JP4649866B2 - 面発光半導体レーザー及びこれを用いた光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光半導体レーザーとこの面発光レーザーを用いた光源装置を具備する光学装置に関し、特に単一横モードを維持したまま、出力の増大化を図るためにモードフィールド径の拡大を図った面発光半導体レーザー及び光学装置に関する。

近年、データ通信等における光通信用の光源として、垂直共振器型の面発光半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が用いられている。
この垂直共振器型面発光半導体レーザーでは、横方向の発振モード（横モード）を単一モードに抑制することによって、光ファイバ通信の光源として使用する際に問題となるモード分散を回避することができ、長距離あるいは高データレートの通信が可能となる。
横モードの単一化には、発光領域を酸化によって小さく絞った酸化狭窄方式や、この酸化狭窄方式と、出射口に設けた高次モードの吸収・反射機構とを組み合わせた方式などが提案されている。
しかし、これらの方式で単一横モードを実現するには発光領域の直径を波長の３倍以下程度にしなければならず、発光領域の大口径化によるレーザーの高出力化には不向きであった。

そこで、ＶＣＳＥＬのレーザー発振部に所定の間隔をもって空孔を配置するフォトニック結晶構造を採用することによって、発光領域の大口径化すなわち光出力化を図りつつ単一横モード発振を実現する方法が考案されている（例えば非特許文献１参照）。

Noriyuki Yokouchi et al, "Vertical-cavity surface-emitting laser operating with photonic crystal seven-point defect structure", Applied Physics Letters, Vol.82, No.21, 26 May 2003, pp.3608-3610

また、本出願人は、先にＶＣＳＥＬのレーザー発振部に、共振器方向と直交する方向の断面が円形や三角形などの低屈折率領域、例えば空孔を配置することによって、発光領域の大口径化及び単一横モード化を図ることを提案した（特願2003−367741号出願）。
上述のフォトニック結晶構造を採る方法や、このように低屈折率領域として空孔を設ける方法では、ＶＣＳＥＬの上部多層膜反射鏡すなわち上部ＤＢＲの一部に空孔を形成することによって、発振光の横モードを制御している。

ところが、この空孔部分では、上部ＤＢＲの機能が損なわれていることから、外部からの光がこの空孔を通して活性層に侵入してしまい、いわば外部光が入射する窓として空孔が機能してしまう恐れがある。
例えば光ファイバ通信でレーザー光をファイバに入力する際には、ファイバの端面や集光レンズなどの界面で反射したレーザー光がレーザー自身に再び入るいわゆる戻り光の問題を解決することが求められる。この戻り光が活性層に達すると、不要な励起を誘発し、ノイズの原因となることが知られている。

共振器の出射側反射鏡の反射率が５％程度と比較的低い端面発光型の半導体レーザーでは、この戻り光ノイズが問題となるため、アイソレーター等の光学部品を用いて戻り光の除去を行っている。
これに対してＶＣＳＥＬでは端面発光型レーザーに比べ反射鏡の反射率が９９．９％程度と非常に高いため、通常は戻り光の除去を行う必要はないとされている。

しかしながら、上述したように大口径化及び単一横モード化のためにＤＢＲに空孔を設けたＶＣＳＥＬの場合は、空孔部分における反射率が低下していることから、戻り光が活性層に入る窓として機能してしまい、戻り光ノイズの要因となる恐れがあり、端面発光型レーザーと同様に、戻り光除去機構が必要となってしまう。すなわち、大口径単一横モード化のために、戻り光に強いというＶＣＳＥＬの特長が失われてしまうこととなる。

本発明は、上述の問題に鑑みて、面発光半導体レーザーにおいて、横モード制御のための空孔を設ける場合においても、戻り光が活性層に到達しにくい構造を提案することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、近赤外光を発する活性層と、活性層下に配設された第１のクラッド層と、活性層上に配設された第２のクラッド層と、第１のクラッド層下に配設された第１のＤＢＲと、第２のクラッド層上に配設された第２のＤＢＲと、活性層と第１及び第２のクラッド層と第１及び第２のＤＢＲとによって構成される垂直共振型の共振器の外周部に設けられた孔部と、孔部内に充填された銅イオンを含む低屈折率樹脂と、を備えた面発光半導体レーザーとする。

また、本発明による光学装置は、光源装置を具備する光学装置であって、この光源装置が、面発光半導体レーザーを有し、面発光半導体レーザーが、近赤外光を発する活性層と、活性層下に配設された第１のクラッド層と、活性層上に配設された第２のクラッド層と、第１のクラッド層下に配設された第１のＤＢＲと、第２のクラッド層上に配設された第２のＤＢＲと、活性層と第１及び第２のクラッド層と第１及び第２のＤＢＲとによって構成される垂直共振型の共振器の外周部に設けられた孔部と、孔部内に充填された銅イオンを含む低屈折率樹脂と、を備えた構成とすることを特徴とする。

上述したように、本発明による面発光半導体レーザーは、共振器のレーザー発振部に孔部すなわち空孔を設けるものの、この孔部内に銅イオンを含む低屈折率樹脂を充填することから、この孔部を通じて外部からの光が活性層へ到達することを確実に抑制することができて、戻り光ノイズの発生を抑制することができる。
これにより、大口径化を図りつつ横モードを制御して、且つ戻り光ノイズが抑制された面発光半導体レーザーを提供することができる。

また、本発明による光学装置においては、その光源装置に用いられる面発光半導体レーザーを、近赤外光を発する活性層と、活性層下に配設された第１のクラッド層と、活性層上に配設された第２のクラッド層と、第１のクラッド層下に配設された第１のＤＢＲと、第２のクラッド層上に配設された第２のＤＢＲと、活性層と第１及び第２のクラッド層と第１及び第２のＤＢＲとによって構成される垂直共振型の共振器の外周部に設けられた孔部と、孔部内に充填された銅イオンを含む低屈折率樹脂と、を備えた構成とすることによって、光源である面発光半導体レーザーの大口径化及び横モードの単一化を図りつつ戻り光ノイズを抑制することができて、光学ピックアップ装置や光通信装置などに用いて記録再生特性、通信性能の向上を図ることができる。

以下、本発明による面発光半導体レーザー及びこの面発光半導体レーザーから成る光源装置を具備する光学装置の実施の形態例について説明するが、本発明は、以下の実施の形態例に限られるものではないことはいうまでもない。

〔面発光半導体レーザーの実施の形態例〕
まず、本発明による面発光半導体レーザーの実施の形態例を、図１を参照して説明する。
図１は、この形態例による面発光半導体レーザーの、一部を断面として示した概略斜視図である。
この実施の形態例における面発光半導体レーザー１において、基板３上に、必要に応じて設けられたバッファ層４と、第１のＤＢＲ５と、第１のクラッド層６と、活性層７と、第２のクラッド層８と、第２のＤＢＲ９と、キャップ層１０とが、順次例えば連続エピタキシーによって形成される。
そして、酸化狭窄層１８が、第１のクラッド層６の下部又は第２のクラッド層８の上部、図示の例においては第２のクラッド層８の上部に、電流通路となる中央部に開口を有する形状として形成される。この酸化狭窄層１８は、例えば各層をエピタキシャル成長し、エッチング等によって垂直共振器型に形成した後、選択酸化によって形成し得る。

基板３の裏面には、第１電極２がオーミックに被着され、キャップ層１０上には、リング状パターンに例えばＳｉＯ_２による絶縁膜１１が形成され、この絶縁膜１１の中心に形成された開口部１１ｗを通じてキャップ層１０にオーミックにコンタクトされるリング部１２ａを有する第２の電極１２が形成される。
第１ＤＢＲ５及び第２ＤＢＲ９の間には垂直共振型の共振器が形成され、第１及び第２の電極２及び１２との対向部、すなわち開口部１１ｗ内の第２電極１２のリング部１２ａの下には主たる電流通路が形成されるようになされる。

ここで、第１電極２は例えば金／金−ゲルマニウム合金／金（Ａｕ／ＡｕＧｅ／Ａｕ）の、第２電極１２及びリング部１２ａは例えばチタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の、それぞれ多層膜により構成され、例えばそれぞれ蒸着もしくはスパッタ等によって形成される。
また、基板３は例えば第１導電型ここではｎ型のＧａＡｓより成り、バッファ層４は例えばＧａＡｓより成り、第１ＤＢＲ５は例えばＡｌＧａＡｓによる積層膜より成り、第１クラッド層６は例えばＡｌＧａＡｓより成り、活性層７は例えばＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとによる積層膜より成り、第２クラッド層８は例えばＡｌＧａＡｓより成り、第２ＤＢＲ９は例えばＡｌＧａＡｓによる積層膜より成り、キャップ層１０は第２導電型ここではｐ型のＧａＡｓより成る構成とすることができる。

そしてこの例においては、上述した共振器の外周部に、例えば低屈折率領域を構成する孔部２１を配置する。この低屈折率領域を構成する孔部２１を設ける場合は、面発光半導体レーザー１における主たる電流通路の通電方向と交叉する断面形状を、共振器の中心方向に向かって先細形状の鋭角を有する形状として形成することができる。そしてその深さは、孔部２１の鋭角端部、すなわち主たる電流通路の中心部との対向端２１ａが活性層７に至ることがない深さに選定されて成る。

この孔部２１は、例えばフォトリソグラフィ−技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）等の異方性エッチングとによって形成することができる。
このように、共振器の中心方向に向かって先細形状とされた孔部２１を設けることによって、上記特願2003−367741号出願に記載されているように、主たる電流の通路、すなわち、キャビティ構成部の周囲において、ここに配置された低屈折領域この場合孔部の存在による平均的屈折率の低下が生じることによって、中央部に光の閉じ込めがなされ、発振効率が高められる。更に、この低屈折率領域が間歇的に配置され、その先端が鋭角とされていることから、その閉じ込めは、緩やかで、外周への光の漏洩を幾分大とすることができ、発光面積が大となって大出力化が図られる。

また、低屈折率領域の側面、すなわち界面は、光の散乱損失が大きくなり、外周に局在する高次モードの発光レーザーの損失を促進させることができ、良好な単一モード半導体レーザーを構成することができる。
この場合は、フォトニック結晶構造による単一横モード化効果とは異なる現象が生じていることによって、大電流、高出力、単一横モードの半導体レーザーが得られていると考えられるものである。

なお、この低屈折率領域例えば孔部２１は、キャップ層１０を貫通し、例えば第２ＤＢＲ９内に形成されるが、緩やかな光の閉じ込めと高次モード光の散乱とを効果的に両立するには、対向端を有する孔部２１が同一面内、すなわち共振器の周方向に間歇的に３個以上設けられることが好ましい。

そして、本発明においては、少なくともこの孔部２１の上部と底部との間に遮光手段２６を設けることによって、この孔部２１を通じて活性層７に外部からの光が到達することを抑制する構成とする。

この遮光手段２６としては、例えば図２に示すように、孔部２１の内部を低屈折率材料により充填した後、蒸着、スパッタリング等によって金属層より成る遮光手段２６を被着し、その後フォトリソグラフィ等の適用によって孔部２１の上部のみを覆う所定のパターンとして形成することができる。充填層２５に用いる低屈折率材料としては、例えば屈折率１．５のポリイミドなどを用いることができる。このような構成とすることによって、金属層により外部からの光を確実に反射させて、孔部２１を通じて活性層７に光が到達することを抑制することができる。

また、図３に示すように、金属層を孔部２１の底面及び内側面に被着して、図１に示す例と同様の遮光手段２６を設ける構成としてもよい。この場合、金属層より成る遮光手段２６は、例えば蒸着又はスパッタリング等によって全面的に薄く被着した後、孔部２１の外部をフォトリソグラフィの技術を適用して選択的に除去することによって形成し得る。
または、例えば孔部２１の外部に予めレジスト等より成るマスク層を被着しておき、全面的に金属層を蒸着、スパッタリング等によって全面的に被着し、マスク層をリフトオフすることによって、同様に孔部２１内に選択的に金属層より成る遮光手段２６を形成することもできる。

これら図２及び図３に示す例において用いられる金属層の材料は、例えば上述の第１及び第２電極の材料として用いられる金が反射材料として好適であり、その他半導体レーザーの発振波長に対して高い反射率を有する各種合金、例えば金−ゲルマニウム合金、チタン、白金など種々の合金やその積層膜などを用いることができる。

また、図４に示すように、孔部２１の内部を、低屈折率で且つ戻り光に対する吸収率が高い低屈折率高吸収材料により充填して遮光手段２６を構成することもできる。
この低屈折率高吸収材料としては、例えば面発光半導体レーザーの発振波長が近赤外の場合、この波長帯域の光を良好に吸収する銅イオンを含んだ樹脂などが、機能性及び充填性に優れていて好適である。このような樹脂材料は、例えば塗布により良好に孔部２１内に充填させることができる。

なお、いずれの場合においても、金属層などの反射材料や高吸収材料が孔部２１以外の領域に存在すると、発振光の取り出しの妨げとなることから、遮光手段２６を設ける領域としては、フォトリソグラフィの適用により孔部２１の内側又は上部を略覆う形状にとどめることが望ましい。

このような本発明構成をとることにより、面発光半導体レーザー１の外周部に多く分布する高次モード光を、孔部２１の存在によって反射及び散乱される確率が増大化されて、結果的に横モードの単一化を図ることができるとともに、効果的に孔部２１の存在による戻り光ノイズの発生を抑制することができることとなり、垂直共振器型面発光半導体レーザーの特長を損なうことなく、大口径化及び単一横モード化を図ることが可能となる。

なお、本発明による面発光半導体レーザーは、上述の各例に限定されることはなく、孔部の構成及び形状のほか、例えば基板及び各層の材料構成において種々の材料を用いることができる。一例として、本発明に適用して好適な基板及び各層の材料とその発振波長を、下記の表１に示す。

また、本発明は、その他の各種構成の面発光半導体レーザーに本発明構成を逸脱しない範囲において、適用し得ることはいうまでもない。
次に、本発明による面発光半導体レーザーから成る光源装置を具備する光学装置の実施の形態例を、図５〜図７を参照して説明する。

〔光学装置の第１の実施の形態例〕
この実施の形態例においては、光学装置の一例としての、ＣＤ等の光記録媒体の記録／再生に用いられる光ピックアップ装置に関して説明する。

この実施の形態例における光学装置すなわち光ピックアップ装置３１は、図５にその概略構成図を示すように、本発明による半導体レーザー（図示せず）を有する光源装置３２と、所望の光スポットを形成するグレーティング３３と、特定の偏光のみを透過する偏光ビームスプリッタ３４と、コリメータレンズ３５ａ及び３５ｂと、１／４波長シフト板３６と、光学記録媒体３７と、円柱レンズ３８と、光検出器３９とを有する。
光源装置３２より出射された、本発明による面発光半導体レーザーによるレーザー光は、グレーティング３３及び偏光ビームスプリッタ３４を通過し、コリメータレンズ３５ａで平行化され、１／４波長シフト板３６で円偏光とされ、コリメータレンズ３５ｂによって光学記録媒体３７上で焦点を結び、例えばピット面で反射された光が、コリメータレンズ３５ｂ、１／４波長シフト板３６で直線偏光とされ、コリメータレンズ３５ａを経由して、偏光ビームスプリッタ３４で反射された後、円柱レンズ３８を経て光検出器３９に集束される。

光源装置３２は、本発明による面発光半導体レーザーを有するものであり、この面発光半導体レーザーは、活性層を挟んで第１及び第２のＤＢＲが配置されて垂直方向の共振器が形成され、共振器の外周部に例えば低屈折率領域を構成する空孔すなわち孔部が、共振器の周方向に間歇的に配置されて成り、少なくともこの孔部の上部と底部との間に、遮光手段が設けられて成るものとすることができる。

この構成による光学装置においては、光源装置３２を構成する本発明による面発光半導体レーザーによって、横モードが単一かつ高出力のレーザー光の出射がなされることから、光学記録媒体３７に対する記録／再生において、動作の高速化が可能となり、またその戻り光ノイズが低減化され、記録再生特性に優れた光学装置を提供することができる。

〔光学装置の第２の実施の形態例〕
この実施の形態例においては、光学装置の一例としての、例えばレーザープリンターにおける感光体に対する露光作用がなされる投影光学装置に関して説明する。

この実施の形態例における光学装置すなわちレーザープリンター用投影光学装置４１は、例えば、図６Ａにその概略構成図を示すように、本発明による面発光半導体レーザー（図示せず）を有する光源装置４２と、拡大光学系４３と、ミラー４４と、感光体４５とから成る構成とすることができる。
この例においては、光源装置４２を構成する光源は、本発明による半導体レーザー（図示せず）を２次元的に多数集積されて成るＶＣＳＥＬアレイ構造を有し、光源装置４２より出射されたレーザー光は、拡大光学系４３を経由してミラー４４によって感光体４５に照射されて、所望のパターンの感光がなされる。

また、この実施の形態例における光学装置すなわちレーザープリンター用投影光学装置４１は、例えば、図６Ｂにその概略構成図を示すように、光源装置４６と、例えばポリゴンミラー又はガルバノミラーによる可動式ミラー４７と、ミラー４８と、感光体４９とから成る構成とすることもできる。

この例においては、本発明による面発光半導体レーザー（図示せず）を有する光源装置４２から出射されたレーザー光は、可動式ミラー４７によって、ミラー４８に対して２次元的に投影をなされ、感光体４９に照射されて、これにより所望のパターンの感光がなされる。

これらの構成による光学装置においては、光源装置４２を構成する本発明による面発光半導体レーザーによって、横モードが単一かつ高出力のレーザー光の出射がなされることから、感光体４５に対する投影において、高出力のレーザー光による高速な出力が可能となるとともに、戻り光ノイズが低減化されることから、ノイズによる投影の乱れが抑制され、比較的鮮明なパターンの投影が可能となるものである。

〔光学装置の第３の実施の形態例〕
この実施の形態例においては、光学装置の一例としての通信装置に関して説明する。
この例においては、光学装置５１は、図７にその概略構成図を示すように、光源装置すなわち送信装置５２と、光ファイバ５３と、受信装置５４とを有する。
光源装置５２は、本発明による面発光半導体レーザー（図示せず）を有するものであり、この面発光半導体レーザーは、活性層を挟んで第１及び第２のＤＢＲが配置されて垂直方向の共振器が形成され、共振器の外周部に例えば低屈折率領域を構成する孔部が、共振器の周方向に間歇的に配置されて成り、そして少なくともこの孔部の上部と底部との間に遮光手段を設ける構成とする。

このような構成による光学装置５１によれば、光源装置５２を構成する本発明による面発光半導体レーザーによって、横モードが単一かつ高出力のレーザー光の出射がなされるとともに、特にその戻り光のイズの低減化を図ることができることから、通信性能に優れた光学装置すなわち通信装置を提供することができる。

以上、本発明による面発光半導体レーザー及びこれを用いた光学装置の実施の形態例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態例に限られるものではなく、種々の変形、変更が可能である。
例えば本発明による光学装置の光源装置を構成する面発光半導体レーザーは、その他例えばフォトニック結晶を構成する孔部を設ける構成とすることもでき、またその他各種の孔部を設ける面発光半導体レーザー及びこれを用いた光学装置に本発明を適用することができることはいうまでもない。

また、本発明による面発光半導体レーザーから成る光源装置を具備する光学装置においては、実施の形態例として挙げた通信装置のほか、伝送装置あるいは光集積回路装置など、本発明による面発光半導体レーザーから成る光源装置を具備する種々の装置を構成することも可能である。
そして、本発明による光学装置においては、単一基板上或いは複数の基板上に面発光半導体レーザーが複数個形成された所謂アレイレーザーとして構成することもできるなど、本発明による面発光半導体レーザー及び光学装置は本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更をなされ得る。

本発明による面発光半導体レーザーの一例における構造を示す概略斜視図である。 本発明による面発光半導体レーザーの一例の要部の模式的拡大断面図である。 本発明による面発光半導体レーザーの一例の要部の模式的拡大断面図である。 本発明による面発光半導体レーザーの一例の要部の模式的拡大断面図である。 本発明による光学装置の一例としての光ピックアップ装置の概略構成図である。 Ａは本発明による光学装置の一例としてのレーザープリンター用投影装置の概略構成図である。Ｂは本発明による光学装置の一例としてのレーザープリンター用投影装置の概略構成図である。 本発明による光学装置としての通信装置の一例の概略構成図である。

符号の説明

１・・・面発光半導体レーザー、２・・・第１電極、３・・・基板、４・・・バッファ層、５・・・第１ＤＢＲ、６・・・第１クラッド層、７・・・活性層、８・・・第２クラッド層、９・・・第２ＤＢＲ、１０・・・キャップ層、１１・・・絶縁膜、１１ｗ・・・開口部、１２・・・第２電極、１２ａ・・・リング部、１８・・・酸化狭窄層、２１・・・孔部、２１ａ・・・対向端、２５・・・充填層、２６・・・遮光手段、３１・・・光学装置（光ピックアップ装置）、３２・・・光源装置、３３・・・グレーティング、３４・・・偏光ビームスプリッタ、３５ａ・・・コリメータレンズ、３５ｂ・・・コリメータレンズ、３６・・・１／４波長シフト板、３７・・・光学記録媒体、３８・・・円柱レンズ、３９・・・光検出器、４１・・・光学装置（レーザープリンター用投影光学装置）、４２・・・光源装置、４３・・・拡大光学系、４４・・・ミラー、４５・・・感光体、４６・・・光源装置、４７・・・可動式ミラー、４８・・・ミラー、４９・・・感光体、５１・・・光学装置（通信装置）、５２・・・光源装置、５３・・・光ファイバ、５４・・・受信装置

Claims (2)

1. 近赤外光を発する活性層と、
   前記活性層下に配設された第１のクラッド層と、
   前記活性層上に配設された第２のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層下に配設された第１のＤＢＲと、
   前記第２のクラッド層上に配設された第２のＤＢＲと、
   前記活性層と第１及び第２のクラッド層と前記第１及び第２のＤＢＲとによって構成される垂直共振型の共振器の外周部に設けられた孔部と、
   前記孔部内に充填された銅イオンを含む低屈折率樹脂と、
   を備えた
   面発光半導体レーザー。
2. 光源装置を具備する光学装置であって、
   該光源装置が、面発光半導体レーザーを有し、
   該面発光半導体レーザが、近赤外光を発する活性層と、前記活性層下に配設された第１のクラッド層と、前記活性層上に配設された第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層下に配設された第１のＤＢＲと、前記第２のクラッド層上に配設された第２のＤＢＲと、前記活性層と第１及び第２のクラッド層と前記第１及び第２のＤＢＲとによって構成される垂直共振型の共振器の外周部に設けられた孔部と、前記孔部内に充填された銅イオンを含む低屈折率樹脂と、を備えた
   光学装置。

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