JP4612442B2 - 垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光スイッチング方法および光送信モジュールおよび光伝送装置 - Google Patents
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Description
本発明は、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光スイッチング方法および光送信モジュールおよび光伝送装置に関する。
近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、ＬＡＮやアクセス系、ホームネットワークにも展開されてきている。例えば、イーサネットにおいては、１０Ｇｂｐｓの伝送容量が開発されてきている。将来的には更なる伝送容量の増加が求められており、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送システムが期待されている。
伝送容量が１０Ｇｂｐｓ以下の光伝送用光源においては、半導体レーザの注入電流を変調することで出力光強度を変調する直接変調方式が主に用いられている。しかしながら、在来の半導体レーザを直接変調により１０ＧＨｚを超えた変調周波数で動作させることは困難である。そこで、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送用光源としては、半導体レーザから出力される光を外部変調器で変調する方式が開発されている。しかし、外部変調方式では、モジュールサイズが大きく、また部品点数が多いためコストが高いというデメリットがある。そのため、外部変調器を備えた光伝送技術は、幹線系のような高価なシステムには用いられても、ＬＡＮやホームネットワークのような一般ユーザが用いるシステムには不向きとなっている。
また、ＬＡＮや光インターコネクション用の光源として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が用いられるようになってきている。ＶＣＳＥＬは、従来の端面型半導体レーザに比べて、低消費電力であり、また製造工程で劈開が不用でウエハ状態で素子の検査が可能であるため、低コスト化に優れた特徴を有している。そのため、１０Ｇｂｐｓを超えた大容量の光ＬＡＮや光インターコネクション用光源として、直接変調によるＶＣＳＥＬが期待されている。
ＶＣＳＥＬの光変調としては、光強度を変調する方法が一般的である。しかしながら、この他にも、発振波長，偏光方向，横モード等を変調する方法が提案されている。これらの方法は、ＶＣＳＥＬの活性層に注入する電流を直接変調して光強度を変調する方法に比べて、より変調速度を高速化できる可能性がある。ＶＣＳＥＬの横モードを変調する方法としては、これまで以下のような報告がなされている。
すなわち、特許文献１には、活性層からの光を吸収する光吸収層を発光領域の周辺部に備えたＶＣＳＥＬにおいて、外部注入光により光吸収層の吸収係数を飽和させることにより、光吸収層の吸収係数を変化させてＶＣＳＥＬの横モードを変化させる技術が示されている。
また、特許文献２には、活性層近傍に電流狭窄層を形成したＶＣＳＥＬにおいて、電流狭窄層の開口部の形状と注入電流量の少なくとも一方を制御して遠視野像の放射角を変化させる技術が示されている。例えば、分割電極を用いて活性層に流れ込む電流経路を変更する方法が示されている。
また、非特許文献１には、ＶＣＳＥＬを光励起して１次の横モードでレーザ発振させた状態で、基本横モードの外部信号光を注入すると、ＶＣＳＥＬの出力光が１次横モードから基本横モードにスイッチし、外部信号光がオフになると、再びＶＣＳＥＬの出力光が１次横モードにスイッチし、外部信号光のオン／オフによってＶＣＳＥＬの横モードを１次モードと基本モードとの間でスイッチする技術が示されている。
特開２００４−３４２６２９号公報
特開２００４−２１９８８２号公報
Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ ２００３， Ｐａｐｅｒ ４９８６−４１
しかしながら、特許文献２においては、活性層に注入する電流経路を変化させることで横モードを変化させているため、直接変調による変調速度と同程度の変調速度しか得ることができない。
また、特許文献１においては、外部光により光吸収層のバンド間吸収を飽和させている。この方式は光−光スイッチングであるが、入力光波長と出力光波長を異なる波長に変換できるという特徴がある。しかしながら、バンド間吸収の緩和時間はｎｓ程度であるため、変調速度については１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を得ることは困難である。
一方、非特許文献１においては、空間的ホールバーニングまたはスペクトルホールバーニングの効果を用いて横モードをスイッチングしており、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調が可能である。しかしながら、上記方法は光−光スイッチングであるため、電気信号で直接ＶＣＳＥＬの横モードを変調することができない。
本発明は、電気的に横モードを変調することで１０Ｇｂｐｓ以上に高速変調することが可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光スイッチング方法および光送信モジュールおよび光伝送装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層からの光に対して透明な非吸収領域を囲んで周辺に、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、下部多層膜反射鏡または共振器または上部多層膜反射鏡のいずれかに、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、前記光吸収層の中央部には電界を印加せず、前記光吸収層の周辺部に選択的に電界を印加する電界印加手段を備えており、前記光吸収層の周辺部に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記光吸収層は多重量子井戸構造で構成されていることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記光吸収層は、前記上部多層膜反射鏡の最上層の中央部を残してエッチングにより除去された周辺部に埋め込まれて形成されていることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部を囲んで周辺に、多重量子井戸構造から成る光吸収層が設けられていることを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、上部多層膜反射鏡の最上層に光吸収層が設けられ、光吸収層の中央部と周辺部とを空間的に分離する溝が形成されており、光吸収層の周辺部に、電界を印加するための電極が設けられていることを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の周辺部はｐｎ接合の空乏層領域内に形成され、光吸収層の中央部はｐｎ接合の空乏層領域の外側に形成されていることを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の中央部に、光吸収層を含んで光吸収層の層厚よりも厚い高抵抗領域が形成されていることを特徴としている。
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の光スイッチング方法であって、活性層にレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させることを特徴としている。
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光のうち特定の横モードを選択して透過させる素子とを備えていることを特徴とする光送信モジュールである。
また、請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の光送信モジュールを備えていることを特徴とする光伝送装置である。
請求項１記載の発明によれば、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層からの光に対して透明な非吸収領域を囲んで周辺に（すなわち、活性層からの光に対して透明な非吸収領域の周囲に）、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されており、光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間で１０ＧＨｚ以上の高速スイッチング動作させることができる。すなわち、光吸収層に電界を印加すると、周辺部の光強度が強い高次モードは吸収損失が大きくなり、発振が抑制される。これにより、光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間で１０ＧＨｚ以上の高速スイッチング動作させることができる。
また、請求項２記載の発明によれば、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、下部多層膜反射鏡または共振器または上部多層膜反射鏡のいずれかに、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、前記光吸収層の中央部には電界を印加せず、前記光吸収層の周辺部に選択的に電界を印加する電界印加手段を備えており、前記光吸収層の周辺部に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されており、光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間で１０ＧＨｚ以上の高速スイッチング動作させることができる。すなわち、光吸収層の周辺部にのみ電界が印加されると、周辺部の吸収損失が増加するため高次モードが抑制される。これにより、光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間で１０ＧＨｚ以上の高速スイッチング動作させることができる。
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記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、光吸収層が多重量子井戸構造で構成されていることにより、高電界をかけた状態でも急峻な吸収端を得ることができ、電界印加時の光吸収層の吸収係数変化を大きくすることができる。また、バルクの光吸収層と比較して、同じ吸収係数の変化量を得るのに必要な電界が小さくなるため、低電圧で動作させることができる。
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記光吸収層は、前記上部多層膜反射鏡の最上層の中央部を残してエッチングにより除去された周辺部に埋め込まれて形成されていることにより、エッチングされずに中央部に残った上部多層膜反射鏡の最上層は活性層の光に対して透明な非吸収領域となり、エッチングにより除去された周辺部に埋め込み形成された光吸収層は電界が印加されない場合には活性層の光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層の光を吸収することができる。これにより、光吸収層に印加する電界を変調することにより、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の横モードを高次モードと基本モードとの間でスイッチング動作させることができる。
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部を囲んで周辺に（すなわち、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部の周囲に）、多重量子井戸構造から成る光吸収層が設けられていることにより、電界が印加された場合に、中央部では周辺部に比べて吸収端が短波長となるため、周辺部では光吸収が生じ、中央部では非吸収領域のままで動作させることができる。これにより、光吸収層に印加する電界を変調することにより、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の横モードを高次モードと基本モードとの間でスイッチング動作させることができる。
また、請求項６記載の発明によれば、請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、上部多層膜反射鏡の最上層に光吸収層が設けられ、光吸収層の中央部と周辺部とを空間的に分離する溝が形成されており、光吸収層の周辺部に、電界を印加するための電極が設けられていることにより、光吸収層の周辺部に設けられた電極に電界が印加されると、光吸収層の周辺部の吸収端は長波長化するが、光吸収層の中央部には電界が印加されない。そのため、レーザ発振領域の周辺部のみ吸収損失が増加し、高次モードの発振が抑制される。これにより、光吸収層に印加する電界を変調することによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の横モードを高次モードと基本モードとの間でスイッチング動作させることができる。
また、請求項７記載の発明によれば、請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、光吸収層の周辺部はｐｎ接合の空乏層領域内に形成され、光吸収層の中央部はｐｎ接合の空乏層領域の外側に形成されていることにより、ｐｎ接合に逆バイアスが印加されると、光吸収層の周辺部には電界が印加されて吸収端が長波長シフトするが、光吸収層の中央部には電界がほとんど加わらないため光吸収層の中央部は透明のままとなる。これにより、レーザ発振領域の周辺部の吸収損失のみを増加して、高次モード発振を抑制できる。従って、光吸収層に印加する電界を変調することによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の横モードを高次モードと基本モードとの間でスイッチング動作させることができる。
また、請求項８記載の発明によれば、請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の中央部に、光吸収層を含んで光吸収層の層厚よりも厚い高抵抗領域が形成されており、外部から印加された電圧は高抵抗領域全体にかかるため、光吸収層に加わる電界強度が低下する。これにより、レーザ発振領域の周辺部のみ吸収損失が増加し、高次モード発振が抑制される。従って、光吸収層に印加する電界を変調することによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の横モードを高次モードと基本モードとの間でスイッチング動作させることができる。
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層及び光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されているので、石英光ファイバの伝送に適した長波長帯の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を高反射率で熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いて形成することができ、高性能の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を提供することができる。また、長波長の吸収端を有する光吸収層をＧａＡｓ基板と格子整合させて形成できるため、光吸収層の層厚を厚くして吸収量を増加させることが可能となる。
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の光スイッチング方法であって、活性層にレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるので（すなわち、電界吸収効果と空間的ホールバーニングによる横モードシフトを原理として用いているので）、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調が可能となる。また、電気的な変調を電流駆動ではなく電圧駆動で行っているので、１０ＧＨｚ以上の高速変調動作させる駆動回路を簡易化することができ、コストを低減することができる。
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光のうち特定の横モードを選択して透過させる素子とを備えていることを特徴とする光送信モジュールであるので、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の横モードの変化をレーザ光強度の変化に変換して１０Ｇｂｐｓ以上の大容量データ送信が可能となる。また、外部変調器を用いず垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を直接電圧駆動しているため、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量データ送信が可能な光送信モジュールを小型，低コストで製造することができる。
また、請求項１２記載の発明によれば、請求項１１記載の光送信モジュールを備えていることを特徴とする光伝送装置であるので、１０Ｇｂｐｓを超える大容量伝送可能な光伝送装置を小型化，低コスト化することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
（第１の形態）
本発明の第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層からの光に対して透明な非吸収領域を囲んで周辺に（すなわち、活性層からの光に対して透明な非吸収領域の周囲に）、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。
本発明の第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層からの光に対して透明な非吸収領域を囲んで周辺に（すなわち、活性層からの光に対して透明な非吸収領域の周囲に）、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。
活性層に電流を注入すると、活性層で発生した光は下部ＤＢＲと上部ＤＢＲとではさまれた共振器内でレーザ発振し、基板と垂直方向にレーザ光として出射される。マルチモードＶＣＳＥＬにおいては、通常、発振直後の横モードは基本モードで発振するが、活性層に注入する電流を増加させていくと、高次モードが基本モードよりも優先的に発振するようになる。
活性層の光に対して透明な非吸収領域を囲んだ周辺に設けられた光吸収層の吸収端は、電界を印加しない場合にはレーザ発振波長よりも短波長となっており、バンド間吸収がなく透明となっている。従って、光吸収層に電界を印加しない状態では、活性層に注入する電流を増加させていくと高次モードが優先して発振する。
一方、光吸収層に電界を印加すると、フランツ・ケルディッシュ効果により光吸収層の吸収端が長波長側にシフトするため、レーザ発振波長の光を吸収するようになる。光吸収層はＶＣＳＥＬのレーザ発振領域の周辺部に設けられており、中央部は活性層からの光に対して透明な非吸収領域となっている。従って、光吸収層に電界を印加した状態では、レーザ発振領域の周辺部の吸収損失が増加する。高次モードは、基本モードに比べて周辺部の光強度が強くなっているため、周辺部の吸収損失が増加すると高次モードの発振が抑制される。これにより、基本モードのみが発振可能な注入電流が大きくなる（基本モードでより高い注入電流まで発振可能となる。）。
従って、活性層に注入する電流を一定にしてレーザ発振状態にしておき、光吸収層に電界を印加しない場合には高次モードで発振し、電界を印加した場合には基本モードで発振するという動作が可能となる。これにより、ＶＣＳＥＬの横モードを電気的に変調させることができる。
光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は、１０ＧＨｚ以上と高速で変調させることが可能である。また、レーザ発振の横モードは、主に空間的ホールバーニングによって変化するが、空間的ホールバーニングの緩和時間は数ｐｓと高速であるため、１０ＧＨｚ以上で高速変調可能である。従って、本発明のＶＣＳＥＬにおいては、光吸収層に印加する電界を変調することにより、レーザ発振の横モードを高次モードと基本モードとの間で１０ＧＨｚ以上で高速にスイッチングさせることができる。
（第２の形態）
本発明の第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、下部多層膜反射鏡または共振器または上部多層膜反射鏡のいずれかに、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、前記光吸収層の中央部には電界を印加せず、前記光吸収層の周辺部に選択的に電界を印加する電界印加手段を備えており、前記光吸収層の周辺部に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。
本発明の第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、下部多層膜反射鏡または共振器または上部多層膜反射鏡のいずれかに、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、前記光吸収層の中央部には電界を印加せず、前記光吸収層の周辺部に選択的に電界を印加する電界印加手段を備えており、前記光吸収層の周辺部に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴としている。
第２の形態のＶＣＳＥＬの変調動作は、第１の形態と同様である。第２の形態においては、特に、光吸収層の中央部には電界が印加されず、周辺部に選択的に電界を印加する手段を設けたことを特徴としている。
光吸収層の吸収端は、電界を印加しない場合にはレーザ発振波長よりも短波長となっており、バンド間吸収がなく透明となっている。一方、光吸収層に電界を印加すると、フランツ・ケルディッシュ効果により光吸収層の吸収端が長波長側にシフトするため、レーザ発振波長の光を吸収するようになる。光吸収層において周辺部にのみ電界が印加されると、レーザ発振領域の周辺部の吸収損失が増加する。一方、中央部は電界が印加されないため、活性層の光に対して透明なままとなっている。そのため、基本モードに比べて周辺部の光強度が強い高次モードは吸収損失が増加し、高次モードの発振が抑制され、基本モードでより高い注入電流まで発振可能となる。これにより、活性層に注入する電流を一定にしてレーザ発振状態にしておき、光吸収層に印加する電圧（電界）を変調することによって、ＶＣＳＥＬの横モードを基本モードと高次モードとの間で高速変調させることができる。
（第３の形態）
本発明の第３の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１または第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、光吸収層が多重量子井戸構造で構成されていることを特徴としている。
本発明の第３の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１または第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、光吸収層が多重量子井戸構造で構成されていることを特徴としている。
多重量子井戸構造からなる光吸収層に電界を印加すると、光吸収層の吸収端は量子閉じ込めシュタルク効果により、長波長側にシフトする。このとき、量子井戸に閉じ込められた励起子が高電界を加えた状態でも存在するため、急峻な吸収端を得ることができる。これにより、電界印加時の光吸収層の吸収係数変化を大きくすることができる。また、バルクの光吸収層と比較して、同じ吸収係数の変化量を得るのに必要な電界が小さくなるため、低電圧で動作させることができる。
（第４の形態）
本発明の第４の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記光吸収層は、前記上部多層膜反射鏡の最上層の中央部を残してエッチングにより除去された周辺部に埋め込まれて形成されていることを特徴としている。
本発明の第４の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記光吸収層は、前記上部多層膜反射鏡の最上層の中央部を残してエッチングにより除去された周辺部に埋め込まれて形成されていることを特徴としている。
エッチングされずに中央部に残った上部多層膜反射鏡の最上層は、活性層の光に対して透明な非吸収領域となっている。一方、エッチングにより除去された周辺部に埋め込み形成された光吸収層は、電界が印加されない場合には活性層の光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する材料で構成されている。これにより、光吸収層に電界を印加した状態では、レーザ発振領域の周辺部の吸収損失が増加する。高次モードは、基本モードに比べて周辺部の光強度が強くなっているため、周辺部の吸収損失が増加すると高次モードの発振が抑制される。これにより、基本モードのみが発振可能な注入電流が大きくなる（基本モードでより高い注入電流まで発振可能となる。）。従って、活性層に注入する電流を一定にしてレーザ発振状態にしておき、光吸収層に電界を印加しない場合には高次モードで発振し、電界を印加した場合には基本モードで発振するという動作が可能となり、ＶＣＳＥＬの横モードを電気的に高速変調させることができる。
なお、最上層の周辺部に光吸収層を形成する方法としては、光吸収層を積層してから中央部の光吸収層をエッチングで除去する方法や、周辺部のエッチングを行わずに周辺部に光吸収層を選択成長する方法も考えられる。しかしながら、これらの方法では、中央部と周辺部とで上部多層膜反射鏡の反射率差が大きくなってしまうため、光吸収層の吸収変化によらず、構造的に横モードが単一モードまたは高次モードに保持されやすくなる。従って、光吸収層に印加する電界で横モードをスイッチング動作させることが困難となる。
これらに対し、第４の形態では、上部多層膜反射鏡の上層部をエッチングした周辺部に埋め込まれた光吸収層の層厚を、ＶＣＳＥＬ素子内の光定在波分布の位相が中央部と等しくなるように形成することにより、中央部と周辺部とで上部多層膜反射鏡の反射率差を小さくすることができる。これにより、光吸収層に印加する電界で横モードをスイッチング動作させることが容易となる。
（第５の形態）
本発明の第５の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部を囲んで周辺に（すなわち、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部の周囲に）、多重量子井戸構造から成る光吸収層が設けられていることを特徴としている。
本発明の第５の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部を囲んで周辺に（すなわち、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部の周囲に）、多重量子井戸構造から成る光吸収層が設けられていることを特徴としている。
中央部の量子井戸構造を無秩序化することで、中央部の吸収端は、無秩序化されていない周辺部よりも短波長化する。これにより、電界が印加された場合でも、中央部では周辺部に比べて吸収端が短波長となるため、周辺部では光吸収が生じ、中央部では非吸収領域のままで動作させることができる。これにより、活性層の光に対して透明な非吸収領域を囲んで周辺に光吸収層を形成することができる。
また、第５の形態では、第４の形態と異なり、光吸収層を上部ＤＢＲの最上部ではなく、内部に設けることができる。特に、光吸収層をＶＣＳＥＬ素子内部の光定在波分布の腹に位置させることにより、ＶＣＳＥＬの光吸収損失を増加させることができる。従って、第５の形態では、より低い動作電圧で、変調動作させることができる。
（第６の形態）
本発明の第６の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、上部多層膜反射鏡の最上層に光吸収層が設けられ、光吸収層の中央部と周辺部とを空間的に分離する溝が形成されており、光吸収層の周辺部に、電界を印加するための電極が設けられていることを特徴としている。
本発明の第６の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、上部多層膜反射鏡の最上層に光吸収層が設けられ、光吸収層の中央部と周辺部とを空間的に分離する溝が形成されており、光吸収層の周辺部に、電界を印加するための電極が設けられていることを特徴としている。
周辺部の光吸収層に設けられた電極に電界が印加されると、周辺部の光吸収層の吸収端が長波長化する。一方、中央部の光吸収層は、溝によって周辺部と空間的に分離されているため、電界が印加されない。これにより、レーザ発振領域の周辺部のみ吸収損失が増加するため、基本モードに比べて周辺部の光強度が強い高次モードは吸収損失が増加し、高次モードの発振が抑制される。これにより、活性層に注入する電流を一定にしてレーザ発振状態にしておき、光吸収層に印加する電圧（電界）を変調することによって、ＶＣＳＥＬの横モードを基本モードと高次モードとの間で高速変調させることができる。
（第７の形態）
本発明の第７の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、光吸収層の周辺部はｐｎ接合の空乏層領域内に形成され、光吸収層の中央部はｐｎ接合の空乏層領域の外側に形成されていることを特徴としている。
本発明の第７の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、光吸収層の周辺部はｐｎ接合の空乏層領域内に形成され、光吸収層の中央部はｐｎ接合の空乏層領域の外側に形成されていることを特徴としている。
ｐｎ接合に逆バイアスが印加されると、ｐｎ接合の空乏層領域に主に電界が印加される。周辺部の光吸収層はｐｎ接合の空乏層領域内に設けられているため、電界が印加されて光吸収層の吸収端が長波長シフトする。一方、中央部の光吸収層はｐｎ接合の空乏層領域の外側に形成されている。そのため、外部から印加された電界は、ｐｎ接合から離れている中央部の光吸収層にほとんど加わらなくなり、中央部の光吸収層は透明のままとなる。これにより、レーザ発振領域の周辺部のみ吸収損失が増加して、高次モード発振を抑制できる。
なお、中央部の光吸収層の位置をｐｎ接合の空乏層領域から離す方法としては、中央部の光吸収層近傍にｐ型不純物またはｎ型不純物をイオン注入や拡散によりドーピングすることで実現することができる。
（第８の形態）
本発明の第８の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の中央部に、光吸収層を含んで光吸収層の層厚よりも厚い高抵抗領域が形成されていることを特徴としている。
本発明の第８の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の中央部に、光吸収層を含んで光吸収層の層厚よりも厚い高抵抗領域が形成されていることを特徴としている。
中央部に光吸収層を含んで厚い高抵抗領域を形成すると、外部から印加された電圧は高抵抗領域全体にかかるため、光吸収層にかかる電界強度が低下する。そのため、中央部の光吸収層の吸収端シフトがほとんど生じないため、レーザ光に対して透明なままとなる。これにより、レーザ発振領域の周辺部のみ吸収損失が増加し、高次モード発振が抑制される。
なお、高抵抗領域は、プロトンイオンや、酸素イオンや、Ｆｅ，Ｃｒなどの重金属イオンを注入することによって形成することが可能であり、作製が容易である。
（第９の形態）
本発明の第９の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１乃至第８のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層及び光吸収層が、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴としている。
本発明の第９の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１乃至第８のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層及び光吸収層が、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴としている。
ここで、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体としては、例えば、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＡｌＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＮＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＡｌＧａＮＡｓＳｂ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＮＡｓＰＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ，ＡｌＧａＮＡｓＰＳｂ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等がある。
第９の形態では、活性層を窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成することにより、石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有する活性層をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。これにより、多層膜反射鏡として高反射率でかつ熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能の長波長帯ＶＣＳＥＬを形成することができる。
また、光吸収層を窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成することにより、長波長の吸収端を有し、かつＧａＡｓ基板と格子整合させることが可能となる。従って、ＧａＡｓ基板上の長波長帯ＶＣＳＥＬにおいて光吸収層の層厚を厚く形成することができ、大きな吸収損失を与えることが可能となる。
（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の光スイッチング方法であって、活性層にレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させることを特徴としている。
本発明の第１０の形態は、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の光スイッチング方法であって、活性層にレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させることを特徴としている。
この第１０の形態では、活性層に、閾値電流以上の値で一定電流値を連続的に注入してレーザ発振させる。光吸収層に電界を印加しない場合は、光吸収層はレーザ光に対して透明となっているため、一般的なマルチモードＶＣＳＥＬと同様に、活性層に注入する電流を増加させていくと、高次モードが基本モードよりも優先的に発振するようになる（図９（ａ）参照）。光吸収層に電界を印加すると、光吸収層の吸収端が長波長側にシフトするため、光吸収層はレーザ発振波長の光を吸収するようになる。ＶＣＳＥＬのレーザ発振領域の周辺部に設けられた光吸収層で吸収損失が増加することにより、周辺部の光強度が強い高次モードは発振が抑制され、基本モードのみが発振可能な電流値が大きくなる（図９（ｂ）参照）。これにより、光吸収層に電界を印加しない場合に高次モードで発振し、光吸収層に電界を印加した場合に基本モードで発振する注入電流領域が存在する。活性層に注入する電流値を上記領域内の値（図９（ａ），（ｂ）中のＩｏｐ）に設定し、光吸収層に印加する電界を信号に応じてオン／オフすることにより、ＶＣＳＥＬの横モードを電気的に変調させることができる。
上記の横モード変調は、電界吸収効果と空間的ホールバーニングによる横モードシフトを原理として用いており、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調が可能である。また、電気的な変調を電流駆動ではなく電圧駆動で行っているため、１０ＧＨｚ以上の高速変調動作をさせる駆動回路を簡易化することができ、コストを低減することができる。
（第１１の形態）
本発明の第１１の形態の光送信モジュールは、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出力されるレーザ光のうち特定の横モードを選択して透過させる素子とを備えていることを特徴としている。
本発明の第１１の形態の光送信モジュールは、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出力されるレーザ光のうち特定の横モードを選択して透過させる素子とを備えていることを特徴としている。
第１乃至第９の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、光吸収層に印加する電界を変調することにより、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間で１０ＧＨｚ以上の高速スイッチング動作をさせることができる。この垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出力されるレーザ光のうち、特定の横モードを選択して透過させる素子を通すことにより、横モードの変化をレーザ光強度の変化に変換することができる。これにより、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量データ送信が可能な光送信モジュールを構成することができる。
また、本発明の光送信モジュールにおいては、外部変調器を用いていない。さらに、ＶＣＳＥＬの変調を電圧駆動しているため、駆動回路を小型化，低コスト化することができる。従って、光送信モジュールを小型化することができ、また低コストで製造することができる。
特定の横モードを選択して透過させる素子としては、例えばシングルモード光ファイバがある。シングルモード光ファイバは、コアに結合する光の受光角が５度程度と非常に狭いため、基本モードの光のみが結合してシングルモード光ファイバに取り込まれる。一方、放射角が広い高次モードの光は結合効率が低く光強度が減衰する。
また、受光角がシングルモードファイバと同程度に狭いマイクロレンズを用いた場合でも、基本モードを選択して透過させることができる。
また、中央部を遮光し周辺部を透過させる空間フィルタを用いることにより、高次モードの光を選択して透過させることも可能である。
（第１２の形態）
本発明の第１２の形態の光伝送装置は、第１１の形態の光送信モジュールを備えていることを特徴としている。
本発明の第１２の形態の光伝送装置は、第１１の形態の光送信モジュールを備えていることを特徴としている。
第１１の形態の光送信モジュールは、外部変調器を用いることなく、単チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える（例えば４０Ｇｂｐｓ）光信号伝送が可能であり、小型、低コストで作製することができる。従って、大容量伝送が可能で、小型化，低コスト化した光伝送装置を提供することができる。
なお、光伝送装置は、石英系光ファイバを用いたシステムだけでなく、プラスチック光ファイバや導波路を用いて形成することもできる。また、空間光伝送システムを構築することもできる。
次に本発明の実施例を説明する。
実施例１は、第１，第４の形態に対応している。
図１は、本発明の実施例１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図１を参照すると、ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２が積層されている。ここで、ｎ型ＤＢＲ １０２は、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に３０．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型ＤＢＲ １０２上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第１スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０４、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第２スペーサ層１０５、ＡｌＡｓ層１０６、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第３スペーサ層１０７、ｐ型の上部ＤＢＲ １０８が順次に積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ １０８は、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に２４周期積層して形成されている。
ｐ型ＤＢＲ １０８の最表面層はｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層となっているが、素子の中央領域を除いて最表面層のｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層がエッチングにより除去されている。そして、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層が除去された領域に、ｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ光吸収層１０９が選択成長により埋め込まれている。
そして、上記積層構造表面から、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第３スペーサ層１０７の表面までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型ＤＢＲ １０２までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。そして、第１のメサ構造頂上部のｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ光吸収層１０９上には、第１の電極１１１が形成され、第１のメサ構造底面のｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第３スペーサ層１０７上には、第２の電極１１２が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
また、ＡｌＡｓ層１０６は第２のメサ構造側面から選択的に酸化されて、Ａｌ酸化領域１１０が形成されている。Ａｌ酸化領域１１０は絶縁体であるため、活性層１０４に注入する電流を狭窄する働きをする。また、ＡｌＡｓ層１０６はＡｌ酸化領域１１０よりも高屈折率であるため、光を中央部に閉じ込める機能を有している。ここで、酸化されていないＡｌＡｓ層１０６の開口径は、マルチモード発振可能なように、例えば５μｍφとした。
図１のＶＣＳＥＬにおいては、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向バイアスを印加することにより、活性層１０４に電流が注入されて発光する。活性層１０４で発光した光は、上部ＤＢＲ １０８と下部ＤＢＲ １０２との間で共振して、基板１０１と垂直上方にレーザ発振する。この本実施例１では、レーザ発振波長は８５０ｎｍとなっている。
マルチモードＶＣＳＥＬにおいては、一般に発振直後の横モードは基本モードで発振するが、活性層に注入する電流を増加させていくと、高次モードが基本モードよりも優先的に発振するようになる。
光吸収層１０９に電界を印加しない場合、ｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ光吸収層１０９の吸収端（８３０ｎｍ）は、レーザ発振波長８５０ｎｍよりも短波長であるため、バンド間吸収がなく透明となっている。一方、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層１０９に電界が印加されて、光吸収層１０９の吸収端が長波長側にシフトする。これにより、レーザ光を吸収するようになる。光吸収層１０９はＶＣＳＥＬのレーザ発振領域の周辺部に設けられており、中央部は活性層の光に対して透明な非吸収領域となっている。従って、光吸収層１０９に電界を印加した状態では、レーザ発振領域の周辺部の吸収損失が増加する。高次モードは、基本モードに比べて周辺部の光強度が強くなっているため、周辺部の吸収損失が増加すると高次モードの発振が抑制される。これにより、基本モードのみが発振可能な注入電流が大きくなる（基本モードでより高い注入電流まで発振可能となる。）。
なお、光吸収層１０９の開口径は、ＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも小さくなっており、光吸収層１０９の開口径は例えば４μｍφとした。これにより、光吸収層１０９における高次モードの光吸収損失が大きくなるため、有効に高次モードを抑制できる。また、第１の電極１１１の開口径はＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも大きくしており、第１の電極１１１による光吸収損失が生じないようにしている。
光吸収層１０９に電界を印加しない場合には高次モードで発振し、光吸収層１０９に電界を印加した場合には基本モードで発振するような注入電流領域が存在しており、活性層１０４に注入する電流を上記範囲内の値で連続的に注入する。この状態で、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加する電圧（電界）を信号に応じて変調することにより、ＶＣＳＥＬの横モードを高次モードと基本モードとの間でスイッチング動作させることができる。光吸収層１０９に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は、１０ＧＨｚ以上と高速で変調させることが可能である。また、レーザ発振の横モードは、主に空間的ホールバーニングによって変化するが、空間的ホールバーニングの緩和時間は数ｐｓと高速であるため、１０ＧＨｚ以上で高速変調可能である。従って、図１のＶＣＳＥＬにおいては、光吸収層に印加する電界を変調することにより、レーザ横モードを１０ＧＨｚ以上で高速にスイッチングさせることができる。
実施例２は、第２，第６の形態に対応している。
図２は、本発明の実施例２の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図２において、図１と同様の箇所には同じ符号を付している。図２を参照すると、ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型下部ＤＢＲ ２０１が積層されている。ここで、ｎ型ＤＢＲ ２０１は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に３０．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型ＤＢＲ ２０１上には、ＧａＡｓ第１スペーサ層２０２、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層２０３、ＧａＡｓ第２スペーサ層２０４、ＡｌＡｓ層１０６、ｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５、ｐ型の上部ＤＢＲ ２０６が順次に積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ ２０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に２４周期積層して形成されている。そして、ｐ型ＤＢＲ ２０６上には、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ａｓ光吸収層２０７、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２０８が形成されている。
上記積層構造表面から、ｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５の表面までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型ＤＢＲ ２０１までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。また、最表面からｐ型ＤＢＲ ２０６に達するまで分離溝２０９が形成されており、ＧａＩｎＡｓ光吸収層２０７及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層２０８は、素子の中央領域（中央部）と周辺領域（周辺部）とで空間的に分離されている。
第１のメサ構造頂上部において、分離溝で分割された周辺領域のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２０８上には第１の電極１１１が形成されている。また、第１のメサ構造底面のｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５上には、第２の電極１１２が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
また、ＡｌＡｓ層１０６は第２のメサ構造側面から選択的に酸化されて、Ａｌ酸化領域１１０が形成されている。酸化されていないＡｌＡｓ層１０６の開口径は、マルチモード発振可能なように、例えば６μｍφとした。
図２のＶＣＳＥＬにおいては、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向バイアスを印加することにより、活性層２０３に電流が注入されて発光する。活性層２０３で発光した光は、上部ＤＢＲ ２０６と下部ＤＢＲ ２０１の間で共振して、基板１０１と垂直上方にレーザ発振する。この実施例２では、レーザ発振波長は９８０ｎｍとなっている。
第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加しない場合（すなわち、光吸収層２０７に電界を印加しない場合）、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ａｓ光吸収層２０７の吸収端（９３０ｎｍ）は、レーザ発振波長９８０ｎｍよりも短波長であるため、バンド間吸収がなく透明となっている。一方、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層２０７に電界が印加されて、光吸収層２０７の吸収端が長波長側にシフトする。これにより、レーザ光を吸収するようになる。図２においては、分離溝２０９によって光吸収層２０７が中央領域（中央部）と周辺領域（周辺部）とに分離されている。第１の電極１１１は周辺部に設けられているため、電界は周辺領域（周辺部）の光吸収層２０７にのみ印加される。一方、中央領域（中央部）には電界が印加されないため、中央部の光吸収層２０７は、レーザ光に対して透明な非吸収領域となっている。従って、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加した状態では、レーザ発振領域の周辺部の吸収損失が増加するため、高次モードの発振が抑制される。
なお、分離溝２０９の径は、ＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも小さくなっており、例えば４μｍφとした。これにより、高次モードの光吸収損失が大きくなるため、有効に高次モードを抑制できる。
実施例２においても、実施例１と同様に、光吸収層２０７に電界を印加しない場合に高次モードで発振し、光吸収層２０７に電界を印加した場合に基本モードで発振するような注入電流領域が存在しており、活性層２０３に注入する電流を上記範囲内の値で連続的に注入する。この状態で、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加する電圧（電界）を信号に応じて変調することにより、ＶＣＳＥＬの横モードを高次モードと基本モードとの間で高速にスイッチング動作させることができる。
また、図２のＶＣＳＥＬでは、図１のＶＣＳＥＬのように光吸収層を選択埋め込み成長する必要がないため、作製が容易となっている。
実施例３は、第２，第７の形態に対応している。
図３は、本発明の実施例３の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図３において、図１，図２と同様の箇所には同じ符号を付している。図３を参照すると、ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型下部ＤＢＲ ２０１が積層されている。ここで、ｎ型ＤＢＲ ２０１は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に３０．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型ＤＢＲ ２０１上には、ＧａＡｓ第１スペーサ層２０２、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層２０３、ＧａＡｓ第２スペーサ層２０４、ＡｌＡｓ層１０６、ｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５、ｐ型上部ＤＢＲ ３０１、ＧａＩｎＡｓ光吸収層２０７、ｎ型上部ＤＢＲ ３０２が順次に積層されている。ここで、ｐ型上部ＤＢＲ ３０１はｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に５周期積層して形成されており、ｎ型上部ＤＢＲ ３０２はｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に２０周期積層して形成されている。そして、ＧａＩｎＡｓ光吸収層２０７は、ＶＣＳＥＬ内の光強度分布における腹の位置に設けられている。
上記積層構造表面から、ｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５の表面までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型ＤＢＲ ２０１までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。そして、第１のメサ構造頂上部には、光出射領域を除いて、リング状の第１の電極１１１が形成されている。また、第１のメサ構造底面のｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５上には、第２の電極１１２が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
ＡｌＡｓ層１０６は第２のメサ構造側面から選択的に酸化されて、Ａｌ酸化領域１１０が形成されている。酸化されていないＡｌＡｓ層１０６の開口径は、マルチモード発振可能なように、例えば６μｍφとした。
また、光吸収層２０７近傍の中央領域（中央部）３０３には、Ｃイオンが注入され、その後熱処理することにより、Ｃはアクセプターとして活性化する。Ｃイオン注入領域３０３は、ｎ型上部ＤＢＲ ３０２を含んでいるが、Ｃアクセプター濃度をｎ型上部ＤＢＲ ３０２のドナー濃度よりも高くすることにより、Ｃイオン注入領域３０３の導電型をｐ型としている。
図３のＶＣＳＥＬにおいては、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向バイアスを印加することにより、活性層２０３に電流が注入されて発光する。活性層２０３で発光した光は、上部ＤＢＲ ３０１，３０２と下部ＤＢＲ ２０１との間で共振して、基板１０１と垂直上方にレーザ発振する。この実施例３では、レーザ発振波長は９８０ｎｍとなっている。
光吸収層２０７に電界を印加しない場合、ＧａＩｎＡｓ光吸収層２０７の吸収端（９３０ｎｍ）は、レーザ発振波長９８０ｎｍよりも短波長となるように形成されており、バンド間吸収がなく透明となっている。一方、光吸収層２０７に電界が印加されると、光吸収層２０７の吸収端が長波長側にシフトするため、レーザ光を吸収するようになる。
Ｃイオンが注入されていない周辺部の光吸収層２０７では、光吸収層２０７がｐｎ接合位置にあるため、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層２０７に電界が印加される。一方、Ｃイオンが注入された中央部ではｐｎ接合位置が光吸収層２０７から離れているため、中央部の光吸収層２０７にかかる電界が小さく、吸収端の長波長シフトがほとんど生じない。従って、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加した状態では、レーザ発振領域の周辺部の吸収損失が増加するため、高次モード発振が抑制される。
なお、Ｃイオン注入領域３０３の径は、ＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも小さくなっており、例えば４μｍφとした。これにより、高次モードの光吸収損失が大きくなるため、有効に高次モードを抑制できる。また、第１の電極１１１の開口径はＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも大きくしており、第１の電極１１１による光吸収損失が生じないようにしている。
このように、実施例３においても、実施例１，実施例２と同様に、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加しない場合には高次モードで発振し、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加した場合には基本モードで発振するような注入電流領域が存在しており、活性層２０３に注入する電流を上記範囲内の値で連続的に注入する。この状態で、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加する電圧（電界）を信号に応じて変調することにより、ＶＣＳＥＬの横モードを高次モードと基本モードとの間で高速にスイッチング動作させることができる。
なお、この実施例３では、ｐ型領域３０３をＣイオン注入により形成しているが、Ｚｎ，Ｍｇ等のアクセプターとして活性化する元素を注入して形成することもできる。また、上記元素を気相拡散または固相拡散させることによってｐ型領域を形成することもできる。また、積層構造の導電型を逆にした場合、領域３０３として、ｐ型領域のかわりに、Ｓｉ， Ｓｅ等のドナー元素を用いてｎ型領域を形成することによっても、同様に動作させることができる。
また、図３のＶＣＳＥＬでは、図１や図２のＶＣＳＥＬと異なり光吸収層が上部ＤＢＲの最上部ではなく、内部（腹の位置）に設けられている。そのため、ＶＣＳＥＬ内部の光吸収損失を増加させることができる。従って、より低い動作電圧で変調動作させることができる。
実施例４は、第１，第３，第５の形態に対応している。
図４は、本発明の実施例４の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図４において、図１と同様の箇所には同じ符号を付している。図４を参照すると、ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型下部ＤＢＲ １０２が積層されている。ここで、ｎ型下部ＤＢＲ １０２は、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に３０．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型ＤＢＲ １０２上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第１スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ ＭＱＷ活性層１０４、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第２スペーサ層１０５、ＡｌＡｓ層１０６、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第３スペーサ層１０７、ｐ型上部ＤＢＲ ４０１、ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ＭＱＷ光吸収層４０２、ｎ型上部ＤＢＲ ４０３が順次に積層されている。ｐ型上部ＤＢＲ ４０１はｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に３周期積層して形成されており、ｎ型上部ＤＢＲ ４０３はｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に２０周期積層して形成されている。そして、光吸収層４０２は、ＶＣＳＥＬ内の光強度分布における腹の位置に設けられている。
上記積層構造表面からｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第３スペーサ層１０７の表面までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型ＤＢＲ １０２までエッチングして第２のメサ構造が形成されている。また、第１のメサ構造頂上部には、光出射領域を除いて、リング状の第１の電極１１１が形成されている。また、第１のメサ構造底面のｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第３スペーサ層１０７上には、第２の電極１１２が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
ＡｌＡｓ層１０６は第２のメサ構造側面から選択的に酸化されて、Ａｌ酸化領域１１０が形成されている。酸化されていないＡｌＡｓ層１０６の開口径は、マルチモード発振可能なように、例えば５μｍφとした。
また、ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ＭＱＷ光吸収層４０２近傍の中央領域（中央部）にはＧａイオンが注入され、その後熱処理することにより、Ｇａイオンが注入されたＭＱＷ光吸収層４０２はＭＱＷ構造が無秩序化されて、ＡｌＧａＡｓ混晶領域４０４が形成されている。
図４のＶＣＳＥＬにおいては、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向バイアスを印加することにより、活性層１０４に電流が注入されて発光する。活性層１０４で発光した光は、上部ＤＢＲ ４０１，４０２と下部ＤＢＲ １０２との間で共振して、基板１０１と垂直上方にレーザ発振する。この実施例４では、レーザ発振波長は８５０ｎｍとなっている。
ＭＱＷ光吸収層４０２に電界を印加しない場合、ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ＭＱＷ光吸収層４０２の吸収端は８３０ｎｍとなっており、レーザ発振波長８５０ｎｍよりも短波長となるように形成されている。そのため、バンド間吸収がなく透明となっている。一方、ＭＱＷ光吸収層４０２に電界が印加されると、吸収端が長波長側にシフトするため、レーザ光を吸収するようになる。
また、中央部に位置するＭＱＷ光吸収層４０２を無秩序化して形成したＡｌＧａＡｓ混晶領域４０４の吸収端は、電界を印加しない場合にはＭＱＷ光吸収層４０２の吸収端よりも短波長で、本実施例では７６０ｎｍとした。そのため、ＭＱＷ光吸収層４０２に電界を印加して吸収端を８６０ｎｍまでシフトさせ、８５０ｎｍのレーザ光を吸収するようにした場合、ＡｌＧａＡｓ混晶領域４０４に同じ電界を印加しても吸収端は約７９０ｎｍとなり、レーザ光の吸収が生じない。
従って、第１の電極１１１と第２の電極１１２間に逆方向バイアスを印加した状態では、レーザ発振領域の周辺部のみ吸収損失が増加するため、高次モード発振が抑制される。
なお、Ａｌ混晶領域４０４の径は、ＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも小さくなっており、例えば４μｍφとした。これにより、高次モードの光吸収損失が大きくなるため、有効に高次モードを抑制できる。また、第１の電極１１１の開口径はＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも大きくしており、第１の電極１１１による光吸収損失が生じないようにしている。
なお、Ａｌ混晶領域４０４の径は、ＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも小さくなっており、例えば４μｍφとした。これにより、高次モードの光吸収損失が大きくなるため、有効に高次モードを抑制できる。また、第１の電極１１１の開口径はＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも大きくしており、第１の電極１１１による光吸収損失が生じないようにしている。
このように、実施例４においても、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加しない場合には高次モードで発振し、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアス印加した場合には基本モードで発振するような注入電流領域が存在しており、活性層１０４に注入する電流を上記範囲内の値で連続的に注入する。この状態で、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加する電圧（電界）を信号に応じて変調することにより、ＶＣＳＥＬの横モードを高次モードと基本モード間で高速にスイッチング動作させることができる。
また、この実施例４では、光吸収層４０２をＭＱＷ構造で形成したことを特徴としている。ＭＱＷ構造からなる光吸収層に電界を印加すると、光吸収層の吸収端は量子閉じ込めシュタルク効果により長波長シフトするが、このとき量子井戸に閉じ込められた励起子が高電界をかけた状態でも存在するため、急峻な吸収端を得ることができる。これにより、電界印加時の光吸収層の吸収係数変化を大きくすることができる。
なお、この実施例４では、ＭＱＷ光吸収層を無秩序化するために、Ｇａイオン注入を行っているが、その他の元素（Ｓｉ，Ｚｎ，Ａｓなど）のイオン注入や、拡散、空孔の導入等の手段を用いてＭＱＷ光吸収層を無秩序化することも可能である。
実施例５は、第２，第８，第９の形態に対応している。
図５は、本発明の実施例５の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図５において、図１，図２，図３と同様の箇所には同じ符号を付している。図５を参照すると、ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型下部ＤＢＲ ２０１が積層されている。ここで、ｎ型下部ＤＢＲ ２０１は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に３５．５周期積層して形成されている。そして、ｎ型下部ＤＢＲ ２０１上には、ＧａＡｓ第１スペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層５０１、ＧａＡｓ第２スペーサ層２０４、ＡｌＡｓ層１０６、ｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５、ｐ型上部ＤＢＲ ３０１、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層５０２、ｎ型上部ＤＢＲ ３０２が順次積層されている。ここで、ｐ型上部ＤＢＲ ３０１はｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に５周期積層して形成されており、ｎ型上部ＤＢＲ３０２はｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを発振波長の４分の１の光学長で交互に２０周期積層して形成されている。そして、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層５０２は、ＶＣＳＥＬ内の光強度分布における腹の位置に設けられている。
上記積層構造表面からｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５の表面までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型下部ＤＢＲ ２０１までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。また、第１のメサ構造頂上部には、光出射領域を除いて、リング状の第１の電極１１１が形成されている。また、第１のメサ構造底面のｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層２０５上には、第２の電極１１２が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。
ＡｌＡｓ層１０６は第２のメサ構造側面から選択的に酸化されて、Ａｌ酸化領域１１０が形成されている。酸化されていないＡｌＡｓ層１０６の開口径は、マルチモード発振可能なように、例えば７μｍφとした。
また、上部ＤＢＲ３０１，３０２の中央領域（中央部）にプロトンイオンが注入されて、高抵抗領域５０３が形成されている。高抵抗領域５０３は光吸収層５０２を含むように形成されている。
図５のＶＣＳＥＬにおいては、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向バイアスを印加することにより、活性層５０１に電流が注入されて発光する。活性層５０１で発光した光は、上部ＤＢＲ ３０１，３０２と下部ＤＢＲ ２０１との間で共振して、基板１０１と垂直上方にレーザ発振する。この実施例５では、レーザ発振波長は１３００ｎｍとなっている。
光吸収層５０２に電界を印加しない場合、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層５０２の吸収端は１２４０ｎｍとなっており、レーザ発振波長１３００ｎｍよりも短波長となるように形成している。そのため、バンド間吸収がなく透明となっている。一方、光吸収層５０２に電界が印加されると、光吸収層５０２の吸収端が長波長側にシフトするため、レーザ光を吸収するようになる。
プロトンイオンが注入されていない周辺部の光吸収層５０２では、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向に印加した電圧の大部分がかけられる。一方、プロトンイオンが注入された中央領域（中央部）では、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向に印加した電圧は高抵抗領域５０３全体にかかることになる。例えば、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層５０２の層厚が５０ｎｍ、高抵抗領域の上下方向の幅を１μｍで形成した場合、中央領域のＧａＩｎＮＡｓ光吸収層５０２に印加される電界は周辺部に比べておよそ２０分の１に低下する。従って、中央領域（中央部）の光吸収層５０２では吸収端の長波長シフトがほとんど生じない。これにより、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加した状態では、レーザ発振領域の周辺部のみ吸収損失が増加し、高次モード発振が抑制される。
なお、高抵抗領域５０３の径は、ＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも小さくなっており、例えば５μｍφとした。これにより、高次モードの光吸収損失が大きくなるため、有効に高次モードを抑制できる。また、第１の電極１１１の開口径はＡｌＡｓ層１０６の開口径よりも大きくしており、第１の電極１１１による光吸収損失が生じないようにしている。
このように、実施例５も、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを印加しない場合に高次モードで発振し、印加した場合に基本モードで発振するような注入電流領域が存在しており、活性層５０１に注入する電流を上記範囲内の値で連続的に注入する。この状態で、第１の電極１１１と第２の電極１１２間に印加する電圧を信号に応じて変調することにより、ＶＣＳＥＬの横モードを高次モードと基本モードとの間で高速にスイッチング動作させることができる。
この実施例５では、活性層に、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を用いたことを特徴としている。ＧａＩｎＮＡｓ材料は石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有し、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。そのため、多層膜反射鏡として高反射率でかつ熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能の長波長帯ＶＣＳＥＬを形成することができる。
また、光吸収層を窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体の１つであるＧａＩｎＮＡｓで構成することにより、長波長帯の吸収端を有し、かつＧａＡｓ基板と格子整合させることが可能となる。従って、格子不整合による臨界膜厚の制限がなく光吸収層の層厚を厚く形成することができ、大きな吸収損失を与えることが可能となっている。
なお、この実施例５では、高抵抗領域をプロトンイオン注入によって形成しているが、酸素イオンや、Ｆｅ，Ｃｒなどの重金属イオンを注入することによって高抵抗領域を形成することも可能である。
上述した実施例１乃至実施例５においては、活性層に注入する電流を狭窄する手段として、Ａｌ酸化狭窄構造を用いているが、この他に、例えば特定の半導体層を側面から選択的にサイドエッチングするエアギャップ構造や、イオン注入による高抵抗領域形成やトンネル接合等の手段を用いて電流狭窄を行うこともできる。また、基板としてｎ型基板を用いているが、ｐ型基板や絶縁性基板を用いて形成することも可能である。
実施例６は、第１１の形態に対応している。
図６は、実施例６の光送信モジュールを示す図である。図６を参照すると、実施例６の光送信モジュール６０１には、光源６０２として、実施例５の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いている。直流電源回路６０３は、ＶＣＳＥＬ ６０２の活性層に一定電流を連続的に注入してレーザ発振させる。また、変調バイアス電源回路６０４は、外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ ６０２の光吸収層に加える電界を変調させる。これにより、ＶＣＳＥＬの横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させることができる。
本発明の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の動作態様である横モードスイッチングは、電界吸収効果と空間的ホールバーニングによる横モードシフトを原理として用いており、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調が可能である。この実施例６では、チャンネル当たり４０Ｇｂｐｓの光信号を伝送している。
ＶＣＳＥＬ ６０２から出力されたレーザ光は、シングルモード光ファイバ６０５に直接結合して外部に出力されるようになっている。シングルモード光ファイバ６０５は、コアに結合する光の受光角が５度程度と非常に狭いため、放射角が狭い基本モードの光のみが結合してシングルモード光ファイバに取り込まれる。一方、放射角が広い高次モードの光はシングルモード光ファイバ６０５との結合効率が低いため、伝送されることがない。従って、ＶＣＳＥＬ ６０２から出力されるレーザ光において、基本モードの光だけが選択して伝送される。これにより、横モードの変化をレーザ光強度の変化に変換して送信することができる。
実施例６の光送信モジュール６０１は、外部変調器を用いていないことから、モジュールサイズの小型化や低コスト化ができる。さらに、ＶＣＳＥＬ６０２の変調を電圧駆動しているため、電流駆動に比べて少ない電力消費となる。そのため、４０Ｇｂｐｓの高速駆動でも駆動回路を小型化、低コスト化することができる。
実施例７は、第１１の形態に対応している。
図７は、実施例７の光送信モジュールを示す図である。図７を参照すると、実施例７の光送信モジュール７０１には、光源６０２として、実施例４の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いている。直流電源回路６０３は、ＶＣＳＥＬ ６０２の活性層に一定電流を連続的に注入してレーザ発振させる。また、変調バイアス電源回路６０４は、外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ ６０２の光吸収層に加える電界を変調させる。これにより、ＶＣＳＥＬの横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させることができる。
実施例７の光送信モジュール７０１では、ＶＣＳＥＬ ６０２から出力されたレーザ光は、集光レンズ７０２によって、ほぼ全ての光が集光されて平行光となり、集光された平行光は、中央部を遮光し周辺部を透過させる空間フィルタ７０３を通すことにより、基本モードの光は除去されて高次モードの光のみが選択されて透過し、空間フィルタ７０３を透過した光は、絞込みレンズ７０４により、マルチモード光ファイバ７０５に結合される。これにより、ＶＣＳＥＬ ６０２の横モードの変化をレーザ光強度の変化に変換して送信することができる。
実施例８は、第１２の形態に対応している。
図８は、実施例８の光伝送装置を示す図である。図８を参照すると、光送信モジュール６０１では、電気信号が光信号に変換されてシングルモード光ファイバ６０５に導入される。シングルモード光ファイバ６０５を導波した光は、光受信モジュール９０１で再び電気信号に変換されて出力される。
光送信モジュール６０１には、実施例６の光送信モジュールを用いている。すなわち、光源６０２として、実施例５の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いており、直流電源回路６０３はＶＣＳＥＬ ６０２の活性層に一定電流を注入しレーザ発振させる。また、光送信モジュールに外部から入力された電気信号に応じて、変調バイアス電源６０４は、ＶＣＳＥＬ ６０２の光吸収層に印加する電界を変調して、ＶＣＳＥＬの横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させる。ＶＣＳＥＬ ６０２から出力されたレーザ光は、基本モードの光だけが選択されてシングルモード光ファイバ６０５に結合するため、横モードの変化をレーザ光強度の変化に変換して送信することができる。これにより、単チャンネル当たり４０Ｇｂｐｓの光信号を送信することができる。
光受信モジュール８０１では、シングルモード光ファイバ６０５から出力された光信号を、受光素子８０２で受光する。受光素子８０２で受光された光信号は電気に変換され、受信回路８０３において、信号増幅，波形整形等がなされて、光受信モジュール８０１から外部に出力される。
実施例６の光送信モジュールは小型、低コストで作製することができるため、実施例６の光送信モジュールを用いることで、大容量伝送できる光伝送装置を小型化、低コスト化することができる。これにより、４０Ｇｂｐｓという大容量光伝送を、ＬＡＮや光インターコネクション，ホームネットワークの領域でも使用可能となる。
なお、この実施例８では１方向の光伝送リンクの例を示したが、上記の光送信モジュールを用いて双方向の光伝送リンクを形成することもできる。また、シリアル伝送システムだけでなく、パラレル伝送システム，波長多重伝送システムに用いることも可能である。
本発明は、光通信システムや光インターコネクションシステムなどに利用可能である。
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
１０３ Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第１スペーサ層
１０４ ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ ＭＱＷ活性層
１０５ Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第２スペーサ層
１０６ ＡｌＡｓ層
１０７ ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第３スペーサ層
１０８ ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
１０９ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ光吸収層
１１０ Ａｌ酸化領域
１１１ 第１の電極
１１２ 第２の電極
１１３ 第３の電極
２０１ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
２０２ ＧａＡｓ第１スペーサ層
２０３ ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
２０４ ＧａＡｓ第２スペーサ層
２０５ ｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層
２０６ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
２０７ ＧａＩｎＡｓ光吸収層
２０８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２０９ 分離溝
３０１ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
３０２ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
３０３ Ｃイオン注入領域
４０１ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
４０２ ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ ＭＱＷ光吸収層
４０３ ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
４０４ ＡｌＧａＡｓ混晶領域
５０１ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
５０２ ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層
５０３ 高抵抗領域
６０１ 光送信モジュール
６０２ ＶＣＳＥＬ
６０３ 直流電源回路
６０４ 変調バイアス電源回路
６０５ シングルモード光ファイバ
７０１ 光送信モジュール
７０２ 集光レンズ
７０３ 空間フィルタ
７０４ 絞込みレンズ
７０５ マルチモード光ファイバ
８０１ 光受信モジュール
８０２ 受光素子
８０３ 受信回路
１０２ ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
１０３ Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第１スペーサ層
１０４ ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ ＭＱＷ活性層
１０５ Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第２スペーサ層
１０６ ＡｌＡｓ層
１０７ ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第３スペーサ層
１０８ ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
１０９ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ光吸収層
１１０ Ａｌ酸化領域
１１１ 第１の電極
１１２ 第２の電極
１１３ 第３の電極
２０１ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
２０２ ＧａＡｓ第１スペーサ層
２０３ ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
２０４ ＧａＡｓ第２スペーサ層
２０５ ｐ型ＧａＡｓ第３スペーサ層
２０６ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
２０７ ＧａＩｎＡｓ光吸収層
２０８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２０９ 分離溝
３０１ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
３０２ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
３０３ Ｃイオン注入領域
４０１ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
４０２ ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ ＭＱＷ光吸収層
４０３ ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ
４０４ ＡｌＧａＡｓ混晶領域
５０１ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
５０２ ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層
５０３ 高抵抗領域
６０１ 光送信モジュール
６０２ ＶＣＳＥＬ
６０３ 直流電源回路
６０４ 変調バイアス電源回路
６０５ シングルモード光ファイバ
７０１ 光送信モジュール
７０２ 集光レンズ
７０３ 空間フィルタ
７０４ 絞込みレンズ
７０５ マルチモード光ファイバ
８０１ 光受信モジュール
８０２ 受光素子
８０３ 受信回路
Claims (12)
- 基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層からの光に対して透明な非吸収領域を囲んで周辺に、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、該光吸収層に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 基板上に、下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器、上部多層膜反射鏡を備えた垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、下部多層膜反射鏡または共振器または上部多層膜反射鏡のいずれかに、電界が印加されない場合には活性層からの光に対して透明であり、電界が印加された場合には活性層からの光を吸収する光吸収層が設けられており、前記光吸収層の中央部には電界を印加せず、前記光吸収層の周辺部に選択的に電界を印加する電界印加手段を備えており、前記光吸収層の周辺部に印加する電界を変調することによって、レーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させるように構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１または請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記光吸収層は多重量子井戸構造で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記光吸収層は、前記上部多層膜反射鏡の最上層の中央部を残してエッチングにより除去された周辺部に埋め込まれて形成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、多重量子井戸構造が無秩序化された中央部を囲んで周辺に、多重量子井戸構造から成る光吸収層が設けられていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、上部多層膜反射鏡の最上層に光吸収層が設けられ、光吸収層の中央部と周辺部とを空間的に分離する溝が形成されており、光吸収層の周辺部に、電界を印加するための電極が設けられていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の周辺部はｐｎ接合の空乏層領域内に形成され、光吸収層の中央部はｐｎ接合の空乏層領域の外側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半導体レーザ装置。
- 請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の中央部に、光吸収層を含んで光吸収層の層厚よりも厚い高抵抗領域が形成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の光スイッチング方法であって、活性層にレーザ発振閾値電流以上に一定電流を連続的に注入し、光吸収層に印加する電界によってレーザ発振の横モードを基本モードと高次モードとの間でスイッチング動作させることを特徴とする光スイッチング方法。
- 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光のうち特定の横モードを選択して透過させる素子とを備えていることを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項１１記載の光送信モジュールを備えていることを特徴とする光伝送装置。
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