JP5075292B2 - 電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュール - Google Patents

電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュール Download PDF

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Description

本発明は、電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュールに関するものである。
たとえば光インターコネクション用の光源として、イントラキャビティ構造を有する面発光レーザが開示されている（特許文献１、２参照）。イントラキャビティ構造とは、光共振器を構成する２つの反射鏡（たとえばＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー）の内側から、一方または両方の反射鏡を介さずに活性層に電流を注入する構造を意味する。
特許文献１に開示される面発光レーザは、基板上に下部ＤＢＲミラーが形成されている。そして、この下部ＤＢＲミラー上にｎ型コンタクト層と活性層とが順次形成され、かつｎ型コンタクト層上にｎ側電極が形成されている。また、活性層の上側には、ｐ側電極が形成されており、このｐ側電極より上側に上部ＤＢＲミラーが形成されている。特許文献１に開示される面発光レーザは、上部および下部ＤＢＲミラーの両方を介さずに活性層に電流を注入できるダブルイントラキャビティ構造を有している。特許文献１に開示される面発光レーザは、イントラキャビティ構造を有することによって、低しきい値電流および高電力効率を実現している。
ここで、下部ＤＢＲミラーを介さずに活性層に電流を注入するイントラキャビティ構造の場合は、通常は、寄生容量の低減等のために、下部ＤＢＲミラーはアンドープの半導体からなる。
特許文献１ 米国特許第６７５００７１号明細書
特許文献２ 特開２００４−１０３７５４号公報
非特許文献１ S.Sekiguchi, et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol.36, pp.2638-2639 (1997)
ところで、面発光レーザに限らず、変調した電気信号を印加して動作させる電子素子の場合、寄生容量によって電子素子のカットオフ周波数が低減したり、電子素子をアレイ状に構成した場合に素子間のクロストークが増大したりする等の問題が発生する。特に、近年、２０ＧＨｚ以上のカットオフ周波数の高周波特性が要求される中、寄生容量が低減された電子素子が強く望まれている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、寄生容量が低減された電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電子素子は、第１半導体層と第２半導体層との周期構造で構成される半導体多層構造を備える電子素子であって、前記半導体多層構造の少なくとも一部において、前記第１半導体層と前記第２半導体層とが互いに異なる導電型を有し、前記第１半導体層と前記第２半導体層とが互いに異なる屈折率を有しており、前記半導体多層構造は多層膜反射鏡として機能することを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、第１低屈折率層と該第１低屈折率層より高い屈折率を有する第１高屈折率層との周期構造で構成される下部半導体多層膜反射鏡と、第２低屈折率層と該第２低屈折率層より高い屈折率を有する第２高屈折率層との周期構造で構成される上部多層膜反射鏡と、前記下部半導体多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられた活性層と、前記活性層と前記下部半導体多層膜反射鏡との間に設けられ、前記活性層に電流を供給するための下部電極が形成された下部コンタクト層と、を備え、前記下部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部において、前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層とが互いに異なる導電型を有することを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、前記互いに異なる導電型を有する第１低屈折率層と第１高屈折率層とにおけるｐ型およびｎ型のキャリア濃度が、いずれも１×１０１７ｃｍ−３より小さいことを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡は、炭素を取り込む性質を有する元素を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、前記炭素を取り込む性質を有する元素はアルミニウム（Ａｌ）であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡において、前記第１低屈折率層がＡｌＧａＡｓからなり、前記第１高屈折率層が（Ａｌ）ＧａＡｓからなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡において、前記第１低屈折率層がＡｌＧａＩｎＰからなり、前記第１高屈折率層が（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡において、前記第１低屈折率層がＩｎＰからなり、前記第１高屈折率層がＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に設けられ、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜０．２）からなる電流注入部と選択酸化によって形成された（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、前記上部多層膜反射鏡と前記電流狭窄層との間に設けられ、前記活性層に電流を供給するための上部電極が形成された上部コンタクト層と、前記上部コンタクト層と前記電流狭窄層との間に設けられ、前記上部コンタクト層より高い導電率を有する高導電率層と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の発明において、カットオフ周波数が２０ＧＨｚ以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザアレイは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザが１次元または２次元のアレイ状に配列されたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザまたは上記の発明の面発光レーザアレイと、前記面発光レーザまたは前記面発光レーザアレイに変調信号を印加する制御器と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る光モジュールは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ、上記の発明の面発光レーザアレイ、または上記の発明の光源を備えることを特徴とする。
本発明によれば、よりいっそう寄生容量が低減された電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュールを実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る光源の構成を模式的に示した図である。 図２は、図１に示す面発光レーザのＡ−Ａ線要部断面図である。 図３は、計算したＤＢＲミラーのキャリア濃度と容量との関係を示す図である。 図４は、基板上にＤＢＲミラーを作製したサンプルの模式的な断面図である。 図５は、ＤＢＲミラーのｐ型キャリア濃度と容量との関係の測定結果を示す図である。 図６は、アンドープのＧａＡｓの形成条件と、導電性との関係を示す図である。 図７は、実施の形態２に係る面発光レーザアレイの模式的な斜視図である。 図８は、図７に示す面発光レーザアレイの模式的な平面図である。 図９は、実施の形態３に係る面発光レーザパッケージの模式的な断面図である。 図１０は、実施の形態４に係る光ピックアップの模式的な一部断面図である。 図１１は、実施の形態５に係る２つの光送受信モジュールが、２本の光導波路を介して接続している状態を示す模式的な平面図である。 図１２は、図１１に示す光送受信モジュールにおける面発光レーザと光導波路との光結合部分の一例を示す側面図である。 図１３は、面発光レーザと光導波路との光結合部分の他の一例を示す側面図である。 図１４は、面発光レーザと光導波路との光結合部分のさらに他の一例を示す一部断面側面図である。 図１５は、面発光レーザと光導波路との光結合部分のさらに他の一例を示す側面図である。 図１６は、実施の形態６に係る波長多重伝送システムの模式的な構成図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、図面において、同一または対応する要素には、適宜同一符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光源１００の構成を模式的に示した図である。図１に示すように、この光源１００は、電子素子の一例である面発光レーザ１０１と、面発光レーザ１０１を制御する制御器１０２とを備える。図２は、図１に示す面発光レーザ１０１のＡ−Ａ線要部断面図である。
図１、２に示すように、この面発光レーザ１０１は、面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層された下部半導体多層膜反射鏡として機能する下部ＤＢＲミラー２、下部コンタクト層であるｎ型コンタクト層３、下部電極であるｎ側電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、下部組成傾斜層８、電流狭窄層９、上部組成傾斜層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型高導電率層１２、ｐ型スペーサ層１３、上部コンタクト層であるｐ型コンタクト層１４、上部電極であるｐ側電極１５、上部多層膜反射鏡として機能する上部ＤＢＲミラー１６、ｎ側引出電極１７、およびｐ側引出電極１８を備える。
下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１６とは、光共振器を形成している。活性層６は、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１６との間に設けられている。電流狭窄層９は、上部ＤＢＲミラー１６と活性層６との間に設けられている。ｐ型コンタクト層１４は、上部ＤＢＲミラー１６と電流狭窄層９との間に設けられている。ｎ型コンタクト層３は、下部ＤＢＲミラー２と活性層６との間に設けられている。上部組成傾斜層１０および下部組成傾斜層８は、電流狭窄層９を挟むように形成されており、上部組成傾斜層１０はｐ型コンタクト層１４側に配置され、下部組成傾斜層８は活性層６側に配置されている。ｐ型高導電率層１２は、ｐ型コンタクト層１４と電流狭窄層９との間に設けられている。
また、ｎ型クラッド層５からｐ型コンタクト層１４までの積層構造は、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストＭとして形成されている。メサポスト径はたとえば直径３０μｍである。また、ｎ型コンタクト層３はメサポストＭの外周側に延設している。そして、ｐ側電極１５はｐ型コンタクト層１４上に形成され、ｎ側電極４はｎ型コンタクト層３上に形成されている。
つぎに、各構成要素について具体的に説明する。下部ＤＢＲミラー２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にアンドープＧａＡｓバッファ層を介して形成される。下部ＤＢＲミラー２は、ｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる第１低屈折率層である低屈折率層２ａと、ｎ型のＧａＡｓからなる第１高屈折率層である高屈折率層２ｂとの周期構造で構成された半導体多層膜ミラーとして形成されている。下部ＤＢＲミラー２は、低屈折率層２ａと高屈折率層２ｂとのペアを１ペアとすると、たとえば４０．５ペアからなる。また、低屈折率層２ａおよび高屈折率層２ｂの厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。低屈折率層２ａのｐ型キャリア濃度および高屈折率層２ｂのｎ型キャリア濃度は、いずれも５×１０１６ｃｍ−３である。
ｎ型コンタクト層３およびｎ型クラッド層５は、ｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型クラッド層７は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される（たとえば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓが望ましい。）。ｎ型クラッド層５とｐ型クラッド層７とは活性層６を挟むように形成されており、分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）構造を形成している。
また、ｐ型スペーサ層１１は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型高導電率層１２は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型スペーサ層１３は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。そして、ｐ型コンタクト層１４は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。
また、ｎ型クラッド層５、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層１１、１３には、キャリア濃度がたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度となるようにｐ型またはｎ型ドーパントが添加されており、確実にｐ型またはｎ型の導電型とされている。また、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層１４のキャリア濃度はたとえばそれぞれ２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１９ｃｍ−３程度である。また、ｐ型高導電率層１２のキャリア濃度は３×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型スペーサ層１１、１３よりも高く、ｐ型コンタクト層１４より高い導電率とされている。このｐ型高導電率層１２は、ｐ側電極１５から注入される電流の紙面横方向における経路となり、より効率的に活性層６に電流を注入するように機能している。
なお、ｐ型高導電率層１２のキャリア濃度は、高導電率、低抵抗の点からは３×１０１９ｃｍ−３以上が好ましく、製造上の容易さからは１×１０２１ｃｍ−３以下が好ましい。また、ｐ型高導電率層は２層以上設けてもよい。
電流狭窄層９は、電流注入部としての開口部９ａと電流狭窄部としての選択酸化層９ｂとから構成されている。開口部９ａはＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜０．２）からなり、選択酸化層９ｂは（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる。なお、ｘはたとえば０．０２である。この電流狭窄層９は、たとえば厚さ３０ｎｍであり、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるＡｌ含有層を選択酸化することによって形成される。すなわち、選択酸化層９ｂは、このＡｌ含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで開口部９ａの外周に輪帯状に形成されている。選択酸化層９ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極１５から注入される電流を狭窄して開口部９ａ内に集中させることで、開口部９ａ直下における活性層６内の電流密度を高めている。なお、開口部９ａの開口径はたとえば６μｍであるが、４μｍ〜１５μｍが好ましく、５μｍ〜１０μｍがさらに好ましい。
活性層６は、３層の量子井戸層６ａと２層の障壁層６ｂとが交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）を有する。なお、量子井戸層６ａはたとえばＧａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ等のＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層６ｂはたとえばＧａＡｓからなる。この活性層６は、ｐ側電極１５から注入されて電流狭窄層９によって狭窄された電流により、少なくとも８５０ｎｍ以上の波長の光を含む自然放出光を発するようにその半導体材料の組成および膜厚が設定されている。
上部ＤＢＲミラー１６は、第２低屈折率層として機能するＳｉＯ2層と、第２高屈折率層として機能するＳｉＮ層との周期構造で構成された誘電体多層膜ミラーとして形成されている。上部ＤＢＲミラー１６は、ＳｉＯ2層とＳｉＮ層とのペアを１ペアとすると、たとえば９ペアからなる。ＳｉＯ2層およびＳｉＮ層の厚さはそれぞれ、下部ＤＢＲミラー２と同様にλ／４ｎとされている。なお、上部ＤＢＲミラー１６の直径は、ｐ型コンタクト層１４の直径よりも小さいため、ｐ型コンタクト層１４は上部ＤＢＲミラー１６の外周側に延設している。
ｐ側電極１５は、活性層６に電流を注入するためのものであり、ｐ型コンタクト層１４の上記延設した部分の表面に、上部ＤＢＲミラー１６を取り囲むようにリング状に形成されている。すなわち、ｐ側電極１５は、上部ＤＢＲミラー１６を介さずにｐ型コンタクト層１４上に形成されている。一方、ｎ側電極４は、メサポストＭの外周側に延設したｎ型コンタクト層３の延設部分の表面に形成され、活性層６に電流を注入するためのものであり、メサポストＭの周囲を取り囲むようにＣ字状に形成されている。すなわち、ｎ側電極４は、下部ＤＢＲミラー２を介さずにｎ型コンタクト層３上に形成されている。また、ｎ側引出電極１７およびｐ側引出電極１８は、それぞれｎ側電極４およびｐ側電極１５に接続している。このように、この面発光レーザ１０１は、下部ＤＢＲミラー２および上部ＤＢＲミラー１６の両方を介さずに活性層６に電流を注入できるダブルイントラキャビティ構造を有している。
また、制御器１０２は、ｎ側引出電極１７およびｐ側引出電極１８を介してｐ側電極１５およびｎ側電極４に電気的に接続している。この制御器１０２は、ｐ側電極１５とｎ側電極４との間に所定のバイアス電圧と、このバイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅を有する変調信号としての変調電圧とを印加するように構成されており、たとえばレーザ駆動用の公知のＩＣドライバーにより実現される。変調電圧の変調周波数はたとえば１０ＧＨｚ以上である。
つぎに、この光源１００の動作について説明する。はじめに、制御器１０２が、ｐ側電極１５とｎ側電極４との間にバイアス電圧および変調電圧を印加し電流を注入する。ｐ側のキャリア（ホール）については、主に図２の経路Ｐが示すように、ｐ側電極１５からｐ型コンタクト層１４、ｐ型スペーサ層１３を通過し、高導電率のｐ型高導電率層１２においては層内を紙面横方向に流れ、その後ｐ型スペーサ層１１、上部組成傾斜層１０を通過し、電流狭窄層９の開口部９ａ内に集中して密度が高められた状態で、下部組成傾斜層８を介して活性層６に注入される。一方、ｎ側のキャリア（電子）については、ｎ側電極４からｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５を通過して、活性層６に注入される。
キャリアが注入された活性層６は、自然放出光を発生する。発生した自然放出光は、活性層６の光増幅作用と光共振器の作用とによって、８５０ｎｍ以上の波長、たとえば１０００ｎｍ帯の波長においてレーザ発振する。その結果、この面発光レーザ１０１は、上部ＤＢＲミラー１６上側から変調信号に対応するレーザ信号光を出力する。
ここで、面発光レーザ１０１は、ダブルイントラキャビティ構造を有している。その結果、この面発光レーザ１０１は、ｐ側電極１５およびｎ側電極４と、活性層６との間に存在するヘテロ界面の数が少ないため、低しきい値電流特性および高電力効率特性を有する。
さらに、この面発光レーザ１０１は、下部ＤＢＲミラー２が、ｐ型の低屈折率層２ａと、ｎ型の高屈折率層２ｂとの周期構造で構成されている。その結果、低屈折率層２ａと高屈折率層２ｂとのｐｎ接合の界面で空乏層が広がるため、下部ＤＢＲミラー２の容量は低減する。その結果、この面発光レーザ１０１は寄生容量が低減するため、カットオフ周波数の低減が防止され、より高速で動作するものとなる。
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る光源１００の製造方法の一例について説明する。まず、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ等の公知の成長方法を用いて、表面にアンドープＧａＡｓバッファ層を積層したｎ型ＧａＡｓ基板１上に、下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、下部組成傾斜層８、電流狭窄層９を形成するためのＡｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるＡｌ含有層、上部組成傾斜層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型高導電率層１２、ｐ型スペーサ層１３、ｐ型コンタクト層１４を順次積層形成する。
なお、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合は、原料ガスとして、有機金属材料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用い、Ａｓ材料としてはアルシン（ＡｓＨ３）などを用いる。また、ｎ型の半導体層を形成する場合には、ｎ型のドーパントであるたとえば珪素（Ｓｉ）をドープし、ｐ型の半導体層を形成する場合には、ｐ型のドーパントであるたとえば亜鉛（Ｚｎ）をドープする。下部ＤＢＲミラー２の高屈折率層２ｂは、ｎ型のドーパントを意図的にドープして形成される。低屈折率層２ａは、ｐ型のドーパントを意図的にドープして形成される。
ところで、従来の面発光レーザのように、ＭＯＣＶＤ法を用いてアンドープの下部ＤＢＲミラーを成長する場合に、非特許文献１で示されるように、有機金属材料中の炭素（Ｃ）が半導体層中に意図せずオートドープされ、下部ＤＢＲミラーが、キャリア濃度１×１０１７ｃｍ−３以上のｐ型の導電型になりやすい。特に、低屈折率層のように構成元素としてアルミニウム（Ａｌ）を含ませる場合、Ａｌは半導体層中に一緒にＣを取り込む性質を有するため、ｐ型のキャリア濃度が高くなりやすい。このように下部ＤＢＲミラーがｐ型の導電型になりやすい現象は、有機金属材料を用いたＭＢＥ法を用いた場合にも発生する。このように下部ＤＢＲミラーがｐ型の導電型になった場合は、下部ＤＢＲミラーの容量が増大する。
これに対して、本実施の形態１の下部ＤＢＲミラー２は、高屈折率層２ｂを成長する際には、Ｃがオートドープされたとしてもｎ型の導電型となるようにｎ型のドーパントをドープする。そして、このｎ型の高屈折率層２ｂとｐ型の低屈折率層２ａとの周期構造を形成することによって、下部ＤＢＲミラー２内に空乏層が広がるようにしている。したがって、従来のアンドープの下部ＤＢＲミラーのような容量の増大の問題は発生しない。
また、ＡｓＨ３を用いる場合、ＡｓＨ３の流量を増加させることによって、オートドープにより半導体層にドープされるＣの濃度を減少させることができる。ただし、この方法によれば、ＡｓＨ３の使用量が非常に多くなるので、製造コストが高くなる。これに対して、本実施の形態１の下部ＤＢＲミラー２の構成を採用すれば、製造コストを高めることなく下部ＤＢＲミラーの容量を低減できるので好ましい。
つぎに、リフトオフ法を用いて、ｐ型コンタクト層１４上にｐ側電極１５を形成する。つぎに、ｐ側電極１５をＳｉＮ膜で覆い、酸性エッチング液等を用いてｎ型クラッド層５に到る深さまでエッチングして円柱状のメサポストＭを形成する。
つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、Ａｌ含有層をメサポストＭの外周側から選択酸化し、電流狭窄層９を形成する。このように、電流狭窄層９はＡｌ含有層の選択酸化によって簡易かつ高精度に所望の形状に形成できる。
つぎに、メサポストＭの外周側のｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極４を形成し、さらにｎ側引出電極１７およびｐ側引出電極１８を形成する。
つぎに、上部ＤＢＲミラー１６を形成した後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面を研磨して所望の厚さとし、素子分離を行って、面発光レーザ１０１が完成する。そして、この面発光レーザ１０１と、レーザ駆動用の公知のＩＣドライバーを備える制御器１０２とを接続し、光源１００が完成する。
（ＤＢＲミラーの容量）
つぎに、ＤＢＲミラーの容量についてより具体的に説明する。まず、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とＧａＡｓからなる高屈折率層との４０．５ペアの周期構造で構成された、８０μｍ×８０μｍのサイズのＤＢＲミラーの容量を、キャリア濃度の設定値を変えながら計算した。この計算の際には、計算１として低屈折率層および高屈折率層の導電型が互いに異なる場合（すなわちいずれか一方がｐ型、もう一方がｎ型）と、計算２として低屈折率層および高屈折率層がいずれもｐ型である場合と、を計算した。なお、キャリア濃度については、ペアとなる低屈折率層および高屈折率層で同じキャリア濃度としている。また、各屈折率層の厚さについては、波長λを１１００ｎｍとして、λ／４ｎとしている。
図３は、計算したＤＢＲミラーのキャリア濃度と容量との関係を示す図である。線ｌ１、ｌ２はそれぞれ計算１、計算２の結果を示している。また、線ｌ３は、ＤＢＲミラーの容量が、これに含まれるキャリアの影響を受けず、単にＧａＡｓの誘電率で決まる容量となる場合の値を示している。この値は０．１２ｐＦである。すなわち、線Ｌ３は、ＤＢＲミラーの実質的な容量の下限を示している。
図３は、計算１の方が計算２よりも容量が小さいことを示している。すなわち、実施の形態１のように、低屈折率層および高屈折率層の導電型が互いに異なる構成を採用することによって、ＤＢＲミラーの容量を低減できることが確認された。特に、本構成においてキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３より小さくすることによって、ＤＢＲミラー内のキャリアの影響が全くない程度の値まで容量を低減できるので好ましい。
つぎに、基板上にＤＢＲミラーを作製し、その容量を測定した実験について説明する。図４は、基板上にＤＢＲミラーを作製したサンプルＳの模式的な断面図である。作製したサンプルＳは、裏面にオーミック電極Ｓ１を形成したｎ型ＧａＡｓ基板Ｓ２上に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とＧａＡｓからなる高屈折率層との４０．５ペアの周期構造で構成されたＤＢＲミラーＳ３をＭＯＣＶＤ法によって積層形成し、さらにＤＢＲミラーＳ３上にオーミック電極Ｓ４を形成し、６００μｍ×６００μｍのサイズにカットしたものである。
なお、作製の際には、以下のサンプル群１、２を作製した。サンプル群１は、低屈折率層がｐ型、高屈折率層がｎ型であり、サンプルごとにキャリア濃度を変えたものである。また、サンプル群２は、低屈折率層および高屈折率層がいずれもｐ型であり、サンプルごとにキャリア濃度を変えたものである。なお、各サンプル群において、キャリア濃度については、ペアとなる低屈折率層および高屈折率層で同じキャリア濃度とした。また、各屈折率層の厚さについては、波長λを１１００ｎｍとして、λ／４ｎとした。
図５は、ＤＢＲミラーのｐ型キャリア濃度と容量との関係の測定結果を示す図である。なお、縦軸の容量については、計算との比較のため、８０μｍ×８０μｍのサイズの値に換算している。また、縦軸および横軸において、「Ｅ」は１０のべき乗を表す記号であり、たとえば「１．Ｅ＋０１」は「１．０×１０１」を意味する。また、図３と同様に、線ｌ１、ｌ２はそれぞれ計算１、計算２の結果を示し、線ｌ３は、ＧａＡｓの誘電率で決まるＤＢＲミラーの容量の値である０．１２ｐＦを示している。また、「黒三角」はサンプル群１の測定結果を示し、「黒丸」はサンプル群２の測定結果を示している。
図５に示すように、各サンプル群の測定結果は対応する計算と良く一致しており、低屈折率層および高屈折率層の導電型が互いに異なる構成によってＤＢＲミラーの容量を低減できることが実験的にも確認された。
以上説明したように、本実施の形態１に係る光源１００は、寄生容量が低減され、より高速で動作するものとなる。特に、本実施の形態１に係る光源１００は、近年要求されている、カットオフ周波数が２０ＧＨｚ以上という高周波特性を実現できる。
（実施の形態１の変形例）
つぎに、実施の形態１の変形例に係る光源１００を説明する。実施の形態１の変形例に係る光源１００は、図１及び図２に示した構成を有し、下部ＤＢＲミラー２以外は、実施の形態１に係る光源１００と同じ構成を有する。実施の形態１の変形例に係る光源１００の下部ＤＢＲミラー２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にアンドープＧａＡｓバッファ層を介して形成される。下部ＤＢＲミラー２は、半導体多層膜ミラーで形成される。下部ＤＢＲミラー２を形成する半導体多層膜ミラーは、ｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで形成された第１低屈折率層である低屈折率層２ａ、及び、ｎ型のＧａＡｓで形成された第１高屈折率層である高屈折率層２ｂの、周期構造で形成される。下部ＤＢＲミラー２は、低屈折率層２ａと高屈折率層２ｂとのペアを１ペアとすると、例えば、４０．５ペアの低屈折率層２ａと高屈折率層２ｂとを有する。また、低屈折率層２ａおよび高屈折率層２ｂの厚さは、いずれも、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）である。一例として、低屈折率層２ａのｐ型キャリア濃度は１×１０１６ｃｍ−３であり、高屈折率層２ｂのｎ型キャリア濃度は１×１０１５ｃｍ−３である。低屈折率層２ａ及び高屈折率層２ｂは、いずれも、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントを意図的にドープせずに形成される。
図６は、アンドープのＧａＡｓの形成条件と、導電性との関係を示す図である。すなわち、図６において、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントのいずれも意図的に添加しないアンドープのＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法で形成するときの、成長温度（℃）を横軸、ＡｓＨ３の流量（ｃｃｍ）を縦軸に示す。図６のグラフ中の丸印は、実験結果を示す。実験結果に示されるように、７１０℃の成長温度で、ＡｓＨ３の流量を２１０ｃｃｍとして、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントのいずれも意図的に添加せずにＧａＡｓを形成すると、ｐ型キャリア濃度が１×１０１５ｃｍ−３のＧａＡｓが形成される。また、７１０℃の成長温度で、ＡｓＨ３の流量を８４０ｃｃｍとして、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントのいずれも意図的に添加せずにＧａＡｓを形成すると、ｎ型キャリア濃度が１×１０１５ｃｍ−３のＧａＡｓが形成される。
ＧａＡｓが形成されるときの成長温度が高くなるか、あるいは、ＡｓＨ３の流量が多くなると、ＴＭＧに含まれるメチル基の分解が促進されるので、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントのいずれも意図的に添加せずに形成されたＧａＡｓはｎ型となる。すなわち、図６の右上の領域では、ｎ型のＧａＡｓが形成される。一方、ＧａＡｓの成長温度が低いか、あるいは、ＡｓＨ３の流量が少なくなると、図６の左下の領域に示されるように、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントのいずれも意図的に添加せずに形成されたＧａＡｓはｐ型となる。以上のように、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントのいずれも意図的にドープしなくても、形成されるＧａＡｓは、残留する不純物によって、ｐ型またはｎ型の導電型を有する。ＧａＡｓに残留する不純物に含まれるｐ型のドーパントの総量と、ｎ型のドーパントの総量とを比較したときに、総量が多いドーパントの導電型で、ＧａＡｓの導電型が決まる。ｐ型のドーパントは、例えば、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）などであり、ｎ型のドーパントは、例えば、珪素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）などである。すなわち、残留する不純物中に含まれるｐ型のドーパントの総量より、ｎ型のドーパントの総量が多ければ、ＧａＡｓはｎ型となる。また、残留する不純物中に含まれるｎ型のドーパントの総量より、ｐ型のドーパントの総量が多ければ、ＧａＡｓはｐ型となる。
これに対して、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントのいずれも意図的にドープせずに、ＭＯＣＶＤ法で高アルミ組成のＡｌＧａＡｓを形成すると、形成条件にかかわらず、形成されるＡｌＧａＡｓはｎ型にはならない。これは、ＴＭＡに含まれるメチル基と、アルミ原子の結合エネルギーが高いことによる。ここで、高アルミ組成のＡｌＧａＡｓとは、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓ（ｘ≧０．５）をいう。ｎ型の高アルミ組成のＡｌＧａＡｓを形成するには、珪素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）などのｎ型のドーパントをドープすればよい。
実施の形態１の変形例に係る光源１００の下部ＤＢＲミラー２は、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントをいずれも意図的にドープせずに形成される。すなわち、第１低屈折率層である低屈折率層２ａ、及び、第１高屈折率層である高屈折率層２ｂが、交互に、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントをいずれも意図的にドープすることなくＭＯＣＶＤ法で形成される。一例として、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントをいずれも意図的にドープすることなく、第１低屈折率層である低屈折率層２ａがｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで形成され、第１高屈折率層である高屈折率層２ｂがｎ型のＧａＡｓで形成される。このとき、例えば、形成温度を７１０℃、ＡｓＨ３の流量を８４０ｃｃｍとする。これにより、低屈折率層２ａのｐ型キャリア濃度は１×１０１６ｃｍ−３となり、高屈折率層２ｂのｎ型キャリア濃度は１×１０１５ｃｍ−３となる。
実施の形態１の変形例に係る光源１００の面発光レーザ１０１は、下部ＤＢＲミラー２が、ｐ型の低屈折率層２ａと、ｎ型の高屈折率層２ｂとの周期構造で構成されている。その結果、低屈折率層２ａと高屈折率層２ｂとのｐｎ接合の界面で空乏層が広がるため、下部ＤＢＲミラー２の容量は低減する。その結果、この面発光レーザ１０１は寄生容量が低減するため、カットオフ周波数の低減が防止され、より高速で動作するものとなる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２として、本発明の面発光レーザを用いた、光インターコネクション用の信号光源等に用いられる面発光レーザアレイ装置について説明する。図７は、実施の形態２に係る面発光レーザアレイ装置の模式的な斜視図である。図７に示すように、この面発光レーザアレイ装置２００は、ＣＬＣＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｌｅａｄｅｄ Ｃｈｉｐ Ｃａｒｒｉｅｒ）と呼ばれる周知のフラットパッケージ２０１に、面発光レーザアレイチップ２１０が実装されたものである。なお、面発光レーザアレイチップ２１０は、不図示の配線によって金属キャスター（電極）２０２と接続している。
図８は、図７に示す面発光レーザアレイチップ２１０の模式的な平面図である。図８に示すように、面発光レーザアレイチップ２１０は、中央部に設けられ、本発明の面発光レーザ２０６を４０個だけ２次元的に配列して構成された面発光レーザアレイ部２０５と、面発光レーザアレイ部２０５の周囲に設けられ、面発光レーザアレイ部２０５の各面発光レーザ２０６の電極と不図示の配線で接続した複数の電極パッド２０３とを有している。さらに、各電極パッド２０３はフラットパッケージ２０１の金属キャスター２０２と接続している。さらに、金属キャスター２０２は、各面発光レーザ２０６の発光を制御するための外部の制御回路（図示しない）に電気的に接続している。なお、面発光レーザ２０６としては、たとえば実施の形態１に係る面発光レーザ１０１を使用することができる。
つぎに、この面発光レーザアレイ装置２００の動作を説明する。面発光レーザアレイ部２０５の各面発光レーザ２０６は、外部の制御回路から金属キャスター２０２と電極パッド２０３とを介してバイアス電圧と変調電圧とを印加され、それぞれの上部から所定の波長のレーザ信号光を出射する。
この面発光レーザアレイ装置２００は、寄生容量が低減されており、かつ面発光レーザ２０６間の電気的クロストークも抑制されるために変調時のジッタも抑制されるため、高速動作が可能なものとなる。
なお、この面発光レーザアレイ装置２００の面発光レーザアレイ部２０５は、面発光レーザ２０６を２次元的に配列したものであるが、１次元的に配列してもよい。また、面発光レーザアレイ部２０５を構成する面発光レーザ２０６の数も特に限定はされない。たとえば、光インターコネクション用の信号光源としては、４〜１５個の面発光レーザを１次元的に配列したものが、現状の光モジュールでは好適に使用されている。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３として、本発明の面発光レーザを備えた光源であり、光インターコネクション用の信号光源等に用いられる面発光レーザパッケージについて説明する。図９は、本実施の形態３に係る面発光レーザパッケージの模式的な断面図である。図９に示すように、この面発光レーザパッケージ３００は、本発明の面発光レーザ３１２、面発光レーザ３１２を載置する基板３１１、基板３１１に設けられた電極３１３、および面発光レーザ３１２と電極３１３とを接続するワイヤ３１４を備える面発光レーザモジュール３１０と、面発光レーザモジュール３１０を収容するハウジング３２０と、面発光レーザモジュール３１０の上方に設けられ、アーム３２４によってハウジング３２０に保持されたレンズ３２３と、ハウジング３２０上部に設けられた光ファイバマウント３２１と、光ファイバマウント３２１に挿通保持された光ファイバ３２２とを備えている。電極３１３は、面発光レーザモジュール３１０の発光状態を制御するための外部の制御回路（図示しない）に電気的に接続している。なお、面発光レーザ３１２としては、たとえば実施の形態１に係る面発光レーザ１０１を使用することができる。
つぎに、この面発光レーザパッケージ３００の動作を説明する。面発光レーザ３１２は、外部の制御回路から電極３１３とワイヤ３１４とを介してバイアス電圧と変調電圧とを印加され、その上部から所定の波長のレーザ信号光Ｌ１を出射する。レンズ３２３はレーザ信号光Ｌ１を集光し、光ファイバ３２２に結合する。光ファイバ３２２は結合されたレーザ信号光Ｌ１を伝送する。
この面発光レーザパッケージ３００は、寄生容量が低減されているため、高速動作が可能なものとなる。
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４として、本発明の面発光レーザを備えた光源であり、光記憶媒体の書き込み／読み出し装置に用いられる光ピックアップについて説明する。図１０は、本実施の形態４に係る光ピックアップの模式的な一部断面図である。図１０に示すように、この光ピックアップ３０１は、本発明の面発光レーザ３３２、面発光レーザ３３２を載置する基板３３１、基板３３１に設けられた電極３３３、基板３３１に載置された駆動ＩＣ３３４、面発光レーザ３３２と駆動ＩＣ３３４と電極３３３とを順次接続するワイヤ３３５、およびこれらの要素を封止する樹脂３３６からなる面発光レーザモジュール３３０と、面発光レーザモジュール３３０の上方に設けられたハーフミラー３４０と、面発光レーザモジュール３３０とハーフミラー３４０との間に設けられた回折格子３４１と、ハーフミラー３４０と光記憶媒体３６０との間に設けられたレンズ３４２と、ハーフミラー３４０を挟んで光記憶媒体３６０とは反対側に設けられた光センサ３５０とを備えている。
なお、面発光レーザ３３２としては、たとえば実施の形態１に係る面発光レーザ１０１を使用することができる。また、樹脂３３６の上部は凸状に加工され、レンズ３３６ａを構成している。また、電極３３３は、光ピックアップ３０１の発光状態を制御するための不図示の外部の制御回路（図示しない）に電気的に接続している。
つぎに、この光ピックアップ３０１の動作を、光記憶媒体３６０に記録された情報の読み出しを行なう場合について説明する。面発光レーザ３３２は、外部の制御回路から電極３３３とワイヤ３３５とを介して電力と電気信号とを供給された駆動ＩＣ３３４によって、バイアス電圧と変調電圧とを印加され、その上部からレーザ信号光Ｌ２を出射する。樹脂３３６のレンズ３３６ａはレーザ信号光Ｌ２を平行光（レーザ信号光Ｌ３）とする。ハーフミラー３４０はレーザ信号光Ｌ３を光記憶媒体３６０の所定の箇所に集光させる。すると、レーザ信号光Ｌ３は光記憶媒体３６０によって反射され、光記憶媒体３６０に記録された情報を含む反射信号光Ｌ４が発生する。反射信号光Ｌ４は、レンズ３４２、ハーフミラー３４０を順次通過する。そして、光センサ３５０は反射信号光Ｌ４を受光する。その後、光センサ３５０は反射信号光Ｌ４を電気信号に変換し、変換された電気信号は書き込み／読み出し装置に接続されたパーソナルコンピュータ等に送信され、記録された情報の読み出しが行なわれる。
この光ピックアップ３０１は、寄生容量が低減されているため、高速動作が可能なものとなる。
なお、上記実施の形態３、４において、各面発光レーザをたとえば実施の形態２のような面発光レーザアレイ装置に適宜置き換えてもよい。
また、上記実施の形態３、４では、本発明の面発光レーザを通信用の面発光レーザパッケージ、あるいは光記憶媒体の書き込み／読み出し装置に用いられる光ピックアップに適用したものであるが、本発明の面発光レーザはこれに限らず、測量機器、レーザーポインター、光学マウスなどの光学機器、あるいはプリンタ、フォトレジストの走査露光用光源、レーザポンピング用光源や、加工用ファイバレーザの光源として用いることもできる。
（実施の形態５）
本発明の面発光レーザおよび面発光レーザアレイは、光導波路と組み合わせて様々な光モジュールを構成することができる。以下では、本発明の実施の形態５として、本発明の面発光レーザを用いた光モジュールである光送受信モジュールについて説明する。図１１は、本実施の形態５に係る２つの光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂが、２本の光導波路４１０Ａ、４１０Ｂを介して接続している状態を示す模式的な平面図である。図１１において、光送受信モジュール４００Ａは、保持部材４０１Ａと、保持部材４０１Ａ上に設けられた各要素、すなわち、光ファイバ等の光導波路４１０Ａ、４１０Ｂを載置してこれらの位置決めを行うためのスペーサ４０６Ａ、光導波路４１０Ａを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザ４０２Ａ、光導波路４１０Ｂを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子４０３Ａ、面発光レーザ４０２Ａの発光状態を制御する駆動回路４０４Ａ、および受光素子４０３Ａが変換した電気信号を増幅する増幅回路４０５Ａとで構成されている。面発光レーザ４０２Ａは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路４０４Ａを介して発光制御される。また、受光素子４０３Ａが変換した電気信号は増幅回路４０５Ａを介して制御部へ送信される。なお、煩雑さを避けるために、駆動回路４０４Ａと面発光レーザ４０２Ａおよび増幅回路４０５Ａと受光素子４０３Ａのワイヤボンディングは記載を省略している。
なお、光送受信モジュール４００Ｂは、光送受信モジュール４００Ａと同様の構成を有するが、光送受信モジュール４００Ａとは送信に係る構成と受信に係る構成とが入れ替わっている。すなわち、光送受信モジュール４００Ｂは、保持部材４０１Ｂと、保持部材４０１Ｂ上に設けられた各要素、すなわち、光導波路４１０Ａ、４１０Ｂの位置決めを行うためのスペーサ４０６Ｂ、光導波路４１０Ｂを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザ４０２Ｂ、光導波路４１０Ａを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子４０３Ｂ、面発光レーザ４０２Ｂの発光状態を制御する駆動回路４０４Ｂ、および受光素子４０３Ｂが変換した電気信号を増幅する増幅回路４０５Ｂとで構成されている。面発光レーザ４０２Ｂは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路４０４Ｂを介して発光制御される。また、受光素子４０３Ｂが変換した電気信号は増幅回路４０５Ｂを介して制御部へ送信される。
この光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂは、寄生容量が低減された本発明の面発光レーザ４０２Ａ、４０２Ｂを使用しているため、高速動作が可能なものとなる。
つぎに、図１１に示す光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂにおける面発光レーザ４０２Ａ、４０２Ｂと光導波路４１０Ａ、４１０Ｂとの光結合部分について具体的に説明する。なお、以下では、光送受信モジュール４００Ａと面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとを用いて光結合部分の説明を行うが、これらの光結合部分は光送受信モジュール４００Ｂと面発光レーザ４０２Ｂと光導波路４１０Ｂとの組み合わせに対しても適用できるものである。
はじめに、図１２は、図１１に示す光送受信モジュール４００Ａにおける面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の一例を示す側面図である。図１２に示すように、光導波路４１０Ａの端面はその光軸に対して略４５度傾斜するように加工されており、かつ端面には光結合手段としての反射膜４１１Ａが形成され、鏡面加工されている。また、面発光レーザ４０２Ａと反射膜４１１Ａとの相対位置はスペーサ４０６Ａによって位置決めされており、面発光レーザ４０２Ａが反射膜４１１Ａの下方に位置するように調整されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は反射膜４１１Ａによって反射されて光導波路４１０Ａに結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。
図１３は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の他の一例を示す側面図である。図１３に示す例では、光結合手段として、面発光レーザ４０２Ａ上であって光導波路４１０Ａの端面側方に、面発光レーザ４０２Ａに対向する入射面４２０ａと光導波路４１０Ａの端面に対向する出射面４２０ｂとを有し、内部に反射面４２１の設けられたミラーアセンブリ４２０が設置されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、ミラーアセンブリ４２０に入射面４２０ａから入射し、反射面４２１によって反射され、出射面４２０ｂから出射されて光導波路４１０Ａの端面で結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。なお、ミラーアセンブリ４２０の入射面４２０ａおよび／または出射面４２０ｂに、コリメートや集光を行なうためのマイクロレンズ（アレイ）を設けてもよい。
また、図１４は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分のさらに他の一例を示す一部断面側面図である。図１４に示す例では、スペーサ４０６Ａに載置されたコネクタハウジング４３０内に光ファイバである光導波路４１０Ａが保持され、さらに光結合手段として、光ファイバ心線４３１が、なめらかに屈曲して一方の端面が光導波路４１０Ａに接続するとともに他方の端面が面発光レーザ４０２Ａに対向するように保持されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、光ファイバ心線４３１の端面から入射して光ファイバ心線４３１を伝播し、その後光導波路４１０Ａ内に結合されて伝播する。
また、図１５は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分のさらに他の一例を示す側面図である。図１５に示す例では、スペーサ４０６Ａに載置された光導波路４１０Ａには、光軸に対して略４５度傾斜する傾斜内面を有する楔形の溝４１２Ａが形成されている。また、この傾斜内面には反射膜４１１Ａが形成され、鏡面加工されている。そして、溝４１２Ａと反射膜４１１Ａとが光結合手段を構成している。また、面発光レーザ４０２Ａは、この溝４１２Ａ上の位置において、光導波路４１０Ａに直接取り付けられている。なお、この面発光レーザ４０２Ａは、その基板側すなわち下方へ光信号Ｌ６を出射するように構成されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、溝４１２Ａの傾斜内面に形成された反射膜４１１Ａによって反射されて光導波路４１０Ａに結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。
（実施の形態６）
つぎに、本発明の実施の形態６として、本発明の面発光レーザおよび面発光レーザアレイを用いた光通信システムについて説明する。図１６は、本実施の形態６に係る波長多重伝送システムの模式的な構成図である。図１６に示すように、この波長多重伝送システム５００は、コンピュータ、ボードあるいはチップ等である信号生成処理手段５０１と、信号生成処理手段５０１と電気配線５０８Ａ、５０８Ｂで接続し、ＣＰＵ、ＭＰＵ、波長制御回路等から構成される通信制御回路５０２と、通信制御回路５０２とそれぞれ電気配線５０９Ａ、５０９Ｂで接続した面発光レーザアレイ５０３および受光素子集積部５０４と、面発光レーザアレイ５０３と光ファイバアレイ５１０Ａで接続した波長多重光合波器５０５と、受光素子集積部５０４と光ファイバアレイ５１０Ｂで接続した波長多重光分波器５０６と、波長多重光合波器５０５および波長多重光分波器５０６のそれぞれと１本の光ファイバ５１１Ａ、５１１Ｂで接続したネットワーク、ＰＣ、ボード、チップ等である通信対象５０７とを備える。なお、面発光レーザアレイ５０３は、発振波長が互いに異なる本発明の面発光レーザを１次元的または２次元的に配列したものである。
つぎに、波長多重伝送システム５００の動作を説明する。信号生成処理手段５０１は、通信対象５０７に送信すべき電気信号を生成し、電気配線５０８Ａを介して通信制御回路５０２に送信する。通信制御回路５０２は電気配線５０９Ａを介して面発光レーザアレイ５０３に駆動電力を与えるとともに、面発光レーザアレイ５０３を構成する各面発光レーザに互いに異なる信号を与えて光信号を発生させる。光ファイバアレイ５１０Ａを構成する各光ファイバは面発光レーザアレイ５０３を構成する各面発光レーザに光学的に結合しており、発生した各光信号を信号光ごとに異なる光ファイバによって波長多重光合波器５０５に伝送する。波長多重光合波器５０５は伝送された各光信号を波長多重合波して１本の光ファイバ５１１Ａに結合する。光ファイバ５１１Ａは波長多重合波した光信号を通信対象５０７に伝送する。
一方、波長多重光分波器５０６は、通信対象５０７から光ファイバ５１１Ｂを介して伝送されてきた波長多重合波された光信号を波長ごとに分波し、光ファイバアレイ５１０Ｂを構成する各光ファイバに光信号毎に結合させる。光ファイバアレイ５１０Ｂは、各光信号を受光素子集積部５０４に伝送する。光ファイバアレイ５１０Ｂを構成する各光ファイバは受光素子集積部５０４を構成する各受光素子は、光ファイバアレイ５１０Ｂを構成する各光ファイバに光学的に結合しており、各光信号を受光して電気信号に変換し、各電気信号を、電気配線５０９Ｂを介して通信制御回路５０２に伝送する。通信制御回路５０２は各電気信号を、電気配線５０８Ｂを介して信号生成処理手段５０１に伝送する。信号生成処理手段５０１は各電気信号の信号処理を行なう。
この波長多重伝送システム５００は、寄生容量が低減された本発明の面発光レーザアレイ５０３を使用しているため、高速で大容量の波長多重伝送が可能なものとなる。また、面発光レーザアレイ５０３を構成する各面発光レーザからの各光信号を波長多重光合波器５０５によって１本の光ファイバ５１１Ａに結合させるようにしているので、１本のファイバで、高スループットに大容量の信号伝送ができる。
なお、用途に応じては、この波長多重伝送システム５００の構成において、面発光レーザアレイ５０３および受光素子集積部５０４のそれぞれを、光ファイバアレイによってそのまま通信対象５０７に接続して並列伝送システムとすることもできる。さらに、本発明の面発光レーザアレイは、高周波変調特性に優れているので、５０Ｇｂｉｔ／ｓを超える伝送速度で、２００ｍを超える長距離通信を実現することができる。
また、上記実施の形態においては、下部ＤＢＲミラーの全体が、互いに異なる導電型を有する第１低屈折率層と第１高屈折率層とで構成されているが、本発明はこれに限られず、下部ＤＢＲミラーは、少なくともその一部において、第１低屈折率層と第１高屈折率層とが互いに異なる導電型を有すればよい。また、上記実施の形態では、第１低屈折率層がｐ型、第１高屈折率層がｎ型であるが、互いに異なる導電型であればよく、したがって第１低屈折率層がｎ型、第１高屈折率層がｐ型でもよい。
また、上記実施の形態においては、上部ＤＢＲミラーは全体が誘電体多層膜からなるが、少なくともその一部が誘電体多層膜であり、その他の部分が半導体多層膜である構成としてもよい。また、上部ＤＢＲミラーについては、半導体多層膜からなり、上部ＤＢＲミラー上に上部電極が形成されていてもよい。すなわち、活性層の上部については、必ずしもイントラキャビティ構造でなくてもよい。
また、面発光レーザを構成する半導体材料は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系に限らず、レーザ発振波長に応じてＩｎＰ系等の他の半導体材料を使用することができる。本発明は、ＧａＡｓ基板で実施例を示したが、ＩｎＰ基板でも良い。その際、酸化に供する層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ若しくはＡｌＩｎＡｓとする。
また、下部半導体多層膜反射鏡の半導体材料は、レーザ発振波長に応じて適宜選択される。たとえば、第１低屈折率層がＡｌＧａＡｓからなり、第１高屈折率層が（Ａｌ）ＧａＡｓからなっていてもよい。また、第１低屈折率層がＡｌＧａＩｎＰからなり、第１高屈折率層が（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなっていてもよい。また、第１低屈折率層がＩｎＰからなり、第１高屈折率層がＡｌＧａＩｎＡｓからなっていてもよい。ここで、（Ａｌ）ＧａＡｓおよび（Ａｌ）ＧａＩｎＰは、Ａｌの組成がゼロである場合も含むことを意味する。
また、上記実施の形態においては、基板と活性層との間にｎ型半導体層が形成され、活性層の上側にｐ型半導体層が形成されているが、活性層の上側にｎ型半導体層を形成してもよい。
また、上記実施の形態は、本発明を面発光レーザに適用したものであるが、本発明はこれに限られず、たとえば半導体変調器等の他の電子素子に適用してもよい。すなわち、第１半導体層と第２半導体層との周期構造で構成される半導体多層構造を備え、半導体多層構造の少なくとも一部において、第１半導体層と第２半導体層とが互いに異なる導電型を有する電子素子であれば、第１半導体層と第２半導体層とのｐｎ接合の界面で空乏層が広がるため、その寄生容量を低減することができ、高速動作に適するものとなる。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
１ 基板
２ 下部ＤＢＲミラー
２ａ 低屈折率層
２ｂ 高屈折率層
３ ｎ型コンタクト層
４ ｎ側電極
５ ｎ型クラッド層
６ 活性層
６ａ 量子井戸層
６ｂ 障壁層
７ ｐ型クラッド層
８ 下部組成傾斜層
９ 電流狭窄層
９ａ 開口部
９ｂ 選択酸化層
１０ 上部組成傾斜層
１１、１３ ｐ型スペーサ層
１２ ｐ型高導電率層
１４ ｐ型コンタクト層
１５ ｐ側電極
１６ 上部ＤＢＲミラー
１７ ｎ側引出電極
１８ ｐ側引出電極
１００ 光源
１０１、２０６、３１２、３３２、４０２Ａ、４０２Ｂ 面発光レーザ
１０２ 制御器
２００ 面発光レーザアレイ装置
２０１ フラットパッケージ
２０２ 金属キャスター
２０３ 電極パッド
２０５ 面発光レーザアレイ部
２１０ 面発光レーザアレイチップ
３００ 面発光レーザパッケージ
３０１ 光ピックアップ
３１０、３３０ 面発光レーザモジュール
３１３、３３３ 電極
３１４、３３５ ワイヤ
３２０ ハウジング
３２１ 光ファイバマウント
３２２、５１１Ａ、５１１Ｂ 光ファイバ
３２３、３３６ａ、３４２ レンズ
３２４ アーム
３３４ 駆動ＩＣ
３３６ 樹脂
３４０ ハーフミラー
３４１ 回折格子
３５０ 光センサ
３６０ 光記憶媒体
４００Ａ、４００Ｂ 光送受信モジュール
４０１Ａ、４０１Ｂ 保持部材
４０３Ａ、４０３Ｂ 受光素子
４０４Ａ、４０４Ｂ 駆動回路
４０５Ａ、４０５Ｂ 増幅回路
４０６Ａ、４０６Ｂ スペーサ
４１０Ａ、４１０Ｂ 光導波路
４１１Ａ 反射膜
４１２Ａ 溝
４２０ ミラーアセンブリ
４２１ 反射面
４３１ 光ファイバ心線
５００ 波長多重伝送システム
５０１ 信号生成処理手段
５０２ 通信制御回路
５０３ 面発光レーザアレイ
５０４ 受光素子集積部
５０５ 波長多重光合波器
５０６ 波長多重光分波器
５０７ 通信対象
５０８Ａ、５０８Ｂ、５０９Ａ、５０９Ｂ 電気配線
５１０Ａ、５１０Ｂ 光ファイバアレイ
ｌ１〜ｌ３ 線
Ｌ１〜Ｌ３ レーザ信号光
Ｌ４ 反射信号光
Ｌ６ 光信号
Ｐ 経路

Claims (15)

  1. 第１半導体層と第２半導体層との周期構造で構成される半導体多層構造を備える電子素子であって、前記半導体多層構造の少なくとも一部において、前記第１半導体層と前記第２半導体層とが互いに異なる導電型を有し、
    前記第１半導体層と前記第２半導体層とが互いに異なる屈折率を有しており、前記半導体多層構造は多層膜反射鏡として機能することを特徴とする電子素子。
  2. 第１低屈折率層と該第１低屈折率層より高い屈折率を有する第１高屈折率層との周期構造で構成される下部半導体多層膜反射鏡と、第２低屈折率層と該第２低屈折率層より高い屈折率を有する第２高屈折率層との周期構造で構成される上部多層膜反射鏡と、
    前記下部半導体多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられた活性層と、
    前記活性層と前記下部半導体多層膜反射鏡との間に設けられ、前記活性層に電流を供給するための下部電極が形成された下部コンタクト層と、
    を備え、
    前記下部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部において、前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層とが互いに異なる導電型を有することを特徴とする面発光レーザ。
  3. 前記互いに異なる導電型を有する第１低屈折率層と第１高屈折率層とにおけるｐ型およびｎ型のキャリア濃度が、いずれも１×１０１７ｃｍ−３より小さいことを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記下部半導体多層膜反射鏡は、炭素を取り込む性質を有する元素を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ。
  5. 前記炭素を取り込む性質を有する元素はアルミニウム（Ａｌ）であることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
  6. 前記下部半導体多層膜反射鏡において、前記第１低屈折率層がＡｌＧａＡｓからなり、前記第１高屈折率層が（Ａｌ）ＧａＡｓからなることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  7. 前記下部半導体多層膜反射鏡において、前記第１低屈折率層がＡｌＧａＩｎＰからなり、前記第１高屈折率層が（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  8. 前記下部半導体多層膜反射鏡において、前記第１低屈折率層がＩｎＰからなり、前記第１高屈折率層がＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  9. 前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に設けられ、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜０．２）からなる電流注入部と選択酸化によって形成された（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、
    前記上部多層膜反射鏡と前記電流狭窄層との間に設けられ、前記活性層に電流を供給するための上部電極が形成された上部コンタクト層と、
    前記上部コンタクト層と前記電流狭窄層との間に設けられ、前記上部コンタクト層より高い導電率を有する高導電率層と、
    を備えることを特徴とする請求項２から８のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  10. カットオフ周波数が２０ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項２から９のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
  11. 前記第１低屈折率層および前記第１高屈折率層は、いずれも、ｐ型のドーパント及びｎ型のドーパントを意図的にドープせずに形成された請求項３から１０のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  12. 前記第１低屈折率層および前記第１高屈折率層のうち、ｎ型の導電型を有する層は、ｎ型のドーパントを意図的にドープして形成された請求項３から１０のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  13. 請求項２から１２のいずれか一つに記載の面発光レーザが１次元または２次元のアレイ状に配列されたものであることを特徴とする面発光レーザアレイ。
  14. 請求項２から１２のいずれか一つに記載の面発光レーザまたは請求項１３に記載の面発光レーザアレイと、
    前記面発光レーザまたは前記面発光レーザアレイに変調信号を印加する制御器と、
    を備えることを特徴とする光源。
  15. 請求項２から１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ、請求項１３に記載の面発光レーザアレイ、または請求項１４に記載の光源を備えることを特徴とする光モジュール。
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