JP4820556B2

JP4820556B2 - 垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光送信モジュールおよび光伝送装置および光スイッチング方法

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Publication number: JP4820556B2
Application number: JP2005026469A
Authority: JP
Inventors: 孝志高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: JP2006216681A

Description

本発明は、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光送信モジュールおよび光伝送装置および光スイッチング方法に関する。

近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、ＬＡＮやアクセス系、ホームネットワークにも展開されてきている。例えば、イーサネットにおいては、１０Ｇｂｐｓの伝送容量が開発されてきている。将来的には更なる伝送容量の増加が求められており、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送システムが期待されている。

伝送容量が１０Ｇｂｐｓ以下の光伝送用光源においては、半導体レーザの注入電流を変調することで出力光強度を変調する直接変調方式が主に用いられている。しかしながら、在来の半導体レーザを直接変調により１０ＧＨｚを超えた変調周波数で動作させることは困難である。そこで、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送用光源としては、半導体レーザから出力され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。

また、ＬＡＮや光インターコネクション用の光源として、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（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。

ＶＣＳＥＬを高速に変調する方法としては、これまで、例えば特許文献１，特許文献２，非特許文献４に示されているような報告がなされている。

すなわち、特許文献１には、ＶＣＳＥＬの上部多層膜反射鏡の途中に光吸収層を設け、光吸収層に逆バイアスを加えて吸収係数を変化させる外部変調器付き面発光レーザが提案されており、特許文献１では、活性層への定常的な電流注入によって得られるレーザ光を、外部変調器の光吸収率を変化させて出力光をオン・オフしている。

また、特許文献２では、ＶＣＳＥＬの一対の分布ブラッグ反射器の一方の屈折率を、電界あるいはキャリア注入あるいは光注入で変化させて、分布ブラッグ反射器の共振波長を変化させるようにしており、分布ブラッグ反射器の共振波長と発光波長との波長差が変化することにより、レーザ光強度を高速に変調している。

また、非特許文献１では、光学的に結合した２重共振器を有するＶＣＳＥＬにおいて、一方の共振器内には活性層を備え、他方の共振器にはＧａＡｓ吸収層を備えている。活性層には直流電流を加え、ＧａＡｓ吸収層に逆バイアスをかけて、レーザ光出力強度を２ＧＨｚで変調（光スイッチング）している。
特開平５−１５２６７４号公報特開平５−６３３０１号公報Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６，ｐｐ．１９７５−１９７７（２０００）

上述した特許文献１に記載された素子においては、光吸収層の上下に多層膜反射鏡を設けて、その共鳴効果で光の吸収率を増加させて変調している。そのため、共鳴波長と一致する波長の光については吸収率を大きく変化させられるが、共鳴波長と異なる波長の光に対しては、光吸収層の層厚が薄いため吸収率の変化が小さくなっている。従って、上記素子を有効に動作させるためには、ＶＣＳＥＬの発振波長と光吸収層の共鳴波長とを厳密に一致させる必要があり、作製が困難である。

また、特許文献２，非特許文献１に記載された素子は、いずれも活性層に注入する電流を一定にしておいて、共振器の吸収損失や屈折率を変化させることによって、レーザ光出力強度を変調している。このとき、素子内部の光出力の変化によって、誘導放出レートが変化するため、活性層に注入する電流は一定であっても、活性層内部のキャリア密度は増減している。そのため、活性層にキャリアを蓄積するための時間が必要であり、変調速度を律速する原因となっている。

本発明は、活性層のキャリア密度変動を抑制し、従来よりも高速変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および光送信モジュールおよび光伝送装置および光スイッチング方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、
前記活性層は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高い利得を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有し、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が低い反射損失を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいことを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記光吸収層は、多重量子井戸構造で構成されていることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡の導電型がｎ型であり、第２の半導体多層膜反射鏡の導電型がｐ型であることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層に注入する電流を狭窄する電流狭窄手段と、光吸収層に対して電界を印加する領域中において導電部の周囲を囲む高抵抗領域とを有していることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層に電流を狭窄する電流狭窄手段は、水平横方向に屈折率差を有する構造であり、光吸収層に対して電界を印加する領域中の高抵抗領域は、イオン注入により形成されたものであることを特徴としている。

また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴としている。

また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共鳴波長を掃引する波長掃引機構を有していることを特徴としている。

また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段とを備えていることを特徴とする光送信モジュールである。

また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段と、受光素子とを有していることを特徴とする光伝送装置である。

また、請求項１２記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、
前記活性層は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高い利得を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きくなっており、
短波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層には電界を印加せず、長波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層に電界を印加して、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される光の波長を切替えることを特徴とする光スイッチング方法である。

また、請求項１３記載の発明は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有し、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が低い反射損失を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きくなっており、
短波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層には電界を印加せず、長波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層に電界を印加して、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される光の波長を切替えることを特徴とする光スイッチング方法である。

請求項１，請求項１２記載の発明によれば、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、
前記活性層は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高い利得を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいので、
光吸収層に電界を加えない場合には、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長でレーザ発振し、一方、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加すると、短波長側の共鳴波長に対して吸収係数が大きくなるため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長にシフトする。従って、光吸収層に加える電界（バイアス）を変調することにより、ＶＣＳＥＬのレーザ光を波長変調することが可能となる。

光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は、半導体レーザの緩和振動周波数よりも高くできる。また、波長変調では常にレーザ発振状態が維持されており、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができるため、一層高速に変調することができる。これにより、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光源を、外部変調器を用いない簡易な構成で実現することができる。

また、請求項２，請求項１３記載の発明によれば、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有し、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が低い反射損失を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいので、
光吸収層に電界を加えない場合には、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長でレーザ発振し、一方、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加すると、短波長側の共鳴波長に対して吸収係数が大きくなるため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長にシフトする。従って、光吸収層に加える電界（バイアス）を変調することにより、ＶＣＳＥＬのレーザ光を波長変調することが可能となる。

また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記光吸収層は、多重量子井戸構造で構成されているので、バルク光吸収層に比べて急峻な光吸収端を得ることができる。従って、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加したときに、短波長側の共鳴波長と長波長側の共鳴波長とで吸収係数の違いを大きくとることができ、波長変調が安定に動作する。

また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡の導電型がｎ型であり、第２の半導体多層膜反射鏡の導電型がｐ型であることにより、素子抵抗を下げて、ＶＣＳＥＬの消費電力を低減することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることにより、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を減らして、ＶＣＳＥＬの閾値電流低減や、外部量子効率を増加させることができる。

また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層に注入する電流を狭窄する電流狭窄手段と、光吸収層に対して電界を印加する領域中において導電部の周囲を囲む高抵抗領域とを有しているので、寄生容量を低減して光吸収層に印加する電界の電気的な変調帯域を向上させることができる。

また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層に電流を狭窄する電流狭窄手段は、水平横方向に屈折率差を有する構造であり、光吸収層に対して電界を印加する領域中の高抵抗領域は、イオン注入により形成されたものであり、活性層に注入する電流を狭窄する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を用いているので、ＶＣＳＥＬ内部での回折損失が抑制され、閾値電流が低減される。また、光吸収層に対して電界を印加する領域中の高抵抗領域をイオン注入により形成したことにより、高抵抗領域の厚さを厚く形成することができ、寄生容量が一層低減され、光吸収層の電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。

また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層及び光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されており、活性層及び光吸収層を窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成したことにより、石英光ファイバの伝送に適した長波長帯のＶＣＳＥＬをＧａＡｓ基板上に形成できる。そのため、半導体多層膜反射鏡として、高反射率で熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能のＶＣＳＥＬを形成することができる。

また、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍ近傍でＶＣＳＥＬを動作させることができるため、レーザ光を波長変調動作させた場合でも、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。

また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、二つの共鳴波長を掃引する波長掃引機構を有しているので、活性層の利得ピーク波長と共振モード波長との差や、多層膜反射鏡の高反射帯域と共振モード波長との差や、光吸収層の吸収端波長と共振モード波長との差を素子ごとに調節して最適化することが可能となり、変調動作を安定化させることができる。

また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段とを備えているので、単チャンネル当たり１０Ｇｂｐｓを超えて（例えば４０Ｇｂｐｓで）ＶＣＳＥＬを直接電圧駆動し、レーザ光出力強度を高速変調することができる。従って、大容量伝送に用いられる光送信モジュールを小型，低コストで形成することができる。

また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段と、受光素子とを有しているので、外部変調器を用いることなく単チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える（例えば４０Ｇｂｐｓの）光信号伝送が可能である。

また、環境温度変化によるＶＣＳＥＬの発振波長の変化に比べて、十分大きな波長変調を行うことができるため、電子冷却素子による精密な温度制御が不要であり、ＶＣＳＥＬを低コストで製造することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とを有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、上記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、前記活性層は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高い利得を有しており、前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいことを特徴としている。

本発明の第１の形態では、光吸収層に電界を加えない場合には、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長でレーザ発振し、一方、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加すると、短波長側の共鳴波長に対して吸収係数が大きくなるため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長にシフトする。従って、光吸収層に加える電界（バイアス）を変調することにより、ＶＣＳＥＬのレーザ光を波長変調することが可能となる。

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とを有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、上記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が低い反射損失を有しており、前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいことを特徴としている。

本発明の第２の形態では、光吸収層に電界を加えない場合には、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長でレーザ発振し、一方、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加すると、短波長側の共鳴波長に対して吸収係数が大きくなるため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長にシフトする。従って、光吸収層に加える電界（バイアス）を変調することにより、ＶＣＳＥＬのレーザ光を波長変調することが可能となる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記光吸収層は、多重量子井戸構造で構成されていることを特徴としている。

本発明の第３の形態では、前記光吸収層は、多重量子井戸構造で構成されているので、バルク光吸収層に比べて急峻な光吸収端を得ることができる。従って、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加したときに、短波長側の共鳴波長と長波長側の共鳴波長とで吸収係数の違いを大きくとることができ、波長変調が安定に動作する。

（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１乃至第３のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡の導電型がｎ型であり、第２の半導体多層膜反射鏡の導電型がｐ型であることを特徴としている。

本発明の第４の形態では、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡の導電型がｎ型であり、第２の半導体多層膜反射鏡の導電型がｐ型であることにより、素子抵抗を下げて、ＶＣＳＥＬの消費電力を低減することができる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第１乃至第３のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることを特徴としている。

本発明の第５の形態では、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることにより、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を減らして、ＶＣＳＥＬの閾値電流低減や、外部量子効率を増加させることができる。

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層に注入する電流を狭窄する電流狭窄手段と、光吸収層に対して電界を印加する領域中において導電部の周囲を囲む高抵抗領域とを有していることを特徴としている。

本発明の第６の形態では、光吸収層に対して電界を印加する領域中において導電部の周囲を囲む高抵抗領域とを有しているので、寄生容量を低減して光吸収層に印加する電界の電気的な変調帯域を向上させることができる。

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第６の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層に電流を狭窄する電流狭窄手段は、水平横方向に屈折率差を有する構造であり、光吸収層に対して電界を印加する領域中の高抵抗領域は、イオン注入により形成されたものであることを特徴としている。

本発明の第７の形態では、活性層に注入する電流を狭窄する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を用いているので、ＶＣＳＥＬ内部での回折損失が抑制され、閾値電流が低減される。また、光吸収層に対して電界を印加する領域中の高抵抗領域をイオン注入により形成したことにより、高抵抗領域の厚さを厚く形成することができ、寄生容量が一層低減され、光吸収層の電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。

（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垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性層及び光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴としている。

本発明の第８の形態では、活性層及び光吸収層を窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成したことにより、石英光ファイバの伝送に適した長波長帯のＶＣＳＥＬをＧａＡｓ基板上に形成できる。そのため、半導体多層膜反射鏡として、高反射率で熱伝導性に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを用いることができ、高性能のＶＣＳＥＬを形成することができる。

（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垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、二つの共鳴波長を掃引する波長掃引機構を有していることを特徴としている。

本発明の第９の形態では、二つの共鳴波長を掃引する波長掃引機構を有しているので、活性層の利得ピーク波長と共振モード波長との差や、多層膜反射鏡の高反射帯域と共振モード波長との差や、光吸収層の吸収端波長と共振モード波長との差を素子ごとに調節して最適化することが可能となり、変調動作を安定化させることができる。

（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段とを備えていることを特徴とする光送信モジュールである。

本発明の第１０の形態では、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段とを備えているので、単チャンネル当たり１０Ｇｂｐｓを超えて（例えば４０Ｇｂｐｓで）ＶＣＳＥＬを直接電圧駆動し、レーザ光出力強度を高速変調することができる。従って、大容量伝送に用いられる光送信モジュールを小型，低コストで形成することができる。

（第１１の形態）
本発明の第１１の形態は、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段と、受光素子とを有していることを特徴とする光伝送装置である。

本発明の第１１の形態では、第１乃至第９のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段と、受光素子とを有しているので、外部変調器を用いることなく単チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える（例えば４０Ｇｂｐｓの）光信号伝送が可能である。

（第１２の形態）
本発明の第１２の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられている垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、上記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、前記活性層は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高い利得を有しており、前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きくなっており、短波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層には電界を印加せず、長波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層に電界を印加して、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される光の波長を切替えることを特徴とする光スイッチング方法である。

本発明の第１２の形態では、光吸収層に電界を加えない場合には、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長でレーザ発振し、一方、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加すると、短波長側の共鳴波長に対して吸収係数が大きくなるため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長にシフトする。従って、光吸収層に加える電界（バイアス）を変調することにより、ＶＣＳＥＬのレーザ光を波長変調することが可能となる。

光吸収層に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は、半導体レーザの緩和振動周波数よりも高くできる。また、波長変調では常にレーザ発振状態が維持されており、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができるため、一層高速に変調することができる。これにより、チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える大容量伝送が可能になる。

（第１３の形態）
本発明の第１３の形態は、基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡、第１の共振器、第２の半導体多層膜反射鏡、第２の共振器、第３の半導体多層膜反射鏡を備え、第１の共振器と第２の共振器のいずれか一方には活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられている垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、上記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）は、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が低い反射損失を有しており、前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きくなっており、短波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層には電界を印加せず、長波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層に電界を印加して、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）から出射される光の波長を切替えることを特徴とする光スイッチング方法である。

本発明の第１３の形態では、光吸収層に電界を加えない場合には、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長でレーザ発振し、一方、光吸収層に電界（逆バイアス）を印加すると、短波長側の共鳴波長に対して吸収係数が大きくなるため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長にシフトする。従って、光吸収層に加える電界（バイアス）を変調することにより、ＶＣＳＥＬのレーザ光を波長変調することが可能となる。

図１は、本発明の実施例１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図１を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板１０１上には、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２、第１のスペーサ層１０３、活性層１０４、第２のスペーサ層１０５、第２導電型のＤＢＲ１０６、第３のスペーサ層１０７、光吸収層１０８、第４のスペーサ層１０９、第１導電型の上部ＤＢＲ１１０が順次に積層されている。

ここで、ＤＢＲは、高屈折率層と低屈折率層とが発振波長の４分の１の光学長で交互に積層されて形成されている。第１導電型の下部ＤＢＲ１０２と第２導電型のＤＢＲ１０６とではさまれた領域は、発振波長の１波長分の光学長になる厚さとなっており、第１の共振器を構成している。また、第２導電型のＤＢＲ１０６と第１導電型の上部ＤＢＲ１１０とではさまれた領域は、発振波長の１波長分の光学長になる厚さとなっており、第２の共振器を構成している。第１の共振器と第２の共振器は共振器長を等しくしているが、間に設けられた第２導電型のＤＢＲ１０６の積層周期数を、例えば１０周期以下と薄くすることにより、第１の共振器と第２の共振器は光学的に結合して、二つの共鳴波長を形成している。

また、上記積層構造の表面から第２導電型のＤＢＲ１０６の途中までエッチングされて、メサ構造が形成されている。第１導電型の上部ＤＢＲ１１０の表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。そして、メサ構造の底面には、第２の電極１１２が形成されている。また、基板１０１の裏面には、第３の電極１１３が形成されている。

第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向電流を流すことにより、活性層１０４にキャリアが注入されて発光する。また、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを加えることにより、フランツ・ケルディッシュ効果で光吸収層の吸収端が長波長側にシフトする。

以下、本実施例１の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板１０１はｐ型ＧａＡｓ基板で構成されており、第１導電型の下部ＤＢＲ１０２は、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に３０．５周期積層して形成されている。また、第１のスペーサ層１０３は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、活性層１０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層１０５は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ１０６は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層１０７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、光吸収層１０８は、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓで形成され、第４のスペーサ層１０９は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、第１導電型の上部ＤＢＲ１１０は、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に１５周期積層して形成されている。

本実施例１では、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合して形成された二つの共鳴波長は、例えば８５０ｎｍと８６０ｎｍとになっている。光吸収層１０８は、電界を加えない場合、長波長側の共鳴波長（８６０ｎｍ）と短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）の両方に対してほぼ透明となっているが、活性層１０４の利得ピーク波長は、短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）以下になるように構成されている（図１０（ａ）参照）。従って、活性層１０４の利得は、長波長側の共鳴波長（８６０ｎｍ）よりも短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）の方が高くなっているため、通常、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）でレーザ発振する。

これに対し、光吸収層１０８に逆バイアスを印加すると、光吸収層１０８の吸収端が長波長側にシフトすることにより、短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）に対して吸収係数が増加する。一方、長波長側の共鳴波長（８６０ｎｍ）では、短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）に比べて吸収係数が小さく、ほぼ透明のままとなる（図１０（ｂ）参照）。従って、短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）においては、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失が増加してしまうため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長（８６０ｎｍ）にシフトする。

これより、本実施例１のＶＣＳＥＬにおいては、活性層１０４に注入する電流を閾値電流よりも高い値で一定にしておき、光吸収層１０８に加えるバイアスを変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共鳴波長（８５０ｎｍ）と長波長側の共鳴波長（８６０ｎｍ）との間で、高速に波長変調（スイッチング）することが可能となる。

光吸収層１０８に電界を加えたときの吸収係数変化の速度は、半導体レーザの緩和振動周波数よりも高く、４０ＧＨｚ以上で高速変調させることが可能である。さらに、本実施例１では、レーザ光出力強度ではなく発振波長を変調しているため、常にレーザ発振状態が維持されており、活性層内のキャリア密度変化を抑制することができる。そのため、活性層にキャリアを蓄積する時間が不要であり、一層高速に変調することができる。

以上の動作により、本実施例１では、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ＶＣＳＥＬを、外部変調器を用いない１つの素子で形成することができる（すなわち、簡易な構成で実現することができる）。

光吸収層１０８の吸収端（エネルギーバンドギャップに対応）は、電界を印加しない場合には短波長側の共鳴波長よりも短波長に位置し、電界を印加した場合には短波長側の共振モードと長波長側の共振モードとの間に位置することが好ましい。この場合に、電界印加による光吸収係数の変化を最も大きくすることができる。

電界を印加しない場合の光吸収層１０８の吸収端は短波長側の共鳴波長よりも短波長に位置するが、光吸収層１０８の吸収端と短波長側の共鳴波長に対応するエネルギー差は３０ｍｅＶ以下が好ましい。これにより、光吸収層１０８に印加する電圧を３Ｖ以下の低電圧で駆動することができる。

また、従来の電界吸収型光変調器は連続的にレーザ発振している光を光吸収層で吸収することで光強度を減衰させている。そのため、光強度変調のＳ／Ｎ比を大きくとるためには、光吸収層の光吸収係数を大きくしたり、光吸収領域を長くする必要があった。これに対し、本発明では、短波長側の共鳴波長よりも長波長側の共鳴波長を優先して発振させられる程度に光吸収させることで動作する。従って、光吸収係数の変化を従来よりも小さくすることができ、低い電圧で変調動作させることが可能である。

なお、前述の特許文献２においても、ＶＣＳＥＬの一対の分布ブラッグ反射器の一方の屈折率を、電界あるいはキャリア注入あるいは光注入で変化させることで、分布ブラッグ反射器の共振波長を変化させている。しかしながら、上記屈折率の変化量は微量であるため、波長シフト量を数ｎｍ以下でしか実現することができない。これに対し、本実施例１では、二つの共振器が光学的に結合した二つの共鳴波長間で波長スッチングを行うため、波長変化量を、例えば１０〜２０ｎｍと大きくとることができる。従って、環境温度変化によるＶＣＳＥＬ発振波長の変化に比べて、十分大きな波長変調を行うことができ、ＶＣＳＥＬをペルチェ素子等で温度制御する必要がない。

なお、本実施例１においては、活性層１０４を基板側の第１の共振器内に設け、光吸収層１０８を光出射側の第２の共振器内に設けているが、本発明の原理上、活性層１０４を第２の共振器内に設け、光吸収層１０８を第１の共振器内に設けることも可能である。

図２は、本発明の実施例２の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図２を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板２０１上には、第１導電型の下部ＤＢＲ２０２、第１のスペーサ層２０３、活性層２０４、第２のスペーサ層２０５、第２導電型のＤＢＲ２０６、第３のスペーサ層２０７、光吸収層２０８、第４のスペーサ層２０９、第１導電型の上部ＤＢＲ２１０が順次に積層されている。

ここで、積層構成は、実施例１と基本的に同様である。

以下、本実施例２の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板２０１はｐ型ＧａＡｓ基板で構成されており、第１導電型の下部ＤＢＲ２０２は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に３０．５周期積層して形成されている。また、第１のスペーサ層２０３は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、活性層２０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層２０５は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ２０６は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層２０７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、光吸収層２０８は、ＧａＡｓで形成され、第４のスペーサ層２０９は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、第１導電型の上部ＤＢＲ２１０はｐ型ＧａＡｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に１５周期積層して形成されている。

本実施例２では、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合して形成された二つの共鳴波長は、例えば９００ｎｍと９１０ｎｍとになっている。活性層２０４の利得は、短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）と長波長側の共鳴波長（９１０ｎｍ）とでほぼ同じとなっている。

また、光吸収層２０８の吸収端は、電界を加えない場合、短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）よりも短波長側に位置しており、長波長側の共鳴波長（９１０ｎｍ）と短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）の両方に対して透明となっているが、第１導電型の上部ＤＢＲ２１０の反射中心波長は、短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）よりも短波長側となっている。従って、第１導電型の上部ＤＢＲ２１０の反射率は、長波長側の共鳴波長（９１０ｎｍ）よりも短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）の方が高くなっている（図１１（ａ）参照）。そのため、長波長側の共鳴波長（９１０ｎｍ）よりも短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）の方が低い反射損失を有しており、通常、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）でレーザ発振する。

これに対し、光吸収層２０８に逆バイアスを印加すると、光吸収層２０８の吸収端が長波長側にシフトすることにより、短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）に対しては吸収係数が大きくなり、長波長側の共鳴波長（９１０ｎｍ）に対しては透明のままとなる（図１１（ｂ）参照）。従って、短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）においては、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失が増加してしまうため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長（９１０ｎｍ）にシフトする。

これより、本実施例２のＶＣＳＥＬにおいては、活性層２０４に注入する電流を閾値電流よりも高い値で一定にしておき、光吸収層２０８に加えるバイアスを変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）と長波長側の共鳴波長（９１０ｎｍ）との間で、高速に波長変調（スイッチング）することが可能となる。

本実施例２では、第１導電型の上部ＤＢＲ２１０の反射中心波長を短波長側の共鳴波長（９００ｎｍ）よりも短波長になるように設定しているが、第１導電型の下部ＤＢＲ２０２、または第２導電型のＤＢＲ２０６の反射中心波長を短波長側の共鳴波長よりも短波長にすることによって、同様に長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長のほうが低い反射損失となるように構成することも可能である。

また、活性層２０４の利得を短波長側の共鳴波長と長波長側の共鳴波長とでほぼ同じとなるようにするために、利得ピーク波長が異なる量子井戸層を複数積層した多重量子井戸構造で活性層２０４を構成することも可能である。

図３は、本発明の実施例３の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図３を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板３０１上には、第１導電型の下部ＤＢＲ３０２、第１のスペーサ層３０３、活性層３０４、第２のスペーサ層３０５、第２導電型のＤＢＲ３０６、第３のスペーサ層３０７、量子井戸光吸収層３０８、第４のスペーサ層３０９、第１導電型の上部ＤＢＲ３１０が順次に積層されている。

ここで、積層構成は、実施例１と基本的に同様である。

以下、本実施例３の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板３０１はｐ型ＧａＡｓ基板で構成されており、第１導電型の下部ＤＢＲ３０２は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に３０．５周期積層して形成されている。また、第１のスペーサ層３０３は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、活性層３０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層３０５は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ３０６は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層３０７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、量子井戸光吸収層３０８は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層３０９は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、第１導電型の上部ＤＢＲ３１０は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に１５周期積層して形成されている。

本実施例３では、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合して形成された二つの共鳴波長は、例えば９７０ｎｍと９９０ｎｍとになっている。光吸収層３０８の吸収端は、電界を加えない場合、短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）よりも短波長側に位置しており、長波長側の共鳴波長（９９０ｎｍ）と短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）の両方に対して透明となっているが、活性層３０４の利得ピーク波長は、短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）以下になるように構成されている。従って、活性層３０４の利得は、長波長側の共鳴波長（９９０ｎｍ）よりも短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）の方が高くなっているため、通常、ＶＣＳＥＬは短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）でレーザ発振する。

これに対し、光吸収層３０８に逆バイアスを印加すると、光吸収層３０８の吸収端は、量子閉じ込めシュタルク効果により、短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）と長波長側の共鳴波長（９９０ｎｍ）との間にシフトする。これにより、短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）に対しては吸収係数が大きくなり、長波長側の共鳴波長（９９０ｎｍ）に対しては透明のままとなる。従って、短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）においては、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失が増加してしまうため、ＶＣＳＥＬの発振波長は長波長側の共鳴波長（９９０ｎｍ）にシフトする。

これより、本実施例３のＶＣＳＥＬにおいては、活性層３０４に注入する電流を閾値電流よりも高い値で一定にしておき、光吸収層３０８に加えるバイアスを変調することにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）と長波長側の共鳴波長（９９０ｎｍ）との間で、高速に波長変調（スイッチング）することが可能となる。

本実施例３では、光吸収層３０８として、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造を用いていることを特徴としている。光吸収層３０８として、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造を用いるときには、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層に励起子が閉じ込められることで、逆バイアスを加えた場合でも、バルク光吸収層に比べて急峻な光吸収端を得ることができる。従って、光吸収層３０８に逆バイアスを印加したときに、短波長側の共鳴波長（９７０ｎｍ）と長波長側の共鳴波長（９９０ｎｍ）とで吸収係数の違いを大きくとることが可能となる（図１２参照）。

なお、本実施例３では、光吸収層として、井戸層に歪を含むＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造を用いたが、歪を含まない多重量子井戸構造や、井戸層と障壁層が反対方向の歪を有する歪補償構造や、単一量子井戸構造を用いることも可能である。

図４は、本発明の実施例４の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図４を参照すると、ｎ型の半導体単結晶基板４０１上には、ｎ型の下部ＤＢＲ４０２、第１のスペーサ層４０３、活性層４０４、第２のスペーサ層４０５、ｐ型のＤＢＲ４０６、第３のスペーサ層４０７、光吸収層４０８、第４のスペーサ層４０９、ｎ型の上部ＤＢＲ４１０が順次に積層されている。

以下、本実施例４の構成を、より具体的な例を用いて説明する。ｎ型の半導体単結晶基板４０１はｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、ｎ型の下部ＤＢＲ４０２は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に３０．５周期積層して形成されている。また、第１のスペーサ層４０３は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、活性層４０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層４０５は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成されている。また、ｐ型のＤＢＲ４０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型ＡｌＡｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層４０７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、光吸収層４０８は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層４０９は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、ｎ型の上部ＤＢＲ４１０は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に１５周期積層して形成している。

本実施例４の特徴は、基板の導電型をｎ型とし、ｎｐｎ構造とした点である。この点を除いて、実施例３と構成，動作は同様である。

下部ＤＢＲ４０２及び上部ＤＢＲ４１０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ため、ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の積層周期が多くなる。一方、第１の共振器と第２の共振器の間に設けられたＤＢＲ４０６は、二つの共振器が光学的に結合する必要があるため、積層周期を１０周期以下と少なくする必要がある。

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ＤＢＲの抵抗は、ｎ型半導体層を積層したＤＢＲよりも抵抗が高くなる。

そこで、本実施例４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下部ＤＢＲ４０２及び上部ＤＢＲ４１０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、ＶＣＳＥＬの消費電力を低減することができる。

図５は、本発明の実施例５の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図５を参照すると、単結晶基板５０１上には、低キャリア濃度の下部ＤＢＲ５０２、第１のスペーサ層５０３、活性層５０４、第２のスペーサ層５０５、ｐ型またはｎ型のＤＢＲ５０６、第３のスペーサ層５０７、光吸収層５０８、第４のスペーサ層５０９、低キャリア濃度の上部ＤＢＲ５１０が順次に積層されている。

上記積層構造の表面から第４のスペーサ層５０９の表面までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｐ型またはｎ型のＤＢＲ５０６の途中までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。さらに、第２のメサ構造よりも大きいサイズで、第１のスペーサ層５０３までエッチングされて、第３のメサ構造が形成されている。

そして、第１のメサ構造底面（第２のメサ構造最表面）には、第１の電極１１１が形成されている。また、第２のメサ構造底面（第３のメサ構造最表面）には、第２の電極１１２が形成されている。また、第３のメサ構造底面には、第３の電極１１３が形成されている。

第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に順方向電流を流すことにより、活性層５０４にキャリアが注入されて発光する。また、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層５０８の吸収端が長波長側にシフトする。

以下、本実施例５の構成を、より具体的な例を用いて説明する。単結晶基板５０１は半絶縁性ＧａＡｓ基板で構成されており、下部ＤＢＲ５０２は、低キャリア濃度ＧａＡｓと低キャリア濃度ＡｌＡｓとを交互に３０．５周期積層して形成されている。また、第１のスペーサ層５０３は、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、活性層５０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層５０５は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成されている。また、ＤＢＲ５０６は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層５０７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、光吸収層５０８は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層５０９は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、上部ＤＢＲ５１０は、低キャリア濃度ＧａＡｓと低キャリア濃度ＡｌＡｓとを交互に１５周期積層して形成されている。

本実施例５の特徴は、上部ＤＢＲと下部ＤＢＲを低キャリア濃度層とし、上部ＤＢＲと下部ＤＢＲ層中を電気が通らない構造とした点である。第１の電極１１１は、ｎ型の第４スペーサ層５０９上に形成されており、第３の電極１１３はｎ型の第１スペーサ層５０３中に形成されている。この点を除いて、実施例３と構成，動作は同様である。

ＤＢＲ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、自由キャリア吸収に加えて、価電子帯間吸収やオージェ再結合による光吸収が増加してしまう。

基板に隣接した下部ＤＢＲ５０２及び最表面側の上部ＤＢＲ５１０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り、多層膜反射鏡の積層周期数を多くしている。積層周期数が多い下部ＤＢＲ５０２及び上部ＤＢＲ５１０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。

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１０（１／ｃｍ）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、１Ｅ＋１８（１／ｃｍ^３）以下であることが望ましい。

低キャリア濃度層は、半導体層の結晶成長時にドーパントを供給せずに成長することにより形成することができる。あるいは、ドナーとアクセプター濃度を制御して補償し、キャリア濃度を低減することによって形成したり、キャリアを不活性化する不純物を添加して形成することも可能である。

図６は、本発明の実施例６の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図６を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板６０１上には、第１導電型の下部ＤＢＲ６０２、Ａｌを含む半導体層６１１、第１のスペーサ層６０３、光吸収層６０４、第２のスペーサ層６０５、第２導電型のＤＢＲ６０６、第３のスペーサ層６０７、活性層６０８、第４のスペーサ層６０９、Ａｌを含む半導体層６１２、第１導電型の上部ＤＢＲ６１０が順次に積層されている。

上記積層構造の表面から第２導電型のＤＢＲ６０６の途中までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。また、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、第１導電型の下部ＤＢＲ６０２の途中までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。

第１のメサ構造及び第２のメサ構造の側面から、Ａｌを含む半導体層６１１，６１２が選択的に酸化されてＡｌ酸化層６１３が形成されている。

第１導電型の上部ＤＢＲ６１０の表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。そして、第１のメサ構造底面（第２のメサ構造最表面）には、第２の電極１１２が形成されている。また、基板１０１裏面には、第３の電極１１３が形成されている。

第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に順方向電流を流すことにより、活性層６０８にキャリアが注入されて発光する。また、第２の電極１１２と第３の電極１１３との間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層６０４の吸収端が長波長側にシフトする。

以下、本実施例６の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板６０１はｐ型ＧａＡｓ基板で構成されており、下部ＤＢＲ６０２は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に３０．５周期積層して形成されている。また、Ａｌを含む半導体層６１１は、ｐ型ＡｌＡｓで形成され、第１のスペーサ層６０３は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、光吸収層６０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層６０５は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成されている。また、第２導電型のＤＢＲ６０６は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層６０７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、活性層６０８は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層６０９は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、Ａｌを含む半導体層６１２は、ｐ型ＡｌＡｓで形成され、上部ＤＢＲ６１０は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に１５周期積層して形成されている。

ｐ型ＡｌＡｓ層６１２が選択的に酸化されたＡｌ酸化領域６１３は絶縁層となっており、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に順方向電流を流してキャリアを活性層６０８に注入するときに、キャリアをメサ構造の中央部に狭窄する働きをしている。また、ｐ型ＡｌＡｓ層６１１が選択的に酸化されたＡｌ酸化領域６１３は容量を形成するが、直列に接続されるため、系全体の容量は低下する。従って、電極１１２と電極１１３との間にバイアスを印加して光吸収層６０４にかかる電圧を変調させる場合に、ＣＲ時定数を減少させて、光吸収層６０４に変調電圧を印加するときの電気的な変調帯域を高くすることができる。

なお、ｐ型ＡｌＡｓ層６１１を全面的に酸化してしまうと光吸収層６０４にかかる電界が低下してしまうため、電極１１２と電極１１３との間に外部から印加したバイアスが同じでも光吸収層の吸収変化が小さくなってしまう。従って、ｐ型ＡｌＡｓ層６１１において、非酸化領域を中央部に形成する必要がある。

本実施例６においては、活性層に対する電流狭窄手段、及び光吸収層に対して電界を印加する領域に設けた絶縁領域として、Ａｌ酸化層を用いているが、この他に、特定の半導体層を側面から選択的にサイドエッチングしたエアギャップ構造や、イオン注入により形成した高抵抗領域を用いることも可能である。

図７は、本発明の実施例７の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図７を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板７０１上には、第１導電型の下部ＤＢＲ７０２、第１のスペーサ層７０３、光吸収層７０４、第２のスペーサ層７０５、第２導電型のＤＢＲ７０６、Ａｌを含む半導体層７１１、第３のスペーサ層７０７、活性層７０８、第４のスペーサ層７０９、第１導電型の上部ＤＢＲ７１０が順次に積層されている。

上記積層構造の表面から第２導電型のＤＢＲ７０６の途中までエッチングされて、メサ構造が形成されている。そして、メサ構造の側面から、Ａｌを含む半導体層７１１が選択的に酸化されてＡｌ酸化層７１２が形成されている。また、メサ構造底面からイオン注入を行い、メサ部周辺の光吸収層７０４近傍に高抵抗領域７１３が形成されている。

また、第１導電型の上部ＤＢＲ１１０表面には、光出射部を除いて第１の電極１１１が形成されている。そして、メサ構造底面には、第２の電極１１２が形成されている。また、基板１０１裏面には、第３の電極１１３が形成されている。

以下、本実施例７の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板７０１はｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、下部ＤＢＲ７０２は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に３０．５周期積層して形成されている。第１のスペーサ層７０３は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、光吸収層７０４は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層７０５は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成されている。また、Ａｌを含む半導体層７１１は、ｐ型ＡｌＡｓで形成され、第２導電型のＤＢＲ７０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層７０７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、活性層７０８は、ＧａＩｎＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層７０９は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで形成され、上部ＤＢＲ７１０は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に１５周期積層して形成されている。

本実施例７においては、活性層７０８に注入する電流を狭窄する手段として、Ａｌを含む半導体層７１１を側面から選択的に酸化するＡｌ酸化狭窄構造が用いられている。Ａｌ酸化狭窄構造では、Ａｌを含む半導体層７１１を酸化することで、絶縁体であるＡｌ酸化層７１２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、電流を酸化されていない領域に狭窄することができる。

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くなるため、横方向に屈折率差が生じる。そのため、水平横方向に対して、光を酸化されていない領域に閉じ込める作用を有しており、ＶＣＳＥＬ内部での回折損失が抑制される。これにより、ＶＣＳＥＬの閾値電流が低減される。

また、光吸収層７０４に対して電界を印加する領域中に中央部を除いて設けられる半絶縁領域には、イオン注入により形成された高抵抗領域７１３が用いられている。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、注入された領域を高抵抗化することができ、電界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された高抵抗領域７１３は、Ａｌ酸化狭窄構造に比べて、積層方向の厚さが１桁以上厚くなる。従って、高抵抗領域７１３に形成される容量は、Ａｌ酸化狭窄構造を用いた場合に比べて低減される。これにより、光吸収層７０４に印加する電界を変調するときの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。

なお、本実施例７においては、活性層７０８に注入する電流を狭窄する手段として、Ａｌ酸化狭窄構造を用いているが、水平横方向に屈折率差が形成される電流狭窄手段であればよい。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、Ａｌを含む半導体層を側面から選択的に酸化するＡｌ酸化狭窄構造の他に、例えば特定の半導体層を側面から選択的にサイドエッチングするエアギャップ構造等がある。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は、エッチングされた領域（空気，真空など）よりも屈折率が高くなるため、光を水平横方向に閉じ込める作用を有する。

図８は、本発明の実施例８の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図８を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板８０１上には、第１導電型の下部ＤＢＲ８０２、第１のスペーサ層８０３、光吸収層８０４、第２のスペーサ層８０５、第２導電型のＤＢＲ８０６、Ａｌを含む半導体層７１１、第３のスペーサ層８０７、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体活性層８０８、第４のスペーサ層８０９、第１導電型の上部ＤＢＲ８１０が順次に積層されている。

本実施例８の特徴は、活性層８０８の材料として、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体を用いている点である。この点を除いて、基本的に構成，動作は実施例７と同様である。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ことを特徴としている。

以下、本実施例８の構成を、より具体的な例を用いて説明する。第１導電型の半導体単結晶基板８０１はｎ型ＧａＡｓ基板で構成されており、下部ＤＢＲ８０２は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に３５．５周期積層して形成されている。第１のスペーサ層８０３は、ＧａＡｓで形成され、光吸収層８０４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造で形成され、第２のスペーサ層８０５は、ＧａＡｓで形成されている。また、Ａｌを含む半導体層７１１は、ｐ型ＡｌＡｓで形成され、第２導電型のＤＢＲ８０６は、ｐ型ＧａＡｓとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に８．５周期積層して形成されている。また、第３のスペーサ層８０７は、ＧａＡｓで形成され、活性層８０８は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造で形成され、第４のスペーサ層８０９は、ＧａＡｓで形成され、上部ＤＢＲ８１０は、ｎ型ＧａＡｓとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとを交互に２０周期積層して形成されている。

下部ＤＢＲ８０２と第２導電型のＤＢＲ８０６とにはさまれた第１の共振器と、第２導電型のＤＢＲ８０６と上部ＤＢＲ８１０とにはさまれた第２の共振器とは、光学的に結合しており、二つの共鳴波長（１２９０ｎｍ，１３１０ｎｍ）を形成している。

窒素と他のＶ族元素との混晶半導体である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、井戸層からの電子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、ＧａＡｓとＡｌＡｓ、またはＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを積層した、高反射率，高熱伝導性のＤＢＲ上にエピタキシャル成長することができ、長波長帯で良好な性能のＶＣＳＥＬを形成可能である。

また、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近傍でＶＣＳＥＬを動作させることができる。本発明では、二つの波長間でＶＣＳＥＬの波長変調を実施しているが、波長分散が小さい１．３μｍ帯を用いることで、石英光ファイバ伝送後の波長分散による信号劣化を抑制することができる。

図１３（ａ）は、実施例９の光送信モジュールを示す図である。図１３（ａ）を参照すると、光送信モジュール９０１においては、光源９０６として実施例１〜８のいずれかに記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いている。また、直流電源９０４は、ＶＣＳＥＬ９０６の活性層に一定電流を注入し、レーザ発振させるようになっている。また、変調バイアス電源９０５は、外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ９０６の光吸収層に加える逆バイアスを変調させるようになっている。これにより、ＶＣＳＥＬの発振波長を変調することができる。

また、ＶＣＳＥＬ９０６から出力されたレーザ光は、波長選択素子９０７において特定の選択された波長のみが外部に出力されるようになっている。これにより、波長変調信号が光強度変調信号に変換される。

図１３（ｂ）は、光送信モジュール９０１のＶＣＳＥＬ９０６と波長選択素子９０７の構造を、より具体的に示した図である。図１３（ｂ）において、ＶＣＳＥＬ９０６は、実施例８記載のＶＣＳＥＬと同じ構造となっている。ＶＣＳＥＬ９０６から出力された光は、波長選択素子９０７に入射される。ここで、波長選択素子９０７として、誘電体多層膜フィルタを用いている。誘電体多層膜フィルタ９０７では、ＶＣＳＥＬ９０６の二つの共鳴波長（１２９０ｎｍ，１３１０ｎｍ）のうち、１２９０ｎｍの光は透過し、１３１０ｎｍの光を反射するように形成されている。これにより、光吸収層８０４に電界が印加されない場合には、誘電体多層膜フィルタ９０７を透過してレーザ光が出力され、光吸収層８０４に電界が印加された場合には、光強度がオフとなる。なお、誘電体多層膜フィルタ９０７は、ＶＣＳＥＬ９０６の出射方向と垂直な方向に対して傾斜して配置されており、誘電体多層膜フィルタ９０７で反射された光がＶＣＳＥＬ９０６に戻らない構造となっている。

上記構造により、単チャンネル当たり４０ＧｂｐｓでＶＣＳＥＬ９０６を直接電圧駆動することで、出力されるレーザ光強度を高速に変調することができる。従って、モジュールサイズが小さく、低コストの光送信モジュールを形成できる。

本実施例９では、波長選択素子９０７として、誘電体多層膜フィルタを用いたが、この他に、共振器構造，回折格子，干渉計等を用いることも可能である。

また、本実施例９では、光源部と駆動回路を１つのモジュールにパッケージングした例で示しているが、実施例１〜８のいずれかに記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と波長選択素子のみをパッケージングしてモジュールを構成することも可能である。

本実施例９の光送信モジュールは、光ファイバを用いたシリアル伝送システムだけでなく、パラレル伝送システム，波長多重伝送システムにも用いることができる。また、光ファイバを用いない空間光伝送システムに用いることも可能である。

図９は、実施例１０の光伝送装置の構成を示す図である。図９を参照すると、光送信部９０１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９０２に導入される。光ファイバケーブル９０２を導波した光は、光受信部９０３で再び電気信号に変換されて出力される。

光送信部９０１においては、光源９０６として実施例８記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いている。また、直流電源９０４は、ＶＣＳＥＬ９０６の活性層８０８に一定電流を注入し、レーザ発振させるようになっている。また、変調バイアス電源９０５は、光送信部に外部から入力された電気信号に応じて、ＶＣＳＥＬ９０６の光吸収層８０４に加える逆バイアスを変調させるようになっている。これにより、単チャンネル当たり４０Ｇｂｐｓの伝送容量で、ＶＣＳＥＬ９０６の発振波長を高速変調することができる。

光受信部９０３では、光ファイバケーブル９０２から出力された光信号を、波長選択素子９０７で波長ごとに分離し、特定の選択された波長が受光素子９０８で受光される。波長選択素子９０７を通ることによって、波長変調信号が光強度変調信号に変換される。受光素子９０８で受光された光信号は電気に変換され、受信回路９０９において、信号増幅，波形整形等がなされて、光受信部９０３から外部に出力される。

ここで、波長選択素子９０７としては、多層膜フィルタ，共振器構造，回折格子，干渉計等を用いることが可能である。また、本実施例１０では、波長選択素子を光受信部９０２内において受光素子９０８の直前に設けているが、光送信部９０１内におけるＶＣＳＥＬ９０６と光ファイバケーブル９０２との間や、光ファイバケーブル９０２の途中に設けることも可能である。

本実施例１０の光伝送装置では、光送信部９０１の光源９０６として、実施例８記載のＶＣＳＥＬを用いているため、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、変化させる波長シフト量を、例えば１０〜２０ｎｍと大きくとることができるため、環境温度変化によるＶＣＳＥＬ発振波長の変化に比べて、十分大きな波長変調を行うことができる。従って、電子冷却素子による精密な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。これにより、チャンネル当たり４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送装置を、低コストで構築することができる。

図１４は、本発明の実施例１１の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。図１４を参照すると、第１導電型の半導体単結晶基板４０１上には、第１導電型の下部ＤＢＲ４０２、第１のスペーサ層４０３、活性層４０４、第２導電型の第２スペーサ層４０５、アンドープＤＢＲ４０６、第２導電型の第３スペーサ層４０７、光吸収層４０８、第４のスペーサ層４０９、第１導電型の上部ＤＢＲ４１０が順次に積層されている。

上記積層構造の表面から第３のスペーサ層４０７の途中までエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで第２のスペーサ層４０５の途中までエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。第１導電型の上部ＤＢＲ４１０表面には、光出射部を除いて第１の電極１４０１が形成されている。そして、第１のメサ構造底面には第２の電極１４０２が形成されている。また、第２のメサ構造底面には第３の電極１４０３が形成されており、基板４０１裏面には第４の電極１４０４が形成されている。

第３の電極１４０３と第４の電極１４０４との間に順方向電流を流すことにより、活性層４０４にキャリアが注入されて発光する。また、第１の電極１４０１と第２の電極１４０２との間に逆方向バイアスを加えることにより、光吸収層４０８の吸収端が長波長側にシフトする。

本実施例１１の特徴は、第２の電極１４０２と第３の電極１４０３との間に電圧を印加することにより、アンドープＤＢＲ４０６に電界をかけて、アンドープＤＢＲ４０６の屈折率を変化させることができる点である。電界印加によりアンドープＤＢＲ４０６の屈折率が増加すると、アンドープＤＢＲ４０６のブラッグ波長が長波長にシフトする。これにより、第１の共振器と第２の共振器とが光学的に結合して形成された二つの共鳴波長をシフトさせることができる。これにより、活性層４０４の利得ピーク波長と共鳴波長との差や、第１導電型の上部ＤＢＲ４１０の反射スペクトルと共鳴波長との関係や、光吸収層４０８の吸収端波長と共鳴波長波長との差を電気的に調節して最適化することができる。これにより、波長変調動作を安定化させることができる。

本実施例１１では、共鳴波長を掃引するために、中央のＤＢＲ４０６に電界を印加して屈折率を変化させたが、この他に上部ＤＢＲ４１０や下部ＤＢＲ４０２に電界を印加して屈折率を変化させることも可能である。

本発明は、光通信システムや光インターコネクションシステムなどに利用可能である。

本発明の実施例１の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例２の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例３の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例４の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例５の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例６の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例７の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例８の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。本発明の実施例１０の光伝送装置の構成を示す図である。実施例１の垂直共振器型面発光レーザ装置の動作を説明するための図である。実施例２の垂直共振器型面発光レーザ装置の動作を説明するための図である。実施例３の垂直共振器型面発光レーザ装置における光吸収層の動作を説明するための図である。実施例９の光送信モジュールの構成を示す図である。本発明の実施例１０の垂直共振器型面発光レーザ装置を示す図である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１基板
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２，８０２下部ＤＢＲ
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，７０３，８０３第１のスペーサ層
１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０８，７０８，８０８活性層
１０５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５，７０５，８０５第２のスペーサ層
１０６，２０６，３０６，４０６，５０６，６０６，７０６，８０６ＤＢＲ
１０７，２０７，３０７，４０７，５０７，６０７，７０７，８０７第３のスペーサ層
１０８，２０８，３０８，４０８，５０８，６０４，７０４，８０４光吸収層
１０９，２０９，３０９，４０９，５０９，６０９，７０９，８０９第４のスペーサ層
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０，７１０，８１０上部ＤＢＲ
１１１第１の電極
１１２第２の電極
１１３第３の電極
６１１，６１２，７１１Ａｌを含む半導体層
６１３，７１２Ａｌ酸化領域
７１３高抵抗領域
９０１光送信部
９０２光ファイバケーブル
９０３光受信部
９０４直流電源
９０５変調バイアス電源
９０６ＶＣＳＥＬ
９０７波長選択素子
９０８受光素子
９０９受信回路
１４０１第１の電極
１４０２第２の電極
１４０３第３の電極
１４０４第４の電極

Claims

基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、
前記活性層は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高い利得を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有し、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が低い反射損失を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
請求項１または請求項２記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記光吸収層は、多重量子井戸構造で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡の導電型がｎ型であり、第２の半導体多層膜反射鏡の導電型がｐ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装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、第１の半導体多層膜反射鏡及び第３の半導体多層膜反射鏡が低キャリア濃度層で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層に注入する電流を狭窄する電流狭窄手段と、光吸収層に対して電界を印加する領域中において導電部の周囲を囲む高抵抗領域とを有していることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
請求項６記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層に電流を狭窄する電流狭窄手段は、水平横方向に屈折率差を有する構造であり、光吸収層に対して電界を印加する領域中の高抵抗領域は、イオン注入により形成されたもの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装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性層及び光吸収層は、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、二つの共鳴波長を掃引する波長掃引機構を有していることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段とを備えていることを特徴とする光送信モジュール。
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、光ファイバと、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される二つの共鳴波長のいずれかを選択する波長選択手段と、受光素子とを有していることを特徴とする光伝送装置。
基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有しており、
前記活性層は、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が高い利得を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きくなっており、
短波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層には電界を印加せず、長波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層に電界を印加して、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される光の波長を切替えることを特徴とする光スイッチング方法。
基板上に、第１の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡と、第３の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第１の共振器と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記第３の半導体多層膜反射鏡との間に設けられた第２の共振器とを備える垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、
前記第１の共振器と前記第２の共振器のいずれか一方にのみに活性層が設けられ、他方には光吸収層が設けられ、
前記第１の共振器および前記第２の共振器は、レーザ発振波長の光学長に基づいて構成され、
前記活性層に対して電流を注入する電流注入手段と、前記光吸収層に対して電界を印加するための電界印加手段とがさらに設けられ、
前記第１の共振器と前記第２の共振器とが光学的に結合していることにより、異なる二つの共鳴波長を有し、長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が低い反射損失を有しており、
前記光吸収層は、電界を印加しない場合には二つの共鳴波長で吸収係数が小さく、電界を印加した場合には長波長側の共鳴波長よりも短波長側の共鳴波長の方が吸収係数が大きくなっており、
短波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層には電界を印加せず、長波長側の共鳴波長の光を出射させるときには、光吸収層に電界を印加して、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出射される光の波長を切替えることを特徴とする光スイッチング方法。