JP4629949B2 - Surface emitting laser element, transceiver using surface emitting laser element, optical transceiver, and optical communication system - Google Patents

Surface emitting laser element, transceiver using surface emitting laser element, optical transceiver, and optical communication system Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、基板に対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子に関し、長波長帯であっても単一横モード発振可能で長距離伝送可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、「面発光レーザ素子」と言う。)は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを初め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。面発光レーザ素子は、その構造から1波長程度の超短共振器を備えるため発振するレーザ光内に存在できる波長が基本波のみとなる。したがって、DFB(Distributed Feedback:分布帰還型)レーザ等の端面発光レーザよりも単一縦モードを安定的に維持することが容易である。また、FFP(Far Field Pattern)が等方で狭い値を得ることが可能で、相対強度雑音も低いなど、DFBレーザ等よりも本質的に光通信等に適したレーザ素子として注目されている。
【0003】
信号光源として使用する場合、伝送媒体である光ファイバの低損失波長帯を含む0.8μm〜1.65μmの出射波長を有する面発光レーザ素子が必要となる。この波長帯の面発光レーザにおいて、長波長帯、例えば1.2μm以上の波長を有するレーザ光を発振する面発光レーザは、結晶成長の難しさなどから長い間実現が不可能であった。しかしながら、最近になって、本願発明者等によって1.2〜1.3μmの波長を有するレーザ光を発振する面発光レーザ素子が実現されている(特願2001−124300)。
【0004】
特願2001−124300に記載された面発光レーザ素子の構造について、図10に示す。この面発光レーザ素子は、基板101上に、順次バッファ層102、下部反射層103、下部クラッド層104、量子井戸層105、上部クラッド層106を積層した構造を有する。さらに、上部クラッド層106上には、メサ形状に加工された電流狭窄層108、上部反射層109、コンタクト層110の積層構造を有する。電流狭窄層108は中心部分のAlAs層からなる電流注入領域107aと該AlAs層の端部を選択酸化させて形成した選択酸化領域107bによって形成されている。また、基板101下面にはn側電極114が配置されている。そして、量子井戸層105において、GaInNAs中にSbを少量添加することによって量子井戸層105の結晶学的品質を向上させている。このように量子井戸層の構造の改善とAlAs層の選択酸化技術を利用して、1.3μm帯の面発光レーザ素子のレーザ発振が最近なされるようになってきている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、信号光源等の用途に面発光レーザ素子を使用する場合には解決すべき課題が残されている。まず、発振するレーザ光の横モードを単一化する必要がある。横モードが横方向に高次のモードが存在する場合、光伝送時、特に高速変調時に伝送距離に比例して信号波形の著しい劣化を引き起こす原因となる。したがって、長距離伝送を実現するためには単一横モード発振を実現する必要がある。
【0006】
面発光レーザ素子は、その構造に起因して元来横モードを安定化させることが難しい。そのため、選択酸化領域を備えた面発光レーザ素子においては、選択酸化領域に挟まれた電流注入領域の径を調整して単一横モード発振を実現するが、従来は、1300nm帯(1260nm〜1360nm程度の範囲)の面発光レーザ素子においては電流注入領域の径のみを調整することで単一横モード発振を実現するのは困難であった。
【0007】
また、単一横モード発振を実現できたとしても、閾値電流の値が増加した場合、消費電力が増大するなどの問題が生じる。したがって、閾値電流の値の増加を抑制しつつ単一横モード発振を実現する必要がある。さらに、面発光レーザ素子の信頼性を確保しなくてはならない。信号光源等に面発光レーザ素子を利用するためには、十分な信頼性を有する必要があるためである。
【0008】
さらに、信号光源等に用いる場合、10Gbit/sレベルで直接変調が可能である必要がある。これは、近年の通信容量の増大に伴い、現実に信号光源として使用するためには最低限必要な数字である。
【0009】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであって、低い閾値電流を有し、信頼性が高く、単一横モード発振が可能で10Gbit/sで直接変調が可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる面発光レーザ素子は、基板上に、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、前記基板に対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子であって、前記下部反射層または前記上部反射層の内部であって、前記活性層中心から370nm以上、780nm以下の距離だけ積層方向に離隔した領域に配置された選択酸化領域と、該選択酸化領域に挟まれて配置された電流注入領域とを備え、該電流注入領域を含む積層方向領域の実効屈折率と、前記選択酸化領域を含む積層方向領域の実効屈折率との差分値が0.038以下であることを特徴とする。
【0011】
この発明によれば、選択酸化領域の積層方向の位置および実効屈折率差について最適化しているため、単一横モード発振が可能であり、長距離伝送が可能なレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実現することができる。
【0012】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記上部反射層および前記下部反射層は、出射波長の1/4の光学長を有する低屈折率層および高屈折率層の2層構造を備えたミラー層を複数積層して形成され、前記選択酸化領域は、いずれかのミラー層における前記低屈折率層内の電界強度分布が最小となる位置の近傍に配置されていることを特徴とする。
【0013】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の2倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第1周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【0014】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第2周期目に積層されたミラー層に隣接したミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【0015】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、6nm以上、32nm以下の膜厚を有することを特徴とする。
【0016】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、10nm以上、13nm以下の膜厚を有することを特徴とする。
【0017】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の2倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第2周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【0018】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は反射層において、前記活性層側より第3周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【0019】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、6nm以上、46nm以下の膜厚を有することを特徴とする。
【0020】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、10nm以上、20nm以下の膜厚を有することを特徴とする。
【0021】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記基板はGaAsによって形成され、前記低屈折率層はAlxGa1-xAs(0.5≦x≦1)を含み、前記高屈折率層はAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)を含み、前記選択酸化領域はAlxGa1-xAs(0.97≦x≦1)を選択酸化して形成されることを特徴とする。
【0022】
また、この発明にかかるトランシーバは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部とを備えたことを特徴とする。
【0023】
また、この発明にかかる光送受信器は、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、該光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信号に分離する信号分離回路とを備えたことを特徴とする。
【0024】
また、この発明にかかる光通信システムは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入射し、伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子とを備えたことを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムの好適な実施の形態について説明する。図面の記載において、同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【0026】
(実施の形態1)
まず、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態1にかかる面発光レーザ素子は、1300nm帯の面発光レーザ素子について、選択酸化領域の構造を最適化している。図1は、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。以下、図1を適宜参照して、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の構造について説明する。
【0027】
本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子は、基板1上に下部反射層2が積層された構造を有する。また、下部反射層2の上部領域はメサ状に形成され、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッド層3、活性層4、上部クラッド層5および上部反射層6が積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形状が円状になるよう形成されている。さらに、上部反射層6上にはコンタクト層7が積層され、コンタクト層7上には、中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるp側電極8が配置され、基板1下面にはn側電極9が配置されている。そして、上部反射層6内には、メサ中央付近に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入領域19aと該電流注入領域19aに隣接して選択酸化領域19bからなる電流狭窄層20が配置されている。選択酸化領域19bの具体的な構造については後に詳説する。
【0028】
基板1は、n型のGaAs基板からなる。また、基板1は通常(100)面を主平面とし、下部反射層2から上の薄膜構造は、(100)面上に積層される。下部反射層2は、活性層4で発生する光のうち、出射波長の光を反射してフィードバックするためのものである。具体的には、下部反射層2は、高屈折率層10と低屈折率層11の積層構造によって形成されるミラー層12を多数積層した構造を有する。
【0029】
高屈折率層10は、n型のGaAs層によって形成され、低屈折率層11は、n型のAl0.9Ga0.1As層によって形成される。高屈折率層10および低屈折率層11の膜厚は、出射波長の光のみを反射するために、その光学長が出射波長λの1/4となるよう調整されている。具体的には、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の出射波長は1300nmであるため、各層の屈折率も考慮して、高屈折率層10の膜厚は94nm程度、低屈折率層11の膜厚は110nm程度とする。このような構造を有することで、ミラー層12は、高屈折率層10と低屈折率層11の組合せにおいて一定の割合で出射波長の光を反射する機能を有する。下部反射層2全体として反射率を高めるため、ミラー層12を34.5層積層して下部反射層2は形成されている。なお、小数点以下の端数は高屈折率層10のみからなる層に起因する。
【0030】
活性層4は、量子井戸層を具備した構造を有する。具体的には、図1で示すように活性層4は下部クラッド層3上に順次積層された障壁層13a、量子井戸層14a、障壁層13b、量子井戸層14b、障壁層13c、量子井戸層14c、障壁層13dによって形成される。すなわち、3層の量子井戸層14a〜14cを4層の障壁層13a〜13dによって挟み込む構造を有する。
【0031】
量子井戸層14a〜14cは、量子閉じ込め効果によってキャリアを高い効率で閉じ込めるためのものであって、GaInNAsSb層によって形成される。量子井戸層14a〜14cは、Sbが微小量添加されることで良質な結晶性を有する。また、量子井戸層14a〜14cは、量子閉じ込め効果を発揮するためきわめて薄い膜厚からなる必要があり、本実施の形態1における各層の膜厚は7nm程度とする。
【0032】
障壁層13a〜13dは、量子井戸層14a〜14cを互いに分離するためのものであって、障壁層13aおよび障壁層13dの膜厚は30nm程度、障壁層13bおよび障壁層13cの膜厚は20nm程度である。
【0033】
下部クラッド層3、活性層4、上部クラッド層5は、各層の膜厚の光学長の合計が出射波長λの2倍になるよう形成され、光共振器として機能する。そのため、以下においては下部クラッド層3、活性層4、上部クラッド層5を総称して2λ共振器15と言う。本実施の形態1では、下部クラッド層3はn型、上部クラッド層5はp型のGaAs層からなり、それぞれの膜厚は297nm程度である。
【0034】
上部反射層6は、下部反射層2と同様に、活性層4で発生する光のうち、出射波長の光を反射させてフィードバックするためのものである。具体的には、上部反射層6は、順次積層された低屈折率層16と高屈折率層17との対によって形成されるミラー層18を多数積層した構造を有する。低屈折率層16はp型のAl0.9Ga0.1As層を有し、高屈折率層17はp型のGaAs層を有する。活性層4で発生したレーザ光をフィードバックするため、上部反射層6は高い反射率を有する。なお、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子は基板1に対して垂直上方向にレーザ光を出射するため、上部反射層6は下部反射層2より低い反射率となる必要がある。そのため、上部反射層6は、下部反射層2よりも少ない25層のミラー層18からなる構造を有する。なお、以下の説明では、必要に応じて下部反射層2又は上部反射層6を構成する25層のミラー層12又はミラー層18について、最も活性層4側に配置されるミラー層を第1周期目のミラー層、第1周期目のミラー層に接触して配置されるミラー層を第2周期目のミラー層、第2周期目のミラー層に接触して配置されるミラー層を第3周期目のミラー層等とそれぞれ称する。
【0035】
また、上部反射層6を構成する低屈折率層16のうち、最下層すなわち上部クラッド層5に隣接して積層された第1周期目のミラー層を構成する低屈折率層16は、p型のAl0.9Ga0.1As層と、p型のAlAs層とを順次積層した構造を有する。そして、AlAs層のうち、中央付近の領域については電流注入領域19aが形成され、端部近傍では選択酸化によって形成された選択酸化領域19bにより電流狭窄層20が形成されている。
【0036】
選択酸化領域19bは、p側電極8から注入される電流を狭窄して活性層4に流入する電流密度を高め、発振閾値を低減するためのものである。また、選択酸化領域19bの屈折率は周囲に存在する電流注入領域19aおよびAl0.9Ga0.1As層と異なる値を有するため、水平方向の光閉じ込めに影響を与える。すなわち、選択酸化領域19bが存在することで、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子は屈折率導波型導波路を備えることとなる。
【0037】
そして、選択酸化領域19bは、本実施の形態1では膜厚を13nmとしている。また、選択酸化領域19bの幅によって規定される電流注入領域19aの径は、5.3μmとする。以下、このような構造を採用した理由について説明する。
【0038】
本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子は選択酸化領域19bの構造を最適化することで発振特性を向上させている。具体的には、選択酸化領域19bがミラー層内部において配置される位置、選択酸化領域19bが配置されるミラー層、選択酸化領域19bの幅および膜厚について検討する必要がある。以下、これらの要件の最適化について説明する。
【0039】
まず、ミラー層内のどの位置に配置すべきかについて説明する。選択酸化領域19bに隣接する電流注入領域19aは、Al0.9Ga0.1As層に近い屈折率を有する。そのため、選択酸化領域19bおよび電流注入領域19aを形成するAlAs層は、低屈折率層11又は低屈折率層16内に配置する必要がある。さらに、活性層4で発生する光の損失を抑制するために、定在波の節の部分に近くなる位置(電界強度分布が最小となる位置)、すなわち低屈折率層11又は低屈折率層16中において活性層4から離隔した領域、すなわち低屈折率層11の下面近傍又は低屈折率層16の上面近傍に配置することが好ましい。
【0040】
次に、選択酸化領域19bをどのミラー層に配置するかについて説明する。既に述べたように、選択酸化領域19bは、電流狭窄機能を備える。電流を狭窄して活性層4に流入する電流密度を高める観点からは、選択酸化領域19bは活性層4に近接した位置に配置されることが好ましい。選択酸化領域19bが活性層4から離隔した位置に配置された場合、選択酸化領域19bによって狭窄された電流が活性層4に流入されるまでに再度拡散して電流密度が低下するためである。したがって、発振閾値を低く抑制する観点からは、選択酸化領域19bを活性層4に近接して配置することが好ましい。
【0041】
一方、活性層4に近接して配置された場合には他の問題が生じる。選択酸化領域19bは、いったんAlAs層その他を積層してメサ状に加工した後に、水蒸気雰囲気中で加熱することにより酸素原子を外部から導入して選択的に酸化をすることで形成される。酸素原子を外部から導入することによって、当初の結晶秩序が損傷を受けるため、選択酸化領域19b中には転位が生じる。したがって、選択酸化領域19bが活性層4にあまりに近接する場合、選択酸化領域中の転位が活性層4の結晶構造にも影響を与え、面発光レーザ素子としての信頼性が低下する。そのため、面発光レーザ素子の信頼性を確保するという観点からは、選択酸化領域19bを活性層4から離隔して配置することが好ましい。
【0042】
上記のように、発振閾値の抑制と面発光レーザ素子の信頼性の確保とはトレードオフの関係にあるため、選択酸化領域19bの積層方向の位置に関しては最適値が存在する。そのため、本願発明者等は、面発光レーザ素子について選択酸化領域19bの位置を積層方向に変化させてその特性を調べ、最適値を導いている。
【0043】
具体的には、出射波長が850nm程度の面発光レーザ素子(以下、「850nm帯面発光レーザ素子」と言う)について、選択酸化領域を配置する位置を積層方向に変化させて、閾値電流の値および面発光レーザ素子の信頼性について測定をおこなった。測定対象を850nm帯面発光レーザ素子としたのは、850nm帯面発光レーザ素子は既に広く研究されており、特性もよく把握されているためである。そのため、選択酸化領域以外の部分による測定結果への影響を排除することが可能で、選択酸化領域が面発光レーザ素子の特性に与える影響を把握できる。なお、測定に用いた850nm帯面発光レーザ素子の構造は、光共振器の光学長のような波長に対応した部分以外については、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子と同一の構造を有するものとする。
【0044】
本願発明者等は、図2(a)〜(c)に示すように第1周期目のミラー層、第3周期目のミラー層および第5周期目のミラー層にそれぞれ選択酸化領域19b−1、19b−2、19b−3および電流注入領域19a−1、19a−2、19a−3を形成したλ共振器を有する850nm帯面発光レーザ素子について、その閾値電流と信頼性について測定をおこなった。その結果、第1周期目のミラー層に選択酸化領域19b−1を配置した場合には信頼性に問題があり、実用に供するには妥当でないとの結果が得られたが、第3周期目のミラー層に選択酸化領域19b−2を配置した場合には、信頼性も高く、閾値電流も低い値を有した。さらに、第5周期目のミラー層に選択酸化領域19b−3を配置した場合には、信頼性は確保できたものの、閾値電流が第3周期目のミラー層に配置した場合に比して増加する傾向が見られた。第5周期目のミラー層に配置した場合の閾値電流の増加は許容範囲内であったため、本願発明者等は、850nm帯面発光レーザ素子について、第3周期目乃至第5周期目のミラー層に選択酸化領域を配置することが好ましいと結論づけた。
【0045】
測定に用いた850nm帯面発光レーザ素子は、出射波長の相違により上部クラッド層の膜厚、低屈折率層および高屈折率層の膜厚は本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子と相違する。そのため、本実施の形態1において選択酸化領域19bの積層方向の位置を最適化するにあたって、上記測定結果に関して活性層中心からの距離を参考にした。測定に用いた850nm帯面発光レーザ素子において、活性層中心から第3周期目のミラー層下端までの距離は390nmであり、第5周期目のミラー層下端までの距離は660nmである。この値を参考にして、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子では、選択酸化領域19bが配置されるミラー層について、その下端が活性層4の中心から370nm〜680nmの範囲に存在するものに定めた。
【0046】
この数値範囲に適するミラー層として、本実施の形態1では、第1周期目のミラー層を選択している。第1周期目のミラー層は、活性層4の中心からの距離が375nmとなるためである。また、ミラー層内の位置について、既に説明したように上部反射層に設ける場合には、選択酸化領域19bは低屈折率層の上面近傍に配置することが好ましい。したがって、これらの観点から、選択酸化領域19bの積層方向の位置は図1に示す場所に決定される。
【0047】
次に、単一横モード発振を実現する観点から選択酸化領域19bの水平方向の幅および積層方向の膜厚の最適化について順に説明する。なお、選択酸化領域19bの水平方向の幅は、電流注入領域19の径を最適化することで決定されるため、以下では主に電流注入領域19aの径の最適化について説明する。
【0048】
まず、選択酸化領域19bの幅によって決定される電流注入領域19aの径の最適化について説明する。一般に、電流注入領域19aの径を小さくすることで単一横モード発振を実現することが可能である。一方、電流注入領域19aの径が小さくなるにつれて回折損失に起因して閾値電流が増加するという問題が生じ、閾値電流の増加を抑制するためには電流注入領域19aの径を大きくする必要がある。したがって、閾値電流抑制と単一横モード発振可能条件との間にもトレードオフの関係が成立し、電流注入領域19aの径には最適値が存在する。
【0049】
そのため、本願発明者等は、850nm帯面発光レーザ素子について、電流注入領域の径を変化させた場合の発振横モードについて測定をおこない、電流注入領域の径の最適値を調べた。具体的には、図2(b)に示すように、選択酸化領域を第3周期目のミラー層に挿入し、選択酸化領域の膜厚は20nmに固定して、電流注入領域19aの径を変動させ、閾値電流および横モードの態様について測定をおこなった。
【0050】
測定の結果、単一横モード発振が可能な電流注入領域の径の最大値は、3.5μmであった。また、径が3.5μmの場合には閾値電流の値も許容範囲以下に抑制することができた。なお、後述する実効屈折率差については、この面発光レーザ素子においては0.0165であった。
【0051】
この結果を踏まえ、本願発明者等は実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の電流注入領域19aの径について、3.5μm以上であることを条件とした。これは、閾値電流の増加の抑制に関しては、面発光レーザ素子の出射波長との相関関係に乏しく、850nm帯面発光レーザ素子において閾値電流が許容範囲に抑制される場合には、1300nmの場合でも同様に許容範囲内に抑制できると考えられるためである。ただし、本願発明者等は、出射波長の比に対応して電流注入領域19aの径も大きくすることがより好ましいと考え、電流注入領域19aの径の最適値は、3.5μmに(1300/850)を乗算した5.3μmであるとした。
【0052】
次に、このような電流注入領域19aの径に関する条件の下で、単一横モード発振を実現するために必要な選択酸化領域19bの膜厚の最適値について検討する。横モード発振については、電流注入領域19aの径のみならず、屈折率導波型導波路における実効屈折率差も影響を与えるためである。以下では、まず、実効屈折率差について簡潔に説明し、実効屈折率差の最適値を導出した上で、最適値を実現するのに必要な選択酸化領域19bの膜厚の条件を導出する。
【0053】
上述したように、選択酸化領域19bが存在することで本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子は屈折率導波型導波路を備える。屈折率導波型導波路とは、たとえば図3に示すように、電流注入領域19aを含む積層方向領域である第1領域21と、選択酸化領域19bを含む第2領域22、23とにおけるそれぞれの等価屈折率の差である実効屈折率差に起因して、第1領域21が導波路として機能している構造をいう。屈折率導波型導波路の構造は、面発光レーザ素子の屈折率分布によって説明される。具体的には、水平方向の光閉じ込めを第1領域21、第2領域22、23の等価屈折率を持つプレーナ導波路に等価的に置き換えて評価することで、屈折率導波型導波路の構造および横モードについて解析することができる。
【0054】
たとえば、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子において、選択酸化領域19bの屈折率は電流注入領域19aを形成するAlAsの屈折率に比して小さな値を有する。したがって、第2領域22、23の等価屈折率は第1領域21の等価屈折率よりも小さな値を有し、活性層4から生じる光は第1領域21中を導波されて外部に出射される。屈折率導波型導波路の構造は、第1領域21の等価屈折率と第2領域22、23の等価屈折率の差分値である実効的屈折率差に対応するため、実効屈折率差によって光の導波の態様は変化する。
【0055】
単一横モード発振を実現することが可能な電流注入領域19aの径Φcと実効的屈折率差Δnとの関係は、出射波長λを用いて、
Φc∝λ/(Δn)1/2・・・・(1)
と近似できることが知られている。したがって、850nm帯面発光レーザ素子について得られた測定結果と(1)式とを用いて、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子における選択酸化領域19bの水平方向の幅および膜厚を決定することができる。
【0056】
まず、閾値電流の増加を抑えるために、電流注入領域19aの径が最低でも3.5μmとなる場合の実効屈折率差Δnの条件式は、測定結果および(1)式から、
Φc(λ=1.3μm)/Φc(λ=0.85μm)={1.3/(Δn)1/2}/{0.85/(0.0165)1/2}・・・・(2)
と求められる。ここで、Φc(λ=0.85μm)=3.5μmのため、(2)式の右辺の値が1以上となれば、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子においても電流注入領域19aの径が3.5μm以上となる。(2)式をΔnについて計算すると、上記条件を満たすためには、実効屈折率差Δnに関してΔn≦0.038となればよい。実効屈折率差Δnの値は選択酸化領域19bの膜厚によって制御することができるため、この条件から選択酸化領域19bの膜厚の最大値を求めることができる。また、(1)式より、実効屈折率差Δnを850nm帯面発光レーザ素子の測定結果と同様に0.0165とすれば、電流注入領域19aの径も波長比に対応して1.5倍となるためより好ましい。
【0057】
ここで、選択酸化領域19bの積層方向の位置を考慮して当業者に既知の計算をおこなうことで上記実効屈折率差を実現するのに必要な選択酸化領域19bの膜厚を導出することが可能である。結論として、本実施の形態1では選択酸化領域19bが1層目のミラー層に配置されており、実効屈折率差Δnを0.038以下とするためには選択酸化領域19bの膜厚を32nm以下とすればよい。また、実効屈折率差を0.0165とした場合の選択酸化領域19bの膜厚は13nmとなる。したがって、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子で単一横モード発振を実現するためには、選択酸化領域19bの膜厚は32nm以下とし、より好ましくは13nm以下とする必要がある。
【0058】
次に、選択酸化領域19bの膜厚の最小値について検討する。既に述べたように、選択酸化領域19bは、いったんAlAs層を積層した後に、水蒸気雰囲気中で酸素原子を導入して選択酸化することで形成する。ここで、選択酸化領域19bを形成する際に、AlAs層の膜厚があまりに薄いと酸素原子の導入が困難となり選択酸化領域19bを形成することが難しくなる。酸素原子を導入するのに最低限必要となる選択酸化領域19bの膜厚は6nmとされ、より好ましく10nm以上の膜厚を有することで選択酸化を容易に行うことが可能である。
【0059】
以上の議論から、閾値電流を低く抑制しつつ単一横発振モードを実現するために必要な選択酸化領域19bの膜厚dの範囲は、
6nm≦d≦32nm・・・・(3)
となる。また、迅速に選択酸化が可能でかつ電流注入領域19aの径を大きくとることができる膜厚dのより好ましい範囲は、
10nm≦d≦13nm・・・・(4)
となる。選択酸化領域19bは、(4)式を満たす膜厚を有することがより好ましいため、本実施の形態1では、選択酸化領域19bの膜厚を13nm、電流注入領域19aの径を5.3μmとしている。
【0060】
なお、本願発明者等は、上記条件を満たす面発光レーザ素子を実際に作製してその特性を調べた。具体的には、n型GaAsの(100)面基板上にn型のGaAsバッファ層を0.1μmだけ積層し、n型のAl0.9Ga0.1AsおよびGaAsからなるミラー層を34.5層積層して下部反射層を形成した。また、活性層は3重の量子井戸層を備え、活性層を含む光共振器の光学長は2λとした。さらに、p型のAl0.9Ga0.1AsおよびGaAsからなるミラー層を25層積層して上部反射層を形成した。これらの半導体層はガスソースMBE(Molecular Beam Epitaxy)法、MBE法、MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法のいずれかによって成長され、p型不純物として炭素(C)、n型不純物としてシリコン(Si)をドープした。AlAs層は上部反射層の最下層(すなわち、第1周期目)のミラー層を形成するAl0.9Ga0.1As層の上端部に配置し、その膜厚を12nmとした。そして、メサ状に形成した部分の水平断面の外径を40μmとし、メサ形成後420℃の水蒸気雰囲気中で20分間保持することで選択酸化領域を形成した。酸化されなかったAlAs層によって形成される電流注入領域の径は5.2μmとした。
【0061】
このように製造した面発光レーザ素子について発振特性を調べたところ、閾値電流の値が0.5mA、スロープ効率が0.25W/Aであり、100℃以上で連続発振が可能であった。また、注入電流値が10mA以下であれば単一横モード発振が可能で、10Gbit/sで直接変調した光信号を伝送用光ファイバに入射させたところ、伝送可能距離は15km以上であり、15km伝送後の光信号のアイパターンは良好なものが得られた。
【0062】
(変形例)
次に、実施の形態1の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造について説明する。図4は、変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。実施の形態1においては、選択酸化領域19bが配置されるミラー層を第1周期目のミラー層としたが、第2周期目のミラー層に配置することも可能である。第2周期目のミラー層は、活性層4の中心から下端までの距離が580nmであるため、積層方向の位置について規定した370nm〜680nmの数値範囲に包含され、信頼性の確保および閾値電流の抑制が可能なためである。
【0063】
選択酸化領域19bが配置されるミラー層が第2周期目となるため、電流注入領域19aの径を維持し、実効屈折率差を維持するためには選択酸化領域19bの膜厚は変化する。第2領域22、23の等価屈折率は、選択酸化領域19bの積層方向の位置によっても変化するためである。計算によって求めた結果、電流注入領域19aの径が3.5μm以上であって、選択酸化が可能となる膜厚dの範囲は、
6nm≦d≦46nm・・・・・(5)
であり、電流注入領域19aの径が5.3μm以上となり、かつ十分選択酸化が可能となる膜厚dの範囲は、
10nm≦d≦20nm・・・・・(6)
となる。
【0064】
(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態2にかかる面発光レーザ素子は、図5にも示すように、1300nmの出射波長を有し、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層によって形成される光共振器の光学長が出射光の波長と等しい構造を有する。具体的には、本実施の形態2にかかる面発光レーザ素子は、基板1上に下部反射層2が積層された構造を有する。また、下部反射層2の上部領域はメサ状に形成され、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッド層26、活性層4、上部クラッド層27および上部反射層6が積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形状が円状になるよう形成されている。さらに、上部反射層6上にはコンタクト層7が積層され、コンタクト層7上には、中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるp側電極8が配置され、基板1下面にはn側電極9が配置されている。そして、上部クラッド層27内部には、メサ中央付近に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入領域29aに隣接して設けられた選択酸化領域29bにより電流狭窄層30が配置されている。なお、本実施の形態2において、実施の形態1と同一もしくは類似の符号を付した部分については、特に断らない限り、同一若しくは類似の構造を有し、同一若しくは類似の機能を発揮するものとする。
【0065】
本実施の形態2において、下部クラッド層26、活性層4および上部クラッド層27によって形成されるλ共振器28の光学長は出射光の波長と等しい。そのため、選択酸化領域29bの積層方向の位置および膜厚の最適値については、実施の形態1とは異なる。以下で、出射波長が1300nmであって、λ共振器28を有する面発光レーザ素子の選択酸化領域29bの最適化について、説明する。
【0066】
まず、選択酸化領域29bの積層方向の位置の最適化について説明する。実施の形態1において、選択酸化領域29bは、その活性層側の端面が活性層4の中心から370nm〜680nmの範囲に存在するミラー層内に配置することが好ましいことを本願発明者等は導いている。本実施の形態2においては、λ共振器28の光学長の相違を考慮して適切なミラー層を決定する必要があり、これに適合するミラー層として、第2周期目のミラー層を選択している。第2周期目のミラー層の活性層4の中心からの距離は、392nmであって、上記条件に適合するためである。また、第2周期目のミラー層において、選択酸化領域29bは低屈折率層の活性層から遠い側に配置することが好ましいのは実施の形態1と同様である。これにより、選択酸化領域29bの積層方向の位置は図5に示す位置に決定される。
【0067】
次に、選択酸化領域29bの水平方向の幅によって規定される電流注入領域29aの径の最適化について説明する。実施の形態1においても説明したように、電流注入領域29aの径は閾値電流の増加の抑制並びに単一横モード発振の実現という観点から定められるものであって、光共振器の光学長とは無関係に決定されている。したがって、実施の形態1と同様の議論が成立し、850nm帯面発光レーザ素子についての測定結果から、電流注入領域29aの径は、3.5μm以上となる必要があり、波長比を考慮すると、5.3μmであることがより好ましい。
【0068】
最後に、選択酸化領域29bの膜厚の最適化について説明する。単一横モード発振を実現する観点からは、図3で示す第1領域21と第2領域22、23の実効屈折率差と電流注入領域29aの径との間には(1)式の関係が成立し、電流注入領域29aの径が3.5μm以上で単一横モード発振が可能な条件は、実効屈折率差が0.038以下となる必要があり、電流注入領域29aの径が5.3μmの場合に単一横モード発振するためには、実効屈折率差は0.0165となる。
【0069】
このような実効屈折率差を実現するために必要な、選択酸化領域29bの膜厚を決定するにあたって、実施の形態2においては図6に示すグラフを利用する。図6は、λ共振器を有する面発光レーザ素子について、選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択酸化領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示しているグラフである(K.D.Choquette et al., Proceedings of SPIE Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, vol. 3003, pp.194-200, 1997.)。図6において、曲線l1は第1周期目に選択酸化層を配置した場合を示し、以下、曲線l2、l3、l4、l5は、それぞれ第2周期目、第3周期目、第4周期目、第5周期目に選択酸化領域を配置した場合を示している。グラフの横軸は選択酸化領域の膜厚を示し、グラフの縦軸は、実効屈折率差を示す。
【0070】
本実施の形態2にかかる面発光レーザ素子では、選択酸化領域29bは第2周期目のミラー層内に配置されているため、図6のグラフにおいて曲線l2を参照する。曲線l2を参照することで、実効屈折率差が0.038以下となるためには、膜厚は32nm以下となることが必要であることが分かる。また、実効屈折率差が0.0165となるためには、膜厚は13nmとなることが分かる。
【0071】
膜厚の最小値については実施の形態1と同様の議論が成立するため、この結果、閾値電流を低く抑制しつつ単一横発振モードを実現するために必要な選択酸化領域29bの膜厚dの範囲は、
6nm≦d≦32nm・・・・(7)
となり、迅速に選択酸化が可能で、電流注入領域29aの径を大きくとることができる膜厚dのより好ましい範囲は、
10nm≦d≦13nm・・・・(8)
となる。以上によって実施の形態2にかかる面発光レーザ素子において、選択酸化領域29bの構造が最適化される。
【0072】
(変形例)
次に、実施の形態2の変形例にかかる面発光レーザ素子について説明する。図7は、変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図であり、選択酸化領域29bが、第3周期目のミラー層に配置されている点が実施の形態2と異なる。
【0073】
既に述べたように、実施の形態2においても、活性層4の中心から370nm〜680nmの範囲に下端が存在するミラー層内に選択酸化領域29bを配置することが可能である。出射波長が1300nmで、光共振器の光学長が出射光の波長と等しい場合において、第3周期目のミラー層の下端は活性層4の中心から596nmだけ離隔しており、上記範囲に含まれることが分かる。そのため、第3周期目のミラー層に選択酸化領域29b−1を配置する構造とすることが可能である。
【0074】
電流注入領域29a−1の径および実効屈折率差の条件については、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子と同様に考えることができる。結論としては、電流注入領域29a−1の径は3.5μm以上、好ましくは5.3μmであり、実効屈折率差については、0.038以下となる必要があり、好ましくは0.0165となる。
【0075】
図6に示すグラフによって、上記実効屈折率差を満たす膜厚について調べる。変形例にかかる面発光レーザ素子は、選択酸化領域29b−1が第3周期目のミラー層に配置されているため、図において曲線l3を参照する必要がある。曲線l3によれば、実効屈折率差が0.038以下となるためには膜厚は46nm以下となる必要があり、実効屈折率差が0.0165となるために必要な膜厚は20nmである。以上で変形例にかかる選択酸化領域29b−1の構造の最適化は終了する。
【0076】
なお、実施の形態1、2およびこれらの変形例を用いて本発明にかかる面発光レーザ素子を説明したが、上記説明以外の構造を採用することも可能である。たとえば、実施の形態1、2およびこれらの変形例においては、面発光レーザ素子の出射波長は1300nmとしていた。本発明はこれに限定せず、850nm以上の長波長を有する面発光レーザ素子についても選択酸化領域の構造の最適化が可能である。以下、このことについて説明する。
【0077】
まず、選択酸化領域のミラー層内における位置については、低屈折率層の活性層から見て遠い側の界面近傍に配置することが好ましいことが出射波長に関わらず成立する。そして、どのミラー層内に配置するかについても、決定要因は閾値電流の増加の抑制および信頼性の確保の観点からおこなわれ、これらの観点は出射波長との相関関係に乏しい。さらに、電流注入領域の径についても850nm帯面発光レーザ素子に関する測定結果から導出しており、既に述べたように出射波長に関係なく測定結果を用いている。選択酸化領域の膜厚についても、必要な実効屈折率差をするための膜厚を既知の方法によって導出すればよい。したがって、850nm以上の長波長面発光レーザ素子に関して、実施の形態1または2に記載した手法を用いて選択酸化領域の構造の最適化を行うことができる。なお、同様の理由により、異なる光学長の光共振器を備えた面発光レーザ素子についても、選択酸化領域の構造の最適化を行うことができる。ここで、選択酸化領域の積層方向の位置について、選択酸化領域を配置するミラー層の下端の位置が活性層の中心から370nm〜680nmの範囲としているが、選択酸化領域自体の位置に関しては、ミラー層を構成する低屈折率層の膜厚も考慮して、活性層の中心からの距離の上限を780nmとすることが好ましい。
【0078】
また、p型不純物として炭素を用いる以外に、亜鉛(Zn)やベリリウム(Be)を使用することができる。n型不純物についても同様で、シリコン以外のドーパントを使用しても良い。
【0079】
また、選択酸化領域および電流注入領域を形成する半導体材料としてAlAsを用いたが、これ以外にも、AlxGa1-xAs(0.97≦x<1)を使用しても選択酸化が可能であり、電流注入領域を形成することも可能である。
【0080】
また、上部反射層および下部反射層を構成するミラー層について、低屈折率層をAlxGa1-xAs(0.5≦x≦1)で構成し、高屈折率層をAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)で構成した場合にも、出射波長の光を反射することが可能であり、ミラー層として機能することが可能である。また、低屈折率層および高屈折率層について、互いの境界面付近において、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を緩和するような組成傾斜層を配置した構造としても良い。
【0081】
また、基板についても、GaAs基板以外に、InP基板、GaInAs基板等のものを用いても本発明にかかる面発光レーザ素子を実現することが可能である。
【0082】
また、活性層について、3重の量子井戸層およびこれらを分離する障壁層からなる構造ではなく、単一の量子井戸層で構成しても良いし、それ以外の数の量子井戸層を有する構造としても良い。また、量子井戸層について、GaInAs系やGaAsSb系の半導体材料で形成することが可能である。さらに、量子井戸層ではなく、(Ga)InAs等によって形成される量子ドットとしても良い。また、単純にダブルヘテロ構造の面発光レーザ素子としても良い。
【0083】
また、面発光レーザ素子を形成する半導体材料について、導電型を反対にすることも可能である。たとえば、基板、下部クラッド層、下部反射層をp型半導体によって形成し、上部反射層、上部クラッド層をn型半導体によって形成しても良い。
【0084】
さらに、選択酸化領域および電流注入領域からなる電流狭窄層についてはp型反射層内に配置することが好ましいが、n型反射層内に配置しても同様の議論が成立し、同等の効果を発揮することが可能である。
【0085】
(実施の形態3)
次に、実施の形態3にかかる光送受信器について説明する。図8は、実施の形態3にかかる光送受信器の構造を示すブロック図である。本実施の形態3にかかる光送受信器は、光信号を送受信するための光送信部34および光受信部35を有するトランシーバ31と、電気信号をトランシーバ31に入力する信号多重化回路32と、トランシーバ31が受信した光信号から得られる電気信号を分離する信号分離回路33とを有する。
【0086】
光送信部34は、信号多重化回路32から入力された電気信号を光信号に変換して送信するためのものである。具体的には、光送信部34は、光信号を出射する面発光レーザ素子36と、入力された電気信号に基づいて面発光レーザ素子36を制御する制御回路37と、面発光レーザ素子36から出射された光信号を外部に出力するための出力光学系38とを有する。
【0087】
光送信部34に含まれる面発光レーザ素子36には、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子を用いる。したがって、面発光レーザ素子36は、閾値電流が低く、高い信頼性を有しかつ単一横モード発振が可能である。
【0088】
光受信部35は、外部から受信した光信号を電気信号に変換して信号分離回路33に出力するためのものである。具体的には、光受信部35は、光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子39と、光信号を光電変換素子39に導くための入力光学系40と、光電変換素子39から出力される電気信号を増幅する増幅回路41とを有する。光電変換素子39は、受信した光信号の強度に基づいて電気信号を出力する。光電変換素子39としては、フォトダイオードの他、光抵抗などを用いることが可能である。
【0089】
信号多重化回路32は、外部から入力される複数の電気信号を多重化して1本の電気信号にするためのものである。多重化されて得られた1本の電気信号は、トランシーバ31を構成する光送信部34に出力される。
【0090】
信号分離回路33は、トランシーバ31を構成する光受信部35から得られた電気信号について、複数の電気信号に分離するためのものである。光受信部35で受信される光信号は元来複数の信号を含んでいるため、光信号を光電変換して得られる電気信号についても、情報を取り出すためには複数の電気信号に分離する必要があるためである。
【0091】
本実施の形態3にかかる光送受信器の動作について説明する。実施の形態3にかかる光送受信器は、複数の電気信号について送受信をおこなうためのものである。最初に、送信動作について説明する。
【0092】
まず、外部から入力された複数の電気信号は、信号多重化回路32で単一の電気信号に変換される。そして、この単一の電気信号が信号多重化回路32から制御回路37に入力され、制御回路37は、この電気信号に基づいて面発光レーザ素子36に注入する電流を制御する。具体的には、制御回路37によって、電気信号波形に対応した波形を有する光信号が面発光レーザ素子36から出射される。なお、面発光レーザ素子36は、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子からなるため、最大10Gbit/sで直接光変調が可能である。そのため、大量の情報を光信号に付加して送信することが可能である。面発光レーザ素子36から出力された光信号は、出力光学系38を介して外部に出力される。以上で送信動作が終了する。
【0093】
次に、受信動作について説明する。外部から伝送されてきた光信号は、入力光学系40を介して入射し、光電変換素子39によって受信される。光電変換素子39は受信した光信号の強度変化に対応した波形を有する電気信号を出力する機能を有し、変換された電気信号は増幅回路41に入力される。外部から入力された光信号の強度は、一般に微弱であるため、光電変換素子39から出力される電気信号の強度も微弱となり、増幅回路41によってその強度を増幅される。その後、増幅された電気信号は信号分離回路33に入力され、複数の電気信号に分離される。以上で受信動作が終了する。
【0094】
本実施の形態3にかかる光送受信器は、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子を有する。そのため、実施の形態3においては、面発光レーザ素子36の閾値電流が低い値を有し、高い信頼性を有する。また、10Gbit/sで直接変調可能であり、大量の情報を有する光信号を出力することが可能である。さらに、出力する光信号を光ファイバによって伝送した場合、伝送可能な距離は15km以上となり、長距離伝送が可能となる。
【0095】
(実施の形態4)
次に、実施の形態4にかかる光通信システムについて説明する。図9は、実施の形態4にかかる光通信システムの構造を示す模式図である。実施の形態4にかかる光通信システムは、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子を信号光源に使用している。具体的には、本実施の形態4にかかる面発光レーザ素子は、信号多重化回路42と、信号多重化回路42に接続された制御回路43と、制御回路43に接続された面発光レーザ素子44と、伝送用光ファイバ46と、面発光レーザ素子44と伝送用光ファイバ46の一端とを光結合させるための光学系45とを有する。また、伝送用光ファイバ46の他端と光学系47を介して光結合した光電変換素子48と、光電変換素子48と接続された増幅回路49と、増幅回路49と接続された信号分離回路50とを有する。
【0096】
信号多重化回路42で得られた単一の電気信号は制御回路43に入力され、この電気信号に基づいて制御回路43は面発光レーザ素子44に注入する電流について制御をおこなう。これにより、面発光レーザ素子44から出力される光信号は、信号多重化回路42で得られた電気信号に対応した波形を有する。面発光レーザ素子44から出力された光信号は光学系45を介して伝送用光ファイバ46の一端に入射し、伝送用光ファイバ46中を伝送する。
【0097】
そして、伝送用光ファイバ46中を伝送した光信号は、伝送用光ファイバ46の他端から出射し、光学系47を介して光電変換素子48に入射する。光電変換素子48は、受信した光信号に基づく電気信号を出力し、増幅回路49で増幅された後に信号分離回路50に入力される。
【0098】
信号分離回路50は、入力された電気信号について、信号多重化回路42で多重化される前の個々の電気信号に分離して、情報を復元する。このようにして本実施の形態4にかかる光通信システムは情報の伝送をおこなう。
【0099】
本実施の形態4にかかる光通信システムでは、送信側の信号光源として、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子を使用している。そのため、低閾値で信頼性が高い信号光源を使用することが可能である。また、単一横モード発振が可能であるため、伝送途上で信号波形が崩れることもなく、確実に光信号を伝送することができる。具体的には、伝送用光ファイバ46のファイバ長を15km以上としても10Gbit/sで直接変調した光信号を伝送することが可能である。
【0100】
また、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子は出射波長を850nm〜1650nmの範囲で変化させることができるため、伝送用光ファイバ46において低損失となる波長を選択することが可能である。また、これらの波長帯において、既存の光通信システムを利用することができるという利点も有する。たとえば、出射波長を980nmとして、伝送用光ファイバ46の途上にEDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)を配置する構造としても良い。この場合、EDFAによって光信号の強度を増幅することができるので、伝送距離をさらに延伸させることができる。同様に、TDFA、ラマン増幅器等を用いても良い。
【0101】
【発明の効果】
以上説明したように、の発明によれば、選択酸化領域の構造を最適化したため、閾値電流を低い値に抑制し、高い信頼性を有し、単一横モード発振が可能で、10Gbit/sで直接変調をおこなえ、長距離伝送が可能な面発光レーザ素子を提供できるという効果を奏する。
【0102】
また、の発明によれば、選択酸化領域の構造を最適化した面発光レーザを用いる構成としたため、単一横モード発振が可能で、長距離伝送が可能なトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図2】(a)〜(c)は、測定に用いた850nm帯面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図3】実効屈折率差について説明するための模式的な図である。
【図4】実施の形態1の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図5】実施の形態2にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図6】選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択酸化領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示すグラフである。
【図7】実施の形態2の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図8】実施の形態3にかかる光送受信機の構造を示すブロック図である。
【図9】実施の形態4にかかる光通信システムの構造を示すブロック図である。
【図10】従来の面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 下部反射層
3、26 下部クラッド層
4 活性層
5、27 上部クラッド層
6 上部反射層
7 コンタクト層
8 p側電極
9 n側電極
10、17 高屈折率層
11、16 低屈折率層
12、18 ミラー層
13a〜13d 障壁層
14a〜14d 量子井戸層
15 2λ共振器
19a、29a、29a−1 電流注入領域
19b、29b、29b−1 選択酸化領域
20,30 電流狭窄層
28 λ共振器
31 トランシーバ
32、42 信号多重化回路
33、50 信号分離回路
34 光送信部
35 光受信部
36、44 面発光レーザ素子
37、43 制御回路
38 出力光学系
39、48 光電変換素子
40 入力光学系
41、49 増幅回路
45、47 光学系
46 伝送用光ファイバ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting laser element having a structure in which a lower reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper reflective layer are sequentially laminated, and lasing in a direction perpendicular to a substrate. The present invention relates to a surface emitting laser element capable of oscillating in a single transverse mode and capable of long-distance transmission, a transceiver using the surface emitting laser element, an optical transceiver, and an optical communication system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are referred to as “surface emitting laser elements”, and the direction in which light resonates is perpendicular to the substrate surface. It is attracting attention as a light source for communication, including optical interconnection, and as a device for various other applications. Since the surface emitting laser element includes an ultrashort resonator of about one wavelength due to its structure, the wavelength that can exist in the oscillating laser beam is only the fundamental wave. Therefore, it is easier to stably maintain the single longitudinal mode than an edge-emitting laser such as a DFB (Distributed Feedback) laser. In addition, the FFP (Far Field Pattern) is isotropic and narrow values can be obtained, and the relative intensity noise is low, so that it is attracting attention as a laser element that is essentially suitable for optical communication and the like than a DFB laser or the like.
[0003]
When used as a signal light source, a surface emitting laser element having an emission wavelength of 0.8 μm to 1.65 μm including a low loss wavelength band of an optical fiber as a transmission medium is required. In a surface emitting laser of this wavelength band, a surface emitting laser that oscillates a laser beam having a long wavelength band, for example, a wavelength of 1.2 μm or more, has not been realized for a long time due to difficulty in crystal growth. However, recently, the present inventors have realized a surface emitting laser element that oscillates laser light having a wavelength of 1.2 to 1.3 μm (Japanese Patent Application No. 2001-124300).
[0004]
The structure of the surface emitting laser element described in Japanese Patent Application No. 2001-124300 is shown in FIG. This surface-emitting laser element has a structure in which a buffer layer 102, a lower reflective layer 103, a lower cladding layer 104, a quantum well layer 105, and an upper cladding layer 106 are sequentially stacked on a substrate 101. Further, the upper clad layer 106 has a laminated structure of a current confinement layer 108 processed into a mesa shape, an upper reflective layer 109, and a contact layer 110. The current confinement layer 108 is formed by a current injection region 107a made of an AlAs layer at the center and a selective oxidation region 107b formed by selectively oxidizing the end of the AlAs layer. An n-side electrode 114 is disposed on the lower surface of the substrate 101. In the quantum well layer 105, the crystallographic quality of the quantum well layer 105 is improved by adding a small amount of Sb in GaInNAs. As described above, the laser oscillation of the 1.3 μm band surface emitting laser element has recently been performed using the improvement of the structure of the quantum well layer and the selective oxidation technique of the AlAs layer.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, problems to be solved remain when surface emitting laser elements are used for applications such as signal light sources. First, it is necessary to unify the transverse mode of the oscillating laser beam. When the transverse mode has a high-order mode in the transverse direction, it causes a significant deterioration of the signal waveform in proportion to the transmission distance during optical transmission, particularly during high-speed modulation. Therefore, in order to realize long-distance transmission, it is necessary to realize single transverse mode oscillation.
[0006]
The surface emitting laser element is inherently difficult to stabilize the transverse mode due to its structure. Therefore, in a surface emitting laser element having a selective oxidation region, single transverse mode oscillation is realized by adjusting the diameter of the current injection region sandwiched between the selective oxidation regions, but conventionally, the 1300 nm band (1260 nm to 1360 nm). In a surface-emitting laser element of a range of a certain extent, it is difficult to realize single transverse mode oscillation by adjusting only the diameter of the current injection region.
[0007]
Even if single transverse mode oscillation can be realized, if the value of the threshold current increases, problems such as increased power consumption occur. Therefore, it is necessary to realize single transverse mode oscillation while suppressing an increase in the value of the threshold current. Furthermore, the reliability of the surface emitting laser element must be ensured. This is because it is necessary to have sufficient reliability in order to use a surface emitting laser element for a signal light source or the like.
[0008]
Furthermore, when used for a signal light source or the like, it is necessary to be able to directly modulate at a 10 Gbit / s level. This is a minimum number necessary for actual use as a signal light source with an increase in communication capacity in recent years.
[0009]
The present invention has been made in view of the above disadvantages of the prior art, and has a low threshold current, a high reliability, a single transverse mode oscillation, and a surface emission capable of direct modulation at 10 Gbit / s. It is an object of the present invention to provide a laser element, a transceiver using a surface emitting laser element, an optical transceiver, and an optical communication system.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above objective, This invention The surface emitting laser device according to the present invention has a structure in which a lower reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper reflective layer are sequentially laminated on a substrate, and a surface that oscillates in a direction perpendicular to the substrate. A selective oxidation region disposed in a region separated from the active layer center by a distance of not less than 370 nm and not more than 780 nm inside the lower reflective layer or the upper reflective layer, the light emitting laser element; A difference value between the effective refractive index of the stacking direction region including the current injection region and the effective refractive index of the stacking direction region including the selective oxidation region. Is 0.038 or less.
[0011]
This invention According to the present invention, since the position of the selective oxidation region in the stacking direction and the effective refractive index difference are optimized, a surface emitting laser element that emits a laser beam capable of single transverse mode oscillation and capable of long-distance transmission is provided. Can be realized.
[0012]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the upper reflective layer and the lower reflective layer have a two-layer structure of a low refractive index layer and a high refractive index layer having an optical length of ¼ of an emission wavelength. The selective oxidation region is arranged in the vicinity of a position where the electric field intensity distribution in the low refractive index layer in any one of the mirror layers is minimized. .
[0013]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the active layer emits laser light having a wavelength of 1260 nm or more and 1360 nm or less, and is formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer. The optical resonator has an optical length twice as long as the wavelength of the laser beam, and the selective oxidation region is in the mirror layer laminated in the first period from the active layer side in the upper or lower reflection layer. It is characterized by being arranged in.
[0014]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the active layer emits laser light having a wavelength of 1260 nm or more and 1360 nm or less, and is formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer. The optical resonator has an optical length equal to the wavelength of the laser beam, and the selective oxidation region is adjacent to a mirror layer stacked in a second period from the active layer side in the upper or lower reflective layer. It is arranged in the mirror layer.
[0015]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the selective oxidation region has a thickness of 6 nm or more and 32 nm or less.
[0016]
Also, This invention The surface emitting laser element according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the selective oxidation region has a thickness of 10 nm or more and 13 nm or less.
[0017]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the active layer emits laser light having a wavelength of 1260 nm or more and 1360 nm or less, and is formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer. The optical resonator has an optical length that is twice as long as the wavelength of the laser beam, and the selective oxidation region is in the mirror layer laminated in the second period from the active layer side in the upper or lower reflective layer. It is characterized by being arranged in.
[0018]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the active layer emits laser light having a wavelength of 1260 nm or more and 1360 nm or less, and is formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer. The optical resonator has an optical length equal to the wavelength of the laser beam, and the selective oxidation region is disposed in a mirror layer stacked in a third period from the active layer side in the upper or reflective layer. It is characterized by.
[0019]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the selective oxidation region has a thickness of 6 nm to 46 nm.
[0020]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the selective oxidation region has a thickness of 10 nm or more and 20 nm or less.
[0021]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, the substrate is made of GaAs, and the low refractive index layer is made of Al. x Ga 1-x As (0.5 ≦ x ≦ 1), the high refractive index layer is made of Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2), and the selective oxidation region is Al x Ga 1-x It is formed by selectively oxidizing As (0.97 ≦ x ≦ 1).
[0022]
Also, This invention The transceiver The above invention An optical transmitter having the surface-emitting laser element according to any one of the above, a control circuit that controls a current value injected into the surface-emitting laser element based on an input electric signal, and light incident from the outside And an optical receiver having a photoelectric conversion element for receiving a signal and converting it into an electrical signal.
[0023]
Also, This invention The optical transceiver The above invention A surface-emitting laser element according to any one of the above, a signal multiplexing circuit that multiplexes a plurality of electrical signals, and a control that controls the surface-emitting laser element based on the electrical signals output from the signal multiplexing circuit A circuit, a photoelectric conversion element that receives an optical signal incident from the outside and converts it into an electrical signal, and a signal separation circuit that separates the electrical signal output from the photoelectric conversion element into a plurality of electrical signals. Features.
[0024]
Also, This invention The optical communication system related to The above invention A surface emitting laser element according to any one of the above, a control circuit that controls the surface emitting laser element, an optical fiber for transmission that transmits an optical signal emitted from the surface emitting laser element from one end, and And a photoelectric conversion element that receives the optical signal incident from the other end of the transmission optical fiber and converts it into an electrical signal.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Exemplary embodiments of a surface emitting laser element, a transceiver using the surface emitting laser element, an optical transceiver, and an optical communication system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. The drawings are schematic, and it should be noted that the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of each layer, and the like are different from the actual ones. Of course, the drawings include portions having different dimensional relationships and ratios.
[0026]
(Embodiment 1)
First, the surface emitting laser element according to the first embodiment will be described. In the surface emitting laser element according to the first embodiment, the structure of the selective oxidation region is optimized with respect to the 1300 nm band surface emitting laser element. FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the surface emitting laser element according to the first embodiment. Hereinafter, the structure of the surface emitting laser element according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 1 as appropriate.
[0027]
The surface emitting laser element according to the first embodiment has a structure in which a lower reflective layer 2 is laminated on a substrate 1. The upper region of the lower reflective layer 2 is formed in a mesa shape, and the lower cladding layer 3, the active layer 4, the upper cladding layer 5, and the upper reflective layer 6 are sequentially stacked on the region formed in the mesa shape. In addition, this mesa shape is formed so that a horizontal cross-sectional shape may be circular. Further, a contact layer 7 is laminated on the upper reflective layer 6, and a p-side electrode 8 having a ring shape having a current injection region in the center is disposed on the contact layer 7, and n on the lower surface of the substrate 1. Side electrodes 9 are arranged. In the upper reflective layer 6, a current confinement layer 20 is disposed near the center of the mesa and includes a current injection region 19a having a circular horizontal cross section and a selective oxidation region 19b adjacent to the current injection region 19a. Is arranged. The specific structure of the selective oxidation region 19b will be described in detail later.
[0028]
The substrate 1 is made of an n-type GaAs substrate. The substrate 1 usually has a (100) plane as a main plane, and the thin film structure above the lower reflective layer 2 is laminated on the (100) plane. The lower reflective layer 2 is for reflecting and feeding back the light having the emission wavelength among the light generated in the active layer 4. Specifically, the lower reflective layer 2 has a structure in which a large number of mirror layers 12 formed by a laminated structure of a high refractive index layer 10 and a low refractive index layer 11 are laminated.
[0029]
The high refractive index layer 10 is formed of an n-type GaAs layer, and the low refractive index layer 11 is an n-type Al. 0.9 Ga 0.1 It is formed by the As layer. The film thicknesses of the high-refractive index layer 10 and the low-refractive index layer 11 are adjusted so that the optical length is ¼ of the output wavelength λ in order to reflect only the light having the output wavelength. Specifically, since the emission wavelength of the surface emitting laser element according to the first embodiment is 1300 nm, the film thickness of the high refractive index layer 10 is about 94 nm in consideration of the refractive index of each layer. The film thickness of 11 is about 110 nm. By having such a structure, the mirror layer 12 has a function of reflecting light having an emission wavelength at a certain ratio in the combination of the high refractive index layer 10 and the low refractive index layer 11. In order to increase the reflectance of the lower reflective layer 2 as a whole, the lower reflective layer 2 is formed by laminating 34.5 mirror layers 12. Note that the fraction after the decimal point is attributed to a layer made of only the high refractive index layer 10.
[0030]
The active layer 4 has a structure including a quantum well layer. Specifically, as shown in FIG. 1, the active layer 4 includes a barrier layer 13a, a quantum well layer 14a, a barrier layer 13b, a quantum well layer 14b, a barrier layer 13c, and a quantum well layer sequentially stacked on the lower cladding layer 3. 14c and the barrier layer 13d. That is, it has a structure in which three quantum well layers 14a to 14c are sandwiched between four barrier layers 13a to 13d.
[0031]
The quantum well layers 14a to 14c are for confining carriers with high efficiency by the quantum confinement effect, and are formed of GaInNAsSb layers. The quantum well layers 14a to 14c have good crystallinity by adding a small amount of Sb. Further, the quantum well layers 14a to 14c need to have a very thin film thickness in order to exhibit the quantum confinement effect, and the film thickness of each layer in the first embodiment is set to about 7 nm.
[0032]
The barrier layers 13a to 13d are for separating the quantum well layers 14a to 14c from each other. The thickness of the barrier layers 13a and 13d is about 30 nm, and the thickness of the barrier layers 13b and 13c is 20 nm. Degree.
[0033]
The lower clad layer 3, the active layer 4, and the upper clad layer 5 are formed so that the total optical length of the film thickness of each layer is twice the emission wavelength λ, and functions as an optical resonator. Therefore, hereinafter, the lower clad layer 3, the active layer 4, and the upper clad layer 5 are collectively referred to as a 2λ resonator 15. In the first embodiment, the lower cladding layer 3 is an n-type and the upper cladding layer 5 is a p-type GaAs layer, and each film thickness is about 297 nm.
[0034]
Similar to the lower reflective layer 2, the upper reflective layer 6 is for reflecting and feeding back the light having the emission wavelength among the light generated in the active layer 4. Specifically, the upper reflective layer 6 has a structure in which a number of mirror layers 18 formed by pairs of a low refractive index layer 16 and a high refractive index layer 17 that are sequentially stacked are stacked. The low refractive index layer 16 is p-type Al. 0.9 Ga 0.1 The As layer is provided, and the high refractive index layer 17 is a p-type GaAs layer. In order to feed back the laser light generated in the active layer 4, the upper reflective layer 6 has a high reflectance. Note that the surface-emitting laser element according to the first embodiment emits laser light in a vertically upward direction with respect to the substrate 1, so that the upper reflective layer 6 needs to have a lower reflectance than the lower reflective layer 2. Therefore, the upper reflective layer 6 has a structure composed of 25 mirror layers 18 that are fewer than the lower reflective layer 2. In the following description, the mirror layer disposed on the most active layer 4 side of the 25 mirror layers 12 or 18 constituting the lower reflective layer 2 or the upper reflective layer 6 is set to the first period as necessary. The mirror layer arranged in contact with the mirror layer in the first period, the mirror layer arranged in contact with the mirror layer in the first period, the mirror layer in the second period, and the mirror layer arranged in contact with the mirror layer in the second period in the third period They are called eye mirror layers, respectively.
[0035]
Of the low refractive index layers 16 constituting the upper reflective layer 6, the low refractive index layer 16 constituting the first period mirror layer laminated adjacent to the lowermost layer, that is, the upper cladding layer 5 is p-type. Al 0.9 Ga 0.1 It has a structure in which an As layer and a p-type AlAs layer are sequentially stacked. In the AlAs layer, the current injection region 19a is formed in the region near the center, and the current confinement layer 20 is formed in the vicinity of the end portion by the selective oxidation region 19b formed by selective oxidation.
[0036]
The selective oxidation region 19b is for narrowing the current injected from the p-side electrode 8 to increase the current density flowing into the active layer 4 and to reduce the oscillation threshold. The refractive index of the selective oxidation region 19b is such that the current injection region 19a and Al 0.9 Ga 0.1 Since it has a different value from the As layer, it affects the optical confinement in the horizontal direction. That is, since the selective oxidation region 19b exists, the surface emitting laser element according to the first embodiment includes a refractive index waveguide.
[0037]
The selective oxidation region 19b has a thickness of 13 nm in the first embodiment. The diameter of the current injection region 19a defined by the width of the selective oxidation region 19b is set to 5.3 μm. Hereinafter, the reason why such a structure is adopted will be described.
[0038]
The surface emitting laser element according to the first embodiment improves the oscillation characteristics by optimizing the structure of the selective oxidation region 19b. Specifically, it is necessary to consider the position where the selective oxidation region 19b is disposed in the mirror layer, the mirror layer where the selective oxidation region 19b is disposed, the width and the film thickness of the selective oxidation region 19b. Hereinafter, optimization of these requirements will be described.
[0039]
First, the position in the mirror layer will be described. The current injection region 19a adjacent to the selective oxidation region 19b is made of Al. 0.9 Ga 0.1 It has a refractive index close to the As layer. Therefore, the AlAs layer forming the selective oxidation region 19b and the current injection region 19a needs to be disposed in the low refractive index layer 11 or the low refractive index layer 16. Further, in order to suppress the loss of light generated in the active layer 4, the position close to the node portion of the standing wave (position where the electric field strength distribution is minimized), that is, the low refractive index layer 11 or the low refractive index layer. 16 is preferably disposed in a region separated from the active layer 4, that is, in the vicinity of the lower surface of the low refractive index layer 11 or in the vicinity of the upper surface of the low refractive index layer 16.
[0040]
Next, the mirror layer in which the selective oxidation region 19b is arranged will be described. As already described, the selective oxidation region 19b has a current confinement function. From the viewpoint of increasing the current density flowing into the active layer 4 by confining the current, the selective oxidation region 19b is preferably disposed at a position close to the active layer 4. This is because when the selective oxidation region 19b is arranged at a position separated from the active layer 4, the current confined by the selective oxidation region 19b is diffused again before flowing into the active layer 4 to reduce the current density. Therefore, it is preferable to dispose the selective oxidation region 19b close to the active layer 4 from the viewpoint of suppressing the oscillation threshold value low.
[0041]
On the other hand, when it is arranged close to the active layer 4, another problem occurs. The selective oxidation region 19b is formed by once laminating an AlAs layer or the like and processing it into a mesa shape, and then selectively oxidizing by introducing oxygen atoms from the outside by heating in a water vapor atmosphere. By introducing oxygen atoms from the outside, the initial crystal order is damaged, so that dislocation occurs in the selective oxidation region 19b. Therefore, when the selective oxidation region 19b is too close to the active layer 4, the dislocation in the selective oxidation region also affects the crystal structure of the active layer 4, and the reliability as the surface emitting laser element is lowered. Therefore, from the viewpoint of ensuring the reliability of the surface emitting laser element, it is preferable to dispose the selective oxidation region 19b away from the active layer 4.
[0042]
As described above, since suppression of the oscillation threshold value and ensuring of the reliability of the surface emitting laser element are in a trade-off relationship, there is an optimum value for the position in the stacking direction of the selective oxidation region 19b. For this reason, the inventors of the present application examine the characteristics of the surface emitting laser element by changing the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction, and derive the optimum value.
[0043]
Specifically, for a surface emitting laser element having an emission wavelength of about 850 nm (hereinafter referred to as “850 nm band surface emitting laser element”), the position where the selective oxidation region is arranged is changed in the stacking direction, and the threshold current value is set. In addition, the reliability of the surface emitting laser element was measured. The reason why the measurement target is the 850 nm band surface emitting laser element is that the 850 nm band surface emitting laser element has already been extensively studied and its characteristics are well understood. Therefore, it is possible to eliminate the influence on the measurement result by the part other than the selective oxidation region, and the influence of the selective oxidation region on the characteristics of the surface emitting laser element can be grasped. The structure of the 850-nm band surface emitting laser element used for the measurement is the same as that of the surface emitting laser element according to the first embodiment except for the part corresponding to the wavelength such as the optical length of the optical resonator. Shall have.
[0044]
The inventors of the present application, as shown in FIGS. 2A to 2C, selectively oxidized regions 19 b-1 in the first period mirror layer, the third period mirror layer, and the fifth period mirror layer, respectively. , 19b-2, 19b-3 and the 850 nm band surface emitting laser element having the λ resonator formed with the current injection regions 19a-1, 19a-2, 19a-3, the threshold current and reliability were measured. . As a result, when the selective oxidation region 19b-1 was arranged in the mirror layer in the first period, there was a problem in reliability, and a result that was not appropriate for practical use was obtained. When the selective oxidation region 19b-2 was arranged in the mirror layer, the reliability was high and the threshold current was low. Further, when the selective oxidation region 19b-3 is arranged in the fifth period mirror layer, although the reliability can be ensured, the threshold current increases compared to the case where the threshold current is arranged in the third period mirror layer. The tendency to do was seen. Since the increase in the threshold current when it is arranged on the mirror layer in the fifth period is within an allowable range, the inventors of the present application have developed a mirror layer in the third to fifth periods for the 850 nm band surface emitting laser element. It was concluded that it is preferable to place a selective oxidation region in
[0045]
The thickness of the upper cladding layer, the thickness of the low refractive index layer, and the thickness of the high refractive index layer of the 850 nm band surface emitting laser element used for the measurement are different from those of the surface emitting laser element according to the first embodiment. To do. Therefore, in optimizing the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction in the first embodiment, the distance from the active layer center was referred to with respect to the measurement result. In the 850-nm band surface emitting laser element used for the measurement, the distance from the center of the active layer to the lower end of the third period mirror layer is 390 nm, and the distance to the lower end of the fifth period mirror layer is 660 nm. With reference to this value, in the surface-emitting laser device according to the first embodiment, the lower end of the mirror layer in which the selective oxidation region 19b is disposed is in the range of 370 nm to 680 nm from the center of the active layer 4. Determined.
[0046]
In the first embodiment, the first-cycle mirror layer is selected as the mirror layer suitable for this numerical range. This is because the first period mirror layer has a distance of 375 nm from the center of the active layer 4. Further, when the position in the mirror layer is provided in the upper reflective layer as described above, the selective oxidation region 19b is preferably disposed in the vicinity of the upper surface of the low refractive index layer. Therefore, from these viewpoints, the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction is determined at the place shown in FIG.
[0047]
Next, optimization of the width in the horizontal direction and the film thickness in the stacking direction of the selective oxidation region 19b will be described in order from the viewpoint of realizing single transverse mode oscillation. Since the horizontal width of the selective oxidation region 19b is determined by optimizing the diameter of the current injection region 19, the following mainly describes optimization of the diameter of the current injection region 19a.
[0048]
First, optimization of the diameter of the current injection region 19a determined by the width of the selective oxidation region 19b will be described. In general, single transverse mode oscillation can be realized by reducing the diameter of the current injection region 19a. On the other hand, there is a problem that the threshold current increases due to diffraction loss as the diameter of the current injection region 19a decreases. In order to suppress the increase of the threshold current, it is necessary to increase the diameter of the current injection region 19a. . Therefore, a trade-off relationship is also established between the threshold current suppression and the single transverse mode oscillation enabling condition, and there is an optimum value for the diameter of the current injection region 19a.
[0049]
For this reason, the inventors of the present application have measured the oscillation transverse mode when the diameter of the current injection region is changed for the 850 nm band surface emitting laser element, and investigated the optimum value of the diameter of the current injection region. Specifically, as shown in FIG. 2B, the selective oxidation region is inserted into the third-period mirror layer, the thickness of the selective oxidation region is fixed at 20 nm, and the diameter of the current injection region 19a is set. Varying and measuring the threshold current and transverse mode aspects.
[0050]
As a result of the measurement, the maximum value of the diameter of the current injection region capable of single transverse mode oscillation was 3.5 μm. Further, when the diameter was 3.5 μm, the value of the threshold current could be suppressed below the allowable range. The effective refractive index difference described later was 0.0165 in this surface emitting laser element.
[0051]
Based on this result, the inventors of the present invention made the condition that the diameter of the current injection region 19a of the surface emitting laser element according to the first embodiment is 3.5 μm or more. This is because the suppression of the increase in the threshold current is poorly correlated with the emission wavelength of the surface emitting laser element, and even when the threshold current is suppressed to an allowable range in the 850 nm band surface emitting laser element, even in the case of 1300 nm. It is because it is thought that it can suppress in an allowable range similarly. However, the present inventors consider that it is more preferable to increase the diameter of the current injection region 19a in accordance with the ratio of the emission wavelengths, and the optimum value of the diameter of the current injection region 19a is set to 3.5 μm (1300 / 850) multiplied by 5.3.
[0052]
Next, the optimum value of the film thickness of the selective oxidation region 19b necessary for realizing the single transverse mode oscillation under the condition regarding the diameter of the current injection region 19a will be examined. This is because the transverse mode oscillation affects not only the diameter of the current injection region 19a but also the effective refractive index difference in the refractive index waveguide. In the following, first, the effective refractive index difference is briefly described, and after the optimum value of the effective refractive index difference is derived, the film thickness condition of the selective oxidation region 19b necessary for realizing the optimum value is derived.
[0053]
As described above, the surface-emitting laser element according to the first embodiment is provided with the refractive index waveguide because the selective oxidation region 19b exists. For example, as shown in FIG. 3, the refractive index waveguide type waveguide includes a first region 21 that is a stacking direction region including a current injection region 19a and a second region 22 and 23 that includes a selective oxidation region 19b. This is a structure in which the first region 21 functions as a waveguide due to an effective refractive index difference which is a difference in equivalent refractive index. The structure of the refractive index waveguide type waveguide is explained by the refractive index distribution of the surface emitting laser element. Specifically, the optical confinement in the horizontal direction is evaluated by equivalently replacing it with a planar waveguide having an equivalent refractive index of the first region 21 and the second region 22 and 23. The structure and transverse modes can be analyzed.
[0054]
For example, in the surface emitting laser element according to the first embodiment, the refractive index of the selective oxidation region 19b is smaller than the refractive index of AlAs forming the current injection region 19a. Therefore, the equivalent refractive index of the second regions 22 and 23 has a smaller value than the equivalent refractive index of the first region 21, and the light generated from the active layer 4 is guided through the first region 21 and emitted to the outside. The The structure of the refractive index waveguide type waveguide corresponds to an effective refractive index difference which is a difference value between the equivalent refractive index of the first region 21 and the equivalent refractive index of the second regions 22 and 23. The mode of light guiding varies.
[0055]
Diameter Φ of current injection region 19a capable of realizing single transverse mode oscillation c And the effective refractive index difference Δn using the emission wavelength λ,
Φ c ∝λ / (Δn) 1/2 (1)
It is known that Therefore, the horizontal width and film thickness of the selective oxidation region 19b in the surface emitting laser element according to the first embodiment are determined using the measurement result obtained for the 850 nm band surface emitting laser element and the equation (1). can do.
[0056]
First, in order to suppress an increase in threshold current, the conditional expression of the effective refractive index difference Δn when the diameter of the current injection region 19a is at least 3.5 μm is as follows from the measurement result and the expression (1):
Φ c (Λ = 1.3μm) / Φ c (Λ = 0.85μm) = {1.3 / (Δn) 1/2 } / {0.85 / (0.0165) 1/2 } (2)
Is required. Where Φ c Since (λ = 0.85 μm) = 3.5 μm, if the value of the right side of the formula (2) is 1 or more, the diameter of the current injection region 19a in the surface emitting laser element according to the first embodiment is 3. 5 μm or more. When the equation (2) is calculated with respect to Δn, in order to satisfy the above condition, Δn ≦ 0.038 may be satisfied with respect to the effective refractive index difference Δn. Since the value of the effective refractive index difference Δn can be controlled by the film thickness of the selective oxidation region 19b, the maximum value of the film thickness of the selective oxidation region 19b can be obtained from this condition. Further, from the expression (1), when the effective refractive index difference Δn is 0.0165 as in the measurement result of the 850 nm band surface emitting laser element, the diameter of the current injection region 19a is 1.5 times corresponding to the wavelength ratio. This is more preferable.
[0057]
Here, it is possible to derive the film thickness of the selective oxidation region 19b necessary to realize the above effective refractive index difference by performing calculation known to those skilled in the art in consideration of the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction. Is possible. In conclusion, in the first embodiment, the selective oxidation region 19b is arranged in the first mirror layer, and the thickness of the selective oxidation region 19b is set to 32 nm in order to reduce the effective refractive index difference Δn to 0.038 or less. What is necessary is as follows. Further, when the effective refractive index difference is 0.0165, the film thickness of the selective oxidation region 19b is 13 nm. Therefore, in order to realize single transverse mode oscillation in the surface emitting laser element according to the first embodiment, the film thickness of the selective oxidation region 19b needs to be 32 nm or less, more preferably 13 nm or less.
[0058]
Next, the minimum value of the film thickness of the selective oxidation region 19b will be examined. As already described, the selective oxidation region 19b is formed by once laminating the AlAs layer and then selectively oxidizing it by introducing oxygen atoms in a water vapor atmosphere. Here, when the selective oxidation region 19b is formed, if the thickness of the AlAs layer is too thin, it is difficult to introduce oxygen atoms and it is difficult to form the selective oxidation region 19b. The film thickness of the selective oxidation region 19b which is the minimum necessary for introducing oxygen atoms is 6 nm, and it is possible to easily perform selective oxidation by having a film thickness of 10 nm or more.
[0059]
From the above discussion, the range of the film thickness d of the selective oxidation region 19b necessary for realizing the single transverse oscillation mode while keeping the threshold current low is as follows:
6 nm ≦ d ≦ 32 nm (3)
It becomes. Further, a more preferable range of the film thickness d that allows rapid selective oxidation and can increase the diameter of the current injection region 19a is as follows.
10 nm ≦ d ≦ 13 nm (4)
It becomes. Since it is more preferable that the selective oxidation region 19b has a film thickness satisfying the expression (4), in the first embodiment, the film thickness of the selective oxidation region 19b is 13 nm and the diameter of the current injection region 19a is 5.3 μm. Yes.
[0060]
The inventors of the present application actually manufactured a surface emitting laser element that satisfies the above conditions and examined its characteristics. Specifically, an n-type GaAs buffer layer is stacked by 0.1 μm on an (100) plane substrate of n-type GaAs, and an n-type Al 0.9 Ga 0.1 A lower reflective layer was formed by laminating 34.5 mirror layers made of As and GaAs. The active layer includes a triple quantum well layer, and the optical length of the optical resonator including the active layer is 2λ. In addition, p-type Al 0.9 Ga 0.1 An upper reflective layer was formed by laminating 25 mirror layers made of As and GaAs. These semiconductor layers are grown by gas source MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, MBE method, MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) method, carbon (C) as p-type impurity, silicon (Si) as n-type impurity Doped. The AlAs layer is an Al layer that forms the mirror layer of the lowermost layer (that is, the first period) of the upper reflective layer. 0.9 Ga 0.1 It arrange | positioned at the upper end part of As layer, and the film thickness was 12 nm. And the outer diameter of the horizontal cross section of the part formed in mesa shape was 40 micrometers, and the selective oxidation area | region was formed by hold | maintaining in 420 degreeC water vapor atmosphere for 20 minutes after mesa formation. The diameter of the current injection region formed by the unoxidized AlAs layer was set to 5.2 μm.
[0061]
When the oscillation characteristics of the surface-emitting laser element manufactured in this manner were examined, the threshold current value was 0.5 mA, the slope efficiency was 0.25 W / A, and continuous oscillation was possible at 100 ° C. or higher. Further, when the injection current value is 10 mA or less, single transverse mode oscillation is possible. When an optical signal directly modulated at 10 Gbit / s is incident on the transmission optical fiber, the transmittable distance is 15 km or more, and 15 km A good eye pattern of the optical signal after transmission was obtained.
[0062]
(Modification)
Next, the structure of the surface emitting laser element according to the modification of the first embodiment will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a surface emitting laser element according to a modification. In the first embodiment, the mirror layer in which the selective oxidation region 19b is disposed is the first-period mirror layer, but may be disposed in the second-period mirror layer. Since the distance from the center of the active layer 4 to the lower end is 580 nm, the mirror layer of the second period is included in the numerical range of 370 nm to 680 nm defined for the position in the stacking direction, ensuring reliability and threshold current. This is because suppression is possible.
[0063]
Since the mirror layer in which the selective oxidation region 19b is arranged is in the second period, the film thickness of the selective oxidation region 19b changes in order to maintain the diameter of the current injection region 19a and maintain the effective refractive index difference. This is because the equivalent refractive indexes of the second regions 22 and 23 also change depending on the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction. As a result of calculation, the range of the film thickness d in which the diameter of the current injection region 19a is 3.5 μm or more and selective oxidation is possible is as follows:
6nm ≦ d ≦ 46nm (5)
The range of the film thickness d in which the diameter of the current injection region 19a is 5.3 μm or more and sufficient selective oxidation is possible is as follows:
10 nm ≦ d ≦ 20 nm (6)
It becomes.
[0064]
(Embodiment 2)
Next, a surface emitting laser element according to the second embodiment will be described. As shown in FIG. 5, the surface emitting laser element according to the second embodiment has an emission wavelength of 1300 nm, and the optical length of the optical resonator formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer is output. It has a structure equal to the wavelength of incident light. Specifically, the surface emitting laser element according to the second embodiment has a structure in which a lower reflective layer 2 is laminated on a substrate 1. The upper region of the lower reflective layer 2 is formed in a mesa shape, and the lower cladding layer 26, the active layer 4, the upper cladding layer 27, and the upper reflective layer 6 are sequentially stacked on the mesa-shaped region. In addition, this mesa shape is formed so that a horizontal cross-sectional shape may be circular. Further, a contact layer 7 is laminated on the upper reflective layer 6, and a p-side electrode 8 having a ring shape having a current injection region in the center is disposed on the contact layer 7, and n on the lower surface of the substrate 1. Side electrodes 9 are arranged. Inside the upper clad layer 27, the current confinement layer 30 is disposed by a selective oxidation region 29b disposed adjacent to the current injection region 29a disposed in the vicinity of the center of the mesa and having a circular shape in the horizontal section. Yes. In the second embodiment, the parts denoted by the same or similar reference numerals as those in the first embodiment have the same or similar structures and perform the same or similar functions unless otherwise specified. To do.
[0065]
In the second embodiment, the optical length of the λ resonator 28 formed by the lower cladding layer 26, the active layer 4 and the upper cladding layer 27 is equal to the wavelength of the emitted light. Therefore, the position of selective oxidation region 29b in the stacking direction and the optimum value of the film thickness are different from those in the first embodiment. Hereinafter, optimization of the selective oxidation region 29b of the surface emitting laser element having an emission wavelength of 1300 nm and having the λ resonator 28 will be described.
[0066]
First, optimization of the position of the selective oxidation region 29b in the stacking direction will be described. In the first embodiment, the inventors of the present application and the like lead that the selective oxidation region 29b is preferably disposed in a mirror layer whose end surface on the active layer side is in a range of 370 nm to 680 nm from the center of the active layer 4. ing. In the second embodiment, it is necessary to determine an appropriate mirror layer in consideration of the difference in the optical length of the λ resonator 28, and the mirror layer in the second period is selected as a mirror layer suitable for this. ing. This is because the distance from the center of the active layer 4 of the mirror layer in the second period is 392 nm, which satisfies the above conditions. In the second period mirror layer, the selective oxidation region 29b is preferably disposed on the far side of the low refractive index layer from the active layer, as in the first embodiment. Thereby, the position of the selective oxidation region 29b in the stacking direction is determined to the position shown in FIG.
[0067]
Next, optimization of the diameter of the current injection region 29a defined by the horizontal width of the selective oxidation region 29b will be described. As described in the first embodiment, the diameter of the current injection region 29a is determined from the viewpoint of suppressing an increase in threshold current and realizing a single transverse mode oscillation. What is the optical length of the optical resonator? It is determined independently. Therefore, the same discussion as in the first embodiment is established, and from the measurement result of the 850 nm band surface emitting laser element, the diameter of the current injection region 29a needs to be 3.5 μm or more, and considering the wavelength ratio, More preferably, it is 5.3 μm.
[0068]
Finally, optimization of the film thickness of the selective oxidation region 29b will be described. From the viewpoint of realizing single transverse mode oscillation, there is a relationship of the formula (1) between the effective refractive index difference between the first region 21 and the second regions 22 and 23 and the diameter of the current injection region 29a shown in FIG. Is satisfied, and the condition that the single transverse mode oscillation is possible when the diameter of the current injection region 29a is 3.5 μm or more requires that the effective refractive index difference is 0.038 or less, and the diameter of the current injection region 29a is 5 In order to oscillate a single transverse mode in the case of .3 μm, the effective refractive index difference is 0.0165.
[0069]
In determining the film thickness of the selective oxidation region 29b necessary to realize such an effective refractive index difference, the graph shown in FIG. 6 is used in the second embodiment. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the film thickness of the selective oxidation region and the effective refractive index difference for each mirror layer in which the selective oxidation region is arranged for a surface emitting laser element having a λ resonator (KDChoquette et al. al., Proceedings of SPIE Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, vol. 3003, pp.194-200, 1997.). In FIG. 6, curve l 1 Indicates a case where a selective oxide layer is disposed in the first period, and hereinafter, curve l 2 , L Three , L Four , L Five These show the cases where the selective oxidation regions are arranged in the second period, the third period, the fourth period, and the fifth period, respectively. The horizontal axis of the graph indicates the film thickness of the selective oxidation region, and the vertical axis of the graph indicates the effective refractive index difference.
[0070]
In the surface emitting laser element according to the second embodiment, the selective oxidation region 29b is arranged in the mirror layer of the second period, and therefore, the curve l in the graph of FIG. 2 Refer to Curve l 2 , It can be seen that the film thickness needs to be 32 nm or less in order for the effective refractive index difference to be 0.038 or less. It can also be seen that the film thickness is 13 nm in order for the effective refractive index difference to be 0.0165.
[0071]
As for the minimum value of the film thickness, the same argument as in the first embodiment is established. As a result, the film thickness d of the selective oxidation region 29b necessary for realizing the single transverse oscillation mode while suppressing the threshold current low. The range of
6 nm ≦ d ≦ 32 nm (7)
Thus, a more preferable range of the film thickness d that allows rapid selective oxidation and can increase the diameter of the current injection region 29a is as follows:
10 nm ≦ d ≦ 13 nm (8)
It becomes. As described above, in the surface emitting laser element according to the second embodiment, the structure of the selective oxidation region 29b is optimized.
[0072]
(Modification)
Next, a surface emitting laser element according to a modification of the second embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a surface emitting laser element according to a modification, which is different from the second embodiment in that the selective oxidation region 29b is arranged in the third-period mirror layer.
[0073]
As already described, also in the second embodiment, the selective oxidation region 29b can be arranged in the mirror layer having the lower end in the range of 370 nm to 680 nm from the center of the active layer 4. When the output wavelength is 1300 nm and the optical length of the optical resonator is equal to the wavelength of the output light, the lower end of the third-period mirror layer is separated from the center of the active layer 4 by 596 nm, and is included in the above range. I understand that. Therefore, it is possible to adopt a structure in which the selective oxidation region 29b-1 is arranged in the third period mirror layer.
[0074]
The conditions of the diameter of the current injection region 29a-1 and the effective refractive index difference can be considered in the same manner as in the surface emitting laser element according to the second embodiment. As a conclusion, the diameter of the current injection region 29a-1 is 3.5 μm or more, preferably 5.3 μm, and the effective refractive index difference needs to be 0.038 or less, preferably 0.0165. .
[0075]
The film thickness satisfying the above effective refractive index difference is examined by the graph shown in FIG. In the surface emitting laser element according to the modification, the selective oxidation region 29b-1 is arranged in the mirror layer of the third period, and therefore, in the drawing, the curve l Three Need to refer to. Curve l Three According to the above, in order for the effective refractive index difference to be 0.038 or less, the film thickness must be 46 nm or less, and for the effective refractive index difference to be 0.0165, the required film thickness is 20 nm. This completes the optimization of the structure of the selective oxidation region 29b-1 according to the modification.
[0076]
In addition, although the surface emitting laser element concerning this invention was demonstrated using Embodiment 1, 2 and these modifications, it is also possible to employ | adopt structures other than the said description. For example, in the first and second embodiments and the modifications thereof, the emission wavelength of the surface emitting laser element is 1300 nm. The present invention is not limited to this, and the structure of the selective oxidation region can be optimized even for a surface emitting laser element having a long wavelength of 850 nm or longer. This will be described below.
[0077]
First, regarding the position of the selective oxidation region in the mirror layer, it is preferable that the selective oxidation region is disposed in the vicinity of the interface far from the active layer of the low refractive index layer regardless of the emission wavelength. And in which mirror layer to arrange, the determinant is performed from the viewpoint of suppressing the increase of the threshold current and ensuring the reliability, and these viewpoints are poorly correlated with the emission wavelength. Further, the diameter of the current injection region is also derived from the measurement result regarding the 850 nm band surface emitting laser element, and as described above, the measurement result is used regardless of the emission wavelength. Regarding the film thickness of the selective oxidation region, the film thickness for making the necessary effective refractive index difference may be derived by a known method. Therefore, the structure of the selective oxidation region can be optimized using the method described in Embodiment 1 or 2 for a long wavelength surface emitting laser element of 850 nm or more. For the same reason, the structure of the selective oxidation region can be optimized also for the surface emitting laser elements having optical resonators having different optical lengths. Here, regarding the position of the selective oxidation region in the stacking direction, the position of the lower end of the mirror layer in which the selective oxidation region is arranged is in the range of 370 nm to 680 nm from the center of the active layer. In consideration of the film thickness of the low refractive index layer constituting the layer, the upper limit of the distance from the center of the active layer is preferably 780 nm.
[0078]
In addition to using carbon as the p-type impurity, zinc (Zn) or beryllium (Be) can be used. The same applies to n-type impurities, and dopants other than silicon may be used.
[0079]
In addition, AlAs is used as a semiconductor material for forming the selective oxidation region and the current injection region. x Ga 1-x Even when As (0.97 ≦ x <1) is used, selective oxidation is possible, and a current injection region can be formed.
[0080]
For the mirror layer constituting the upper reflective layer and the lower reflective layer, the low refractive index layer is made of Al. x Ga 1-x As (0.5 ≦ x ≦ 1), the high refractive index layer is made of Al x Ga 1-x Even when configured with As (0 ≦ x ≦ 0.2), it is possible to reflect the light having the emission wavelength and to function as a mirror layer. In addition, the low refractive index layer and the high refractive index layer may have a structure in which a composition gradient layer that relaxes the refractive index difference between the low refractive index layer and the high refractive index layer is disposed in the vicinity of the boundary surface between them.
[0081]
In addition to the GaAs substrate, the surface emitting laser element according to the present invention can also be realized by using a substrate such as an InP substrate or a GaInAs substrate.
[0082]
In addition, the active layer may be constituted by a single quantum well layer, not a structure comprising a triple quantum well layer and a barrier layer separating them, or a structure having other number of quantum well layers It is also good. The quantum well layer can be formed of a GaInAs-based or GaAsSb-based semiconductor material. Furthermore, it is good also as a quantum dot formed with (Ga) InAs etc. instead of a quantum well layer. Alternatively, a surface emitting laser element having a double hetero structure may be simply used.
[0083]
In addition, the conductivity type of the semiconductor material forming the surface emitting laser element can be reversed. For example, the substrate, the lower clad layer, and the lower reflective layer may be formed of a p-type semiconductor, and the upper reflective layer and the upper clad layer may be formed of an n-type semiconductor.
[0084]
Further, the current confinement layer composed of the selective oxidation region and the current injection region is preferably disposed in the p-type reflective layer, but the same argument is established even if it is disposed in the n-type reflective layer, and the same effect is obtained. It is possible to demonstrate.
[0085]
(Embodiment 3)
Next, an optical transceiver according to the third embodiment will be described. FIG. 8 is a block diagram of the structure of the optical transceiver according to the third embodiment. The optical transceiver according to the third embodiment includes a transceiver 31 having an optical transmitter 34 and an optical receiver 35 for transmitting and receiving an optical signal, a signal multiplexing circuit 32 for inputting an electrical signal to the transceiver 31, and a transceiver. 31 has a signal separation circuit 33 that separates an electrical signal obtained from the received optical signal.
[0086]
The optical transmitter 34 is for converting the electrical signal input from the signal multiplexing circuit 32 into an optical signal and transmitting it. Specifically, the optical transmission unit 34 includes a surface emitting laser element 36 that emits an optical signal, a control circuit 37 that controls the surface emitting laser element 36 based on the input electric signal, and a surface emitting laser element 36. And an output optical system 38 for outputting the emitted optical signal to the outside.
[0087]
The surface emitting laser element according to the first or second embodiment is used for the surface emitting laser element 36 included in the optical transmitter 34. Therefore, the surface-emitting laser element 36 has a low threshold current, high reliability, and can perform single transverse mode oscillation.
[0088]
The optical receiver 35 is for converting an optical signal received from the outside into an electrical signal and outputting it to the signal separation circuit 33. Specifically, the optical receiver 35 includes a photoelectric conversion element 39 for receiving an optical signal and converting it into an electrical signal, an input optical system 40 for guiding the optical signal to the photoelectric conversion element 39, and a photoelectric conversion element. And an amplifier circuit 41 that amplifies the electrical signal output from the terminal 39. The photoelectric conversion element 39 outputs an electric signal based on the intensity of the received optical signal. As the photoelectric conversion element 39, a photo resistor or the like can be used in addition to a photodiode.
[0089]
The signal multiplexing circuit 32 is for multiplexing a plurality of electric signals input from the outside into one electric signal. One electrical signal obtained by multiplexing is output to the optical transmitter 34 constituting the transceiver 31.
[0090]
The signal separation circuit 33 is for separating the electrical signal obtained from the optical receiver 35 constituting the transceiver 31 into a plurality of electrical signals. Since the optical signal received by the optical receiver 35 originally includes a plurality of signals, the electrical signal obtained by photoelectrically converting the optical signal also needs to be separated into a plurality of electrical signals in order to extract information. Because there is.
[0091]
The operation of the optical transceiver according to the third embodiment will be described. The optical transceiver according to the third embodiment is for transmitting and receiving a plurality of electrical signals. First, the transmission operation will be described.
[0092]
First, a plurality of electrical signals input from the outside are converted into a single electrical signal by the signal multiplexing circuit 32. The single electric signal is input from the signal multiplexing circuit 32 to the control circuit 37, and the control circuit 37 controls the current injected into the surface emitting laser element 36 based on the electric signal. Specifically, the control circuit 37 emits an optical signal having a waveform corresponding to the electrical signal waveform from the surface emitting laser element 36. Since the surface emitting laser element 36 includes the surface emitting laser element according to the first or second embodiment, direct light modulation can be performed at a maximum of 10 Gbit / s. Therefore, a large amount of information can be added to the optical signal and transmitted. The optical signal output from the surface emitting laser element 36 is output to the outside via the output optical system 38. This completes the transmission operation.
[0093]
Next, the reception operation will be described. The optical signal transmitted from the outside enters through the input optical system 40 and is received by the photoelectric conversion element 39. The photoelectric conversion element 39 has a function of outputting an electric signal having a waveform corresponding to the intensity change of the received optical signal, and the converted electric signal is input to the amplifier circuit 41. Since the intensity of the optical signal input from the outside is generally weak, the intensity of the electric signal output from the photoelectric conversion element 39 is also weak and is amplified by the amplifier circuit 41. Thereafter, the amplified electrical signal is input to the signal separation circuit 33 and separated into a plurality of electrical signals. This completes the reception operation.
[0094]
The optical transceiver according to the third embodiment includes the surface emitting laser element according to the first or second embodiment. Therefore, in the third embodiment, the threshold current of the surface emitting laser element 36 has a low value and has high reliability. Further, it can be directly modulated at 10 Gbit / s, and an optical signal having a large amount of information can be output. Furthermore, when the optical signal to be output is transmitted through an optical fiber, the transmittable distance is 15 km or more, and long distance transmission is possible.
[0095]
(Embodiment 4)
Next, an optical communication system according to the fourth embodiment will be described. FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the structure of the optical communication system according to the fourth embodiment. The optical communication system according to the fourth embodiment uses the surface emitting laser element according to the first or second embodiment as a signal light source. Specifically, the surface emitting laser element according to the fourth embodiment includes a signal multiplexing circuit 42, a control circuit 43 connected to the signal multiplexing circuit 42, and a surface emitting laser element connected to the control circuit 43. 44, a transmission optical fiber 46, and an optical system 45 for optically coupling the surface emitting laser element 44 and one end of the transmission optical fiber 46 to each other. In addition, a photoelectric conversion element 48 optically coupled to the other end of the transmission optical fiber 46 via an optical system 47, an amplification circuit 49 connected to the photoelectric conversion element 48, and a signal separation circuit 50 connected to the amplification circuit 49. And have.
[0096]
A single electrical signal obtained by the signal multiplexing circuit 42 is input to the control circuit 43, and the control circuit 43 controls the current injected into the surface emitting laser element 44 based on this electrical signal. As a result, the optical signal output from the surface emitting laser element 44 has a waveform corresponding to the electrical signal obtained by the signal multiplexing circuit 42. The optical signal output from the surface emitting laser element 44 is incident on one end of the transmission optical fiber 46 via the optical system 45 and is transmitted through the transmission optical fiber 46.
[0097]
The optical signal transmitted through the transmission optical fiber 46 is emitted from the other end of the transmission optical fiber 46 and enters the photoelectric conversion element 48 via the optical system 47. The photoelectric conversion element 48 outputs an electrical signal based on the received optical signal, and is amplified by the amplifier circuit 49 and then input to the signal separation circuit 50.
[0098]
The signal separation circuit 50 separates the input electric signal into individual electric signals before being multiplexed by the signal multiplexing circuit 42 and restores information. In this way, the optical communication system according to the fourth embodiment transmits information.
[0099]
In the optical communication system according to the fourth embodiment, the surface emitting laser element according to the first or second embodiment is used as a signal light source on the transmission side. Therefore, it is possible to use a signal light source having a low threshold and high reliability. In addition, since single transverse mode oscillation is possible, an optical signal can be reliably transmitted without distorting the signal waveform during transmission. Specifically, it is possible to transmit an optical signal directly modulated at 10 Gbit / s even if the fiber length of the transmission optical fiber 46 is 15 km or more.
[0100]
In addition, since the surface emitting laser element according to the first or second embodiment can change the emission wavelength in the range of 850 nm to 1650 nm, it is possible to select a wavelength with low loss in the transmission optical fiber 46. . Moreover, it has the advantage that the existing optical communication system can be utilized in these wavelength bands. For example, the emission wavelength may be 980 nm, and an EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) may be disposed on the transmission optical fiber 46. In this case, since the intensity of the optical signal can be amplified by the EDFA, the transmission distance can be further extended. Similarly, a TDFA, a Raman amplifier, or the like may be used.
[0101]
【The invention's effect】
As explained above, This According to the invention, since the structure of the selective oxidation region is optimized, the threshold current is suppressed to a low value, high reliability, single transverse mode oscillation is possible, and direct modulation can be performed at 10 Gbit / s. There is an effect that a surface emitting laser element capable of long-distance transmission can be provided.
[0102]
Also, This According to the present invention, the configuration using the surface emitting laser with the optimized structure of the selective oxidation region is provided, so that it is possible to provide a transceiver, an optical transceiver, and an optical communication system capable of single transverse mode oscillation and capable of long-distance transmission. There is an effect that can be done.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view showing a structure of a surface emitting laser element according to a first embodiment;
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views showing the structure of an 850 nm band surface emitting laser element used for measurement. FIGS.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an effective refractive index difference.
4 is a cross-sectional view showing a structure of a surface emitting laser element according to a modification of the first embodiment. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a surface emitting laser element according to a second embodiment.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the film thickness of the selective oxidation region and the effective refractive index difference for each mirror layer in which the selective oxidation region is disposed.
7 is a cross-sectional view showing a structure of a surface emitting laser element according to a modification of the second embodiment. FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing a structure of an optical transceiver according to a third embodiment.
FIG. 9 is a block diagram showing a structure of an optical communication system according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional surface emitting laser element.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Lower reflective layer
3, 26 Lower cladding layer
4 Active layer
5, 27 Upper cladding layer
6 Upper reflective layer
7 Contact layer
8 p-side electrode
9 n-side electrode
10, 17 High refractive index layer
11, 16 Low refractive index layer
12, 18 Mirror layer
13a-13d barrier layer
14a-14d quantum well layer
15 2λ resonator
19a, 29a, 29a-1 Current injection region
19b, 29b, 29b-1 selective oxidation region
20, 30 Current confinement layer
28 λ resonator
31 Transceiver
32, 42 Signal multiplexing circuit
33, 50 Signal separation circuit
34 Optical transmitter
35 Optical receiver
36, 44 Surface emitting laser element
37, 43 Control circuit
38 Output optical system
39, 48 photoelectric conversion element
40 Input optics
41, 49 Amplifier circuit
45, 47 Optical system
46 Optical fiber for transmission

Claims (12)

GaAsによって形成された基板上に、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、前記基板に対して垂直方向に1260nm以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光をレーザ発振する面発光レーザ素子であって、
前記上部反射層および前記下部反射層は、発振波長の1/4の光学長を有しAlxGa1-xAs(0.5≦x≦1)を含む低屈折率層および発振波長の1/4の光学長を有しAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)を含む高屈折率層の2層構造を備えたミラー層を複数積層して形成され、
前記下部反射層または前記上部反射層の内部であって、前記活性層中心から370nm以上、780nm以下の距離だけ積層方向に離隔した領域であり、かついずれかのミラー層における前記低屈折率層内の電界強度分布が最小となる位置の近傍に配置された、AlxGa1-xAs(0.97≦x≦1)を選択酸化して形成される選択酸化領域と、
該選択酸化領域に挟まれて配置された3.5μm以上の径の電流注入領域と、
を備え、該電流注入領域を含む積層方向領域の実効屈折率と、前記選択酸化領域を含む積層方向領域の実効屈折率との差分値が、前記電流注入領域の径と下記式によって決定され、かつ0.038以下であり、さらに前記選択酸化領域は、前記差分値と該選択酸化領域の積層方向の位置との関係から算出される膜厚を有し、前記レーザ光は単一横モード発振することを特徴とする面発光レーザ素子。
Φ c (λ)/3.5={λ/(Δn) 1/2 }/{0.85/(0.0165) 1/2
ただし、Φ c (λ)は、当該面発光レーザ素子の発振するレーザ光の波長がλ[μm]の場合の前記電流注入領域の径であり、Δnは、前記差分値である。
It has a structure in which a lower reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper reflective layer are sequentially laminated on a substrate formed of GaAs, and has a wavelength of 1260 nm or more and 1360 nm or less in a direction perpendicular to the substrate A surface emitting laser element that oscillates a laser beam having
The upper reflective layer and the lower reflective layer have a low refractive index layer having an optical length of ¼ of the oscillation wavelength and containing Al x Ga 1-x As (0.5 ≦ x ≦ 1) and 1 of the oscillation wavelength. A plurality of mirror layers having a two-layer structure of a high refractive index layer having an optical length of / 4 and containing Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2),
Inside the lower reflective layer or the upper reflective layer, a region separated from the center of the active layer by a distance of 370 nm or more and 780 nm or less in the stacking direction, and in the low refractive index layer in any mirror layer A selective oxidation region formed by selective oxidation of Al x Ga 1-x As (0.97 ≦ x ≦ 1), which is disposed in the vicinity of the position where the electric field intensity distribution of
A current injection region having a diameter of 3.5 μm or more disposed between the selective oxidation regions;
The difference value between the effective refractive index of the stacking direction region including the current injection region and the effective refractive index of the stacking direction region including the selective oxidation region is determined by the diameter of the current injection region and the following formula: and it is 0.038 or less, further wherein selectively oxidized region has a thickness that is calculated from the relationship between the position in the stacking direction of the difference value and the selected oxide region, wherein the laser beam is single transverse mode oscillation A surface-emitting laser element characterized by:
Φ c (λ) /3.5= {λ / (Δn) 1/2 } / {0.85 / (0.0165) 1/2 }
Here, Φ c (λ) is the diameter of the current injection region when the wavelength of the laser light oscillated by the surface emitting laser element is λ [μm], and Δn is the difference value.
前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の2倍の光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第1周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素子。
The optical resonator formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer has an optical length that is twice the wavelength of the laser beam,
2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the selective oxidation region is arranged in a mirror layer laminated in a first period from the active layer side in the upper or lower reflection layer. .
前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第2周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素子。
The optical resonator formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer has an optical length equal to the wavelength of the laser beam,
2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the selective oxidation region is disposed in a mirror layer stacked in a second period from the active layer side in the upper or lower reflection layer. .
前記選択酸化領域は、6nm以上、32nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項2または3に記載の面発光レーザ素子。  4. The surface emitting laser element according to claim 2, wherein the selective oxidation region has a thickness of 6 nm or more and 32 nm or less. 前記選択酸化領域は、10nm以上、13nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項2または3に記載の面発光レーザ素子。  4. The surface emitting laser element according to claim 2, wherein the selective oxidation region has a thickness of 10 nm or more and 13 nm or less. 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の2倍の光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第2周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素子。
The optical resonator formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer has an optical length that is twice the wavelength of the laser beam,
2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the selective oxidation region is disposed in a mirror layer stacked in a second period from the active layer side in the upper or lower reflection layer. .
前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第3周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素子。
The optical resonator formed by the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer has an optical length equal to the wavelength of the laser beam,
2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the selective oxidation region is disposed in a mirror layer stacked in a third period from the active layer side in the upper or lower reflection layer. .
前記選択酸化領域は、6nm以上、46nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項6または7に記載の面発光レーザ素子。  8. The surface emitting laser element according to claim 6, wherein the selective oxidation region has a film thickness of 6 nm or more and 46 nm or less. 前記選択酸化領域は、10nm以上、20nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項6または7に記載の面発光レーザ素子。  8. The surface emitting laser element according to claim 6, wherein the selective oxidation region has a thickness of 10 nm or more and 20 nm or less. 請求項1〜9のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、
外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部と、
を備えたことを特徴とするトランシーバ。
An optical transmitter comprising: the surface emitting laser element according to claim 1; and a control circuit that controls a current value injected into the surface emitting laser element based on an input electric signal;
An optical receiver having a photoelectric conversion element that receives an optical signal incident from the outside and converts it into an electrical signal;
A transceiver comprising:
請求項1〜9のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、
該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
該光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信号に分離する信号分離回路と、
を備えたことを特徴とする光送受信器。
The surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 9,
A signal multiplexing circuit for multiplexing a plurality of electrical signals;
A control circuit for controlling the surface-emitting laser element based on an electric signal output from the signal multiplexing circuit;
A photoelectric conversion element that receives an optical signal incident from the outside and converts it into an electrical signal;
A signal separation circuit for separating an electrical signal output from the photoelectric conversion element into a plurality of electrical signals;
An optical transceiver characterized by comprising:
請求項1〜9のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入射し、伝送する伝送用光ファイバと、
該伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
を備えたことを特徴とする光通信システム。
The surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 9,
A control circuit for controlling the surface emitting laser element;
An optical fiber for transmission that transmits an optical signal emitted from the surface emitting laser element from one end and transmits the optical signal;
A photoelectric conversion element that receives the optical signal incident from the other end of the transmission optical fiber and converts the optical signal into an electrical signal;
An optical communication system comprising:
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