隔離領域の境界を電極の側壁の手前で終端させることにより、その陽子隔離領域がマルチモードレーザの最も外側のモードの光フィールドと干渉することが防止され、その結果、陽子隔離領域によって光モードに過度の損失が生じることがなくなる。エッジ付近のモードが陽子領域と著しく相互作用する場合には、それによって過度の損失が生じ得る。この場合、レーザのアパーチャはAu鏡面322によって規定される。
【００３７】
従来のマルチモードレーザでは、各モード毎にＱが異なり、これは特に、光学損失領域の境界付近で顕著である。光学損失領域がマルチモードレーザの最も外側のモードと干渉しないようにその光学損失領域を移動させることにより、異なるモード毎に類似したＱを達成することができると考えられる。従って、光学キャビティの横寸法は、光学損失領域間の間隔よりも小さくすべきである。こうすれば、材料パラメータが一様であると仮定した場合にはマルチモードレーザに対して類似したＱがもたらされる。
【００３８】
ここで図２(a)を参照する。モード間でＱが異なると、異なるモードの緩和周波数発振が広がることになる。高い反射率を有する図５(a)に示すマルチモードレーザの実施例と比べて、図６(a)に示すマルチモードレーザの実施例は、高い反射率を有して緩和発振周波数を増大させるが、図５(a)に示すＱよりも一層類似したＱも有している。図６(a)では、マルチモードレーザの異なるモードのＱが類似しているので、モード曲線は、開始周波数530及び終了周波数532で１つにまとまっており、波形の形状が類似している。好適には、異なるモードの開始周波数の値はその差が20％未満となる。類似したＱを有するモード曲線が好適であると考えられるが、モード周波数曲線は必ずしも１つにまとまる必要はない。重要なことは、緩和発振周波数のピーク508が、動作周波数において所望のＲＩＮに関する動作周波数540を超えた値に増大されることにある。
【００３９】
最も外側のモードのフィラメンテーションと干渉しないように光学損失領域を位置決めすることが望ましいが、陽子隔離領域を電極の側壁から過度に手前に配置すると、電流のチャネリングが非効率的なものになる。これらの基準の平衡をとるために、電極の境界の側壁から約２〜４μm手前で陽子隔離境界を終端させることが好ましい。
【００４０】
電極322の中心軸に最も近い陽子隔離領域の境界326の部分を通って延びる電極側壁境界328と平行な平面を想定されたい。図３及び図７に示した実施例では、陽子隔離領域の境界326を通る上記平面は、電極322の対応する側壁境界328を通って延びる平面の手前で終端する。好適には、境界326は、電極側壁の対応する境界の２〜４μm手前で終端する。これは、従来の単一モード又はマルチモードＶＣＳＥＬ構造と対称的なものであり、それら従来のＶＣＳＥＬ構造の場合には、電極の中心軸に最も近い陽子隔離領域の境界は、第２のブラッグ鏡面308の表面上に形成された電極の側壁境界を超えて延び、又はその境界と一致する。従って、従来のマルチモード及び単一モードＶＣＳＥＬ構造では、陽子隔離領域境界326は典型的には、電極322と一致し、又はその電極322の下方に位置する。
【００４１】
ここで図３及び図７を参照する。幅334は上部電極322の幅を規定する。幅336は、陽子隔離領域の直径、即ち２つの陽子隔離領域320a,320b間の距離を規定する。好適には、それらの２つの陽子隔離領域320a,320bは、電極322の中心軸の周りに心合わせされる。図３及び図７に示す実施例では、陽子隔離領域の直径336は電極の幅334よりも大きい。これは、陽子隔離領域の直径が電極の幅以下である従来の単一モード及びマルチモードＶＣＳＥＬと対照的である。
【００４２】
図３は、本発明の第１の実施例による底部発光マルチモードＶＣＳＥＬ300の断面図を示している。図７は、本発明の代替実施例による底部発光マルチモードＶＣＳＥＬ500の断面図を示している。図３に示す実施例では、陽子隔離領域320の上面330を規定する平面は、電極322が形成される第２のブラッグ鏡面領域308の上面332を規定する平面と一致する。図７に示す実施例では、第２のブラッグ鏡面領域308の上面332は、陽子隔離領域320の上面330の上方に位置決めされて、その陽子隔離領域の上面330とほぼ平行になっている。
【００４３】
図８は、本発明の代替実施例による底部発光マルチモードＶＣＳＥＬ構造の断面図を示すものである。光学損失領域が陽子注入領域である図３及び図７に示した実施例とは対照的に、図８に示す実施例では、光学損失領域は、埋設酸素注入(buried oxygen implant)を用いて形成される。電流狭窄領域を形成するための酸素注入については米国特許第5266503号に記載されている。図８に示す実施例では、酸素注入は第１のブラッグ鏡面領域で行われる。酸素注入領域342の境界340は、典型的には電極の周りに心合わせされる。酸素注入領域342間の距離は、典型的には電極の幅334よりも大きくなる。
【００４４】
図９は、本発明の代替実施例による上部発光マルチモードＶＣＳＥＬの断面図を示すものである。図３、図７、及び図８に示した実施例と同様に、光学損失領域801間の横方向距離は、この場合には電極802によってほぼ規定される光学キャビティの横寸法よりも大きい。図９に示す実施例では、電極802の側壁間の距離は、陽子隔離領域801間の距離よりも短い。出力鏡面反射率308は99.5％よりも高く、最も反射率の高い鏡面302は99.9％よりも高い。
【００４５】
図３及び図７ないし図９に示したマルチモードＶＣＳＥＬが一定のスケールで描かれているわけではないことに留意されたい。特に、第１及び第２のブラッグ鏡面領域304,308ならびに活性領域306は、図示を明確にするよう拡大されている。例えば、実際には、基板領域304の厚さは、ブラッグ鏡面領域302,308及び活性領域306を組み合わせた厚さ約10μmに対して約150μmである。図３及び図７に示す実施例では、電極322の直径は約10μmであり、電極324は約120〜150μmの開口部を形成する。
【００４６】
本発明によるマルチモードレーザ300の作製方法は、反射率が99.5％よりも高い第１の鏡面領域302を基板304上に形成し、その第１の鏡面領域302上に活性領域306を形成し、反射率が99.5％よりも高い第２の鏡面領域308を前記活性領域306の表面に形成する、という各ステップを有するものであり、前記第１の鏡面領域302及び前記第２の鏡面領域308の反射率は、出力が最大出力の１／２未満になるように設計される。典型的には光学損失領域も形成される。光学損失領域間の距離は、マルチモードレーザの光学キャビティの横寸法よりも大きい。底部発光レーザの場合、陽子隔離領域の境界は、第２の鏡面領域の表面に形成される電極の電極境界の側壁よりも手前で終端する。好適には、陽子隔離領域は、電極の側壁の手前２〜４μmで終端する。
【００４７】
図３に示した実施例では、陽子隔離領域の第１の表面330は、第２の鏡面領域308の表面332と一致する。第２の鏡面領域308の表面332と一致するように陽子隔離領域の表面を形成するステップは、第２の鏡面領域308の表面330上に第１のマスク層を形成するステップを更に含む。典型的には、その第１のマスクは注入マスクであり、第１の材料がＨ+原子からなるドーパントであり、第２の鏡面領域が第１の材料でイオン注入される。好適には、1013〜1015ion/cm2のドーパント濃度を有するＨ+原子が注入される。
【００４８】
陽子隔離領域320を形成した後、第２の鏡面領域の表面332上に電極322を形成する。電極322の形成手順は、第２の鏡面領域308の表面上に導電層、典型的には金を堆積させ、第２の鏡面領域308の表面上に第２のマスクを形成し、前記導電層の一部を除去して電極322を規定し、前記第２のマスクを除去する、という各ステップを含む。
【００４９】
陽子隔離及び電極を形成するためのパターン化技術は、当業界で周知の方法を使用するものである。しかし、注入マスク（第１のマスク）及びエッチマスク（第２のマスク）を単一のマスクとすることができる従来の単一モードＶＣＳＥＬ及びマルチモードＶＣＳＥＬとは異なり、本発明による底部発光ＶＣＳＥＬの作製方法は、典型的には２つの別々のマスクを使用して、電極側壁を通る平面から所定距離（典型的には２〜４μm）だけ離れた陽子隔離領域を形成する。この方法は上部発光ＶＣＳＥＬの場合に使用されるが、底部発光ＶＣＳＥＬの場合にはセルフアライン技術が使用される。
【００５０】
第２のマスク層を除去した後、当業界で周知の方法を使用して、上部電極322を接続し、底部電極324を形成する。第２のマスク層を除去した後、Ti又はAuを堆積させる。これにより、Au接点がメッキされ、ダイを容易に取り付けることが可能となる。次いで、基板304の第２の表面325上に接点324を形成する前に、その基板304を約0.1〜0.15mm(４〜６mil)程度に薄くする。典型的には、第２の接点は、当業界で周知の技法を使用して作製されたオーム接点となる。接点324を形成した後、典型的にはその基板304の第２の表面325上に反射防止層327を堆積させる。
【００５１】
図３に示した実施例とは対照的に、図７に示す代替実施例では、上部電極322が形成される表面は、陽子隔離領域の第１の表面とは一致しない。図７に示した構造は、第２の鏡面領域にメサエッチを施すことによって得られる。更に、好適な方法では第２の鏡面領域のメサエッチの前に陽子注入が行われるが、メサエッチの後に陽子注入を行うことも可能である。更に、陽子注入によってマルチモードレーザの機能が改善されるが、陽子注入ステップをなくすこともできる。
【００５２】
図７に示したマルチモードＶＣＳＥＬは、好適には、第２の鏡面領域の表面上に導電層、好適には金(Au)を形成し、その導電層の表面に陽子隔離マスクを形成し、前記第２の鏡面領域に第１の材料を照射し、前記導電層の一部を除去して第１の電極を形成し、前記陽子隔離マスクを除去し、メサエッチマスクを形成し、前記第２の鏡面領域の一部を第１の高さまで除去する、という各ステップを含むものである。
【００５３】
第２の鏡面領域を形成した後、その第２の鏡面領域の表面上に導電層、典型的には金を堆積させる。この導電層は電極322の形成に使用される。典型的には、1013〜1015ion/cm2のドーパント濃度を有するＨ+イオンを注入して、前記導電層上に陽子隔離マスクを形成する。この注入ステップの後にアンダーカットエッチステップを実行して、第２の鏡面領域を約２μmを超える距離だけエッチする。これに続き、第２のブラッグ鏡面領域を約0.4μmだけエッチする。このエッチは好適には、陽子隔離領域を完全に除去することなく第２の鏡面領域の一部を除去すべきである。
【００５４】
上記説明は例示的なものであって制限的なものではないことが理解されよう。例えば、図３及び図５に示した実施例では、マルチモードレーザは底部発光マルチモードレーザであるが、これは決定的なことではない。従って、マルチモードレーザは上部発光マルチモードレーザでもよい。更に、上部発光レーザに関するＤＢＲ対の数及びドーパント濃度は変更可能である。更に、異なる材料及び異なる数のＤＢＲ対を使用して所望のＲ（反射率）を達成することが可能である。例えば、鏡面領域は、AlAs及びGaAs以外の材料で作製することができる。例えば、AlAs及びAlGaAsの交互の層を使用することができる。更に、異なる方法を使用して、図３及び図７ないし図９に示したマルチモードＶＣＳＥＬを製造することが可能である。更に、陽子隔離領域以外の光学損失領域を使用することが可能である。更に、光学損失領域の代わりに固有酸化物(native oxide)等の高抵抗領域を使用することができる。従って、本発明の範囲は、上記説明に関して決定されるべきではなく、特許請求の範囲並びにかかる特許請求の範囲に含まれるあらゆる等価物に関して決定されるべきである。
【００５５】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
【００５６】
１．低ノイズのマルチモード垂直キャビティ表面発光レーザであって、
第１の鏡面領域と、その第１の鏡面領域と第２の鏡面領域との間に位置決めされた活性領域とを備えており、
このマルチモード垂直キャビティ表面発光レーザの出力がその最大出力の１／２未満になるように前記第１の鏡面領域及び第２の鏡面領域の反射率が設計されていることを特徴とする、前記マルチモードレーザ。
【００５７】
２．前記第１の鏡面領域の反射率が99.5％よりも高く、前記第２の鏡面領域の反射率が99.5％よりも高い、請求項１に記載のマルチモードレーザ。
【００５８】
３．光学損失領域を更に備えている、請求項２に記載のマルチモードレーザ。
【００５９】
４．前記光学損失領域間の距離がこのマルチモードレーザの光学キャビティの横寸法よりも大きい、請求項３に記載のマルチモードレーザ。
【００６０】
５．前記光学損失領域が前記第２の鏡面領域に形成される、請求項４に記載のマルチモードレーザ。
【００６１】
６．前記光学損失領域が前記第１の鏡面領域に形成される、請求項４に記載のマルチモードレーザ。
【００６２】
７．前記光学損失領域が埋設酸素注入によって形成される、請求項６に記載のマルチモードレーザ。
【００６３】
８．前記第２の鏡面領域が第２のブラッグ鏡面領域からなり、反射特性を有する電極が前記第２の鏡面領域の表面に形成される、請求項５に記載のマルチモードレーザ。
【００６４】
９．前記光学損失領域が陽子隔離領域である、請求項８に記載のマルチモードレーザ。
【００６５】
10．前記電極の中心軸に最も近い前記光学損失領域の境界の部分を通って延びる平面が、前記電極の対応する側壁の境界を通って延びる平面の手前で終端する、請求項９に記載のマルチモードレーザ。
【００６６】
11．前記電極の中心軸に最も近い前記光学損失領域の境界の部分を通って延びる平面が、前記電極の対応する側壁の境界を通って延びる平面から２μmを越える距離だけ手前で終端する、請求項10に記載のマルチモードレーザ。
【００６７】
12．前記陽子隔離領域の上面を規定する平面が、前記電極が形成される前記第２のブラッグ鏡面領域の上面を規定する平面と一致する、請求項10に記載のマルチモードレーザ。
【００６８】
13．前記陽子隔離領域の上面を規定する平面が、前記第２のブラッグ鏡面領域の上面の下方に位置し、前記第２のブラッグ鏡面領域の上面が前記陽子隔離領域の上面とほぼ平行である、請求項10に記載のマルチモードレーザ。
【００６９】
14．陽子隔離領域間の距離が、第２の鏡面領域の表面に形成される前記電極の幅よりも大きい、請求項９に記載のマルチモードレーザ。
【００７０】
15．高抵抗領域を更に備えており、その高抵抗領域間の距離がこのマルチモードレーザの光学キャビティの横寸法よりも大きい、請求項１に記載のマルチモードレーザ。
【００７１】
16．最大出力の１／２未満の出力をもたらす前記第１の鏡面領域及び前記第２の鏡面領域の反射率によってこのマルチモードレーザのＲＩＮを低減させる、請求項１に記載のマルチモードレーザ。
【００７２】
17．最大出力の１／２未満の出力をもたらす前記第１の鏡面領域及び前記第２の鏡面領域の反射率によって一定の出力に関するスペクトルエンベロープ幅を増大させる、請求項１に記載のマルチモードレーザ。
【００７３】
18．最大出力の１／２未満の出力をもたらす前記第１の鏡面領域及び前記第２の鏡面領域の反射率によってこのマルチモードレーザの後方反射に対する感度を低下させる、請求項１に記載のマルチモードレーザ。
【００７４】
19．マルチモードレーザの作製方法であって、
基板上に第１の鏡面領域を形成し、
その第１の鏡面領域の第１の表面に活性領域を形成し、
その活性領域の表面上に第２の鏡面領域を形成して前記活性領域が前記第１の鏡面領域と前記第２の鏡面領域との間に位置決めされるようにする、
という各ステップを含み、前記第１の鏡面領域及び前記第２の鏡面領域の反射率が、マルチモード垂直キャビティレーザの出力をその最大出力の１／２未満にするように設計されることを特徴とする、マルチモードレーザの作製方法。
【００７５】
20．光学損失領域を形成するステップを更に含み、その光学損失領域間の距離がマルチモードレーザの光学キャビティの横寸法よりも大きい、請求項19に記載のマルチモードレーザの作製方法。
【００７６】
21．前記光学損失領域間の距離が、マルチモードレーザの光学キャビティの横寸法よりも２ミクロンを越える長さだけ大きい、請求項19に記載のマルチモードレーザの作製方法。
【００７７】
22．第１の鏡面領域と第２の鏡面領域とを備えた低ノイズの垂直キャビティマルチモードレーザの設計方法であって、
最低緩和発振周波数のモードの緩和周波数が所望の動作周波数よりも高くなるようにマルチモードレーザの第１のモードの緩和発振周波数を増加させるように前記第１の鏡面領域及び前記第２の鏡面領域の反射率を選択するステップを含む、前記マルチモードレーザの設計方法。
【００７８】
23．前記の反射率の選択によって、光通信システムの動作に適した所定のＲＩＮよりも低いＲＩＮを得る、請求項22に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a)は、単一モードレーザを含む光通信システムに関する「相対強度ノイズ(ＲＩＮ)／周波数」を示すグラフであり、(b)は、(a)のレーザよりも高い反射率を有する一方その他の全てのレーザパラメータが同一である単一モードレーザを含む光通信システムに関する「ＲＩＮ／周波数」を示すグラフである。
【図２】 (a)は、各モード／フィラメントのＲＩＮを別々に求めることができる場合の光通信システム中のマルチモードレーザの異なるモード／フィラメント曲線に関する「ＲＩＮ／周波数」を示すグラフであり、(b)は、(a)のマルチモードレーザに関する「ＲＩＮ／周波数」を示すグラフであり、その曲線は、(a)の異なるモード／フィラメント曲線を加算したものである。
【図３】本発明の第１の実施例による底部発光マルチモードＶＣＳＥＬ構造を示す断面図である。
【図４】「レーザ出力／反射率」を示すグラフである。
【図５】 (a)は、各モード／フィラメントによるＲＩＮを別々に求めることができる場合の光通信システム中の本発明によるマルチモードレーザの異なるモード／フィラメントについて「ＲＩＮ／周波数」を示したグラフであり、(b)は、(a)のマルチモードレーザについて「ＲＩＮ／周波数」を示したグラフであり、その曲線は、(a)のモード／フィラメント曲線を加算したものである。
【図６】 (a)は、各モード／フィラメントによるＲＩＮを別々に求めることができる場合の本発明の代替実施例によるマルチモードレーザの異なるモード／フィラメント曲線について「ＲＩＮ／周波数」を示したグラフであり、(b)は、(a)のマルチモードレーザについて「ＲＩＮ／周波数」を示したグラフであり、その曲線は、(a)のモード／フィラメント曲線を加算したものである。
【図７】本発明の代替実施例による底部発光マルチモードＶＣＳＥＬ構造を示す断面図である。
【図８】本発明の代替実施例による底部発光マルチモードＶＣＳＥＬ構造を示す断面図である。
【図９】本発明の代替実施例による上部発光マルチモードＶＣＳＥＬを示す断面図である。
【符号の説明】
300 マルチモードＶＣＳＥＬ
302 第１のブラッグ鏡面領域
304 基板
306 活性領域
308 第２のブラッグ鏡面領域
320 陽子隔離領域

Claims (7)

  1. 低ノイズのマルチモード垂直キャビティ表面発光レーザ（300）であって、
    99.5％よりも高い反射率を有する第１の鏡面領域（302）と、
    前記第１の鏡面領域（302）と、99.5％よりも高い反射率を有する第２の鏡面領域（308）との間に位置決めされ、レーザ光の周波数でレーザ光を生成する活性領域（306）であって、前記第１及び第２の鏡面領域（302、308）双方の幾何平均反射率が、前記レーザ光の周波数における最大出力に必要とされる対応する幾何平均反射率と比較して大きくなるように、また出力がその最大出力の１／２未満になるように、前記第１の鏡面領域（302）及び前記第２の鏡面領域（308）の反射率が設計され、前記レーザ光の周波数における相対強度ノイズの値が前記最大出力の平均反射率に対応する値よりも小さい活性領域と、
    第１の光学損失領域及び第２の光学損失領域（320a、320b；342a、342b）であって、当該第１の光学損失領域と第２の光学損失領域の間の最短距離（336）が、発光方向を横断する方向で、前記マルチモードレーザの光学キャビティ（334）の寸法よりも大きく、さらに当該第１の光学損失領域及び第２の光学損失領域が前記マルチモード垂直キャビティ表面発光レーザの最も外側のモードに著しく干渉しないように位置決めされている第１の光学損失領域及び第２の光学損失領域（320a、320b；342a、342b）と
    からなるマルチモードレーザ。
  2. 前記第２の鏡面領域（308）がブラッグ鏡面領域からなり、反射特性を有する電極（322）が、前記活性領域に対向し、前記活性領域とは遠位にある前記第２の鏡面領域（308）の表面（322）に形成されている請求項１記載のマルチモードレーザ。
  3. 前記電極の中心軸に最も近い前記光学損失領域（320a、320b；342a、342b）の境界の部分を通って延伸し、当該中心軸と前記発光方向において平行な面が、前記電極（322）の対応する側壁の境界を通って延びる平面の手前で、前記中心軸に近接して終端する請求項２記載のマルチモードレーザ。
  4. 前記光学損失領域（320a、320b；342a、342b）の境界の部分を通って延伸する前記面が、前記電極（322）の対応する側壁の境界を通って延びる平面の２μm〜４μm手前で終端する請求項３記載のマルチモードレーザ。
  5. 前記光学損失領域の上面（330）を形成する平面が、前記電極（322）が形成されている前記第２のブラッグ鏡面領域（308）の上面を形成する平面（332）と一致する請求項３又は４記載のマルチモードレーザ。
  6. 前記光学損失領域（320a、320b；342a、342b）の間の距離が、前記第２の鏡面領域（308）の表面に形成されている前記電極の幅よりも大きい請求項３〜５のいずれか１項に記載のマルチモードレーザ。
  7. 低ノイズのマルチモード垂直キャビティ表面発光レーザの作製方法であって、
    99.5％よりも高い反射率を有する第１の鏡面領域（302）を形成し、
    前記第１の鏡面領域（302）の第１の表面にレーザ光の周波数でレーザ光を生成する活性領域（306）を形成し、
    前記活性領域（306）の表面上に、99.5％よりも高い反射率を有する第２の鏡面領域（308）を形成し、それによって前記活性領域（306）が前記第１の鏡面領域（302）と前記第２の鏡面領域（308）との間に位置決めされ、前記第１及び第２の鏡面領域（302、308）の幾何平均反射率が、前記レーザ光の周波数における最大出力に必要とされる対応する幾何平均反射率と比較して大きくなるように、また出力がその最大出力の１／２未満になるように、前記第１の鏡面領域（302）及び前記第２の鏡面領域（308）の反射率が設計され、前記レーザ光の周波数における相対強度ノイズの値が前記最大出力の平均反射率に対応する値よりも小さく、
    第１の光学損失領域及び第２の光学損失領域（320a、320b；342a、342b）を形成し、当該第１の光学損失領域と第２の光学損失領域の間の最短距離が、発光方向を横断する方向で、前記マルチモードレーザの光学キャビティの寸法よりも大きく、さらに当該第１の光学損失領域及び第２の光学損失領域（320a、320b；342a、342b）が前記マルチモード垂直キャビティ表面発光レーザの最も外側のモードに著しく干渉しないように位置決めされている
    という各ステップを含む方法。
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