JP4113576B2 - 面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム - Google Patents
面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板と垂直方向に光を出射する面発光半導体レーザとして、従来、例えば特開平５−３３７０，特開平５−１３８７９，特開２０００−３３２３５５が知られている。
【０００３】
特開平５−３３７０では、８７０ｎｍの発振波長の面発光半導体レーザにおいて、ＧａＡｓコンタクト層による光吸収を避けるために、ＧａＡｓコンタクト層に光出射穴を設けている。
【０００４】
また、特開平５−１３８７９では、面発光半導体レーザのコンタクト層の不純物濃度を２×１０19ｃｍ-3と高くすることにより、オーミック電極との接触抵抗を下げている。また、コンタクト層としてＡｌＧａＡｓを用いることにより、バンドギャップエネルギーをレーザ光の発振波長のエネルギーより大きくして、光出力を減衰させないようにしている。
【０００５】
また、特開２０００−３３２３５５には、ＡｌＧａＡｓ量子井戸層を活性層とする面発光半導体レーザのコンタクト層として、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚１０ｎｍ程のＧａＡｓを最上部に設けることが示されている。特開２０００−３３２３５５では、吸収層となるコンタクト層の層厚を薄くすることで、レーザ光の光吸収を低減している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術は、面発光半導体レーザの発振波長エネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと同じか、または大きい場合であるため、ＧａＡｓコンタクト層におけるバンド間直接遷移による吸収という問題があった。
【０００７】
一方、面発光半導体レーザの発振波長エネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さい場合には、ＧａＡｓのバンド間直接遷移による光吸収はなくなる。しかし、コンタクト層においては、オーミック電極との接触抵抗を下げるために、キャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3程度と高くする必要がある。そのため、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーを有する波長の光においても、自由キャリアによる光吸収が存在する。また、オージェ過程による光吸収も１０19ｃｍ-3以上の濃度では顕著に増加する。
【０００８】
さらに、分布ブラッグ反射鏡の最上層であるＧａＡｓの最表面は、面発光半導体レーザ素子内部の光定在波分布において腹の位置にくるため、ＧａＡｓ層最表面をコンタクト層に用いる場合には、特にコンタクト層による光吸収の影響が大きくなってしまう。そのため、高濃度にドーピングしたＧａＡｓコンタクト層による光吸収は、発振波長エネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さい場合においても、閾電流の増加や最大光出力の低下を生じさせてしまう。
【０００９】
本発明は、コンタクト層における光吸収を抑制し、低閾電流と高い光出力を得ることの可能な面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、
上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の最上層の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、
前記最上層の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍となっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、
コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されていて、
上部オーミック電極の開口部が、光出射部の最表面に設けられた高屈折率層の領域よりも大きいことを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
基板に対して垂直に光を出射する面発光半導体レーザにおいて、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されており、
前記上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍になっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に形成されているコンタクト層までエッチングされて柱状構造が形成され、
エッチングにより表面が露出したコンタクト層上にオーミック電極が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザにおいて、コンタクト層の直上に、エッチングストップ層が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザにおいて、活性層材料として、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体が用いられていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが光源として用いられていることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００１９】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが用いられていることを特徴とする光交換装置である。
【００２０】
また、請求項７記載の発明は、請求項５記載の光伝送モジュール、または、請求項６記載の光交換装置が用いられていることを特徴とする光伝送システムである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
面発光半導体レーザにおいては、９９％以上の高反射率を有する反射鏡が必要であり、反射鏡として、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した分布ブラッグ反射鏡が用いられる。低屈折率層と高屈折率層を、例えばＡｌＧａＡｓとＧａＡｓのような半導体結晶で構成することにより、分布ブラッグ反射鏡を半導体基板（ＧａＡｓ基板）上にエピタキシャル成長で形成することができる。
【００２３】
第１の実施形態においては、上部反射鏡と下部反射鏡を、半導体多層膜を用いた分布ブラッグ反射鏡で構成している。
【００２４】
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が設けられている。そして、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。コンタクト層のキャリア濃度を、例えば１×１０19ｃｍ-3以上と高くすることで、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を下げることができ、面発光レーザの動作電圧を低減できる。
【００２５】
そして、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されている。そのため、コンタクト層は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、光強度が強い腹の位置からずれた場所に位置することになる。従って、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。コンタクト層のバンドギャップエネルギーがレーザ光波長のエネルギーよりも大きい場合には、自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収を抑制できる。また、コンタクト層のバンドギャップエネルギーがレーザ光波長のエネルギーよりも小さい場合には、バンド間直接遷移による光吸収についても抑制することができる。
【００２６】
さらに、光出射部ではコンタクト層上に高屈折率層が設けられており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっている。ここで、位相調整層の屈折率は、上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じになるようにしている。そのため、上部反射鏡の反射光位相が整合しており、高反射率の反射鏡を形成することができる。
【００２７】
換言すれば、第１の実施形態の面発光半導体レーザは、半導体基板上に、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、活性層を含む共振器構造と、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっており、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されており、光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。
【００２８】
これにより、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つがことできるため、閾電流を低減することができる。
【００２９】
以上のように、第１の実施形態では、光出射部において上部反射鏡の反射鏡を高く保ったままで、コンタクト層の光吸収を抑制することが可能となる。
【００３０】
なお、最表面の高屈折率層は、面発光半導体レーザに対する電流通電には関係していないので、キャリア濃度を下げることができる。よって、ノンドープで形成することもできる。従って、最表面の高屈折率層における自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収を抑制できる。
【００３１】
また、第１の実施形態では、光出射部の最表面は、従来技術で示した特開平５−３３７０１のようにエッチングされた表面とはなっていない。エッチングによって光出射穴を設ける場合、エッチング深さのばらつきによって、最表面層の層厚がばらついてしまう。通常は、選択比の高いエッチング溶液により、コンタクト層のみをエッチングすることが行われるが、この場合でもコンタクト層の下の層が全くエッチングされないようにすることは困難であり、ごくわすかではあるがエッチングされてしまう。そのため、最表面層の厚さにばらつきが生じ、上部反射鏡の反射率が変化してしまう。これにより、閾電流等のレーザ特性のばらつきを引き起こしてしまう。
【００３２】
一方、第１の実施形態では、光出射部の最表面は、エッチングされた面ではなく結晶成長表面であり、層厚を結晶成長で制御することができる。従って、エッチングによる上部反射鏡の反射率ばらつきが生じることはない。
【００３３】
なお、光出射部の周辺においては、高屈折率層がエッチングによって除去されて、コンタクト層が露出している。しかし、光出射部の周辺は、反射率が低下しており、レーザ発振に対する寄与は小さくなっている。従って、反射率を精密に制御する必要がなく、エッチングによってコンタクト層を露出させても問題がない。
【００３４】
コンタクト層の材料としては、通常、ＧａＡｓが用いられるが、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐ，Ｎ等の元素を含んだ混晶を用いることも可能である。
【００３５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の面発光半導体レーザにおいて、上部の光出射部の最上層に形成される高屈折率層が誘電体材料で形成されていることを特徴としている。
【００３６】
上部光出射部の最表面に積層された高屈折率層は、面発光半導体レーザに対する電流通電には関係していない。そのため、電気伝導を有する半導体単結晶で形成する必要がない。高屈折率層の材料として、例えば、半導体多結晶，アモルファス半導体，無機誘電体，有機材料等を用いることが可能である。これにより、素子作製の自由度が高くなる。
【００３７】
また、光出射部の周辺の高屈折率層をエッチングで除去する場合、高屈折率層の材料を変えることで、エッチングの選択比を大きくすることができる。従って、エッチングをコンタクト層表面で停止させることが容易になる。
【００３８】
なお、最表面に積層される高屈折率層は、光出射部に形成されているため、面発光半導体レーザの発振波長に対して光吸収の小さい透明な材料である必要がある。
【００３９】
また、上部反射鏡全体の反射光位相を整合して反射率を高く保つために、上部光出射部の最表面に積層された高屈折率層の屈折率は、上部半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層の反射率と近い値を有することが望ましい。
【００４０】
例えば、アモルファスＳｉは、ＧａＡｓコンタクト層と近い屈折率を有しており、波長１．３〜１．６μｍ帯で透明な材料である。そして、フッ酸系エッチング溶液でエッチングすることができ、ＧａＡｓでエッチングを停止させることができる。従って、光出射部の最上層に形成する高屈折率層として使用可能である。
【００４１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態においては、上部反射鏡が、半導体多層膜を用いた分布ブラッグ反射鏡と誘電体多層膜を用いた分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成されている。
【００４２】
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が設けられ、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。コンタクト層のキャリア濃度を、例えば１×１０19ｃｍ-3以上と高くすることで、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を下げることができ、面発光半導体レーザの動作電圧を低減できる。
【００４３】
また、光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と誘電体多層膜反射鏡との間に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されている。ここで、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されている。そのため、コンタクト層は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、光強度が強い腹の位置からずれた場所に位置することになる。従って、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【００４４】
第１，第２の実施形態と比較して、第３の実施形態では、コンタクト層の位置が共振器に近くなっており、腹の位置では光強度がより強くなってしまう。従って、コンタクト層を腹の位置からずらすことによる光吸収低減の効果がより大きくなっている。
【００４５】
また、第３の実施形態では、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和が、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっている。そのため、上部半導体多層膜反射鏡と誘電体多層膜反射鏡とで光の位相が整合し、高反射率の反射鏡を形成できる。
【００４６】
換言すれば、第３の実施形態の面発光半導体レーザは、半導体基板上に、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、活性層を含む共振器構造と、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡と、誘電体多層膜反射鏡とが順次に積層され、上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と誘電体多層膜反射鏡との間に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっており、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されており、光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。
【００４７】
これにより、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つことができるため、閾電流を低減することができる。
【００４８】
（第４の実施形態）
第４の実施形態においては、上部または下部の半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されている。光出射部の周辺では、コンタクト層までエッチングにより除去されて、コンタクト層上にオーミック電極が形成されている。従って、コンタクト層のキャリア濃度を、例えば１×１０19ｃｍ-3以上と高くすることで、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を下げることができ、面発光レーザの動作電圧を低減できる。
【００４９】
光出射部では、コンタクト層は、半導体多層膜反射鏡の共振器側の低屈折率層から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されている。そのため、コンタクト層は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、光強度が強い腹の位置からずれた場所に位置することになる。従って、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【００５０】
第１，第２の実施形態と比較して、第４の実施形態では、コンタクト層の位置が共振器に近くなっており、腹の位置では光強度がより強くなってしまう。従って、コンタクト層を腹の位置からずらすことによる光吸収低減の効果がより大きくなっている。
【００５１】
また、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっている。そのため、半導体多層膜反射鏡の反射率が低下することがなく、高反射率の反射鏡を形成できる。
【００５２】
換言すれば、第４の実施形態の面発光半導体レーザは、半導体基板上に、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、活性層を含む共振器構造と、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、上部の光出射部から基板に対して垂直に光を出射する面発光半導体レーザにおいて、上部または下部の半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっており、コンタクト層は、半導体多層膜反射鏡の共振器側の低屈折率層から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されており、光出射部の周辺では、コンタクト層までエッチングにより除去されて、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。
【００５３】
これにより、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つことができるため、閾電流を低減することができる。
【００５４】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第１乃至第４のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザにおいて、コンタクト層は、半導体多層膜反射鏡の低屈折率層から、レーザ光波長の１／４の偶数倍の位置に配置されていることを特徴としている。
【００５５】
半導体多層膜反射鏡の低屈折率層から数えて、レーザ光波長の１／４の偶数倍の位置は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、節の位置となる。従って、光強度が最小となる位置にコンタクト層が位置することになる。そのため、コンタクト層における光の吸収を最も抑制することができる。
【００５６】
なお、コンタクト層を光の定在波分布における節に位置させるためには、コンタクト層の層厚は５〜２０ｎｍと薄くすることが望ましい。コンタクト層厚が厚くなるほど、コンタクト層の１部が光の定在波分布における節の位置からずれてしまい、光吸収が増加してしまうからである。
【００５７】
また、位相調整層の層厚は、コンタクト層が半導体多層膜反射鏡の低屈折率層から、レーザ光波長の１／４の偶数倍の位置に配置されるように制御する必要がある。
【００５８】
また、半導体多層膜反射鏡においては、反射鏡の電気抵抗を低減するために、高屈折率層と低屈折率層との界面に、組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられる場合がある。分布ブラッグ反射鏡においては、組成傾斜層を含む場合においても、高屈折率側と低屈折率側の光学的膜厚の総和がレーザ光波長の１／４に等しくなるように形成される。組成傾斜層を含む分布ブラッグ反射鏡中に、コンタクト層の光吸収を防ぐために、コンタクト層を光の定在波分布の節に位置させるには、コンタクト層を共振器に近い側から見て低屈折率側と高屈折率側に変わる組成傾斜層の中間に設ける必要がある。しかし、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた分布ブラッグ反射鏡においてＧａＡｓをコンタクト層に用いる場合には、組成傾斜層の中間にＧａＡｓを設けると、組成傾斜が不連続になってしまう。また、組成傾斜層の屈折率が高屈折率側に偏ってしまう。一方、組成傾斜層の外側にコンタクト層を設けた場合には、コンタクト層は節の位置からずれてしまうため、光吸収が増加してしまう。
【００５９】
これに対し、本発明のように、位相調整層をはさんでコンタクト層を設ける場合、節の位置にコンタクト層を設けても組成傾斜層に不連続を生じさせることがないため、電気伝導や反射特性に影響を与えることがない。
【００６０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザにおいて、上部オーミック電極の開口部が、最表面に高屈折率層を設けた光出射部の領域よりも大きいことを特徴としている。
【００６１】
上部オーミック電極が開口している領域で、最表面に高屈折率層を設けた中央近傍においては、上部反射鏡の反射位相が整合しており、高反射率の反射鏡を形成できる。一方、最表面の高屈折率層がない領域では、上部反射鏡の最表面からの反射位相が乱れるため、レーザ発振波長に対して上部反射鏡の反射率が低下してしまう。さらに外周部では、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されることにより、電極の金属材料による光吸収や、コンタクト層との界面散乱により、反射率がさらに低下している。従って、中央部は反射率が高く、周辺部では反射率が低い構造となっている。
【００６２】
面発光レーザの基本横モードは、中心で光強度分布が強く、外側にいくほど光強度分布が弱くなる。一方、高次横モードは、中心以外にも光強度分布のピークを有している。そのため、中央部で反射率が高く周辺部で反射率が低い構造を形成すると、基本横モードに比べて高次横モードの損失が大きくなる。これにより、高次横モードによる発振を抑制し、基本横モードを維持したままで高出力化が可能となる。
【００６３】
なお、面発光半導体レーザの横モードを制御する従来技術としては、例えば、特開２０００−２２２７１号がある。特開２０００−２２２７１号では、上部電極の開口部を狭くすることにより、高次横モードによる発振を抑制している。
【００６４】
また、文献「Journal of Quantum Electoronics, Vol 37, No.1, pp.108-117」には、上部半導体多層膜反射鏡の半導体最上層をエッチングして段差を形成することにより、中心部の反射率を高くし、周辺部の反射率を低くする構造が記載されている。これにより、高次横モードの損失を大きくして高次横モードの発振を抑制している。
【００６５】
また、文献「第４９回応用物理学関係連合講演会２８ａ−ＹＱ−１９」には、最表面にＳｉＯ2位相シフト層を設けてひとつの横モードに安定化させる技術が示されている。
【００６６】
しかしながら、これらの従来技術においては、コンタクト層の位置について全く考慮されておらず、コンタクト層が光の定在波分布における腹の位置を含むように構成されている。
【００６７】
これに対し、本発明では、コンタクト層を光の定在波分布における腹が含まれないような位置、もしくは節の位置に形成することで、コンタクト層による光吸収を抑制している。従って、従来構造よりも閾電流を低減し、高い光出力を得ることが可能となる。
【００６８】
また、面発光半導体レーザにおいては、Ａｌを高濃度に含む層を選択的に酸化することにより電流狭窄を行う構造が用いられる。選択的に酸化された領域は絶縁膜となるため、電流は酸化されていない領域に集中して活性層に流れ込む。さらに、選択的に酸化された領域は、屈折率が大幅に低下するため、酸化されていない領域に光を閉じ込める働きをする。横モードの制御を選択酸化の開口径でのみ制御する場合は、高次横モードを抑制するために、選択酸化の開口径を数μｍと非常に狭くしなければならなくなる。そのため、選択酸化の幅を精密に制御しなければならなくなる。また、発振領域が狭いため、最大光出力が低くなるという問題がある。
【００６９】
本発明では、横モードの制御を、最表面に設けた高屈折率層のサイズによって制御することができる。従って、選択酸化による電流狭窄構造を設ける場合に、選択酸化の開口径を、最表面に設けた高屈折率層の径よりも大きくすることができる。そのため、電流狭窄径を大きくして単一横モード発振が得られ、かつ最大光出力を増加させることができる。
【００７０】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第１乃至第６のいずれかの実施形態において、コンタクト層の直上に、エッチングストップ層を設けたことを特徴としている。
【００７１】
エッチングストップ層を設けることで、エッチングをエッチングストップ層で１度停止させ、その後、エッチングストップ層を除去して、コンタクト層表面を露出させることができ、これにより、エッチング深さの制御性を向上させることができ、確実にオーミック電極をコンタクト層上に形成できるようになる。
【００７２】
エッチングをケミカルエッチングで行う場合、選択性エッチング溶液が用いられる。例えば、硫酸系エッチング溶液でＡｌＧａＡｓ材料をエッチングし、ＧａＩｎＰエッチングストップ層でエッチングを停止させることができる。そして、塩酸系エッチング溶液でＧａＩｎＰエッチングストップ層をエッチングし、ＧａＡｓコンタクト層で止めることができる。
【００７３】
また、塩素系ガスを用いたドライエッチングでエッチングする場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてＧａＩｎＡｓＰ系材料のエッチングレートが低いので、ＧａＩｎＰをエッチングストップ層に用いることが可能である。ドライエッチングとケミカルエッチングとを組み合わせてエッチングすることもできる。
【００７４】
なお、エッチングストップ層の材料は、ＧａＩｎＰに限定されるものではなく、Ａｓ，Ｎ，Ａｌ等の元素を含んでいてもよい。半導体多層膜反射鏡やコンタクト層の材料とのエッチング選択比が大きい材料であればよい。
【００７５】
また、第７の実施形態では、光出射部の最表面は従来技術で示した特開平５−３３７０１のようにエッチングされた表面とはなっていない。エッチングによって光出射穴を設ける場合、エッチング深さのばらつきによって、最表面層の層厚がばらついてしまう。通常は、選択比の高いエッチング溶液により、コンタクト層のみをエッチングすることが行われるが、この場合でも、コンタクト層の下の層が全くエッチングされないようにすることは困難であり、ごくわすかではあるがエッチングされてしまう。そのため、最表面層の厚さにばらつきが生じ、上部反射鏡の反射率が変化してしまう。これにより、閾電流等のレーザ特性のばらつきを引き起こしてしまう。
【００７６】
しかし、この第７の実施形態では、エッチングによって除去されてコンタクト層が露出する領域は、光出射部の周辺部であり、反射率が低下している領域である。そのため、エッチング深さに多少ばらつきが生じた場合でもレーザ発振に対する影響は小さくなっている。
【００７７】
一方、光出射部の中央近傍は、エッチングされた面ではなく結晶成長表面となっている。従って、エッチングによる上部反射鏡の反射率ばらつきが生じることはない。
【００７８】
なお、上部反射鏡の反射光位相を整合させて高反射率の反射鏡を形成するために、位相調整層，エッチングストップ層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５ （ｍ＝１，２，３…） 倍になるように厚さを調整する必要がある。
【００７９】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態においては、第１乃至第７のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザにおいて、活性層材料として、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体が用いられていることを特徴としている。
【００８０】
窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体としては、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等がある。これらの材料は、ＧａＡｓ基板上に１．３〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有してエピタキシャル成長させることが可能である。従って、高性能のＡｌＧａＡｓ材料系で構成された半導体多層膜反射鏡を用いて、１．３〜１．６μｍ帯の面発光半導体レーザを形成することができる。
【００８１】
そして、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体は、ＧａＡｓとの伝導帯バンド不連続を大きくとることが可能な材料であることが知られている。従って、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層に電子を閉じ込めることができ、高温動作時でも閾電流の増加を抑制することができる。
【００８２】
１．３〜１．６μｍ帯の光は石英系光ファイバの伝送に適した帯域である。従って、１．３〜１．６μｍ帯面発光半導体レーザは、石英系光ファイバを用いた光伝送システムにおいて、低コスト，低消費電力の光源として用いることができる。
【００８３】
１．３〜１．６μｍの波長の光は、ＧａＡｓコンタクト層のバンドギャップエネルギーに比べて小さいエネルギーを有している。そのため、ＧａＡｓコンタクト層における、バンド間直接遷移による光吸収は生じない。しかし、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合、自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収が増加してしまうが、本発明では、コンタクト層が面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布の節に位置していることから、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【００８４】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、光伝送モジュールにおいて、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザを備えていることを特徴としている。光伝送モジュールは、入力信号に応じて光信号を発生する光源を備えており、この光源に第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザが用いられている。光源から発した光信号は、光ファイバに結合されて外部に伝送される。
【００８５】
第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低下させることができる。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減でき、また、光取り出し効率を向上させることができる。よって、従来に比べて低消費電力，高出力の面発光半導体レーザを提供することができる。
【００８６】
従って、上記の面発光半導体レーザを光伝送モジュールの光源に適用することにより、より低消費電力の光伝送モジュールを構成できる。
【００８７】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、光交換装置において、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザを備えていることを特徴としている。光交換装置は、Ｎ本のファイバに入力された光信号を、Ｍ本の光ファイバに任意に接続して光信号を出力する装置である。ここで、Ｎ及びＭは１以上の自然数である。
【００８８】
光交換装置は、その接続の形態や機能により、トランシーバ，ハブ，リピータ，ブリッジ，ルータ，ゲートウェイ等として用いられる。
【００８９】
光交換装置に入力された光信号は、受光素子で電気信号に変換され、電気的に回線がスイッチングされる。そして、発光素子により、再び電気信号から光信号に変換されて出力される。この発光素子に、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザが用いられている。
【００９０】
第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低下させることができる。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減でき、また光取り出し効率を向上させることができる。よって、従来に比べて低消費電力，高出力の面発光半導体レーザを提供することができる。
【００９１】
従って、上記の面発光半導体レーザを光交換装置に適用することにより、より低消費電力の光交換装置を構成できる。
【００９２】
（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態は、光伝送システムにおいて、第９の実施形態の光伝送モジュール、または、第１０の実施形態の光交換装置を用いることを特徴としている。光伝送システムは、光送信モジュールと、光ファイバケーブルと、光受信モジュールとによって構成され、光送信モジュールから出力された光信号は、光ファイバケーブルを伝搬して光受信モジュールに伝送されるようになっている。
【００９３】
光伝送の形態としては、１本の光ファイバ中を双方向に伝送させる方式や、２本の光ファイバを１組として上り方向と下り方向をそれぞれ伝送させる方式がある。また、複数本の光ファイバケーブルを用いて並列に光信号を伝送する方式や、１本の光ファイバ中を複数の波長の光信号で伝送する波長多重分割方式を用いることもできる。
【００９４】
また、光送信モジュールと光受信モジュールとの間に光交換装置を設けることができる。
【００９５】
この第１１の実施形態では、低消費電力である第９の実施形態の光伝送モジュール、または、第１０の実施形態の光交換装置を用いているため、光伝送システムの消費電力を低減できる。
【００９６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、説明する。
【００９７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による面発光半導体レーザを示す図である。図１の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層１０４、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部スペーサ層１０５、ｐ型ＤＢＲ１０６、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が順次に積層されている。
【００９８】
ｎ型ＤＢＲ１０２とｐ型ＤＢＲ１０６は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層とＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とが、レーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層されて形成されている。具体的に、ｎ型ＤＢＲは３０．５周期、ｐ型ＤＢＲは２４．５周期積層されている。
【００９９】
ｎ型ＤＢＲ１０２とｐ型ＤＢＲ１０６とによってはさまれたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部スペーサ層１０３，ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層１０４，Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部スペーサ層１０５は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１００】
なお、この実施例１（図１）においては、レーザ光波長は８５０ｎｍとなるように設計されている。
【０１０１】
また、図１の面発光半導体レーザは、光出射部分以外のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が除去されてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出しており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１０２】
また、光出射部分を除いて活性層１０４近傍にプロトンイオンが注入されて高抵抗領域１１２が形成されており、電流を光出射部分の下方の活性層に狭窄する構造となっている。
【０１０３】
また、ｐ側オーミック電極１１０は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に形成されており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を、例えば２×１０19ｃｍ-3と高くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とｐ側オーミック電極との接触抵抗を小さくしている。従って、面発光半導体レーザの抵抗を低減でき、動作電圧を低下させることができる。
【０１０４】
一方、図１の面発光半導体レーザにおいては、レーザ光波長が８５０ｎｍであり、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のバンドギャップエネルギーよりも大きくなっている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８でバンド間直接遷移による光吸収が生じる。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を２×１０19ｃｍ-3と高くしているため、自由キャリアによる吸収やオージェ過程による吸収が増加してしまう。そこで、図１の面発光半導体レーザにおいては、以下に示す構成により、コンタクト層における光吸収を抑制している。
【０１０５】
図２（ａ）は、図１に示した面発光半導体レーザのコンタクト層１０８の近傍の一構成例を示す図である。図２（ａ）の構成例では、ｐ型ＤＢＲ１０６の最上層はＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層１０６ａとなっており、その上に、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が積層されている。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、ｐ型ＤＢＲ１０６の表面から数えて、レーザ光波長の１／４（１／４の奇数倍）の位置が含まれないように配置されている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、腹の位置からずれた位置（腹の位置が含まれないような位置）に設けられている。これによって、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８内部における光強度が低下するため、光がｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８で吸収されにくい構造となっている。
【０１０６】
図２（ｂ）は、図１に示した面発光半導体レーザのコンタクト層１０８の近傍の他の構成例を示す図である。なお、図２（ｂ）において、図２（ａ）と対応する箇所には同じ符号を付している。図２（ｂ）の構成例では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、ｐ型ＤＢＲ１０６の表面から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置されている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、節に位置している。節の位置では光強度が低いため、光がｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８で吸収されにくい構造となっている。
【０１０７】
また、図２（ｂ）の構成例では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚を１０ｎｍと薄く形成している。これにより、光が吸収される厚さを薄くして光吸収量を低減している。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚を薄くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８全体が定在波分布の節の位置からずれないようにする効果もある。
【０１０８】
図２（ｃ）は、従来の面発光半導体レーザのコンタクト層の近傍を示す図である。図２（ｃ）の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＤＢＲの高屈折率層１０６ｂ上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が積層されている。図２（ｃ）に示すように、従来は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が光の定在波分布の腹の位置に配置されている。従って、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚が同じ場合でも、図２（ａ），（ｂ）に示した構造の方が光吸収をより低減することが可能となる。
【０１０９】
また、図１の面発光半導体レーザでは、光出射部分において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が設けられている。そして、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））となっている。
【０１１０】
図３は、図１の面発光半導体レーザの上部反射鏡の反射スペクトルを示す図である。図３において、実線は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が設けられている場合の上部反射鏡の反射スペクトルを示している。また、図３中の点線は、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９を設けなかった場合の上部反射鏡の反射スペクトルを示している。
【０１１１】
ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９を設けない場合、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、実質的にレーザ光波長の１／２倍の高屈折率層となるため、最表面からの反射光の位相がずれてしまう。そのため、図３の点線に示すように、レーザ光波長において反射率が低下する。
【０１１２】
一方、図１の構造では、最表面にｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が設けられていることで、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９は、実質的にレーザ光波長の３／４倍の高屈折率層となる。従って、上部反射鏡において位相が整合し、図３の実線に示すように、高反射率が得られる。
【０１１３】
このように、実施例１の面発光半導体レーザでは、コンタクト層の接触抵抗の低減と、コンタクト層における光吸収の抑制と、光出射部における上部反射鏡の高反射率化とを同時に満たすことができる。
【０１１４】
なお、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を除くｐ型ＤＢＲ１０６，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９は、１×１０18ｃｍ-3以下にキャリア濃度を下げて、自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収を抑制することが望ましい。
【０１１５】
また、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９は、面発光半導体レーザに対する電流通電には関係していないので、さらにキャリア濃度を下げることができる。
【０１１６】
また、実施例１の面発光半導体レーザでは、光出射部の最表面は従来技術で示した特開平５−３３７０１のようにエッチングされた表面とはなっていない。エッチングによって光出射穴を設ける場合、エッチング深さのばらつきによって、最表面層の層厚がばらついてしまう。通常は、選択比の高いエッチング溶液により、コンタクト層のみをエッチングすることが行われるが、この場合でもコンタクト層の下の層が全くエッチングされないようにすることは困難であり、ごくわすかではあるがエッチングされてしまう。そのため、最表面層の厚さにばらつきが生じ、上部反射鏡の反射率が変化してしまう。これにより、閾電流等のレーザ特性のばらつきを引き起こしてしまう。
【０１１７】
一方、実施例１の面発光半導体レーザは、光出射部の最表面はエッチングされた面ではなく結晶成長表面であり、層厚を結晶成長で制御することができる。従って、エッチングによる上部反射鏡の反射率ばらつきが生じることはない。
【０１１８】
光出射部の周辺においては、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９がエッチングによって除去されて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出している。しかし、光出射部の周辺は反射率が低下しており、レーザ発振に対する寄与は小さくなっている。従って、エッチング深さが多少ばらついても、レーザ特性に対する影響は小さくなっている。この場合、エッチングはｐ型コンタクト層１０８が確実に露出していればよい。
【０１１９】
また、上部光出射部の最表面に積層されたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９を、他の誘電体材料に置き換えることも可能である。例えば、半導体多結晶，アモルファス半導体，無機誘電体，有機材料等を用いることができる。これにより、素子作製の自由度が高くなる。また、高屈折率層１０９とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とのエッチング選択比を大きくすることができ、エッチングをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８表面で停止させることが容易になる。
【０１２０】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２による面発光半導体レーザを示す図である。図４の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＤＢＲ４０１、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０３、ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４、ｐ型ＤＢＲ４０５、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が順次積層されている。
【０１２１】
ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とが、レーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層されて形成されている。具体的に、ｎ型ＤＢＲは３３．５周期、ｐ型ＤＢＲは９．５周期積層されている。
【０１２２】
ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５とによってはさまれた、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２，ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０３，ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１２３】
なお、この実施例２においては、レーザ光波長は９８０ｎｍとなるように設計されている。
【０１２４】
また、図４の面発光半導体レーザでは、積層構造表面からｎ型ＤＢＲ４０１に達するまでエッチングされて、柱状構造が形成されている。この柱状構造により、電流及び光が狭窄されるようになっている。
【０１２５】
柱状構造の頂上においては、光出射部分以外のｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が除去されてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出しており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１２６】
光出射部分のｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７上には、誘電体ＤＢＲ４０８が積層形成されている。誘電体ＤＢＲ４０８は、例えば、ＳｉＯ2低屈折率層とＴｉＯ2高屈折率層とが交互に５周期積層されている。従って、上部反射鏡は半導体のｐ型ＤＢＲ４０５と誘電体ＤＢＲ４０８とが積層されて構成されている。
【０１２７】
また、ｐ側オーミック電極１１０は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に形成されており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を、例えば２×１０19ｃｍ-3と高くすることで、コンタクト層１０８とオーミック電極１１０との接触抵抗を下げることができる。特に、図４の構造は、柱状構造の頂上部にｐ側オーミック電極１１０が形成されているため、図１に示した構造に比べてｐ側オーミック電極１１０の接触面積が狭くなっている。従って、面発光半導体レーザの動作電圧を低減する上で、接触抵抗の低減がより重要となっている。
【０１２８】
図４の面発光半導体レーザにおいては、レーザ光波長が９８０ｎｍであり、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のバンドギャップエネルギーよりも小さくなっている。従って、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８でバンド間直接遷移による光吸収が生じることはない。しかし、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を２×１０19ｃｍ-3と高くしているため、自由キャリアによる吸収やオージェ過程による吸収が増加してしまう。
【０１２９】
また、図４の構造は、図１に示した構造と比較して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が共振器の近くに位置する構造となっており、面発光半導体レーザ内の光の定在波分布において、腹の位置の光強度は活性層に近くなるほど強くなってしまう。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８による光吸収の影響がより問題となる。
【０１３０】
図５は、図４の面発光半導体レーザのコンタクト層近傍の構成を詳細に示す図である。図５を参照すると、図４の面発光半導体レーザにおいて、ｐ型ＤＢＲ４０５の最上層はＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層４０５ａとなっており、その上に、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が積層されている。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、ｐ型ＤＢＲ４０５の表面から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置されている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、節に位置している。節の位置では光強度が低いため、図４の面発光半導体レーザは、光がｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８で吸収されにくい構造となっている。
【０１３１】
また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚も１０ｎｍと薄く形成されている。これにより、光が吸収される厚さを薄くして光吸収量を低減している。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚を薄くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８全体が定在波分布の節の位置からずれないようにしている。
【０１３２】
また、図５に示すように、光出射部分では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が積層されている。そして、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））になるように構成されている。そのため、ｐ型ＤＢＲ４０５と誘電体ＤＢＲ４０８とで光の位相が整合し、高反射率の反射鏡を形成している。
【０１３３】
以上より、実施例２の面発光半導体レーザでは、コンタクト層の接触抵抗の低減と、コンタクト層における光吸収の抑制と、光出射部における上部反射鏡の高反射率化とを同時に満たすことができる。
【０１３４】
（実施例３）
図６は、本発明の実施例３による面発光半導体レーザを示す図である。図６の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、第１のｎ型ＤＢＲ６０１、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層６０２、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３、ｎ型ＧａＡｓ位相調整層６０４、第２のｎ型ＤＢＲ６０５、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６、ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４、第１のｐ型ＤＢＲ６０７、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７、第２のｐ型ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１３５】
ＤＢＲ６０１，６０５，６０７，６０８は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とが、交互に積層されて形成されている。そして、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層との界面には組成傾斜層が設けられている。組成傾斜層を含んで、高屈折率側と低屈折率側は、それぞれ光学的膜厚の総和がレーザ光波長の１／４となるように形成されている。具体的に、第１のｎ型ＤＢＲ６０１は３４．５周期、第２のｎ型ＤＢＲ６０５は１．５周期、第１のｐ型ＤＢＲ６０７は１．５周期、第２のｐ型ＤＢＲ６０８は２４周期がそれぞれ積層されている。
【０１３６】
第２のｎ型ＤＢＲ６０５と第１のｐ型ＤＢＲ６０７とによってはさまれたＧａＡｓ下部スペーサ層４０２，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６，ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１３７】
なお、この実施例３においては、レーザ光波長は１３００ｎｍとなるように設計されている。
【０１３８】
また、積層構造表面からｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８表面が露出するまでエッチングされて、柱状構造が形成されている。エッチングにより表面が露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上には、ｐ側オーミック電極１１０が形成されている。
【０１３９】
さらに、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３の表面が露出するまでエッチングされて、上記の柱状構造よりも大きいサイズで第２の柱状構造が形成されている。エッチングにより表面が露出したｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３上には、ｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１４０】
活性層６０６には、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓが用いられている。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上に１．３〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有してエピタキシャル成長させることが可能である。この実施例３では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のバンドギャップ波長を１２９０ｎｍとしている。従って、熱伝導率が高く、高反射率が得られるＡｌＧａＡｓ材料系で構成されたＤＢＲを用いて、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザを形成することができる。
【０１４１】
そして、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層は、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくとることができる。従って、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層に有効に電子を閉じ込めることができ、高温動作時でも閾電流の増加を抑制することができる。
【０１４２】
１．３μｍ帯の光は石英系光ファイバの伝送に適した帯域である。従って、この実施例３の１．３μｍ帯面発光半導体レーザは、石英系光ファイバを用いた光伝送システムにおいて、低コスト，低消費電力の光源として用いることができる。
【０１４３】
図６の面発光半導体レーザにおいては、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を例えば２×１０19ｃｍ-3と高くすることで、コンタクト層１０８とオーミック電極１１０との接触抵抗を低減している。同様に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３上にｎ側オーミック電極１１１が形成されており、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３のキャリア濃度を例えば３×１０18ｃｍ-3と高くすることで、コンタクト層６０３とオーミック電極１１１との接触抵抗を低減している。これにより、面発光半導体レーザの動作電圧を低減している。
【０１４４】
図６の構造は、図１に示した構造と比較して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３が共振器に近接した構造となっている。そのため、面発光半導体レーザ内の光の定在波分布において、腹の位置の光強度が強くなっている。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度が２×１０19ｃｍ-3であり、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３のキャリア濃度が３×１０18ｃｍ-3と高くなっているため、コンタクト層における自由キャリア吸収やオージェ過程による吸収が増加してしまう。
【０１４５】
そこで、この実施例３では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を、第１のｐ型ＤＢＲ６０７最上層の低屈折率層から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置しており、これにより、コンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節に位置している（図７（ａ）参照）。
【０１４６】
同様に、この実施例３では、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３を、第２のｎ型ＤＢＲ６０５最下層の低屈折率層から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置しており、これにより、コンタクト層６０３は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節に位置している（図７（ｂ）を参照）。
【０１４７】
節の位置では光強度が小さくなっているため、高濃度にドーピングされたコンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【０１４８】
なお、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３の層厚を１０ｎｍと薄くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３が節の位置からずれないようにしている。
【０１４９】
また、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））になっている。そのため、第１のｐ型ＤＢＲ６０７と第２のｐ型ＤＢＲ６０８との反射光位相が整合しており、高反射率の上部反射鏡を形成できる。
【０１５０】
同様に、ｎ型ＧａＡｓ位相調整層６０４，ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３，ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層６０２の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））になっている。そのため、第１のｎ型ＤＢＲ６０１と第２のｎ型ＤＢＲ６０５との反射光位相が整合しており、高反射率の下部反射鏡を形成できる。
【０１５１】
また、実施例３の面発光半導体レーザにおいては、ＤＢＲの電気抵抗を低減するために、高屈折率層と低屈折率層との界面に、組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられている。ここで、組成傾斜層の層厚は、例えば２０〜５０ｎｍとなっている。
【０１５２】
コンタクト層を光の定在波分布の節に位置させる場合、コンタクト層を共振器に近い側から見て低屈折率層と高屈折率層との界面に設けることも可能である。しかし、高屈折率層と低屈折率層との界面に組成傾斜層が設けられている場合には、組成傾斜層の中央にコンタクト層を設けなければならなくなる。ＧａＡｓコンタクト層を組成傾斜層の中央に設けると、組成傾斜が不連続になってしまう。また、コンタクト層を中間の組成のＡｌＧａＡｓで形成してしまうと、接触抵抗が高くなってしまう。あるいは、組成傾斜層の外側の高屈折率層中にＧａＡｓコンタクト層を設けた場合には、コンタクト層は節の位置からずれてしまう。従って、抵抗を低減すると同時に、コンタクト層の光吸収を抑制することは困難である。
【０１５３】
これに対し、本発明では、ＧａＡｓコンタクト層を位相調整層と高屈折率層の間に設けるようにしており、これにより、ＧａＡｓコンタクト層を光の定在波分布の節の位置に確実に設けることができ、かつ組成傾斜層に不連続を生じさせることがない。
【０１５４】
（実施例４）
図８は、本発明の実施例４による面発光半導体レーザを示す図である。図８の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＤＢＲ４０１、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６、ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４、ｐ型ＡｌＡｓ層８０１、ｐ型ＤＢＲ４０５、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が順次に積層されている。
【０１５５】
ここで、ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とが、レーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層されて形成されている。具体的に、ｎ型ＤＢＲ４０１は３５．５周期、ｐ型ＤＢＲ４０５は２４．５周期積層されている。
【０１５６】
ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５とによってはさまれたＧａＡｓ下部スペーサ層４０２，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６，ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１５７】
なお、この実施例４においては、レーザ光波長は１３００ｎｍとなるように設計されている。
【０１５８】
また、積層構造表面からｎ型ＤＢＲ４０１に達するまでエッチングされて、柱状構造が形成されている。そして、柱状構造の側面からｐ型ＡｌＡｓ層８０１が選択的に酸化されて酸化領域８０３が形成されている。酸化領域８０３は絶縁体となっているため、電流は酸化されていないｐ型ＡｌＡｓ層を通って活性層６０６に流れる。
【０１５９】
また、柱状構造の頂上においては、光出射部の中央を除いてｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７とｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２が除去されて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出している。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１６０】
図８に示した実施例４の面発光半導体レーザは、図１に示した面発光半導体レーザと同様に、コンタクト層の接触抵抗の低減と、コンタクト層における光吸収の抑制と、光出射部における上部反射鏡の高反射率化とを同時に満たすことができる。
【０１６１】
さらに、図８の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側オーミック電極１１０の開口部が、最表面にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７を設けた光出射部の領域よりも大きいことを特徴としている。
【０１６２】
ｐ側オーミック電極１１０が開口している領域で、最表面にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７を設けた中央近傍においては、図３の実線に示すように、上部反射鏡は高反射率で形成できる。一方、最表面にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７がない領域では、図３の点線に示すように、レーザ発振波長に対して上部反射鏡の反射率が低下してしまう。従って、ｐ側オーミック電極１１０に覆われていない開口部において中央部は反射率が高く、周辺で反射率が低い構造となっている。
【０１６３】
そのため、基本横モードに比べて高次横モードの損失が大きくなっている。これにより、高次横モードによる発振を抑制し、より高い光出力まで基本横モードを維持することが可能となる。
【０１６４】
このように、図８の面発光半導体レーザにおいては、横モードの制御を、最表面に設けたｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７のサイズによって制御している。そのため、ＡｌＡｓ層８０１の選択酸化の開口径を著しく狭くして単一モード化する必要がない。そこで、図８の構造においては、ＡｌＡｓ層８０１の選択酸化の開口径を、最表面に設けたｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７の径よりも大きくしている。これにより、選択酸化する距離が短くなり、選択酸化開口径の制御が容易となる。さらに、電流注入面積が大きくなるため、最大光出力を増加させることができる。
【０１６５】
また、図８の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の直上に、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２が設けられている。ここで、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２の層厚は、２〜５ｎｍと非常に薄く形成されている。
【０１６６】
図８の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２を設けることで、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７を硫酸系エッチング溶液で選択的にエッチングすることができる。そして、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２を塩酸系エッチング溶液で選択的にエッチングして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を露出させている。これにより、エッチング深さの制御性が向上し、確実にｐ側オーミック電極１１０をｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に形成できるようにしている。
【０１６７】
なお、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２及びｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７は、電流注入に関係していない。そのため、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２及びｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７については、キャリア濃度を低くすることができる。具体的には、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２及びｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７をノンドープやｎ型で構成することも可能である。また、ＧａＩｎＰとＧａＡｓ界面は急峻に形成しているが、電流経路ではないので、バンド不連続が電気抵抗に影響を与えることがない。
【０１６８】
（実施例５）
図９は、本発明の実施例５による光伝送モジュールを示す図である。図９の光伝送モジュールでは、基板９０１上に、光源である面発光半導体レーザアレイ９０２が設けられている。面発光半導体レーザアレイ９０２は、モノリシックに集積された１次元アレイ形状のチップとなっており、サブマウント９０３に接着されている。面発光半導体レーザアレイ９０２の各素子（各面発光半導体レーザ）は、駆動回路９０４によって個別に動作し、面発光半導体レーザアレイ９０２の各素子から出力された光信号は、それぞれ光ファイバ９０５に結合されて外部に出力されるようになっている。図９においては、４チャンネルの場合が例として示されている。
【０１６９】
この実施例５の特徴として、面発光半導体レーザアレイ９０２は、図８の面発光半導体レーザが集積されて用いられている。図８の面発光半導体レーザは、発振波長が１３００ｎｍであり、石英系光ファイバの長距離大容量伝送に適した波長となっている。また、図８の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧が低下している。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減し、光取り出し効率を向上させている。よって、図８の面発光半導体レーザは、従来に比べて低消費電力，高出力の面発光半導体レーザである。
【０１７０】
従って、上記の面発光半導体レーザを光伝送モジュールの光源に適用することにより、低消費電力の光伝送モジュールを構成できる。
【０１７１】
（実施例６）
図１０は、本発明の実施例６による光交換装置を示す図である。図１０の光交換装置では、ポートＡの光ファイバ１００５から入力された４チャンネルの光信号は、受光素子アレイ１００３にそれぞれ入力されて、電気信号に変換され、マトリクススイッチ１００４で信号経路が選択されて、各チャンネルに分配されるようになっている。そして、面発光半導体レーザアレイ１００２では、分配された信号に応じて面発光半導体レーザアレイ１００２の各素子（各面発光半導体レーザ）が駆動され、光信号に変換されて、ポートＢから出力されるようになっている。
【０１７２】
同様に、ポートＤから入力された光信号も、マトリスクスイッチ１００４で経路が選択されて、ポートＣから出力されるようになっている。
【０１７３】
図１０においては、４本の光ファイバに入力された光信号が４本の光ファイバに出力される例が示されている。入力数と出力数は任意の自然数で構成することができ、入力数と出力数が必ずしも一致する必要はない。
【０１７４】
また、面発光半導体レーザアレイ１００２は、図８の面発光半導体レーザが集積されて用いられている。図８の面発光半導体レーザは発振波長が１３００ｎｍであり、石英光ファイバの伝送損失が低い波長帯となっている。また、基本横モードを維持しているため、分散による伝送劣化を抑制して、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量伝送が可能となっている。また、図８の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低下している。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減し、光取り出し効率を向上させている。よって、図８の面発光半導体レーザは、低消費電力，高出力の面発光半導体レーザである。
【０１７５】
従って、上記の面発光半導体レーザを光交換装置に適用することにより、従来よりも低消費電力の光交換装置を構成できる。
【０１７６】
（実施例７）
図１１は、本発明の実施例７による光伝送システムを示す図である。図１１の光伝送システムは、光送信部１１０１で発生した光信号が光ファイバケーブル１１０４を通って光受信部１１０２に伝送されるようになっている。図１１の光伝送システムの例では、光送信部１１０１，光ファイバケーブル１１０４，光受信部１１０２は２系列設けられており、双方向に通信できるようになっている。光送信部１１０１と光受信部１１０２は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジュール１１０３を構成している。
【０１７７】
図１１の光伝送システムでは、光送信部１１０１の光源に、図８に示した面発光半導体レーザが用いられている。図８の面発光半導体レーザは発振波長が１３００ｎｍであり、石英光ファイバの伝送損失が低い波長帯となっている。また、基本横モードを維持しているため、分散による伝送劣化を抑制して、２．５〜１０Ｇｂｐｓの大容量伝送が可能となっている。また、実施例５に示したように、光送信部１１０１の消費電力を低減することができる。
【０１７８】
また、複数の光送受信モジュール１１０３の間に、図１０に示した光交換装置を備えることもできる。これにより、複数の光送受信モジュール１１０３間で光信号を相互に伝送するネットワークを構築することが可能となる。
【０１７９】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、
上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の最上層の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、
前記最上層の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍となっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、
コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されているので、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つがことできるため、閾電流を低減することができる。
【０１８０】
また、請求項１記載の発明によれば、上部オーミック電極の開口部が、光出射部の最表面に設けられた高屈折率層の領域よりも大きいので、基本横モードを維持したままで高出力化が可能となる。
【０１８２】
また、請求項２記載の発明によれば、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
基板に対して垂直に光を出射する面発光半導体レーザにおいて、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されており、
前記上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍になっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に形成されているコンタクト層までエッチングされて柱状構造が形成され、
エッチングにより表面が露出したコンタクト層上にオーミック電極が形成されているので、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つことができるため、閾電流を低減することができる。
【０１８５】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザにおいて、コンタクト層の直上に、エッチングストップ層が設けられているので、エッチング深さの制御性が向上し、確実にオーミック電極をコンタクト層上に形成することができ、接触抵抗のばらつきを抑制することができる。
【０１８６】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザにおいて、活性層材料として、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体が用いられているので、温度特性が優れた１．３〜１．６μｍ帯の面発光半導体レーザを形成でき、かつコンタクト層による光吸収を抑制できる。
【０１８７】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが光源として用いられていることを特徴とする光伝送モジュールであるので、低消費電力の光伝送モジュールを提供できる。
【０１８８】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが用いられていることを特徴とする光交換装置であるので、低消費電力の光交換装置を提供できる。
【０１８９】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項５記載の光伝送モジュール、または、請求項６記載の光交換装置が用いられていることを特徴とする光伝送システムであるので、低消費電力の光伝送システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１による面発光半導体レーザを示す図である。
【図２】実施例１のコンタクト層近傍の光分布を説明するための図である。
【図３】光出射部と周辺部における上部反射鏡の反射スペクトルを示す図である。
【図４】実施例２による面発光半導体レーザを示す図である。
【図５】実施例２のコンタクト層近傍の光分布を説明するための図である。
【図６】実施例３による面発光半導体レーザを示す図である。
【図７】実施例３のコンタクト層近傍の光分布を説明するための図である。
【図８】実施例４による面発光半導体レーザを示す図である。
【図９】実施例５による光伝送モジュールを示す図である。
【図１０】実施例６による光交換装置を示す図である。
【図１１】実施例７による光伝送システムを示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓＤＢＲ
１０３ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部スペーサ層
１０４ ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層
１０５ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部スペーサ層
１０６ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓＤＢＲ
１０７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ位相調整層
１０８ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０９ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ高屈折率層
１１０ ｐ側オーミック電極
１１１ ｎ側オーミック電極
１１２ プロトンイオン注入領域
１０６ａ ｐ型ＤＢＲＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層
１０６ｂ ｐ型ＤＢＲＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ高屈折率層
４０１ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
４０２ ＧａＡｓ下部スペーサ層
４０３ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
４０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層
４０５ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
４０６ ｐ型ＧａＡｓ位相調整層
４０７ ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層
４０８ 誘電体ＤＢＲ
４０５ａ ｐ型ＤＢＲＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層
４０８ａ 誘電体ＤＢＲ低屈折率層
４０８ｂ 誘電体ＤＢＲ高屈折率層
６０１ 第１のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０２ ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層
６０３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
６０４ ｎ型ＧａＡｓ位相調整層
６０５ 第１のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
６０７ 第１のｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０８ 第２のｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０１ａ 第１のｎ型ＤＢＲ低屈折率層
６０１ｂ 第１のｎ型ＤＢＲ高屈折率層
６０５ａ 第２のｎ型ＤＢＲ低屈折率層
６０７ａ 第１のｐ型ＤＢＲ低屈折率層
６０８ａ 第２のｐ型ＤＢＲ低屈折率層
６０８ｂ 第２のｐ型ＤＢＲ高屈折率層
７０１ 組成傾斜層
８０１ ｐ型ＡｌＡｓ層
８０２ ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層
８０３ 酸化領域
９０１ 基板
９０２ 面発光レーザアレイチップ
９０３ サブマウント
９０４ 駆動回路
９０５ 光ファイバ
１００１ 基板
１００２ 面発光レーザアレイ
１００３ 受光素子アレイ
１００４ マトリクススイッチ
１００５ 光ファイバ
１１０１ 光送信部
１１０２ 光受信部
１１０３ 光送受信モジュール
１１０４ 光ファイバケーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板と垂直方向に光を出射する面発光半導体レーザとして、従来、例えば特開平５−３３７０，特開平５−１３８７９，特開２０００−３３２３５５が知られている。
【０００３】
特開平５−３３７０では、８７０ｎｍの発振波長の面発光半導体レーザにおいて、ＧａＡｓコンタクト層による光吸収を避けるために、ＧａＡｓコンタクト層に光出射穴を設けている。
【０００４】
また、特開平５−１３８７９では、面発光半導体レーザのコンタクト層の不純物濃度を２×１０19ｃｍ-3と高くすることにより、オーミック電極との接触抵抗を下げている。また、コンタクト層としてＡｌＧａＡｓを用いることにより、バンドギャップエネルギーをレーザ光の発振波長のエネルギーより大きくして、光出力を減衰させないようにしている。
【０００５】
また、特開２０００−３３２３５５には、ＡｌＧａＡｓ量子井戸層を活性層とする面発光半導体レーザのコンタクト層として、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚１０ｎｍ程のＧａＡｓを最上部に設けることが示されている。特開２０００−３３２３５５では、吸収層となるコンタクト層の層厚を薄くすることで、レーザ光の光吸収を低減している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術は、面発光半導体レーザの発振波長エネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと同じか、または大きい場合であるため、ＧａＡｓコンタクト層におけるバンド間直接遷移による吸収という問題があった。
【０００７】
一方、面発光半導体レーザの発振波長エネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さい場合には、ＧａＡｓのバンド間直接遷移による光吸収はなくなる。しかし、コンタクト層においては、オーミック電極との接触抵抗を下げるために、キャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3程度と高くする必要がある。そのため、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーを有する波長の光においても、自由キャリアによる光吸収が存在する。また、オージェ過程による光吸収も１０19ｃｍ-3以上の濃度では顕著に増加する。
【０００８】
さらに、分布ブラッグ反射鏡の最上層であるＧａＡｓの最表面は、面発光半導体レーザ素子内部の光定在波分布において腹の位置にくるため、ＧａＡｓ層最表面をコンタクト層に用いる場合には、特にコンタクト層による光吸収の影響が大きくなってしまう。そのため、高濃度にドーピングしたＧａＡｓコンタクト層による光吸収は、発振波長エネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さい場合においても、閾電流の増加や最大光出力の低下を生じさせてしまう。
【０００９】
本発明は、コンタクト層における光吸収を抑制し、低閾電流と高い光出力を得ることの可能な面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、
上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の最上層の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、
前記最上層の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍となっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、
コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されていて、
上部オーミック電極の開口部が、光出射部の最表面に設けられた高屈折率層の領域よりも大きいことを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
基板に対して垂直に光を出射する面発光半導体レーザにおいて、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されており、
前記上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍になっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に形成されているコンタクト層までエッチングされて柱状構造が形成され、
エッチングにより表面が露出したコンタクト層上にオーミック電極が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザにおいて、コンタクト層の直上に、エッチングストップ層が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザにおいて、活性層材料として、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体が用いられていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが光源として用いられていることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００１９】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが用いられていることを特徴とする光交換装置である。
【００２０】
また、請求項７記載の発明は、請求項５記載の光伝送モジュール、または、請求項６記載の光交換装置が用いられていることを特徴とする光伝送システムである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
面発光半導体レーザにおいては、９９％以上の高反射率を有する反射鏡が必要であり、反射鏡として、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した分布ブラッグ反射鏡が用いられる。低屈折率層と高屈折率層を、例えばＡｌＧａＡｓとＧａＡｓのような半導体結晶で構成することにより、分布ブラッグ反射鏡を半導体基板（ＧａＡｓ基板）上にエピタキシャル成長で形成することができる。
【００２３】
第１の実施形態においては、上部反射鏡と下部反射鏡を、半導体多層膜を用いた分布ブラッグ反射鏡で構成している。
【００２４】
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が設けられている。そして、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。コンタクト層のキャリア濃度を、例えば１×１０19ｃｍ-3以上と高くすることで、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を下げることができ、面発光レーザの動作電圧を低減できる。
【００２５】
そして、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されている。そのため、コンタクト層は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、光強度が強い腹の位置からずれた場所に位置することになる。従って、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。コンタクト層のバンドギャップエネルギーがレーザ光波長のエネルギーよりも大きい場合には、自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収を抑制できる。また、コンタクト層のバンドギャップエネルギーがレーザ光波長のエネルギーよりも小さい場合には、バンド間直接遷移による光吸収についても抑制することができる。
【００２６】
さらに、光出射部ではコンタクト層上に高屈折率層が設けられており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっている。ここで、位相調整層の屈折率は、上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じになるようにしている。そのため、上部反射鏡の反射光位相が整合しており、高反射率の反射鏡を形成することができる。
【００２７】
換言すれば、第１の実施形態の面発光半導体レーザは、半導体基板上に、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、活性層を含む共振器構造と、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっており、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されており、光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。
【００２８】
これにより、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つがことできるため、閾電流を低減することができる。
【００２９】
以上のように、第１の実施形態では、光出射部において上部反射鏡の反射鏡を高く保ったままで、コンタクト層の光吸収を抑制することが可能となる。
【００３０】
なお、最表面の高屈折率層は、面発光半導体レーザに対する電流通電には関係していないので、キャリア濃度を下げることができる。よって、ノンドープで形成することもできる。従って、最表面の高屈折率層における自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収を抑制できる。
【００３１】
また、第１の実施形態では、光出射部の最表面は、従来技術で示した特開平５−３３７０１のようにエッチングされた表面とはなっていない。エッチングによって光出射穴を設ける場合、エッチング深さのばらつきによって、最表面層の層厚がばらついてしまう。通常は、選択比の高いエッチング溶液により、コンタクト層のみをエッチングすることが行われるが、この場合でもコンタクト層の下の層が全くエッチングされないようにすることは困難であり、ごくわすかではあるがエッチングされてしまう。そのため、最表面層の厚さにばらつきが生じ、上部反射鏡の反射率が変化してしまう。これにより、閾電流等のレーザ特性のばらつきを引き起こしてしまう。
【００３２】
一方、第１の実施形態では、光出射部の最表面は、エッチングされた面ではなく結晶成長表面であり、層厚を結晶成長で制御することができる。従って、エッチングによる上部反射鏡の反射率ばらつきが生じることはない。
【００３３】
なお、光出射部の周辺においては、高屈折率層がエッチングによって除去されて、コンタクト層が露出している。しかし、光出射部の周辺は、反射率が低下しており、レーザ発振に対する寄与は小さくなっている。従って、反射率を精密に制御する必要がなく、エッチングによってコンタクト層を露出させても問題がない。
【００３４】
コンタクト層の材料としては、通常、ＧａＡｓが用いられるが、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐ，Ｎ等の元素を含んだ混晶を用いることも可能である。
【００３５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の面発光半導体レーザにおいて、上部の光出射部の最上層に形成される高屈折率層が誘電体材料で形成されていることを特徴としている。
【００３６】
上部光出射部の最表面に積層された高屈折率層は、面発光半導体レーザに対する電流通電には関係していない。そのため、電気伝導を有する半導体単結晶で形成する必要がない。高屈折率層の材料として、例えば、半導体多結晶，アモルファス半導体，無機誘電体，有機材料等を用いることが可能である。これにより、素子作製の自由度が高くなる。
【００３７】
また、光出射部の周辺の高屈折率層をエッチングで除去する場合、高屈折率層の材料を変えることで、エッチングの選択比を大きくすることができる。従って、エッチングをコンタクト層表面で停止させることが容易になる。
【００３８】
なお、最表面に積層される高屈折率層は、光出射部に形成されているため、面発光半導体レーザの発振波長に対して光吸収の小さい透明な材料である必要がある。
【００３９】
また、上部反射鏡全体の反射光位相を整合して反射率を高く保つために、上部光出射部の最表面に積層された高屈折率層の屈折率は、上部半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層の反射率と近い値を有することが望ましい。
【００４０】
例えば、アモルファスＳｉは、ＧａＡｓコンタクト層と近い屈折率を有しており、波長１．３〜１．６μｍ帯で透明な材料である。そして、フッ酸系エッチング溶液でエッチングすることができ、ＧａＡｓでエッチングを停止させることができる。従って、光出射部の最上層に形成する高屈折率層として使用可能である。
【００４１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態においては、上部反射鏡が、半導体多層膜を用いた分布ブラッグ反射鏡と誘電体多層膜を用いた分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成されている。
【００４２】
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が設けられ、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。コンタクト層のキャリア濃度を、例えば１×１０19ｃｍ-3以上と高くすることで、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を下げることができ、面発光半導体レーザの動作電圧を低減できる。
【００４３】
また、光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と誘電体多層膜反射鏡との間に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されている。ここで、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されている。そのため、コンタクト層は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、光強度が強い腹の位置からずれた場所に位置することになる。従って、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【００４４】
第１，第２の実施形態と比較して、第３の実施形態では、コンタクト層の位置が共振器に近くなっており、腹の位置では光強度がより強くなってしまう。従って、コンタクト層を腹の位置からずらすことによる光吸収低減の効果がより大きくなっている。
【００４５】
また、第３の実施形態では、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和が、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっている。そのため、上部半導体多層膜反射鏡と誘電体多層膜反射鏡とで光の位相が整合し、高反射率の反射鏡を形成できる。
【００４６】
換言すれば、第３の実施形態の面発光半導体レーザは、半導体基板上に、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、活性層を含む共振器構造と、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡と、誘電体多層膜反射鏡とが順次に積層され、上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と誘電体多層膜反射鏡との間に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっており、コンタクト層は、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層表面から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されており、光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。
【００４７】
これにより、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つことができるため、閾電流を低減することができる。
【００４８】
（第４の実施形態）
第４の実施形態においては、上部または下部の半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されている。光出射部の周辺では、コンタクト層までエッチングにより除去されて、コンタクト層上にオーミック電極が形成されている。従って、コンタクト層のキャリア濃度を、例えば１×１０19ｃｍ-3以上と高くすることで、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を下げることができ、面発光レーザの動作電圧を低減できる。
【００４９】
光出射部では、コンタクト層は、半導体多層膜反射鏡の共振器側の低屈折率層から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されている。そのため、コンタクト層は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、光強度が強い腹の位置からずれた場所に位置することになる。従って、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【００５０】
第１，第２の実施形態と比較して、第４の実施形態では、コンタクト層の位置が共振器に近くなっており、腹の位置では光強度がより強くなってしまう。従って、コンタクト層を腹の位置からずらすことによる光吸収低減の効果がより大きくなっている。
【００５１】
また、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっている。そのため、半導体多層膜反射鏡の反射率が低下することがなく、高反射率の反射鏡を形成できる。
【００５２】
換言すれば、第４の実施形態の面発光半導体レーザは、半導体基板上に、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、活性層を含む共振器構造と、低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、上部の光出射部から基板に対して垂直に光を出射する面発光半導体レーザにおいて、上部または下部の半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されており、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１，２，３…）倍になっており、コンタクト層は、半導体多層膜反射鏡の共振器側の低屈折率層から数えて、レーザ光波長の１／４の奇数倍の位置が含まれないように配置されており、光出射部の周辺では、コンタクト層までエッチングにより除去されて、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されている。
【００５３】
これにより、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つことができるため、閾電流を低減することができる。
【００５４】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第１乃至第４のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザにおいて、コンタクト層は、半導体多層膜反射鏡の低屈折率層から、レーザ光波長の１／４の偶数倍の位置に配置されていることを特徴としている。
【００５５】
半導体多層膜反射鏡の低屈折率層から数えて、レーザ光波長の１／４の偶数倍の位置は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、節の位置となる。従って、光強度が最小となる位置にコンタクト層が位置することになる。そのため、コンタクト層における光の吸収を最も抑制することができる。
【００５６】
なお、コンタクト層を光の定在波分布における節に位置させるためには、コンタクト層の層厚は５〜２０ｎｍと薄くすることが望ましい。コンタクト層厚が厚くなるほど、コンタクト層の１部が光の定在波分布における節の位置からずれてしまい、光吸収が増加してしまうからである。
【００５７】
また、位相調整層の層厚は、コンタクト層が半導体多層膜反射鏡の低屈折率層から、レーザ光波長の１／４の偶数倍の位置に配置されるように制御する必要がある。
【００５８】
また、半導体多層膜反射鏡においては、反射鏡の電気抵抗を低減するために、高屈折率層と低屈折率層との界面に、組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられる場合がある。分布ブラッグ反射鏡においては、組成傾斜層を含む場合においても、高屈折率側と低屈折率側の光学的膜厚の総和がレーザ光波長の１／４に等しくなるように形成される。組成傾斜層を含む分布ブラッグ反射鏡中に、コンタクト層の光吸収を防ぐために、コンタクト層を光の定在波分布の節に位置させるには、コンタクト層を共振器に近い側から見て低屈折率側と高屈折率側に変わる組成傾斜層の中間に設ける必要がある。しかし、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた分布ブラッグ反射鏡においてＧａＡｓをコンタクト層に用いる場合には、組成傾斜層の中間にＧａＡｓを設けると、組成傾斜が不連続になってしまう。また、組成傾斜層の屈折率が高屈折率側に偏ってしまう。一方、組成傾斜層の外側にコンタクト層を設けた場合には、コンタクト層は節の位置からずれてしまうため、光吸収が増加してしまう。
【００５９】
これに対し、本発明のように、位相調整層をはさんでコンタクト層を設ける場合、節の位置にコンタクト層を設けても組成傾斜層に不連続を生じさせることがないため、電気伝導や反射特性に影響を与えることがない。
【００６０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザにおいて、上部オーミック電極の開口部が、最表面に高屈折率層を設けた光出射部の領域よりも大きいことを特徴としている。
【００６１】
上部オーミック電極が開口している領域で、最表面に高屈折率層を設けた中央近傍においては、上部反射鏡の反射位相が整合しており、高反射率の反射鏡を形成できる。一方、最表面の高屈折率層がない領域では、上部反射鏡の最表面からの反射位相が乱れるため、レーザ発振波長に対して上部反射鏡の反射率が低下してしまう。さらに外周部では、コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されることにより、電極の金属材料による光吸収や、コンタクト層との界面散乱により、反射率がさらに低下している。従って、中央部は反射率が高く、周辺部では反射率が低い構造となっている。
【００６２】
面発光レーザの基本横モードは、中心で光強度分布が強く、外側にいくほど光強度分布が弱くなる。一方、高次横モードは、中心以外にも光強度分布のピークを有している。そのため、中央部で反射率が高く周辺部で反射率が低い構造を形成すると、基本横モードに比べて高次横モードの損失が大きくなる。これにより、高次横モードによる発振を抑制し、基本横モードを維持したままで高出力化が可能となる。
【００６３】
なお、面発光半導体レーザの横モードを制御する従来技術としては、例えば、特開２０００−２２２７１号がある。特開２０００−２２２７１号では、上部電極の開口部を狭くすることにより、高次横モードによる発振を抑制している。
【００６４】
また、文献「Journal of Quantum Electoronics, Vol 37, No.1, pp.108-117」には、上部半導体多層膜反射鏡の半導体最上層をエッチングして段差を形成することにより、中心部の反射率を高くし、周辺部の反射率を低くする構造が記載されている。これにより、高次横モードの損失を大きくして高次横モードの発振を抑制している。
【００６５】
また、文献「第４９回応用物理学関係連合講演会２８ａ−ＹＱ−１９」には、最表面にＳｉＯ2位相シフト層を設けてひとつの横モードに安定化させる技術が示されている。
【００６６】
しかしながら、これらの従来技術においては、コンタクト層の位置について全く考慮されておらず、コンタクト層が光の定在波分布における腹の位置を含むように構成されている。
【００６７】
これに対し、本発明では、コンタクト層を光の定在波分布における腹が含まれないような位置、もしくは節の位置に形成することで、コンタクト層による光吸収を抑制している。従って、従来構造よりも閾電流を低減し、高い光出力を得ることが可能となる。
【００６８】
また、面発光半導体レーザにおいては、Ａｌを高濃度に含む層を選択的に酸化することにより電流狭窄を行う構造が用いられる。選択的に酸化された領域は絶縁膜となるため、電流は酸化されていない領域に集中して活性層に流れ込む。さらに、選択的に酸化された領域は、屈折率が大幅に低下するため、酸化されていない領域に光を閉じ込める働きをする。横モードの制御を選択酸化の開口径でのみ制御する場合は、高次横モードを抑制するために、選択酸化の開口径を数μｍと非常に狭くしなければならなくなる。そのため、選択酸化の幅を精密に制御しなければならなくなる。また、発振領域が狭いため、最大光出力が低くなるという問題がある。
【００６９】
本発明では、横モードの制御を、最表面に設けた高屈折率層のサイズによって制御することができる。従って、選択酸化による電流狭窄構造を設ける場合に、選択酸化の開口径を、最表面に設けた高屈折率層の径よりも大きくすることができる。そのため、電流狭窄径を大きくして単一横モード発振が得られ、かつ最大光出力を増加させることができる。
【００７０】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第１乃至第６のいずれかの実施形態において、コンタクト層の直上に、エッチングストップ層を設けたことを特徴としている。
【００７１】
エッチングストップ層を設けることで、エッチングをエッチングストップ層で１度停止させ、その後、エッチングストップ層を除去して、コンタクト層表面を露出させることができ、これにより、エッチング深さの制御性を向上させることができ、確実にオーミック電極をコンタクト層上に形成できるようになる。
【００７２】
エッチングをケミカルエッチングで行う場合、選択性エッチング溶液が用いられる。例えば、硫酸系エッチング溶液でＡｌＧａＡｓ材料をエッチングし、ＧａＩｎＰエッチングストップ層でエッチングを停止させることができる。そして、塩酸系エッチング溶液でＧａＩｎＰエッチングストップ層をエッチングし、ＧａＡｓコンタクト層で止めることができる。
【００７３】
また、塩素系ガスを用いたドライエッチングでエッチングする場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてＧａＩｎＡｓＰ系材料のエッチングレートが低いので、ＧａＩｎＰをエッチングストップ層に用いることが可能である。ドライエッチングとケミカルエッチングとを組み合わせてエッチングすることもできる。
【００７４】
なお、エッチングストップ層の材料は、ＧａＩｎＰに限定されるものではなく、Ａｓ，Ｎ，Ａｌ等の元素を含んでいてもよい。半導体多層膜反射鏡やコンタクト層の材料とのエッチング選択比が大きい材料であればよい。
【００７５】
また、第７の実施形態では、光出射部の最表面は従来技術で示した特開平５−３３７０１のようにエッチングされた表面とはなっていない。エッチングによって光出射穴を設ける場合、エッチング深さのばらつきによって、最表面層の層厚がばらついてしまう。通常は、選択比の高いエッチング溶液により、コンタクト層のみをエッチングすることが行われるが、この場合でも、コンタクト層の下の層が全くエッチングされないようにすることは困難であり、ごくわすかではあるがエッチングされてしまう。そのため、最表面層の厚さにばらつきが生じ、上部反射鏡の反射率が変化してしまう。これにより、閾電流等のレーザ特性のばらつきを引き起こしてしまう。
【００７６】
しかし、この第７の実施形態では、エッチングによって除去されてコンタクト層が露出する領域は、光出射部の周辺部であり、反射率が低下している領域である。そのため、エッチング深さに多少ばらつきが生じた場合でもレーザ発振に対する影響は小さくなっている。
【００７７】
一方、光出射部の中央近傍は、エッチングされた面ではなく結晶成長表面となっている。従って、エッチングによる上部反射鏡の反射率ばらつきが生じることはない。
【００７８】
なお、上部反射鏡の反射光位相を整合させて高反射率の反射鏡を形成するために、位相調整層，エッチングストップ層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の０．５＋ｍ×０．２５ （ｍ＝１，２，３…） 倍になるように厚さを調整する必要がある。
【００７９】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態においては、第１乃至第７のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザにおいて、活性層材料として、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体が用いられていることを特徴としている。
【００８０】
窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体としては、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等がある。これらの材料は、ＧａＡｓ基板上に１．３〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有してエピタキシャル成長させることが可能である。従って、高性能のＡｌＧａＡｓ材料系で構成された半導体多層膜反射鏡を用いて、１．３〜１．６μｍ帯の面発光半導体レーザを形成することができる。
【００８１】
そして、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体は、ＧａＡｓとの伝導帯バンド不連続を大きくとることが可能な材料であることが知られている。従って、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層に電子を閉じ込めることができ、高温動作時でも閾電流の増加を抑制することができる。
【００８２】
１．３〜１．６μｍ帯の光は石英系光ファイバの伝送に適した帯域である。従って、１．３〜１．６μｍ帯面発光半導体レーザは、石英系光ファイバを用いた光伝送システムにおいて、低コスト，低消費電力の光源として用いることができる。
【００８３】
１．３〜１．６μｍの波長の光は、ＧａＡｓコンタクト層のバンドギャップエネルギーに比べて小さいエネルギーを有している。そのため、ＧａＡｓコンタクト層における、バンド間直接遷移による光吸収は生じない。しかし、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合、自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収が増加してしまうが、本発明では、コンタクト層が面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布の節に位置していることから、コンタクト層のキャリア濃度を１×１０19ｃｍ-3以上と高濃度にした場合でも、コンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【００８４】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、光伝送モジュールにおいて、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザを備えていることを特徴としている。光伝送モジュールは、入力信号に応じて光信号を発生する光源を備えており、この光源に第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザが用いられている。光源から発した光信号は、光ファイバに結合されて外部に伝送される。
【００８５】
第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低下させることができる。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減でき、また、光取り出し効率を向上させることができる。よって、従来に比べて低消費電力，高出力の面発光半導体レーザを提供することができる。
【００８６】
従って、上記の面発光半導体レーザを光伝送モジュールの光源に適用することにより、より低消費電力の光伝送モジュールを構成できる。
【００８７】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、光交換装置において、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザを備えていることを特徴としている。光交換装置は、Ｎ本のファイバに入力された光信号を、Ｍ本の光ファイバに任意に接続して光信号を出力する装置である。ここで、Ｎ及びＭは１以上の自然数である。
【００８８】
光交換装置は、その接続の形態や機能により、トランシーバ，ハブ，リピータ，ブリッジ，ルータ，ゲートウェイ等として用いられる。
【００８９】
光交換装置に入力された光信号は、受光素子で電気信号に変換され、電気的に回線がスイッチングされる。そして、発光素子により、再び電気信号から光信号に変換されて出力される。この発光素子に、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザが用いられている。
【００９０】
第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低下させることができる。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減でき、また光取り出し効率を向上させることができる。よって、従来に比べて低消費電力，高出力の面発光半導体レーザを提供することができる。
【００９１】
従って、上記の面発光半導体レーザを光交換装置に適用することにより、より低消費電力の光交換装置を構成できる。
【００９２】
（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態は、光伝送システムにおいて、第９の実施形態の光伝送モジュール、または、第１０の実施形態の光交換装置を用いることを特徴としている。光伝送システムは、光送信モジュールと、光ファイバケーブルと、光受信モジュールとによって構成され、光送信モジュールから出力された光信号は、光ファイバケーブルを伝搬して光受信モジュールに伝送されるようになっている。
【００９３】
光伝送の形態としては、１本の光ファイバ中を双方向に伝送させる方式や、２本の光ファイバを１組として上り方向と下り方向をそれぞれ伝送させる方式がある。また、複数本の光ファイバケーブルを用いて並列に光信号を伝送する方式や、１本の光ファイバ中を複数の波長の光信号で伝送する波長多重分割方式を用いることもできる。
【００９４】
また、光送信モジュールと光受信モジュールとの間に光交換装置を設けることができる。
【００９５】
この第１１の実施形態では、低消費電力である第９の実施形態の光伝送モジュール、または、第１０の実施形態の光交換装置を用いているため、光伝送システムの消費電力を低減できる。
【００９６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、説明する。
【００９７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による面発光半導体レーザを示す図である。図１の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層１０４、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部スペーサ層１０５、ｐ型ＤＢＲ１０６、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が順次に積層されている。
【００９８】
ｎ型ＤＢＲ１０２とｐ型ＤＢＲ１０６は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層とＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とが、レーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層されて形成されている。具体的に、ｎ型ＤＢＲは３０．５周期、ｐ型ＤＢＲは２４．５周期積層されている。
【００９９】
ｎ型ＤＢＲ１０２とｐ型ＤＢＲ１０６とによってはさまれたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部スペーサ層１０３，ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層１０４，Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部スペーサ層１０５は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１００】
なお、この実施例１（図１）においては、レーザ光波長は８５０ｎｍとなるように設計されている。
【０１０１】
また、図１の面発光半導体レーザは、光出射部分以外のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が除去されてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出しており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１０２】
また、光出射部分を除いて活性層１０４近傍にプロトンイオンが注入されて高抵抗領域１１２が形成されており、電流を光出射部分の下方の活性層に狭窄する構造となっている。
【０１０３】
また、ｐ側オーミック電極１１０は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に形成されており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を、例えば２×１０19ｃｍ-3と高くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とｐ側オーミック電極との接触抵抗を小さくしている。従って、面発光半導体レーザの抵抗を低減でき、動作電圧を低下させることができる。
【０１０４】
一方、図１の面発光半導体レーザにおいては、レーザ光波長が８５０ｎｍであり、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のバンドギャップエネルギーよりも大きくなっている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８でバンド間直接遷移による光吸収が生じる。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を２×１０19ｃｍ-3と高くしているため、自由キャリアによる吸収やオージェ過程による吸収が増加してしまう。そこで、図１の面発光半導体レーザにおいては、以下に示す構成により、コンタクト層における光吸収を抑制している。
【０１０５】
図２（ａ）は、図１に示した面発光半導体レーザのコンタクト層１０８の近傍の一構成例を示す図である。図２（ａ）の構成例では、ｐ型ＤＢＲ１０６の最上層はＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層１０６ａとなっており、その上に、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が積層されている。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、ｐ型ＤＢＲ１０６の表面から数えて、レーザ光波長の１／４（１／４の奇数倍）の位置が含まれないように配置されている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、腹の位置からずれた位置（腹の位置が含まれないような位置）に設けられている。これによって、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８内部における光強度が低下するため、光がｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８で吸収されにくい構造となっている。
【０１０６】
図２（ｂ）は、図１に示した面発光半導体レーザのコンタクト層１０８の近傍の他の構成例を示す図である。なお、図２（ｂ）において、図２（ａ）と対応する箇所には同じ符号を付している。図２（ｂ）の構成例では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、ｐ型ＤＢＲ１０６の表面から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置されている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、節に位置している。節の位置では光強度が低いため、光がｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８で吸収されにくい構造となっている。
【０１０７】
また、図２（ｂ）の構成例では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚を１０ｎｍと薄く形成している。これにより、光が吸収される厚さを薄くして光吸収量を低減している。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚を薄くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８全体が定在波分布の節の位置からずれないようにする効果もある。
【０１０８】
図２（ｃ）は、従来の面発光半導体レーザのコンタクト層の近傍を示す図である。図２（ｃ）の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＤＢＲの高屈折率層１０６ｂ上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が積層されている。図２（ｃ）に示すように、従来は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が光の定在波分布の腹の位置に配置されている。従って、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚が同じ場合でも、図２（ａ），（ｂ）に示した構造の方が光吸収をより低減することが可能となる。
【０１０９】
また、図１の面発光半導体レーザでは、光出射部分において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が設けられている。そして、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））となっている。
【０１１０】
図３は、図１の面発光半導体レーザの上部反射鏡の反射スペクトルを示す図である。図３において、実線は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が設けられている場合の上部反射鏡の反射スペクトルを示している。また、図３中の点線は、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９を設けなかった場合の上部反射鏡の反射スペクトルを示している。
【０１１１】
ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９を設けない場合、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、実質的にレーザ光波長の１／２倍の高屈折率層となるため、最表面からの反射光の位相がずれてしまう。そのため、図３の点線に示すように、レーザ光波長において反射率が低下する。
【０１１２】
一方、図１の構造では、最表面にｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９が設けられていることで、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９は、実質的にレーザ光波長の３／４倍の高屈折率層となる。従って、上部反射鏡において位相が整合し、図３の実線に示すように、高反射率が得られる。
【０１１３】
このように、実施例１の面発光半導体レーザでは、コンタクト層の接触抵抗の低減と、コンタクト層における光吸収の抑制と、光出射部における上部反射鏡の高反射率化とを同時に満たすことができる。
【０１１４】
なお、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を除くｐ型ＤＢＲ１０６，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ位相調整層１０７，ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９は、１×１０18ｃｍ-3以下にキャリア濃度を下げて、自由キャリアによる光吸収や、オージェ過程による光吸収を抑制することが望ましい。
【０１１５】
また、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９は、面発光半導体レーザに対する電流通電には関係していないので、さらにキャリア濃度を下げることができる。
【０１１６】
また、実施例１の面発光半導体レーザでは、光出射部の最表面は従来技術で示した特開平５−３３７０１のようにエッチングされた表面とはなっていない。エッチングによって光出射穴を設ける場合、エッチング深さのばらつきによって、最表面層の層厚がばらついてしまう。通常は、選択比の高いエッチング溶液により、コンタクト層のみをエッチングすることが行われるが、この場合でもコンタクト層の下の層が全くエッチングされないようにすることは困難であり、ごくわすかではあるがエッチングされてしまう。そのため、最表面層の厚さにばらつきが生じ、上部反射鏡の反射率が変化してしまう。これにより、閾電流等のレーザ特性のばらつきを引き起こしてしまう。
【０１１７】
一方、実施例１の面発光半導体レーザは、光出射部の最表面はエッチングされた面ではなく結晶成長表面であり、層厚を結晶成長で制御することができる。従って、エッチングによる上部反射鏡の反射率ばらつきが生じることはない。
【０１１８】
光出射部の周辺においては、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９がエッチングによって除去されて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出している。しかし、光出射部の周辺は反射率が低下しており、レーザ発振に対する寄与は小さくなっている。従って、エッチング深さが多少ばらついても、レーザ特性に対する影響は小さくなっている。この場合、エッチングはｐ型コンタクト層１０８が確実に露出していればよい。
【０１１９】
また、上部光出射部の最表面に積層されたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ高屈折率層１０９を、他の誘電体材料に置き換えることも可能である。例えば、半導体多結晶，アモルファス半導体，無機誘電体，有機材料等を用いることができる。これにより、素子作製の自由度が高くなる。また、高屈折率層１０９とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とのエッチング選択比を大きくすることができ、エッチングをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８表面で停止させることが容易になる。
【０１２０】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２による面発光半導体レーザを示す図である。図４の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＤＢＲ４０１、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０３、ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４、ｐ型ＤＢＲ４０５、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が順次積層されている。
【０１２１】
ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とが、レーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層されて形成されている。具体的に、ｎ型ＤＢＲは３３．５周期、ｐ型ＤＢＲは９．５周期積層されている。
【０１２２】
ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５とによってはさまれた、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２，ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０３，ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１２３】
なお、この実施例２においては、レーザ光波長は９８０ｎｍとなるように設計されている。
【０１２４】
また、図４の面発光半導体レーザでは、積層構造表面からｎ型ＤＢＲ４０１に達するまでエッチングされて、柱状構造が形成されている。この柱状構造により、電流及び光が狭窄されるようになっている。
【０１２５】
柱状構造の頂上においては、光出射部分以外のｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が除去されてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出しており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１２６】
光出射部分のｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７上には、誘電体ＤＢＲ４０８が積層形成されている。誘電体ＤＢＲ４０８は、例えば、ＳｉＯ2低屈折率層とＴｉＯ2高屈折率層とが交互に５周期積層されている。従って、上部反射鏡は半導体のｐ型ＤＢＲ４０５と誘電体ＤＢＲ４０８とが積層されて構成されている。
【０１２７】
また、ｐ側オーミック電極１１０は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に形成されており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を、例えば２×１０19ｃｍ-3と高くすることで、コンタクト層１０８とオーミック電極１１０との接触抵抗を下げることができる。特に、図４の構造は、柱状構造の頂上部にｐ側オーミック電極１１０が形成されているため、図１に示した構造に比べてｐ側オーミック電極１１０の接触面積が狭くなっている。従って、面発光半導体レーザの動作電圧を低減する上で、接触抵抗の低減がより重要となっている。
【０１２８】
図４の面発光半導体レーザにおいては、レーザ光波長が９８０ｎｍであり、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のバンドギャップエネルギーよりも小さくなっている。従って、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８でバンド間直接遷移による光吸収が生じることはない。しかし、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を２×１０19ｃｍ-3と高くしているため、自由キャリアによる吸収やオージェ過程による吸収が増加してしまう。
【０１２９】
また、図４の構造は、図１に示した構造と比較して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が共振器の近くに位置する構造となっており、面発光半導体レーザ内の光の定在波分布において、腹の位置の光強度は活性層に近くなるほど強くなってしまう。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８による光吸収の影響がより問題となる。
【０１３０】
図５は、図４の面発光半導体レーザのコンタクト層近傍の構成を詳細に示す図である。図５を参照すると、図４の面発光半導体レーザにおいて、ｐ型ＤＢＲ４０５の最上層はＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層４０５ａとなっており、その上に、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が積層されている。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、ｐ型ＤＢＲ４０５の表面から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置されている。そのため、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ素子内部における光の定在波分布において、節に位置している。節の位置では光強度が低いため、図４の面発光半導体レーザは、光がｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８で吸収されにくい構造となっている。
【０１３１】
また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚も１０ｎｍと薄く形成されている。これにより、光が吸収される厚さを薄くして光吸収量を低減している。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の層厚を薄くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８全体が定在波分布の節の位置からずれないようにしている。
【０１３２】
また、図５に示すように、光出射部分では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が積層されている。そして、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））になるように構成されている。そのため、ｐ型ＤＢＲ４０５と誘電体ＤＢＲ４０８とで光の位相が整合し、高反射率の反射鏡を形成している。
【０１３３】
以上より、実施例２の面発光半導体レーザでは、コンタクト層の接触抵抗の低減と、コンタクト層における光吸収の抑制と、光出射部における上部反射鏡の高反射率化とを同時に満たすことができる。
【０１３４】
（実施例３）
図６は、本発明の実施例３による面発光半導体レーザを示す図である。図６の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、第１のｎ型ＤＢＲ６０１、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層６０２、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３、ｎ型ＧａＡｓ位相調整層６０４、第２のｎ型ＤＢＲ６０５、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６、ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４、第１のｐ型ＤＢＲ６０７、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７、第２のｐ型ＤＢＲ６０８が順次積層されている。
【０１３５】
ＤＢＲ６０１，６０５，６０７，６０８は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とが、交互に積層されて形成されている。そして、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層との界面には組成傾斜層が設けられている。組成傾斜層を含んで、高屈折率側と低屈折率側は、それぞれ光学的膜厚の総和がレーザ光波長の１／４となるように形成されている。具体的に、第１のｎ型ＤＢＲ６０１は３４．５周期、第２のｎ型ＤＢＲ６０５は１．５周期、第１のｐ型ＤＢＲ６０７は１．５周期、第２のｐ型ＤＢＲ６０８は２４周期がそれぞれ積層されている。
【０１３６】
第２のｎ型ＤＢＲ６０５と第１のｐ型ＤＢＲ６０７とによってはさまれたＧａＡｓ下部スペーサ層４０２，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６，ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１３７】
なお、この実施例３においては、レーザ光波長は１３００ｎｍとなるように設計されている。
【０１３８】
また、積層構造表面からｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８表面が露出するまでエッチングされて、柱状構造が形成されている。エッチングにより表面が露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上には、ｐ側オーミック電極１１０が形成されている。
【０１３９】
さらに、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３の表面が露出するまでエッチングされて、上記の柱状構造よりも大きいサイズで第２の柱状構造が形成されている。エッチングにより表面が露出したｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３上には、ｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１４０】
活性層６０６には、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓが用いられている。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上に１．３〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有してエピタキシャル成長させることが可能である。この実施例３では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のバンドギャップ波長を１２９０ｎｍとしている。従って、熱伝導率が高く、高反射率が得られるＡｌＧａＡｓ材料系で構成されたＤＢＲを用いて、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザを形成することができる。
【０１４１】
そして、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層は、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくとることができる。従って、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層に有効に電子を閉じ込めることができ、高温動作時でも閾電流の増加を抑制することができる。
【０１４２】
１．３μｍ帯の光は石英系光ファイバの伝送に適した帯域である。従って、この実施例３の１．３μｍ帯面発光半導体レーザは、石英系光ファイバを用いた光伝送システムにおいて、低コスト，低消費電力の光源として用いることができる。
【０１４３】
図６の面発光半導体レーザにおいては、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度を例えば２×１０19ｃｍ-3と高くすることで、コンタクト層１０８とオーミック電極１１０との接触抵抗を低減している。同様に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３上にｎ側オーミック電極１１１が形成されており、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３のキャリア濃度を例えば３×１０18ｃｍ-3と高くすることで、コンタクト層６０３とオーミック電極１１１との接触抵抗を低減している。これにより、面発光半導体レーザの動作電圧を低減している。
【０１４４】
図６の構造は、図１に示した構造と比較して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３が共振器に近接した構造となっている。そのため、面発光半導体レーザ内の光の定在波分布において、腹の位置の光強度が強くなっている。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８のキャリア濃度が２×１０19ｃｍ-3であり、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３のキャリア濃度が３×１０18ｃｍ-3と高くなっているため、コンタクト層における自由キャリア吸収やオージェ過程による吸収が増加してしまう。
【０１４５】
そこで、この実施例３では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を、第１のｐ型ＤＢＲ６０７最上層の低屈折率層から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置しており、これにより、コンタクト層１０８は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節に位置している（図７（ａ）参照）。
【０１４６】
同様に、この実施例３では、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３を、第２のｎ型ＤＢＲ６０５最下層の低屈折率層から、レーザ光波長の１／２（１／４の偶数倍）の位置に配置しており、これにより、コンタクト層６０３は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節に位置している（図７（ｂ）を参照）。
【０１４７】
節の位置では光強度が小さくなっているため、高濃度にドーピングされたコンタクト層における光の吸収を抑制することができる。
【０１４８】
なお、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３の層厚を１０ｎｍと薄くすることで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８とｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３が節の位置からずれないようにしている。
【０１４９】
また、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８，ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））になっている。そのため、第１のｐ型ＤＢＲ６０７と第２のｐ型ＤＢＲ６０８との反射光位相が整合しており、高反射率の上部反射鏡を形成できる。
【０１５０】
同様に、ｎ型ＧａＡｓ位相調整層６０４，ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６０３，ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層６０２の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍（０．５＋ｍ×０．２５（ｍ＝１））になっている。そのため、第１のｎ型ＤＢＲ６０１と第２のｎ型ＤＢＲ６０５との反射光位相が整合しており、高反射率の下部反射鏡を形成できる。
【０１５１】
また、実施例３の面発光半導体レーザにおいては、ＤＢＲの電気抵抗を低減するために、高屈折率層と低屈折率層との界面に、組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられている。ここで、組成傾斜層の層厚は、例えば２０〜５０ｎｍとなっている。
【０１５２】
コンタクト層を光の定在波分布の節に位置させる場合、コンタクト層を共振器に近い側から見て低屈折率層と高屈折率層との界面に設けることも可能である。しかし、高屈折率層と低屈折率層との界面に組成傾斜層が設けられている場合には、組成傾斜層の中央にコンタクト層を設けなければならなくなる。ＧａＡｓコンタクト層を組成傾斜層の中央に設けると、組成傾斜が不連続になってしまう。また、コンタクト層を中間の組成のＡｌＧａＡｓで形成してしまうと、接触抵抗が高くなってしまう。あるいは、組成傾斜層の外側の高屈折率層中にＧａＡｓコンタクト層を設けた場合には、コンタクト層は節の位置からずれてしまう。従って、抵抗を低減すると同時に、コンタクト層の光吸収を抑制することは困難である。
【０１５３】
これに対し、本発明では、ＧａＡｓコンタクト層を位相調整層と高屈折率層の間に設けるようにしており、これにより、ＧａＡｓコンタクト層を光の定在波分布の節の位置に確実に設けることができ、かつ組成傾斜層に不連続を生じさせることがない。
【０１５４】
（実施例４）
図８は、本発明の実施例４による面発光半導体レーザを示す図である。図８の面発光半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＤＢＲ４０１、ＧａＡｓ下部スペーサ層４０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６、ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４、ｐ型ＡｌＡｓ層８０１、ｐ型ＤＢＲ４０５、ｐ型ＧａＡｓ位相調整層４０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７が順次に積層されている。
【０１５５】
ここで、ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とが、レーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層されて形成されている。具体的に、ｎ型ＤＢＲ４０１は３５．５周期、ｐ型ＤＢＲ４０５は２４．５周期積層されている。
【０１５６】
ｎ型ＤＢＲ４０１とｐ型ＤＢＲ４０５とによってはさまれたＧａＡｓ下部スペーサ層４０２，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層６０６，ＧａＡｓ上部スペーサ層４０４は、共振器を構成しており、その光学的膜厚の総和はレーザ光波長の１波長分となっている。
【０１５７】
なお、この実施例４においては、レーザ光波長は１３００ｎｍとなるように設計されている。
【０１５８】
また、積層構造表面からｎ型ＤＢＲ４０１に達するまでエッチングされて、柱状構造が形成されている。そして、柱状構造の側面からｐ型ＡｌＡｓ層８０１が選択的に酸化されて酸化領域８０３が形成されている。酸化領域８０３は絶縁体となっているため、電流は酸化されていないｐ型ＡｌＡｓ層を通って活性層６０６に流れる。
【０１５９】
また、柱状構造の頂上においては、光出射部の中央を除いてｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７とｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２が除去されて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８が露出している。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側オーミック電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【０１６０】
図８に示した実施例４の面発光半導体レーザは、図１に示した面発光半導体レーザと同様に、コンタクト層の接触抵抗の低減と、コンタクト層における光吸収の抑制と、光出射部における上部反射鏡の高反射率化とを同時に満たすことができる。
【０１６１】
さらに、図８の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側オーミック電極１１０の開口部が、最表面にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７を設けた光出射部の領域よりも大きいことを特徴としている。
【０１６２】
ｐ側オーミック電極１１０が開口している領域で、最表面にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７を設けた中央近傍においては、図３の実線に示すように、上部反射鏡は高反射率で形成できる。一方、最表面にｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７がない領域では、図３の点線に示すように、レーザ発振波長に対して上部反射鏡の反射率が低下してしまう。従って、ｐ側オーミック電極１１０に覆われていない開口部において中央部は反射率が高く、周辺で反射率が低い構造となっている。
【０１６３】
そのため、基本横モードに比べて高次横モードの損失が大きくなっている。これにより、高次横モードによる発振を抑制し、より高い光出力まで基本横モードを維持することが可能となる。
【０１６４】
このように、図８の面発光半導体レーザにおいては、横モードの制御を、最表面に設けたｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７のサイズによって制御している。そのため、ＡｌＡｓ層８０１の選択酸化の開口径を著しく狭くして単一モード化する必要がない。そこで、図８の構造においては、ＡｌＡｓ層８０１の選択酸化の開口径を、最表面に設けたｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７の径よりも大きくしている。これにより、選択酸化する距離が短くなり、選択酸化開口径の制御が容易となる。さらに、電流注入面積が大きくなるため、最大光出力を増加させることができる。
【０１６５】
また、図８の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の直上に、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２が設けられている。ここで、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２の層厚は、２〜５ｎｍと非常に薄く形成されている。
【０１６６】
図８の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２を設けることで、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７を硫酸系エッチング溶液で選択的にエッチングすることができる。そして、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２を塩酸系エッチング溶液で選択的にエッチングして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を露出させている。これにより、エッチング深さの制御性が向上し、確実にｐ側オーミック電極１１０をｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に形成できるようにしている。
【０１６７】
なお、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２及びｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７は、電流注入に関係していない。そのため、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２及びｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７については、キャリア濃度を低くすることができる。具体的には、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層８０２及びｐ型ＧａＡｓ高屈折率層４０７をノンドープやｎ型で構成することも可能である。また、ＧａＩｎＰとＧａＡｓ界面は急峻に形成しているが、電流経路ではないので、バンド不連続が電気抵抗に影響を与えることがない。
【０１６８】
（実施例５）
図９は、本発明の実施例５による光伝送モジュールを示す図である。図９の光伝送モジュールでは、基板９０１上に、光源である面発光半導体レーザアレイ９０２が設けられている。面発光半導体レーザアレイ９０２は、モノリシックに集積された１次元アレイ形状のチップとなっており、サブマウント９０３に接着されている。面発光半導体レーザアレイ９０２の各素子（各面発光半導体レーザ）は、駆動回路９０４によって個別に動作し、面発光半導体レーザアレイ９０２の各素子から出力された光信号は、それぞれ光ファイバ９０５に結合されて外部に出力されるようになっている。図９においては、４チャンネルの場合が例として示されている。
【０１６９】
この実施例５の特徴として、面発光半導体レーザアレイ９０２は、図８の面発光半導体レーザが集積されて用いられている。図８の面発光半導体レーザは、発振波長が１３００ｎｍであり、石英系光ファイバの長距離大容量伝送に適した波長となっている。また、図８の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧が低下している。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減し、光取り出し効率を向上させている。よって、図８の面発光半導体レーザは、従来に比べて低消費電力，高出力の面発光半導体レーザである。
【０１７０】
従って、上記の面発光半導体レーザを光伝送モジュールの光源に適用することにより、低消費電力の光伝送モジュールを構成できる。
【０１７１】
（実施例６）
図１０は、本発明の実施例６による光交換装置を示す図である。図１０の光交換装置では、ポートＡの光ファイバ１００５から入力された４チャンネルの光信号は、受光素子アレイ１００３にそれぞれ入力されて、電気信号に変換され、マトリクススイッチ１００４で信号経路が選択されて、各チャンネルに分配されるようになっている。そして、面発光半導体レーザアレイ１００２では、分配された信号に応じて面発光半導体レーザアレイ１００２の各素子（各面発光半導体レーザ）が駆動され、光信号に変換されて、ポートＢから出力されるようになっている。
【０１７２】
同様に、ポートＤから入力された光信号も、マトリスクスイッチ１００４で経路が選択されて、ポートＣから出力されるようになっている。
【０１７３】
図１０においては、４本の光ファイバに入力された光信号が４本の光ファイバに出力される例が示されている。入力数と出力数は任意の自然数で構成することができ、入力数と出力数が必ずしも一致する必要はない。
【０１７４】
また、面発光半導体レーザアレイ１００２は、図８の面発光半導体レーザが集積されて用いられている。図８の面発光半導体レーザは発振波長が１３００ｎｍであり、石英光ファイバの伝送損失が低い波長帯となっている。また、基本横モードを維持しているため、分散による伝送劣化を抑制して、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量伝送が可能となっている。また、図８の面発光半導体レーザは、オーミック電極との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低下している。また、コンタクト層における光吸収の影響を抑制することで、閾電流を低減し、光取り出し効率を向上させている。よって、図８の面発光半導体レーザは、低消費電力，高出力の面発光半導体レーザである。
【０１７５】
従って、上記の面発光半導体レーザを光交換装置に適用することにより、従来よりも低消費電力の光交換装置を構成できる。
【０１７６】
（実施例７）
図１１は、本発明の実施例７による光伝送システムを示す図である。図１１の光伝送システムは、光送信部１１０１で発生した光信号が光ファイバケーブル１１０４を通って光受信部１１０２に伝送されるようになっている。図１１の光伝送システムの例では、光送信部１１０１，光ファイバケーブル１１０４，光受信部１１０２は２系列設けられており、双方向に通信できるようになっている。光送信部１１０１と光受信部１１０２は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジュール１１０３を構成している。
【０１７７】
図１１の光伝送システムでは、光送信部１１０１の光源に、図８に示した面発光半導体レーザが用いられている。図８の面発光半導体レーザは発振波長が１３００ｎｍであり、石英光ファイバの伝送損失が低い波長帯となっている。また、基本横モードを維持しているため、分散による伝送劣化を抑制して、２．５〜１０Ｇｂｐｓの大容量伝送が可能となっている。また、実施例５に示したように、光送信部１１０１の消費電力を低減することができる。
【０１７８】
また、複数の光送受信モジュール１１０３の間に、図１０に示した光交換装置を備えることもできる。これにより、複数の光送受信モジュール１１０３間で光信号を相互に伝送するネットワークを構築することが可能となる。
【０１７９】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、
上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の最上層の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、
前記最上層の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍となっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、
コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されているので、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つがことできるため、閾電流を低減することができる。
【０１８０】
また、請求項１記載の発明によれば、上部オーミック電極の開口部が、光出射部の最表面に設けられた高屈折率層の領域よりも大きいので、基本横モードを維持したままで高出力化が可能となる。
【０１８２】
また、請求項２記載の発明によれば、半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
基板に対して垂直に光を出射する面発光半導体レーザにおいて、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されており、
前記上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍になっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に形成されているコンタクト層までエッチングされて柱状構造が形成され、
エッチングにより表面が露出したコンタクト層上にオーミック電極が形成されているので、コンタクト層とオーミック電極との接触抵抗を小さくして、コンタクト層による光吸収を抑制できる。また、上部反射鏡の反射率を高く保つことができるため、閾電流を低減することができる。
【０１８５】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザにおいて、コンタクト層の直上に、エッチングストップ層が設けられているので、エッチング深さの制御性が向上し、確実にオーミック電極をコンタクト層上に形成することができ、接触抵抗のばらつきを抑制することができる。
【０１８６】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザにおいて、活性層材料として、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体が用いられているので、温度特性が優れた１．３〜１．６μｍ帯の面発光半導体レーザを形成でき、かつコンタクト層による光吸収を抑制できる。
【０１８７】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが光源として用いられていることを特徴とする光伝送モジュールであるので、低消費電力の光伝送モジュールを提供できる。
【０１８８】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが用いられていることを特徴とする光交換装置であるので、低消費電力の光交換装置を提供できる。
【０１８９】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項５記載の光伝送モジュール、または、請求項６記載の光交換装置が用いられていることを特徴とする光伝送システムであるので、低消費電力の光伝送システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１による面発光半導体レーザを示す図である。
【図２】実施例１のコンタクト層近傍の光分布を説明するための図である。
【図３】光出射部と周辺部における上部反射鏡の反射スペクトルを示す図である。
【図４】実施例２による面発光半導体レーザを示す図である。
【図５】実施例２のコンタクト層近傍の光分布を説明するための図である。
【図６】実施例３による面発光半導体レーザを示す図である。
【図７】実施例３のコンタクト層近傍の光分布を説明するための図である。
【図８】実施例４による面発光半導体レーザを示す図である。
【図９】実施例５による光伝送モジュールを示す図である。
【図１０】実施例６による光交換装置を示す図である。
【図１１】実施例７による光伝送システムを示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓＤＢＲ
１０３ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部スペーサ層
１０４ ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層
１０５ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部スペーサ層
１０６ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓＤＢＲ
１０７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ位相調整層
１０８ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０９ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ高屈折率層
１１０ ｐ側オーミック電極
１１１ ｎ側オーミック電極
１１２ プロトンイオン注入領域
１０６ａ ｐ型ＤＢＲＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層
１０６ｂ ｐ型ＤＢＲＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ高屈折率層
４０１ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
４０２ ＧａＡｓ下部スペーサ層
４０３ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
４０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層
４０５ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
４０６ ｐ型ＧａＡｓ位相調整層
４０７ ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層
４０８ 誘電体ＤＢＲ
４０５ａ ｐ型ＤＢＲＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層
４０８ａ 誘電体ＤＢＲ低屈折率層
４０８ｂ 誘電体ＤＢＲ高屈折率層
６０１ 第１のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０２ ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層
６０３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
６０４ ｎ型ＧａＡｓ位相調整層
６０５ 第１のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
６０７ 第１のｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０８ 第２のｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2ＡｓＤＢＲ
６０１ａ 第１のｎ型ＤＢＲ低屈折率層
６０１ｂ 第１のｎ型ＤＢＲ高屈折率層
６０５ａ 第２のｎ型ＤＢＲ低屈折率層
６０７ａ 第１のｐ型ＤＢＲ低屈折率層
６０８ａ 第２のｐ型ＤＢＲ低屈折率層
６０８ｂ 第２のｐ型ＤＢＲ高屈折率層
７０１ 組成傾斜層
８０１ ｐ型ＡｌＡｓ層
８０２ ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層
８０３ 酸化領域
９０１ 基板
９０２ 面発光レーザアレイチップ
９０３ サブマウント
９０４ 駆動回路
９０５ 光ファイバ
１００１ 基板
１００２ 面発光レーザアレイ
１００３ 受光素子アレイ
１００４ マトリクススイッチ
１００５ 光ファイバ
１１０１ 光送信部
１１０２ 光受信部
１１０３ 光送受信モジュール
１１０４ 光ファイバケーブル
Claims (7)
- 半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
上部の光出射部から基板に対して垂直上方に光が出射されるように構成されている面発光半導体レーザにおいて、
上部の光出射部では、上部半導体多層膜反射鏡の最上層の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が順次積層されており、
前記最上層の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍となっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
光出射部の周辺では、上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率層上に、位相調整層，コンタクト層が順次に積層されており、
コンタクト層上に上部オーミック電極が形成されていて、
上部オーミック電極の開口部が、光出射部の最表面に設けられた高屈折率層の領域よりも大きいことを特徴とする面発光半導体レーザ。 - 半導体基板上に、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した下部半導体多層膜反射鏡と、
活性層を含む共振器構造と、
低屈折率層と高屈折率層とをレーザ光波長の１／４の光学的膜厚で交互に積層した上部半導体多層膜反射鏡とが順次に積層され、
基板に対して垂直に光を出射する面発光半導体レーザにおいて、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に、共振器に近い側から位相調整層，コンタクト層，高屈折率層が形成されており、
前記上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置にあり、
位相調整層，コンタクト層，高屈折率層の光学的膜厚の総和は、レーザ光波長の３／４倍になっており、
コンタクト層は、面発光半導体レーザ内部における光の定在波分布において、節の位置に設けられ、
位相調整層は、その屈折率が上部半導体多層膜反射鏡における高屈折率層の屈折率とほぼ同じであって、
上部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層上および／または下部半導体多層膜反射鏡の途中の低屈折率層下に形成されているコンタクト層までエッチングされて柱状構造が形成され、
エッチングにより表面が露出したコンタクト層上にオーミック電極が形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ。 - 請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザにおいて、コンタクト層の直上に、エッチングストップ層が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザにおいて、活性層材料として、窒素と他のＶ族元素を含む窒素系Ｖ族混晶半導体が用いられていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが光源として用いられていることを特徴とする光伝送モジュール。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザが用いられていることを特徴とする光交換装置。
- 請求項５記載の光伝送モジュール、または、請求項６記載の光交換装置が用いられていることを特徴とする光伝送システム。
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