JP5460477B2 - Surface emitting laser array element - Google Patents
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Description
本発明は、面発光レーザアレイ素子に関するものである。 The present invention relates to a surface emitting laser array element.
従来、光インターコネクション用の信号光源として、基板上に複数の面発光レーザ素子が2次元的に配列された面発光レーザアレイ素子が用いられている。この面発光レーザアレイ素子は、個々の面発光レーザ素子が独立したレーザ光信号を出力するように構成されている。 Conventionally, as a signal light source for optical interconnection, a surface emitting laser array element in which a plurality of surface emitting laser elements are two-dimensionally arranged on a substrate is used. This surface emitting laser array element is configured such that each surface emitting laser element outputs an independent laser light signal.
一方、この面発光レーザアレイ素子をワットクラスの高出力レーザ光源として用いる技術が開示されている(非特許文献1参照)。この面発光レーザアレイ素子は、上記の信号光源の場合とは異なり、複数の面発光レーザ素子からのレーザ光出力が集約され、1つの光源として機能するように構成されている。また、このような面発光レーザアレイ素子は、端面発光型レーザ素子のような端面の光学的破壊(Catastrophic Optical Damage:COD)がないため、信頼性が非常に高い高出力レーザ光源として期待されている。また、素子に注入する電力に対するレーザ光出力の割合で規定されるパワー変換効率についても、非特許文献1に記載の面発光レーザアレイ素子においては最大で51%と報告され、端面発光型レーザ素子と競合できるほどに十分に高いとされている。 On the other hand, a technique using this surface-emitting laser array element as a watt-class high-power laser light source is disclosed (see Non-Patent Document 1). Unlike the case of the signal light source described above, this surface emitting laser array element is configured such that the laser light outputs from a plurality of surface emitting laser elements are integrated and function as one light source. Further, such a surface emitting laser array element is expected to be a highly reliable high output laser light source because there is no optical damage (catastrophic optical damage: COD) of the end face unlike the end face emitting type laser element. Yes. The power conversion efficiency defined by the ratio of the laser light output to the power injected into the element is also reported to be 51% at the maximum in the surface emitting laser array element described in Non-Patent Document 1, and the edge emitting laser element. It is said to be high enough to compete with.
ここで、面発光レーザアレイ素子を動作させると、面発光レーザアレイ素子の中心領域のように、隣接する他の面発光レーザ素子が多い領域では、隣接する他の面発光レーザ素子からの熱流入が多いためより温度上昇が大きい。一方、面発光レーザアレイ素子の周辺領域のように、隣接する他の面発光レーザ素子が少ない領域では、隣接する他の面発光レーザ素子からの熱流入が少ないため中心領域よりは温度上昇が小さい。その結果、面発光レーザアレイ素子の中心領域と周辺領域とでは、面発光レーザ素子に温度差が生じるため、レーザ発振波長にも差異が生じて不均一になるという問題があった。 Here, when the surface emitting laser array element is operated, in the area where there are many other adjacent surface emitting laser elements, such as the central area of the surface emitting laser array element, the heat inflow from the other adjacent surface emitting laser elements. The temperature rise is larger because there are many. On the other hand, in a region where there are few other adjacent surface emitting laser elements, such as the peripheral region of the surface emitting laser array element, the temperature rise is smaller than that in the central region because there is less heat inflow from the other adjacent surface emitting laser elements. . As a result, there is a problem that a temperature difference occurs in the surface emitting laser element between the central region and the peripheral region of the surface emitting laser array element, and the laser oscillation wavelength also varies and becomes non-uniform.
特許文献1には、上記の問題を解決するために、面発光レーザアレイ素子の中心領域を除く領域に面発光レーザ素子を配置する、あるいは、中心領域と周辺領域とで素子のポスト径、または導電領域や酸化領域の面積が異なるようにする技術が開示されている。 In Patent Document 1, in order to solve the above problem, a surface emitting laser element is arranged in a region other than the central region of the surface emitting laser array element, or the post diameter of the element in the central region and the peripheral region, or A technique for making the areas of the conductive region and the oxidized region different is disclosed.
しかしながら、特許文献1の技術は、面発光レーザアレイ素子の中心領域を除く領域に面発光レーザ素子を配置する場合には面発光レーザ素子の集積度を高めることが困難となり、高出力化の妨げとなるという問題があった。また、中心領域と周辺領域とで素子のポスト径等が異なるようにする場合には、面発光レーザ素子ごとの特性も異なるものになってしまうため、設計や構成が煩雑になるという問題があった。 However, in the technique of Patent Document 1, it is difficult to increase the degree of integration of the surface emitting laser elements when the surface emitting laser elements are arranged in a region other than the central region of the surface emitting laser array element, which hinders high output. There was a problem of becoming. In addition, when the post diameter of the element is different between the central region and the peripheral region, the characteristics of the surface emitting laser elements are also different, which causes a problem that the design and configuration become complicated. It was.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で高出力かつレーザ発振波長が均一である面発光レーザアレイ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a surface emitting laser array element having a simple configuration and high output and having a uniform laser oscillation wavelength.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は複数の面発光レーザ素子が2次元的に配列された面発光レーザアレイ素子であって、前記各面発光レーザ素子は、隣接する他の面発光レーザ素子が多い第1領域と少ない第2領域とでの温度差によるレーザ発振波長の差異が小さくなるように層厚を設定した温度補償層を光共振器内に有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a surface emitting laser array element according to the present invention is a surface emitting laser array element in which a plurality of surface emitting laser elements are two-dimensionally arranged, The light-emitting laser element optically resonates a temperature compensation layer whose layer thickness is set so that the difference in laser oscillation wavelength due to the temperature difference between the first area where there are many other adjacent surface-emitting laser elements and the second area where there are few is small. It is characterized by having in the vessel.
また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記面発光レーザ素子は、イントラキャビティ構造を有することを特徴とする。 The surface emitting laser element according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the surface emitting laser element has an intracavity structure.
また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記温度補償層は位相調整層として機能することを特徴とする。 In the surface emitting laser array element according to the present invention, the temperature compensation layer functions as a phase adjustment layer in the above invention.
また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記第2領域に配置された面発光レーザ素子の前記温度補償層は、前記第1領域に配置された面発光レーザ素子の前記温度補償層よりも厚いことを特徴とする。 In the surface emitting laser array element according to the present invention, the temperature compensation layer of the surface emitting laser element disposed in the second region is the surface emitting laser element disposed in the first region. It is thicker than the temperature compensation layer.
本発明によれば、簡易な構成で高出力かつレーザ発振波長が均一である面発光レーザアレイ素子を実現できるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that it is possible to realize a surface emitting laser array element having a simple configuration and high output and having a uniform laser oscillation wavelength.
以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザアレイ素子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。 Embodiments of a surface emitting laser array element according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係る面発光レーザアレイ素子の模式的な平面図である。図1に示すように、この面発光レーザアレイ素子100は、基板S上に、複数の面発光レーザ素子が2次元的にかつ三角格子状に配列したものである。ここで、面発光レーザ素子が配列された領域を中心領域A1、中間領域A2、周辺領域A3に区分する。中心領域A1には面発光レーザ素子101が配置しており、中間領域A2には面発光レーザ素子102が配置しており、周辺領域A3には面発光レーザ素子103が配置している。なお、面発光レーザ素子103については、六角形の頂点に配置されたものを白丸で示し、六角形の辺に配置されたものを斜線付の丸で示している。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic plan view of a surface emitting laser array element according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the surface-emitting
図2は、図1に示す面発光レーザアレイ素子100の要部である面発光レーザ素子102、103の断面図である。図2に示すように、面発光レーザ素子101は、基板S上に、下部多層膜反射鏡である下部DBRミラー1と、多重量子井戸構造を有する活性層2と、p型スペーサ層3と、p+型コンタクト層4とが順次積層した構造を有する。なお、p型スペーサ層3内には、中心に円形の電流注入部5aを有する電流狭窄層5が配置されている。そして、活性層2からp+型コンタクト層4までが円柱状のメサポストを構成している。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the surface emitting
メサポストの周囲の下部DBRミラー1表面には半円環状のn側電極6が形成されている。p+型コンタクト層4上にはp側円環電極7が形成されている。p側円環電極7の開口部内には、温度補償層8aおよび上部多層膜反射鏡である上部DBRミラー9が順次形成されている。この温度補償層8aは、後述する温度補償機能を有するとともに、光共振器を構成する下部DBRミラー1と上部DBRミラー9との間に配置されることによって、光共振器の光学長を調整して光の定在波の節や腹の位置を適正にする位相調整層としての機能も有する。
A semi-annular n-side electrode 6 is formed on the surface of the lower DBR mirror 1 around the mesa post. A p-side annular electrode 7 is formed on the p + -type contact layer 4. In the opening of the p-side annular electrode 7, a
一方、面発光レーザ素子103は、面発光レーザ素子101と同様の構造にて、基板S上に、下部DBRミラー1と、活性層2と、p型スペーサ層3と、p+型コンタクト層4と、電流注入部5aを有する電流狭窄層5と、半円環状のn側電極6と、p側円環電極7とを備えている。また、p側円環電極7の開口部内には、温度補償層8bおよび上部DBRミラー9が順次形成されている。この温度補償層8bは、面発光レーザ素子101の温度補償層8aと同様に、温度補償機能を有するとともに位相調整層としての機能も有するものであるが、温度補償層8aよりも層厚が厚く設定されている。
On the other hand, the surface-emitting
また、面発光レーザ素子102も、面発光レーザ素子101、103と同様の構造を有するが、温度補償層の層厚については、面発光レーザ素子101の温度補償層8aよりも厚く、面発光レーザ素子103の温度補償層8bよりも薄く設定されている。
The surface
なお、基板Sは、たとえばアンドープのGaAsからなる。また、下部DBRミラー1は、たとえばGaAs/Al0.9Ga0.1As層の34ペアからなり、少なくとも最上部は、n側電極6に対するコンタクト層となるn型GaAsが形成されている。また、活性層2は、たとえば1100nm帯のレーザ光用として、層数が3のInGaAs井戸層と層数が4のGaAs障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のGaAs障壁層はn型クラッド層としても機能する。また、p型スペーサ層3、p+型コンタクト層4は、たとえばそれぞれ炭素をドープしたp型、p+型のGaAsからなる。また、電流狭窄層5については、たとえば電流注入部5aは直径が約10μmのAlAsからなり、その周変部はAl2O3からなる。なお、各p型またはn型層のアクセプタまたはドナー濃度はたとえば1×1018cm−3程度であり、p+型層のアクセプタ濃度はたとえば1×1019cm−3以上である。また、電流狭窄層5の上下には、たとえばAlGaAsからなり、厚さ方向において電流狭窄層5に近づくにつれてそのAl組成が段階的に増加するように構成された下部傾斜組成層および上部傾斜組成層を設けても良い。
The substrate S is made of undoped GaAs, for example. The lower DBR mirror 1 is composed of, for example, 34 pairs of GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As layers, and at least the uppermost portion is formed with n-type GaAs serving as a contact layer for the n-side electrode 6. The
また、p側円環電極7は、たとえばPt/Tiからなり、外径はメサポストの外周と一致する30μmであり、開口部の内径がたとえば11〜16μmである。また、n側電極6は、たとえばAuGeNi/Auからなり、外径が80μm、内径が40μmである。 The p-side annular electrode 7 is made of, for example, Pt / Ti, has an outer diameter of 30 μm that coincides with the outer periphery of the mesa post, and an inner diameter of the opening is, for example, 11 to 16 μm. The n-side electrode 6 is made of, for example, AuGeNi / Au, and has an outer diameter of 80 μm and an inner diameter of 40 μm.
また、温度補償層8a、8bは、たとえば誘電体である窒化珪素(SiNx)からなる。また、上部DBRミラー9は、たとえばSiNx/SiO2の10〜12ペアからなるが、α−Si/SiO2またはα−Si/Al2O3のペアを、その材料の屈折率に応じて99%程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。
The
また、各面発光レーザ素子101〜103のn側電極6と、これに隣接する他の面発光レーザ素子のp側円環電極7とは、Auからなる引き出し電極を介して接続している。その結果、各面発光レーザ素子101〜103は直列接続している。本実施の形態1に係る各面発光レーザ素子101〜103は、n側電極6およびp側円環電極7からの電流注入をDBRミラー1、9を介さずに行うようにダブルイントラキャビティ構造となっているため、各面発光レーザ素子101〜103間の電気的接続のための配線面積が狭くてよいので、面発光レーザ素子101〜103を高密度に集積することができる。
Further, the n-side electrode 6 of each of the surface emitting
つぎに、この面発光レーザアレイ素子100の動作について説明する。各面発光レーザ素子101〜103のn側電極6とp側円環電極7から電流を注入すると、電流は電流狭窄層5によって電流注入部5a内に狭窄されて、高い電流密度で活性層2に供給される。その結果、活性層2はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である1100nm帯の光は、下部DBRミラー1と上部DBRミラー9との間で定在波を形成し、活性層2によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、上部DBRミラー9から1100nm帯のレーザ光L1、L2が出力する。
Next, the operation of the surface emitting
ここで、各面発光レーザ素子101〜103は動作時に発熱するが、特に中心領域A1に配置している面発光レーザ素子101は、隣接する他の面発光レーザ素子の数が多いため、温度上昇が大きい。一方、面発光レーザ素子102は、隣接する他の面発光レーザ素子の数が面発光レーザ素子101よりも少ないため、温度上昇はより少ない。また、面発光レーザ素子103の場合は隣接する他の面発光レーザ素子の数がさらに少ないため、さらに温度上昇が少ない。このように各面発光レーザ素子101〜103は、配置されている領域によって温度差が生じている。
Here, each of the surface-emitting
しかしながら、この面発光レーザアレイ素子100では、中心領域A1、中間領域A2、周辺領域A3との間での温度差によるレーザ発振波長の差異を補償するように、各面発光レーザ素子101〜103における温度補償層の層厚を設定している。これによって、各面発光レーザ素子101〜103の温度差にもかかわらず、レーザ発振波長すなわちレーザ光L1、L2の波長が均一となる。
However, in the surface emitting
なお、このように温度補償層の層厚によってレーザ発振波長の差異を補償することで、各面発光レーザ素子101〜103の構成は温度補償層の層厚以外は殆ど同じでよいので、面発光レーザアレイ素子100の設計や構成は簡易なものとなる。また、面発光レーザ素子101〜103を高密度で配置してもレーザ発振波長を均一にできるので、集積度を高めることができる。その結果、面発光レーザアレイ素子100はより高出力なものとなる。特にこの面発光レーザアレイ素子100は、各面発光レーザ素子101〜103がダブルイントラキャビティ構造となっているため、高集積化、高出力化の点で一層好ましいものである。
In addition, by compensating for the difference in laser oscillation wavelength by the layer thickness of the temperature compensation layer in this way, the configurations of the surface emitting
(温度補償層の層厚の設定)
つぎに、温度補償層の層厚の設定について説明する。図1に示したような、面発光レーザ素子101〜103が三角格子状に配列された面発光レーザアレイ素子100の場合、中心領域A1に配置された面発光レーザ素子101については、最隣接する面発光レーザ素子は6個の面発光レーザ素子102であり、2次隣接する面発光レーザ素子は斜線付の丸で示した6個の面発光レーザ素子103である。また、周辺領域A3に配置された白丸で示した面発光レーザ素子103については、最隣接する面発光レーザ素子は斜線付の丸で示した2個の面発光レーザ素子103と1個の面発光レーザ素子102との合計3個であり、2次隣接する面発光レーザ素子は2個の面発光レーザ素子102である。その結果、各面発光レーザ素子101〜103の発熱量が等しいとすると、白丸で示した面発光レーザ素子103の周囲からの熱の流入による温度上昇は、面発光レーザ素子101の温度上昇の約半分程度以下である。
(Setting the thickness of the temperature compensation layer)
Next, setting of the thickness of the temperature compensation layer will be described. In the case of the surface-emitting
図3は、面発光レーザ素子が図1のように配列された面発光レーザアレイ素子における面発光レーザ素子の中心間距離と中心領域の温度上昇との関係の一例を示す図である。なお、図3では、電流狭窄層の電流注入部5aの直径を10μmとしており、注入電流を15mAとしている。また、温度上昇は、この面発光レーザ素子が単独で存在する場合を基準としている。図3に示すように、中心間距離が小さくなると温度上昇量は急激に大きくなる。たとえば、中心間距離が35μmの場合は、中心領域A1と周辺領域A3とでは20℃の温度差が生じる。活性層が1100nm帯のレーザ光用の半導体材料であるInGaAsからなる場合、レーザ発振波長の温度係数は0.067nm/℃であるから、中心領域A1と周辺領域A3とでは、面発光レーザ素子に約1.34nmのレーザ発振波長の差異が生じ得る。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the center-to-center distance of the surface emitting laser elements and the temperature rise in the central region in the surface emitting laser array element in which the surface emitting laser elements are arranged as shown in FIG. In FIG. 3, the diameter of the
本発明者らの実験によれば、温度補償層が窒化珪素からなる場合、1100nm帯において、温度補償層を2.7nm程度厚くすれば、レーザ発振波長が1.34nmだけ長くなる。したがって、周辺領域A3の面発光レーザ素子103における温度補償層8bの層厚を、中心領域A1の面発光レーザ素子101における温度補償層8aの層厚よりも2.7nm程度厚くすることで、上記1.34nmの差異をほぼ完全に補償することができる。ただし、このようにレーザ発振波長の差異を完全に補償しなくても、差異が小さくなるように、各面発光レーザ素子101〜103の層厚を設定すれば、レーザ発振波長の差異を補償する効果がある。
According to the experiments by the present inventors, when the temperature compensation layer is made of silicon nitride, if the temperature compensation layer is thickened by about 2.7 nm in the 1100 nm band, the laser oscillation wavelength becomes longer by 1.34 nm. Therefore, by making the layer thickness of the
ところで、領域ごとに温度補償層の層厚を変えることは、例えば以下のように容易に実施することができる。図4は、領域ごとに温度補償層の層厚を変える方法の一例を説明する図である。はじめに、MOCVD法などのエピタキシャル成長法によって、基板S上に下部DBRミラー1、活性層2、p型スペーサ層3、p+型コンタクト層4を順次形成する。なお、p型スペーサ層3を形成する際には、その内部にAl2O3を含む電流狭窄層5となるべき不図示のAlAs層が介挿されるように形成する。さらに、CVD法によって、p+型コンタクト層4上に窒化珪素からなる温度補償層8を形成する。なお、この温度補償層8の層厚は、面発光レーザ素子103の温度補償層8bと同じ厚さにする。
By the way, changing the layer thickness of the temperature compensation layer for each region can be easily performed as follows, for example. FIG. 4 is a diagram for explaining an example of a method for changing the layer thickness of the temperature compensation layer for each region. First, the lower DBR mirror 1, the
その後、フォトリソグラフィによって周辺領域A3に円環状のマスクMを形成し、ドライエッチングによって中心領域A1、中間領域A2をエッチングして温度補償層8を薄くする。その後、マスクMを除去した後に、さらに別のマスクを中間領域A2、周辺領域A3に形成し、ドライエッチングによって中心領域A1をエッチングして温度補償層8をさらに薄くする。これによって、領域ごとに層厚が異なる温度補償層を容易に形成することができる。
Thereafter, an annular mask M is formed in the peripheral region A3 by photolithography, and the
なお、上記実施の形態において、基板、各半導体層、電極等の材料またはその組成は、所望のレーザ発振波長に応じて適宜選択することができる。また、活性層の下側をn型半導体、上側をp型半導体としているが、これを逆にしてもよい。また、面発光レーザ素子の配列は、三角格子状に限らず、正方格子状や円状等にすることができる。また、面発光レーザ素子の構造についても、ダブルイントラキャビティ構造に限られず、様々な構造を採用することができる。たとえば、実施の形態の構造において、上部DBRミラーをp型半導体により形成し、その上部にp側電極を配置して電流注入を行なう構造としたシングルイントラキャビティ構造としても、各面発光レーザ素子間の電気的接続のための配線面積が狭くてよいので、面発光レーザ素子を高密度に集積することができる。 In the above embodiment, the material of the substrate, each semiconductor layer, the electrode, or the like or the composition thereof can be appropriately selected according to the desired laser oscillation wavelength. The lower side of the active layer is an n-type semiconductor and the upper side is a p-type semiconductor, but this may be reversed. Further, the arrangement of the surface emitting laser elements is not limited to a triangular lattice shape, but may be a square lattice shape, a circular shape, or the like. Further, the structure of the surface emitting laser element is not limited to the double intracavity structure, and various structures can be employed. For example, in the structure of the embodiment, a single intracavity structure in which the upper DBR mirror is formed of a p-type semiconductor and the p-side electrode is disposed on the upper side to inject current may be used between the surface emitting laser elements. Since the wiring area for this electrical connection may be small, the surface emitting laser elements can be integrated with high density.
1 下部DBRミラー
2 活性層
3 p型スペーサ層
4 p+型コンタクト層
5 電流狭窄層
5a 電流注入部
6 n側電極
7 p側円環電極
8、8a、8b 温度補償層
9 上部DBRミラー
100 面発光レーザアレイ素子
101〜103 各面発光レーザ素子
A1 中心領域
A2 中間領域
A3 周辺領域
L1、L2 レーザ光
M マスク
S 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記各面発光レーザ素子は、隣接する他の面発光レーザ素子が多い第1領域と少ない第2領域とでの温度差によるレーザ発振波長の差異が小さくなるように層厚を設定した温度補償層を光共振器内に有することを特徴とする面発光レーザアレイ素子。 A surface-emitting laser array element in which a plurality of surface-emitting laser elements are two-dimensionally arranged,
Each surface emitting laser element has a temperature compensation layer in which the layer thickness is set so that the difference in laser oscillation wavelength due to the temperature difference between the first region where many other surface emitting laser elements are adjacent and the second region where there are few is small. In a surface-emitting laser array element.
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