JP4680537B2 - Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical interconnection system, optical communication system, electrophotographic system, and optical disc system - Google Patents
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Description
本発明は、面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステムに関する。 The present invention relates to a surface emitting laser element, a surface emitting laser array, an optical interconnection system, an optical communication system, an electrophotographic system, and an optical disc system.
近年、基板と垂直方向にレーザ発振を生じる面発光レーザ素子(面発光型半導体レーザ素子)が、精力的に研究されている。面発光レーザは、端面発光型レーザに比べて活性層体積が小さい事により発振閾値電流が低く、また共振器構造が高速変調に適し、更に円形状の高品質な出射ビーム形状を有する等の特徴を有しており、このような特徴から、LAN等の高速光通信光源、電子写真システムの光源として非常に注目されている。 In recent years, surface emitting laser elements (surface emitting semiconductor laser elements) that generate laser oscillation in a direction perpendicular to the substrate have been intensively studied. The surface emitting laser has a low oscillation threshold current due to its small active layer volume compared to the edge emitting laser, the resonator structure is suitable for high-speed modulation, and has a circular high-quality outgoing beam shape. Because of these characteristics, it has attracted much attention as a high-speed optical communication light source such as a LAN and a light source of an electrophotographic system.
更に、面発光レーザ素子は基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せる事から、高密度2次元アレイ集積が容易であり、並列光インターコネクション用光源、高速高精彩電子写真システム等への応用が検討されている。 Furthermore, the surface-emitting laser element can take out the laser output in the direction perpendicular to the substrate, so high-density two-dimensional array integration is easy, and its application to light sources for parallel optical interconnections, high-speed, high-resolution electrophotographic systems, etc. Has been.
現在、面発光レーザ素子の代表的な構造として、注入電流の狭窄構造の違いから、選択酸化型の面発光レーザ素子と、イオン注入型の面発光レーザ素子との2種の構造を挙げる事ができる。いずれの構造も、電流の注入領域を素子の中央部にあたる特定の領域に狭窄する事により、大幅な発振閾値電流の低減を実現している。 At present, as a typical structure of a surface emitting laser element, there are two types of structures of a selective oxidation type surface emitting laser element and an ion implantation type surface emitting laser element due to a difference in a constriction structure of an injection current. it can. In either structure, the oscillation threshold current is significantly reduced by confining the current injection region to a specific region corresponding to the central portion of the element.
例えば非特許文献1では、InGaAsを活性層とした0.98μm帯面発光レーザ素子が示されている。この面発光レーザ素子では、活性層の上部に設けたp−Al0.9Ga0.1As/GaAsからなる上部分布ブラッグ反射器中に、Al0.98Ga0.02As被選択酸化層が設けられている。この面発光レーザ素子は、結晶成長の後、エッチングにより被選択酸化層の側面が露出するように上部分布ブラッグ反射器を方形状のメサにエッチング加工し、85℃に加熱した水を窒素ガスでバブリングした雰囲気中において425℃に加熱して、エッチング側面からメサの中央に向かってAl0.98Ga0.02As被選択酸化層の選択酸化を行っている。選択酸化によってメサの周辺にはAlOx(Alの酸化物)による絶縁領域が形成され、メサの中央には、非酸化領域による導通領域が形成される。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a 0.98 μm band surface emitting laser element using InGaAs as an active layer. In this surface emitting laser element, an Al 0.98 Ga 0.02 As selective oxidation layer is provided in an upper distributed Bragg reflector made of p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs provided on the active layer. Is provided. In this surface emitting laser element, after the crystal growth, the upper distributed Bragg reflector is etched into a rectangular mesa so that the side surface of the selectively oxidized layer is exposed by etching, and water heated to 85 ° C. is heated with nitrogen gas. In the bubbling atmosphere, the Al 0.98 Ga 0.02 As selective oxidation layer is selectively oxidized from the etching side surface toward the center of the mesa by heating to 425 ° C. By selective oxidation, an insulating region made of AlO x (Al oxide) is formed around the mesa, and a conductive region made of a non-oxidized region is formed in the center of the mesa.
以上の様に、通常、面発光レーザにおける選択酸化領域は、AlGaAs被選択酸化層の一部をエッチング等によって水蒸気を含む雰囲気中に晒し、加熱する事によって行われている。 As described above, the selective oxidation region in the surface emitting laser is usually performed by exposing a part of the AlGaAs selective oxidation layer to an atmosphere containing water vapor by etching or the like and heating it.
この種の面発光レーザ素子では、上部分布ブラッグ反射器の表面から注入された正孔は、メサの中央の非酸化導通領域へと狭窄されて活性層に注入される。AlOxは非常に良好な絶縁体であり、正孔の注入領域をメサの中央部に限定する事が可能であり、このような選択酸化構造を用いる事によって発振閾値電流を大幅に低減する事ができる。非特許文献2に示されている素子では、非酸化領域の面積を4.5μm×8μmとした素子において、900μmの低閾値電流が得られている。 In this type of surface emitting laser element, holes injected from the surface of the upper distributed Bragg reflector are confined to the non-oxidation conducting region at the center of the mesa and injected into the active layer. AlO x is a very good insulator, and the hole injection region can be limited to the central portion of the mesa. By using such a selective oxidation structure, the oscillation threshold current can be greatly reduced. Can do. In the element shown in Non-Patent Document 2, a low threshold current of 900 μm is obtained in an element in which the area of the non-oxidized region is 4.5 μm × 8 μm.
また、AlOxの屈折率は1.6程度と、他の半導体層に比べて低い事から、選択酸化型の面発光レーザ素子では、選択酸化層によって共振器構造内に横方向の屈折率差が生じ、発振光がメサ中央に閉じ込められるので、回折による損失が低減し、素子の効率を向上させる事が可能である。しかし、逆に光閉じ込めが大きくなるので、高次横モードの発振を抑制する為に酸化狭窄径を小さくする事が必要となる。波長帯にもよるが、従来、単一の酸化狭窄構造を設けた面発光レーザ素子では、酸化狭窄の直径、または、一辺の長さを発振波長の3〜4倍程度に絞る事によって、単一基本モード発振を得る事が可能である。以上の様に、選択酸化構造を用いる事により、発振閾値の低減と、回折損失の低減、及び単一基本モード制御が実現できる。 In addition, since the refractive index of AlO x is about 1.6, which is lower than that of other semiconductor layers, in the selective oxidation type surface emitting laser element, the lateral refractive index difference in the resonator structure is caused by the selective oxidation layer. Since oscillating light is confined in the center of the mesa, loss due to diffraction can be reduced, and the efficiency of the element can be improved. However, since confinement of light increases, it is necessary to reduce the diameter of the oxidized constriction in order to suppress oscillation of higher-order transverse modes. Although depending on the wavelength band, conventionally, in a surface emitting laser element provided with a single oxidized constriction structure, the diameter or the length of one side of the oxidized constriction is reduced to about 3 to 4 times the oscillation wavelength. One fundamental mode oscillation can be obtained. As described above, by using the selective oxidation structure, it is possible to realize a reduction in oscillation threshold, a reduction in diffraction loss, and single fundamental mode control.
これに対し、水素イオン注入型の面発光レーザ素子は、選択酸化型の面発光レーザ素子のように作りつけの導波構造は持っておらず、電流通電時に発生する熱によって生じる僅かな屈折率の変化によって導波構造を形成し(サーマルレンズ効果)、横モードの閉じ込めを行なっている。水素イオン注入型の面発光レーザ素子では、光閉じ込めが弱いので、比較的大きな電流狭窄径においても単一基本横モード発振を得る事が可能である。非特許文献3では、GaAsを活性層とした0.85mμm帯水素イオン注入型面発光レーザ素子が示されている。この非特許文献3の面発光レーザ素子では、直径10μmの正孔注入領域により、2.5mAの発振閾値電流を得ている。 On the other hand, the hydrogen ion implanted surface emitting laser element does not have a built-in waveguide structure like the selective oxidation type surface emitting laser element, and has a slight refractive index generated by heat generated when current is applied. A waveguide structure is formed by the change of (thermal lens effect) and the transverse mode is confined. Since the hydrogen ion implantation type surface emitting laser element has weak light confinement, it is possible to obtain single fundamental transverse mode oscillation even at a relatively large current confinement diameter. Non-Patent Document 3 shows a 0.85 mμm band hydrogen ion implanted surface emitting laser element using GaAs as an active layer. In the surface emitting laser element of Non-Patent Document 3, an oscillation threshold current of 2.5 mA is obtained by a hole injection region having a diameter of 10 μm.
また、面発光レーザの多くの用途では、低閾値特性以外にも、高出力での単峰性のビーム形状が強く要求されており、単一横モード制御は非常に重要な課題として挙げられる。しかしながら、以上の構造の面発光レーザ素子において単一基本横モード制御が可能なのは比較的低注入レベルでの動作時のみであって、高注入レベルとした場合には、キャリアの空間的ホールバーニングにより高次横モードが発振してしまうという問題がある。 In many applications of surface emitting lasers, in addition to low threshold characteristics, a single-beam beam shape with high output is strongly required, and single transverse mode control is a very important issue. However, in the surface emitting laser device having the above structure, single fundamental transverse mode control is possible only when operating at a relatively low injection level, and in the case of a high injection level, by spatial hole burning of carriers. There is a problem that the high-order transverse mode oscillates.
つまり、高注入動作時には、共振器内部の光密度が増加する為、光強度が強い領域におけるキャリアの誘導放出レートが増加し、キャリア密度が低下するという現象(空間的ホールバーニング現象)が起こる。基本横モードはメサの中心に大きなモード分布(電界分布)を有するので、電流の注入レベルが増加し、共振器内の光密度が大きくなるに従って、メサの中心付近のキャリア密度が低下し、基本横モードに対するレーザ利得の飽和が起こる。この一方で、メサの中心部から側面部における領域では、メサ中心部に対してキャリア密度が高くなっているので、メサ中心部から側面部にかけてモード振幅を有する高次横モードでは、レーザ利得が増加して、レーザ発振が開始する。 That is, during the high injection operation, the light density inside the resonator increases, so that a phenomenon (spatial hole burning phenomenon) occurs in which the stimulated emission rate of carriers in a region where the light intensity is high increases and the carrier density decreases. Since the fundamental transverse mode has a large mode distribution (electric field distribution) at the center of the mesa, the carrier density near the center of the mesa decreases as the current injection level increases and the optical density in the resonator increases. Saturation of the laser gain for the transverse mode occurs. On the other hand, in the region from the center to the side of the mesa, the carrier density is higher than that of the center of the mesa. Therefore, in the high-order transverse mode having the mode amplitude from the center of the mesa to the side, the laser gain is It increases and laser oscillation starts.
この現象は、特に選択酸化構造によって強く横モード閉じ込めを行なっている選択酸化型の面発光レーザにおいて顕著に生じ、出射ビーム品質を低下させてしまう深刻な原因となっている。また、水素イオン注入型の面発光レーザ素子では、もともと作りつけの光閉じ込め構造を有していない事から、横モードに対する安定性が悪く、同様に注入レベルの増加に対し、容易に高次モードが発振してしまうという問題がある。 This phenomenon occurs remarkably in a selective oxidation type surface emitting laser that is strongly confined in a transverse mode by a selective oxidation structure, and is a serious cause of deteriorating the emitted beam quality. In addition, since the surface-emitting laser element of the hydrogen ion implantation type does not have a built-in optical confinement structure, the stability to the transverse mode is poor, and the higher-order mode can easily be increased against the increase of the implantation level. Oscillates.
高次横モードの発振を抑圧して以上の様な問題を解決するために、種々の提案がなされているが、例えば非特許文献4には、メサ中心部の電流注入領域に対応した領域のAl0.9Ga0.1As層を、結晶成長表面から選択的に酸化し、共振器構造の一部に選択酸化構造からなる反導波構造を形成することによって、高次横モードの発振を抑制する手法に関して記述がなされている。この例では、0.98μm帯の素子において、加熱水蒸気雰囲気中において、厚さ18.6nmのAlAs被選択酸化層をエッチング側面から選択酸化する事によって設けた直径10〜17μmの電流狭窄構造径に対して、メサの中心領域の電流注入領域に対応した位置に、同様に、水蒸気を含む加熱雰囲気中において、素子表面から1/2λ厚さのAl0.9Ga0.1As混晶を直径15μmの範囲に渡って選択酸化し、反導波構造を設けて、閾値の20倍もの注入電流においても、高次横モード発振が抑圧された単峰性の放射パターンを得ている。 Various proposals have been made to solve the above-described problems by suppressing higher-order transverse mode oscillation. For example, Non-Patent Document 4 discloses a region corresponding to the current injection region at the center of the mesa. By selectively oxidizing the Al 0.9 Ga 0.1 As layer from the crystal growth surface and forming an anti-waveguide structure made of a selective oxidation structure in a part of the resonator structure, high-order transverse mode oscillation There is a description about the method of suppressing the above. In this example, in a 0.98 μm band device, a current confinement structure diameter of 10 to 17 μm provided by selectively oxidizing an 18.6 nm thick AlAs target oxidation layer from the etching side surface in a heated steam atmosphere. On the other hand, at a position corresponding to the current injection region in the central region of the mesa, an Al 0.9 Ga 0.1 As mixed crystal having a thickness of ½λ from the element surface is similarly formed in a heating atmosphere containing water vapor. By selectively oxidizing over a range of 15 μm and providing an anti-waveguide structure, a unimodal radiation pattern in which high-order transverse mode oscillation is suppressed is obtained even at an injection current 20 times the threshold.
この非特許文献4のように、共振器構造の中心に反導波構造を設けると、高次横モードと活性層における利得領域(電流注入領域)の空間的重なりを減少できるので、高次横モードの発振を抑制する事が可能となる。図3(a),(b)は、部分的に設けた反導波構造によって、基本横モードと1次の高次モードの分布がどのような影響を受けるかを説明するための図である。ここで、図3(a)は反導波構造が無い場合のモード分布を示す図であり、図3(b)は素子の中心部に部分的に反導波構造を設けた場合のモード分布を示す図である。図3(a),(b)の上段が基本横モード分布、下段が1次の高次横モード分布を示している。また、図中には、電流注入によって生じる利得領域が示されている。 If the anti-waveguide structure is provided at the center of the resonator structure as in Non-Patent Document 4, the spatial overlap between the high-order transverse mode and the gain region (current injection region) in the active layer can be reduced. It is possible to suppress mode oscillation. FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining how the distribution of the fundamental transverse mode and the first-order higher-order mode is affected by the partially provided anti-waveguide structure. . Here, FIG. 3A is a diagram showing a mode distribution when there is no anti-waveguide structure, and FIG. 3B is a mode distribution when an anti-waveguide structure is partially provided at the center of the element. FIG. 3A and 3B show the basic transverse mode distribution, and the lower part shows the first-order higher-order transverse mode distribution. In the figure, a gain region generated by current injection is shown.
図3(a),(b)からわかるように、メサの中心部に大きなモード分布を有する基本横モードは、反導波構造によりモード分布をメサの側面方向へ押し広げる事が困難であるが、高次横モードではメサの中心において電界強度が零であり、周辺に領域に大きなモード分布を有するので、反導波構造によって、モード分布をメサの側面方向に容易に押し広げる事が可能であり、メサ中心部のモード分布(電界強度)を低減する事ができる。 As can be seen from FIGS. 3A and 3B, it is difficult for the fundamental transverse mode having a large mode distribution at the center of the mesa to push the mode distribution toward the side of the mesa by the anti-waveguide structure. In the high-order transverse mode, the electric field strength is zero at the center of the mesa and the region has a large mode distribution in the periphery, so the anti-waveguide structure can easily push the mode distribution in the lateral direction of the mesa. Yes, the mode distribution (electric field strength) at the center of the mesa can be reduced.
以上の様な理由から、反導波構造を導入する事により、高次横モードに対する利得は低減し、高出力までの基本横モード動作が可能となる。更に、基本横モードは、モード分布を大きく押し広げる事は困難であるが、メサ中央部における電界強度が反導波構造によって平坦化される効果が期待できるものと考えられる。従って、メサ中央部における電界強度分布は低下し、ホールバーニングの発生を抑制できる事が考えられる。
上述した非特許文献4の面発光レーザ素子では、AlOxによる反導波構造を共振器内部に設ける為に、水蒸気を含む加熱雰囲気中においてAl組成の大きなAlGaAs層の選択酸化(以後、単に水蒸気選択酸化と略す)を行なっている。反導波を形成する為に設けるAlOx層は、共振器の中心部の基本モード振幅が大きな位置に設ける必要がある為、従来の面発光レーザのようにメサ側面部のエッチング端面から酸化する方法は適用できない。従って、素子表面部から選択酸化を行なっている。また、反導波構造による高次モードへの十分な作用を得るには、反導波構造は共振器内の比較的電界強度の大きな位置に形成する必要があり、上部分布ブラッグ反射器中に作り込む必要がある。しかし、AlOx上へのエピタキシャル成長は困難である事から、誘電体分布ブラッグ反射器の蒸着によりレーザ構造の形成を行なうなどの手法が必要であり、誘電体の蒸着工程が余計に必要となっている。また、上面電極部から電流注入を行なう為に、誘電体分布ブラッグ反射器の除去工程が余分に必要となってしまう。 In the surface emitting laser element of Non-Patent Document 4 described above, in order to provide an anti-waveguide structure with AlO x inside the resonator, selective oxidation of an AlGaAs layer having a large Al composition in a heated atmosphere containing water vapor (hereinafter simply referred to as water vapor). (Abbreviated as selective oxidation). The AlO x layer provided to form the anti-waveguide needs to be provided at a position where the fundamental mode amplitude of the center part of the resonator is large, and therefore is oxidized from the etching end face of the mesa side face part like a conventional surface emitting laser. The method is not applicable. Therefore, selective oxidation is performed from the element surface. In addition, in order to obtain a sufficient effect on the higher-order mode by the anti-waveguide structure, the anti-waveguide structure needs to be formed at a position where the electric field strength is relatively large in the resonator. In the upper distributed Bragg reflector, It is necessary to make it. However, since epitaxial growth on AlO x is difficult, a technique such as forming a laser structure by vapor deposition of a dielectric distributed Bragg reflector is necessary, and an extra dielectric vapor deposition step is required. Yes. Moreover, in order to inject current from the upper surface electrode portion, an extra step of removing the dielectric distributed Bragg reflector is required.
また、以上の様に水蒸気を含む加熱雰囲気中における選択酸化工程において、反導波構造を形成する選択酸化層を常に素子表面部に設けなくてはならないので、素子の設計の自由度が制約されるという問題がある。更に、上部に誘電体多層膜反射鏡を設けている為に、p側電極と選択酸化層の距離が近く、正孔は反導波構造を形成する為に設けたAlOx層の外周部分から狭窄領域に向けて横方向に注入されるので、素子が高抵抗になってしまうという問題がある。 In addition, in the selective oxidation process in a heating atmosphere containing water vapor as described above, a selective oxidation layer that forms an anti-waveguide structure must always be provided on the surface of the element, which limits the degree of freedom in element design. There is a problem that. Furthermore, since the dielectric multilayer reflector is provided on the upper portion, the distance between the p-side electrode and the selective oxidation layer is close, and holes are formed from the outer peripheral portion of the AlO x layer provided for forming the anti-waveguide structure. Since the injection is performed in the lateral direction toward the constricted region, there is a problem that the element becomes high resistance.
また、光ファイバ通信用途、及び電子写真システムの書き込み光源用途では、単一基本横モードにおける高出力動作以外にも、素子の偏光方向が特定の方向に制御されている必要がある。つまり、高速の光ファイバ通信用途では、システムを構成する光学部品の偏光方向に依存した反射,透過特性の違いによって生じる雑音の発生が問題となっている。また、書き込み用途でも同様に、光学系の偏光方向依存性により、感光体表面におけるビームスポット形状に歪が生じるという問題がある。 In addition, in the optical fiber communication application and the writing light source application of the electrophotographic system, the polarization direction of the element needs to be controlled to a specific direction in addition to the high output operation in the single basic transverse mode. In other words, in high-speed optical fiber communication applications, the generation of noise caused by differences in reflection and transmission characteristics depending on the polarization direction of the optical components constituting the system is a problem. Similarly, in writing applications, there is a problem that the beam spot shape on the surface of the photoreceptor is distorted due to the polarization direction dependency of the optical system.
しかし、上記の公知文献では、偏光方向の制御について言及はなされておらず、このまま実用に供する素子を得る事は難しいと考えられる。また、偏光方向を制御する試みとして、傾斜基板上の素子を形成する方法や、加工条件によって、素子に異方性応力を加える方法等が提案されているが、前者の方法では良好に素子を結晶成長する事ができる成長条件の幅が狭いという問題があり、また、後者の方法では加工条件の制御性,再現性に偏光の制御性が依存するという問題がある。 However, in the above-mentioned known documents, there is no mention of control of the polarization direction, and it is considered difficult to obtain an element for practical use as it is. In addition, as an attempt to control the polarization direction, a method of forming an element on an inclined substrate and a method of applying an anisotropic stress to the element depending on processing conditions have been proposed. There is a problem that the range of growth conditions for crystal growth is narrow, and the latter method has a problem that the controllability of polarization depends on the controllability and reproducibility of processing conditions.
本発明は、素子の設計の自由度を大きくし、より効果的に高次横モード発振が抑制され、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能であり、更に偏光方向が特定の方向に制御された面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステムを提供する事を目的としている。 The present invention increases the degree of freedom in device design, suppresses higher-order transverse mode oscillation more effectively, enables high-power operation in a single fundamental transverse mode, and controls the polarization direction to a specific direction. It is an object of the present invention to provide a surface emitting laser element, a surface emitting laser array, an optical interconnection system, an optical communication system, an electrophotographic system, and an optical disc system.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、活性層と、前記活性層の両側に設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層および共振器スペーサー層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造が選択酸化によって形成される面発光レーザ素子において、前記一対の分布ブラッグ反射器はAlGaAs系半導体材料により構成され、更に、前記半導体分布ブラッグ反射器中において、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有する部位に、Alの酸化物を含んだ、周辺に対して相対的に屈折率が低い領域が設けられている事を特徴としている。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes an active layer, a resonator spacer layer provided on both sides of the active layer, and a current confinement structure defining a current injection region to the active layer. And a pair of distributed Bragg reflectors facing each other with the active layer and the resonator spacer layer interposed therebetween, wherein the pair of distributed Bragg reflectors are AlGaAs-based. formed of a semiconductor material, further Oite in the semiconductor distributed Bragg reflector, a site having a spatial overlap in the current injection region and the laser resonance direction defined by the current confinement structure, containing an oxide of Al A region having a relatively low refractive index with respect to the periphery is provided.
また、請求項2記載の発明は、活性層と、前記活性層の両側に設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層および共振器スペーサー層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造がイオン注入による高抵抗化領域によって形成される面発光レーザ素子において、前記一対の分布ブラッグ反射器はAlGaAs系半導体材料により構成され、更に前記半導体分布ブラッグ反射器中において、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有する部位に、Alの酸化物を含んだ、周辺に対して相対的に屈折率が低い領域が設けられている事を特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, an active layer, a resonator spacer layer provided on both sides of the active layer, a current confinement structure that defines a current injection region to the active layer, the active layer and the resonance And a pair of distributed Bragg reflectors facing each other with a spacer spacer layer interposed therebetween, wherein the pair of distributed Bragg reflectors is an AlGaAs semiconductor in which the current confinement structure is formed by a high resistance region by ion implantation is made of a material, and have your further in the semiconductor distributed Bragg reflector, a site having a spatial overlap in the current injection region and the laser resonance direction defined by the current confinement structure, containing an oxide of Al, peripheral In contrast, a region having a relatively low refractive index is provided.
また、請求項3記載の発明は、活性層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造が選択酸化によって形成される面発光レーザ素子において、前記面発光レーザ素子は、分布ブラッグ反射器を構成するAlGaAs混晶層を含み、該AlGaAs混晶層の一部は、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有し、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有するAlGaAs混晶層の部位は、酸素を含む分子の選択的なイオン注入とイオン注入後の熱処理とによって、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、Alの酸化物を含む相対的に屈折率の低い領域を形成している事を特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an active layer, a current confinement structure that defines a current injection region into the active layer, and a pair of distributed Bragg reflectors that are opposed to each other with the active layer interposed therebetween. In the surface emitting laser device having a structure formed by selective oxidation, the surface emitting laser device includes an AlGaAs mixed crystal layer constituting a distributed Bragg reflector, and a part of the AlGaAs mixed crystal layer is formed by the current confinement structure. A portion of the AlGaAs mixed crystal layer having a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined and having a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined by the current confinement structure contains oxygen. Peripheral regions where molecules containing oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction are not implanted by selective ion implantation of molecules and heat treatment after ion implantation. Respect is characterized in that forming the lower region relatively refractive index containing an oxide of Al.
また、請求項4記載の発明は、活性層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造がイオン注入による高抵抗化領域によって形成される面発光レーザ素子において、前記面発光レーザ素子は、分布ブラッグ反射器を構成するAlGaAs混晶層を含み、該AlGaAs混晶層の一部は、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有し、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有するAlGaAs混晶層の部位は、酸素を含む分子の選択的なイオン注入とイオン注入後の熱処理とによって、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、Alの酸化物を含む相対的に屈折率の低い領域を形成している事を特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an active layer, a current confinement structure that defines a current injection region into the active layer, and a pair of distributed Bragg reflectors that are opposed to each other with the active layer interposed therebetween. In the surface emitting laser element having a structure formed by the high resistance region by ion implantation, the surface emitting laser element includes an AlGaAs mixed crystal layer constituting a distributed Bragg reflector, and a part of the AlGaAs mixed crystal layer includes: A portion of the AlGaAs mixed crystal layer having a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined by the current confinement structure, and a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined by the current confinement structure In this case, the selective ion implantation of molecules containing oxygen and the heat treatment after the ion implantation allow ion implantation of molecules containing oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction. The peripheral region which is not, is characterized in that forming the lower region relatively refractive index containing an oxide of Al.
また、請求項5記載の発明は、請求項3または請求項4に記載の面発光レーザ素子において、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成する前記AlGaAs混晶層にレーザ共振方向に接して、GaAs層またはGaInP混晶層が設けられている事を特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the third or fourth aspect, the ion implantation of molecules including oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction is not performed. On the other hand, a GaAs layer or a GaInP mixed crystal layer is provided in contact with the AlGaAs mixed crystal layer forming a region having a relatively low refractive index in the laser resonance direction.
また、請求項6記載の発明は、請求項3または請求項4に記載の面発光レーザ素子において、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成するAlGaAs混晶層は、共振器構造中において、発振光の定在波の腹に対応する位置に設けられ、且つ、素子を構成する他のAlGaAs混晶層に比べて相対的に高濃度にドーピングされている事を特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the third or fourth aspect of the present invention, in a peripheral region where oxygen-implanted molecules containing oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction are not implanted. On the other hand, the AlGaAs mixed crystal layer that forms the region having a relatively low refractive index is provided at a position corresponding to the antinode of the standing wave of the oscillation light in the resonator structure, and other elements constituting the element. It is characterized by relatively high doping compared to the AlGaAs mixed crystal layer.
また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記相対的に屈折率が低い領域が、一対の分布ブラッグ反射器のうちのn型分布ブラッグ反射器中に設けられている事を特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to sixth aspects, the region having a relatively low refractive index is a pair of distributed Bragg reflectors. The n-type distributed Bragg reflector is provided.
また、請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記レーザ共振領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有して設けられた相対的に屈折率が低い領域の周辺に、前記相対的に屈折率が低い領域に対し高屈折率である高屈折率領域が設けられ、更に、前記高屈折率領域の周辺に、前記高屈折率領域に対し低屈折率であるクラッド領域が設けられている事を特徴としている。 According to an eighth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to seventh aspects, a spatial overlap is provided in the laser resonance direction with the laser resonance region. A high refractive index region having a higher refractive index than the region having a relatively low refractive index is provided around the region having a relatively low refractive index, and further, the high refractive index is provided around the high refractive index region. A cladding region having a low refractive index with respect to the refractive index region is provided.
また、請求項9記載の発明は、請求項8記載の面発光レーザ素子において、前記クラッド領域により取り囲まれた高屈折率領域の幅に異方性を設けた事を特徴としている。
The invention according to
また、請求項10記載の発明は、請求項8記載の面発光レーザ素子において、前記クラッド領域が、レーザ共振領域を挟んで対向するレーザ共振方向に垂直な一対の方向にのみ設けられている事を特徴としている。 According to a tenth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the eighth aspect, the clad region is provided only in a pair of directions perpendicular to a laser resonance direction facing each other across the laser resonance region. It is characterized by.
また、請求項11記載の発明は、請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、レーザ共振領域と空間的重なりを有して設けられる前記相対的に屈折率が低い領域が、異方性形状を有している事を特徴としている。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser device according to any one of the first to tenth aspects, the relative refractive index provided with a spatial overlap with the laser resonance region. The region having a low is characterized by having an anisotropic shape.
また、請求項12記載の発明は、請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、活性層はIII−V族元素により構成され、活性層を構成するIII族元素として、Ga,Inのうちのいずれか、又は全てを含み、また、V族元素として、As,N,Sb,Pのうちのいずれか、又は全てを含んでいる事を特徴としている。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to eleventh aspects, the active layer is composed of a group III-V element, and the group III constituting the active layer. It is characterized in that any or all of Ga and In are included as an element, and any or all of As, N, Sb, and P are included as a group V element.
また、請求項13記載の発明は、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子がアレイ状に配列されて構成されている事を特徴とする面発光レーザアレイである。 A thirteenth aspect of the present invention is a surface emitting laser array comprising the surface emitting laser elements according to any one of the first to twelfth aspects arranged in an array. is there.
また、請求項14記載の発明は、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムである。 In the invention described in claim 14, the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 12 or the surface emitting laser array according to claim 13 is used as a light source. This is an optical interconnection system that is characterized.
また、請求項15記載の発明は、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが通信光源として用いられている事を特徴とする光通信システムである。 In the invention described in claim 15, the surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 12 or the surface-emitting laser array according to claim 13 is used as a communication light source. Is an optical communication system.
また、請求項16記載の発明は、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが書き込み用光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムである。 According to a sixteenth aspect of the present invention, the surface emitting laser element according to any one of the first to twelfth aspects or the surface emitting laser array according to the thirteenth aspect is used as a light source for writing. It is an electrophotographic system characterized by things.
また、請求項17記載の発明は、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが読み出し/書き込み用光源として用いられている事を特徴とする光ディスクシステムである。 According to a seventeenth aspect of the present invention, the surface emitting laser element according to any one of the first to twelfth aspects or the surface emitting laser array according to the thirteenth aspect is used as a light source for reading / writing. It is an optical disc system characterized by that.
請求項1記載の発明によれば、選択酸化電流狭窄層によって電流注入領域が規定される酸化型面発光レーザ素子において、半導体分布ブラッグ反射器中のレーザ発振領域と重なりを有する部位に、Alの酸化物よりなる低屈折領域を設ける構成とする事によって、製造コストが低く、素子の設計の自由度が高く、更に素子抵抗の低い、反導波構造を有する選択酸化型面発光レーザ素子を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, in the oxidation type surface emitting laser element in which the current injection region is defined by the selective oxidation current confinement layer, the portion of the semiconductor distributed Bragg reflector is overlapped with the laser oscillation region. By providing a low refractive region made of oxide, a selective oxidation surface emitting laser element having an anti-waveguide structure with low manufacturing cost, high element design freedom, and low element resistance is provided. can do.
すなわち、請求項1記載の発明によれば、Alの酸化物による反導波構造を有した選択酸化型面発光レーザ素子において、素子の設計の自由度を大きくする事によって、より効果的に高次横モード発振が抑制された、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 That is, according to the first aspect of the present invention, in the selective oxidation surface emitting laser element having an anti-waveguide structure made of an Al oxide, the degree of freedom in designing the element can be increased more effectively. It is possible to provide an element capable of high-power operation in a single fundamental transverse mode in which the next transverse mode oscillation is suppressed.
また、請求項2記載の発明によれば、イオン注入による高抵抗化領域によって活性層への電流注入領域が規定される水素イオン注入型面発光レーザ素子において、半導体分布ブラッグ反射器中のレーザ発振領域と重なりを有する部位に、Alの酸化物よりなる低屈折領域を設ける構成とする事により、素子の設計の自由度が高く、更に素子抵抗の低い、Alの酸化物を用いた反導波構造を有する水素イオン注入型面発光レーザ素子が容易に得られる。 According to the second aspect of the present invention, in the hydrogen ion implantation type surface emitting laser device in which the current injection region to the active layer is defined by the high resistance region by ion implantation , the laser oscillation in the semiconductor distributed Bragg reflector is performed. By providing a low-refractive region made of an Al oxide in a region that overlaps with the region, the element can be designed with a high degree of freedom in design, and the resistance of the device is low. A hydrogen ion implantation surface emitting laser element having a structure can be easily obtained.
すなわち、請求項2記載の発明によれば、Alの酸化物による反導波構造を有した水素イオン注入型面発光レーザ素子において、素子の設計の自由度を大きくする事によって、より効果的に高次横モード発振が抑制された、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 That is, according to the second aspect of the present invention, in the hydrogen ion implantation surface emitting laser element having an anti-waveguide structure made of an Al oxide, the degree of freedom in designing the element can be increased more effectively. It is possible to provide an element capable of high output operation in a single fundamental transverse mode in which high-order transverse mode oscillation is suppressed.
また、請求項3記載の発明によれば、素子の設計の自由度を大きくし、より効果的に高次横モード発振が抑制され、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な面発光レーザ素子を提供することができる。 According to the invention described in claim 3, the surface emitting laser capable of increasing the degree of design freedom of the element, suppressing higher-order transverse mode oscillation more effectively, and capable of high output operation in a single fundamental transverse mode. An element can be provided.
非特許文献4の従来技術の素子では、反導波構造を設ける方法として、レーザ発振領域の近くに、Alの酸化物を含んだ低屈折率領域を設ける方法を用いており、この様な構成を得る為に、共振器スペーサー層と分布ブラッグ反射器の途中までを半導体材料により形成した後、素子表面におけるAlを組成に含んだ半導体層を、水蒸気雰囲気中における選択酸化によって酸化し、レーザ発振領域に空間的重なりを有した部位にAlの酸化物からなる低屈折率領域を設けている。 In the element of the prior art of Non-Patent Document 4, as a method of providing an anti-waveguide structure, a method of providing a low refractive index region containing an Al oxide near the laser oscillation region is used. After the cavity spacer layer and the distributed Bragg reflector are partially formed of a semiconductor material, the semiconductor layer containing Al in the element surface is oxidized by selective oxidation in a water vapor atmosphere, and laser oscillation is performed. A low refractive index region made of an oxide of Al is provided in a region having a spatial overlap in the region.
従って、素子部の形成の途中において、素子表面には酸化物による領域が形成されており、引き続いて半導体材料の結晶成長を行う事が困難となっている。このため、従来技術の素子では、上部反射鏡を誘電体分布ブラッグ反射器とする構成が用いられている。しかしながら、誘電体分布ブラッグ反射器を用いた場合、電流注入経路に制限が生じ、素子が高抵抗化し易い上に、半導体材料の成長装置の他にも誘電体の蒸着装置が必要となり、また精密な膜厚制御が必要とされる分布ブラッグ反射器の形成工程を、異なった2つの装置で行なわなければならず、製造コストが高くなる等の問題点がある。 Accordingly, an oxide region is formed on the element surface during the formation of the element portion, and it is difficult to subsequently perform crystal growth of the semiconductor material. For this reason, the element of the prior art uses a configuration in which the upper reflecting mirror is a dielectric distributed Bragg reflector. However, when the dielectric distributed Bragg reflector is used, the current injection path is limited, the resistance of the element tends to increase, and a dielectric deposition apparatus is required in addition to the semiconductor material growth apparatus. The process of forming the distributed Bragg reflector, which requires precise film thickness control, must be performed by two different apparatuses, resulting in increased manufacturing costs.
この様な、従来技術における問題点は、素子の最表面を酸化させる事無く、半導体構造内部に酸化領域を形成する事によって解決する事が可能であり、この様な方法として、例えば、素子表面から酸素イオン注入を行い、この後熱処理を行い、素子内部の酸素イオンが注入されている領域のみを選択的に酸化する方法等を挙げる事ができる。 Such problems in the prior art can be solved by forming an oxidized region inside the semiconductor structure without oxidizing the outermost surface of the device. As such a method, for example, the device surface In this method, oxygen ion implantation is performed, and then a heat treatment is performed to selectively oxidize only the region into which oxygen ions are implanted inside the device.
すなわち、請求項3の発明によれば、反導波構造を形成する為に必要な低屈折率層を、結晶成長表面から酸素イオン注入を行なった後、熱処理を行なう事により、酸素イオン注入を行なった領域に対し選択的に形成する事ができる。このように酸素イオン注入、又は酸素を含む分子のイオン注入の後、熱処理を行なう事により、AlGaAs混晶の酸化が可能である事は、特開平9−27650号公報または特開2002−289967号公報に開示されている。尚、AlGaAs混晶は、Al組成の大きなもの程酸化が進行しやすく、GaAs層は殆ど酸化がなされない。これらの公知技術では、結晶成長を完了した素子において、共振領域の外側におけるAlGaAsを酸化して共振器に導波構造を作りこむ為の技術として開示がなされており、素子の表面から基板にわたるエピ膜全てを選択酸化している。しかし、これらの公知技術においては、反導波構造の形成、結晶成長後の再成長に関しては言及されていない。一方、この様に酸素イオン注入により、AlGaAs層の酸化を行なう場合には、従来の素子の様に、水蒸気を含む加熱雰囲気中に、選択的に酸化したい層を晒す事無く、イオン注入深さとイオン注入面積を選ぶ事によって、エピ構造中おける所望の場所のAlGaAs層を選択的に酸化させる事が可能である。従って、従来技術の素子の様に、素子表面部のAlGaAs層を露呈した後、酸化を行なう必要が無く、素子表面部にAlOx層が形成される事が無いので、アニールによって注入による欠陥を回復させる事によって、再び結晶性良く素子部の成長を行なう事が可能である。従って、素子構造内部の任意の領域に容易に反導波構造を形成する事が可能となり、設計の自由度が飛躍的に増加する。また、メサ中央部の反導波構造を形成する為の酸化構造は、周辺領域に比べ相対的に屈折率が低くなっておれば良いので、AlGaAs混晶が必ずしも完全に酸化されている必要はない。換言すると、設計に対し所望の屈折率変化が得られる様に、酸素イオンの注入量を調整する事ができる。以上の様に、低屈折率層による反導波構造を有する面発光レーザの設計の自由度が非常に大きくなるという効果が得られる。 That is, according to the invention of claim 3, oxygen ions are implanted by subjecting the low refractive index layer necessary for forming the anti-waveguide structure to oxygen ion implantation from the crystal growth surface and then heat treatment. It is possible to selectively form the performed region. As described above, it is possible to oxidize an AlGaAs mixed crystal by performing heat treatment after oxygen ion implantation or ion implantation of molecules containing oxygen, as disclosed in JP-A-9-27650 or JP-A-2002-289967. It is disclosed in the publication. The AlGaAs mixed crystal has a larger Al composition and is more likely to be oxidized, and the GaAs layer is hardly oxidized. In these known techniques, in a device in which crystal growth has been completed, it is disclosed as a technology for oxidizing AlGaAs outside the resonance region to create a waveguide structure in the resonator. All membranes are selectively oxidized. However, in these known techniques, there is no mention regarding the formation of an anti-waveguide structure and the regrowth after crystal growth. On the other hand, when the AlGaAs layer is oxidized by oxygen ion implantation as described above, the ion implantation depth and the thickness of the layer to be selectively oxidized are not exposed to a heating atmosphere containing water vapor as in the conventional device. By selecting the ion implantation area, it is possible to selectively oxidize the AlGaAs layer at a desired location in the epi structure. Therefore, unlike the prior art device, there is no need to oxidize after exposing the AlGaAs layer on the device surface, and no AlO x layer is formed on the device surface. By recovering, the element portion can be grown again with good crystallinity. Therefore, it is possible to easily form an anti-waveguide structure in an arbitrary region inside the element structure, and the degree of freedom in design is dramatically increased. In addition, the oxide structure for forming the anti-waveguide structure at the center of the mesa only needs to have a relatively low refractive index as compared with the peripheral region, so that the AlGaAs mixed crystal is not necessarily completely oxidized. Absent. In other words, the amount of oxygen ions implanted can be adjusted so that a desired refractive index change can be obtained for the design. As described above, there is an effect that the degree of freedom in designing a surface emitting laser having an anti-waveguide structure with a low refractive index layer becomes very large.
このように、請求項3の発明では、選択酸化による電流狭窄型面発光レーザにおいて、酸素を含む分子のイオン注入と熱処理によるAlGaAs混晶の選択酸化を用いて反導波構造を形成する事によって、素子構造内部の任意の領域に容易に反導波構造を形成する事が可能になる。これによって、素子の設計の自由度は大きくなり、また、より効果的に高次横モード発振が抑制された単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を得る事ができる。 Thus, in the invention of claim 3, in the current confined surface emitting laser by selective oxidation, the anti-waveguide structure is formed by ion implantation of molecules containing oxygen and selective oxidation of AlGaAs mixed crystal by heat treatment. Thus, it is possible to easily form an anti-waveguide structure in an arbitrary region inside the element structure. As a result, the degree of freedom in element design is increased, and an element capable of high output operation in a single fundamental transverse mode in which high-order transverse mode oscillation is suppressed more effectively can be obtained.
また、請求項4記載の発明によれば、活性層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造がイオン注入による高抵抗化領域によって形成される面発光レーザ素子において、前記面発光レーザ素子は、分布ブラッグ反射器を構成するAlGaAs混晶層を含み、該AlGaAs混晶層の一部は、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有し、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有するAlGaAs混晶層の部位は、酸素を含む分子の選択的なイオン注入とイオン注入後の熱処理とによって、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、Alの酸化物を含む相対的に屈折率の低い領域を形成しているので、素子の設計の自由度を大きくし、より効果的に高次横モード発振が抑制され、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な面発光レーザ素子を提供することができる。 According to the invention of claim 4, the active layer, a current confinement structure that defines a current injection region to the active layer, and a pair of distributed Bragg reflectors facing each other across the active layer, In a surface emitting laser element in which a current confinement structure is formed by a high resistance region by ion implantation, the surface emitting laser element includes an AlGaAs mixed crystal layer constituting a distributed Bragg reflector , and a part of the AlGaAs mixed crystal layer Has a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined by the current confinement structure, and an AlGaAs mixed crystal layer having a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined by the current confinement structure. This is because the oxygen ions containing molecules in the same plane perpendicular to the laser resonance direction are obtained by selective ion implantation of molecules containing oxygen and heat treatment after ion implantation. The peripheral region where entrance is not made, since the forming area of low relative refractive index that includes an oxide of Al, and the degree of freedom in designing the device, effectively higher-order transverse modes It is possible to provide a surface emitting laser element in which oscillation is suppressed and high power operation is possible in a single fundamental transverse mode.
すなわち、請求項4の発明のように、水素イオン注入による高抵抗化領域によって電流狭窄を行なうイオン注入型面発光レーザ素子においても、請求項3の発明の場合と同様に、素子構造内部の任意の領域に容易に反導波構造を形成する事が可能となり、設計の自由度が大きくなるという効果が得られる。 That is, as in the fourth aspect of the invention, also in the ion-implanted surface-emitting laser element in which current confinement is performed by the high resistance region by hydrogen ion implantation, as in the case of the third aspect of the invention, any element inside the element structure Thus, it is possible to easily form an anti-waveguide structure in this region, and the effect of increasing the degree of freedom in design can be obtained.
水素イオン注入型面発光レーザ素子では、もともと作りつけの導波構造を持たないので、僅かな屈折率の変化によって容易にモード分布を変化させる事が可能である。従って、反導波構造を共振器中に設けた場合、非常に効果的に高次横モードの、モード振幅が大きな領域を電流注入領域(利得領域)の外側に移動させる事が可能であり、より効果的に高次横モードの発振を抑制する事が可能である。 Since the hydrogen ion implantation surface emitting laser element does not have a built-in waveguide structure, the mode distribution can be easily changed by a slight change in refractive index. Therefore, when the anti-waveguide structure is provided in the resonator, it is possible to move the region of the high-order transverse mode, which has a large mode amplitude, to the outside of the current injection region (gain region) very effectively. It is possible to suppress higher-order transverse mode oscillation more effectively.
水素イオン注入型面発光レーザ素子では、横方向の光閉じ込めが弱いので、比較的大きな電流狭窄径であっても、単一基本横モード発振するものの、作りつけの導波構造が無い為に、横モードが不安定で、更に、注入レベルの増加に対し容易に高次モードが発振してしまう問題がある。しかし、請求項4のように部分的に僅かな反導波構造を作りこむ事によって、容易に高次横モードにおけるモード振幅の大きな領域を利得領域から遠ざける事ができる。また、水素イオン注入型面発光レーザでは、上述のように酸化狭窄型面発光レーザ素子に比べて電流狭窄径を大きくできる為、高出力動作が得やすいという利点も有している。尚、水素イオン注入型面発光レーザは、作りつけの導波構造がない為、非常に僅かの屈折率差であっても、モード分布に大きな影響を及ぼすので、基本横モードへの影響を低減する為に、反導波構造の位置は光強度の大きな活性領域から遠い所に設ける事が望ましい。また、請求項4のように、酸素イオン注入と熱処理により反導波構造を設ける場合には、注入する酸素イオンの量を調節する事によって、屈折率の変化を低く抑える事もできる。 In the hydrogen ion implantation surface emitting laser element, since the optical confinement in the lateral direction is weak, even with a relatively large current confinement diameter, it oscillates in a single fundamental transverse mode, but there is no built-in waveguide structure, There is a problem that the transverse mode is unstable and the higher-order mode easily oscillates as the injection level increases. However, by forming a slightly anti-waveguide structure partially as in claim 4, it is possible to easily move the region having a large mode amplitude in the high-order transverse mode away from the gain region. In addition, the hydrogen ion-implanted surface-emitting laser has an advantage that a high-power operation can be easily obtained because the current confinement diameter can be increased as compared with the oxidized constriction-type surface-emitting laser element as described above. Since the hydrogen ion implantation surface emitting laser does not have a built-in waveguide structure, even a very small difference in refractive index has a large effect on the mode distribution, thus reducing the influence on the fundamental transverse mode. Therefore, it is desirable to provide the anti-waveguide structure at a position far from the active region where the light intensity is large. Further, when the anti-waveguide structure is provided by oxygen ion implantation and heat treatment as in claim 4, the change in the refractive index can be suppressed by adjusting the amount of oxygen ions to be implanted.
以上のように、請求項4の発明では、水素イオン注入型面発光レーザ素子において、特に効果的に高次横モードの発振を抑制し、単一基本横モード発振において高出力が得られる。 As described above, in the invention of claim 4, in the hydrogen ion implanted surface emitting laser element, high-order transverse mode oscillation is particularly effectively suppressed, and high output is obtained in single fundamental transverse mode oscillation.
また、請求項5記載の発明によれば、請求項3または請求項4に記載の面発光レーザ素子において、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成する前記AlGaAs混晶層にレーザ共振方向に接して、GaAs層またはGaInP混晶層が設けられているので、酸化領域を限定する事ができ、より精密に位相条件を調整する事が可能となる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the third or fourth aspect of the present invention, the periphery in which the ion implantation of molecules including oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction is not performed. Since the GaAs layer or the GaInP mixed crystal layer is provided in contact with the AlGaAs mixed crystal layer, which forms a region having a relatively low refractive index with respect to the region, in the laser resonance direction, it is possible to limit the oxidized region. It is possible to adjust the phase condition more precisely.
一般にイオン注入では、注入されるイオンは加速電圧に応じ、ある注入深さにピークを有した連続的な分布をとる。例えば、加速電圧を小さくし、注入ピークの位置を浅くすると、急峻な注入プロファイルを得る事ができ、容易に所望の位置のAlGaAs混晶層のみを選択的に酸化する事ができる。しかし、ある程度以上の注入深さにイオン注入を行なう場合には、注入プロファイルの幅が広くなり、選択的に酸化を行ないたいAlGaAs層の前後のAlGaAsにまで酸化が及び、屈折率が変化する不具合が生じる。反導波構造中におけるAlGaAs層の厚さは酸化後の屈折率値において、ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たすように設ける事が望ましいので、このような予期しない領域の屈折率の変化は、ブラッグ反射器の反射率を低下させてしまうため望ましくない。しかし、請求項5のように、選択的に酸化を行いたいAlGaAs層を含むブラッグ反射器に隣接して、GaInP混晶層、又はGaAs層、又はGaInP/GaAsによる分布ブラッグ反射器(半導体構造)を設ける事によって、酸化領域を限定する事ができ、より精密に位相条件を調整する事が可能となる。GaInPはGaAs基板に格子整合させて結晶成長を行なう事が可能であり、更にAlを構成元素として含んでいないので、酸素イオン注入がなされていても、殆ど酸化が進行しない。従って、注入イオン幅に分布がある場合でも、特定の領域のAlGaAs層のみ酸化を行なう事が可能である。また、このように、所望の位置のAlGaAsのみを酸化させる事によって、メサ中央部における分布ブラッグ反射器の反射波長(基本横モードに対する反射波長)を精密に制御性良く調整する事が非常に容易になり、発振閾値特性等の素子特性の優れた素子を得る事が可能となる。 In general, in ion implantation, implanted ions have a continuous distribution having a peak at a certain implantation depth in accordance with an acceleration voltage. For example, when the acceleration voltage is reduced and the implantation peak position is shallow, a steep implantation profile can be obtained, and only the AlGaAs mixed crystal layer at a desired position can be easily selectively oxidized. However, when ion implantation is performed to a certain depth or more, the width of the implantation profile becomes wide, and the oxidation extends to the AlGaAs before and after the AlGaAs layer to be selectively oxidized, and the refractive index changes. Occurs. The thickness of the AlGaAs layer in the anti-waveguide structure is preferably set so that the refractive index value after oxidation satisfies the multiple reflection phase condition of the Bragg reflector. Is undesirable because it reduces the reflectivity of the Bragg reflector. However, as in claim 5, a GaInP mixed crystal layer, a GaAs layer, or a GaInP / GaAs distributed Bragg reflector (semiconductor structure) adjacent to a Bragg reflector including an AlGaAs layer to be selectively oxidized. By providing this, the oxidation region can be limited, and the phase condition can be adjusted more precisely. GaInP can be crystal-grown by lattice matching with a GaAs substrate. Further, since Al does not contain Al as a constituent element, oxidation hardly proceeds even when oxygen ion implantation is performed. Therefore, even when there is a distribution in the implanted ion width, it is possible to oxidize only the AlGaAs layer in a specific region. In addition, by oxidizing only AlGaAs at a desired position in this way, it is very easy to precisely adjust the reflection wavelength of the distributed Bragg reflector in the center of the mesa (reflection wavelength for the fundamental transverse mode) with good controllability. Thus, an element having excellent element characteristics such as the oscillation threshold characteristic can be obtained.
また、請求項6記載の発明によれば、請求項3または請求項4に記載の面発光レーザ素子において、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成するAlGaAs混晶層は、共振器構造中において、発振光の定在波の腹に対応する位置に設けられ、且つ、素子を構成する他のAlGaAs混晶層に比べて相対的に高濃度にドーピングされているので、より効果的に高次横モードの発振を抑制し、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を得る事ができる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the third or fourth aspect of the present invention, the periphery in which the ion implantation of molecules including oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction is not performed. The AlGaAs mixed crystal layer that forms a region having a relatively low refractive index with respect to the region is provided at a position corresponding to the antinode of the standing wave of the oscillation light in the resonator structure and constitutes an element. Compared with other AlGaAs mixed crystal layers, it is doped at a relatively high concentration, so that it is possible to more effectively suppress higher-order transverse mode oscillation and obtain an element capable of high output operation in a single fundamental transverse mode. I can do things.
高濃度にドーピングされた半導体は、自由キャリア吸収等によって、光の吸収が顕著になる。p型半導体では、これに加えて、価電子帯間吸収がある為、特に長波長の光に対して吸収が大きくなるという性質がある。酸素イオン注入と熱処理による選択酸化によって、低屈折率領域を形成するAlGaAs層を結晶成長時に周囲のAlGaAs層に対し高濃度にドーピングしておくと、この層による自由キャリア吸収または価電子帯間吸収による吸収損失を大きくできる。しかし、酸素イオン注入が行なわれた部位では、熱処理によってAlOxの絶縁物が形成され、発振波長に対し透明に変化するので、メサの中央部(イオン注入領域)に大きなモード振幅を有する基本横モードに対する吸収損失が無くなり、メサの中心から側面にかけて大きなモード振幅を有する高次横モードに対してのみ吸収が生じる。従って、吸収損失の増加によって、高次横モードの発振を抑制する事が可能となる。 A highly doped semiconductor exhibits significant light absorption due to free carrier absorption and the like. In addition to this, the p-type semiconductor has absorption between valence bands, and therefore has a property of increasing absorption particularly for light having a long wavelength. If an AlGaAs layer forming a low refractive index region is doped at a high concentration with respect to the surrounding AlGaAs layer during crystal growth by selective oxidation by oxygen ion implantation and heat treatment, free carrier absorption or intervalence band absorption by this layer is performed. The absorption loss due to can be increased. However, at the site where oxygen ion implantation has been performed, an AlO x insulator is formed by the heat treatment and changes transparently with respect to the oscillation wavelength, so that the basic lateral region having a large mode amplitude at the center of the mesa (ion implantation region). Absorption loss for the mode is eliminated, and absorption occurs only for the high-order transverse mode having a large mode amplitude from the center to the side of the mesa. Therefore, it is possible to suppress the oscillation of the high-order transverse mode by increasing the absorption loss.
また、分布ブラッグ反射器内の発振光の定在波は、光学厚さ1/4λ毎に電界の節と腹が繰り返される分布となっており、nλ共振器では、共振器側から見てAlGaAs(低屈折率層)からGaAs(高屈折率層)へ向かう界面が電界の節となり、逆にGaAsからAlGaAsへ向かう界面が電界の腹となっている。定在波の腹に当たる位置に高濃度にドーピングを行なったAlGaAs層を設け、発振領域の中心に当たる領域のAlGaAs層を、酸素イオン注入、及び熱処理によって選択的に酸化すると、腹の位置における光の電界強度が大きい事に対応して高次横モードに対する吸収量をより増加させる事ができる。よって、より大きな高次横モードの抑制効果を得る事が可能になる。 In addition, the standing wave of the oscillation light in the distributed Bragg reflector has a distribution in which nodes and antinodes of the electric field are repeated every optical thickness ¼λ. In the nλ resonator, AlGaAs (when viewed from the resonator side) The interface from the low refractive index layer) to GaAs (high refractive index layer) is the node of the electric field, and conversely, the interface from GaAs to AlGaAs is the antinode of the electric field. When a highly doped AlGaAs layer is provided at the position corresponding to the antinode of the standing wave, and the AlGaAs layer in the area corresponding to the center of the oscillation region is selectively oxidized by oxygen ion implantation and heat treatment, the light at the antinode position is Corresponding to the high electric field intensity, the amount of absorption for the high-order transverse mode can be further increased. Therefore, it is possible to obtain a larger suppression effect of the high-order transverse mode.
また、請求項7記載の発明によれば、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記相対的に屈折率が低い領域が、一対の分布ブラッグ反射器のうちのn型分布ブラッグ反射器中に設けられているので、素子抵抗が低減された、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を得る事ができる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to sixth aspects, the region having a relatively low refractive index is a pair of distributed Bragg reflectors. Therefore, it is possible to obtain an element capable of high output operation in a single fundamental transverse mode with reduced element resistance.
p導電型半導体は、キャリアの移動度がn導電型半導体に比べて一桁程度小さいので、元々高抵抗である。前述の非特許文献4のように、p導電型半導体中に電流狭窄構造による導通領域と重なるように、反導波構造を形成する酸化領域を設けた場合、この領域が高抵抗である事から、正孔は、前記領域を迂回した後、更に電流狭窄構造によって再びメサの中央部へ狭窄されて注入が行なわれる。従って、電流経路が長く、また狭くなってしまい、移動度が小さいp導電型半導体では、高抵抗化しやすいという問題が生じる。 A p-conductivity type semiconductor originally has a high resistance because the carrier mobility is about an order of magnitude smaller than that of an n-conductivity type semiconductor. As in Non-Patent Document 4 described above, when an oxide region for forming an anti-waveguide structure is provided in a p-conductivity type semiconductor so as to overlap with a conduction region due to a current confinement structure, this region has a high resistance. After the holes have bypassed the region, the holes are further confined to the center of the mesa by the current confinement structure and injected. Therefore, the p-conductivity type semiconductor having a long and narrow current path and a low mobility is likely to have a high resistance.
これに対し、請求項7のように、反導波構造をn導電型分布ブラッグ反射器中に設けると、反導波構造と活性層の間に電流狭窄構造が無い点と、もともと電子の移動度が大きい点から、たとえメサの中央部に絶縁(或いは高抵抗化)領域があったとしても抵抗の増加は非常に僅かであり、素子抵抗を従来の素子と同程度に留める事が可能である。本発明の素子では、酸素イオン注入と熱処理によりエピ構造内部に反導波構造を形成でき、従来の水蒸気を含む加熱雰囲気中において、表面部から選択酸化を行なった素子と異なり、表面部においてAlOxが形成されることがない為、結晶の再成長が可能になり、上述の構造を容易に形成する事が可能となる。また、反導波構造は、p導電型分布ブラッグ反射器,n導電型分布ブラッグ反射器のいずれに設けられていても、横モードに対する作用は殆ど同じであるので、同様に高次横モードを抑制する効果を得る事ができる。また、素子抵抗の増加を抑制する事により、発熱も抑えられるので、より高出力の動作が可能となる。 On the other hand, when the anti-waveguide structure is provided in the n-conductivity type distributed Bragg reflector as in claim 7 , there is no current confinement structure between the anti-waveguide structure and the active layer, and the movement of electrons originally. Because of the high degree of resistance, even if there is an insulating (or high resistance) region in the center of the mesa, the increase in resistance is very small, and it is possible to keep the element resistance at the same level as conventional elements. is there. In the device of the present invention, an anti-waveguide structure can be formed inside the epi structure by oxygen ion implantation and heat treatment. Unlike the conventional device in which selective oxidation is performed from the surface portion in a heated atmosphere containing water vapor, AlO is formed on the surface portion. Since x is not formed, the crystal can be regrown, and the above-described structure can be easily formed. The anti-waveguide structure has almost the same effect on the transverse mode regardless of whether it is provided in the p-conductivity type distributed Bragg reflector or the n-conductivity type distributed Bragg reflector. The effect of suppressing can be obtained. Further, by suppressing the increase in element resistance, heat generation can also be suppressed, so that a higher output operation is possible.
本発明では、以上の様に、単一基本横モードにおいて、高出力動作が可能な素子を得る事ができる。 In the present invention, as described above, an element capable of high output operation in the single basic transverse mode can be obtained.
また、請求項8記載の発明によれば、レーザ共振方向に垂直な方向に、レーザ共振領域と空間的重なりを有して設けられる前記相対的に屈折率が低い領域を取り囲んで、Alの酸化物を含んだ周辺に対して相対的に屈折率が低いクラッド領域を設けた事により、レーザ共振方向に垂直な方向における、光の漏洩(回折)損失を防止し、より高出力までの単一基本横モード発振が可能になる。 According to the eighth aspect of the present invention, the oxidation of Al is performed by surrounding the relatively low refractive index region provided in a direction perpendicular to the laser resonance direction and having a spatial overlap with the laser resonance region. By providing a cladding region with a relatively low refractive index relative to the periphery including objects, light leakage (diffraction) loss in the direction perpendicular to the laser resonance direction is prevented, and a single output up to a higher output is achieved. Basic transverse mode oscillation is possible.
すなわち、請求項8記載の発明によれば、Alの酸化物による反導波構造を有した面発光レーザ素子において、クラッド領域を設ける事により、更に効果的に高次横モード発振が抑制された、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 That is, according to the eighth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element having an anti-waveguide structure made of an Al oxide, high-order transverse mode oscillation is more effectively suppressed by providing the cladding region. In addition, it is possible to provide an element capable of high output operation in the single basic transverse mode.
また、請求項9記載の発明によれば、請求項8記載の面発光レーザ素子において、前記クラッド領域により取り囲まれた高屈折率領域の幅に異方性を設けた事により、レーザ発振光の偏光方向が特定の方向に制御され、更に高出力までの単一基本横モード発振が可能となる。 According to a ninth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the eighth aspect, the anisotropy is provided in the width of the high refractive index region surrounded by the cladding region, so that the laser oscillation light The polarization direction is controlled to a specific direction, and single fundamental transverse mode oscillation up to a higher output becomes possible.
すなわち、請求項9記載の発明によれば、Alの酸化物による反導波構造を有した面発光レーザ素子において、異方形状を有したクラッド領域を設ける事により、更に効果的に高次横モード発振が抑制され、更に偏光方向が特定の方向に制御された、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 That is, according to the ninth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element having the anti-waveguide structure by the oxide of Al, by providing the cladding region having the anisotropic shape, it is possible to more effectively It is possible to provide an element capable of high power operation in a single fundamental transverse mode in which mode oscillation is suppressed and the polarization direction is controlled in a specific direction.
また、請求項10記載の発明によれば、請求項8記載の面発光レーザ素子において、前記クラッド領域が、レーザ共振領域を挟んで対向するレーザ共振方向に垂直な一対の方向にのみ設けられていることにより(すなわち、レーザ発振領域を中心とした領域の外側に設けられたAlの酸化物による低屈折率領域すなわちクラッド領域を、前記レーザ共振領域を挟み対向する一対の方向にのみ設ける構成とした事により)、偏光方向が特定の方向に制御され、更に高出力までの単一基本横モード動作が可能となる。 According to a tenth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the eighth aspect, the clad region is provided only in a pair of directions perpendicular to the laser resonance direction facing each other across the laser resonance region. (I.e., a structure in which a low refractive index region, i.e., a cladding region, made of an oxide of Al provided outside the region centered on the laser oscillation region is provided only in a pair of opposing directions across the laser resonance region; As a result, the polarization direction is controlled to a specific direction, and a single fundamental transverse mode operation up to a higher output becomes possible.
すなわち、請求項10記載の発明によれば、Alの酸化物による反導波構造を有した面発光レーザ素子において、異方性形状を有したクラッド領域を設ける事により、更に効果的に高次横モード発振が抑制され、更に偏光方向が特定の方向に制御された、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 That is, according to the invention described in claim 10, in the surface emitting laser element having the anti-waveguide structure by the oxide of Al, by providing the cladding region having the anisotropic shape, the higher order It is possible to provide an element capable of high output operation in a single fundamental transverse mode in which transverse mode oscillation is suppressed and the polarization direction is controlled in a specific direction.
また、請求項11記載の発明によれば、請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、レーザ共振領域と空間的重なりを有して設けられる前記相対的に屈折率が低い領域が、異方性形状を有していることにより(すなわち、反導波構造を形成するために、レーザ発振領域に空間的重なりを有して設けられるAlの酸化物による低屈折率領域の形状を、例えば長方形状や楕円形状等の様に異方性形状とする事によって)、レーザ発振光の偏光が特定の方向に制御され、更に高出力までの単一基本横モード動作が可能となる。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to tenth aspects, the relatively provided with a spatial overlap with a laser resonance region. The region having a low refractive index has an anisotropic shape (that is, a low refractive index due to an Al oxide provided with a spatial overlap in the laser oscillation region in order to form an anti-waveguide structure). (By making the refractive index region an anisotropic shape such as a rectangular or elliptical shape), the polarization of the laser oscillation light is controlled in a specific direction, and a single fundamental transverse mode up to a higher output Operation is possible.
すなわち、請求項11記載の発明によれば、Alの酸化物による反導波構造を有した面発光レーザ素子において、反導波構造を形成する為に設けた低屈折率領域を異方性形状とする事により、更に効果的に高次横モード発振が抑制され、更に偏光方向が特定の方向に制御された、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 That is, according to the invention described in claim 11, in the surface emitting laser element having the anti-waveguide structure of the Al oxide, the low refractive index region provided for forming the anti-waveguide structure is formed in an anisotropic shape. Thus, it is possible to provide an element capable of high-power operation in a single fundamental transverse mode in which higher-order transverse mode oscillation is further effectively suppressed and the polarization direction is controlled to a specific direction.
また、請求項12記載の発明によれば、請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、活性層はIII−V族元素により構成され、活性層を構成するIII族元素として、Ga,Inのうちのいずれか、又は全てを含み、また、V族元素として、As,N,Sb,Pのうちのいずれか、又は全てを含んでおり、活性層材料として上記の材料を用いる事で、GaAs基板上に1.1μmから1.6μmまでの発振波長を持つ面発光レーザ素子が得られる。GaAs基板上では、特性の優れたAlGaAs混晶による分布ブラッグ反射器を用いる事が可能で、特性の優れた素子が得られる。更に、これらの材料の中でも、GaInAsに数%以下の窒素を微量添加したGaInNAs材料は、GaAs等のバリア層に対し伝導帯バンド不連続量が大きく、従来のInP基板上における同波長帯の素子と比べ良好な温度特性を有している。更に、請求項1乃至請求項12の構成を備えていることによって、高出力まで単一横モード発振が得られるので、特に光ファイバ等に対する結合効率が高い。以上から、光ファイバ通信に好適な面発光レーザ素子を得る効果を有する。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to eleventh aspects, the active layer is composed of a group III-V element to constitute the active layer. As the group III element, any or all of Ga and In are included, and as the group V element, any or all of As, N, Sb, and P are included, and as the active layer material By using the above materials, a surface emitting laser element having an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.6 μm can be obtained on a GaAs substrate. On the GaAs substrate, it is possible to use a distributed Bragg reflector made of an AlGaAs mixed crystal having excellent characteristics, and an element having excellent characteristics can be obtained. Further, among these materials, a GaInNAs material obtained by adding a trace amount of nitrogen of GaInAs or a few percent or less has a large conduction band discontinuity with respect to a barrier layer such as GaAs, and the same wavelength band element on a conventional InP substrate. Has better temperature characteristics. Furthermore, since the single transverse mode oscillation can be obtained up to a high output by providing the configuration according to the first to twelfth aspects, the coupling efficiency to an optical fiber or the like is particularly high. From the above, it has the effect of obtaining a surface emitting laser element suitable for optical fiber communication.
また、請求項13記載の発明によれば、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子がアレイ状に配列されて構成されている事を特徴とする面発光レーザアレイであるので、単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な面発光レーザアレイを提供することができる。すなわち、請求項13の発明によれば、高出力まで基本横モード発振が可能なビーム品質の良い面発光レーザアレイを得る事ができる。従って、本発明の面発光レーザアレイは、電子写真システムのマルチビーム書き込み系や、長距離の光通信システム等の光源として好適である。 According to a thirteenth aspect of the present invention, the surface emitting laser is characterized in that the surface emitting laser elements according to any one of the first to twelfth aspects are arranged in an array. Since it is an array, it is possible to provide a surface emitting laser array capable of high power operation in a single fundamental transverse mode. That is, according to the invention of claim 13 , it is possible to obtain a surface emitting laser array with good beam quality capable of fundamental transverse mode oscillation up to a high output. Therefore, the surface emitting laser array according to the present invention is suitable as a light source for a multi-beam writing system of an electrophotographic system or a long-distance optical communication system.
また、請求項14記載の発明によれば、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムであるので、信頼性の高い光インターコネクションシステムを提供する事ができる。 According to the invention described in claim 14, the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 12 or the surface emitting laser array according to claim 13 is used as a light source. Therefore, it is possible to provide a highly reliable optical interconnection system.
すなわち、本発明の面発光レーザ素子,面発光レーザアレイでは、基本横モードで、高出力まで発振が得られるので、光ファイバとの結合が高い。また、高次横モードの発振が抑制されている事から、出力等の素子の動作状態が変化した場合でも、結合率が変化しファイバへの光入力が変化する様な事が非常に少ない。よって、信頼性の高い光インターコネクションシステムを提供する事ができる。 That is, in the surface emitting laser element and the surface emitting laser array according to the present invention, since the oscillation can be obtained up to a high output in the fundamental transverse mode, the coupling with the optical fiber is high. Further, since higher-order transverse mode oscillation is suppressed, even when the operating state of the element such as the output changes, the coupling rate changes and the optical input to the fiber changes very little. Therefore, a highly reliable optical interconnection system can be provided.
また、請求項15記載の発明によれば、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが通信光源として用いられている事を特徴とする光通信システムであるので、信頼性の高い光通信システムを提供する事ができる。 According to the invention described in claim 15, the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 12 or the surface emitting laser array according to claim 13 is used as a communication light source. Therefore, a highly reliable optical communication system can be provided.
すなわち、本発明の面発光レーザ素子,面発光レーザアレイでは、基本横モードで、高出力まで発振が得られるので、光ファイバとの結合が高い。また、高次横モードの発振が抑制されている事から、出力等の素子の動作状態が変化した場合でも、結合率が変化しファイバへの光入力が変化する様な事が非常に少ない。また、従来に比べ、高出力が得られるので、長距離の通信が可能である。よって、信頼性の高い光通信システムを提供する事ができる。 That is, in the surface emitting laser element and the surface emitting laser array according to the present invention, since the oscillation can be obtained up to a high output in the fundamental transverse mode, the coupling with the optical fiber is high. Further, since higher-order transverse mode oscillation is suppressed, even when the operating state of the element such as the output changes, the coupling rate changes and the optical input to the fiber changes very little. Further, since a higher output can be obtained than in the conventional case, long-distance communication is possible. Therefore, a highly reliable optical communication system can be provided.
また、請求項16記載の発明によれば、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが書き込み用光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムであるので、低コスト,高精彩な電子写真システムを提供する事ができる。 According to the invention described in claim 16, the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 12 or the surface emitting laser array according to claim 13 is used as a light source for writing. Therefore, it is possible to provide a low-cost, high-definition electrophotographic system.
すなわち、従来の面発光レーザ素子は、出力が小さく、電子写真システムの書き込み用光源として用いる事が難しかったが、本発明の面発光レーザ素子,面発光レーザアレイでは、基本横モードで、高出力まで発振が得られる。従って、電子写真システムの書き込み用光源として用いる事が可能である。また、面発光レーザ素子を電子写真システムの書き込み用光源として用いると、出射ビームが円形である事から、ビーム成形が容易である。更に、高いアレイ間の位置精度を有している事から、同一のレンズで複数のビームを再現性良く容易に集光する事ができる。よって、光学系が簡単で済み、低コストに高精彩なシステムを得る事ができる。また、本発明の面発光レーザ素子は、出力が大きい事から、特にアレイを用いた場合には高速書き込みが可能である。以上の様に、本発明では、低コスト,高精彩な電子写真システムを提供する事ができる。 That is, the conventional surface emitting laser element has a small output and is difficult to use as a writing light source for an electrophotographic system. However, the surface emitting laser element and the surface emitting laser array of the present invention have a high output in the basic transverse mode. Oscillation can be obtained. Therefore, it can be used as a light source for writing in an electrophotographic system. In addition, when a surface emitting laser element is used as a writing light source in an electrophotographic system, the beam is easily formed because the emitted beam is circular. Furthermore, since the position accuracy between the arrays is high, a plurality of beams can be easily condensed with high reproducibility using the same lens. Therefore, the optical system is simple, and a high-definition system can be obtained at low cost. Further, since the surface emitting laser element of the present invention has a large output, high speed writing is possible particularly when an array is used. As described above, the present invention can provide a low-cost and high-definition electrophotographic system.
また、請求項17記載の発明によれば、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項13記載の面発光レーザアレイが読み出し/書き込み用光源として用いられている事を特徴とする光ディスクシステムであるので、信頼性に優れた、高速アクセス(高速読み出し及び書き込み)が可能な光ディスクシステムを提供する事ができる。 According to the invention described in claim 17, the surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 12 or the surface-emitting laser array according to claim 13 is used as a light source for reading / writing. Since the optical disc system is characterized in that it is used, it is possible to provide an optical disc system with excellent reliability and capable of high-speed access (high-speed reading and writing).
すなわち、従来の面発光レーザ素子は、単一基本横モード発振における出力が小さく、光ディスクシステムの光源として用いる事が難しかったが、本発明の面発光レーザ素子,面発光レーザアレイでは、基本横モードで、安定に高出力まで発振が得られる。従って、光ディスクシステムの書き込み用光源として用いる事が可能でき、また信頼性の高い光ディスクシステムを構成する事が可能である。また、面発光レーザアレイを用いる事により、高密度読み出し、及び書き込みが可能であり、高速な光ディスクシステムを構成する事が可能である。以上の様に、本発明によれば、信頼性に優れた、高速アクセス(高速読み出し及び書き込み)が可能な光ディスクシステムを提供する事ができる。
That is, the conventional surface emitting laser element has a small output in single fundamental transverse mode oscillation, and is difficult to use as a light source of an optical disk system. However, in the surface emitting laser element and the surface emitting laser array of the present invention, the fundamental transverse mode is used. Thus, oscillation can be obtained stably up to high output. Therefore, it can be used as a light source for writing in an optical disc system, and a highly reliable optical disc system can be configured. Further, by using a surface emitting laser array, high-density reading and writing are possible, and a high-speed optical disk system can be configured. As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical disc system with excellent reliability and capable of high-speed access (high-speed reading and writing).
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
(第1の形態)
本発明の第1の形態は、活性層と、前記活性層の両側に設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層および共振器スペーサー層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造が選択酸化によって形成される面発光レーザ素子において、前記一対の分布ブラッグ反射器は半導体材料により構成され、更に、前記半導体分布ブラッグ反射器中、若しくは共振器スペーサー層中において、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有する部位に、Alの酸化物を含んだ、周辺に対して相対的に屈折率が低い領域が設けられている事を特徴としている。
(First form)
The first aspect of the present invention includes an active layer, a resonator spacer layer provided on both sides of the active layer, a current confinement structure that defines a current injection region into the active layer, the active layer, and the resonator And a pair of distributed Bragg reflectors facing each other with a spacer layer interposed therebetween, wherein the pair of distributed Bragg reflectors is made of a semiconductor material, and the current confinement structure is formed by selective oxidation. In a semiconductor distributed Bragg reflector or resonator spacer layer, the region containing a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined by the current confinement structure includes an Al oxide, and the periphery. In other words, a region having a relatively low refractive index is provided.
従来技術の面発光レーザ素子では、Alの酸化物の上方に位置する分布ブラッグ反射器を誘電体材料によって形成しているが、誘電体は絶縁物であるので、これを材料に用いた分布ブラッグ反射器では、分布ブラッグ反射器を介して通電を行なう事は出来ない。従って、誘電体分布ブラッグ反射器を用いた面発光レーザ素子は、例えば従来技術の反導波構造を有した面発光レーザ素子の様に、分布ブラッグ反射器、若しくは素子の内部に設けたコンタクト層から活性領域へ電流注入を行なうイントラキャビティコンタクト等の構造とする必要がある。しかし、一般にイントラキャビティコンタクト構造では、電流注入は素子の周辺部から、厚さの薄いコンタクト層を通して行なう構成となる為、素子が高抵抗化し易いという問題がある。この様に、一般に、誘電体分布ブラッグ反射器を用いた素子では、電流注入経路に大きな制約があり、素子が高抵抗化し易いという問題がある。 In the surface emitting laser element of the prior art, the distributed Bragg reflector located above the Al oxide is formed of a dielectric material. Since the dielectric is an insulator, the distributed Bragg material used for this material is used. The reflector cannot be energized through the distributed Bragg reflector. Therefore, a surface emitting laser element using a dielectric distributed Bragg reflector is, for example, a distributed Bragg reflector or a contact layer provided inside the element, like a surface emitting laser element having an anti-waveguide structure of the prior art. It is necessary to have an intracavity contact structure for injecting current into the active region. However, in general, the intracavity contact structure has a problem that current injection is performed from the peripheral portion of the element through a thin contact layer, and the resistance of the element is easily increased. As described above, in general, an element using a dielectric distributed Bragg reflector has a problem that a current injection path is greatly restricted, and the resistance of the element is easily increased.
これに対して、本発明の第1の形態の構成では、反導波構造を形成する為に設けられる、Alの酸化物による低屈折領域が含まれた分布ブラッグ反射器を半導体材料によって構成しているので、例えば、従来の選択酸化型面発光レーザ素子の様に、素子の最上部に設けたコンタクト層から基板方向に対して電流注入を行う事が可能である。また、素子中央部にAlの酸化物からなる絶縁領域があった場合でも、その周辺部の、比較的面積の広い面積を有した領域を介して電流注入が行なえるので、素子の高抵抗化を防ぐ事ができる。この様に、分布ブラッグ反射器を介した電流注入が可能であり、また素子抵抗への影響が従来の反導波型面発光レーザ素子と比べ小さいので、高い素子の設計の自由度を得る事ができる。 On the other hand, in the configuration of the first embodiment of the present invention, a distributed Bragg reflector including a low refractive region made of Al oxide, which is provided to form an anti-waveguide structure, is made of a semiconductor material. Therefore, for example, like a conventional selective oxidation type surface emitting laser element, it is possible to inject current from the contact layer provided on the top of the element toward the substrate. In addition, even when there is an insulating region made of an oxide of Al at the center of the device, current injection can be performed through a region having a relatively large area around the periphery, so that the resistance of the device is increased. Can be prevented. In this way, current injection through the distributed Bragg reflector is possible, and the influence on the element resistance is small compared to the conventional anti-waveguide type surface emitting laser element, so that a high degree of freedom in device design can be obtained. Can do.
また、分布ブラッグ反射器は非常に精密な膜厚の精度が要求されるものであり、綿密な成膜レートの管理が必要とされている。従って、分布ブラッグ反射器の成膜工程を材料・方式の異なる2種の装置によって行なう事は、製造工程を煩雑にすると伴に、製造コストを上昇させる原因となる。これに対して、第1の形態の構成では、分布ブラッグ反射器を例えばMOCVD装置等の、半導体材料の結晶成長装置によって一括して成長する事が可能であり、製造工程を簡略化する事ができる。 In addition, the distributed Bragg reflector is required to have a very precise film thickness precision, and it is necessary to closely control the film forming rate. Therefore, performing the film forming process of the distributed Bragg reflector by using two types of apparatuses having different materials and methods complicates the manufacturing process and increases the manufacturing cost. On the other hand, in the configuration of the first embodiment, the distributed Bragg reflector can be grown at once by a semiconductor material crystal growth apparatus such as an MOCVD apparatus, and the manufacturing process can be simplified. it can.
以上の様に、製造コストが低く、素子の設計の自由度が高く、更に素子抵抗の低い、半導波構造を有する選択酸化型面発光レーザ素子を提供することができる。 As described above, it is possible to provide a selective oxidation surface emitting laser element having a semi-waveguide structure with low manufacturing cost, high degree of freedom in element design, and low element resistance.
(第2の形態)
本発明の第2の形態は、活性層と、前記活性層の両側に設けられた共振器スペーサー層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層および共振器スペーサー層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造がイオン注入による高抵抗化領域によって形成される面発光レーザ素子において、前記一対の分布ブラッグ反射器は半導体材料により構成され、更に前記半導体分布ブラッグ反射器中、若しくは共振器スペーサー層中において、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有する部位に、Alの酸化物を含んだ、周辺に対して相対的に屈折率が低い領域が設けられている事を特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, there is provided an active layer, a resonator spacer layer provided on both sides of the active layer, a current confinement structure that defines a current injection region to the active layer, the active layer, and the resonator And a pair of distributed Bragg reflectors facing each other with a spacer layer interposed therebetween, wherein the pair of distributed Bragg reflectors is made of a semiconductor material, wherein the current confinement structure is formed by a high resistance region by ion implantation Further, in the semiconductor distributed Bragg reflector or resonator spacer layer, an oxide of Al is included in a portion having a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region defined by the current confinement structure. A region having a relatively low refractive index with respect to the periphery is provided.
第1の形態で説明した様に、従来技術の反導波型面発光レーザ素子では、反導波構造を形成する為に設けられる、Alの酸化物より成る低屈折率領域の上方に位置した分布ブラッグ反射器を、誘電体材料によって形成しているので、誘電体分布ブラッグ反射器の上方からの電流注入が出来ないという制限がある。 As described in the first embodiment, in the conventional anti-guided surface-emitting laser element, it is located above a low refractive index region made of an oxide of Al provided to form an anti-waveguide structure. Since the distributed Bragg reflector is made of a dielectric material, there is a limitation that current cannot be injected from above the dielectric distributed Bragg reflector.
これに対して、第2の形態の面発光レーザ素子は、Alの酸化物による低屈折領域が含まれた分布ブラッグ反射器を半導体材料によって形成しており、通電が可能である。また、従来の水素イオン注入型面発光レーザ素子は、半導体材料による素子部の形成の後、水素イオン注入による高抵抗化領域を形成しており、結晶成長部のエッチング等の加工無しに、非常に簡単に素子が形成できるという利点を有しているが、従来技術の様に、誘電体ミラーを用いた反導波型面発光レーザ素子の構成では、誘電体ミラーの下方に電流注入の為の電極等を形成する必要があるので、この様な簡単な構成とする事は困難である。また、誘電体ミラーの下方から電流注入を行う為には、例えば、イントラキャビティコンタクト型の構造とする必要があるので、前述の様に素子が高抵抗化し易いという問題がある。また、従来技術の選択酸化を用いた反導波型面発光レーザ素子の構成から、反導波構造を備えた水素イオン注入型面発光レーザ素子の構成を推察する事は難しい。 On the other hand, the surface emitting laser element according to the second embodiment can be energized by forming a distributed Bragg reflector including a low refraction region made of Al oxide with a semiconductor material. In addition, the conventional hydrogen ion implantation surface emitting laser element has a high resistance region formed by hydrogen ion implantation after the element portion is formed of a semiconductor material. However, in the configuration of the anti-waveguide type surface emitting laser device using a dielectric mirror as in the prior art, the current injection is performed below the dielectric mirror. Therefore, it is difficult to make such a simple configuration. In addition, in order to inject current from below the dielectric mirror, for example, it is necessary to have an intracavity contact type structure, so there is a problem that the resistance of the element is easily increased as described above. In addition, it is difficult to infer the configuration of a hydrogen ion-implanted surface emitting laser element having an anti-waveguide structure from the configuration of the anti-waveguide surface emitting laser element using selective oxidation according to the prior art.
第2の形態の構成では、Alの酸化物を含んだ分布ブラッグ反射器、若しくは共振器スペーサー層を半導体材料により構成しているので、第1の形態の構成・動作の説明と同様に分布ブラッグ反射器の上面からの電流注入が可能であり、従来の水素イオン注入型面発光レーザ素子の様に、非常に簡単な構成により、反導波構造を備えた素子を得る事ができる。また、素子の上面から電流注入が可能であるので、第1の形態と同様に高抵抗化を防止する事ができる。 In the configuration of the second embodiment, the distributed Bragg reflector including the oxide of Al or the resonator spacer layer is formed of a semiconductor material, so that the distributed Bragg is similar to the description of the configuration and operation of the first embodiment. Current injection from the upper surface of the reflector is possible, and an element having an anti-waveguide structure can be obtained with a very simple configuration like a conventional hydrogen ion implantation surface emitting laser element. In addition, since current can be injected from the upper surface of the element, it is possible to prevent the resistance from being increased as in the first embodiment.
以上の様に、素子の設計の自由度が高く、更に素子抵抗の低い、半導波構造を有する水素イオン注入型面発光レーザ素子を提供することができる。 As described above, it is possible to provide a hydrogen ion-implanted surface emitting laser element having a semi-waveguide structure with a high degree of design freedom and a low element resistance.
(第3の形態)
本発明の第3の形態は、活性層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造が選択酸化によって形成される面発光レーザ素子において、前記面発光レーザ素子は、AlGaAs混晶層を含み、該AlGaAs混晶層の一部は、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有し、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有するAlGaAs混晶層の部位は、酸素を含む分子の選択的なイオン注入とイオン注入後の熱処理とによって、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成している事を特徴としている。
(Third form)
A third embodiment of the present invention includes an active layer, a current confinement structure that defines a current injection region into the active layer, and a pair of distributed Bragg reflectors that are opposed to each other with the active layer interposed therebetween, and has a current confinement structure. In the surface emitting laser element formed by selective oxidation, the surface emitting laser element includes an AlGaAs mixed crystal layer, and a part of the AlGaAs mixed crystal layer includes a current injection region defined by the current confinement structure and a laser. A portion of the AlGaAs mixed crystal layer having a spatial overlap in the resonance direction and defined by the current confinement structure and a spatial overlap in the laser resonance direction is formed by selective ion implantation of molecules including oxygen. A region having a relatively low refractive index with respect to a peripheral region where oxygen-implanted molecules containing oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction are not implanted by heat treatment after ion implantation. It is characterized in that to form a.
第3の形態の構成では、酸素を含む分子のイオン注入が行なわれた領域のAlGaAs混晶は熱処理により酸化し屈折率が周辺領域に比べて低くなり、共振器内部の一部に反導波構造が形成される。この第1の形態のように、従来の水蒸気を含む加熱雰囲気中における選択酸化に代えて、酸素を含む分子のイオン注入と熱処理による選択酸化によって反導波構造を形成する場合、素子構造内部の任意の場所に反導波構造を形成することができる。また、従来の様に、酸化の為にAlGaAs層の表面を加熱水蒸気雰囲気中に露呈する必要が無い事から、素子表面に酸化層が形成されないので、再成長が可能となる。従って、素子の設計の自由度が増し、より高次横モードの抑制に優れた素子構造を実現することができる。 In the configuration of the third embodiment, the AlGaAs mixed crystal in the region where the ion implantation of oxygen-containing molecules has been performed is oxidized by the heat treatment and the refractive index becomes lower than that in the peripheral region, and is anti-guided to a part inside the resonator. A structure is formed. When the anti-waveguide structure is formed by ion implantation of molecules containing oxygen and selective oxidation by heat treatment instead of the conventional selective oxidation in a heating atmosphere containing water vapor as in the first embodiment, An anti-waveguide structure can be formed at an arbitrary place. Further, unlike the prior art, it is not necessary to expose the surface of the AlGaAs layer to the heated water vapor atmosphere for oxidation, and therefore, no oxide layer is formed on the element surface, so that regrowth is possible. Therefore, the degree of freedom in element design increases, and an element structure excellent in suppressing higher-order transverse modes can be realized.
また、共振器構造の中心に部分的に反導波構造を設けると、高次横モードと活性層における利得領域(電流注入領域)の空間的重なりを減少できるので、高次横モードの発振を抑制することができる。図3(a),(b)には、この様子が示されている。すなわち、図3(a)には反導波構造が無い場合のモード分布が示され、図3(b)には素子の中心部に部分的に反導波構造を設けた場合のモード分布が示されている。なお、図3(a),(b)の各図の上段は基本横モード分布を示し、下段は1次の高次横モード分布を示している。また、図3(a),(b)には、電流注入によって生じる利得領域が示されている。 In addition, if an anti-waveguide structure is partially provided in the center of the resonator structure, the spatial overlap between the high-order transverse mode and the gain region (current injection region) in the active layer can be reduced. Can be suppressed. FIGS. 3A and 3B show this state. That is, FIG. 3A shows the mode distribution when there is no anti-waveguide structure, and FIG. 3B shows the mode distribution when the anti-waveguide structure is partially provided at the center of the element. It is shown. In addition, the upper stage of each figure of FIG. 3 (a), (b) shows fundamental transverse mode distribution, and the lower stage has shown primary higher order transverse mode distribution. FIGS. 3A and 3B show gain regions generated by current injection.
メサの中心部に大きなモード分布を有する基本横モードは、反導波構造によってモード分布をメサの側面方向へ押し広げる事が困難である。しかし、高次横モードではメサの中心において電界強度が零であり、周辺領域に大きなモード分布を有するので、反導波構造により、モード分布をメサの側面方向に押し広げて、メサ中心部におけるモード分布(電界強度)を容易に低減できる。 The fundamental transverse mode having a large mode distribution at the center of the mesa is difficult to push the mode distribution toward the side of the mesa by the anti-waveguide structure. However, in the high-order transverse mode, the electric field strength is zero at the center of the mesa and has a large mode distribution in the peripheral region, so that the anti-waveguide structure spreads the mode distribution in the lateral direction of the mesa and in the center of the mesa. The mode distribution (electric field strength) can be easily reduced.
従って、高次横モードに対する利得は低減し、高出力までの基本横モード動作が可能となる。更に、基本横モードは、高次横モードの様に反導波構造によって、大きく周辺に押し広げられる程の影響は受けないが、図3(b)の様にモードのピーク値が抑圧され、モード中心における電界強度分布がなだらかなものとなる。これによって、利得領域におけるピーク電界強度を低減できるので、空間的ホールバーニングの発生を低減することができる。また、反導波構造によって、高次横モードが十分に利得領域に対して空間的に隔てられているので、電流の狭窄径を従来に比べて大きく設ける事が可能となる。従って、素子抵抗が低減され、更に高出力動作が可能となる。 Therefore, the gain for the higher-order transverse mode is reduced, and the fundamental transverse mode operation up to a high output is possible. Further, the fundamental transverse mode is not affected by the anti-waveguide structure as it is largely pushed to the periphery by the high-order transverse mode, but the peak value of the mode is suppressed as shown in FIG. The electric field intensity distribution at the center of the mode becomes gentle. As a result, the peak electric field strength in the gain region can be reduced, and the occurrence of spatial hole burning can be reduced. Also, since the high-order transverse mode is sufficiently spatially separated from the gain region by the anti-waveguide structure, it is possible to provide a larger current confinement diameter than in the prior art. Therefore, the element resistance is reduced, and a higher output operation is possible.
(第4の形態)
本発明の第4の形態は、活性層と、前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟み対向する一対の分布ブラッグ反射器とを有し、電流狭窄構造がイオン注入による高抵抗化領域によって形成される面発光レーザ素子において、前記面発光レーザ素子は、AlGaAs混晶層を含み、該AlGaAs混晶層の一部は、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有し、前記電流狭窄構造によって規定される電流注入領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有するAlGaAs混晶層の部位は、酸素を含む分子の選択的なイオン注入とイオン注入後の熱処理とによって、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成している事を特徴としている。
(4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an active layer, a current confinement structure that defines a current injection region into the active layer, and a pair of distributed Bragg reflectors that are opposed to each other with the active layer interposed therebetween. In the surface emitting laser element formed by the high resistance region by ion implantation, the surface emitting laser element includes an AlGaAs mixed crystal layer, and a part of the AlGaAs mixed crystal layer is defined by the current confinement structure. The region of the AlGaAs mixed crystal layer that has a spatial overlap in the laser resonance direction with the current injection region and that has a spatial overlap in the laser resonance direction and the current injection region defined by the current confinement structure is selected for molecules containing oxygen. In a peripheral region where oxygen-implanted molecules containing oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction are not implanted by a typical ion implantation and a heat treatment after the ion implantation. It is characterized in that forming the basis low refractive index region.
第4の形態の構成においても、酸素を含む分子のイオン注入が行なわれた領域のAlGaAs混晶は熱処理により酸化し屈折率が周辺領域に比べて低くなって、共振器内部の一部に反導波構造が形成される。この第4の形態のように、従来の水蒸気を含む加熱雰囲気中における選択酸化に代えて、酸素を含む分子のイオン注入と熱処理による選択酸化よって反導波構造を形成する場合には、素子構造内部の任意の場所に反導波構造を形成することができる。また、従来の様に、酸化の為にAlGaAs層の表面を加熱水蒸気雰囲気中に露呈する必要が無い事から、素子表面に酸化層が形成されないので、再成長が可能となる。従って、素子の設計の自由度が増し、より高次横モードの抑制に優れた素子構造を実現することができる。 Even in the configuration of the fourth embodiment, the AlGaAs mixed crystal in the region where the ion implantation of molecules containing oxygen has been performed is oxidized by the heat treatment, and the refractive index becomes lower than that in the peripheral region. A waveguide structure is formed. In the case where the anti-waveguide structure is formed by ion implantation of molecules containing oxygen and selective oxidation by heat treatment instead of the conventional selective oxidation in the heating atmosphere containing water vapor as in the fourth embodiment, the element structure An anti-waveguide structure can be formed at any location inside. Further, unlike the prior art, it is not necessary to expose the surface of the AlGaAs layer to the heated water vapor atmosphere for oxidation, and therefore, no oxide layer is formed on the element surface, so that regrowth is possible. Therefore, the degree of freedom in element design increases, and an element structure excellent in suppressing higher-order transverse modes can be realized.
更に、イオン注入狭窄型面発光レーザ素子では、作りつけの導波構造を持たないので、反導波構造によって、容易に且つ効果的に、図3(b)に示した様に高次横モードをメサの側面方向に押し広げ、メサ中心部における高次横モードの分布(電界強度)を低減する事ができる。これによって、高次横モードと活性層における利得領域(電流注入領域)の空間的重なりを減少できて、高次横モードの発振を抑制することができる。イオン注入狭窄型面発光レーザ素子では、作りつけの導波構造を持たないので、駆動条件の変化に対し、横モードが不安定で、容易に発振しやすいが、本発明の様に反導波構造を設けると、安定に高次横モードを抑制することができる。 Further, since the ion-implanted confined surface emitting laser element does not have a built-in waveguide structure, the anti-waveguide structure can be used easily and effectively as shown in FIG. Can be spread in the lateral direction of the mesa to reduce the distribution of higher-order transverse modes (electric field strength) in the center of the mesa. As a result, the spatial overlap between the high-order transverse mode and the gain region (current injection region) in the active layer can be reduced, and oscillation of the high-order transverse mode can be suppressed. Since the ion-implanted confined surface emitting laser element does not have a built-in waveguide structure, the transverse mode is unstable and easily oscillates against changes in driving conditions. When the structure is provided, the high-order transverse mode can be stably suppressed.
また、基本横モードは、図3(b)の様にモードのピーク値が抑圧され、モード中心における電界強度分布がなだらかなものとなり、これによって、利得領域におけるピーク電界強度を低減できるので、空間的ホールバーニングの発生を低減することができる。 In the basic transverse mode, the peak value of the mode is suppressed as shown in FIG. 3B, and the electric field intensity distribution at the center of the mode becomes gentle. As a result, the peak electric field intensity in the gain region can be reduced. The occurrence of mechanical hole burning can be reduced.
(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第1乃至第4のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成する前記AlGaAs混晶層にレーザ共振方向に接して、GaAs層またはGaInP混晶層が設けられている事を特徴としている。
(5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to fourth aspects, the ion implantation of molecules containing oxygen in the same plane perpendicular to the laser resonance direction is not performed. On the other hand, a GaAs layer or a GaInP mixed crystal layer is provided in contact with the AlGaAs mixed crystal layer forming a region having a relatively low refractive index in the laser resonance direction.
GaInP,GaAs半導体層は酸素イオン注入がなされても殆ど酸化がなされない。従って、AlGaAs層中における酸素イオン注入のプロファイルが急峻で無い場合等に、注入プロファイルの広がり幅に対応して、第5の形態の構成のように、選択酸化を行なわせたいAlGaAs層と接してGaInP、又はGaAs層、あるいはこれらから成る半導体構造を設ける構成とする事により、所望の領域以外に酸化層が生じる事を防止でき、共振条件の調整が容易になる。 The GaInP and GaAs semiconductor layers are hardly oxidized even when oxygen ions are implanted. Accordingly, when the profile of oxygen ion implantation in the AlGaAs layer is not steep, etc., the AlGaAs layer is in contact with the AlGaAs layer to be selectively oxidized as in the fifth embodiment, corresponding to the spread width of the implantation profile. By adopting a configuration in which a GaInP or GaAs layer or a semiconductor structure made of these layers is provided, it is possible to prevent an oxide layer from being generated in a region other than a desired region, and the resonance conditions can be easily adjusted.
(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、レーザ共振方向に垂直な同一面内の酸素を含む分子のイオン注入がなされていない周辺領域に対して、相対的に屈折率の低い領域を形成するAlGaAs混晶層は、共振器構造中において、発振光の定在波の腹に対応する位置に設けられ、且つ、素子を構成する他のAlGaAs混晶層に比べて相対的に高濃度にドーピングされている事を特徴としている。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to fifth aspects, a peripheral region where oxygen ions are not implanted in the same plane perpendicular to the laser resonance direction. On the other hand, the AlGaAs mixed crystal layer that forms the region having a relatively low refractive index is provided at a position corresponding to the antinode of the standing wave of the oscillation light in the resonator structure, and other elements constituting the element. It is characterized by relatively high doping compared to the AlGaAs mixed crystal layer.
第6の形態の構成とする事により、酸素分子を含むイオン注入がなされ熱処理が行なわれた領域は、酸化によってAlOxを形成し、基本横モード光に対し透明となる。よって、基本横モードに対する損失が無くなる。また、酸素を含む分子のイオン注入がなされていない領域は、高濃度のドーピングの作用により、前記領域において大きなモード振幅を有する高次横モード光を吸収するので、高次横モードの発振を効果的に抑制する。また、特に共振器内における定在波の腹の位置では、モード分布(電界強度)が大きい為、高次横モード光に対し、より大きな吸収損失が生じ、効果的に高次横モードを抑制することができる。 By adopting the configuration of the sixth embodiment, the region where the ion implantation including oxygen molecules is performed and the heat treatment is performed forms AlO x by oxidation, and becomes transparent to the fundamental transverse mode light. Therefore, there is no loss for the basic transverse mode. In addition, the region where oxygen ion-implanted ions are not implanted absorbs high-order transverse mode light having a large mode amplitude in the region due to the action of high-concentration doping. Suppress it. Also, especially at the antinodes of standing waves in the resonator, the mode distribution (electric field strength) is large, so higher absorption loss occurs for higher-order transverse mode light, effectively suppressing higher-order transverse modes. can do.
(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第1乃至第6のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、前記相対的に屈折率が低い領域が、複数設けられている事を特徴としている。
(7th form)
According to a seventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to sixth aspects, a plurality of the regions having a relatively low refractive index are provided.
第7の形態の構成の様に、周辺領域に対し相対的に屈折率の低い領域から成る反導波構造を複数設ける事により、反導波の作用の調整を容易に行なうことができ、設計の自由度を増大させることができる。また、反導波構造を複数にする事によって、大きな反導波作用を得る事ができるので、より効果的に高次横モードを抑制することができる。 As in the configuration of the seventh embodiment, by providing a plurality of anti-waveguide structures composed of regions having a relatively low refractive index with respect to the peripheral region, it is possible to easily adjust the action of the anti-waveguide. The degree of freedom can be increased. Moreover, since a large anti-waveguide action can be obtained by using a plurality of anti-waveguide structures, higher-order transverse modes can be more effectively suppressed.
(第8の形態)
本発明の第8の形態は、第1乃至第7のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、前記相対的に屈折率が低い領域が、一対の分布ブラッグ反射器のうちのn型分布ブラッグ反射器中に設けられている事を特徴としている。
(8th form)
According to an eighth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to seventh aspects, the region having a relatively low refractive index is an n-type distributed Bragg reflector of a pair of distributed Bragg reflectors. It is characterized by being provided in the reflector.
第8の形態の構成では、周辺領域に対し相対的に屈折率の低い領域からなる反導波構造をn型分布ブラッグ反射器中に設ける事により、素子抵抗を増加させる事なく、効果的に高次横モードを抑制することができる。 In the configuration of the eighth embodiment, an anti-waveguide structure including a region having a relatively low refractive index with respect to the peripheral region is provided in the n-type distributed Bragg reflector, thereby effectively increasing the device resistance. Higher transverse modes can be suppressed.
(第9の形態)
本発明の第9の形態は、第1乃至第8のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、前記レーザ共振領域とレーザ共振方向に空間的重なりを有して設けられた相対的に屈折率が低い領域の周辺に、前記相対的に屈折率が低い領域に対し高屈折率である高屈折率領域が設けられ、更に、前記高屈折率領域の周辺に、前記高屈折率領域に対し低屈折率であるクラッド領域が設けられている事を特徴としている。
(9th form)
According to a ninth aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to eighth aspects, a relative refractive index provided with a spatial overlap in the laser resonance direction with the laser resonance region. A high refractive index region having a high refractive index with respect to the relatively low refractive index region is provided in the periphery of the low refractive index region, and is further provided in the periphery of the high refractive index region with respect to the high refractive index region. A clad region having a refractive index is provided.
従来技術の様に、レーザ発振領域に対応する領域に、低屈折率領域を備えた反導波構造面発光レーザ素子では、導波構造の性質上、レーザ発振方向と垂直な方向へのモードの漏洩による(回折)損失が生じやすいという性質があり、閾値電流の増加、出力の低減といった不具合の原因となる。 As in the prior art, an anti-waveguide structure surface emitting laser element having a low refractive index region in a region corresponding to the laser oscillation region has a mode perpendicular to the laser oscillation direction due to the nature of the waveguide structure. It has the property of easily causing (diffraction) loss due to leakage, which causes problems such as an increase in threshold current and a reduction in output.
これを改善する方法として、例えば、文献「Applied Physics Letters vol. 76, No. 13, 2000, p.p.1659 」には、S−ARROWと呼ばれる面発光レーザ素子の構造が示されている。この従来技術では、基板面に平行な方向に実効屈折率が異なる領域を形成する手段として、エッチングにより膜厚を調整する方法を用いており、レーザ発振領域を中心とした低屈折率領域の周辺を取り囲んで高屈折率領域を設け、更に前記の高屈折率領域を取り囲んだ外側に低屈折率領域を設ける構成が示されている。 As a method for improving this, for example, a document “Applied Physics Letters vol. 76, No. 13, 2000, pp. 1659” shows a structure of a surface emitting laser element called S-ARROW. In this prior art, as a means for forming regions having different effective refractive indexes in the direction parallel to the substrate surface, a method of adjusting the film thickness by etching is used, and the periphery of the low refractive index region centering on the laser oscillation region is used. Is provided to provide a high refractive index region, and further to provide a low refractive index region outside the high refractive index region.
この様に、レーザ発振領域を中心とした低屈折率領域の周辺に高屈折率領域、及び、低屈折率領域を順次設けた場合、レーザ発振領域を中心とする低屈折率領域と、その周辺に設けられた高屈折率領域とによって、反導波構造が形成される。また、前記の高屈折率領域の周辺に設けた低屈折率領域は、クラッド層と同様に動作し、横モードの閉じ込め作用を有するので、基板面に平行な方向への回折による漏洩損失を低減することができる。 As described above, when the high refractive index region and the low refractive index region are sequentially provided around the low refractive index region centered on the laser oscillation region, the low refractive index region centered on the laser oscillation region and the periphery thereof. The anti-waveguide structure is formed by the high refractive index region provided in the. The low-refractive index region provided around the high-refractive index region operates in the same way as the cladding layer and has a transverse mode confinement function, thus reducing leakage loss due to diffraction in a direction parallel to the substrate surface. can do.
また、光は高屈折率領域に閉じ込められ易いので、クラッド層とレーザ発振領域を中心とした低屈折率領域との間に設けた高屈折率領域には、特に高次横モードが集中し易く、利得領域と高次モードとの結合を低減する事ができる。これにより、高次横モードの発振を効果的に抑制する事ができる。 In addition, since light is easily confined in the high refractive index region, high-order transverse modes are particularly likely to concentrate in the high refractive index region provided between the cladding layer and the low refractive index region centered on the laser oscillation region. In addition, the coupling between the gain region and the higher order mode can be reduced. Thereby, the oscillation of the high-order transverse mode can be effectively suppressed.
これに対して、本発明の第1乃至第8の形態の、反導波構造を形成する為の方法として、レーザ共振領域に空間的に重なりを有して、Alの酸化物より成る低屈折率領域を用いた面発光レーザ素子に対して、第9の形態の構成とすると、Alの酸化物の屈折率が、半導体材料の屈折率に比べ半分程度と小さいので、従来技術に対しより大きな屈折率差を設ける事が可能であり、大きな反導波作用を容易に得る事ができる。従って、高次横モードと利得領域との結合をより低減できるので、高次横モードの発振を更に効果的に抑制できる。 On the other hand, as a method for forming the anti-waveguide structure according to the first to eighth embodiments of the present invention, a low refraction made of an oxide of Al having a spatial overlap in the laser resonance region. When the structure of the ninth embodiment is used for the surface emitting laser element using the refractive index region, the refractive index of the Al oxide is as small as about half that of the semiconductor material. A difference in refractive index can be provided, and a large anti-waveguide effect can be easily obtained. Therefore, since the coupling between the high-order transverse mode and the gain region can be further reduced, the oscillation of the high-order transverse mode can be further effectively suppressed.
また、同様に、クラッド領域をAlの酸化物を含む低屈折領域によって構成すると、大きな横モードの閉じ込め作用が得られるので、モードの漏洩による損失を大幅に低減できる動作を得る事ができる。また、反導波構造を設ける方法として、第1乃至第6の形態の様に、酸素を含む分子、イオンの注入と熱処理による選択酸化を用いた場合、エッチング等の加工、及び再成長を必要とせずに素子を製造する事ができるので、簡単な工程により素子を製造できる。 Similarly, when the cladding region is formed of a low refractive region including an Al oxide, a large transverse mode confinement effect can be obtained, so that an operation capable of greatly reducing loss due to mode leakage can be obtained. In addition, as a method of providing an anti-waveguide structure, etching, etc., and re-growth are required when oxygen-containing molecules, ion implantation and selective oxidation by heat treatment are used as in the first to sixth embodiments. Since an element can be manufactured without using it, the element can be manufactured by a simple process.
また、特に水素イオン注入型面発光レーザ素子は、以下の様に、より大きな効果を得る事ができる。つまり、水素イオン注入型面発光レーザ素子は、横モードの閉じ込め構造を持たないので、反導波構造とした場合に、モードの漏洩による損失が大きくなり易いという問題がある。これに対し、第9の形態の面発光レーザ素子の様に、Alの酸化物からなる低屈折率クラッドをレーザ発振領域の外側に設ける事により、モードの漏洩による損失を大幅に低減する事が可能である。 In particular, a hydrogen ion implanted surface emitting laser element can obtain a greater effect as described below. That is, since the hydrogen ion-implanted surface emitting laser element does not have a transverse mode confinement structure, there is a problem that loss due to mode leakage tends to increase when an anti-waveguide structure is used. On the other hand, the loss due to mode leakage can be greatly reduced by providing a low refractive index clad made of Al oxide outside the laser oscillation region as in the case of the surface emitting laser element of the ninth embodiment. Is possible.
また、横モードの閉じ込めを行なうクラッド領域としては、この他にも低屈折率領域、及び高屈折率領域を交互に繰り返し設けてなる周期構造とする事もできる。この様な屈折率の周期構造において、各領域の幅を基本横モード光のレーザ発振方向に垂直な面内における波長の1/4の奇数倍に選ぶ事によって、レーザ共振方向に設けた分布ブラッグ反射器と同様な光閉じ込め構造(共振器)を形成する事が可能であり、繰り返し周期等を適切に選び反射帯域の幅を調整する事により、基本横モード光のみに対して高い光閉じ込め効果を得る事ができる。 In addition, the cladding region for confining the transverse mode may have a periodic structure in which a low refractive index region and a high refractive index region are alternately and repeatedly provided. In such a periodic structure with a refractive index, the distribution Bragg provided in the laser resonance direction is selected by selecting the width of each region as an odd multiple of ¼ of the wavelength in the plane perpendicular to the laser oscillation direction of the fundamental transverse mode light. It is possible to form a light confinement structure (resonator) similar to that of a reflector. By appropriately selecting a repetition period and adjusting the width of the reflection band, a high light confinement effect for only fundamental transverse mode light Can be obtained.
以上の様に、第9の形態では、レーザ共振方向と垂直な方向へのモード漏洩が低減される事と、より大きな高次横モードの抑制効果が得られる事とにより、更に高出力までの単一基本横モード発振が得られる。 As described above, in the ninth embodiment, mode leakage in a direction perpendicular to the laser resonance direction is reduced, and a higher higher-order transverse mode suppression effect can be obtained. Single fundamental transverse mode oscillation is obtained.
(第10の形態)
本発明の第10の形態は、第9の形態の面発光レーザ素子において、前記クラッド領域により取り囲まれた高屈折率領域の幅に異方性を設けた事を特徴としている。
(10th form)
A tenth aspect of the present invention is characterized in that, in the surface emitting laser element of the ninth aspect, anisotropy is provided in the width of the high refractive index region surrounded by the cladding region.
第10の形態では、前記クラッド領域により、レーザ共振方向に垂直な方向に取り囲まれる領域の幅に異方性を設けた事により、レーザ発振光の偏光方向が特定の方向に制御され、更に高出力までの単一基本横モード発振が可能となる。 In the tenth embodiment, by providing anisotropy to the width of the region surrounded by the cladding region in the direction perpendicular to the laser resonance direction, the polarization direction of the laser oscillation light is controlled to a specific direction, and further increased. Single fundamental transverse mode oscillation up to output is possible.
第9の形態で述べた様に、レーザ発振領域を中心とした低屈折率領域の周辺を取り囲んで高屈折率領域及び低屈折率領域を設けると、高屈折率領域の外側に設けた低屈折率領域は、クラッド層として動作し、横モードが閉じ込められるため、モード漏洩による損失を低減できる。また、クラッド層とレーザ発振領域を中心とする低屈折率領域の間に設けた高屈折率領域には、高次横モードが集中し、利得領域と高次横モードとの結合が低減するので、高次横モードの発振を抑制する事が可能となる。 As described in the ninth embodiment, when the high refractive index region and the low refractive index region are provided surrounding the low refractive index region around the laser oscillation region, the low refractive index provided outside the high refractive index region is provided. The rate region operates as a cladding layer and the transverse mode is confined, so that loss due to mode leakage can be reduced. In addition, since the high-order transverse mode is concentrated in the high-refractive index region provided between the cladding layer and the low-refractive index region centered on the laser oscillation region, the coupling between the gain region and the high-order transverse mode is reduced. It is possible to suppress the oscillation of the higher-order transverse mode.
また更に、第10の形態の様に、低屈折率クラッド領域によって挟まれる領域の幅を、例えば長方形(又は楕円形状)等の様に異方性形状とすると、横方向の閉じ込めに異方性が生じ、横モード分布を、異方性を設けた方向の間で変化させることができる。この際に、低屈折率クラッドで挟まれる領域の幅、クラッド領域,高屈折率領域,及び低屈折率コアの実効屈折率を適切に調整し、特定の方向における基本横モード分布が、利得領域と高い結合を得る様に設定する事で、特定の方向に偏光を有する基本横モードのみを選択的に発振させる事ができる。 Furthermore, as in the tenth embodiment, when the width of the region sandwiched between the low-refractive index cladding regions is an anisotropic shape such as a rectangle (or an elliptical shape), the lateral confinement is anisotropic. And the transverse mode distribution can be changed between directions in which anisotropy is provided. At this time, the width of the region sandwiched by the low refractive index cladding, the effective refractive index of the cladding region, the high refractive index region, and the low refractive index core are appropriately adjusted, and the fundamental transverse mode distribution in a specific direction is determined as the gain region. Therefore, only the fundamental transverse mode having polarization in a specific direction can be selectively oscillated.
尚、高次横モードは、レーザ発振領域における電場振幅が小さいので、反導波構造による影響を強く受け易く、従って反導波構造としている事により、元々利得領域との結合は小さく、発振は十分に抑制する事ができる。 Since the high-order transverse mode has a small electric field amplitude in the laser oscillation region, it is easily affected by the anti-waveguide structure. Therefore, by using the anti-waveguide structure, the coupling with the gain region is originally small, and the oscillation is It can be suppressed sufficiently.
以上から、第10の形態では、偏光が制御され、高出力まで単一基本横モード動作が可能な素子を提供することができる。 As described above, in the tenth embodiment, it is possible to provide an element in which polarization is controlled and single fundamental transverse mode operation is possible up to a high output.
(第11の形態)
本発明の第11の形態は、第9の形態の面発光レーザ素子において、前記クラッド領域が、レーザ共振領域を挟んで対向するレーザ共振方向に垂直な一対の方向にのみ設けられている事を特徴としている。
(Eleventh form)
According to an eleventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the ninth aspect, the cladding region is provided only in a pair of directions perpendicular to a laser resonance direction facing each other with the laser resonance region interposed therebetween. It is a feature.
第11の形態の面発光レーザ素子では、レーザ発振領域を中心とした領域の外側に設けられたAlの酸化物による低屈折率領域を、前記レーザ共振領域を挟み対向する一対の方向にのみ設ける構成とした事により、偏光方向が特定の方向に制御され、高出力まで単一基本横モード動作が得られる。 In the surface-emitting laser element according to the eleventh aspect, the low refractive index region made of Al oxide provided outside the region centered on the laser oscillation region is provided only in a pair of directions facing each other with the laser resonance region interposed therebetween. With this configuration, the polarization direction is controlled to a specific direction, and single fundamental transverse mode operation can be obtained up to high output.
前述の様に、反導波構造では横方向へのモード漏洩による損失が生じ易い傾向がある。また、モードの漏洩損失を低減する為には、第9の形態の面発光レーザ素子の様に、低屈折率クラッドを設ける事が効果的である。従って、第11の形態の面発光レーザ素子の様に、レーザ発振領域を挟む一対の方向にのみ低屈折率クラッド層を設ける構成とする事によって、低屈折率クラッド領域を設けた方向では、モードの漏洩損失を低くする事ができ、この方向に電場成分(偏光)を有した基本横モードを選択的に発振させる事が可能となる。 As described above, the anti-waveguide structure tends to easily cause a loss due to lateral mode leakage. In order to reduce mode leakage loss, it is effective to provide a low refractive index cladding as in the surface emitting laser element of the ninth embodiment. Accordingly, by providing the low refractive index cladding layer only in a pair of directions sandwiching the laser oscillation region as in the case of the surface emitting laser element of the eleventh embodiment, the mode is provided in the direction in which the low refractive index cladding region is provided. The fundamental transverse mode having an electric field component (polarized light) in this direction can be selectively oscillated.
また、特に水素イオン注入型面発光レーザ素子では、導波構造を有していないので、特にモードの漏洩が生じやすく、低屈折率クラッド領域を設けた方向と、設けていない方向における発振利得の差が大きい。従って、高い偏光比を得る事が可能である。 In particular, since the hydrogen ion implantation surface emitting laser element does not have a waveguide structure, mode leakage is particularly likely to occur, and the oscillation gain in the direction in which the low refractive index cladding region is provided and in the direction in which the low refractive index cladding is not provided. The difference is big. Therefore, it is possible to obtain a high polarization ratio.
以上の様に、第11の形態では、偏光方向が特定の方向に制御され、且つ単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 As described above, according to the eleventh embodiment, it is possible to provide an element in which the polarization direction is controlled to a specific direction and which can perform a high output operation in the single basic transverse mode.
(第12の形態)
本発明の第12の形態は、第1乃至第11のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、レーザ共振領域と空間的重なりを有して設けられる前記相対的に屈折率が低い領域が、異方性形状を有している事を特徴としている。
(Twelfth embodiment)
According to a twelfth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to eleventh aspects, the region having a relatively low refractive index provided so as to have a spatial overlap with the laser resonance region, It is characterized by having an anisotropic shape.
第12の形態の面発光レーザ素子の様に、レーザ発振領域に空間的重なりを有して設けられるAlの酸化物による低屈折率コア領域の形状を、例えば長方形状や楕円形状等の様に異方性形状とすると、第10の形態と同様に、横方向の閉じ込めに異方性が生じ、横モード分布を、異方性を設けた方向の間で変化させることができる。この際に、低屈折率コア領域の幅、及び実効屈折率を適切に調整し、特定の方向における基本横モード分布が、利得領域と高い結合を得る様に設定する事で、特定の方向に偏光を有する基本横モードのみを選択的に発振させる事ができる。 Like the surface emitting laser element of the twelfth embodiment, the shape of the low refractive index core region made of an oxide of Al provided with a spatial overlap in the laser oscillation region is, for example, rectangular or elliptical When the anisotropic shape is used, anisotropy occurs in the lateral confinement, as in the tenth embodiment, and the transverse mode distribution can be changed between the directions in which the anisotropy is provided. At this time, by appropriately adjusting the width of the low refractive index core region and the effective refractive index and setting the basic transverse mode distribution in a specific direction so as to obtain high coupling with the gain region, Only the fundamental transverse mode having polarization can be selectively oscillated.
尚、高次横モードは、レーザ発振領域における電場振幅が小さいので、反導波構造による影響を強く受け易く、従って反導波構造としている事により、元々利得領域との結合は小さく、発振は十分に抑制する事ができる。 Since the high-order transverse mode has a small electric field amplitude in the laser oscillation region, it is easily affected by the anti-waveguide structure. Therefore, by using the anti-waveguide structure, the coupling with the gain region is originally small, and the oscillation is It can be suppressed sufficiently.
以上の様に、第12の形態では、偏光方向が特定の方向に制御され、且つ単一基本横モードにおいて高出力動作が可能な素子を提供することができる。 As described above, according to the twelfth embodiment, it is possible to provide an element in which the polarization direction is controlled to a specific direction and capable of high output operation in the single basic transverse mode.
(第13の形態)
本発明の第13の形態は、第1乃至第12のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、活性層はIII−V族元素により構成され、活性層を構成するIII族元素として、Ga,Inのうちのいずれか、又は全てを含み、また、V族元素として、As,N,Sb,Pのうちのいずれか、又は全てを含んでいる事を特徴としている。
(13th form)
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element of any one of the first to twelfth aspects, the active layer is composed of a III-V group element, and the group III elements constituting the active layer are Ga, It includes any or all of In, and also includes any or all of As, N, Sb, and P as a group V element.
第13の形態の構成とする事によって、特に、温度特性にすぐれた、光通信光源に最適な素子が得られる。 By adopting the configuration of the thirteenth embodiment, an element optimal for an optical communication light source having particularly excellent temperature characteristics can be obtained.
(第14の形態)
本発明の第14の形態は、第1乃至第13のいずれかの形態の面発光レーザ素子がアレイ状に配列されて構成されている事を特徴とする面発光レーザアレイである。
(14th form)
A fourteenth aspect of the present invention is a surface emitting laser array characterized in that the surface emitting laser elements of any one of the first to thirteenth aspects are arranged in an array.
この第14の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで高出力まで発振が可能な面発光レーザアレイとして動作する。 The surface-emitting laser array according to the fourteenth embodiment operates as a surface-emitting laser array that can oscillate to a high output in a single fundamental transverse mode.
(第15の形態)
本発明の第15の形態は、第1乃至第13のいずれかの形態の面発光レーザ素子、または、第14の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムである。
(15th form)
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided an optical interface characterized in that the surface-emitting laser element according to any one of the first to thirteenth aspects or the surface-emitting laser array according to the fourteenth aspect is used as a light source. It is a connection system.
第1乃至第13の形態の面発光レーザ素子,第14の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られ、光ファイバとの結合が高く、素子の動作状態の変化に対しても横モードが安定しているので、これが光源として用いられた光インターコネクションシステムは信頼性の高いものとなる。 The surface-emitting laser elements of the first to thirteenth forms and the surface-emitting laser array of the fourteenth form are capable of oscillating to a high output in a single fundamental transverse mode, have high coupling with an optical fiber, and operate the element. Since the transverse mode is stable even when the state changes, the optical interconnection system in which the transverse mode is used as a light source is highly reliable.
(第16の形態)
本発明の第16の形態は、第1乃至第13のいずれかの形態の面発光レーザ素子、または、第14の形態の面発光レーザアレイが通信光源として用いられている事を特徴とする光通信システムである。
(16th form)
A sixteenth aspect of the present invention is a light characterized in that the surface-emitting laser element according to any one of the first to thirteenth aspects or the surface-emitting laser array according to the fourteenth aspect is used as a communication light source. It is a communication system.
第1乃至第13の形態の面発光レーザ素子,第14の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られ、光ファイバとの結合が高く、素子の動作状態の変化に対しても横モードが安定しているので、これが通信光源として用いられた光通信システムは信頼性の高いものとなる。また、基本横モード出力が高い事から、遠距離通信が可能な光通信システムとなる。 The surface-emitting laser elements of the first to thirteenth forms and the surface-emitting laser array of the fourteenth form are capable of oscillating to a high output in a single fundamental transverse mode, have high coupling with an optical fiber, and operate the element. Since the transverse mode is stable even with respect to a change in state, an optical communication system in which this is used as a communication light source is highly reliable. In addition, since the basic transverse mode output is high, the optical communication system is capable of long-distance communication.
(第17の形態)
本発明の第17の形態は、第1乃至第13のいずれかの形態の面発光レーザ素子、または、第14の形態の面発光レーザアレイが書き込み用光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムである。
(17th form)
According to a seventeenth aspect of the present invention, the surface emitting laser element according to any one of the first to thirteenth aspects or the surface emitting laser array according to the fourteenth aspect is used as a light source for writing. An electrophotographic system.
第1乃至第13の形態の面発光レーザ素子,第14の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られる。また、出射ビームが円形であり、高いアレイ間の位置精度を有している事から、同一のレンズで複数のビームを再現性良く容易に集光できるので、光学系が簡単で済み、低コストな電子写真システムを構成できる。また、基本横モードで高出力が得られるので、アレイを用いた場合、特に高速書き込みが可能であり、高速な電子写真システムを構成できる。 The surface-emitting laser elements of the first to thirteenth forms and the surface-emitting laser array of the fourteenth form can oscillate to a high output in a single fundamental transverse mode. In addition, since the outgoing beam is circular and has high positional accuracy between the arrays, multiple beams can be easily collected with the same lens with good reproducibility, so the optical system is simple and low cost. A simple electrophotographic system. In addition, since a high output can be obtained in the basic transverse mode, when an array is used, particularly high-speed writing is possible, and a high-speed electrophotographic system can be configured.
(第18の形態)
本発明の第18の形態は、第1乃至第13のいずれかの形態の面発光レーザ素子、または、第14の形態の面発光レーザアレイが読み出し/書き込み用光源として用いられている事を特徴とする光ディスクシステムである。
(18th form)
According to an eighteenth aspect of the present invention, the surface emitting laser element according to any one of the first to thirteenth aspects or the surface emitting laser array according to the fourteenth aspect is used as a read / write light source. This is an optical disk system.
第1乃至第13の形態の面発光レーザ素子,第14の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られ、更に出射ビームが円形である事から、信頼性の高い光ディスクシステムを構成できる。また、特にアレイを用いた場合、高密度の読み出し/書き込みが可能であり、高速な光ディスクシステムを構成できる。 The surface-emitting laser elements of the first to thirteenth forms and the surface-emitting laser array of the fourteenth form are reliable in that they can oscillate to a high output in a single fundamental transverse mode and the output beam is circular. A highly reliable optical disk system can be configured. In particular, when an array is used, high-density reading / writing is possible, and a high-speed optical disk system can be configured.
図1は実施例1の面発光レーザ素子を示す図である。図1の面発光レーザ素子は、GaAs/Al0.15Ga0.85As多重量子井戸構造を活性層とする0.85μm帯面発光レーザ素子である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。 FIG. 1 is a view showing a surface emitting laser element according to Example 1. FIG. The surface emitting laser element of FIG. 1 is a 0.85 μm band surface emitting laser element having a GaAs / Al 0.15 Ga 0.85 As multiple quantum well structure as an active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process.
図1の面発光レーザ素子は、有機金属気相成長法(MOCVD法)により結晶成長がなされており、III族原料に、トリメチルアルミニウム(TMA),トリメチルガリウム(TMG),トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族原料に、アルシン(AsH3)ガスを用いている。また、p型ドーパントにはCBr4を用い、n型ドーパントにはH2Seを用いている。 The surface emitting laser element of FIG. 1 is grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD), and trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as group III materials. In addition, arsine (AsH 3 ) gas is used as the group V raw material. Further, CBr 4 is used for the p-type dopant, and H 2 Se is used for the n-type dopant.
具体的に、図1の素子は、n−GaAs基板101上に、n−GaAsバッファー層102、n−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85Asの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As下部半導体分布ブラッグ反射器103、ノンドープAl0.15Ga0.85As共振器スペーサー104、GaAs/Al0.15Ga0.85As多重量子井戸活性層105、ノンドープAl0.15Ga0.815As共振器スペーサー106、20周期のp−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As上部半導体分布ブラッグ反射器107が順次結晶成長されている。また、上部分布ブラッグ反射器107の最表面層となるAl0.15Ga0.85As層では、表面付近のp型ドーパント(炭素)のドーピングを高濃度としたコンタクト層(図示せず)を設けている。また、p−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As上部半導体分布ブラッグ反射器107中には、電流狭窄の為にp−AlAs被選択酸化層108を設けている。ここで、p−AlAs被選択酸化層108は、水蒸気を含む加熱雰囲気中において、エッチング端面から選択酸化を行なう事によって、酸化が成された酸化領域(黒く示した領域;以降の実施例についても同様)と、酸化が成されていない領域とが形成される。
Specifically, the element of FIG. 1 includes an n-
図1の面発光レーザ素子は、結晶成長の後、公知の写真製版技術によって一辺が30μmの正方形レジストパターンを形成し、公知のドライエッチング技術を用いてp−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As上部半導体分布ブラッグ反射器107の表面からn−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As下部分布半導体ブラッグ反射器103の途中までの各層のエッチング除去を行なって、正方形メサを形成している。
In the surface emitting laser element of FIG. 1, after crystal growth, a square resist pattern having a side of 30 μm is formed by a known photolithography technique, and p-Al 0.9 Ga 0.1 As is formed using a known dry etching technique. / Al 0.15 Ga 0.85 As From the surface of the upper semiconductor distributed
次に、メサの中心部にアラインして、同じく正方形状のレジスト開口パターンを形成し、メサの中心部への酸素分子のイオン注入を行っている。図では酸素イオン注入領域113として示されている。次に、レジストの除去を行った後、水蒸気を含む加熱雰囲気中において、エッチング端面からメサ中央部に向けて、基板と平行方向にp−AlAs被選択酸化層108の選択酸化を行なって選択酸化電流狭窄構造を形成している。また、この水蒸気を含む加熱雰囲気中における選択酸化工程の熱処理によって、酸素イオン注入領域113においては、Al0.9Ga0.1As混晶の酸化が同時に進行し、メサの中央部に周囲の領域に比べ屈折率が相対的に低い、酸素イオン注入による選択酸化領域が形成されている。ここで、酸素イオン注入領域の一辺の長さを15μm、電流狭窄領域の一辺の長さを10μmとしている。
Next, a square resist opening pattern is formed in alignment with the center of the mesa, and oxygen molecule ions are implanted into the center of the mesa. In the figure, the oxygen
次に、気相化学堆積法(CVD法)を用いて、ウエハ全面にSiO2層109を形成した後、メサの中央部にアラインして、絶縁樹脂110のスピンコートを行い、メサ上の絶縁樹脂の除去を行っている。次に、絶縁樹脂除去部のSiO2層109の除去を行い、メサ上の光出射部となる領域に10μmの方形レジストパターンを形成し、p型電極材料の蒸着を行なている。次に出射部の電極材料をリフトオフにより除去し、p側電極111を形成している。次に、n−GaAs基板101の裏面研磨の後、基板101の裏面に蒸着によってn側電極112を設け、アニールによって両電極111、112のオーミック導通を取っている。
Next, a SiO 2 layer 109 is formed on the entire surface of the wafer by vapor phase chemical deposition (CVD), and then aligned with the center of the mesa and spin-coated with an insulating
図2は、図1において酸素イオン注入が行なわれている領域113の一部を詳細に示す図である。酸素イオン注入が行なわれた領域に位置するAl0.9Ga0.1As混晶は、酸素イオン注入後の熱処理によって、Al原子と反応して酸化し、周囲のAl0.9Ga0.1As混晶に対し相対的に屈折率の低い領域(黒く示した領域)を形成し、共振器中に反導波構造を形成している。尚、AlGaAs混晶は、Al組成の大きなもの程酸化が進行しやすく、本素子のGaAs層は殆ど酸化がなされていない。また、メサ中央部の反導波構造を形成する為の酸化構造は、周辺領域に比べて相対的に屈折率が低くなっていれば良いので、AlGaAs混晶が必ずしも完全に酸化されている必要はない。従って、換言すると、設計に対し所望の屈折率変化が得られる様に、酸素イオンの注入量を調整する事ができる。
FIG. 2 is a diagram showing in detail a part of
ここで、酸素イオン注入が行なわれたAlGaAs混晶は、熱処理後の屈折率と、膜厚をもって、分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件が満たされる様に、予め膜厚が選ばれている。つまり、イオン注入、熱処理によって屈折率が相対的に低くなった領域は、分布ブラッグ反射器の低屈折率層として形成されている。従って、イオン注入がなされたp−Al0.9Ga0.1Asは、これの上下に位置するp−Al0.9Ga0.1As層とは厚さが異なり、屈折率の変化分を考慮し他の領域におけるp−Al0.9Ga0.1Asと比べ厚く形成されている。尚、酸素イオン注入領域も含め、分布ブラッグ反射器の膜厚は、ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たす様に、それぞれ層における発振光の位相変化がπ/2となる層厚としている。 Here, the thickness of the AlGaAs mixed crystal subjected to oxygen ion implantation is selected in advance so that the phase condition of multiple reflection of the distributed Bragg reflector is satisfied with the refractive index and film thickness after heat treatment. . That is, the region where the refractive index is relatively lowered by ion implantation and heat treatment is formed as a low refractive index layer of the distributed Bragg reflector. Therefore, the p-Al 0.9 Ga 0.1 As that has been ion-implanted is different in thickness from the p-Al 0.9 Ga 0.1 As layer positioned above and below the p-Al 0.9 Ga 0.1 As layer. In consideration of the above, it is formed thicker than p-Al 0.9 Ga 0.1 As in other regions. The film thickness of the distributed Bragg reflector including the oxygen ion implantation region is set to a layer thickness at which the phase change of the oscillation light in each layer is π / 2 so that the multiple reflection phase condition of the Bragg reflector is satisfied. .
この様に、イオン注入領域のAlGaAs混晶の厚さを設定し、酸化後の屈折率に対しブラッグ反射の共振条件が満たされる様にする事で、メサ中心部(イオン注入がなされた部位)では共振波長に対し、高い反射率が得られ、逆にイオン注入がなされなかったメサの中心から側面部にかけては、位相条件が崩れる事により反射率を低下させる事が可能である。従って、反射率が低下した領域に大きなモード振幅を有する高次モードは、反射鏡損失が増大し、発振を抑制する効果も得る事ができる。 In this way, by setting the thickness of the AlGaAs mixed crystal in the ion implantation region so that the Bragg reflection resonance condition is satisfied with respect to the refractive index after oxidation, the mesa center (the site where the ion implantation is performed) Then, a high reflectance is obtained with respect to the resonance wavelength, and conversely, from the center to the side surface of the mesa where ion implantation has not been performed, the reflectance can be lowered by the collapse of the phase condition. Therefore, a higher-order mode having a large mode amplitude in a region where the reflectivity is reduced can increase the reflector loss and can also suppress the oscillation.
図1の面発光レーザ素子は、AlGaAs混晶への酸素イオン注入と熱処理によって設けた低屈折領域からなる反導波構造により、図3(b)に示す様に、高次横モード分布がメサの周辺部へ押しやられ、同図において模式的に示した電流注入径によって決まる利得領域との重なりが少なくなり、また更にメサの周辺部でブラッグ反射器の反射率が低下する事により、高次横モードの発振が抑制され、従来の素子に比べて高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができた。 The surface emitting laser element of FIG. 1 has a high-order transverse mode distribution as shown in FIG. 3B due to the anti-waveguide structure composed of a low refractive region provided by oxygen ion implantation into AlGaAs mixed crystal and heat treatment. In this way, the overlap with the gain region determined by the current injection diameter schematically shown in the figure is reduced, and the reflectivity of the Bragg reflector is lowered at the periphery of the mesa. Oscillation in the transverse mode was suppressed, and a single fundamental transverse mode oscillation could be obtained up to a higher output than conventional devices.
図4,図5は実施例2の面発光レーザ素子を説明するための図である。図4を参照すると、実施例2では、図1の面発光レーザ素子において、p型分布ブラッグ反射器107の途中までが、実施例1の素子と同様の方法によって結晶成長されている。実施例2では、p型分布ブラッグ反射器107の途中までの結晶成長を行なった後、素子の結晶成長を一旦中断し、先に実施例1と同様にメサの中央部となる領域に酸素を含む分子のイオン注入を行なった後、注入による結晶欠陥を回復させる為に、熱処理を行ない、残りの素子部を再成長によって設けている。この際、結晶欠陥を回復させる為に行なった熱処理、及び残る素子部分の結晶成長時の加熱により、酸素がイオン注入された領域113は、選択的に酸化され、周辺領域に対し低屈折率となり、反導波構造が形成されている。
4 and 5 are diagrams for explaining the surface emitting laser element according to the second embodiment. Referring to FIG. 4, in Example 2, in the surface emitting laser element of FIG. 1, a part of the p-type distributed
この様な作製手順とする事によって、酸素イオン注入を行なう深さを浅く出来るので、非常に制御性良く、急峻な注入プロファイルを得る事が可能である。従って、熱処理によって屈折率が変化する領域を成長方向に精度良く限定する事が可能であり、分布ブラッグ反射器における多重反射の位相条件の調整が非常に容易になる。 By using such a manufacturing procedure, the depth for performing oxygen ion implantation can be reduced, so that a sharp implantation profile can be obtained with very good controllability. Therefore, it is possible to accurately limit the region in which the refractive index changes by the heat treatment in the growth direction, and it is very easy to adjust the phase condition of multiple reflection in the distributed Bragg reflector.
更に、図5に示す様にAl0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85Asよりなる分布ブラッグ反射器の前後にGa0.5In0.5P/Al0.15Ga0.85Asによる分布ブラッグ反射器を設ける事によって、より精密に位相条件を調整する事が可能である。図5では、1ペアのAl0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As分布ブラッグ反射器に接してGa0.5In0.5P/Al0.15Ga0.85Asよりなる分布ブラッグ反射器を設けた例を示している。つまり、Ga0.5In0.5Pは、GaAs基板に格子整合させて結晶成長を行なう事が可能であり、更にAlを構成元素として含んでいないので、酸素イオン注入がなされていても、殆ど酸化が進行しない。従って、注入イオン幅に分布がある場合でも、特定の領域のAlGaAs層のみ酸化を行なう事が可能である。また、このように、所望の位置のAlGaAsのみを酸化させる事によって、メサ中央部における分布ブラッグ反射器の反射波長(基本横モードに対する反射波長)を精密に制御性良く調整する事が容易になる。 Further, as shown in FIG. 5, Ga 0.5 In 0.5 P / Al 0.15 is placed before and after the distributed Bragg reflector made of Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.15 Ga 0.85 As. By providing a distributed Bragg reflector made of Ga 0.85 As, it is possible to adjust the phase condition more precisely. In FIG. 5, one pair of Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.15 Ga 0.85 As distributed Bragg reflector is in contact with Ga 0.5 In 0.5 P / Al 0.15 Ga 0. An example in which a distributed Bragg reflector made of 85 As is provided is shown. In other words, Ga 0.5 In 0.5 P can be crystal-grown by lattice matching with a GaAs substrate, and further contains no Al as a constituent element, so even if oxygen ion implantation is performed, Little oxidation proceeds. Therefore, even when there is a distribution in the implanted ion width, it is possible to oxidize only the AlGaAs layer in a specific region. Further, by oxidizing only AlGaAs at a desired position in this way, it becomes easy to precisely adjust the reflection wavelength of the distributed Bragg reflector in the center of the mesa (reflection wavelength with respect to the fundamental transverse mode) with good controllability. .
また、上述した様に、この実施例2では、図4の様に、上部分布ブラッグ反射器の成長中断を行なって、先に酸素イオン注入を行なった場合では、急峻な酸素原子の注入プロファルが得る事が可能であり、更に、図5の様にGa0.5In0.5P/Al0.15Ga0.85As分布ブラッグ反射器を設ける事によって、より精密にイオン注入によって選択酸化がなされる領域を制御する事ができる。また、イオン注入プロファイルが急峻である為、酸化を防止する為に設けるGa0.5In0.5P/Al0.15Ga0.85As分布ブラッグ反射器の層数を少なくできるので、反射率への影響を最小限に留める事ができる。 As described above, in Example 2, when the growth of the upper distributed Bragg reflector is interrupted and oxygen ions are implanted first as shown in FIG. 4, a steep oxygen atom implantation profile is obtained. Furthermore, by providing a Ga 0.5 In 0.5 P / Al 0.15 Ga 0.85 As distributed Bragg reflector as shown in FIG. 5, selective oxidation is performed more precisely by ion implantation. It is possible to control the area where In addition, since the ion implantation profile is steep, the number of layers of the Ga 0.5 In 0.5 P / Al 0.15 Ga 0.85 As distributed Bragg reflector provided to prevent oxidation can be reduced. The impact on the rate can be kept to a minimum.
このようにして作製された実施例2の面発光レーザ素子は、実施例1の素子と同様に、AlGaAs混晶への酸素イオン注入と熱処理による選択酸化によって設けた反導波構造により、図3(b)に示す様に、高次横モードの分布がメサの周辺部へ押しやられ、同図に模式的に示した電流注入径によって決まる利得領域との重なりが少なくなり、また更にメサの周辺部でブラッグ反射器の反射率が低下し、高次横モードの発振が抑制され、従来の素子に比べて高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができる。また、更に分布ブラッグ反射器の反射条件を制御性良く調整する事ができる為、発振閾値特性等の特性の優れた素子が得られる。 The surface-emitting laser device of Example 2 fabricated in this way has an anti-waveguide structure provided by oxygen ion implantation into an AlGaAs mixed crystal and selective oxidation by heat treatment in the same manner as the device of Example 1. As shown in (b), the distribution of the high-order transverse mode is pushed to the periphery of the mesa, and the overlap with the gain region determined by the current injection diameter schematically shown in FIG. This reduces the reflectivity of the Bragg reflector, suppresses higher-order transverse mode oscillation, and can achieve single fundamental transverse mode oscillation up to a higher output than conventional devices. Further, since the reflection conditions of the distributed Bragg reflector can be adjusted with good controllability, an element having excellent characteristics such as oscillation threshold characteristics can be obtained.
図6は実施例3の面発光レーザ素子を説明するための図である。図6を参照すると、実施例3では、図1の面発光レーザ素子における反導波構造113の周り領域が、別の構成のものとなっている。
FIG. 6 is a view for explaining the surface emitting laser element of Example 3. Referring to FIG. 6, in Example 3, the region around the
すなわち、図6では、酸素を含む分子のイオン注入と熱処理とによる選択酸化において、低屈折率領域を形成する為に設けたAl0.9Ga0.1As混晶を、他の領域におけるAl0.9Ga0.1As混晶に比べてドーピング密度が高くなる様にして、結晶成長を行なっている。その他の素子作製手順・方法については実施例1の素子と同様である。 That is, in FIG. 6, Al 0.9 Ga 0.1 As mixed crystal provided for forming a low refractive index region in selective oxidation by ion implantation of a molecule containing oxygen and heat treatment is used as Al Al in other regions. Crystal growth is performed such that the doping density is higher than that of the 0.9 Ga 0.1 As mixed crystal. Other device manufacturing procedures and methods are the same as those of the device of Example 1.
高濃度にドーピングされた半導体は、自由キャリア吸収等によって光の吸収が顕著になる。特にp型半導体では、これに加えて価電子帯間吸収がある為、特に長波長の光に対して吸収が大きくなるという性質がある。 A highly doped semiconductor has significant light absorption due to free carrier absorption or the like. In particular, a p-type semiconductor has a property that absorption is increased particularly for light having a long wavelength because there is absorption between valence bands in addition to this.
従って、この実施例3の様に、イオン注入、熱処理による酸化によって、低屈折率領域を形成するAl0.9Ga0.1As層を結晶成長時に高濃度にドーピングしておくと、p−DBRの直列抵抗が低減する事に加えて、反導波構造部における自由キャリア吸収、又は価電子帯間吸収による吸収損失は大きくなる。しかし、酸素イオン注入が行なわれた部位では、AlOxによる絶縁物が形成され、発振波長に対し透明に変化するので、メサの中央部(イオン注入領域)に大きなモード振幅を有する基本横モードに対する吸収損失が無くなり、メサの中心から側面にかけて大きなモード振幅を有する高次横モードに対してのみ吸収が生じる。従って、吸収損失の増加によって、高次横モードの発振を抑制する事が可能となる。 Therefore, if the Al 0.9 Ga 0.1 As layer forming the low refractive index region is doped at a high concentration during crystal growth by ion implantation and oxidation by heat treatment as in Example 3, p − In addition to reducing the series resistance of the DBR, the absorption loss due to free carrier absorption or valence band absorption in the anti-waveguide structure is increased. However, at the site where oxygen ion implantation has been performed, an insulator made of AlO x is formed and changes transparently with respect to the oscillation wavelength, so that it corresponds to the fundamental transverse mode having a large mode amplitude at the central portion (ion implantation region) of the mesa. Absorption loss is eliminated, and absorption occurs only for higher-order transverse modes having a large mode amplitude from the center to the side of the mesa. Therefore, it is possible to suppress the oscillation of the high-order transverse mode by increasing the absorption loss.
また、図7の構成とする事によって、更に高次横モードの吸収効果を大きくする事が可能である。ここで、図7は、実施例1における面発光レーザ素子の酸素イオン注入領域113の別の構成例を示したものであり、図6と同様に高濃度にp導電型ドーピングが施されたAl0.9Ga0.1As層が設けられている。図6と異なるのは、3/4λ厚さのAl0.9Ga0.1As層が設けられている点である。分布ブラッグ反射器内の発振光の定在波は、λ/4厚さ毎に(位相で表現するとπ/2毎に)電界の節と腹が繰り返される分布となっている。nλ共振器では、共振器側から見てAl0.9Ga0.1AsからAl0.15Ga0.85Asへ向かう界面が電界の節となり、逆にAl0.15Ga0.85AsからAl0.9Ga0.1Asへ向かう界面が電界の腹となっている。従って、図7の様に、3/4λ厚さのAl0.9Ga0.1As層を設けると、Al0.9Ga0.1As層中に定在波の腹が含まれる事になる。図7においては、矢印で示した場所が定在波の腹の位置に対応している。この定在波の腹に当たる位置では、光の電界強度が強くなる事に対応し、高濃度にドーピングを行なったAl0.9Ga0.1As層による吸収量が増加する。従って、上で説明した様に、高次横モードに対する吸収損失を更に大きくする事ができる。よって、より大きな高次横モードの抑制効果を得る事が可能になる。
Further, by adopting the configuration of FIG. 7, it is possible to further increase the absorption effect of the higher-order transverse mode. Here, FIG. 7 shows another configuration example of the oxygen
この実施例3の様に、酸素を含む分子のイオン注入と熱処理による選択酸化によって低屈折率領域より成る反導波構造を形成するAlGaAs層を、結晶成長時に他の領域におけるAlGaAs層に対し高濃度にドーピングすると、低屈折率領域の周辺に、高次横モード光に対する吸収領域を形成する事ができる。以上の様に、この実施例3の素子は、更に高出力まで、単一基本横モード発振を得る事が可能であった。 As in Example 3, an AlGaAs layer that forms an anti-waveguide structure composed of a low refractive index region by ion implantation of oxygen-containing molecules and selective oxidation by heat treatment is higher than the AlGaAs layer in other regions during crystal growth. When the concentration is doped, an absorption region for high-order transverse mode light can be formed around the low refractive index region. As described above, the element of Example 3 was able to obtain single fundamental transverse mode oscillation up to a higher output.
図8は実施例4の面発光レーザ素子を示す図である。図8の面発光レーザ素子は、GaInNAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする1.3μm帯面発光レーザ素子である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。 FIG. 8 is a diagram showing a surface emitting laser element according to Example 4. The surface emitting laser element of FIG. 8 is a 1.3 μm band surface emitting laser element having a GaInNAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process.
図8の面発光レーザ素子は、実施例1の素子と同様に、有機金属気相成長法(MOCVD法)により結晶成長がなされており、III族原料に、トリメチルアルミニウム(TMA),トリメチルガリウム(TMG),トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族原料に、アルシン(AsH3)ガスを用いている。また、p型ドーパントにはCBr4を用い、n型ドーパントにはH2Seを用いている。また、活性層の窒素原料にはジメチルヒドラジン(DMHy)を用いている。 The surface emitting laser element of FIG. 8 is crystal-grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD method), similar to the element of Example 1, and trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium ( TMG) and trimethylindium (TMI) are used, and arsine (AsH 3 ) gas is used as the group V raw material. Further, CBr 4 is used for the p-type dopant, and H 2 Se is used for the n-type dopant. Further, dimethylhydrazine (DMHy) is used as a nitrogen raw material for the active layer.
具体的に、図8の素子は、n−GaAs基板201上に、n−GaAsバッファー層202、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器203、ノンドープGaAs共振器スペーサー204、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層205、ノンドープGaAs共振器スペーサー206、20周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器207が順次結晶成長されている。また、上部分布ブラッグ反射器207の最表面層となるGaAs層では、表面付近のp型ドーパント(炭素)のドーピングを高濃度としたコンタクト層(図示せず)を設けている。また、p−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器207中には、p−AlAs被選択酸化層208を設けている。
Specifically, the element shown in FIG. 8 includes an n-
図8の素子は、n導電型分布ブラッグ反射器の結晶成長の途中で、成長中断を行って、実施例2の素子と同様に、先にメサの中央部に酸素イオン注入を行なった後、結晶欠陥の回復の為にアニール処理を行い、再び残りの素子の結晶成長を行なっている。この際、結晶欠陥を回復させる為に行なった熱処理、及び残る素子部分の結晶成長時の加熱により、酸素がイオン注入された領域213は、選択的に酸化され周辺領域に対し低屈折率となり、反導波構造が形成されている。
In the device of FIG. 8, the growth was interrupted in the middle of crystal growth of the n-conductivity distributed Bragg reflector, and oxygen ions were implanted into the center of the mesa in the same manner as in the device of Example 2, Annealing is performed to recover crystal defects, and the remaining elements are grown again. At this time, the
その後、実施例1の素子と同様の手段・方法によってメサ形成、p−AlAs被選択酸化層208の水蒸気を含む加熱雰囲気中における選択酸化を行い、樹脂による埋め込み平坦化、電極形成を行って図8の様な面発光レーザ素子としている。
Thereafter, mesa formation and p-AlAs
ここで、実施例4の面発光レーザ素子は、イオン注入、熱処理によって形成される低屈折率層による反導波構造213が、n型分布ブラッグ反射器中に設けられている点が、実施例1乃至実施例3と大きく異なっている。また、反導波構造の周辺の層構成については、導電型をn型とする事によって、実施例1乃至実施例3で説明したいずれかの構造を用いる事ができる。この実施例4の素子の様に、反導波構造をn導電型分布ブラッグ反射器中に設ける事によって、実施例1乃至実施例3と同様に高次横モードを効率良く抑制する事が可能な事に加え、素子の抵抗を大きく低減する事が可能になる。
Here, the surface emitting laser element of Example 4 is that the
p導電型半導体中に電流注入領域と空間的に重なる様に反導波構造を設けると、この領域が高抵抗である事から、正孔は、前記領域を迂回した後、更に電流狭窄構造によって再びメサの中央部へ狭窄されて注入が行なわれるので、電流経路は長く、また狭くなってしまうという問題がある。p導電型半導体は、キャリア(正孔)の移動度がn導電型半導体に比べ一桁程度小さいので、これにより、素子が高抵抗化しやすいという問題が生じる。 If an anti-waveguide structure is provided in the p-conductivity type semiconductor so as to spatially overlap with the current injection region, this region has a high resistance. There is a problem that the current path becomes long and narrow because the injection is performed after constricting again to the center of the mesa. Since the p-conductivity type semiconductor has a carrier (hole) mobility that is about an order of magnitude smaller than that of the n-conductivity type semiconductor, there arises a problem that the resistance of the element is easily increased.
これに対し、この実施例4の様に、反導波構造をn導電型分布ブラッグ反射器中に設けると、反導波構造と活性層の間に電流狭窄構造が無い点と、もともと電子の移動度が大きい点とから、たとえメサの中央部に絶縁(或いは高抵抗化)領域があったとしても抵抗の増加は非常に僅かであり、素子抵抗を従来の素子と同程度に留める事が可能である。また、反導波構造は、p導電型分布ブラッグ反射器,n導電型分布ブラッグ反射器のいずれに設けられていても、横モードに対する作用は、殆ど同じであるので、実施例1,実施例2と同様の効果を得る事ができる。 On the other hand, when the anti-waveguide structure is provided in the n-conduction type distributed Bragg reflector as in the fourth embodiment, there is no current confinement structure between the anti-waveguide structure and the active layer, and the electron Because of the high mobility, even if there is an insulating (or high resistance) region in the center of the mesa, the increase in resistance is very small, and the resistance of the element can be kept at the same level as that of the conventional element. Is possible. The anti-waveguide structure has almost the same effect on the transverse mode regardless of whether it is provided in the p-conductivity type distributed Bragg reflector or the n-conductivity type distributed Bragg reflector. The same effect as 2 can be obtained.
この実施例4の素子では、実施例1乃至実施例3と同様に、高出力まで単一基本横モード動作が可能であり、また素子抵抗は十分低いものであった。また、素子の抵抗が低減した事によって、より高出力動作を得る事が可能であった。 In the element of Example 4, as in Examples 1 to 3, a single basic transverse mode operation was possible up to a high output, and the element resistance was sufficiently low. Further, since the resistance of the element is reduced, it is possible to obtain a higher output operation.
図9は実施例5の面発光レーザ素子を示す図である。図9の面発光レーザ素子は、GaInNAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする1.3μm帯面発光レーザ素子である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。 FIG. 9 is a diagram showing a surface emitting laser element according to Example 5. The surface emitting laser element of FIG. 9 is a 1.3 μm band surface emitting laser element having a GaInNAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process.
図9の面発光レーザ素子は、実施例4と同様な方法・手段によって結晶成長がなされている。 The surface emitting laser element shown in FIG. 9 is grown by the same method and means as in the fourth embodiment.
具体的に、図9の素子は、n−GaAs基板301上に、n−GaAsバッファー層302、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器303、ノンドープGaAs共振器スペーサー304、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層305、ノンドープGaAs共振器スペーサー306、20周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器307が順次結晶成長されている。また、上部分布ブラッグ反射器307の最表面層となるGaAs層では、表面付近のp型ドーパント(炭素)のドーピングを高濃度としたコンタクト層(図示せず)を設けている。
Specifically, the device of FIG. 9 includes an n-
図9の面発光レーザ素子は、結晶成長の後、公知の写真製版技術によって一辺が3μmの正方形レジスト開口パターンを形成し、p−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器307の表面から酸素イオン注入を行なっている。次に、熱処理によって酸素イオン注入部の選択酸化を行って、低屈折率領域313からなる反導波構造を設けている。図9には、基板面に平行な方向における実効屈折率を併せて示しており、低屈折率領域を設けた部位では、実効屈折率が相対的に小さく形成されている。この後、再び酸素イオン注入部にアラインして、10μmのレジストパターンを形成し、酸素イオン注入部より注入ピークが深くなるように水素イオン注入を行ない、水素イオン注入部の高抵抗化を行なっている。なお、ここで、水素イオンの代わりに、酸素イオン注入を行なっても、高抵抗化領域を形成する事ができる。
In the surface emitting laser element of FIG. 9, after crystal growth, a square resist opening pattern having a side of 3 μm is formed by a known photolithography technique, and p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs upper semiconductor distributed Bragg reflection is performed. Oxygen ion implantation is performed from the surface of the
次に、素子表面にp型電極311を形成し、基板301の裏面研磨の後、基板301の裏面にn型電極312を形成し、アニールによってオーミック導通をとって、図9の面発光レーザ素子としている。
Next, a p-
ここで、図9の様な水素イオン注入による電流狭窄構造を用いた面発光レーザ素子では、水素イオン注入部の屈折率変化が殆ど無く、作り付けの光閉じ込め構造(導波構造)を持たないので、反導波構造のモード分布に対する作用は、酸化狭窄型面発光レーザ素子よりも大きい。従って、非常に効率良く、高次横モードを利得領域の外側へ押し広げる事が可能であり、顕著に高次横モードの抑制効果を得る事ができる。また、この実施例5の素子では、基本横モードへの影響が大きくなり過ぎない様に、酸素イオン注入領域は活性層から離れた素子表面に近い位置とし、酸素イオン注入領域の幅を3μm程度と狭くしている。 Here, in the surface emitting laser element using the current confinement structure by hydrogen ion implantation as shown in FIG. 9, there is almost no change in the refractive index of the hydrogen ion implanted portion, and there is no built-in optical confinement structure (waveguide structure). The action of the anti-waveguide structure on the mode distribution is larger than that of the oxidized confined surface emitting laser element. Therefore, the high-order transverse mode can be pushed out to the outside of the gain region very efficiently, and the effect of suppressing the high-order transverse mode can be remarkably obtained. In the element of Example 5, the oxygen ion implantation region is positioned close to the element surface away from the active layer so that the influence on the fundamental transverse mode is not too great, and the width of the oxygen ion implantation region is about 3 μm. It is narrow.
また、p導電型ブラッグ反射器307の高抵抗化を防止する為に、酸素イオン注入領域と水素イオン注入領域とが重ならない様に、水素イオンの注入電圧を十分大きくし、注入深さを深くしている。この実施例5の素子では、非常に高出力まで単一基本横モード動作が可能であった。
In order to prevent the resistance of the p-conductivity-
また、図10は、図9の面発光レーザ素子に対し、実施例4と同様に、反導波構造313をn型分布ブラッグ反射器303中に設けた例を示す図である。すなわち、図10の例は、実施例4と同様に、n型分布ブラッグ反射器303の結晶成長の途中で一旦成長中断を行い、酸素を含む分子のイオン注入と、熱処理により、酸素イオン注入領域313の選択酸化を行なった後に、残りの素子部の結晶成長を行なったものである。図10の素子は、図9の素子と同様に非常に大きな高次横モード抑制効果を有する上に、n型分布ブラッグ反射器中に反導波構造を設けている為、実施例4と同様に素子の抵抗を低減することができる。
FIG. 10 is a diagram showing an example in which the
実際、この実施例5の素子では、非常に高出力まで単一基本横モード動作が可能であり、また素子抵抗は十分低いものであった。また、素子の抵抗が低減した事によって、より高出力動作を得る事が可能であった。 In fact, the device of Example 5 was capable of single basic transverse mode operation up to a very high output, and the device resistance was sufficiently low. Further, since the resistance of the element is reduced, it is possible to obtain a higher output operation.
図11(a),(b)は実施例6の面発光レーザ素子を示す図である。なお、図11(b)は、図11(a)の面発光レーザ素子の上面図を示す図である。図11(a),(b)の面発光レーザ素子は、GaInNAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする1.3μm帯面発光レーザ素子である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。 FIGS. 11A and 11B are views showing a surface emitting laser element of Example 6. FIG. In addition, FIG.11 (b) is a figure which shows the top view of the surface emitting laser element of Fig.11 (a). 11A and 11B are 1.3 μm band surface emitting laser elements having a GaInNAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process.
図11(a),(b)の面発光レーザ素子は、実施例4と同様な方法・手段によって結晶成長がなされている。具体的に、図11(a),(b)の素子は、n−GaAs基板301上に、n−GaAsバッファー層302、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器303、ノンドープGaAs共振器スペーサー304、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層305、ノンドープGaAs共振器スペーサー306、20周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器307が順次結晶成長されている。また、上部分布ブラッグ反射器307の最表面層となるGaAs層では、表面付近のp型ドーパント(炭素)のドーピングを高濃度としたコンタクト層(図示せず)を設けている。
In the surface emitting laser elements of FIGS. 11A and 11B, crystals are grown by the same method and means as in the fourth embodiment. Specifically, in the device of FIGS. 11A and 11B, an n-
図11(a),(b)の面発光レーザ素子は、結晶成長の後、公知の写真製版技術を用い、図11(b)の低屈折率領域1,2に対応した部分に開口を有する正方形状のレジストパターンの形成を行った後、p−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器307の表面から酸素イオン注入を行なっている。次に、熱処理によって酸素イオン注入部の選択酸化を行い、素子の中央部に反導波構造を形成するための低屈折率領域1と、素子の周辺部に横モードを閉じ込めを行うための低屈折率領域2(クラッド領域)を形成している。ここで、低屈折率領域1に対応した領域のレジストパターンの開口d1を5μm、低屈折率領域2に対応した領域のレジストパターンの開口d2を30μmとしている。また、図11(a)には、基板面に平行な方向における実効屈折率を併せて示しており、低屈折率領域を設けた部位では、実効屈折率が相対的に小さく形成されている。本実施例では、素子の中央部に位置する低屈折率コアの両側に高屈折率領域が形成されており、更に高屈折領域の外側には低屈折領域からなるクラッドが設けられている。
The surface emitting laser elements of FIGS. 11A and 11B have openings at portions corresponding to the low refractive index regions 1 and 2 of FIG. 11B by using a known photolithography technique after crystal growth. After the formation of the square resist pattern, oxygen ions are implanted from the surface of the p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs upper semiconductor distributed
この後、再び酸素イオン注入部にアラインして、正方形状のレジストパターンを形成し、酸素イオン注入部より注入ピークが深くなるように水素イオン注入を行ない、水素イオン注入部の高抵抗化を行なっている。レジストパターンの一辺d3は8μmとした。なお、ここで、水素イオンの代わりに、酸素イオン注入を行なっても、高抵抗化領域を形成する事ができる。 Thereafter, alignment is again made to the oxygen ion implanted portion, a square resist pattern is formed, hydrogen ions are implanted so that the implantation peak is deeper than the oxygen ion implanted portion, and the resistance of the hydrogen ion implanted portion is increased. ing. One side d3 of the resist pattern was 8 μm. Here, the high resistance region can also be formed by implanting oxygen ions instead of hydrogen ions.
次に、素子表面にp型電極311を形成し、基板301の裏面研磨の後、基板301の裏面にn型電極312を形成し、アニールによってオーミック導通をとって、図11(a),(b)の面発光レーザ素子としている。
Next, a p-
従来、水素イオン注入による電流狭窄構造を用いた面発光レーザ素子では、水素イオン注入部の屈折率変化が殆ど無く、作り付けの光閉じ込め構造(導波構造)を持たないので、酸化型面発光レーザ素子よりも反導波構造による作用が大きい。従って、モード分布を素子の周辺部に押し広げる効果を大きく得ることが可能である。しかし、この反面、横方向へのモード漏洩が起こりやすく、損失が大きくなり易いという問題がある。これに対し本実施例の面発光レーザ素子では、素子の周辺部に低屈折率領域からなるクラッドを設けた事により、横モードが閉じ込められるので、モード漏洩による損失を低減する事が可能である。 Conventional surface emitting laser elements using a current confinement structure by hydrogen ion implantation have almost no change in the refractive index of the hydrogen ion implanted portion and have no built-in optical confinement structure (waveguide structure). The effect of the anti-waveguide structure is greater than that of the element. Therefore, it is possible to obtain a great effect of spreading the mode distribution to the peripheral portion of the element. However, on the other hand, there is a problem that mode leakage in the lateral direction is likely to occur and loss is likely to increase. On the other hand, in the surface emitting laser element of this example, since the transverse mode is confined by providing a clad made of a low refractive index region in the periphery of the element, it is possible to reduce the loss due to mode leakage. .
また、低屈折率領域1,2における実効屈折率は、Alの酸化領域の厚さ及び深さにより調整することができる。更に、低屈折率領域1,2に対応する部位への酸素イオン注入は、それぞれの領域に対し、異なった加速電圧,イオン電流によって2工程に分けて行う事もできる。また、各部の寸法も本実施例に示す以外の値とする事ができる。基本横モードと利得領域との結合が大きく、且つ高次横モードと利得領域との結合が低くなるように、各部の寸法,イオン注入条件を最適に選ぶ事で、より大きな効果を得ることができる。 The effective refractive index in the low refractive index regions 1 and 2 can be adjusted by the thickness and depth of the Al oxide region. Furthermore, oxygen ion implantation into the portions corresponding to the low refractive index regions 1 and 2 can be performed in two steps for each region by different acceleration voltages and ion currents. Moreover, the dimension of each part can also be made into the value other than shown in a present Example. Greater effects can be obtained by selecting the dimensions and ion implantation conditions optimally so that the coupling between the fundamental transverse mode and the gain region is large and the coupling between the higher-order transverse mode and the gain region is low. it can.
以上から、本実施例の素子は、より高出力までの単一基本横モード動作が可能であった。 From the above, the element of this example was capable of single basic transverse mode operation up to higher output.
図12(a),(b)は実施例7の面発光レーザ素子を示す図である。なお、図12(b)は、図12(a)の面発光レーザ素子の上面図を示す図である。図12(a),(b)の面発光レーザ素子は、GaInAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする0.98μm帯面発光レーザ素子である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。図12(a),(b)の面発光レーザ素子は、実施例4と同様な方法・手段によって結晶成長がなされている。 12A and 12B are views showing a surface emitting laser element of Example 7. FIG. In addition, FIG.12 (b) is a figure which shows the top view of the surface emitting laser element of Fig.12 (a). The surface emitting laser elements shown in FIGS. 12A and 12B are 0.98 μm band surface emitting laser elements having a GaInAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process. The surface emitting laser elements of FIGS. 12A and 12B are grown by the same method and means as in the fourth embodiment.
具体的に、図12(a),(b)の素子は、n−GaAs基板401上に、n−GaAsバッファー層402、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器403、ノンドープGaAs共振器スペーサー404、GaInAs/GaAs多重量子井戸活性層405、ノンドープGaAs共振器スペーサー406、20周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器407が順次結晶成長されている。また、上部分布ブラッグ反射器407の最表面層となるGaAs層では、表面付近のp型ドーパント(炭素)のドーピングを高濃度としたコンタクト層(図示せず)を設けている。
Specifically, the device of FIGS. 12A and 12B has an n-
図12(a),(b)の面発光レーザ素子は、結晶成長の後、公知の写真製版技術を用い、図12(b)の低屈折率領域1に対応した部分に開口を有する正方形状のレジストパターン、及び低屈折率領域2に対応した部分に開口を有する長方形状のレジストパターンの形成を行った後、p−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器407の表面から酸素イオン注入を行なっている。次に、熱処理によって酸素イオン注入部の選択酸化を行い、素子の中央部に反導波構造を形成するための低屈折率領域1と、素子の周辺部に横モードを閉じ込めを行うための低屈折率領域2を形成している。ここで、低屈折率領域1に対応した領域のレジストパターンの開口d1を5μmとしている。また、低屈折率領域2(クラッド領域)に対応した領域のレジストパターンの開口は、図12(b)における第1の方向における開口d2を40μm、第2の方向における開口d4を20μmとしている。また、図12(a)には、基板面に平行な方向における実効屈折率を併せて示しており、低屈折率領域を設けた部位では、実効屈折率が相対的に小さく形成されている。本実施例では素子の中央部に位置する低屈折率コアの両側に高屈折率が形成されており、更に高屈折領域の外側には低屈折領域からなるクラッドが設けられている。
The surface-emitting laser elements shown in FIGS. 12A and 12B have a square shape having an opening in a portion corresponding to the low refractive index region 1 shown in FIG. 12B by using a known photolithography technique after crystal growth. And a rectangular resist pattern having an opening in a portion corresponding to the low refractive index region 2, and then a p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs upper semiconductor distributed
この後、再び酸素イオン注入部にアラインして、正方形状のレジストパターンを形成し、酸素イオン注入部より注入ピークが深くなるように水素イオン注入を行ない、水素イオン注入部の高抵抗化を行ない電流狭窄構造の形成を行なっている。レジストパターンの一辺d3は8μmとした。尚、ここで、水素イオンの代わりに、酸素イオン注入を行なっても、高抵抗化領域を形成する事ができる。 Thereafter, the resist pattern is aligned again with the oxygen ion implanted portion to form a square resist pattern, hydrogen ions are implanted so that the implantation peak is deeper than the oxygen ion implanted portion, and the resistance of the hydrogen ion implanted portion is increased. A current confinement structure is formed. One side d3 of the resist pattern was 8 μm. Here, the high resistance region can also be formed by implanting oxygen ions instead of hydrogen ions.
次に、素子表面にp型電極311を形成し、基板301の裏面研磨の後、基板301の裏面にn型電極312を形成し、アニールによってオーミック導通をとって、図12(a),(b)の面発光レーザ素子としている。
Next, a p-
本実施例の面発光レーザー素子は、低屈折率領域2(クラッド領域)によって、レーザ共振方向に垂直な方向に、レーザ共振領域を含み挟まれた領域の幅を、第1の方向と第2の方向とにおいて、異なる幅に形成している。これにより、第1の方向と第2の方向におけるモード分布を互いに異なるものとする事ができる。この際、特定の方向における基本横モード分布が、利得領域と高い結合を得る様に設定する事で、特定の方向に偏光を有する基本横モードのみを選択的に発振させる事が可能である。尚、高次横モードは、レーザ発振領域における電場振幅が小さいので、反導波構造による影響を強く受け易く、従って反導波構造としている事により、元々利得領域との結合は小さく、発振は十分に抑制する事ができる。 In the surface emitting laser element of the present example, the width of the region sandwiched between the laser resonance region and the first direction by the low refractive index region 2 (cladding region) is perpendicular to the laser resonance direction. The widths are different from each other. Thereby, the mode distributions in the first direction and the second direction can be made different from each other. At this time, by setting the fundamental transverse mode distribution in a specific direction so as to obtain high coupling with the gain region, it is possible to selectively oscillate only the fundamental transverse mode having polarization in the specific direction. Since the high-order transverse mode has a small electric field amplitude in the laser oscillation region, it is easily affected by the anti-waveguide structure. Therefore, by using the anti-waveguide structure, the coupling with the gain region is originally small, and the oscillation is It can be suppressed sufficiently.
また、各部の寸法は本実施例に示す以外の値とする事ができ、更に、低屈折率領域1,2における実効屈折率は、Alの酸化領域の厚さ、及び深さにより調整することができる。偏光方向を設定する方向における基本横モードと、利得領域との結合が大きく、且つ他の方向における基本横モードと利得領域との結合が低くなるように、各部の寸法,実効屈折率差を最適に設定する事で、より大きな効果を得ることができる。また、低屈折率領域1,2に対応する部位への酸素イオン注入は、それぞれの領域に対し、異なった加速電圧,イオン電流によって2工程に分けて行う事もできる。 The dimensions of each part can be set to values other than those shown in the present embodiment, and the effective refractive index in the low refractive index regions 1 and 2 is adjusted by the thickness and depth of the oxidized region of Al. Can do. Optimum dimensions and effective refractive index differences so that the coupling between the fundamental transverse mode and the gain region in the direction of setting the polarization direction is large and the coupling between the fundamental transverse mode and the gain region in the other direction is low. By setting to, a greater effect can be obtained. In addition, oxygen ion implantation into the portions corresponding to the low refractive index regions 1 and 2 can be performed in two steps with different acceleration voltages and ion currents for the respective regions.
また、更に本実施例の面発光レーザ素子では、偏光方向は、写真製版時のレジストパターンの制御によって、任意の方向に制御,設定する事が可能である。 Further, in the surface emitting laser element of the present embodiment, the polarization direction can be controlled and set in an arbitrary direction by controlling the resist pattern during photolithography.
本実施例の面発光レーザ素子では、第1の方向に偏光を有した単一基本横モードによって発振し、高出力動作を得る事ができた。 The surface emitting laser element of this example oscillated in a single fundamental transverse mode having polarization in the first direction, and a high output operation could be obtained.
図13(a),(b)は実施例8の面発光レーザ素子を示す図である。なお、図13(b)は、図13(a)の面発光レーザ素子の上面図を示す図である。図13(a),(b)の面発光レーザ素子は、GaInAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする0.98μm帯面発光レーザ素子である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。図13(a),(b)の面発光レーザ素子は、実施例4と同様な方法・手段によって結晶成長がなされている。 FIGS. 13A and 13B are views showing a surface emitting laser element of Example 8. FIG. FIG. 13B is a diagram showing a top view of the surface emitting laser element of FIG. The surface emitting laser elements shown in FIGS. 13A and 13B are 0.98 μm band surface emitting laser elements having a GaInAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process. The surface emitting laser elements of FIGS. 13A and 13B are grown by the same method and means as in the fourth embodiment.
具体的に、図13(a),(b)の素子は、n−GaAs基板401上に、n−GaAsバッファー層402、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器403、ノンドープGaAs共振器スペーサー404、GaInAs/GaAs多重量子井戸活性層405、ノンドープGaAs共振器スペーサー406、20周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器407が順次結晶成長されている。また、上部分布ブラッグ反射器407の最表面層となるGaAs層では、表面付近のp型ドーパント(炭素)のドーピングを高濃度としたコンタクト層(図示せず)を設けている。
Specifically, the device shown in FIGS. 13A and 13B includes an n-
図13(a),(b)の面発光レーザ素子は、結晶成長の後、公知の写真製版技術を用い、図13(b)の低屈折率領域1に対応した部分に開口を有する正方形状のレジストパターン、及び低屈折率領域2に対応した部分に開口を有するレジストパターンの形成を行った後、p−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器407の表面から酸素イオン注入を行なっている。次に、熱処理によって酸素イオン注入部の選択酸化を行い、素子の中央部に反導波構造を形成するための低屈折率領域1と、素子の周辺部に横モードを閉じ込めを行うための低屈折率領域2を形成している。ここで、低屈折率領域1に対応した領域のレジストパターンの開口d1を5μmとしている。また、図13(b)に示す様に、低屈折率領域2(クラッド領域)は、レーザ共振領域を挟んで対向する一対の方向(第1の方向)のみに設けている。ここで、第1の方向に低屈折率クラッド領域によって挟まれた領域の幅d2は、30μmとしている。また、図13(a)には、第1の方向における実効屈折率を併せて示しており、低屈折率領域を設けた部位では、実効屈折率が相対的に小さく形成されている。本実施例では、素子の中央部に位置する低屈折率コアの両側に高屈折率領域が形成されており、更に高屈折領域の外側には低屈折領域からなるクラッドが設けられている。また、図13(b)には、第2の方向における実効屈折率を示している。この方向では、クラッド領域が設けられていないので、素子の中央部に位置するコアのみが、低屈折率領域となっている。
The surface-emitting laser elements shown in FIGS. 13A and 13B have a square shape having an opening in a portion corresponding to the low refractive index region 1 shown in FIG. 13B by using a known photolithography technique after crystal growth. And a resist pattern having an opening in a portion corresponding to the low refractive index region 2, and then from the surface of the p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs upper semiconductor distributed
この後、再び酸素イオン注入部にアラインして、正方形状のレジストパターンを形成し、酸素イオン注入部より注入ピークが深くなるように水素イオン注入を行ない、水素イオン注入部の高抵抗化を行ない、電流狭窄構造の形成を行なっている。レジストパターンの一辺d3は8μmとした。尚、ここで、水素イオンの代わりに、酸素イオン注入を行なっても、高抵抗化領域を形成する事ができる。 Thereafter, the resist pattern is aligned again with the oxygen ion implanted portion to form a square resist pattern, hydrogen ions are implanted so that the implantation peak is deeper than the oxygen ion implanted portion, and the resistance of the hydrogen ion implanted portion is increased. The current confinement structure is formed. One side d3 of the resist pattern was 8 μm. Here, the high resistance region can also be formed by implanting oxygen ions instead of hydrogen ions.
次に、素子表面にp型電極311を形成し、基板301の裏面研磨の後、基板301の裏面にn型電極312を形成し、アニールによってオーミック導通をとって、図13(a),(b)の面発光レーザ素子としている。
Next, a p-
本実施例の面発光レーザー素子は、低屈折率領域2(クラッド領域)を、レーザ発振領域を含んで対向する一対の方向にのみ設けている。前述した様に、低屈折率クラッド領域を設けた第1の方向に対しては、モードの漏洩による損失が低減する。一方、低屈折率クラッド領域を設けていない第2の方向では、モードの漏洩による損失が生じている。また、更に、第2の方向では、レーザ発振方向に垂直な方向におけるモード分布が広くなっており、第1の方向に比べ利得領域との結合が低下している。また、前述の様に高次横モードは、第1,第2の両方向において、反導波構造により利得領域との結合が非常に小さくなっている。 In the surface emitting laser element of the present embodiment, the low refractive index region 2 (cladding region) is provided only in a pair of opposing directions including the laser oscillation region. As described above, the loss due to mode leakage is reduced in the first direction in which the low refractive index cladding region is provided. On the other hand, in the second direction in which the low refractive index cladding region is not provided, loss due to mode leakage occurs. Furthermore, in the second direction, the mode distribution in the direction perpendicular to the laser oscillation direction is wide, and the coupling with the gain region is lower than that in the first direction. Further, as described above, the high-order transverse mode has a very small coupling with the gain region due to the anti-waveguide structure in both the first and second directions.
以上の様に、利得領域との結合が大きく、またモードの漏洩損失の少ない第1の方向に電場振幅を有した基本横モードを選択的に発振させる事ができる。また、本実施例の面発光レーザ素子では、偏光方向は、写真製版時のレジストパターンの制御によって、任意の方向に制御,設定する事が可能である。 As described above, it is possible to selectively oscillate the fundamental transverse mode having the electric field amplitude in the first direction which has a large coupling with the gain region and has a small mode leakage loss. In the surface emitting laser element of this embodiment, the polarization direction can be controlled and set in an arbitrary direction by controlling the resist pattern at the time of photoengraving.
本実施例の素子は、偏光方向が第1の方向に揃い、高出力まで単一基本横モード導を得る事が可能であった。 In the device of this example, the polarization direction was aligned in the first direction, and it was possible to obtain a single fundamental transverse mode guide up to a high output.
図14(a),(b)は実施例9の面発光レーザ素子を示す図である。なお、図14(b)は、図14(a)の面発光レーザ素子の上面図を示す図である。図14(a),(b)の面発光レーザ素子は、GaInAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする0.98μm帯面発光レーザ素子である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。図14(a),(b)の面発光レーザ素子は、実施例1と同様な方法・手段によって結晶成長がなされている。 FIGS. 14A and 14B are views showing a surface emitting laser element of Example 9. FIG. FIG. 14B is a diagram showing a top view of the surface emitting laser element of FIG. The surface emitting laser elements shown in FIGS. 14A and 14B are 0.98 μm band surface emitting laser elements having a GaInAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process. The surface emitting laser elements of FIGS. 14A and 14B are grown by the same method and means as in the first embodiment.
具体的に、図14(a),(b)の素子は、n−GaAs基板401上に、n−GaAsバッファー層402、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器403、ノンドープGaAs共振器スペーサー404、GaInAs/GaAs多重量子井戸活性層405、ノンドープGaAs共振器スペーサー406、20周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射器407が順次結晶成長されている。また、上部分布ブラッグ反射器407の最表面層となるGaAs層では、表面付近のp型ドーパント(炭素)のドーピングを高濃度としたコンタクト層(図示せず)を設けている。
Specifically, the device shown in FIGS. 14A and 14B has an n-
また、p−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As上部半導体分布ブラッグ反射器407中には、電流狭窄の為にp−AlAs被選択酸化層408を設けている。ここで、p−AlAs被選択酸化層408は、水蒸気を含む加熱雰囲気中において、エッチング端面から選択酸化を行なう事によって、酸化領域(黒く示した領域)が形成されている。
Further, a p-AlAs selectively oxidized
図14(a),(b)の面発光レーザ素子は、結晶成長の後、公知の写真製版技術によって一辺が30μmの正方形レジストパターンを形成し、公知のドライエッチング技術を用いてp−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As上部半導体分布ブラッグ反射器407の表面からn−Al0.9Ga0.1As/Al0.15Ga0.85As下部分布半導体ブラッグ反射器403の途中までの各層のエッチング除去を行なって、正方形メサを形成している。
In the surface emitting laser elements shown in FIGS. 14A and 14B, after crystal growth, a square resist pattern having a side of 30 μm is formed by a known photolithography technique, and p-Al 0 using a known dry etching technique. .9 Ga 0.1 As / Al 0.15 Ga 0.85 As upper semiconductor distribution From the surface of the
次に、メサの中心部にアラインして、図14(b)の低屈折率領域1に対応した長方形状のレジスト開口パターンを形成し、メサの中心部への酸素分子のイオン注入を行っている。ここで、レジストパターンの幅は、第1の方向における一辺の長さd6(長辺の長さ)を20μm、第2の方向における一辺の長さd5(短辺の長さ)を15μmとしている。 Next, a rectangular resist opening pattern corresponding to the low refractive index region 1 in FIG. 14B is formed in alignment with the center of the mesa, and oxygen molecule ions are implanted into the center of the mesa. Yes. Here, the width of the resist pattern is set such that one side length d6 (long side length) in the first direction is 20 μm, and one side length d5 (short side length) in the second direction is 15 μm. .
次に、レジストの除去を行った後、水蒸気を含む加熱雰囲気中において、エッチング端面からメサ中央部に向けて、基板と平行方向にp−AlAs被選択酸化層414の選択酸化を行なって選択酸化電流狭窄構造を形成している。また、この水蒸気を含む加熱雰囲気中における選択酸化工程の熱処理によって、酸素イオン注入領域413においては、Al0.9Ga0.1As混晶の酸化が同時に進行し、メサの中央部に周囲の領域に比べ屈折率が相対的に低い、酸素イオン注入による選択酸化領域が形成されている。ここで、電流狭窄領域(非選択酸化領域)の一辺の長さd3を10μmとしている。
Next, after removing the resist, the p-AlAs selectively oxidized layer 414 is selectively oxidized in a direction parallel to the substrate from the etching end face toward the center of the mesa in a heated atmosphere containing water vapor to selectively oxidize the resist. A current confinement structure is formed. In addition, by the heat treatment in the selective oxidation step in the heating atmosphere containing water vapor, in the oxygen
次に、ウエハ全面にSiO2層409、絶縁樹脂の形成を行なっている。次にp側電極411を形成し、n−GaAs基板401の裏面研磨の後、n側電極412を設け、アニールによって両電極411,412のオーミック導通を取っている。
Next, an SiO 2 layer 409 and an insulating resin are formed on the entire surface of the wafer. Next, a p-
本実施例の面発光レーザ素子は、図に示す様に低屈折率領域1の形状を異方性形状とした事により、発振モード分布を、長方形の長辺に対応する方向と短辺に対応する方向とで異なったものとする事が可能であり、特定の方向における基本横モード分布が、利得領域と高い結合を得る様に設定する事で、特定の方向に偏光を有する基本横モードのみを選択的に発振させる事ができる。 In the surface emitting laser element of this example, the oscillation mode distribution corresponds to the direction corresponding to the long side of the rectangle and the short side by making the shape of the low refractive index region 1 anisotropic as shown in the figure. The fundamental transverse mode distribution in a specific direction is set so as to obtain high coupling with the gain region, so that only the fundamental transverse mode having a polarization in a specific direction can be obtained. Can be selectively oscillated.
ここで、各部の寸法は本実施例に示す以外の値とする事ができ、更に低屈折率コアおける実効屈折率は、Alの酸化領域の厚さ及び深さにより調整することができる。メサ、低屈折率コアのサイズ、及び実効屈折率を適切に調整し、偏光方向を設定する方向における基本横モードと利得領域との結合が大きく、且つ他の方向における基本横モードと利得領域との結合が低くなるように、最適に設定する事で、より大きな効果を得ることが可能である。 Here, the dimension of each part can be set to a value other than that shown in this embodiment, and the effective refractive index in the low refractive index core can be adjusted by the thickness and depth of the oxidized region of Al. By appropriately adjusting the mesa, the size of the low refractive index core, and the effective refractive index, the coupling between the fundamental transverse mode and the gain region in the direction of setting the polarization direction is large, and the fundamental transverse mode and the gain region in the other direction It is possible to obtain a greater effect by optimally setting so as to reduce the coupling.
尚、高次横モードは、レーザ発振領域における電場振幅が小さいので、反導波構造による影響を強く受け易く、従って反導波構造としている事により、元々利得領域との結合は小さく、発振は十分に抑制する事ができる。 Since the high-order transverse mode has a small electric field amplitude in the laser oscillation region, it is easily affected by the anti-waveguide structure. Therefore, by using the anti-waveguide structure, the coupling with the gain region is originally small, and the oscillation is It can be suppressed sufficiently.
また、本実施例の面発光レーザ素子では、偏光方向は、写真製版時のレジストパターンの制御によって、任意の方向に制御,設定する事が可能である。 In the surface emitting laser element of this embodiment, the polarization direction can be controlled and set in an arbitrary direction by controlling the resist pattern at the time of photoengraving.
本実施例では、矩形状の低屈折率領域1を有する面発光レーザ素子について例を示したが、この他にも低屈折率領域1の形状として、楕円形状等とする事も可能である。いずれの場合も、同様な効果を得る事ができる。また、面発光レーザ素子の構造も、選択酸化型以外に実施例6から実施例8で示した水素イオン注入型とする事もできる。 In the present embodiment, an example of a surface emitting laser element having a rectangular low refractive index region 1 has been described. However, the low refractive index region 1 may have an elliptical shape or the like. In either case, the same effect can be obtained. In addition to the selective oxidation type, the structure of the surface emitting laser element may be the hydrogen ion implantation type shown in the sixth to eighth examples.
本実施例の面発光レーザ素子では、第1の方向に偏光を有した単一基本横モードによって発振し、高出力動作を得る事ができた。 The surface emitting laser element of this example oscillated in a single fundamental transverse mode having polarization in the first direction, and a high output operation could be obtained.
以上の各実施例では、結晶成長方法として、MOCVD法を例に挙げて説明を行なったが、この他にも、分子線結晶成長法(MBE法)等の、その他の結晶成長法を用いる事もできる。また、基板として、n型基板,半絶縁性基板の他にも、p型基板を用いても良い。また、発振波長も、以上で説明した0.85μm帯,1.3μm帯以外にも0.65μm帯,0.98μm帯,1.5μm帯等の波長帯で有っても良い。また、素子を構成する半導体材料は、発振波長に応じ、上述以外のものが用いられていても良い。例えば、0.65μm帯ではAlGaInP系混晶を用い、0.98μm帯ではInGaAs系混晶を用い、1.5μm帯ではGaInNAs(Sb)系混晶半導体を用いる事ができる。分布ブラッグ反射器の材料は、これらの波長帯で透明であって、且つ可能な限り屈折率差が大きく取れる組み合わせを用いれば良い。また、素子構造は、上述の各実施例で示した以外の構造であっても良く、また、上述の各実施例で示した素子も、他の発振波長で有っても良い。分布ブラッグ反射器の材料,構成は、発振波長に応じて最適に選ぶ事で、いずれの構造も任意の発振波長に対応した素子を形成する事ができる。 In each of the above embodiments, the MOCVD method has been described as an example of the crystal growth method, but other crystal growth methods such as a molecular beam crystal growth method (MBE method) may be used. You can also. In addition to the n-type substrate and the semi-insulating substrate, a p-type substrate may be used as the substrate. Further, the oscillation wavelength may be in a wavelength band such as a 0.65 μm band, a 0.98 μm band, and a 1.5 μm band in addition to the 0.85 μm band and the 1.3 μm band described above. Further, as the semiconductor material constituting the element, other than the above may be used depending on the oscillation wavelength. For example, an AlGaInP mixed crystal can be used in the 0.65 μm band, an InGaAs mixed crystal can be used in the 0.98 μm band, and a GaInNAs (Sb) mixed crystal semiconductor can be used in the 1.5 μm band. The material of the distributed Bragg reflector may be a combination that is transparent in these wavelength bands and has a refractive index difference as large as possible. Further, the element structure may be a structure other than that shown in each of the above-described embodiments, and the element shown in each of the above-described embodiments may have other oscillation wavelengths. The material and configuration of the distributed Bragg reflector are optimally selected according to the oscillation wavelength, and any structure can form an element corresponding to an arbitrary oscillation wavelength.
また、素子の抵抗をより低減する為には、Al(Ga)As/GaAs等のヘテロ界面には、これらの間の組成を有するヘテロスパイク緩衝層を設ける事が効果的であり、被選択酸化層等の界面にもヘテロスパイク緩衝層が設けられていても良い。ヘテロスパイク緩衝層としては、ヘテロ界面を構成する2層の間の組成を有する単層や、組成の異なる複数の層を組み合わせたもの、又は組成を連続的に変化させたもの等が挙げられる。 In order to further reduce the resistance of the element, it is effective to provide a hetero spike buffer layer having a composition between them at the hetero interface such as Al (Ga) As / GaAs. A hetero spike buffer layer may also be provided at the interface of the layers. Examples of the hetero spike buffer layer include a single layer having a composition between two layers constituting a hetero interface, a combination of a plurality of layers having different compositions, and a composition whose composition is continuously changed.
図15は実施例10の面発光レーザアレイを示す図である。すなわち、図15は、本発明の面発光レーザ素子を2次元に4×4個集積したモノリシックレーザアレイの上面図である。図15では、個々の面発光レーザ素子を独立に駆動する為に個別に上部電極に配線が設けられている。図15の面発光レーザアレイは前述の各実施例のいずれかと同様の手順・方法で作製されたものである。 FIG. 15 is a view showing a surface emitting laser array of Example 10. In FIG. That is, FIG. 15 is a top view of a monolithic laser array in which 4 × 4 surface emitting laser elements of the present invention are integrated two-dimensionally. In FIG. 15, in order to drive each surface emitting laser element independently, wiring is individually provided on the upper electrode. The surface emitting laser array of FIG. 15 is manufactured by the same procedure and method as in any of the previous embodiments.
図15の面発光レーザアレイを構成する個々の素子は、実施例1乃至実施例4に示す様に共振器構造中に酸素イオン注入と熱処理によって形成された低屈折率層からなる反導波構造によって、高次横モードが非常に効率良く抑制されているので、図15の面発光レーザアレイは、単一基本横モードにおいて高出力が得られた。また、反導波構造をn導電型分布ブラッグ反射器中に設ける構造とした面発光レーザアレイは、低抵抗であり、高出力動作が可能であった。よって、発熱が少なく、更に高出力まで、単一基本横モードで発振した。以上の様に、単一横モードで高出力動作する面発光レーザアレイが得られた。 The individual elements constituting the surface emitting laser array of FIG. 15 have an anti-waveguide structure composed of a low refractive index layer formed by oxygen ion implantation and heat treatment in the resonator structure as shown in the first to fourth embodiments. Since the high-order transverse mode is suppressed very efficiently, the surface emitting laser array of FIG. 15 can obtain a high output in the single fundamental transverse mode. In addition, the surface emitting laser array in which the anti-waveguide structure is provided in the n-conduction type distributed Bragg reflector has a low resistance and a high output operation. Therefore, it oscillated in the single fundamental transverse mode up to high output with little heat generation. As described above, a surface emitting laser array that operates at a high output in a single transverse mode was obtained.
図16は面発光レーザモジュールの一例を示す図であり、図17は機器間並列光インターコネクションシステムの一例(実施例11)を示す図である。 FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a surface emitting laser module, and FIG. 17 is a diagram illustrating an example (Example 11) of an inter-device parallel optical interconnection system.
図16のレーザアレイモジュールは、シリコン基板上に、本発明の1次元モノリシック面発光レーザアレイと、マイクロレンズアレイと、ファイバアレイとが実装されて構成されている。ここで、面発光レーザアレイは、ファイバに対向して設けられており、マイクロレンズアレイを介してシリコン基板に形成したV溝に実装された石英シングルモードファイバと結合している。面発光レーザアレイの発振波長は1.3μm帯であり、石英シングルモードファイバを用いる事で高速伝送が行える。 The laser array module of FIG. 16 is configured by mounting a one-dimensional monolithic surface emitting laser array of the present invention, a microlens array, and a fiber array on a silicon substrate. Here, the surface emitting laser array is provided facing the fiber, and is coupled to a quartz single mode fiber mounted in a V-groove formed in the silicon substrate via a microlens array. The oscillation wavelength of the surface emitting laser array is 1.3 μm band, and high-speed transmission can be performed by using a quartz single mode fiber.
また、図17のインターコネクションシステムは、機器1と機器2の間を、光ファイバアレイを用いて接続して構成されている。送信側である機器1は、本発明の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを用いた1次元レーザアレイモジュールと、これの駆動回路とを備えている。また、受信側である機器2は、フォトダイオードアレイモジュールと、信号検出回路とを備えている。 In addition, the interconnection system of FIG. 17 is configured by connecting the devices 1 and 2 using an optical fiber array. The device 1 on the transmission side includes a one-dimensional laser array module using the surface-emitting laser element or the surface-emitting laser array of the present invention and a drive circuit for the one-dimensional laser array module. The device 2 on the receiving side includes a photodiode array module and a signal detection circuit.
また、この実施例11の光インターコネクションシステムは、本発明の面発光レーザアレイを用いた事で、環境温度等、駆動条件の変化に対しても基本横モードで安定に発振し、ファイバとの結合率の変化も少なく、信頼性の高いインターコネクションシステムを構成する事ができた。 In addition, the optical interconnection system of Example 11 uses the surface emitting laser array of the present invention, so that it stably oscillates in the fundamental transverse mode against changes in driving conditions such as environmental temperature, and is coupled to the fiber. There was little change in the rate, and a highly reliable interconnection system could be constructed.
なお、この実施例11では、並列光インターコネクションシステムを例に説明したが、この他にも、単一素子を用いたシリアル伝送システムを構成する事もできる。また、機器間の他にも、ボード間、チップ間、チップ内インターコネクションに応用する事もできる。 In the eleventh embodiment, the parallel optical interconnection system has been described as an example. However, a serial transmission system using a single element can also be configured. In addition to inter-device, it can be applied to inter-board, inter-chip, and intra-chip interconnection.
図18は実施例12の光通信システムを示す図であり、図18の光通信システムは、光LANシステムとして構成されている。 FIG. 18 is a diagram illustrating an optical communication system according to a twelfth embodiment. The optical communication system in FIG. 18 is configured as an optical LAN system.
図18の光LANシステムでは、サーバーとコアスイッチ間、及び、コアスイッチと各スイッチ間、及びスイッチと各端末間の光伝送の光源に、本発明の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイが用いられている。また、各機器間は石英シングルモードファイバまたはマルチモードファイバによって結合されている。 In the optical LAN system of FIG. 18, the surface-emitting laser element or the surface-emitting laser array of the present invention is used as a light source for optical transmission between the server and the core switch, between the core switch and each switch, and between the switch and each terminal. It has been. Each device is coupled by a quartz single mode fiber or a multimode fiber.
図18の光LANシステムでは、光源に、本発明の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを用いた事で、環境温度等、駆動条件の変化に対しても基本横モードで安定に発振し、ファイバとの結合率の変化も少なく信頼性の高いシステムを構成する事ができた。 In the optical LAN system of FIG. 18, the surface emitting laser element or the surface emitting laser array of the present invention is used as the light source, so that the oscillation can be stably performed in the fundamental transverse mode against changes in driving conditions such as the environmental temperature. It was possible to construct a highly reliable system with little change in coupling ratio.
図19は実施例13の電子写真システムを示す図である。 FIG. 19 shows an electrophotographic system according to the thirteenth embodiment.
図19の電子写真システムは、感光ドラム,走査収束光学系(光学走査系),書き込み光源,同期制御部からなっており、書き込み光源には、本発明の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイが用いられている。図19の電子写真システムでは、同期制御回路によって制御がなされ、光源からの光は、ポリゴンミラー,レンズ収束系からなる走査収束光学系により、感光ドラム上に集光され潜像を形成する。従来、面発光レーザ素子は、発熱の影響により高出力動作が困難であったが、本発明の面発光レーザ素子では、従来の素子に比べて高出力動作が可能であり、電子写真システムの書き込み光源として用いる事ができる。また、発振モードも単一基本横モードであるので、遠視野像は単峰性であり、ビームの集光が容易な事から高精彩な画質を得る事ができる。 The electrophotographic system of FIG. 19 includes a photosensitive drum, a scanning convergence optical system (optical scanning system), a writing light source, and a synchronization control unit. The writing light source includes the surface emitting laser element or the surface emitting laser array of the present invention. It is used. In the electrophotographic system of FIG. 19, control is performed by a synchronous control circuit, and light from a light source is condensed on a photosensitive drum by a scanning convergence optical system including a polygon mirror and a lens convergence system to form a latent image. Conventionally, surface emitting laser elements have been difficult to operate at high output due to heat generation. However, the surface emitting laser element of the present invention can operate at a higher output than conventional elements and can be used for writing in an electrophotographic system. It can be used as a light source. Further, since the oscillation mode is also a single basic transverse mode, the far-field image is unimodal, and high-definition image quality can be obtained because the beam is easily condensed.
また、AlGaInP系材料を活性層材料とした赤色面発光レーザ素子は、発振波長が650nm程度とAlGaAs系材料に比べ短波長発振が可能であり、光学設計の余裕度を大きくする事ができる。従って、高精彩な電子写真システムの書き込み光源として好適である。この様な赤色面発光レーザ素子は、活性層にAlGaInP系材料を用い、分布ブラッグ反射器にAlGaAsやAlGaInP系材料を用いて構成する事ができる。また、これらの材料はGaAs基板に格子整合して結晶成長を行う事が可能であるので、AlAs材料等を選択酸化層として用いる事が可能である。ところが、AlGaInP系材料は、温度変化に対する影響を非常に受けやすく、素子発熱による温度上昇により、出力の飽和、発振の停止等が問題となっている。しかしながら、本発明を用いて作製した面発光レーザ素子は、反導波構造により高次横モードの分布がメサ側面へ押し広げられ、利得領域の結合が減少する事によって、高次横モードの発振が抑制されるので、電流狭窄の径を従来に比べ大きく設ける事が可能である。従って、赤色面発光レーザにおいて小さく設定する必要があった電流狭窄径を、従来より大きく設定する事が可能であり、低抵抗な素子を得る事ができる。以上から、素子発熱が低減されており、単一基本横モード発振において、従来に比べ高出力動作が可能である。以上の様に電子写真システムの書き込み光源として好適である。 Further, a red surface emitting laser element using an AlGaInP-based material as an active layer material can oscillate at a short wavelength of about 650 nm as compared with an AlGaAs-based material, and can increase the margin of optical design. Therefore, it is suitable as a writing light source for a high-definition electrophotographic system. Such a red surface emitting laser element can be configured using an AlGaInP-based material for the active layer and an AlGaAs or AlGaInP-based material for the distributed Bragg reflector. In addition, since these materials can be crystal-growth by lattice matching with a GaAs substrate, an AlAs material or the like can be used as a selective oxidation layer. However, AlGaInP-based materials are very susceptible to temperature changes, and problems such as output saturation and oscillation stoppage due to temperature rise due to element heat generation. However, the surface emitting laser device fabricated using the present invention oscillates the high-order transverse mode by spreading the distribution of the high-order transverse mode to the mesa side due to the anti-waveguide structure and reducing the coupling of the gain region. Therefore, it is possible to provide a larger current confinement diameter than in the conventional case. Therefore, the current confinement diameter that had to be set small in the red surface emitting laser can be set larger than the conventional one, and a low-resistance element can be obtained. As described above, the element heat generation is reduced, and a high output operation is possible in the single fundamental transverse mode oscillation as compared with the conventional case. As described above, it is suitable as a writing light source for an electrophotographic system.
また、実施例10の面発光レーザアレイを用いる事によりマルチビーム書き込み系を得る事ができるので、書き込み速度等も従来に比べて高速にできる。以上から、高速、且つ高精彩な電子写真システムを得る事ができる。 In addition, since the multi-beam writing system can be obtained by using the surface emitting laser array according to the tenth embodiment, the writing speed and the like can be increased as compared with the prior art. From the above, a high-speed and high-definition electrophotographic system can be obtained.
図20は実施例14の光ディスクシステムを示す図である。 FIG. 20 is a diagram showing an optical disk system according to the fourteenth embodiment.
図20の光ディスクシステムは、光ディスク,光学系1,光学系2,ビームスプリッター,光検出器,レーザ光源,同期制御部(同期制御回路)からなっており、レーザ光源には、本発明の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイが用いられている。 The optical disk system of FIG. 20 includes an optical disk, an optical system 1, an optical system 2, a beam splitter, a photodetector, a laser light source, and a synchronization control unit (synchronization control circuit). Laser elements or surface emitting laser arrays are used.
ここで、光学系1,光学系2,ビームスプリッター,光検出器,レーザ光源は、光ヘッドを構成し、アクチュエーターによってディスクの任意のトラックにアクセスできる様に構成されている。また、ここで、光学系1は、回折格子,光束拡大レンズから構成されており、光学系2は、1/4波長板,絞込みレンズから構成されている。 Here, the optical system 1, the optical system 2, the beam splitter, the photodetector, and the laser light source constitute an optical head and are configured to be able to access an arbitrary track of the disk by an actuator. Here, the optical system 1 is composed of a diffraction grating and a light beam magnifying lens, and the optical system 2 is composed of a quarter wavelength plate and a focusing lens.
図20の光ディスクシステムでは、同期制御回路によって制御されたレーザ光源からのレーザ光は、光学系1及び光学系2によってディスク表面に収束されてディスク表面を照射する。ディスク表面には、情報ピットと、例えば情報ピットの規則配列によって構成されるトラックが形成されている。例えば、読み出し操作においては、ディスク表面で反射されたレーザ光は、再び光学系2を通った後、ビームスプリッターによって光検出器に導かれる。光検出器では、情報ピットによる情報信号と、トラック信号を検出し、これを元にして、ディスクとヘッドの距離、及び情報トラックに対する光ヘッドのサーボを行なっている。 In the optical disk system of FIG. 20, the laser light from the laser light source controlled by the synchronization control circuit is converged on the disk surface by the optical system 1 and the optical system 2 to irradiate the disk surface. On the disk surface, information pits and tracks composed of regular arrangements of information pits, for example, are formed. For example, in a read operation, the laser light reflected on the disk surface passes through the optical system 2 again and is guided to a photodetector by a beam splitter. In the photodetector, an information signal by an information pit and a track signal are detected, and based on this, the distance between the disk and the head and the servo of the optical head with respect to the information track are performed.
本発明の面発光レーザ素子では、従来の素子に比べて基本単一横モードにおいて高出力動作が可能である為、単峰性のビームスポットを安定に得る事が可能であり、ビーム成形に必要な光学系を非常に簡略化でき、コストを低減する事ができる。また、更に単峰性のビームスポットが安定に得られる為、信頼性の高い光ディスクシステムを構成する事が可能である。また、レーザ光源として、実施例10の面発光レーザアレイを用いる場合には、高速な読み出しを行なう事が可能である。以上の様に、高速、且つ信頼性の高い光ディスクシステムを得る事ができる。
Since the surface emitting laser element of the present invention can operate at a higher output in the basic single transverse mode than the conventional element, it is possible to stably obtain a unimodal beam spot, which is necessary for beam shaping. The optical system can be greatly simplified and the cost can be reduced. In addition, since a unimodal beam spot can be obtained stably, a highly reliable optical disc system can be configured. Further, when the surface emitting laser array of Example 10 is used as a laser light source, high-speed reading can be performed. As described above, a high-speed and highly reliable optical disc system can be obtained.
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