JP4803992B2 - Light emitting device, optical transmission system, and vertical cavity surface emitting semiconductor laser element - Google Patents

Light emitting device, optical transmission system, and vertical cavity surface emitting semiconductor laser element Download PDF

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本発明は、大容量光伝送などに適した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を備えた発光装置および光伝送システムおよび垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a light-emitting device, an optical transmission system, and a vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser element including a vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser element suitable for large-capacity optical transmission.

近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、LANやアクセス系、ホームネットワークにも展開されてきている。例えば、イーサネットにおいては、10Gbpsの伝送容量が開発されてきている。将来的には更なる伝送容量の増加が求められており、10Gbpsを超えた光伝送システムが期待されている。   In recent years, optical transmission technology has been developed not only in trunk transmission networks but also in LANs, access systems, and home networks. For example, in Ethernet, a transmission capacity of 10 Gbps has been developed. In the future, further increase in transmission capacity is required, and an optical transmission system exceeding 10 Gbps is expected.

伝送容量が10Gbps以下の光伝送用光源においては、半導体レーザの注入電流を変調することで出力光強度を変調する直接変調方式が主に用いられている。しかしながら、半導体レーザを直接変調により10GHzを超えた変調周波数で動作させることは困難であった。そこで、10Gbpsを超えた光伝送用光源としては、半導体レーザから出力された光を外部変調器で変調する方式が開発されている。しかし、外部変調方式では、モジュールサイズが大きく、また部品点数が多いためコストが高いというデメリットがある。そのため、外部変調器を備えた光伝送技術は、幹線系のような高価なシステムには用いられても、LANやホームネットワークのような一般ユーザが用いるシステムには不向きとなっている。   In a light source for optical transmission having a transmission capacity of 10 Gbps or less, a direct modulation method in which output light intensity is modulated by modulating an injection current of a semiconductor laser is mainly used. However, it has been difficult to operate a semiconductor laser at a modulation frequency exceeding 10 GHz by direct modulation. Therefore, as a light source for optical transmission exceeding 10 Gbps, a method of modulating light output from a semiconductor laser with an external modulator has been developed. However, the external modulation method has a demerit that the module size is large and the number of parts is large so that the cost is high. For this reason, the optical transmission technology including an external modulator is not suitable for a system used by a general user such as a LAN or a home network even if it is used for an expensive system such as a trunk line system.

これに対し、近年では、LANや光インターコネクション用の光源として、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)が用いられるようになってきている。VCSELは、従来の端面発光型半導体レーザに比べて、低消費電力であり、また製造工程で劈開が不用でウエハ状態で素子の検査が可能であるため低コスト化に優れた特徴を有している。そのため、10Gbpsを超えた大容量の光LANや光インターコネクション用光源として、直接変調によるVCSELが期待されている。   On the other hand, in recent years, a vertical cavity surface emitting semiconductor laser element (VCSEL) has been used as a light source for LAN and optical interconnection. VCSELs have lower power consumption than conventional edge-emitting semiconductor lasers, and have superior features in cost reduction because they can be inspected in the wafer state without the need for cleavage in the manufacturing process. Yes. For this reason, a VCSEL by direct modulation is expected as a large capacity optical LAN exceeding 10 Gbps and a light source for optical interconnection.

VCSELを高速に変調する方法としては、これまで以下のような報告がなされている。   As a method for modulating the VCSEL at high speed, the following reports have been made so far.

すなわち、特許文献1には、上部の多層膜反射鏡を介さずに電流を活性領域に注入させ、このとき、横方向抵抗を低減するために、2次元キャリアの生成が可能な変調ドープ積層構造を設け、これにより、VCSELの抵抗を低減して、抵抗(R)と容量(C)で制限される電気的な変調帯域を増加させる技術が示されている。   That is, Patent Document 1 discloses a modulation-doped stacked structure in which two-dimensional carriers can be generated in order to inject current into an active region without passing through an upper multilayer reflector and reduce lateral resistance at this time. , Thereby reducing the VCSEL resistance and increasing the electrical modulation band limited by the resistance (R) and capacitance (C).

また、特許文献2には、発光層の近傍にサブバンド間吸収する量子井戸層を設け、変調信号光を入力すると、量子井戸層のサブバンド間吸収によりキャリア分布が変調され、発光層のキャリア密度も変調されて、発光出力が変調され、従って、応答速度がCR時定数やキャリア輸送効果に影響されることなく、高速化される技術が示されている。   Further, in Patent Document 2, a quantum well layer that absorbs intersubbands is provided in the vicinity of a light emitting layer, and when modulated signal light is input, the carrier distribution is modulated by intersubband absorption of the quantum well layer, and the carriers in the light emitting layer A technique is also shown in which the density is also modulated, the light emission output is modulated, and thus the response speed is increased without being affected by the CR time constant or the carrier transport effect.

また、特許文献3には、VCSELに光注入励起を行う横方向共振器型半導体レーザが同一基板上に集積されて形成され、VCSELの活性層の禁制帯幅は横方向共振器型半導体レーザの禁制帯幅よりも小さく設定して、光励起効率を高めており、外部変調として、横方向共振器型半導体レーザの変調光信号を入力させることにより、VCSELの変調周波数を増加させる技術が示されている。   Further, in Patent Document 3, a lateral cavity type semiconductor laser that performs light injection excitation on a VCSEL is formed on the same substrate, and the forbidden band width of the active layer of the VCSEL is the same as that of the lateral cavity type semiconductor laser. A technology that increases the VCSEL modulation frequency by inputting a modulated optical signal of a lateral cavity type semiconductor laser as external modulation is shown, which is set smaller than the forbidden bandwidth to increase the optical pumping efficiency. Yes.

また、非特許文献1には、VCSELにDFBレーザの光を注入させて、VCSELの発振波長を同期させ(インジェクションロック)、これにより、VCSELの緩和振動周波数を22.8GHzに増加させる技術が示されている。   Non-Patent Document 1 discloses a technique for injecting light of a DFB laser into a VCSEL to synchronize the oscillation wavelength of the VCSEL (injection lock), thereby increasing the relaxation oscillation frequency of the VCSEL to 22.8 GHz. Has been.

特開2002−185079号公報JP 2002-185079 A 特開2002−204039号公報JP 2002-204039 A 特開平7−249824号公報JP-A-7-249824 信学技報 OPE2003−218, LQE3003−155IEICE technical report OPE2003-218, LQE3003-155

上述の特許文献1においては、ドライバ回路から出力される電気的変調信号がVCSELの発光層のキャリア密度を変調させるときの応答速度を改善している。また、特許文献2,特許文献3においては、外部から変調光信号を入力することにより、素子に電流が流れるときの電気的な応答速度の遅れの影響をなくしている。   In Patent Document 1 described above, the response speed when the electrical modulation signal output from the driver circuit modulates the carrier density of the light emitting layer of the VCSEL is improved. In Patent Document 2 and Patent Document 3, the influence of an electrical response speed delay when a current flows through the element is eliminated by inputting a modulated optical signal from the outside.

しかしながら、いずれの構造も、発光層におけるキャリア密度変化に対して誘導放出速度が追随できなくなる限界の周波数,すなわち緩和振動周波数については増加させることができない。そのため、変調速度が緩和振動周波数で制限されることになる。   However, none of the structures can increase the critical frequency at which the stimulated emission rate cannot follow the carrier density change in the light emitting layer, that is, the relaxation oscillation frequency. Therefore, the modulation speed is limited by the relaxation oscillation frequency.

一方、非特許文献1においては、VCSELの発振モードに同期した光を外部から注入することにより、VCSEL内部の光子密度を高めている。内部光子密度は緩和振動周波数と関係しており、内部光子密度を高めることで、VCSELの緩和振動周波数を増加させることが可能となっている。しかしながら、上記方法においては、外部から注入するレーザ光の波長を、VCSELの共振モード波長と厳密に一致させる必要がある。波長ずれが数nm程度で、モード同期されなくなり、緩和振動周波数を増加させることができなくなってしまう。そのため、波長のチューニングや温度制御を行う必要があり、装置構成が複雑となってしまう。   On the other hand, in Non-Patent Document 1, the photon density inside the VCSEL is increased by injecting light synchronized with the oscillation mode of the VCSEL from the outside. The internal photon density is related to the relaxation oscillation frequency, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be increased by increasing the internal photon density. However, in the above method, it is necessary to make the wavelength of the laser light injected from the outside exactly match the resonance mode wavelength of the VCSEL. When the wavelength shift is about several nanometers, the mode is not synchronized and the relaxation oscillation frequency cannot be increased. This necessitates wavelength tuning and temperature control, which complicates the apparatus configuration.

本発明は、緩和振動周波数が高く、チャンネル当たりの伝送容量が10Gbpsを超える大容量伝送に適した、簡易な構成の高速変調可能な発光装置および光伝送システムおよび垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を提供することを目的としている。   The present invention relates to a light-emitting device, an optical transmission system, and a vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser device that have a simple configuration and are capable of high-speed modulation, suitable for large-capacity transmission with a high relaxation oscillation frequency and a transmission capacity per channel exceeding 10 Gbps. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの前記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの1つの活性層は、前記変調用パルス電源に電気的に接続され、また、前記活性層のうちの他の活性層は、前記励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっている発光装置であって、前記基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a first aspect of the invention is a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device having a plurality of resonators sandwiched by a multilayer reflector on a substrate, and a modulation pulse. A plurality of resonators of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element are optically coupled to form one resonance mode, and each resonator has a resonance mode. Each of the active layers has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and one of the active layers is electrically connected to the modulation pulse power source. And the other active layer of the active layers is electrically connected to the excitation DC power source and electrically connected to the modulation pulse power source for the same resonance mode. Electrically connected to the active layer and the excitation DC power source The A light emission device that looks like and the active layer for oscillating mode synchronously, multilayer reflector adjacent the substrate, and / or, the conductivity type of the multilayer reflector of the outermost surface , N-type .

また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の発光装置において、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子のそれぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積は、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the light emitting device according to the first aspect, wherein means for constricting a current injected into each active layer of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element is provided. The area of current confinement with respect to the active layer electrically connected to the modulation pulse power supply is larger than the area of current confinement with respect to the active layer electrically connected to the excitation DC power supply. It is characterized by.

また、請求項3記載の発明は、請求項2記載の発光装置において、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the light emitting device according to the second aspect, as a means for confining a current to an active layer electrically connected to the excitation DC power source, a refractive index difference in a horizontal lateral direction is provided. It is characterized in that a structure having is used.

また、請求項4記載の発明は、請求項2記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the light emitting device according to the second aspect, the high resistance region formed by ion implantation as means for confining current to the active layer electrically connected to the modulation pulse power source. Is used.

また、請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the light emitting device according to any one of the first to fourth aspects, the active layer electrically connected to the modulation pulse power source includes a quantum well layer and a barrier. It is composed of a multiple quantum well structure in which a plurality of layers are stacked, and the barrier layer is doped with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

また。請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の発光装置において、前記活性層には、窒素と他のV族元素との混晶半導体が含まれていることを特徴としている。 Also. According to a sixth aspect of the present invention, in the light emitting device according to any one of the first to fifth aspects, the active layer includes a mixed crystal semiconductor of nitrogen and another group V element. It is characterized by that.

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発光装置を備えていることを特徴とする光伝送システムである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an optical transmission system comprising the light emitting device according to any one of the first to sixth aspects.

また、請求項8記載の発明は、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴としている。 The invention according to claim 8 is provided with a plurality of resonators sandwiched by a multilayer reflector on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided in each resonator, and the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting a current into each active layer And a current confinement means for constricting the current injected from the current injection means, and the conductivity type of the multilayer reflector adjacent to the substrate and / or the multilayer reflector on the outermost surface side is n-type. It is characterized by being.

また、請求項9記載の発明は、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴としている。 According to a ninth aspect of the present invention, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the eighth aspect of the present invention , at least one of the active layers is a multiple layer in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked. The barrier layer is doped with p-type impurities in a range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

また、請求項10記載の発明は、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体であることを特徴としている。 The invention according to claim 10 is the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 8, wherein at least one of the active layers is a mixture containing nitrogen and another group V element. It is characterized by being a crystal semiconductor.

また、請求項11記載の発明は、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴としている。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the eighth aspect , a structure having a refractive index difference in a horizontal transverse direction is used as the current constricting means. The current confinement area by the constriction means is different for each active layer.

また、請求項12記載の発明は、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴としている。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the eighth aspect of the present invention, as the current constricting means, a structure having a refractive index difference in a horizontal lateral direction, and a high height formed by ion implantation The resistance region is provided for each different active layer, and the constriction area by the current confinement means having the refractive index difference in the horizontal and lateral directions is smaller than the confinement area by the high resistance region formed by ion implantation. It is a feature.

請求項1乃至請求項6記載の発明によれば、複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードが形成されており、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振することにより、VCSEL素子内部の光子密度を増加させてVCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。また、基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることにより、素子の抵抗を低減することができ、発光装置の消費電力を低減することができるとともに、VCSELの電気的変調帯域が増加する。これにより、簡易な構成で10Gbpsを超える高速変調可能な発光装置を提供することができる。 According to the first to sixth aspects of the present invention, a plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode, and the modulation pulse power supply is electrically connected to the same resonance mode. And the active layer electrically connected to the excitation DC power source oscillate in mode synchronization, thereby increasing the photon density inside the VCSEL element and increasing the relaxation oscillation frequency of the VCSEL. Can do. Further, since the conductivity type of the multilayer-film reflective mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer-film reflective mirror on the outermost surface side is n-type, the resistance of the element can be reduced, and the power consumption of the light emitting device Can be reduced, and the electrical modulation band of the VCSEL increases. Thereby, a light emitting device capable of high-speed modulation exceeding 10 Gbps with a simple configuration can be provided.

特に、請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の発光装置において、それぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積が、励起用直流電源に電気的に接続する活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層における電流狭窄部の抵抗が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、基本横モードの光出力を増加させることができる。   In particular, according to the invention described in claim 2, in the light-emitting device according to claim 1, means for constricting the current injected into each active layer is provided, and is electrically connected to the modulation pulse power supply. The current confinement area for the active layer is larger than the current confinement area for the active layer electrically connected to the excitation DC power supply, so that it is electrically connected to the modulation pulse power supply. In addition, the resistance of the current confinement portion in the active layer is reduced, and the electrical modulation band can be increased. In addition, the gain at the center corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased, and the light output of the fundamental transverse mode can be increased.

また、請求項3記載の発明によれば、請求項2記載の発光装置において、励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。   According to a third aspect of the present invention, in the light emitting device according to the second aspect, as a means for confining current to the active layer electrically connected to the excitation DC power source, the refractive index in the horizontal lateral direction is provided. By using a structure having a difference, it is possible to increase the light output while maintaining the fundamental transverse mode.

また、請求項4記載の発光装置は、請求項2記載の発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対応する高抵抗領域の容量成分が低減され、電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。   The light-emitting device according to claim 4 is the light-emitting device according to claim 2, wherein the high-resistance region is formed by ion implantation as means for confining current to the active layer electrically connected to the modulation pulse power source. Is used, the capacitance component of the high resistance region corresponding to the active layer electrically connected to the modulation pulse power supply is reduced, and the electrical modulation band can be further increased.

また、請求項5記載の発明によれば、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造(MQW)から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることにより、多重量子井戸構造活性層の微分利得を増加させることができ、さらにVCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the light emitting device according to any one of the first to fourth aspects, the active layer electrically connected to the modulation pulse power source includes a quantum well layer. It is composed of a multiple quantum well structure (MQW) in which a plurality of barrier layers are stacked, and the barrier layer is doped with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3. The differential gain of the active layer of the multiple quantum well structure can be increased, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be increased.

また、請求項6記載の発明によれば、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の発光装置において、活性層には、窒素と他のV族元素との混晶半導体が含まれていることにより、石英光ファイバの分散がゼロである波長1.31μmのVCSELを形成することができ、これによって、10Gbps以上の大容量伝送に適した発光装置を形成できる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the light emitting device according to any one of the first to fifth aspects, the active layer includes a mixed crystal semiconductor of nitrogen and another group V element. Accordingly, a VCSEL having a wavelength of 1.31 μm in which the dispersion of the quartz optical fiber is zero can be formed, and thus a light emitting device suitable for large capacity transmission of 10 Gbps or more can be formed.

また、請求項7記載の光伝送システムは、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の発光装置を備えていることにより、10Gbpsを超える高速変調(例えば40Gbps)をVCSELの直接変調で可能にしている。そのため、外部変調器や電子冷却素子を用いることなく、低コストで大容量の光伝送システムを構築することができる。 Further, the optical transmission system according to claim 7, wherein, by which a light-emitting device according to any one of claims 1 to 6, direct high speed modulation more than 10Gbps (e.g. 40 Gbps) of the VCSEL modulation Is possible. Therefore, a large-capacity optical transmission system can be constructed at low cost without using an external modulator or an electronic cooling element.

また、請求項8記載の発明によれば、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)であり、このVCSELは、複数の活性層がそれぞれ異なる共振器内に設けられ、各共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成し、複数の活性層はすべて同一の共振モード波長に対して利得を有しているので、それぞれの活性層に電流注入するとモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができ、VCSELの緩和振動周波数が増加する。また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡をn型で形成することにより、素子抵抗を低減することができ、VCSELの電気的変調帯域が増加する。従って、VCSELを高速変調することができる。 According to an eighth aspect of the present invention, the substrate includes a plurality of resonators sandwiched between upper and lower layers by a multilayer reflector, and the plurality of resonators are optically coupled to form a single resonance mode. Active layers are provided in the respective resonators, the active layers have a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and currents for injecting currents into the respective active layers are formed. An injecting means and a current constricting means for constricting the current injected from the current injecting means are provided, and the conductivity type of the multilayer film reflecting mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer film reflecting mirror on the outermost surface side is n A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) characterized in that the VCSEL has a plurality of active layers provided in different resonators, and each resonator is optically coupled. A single resonance mode, and a plurality of active layers Since all have gains with respect to the same resonance mode wavelength, when current is injected into each active layer, oscillation occurs in mode synchronization, so that the photon density inside the device can be increased, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL Will increase. Further, since the high reflectivity is required, the multilayer film reflecting mirror adjacent to the substrate and / or the multilayered film reflecting mirror on the outermost surface side is formed in an n-type to reduce the element resistance. This increases the electrical modulation band of the VCSEL. Therefore, the VCSEL can be modulated at high speed.

また、請求項9記載の発明によれば、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)であり、このVCSELは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも1つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造(MQW)から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされているため、多重量子井戸活性層の微分利得が増加し、VCSELの緩和振動周波数をさらに増加させることができる。従って、VCSELの変調速度をさらに向上することができる。 According to a ninth aspect of the present invention, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the eighth aspect , at least one of the active layers includes a plurality of quantum well layers and barrier layers. Vertical cavity surface, wherein the barrier layer is doped with a p-type impurity in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3. A light-emitting semiconductor laser element (VCSEL), in which a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer oscillates in mode synchronization. Therefore, the relaxation frequency is improved by increasing the photon density inside the device. Furthermore, at least one active layer is composed of a multiple quantum well structure (MQW) in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked, and p-type impurities are 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 10 in the barrier layers. Since doping is performed in the range of 19 cm −3 , the differential gain of the multiple quantum well active layer is increased, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be further increased. Therefore, the modulation speed of the VCSEL can be further improved.

また、請求項10記載の発明によれば、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)であり、このVCSELは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも1つの活性層は窒素と他のV族元素との混晶半導体であることにより、活性層の微分利得を高くでき、緩和振動周波数を向上させることができる。従って、VCSELの変調速度をさらに向上させることができる。また、石英光ファイバの分散がゼロである波長1.31μm帯のVCSELを形成できるため、本発明の高速変調特性を生かすことができる。 According to a tenth aspect of the present invention, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the eighth aspect , at least one of the active layers contains nitrogen and another group V element. A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) characterized in that the VCSEL includes a plurality of resonators each including an active layer and optically coupled to one resonance mode. Since each active layer oscillates in mode synchronization, the photon density inside the device is increased to improve the relaxation oscillation frequency. Furthermore, since at least one active layer is a mixed crystal semiconductor of nitrogen and another group V element, the differential gain of the active layer can be increased and the relaxation oscillation frequency can be improved. Therefore, the modulation speed of the VCSEL can be further improved. In addition, since a VCSEL having a wavelength of 1.31 μm band in which the dispersion of the quartz optical fiber is zero can be formed, the high-speed modulation characteristics of the present invention can be utilized.

また、請求項11記載の発明によれば、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)であり、このVCSELは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられ、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なっており、狭窄面積が狭い電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなり、また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。一方、狭窄面積が広い電流狭窄構造では、電流狭窄部の抵抗が低減されるため、CR時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができ、従って、VCSELの変調速度をさらに向上させることができる。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the eighth aspect , a structure having a refractive index difference in the horizontal and lateral directions is used as the current confinement means. A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) characterized in that a current confinement area by the current confinement means is different for each active layer, and the VCSEL includes a plurality of resonators each including an active layer optically. Are coupled to each other to form one resonance mode, and each active layer oscillates in mode synchronization, so that the photon density inside the device can be increased. Further, as the current confinement means, a structure having a refractive index difference in the horizontal transverse direction is used, and the current confinement area by the current confinement means is different for each active layer. Conversely, the higher-order transverse mode is more lossy, and the central gain corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased, so that the fundamental transverse mode is maintained. The light output can be increased. On the other hand, in a current confinement structure with a wide constriction area, the resistance of the current confinement portion is reduced, so that the CR time constant can be reduced and the electrical modulation band can be increased, thus further improving the modulation speed of the VCSEL. Can be made.

また、請求項12記載の発明によれば、請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)であり、このVCSELは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことから、イオン注入により形成した高抵抗領域による電流狭窄構造においては、容量と抵抗を共に小さくすることができ、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、狭窄面積が狭い水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制されるため、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。以上の効果により、VCSELを高速変調動作させることができる。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the eighth aspect, the current constricting means is formed by a structure having a refractive index difference in a horizontal transverse direction and ion implantation. High resistance regions are provided for different active layers, and the constriction area by the current confinement means having a refractive index difference in the horizontal and lateral directions is smaller than the confinement area by the high resistance region formed by ion implantation. A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) characterized in that a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, Since each active layer oscillates in mode synchronization, the photon density inside the device can be increased. Furthermore, as a current confinement means, a structure having a refractive index difference in the horizontal horizontal direction and a high resistance region formed by ion implantation are provided for different active layers, respectively. Since the confinement area by the current confinement means has a smaller confinement area by the high resistance region formed by ion implantation, in the current confinement structure by the high resistance region formed by ion implantation, both capacitance and resistance can be reduced. The electrical modulation band can be increased. In the current confinement structure where the constriction area is narrow and the refractive index difference is in the horizontal direction, the light of the fundamental transverse mode is confined, and conversely the oscillation of the higher order transverse mode is suppressed, so the fundamental transverse mode is maintained. Can increase the light output. Due to the above effects, the VCSEL can be operated at high speed.

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) (First form)

本発明の第1の形態は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの1つの活性層は、変調用パルス電源に電気的に接続され、また、活性層のうちの他の活性層は、励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっていることを特徴としている。   A first aspect of the present invention is a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device having a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors on a substrate, a modulation pulse power supply, and an excitation DC power supply The plurality of resonators of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device are optically coupled to form one resonance mode, and an active layer is provided in each resonator. Each active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and one of the active layers is electrically connected to a modulation pulse power source, The other active layer is electrically connected to the excitation DC power supply, and for the same resonance mode, is electrically connected to the active layer electrically connected to the modulation pulse power supply and the excitation DC power supply. Oscillates in mode synchronization with the active layer It is characterized in Rukoto.

半導体レーザを直接変調する場合に、変調帯域を制限する原因として、CR時定数,キャリア輸送効果,緩和振動周波数などが挙げられる。特に、緩和振動周波数は、発光層におけるキャリア密度変化に対して誘導放出速度が追随できなくなる限界の周波数であり、直接変調する場合に本質的な制限となっている。   When a semiconductor laser is directly modulated, causes for limiting the modulation band include CR time constant, carrier transport effect, relaxation oscillation frequency, and the like. In particular, the relaxation oscillation frequency is a limit frequency at which the stimulated emission speed cannot follow the carrier density change in the light emitting layer, and is an essential limitation in the case of direct modulation.

緩和振動周波数frは一般に次式(数1)で表される。   The relaxation oscillation frequency fr is generally expressed by the following equation (Equation 1).

Figure 0004803992
Figure 0004803992

数1において、Γは光閉じ込め係数、gは微分利得、Sは光子密度、τpは光子寿命である。数1によれば、緩和振動周波数frは、光子密度Sを大きくするほど、高くできる。しかしながら、発光層中にキャリアが高注入されると、キャリアオーバーフローや素子の発熱等により利得の飽和が生じ、光子密度を増加させることができなくなってしまう。そのため、緩和振動周波数は10GHz程度に抑えられている。   In Equation 1, Γ is an optical confinement factor, g is a differential gain, S is a photon density, and τp is a photon lifetime. According to Equation 1, the relaxation oscillation frequency fr can be increased as the photon density S is increased. However, when carriers are highly injected into the light emitting layer, gain saturation occurs due to carrier overflow, element heat generation, or the like, and the photon density cannot be increased. Therefore, the relaxation vibration frequency is suppressed to about 10 GHz.

本発明の第1の形態の発光装置は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの1つの活性層は、変調用パルス電源に電気的に接続され、また、活性層のうちの他の活性層は、励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっていることにより(すなわち、複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードが形成されており、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振することにより)、垂直共振器型面発光半導体レーザ(VCSEL)素子内部の光子密度を増加させてVCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。これにより、簡易な構成で10Gbpsを超える高速変調可能な発光装置を形成できる。   A light emitting device according to a first aspect of the present invention includes a vertical cavity surface emitting semiconductor laser element having a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors on a substrate, a modulation pulse power supply, and an excitation A plurality of resonators of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element are optically coupled to form one resonance mode, and each resonator has an active mode, respectively. Each active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and one of the active layers is electrically connected to a modulation pulse power source, and The other active layers of the active layers are electrically connected to the excitation DC power source, and are electrically connected to the excitation layer and the excitation DC power source electrically connected to the modulation pulse power source for the same resonance mode. Oscillates in mode synchronization with the active layer (That is, a plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode, and the same resonance mode is electrically connected to the modulation pulse power source) And the active layer electrically connected to the excitation DC power source oscillates in mode synchronization), thereby increasing the photon density inside the vertical cavity surface emitting semiconductor laser (VCSEL) device to alleviate the VCSEL. The vibration frequency can be increased. Thereby, a light emitting device capable of high-speed modulation exceeding 10 Gbps can be formed with a simple configuration.

以下、共振器構造が2個の場合を例として説明する。第1の共振器構造には第1の活性層が設けられており、第2の共振器構造には第2の活性層が設けられている。第1の活性層は、変調用パルス電源に電気的に接続されており、第1の活性層に注入する電流を変調することにより、第1の活性層内のキャリア密度が変化して、光出力強度が変調されるようになっている。また、第2の活性層は、励起用直流電源に電気的に接続されており、直流電流が注入されることにより誘導放出が生じ、閾電流以上になるとレーザ発振が生じるようになっている。   Hereinafter, a case where there are two resonator structures will be described as an example. The first resonator structure is provided with a first active layer, and the second resonator structure is provided with a second active layer. The first active layer is electrically connected to the modulation pulse power supply, and by modulating the current injected into the first active layer, the carrier density in the first active layer changes, and the light The output intensity is modulated. The second active layer is electrically connected to the excitation DC power source, and stimulated emission occurs when a DC current is injected, and laser oscillation occurs when the current exceeds the threshold current.

第1の活性層と第2の活性層は、異なる共振器構造内に設けられているが、第1の共振器構造と第2の共振器構造は光学的に結合して1つの共振モードを形成している。また、同一の共振モード波長に対して、第1の活性層と第2の活性層とはともに利得を有している。従って、第1の活性層に電流注入したときの発振光と第2の活性層に電流注入したときの発振光は同一波長で発振し、モード同期する。これにより、従来、1つの活性層に電流注入して発生する光子密度に、第2の活性層で発生させた光子密度が同一モードで加えられるため、素子内部の光子密度を従来よりも増加させることができる。従って、VCSELの緩和振動周波数が増加し、10Gbpsを超える高速変調可能な発光装置を実現できる。   The first active layer and the second active layer are provided in different resonator structures. However, the first resonator structure and the second resonator structure are optically coupled to form one resonance mode. Forming. Further, both the first active layer and the second active layer have a gain with respect to the same resonance mode wavelength. Therefore, the oscillation light when current is injected into the first active layer and the oscillation light when current is injected into the second active layer oscillate at the same wavelength and are mode-locked. As a result, the photon density generated in the second active layer is added in the same mode to the photon density generated by current injection into one active layer, so that the photon density inside the device is increased as compared with the conventional case. be able to. Accordingly, the relaxation oscillation frequency of the VCSEL is increased, and a light emitting device capable of high-speed modulation exceeding 10 Gbps can be realized.

本発明の発光装置の特徴を生かすためには、第1の活性層に注入する変調用パルス電源がOFFの場合でも、励起用直流電源より第2の活性層に電流注入することでレーザ発振が維持されている方が好ましい。これにより、少ない注入パルス電流で第1の活性層の利得を増加させることができるため、より高い光出力まで第1の活性層の利得を高く維持することが可能となる。   In order to take advantage of the characteristics of the light-emitting device of the present invention, even when the modulation pulse power source injected into the first active layer is OFF, laser oscillation is caused by injecting current from the excitation DC power source into the second active layer. It is preferable to be maintained. As a result, the gain of the first active layer can be increased with a small injection pulse current, so that the gain of the first active layer can be kept high up to a higher light output.

なお、第1の活性層に電気的に接続されている変調用パルス電源は、パルス電流に直流バイアス電流を付加する機能を有することもできる。第1の活性層に対して、発振閾電流近傍まで直流バイアス電流を加え、さらにパルス電流を重畳させた場合、第1の活性層において、レーザ発振に必要なキャリア密度が蓄積される時間が短縮され、発振遅れ時間が減少する。従って、第1の活性層に加えるパルス電流に対するレーザ発振の応答性が改善され、一層、変調速度を向上させることができる。   Note that the modulation pulse power supply electrically connected to the first active layer can also have a function of adding a DC bias current to the pulse current. When a DC bias current is applied to the first active layer up to the vicinity of the oscillation threshold current and a pulse current is further superimposed, the time required for accumulating the carrier density necessary for laser oscillation in the first active layer is shortened. As a result, the oscillation delay time is reduced. Therefore, the response of laser oscillation to the pulse current applied to the first active layer is improved, and the modulation speed can be further improved.

また、本発明のVCSELでは、第1の活性層と第2の活性層とはそれぞれ別の共振器構造内に設けられているので、第1の活性層と第2の活性層との距離を離すことができる。従って、第1の活性層と第2の活性層との電気的クロストークや熱的クロストークを低減することができる。   In the VCSEL of the present invention, since the first active layer and the second active layer are provided in different resonator structures, the distance between the first active layer and the second active layer is increased. Can be released. Therefore, electrical crosstalk and thermal crosstalk between the first active layer and the second active layer can be reduced.

また、前述した非特許文献1に報告されているVCSELは、発振モードに同期した光を外部の端面発光型(DFB)半導体レーザから注入することにより、VCSEL内部の光子密度を高めている。そのため、外部から注入するレーザ光の波長を、VCSELの共振モード波長と厳密に一致させる必要がある。これに対し、本発明では、励起用直流電源に接続された活性層が発光する光は、変調用パルス電源に接続された活性層が発光する光と同一の共振モードでレーザ発振するため、素子内部の光子密度を常に同一波長で増加させることができる。従って、励起光の発振波長を厳密に制御する必要がなく、簡易な装置構成で高速変調を実現できる。   Further, the VCSEL reported in Non-Patent Document 1 described above increases the photon density inside the VCSEL by injecting light synchronized with the oscillation mode from an external edge-emitting (DFB) semiconductor laser. For this reason, it is necessary to make the wavelength of the laser light injected from the outside exactly match the resonance mode wavelength of the VCSEL. On the other hand, in the present invention, the light emitted from the active layer connected to the excitation DC power supply is laser-oscillated in the same resonance mode as the light emitted from the active layer connected to the modulation pulse power supply. The internal photon density can always be increased at the same wavelength. Therefore, it is not necessary to strictly control the oscillation wavelength of the excitation light, and high-speed modulation can be realized with a simple device configuration.

また、本発明においては、励起光を発生させる構造もVCSEL構造となっているため、励起光を発生させるために必要な消費電力を、端面発光型半導体レーザに比べて低減することができる。   In the present invention, since the structure for generating the excitation light is also a VCSEL structure, the power consumption required for generating the excitation light can be reduced as compared with the edge emitting semiconductor laser.

なお、文献「Electronnics Lett., Vol.38, No.12, pp278−280 (2002)」には、共振器内に2つの活性層を備えたVCSEL構造が報告されている。上記VCSELは3端子構造となっており、2つの活性層にそれぞれ独立に電流を注入する構造となっている。しかしながら、電流注入する2つの活性層は同一の共振器構造内に設けられており、本発明とは構造が異なっている。   Note that a literature “Electronics Lett., Vol. 38, No. 12, pp 278-280 (2002)” reports a VCSEL structure having two active layers in a resonator. The VCSEL has a three-terminal structure, and has a structure in which current is independently injected into two active layers. However, the two active layers for current injection are provided in the same resonator structure, and the structure is different from the present invention.

また、文献「Electronnics Lett., Vol.34, No.14, pp1405−1407 (1998)」には、励起用の0.85μm帯VCSELと1.3μm帯VCSELを集積した構造が報告されている。しかし、この報告例においては、2つの共振器構造の共振モードが結合しておらず、それぞれ独立の発振波長で発振する。そのため、本発明のようにモード同期して内部光出力を増加させることができず、緩和振動周波数を増加させる構造とはなっていない。従って、本発明とは構造及び動作原理が異なっている。   Further, in the document “Electronics Lett., Vol. 34, No. 14, pp1405-1407 (1998)”, a structure in which 0.85 μm band VCSEL for excitation and 1.3 μm band VCSEL are integrated is reported. However, in this report example, the resonance modes of the two resonator structures are not coupled and oscillate at independent oscillation wavelengths. For this reason, the internal light output cannot be increased in mode synchronization as in the present invention, and the relaxation oscillation frequency is not increased. Therefore, the structure and operating principle are different from the present invention.

また、文献「CLEO2001, CtuB1 (2001)」には、活性層を有する2つの共振器が光学的に結合したVCSELが報告されている。しかしながら、本発明のような高速変調動作については報告されていない。   Further, a document “CLEO2001, CtuB1 (2001)” reports a VCSEL in which two resonators having an active layer are optically coupled. However, no high-speed modulation operation as in the present invention has been reported.

本発明において、第1の活性層及び第2の活性層は、VCSEL素子内の光定在波分布において、腹の位置に設けることが望ましい。これにより、光定在波と活性領域との結合効率が増加して、閾値を低減することができる。   In the present invention, it is desirable that the first active layer and the second active layer are provided at the antinodes in the optical standing wave distribution in the VCSEL element. Thereby, the coupling efficiency between the optical standing wave and the active region increases, and the threshold value can be reduced.

また、VCSELの温度特性を向上させるために、共振モード波長に対して、室温における活性領域の利得ピーク波長を短波長側にシフトさせることができる。このとき、第1の活性層における波長シフト量と第2の活性層における波長シフト量とは、必ずしも一致させる必要はない。それぞれの活性層の利得スペクトル帯域内に共振モード波長が入っていればよい。   Further, in order to improve the temperature characteristics of the VCSEL, the gain peak wavelength of the active region at room temperature can be shifted to the short wavelength side with respect to the resonance mode wavelength. At this time, the wavelength shift amount in the first active layer and the wavelength shift amount in the second active layer are not necessarily matched. It is only necessary that the resonance mode wavelength is within the gain spectrum band of each active layer.

以上、共振器が2個の場合を例として説明してきたが、更に共振器を増加させることも可能である。この場合、変調信号が入力される活性層を1つとし、他の活性層を励起用に用いることができる(他の活性層には直流電流を注入して励起用に用いることができる)。   The case where there are two resonators has been described above as an example, but the number of resonators can be further increased. In this case, one active layer to which a modulation signal is input can be used, and another active layer can be used for excitation (direct current can be injected into the other active layer and used for excitation).

(第2の形態)
本発明の第2の形態は、第1の形態の発光装置において、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子のそれぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積は、励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことを特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, in the light emitting device according to the first aspect, means for constricting a current injected into each active layer of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element is provided. The current confined area with respect to the active layer electrically connected to the pulse power supply is characterized by being wider than the current confined area with respect to the active layer electrically connected to the excitation DC power supply. .

このように、第2の形態では、第1の形態の発光装置において、それぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積が、励起用直流電源に電気的に接続する活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層における電流狭窄部の抵抗が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、基本横モードの光出力を増加させることができる。   As described above, in the second embodiment, the light emitting device of the first embodiment is provided with means for constricting the current injected into each active layer, and is electrically connected to the modulation pulse power supply. The area electrically confined to the active layer is wider than the area confined to the active layer electrically connected to the excitation DC power supply, so that the activity electrically connected to the modulation pulse power supply is The resistance of the current confinement portion in the layer is reduced, and the electrical modulation band can be increased. In addition, the gain at the center corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased, and the light output of the fundamental transverse mode can be increased.

以下、共振器構造が2個の場合を例として説明する。すなわち、例として、第1の形態で説明したように第1の共振器構造には第1の活性層が設けられており、第2の共振器構造には第2の活性層が設けられているとし、第1の活性層及び第2の活性層に対して、それぞれ注入する電流を狭窄する構造が設けられ、第1の活性層に対して電流狭窄される面積は、第2の活性層に対して電流狭窄される面積よりも広くなっているとする。   Hereinafter, a case where there are two resonator structures will be described as an example. That is, as an example, as described in the first embodiment, the first resonator structure is provided with the first active layer, and the second resonator structure is provided with the second active layer. In the first active layer and the second active layer, a structure for confining the injected current is provided, and the area where the current is confined with respect to the first active layer is the second active layer. In contrast, it is assumed that the area is larger than the current confined area.

このように、変調信号が入力される第1の活性層に対して電流を狭窄する面積を大きくすることで、第1の活性層における電流狭窄部の抵抗が低減され、従って、第1の活性層に注入する電流を変調するときのCR時定数が低減されて、電気的な変調帯域を増加させることができる。   In this way, by increasing the area for confining the current with respect to the first active layer to which the modulation signal is input, the resistance of the current confinement portion in the first active layer is reduced, and thus the first active layer is reduced. The CR time constant when modulating the current injected into the layer can be reduced and the electrical modulation bandwidth can be increased.

また、励起用直流電源に電気的に接続された第2の活性層においては、第1の活性層の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、従って、基本横モードの光出力を増加させることができる。   In the second active layer electrically connected to the excitation DC power source, current is injected into a region narrower than the current injection region of the first active layer. As a result, the gain at the center corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased, and thus the optical output of the fundamental transverse mode can be increased.

(第3の形態)
本発明の第3の形態は、第2の形態の発光装置において、励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることを特徴としている。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the light emitting device of the second aspect, there is a difference in refractive index in the horizontal and lateral directions as means for confining current to the active layer electrically connected to the excitation DC power source. The structure is used.

このように、第3の形態では、第2の形態の発光装置において、励起用直流電源に電気的に接続される活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造を用いることにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。   Thus, in the third mode, in the light emitting device of the second mode, as a means for confining current to the active layer electrically connected to the excitation DC power source, a refractive index difference is set in the horizontal and lateral directions. By using the structure having, the light output can be increased while maintaining the fundamental transverse mode.

すなわち、第3の形態では、変調用パルス電源が接続された第1の活性層の電流注入領域よりも狭い面積で、第2の活性層に対する電流狭窄部では水平方向の屈折率差が形成され、光を中央部に閉じ込める構造となっている。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなるため発振が抑制される。これにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。   That is, in the third embodiment, a horizontal refractive index difference is formed in the current confinement portion with respect to the second active layer in an area narrower than the current injection region of the first active layer to which the modulation pulse power supply is connected. The light is confined in the center. Therefore, the fundamental transverse mode light is confined, and conversely, the higher order transverse mode has a large loss, and thus oscillation is suppressed. Thereby, it is possible to increase the light output while maintaining the basic transverse mode.

なお、水平方向に屈折率差が形成される電流狭窄手段としては、例えばAlを含む半導体層を側面から選択的に酸化するAl酸化狭窄構造や、エッチング層を側面から選択的にサイドエッチングするエアギャップ構造を用いることができる。   As the current confinement means in which the refractive index difference is formed in the horizontal direction, for example, an Al oxide confinement structure that selectively oxidizes a semiconductor layer containing Al from the side surface, or an air that selectively etches the etching layer from the side surface by side etching. A gap structure can be used.

Al酸化狭窄構造では、Alを含む半導体層を酸化することでAlOx絶縁層が形成され、酸化された領域は電流が流れなくなる。これにより、電流は、酸化されていない領域に狭窄される。また、酸化されていない領域は、酸化された領域よりも屈折率が高いため、横方向に屈折率差が生じて、光を水平横方向に閉じ込めることができる。   In the Al oxide confinement structure, an AlOx insulating layer is formed by oxidizing a semiconductor layer containing Al, and no current flows in the oxidized region. As a result, the current is confined to a region that is not oxidized. In addition, since the non-oxidized region has a higher refractive index than the oxidized region, a difference in refractive index occurs in the horizontal direction, and light can be confined in the horizontal and horizontal direction.

また、エアギャップ構造では、電流はサイドエッチングされていない半導体層にのみ流れることで狭窄される。そして、エッチングされていない半導体層がエッチングされた領域よりも屈折率が高くなるため、Al酸化狭窄構造と同様に、光を水平横方向に閉じ込めることができる。   In the air gap structure, the current is confined by flowing only in the semiconductor layer that is not side-etched. Since the refractive index is higher than that of the region where the unetched semiconductor layer is etched, light can be confined in the horizontal and lateral directions as in the Al oxide confinement structure.

(第4の形態)
本発明の第4の形態は、第2の形態の発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることを特徴としている。
(4th form)
According to the fourth aspect of the present invention, in the light emitting device of the second aspect, a high resistance region formed by ion implantation is used as means for confining current to the active layer electrically connected to the modulation pulse power supply. It is characterized by being able to.

第4の形態では、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対応する高抵抗領域の容量成分が低減され、電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。   In the fourth embodiment, a high resistance region formed by ion implantation is used as a means for current confinement with respect to the active layer electrically connected to the modulation pulse power supply, whereby the modulation pulse power supply is electrically connected. The capacitance component of the high resistance region corresponding to the connected active layer is reduced, and the electrical modulation band can be further increased.

すなわち、プロトンや酸素、Cr,Fe等の重金属を半導体層にイオン注入すると、注入された領域は高抵抗となり、電流をイオン注入されていない領域に狭窄することができる。イオン注入により形成した高抵抗領域は、Al酸化狭窄構造やエアギャップ構造に比べて、積層方向の厚さが厚くなる。従って、変調信号が入力される第1の活性層に対する高抵抗領域が形成する容量成分は、Al酸化狭窄構造やエアギャップ構造を用いる場合に比べて低減される。従って、第1の活性層に注入される電流を変調するときのCR時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。   That is, when heavy metal such as proton, oxygen, Cr, or Fe is ion-implanted into the semiconductor layer, the implanted region has high resistance, and current can be confined to the region where ion is not implanted. The high resistance region formed by ion implantation is thicker in the stacking direction than the Al oxide constriction structure or the air gap structure. Therefore, the capacitance component formed by the high resistance region for the first active layer to which the modulation signal is input is reduced as compared with the case where the Al oxide confinement structure or the air gap structure is used. Therefore, the CR time constant when modulating the current injected into the first active layer is reduced, and the electrical modulation band can be increased.

(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発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴としている。
(5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, in the light emitting device according to any one of the first to fourth aspects, the conductivity type of the multilayer reflector adjacent to the substrate and / or the multilayer reflector on the outermost surface side is: It is characterized by being n-type.

基板に隣接した多層膜反射鏡、及び、最表面側の多層膜反射鏡は、VCSELの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。一方、共振器の間に設けられた多層膜反射鏡は、共振器が光学的に結合する必要があるため、反射率を下げる必要がある。   The multilayer mirror adjacent to the substrate and the multilayer mirror on the outermost surface side need to have a high reflectance in order to reduce the threshold current of the VCSEL. On the other hand, in the multilayer mirror provided between the resonators, the resonators need to be optically coupled, so that the reflectance needs to be lowered.

多層膜反射鏡を半導体で形成する場合に、屈折率の異なる半導体層をブラッグ反射条件を満たすように交互に積層し、積層数を多くすることで、高反射率が得られる。通常、VCSELでは20周期以上の積層数が必要となる。   When the multilayer mirror is formed of a semiconductor, high reflectance can be obtained by alternately stacking semiconductor layers having different refractive indexes so as to satisfy the Bragg reflection condition and increasing the number of stacked layers. In general, a VCSEL requires a stacking number of 20 cycles or more.

屈折率の異なる半導体層を積層すると界面にヘテロ障壁が形成される。半導体層において、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも約1桁大きいため、正孔はヘテロ障壁をトンネルすることが困難である。そのため、p型半導体を積層した多層膜反射鏡の抵抗は、n型半導体層を積層した多層膜反射鏡よりも抵抗が高くなる。   When semiconductor layers having different refractive indexes are stacked, a hetero barrier is formed at the interface. In the semiconductor layer, the effective mass of holes is about an order of magnitude larger than the effective mass of electrons, so it is difficult for holes to tunnel through the heterobarrier. For this reason, the resistance of the multilayer reflector having the p-type semiconductor laminated is higher than that of the multilayer reflector having the n-type semiconductor layer laminated.

そこで、第5の形態では、高反射率が必要であるために積層数が多くなる、基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡を、n型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。これにより、発光装置の消費電力を低減することができる。   Therefore, in the fifth embodiment, a multilayer film reflector adjacent to the substrate and / or the multilayer film reflector on the outermost surface side is formed in an n-type, which requires a high reflectivity and increases the number of stacked layers. By doing so, the resistance of the element is reduced. Thereby, the power consumption of the light emitting device can be reduced.

(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第1乃至第4のいずれかの形態の発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡が、低キャリア濃度層であることを特徴としている。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the light-emitting device according to any one of the first to fourth aspects, the multilayer reflector adjacent to the substrate and / or the multilayer reflector on the outermost surface side has a low carrier concentration. It is characterized by being a layer.

多層膜反射鏡を構成する半導体層のキャリア濃度が増加すると、自由キャリアによる光吸収が増加する。さらにp型半導体層では、正孔濃度が増加すると価電子帯間吸収による光吸収が増加してしまう。   As the carrier concentration of the semiconductor layer constituting the multilayer mirror increases, light absorption by free carriers increases. Furthermore, in the p-type semiconductor layer, light absorption due to absorption between valence bands increases as the hole concentration increases.

基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡は、VCSELの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。そのため、多層膜反射鏡の積層数を数10層と多くしている。積層数が多い、基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡において、各半導体層のキャリア濃度を低減させることにより、VCSELの内部吸収損失を効果的に低減することができる。従って、VCSELの閾電流をさらに低減でき、また外部量子効率も増加させることができる。   The multilayer-film reflective mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer-film reflective mirror on the outermost surface side needs to have a high reflectance in order to reduce the threshold current of the VCSEL. For this reason, the number of laminated multilayer mirrors is increased to several tens of layers. By reducing the carrier concentration of each semiconductor layer in the multilayer reflector that is adjacent to the substrate and / or the multilayer reflector on the outermost surface, the internal absorption loss of the VCSEL is effectively reduced. can do. Therefore, the threshold current of the VCSEL can be further reduced, and the external quantum efficiency can be increased.

このように、第6の形態では、基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡が、低キャリア濃度層であることにより、光吸収を抑制して高反射率の反射鏡を形成することができて、VCSELの閾電流を低減し、また外部量子効率を増加させることができる。   As described above, in the sixth embodiment, the multilayer film reflecting mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer film reflecting mirror on the outermost surface side is a low carrier concentration layer, thereby suppressing light absorption and high reflection. Rate mirrors can be formed, reducing the VCSEL threshold current and increasing the external quantum efficiency.

なお、低キャリア濃度層のキャリア濃度としては、半導体層中の自由キャリア吸収を10cm−1未満に低減して、光吸収損失の影響を抑制できるようにするために、5×1017cm−3以下であることが望ましい。 The carrier concentration of the low carrier concentration layer is 5 × 10 17 cm −3 in order to reduce the free carrier absorption in the semiconductor layer to less than 10 cm −1 and suppress the influence of light absorption loss. The following is desirable.

(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発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造(MQW)から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴としている。
(7th form)
According to a seventh aspect of the present invention, in the light emitting device according to any one of the first to sixth aspects, the active layer electrically connected to the modulation pulse power source is a multiple layer in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked. It is composed of a quantum well structure (MQW) and is characterized in that the barrier layer is doped with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

MQW構造の障壁層に、p型不純物を1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングすることにより、レーザ発振に必要な注入電子密度が減少し、微分利得gを増加させることができる。数1より、微分利得gを増加させる効果は、VCSEL素子内の光子密度Sを増加させる効果と併用することにより、さらにVCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。 By doping the barrier layer of the MQW structure with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 , the injection electron density necessary for laser oscillation is reduced, and the differential gain g is increased. Can be increased. From Equation 1, the relaxation frequency of the VCSEL can be further increased by combining the effect of increasing the differential gain g with the effect of increasing the photon density S in the VCSEL element.

障壁層に対するp型不純物のドーピング濃度が1×1018cm−3よりも小さい場合には、微分利得を増加させる効果がほとんど見られない。また、障壁層に対するp型不純物のドーピング濃度が1×1019cm−3よりも大きくなると、障壁層の結晶品質が低下してしまう。従って、障壁層に対するp型不純物のドーピング濃度は、1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲で行うことが望ましい。 When the doping concentration of the p-type impurity with respect to the barrier layer is smaller than 1 × 10 18 cm −3 , the effect of increasing the differential gain is hardly seen. Further, when the doping concentration of the p-type impurity with respect to the barrier layer is higher than 1 × 10 19 cm −3 , the crystal quality of the barrier layer is deteriorated. Accordingly, it is desirable that the doping concentration of the p-type impurity with respect to the barrier layer is in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

このように、第7の形態では、変調用パルス電源と電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造(MQW)から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることにより、多重量子井戸構造活性層の微分利得を増加させることができ、さらにVCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。 As described above, in the seventh embodiment, the active layer electrically connected to the modulation pulse power source is composed of a multiple quantum well structure (MQW) in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked. Is doped with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 , the differential gain of the active layer of the multiple quantum well structure can be increased, and further the relaxation of VCSEL The vibration frequency can be increased.

なお、p型不純物としては、C,Zn,Be,Mg等を用いることが可能である。特に、Cは、高濃度にドーピングしても熱拡散しにくいため、急峻なドーピングプロファイルを形成することができ、適している。   Note that C, Zn, Be, Mg, or the like can be used as the p-type impurity. In particular, C is suitable because it is difficult to thermally diffuse even when doped at a high concentration, so that a steep doping profile can be formed.

(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発光装置において、活性層には、窒素と他のV族元素との混晶半導体が含まれていることを特徴としている。
(8th form)
According to an eighth aspect of the present invention, in the light emitting device according to any one of the first to seventh aspects, the active layer includes a mixed crystal semiconductor of nitrogen and another group V element. Yes.

窒素と他のV族元素との混晶半導体としては、例えばGaNAs、GaInNAs、GaNAsP、GaInNAsP、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaNAsPSb、GaInNAsPSb等がある。上記混晶半導体は、GaAs基板上に結晶成長可能な長波長帯材料系である。以下、GaInNAsを例にして説明する。   Examples of mixed crystal semiconductors of nitrogen and other Group V elements include GaNAs, GaInNAs, GaNAsP, GaInNAsP, GaNAsSb, GaInNAsSb, GaNAsPSb, and GaInNAsPSb. The mixed crystal semiconductor is a long wavelength band material system capable of crystal growth on a GaAs substrate. Hereinafter, GaInNAs will be described as an example.

GaInNAsは、GaAs等の障壁層との伝導帯電子の閉じ込め障壁高さを300meV以上と高くすることができるため、電子のオーバーフローが抑制され、良好な温度特性を有している。また、AlGaAs材料系を用いた、高反射率,高熱伝導性の分布ブラッグ反射鏡を用いることができ、長波長帯で良好な性能の垂直共振器型面発光半導体レーザを形成可能である。   GaInNAs can increase the confinement barrier height of conduction band electrons with a barrier layer such as GaAs as high as 300 meV or more, so that the overflow of electrons is suppressed and it has good temperature characteristics. In addition, a distributed Bragg reflector having high reflectivity and high thermal conductivity using an AlGaAs material system can be used, and a vertical cavity surface emitting semiconductor laser having good performance in a long wavelength band can be formed.

本発明は、変調周波数を向上させることで、10Gbpsを超える大容量伝送を可能とする直接変調光源を提供することを目的としている。10Gbps以上の高い伝送帯域では、石英光ファイバの分散によって伝送距離が制限される。GaInNAs等の窒素と他のV族元素との混晶半導体を活性領域に用いることで、石英光ファイバの分散がゼロである波長1.31μmのVCSELを形成できるため、本発明の高速変調特性を生かすことができる。   An object of the present invention is to provide a directly modulated light source that enables large-capacity transmission exceeding 10 Gbps by improving the modulation frequency. In a high transmission band of 10 Gbps or more, the transmission distance is limited by the dispersion of the quartz optical fiber. By using a mixed crystal semiconductor of nitrogen and other group V elements such as GaInNAs in the active region, a VCSEL having a wavelength of 1.31 μm in which the dispersion of the quartz optical fiber is zero can be formed. You can save it.

このように、第8の形態では、活性層には、窒素と他のV族元素との混晶半導体が含まれていることにより、石英光ファイバの分散がゼロである波長1.31μmのVCSELを形成することができ、これによって、10Gbps以上の大容量伝送に適した発光装置を形成できる。   Thus, in the eighth embodiment, the active layer contains a mixed crystal semiconductor of nitrogen and other group V elements, so that the VCSEL with a wavelength of 1.31 μm in which the dispersion of the quartz optical fiber is zero is obtained. Thus, a light-emitting device suitable for large-capacity transmission of 10 Gbps or more can be formed.

(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発光装置を備えていることを特徴とする光伝送システムである。
(9th form)
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an optical transmission system including the light emitting device according to any one of the first to eighth aspects.

上記発光装置は、10Gbpsを超える高速変調(例えば40Gbps)をVCSELの直接変調で可能にしている。そのため、外部変調器や電子冷却素子を用いない安価な構成となっている。従って、大容量の光伝送システムを低コストで構築することができる。   The light emitting device enables high-speed modulation (for example, 40 Gbps) exceeding 10 Gbps by direct modulation of VCSEL. Therefore, it is an inexpensive configuration that does not use an external modulator or an electronic cooling element. Therefore, a large-capacity optical transmission system can be constructed at a low cost.

(第10の形態)
本発明の第10の形態は、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)である。
(10th form)
According to a tenth aspect of the present invention, a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors are provided on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided in each resonator, the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting current into each active layer; A current confining means for constricting the current injected from the current injecting means, and the conductivity type of the multilayer reflector adjacent to the substrate and / or the multilayer reflector on the outermost surface side is n-type This is a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL).

すなわち、本発明の第10の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)は、複数の活性層がそれぞれ異なる共振器内に設けられている。そして、各共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成している。また、複数の活性層は、すべて同一の共振モード波長に対して利得を有している。従って、それぞれの活性層に電流注入しても同一波長で発振し、モード同期する。これにより、従来1つの活性層に電流注入して発生する光子密度に、他の活性層で発生させた光子密度が同一モードで加えられるため、素子内部の光子密度を従来よりも増加させることができる。従って、VCSELの緩和振動周波数が増加し、高速変調動作が可能となる。   That is, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) according to the tenth aspect of the present invention, a plurality of active layers are provided in different resonators. Each resonator is optically coupled to form one resonance mode. The plurality of active layers all have a gain with respect to the same resonance mode wavelength. Therefore, even if current is injected into each active layer, it oscillates at the same wavelength and is mode-locked. As a result, the photon density generated in the other active layer is added in the same mode to the photon density generated by current injection into one active layer, so that the photon density inside the device can be increased as compared with the conventional case. it can. Accordingly, the relaxation oscillation frequency of the VCSEL is increased, and a high-speed modulation operation is possible.

なお、活性層は、VCSEL内の光定在波分布において、腹の位置に設けることが望ましい。これにより、光定在波と活性層との結合効率が増加して、閾電流を低減することができる。   The active layer is preferably provided at the antinode position in the optical standing wave distribution in the VCSEL. Thereby, the coupling efficiency between the optical standing wave and the active layer increases, and the threshold current can be reduced.

また、本発明の第10の形態では、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴としている。基板に隣接した多層膜反射鏡及び最表面側の多層膜反射鏡は、VCSELの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。一方、共振器の間に設けられた多層膜反射鏡は、共振器が光学的に結合する必要があるため、反射率を下げる必要がある。   The tenth aspect of the present invention is characterized in that the conductivity type of the multilayer-film reflective mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer-film reflective mirror on the outermost surface side is n-type. The multilayer mirror adjacent to the substrate and the multilayer mirror on the outermost surface side need to have a high reflectance in order to reduce the threshold current of the VCSEL. On the other hand, in the multilayer mirror provided between the resonators, the resonators need to be optically coupled, so that the reflectance needs to be lowered.

すなわち、多層膜反射鏡を半導体で形成する場合に、屈折率の異なる半導体層をブラッグ反射条件を満たすように交互に積層し、積層数を多くすることで高反射率が得られる。通常、VCSELでは20周期以上の積層数が必要となる。屈折率の異なる半導体層を積層すると、界面にヘテロ障壁が形成される。半導体層において、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも約1桁大きいため、正孔はヘテロ障壁をトンネルすることが困難である。そのため、p型半導体を積層した多層膜反射鏡の抵抗は、n型半導体層を積層した多層膜反射鏡よりも抵抗が高くなる。   That is, when the multilayer-film reflective mirror is formed of a semiconductor, high reflectance can be obtained by alternately stacking semiconductor layers having different refractive indexes so as to satisfy the Bragg reflection condition and increasing the number of stacked layers. In general, a VCSEL requires a stacking number of 20 cycles or more. When semiconductor layers having different refractive indexes are stacked, a hetero barrier is formed at the interface. In the semiconductor layer, the effective mass of holes is about an order of magnitude larger than the effective mass of electrons, so it is difficult for holes to tunnel through the heterobarrier. For this reason, the resistance of the multilayer reflector having the p-type semiconductor laminated is higher than that of the multilayer reflector having the n-type semiconductor layer laminated.

そこで、本発明の第10の形態では、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡をn型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。これにより、CR時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、VCSELの消費電力を低減することができる。   Therefore, in the tenth embodiment of the present invention, since a high reflectivity is required, the multilayer film reflecting mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer film reflecting mirror on the outermost surface side is formed in an n-type. This reduces the resistance of the element. As a result, the CR time constant is reduced, and the electrical modulation band can be increased. In addition, power consumption of the VCSEL can be reduced.

このように、第10の形態のVCSELでは、複数の活性層がそれぞれ異なる共振器内に設けられ、各共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成し、複数の活性層はすべて同一の共振モード波長に対して利得を有しているので、それぞれの活性層に電流注入するとモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができ、VCSELの緩和振動周波数が増加する。また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡をn型で形成することにより、素子抵抗を低減することができ、VCSELの電気的変調帯域が増加する。従って、VCSELを高速変調することができる。   Thus, in the VCSEL of the tenth embodiment, a plurality of active layers are provided in different resonators, and each resonator is optically coupled to form one resonance mode, and the plurality of active layers are all Since it has gain with respect to the same resonance mode wavelength, it oscillates in mode synchronization when current is injected into each active layer, so that the photon density inside the device can be increased, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL To increase. Further, since the high reflectivity is required, the multilayer film reflecting mirror adjacent to the substrate and / or the multilayered film reflecting mirror on the outermost surface side is formed in an n-type to reduce the element resistance. This increases the electrical modulation band of the VCSEL. Therefore, the VCSEL can be modulated at high speed.

(第11の形態)
本発明の第11の形態は、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)である。
(Eleventh form)
An eleventh aspect of the present invention includes a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided in each resonator, the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting current into each active layer; Current confining means for confining the current injected from the current injecting means, and the multilayer film reflecting mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer film reflecting mirror on the outermost surface side is a low carrier concentration layer. This is a feature of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL).

本発明の第11の形態のVCSELは、第10の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、高速変調動作が可能となる。   In the VCSEL of the eleventh aspect of the present invention, similarly to the tenth aspect, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer is a mode. Since it oscillates synchronously, the photon density inside the device is increased and high-speed modulation operation becomes possible.

さらに、第11の形態のVCSELは、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であることを特徴としている。多層膜反射鏡を構成する半導体層のキャリア濃度が増加すると、自由キャリアによる光吸収が増加する。さらにp型半導体層では、正孔濃度が増加すると価電子帯間吸収による光吸収が増加してしまう。一方、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡は、VCSELの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。そのため、多層膜反射鏡の積層数を数10層と多くしている。第11の形態では、積層数が多い基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡において各半導体層のキャリア濃度を低減させることにより、VCSELの内部吸収損失を効果的に低減することができ、VCSELの閾電流を一層低減することができる。また、外部量子効率も増加させることができる。   Furthermore, the VCSEL of the eleventh aspect is characterized in that the multilayer mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer mirror on the outermost surface side is a low carrier concentration layer. As the carrier concentration of the semiconductor layer constituting the multilayer mirror increases, light absorption by free carriers increases. Furthermore, in the p-type semiconductor layer, light absorption due to absorption between valence bands increases as the hole concentration increases. On the other hand, the multilayer reflector adjacent to the substrate and / or the multilayer reflector on the outermost surface side needs to have a high reflectance in order to reduce the threshold current of the VCSEL. For this reason, the number of laminated multilayer mirrors is increased to several tens of layers. In the eleventh embodiment, the internal absorption loss of the VCSEL is effectively reduced by reducing the carrier concentration of each semiconductor layer in the multilayer mirror and / or the multilayer mirror on the outermost surface adjacent to the substrate having a large number of layers. The threshold current of the VCSEL can be further reduced. Also, the external quantum efficiency can be increased.

低キャリア濃度層のキャリア濃度としては、半導体層中の自由キャリア吸収を10cm−1未満に低減して、光吸収損失の影響を抑制できるようにするために、5×1017cm−3以下であることが望ましい。 The carrier concentration of the low carrier concentration layer is 5 × 10 17 cm −3 or less in order to reduce the free carrier absorption in the semiconductor layer to less than 10 cm −1 and suppress the influence of light absorption loss. It is desirable to be.

このように、第11の形態のVCSELでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、高速変調動作が可能となる。さらに、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であるため、VCSELの内部吸収損失を低減することができ、VCSELの閾電流の低減、外部量子効率の向上が可能となる。   Thus, in the VCSEL of the eleventh embodiment, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer oscillates in mode synchronization. High-speed modulation operation is possible by increasing the photon density inside the device. Furthermore, since the multilayer reflector adjacent to the substrate and / or the multilayer reflector on the outermost surface is a low carrier concentration layer, the internal absorption loss of the VCSEL can be reduced, the threshold current of the VCSEL is reduced, the external The quantum efficiency can be improved.

(第12の形態)
本発明の第12の形態は、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)である。
(Twelfth embodiment)
In a twelfth aspect of the present invention, a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors are provided on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided in each resonator, the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting current into each active layer; Current confining means for confining the current injected from the current injecting means, and at least one of the active layers has a multiple quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked. The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) is characterized in that the barrier layer is doped with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3. ).

本発明の第12の形態のVCSELは、第10の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。   In the VCSEL of the twelfth aspect of the present invention, similarly to the tenth aspect, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer is a mode. In order to oscillate synchronously, the photon density inside the element is increased to improve the relaxation oscillation frequency.

さらに、第12の形態のVCSELは、少なくとも1つの活性層が、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造(MQW)から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴としている。 Furthermore, in the VCSEL of the twelfth embodiment, at least one active layer is configured by a multiple quantum well structure (MQW) in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked, and a p-type impurity is 1 × 10 in the barrier layer. It is characterized by being doped in the range of 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

MQW構造の障壁層に、p型不純物を1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングすることにより、レーザ発振に必要な注入電子密度が減少し、微分利得gを増加させることができる。微分利得gを増加させる効果は、VCSEL素子内の光子密度Sを増加させる効果と併用することにより、さらにVCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。従って、VCSELの変調速度をより一層向上させることができる。 By doping the barrier layer of the MQW structure with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 , the injection electron density necessary for laser oscillation is reduced, and the differential gain g is increased. Can be increased. The effect of increasing the differential gain g can be used in combination with the effect of increasing the photon density S in the VCSEL element to further increase the relaxation oscillation frequency of the VCSEL. Therefore, the modulation speed of the VCSEL can be further improved.

障壁層に対するp型不純物のドーピング濃度が1×1018cm−3より小さい場合には、微分利得を増加させる効果がほとんど見られない。また、障壁層に対するp型不純物のドーピング濃度が1×1019cm−3より大きくしてしまうと、障壁層の結晶品質が低下してしまう。従って、障壁層に対するp型不純物のドーピング濃度は、1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲で行うことが望ましい。 When the doping concentration of the p-type impurity with respect to the barrier layer is smaller than 1 × 10 18 cm −3 , the effect of increasing the differential gain is hardly seen. Further, if the doping concentration of the p-type impurity with respect to the barrier layer is higher than 1 × 10 19 cm −3 , the crystal quality of the barrier layer is deteriorated. Accordingly, it is desirable that the doping concentration of the p-type impurity with respect to the barrier layer is in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

p型不純物としては、C,Zn,Be,Mg等を用いることが可能である。特にCは高濃度にドーピングしても熱拡散しにくいため、急峻なドーピングプロファイルを形成することができるため、適している。   As the p-type impurity, C, Zn, Be, Mg, or the like can be used. In particular, C is suitable because it is difficult to thermally diffuse even when doped at a high concentration, so that a steep doping profile can be formed.

このように、第12の形態のVCSELでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも1つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造(MQW)から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされているため、多重量子井戸活性層の微分利得が増加し、VCSELの緩和振動周波数をさらに増加させることができる。従って、VCSELの変調速度をさらに向上することができる。 Thus, in the VCSEL of the twelfth embodiment, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer oscillates in mode synchronization. The relaxation oscillation frequency is improved by increasing the photon density inside the device. Furthermore, at least one active layer is composed of a multiple quantum well structure (MQW) in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked, and p-type impurities are 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 10 in the barrier layers. Since doping is performed in the range of 19 cm −3 , the differential gain of the multiple quantum well active layer is increased, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be further increased. Therefore, the modulation speed of the VCSEL can be further improved.

(第13の形態)
本発明の第13の形態は、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)である。
(13th form)
A thirteenth aspect of the present invention includes a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided in each resonator, the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting current into each active layer; Current confinement means for confining the current injected from the current injection means, and at least one of the active layers is a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element This is a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL).

本発明の第13の形態のVCSELは、第10の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、高速変調動作が可能となる。   In the VCSEL of the thirteenth aspect of the present invention, similarly to the tenth aspect, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer is a mode. Since it oscillates synchronously, the photon density inside the device is increased and high-speed modulation operation becomes possible.

さらに、第13の形態のVCSELは、少なくとも1つの活性層が、窒素と他のV族元素との混晶半導体であることを特徴としている。   Furthermore, the VCSEL of the thirteenth aspect is characterized in that at least one active layer is a mixed crystal semiconductor of nitrogen and another group V element.

窒素と他のV族元素との混晶半導体としては、例えばGaNAs、GaInNAs、GaNAsP、GaInNAsP、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaNAsPSb、GaInNAsPSb等がある。上記混晶半導体は、GaAs基板上に結晶成長可能な長波長帯材料系である。以下、GaInNAsを例にして説明する。   Examples of mixed crystal semiconductors of nitrogen and other Group V elements include GaNAs, GaInNAs, GaNAsP, GaInNAsP, GaNAsSb, GaInNAsSb, GaNAsPSb, and GaInNAsPSb. The mixed crystal semiconductor is a long wavelength band material system capable of crystal growth on a GaAs substrate. Hereinafter, GaInNAs will be described as an example.

GaInAsに対してNを添加すると、伝導帯バンド端位置が大きく低下する。そのため、GaInNAsはGaAs等の障壁層との伝導帯電子の閉じ込め障壁高さを300meV以上と高くすることができる。従って、活性層中に形成された基底準位と励起準位のエネルギー差が大きくなり、活性層の微分利得を高くすることができる。従って、緩和振動周波数が向上する。   When N is added to GaInAs, the position of the conduction band edge is greatly lowered. Therefore, GaInNAs can increase the height of the conduction band electron confinement barrier with the barrier layer such as GaAs to 300 meV or more. Therefore, the energy difference between the ground level and the excited level formed in the active layer is increased, and the differential gain of the active layer can be increased. Therefore, the relaxation vibration frequency is improved.

また、本発明は、変調周波数を向上させることで、10Gbpsを超える大容量伝送を可能とする直接変調光源を提供することを目的としている。10Gbps以上の高い伝送帯域では、石英光ファイバの分散によって伝送距離が制限される。GaInNAs等の窒素と他のV族元素との混晶半導体を活性領域に用いることで、石英光ファイバの分散がゼロである波長1.31μm帯のVCSELを形成できるため、本発明の高速変調特性を生かすことができる。   It is another object of the present invention to provide a direct modulation light source that enables high-capacity transmission exceeding 10 Gbps by improving the modulation frequency. In a high transmission band of 10 Gbps or more, the transmission distance is limited by the dispersion of the quartz optical fiber. By using a mixed crystal semiconductor of nitrogen and other group V elements such as GaInNAs in the active region, a VCSEL having a wavelength of 1.31 μm band in which the dispersion of the quartz optical fiber is zero can be formed. Can be used.

このように、第13の形態のVCSELでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも1つの活性層は窒素と他のV族元素との混晶半導体であることにより、活性層の微分利得を高くでき、緩和振動周波数を向上させることができる。従って、VCSELの変調速度をさらに向上させることができる。また、石英光ファイバの分散がゼロである波長1.31μm帯のVCSELを形成できるため、本発明の高速変調特性を生かすことができる。   Thus, in the VCSEL of the thirteenth embodiment, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer oscillates in mode synchronization. The relaxation oscillation frequency is improved by increasing the photon density inside the device. Furthermore, since at least one active layer is a mixed crystal semiconductor of nitrogen and another group V element, the differential gain of the active layer can be increased and the relaxation oscillation frequency can be improved. Therefore, the modulation speed of the VCSEL can be further improved. In addition, since a VCSEL having a wavelength of 1.31 μm band in which the dispersion of the quartz optical fiber is zero can be formed, the high speed modulation characteristics of the present invention can be utilized.

(第14の形態)
本発明の第14の形態は、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)である。
(14th form)
In a fourteenth aspect of the present invention, a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors are provided on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided in each resonator, the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting current into each active layer; A current constricting means for constricting the current injected from the current injecting means, and the current constricting means has a structure having a refractive index difference in the horizontal and lateral directions. A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) characterized in that the constriction area differs for each active layer.

本発明の第14の形態のVCSELは、第10の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。   In the VCSEL according to the fourteenth aspect of the present invention, as in the tenth aspect, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer is a mode. Since it oscillates synchronously, the photon density inside the device can be increased.

さらに、第14の形態では、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴としている。   Further, the fourteenth embodiment is characterized in that a structure having a refractive index difference in the horizontal transverse direction is used as the current confinement means, and the current confinement area by the current confinement means is different for each active layer.

水平方向に屈折率差が形成される電流狭窄手段としては、例えばAlを含む半導体層を側面から選択的に酸化するAl酸化狭窄構造や、エッチング層を側面から選択的にサイドエッチングするエアギャップ構造がある。   Current confinement means for forming a refractive index difference in the horizontal direction includes, for example, an Al oxide confinement structure that selectively oxidizes a semiconductor layer containing Al from the side surface, and an air gap structure that selectively side-etches the etching layer from the side surface. There is.

ここで、Al酸化狭窄構造では、Alを含む半導体層を酸化することでAlO絶縁層が形成されるため、酸化された領域は電流が流れなくなる。これにより、電流は酸化されていない領域に狭窄される。また、酸化されていない領域は、酸化された領域よりも屈折率が高いため、横方向に屈折率差が生じて光を水平横方向に閉じ込める作用を有する。 Here, in the Al oxide confinement structure, since an AlO x insulating layer is formed by oxidizing a semiconductor layer containing Al, no current flows in the oxidized region. As a result, the current is confined to a region that is not oxidized. In addition, since the non-oxidized region has a higher refractive index than the oxidized region, it has a function of confining light in the horizontal and horizontal directions due to a difference in refractive index in the horizontal direction.

また、エアギャップ構造では、電流はサイドエッチングされていない半導体層にのみ流れることで狭窄される。そして、エッチングされていない半導体層がエッチングされた領域よりも屈折率が高くなるため、同様に光を水平横方向に閉じ込める作用を有する。   In the air gap structure, the current is confined by flowing only in the semiconductor layer that is not side-etched. Since the refractive index is higher than that of the region where the unetched semiconductor layer is etched, the light is similarly confined in the horizontal and horizontal directions.

複数の活性層のそれぞれ設けられた電流狭窄構造の中で、電流狭窄面積が狭い電流狭窄構造は、光を中央部に閉じ込める働きをする。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなる。そのため、高次横モードの発振が抑制される。また、最も電流狭窄面積が狭い電流狭窄構造では、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができる。従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。   Among the current confinement structures provided with the plurality of active layers, the current confinement structure having a small current confinement area functions to confine light in the central portion. Therefore, the light in the fundamental transverse mode is confined, and conversely, the loss in the higher order transverse mode becomes large. As a result, the oscillation in the high-order transverse mode is suppressed. In the current confinement structure having the narrowest current confinement area, the gain at the center corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased. Therefore, it is possible to increase the light output while maintaining the basic transverse mode.

一方、狭窄面積が広い電流狭窄構造では、電流狭窄部の抵抗が低減される。従って、動作電圧を低減することができ、消費電力増加を抑制することができる。   On the other hand, in the current confinement structure having a wide constriction area, the resistance of the current confinement portion is reduced. Therefore, the operating voltage can be reduced and an increase in power consumption can be suppressed.

狭窄面積が広い電流狭窄構造に対応した活性層に注入する電流を変調信号に応じて変調させる場合、電流狭窄部の抵抗が低いためCR時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。一方、狭窄面積が狭く抵抗の高い電流狭窄構造に対応した活性層に対しては、励起用直流電流を流すことで電気的な変調速度の低下を生じさせることなく、素子内部の光子密度を増加させることができる。従って、直接変調により、VCSELの高速変調動作を実現することができる。   When the current injected into the active layer corresponding to the current confinement structure with a wide constriction area is modulated according to the modulation signal, the CR time constant is reduced because the resistance of the current confinement portion is low, and the electrical modulation band is increased. Can do. On the other hand, for the active layer corresponding to the current confinement structure with a narrow constriction area and high resistance, the photon density inside the device is increased without causing a decrease in the electrical modulation speed by flowing a direct current for excitation. Can be made. Therefore, high-speed modulation operation of the VCSEL can be realized by direct modulation.

このように、第14の形態のVCSELでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられ、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なっており、狭窄面積が狭い電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなり、また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。一方、狭窄面積が広い電流狭窄構造では、電流狭窄部の抵抗が低減されるため、CR時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができ、従って、VCSELの変調速度をさらに向上させることができる。   Thus, in the VCSEL of the fourteenth form, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer oscillates in mode synchronization. The photon density inside the device can be increased. Further, as the current confinement means, a structure having a refractive index difference in the horizontal transverse direction is used, and the current confinement area by the current confinement means is different for each active layer. Conversely, the higher-order transverse mode is more lossy, and the central gain corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased, so that the fundamental transverse mode is maintained. The light output can be increased. On the other hand, in a current confinement structure with a wide constriction area, the resistance of the current confinement portion is reduced, so that the CR time constant can be reduced and the electrical modulation band can be increased, thus further improving the modulation speed of the VCSEL. Can be made.

(第15の形態)
本発明の第15の形態は、基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)である。
(15th form)
In a fifteenth aspect of the present invention, a plurality of resonators sandwiched between multilayer reflectors are provided on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided in each resonator, the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting current into each active layer; A current confining means for confining the current injected from the current injecting means, and as the current constricting means, a structure having a refractive index difference in the horizontal and lateral directions, and a high resistance region formed by ion implantation, Vertical resonance characterized in that the constriction area by the current confinement means having a refractive index difference in the horizontal transverse direction is smaller than the confinement area by the high resistance region formed by ion implantation, provided for different active layers. Type surface emitting half A body laser element (VCSEL).

本発明の第15の形態のVCSELは、第10の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。   In the VCSEL of the fifteenth aspect of the present invention, as in the tenth aspect, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer is a mode. Since it oscillates synchronously, the photon density inside the device can be increased.

さらに、第15の形態では、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴としている。   Further, in the fifteenth embodiment, as the current confinement means, a structure having a difference in refractive index in the horizontal direction and a high resistance region formed by ion implantation are provided for different active layers, respectively. It is characterized in that the constriction area by the current constriction means having the refractive index difference in the direction is smaller than the constriction area by the high resistance region formed by ion implantation.

プロトンや酸素,Cr,Fe等の重金属を半導体層にイオン注入することにより、注入された領域は高抵抗となるため、電流をイオン注入していない領域に狭窄することができる。イオン注入により形成した高抵抗領域は、Al酸化狭窄構造やエアギャップ構造に比べて、積層方向の厚さが厚くなる。従って、高抵抗領域が形成する容量成分は、Al酸化狭窄構造やエアギャップ構造を用いた場合に比べて低減される。また、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積は、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積よりも広いため、電流狭窄部の抵抗が低減される。従って、容量と抵抗を共に小さくすることができ、活性層に注入する電流を変調するときのCR時定数が一層低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。   By ion-implanting heavy metals such as proton, oxygen, Cr, and Fe into the semiconductor layer, the implanted region has a high resistance, so that current can be confined to the region where no ion is implanted. The high resistance region formed by ion implantation is thicker in the stacking direction than the Al oxide constriction structure or the air gap structure. Therefore, the capacitance component formed by the high resistance region is reduced as compared with the case where the Al oxide constriction structure or the air gap structure is used. In addition, since the constriction area by the high resistance region formed by ion implantation is wider than the constriction area by the current constriction means having a refractive index difference in the horizontal and lateral directions, the resistance of the current confinement portion is reduced. Accordingly, both the capacitance and the resistance can be reduced, the CR time constant when modulating the current injected into the active layer is further reduced, and the electrical modulation band can be increased.

また、狭窄面積が狭い水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄構造では、光を中央部に閉じ込める働きをする。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制される。従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。これにより、素子内部の光子密度を高めて、VCSELを高速変調動作させることができる。   In addition, the current confinement structure having a refractive index difference in the horizontal horizontal direction with a narrow constriction area functions to confine light in the center. Accordingly, the light in the fundamental transverse mode is confined, and conversely, oscillation in the higher order transverse mode is suppressed. Therefore, it is possible to increase the light output while maintaining the basic transverse mode. As a result, the photon density inside the device can be increased, and the VCSEL can be operated at high speed.

上述したように、本発明の第10〜第15の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)は、異なる共振器にそれぞれ活性層が設けられていることを特徴としている。   As described above, the vertical cavity surface emitting semiconductor laser elements (VCSEL) according to the tenth to fifteenth aspects of the present invention are characterized in that active layers are provided in different resonators.

活性層を含むpn接合に電流を流すためには、活性層のバンドギャップエネルギーにほぼ対応したジャンクション電圧を印加する必要がある。そのため、活性層を含むpn接合では電圧降下に対応してジュール熱が発生する。それぞれ独立に電流注入できる複数の活性層を有する場合は、それぞれの活性層で発熱が生じる。そのため、活性層同士が近接していると、一方の活性層の発熱が他方の活性層の発光効率を低下させる熱的クロストークが発生してしまう。本発明のVCSELでは、異なる共振器にそれぞれ活性層が設けられており、活性層間の距離を離すことができるため、活性層間での熱的クロストークを低減することができる。   In order to pass a current through the pn junction including the active layer, it is necessary to apply a junction voltage substantially corresponding to the band gap energy of the active layer. Therefore, Joule heat is generated in response to the voltage drop in the pn junction including the active layer. In the case of having a plurality of active layers capable of independently injecting current, heat is generated in each active layer. For this reason, if the active layers are close to each other, the heat generated by one active layer causes thermal crosstalk that lowers the light emission efficiency of the other active layer. In the VCSEL of the present invention, the active layers are provided in different resonators, and the distance between the active layers can be increased, so that the thermal crosstalk between the active layers can be reduced.

また、活性層と活性層の間に設けられた半導体多層膜は、低屈折率層と高屈折率層を含んでいる。低屈折率層は屈折率をできるだけ低下させるため、バンドギャップエネルギーが高く設定される。従って、活性層と活性層の間にはヘテロ障壁高さの高い低屈折率層が設けられることとなり、キャリアが一方の活性層から他方の活性層にオーバーフローしにくい構造となっている。従って、活性層間での電気的クロストークについても低減することができる。   Further, the semiconductor multilayer film provided between the active layer and the active layer includes a low refractive index layer and a high refractive index layer. Since the low refractive index layer lowers the refractive index as much as possible, the band gap energy is set high. Therefore, a low-refractive index layer having a high hetero barrier height is provided between the active layer and the active layer, so that carriers do not easily overflow from one active layer to the other active layer. Therefore, electrical crosstalk between active layers can also be reduced.

このように、第15の形態のVCSELでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことから、イオン注入により形成した高抵抗領域による電流狭窄構造においては、容量と抵抗を共に小さくすることができ、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、狭窄面積が狭い水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制されるため、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。以上の効果により、VCSELを高速変調動作させることができる。   Thus, in the VCSEL of the fifteenth embodiment, a plurality of resonators each including an active layer are optically coupled to form one resonance mode, and each active layer oscillates in mode synchronization. The photon density inside the device can be increased. Furthermore, as a current confinement means, a structure having a refractive index difference in the horizontal horizontal direction and a high resistance region formed by ion implantation are provided for different active layers, respectively. Since the confinement area by the current confinement means has a smaller confinement area by the high resistance region formed by ion implantation, in the current confinement structure by the high resistance region formed by ion implantation, both capacitance and resistance can be reduced. The electrical modulation band can be increased. In the current confinement structure where the constriction area is narrow and the refractive index difference is in the horizontal direction, the light of the fundamental transverse mode is confined, and conversely the oscillation of the higher order transverse mode is suppressed, so the fundamental transverse mode is maintained. Can increase the light output. Due to the above effects, the VCSEL can be operated at high speed.

実施例1は本発明の第1の形態に対応した実施例である。図1は、本発明の実施例1の発光装置を示す図である。図1の発光装置は、光源として垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)を備えている。   Example 1 is an example corresponding to the first aspect of the present invention. FIG. 1 is a diagram showing a light emitting device of Example 1 of the present invention. The light emitting device of FIG. 1 includes a vertical cavity surface emitting semiconductor laser element (VCSEL) as a light source.

このVCSELは、p型GaAs基板101上に、p型下部分布ブラッグ反射鏡(DBR)102、p型AlAs層103、Al0.3Ga0.7As第1スペーサ層104、GaAs/Al0.3Ga0.7As多重量子井戸第1活性層105、n型Al0.3Ga0.7As第2スペーサ層106、n型DBR107、Al0.3Ga0.7As第3スペーサ層108、GaAs/Al0.3Ga0.7As多重量子井戸第2活性層109、Al0.3Ga0.7As第4スペーサ層110、p型Al0.99Ga0.01As層111、p型上部DBR112が順次積層されている(積層構造が構成されている)。 This VCSEL has a p-type lower distributed Bragg reflector (DBR) 102, a p-type AlAs layer 103, an Al 0.3 Ga 0.7 As first spacer layer 104, a GaAs / Al 0. 3 Ga 0.7 As multiple quantum well first active layer 105, n-type Al 0.3 Ga 0.7 As second spacer layer 106, n-type DBR 107, Al 0.3 Ga 0.7 As third spacer layer 108 GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As multiple quantum well second active layer 109, Al 0.3 Ga 0.7 As fourth spacer layer 110, p-type Al 0.99 Ga 0.01 As layer 111, The p-type upper DBR 112 is sequentially stacked (a stacked structure is configured).

ここで、p型下部DBR102は、p型Al0.2Ga0.8As層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 Here, the p-type lower DBR 102 is formed by alternately stacking p-type Al 0.2 Ga 0.8 As layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers with a quarter wavelength thickness. .

また、n型DBR107は、n型Al0.2Ga0.8As層とn型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 The n-type DBR 107 is formed by alternately stacking n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layers and n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers with a quarter wavelength thickness.

また、p型上部DBR112は、p型Al0.2Ga0.8As層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 The p-type upper DBR 112 is formed by alternately stacking p-type Al 0.2 Ga 0.8 As layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers with a quarter wavelength thickness.

そして、上記積層構造の表面から、n型DBR107の途中まで円筒状にエッチングされて、第1のメサ構造が形成されている。さらに、第1のメサ構造よりも大きいサイズで、p型下部DBR102に達するまで円筒状にエッチングされて第2のメサ構造が形成されている。   Then, the first mesa structure is formed by etching in a cylindrical shape from the surface of the laminated structure to the middle of the n-type DBR 107. Further, the second mesa structure is formed by etching in a cylindrical shape with a size larger than that of the first mesa structure until the p-type lower DBR 102 is reached.

そして、第1のメサ構造及び第2のメサ構造の側面から、p型AlAs層103とp型Al0.99Ga0.01As層111が選択的に酸化されて、AlO絶縁領域116が形成されている。このとき、p型AlAs層103の酸化狭窄開口面積とp型Al0.99Ga0.01As層111の酸化狭窄開口面積とがほぼ等しくなるように作製した。 Then, from the side surfaces of the first mesa structure and the second mesa structure, the p-type AlAs layer 103 and the p-type Al 0.99 Ga 0.01 As layer 111 are selectively oxidized, and the AlO x insulating region 116 is formed. Is formed. At this time, the oxide constriction opening area of the p-type AlAs layer 103 and the oxidation confinement opening area of the p-type Al 0.99 Ga 0.01 As layer 111 were made substantially equal.

そして、p型上部DBR112の表面には、光出射部を除いて、リング状のp側上部電極113が形成されている。そして、第1のメサ構造底面(第2のメサ構造頂上部)には、n側電極114が形成されている。また、p型GaAs基板101の裏面には、p側下部電極115が形成されている。   A ring-shaped p-side upper electrode 113 is formed on the surface of the p-type upper DBR 112 except for the light emitting portion. An n-side electrode 114 is formed on the bottom surface of the first mesa structure (the top of the second mesa structure). A p-side lower electrode 115 is formed on the back surface of the p-type GaAs substrate 101.

p側上部電極113とn側電極114は、変調用パルス電源117に電気的に接続されている。変調用パルス電源117は、外部からの電気的変調信号に応じてp側上部電極113とn側電極114との間に加える電流を変調する機能を有している。また、n側電極114とp側下部電極115は、励起用直流電源118に電気的に接続されている。   The p-side upper electrode 113 and the n-side electrode 114 are electrically connected to the modulation pulse power source 117. The modulation pulse power source 117 has a function of modulating a current applied between the p-side upper electrode 113 and the n-side electrode 114 in accordance with an externally modulated signal. The n-side electrode 114 and the p-side lower electrode 115 are electrically connected to the excitation DC power source 118.

図1のVCSELにおいては、p型下部DBR102とn型DBR107に挟まれた第1の共振器と、n型DBR107とp型上部DBR112に挟まれた第2の共振器とを有している。p型下部DBR102、n型DBR107、p型上部DBR112のブラッグ反射波長は、全て0.85μmとなっている。また、2つの共振器の共振器長は、共に0.85μmの光学的距離となるように設計されている。n型DBR107の積層周期数を3周期と少なくすることで、2つの共振器は光学的に結合し、1つの共振モードが形成される。また、第1活性層105と第2活性層109は、共振器内の光定在波分布の腹に位置している。   The VCSEL in FIG. 1 includes a first resonator sandwiched between the p-type lower DBR 102 and the n-type DBR 107, and a second resonator sandwiched between the n-type DBR 107 and the p-type upper DBR 112. The Bragg reflection wavelengths of the p-type lower DBR 102, the n-type DBR 107, and the p-type upper DBR 112 are all 0.85 μm. The resonator lengths of the two resonators are both designed to have an optical distance of 0.85 μm. By reducing the number of lamination periods of the n-type DBR 107 to three, the two resonators are optically coupled to form one resonance mode. Further, the first active layer 105 and the second active layer 109 are located on the antinode of the optical standing wave distribution in the resonator.

このような構成の発光装置では、励起用直流電源118より、n側電極114とp側下部電極115との間に順方向に電流を通電すると、GaAs/ Al0.3Ga0.7As多重量子井戸第1活性層105にキャリアが注入されて発光再結合し、0.85μm帯の光を放出する。このとき、電流は、p型AlAs層103を選択的に酸化したAlO絶縁領域116により狭窄される。第1活性層105で発光した光は、p型下部DBR102とn型DBR107とp型上部DBR112が光学的に結合した複合共振器内で共振し、閾電流を超えると、基板と垂直上方にレーザ光が連続的に出射される。 In the light emitting device having such a configuration, when a forward current is passed between the n-side electrode 114 and the p-side lower electrode 115 from the excitation DC power source 118, GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As multiplexing is performed. Carriers are injected into the quantum well first active layer 105 to recombine light emission and emit light in the 0.85 μm band. At this time, the current is confined by the AlO x insulating region 116 in which the p-type AlAs layer 103 is selectively oxidized. The light emitted from the first active layer 105 resonates in a composite resonator in which the p-type lower DBR 102, the n-type DBR 107, and the p-type upper DBR 112 are optically coupled. Light is emitted continuously.

図5(a),(b)は実施例1の発光装置の動作を説明するための図である。図5(a)は、励起用直流電源118の電流(1)とVCSELの光出力との関係を示す図である。このとき、変調用パルス電源の電流は0である。実施例1の発光装置では、図5(a)に示したIbの位置に励起用直流電源118の電流(1)を設定することにより、光出力P0が出力される。   5A and 5B are diagrams for explaining the operation of the light-emitting device of Example 1. FIG. FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the current (1) of the excitation DC power supply 118 and the optical output of the VCSEL. At this time, the current of the modulation pulse power supply is zero. In the light emitting device of Example 1, the light output P0 is output by setting the current (1) of the excitation DC power supply 118 at the position Ib shown in FIG.

また、変調用パルス電源117より、p側上部電極113とn側電極114との間にパルス電流を加えると、GaAs/Al0.3Ga0.7As多重量子井戸第2活性層109にキャリアが注入されて発光再結合し、0.85μm帯の光を放出する。このとき、電流はp型Al0.99Ga0.01As層111を選択的に酸化したAlO絶縁領域116により電流が狭窄される。第2活性層109で発光した光は、p型下部DBR102とn型DBR107とp型上部DBR112が光学的に結合した複合共振器内で共振し、閾電流を超えると、基板と垂直上方にレーザ光が変調信号に応じて出射される。 Further, when a pulse current is applied between the p-side upper electrode 113 and the n-side electrode 114 from the modulation pulse power source 117, carriers are transferred to the second active layer 109 of GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As multiple quantum wells 109. Are injected to recombine the light and emit light in the 0.85 μm band. At this time, the current is confined by the AlO x insulating region 116 in which the p-type Al 0.99 Ga 0.01 As layer 111 is selectively oxidized. The light emitted from the second active layer 109 resonates in a composite resonator in which the p-type lower DBR 102, the n-type DBR 107, and the p-type upper DBR 112 are optically coupled. Light is emitted according to the modulation signal.

第1活性層105と第2活性層109のバンドギャップを等しくしており、また、2つの共振器が結合した同一の共振モードで発振するため、第1活性層105に電流注入したときの発振光と第2活性層109に電流注入したときの発振光とは、同一波長で発振する。このとき、第1活性層105に連続的に電流を注入して発振させた状態で、第2活性層109に注入する電流を0からImの範囲で変調させると、図5(b)に示すように光出力強度は、P0とP1の間で変調される。第1活性層105に電流注入して発生する光に、第2活性層109で発生した光が同一モードで加えられるため、VCSEL素子内部の光子密度を増加させることができる。これにより、VCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。   Since the first active layer 105 and the second active layer 109 have the same band gap and oscillate in the same resonance mode in which two resonators are coupled, oscillation when current is injected into the first active layer 105 The light and the oscillation light when current is injected into the second active layer 109 oscillate at the same wavelength. At this time, when the current injected into the second active layer 109 is modulated in the range of 0 to Im in the state where the current is continuously injected into the first active layer 105 and oscillated, it is shown in FIG. Thus, the light output intensity is modulated between P0 and P1. Since the light generated in the second active layer 109 is added in the same mode to the light generated by injecting current into the first active layer 105, the photon density inside the VCSEL element can be increased. Thereby, the relaxation oscillation frequency of VCSEL can be increased.

単一の活性層のみに注入する電流を増加させても、キャリアのオーバーフローにより利得が飽和してしまい、光出力が増加できなくなる。1つの活性層の層厚を厚くしていくことで利得飽和するキャリア密度を高くできるが、VCSEL素子内部の光定在波分布の腹の位置から活性層位置がずれてしまうため、活性層利得が光と結合する割合が減少して、実質的に利得が増加しなくなってしまう。また、多重量子井戸活性層において、量子井戸数を増加させていくと、キャリア注入が不均一になってしまい、高利得を得ることが困難となる。   Even if the current injected into only a single active layer is increased, the gain is saturated due to carrier overflow, and the optical output cannot be increased. Increasing the thickness of one active layer can increase the carrier density for gain saturation, but the active layer position deviates from the antinode position of the optical standing wave distribution inside the VCSEL device. The ratio of coupling with light decreases, and the gain does not increase substantially. Further, in the multiple quantum well active layer, when the number of quantum wells is increased, carrier injection becomes non-uniform and it becomes difficult to obtain a high gain.

本発明では、独立に電流注入する手段を有する複数の活性層を有し、またそれぞれの活性層は光定在波分布の腹の位置に設けており、各活性層に注入する電流を制御することで、それぞれの活性層におけるキャリアオーバーフローを抑制して、より高い光出力まで利得飽和が生じにくくしている。従って、緩和振動周波数が増加させて、高速変調が可能である。   In the present invention, a plurality of active layers having means for independently injecting current are provided, and each active layer is provided at the antinode position of the optical standing wave distribution, and the current injected into each active layer is controlled. As a result, carrier overflow in each active layer is suppressed, and gain saturation is unlikely to occur up to a higher light output. Therefore, the relaxation oscillation frequency is increased and high-speed modulation is possible.

実施例2は、第2,第3,第5の形態に対応した実施例である。図2は、本発明の実施例2の発光装置を示す図である。図2の発光装置は、光源としてVCSELを備えている。   Example 2 is an example corresponding to the second, third, and fifth modes. FIG. 2 is a diagram showing a light-emitting device according to Example 2 of the present invention. The light emitting device in FIG. 2 includes a VCSEL as a light source.

このVCSELは、n型GaAs基板201上に、n型下部DBR202、Al0.2Ga0.8As第1スペーサ層203、GaInAs/GaAs多重量子井戸第1活性層204、Al0.2Ga0.8As第2スペーサ層205、p型AlAs層206、p型DBR207、p型第2AlAs層208、Al0.2Ga0.8As第3スペーサ層209、GaInAs/GaAs多重量子井戸第2活性層210、Al0.2Ga0.8As第4スペーサ層211、n型上部DBR212が順次積層されている(積層構造が構成されている)。 This VCSEL has an n-type lower DBR 202, an Al 0.2 Ga 0.8 As first spacer layer 203, a GaInAs / GaAs multiple quantum well first active layer 204, an Al 0.2 Ga 0 on an n-type GaAs substrate 201. .8 As second spacer layer 205, p-type AlAs layer 206, p-type DBR 207, p-type second AlAs layer 208, Al 0.2 Ga 0.8 As third spacer layer 209, GaInAs / GaAs multiple quantum well second active The layer 210, the Al 0.2 Ga 0.8 As fourth spacer layer 211, and the n-type upper DBR 212 are sequentially stacked (a stacked structure is configured).

ここで、n型下部DBR202は、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 Here, the n-type lower DBR 202 is formed by alternately stacking n-type GaAs layers and n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers at a quarter wavelength thickness.

また、p型DBR207は、p型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 The p-type DBR 207 is formed by alternately stacking p-type GaAs layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers at a quarter wavelength thickness.

また、n型上部DBR212は、n型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 Further, the n-type upper DBR 212 is formed by alternately stacking n-type GaAs layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers with a quarter wavelength thickness.

そして、上記積層構造表面から、p型DBR207の途中まで円筒状にエッチングされて、第1のメサ構造が形成されている。さらに、第1のメサ構造よりも大きいサイズで、n型下部DBR202に達するまで円筒状にエッチングされて、第2のメサ構造が形成されている。   Then, the first mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure to the middle of the p-type DBR 207 in a cylindrical shape. Further, the second mesa structure is formed in a larger size than the first mesa structure and is etched into a cylindrical shape until reaching the n-type lower DBR 202.

そして、第1のメサ構造及び第2のメサ構造の側面から、p型第1AlAs層206とp型第2AlAs層208が選択的に酸化されて、AlO絶縁領域116が形成されている。このとき、p型第1AlAs層206の酸化狭窄開口面積は、p型第2AlAs層208の酸化狭窄開口面積よりも大きくなるように作製した。 Then, the p-type first AlAs layer 206 and the p-type second AlAs layer 208 are selectively oxidized from the side surfaces of the first mesa structure and the second mesa structure, and the AlO x insulating region 116 is formed. At this time, the p-type first AlAs layer 206 was fabricated such that the oxidized constriction opening area of the p-type second AlAs layer 206 was larger than the oxidation constriction opening area of the p-type second AlAs layer 208.

そして、n型上部DBR212の表面には、光出射部を除いて、リング状のn側上部電極213が形成されている。そして、第1のメサ構造底面(第2のメサ構造頂上部)には、p側電極214が形成されている。また、n型GaAs基板201の裏面には、n側下部電極215が形成されている。   A ring-shaped n-side upper electrode 213 is formed on the surface of the n-type upper DBR 212 except for the light emitting portion. A p-side electrode 214 is formed on the bottom surface of the first mesa structure (the top of the second mesa structure). An n-side lower electrode 215 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 201.

n側上部電極213とp側電極214は、励起用直流電源118に電気的に接続されている。また、p側電極214とn側下部電極215は、変調用パルス電源117に電気的に接続されている。   The n-side upper electrode 213 and the p-side electrode 214 are electrically connected to the excitation DC power source 118. The p-side electrode 214 and the n-side lower electrode 215 are electrically connected to the modulation pulse power source 117.

図2のVCSELにおいては、p型DBR207の積層周期数を少なくすることで、2つの共振器は光学的に結合し、1つの共振モードが形成されている。また、第1活性層204と第2活性層210のバンドギャップを等しくしており、また、2つの共振器が結合した同一の共振モードで発振するため、第1活性層204に電流注入したときの発振光と第2活性層210に電流注入したときの発振光とは、同一波長(0.98μm)で発振する。第2活性層210に変調用パルス電源117から入力される変調電気信号に応じて発生するレーザ光に、第1活性層204に励起用直流電源118から電流注入して発生する光が同一モードで加えられるため、VCSEL素子内部の光子密度が増加し、VCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。   In the VCSEL of FIG. 2, by reducing the number of stacking periods of the p-type DBR 207, the two resonators are optically coupled to form one resonance mode. In addition, since the band gaps of the first active layer 204 and the second active layer 210 are equal and oscillate in the same resonance mode in which two resonators are coupled, when current is injected into the first active layer 204 And the oscillation light when current is injected into the second active layer 210 oscillate at the same wavelength (0.98 μm). The laser beam generated in response to the modulated electric signal input from the modulation pulse power source 117 to the second active layer 210 and the light generated by current injection from the excitation DC power source 118 to the first active layer 204 are in the same mode. In addition, the photon density inside the VCSEL element is increased, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be increased.

この実施例2では、励起用直流電流を第2活性層210に注入するときに通過するDBRにおいて、高反射率が必要であるために積層数が多くなる最表面側の上部DBR212をn型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。また、変調信号を入力する第1活性層204に対して電流を狭窄する酸化狭窄開口面積を、第2活性層210に対する酸化狭窄開口面積よりも大きくしているため、第1活性層204における電流狭窄部の抵抗が低減される。従って、第1活性層204に注入する電流を変調するときのCR時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。   In the second embodiment, in the DBR that passes when the direct current for excitation is injected into the second active layer 210, the upper DBR 212 on the outermost surface side where the number of stacked layers increases due to the necessity of high reflectivity is n-type. By forming, the resistance of the element is reduced. In addition, since the oxidized constriction opening area for confining current to the first active layer 204 to which the modulation signal is input is made larger than the oxidized constriction opening area for the second active layer 210, the current in the first active layer 204 is The resistance of the constriction is reduced. Therefore, the CR time constant when modulating the current injected into the first active layer 204 is reduced, and the electrical modulation band can be increased.

また、励起用直流電源118に電気的に接続された第2活性層210においては、第2活性層204の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができて、基本横モードの光出力を増加させることができる。   In the second active layer 210 electrically connected to the excitation DC power source 118, a current is injected into a region narrower than the current injection region of the second active layer 204. As a result, the gain at the center corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased, and the light output of the fundamental transverse mode can be increased.

また、酸化狭窄構造において、酸化されていない領域は酸化された領域116よりも屈折率が高いため、横方向に屈折率差が生じで光を水平横方向に閉じ込める作用を有する。変調用パルス電源117が接続された第1活性層204の電流注入領域よりも狭い面積で、p型第2AlAs層208の電流狭窄部では水平横方向の屈折率差が形成され、光を中央部に閉じ込める構造となっている。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなるため発振が抑制される。これにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。   Further, in the oxidized constriction structure, since the non-oxidized region has a higher refractive index than the oxidized region 116, the refractive index difference is generated in the horizontal direction and the light is confined in the horizontal horizontal direction. In the current confinement portion of the p-type second AlAs layer 208, an area narrower than the current injection region of the first active layer 204 to which the modulation pulse power source 117 is connected, a horizontal lateral refractive index difference is formed, and light is transmitted to the central portion. It is structured to be confined in. Therefore, the fundamental transverse mode light is confined, and conversely, the higher order transverse mode has a large loss, and thus oscillation is suppressed. Thereby, it is possible to increase the light output while maintaining the basic transverse mode.

以上の効果より、この実施例2においては、基本横モードを維持した状態で高出力化することが可能であり、実施例1に比べて更にVCSELの緩和振動周波数を増加させることができ、10Gbpsを超える高速直接変調が可能となる。   Due to the above effects, in the second embodiment, it is possible to increase the output while maintaining the basic transverse mode, and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be further increased as compared with the first embodiment, and 10 Gbps. High-speed direct modulation exceeding 1 is possible.

また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した下部DBR202についても、導電型をn型で形成することにより、素子の抵抗を低減させており、発光装置の消費電力を低減することができる。   In addition, the lower DBR 202 adjacent to the substrate where the number of stacked layers is increased because high reflectivity is necessary, and the resistance of the element is reduced by forming the conductivity type as n-type, and the power consumption of the light emitting device Can be reduced.

実施例3は、第4,第6,第7,第8の形態に対応した実施例である。図3は、本発明の実施例3の発光装置を示す図である。図3の発光装置は、光源としてVCSELを備えている。   Example 3 is an example corresponding to the fourth, sixth, seventh, and eighth modes. FIG. 3 is a diagram showing a light emitting device of Example 3 of the present invention. The light emitting device in FIG. 3 includes a VCSEL as a light source.

このVCSELは、n型GaAs基板201上に、ノンドープ下部DBR301、p型GaAs第1スペーサ層302、GaInNAs/GaAs多重量子井戸第1活性層304、n型GaAs第2スペーサ層305、n型DBR306、n型GaAs第3スペーサ層307、GaInNAs/GaAs多重量子井戸第2活性層308、p型GaAs第4スペーサ層309、ノンドープ上部DBR310が順次積層されている(積層構造が構成されている)。   This VCSEL has an undoped lower DBR 301, a p-type GaAs first spacer layer 302, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well first active layer 304, an n-type GaAs second spacer layer 305, an n-type DBR 306, on an n-type GaAs substrate 201. An n-type GaAs third spacer layer 307, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well second active layer 308, a p-type GaAs fourth spacer layer 309, and an undoped upper DBR 310 are sequentially stacked (a stacked structure is configured).

ここで、ノンドープ下部DBR301は、ノンドープGaAs層とノンドープAl0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 Here, the non-doped lower DBR 301 is formed by alternately stacking a non-doped GaAs layer and a non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As layer with a quarter wavelength thickness.

また、p型GaAs第1スペーサ層302中には、層厚30nmのp型AlAs層303が設けられている。   A p-type AlAs layer 303 having a layer thickness of 30 nm is provided in the p-type GaAs first spacer layer 302.

また、n型DBR306は、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 The n-type DBR 306 is formed by alternately stacking n-type GaAs layers and n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers at a quarter wavelength thickness.

また、ノンドープ上部DBR310は、ノンドープGaAs層とノンドープAl0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 The non-doped upper DBR 310 is formed by alternately stacking a non-doped GaAs layer and a non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As layer with a quarter wavelength thickness.

そして、上記積層構造表面から、p型GaAs第4スペーサ層309の表面まで円筒状にエッチングされて、第1のメサ構造が形成されている。さらに、第1のメサ構造よりも大きいサイズで、n型DBR306に達するまで円筒状にエッチングされて、第2のメサ構造が形成されている。さらに、第2のメサ構造よりも大きいサイズで、p型AlAs層303よりも下側のp型GaAs第1スペーサ層302に達するまで円筒状にエッチングされて、第3のメサ構造が形成されている。   The first mesa structure is formed by etching in a cylindrical shape from the surface of the laminated structure to the surface of the p-type GaAs fourth spacer layer 309. Further, the second mesa structure is formed in a size larger than that of the first mesa structure and etched into a cylindrical shape until reaching the n-type DBR 306. Further, the third mesa structure is formed in a cylindrical size until reaching the p-type GaAs first spacer layer 302 having a size larger than that of the second mesa structure and below the p-type AlAs layer 303. Yes.

そして、第3のメサ構造の側面から、p型AlAs層303が選択的に酸化されて、AlO絶縁領域116が形成されている。また、第2活性層308の近傍において、第1のメサ構造の外側にはプロトンイオンが注入されて、高抵抗領域311が形成されている。高抵抗領域311は、第2活性層308に対して電流狭窄構造を形成している。このとき、高抵抗領域311の狭窄開口面積は、p型AlAs層303の酸化狭窄開口面積よりも大きくなるように作製した。 Then, from the side surface of the third mesa structure, the p-type AlAs layer 303 is selectively oxidized to form the AlO x insulating region 116. In addition, in the vicinity of the second active layer 308, proton ions are implanted outside the first mesa structure to form a high resistance region 311. The high resistance region 311 forms a current confinement structure with respect to the second active layer 308. At this time, the narrow opening area of the high resistance region 311 was made larger than the oxidized narrow opening area of the p-type AlAs layer 303.

そして、第1のメサ構造底面(第2のメサ構造頂上部)には、リング状のp側上部電極113が形成されている。そして、第2のメサ構造底面(第3のメサ構造頂上部)には、リング状のn側電極114が形成されている。また、第3のメサ構造底面には、p側下部電極115が形成されている。   A ring-shaped p-side upper electrode 113 is formed on the bottom surface of the first mesa structure (the top of the second mesa structure). A ring-shaped n-side electrode 114 is formed on the bottom surface of the second mesa structure (the top of the third mesa structure). A p-side lower electrode 115 is formed on the bottom surface of the third mesa structure.

p側上部電極113とn側電極114は変調用パルス電源117に電気的に接続されている。また、n側電極114とp側下部電極115は励起用直流電源118に電気的に接続されている。   The p-side upper electrode 113 and the n-side electrode 114 are electrically connected to the modulation pulse power source 117. The n-side electrode 114 and the p-side lower electrode 115 are electrically connected to the excitation DC power source 118.

実施例3の発光装置は、実施例2の発光装置と同様な効果を有している。さらに、変調用パルス電源117に電気的に接続された第2活性層308に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域311を用いたことを特徴としている。イオン注入により形成した高抵抗領域311の積層方向の厚さは約0.2μmとなっており、Al酸化狭窄構造に比べて厚くなっている。従って、変調信号を入力する第2活性層308に対する高抵抗領域が形成する容量成分が低減され、第2活性層308に注入する電流を変調するときの電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。   The light emitting device of Example 3 has the same effect as the light emitting device of Example 2. Further, as a means for confining current to the second active layer 308 electrically connected to the modulation pulse power source 117, a high resistance region 311 formed by ion implantation is used. The thickness of the high resistance region 311 formed by ion implantation in the stacking direction is about 0.2 μm, which is thicker than that of the Al oxide confinement structure. Therefore, the capacitance component formed by the high resistance region for the second active layer 308 to which the modulation signal is input is reduced, and the electrical modulation band when modulating the current injected into the second active layer 308 can be further increased. it can.

また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した下部DBR301及び最表面側の上部DBR310は、ノンドープ層で形成されている。キャリア濃度は2×1017cm−3と低キャリア濃度となっているため、自由キャリアによる光吸収が抑制され、高反射率の反射鏡を形成することができる。従って、VCSELの閾電流を低減し、また外部量子効率も増加させることができる。 In addition, the lower DBR 301 and the uppermost DBR 310 on the outermost surface side adjacent to the substrate where the number of stacked layers is increased because high reflectivity is required are formed of a non-doped layer. Since the carrier concentration is a low carrier concentration of 2 × 10 17 cm −3 , light absorption by free carriers is suppressed, and a reflector with high reflectance can be formed. Therefore, the threshold current of the VCSEL can be reduced and the external quantum efficiency can be increased.

なお、活性層に対する電流注入は、下部DBR301及び最表面側の上部DBR310を通さずに、p型GaAsスペーサ層302,309に設けられた電極より注入する構造となっている。   The current is injected into the active layer from the electrodes provided in the p-type GaAs spacer layers 302 and 309 without passing through the lower DBR 301 and the uppermost DBR 310 on the outermost surface side.

実施例3の発光装置においては、第1活性層304,第2活性層308の量子井戸層に、窒素と他のV族元素との混晶半導体であるGaInNAsを用いている。そのため、石英光ファイバの分散がゼロである波長1.31μmの光源を形成できるため、本発明の高速変調特性を生かすことができる。   In the light emitting device of Example 3, GaInNAs which is a mixed crystal semiconductor of nitrogen and other group V elements is used for the quantum well layers of the first active layer 304 and the second active layer 308. Therefore, a light source having a wavelength of 1.31 μm in which the dispersion of the quartz optical fiber is zero can be formed, so that the high-speed modulation characteristic of the present invention can be utilized.

さらに、第2活性層308のGaAs障壁層に対して、p型不純物であるCを3×1018cm−3ドーピングしている。これにより、レーザ発振に必要な注入電子密度が減少し、第2活性層308の微分利得gを増加させることができる。数1より、微分利得gを増加させる効果は、VCSEL素子内の光子密度Sを増加させる効果と併用することにより、さらにVCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。従って、40Gbpsで直接変調可能な光源を提供することができる。 Further, the p-type impurity C is doped 3 × 10 18 cm −3 to the GaAs barrier layer of the second active layer 308. Thereby, the injection electron density necessary for laser oscillation is reduced, and the differential gain g of the second active layer 308 can be increased. From Equation 1, the relaxation frequency of the VCSEL can be further increased by combining the effect of increasing the differential gain g with the effect of increasing the photon density S in the VCSEL element. Therefore, it is possible to provide a light source that can be directly modulated at 40 Gbps.

実施例4は、第9の形態に対応した実施例である。図4は、実施例4の光伝送システムを示す図である。図4を参照すると、この光伝送システムは、光送信部401において電気信号が光信号に変換されて光ファイバケーブル404に導入され、光ファイバケーブル404を導波した光は、光受信部402で再び電気信号に変換されて出力されるようになっている。   Example 4 is an example corresponding to the ninth mode. FIG. 4 is a diagram illustrating an optical transmission system according to a fourth embodiment. Referring to FIG. 4, in this optical transmission system, an electrical signal is converted into an optical signal in an optical transmission unit 401 and introduced into an optical fiber cable 404, and light guided through the optical fiber cable 404 is transmitted by an optical reception unit 402. It is again converted into an electrical signal and output.

光送信部401と光受信部402は、1つのパッケージに集積されて、光送受信モジュール403が構成されている。また、光ファイバケーブル404は、送り用と受け用の2本が1対となっており、双方向に通信可能となっている。   The optical transmission unit 401 and the optical reception unit 402 are integrated in one package to constitute an optical transmission / reception module 403. The optical fiber cable 404 has two pairs for sending and receiving, and can communicate bidirectionally.

図4の光伝送システムの光送信部401には、光源として、実施例3の発光装置が用いられている。実施例3の発光装置は、緩和振動周波数を向上させており、外部変調器を用いることなく40Gbpsの光信号伝送が可能となっている。また、電子冷却素子による温度制御が不要であり、低コストで製造することができる。従って、40Gbpsの大容量光伝送システムを、低コストで構築することができる。   In the optical transmission unit 401 of the optical transmission system of FIG. 4, the light emitting device of Example 3 is used as a light source. The light emitting device of Example 3 has an improved relaxation oscillation frequency, and can transmit an optical signal of 40 Gbps without using an external modulator. In addition, temperature control by an electronic cooling element is unnecessary, and it can be manufactured at low cost. Therefore, a 40 Gbps large capacity optical transmission system can be constructed at low cost.

実施例5は、第14の形態に対応した実施例である。図6は、実施例5の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)を示す図である。   Example 5 is an example corresponding to the fourteenth aspect. FIG. 6 is a diagram illustrating a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) according to a fifth embodiment.

図6を参照すると、n型GaAs基板201上に、n型下部DBR202が積層されている。ここで、n型下部DBR202は、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。そして、n型下部DBR202上には、GaAs第1スペーサ層601、GaInNAs/GaAs多重量子井戸第1活性層304、GaAs第2スペーサ層602、p型AlAs層206、p型DBR207が積層されている。ここで、p型DBR207は、p型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。また、p型DBR207上には、p型第2AlAs層603、GaAs第3スペーサ層604、GaInNAs/GaAs多重量子井戸第2活性層308、GaAs第4スペーサ層605、n型上部DBR212が順次積層されている。ここで、n型上部DBR212は、n型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 Referring to FIG. 6, an n-type lower DBR 202 is stacked on an n-type GaAs substrate 201. Here, the n-type lower DBR 202 is formed by alternately stacking n-type GaAs layers and n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers at a quarter wavelength thickness. On the n-type lower DBR 202, a GaAs first spacer layer 601, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well first active layer 304, a GaAs second spacer layer 602, a p-type AlAs layer 206, and a p-type DBR 207 are stacked. . Here, the p-type DBR 207 is formed by alternately stacking p-type GaAs layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers at a quarter wavelength thickness. On the p-type DBR 207, a p-type second AlAs layer 603, a GaAs third spacer layer 604, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well second active layer 308, a GaAs fourth spacer layer 605, and an n-type upper DBR 212 are sequentially laminated. ing. Here, the n-type upper DBR 212 is formed by alternately stacking n-type GaAs layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers with a quarter wavelength thickness.

そして、上記積層構造の表面からp型DBR207の途中まで円筒状にエッチングされて、第1のメサ構造が形成されている。さらに、第1のメサ構造よりも大きいサイズで、n型下部DBR202に達するまで円筒状にエッチングされて第2のメサ構造が形成されている。   Then, the first mesa structure is formed by etching in a cylindrical shape from the surface of the stacked structure to the middle of the p-type DBR 207. Further, the second mesa structure is formed by etching in a cylindrical shape with a size larger than that of the first mesa structure until reaching the n-type lower DBR 202.

また、第2のメサ構造側面から、p型第1AlAs層206が選択的に酸化されて、AlO絶縁領域116が形成されている。また、第1のメサ構造側面から、p型第2AlAs層603が選択的にサイドエッチングされてエアギャップ構造606が形成されている。このとき、p型第1AlAs層206の酸化狭窄開口面積は、p型第2AlAs層603のエアギャップ狭窄開口面積よりも小さくなるように作製されている。 Further, the p-type first AlAs layer 206 is selectively oxidized from the side surface of the second mesa structure, and the AlO x insulating region 116 is formed. In addition, the p-type second AlAs layer 603 is selectively side-etched from the side surface of the first mesa structure to form an air gap structure 606. At this time, the oxidized constriction opening area of the p-type first AlAs layer 206 is made smaller than the air gap constriction opening area of the p-type second AlAs layer 603.

そして、n型上部DBR212の表面には、光出射部を除いてリング状のn側上部電極213が形成されている。また、第1のメサ構造の底面(第2のメサ構造の頂上部)には、p側電極214が形成されている。また、n型GaAs基板201の裏面には、n側下部電極215が形成されている。   A ring-shaped n-side upper electrode 213 is formed on the surface of the n-type upper DBR 212 except for the light emitting portion. A p-side electrode 214 is formed on the bottom surface of the first mesa structure (the top of the second mesa structure). An n-side lower electrode 215 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 201.

図6のVCSELにおいては、p型DBR207の積層周期数を少なくする(例えば3周期にする)ことで、2つの共振器は光学的に結合し、1つの共振モードが形成されている。また、第1活性層304と第2活性層308のバンドギャップを等しくしており、かつ、2つの共振器が結合した共振モードに対して利得を有しているため、第1活性層304に電流注入したときの発振光と、第2活性層308に電流注入したときの発振光は、モード同期して同一波長(1.3μm)で発振する。従って、活性層が1つの場合に比べて、VCSEL素子内部の光子密度が増加し、VCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。   In the VCSEL of FIG. 6, by reducing the number of lamination periods of the p-type DBR 207 (for example, 3 periods), the two resonators are optically coupled to form one resonance mode. In addition, since the band gaps of the first active layer 304 and the second active layer 308 are equal and have a gain with respect to a resonance mode in which two resonators are coupled, the first active layer 304 has The oscillation light when the current is injected and the oscillation light when the current is injected into the second active layer 308 oscillate at the same wavelength (1.3 μm) in mode synchronization. Therefore, the photon density inside the VCSEL element can be increased and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be increased as compared with the case where there is one active layer.

また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる上部DBR212について導電型をn型で形成することにより、素子抵抗を低減させている。また、第2活性層308に対して電流を狭窄するエアギャップ狭窄開口面積を、第1活性層304に対する酸化狭窄開口面積よりも大きくしているため、第2活性層308における電流狭窄部の抵抗が低減される。   In addition, the element resistance is reduced by forming the conductivity type of the upper DBR 212, which has a large number of layers due to the necessity of high reflectivity, as an n-type. In addition, since the air gap constriction opening area for confining current to the second active layer 308 is larger than the oxidation confinement opening area for the first active layer 304, the resistance of the current confinement portion in the second active layer 308 is increased. Is reduced.

さらに、サイドエッチング領域606の誘電率は、AlO絶縁領域116の誘電率よりも低いため、サイドエッチング領域の寄生容量成分が低減できる。従って、第2活性層308に注入する電流を変調するときのCR時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。 Furthermore, since the dielectric constant of the side etching region 606 is lower than the dielectric constant of the AlO x insulating region 116, the parasitic capacitance component in the side etching region can be reduced. Therefore, the CR time constant when modulating the current injected into the second active layer 308 is reduced, and the electrical modulation band can be increased.

また、第1活性層304においては、第2活性層308の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができるため、基本横モードの光出力を増加させることができる。   In the first active layer 304, a current is injected into a region narrower than the current injection region of the second active layer 308. As a result, the gain of the central portion corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased, so that the light output of the fundamental transverse mode can be increased.

以上の効果より、VCSELの緩和振動周波数を増加させることができ、10Gbpsを超える高速変調動作が可能となる。   From the above effects, the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be increased, and a high-speed modulation operation exceeding 10 Gbps is possible.

なお、この実施例5のVCSELにおいては、電気的変調帯域が高い第2活性層308に電流を注入するn側上部電極213とp側電極214を変調用パルス電源に接続し、第1活性層304に電流を注入するp側電極214とn側下部電極215を励起用直流電源に接続することによって、高速変調性能を有効に発揮することができる。   In the VCSEL of the fifth embodiment, the n-side upper electrode 213 and p-side electrode 214 for injecting current into the second active layer 308 having a high electrical modulation band are connected to the modulation pulse power source, and the first active layer By connecting the p-side electrode 214 and the n-side lower electrode 215 for injecting current into 304 to the excitation DC power supply, high-speed modulation performance can be effectively exhibited.

実施例6は、第15の形態に対応した実施例である。図7は、実施例6の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL)を示す図である。   Example 6 is an example corresponding to the fifteenth aspect. FIG. 7 is a diagram illustrating a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (VCSEL) according to a sixth embodiment.

図7を参照すると、n型GaAs基板201上に、n型下部DBR202が積層されている。ここで、n型下部DBR202は、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。そして、n型下部DBR202上には、GaAs第1スペーサ層601、GaInNAs/GaAs多重量子井戸第1活性層304、GaAs第2スペーサ層602、p型DBR207が積層されている。ここで、p型DBR207は、p型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。また、p型DBR207上には、p型AlAs層701、GaAs第3スペーサ層604、GaInNAs/GaAs多重量子井戸第2活性層308、GaAs第4スペーサ層605、n型上部DBR212が順次積層されている。ここで、n型上部DBR212は、n型GaAs層とp型Al0.9Ga0.1As層を1/4波長厚で交互に積層して形成されている。 Referring to FIG. 7, an n-type lower DBR 202 is stacked on an n-type GaAs substrate 201. Here, the n-type lower DBR 202 is formed by alternately stacking n-type GaAs layers and n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers at a quarter wavelength thickness. On the n-type lower DBR 202, a GaAs first spacer layer 601, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well first active layer 304, a GaAs second spacer layer 602, and a p-type DBR 207 are stacked. Here, the p-type DBR 207 is formed by alternately stacking p-type GaAs layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers at a quarter wavelength thickness. On the p-type DBR 207, a p-type AlAs layer 701, a GaAs third spacer layer 604, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well second active layer 308, a GaAs fourth spacer layer 605, and an n-type upper DBR 212 are sequentially laminated. Yes. Here, the n-type upper DBR 212 is formed by alternately stacking n-type GaAs layers and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layers with a quarter wavelength thickness.

そして、上記積層構造の表面からp型DBR207の途中まで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。メサ構造側面から、p型AlAs層701が選択的にサイドエッチングされて、エアギャップ領域606が形成されている。   Then, a mesa structure is formed by etching in a cylindrical shape from the surface of the laminated structure to the middle of the p-type DBR 207. From the side of the mesa structure, the p-type AlAs layer 701 is selectively side-etched to form an air gap region 606.

また、メサ構造底面から、第1活性層304近傍において、プロトンイオンが注入されて、高抵抗領域311が形成されている。高抵抗領域311は、第1活性層304に対して電流狭窄構造を形成している。このとき、高抵抗領域311の狭窄開口面積は、p型AlAs層701のエアギャップ狭窄開口面積よりも大きくなるように作製されている。   In addition, proton ions are implanted from the bottom of the mesa structure in the vicinity of the first active layer 304 to form a high resistance region 311. The high resistance region 311 forms a current confinement structure with respect to the first active layer 304. At this time, the constriction opening area of the high resistance region 311 is fabricated to be larger than the air gap constriction opening area of the p-type AlAs layer 701.

そして、n型上部DBR212の表面には、光出射部を除いてリング状のn側上部電極213が形成されている。また、メサ構造の底面には、p側電極214が形成されている。また、n型GaAs基板201の裏面には、n側下部電極215が形成されている。   A ring-shaped n-side upper electrode 213 is formed on the surface of the n-type upper DBR 212 except for the light emitting portion. A p-side electrode 214 is formed on the bottom surface of the mesa structure. An n-side lower electrode 215 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 201.

図7のVCSELにおいては、p型DBR207の積層周期数を少なくすることで、2つの共振器は光学的に結合し、1つの共振モードが形成されている。第1活性層304と第2活性層308のバンドギャップを等しくしており、かつ、2つの共振器が結合した同一の共振モードに対して利得を有しているため、第1活性層304に電流注入したときの発振光と、第2活性層308に電流注入したときの発振光は、モード同期して同一波長(1.3μm)で発振する。従って、活性層が1つの場合に比べて、VCSEL素子内部の光子密度が増加し、VCSELの緩和振動周波数を増加させることができる。   In the VCSEL of FIG. 7, by reducing the number of stacking periods of the p-type DBR 207, two resonators are optically coupled to form one resonance mode. Since the band gaps of the first active layer 304 and the second active layer 308 are equal and have a gain with respect to the same resonance mode in which two resonators are coupled, the first active layer 304 has The oscillation light when the current is injected and the oscillation light when the current is injected into the second active layer 308 oscillate at the same wavelength (1.3 μm) in mode synchronization. Therefore, the photon density inside the VCSEL element can be increased and the relaxation oscillation frequency of the VCSEL can be increased as compared with the case where there is one active layer.

また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる下部DBR202について導電型をn型で形成することにより、素子抵抗を低減させている。また、第1活性層304に対して電流を狭窄する高抵抗領域311の狭窄開口面積を、第2活性層308に対するエアギャップ狭窄開口面積よりも大きくしているため、第1活性層304における電流狭窄部の抵抗が低減される。   In addition, the element resistance is reduced by forming the conductivity type of the lower DBR 202, which has a large number of layers due to the necessity of high reflectivity, to be n-type. Further, since the constriction opening area of the high resistance region 311 for confining current with respect to the first active layer 304 is made larger than the air gap constriction opening area for the second active layer 308, the current in the first active layer 304 is The resistance of the constriction is reduced.

さらに、イオン注入により形成した高抵抗領域311は、Al酸化狭窄構造やエアギャップ構造に比べて、積層方向の厚さが厚くなる。従って、高抵抗領域311が形成する容量成分は、Al酸化狭窄構造やエアギャップ構造を用いた場合に比べて低減される。従って、第1活性層304に注入する電流を変調するときのCR時定数が低減され、電気的な変調帯域を向上させることができる。   Furthermore, the high resistance region 311 formed by ion implantation is thicker in the stacking direction than the Al oxide constriction structure or the air gap structure. Therefore, the capacitance component formed by the high resistance region 311 is reduced as compared with the case where the Al oxide constriction structure or the air gap structure is used. Therefore, the CR time constant when modulating the current injected into the first active layer 304 is reduced, and the electrical modulation band can be improved.

また、狭窄面積が狭いエアギャップ狭窄構造においては、エッチングされていない半導体層がエッチングされた領域よりも屈折率が高くなるため、光を中央部に閉じ込める作用を有する。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制される。   In the air gap constriction structure with a narrow constriction area, the refractive index is higher than that of the region where the unetched semiconductor layer is etched, so that the light is confined in the central portion. Accordingly, the light in the fundamental transverse mode is confined, and conversely, oscillation in the higher order transverse mode is suppressed.

また、第2活性層308においては、第1活性層304の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができる。従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。これにより、素子内部の光子密度がさらに高められ、VCSELを高速変調動作させることができる。   In the second active layer 308, a current is injected into a region narrower than the current injection region of the first active layer 304. Thereby, the gain of the center part corresponding to the fundamental transverse mode can be selectively increased. Therefore, it is possible to increase the light output while maintaining the basic transverse mode. Thereby, the photon density inside the device is further increased, and the VCSEL can be operated at high speed.

なお、この実施例6のVCSELにおいては、電気的変調帯域が高い第1活性層304に電流を注入するp側電極214とn側下部電極215を変調用パルス電源に接続し、第2活性層308に電流を注入するn側上部電極213とp側電極214を励起用直流電源に接続することによって、高速変調性能を有効に発揮することができる。
In the VCSEL of Example 6, the p-side electrode 214 and the n-side lower electrode 215 for injecting current into the first active layer 304 having a high electrical modulation band are connected to the modulation pulse power source, and the second active layer By connecting the n-side upper electrode 213 and the p-side electrode 214 for injecting current into 308 to the excitation DC power supply, high-speed modulation performance can be effectively exhibited.

実施例1の発光装置を示す図である。1 is a diagram showing a light emitting device of Example 1. FIG. 実施例2の発光装置を示す図である。6 is a diagram showing a light emitting device of Example 2. FIG. 実施例3の発光装置を示す図である。6 is a diagram showing a light emitting device of Example 3. FIG. 実施例4の光伝送システムを示す図である。FIG. 10 illustrates an optical transmission system according to a fourth embodiment. 実施例1の発光装置の動作を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the light-emitting device of Example 1. 実施例5の垂直共振器型面発光半導体レーザを示す図である。6 is a view showing a vertical cavity surface emitting semiconductor laser according to Example 5. FIG. 実施例6の垂直共振器型面発光半導体レーザを示す図である。6 is a view showing a vertical cavity surface emitting semiconductor laser according to Example 6. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 p型GaAs基板
102 p型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As 下部DBR
103 p型AlAs層
104 AlGaAs第1スペーサ層
105 GaAs/AlGaAs多重量子井戸第1活性層
106 AlGaAs第2スペーサ層
107 n型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As DBR
108 AlGaAs第3スペーサ層
109 GaAs/AlGaAs多重量子井戸第2活性層
110 AlGaAs第4スペーサ層
111 p型AlGaAs層
112 p型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As 上部DBR
113 上部p側電極
114 n側電極
115 下部p側電極
116 AlO絶縁領域
117 変調用パルス電源
118 励起用直流電源
201 n型GaAs基板
202 n型GaAs/Al0.9Ga0.1As 下部DBR
203 AlGaAs第1スペーサ層
204 GaInAs/GaAs多重量子井戸第1活性層
205 AlGaAs第2スペーサ層
206 p型第1AlAs層
207 p型GaAs/Al0.9Ga0.1As DBR
208 p型第2AlAs層
209 AlGaAs第3スペーサ層
210 GaInAs/GaAs多重量子井戸第2活性層
211 AlGaAs第4スペーサ層
212 n型GaAs/Al0.9Ga0.1As 上部DBR
213 上部n側電極
214 p側電極
215 下部n側電極
301 ノンドープGaAs/Al0.9Ga0.1As 下部DBR
302 p型GaAs第1スペーサ層
303 p型AlAs層
304 GaInNAs/GaAs多重量子井戸第1活性層
305 n型GaAs第2スペーサ層
306 n型GaAs/AlGaAs DBR
307 n型GaAs第3スペーサ層
308 GaInNAs/GaAs多重量子井戸第2活性層
309 p型GaAs第4スペーサ層
310 ノンドープGaAs/Al0.9Ga0.1As 上部DBR
311 高抵抗領域
401 光送信部
402 光受信部
403 光送受信モジュール
404 光ファイバケーブル
601 GaAs第1スペーサ層
602 GaAs第2スペーサ層
603 p型第2AlAs層
604 GaAs第3スペーサ層
605 GaAs第4スペーサ層
606 サイドエッチング領域
701 p型AlAs層
101 p-type GaAs substrate 102 p-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As Lower DBR
103 p-type AlAs layer 104 AlGaAs first spacer layer 105 GaAs / AlGaAs multiple quantum well first active layer 106 AlGaAs second spacer layer 107 n-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As DBR
108 AlGaAs third spacer layer 109 GaAs / AlGaAs multiple quantum well second active layer 110 AlGaAs fourth spacer layer 111 p-type AlGaAs layer 112 p-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As Upper DBR
113 Upper p-side electrode 114 n-side electrode 115 Lower p-side electrode 116 AlO x insulating region 117 Pulse power source for modulation 118 DC power source for excitation 201 n-type GaAs substrate 202 n-type GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As Lower DBR
203 AlGaAs first spacer layer 204 GaInAs / GaAs multiple quantum well first active layer 205 AlGaAs second spacer layer 206 p-type first AlAs layer 207 p-type GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As DBR
208 p-type second AlAs layer 209 AlGaAs third spacer layer 210 GaInAs / GaAs multiple quantum well second active layer 211 AlGaAs fourth spacer layer 212 n-type GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As upper DBR
213 Upper n-side electrode 214 P-side electrode 215 Lower n-side electrode 301 Non-doped GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As Lower DBR
302 p-type GaAs first spacer layer 303 p-type AlAs layer 304 GaInNAs / GaAs multiple quantum well first active layer 305 n-type GaAs second spacer layer 306 n-type GaAs / AlGaAs DBR
307 n-type GaAs third spacer layer 308 GaInNAs / GaAs multiple quantum well second active layer 309 p-type GaAs fourth spacer layer 310 non-doped GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As upper DBR
311 High resistance region 401 Optical transmitter 402 Optical receiver 403 Optical transceiver module 404 Optical fiber cable 601 GaAs first spacer layer 602 GaAs second spacer layer 603 p-type second AlAs layer 604 GaAs third spacer layer 605 GaAs fourth spacer layer 606 Side etching region 701 p-type AlAs layer

Claims (12)

基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの前記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの1つの活性層は、前記変調用パルス電源に電気的に接続され、また、前記活性層のうちの他の活性層は、前記励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっている発光装置であって、前記基板に隣接した多層膜反射鏡、および/または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴とする発光装置A vertical resonator type surface emitting semiconductor laser element having a plurality of resonators sandwiched between upper and lower layers by a multilayer reflector on a substrate, a modulation pulse power source, and an excitation DC power source, the vertical resonator type A plurality of resonators of the surface emitting semiconductor laser element are optically coupled to form one resonance mode, and an active layer is provided in each resonator, and each of the active layers is the same. And one active layer of the active layers is electrically connected to the modulation pulse power source, and another active layer of the active layers. Is electrically connected to the excitation DC power supply, and for the same resonance mode, an active layer electrically connected to the modulation pulse power supply and an activity electrically connected to the excitation DC power supply. Layer oscillates in mode synchronization A light emission device while creating, multilayer reflector adjacent the substrate, and / or, the light emitting device multilayer mirror conductivity type on the outermost surface side, characterized in that it is a n-type. 請求項1記載の発光装置において、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子のそれぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積は、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことを特徴とする発光装置。 2. The light emitting device according to claim 1, further comprising means for constricting a current injected into each active layer of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element, and electrically connected to the modulation pulse power source. A light emitting device characterized in that an area where current is confined with respect to the active layer formed is wider than an area where current is confined with respect to the active layer electrically connected to the excitation DC power source. 請求項2記載の発光装置において、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることを特徴とする発光装置。 3. The light emitting device according to claim 2, wherein a structure having a refractive index difference in a horizontal and lateral direction is used as means for confining current to an active layer electrically connected to the excitation DC power source. Light-emitting device. 請求項2記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることを特徴とする発光装置。 3. The light emitting device according to claim 2, wherein a high resistance region formed by ion implantation is used as means for confining current to an active layer electrically connected to the modulation pulse power source. . 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴とする発光装置。 5. The light-emitting device according to claim 1 , wherein the active layer electrically connected to the modulation pulse power source has a multiple quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked. A light emitting device comprising: a barrier layer doped with a p-type impurity in a range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の発光装置において、前記活性層には、窒素と他のV族元素との混晶半導体が含まれていることを特徴とする発光装置。 6. The light emitting device according to claim 1 , wherein the active layer includes a mixed crystal semiconductor of nitrogen and another group V element. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の発光装置を備えていることを特徴とする光伝送システム。 An optical transmission system comprising the light emitting device according to any one of claims 1 to 6 . 基板上に、多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器を備え、複数の共振器は光学的に結合して1つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び/または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、n型であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。 A plurality of resonators sandwiched between upper and lower layers by a multilayer mirror are provided on a substrate, and the plurality of resonators are optically coupled to form one resonance mode. An active layer is provided, the active layer has a gain with respect to the same resonance mode wavelength, and current injection means for injecting current into each active layer and current injected from the current injection means Current-restricting means for constricting the substrate, and the conductivity type of the multilayer-film reflective mirror adjacent to the substrate and / or the multilayer-film reflective mirror on the outermost surface side is n-type, Surface emitting semiconductor laser element. 請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にp型不純物が1×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲でドーピングされていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。 9. The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 8, wherein at least one of the active layers has a multiple quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and barrier layers are stacked. A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device, wherein the layer is doped with p-type impurities in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . 請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記活性層のうちの少なくとも1つの活性層は、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。 9. The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 8, wherein at least one of the active layers is a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element. Cavity type surface emitting semiconductor laser device. 請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。 9. The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 8, wherein the current confinement means uses a structure having a refractive index difference in a horizontal transverse direction, and the current confinement area by the current confinement means is different for each active layer. A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device characterized in that: 請求項8記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、前記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。 9. The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 8, wherein the current confinement means includes a structure having a refractive index difference in a horizontal lateral direction and a high resistance region formed by ion implantation in different active layers. Vertical cavity surface emitting semiconductor characterized in that a constriction area by a current confinement means having a refractive index difference in the horizontal transverse direction is smaller than a constriction area by a high resistance region formed by ion implantation Laser element.
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