JP3857632B2 - 垂直共振器型面発光レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光伝送技術の光源として用いられる垂直共振器型面発光レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光通信や光伝送などの分野では、出射光のコヒーレンシーが高く高速動作が可能であること、或いは非常に小型であることから、光源として半導体レーザが広く用いられている。中でも、ビームが円形であること、素子基板に対し垂直方向に出力光を取り出せること、しきい値電流が低くできること、製造時にウェハ状態での検査が可能でコストが低いことなどの理由から、垂直共振器型の面発光レーザ素子（以下、ＶＣＳＥＬと記す）が多く用いられるようになってきている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、端面発光型半導体レーザと異なり、活性層が波長に比べて十分大きく面方向に広がっているため、高次横モードが存在しやすい構造になっている。実際、市販のＶＣＳＥＬの大部分は多数の横モードで発振する。それぞれの横モードは、マルチモードファイバなどの伝送路に対する伝送特性が異なる。そのため、多数の横モードが発振した場合、温度の揺らぎや高速にデジタル信号で変調されることにより、モード間でのエネルギーの授受が起こって伝送特性が時間的に変動してしまう現象（いわゆるモーダルノイズ）や、各モード間での伝送遅延時間差により時間軸ジッタが大きくなる現象（モード分散）などが生じ、伝送特性が劣化する。
【０００４】
この伝送特性の劣化を抑制するために、横モードをなるべく単一モードで発振するように、活性層の大きさ（面内方向）を小さくしてやることで高次横モードの励振を抑圧して単一横モード化している。理想的には、活性領域を面内方向に１／２波長程度まで絞り込んで、光を閉じ込めることで、基本横モードのみが定在波として存在できるようにすることが可能となるが、微小な領域に電流を注入する必要があるため素子抵抗が非常に高くなり、高速応答が不可能となる。さらに、高抵抗層に電流を注入することによる温度上昇によって利得の低下を招く。
【０００５】
そこで、ある程度広い活性層のなかで、モード毎の利得差を利用して単一横モードの発振を得ている。例えば、（１）基本横モードのみが活性層領域の中心付近にピークを持つことを利用し、上部（出力側）ＤＢＲを一部エッチングして反射率を制御して利得の空間的分布をつける方法、（２）横モード間の微妙な波長の違いを利用して、外部共振器や波長フィルタをつける方法、などがある。
【０００６】
（１）の例として、図１３に示す構造がある（非特許文献１）。半導体基板上１０１上に、下部ＤＢＲ反射鏡１０２、活性層及び上下クラッド層を含む発光領域層１０３、上部ＤＢＲ反射鏡１０４が積層されている。上部ＤＢＲ反射鏡１０４の下部に選択酸化層１０５が形成され、これにより電流狭窄構造が構成されている。最上部にリング状コンタクト電極１０６が形成され、基板１０１の下面にべた状コンタクト電極１０７が形成されている。
【０００７】
また、上部ＤＢＲ反射鏡１０４の表面に、発光領域中心軸付近を残してリング状の周辺部１０８がエッチングにより形成されている。ここで、上部ＤＢＲ反射鏡１０４の中心付近は反射率が高いように設定され、リング状にエッチングした部分１０８の反射率が低くなるように設定されている。
【０００８】
この構造においては、０次基本横モードが発光領域中心軸付近に発光のピークを持ち、１次の高次横モードが周辺部に発光ピークを持つ。これにより、高次横モードに対する利得が下がり、モード間の利得差を大きくすることができ、選択的に基本横モードのみが発振しやすくしている。
【０００９】
（２）の例として、図１４に示すような構造がある（特許文献１）。図１４の（ａ）は素子構造、（ｂ）は発光時のニアフィールドパターン、（ｃ）は発光時のスペクトルを示す図である。半導体基板２０１上に、下部ＤＢＲ反射鏡２０２、下部クラッド層２０３、活性層２０４、上部クラッド層２０５、上部ＤＢＲ反射鏡２０６、上部電極２０７と順に形成し、半導体基板２０１の裏面に開口部２０８ａを持つ下部電極２０８を形成し、開口部２０８ａに波長フィルタ２０９を設けている。
【００１０】
この例では、基本横モードと高次横モード間に僅かな共振波長の差があることを利用し、波長選択フィルタ２０９によって高次横モードを光学的にフィルタリングすると共に、開口部２０８ａの大きさを基本横モードのビーム径（図１４（ｂ）中の破線で示す）より少し大きい寸法にすることで、高次横モードに対して電極によるマスクを施している。これにより、外部に取り出される光を基本横モードに制限している。
【００１１】
しかしいずれの場合にも、共振器特性で横モードを規定するため、温度や電流分布などの変動により各モードに対する利得が変動し、条件によっては意図しないモードの発振が励起されて所望のモードよりも強い発光を示すことすらある。
【００１２】
図１３の例では、注入電流値が大きくなったり大振幅で変調がかかると、活性層内での電流分布やそれに伴う温度分布などにより、各横モードに対する利得が変動する。結果的に、高次横モードと基本横モードの利得差が小さくなり、或いは逆転して、意図しない高次横モードの発振が起こり得る。
【００１３】
図１４の例では、上述同様電流分布や温度分布による活性層面内での空間的な利得の分布が変化し、基本横モードの位置が変動したり、意図しない高次横モードのみが発振する場合すらある。これらの問題は全て、活性層領域内での利得の分布が電流や温度分布により変動することに起因している。
【００１４】
一方、活性層面内での発光を規定する例として、活性層に周期構造を持ち込むことで、面内方向への発光を制限して、全体の発光に対する面方向へ発光成分を増加させる試みがなされている（特許文献２）。この例は、図１５に示すように、基板３１１上に、下部ＤＢＲ反射鏡３１２、バッファ層３１３、活性層３２１、バッファ層３１４、上部ＤＢＲ反射鏡３１５が積層された構造で、ＶＣＳＥＬ構造になっている。なお、図１５（ａ）は斜視図であり、バッファ層３１３及び３１４は図示されていない。図１５（ｂ）は断面図である。
【００１５】
活性層３２１を同心円状のフォトニック構造とすることにより、横方向のフォトニックバンドを生成して、横方向への発光を制限している構造になっている。この構造により、同心円活性層３２１からの発光パターンは、電流分布などによる活性層面内での空間的な位置の変動が抑えられる構造になっている。
【００１６】
しかしながら、この場合にも積層方向（縦方向）の発光の制限は、共振器によるものであり、横モードは多数存在可能な構造であり、横モードの対策は何ら施されていない。このため、電流分布や温度分布の変動によらない横モード単一化は実現されない。
【００１７】
同様に、量子細線構造などを使用して、面内での活性層利得の分布を作ることにより横モード制御をする方法なども提案されている（特開平６−１７７４８０号公報）。しかし、量子構造（量子細線や量子ドット）とするためには一般に、光の波長以下の微細構造が必要となり、通常の活性層（量子井戸構造）に比較するとその寸法は非常に小さいものとなるため、製造時の再現性や均一度に困難を伴う。さらに、体積が非常に小さいため、活性領域からの発光を大きくすることは困難であるという問題がある。
【００１８】
【特許文献１】
特開平８−２３６８５２号公報
【００１９】
【特許文献２】
特開平８−２１３７１１号公報
【００２０】
【非特許文献１】
IEEE Photonics Technology Letters,Vol.11,No.12,pp.1536-1538,1999
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、垂直共振器型面発光レーザ素子においては、温度変化や変調などによる大きな電流分布変動によって横モードが変化し、時間的にそれぞれの空間的な分布や強度分布が一定しないため、高速信号伝送や通信時に横モード変動に起因する信号の変動雑音が生じ、伝送特性が悪化するという課題があった。
【００２２】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、温度変化や変調などによる大きな電流分布変動による時間的空間的な横モードの変動を抑えることができ、高速信号伝送時のモード毎の伝送特性の違いに起因するモード雑音を抑制することのできる垂直共振器型面発光レーザ素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００２４】
即ち本発明は、第１の反射鏡と、この第１の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第２の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の０次回折光と１次以上の高次回折光とを空間的に分離し得る厚さに設定され、第２の反射鏡は、前記０次回折光を反射し、前記高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、第１の反射鏡と、この第１の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第２の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の０次回折光，１次回折光，及び２次以上の高次回折光を空間的に分離し得る厚さに設定され、第２の反射鏡は、前記１次回折光を反射し、前記０次回折光及び高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする。
【００２６】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【００２７】
(1) 反射鏡は、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）であること。
【００２８】
(2) 同心構造が、円及び円環からなる同心円構造であること。
【００２９】
(3) バッファ層の厚さをＬとし、同心円構造の直径をＤａ、同心円構造による１次回折光の回折角をθとしたとき、第２の反射鏡の中心軸が、同心円構造の中心軸と一致し、かつ第２の反射鏡の直径ＤｍがＤａ＜Ｄｍ＜Ｌtanθを満たすこと。さらに、１次回折光のビーム広がり角をθ１としたとき、第２の反射鏡の中心軸が、同心円構造の中心軸と一致し、かつ第２の反射鏡の直径ＤｍがＤａ＜Ｄｍ＜Ｌtan（θ−θ１）を満たすこと。
【００３０】
(4) 第２の反射鏡上に１次回折光を平行光にする円錐プリズムを設けたこと。
【００３１】
(5) 同心構造が楕円及び楕円環からなる同心楕円構造であり、楕円及び楕円環の各長辺方向及び短辺方向が一致しており、楕円及び楕円環の長径方向が活性層の利得が大きい結晶方位と一致していること。
【００３２】
(6) 同心構造が長方形及び長方形枠形からなる同心長方形構造であり、長方形及び長方形枠形の各辺がそれぞれ平行であり、長方形及び長方形枠形の長辺方向が活性層の利得が大きい結晶方位と一致していること。
【００３３】
(7) バッファ層と発光領域層との間に、第１の反射鏡との組み合わせでは活性層がレーザ発振を起こさない程度に低い反射率を有する部分反射鏡を有すること。第２の反射鏡の一部が、バッファ層と発光領域層との間に部分反射鏡として形成されていること。
【００３４】
(8) バッファ層と発光領域層との間に、電流狭窄のために絶縁膜又は高抵抗膜が選択的に形成されていること。
【００３５】
（作用）
本発明によれば、活性層に周期構造を導入し活性面内での発光の分布を制御して、横モードを空間的に安定かつ、分離可能なパターンに制限すると共に、共振器により所望の横モードを空間的に選択することのできる構造を採用することにより、温度や電流分布の変動による横モードの変動を小さくすることができる。
【００３６】
より具体的には、活性層を例えば中心円及び複数のリングからなる同心円構造とし、中心円直径及び各リングの幅を基本モード単一で発光可能な小さい幅とする。これにより、回折格子と同様の効果が得られ、遠視野での発光パターンが中心円（０次光）とリング状の高次光に分離される。そして、これら各次数のモードが空間的に分離された位置に選択的にＤＢＲ共振器を配置することにより、所望の横モードのみを選択的に発光させる構造を実現することで、前述した問題を解決することが可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００３８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を説明するためのもので、（ａ）は全体構成を示す断面図、（ｂ）は活性層構成を示す平面図、（ｃ）は放射光強度分布を示す図である。
【００３９】
図１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１上に、Ｓｉドープされたｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの四分の一波長積層半導体層からなる下部ＤＢＲ反射鏡２、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸からなる活性層を含む発光領域層４が積層されている。発光領域層４上には発振波長近傍で透明なＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０．３≦ｘ≦０．６）からなる厚いバッファ層５が形成され、バッファ層５上にはＣドープされたｐ型ＡｌＡｓ／Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ四分の一波長積層半導体層からなる円状の上部ＤＢＲ反射鏡７が部分的に形成されている。
【００４０】
そして、上部ＤＢＲ反射鏡７を囲むようにバッファ層５上に、ＡｕＺｎからなる電気的コンタクト用のリング状電極８が形成されている。また、半導体基板１の裏面には、ＡｕＧｅなどからなる裏面電極９が形成されている。これにより、積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子となっている。
【００４１】
活性層を含む発光領域層４は、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０．３≦ｘ≦０．６）からなる下部クラッド層４−３と上部クラッド層４−４の間に、図１（ｂ）に示すような中心円及び円環からなるレーザ発振可能な光利得を有する活性層４−１と、非発光或いは光利得が低い不活性層４−２とからなる同心円構造を持つ。活性層４−１の直径又は円環の幅は、同心円の半径方向に対して、円環内の光強度分布が単峰である単一横モードでの発振が可能な幅を持つ。また、各活性層４−１は互いに光学的に結合があり、位相同期が可能な間隔で配置される。
【００４２】
この同心円構造により、活性層４−１に電流注入された時、各活性層４−１から誘導放出によってコヒーレントに発光した場合、それぞれの活性領域からの発光が干渉し、図中に示されたような０次光１０と、ある特定の回折角を持つ高次光１１に空間的に分離されることになる。実際には、誘導放出を起こすためには共振器の存在が必要であるため、図に示した矢印は仮想的な光である。例えば、活性層４−１の幅が０．８μｍで、不活性層４−２の幅が０．４μｍである時、±１次光の回折角は、約１２．５°になる。この場合の同心円構造による回折角に対する光強度分布を、図１（ｃ）に示す。なお、円及び円環の数は、中心円と４重の円環について計算した図である。
【００４３】
そこで、上部ＤＢＲ反射鏡７を所望のモードに相当する空間的な位置にのみ置くことにより、所望のモードのみが誘導放出を起こしレーザ発振可能となるように設定することができる。このとき、高次横モードを分離可能な位置に置くための条件として、以下のような位置関係を取る必要がある。
【００４４】
図２において、１１−１，１１−２は、それぞれ同心円構造により回折された＋１次，−１次光である。これらは活性層近傍では、０次光ビーム１０を含めて空間的には分離されておらず、重なり合った状態にある。そして、活性層４−１から法線方向への距離Ｌが
Ｌ＞Ｄａ／tanθ（＝Ｌｏ） …（１）
を満たす範囲で、分離される。つまり、Ｌ≦Ｌｏの位置では各回折光が空間的には分離されていないため、同時に発振してしまう。ここで、Ｄａは活性層４−１の最外郭円環の外円直径である。さらに、後述するように上部クラッド層４−４の厚さは極めて薄いため、活性層４−１から法線方向への距離Ｌは、実質的にはバッファ層５の厚さである。
【００４５】
また、高次の回折光は、回折角方向にある角度広がり（±θ１＝２θ１）を持ったビームを形成するため、実際にはこの広がりの影響を考慮した距離だけＬｏより離して上部ＤＢＲ反射鏡７を置く必要がある。これによりバッファ層５の厚さが決定される。従って、各寸法関係は
Ｄａ＜Ｌtan（θ−θ１） …（２）
と書ける。
【００４６】
例えば、前述の例で、円の周囲の円環の数を４とすると、Ｄａ＝１０．４μｍである。このとき、Ｌｏは約４７μｍとなる。１次光の広がり角を１次光ピークに対して１／１０以下になった角度と定義すると約１°となるため、活性層４−１と上部ＤＢＲ反射鏡７との距離Ｌは、約５１μｍ以上必要である。つまり、バッファ層５の厚さが、約５１μｍ以上必要である。この厚さは、通常のＶＣＳＥＬに比較すると非常に厚く、結晶成長で作製するには困難があるが、後述するように、基板接着技術を応用することで実現可能である。
【００４７】
また、図２のように、０次光を選択する場合、上部ＤＢＲ反射鏡７は、同心円活性層４−１の中心軸を含む中心付近に、０次光のみ反射する位置に置かれる。このとき、上部ＤＢＲ反射鏡７は、中心軸が同心円活性層４−１の中心軸と一致し、直径ＤｍがＤａより大きい方が好ましい。何故なら、上部ＤＢＲ反射鏡７の外側に対応した円環状活性層４−１では上下方向に共振器が形成されず、基本モードでも発振が不可能になるため、活性層として有効に機能せず、単なるロス媒体となるためである。
【００４８】
従って、上述の寸法関係と合わせて、Ｄｍの望ましい範囲は、
Ｄａ＜Ｄｍ＜Ｌtan（θ−θ１） …（３）
と定義される。また、上部ＤＢＲ反射鏡７以外の部分からの迷光が表面から出力されて、雑音となることを防止するために、光出力面の上部ＤＢＲ反射鏡以外の部分をなるべくリング状電極８でマスクすることが望ましい。
【００４９】
以上で述べた図１、図２の構造は、次に述べるような方法で実現される。例えば、半導体基板１上に通常の結晶成長技術等を用いて、下部ＤＢＲ反射鏡２、下部クラッド層４−３を積層形成した後、全面に活性層を形成する。その後、上部クラッド層４−４を形成しておく。
【００５０】
ここで、全面に形成した活性層が同心円構造に残るように、レジストやＳｉＮｘなどの誘電体膜をマスクとしてＺｎＡｓ2 を拡散源としてＺｎ元素を６００〜７００℃程度で拡散させて無秩序化し、不活性層４−２を形成する。このときの上部クラッド層４−４が厚いと、同心円構造が微細な構造になった場合、活性層の深さまで拡散させた場合に、横方向の拡散も同時に起こって微細構造が形成できなくなる。このため、上部クラッド層４−４の厚さは、同心円構造の円環の幅と同等程度まで薄くしておく。また、不活性層４−２の形成は、ＺｎやＳｉのイオン注入後にアニールを行って無秩序化を行うことや、プロトンインプラにより高抵抗化させることでも実現可能である。
【００５１】
次いで、別の支持基板に張り合わされた厚いバッファ層５を、基板接着などの技術を用いて、発光領域層４の上部クラッド層４−４と貼り合わせる。その後に、支持基板を除去する。バッファ層５は、上部クラッド層４−４と同じ材料であっても良い。
【００５２】
次いで、バッファ層５上に上部ＤＢＲ反射鏡７を全面に形成し、所望の位置のみドライエッチングなどの手法で上部ＤＢＲ反射鏡７をパターニングする。このとき、全面への上部ＤＢＲ反射鏡形成時に、高温となり押し込み拡散によって同心円の微細構造が崩れる虞のある場合には、ＤＢＲ反射鏡７を作成したバッファ層５を基板接着しても良い。最後に、電極８を形成することによりレーザ素子が完成する。
【００５３】
このように本実施形態によれば、活性層４−１を中心円及び複数のリングからなる同心円構造とし、中心円直径及び各リングの幅を基本モード単一で発光可能な小さい幅とすることにより、回折格子と同様の効果が得られ、遠視野での発光パターンが中心円（０次光）とリング状の高次光に分離される。そして、これら各次数のモードが空間的に分離された位置に上部ＤＢＲ反射鏡７を選択的に配置することにより、所望の横モードのみを選択的に発光させる構造を実現することができる。従って、温度や電流分布の変動による横モードの変動を小さくすることができる。
【００５４】
また、本実施形態の構成においては、活性層４−１が半径方向に対して基本横モードのみ発振する条件下では、出力光は常に所望のモードのみに限定される。各活性層４−１の幅を、電流注入やそれに伴う温度分布などに対してなるべく半径方向には単一横モードでの発振が可能であるような寸法にすることによって、結果として電流注入や温度によらず単一横モード動作可能な素子を実現することが可能である。
【００５５】
一方、従来の活性層構造では、直径が０．８μｍというような小さな領域に閉じ込めると、非常に抵抗値が上昇し、電流を流したときの温度上昇も大きくなってしまう。これに対し本実施形態によれば、素子抵抗は活性層４−１全体の面積に依存するため、高抵抗化を抑制することができる。例えば、上記の例で、円及び円環の数を４個とすると、面積では直径８．８μｍの円とほぼ同じ面積になり、低い抵抗値を得ることが可能であり、高速駆動が可能となる。更に抵抗を下げる場合には、円環の数を増やし、バッファ層５を厚くすれば良い。
【００５６】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５７】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、発光領域層４とバッファ層５との間に選択酸化膜などからなる高抵抗領域（電流狭窄構造）６を設けたことにある。
【００５８】
発光領域層４において、不活性層４−２を通じて流れる電流は、レーザ発振には寄与しないため、この電流が占める割合が多いとしきい値の上昇を招くことになる。そこで、本実施形態のように通常のＶＣＳＥＬと同様に、上部クラッド層４−４上の円形の発光領域以外の部分に高抵抗領域６を形成することにより、不活性層４−２を通じて流れる電流を低減し、しきい値の上昇を抑制することができる。
【００５９】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６０】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同心円構造の活性層の作り方にある。第１の実施形態では、不純物の拡散により不活性層４−２を形成することにより同心円構造の活性層４−１を形成しているが、本実施形態では活性層自体はそのままにしておき、同心円構造の不活性層４−２を形成したい部分に相当する活性層の上に高抵抗領域６を形成している。
【００６１】
この構造では、同心円構造の活性層４−１以外の部分に注入される電流密度を下げることで、該部分の光利得を実質的に低下させることができ、不純物拡散等により不活性層４−２を形成したのと同じ効果が得られる。なお、高抵抗領域６は、活性層の上に限らず、下、或いは上下に設けてもよい。また、図では上部クラッド層を省略しているが、第１，第２の実施形態と同様に上部クラッド層を設けてもよいのは勿論のことである。
【００６２】
また、本実施形態では不活性層４−２の部分は無秩序化していないが、無秩序化を施した不活性層４−２上に、本実施形態と同様な電流狭窄構造を作ることも有効である。つまり、無秩序化された領域には電流狭窄効果がないため、リーク電流が流れて、実効的に発振しきい値電流が上昇する。そのため、無秩序化した不活性層４−２上に高抵抗領域６を形成することで、活性層の不活性化と電流狭窄を同時に実現可能となるという効果がある。
【００６３】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６４】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、上部ＤＢＲ反射鏡７を積層方向に２つに分離して設けたことにある。
【００６５】
第１の実施形態の構造において、縦方向の光共振器としては、従来のＶＣＳＥＬと比較して長い共振器構造が必要となる。このため、縦モードの不安定性が大きくなるだけでなく、活性層４−１が縦方向の定在波の節にきてしまい、位相整合が取れなくなる虞れがある。この場合、図５に示すように上部ＤＢＲ反射鏡７を、位相整合を取るための部分反射鏡７−１と高反射率を稼いで共振器を形成するための部分反射鏡７−２に分割し、その間をバッファ用上部クラッド層５で挟む構造にする。
【００６６】
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、定在波を安定化し、位相整合を取りつつ基本横モードのみを選択することが可能となり、より安定した動作が可能となる。
【００６７】
（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係わる半導体レーザの活性層構造を示す平面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６８】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同心円構造の活性層４−１を分離して形成したことにある。
【００６９】
第１の実施形態の構造において、活性層の円環の半径が小さい場合には、中心円で基本モードのみ発振しているため、各円環での相互作用により位相同期発振が保たれるが、円環の半径が大きくなると、円周の長さが長くなり、円周方向の横モードが不安定となることで各円環で位相ずれを起こす可能性が高くなる。この場合には、図６に示すように、円環の一部を切断して扇型状にすることによりモードを安定させることも可能である。
【００７０】
本実施形態の構造では、円周方向に１周分で見ると、基本横モードではなく高次のモードとなるが、半径方向には基本横モードが保たれているために、干渉による効果はこれまで述べた実施形態と同様の効果を示し、安定した単峰性の出力が得られる。
【００７１】
（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７２】
第１〜第５の実施形態では、半径方向の横モードとして基本横モードを選択する例を述べたが、本発明はこれに限定されず、高次横モードを選択することも可能である。
【００７３】
本実施形態では、図７に示すように、上部ＤＢＲ反射鏡７を同心円構造の活性層４−１と中心軸が一致するようにリング状に配置することで、高次横モードに相当する位置に配置した。図７で、１０が０次光、１１が所望の±１次光、１２は２次以上の高次光である。１次の出力光１１は基板法線軸に対して一定の広がりを持つ逆円錐状の発光を示す。これにより、１次光のみを上部ＤＢＲ反射鏡７で反射し、０次光１０と２次以上の高次光は上部ＤＢＲ反射鏡７では反射されなくすることができる。
【００７４】
従って本実施形態によれば、１次光のみを選択してレーザ発振させることができる。そしてこの場合、同心円構造の活性層４−１に対向する位置に電極８を配置できるため、円環状の電極を用いるのに比べて、注入電流分布の均一性を高くすることができ、安定した光出力を得ることができるという効果がある。
【００７５】
（第７の実施形態）
図８は、本発明の第７の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図７と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７６】
この実施形態は、先の第６の実施形態の構成に加え、光取り出し側に円錐プリズムを設けたものである。
【００７７】
第６の実施形態の構成においては、１次の出力光を光ファイバなどに結合させることを考慮すると、出力光ビームの広がり角が大きいと結合効率が低下する。そこで本実施形態では、図８に示すように、素子上面に円錐プリズム１３を設置し、基板法線軸に対して一定の広がりを持つ出力光ビームをプリズム１３により屈折させて軸方向と平行な光ビームにした。これにより、軸方向に沿った円環出力光を得ることができ、高い効率の結合が可能となる。
【００７８】
（第８の実施形態）
図９は、本発明の第８の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図７と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７９】
この実施形態は、円錐プリズムなどの別体を取り付けるのではなく、図９に示すようにレーザ素子自体にモノリシックにプリズム構造を集積したものである。即ち、上部ＤＢＲ反射鏡７上にプリズム層１５が一体形成されている。このプリズム層１５は、ＡｌＧａＡｓなどからなる発振波長で透明な材料で作製され、表面が屈折により１次回折光が平行ビームになるような角度に設定されている。
【００８０】
本実施形態の構造は、図１０に示す方法により実現される。図１０では、簡単のため、バッファ層６より上部のみを描いている。図１０（ａ）でバッファ層６、上部ＤＢＲ反射鏡７を全面に形成したところで、さらに全面にプリズム層１５を形成する。この場合、上部ＤＢＲ反射鏡７は、最外層が空気と接しておらず、プリズム層１５に接していることを考慮した積層構造にする必要がある。
【００８１】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、レジスト１６をパターニングした後に、ベーキングを行い、図１０（ｃ）に示したように半球状に変形させる。その後、塩素系の反応ガス１７等を用いてドライエッチングすることにより、レジスト１６のパターンがプリズム層１５に転写されて、図１０（ｄ）の１５−１に示したような形状が実現できる。さらに、プリズム層１５の不要部分をレジストや誘電膜などをマスク１８として用い、ドライエッチングにより上部ＤＢＲ反射鏡７と共に除去してやることで、前記図９の構造を作製可能である。
【００８２】
（第９の実施形態）
図１１は、本発明の第９の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００８３】
これまでの実施形態では、同心円構造の活性層についてのみ述べてきたが、本発明は必ずしも同心円構造に限定されない。本実施形態では、図１１に示すように、活性層４−１を同心楕円構造に形成した。その作り方としては、第１の実施形態と同様に、全面に形成した活性層が同心楕円構造に残るように、不純物の拡散により４−２の部分を無秩序化すればよい。
【００８４】
本実施形態の場合、ビーム形状は楕円又は楕円環になるため、それに応じて上部ＤＢＲ反射鏡７の形状も変更する必要がある。即ち、０次回折光を選択する場合は楕円状に、１次回折光を選択する場合は楕円環状形状が好ましい。活性層を同心楕円構造にすることにより、回折光は活性層の長径方向が短径方向となる同心楕円ビームとなる。しかしながら、上部ＤＢＲ反射鏡７が存在する部分のみがモードとして存在可能であるので、０次回折光を選択すれば楕円ビームが、１次回折光を選択すれば、楕円環ビームが得られる。
【００８５】
ここで、多重量子井戸活性層のゲインが高い方向に楕円の長径方向を一致させるようにすると、偏波が安定するという効果がある。例えば、基板が（１００）ＧａＡｓ基板でＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸の活性層を用いた場合は、［０１１］或いは［０１-1］方向を長径方向に一致させることによりそれぞれの方向の偏波モードのゲインが高くなるため、安定した偏波が得られるという効果がある。
【００８６】
（第１０の実施形態）
図１２は、本発明の第１０の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００８７】
本実施形態では、図１２に示すように、活性層４−１を同心長方形構造に形成した。このような同心長方形構造の場合も、第９の実施形態と同様に偏波安定化の効果が得られる。この場合、同心長方形構造の長辺方向を前述の活性層のゲインが高い方向に一致させることにより有効に偏波を安定化できる。このとき得られる回折光は、０次光が光軸中心付近にあり、１次光は同心長方形構造の各辺に直交する方向に傾きを持った４つのビームに分かれる。従って、１次光を選択すると位相の揃ったマルチビームを得ることも可能であるという効果がある。
【００８８】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、活性層を同心円，同心楕円，又は同心長方形構造に形成した例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限るものではなく、同心構造であれば五角形，六角形，その他の図形にしてもよい。
【００８９】
実施形態では、ＧａＡｓ系材料を用いた８５０ｎｍ程度の波長に発光ピークを持つ素子について述べているが、本発明はこれらの材料に何ら限定されることはなく、他の材料系にも適用可能である。例えば、ＩｎＰ系の材料では活性層を直接エッチングした後に、不活性層４−２としてバンドギャップの広い材料を、平坦に近い状態に埋め込むことができる。そのため、その後に上部クラッド層を薄く形成し、基板接着等の技術で厚い上部クラッド層を形成することもできる。
【００９０】
また、ＧａＮ系の材料では、活性層の一部をエッチング除去後にＡｌＮで埋め込んだ後に薄いクラッド層を形成して厚いクラッド層を基板接着する方法や、活性層の一部を水素中の熱アニールなどの方法で高抵抗化することにより不活性層を作製し、その後にクラッド層を薄く形成して厚いクラッドを持つ別基板を基板接着技術により張り合わせることにより実現可能である。また、活性層のパターンは、実施形態で述べた回折条件、寸法関係の条件を満たす限り、円環のみからなるパターンでも良い。
【００９１】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、素子抵抗の上昇を抑えつつ、温度変動や変調などで生じる電流分布の変動による時間的空間的な横モードの変動を抑えかつ単一化可能となる。これにより、高速信号伝送時のモードごとの伝送特性の違いに起因するモード雑音を抑制することが可能となり、より高速な信号伝送が可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図及び平面図と放射光強度分布を示す特性図。
【図２】第１の実施形態における各部の寸法関係を説明するための模式図。
【図３】第２の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図４】第３の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図５】第４の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図６】第５の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図７】第６の実施形態に係わる半導体レーザの活性層構造を示す平面図。
【図８】第７の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図９】第８の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１０】第８の実施形態におけるプリズム構造の製造工程を示す断面図。
【図１１】第９の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１２】第１０の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１３】従来の半導体レーザの素子構造を示す斜視図と断面図。
【図１４】従来の半導体レーザの素子構造を示す断面図と発光スペクトルを示す特性図。
【図１５】従来の半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【符号の説明】
１…半導体基板
２…下部ＤＢＲ反射鏡
４−１…活性層
４−２…非活性層
４−３…下部クラッド層
４−４…上部クラッド層
５…バッファ層
６…高抵抗層
７…上部ＤＢＲ反射鏡
８…リング状電極
９…裏面電極
１０…０次光
１１…１次光（高次光）
１２…２次以上の高次光
１３…円錐プリズム
１５…プリズム層
１６，１８…レジスト
１７…反応ガス
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光伝送技術の光源として用いられる垂直共振器型面発光レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光通信や光伝送などの分野では、出射光のコヒーレンシーが高く高速動作が可能であること、或いは非常に小型であることから、光源として半導体レーザが広く用いられている。中でも、ビームが円形であること、素子基板に対し垂直方向に出力光を取り出せること、しきい値電流が低くできること、製造時にウェハ状態での検査が可能でコストが低いことなどの理由から、垂直共振器型の面発光レーザ素子（以下、ＶＣＳＥＬと記す）が多く用いられるようになってきている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、端面発光型半導体レーザと異なり、活性層が波長に比べて十分大きく面方向に広がっているため、高次横モードが存在しやすい構造になっている。実際、市販のＶＣＳＥＬの大部分は多数の横モードで発振する。それぞれの横モードは、マルチモードファイバなどの伝送路に対する伝送特性が異なる。そのため、多数の横モードが発振した場合、温度の揺らぎや高速にデジタル信号で変調されることにより、モード間でのエネルギーの授受が起こって伝送特性が時間的に変動してしまう現象（いわゆるモーダルノイズ）や、各モード間での伝送遅延時間差により時間軸ジッタが大きくなる現象（モード分散）などが生じ、伝送特性が劣化する。
【０００４】
この伝送特性の劣化を抑制するために、横モードをなるべく単一モードで発振するように、活性層の大きさ（面内方向）を小さくしてやることで高次横モードの励振を抑圧して単一横モード化している。理想的には、活性領域を面内方向に１／２波長程度まで絞り込んで、光を閉じ込めることで、基本横モードのみが定在波として存在できるようにすることが可能となるが、微小な領域に電流を注入する必要があるため素子抵抗が非常に高くなり、高速応答が不可能となる。さらに、高抵抗層に電流を注入することによる温度上昇によって利得の低下を招く。
【０００５】
そこで、ある程度広い活性層のなかで、モード毎の利得差を利用して単一横モードの発振を得ている。例えば、（１）基本横モードのみが活性層領域の中心付近にピークを持つことを利用し、上部（出力側）ＤＢＲを一部エッチングして反射率を制御して利得の空間的分布をつける方法、（２）横モード間の微妙な波長の違いを利用して、外部共振器や波長フィルタをつける方法、などがある。
【０００６】
（１）の例として、図１３に示す構造がある（非特許文献１）。半導体基板上１０１上に、下部ＤＢＲ反射鏡１０２、活性層及び上下クラッド層を含む発光領域層１０３、上部ＤＢＲ反射鏡１０４が積層されている。上部ＤＢＲ反射鏡１０４の下部に選択酸化層１０５が形成され、これにより電流狭窄構造が構成されている。最上部にリング状コンタクト電極１０６が形成され、基板１０１の下面にべた状コンタクト電極１０７が形成されている。
【０００７】
また、上部ＤＢＲ反射鏡１０４の表面に、発光領域中心軸付近を残してリング状の周辺部１０８がエッチングにより形成されている。ここで、上部ＤＢＲ反射鏡１０４の中心付近は反射率が高いように設定され、リング状にエッチングした部分１０８の反射率が低くなるように設定されている。
【０００８】
この構造においては、０次基本横モードが発光領域中心軸付近に発光のピークを持ち、１次の高次横モードが周辺部に発光ピークを持つ。これにより、高次横モードに対する利得が下がり、モード間の利得差を大きくすることができ、選択的に基本横モードのみが発振しやすくしている。
【０００９】
（２）の例として、図１４に示すような構造がある（特許文献１）。図１４の（ａ）は素子構造、（ｂ）は発光時のニアフィールドパターン、（ｃ）は発光時のスペクトルを示す図である。半導体基板２０１上に、下部ＤＢＲ反射鏡２０２、下部クラッド層２０３、活性層２０４、上部クラッド層２０５、上部ＤＢＲ反射鏡２０６、上部電極２０７と順に形成し、半導体基板２０１の裏面に開口部２０８ａを持つ下部電極２０８を形成し、開口部２０８ａに波長フィルタ２０９を設けている。
【００１０】
この例では、基本横モードと高次横モード間に僅かな共振波長の差があることを利用し、波長選択フィルタ２０９によって高次横モードを光学的にフィルタリングすると共に、開口部２０８ａの大きさを基本横モードのビーム径（図１４（ｂ）中の破線で示す）より少し大きい寸法にすることで、高次横モードに対して電極によるマスクを施している。これにより、外部に取り出される光を基本横モードに制限している。
【００１１】
しかしいずれの場合にも、共振器特性で横モードを規定するため、温度や電流分布などの変動により各モードに対する利得が変動し、条件によっては意図しないモードの発振が励起されて所望のモードよりも強い発光を示すことすらある。
【００１２】
図１３の例では、注入電流値が大きくなったり大振幅で変調がかかると、活性層内での電流分布やそれに伴う温度分布などにより、各横モードに対する利得が変動する。結果的に、高次横モードと基本横モードの利得差が小さくなり、或いは逆転して、意図しない高次横モードの発振が起こり得る。
【００１３】
図１４の例では、上述同様電流分布や温度分布による活性層面内での空間的な利得の分布が変化し、基本横モードの位置が変動したり、意図しない高次横モードのみが発振する場合すらある。これらの問題は全て、活性層領域内での利得の分布が電流や温度分布により変動することに起因している。
【００１４】
一方、活性層面内での発光を規定する例として、活性層に周期構造を持ち込むことで、面内方向への発光を制限して、全体の発光に対する面方向へ発光成分を増加させる試みがなされている（特許文献２）。この例は、図１５に示すように、基板３１１上に、下部ＤＢＲ反射鏡３１２、バッファ層３１３、活性層３２１、バッファ層３１４、上部ＤＢＲ反射鏡３１５が積層された構造で、ＶＣＳＥＬ構造になっている。なお、図１５（ａ）は斜視図であり、バッファ層３１３及び３１４は図示されていない。図１５（ｂ）は断面図である。
【００１５】
活性層３２１を同心円状のフォトニック構造とすることにより、横方向のフォトニックバンドを生成して、横方向への発光を制限している構造になっている。この構造により、同心円活性層３２１からの発光パターンは、電流分布などによる活性層面内での空間的な位置の変動が抑えられる構造になっている。
【００１６】
しかしながら、この場合にも積層方向（縦方向）の発光の制限は、共振器によるものであり、横モードは多数存在可能な構造であり、横モードの対策は何ら施されていない。このため、電流分布や温度分布の変動によらない横モード単一化は実現されない。
【００１７】
同様に、量子細線構造などを使用して、面内での活性層利得の分布を作ることにより横モード制御をする方法なども提案されている（特開平６−１７７４８０号公報）。しかし、量子構造（量子細線や量子ドット）とするためには一般に、光の波長以下の微細構造が必要となり、通常の活性層（量子井戸構造）に比較するとその寸法は非常に小さいものとなるため、製造時の再現性や均一度に困難を伴う。さらに、体積が非常に小さいため、活性領域からの発光を大きくすることは困難であるという問題がある。
【００１８】
【特許文献１】
特開平８−２３６８５２号公報
【００１９】
【特許文献２】
特開平８−２１３７１１号公報
【００２０】
【非特許文献１】
IEEE Photonics Technology Letters,Vol.11,No.12,pp.1536-1538,1999
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、垂直共振器型面発光レーザ素子においては、温度変化や変調などによる大きな電流分布変動によって横モードが変化し、時間的にそれぞれの空間的な分布や強度分布が一定しないため、高速信号伝送や通信時に横モード変動に起因する信号の変動雑音が生じ、伝送特性が悪化するという課題があった。
【００２２】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、温度変化や変調などによる大きな電流分布変動による時間的空間的な横モードの変動を抑えることができ、高速信号伝送時のモード毎の伝送特性の違いに起因するモード雑音を抑制することのできる垂直共振器型面発光レーザ素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００２４】
即ち本発明は、第１の反射鏡と、この第１の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第２の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の０次回折光と１次以上の高次回折光とを空間的に分離し得る厚さに設定され、第２の反射鏡は、前記０次回折光を反射し、前記高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、第１の反射鏡と、この第１の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第２の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の０次回折光，１次回折光，及び２次以上の高次回折光を空間的に分離し得る厚さに設定され、第２の反射鏡は、前記１次回折光を反射し、前記０次回折光及び高次回折光を反射しない範囲に選択的に形成されていることを特徴とする。
【００２６】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【００２７】
(1) 反射鏡は、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）であること。
【００２８】
(2) 同心構造が、円及び円環からなる同心円構造であること。
【００２９】
(3) バッファ層の厚さをＬとし、同心円構造の直径をＤａ、同心円構造による１次回折光の回折角をθとしたとき、第２の反射鏡の中心軸が、同心円構造の中心軸と一致し、かつ第２の反射鏡の直径ＤｍがＤａ＜Ｄｍ＜Ｌtanθを満たすこと。さらに、１次回折光のビーム広がり角をθ１としたとき、第２の反射鏡の中心軸が、同心円構造の中心軸と一致し、かつ第２の反射鏡の直径ＤｍがＤａ＜Ｄｍ＜Ｌtan（θ−θ１）を満たすこと。
【００３０】
(4) 第２の反射鏡上に１次回折光を平行光にする円錐プリズムを設けたこと。
【００３１】
(5) 同心構造が楕円及び楕円環からなる同心楕円構造であり、楕円及び楕円環の各長辺方向及び短辺方向が一致しており、楕円及び楕円環の長径方向が活性層の利得が大きい結晶方位と一致していること。
【００３２】
(6) 同心構造が長方形及び長方形枠形からなる同心長方形構造であり、長方形及び長方形枠形の各辺がそれぞれ平行であり、長方形及び長方形枠形の長辺方向が活性層の利得が大きい結晶方位と一致していること。
【００３３】
(7) バッファ層と発光領域層との間に、第１の反射鏡との組み合わせでは活性層がレーザ発振を起こさない程度に低い反射率を有する部分反射鏡を有すること。第２の反射鏡の一部が、バッファ層と発光領域層との間に部分反射鏡として形成されていること。
【００３４】
(8) バッファ層と発光領域層との間に、電流狭窄のために絶縁膜又は高抵抗膜が選択的に形成されていること。
【００３５】
（作用）
本発明によれば、活性層に周期構造を導入し活性面内での発光の分布を制御して、横モードを空間的に安定かつ、分離可能なパターンに制限すると共に、共振器により所望の横モードを空間的に選択することのできる構造を採用することにより、温度や電流分布の変動による横モードの変動を小さくすることができる。
【００３６】
より具体的には、活性層を例えば中心円及び複数のリングからなる同心円構造とし、中心円直径及び各リングの幅を基本モード単一で発光可能な小さい幅とする。これにより、回折格子と同様の効果が得られ、遠視野での発光パターンが中心円（０次光）とリング状の高次光に分離される。そして、これら各次数のモードが空間的に分離された位置に選択的にＤＢＲ共振器を配置することにより、所望の横モードのみを選択的に発光させる構造を実現することで、前述した問題を解決することが可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００３８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を説明するためのもので、（ａ）は全体構成を示す断面図、（ｂ）は活性層構成を示す平面図、（ｃ）は放射光強度分布を示す図である。
【００３９】
図１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１上に、Ｓｉドープされたｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの四分の一波長積層半導体層からなる下部ＤＢＲ反射鏡２、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸からなる活性層を含む発光領域層４が積層されている。発光領域層４上には発振波長近傍で透明なＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０．３≦ｘ≦０．６）からなる厚いバッファ層５が形成され、バッファ層５上にはＣドープされたｐ型ＡｌＡｓ／Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ四分の一波長積層半導体層からなる円状の上部ＤＢＲ反射鏡７が部分的に形成されている。
【００４０】
そして、上部ＤＢＲ反射鏡７を囲むようにバッファ層５上に、ＡｕＺｎからなる電気的コンタクト用のリング状電極８が形成されている。また、半導体基板１の裏面には、ＡｕＧｅなどからなる裏面電極９が形成されている。これにより、積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子となっている。
【００４１】
活性層を含む発光領域層４は、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０．３≦ｘ≦０．６）からなる下部クラッド層４−３と上部クラッド層４−４の間に、図１（ｂ）に示すような中心円及び円環からなるレーザ発振可能な光利得を有する活性層４−１と、非発光或いは光利得が低い不活性層４−２とからなる同心円構造を持つ。活性層４−１の直径又は円環の幅は、同心円の半径方向に対して、円環内の光強度分布が単峰である単一横モードでの発振が可能な幅を持つ。また、各活性層４−１は互いに光学的に結合があり、位相同期が可能な間隔で配置される。
【００４２】
この同心円構造により、活性層４−１に電流注入された時、各活性層４−１から誘導放出によってコヒーレントに発光した場合、それぞれの活性領域からの発光が干渉し、図中に示されたような０次光１０と、ある特定の回折角を持つ高次光１１に空間的に分離されることになる。実際には、誘導放出を起こすためには共振器の存在が必要であるため、図に示した矢印は仮想的な光である。例えば、活性層４−１の幅が０．８μｍで、不活性層４−２の幅が０．４μｍである時、±１次光の回折角は、約１２．５°になる。この場合の同心円構造による回折角に対する光強度分布を、図１（ｃ）に示す。なお、円及び円環の数は、中心円と４重の円環について計算した図である。
【００４３】
そこで、上部ＤＢＲ反射鏡７を所望のモードに相当する空間的な位置にのみ置くことにより、所望のモードのみが誘導放出を起こしレーザ発振可能となるように設定することができる。このとき、高次横モードを分離可能な位置に置くための条件として、以下のような位置関係を取る必要がある。
【００４４】
図２において、１１−１，１１−２は、それぞれ同心円構造により回折された＋１次，−１次光である。これらは活性層近傍では、０次光ビーム１０を含めて空間的には分離されておらず、重なり合った状態にある。そして、活性層４−１から法線方向への距離Ｌが
Ｌ＞Ｄａ／tanθ（＝Ｌｏ） …（１）
を満たす範囲で、分離される。つまり、Ｌ≦Ｌｏの位置では各回折光が空間的には分離されていないため、同時に発振してしまう。ここで、Ｄａは活性層４−１の最外郭円環の外円直径である。さらに、後述するように上部クラッド層４−４の厚さは極めて薄いため、活性層４−１から法線方向への距離Ｌは、実質的にはバッファ層５の厚さである。
【００４５】
また、高次の回折光は、回折角方向にある角度広がり（±θ１＝２θ１）を持ったビームを形成するため、実際にはこの広がりの影響を考慮した距離だけＬｏより離して上部ＤＢＲ反射鏡７を置く必要がある。これによりバッファ層５の厚さが決定される。従って、各寸法関係は
Ｄａ＜Ｌtan（θ−θ１） …（２）
と書ける。
【００４６】
例えば、前述の例で、円の周囲の円環の数を４とすると、Ｄａ＝１０．４μｍである。このとき、Ｌｏは約４７μｍとなる。１次光の広がり角を１次光ピークに対して１／１０以下になった角度と定義すると約１°となるため、活性層４−１と上部ＤＢＲ反射鏡７との距離Ｌは、約５１μｍ以上必要である。つまり、バッファ層５の厚さが、約５１μｍ以上必要である。この厚さは、通常のＶＣＳＥＬに比較すると非常に厚く、結晶成長で作製するには困難があるが、後述するように、基板接着技術を応用することで実現可能である。
【００４７】
また、図２のように、０次光を選択する場合、上部ＤＢＲ反射鏡７は、同心円活性層４−１の中心軸を含む中心付近に、０次光のみ反射する位置に置かれる。このとき、上部ＤＢＲ反射鏡７は、中心軸が同心円活性層４−１の中心軸と一致し、直径ＤｍがＤａより大きい方が好ましい。何故なら、上部ＤＢＲ反射鏡７の外側に対応した円環状活性層４−１では上下方向に共振器が形成されず、基本モードでも発振が不可能になるため、活性層として有効に機能せず、単なるロス媒体となるためである。
【００４８】
従って、上述の寸法関係と合わせて、Ｄｍの望ましい範囲は、
Ｄａ＜Ｄｍ＜Ｌtan（θ−θ１） …（３）
と定義される。また、上部ＤＢＲ反射鏡７以外の部分からの迷光が表面から出力されて、雑音となることを防止するために、光出力面の上部ＤＢＲ反射鏡以外の部分をなるべくリング状電極８でマスクすることが望ましい。
【００４９】
以上で述べた図１、図２の構造は、次に述べるような方法で実現される。例えば、半導体基板１上に通常の結晶成長技術等を用いて、下部ＤＢＲ反射鏡２、下部クラッド層４−３を積層形成した後、全面に活性層を形成する。その後、上部クラッド層４−４を形成しておく。
【００５０】
ここで、全面に形成した活性層が同心円構造に残るように、レジストやＳｉＮｘなどの誘電体膜をマスクとしてＺｎＡｓ2 を拡散源としてＺｎ元素を６００〜７００℃程度で拡散させて無秩序化し、不活性層４−２を形成する。このときの上部クラッド層４−４が厚いと、同心円構造が微細な構造になった場合、活性層の深さまで拡散させた場合に、横方向の拡散も同時に起こって微細構造が形成できなくなる。このため、上部クラッド層４−４の厚さは、同心円構造の円環の幅と同等程度まで薄くしておく。また、不活性層４−２の形成は、ＺｎやＳｉのイオン注入後にアニールを行って無秩序化を行うことや、プロトンインプラにより高抵抗化させることでも実現可能である。
【００５１】
次いで、別の支持基板に張り合わされた厚いバッファ層５を、基板接着などの技術を用いて、発光領域層４の上部クラッド層４−４と貼り合わせる。その後に、支持基板を除去する。バッファ層５は、上部クラッド層４−４と同じ材料であっても良い。
【００５２】
次いで、バッファ層５上に上部ＤＢＲ反射鏡７を全面に形成し、所望の位置のみドライエッチングなどの手法で上部ＤＢＲ反射鏡７をパターニングする。このとき、全面への上部ＤＢＲ反射鏡形成時に、高温となり押し込み拡散によって同心円の微細構造が崩れる虞のある場合には、ＤＢＲ反射鏡７を作成したバッファ層５を基板接着しても良い。最後に、電極８を形成することによりレーザ素子が完成する。
【００５３】
このように本実施形態によれば、活性層４−１を中心円及び複数のリングからなる同心円構造とし、中心円直径及び各リングの幅を基本モード単一で発光可能な小さい幅とすることにより、回折格子と同様の効果が得られ、遠視野での発光パターンが中心円（０次光）とリング状の高次光に分離される。そして、これら各次数のモードが空間的に分離された位置に上部ＤＢＲ反射鏡７を選択的に配置することにより、所望の横モードのみを選択的に発光させる構造を実現することができる。従って、温度や電流分布の変動による横モードの変動を小さくすることができる。
【００５４】
また、本実施形態の構成においては、活性層４−１が半径方向に対して基本横モードのみ発振する条件下では、出力光は常に所望のモードのみに限定される。各活性層４−１の幅を、電流注入やそれに伴う温度分布などに対してなるべく半径方向には単一横モードでの発振が可能であるような寸法にすることによって、結果として電流注入や温度によらず単一横モード動作可能な素子を実現することが可能である。
【００５５】
一方、従来の活性層構造では、直径が０．８μｍというような小さな領域に閉じ込めると、非常に抵抗値が上昇し、電流を流したときの温度上昇も大きくなってしまう。これに対し本実施形態によれば、素子抵抗は活性層４−１全体の面積に依存するため、高抵抗化を抑制することができる。例えば、上記の例で、円及び円環の数を４個とすると、面積では直径８．８μｍの円とほぼ同じ面積になり、低い抵抗値を得ることが可能であり、高速駆動が可能となる。更に抵抗を下げる場合には、円環の数を増やし、バッファ層５を厚くすれば良い。
【００５６】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５７】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、発光領域層４とバッファ層５との間に選択酸化膜などからなる高抵抗領域（電流狭窄構造）６を設けたことにある。
【００５８】
発光領域層４において、不活性層４−２を通じて流れる電流は、レーザ発振には寄与しないため、この電流が占める割合が多いとしきい値の上昇を招くことになる。そこで、本実施形態のように通常のＶＣＳＥＬと同様に、上部クラッド層４−４上の円形の発光領域以外の部分に高抵抗領域６を形成することにより、不活性層４−２を通じて流れる電流を低減し、しきい値の上昇を抑制することができる。
【００５９】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６０】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同心円構造の活性層の作り方にある。第１の実施形態では、不純物の拡散により不活性層４−２を形成することにより同心円構造の活性層４−１を形成しているが、本実施形態では活性層自体はそのままにしておき、同心円構造の不活性層４−２を形成したい部分に相当する活性層の上に高抵抗領域６を形成している。
【００６１】
この構造では、同心円構造の活性層４−１以外の部分に注入される電流密度を下げることで、該部分の光利得を実質的に低下させることができ、不純物拡散等により不活性層４−２を形成したのと同じ効果が得られる。なお、高抵抗領域６は、活性層の上に限らず、下、或いは上下に設けてもよい。また、図では上部クラッド層を省略しているが、第１，第２の実施形態と同様に上部クラッド層を設けてもよいのは勿論のことである。
【００６２】
また、本実施形態では不活性層４−２の部分は無秩序化していないが、無秩序化を施した不活性層４−２上に、本実施形態と同様な電流狭窄構造を作ることも有効である。つまり、無秩序化された領域には電流狭窄効果がないため、リーク電流が流れて、実効的に発振しきい値電流が上昇する。そのため、無秩序化した不活性層４−２上に高抵抗領域６を形成することで、活性層の不活性化と電流狭窄を同時に実現可能となるという効果がある。
【００６３】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６４】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、上部ＤＢＲ反射鏡７を積層方向に２つに分離して設けたことにある。
【００６５】
第１の実施形態の構造において、縦方向の光共振器としては、従来のＶＣＳＥＬと比較して長い共振器構造が必要となる。このため、縦モードの不安定性が大きくなるだけでなく、活性層４−１が縦方向の定在波の節にきてしまい、位相整合が取れなくなる虞れがある。この場合、図５に示すように上部ＤＢＲ反射鏡７を、位相整合を取るための部分反射鏡７−１と高反射率を稼いで共振器を形成するための部分反射鏡７−２に分割し、その間をバッファ用上部クラッド層５で挟む構造にする。
【００６６】
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、定在波を安定化し、位相整合を取りつつ基本横モードのみを選択することが可能となり、より安定した動作が可能となる。
【００６７】
（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係わる半導体レーザの活性層構造を示す平面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６８】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同心円構造の活性層４−１を分離して形成したことにある。
【００６９】
第１の実施形態の構造において、活性層の円環の半径が小さい場合には、中心円で基本モードのみ発振しているため、各円環での相互作用により位相同期発振が保たれるが、円環の半径が大きくなると、円周の長さが長くなり、円周方向の横モードが不安定となることで各円環で位相ずれを起こす可能性が高くなる。この場合には、図６に示すように、円環の一部を切断して扇型状にすることによりモードを安定させることも可能である。
【００７０】
本実施形態の構造では、円周方向に１周分で見ると、基本横モードではなく高次のモードとなるが、半径方向には基本横モードが保たれているために、干渉による効果はこれまで述べた実施形態と同様の効果を示し、安定した単峰性の出力が得られる。
【００７１】
（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７２】
第１〜第５の実施形態では、半径方向の横モードとして基本横モードを選択する例を述べたが、本発明はこれに限定されず、高次横モードを選択することも可能である。
【００７３】
本実施形態では、図７に示すように、上部ＤＢＲ反射鏡７を同心円構造の活性層４−１と中心軸が一致するようにリング状に配置することで、高次横モードに相当する位置に配置した。図７で、１０が０次光、１１が所望の±１次光、１２は２次以上の高次光である。１次の出力光１１は基板法線軸に対して一定の広がりを持つ逆円錐状の発光を示す。これにより、１次光のみを上部ＤＢＲ反射鏡７で反射し、０次光１０と２次以上の高次光は上部ＤＢＲ反射鏡７では反射されなくすることができる。
【００７４】
従って本実施形態によれば、１次光のみを選択してレーザ発振させることができる。そしてこの場合、同心円構造の活性層４−１に対向する位置に電極８を配置できるため、円環状の電極を用いるのに比べて、注入電流分布の均一性を高くすることができ、安定した光出力を得ることができるという効果がある。
【００７５】
（第７の実施形態）
図８は、本発明の第７の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図７と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７６】
この実施形態は、先の第６の実施形態の構成に加え、光取り出し側に円錐プリズムを設けたものである。
【００７７】
第６の実施形態の構成においては、１次の出力光を光ファイバなどに結合させることを考慮すると、出力光ビームの広がり角が大きいと結合効率が低下する。そこで本実施形態では、図８に示すように、素子上面に円錐プリズム１３を設置し、基板法線軸に対して一定の広がりを持つ出力光ビームをプリズム１３により屈折させて軸方向と平行な光ビームにした。これにより、軸方向に沿った円環出力光を得ることができ、高い効率の結合が可能となる。
【００７８】
（第８の実施形態）
図９は、本発明の第８の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図７と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７９】
この実施形態は、円錐プリズムなどの別体を取り付けるのではなく、図９に示すようにレーザ素子自体にモノリシックにプリズム構造を集積したものである。即ち、上部ＤＢＲ反射鏡７上にプリズム層１５が一体形成されている。このプリズム層１５は、ＡｌＧａＡｓなどからなる発振波長で透明な材料で作製され、表面が屈折により１次回折光が平行ビームになるような角度に設定されている。
【００８０】
本実施形態の構造は、図１０に示す方法により実現される。図１０では、簡単のため、バッファ層６より上部のみを描いている。図１０（ａ）でバッファ層６、上部ＤＢＲ反射鏡７を全面に形成したところで、さらに全面にプリズム層１５を形成する。この場合、上部ＤＢＲ反射鏡７は、最外層が空気と接しておらず、プリズム層１５に接していることを考慮した積層構造にする必要がある。
【００８１】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、レジスト１６をパターニングした後に、ベーキングを行い、図１０（ｃ）に示したように半球状に変形させる。その後、塩素系の反応ガス１７等を用いてドライエッチングすることにより、レジスト１６のパターンがプリズム層１５に転写されて、図１０（ｄ）の１５−１に示したような形状が実現できる。さらに、プリズム層１５の不要部分をレジストや誘電膜などをマスク１８として用い、ドライエッチングにより上部ＤＢＲ反射鏡７と共に除去してやることで、前記図９の構造を作製可能である。
【００８２】
（第９の実施形態）
図１１は、本発明の第９の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００８３】
これまでの実施形態では、同心円構造の活性層についてのみ述べてきたが、本発明は必ずしも同心円構造に限定されない。本実施形態では、図１１に示すように、活性層４−１を同心楕円構造に形成した。その作り方としては、第１の実施形態と同様に、全面に形成した活性層が同心楕円構造に残るように、不純物の拡散により４−２の部分を無秩序化すればよい。
【００８４】
本実施形態の場合、ビーム形状は楕円又は楕円環になるため、それに応じて上部ＤＢＲ反射鏡７の形状も変更する必要がある。即ち、０次回折光を選択する場合は楕円状に、１次回折光を選択する場合は楕円環状形状が好ましい。活性層を同心楕円構造にすることにより、回折光は活性層の長径方向が短径方向となる同心楕円ビームとなる。しかしながら、上部ＤＢＲ反射鏡７が存在する部分のみがモードとして存在可能であるので、０次回折光を選択すれば楕円ビームが、１次回折光を選択すれば、楕円環ビームが得られる。
【００８５】
ここで、多重量子井戸活性層のゲインが高い方向に楕円の長径方向を一致させるようにすると、偏波が安定するという効果がある。例えば、基板が（１００）ＧａＡｓ基板でＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸の活性層を用いた場合は、［０１１］或いは［０１-1］方向を長径方向に一致させることによりそれぞれの方向の偏波モードのゲインが高くなるため、安定した偏波が得られるという効果がある。
【００８６】
（第１０の実施形態）
図１２は、本発明の第１０の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００８７】
本実施形態では、図１２に示すように、活性層４−１を同心長方形構造に形成した。このような同心長方形構造の場合も、第９の実施形態と同様に偏波安定化の効果が得られる。この場合、同心長方形構造の長辺方向を前述の活性層のゲインが高い方向に一致させることにより有効に偏波を安定化できる。このとき得られる回折光は、０次光が光軸中心付近にあり、１次光は同心長方形構造の各辺に直交する方向に傾きを持った４つのビームに分かれる。従って、１次光を選択すると位相の揃ったマルチビームを得ることも可能であるという効果がある。
【００８８】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、活性層を同心円，同心楕円，又は同心長方形構造に形成した例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限るものではなく、同心構造であれば五角形，六角形，その他の図形にしてもよい。
【００８９】
実施形態では、ＧａＡｓ系材料を用いた８５０ｎｍ程度の波長に発光ピークを持つ素子について述べているが、本発明はこれらの材料に何ら限定されることはなく、他の材料系にも適用可能である。例えば、ＩｎＰ系の材料では活性層を直接エッチングした後に、不活性層４−２としてバンドギャップの広い材料を、平坦に近い状態に埋め込むことができる。そのため、その後に上部クラッド層を薄く形成し、基板接着等の技術で厚い上部クラッド層を形成することもできる。
【００９０】
また、ＧａＮ系の材料では、活性層の一部をエッチング除去後にＡｌＮで埋め込んだ後に薄いクラッド層を形成して厚いクラッド層を基板接着する方法や、活性層の一部を水素中の熱アニールなどの方法で高抵抗化することにより不活性層を作製し、その後にクラッド層を薄く形成して厚いクラッドを持つ別基板を基板接着技術により張り合わせることにより実現可能である。また、活性層のパターンは、実施形態で述べた回折条件、寸法関係の条件を満たす限り、円環のみからなるパターンでも良い。
【００９１】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、素子抵抗の上昇を抑えつつ、温度変動や変調などで生じる電流分布の変動による時間的空間的な横モードの変動を抑えかつ単一化可能となる。これにより、高速信号伝送時のモードごとの伝送特性の違いに起因するモード雑音を抑制することが可能となり、より高速な信号伝送が可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図及び平面図と放射光強度分布を示す特性図。
【図２】第１の実施形態における各部の寸法関係を説明するための模式図。
【図３】第２の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図４】第３の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図５】第４の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図６】第５の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図７】第６の実施形態に係わる半導体レーザの活性層構造を示す平面図。
【図８】第７の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図９】第８の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１０】第８の実施形態におけるプリズム構造の製造工程を示す断面図。
【図１１】第９の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１２】第１０の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１３】従来の半導体レーザの素子構造を示す斜視図と断面図。
【図１４】従来の半導体レーザの素子構造を示す断面図と発光スペクトルを示す特性図。
【図１５】従来の半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【符号の説明】
１…半導体基板
２…下部ＤＢＲ反射鏡
４−１…活性層
４−２…非活性層
４−３…下部クラッド層
４−４…上部クラッド層
５…バッファ層
６…高抵抗層
７…上部ＤＢＲ反射鏡
８…リング状電極
９…裏面電極
１０…０次光
１１…１次光（高次光）
１２…２次以上の高次光
１３…円錐プリズム
１５…プリズム層
１６，１８…レジスト
１７…反応ガス
Claims (9)
- 第１の反射鏡と、この第１の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第２の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、
前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の０次回折光と１次以上の高次回折光とを空間的に分離し得る厚さに設定され、
第２の反射鏡は、前記０次回折光を反射し、前記高次回折光を反射しない範囲に形成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ素子。 - 第１の反射鏡と、この第１の反射鏡上に形成された活性層を含む発光領域層と、この発光領域層上に形成された透明バッファ層と、この透明バッファ層上に形成された第２の反射鏡とを備え、各反射鏡及び各層の積層方向に沿ってレーザ光を出力する垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
前記活性層は、レーザ発振可能な光利得を持つと共に、非発光又は低光利得である不活性層により分割される同心構造を有し、該分割された活性層が各々前記同心構造の中心点からの放射方向に単一横モード発振となる幅に制限され、かつ該分割された活性層の間隔が互いに位相同期発振可能な寸法であり、
前記バッファ層は、前記同心構造による回折光の０次回折光，１次回折光，及び２次以上の高次回折光を空間的に分離し得る厚さに設定され、
第２の反射鏡は、前記１次回折光を反射し、前記０次回折光及び高次回折光を反射しない範囲に形成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ素子。 - 前記活性層の同心構造は、円及び円環からなる同心円構造であり、第２の反射鏡は円形であることを特徴とする請求項１又は２記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
- 前記バッファ層の厚さをＬとし、前記同心円構造の直径をＤａ、前記同心円構造による１次回折光の回折角をθとしたとき、第２の反射鏡の中心軸が前記同心円構造の中心軸と一致し、かつ第２の反射鏡の直径ＤｍがＤａ＜Ｄｍ＜Ｌtanθを満たすことを特徴とする請求項３記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
- 前記バッファ層の厚さをＬとし、前記同心円構造の直径をＤａ、前記同心円構造による１次回折光の回折角をθ、該１次回折光のビーム広がり角をθ１としたとき、第２の反射鏡の中心軸が前記同心円構造の中心軸と一致し、かつ第２の反射鏡の直径ＤｍがＤａ＜Ｄｍ＜Ｌtan（θ−θ１）を満たすことを特徴とする請求項３記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
- 前記活性層の同心構造は円及び円環からなる同心円構造であり、第２の反射鏡上に１次回折光を平行光にする円錐プリズムを設けたことを特徴とする請求項２記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
- 前記活性層の同心構造は楕円及び楕円環からなる同心楕円構造であり、前記楕円及び楕円環の各長辺方向及び短辺方向が一致しており、前記楕円及び楕円環の長径方向が前記活性層の利得が大きい結晶方位と一致していることを特徴とする請求項１又は２記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
- 前記活性層の同心構造は長方形及び長方形枠形からなる同心長方形構造であり、前記長方形及び長方形枠形の各辺がそれぞれ平行であり、前記長方形及び長方形枠形の長辺方向が前記活性層の利得が大きい結晶方位と一致していることを特徴とする請求項１又は２記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
- 前記バッファ層と前記発光領域層との間に、第１の反射鏡との組み合わせでは前記活性層がレーザ発振を起こさない程度に低い反射率を有する部分反射鏡を有することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
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