JP5916459B2 - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ素子に関するものである。

近年要求されているたとえば１０〜４０ＧＨｚの高速変調の実現のためには、面発光レーザ素子の寄生容量を低減することが好ましい。電流狭窄のための選択酸化層を備えた面発光レーザ素子の場合、選択酸化層の層厚を厚くすることによって、寄生容量は低減される（たとえば特許文献１参照）。

特開２００４−３１８６３号公報

しかしながら、電流狭窄層の厚さを厚くした場合、高次モードでのレーザ発振が起こり易くなるという問題があった。

また、選択酸化層は、アルミニウム（Ａｌ）を含む層を選択的に酸化することによって形成される。このとき、Ａｌが酸化されてＡｌ_２Ｏ_３が形成される。そのため、選択酸化層は、もとのＡｌを含む層よりも体積が減少する。したがって、選択酸化層の層厚を厚くするにつれて、選択酸化層の形成時に面発光レーザ素子内に発生する応力が大きくなる。これによって、活性層に応力がおよび易くなり、応力によって転位が入りやすくなるので、面発光レーザ素子の信頼性が低下する場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高速変調、高信頼性、および良好な伝送特性を同時に実現できる面発光レーザ素子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、本発明に係る面発光レーザ素子は、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から構成され、光共振器を構成している下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に形成された活性層と、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間または前記上部多層膜反射鏡内に形成された、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する複数の電流狭窄層と、を備え、前記複数の電流狭窄層は、層厚がそれぞれ６０ｎｍ以下であるとともに、前記光共振器に形成される光の定在波の節に略対応する位置に形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層は前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に形成されたことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層のうち前記活性層に最も近い電流狭窄層の層厚が３０ｎｍ以下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素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層のうち前記活性層に最も近い電流狭窄層の層厚は、他の電流狭窄層の層厚よりも薄いことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層のうち前記活性層に最も近い電流狭窄層の電流注入部の開口径は、他の電流狭窄層の開口部よりも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素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層は、層厚がそれぞれ４４ｎｍ以下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素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層への光閉じ込め係数は、０．４５％以下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素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層への光閉じ込め係数は、０．０６％以下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素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層の総層厚は、２０ｎｍ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素子は、上記の発明において、前記複数の電流狭窄層の総層厚は、５０ｎｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、高速変調、高信頼性、および良好な伝送特性を同時に実現できる面発光レーザ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図２は、図１に示す光共振器内に形成される定在波と電流狭窄層との関係を示す図である。 図３は、各横モードについての、電流狭窄層厚と光損失との関係を示す図である。 図４は、図３の結果から計算した、電流狭窄厚と、ＬＰ０１モードを基準とした光損失差との関係を示す図である。 図５は、各横モードについての、電流狭窄層による光閉じ込め係数と光損失との関係を示す図である。 図６は、図５の結果から計算した、電流狭窄層による光閉じ込め係数と、ＬＰ０１モードを基準とした光損失差との関係を示す図である。 図７は、層数が異なる場合の、電流狭窄層の総層厚と、電流狭窄層による光閉じ込め係数との関係を示す図である。 図８は、図７に示す電流狭窄層が１層または２層の場合の、電流狭窄層による光閉じ込め係数と、ＬＰ０１モードを基準とした光損失差との関係を示す図である。 図９は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図１０は、図９に示す光共振器内に形成される定在波と電流狭窄層との関係を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ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。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは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場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図１に示すように、面発光レーザ素子１００は、面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓからなる基板１上に積層された下部多層膜反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、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、電流狭窄層８１、８２、８３、ｐ型スペーサ層９１、９２、９３、ｐ型コンタクト層１０、ｐ側電極１１、位相調整層１２、および上部多層膜反射鏡として機能する上部誘電体ＤＢＲミラー１３を備える。

ｐ型コンタクト層１０およびｎ型コンタクト層３は、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１３との間に形成されている。活性層６は、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１３との間に形成されている。電流狭窄層８１、８２、８３は、上部誘電体ＤＢＲミラー１３と活性層６との間に形成されている。ｐ型スペーサ層９１、９２、９３は、それぞれ電流狭窄層８１、８２、８３およびｐ型コンタクト層１０との間に介挿された状態に形成されている。ｐ側電極１１はｐ型コンタクト層１０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。

ｎ型クラッド層５からｐ型コンタクト層１０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。また、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１３とは光共振器Ｒ１を形成している。

下部ＤＢＲミラー２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層（不図示）上に形成される。下部ＤＢＲミラー２は、低屈折率層として機能するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層と、高屈折率層として機能するＧａＡｓ層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば４０．５ペア積層された、周期構造を有する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の複合半導体層を構成する各層の層厚は、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）である。たとえば、λが１．０６μｍの場合、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の層厚は約８８ｎｍであり、ＧａＡｓ層の層厚は約７６ｎｍ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、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ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（Separate Confinement Heterostructure、ＳＣＨ）構造を形成している。

ｐ型スペーサ層９１、９２、９３は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型コンタクト層１０は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。

ｎ型クラッド層５、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層９１、９２、９３には、キャリア濃度がたとえば１×１０^１８ｃｍ^−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１０のキャリア濃度はたとえばそれぞれ２×１０^１８ｃｍ^−３、３×１０^１９ｃｍ^−３程度である。

電流狭窄層８１は、電流注入部としての開口部８１ａと電流狭窄部としての選択酸化層８１ｂとから構成されている。開口部８１ａはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．２）からなり、選択酸化層８１ｂは（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる。なお、ｘはたとえば０．０２である。電流狭窄層８２、８３も、それぞれ、開口部８２ａ、８３ａと、選択酸化層８２ｂ、８３ｂとから構成されている。電流狭窄層８２、８３の構成材料は電流狭窄層８１と同じである。

これらの電流狭窄層８１、８２、８３は、Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなるＡｌ含有層を選択酸化熱処理することによって形成される。すなわち、選択酸化層８１ｂ、８２ｂ、８３ｂは、このＡｌ含有層がメサポストＭの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８１ａ、８２ａ、８３ａの外周にリング状に形成されている。選択酸化層８１ｂ、８２ｂ、８３ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極１１から注入される電流を狭窄して開口部８１ａ、８２ａ、８３ａ内に集中させることで、開口部８１ａ、８２ａ、８３ａの直下における活性層６内の電流密度を高める機能を有する。開口径を小さくすると、活性層６内の電流密度が高くなるために高速変調には有利であり、同時に高次の横モードの利得が減少したり散乱損失が増加したりするために高次横モードの抑制効果が大きい。一方、開口径が小さすぎると電気抵抗が高くなり、駆動電圧が上がり、消費電力が大きくなるほか、電流密度が高いことによる信頼性の悪化が懸念される。このようなトレードオフの関係を踏まえながら開口径の選定を行なう必要がある。開口部８１ａ、８２ａ、８３ａの開口径はたとえば６μｍであるが、高速動作と信頼性の観点では、たとえば４μｍ〜１５μｍが好ましい。さらに、高次の横モードを抑制するためには、たとえば４μｍ〜８μｍがさらに好ましい。

電流狭窄層８１、８２、８３は、それぞれの層厚が６０ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以下に形成されている。電流狭窄層８１、８２、８３の層厚については後に詳述する。

光共振器Ｒ１内のその他の層の層厚は、活性層６の位置に光共振器Ｒ１内の光の定在波の腹が形成され、電流狭窄層８１、８２、８３の位置に定在波の節が形成されるように調整されている。

活性層６は、井戸層と障壁層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、井戸層は所望の波長の光を放出するように選択される材料からなり、たとえばＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層はたとえばＧａＡｓからなる。この活性層６は、ｐ側電極１１から注入されて電流狭窄層８１、８２、８３によって狭窄された電流により、たとえば１．０μｍ〜１．１μｍ（１．０μｍ帯とする）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層厚が設定されている。

上部誘電体ＤＢＲミラー１３は、低屈折率層として機能するＳｉＯ₂層と、高屈折率層として機能するＳｉＮｘ層とを１ペアとする複合誘電体層がたとえば９ペア積層された、周期構造を有する誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー２と同様に各層の層厚がλ／４ｎとされている。

ｐ側電極１１は、ｐ型コンタクト層１０の外延に沿ってリング状に形成されている。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、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。

位相調整層１２は、ＳｉＮｘなどの誘電体からなり、上部誘電体ＤＢＲミラー１３の直下に形成されている。この位相調整層１２は、その層厚の調整によって、ｐ型コンタクト層１０が光の定在波の節に位置し、上部誘電体ＤＢＲミラー１３の最下面が定在波の腹に位置するように調整する機能を有する。

つぎに、この面発光レーザ素子１００の動作について説明する。はじめに、不図示のレーザ制御器が、ｐ側電極１１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）は、ｐ型コンタクト層１０では層内を紙面横方向に流れ、その後ｐ型スペーサ層９３，９２，９１を順次通過しながら、電流狭窄層８３，８２，８１の開口部８３ａ、８２ａ、８１ａ内に集中して密度が高められた状態で、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。

このように、本実施の形態１の面発光レーザ素子１００は、ｐ側のキャリアおよびｎ側のキャリアのいずれもが、ＤＢＲミラーを経由しないで活性層に注入される、いわゆるダブルイントラキャビティ構造を有する。

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Ｒ１の作用とによって、１．０μｍ波長帯のいずれかの波長においてレーザ発振する。その結果、この面発光レーザ素子１００は、上部誘電体ＤＢＲミラー１３上から変調信号を含むレーザ信号光を出力する。レーザ発振時には光共振器Ｒ１内にはレーザ光の定在波が形成されている。

この面発光レーザ素子１００では、電流狭窄層８１、８２、８３のそれぞれが、レーザ光の定在波の異なる節に略対応する位置に形成されている。これによって、光の横方向閉じ込めに影響が大きい選択酸化層８１ｂ、８２ｂ、８３ｂと光の定在波との重なりが少なくなる。また、このように複数の電流狭窄層８１、８２、８３を備えるので、電流狭窄層としての総層厚は厚くなる。その結果、面発光レーザ素子１００の寄生容量は低減される。さらには、電流狭窄層としての総層厚は厚いが、個々の電流狭窄層８１、８２、８３は薄いので、選択酸化層８１ｂ、８２ｂ、８３ｂから活性層６におよぶ応力は低減される。これによって、活性層６での転位の発生が抑制され、面発光レーザ素子１００の信頼性が向上する。

図２は、図１に示す光共振器Ｒ１内に形成される定在波と電流狭窄層との関係を示す図である。図２において、下部ＤＢＲミラー２は、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層２ａと、ＧａＡｓ層２ｂとから構成されている。上部誘電体ＤＢＲミラー１３は、ＳｉＯ₂層１３ａと、ＳｉＮｘ層１３ｂとから構成されている。ｎ型半導体層２０は、ｎ型コンタクト層３およびｎ型クラッド層５を含む層を示している。ｐ型半導体層２１は、ｐ型スペーサ層９１、９２、９３、およびｐ型コンタクト層１０を含む層を示している。電流狭窄層８１、８２、８３はｐ型半導体層２１に含まれている。線Ｌ１は各層の屈折率を示している。線Ｌ２は光共振器Ｒ１内に形成される光の定在波の節と腹とを示している。

図２に示すように、電流狭窄層８１、８２、８３のそれぞれは、定在波の節Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３のそれぞれに略対応する位置に形成されているので、電流狭窄層８１、８２、８３による光の横方向閉じ込めに与える影響は低減される。ここで、節Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は、活性層６側から２番目、３番目、４番目の節である。

つぎに、電流狭窄層８１、８２、８３の合計の層厚（総層厚）の好ましい範囲、および１層あたりの層厚の好ましい範囲について説明する。以下では、ｘを０．０２として、開口部はＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなり、選択酸化層は（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる場合について説明する。また、面発光レーザ素子１００は波長１．０６μｍのレーザ光を発振するように各要素の層厚や組成が構成されている場合について説明する。

電流狭窄層８１、８２、８３の総層厚については、面発光レーザ素子１００の素子容量が、所定の高速変調に適する容量となる程度の総層厚に設定することが好ましい。たとえば、総層厚が２０ｎｍより薄い場合、素子容量が１ｐＦ程度の大きさとなるので、変調速度１０Ｇｂｐｓでの高速変調が困難となる。したがって、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調のためには、総層厚が２０ｎｍ以上であることが好ましく、２５Ｇｂｐｓ以上の高速変調のためには、総層厚が５０ｎｍ以上であることが好ましい。

また、電流狭窄層８１、８２、８３の１層あたりの層厚は、１０ｎｍ以上であれば、選択酸化層を形成するための酸化反応に要する時間が長くならないので好ましい。

また、活性層６に最も近い電流狭窄層８１の層厚については、信頼性の確保のためには３０ｎｍ以下であることが好ましい。３０ｎｍ以下であれば、長時間通電をした際の面発光レーザ素子１００の特性劣化が抑制される。

また、絶縁体である選択酸化層８１ｂ、８２ｂ、８３ｂは、半導体である開口部８１ａ、８２ａ、８３ａよりも屈折率が低い。その結果、選択酸化層８１ｂ、８２ｂ、８３ｂが形成されている領域の、半導体積層方向での実効屈折率は、開口部８１ａ、８２ａ、８３ａが形成されている領域の、半導体積層方向での実効屈折率よりも低くなる。この屈折率差によって、開口部８１ａ、８２ａ、８３ａへの横方向の光閉じ込めが発生する。このような光閉じ込めは、電流狭窄層が存在すれば、その厚さが薄くても発生するものである。

このとき、電流狭窄層８１、８２、８３の層厚が厚くなると、屈折率差が与える横方向の光閉じ込め効果が大きくなるため、横モードの基本モード（以下、単に基本モードと呼ぶ）の光だけでなく、高次モードもが光閉じ込めを受けるようになる。そのため、高次モードでのレーザ発振が起こりやすくなるため、上部誘電体ＤＢＲミラー１３上から出力されるレーザ信号光により多くの高次横モードの光が混入することとなる。この場合、レーザ信号光の強度スペクトルの幅が広がったり、モード競合雑音が増加したりするので、面発光レーザ素子１００の伝送特性が劣化する。したがって、面発光レーザ素子１００が出力するレーザ光の単一モード性を高め、伝送特性の劣化を抑制するためには、電流狭窄層への光閉じ込めは小さいほうが好ましい。光閉じ込めの大きさは、光閉じ込め係数で表すことができ、電流狭窄層への光閉じ込め係数は、光の定在波が各電流狭窄層と重なり合う割合の総和により定義される。

以下、好ましい光閉じ込め係数の範囲について、２Ｄ−ＦＶＭ（有限体積法）を用いてシミュレーション計算した結果を用いて説明する。まず、面発光レーザ素子１００において、電流狭窄層としては電流狭窄層８１の１層しかない構成の場合を考える。

図３は、各横モードについての、電流狭窄層厚と光損失との関係を示す図である。なお、凡例において「ＬＰ０１」とは、基本モードであるＬＰ０１モードを意味する。「ＬＰ１１」、「ＬＰ２１」は、それぞれ高次モードであるＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードを意味する。この光損失とは、光共振器Ｒ１内での光損失を意味する。

図４は、図３の結果から計算した、電流狭窄層厚と、ＬＰ０１モードを基準とした光損失差との関係を示す図である。たとえば、ＬＰ１１モードの光損失差は、（ＬＰ１１モードの光損失）−（ＬＰ０１モードの光損失）として求められる。ここで、光損失が大きいモードについてはレーザ発振しにくくなるので、高次モードについては光損失が大きいほうが好ましい。特に、ＬＰ０１モードを基準とした光損失差が大きいほうが、ＬＰ０１モードがレーザ発振し易く、高次モードがレーザ発振しにくくなるので好ましい。

図４に示すように、ＬＰ１１モードの光損失差は、電流狭窄層厚が薄くなるにつれて増大する傾向があるが、３０ｎｍ以下で増大が飽和する。したがって、ＬＰ１１モードの光損失差を効果的に確保するためには、電流狭窄層厚は３０ｎｍ以下が好ましい。同様に、ＬＰ２１モードの光損失差は、６０ｎｍ以下で増大が飽和するので、ＬＰ２１モードの光損失差を効果的に確保するためには、電流狭窄層厚は６０ｎｍ以下が好ましい。

つぎに、図３、４の結果において、グラフの横軸を電流狭窄層厚ではなく、電流狭窄層への光閉じ込め係数に変換した結果を示す。図５は、各横モードについての、電流狭窄層への光閉じ込め係数と光損失との関係を示す図である。図６は、図５の結果から計算した、電流狭窄層への光閉じ込め係数と、ＬＰ０１モードを基準とした光損失差との関係を示す図である。

図６に示すように、ＬＰ１１モードの光損失差を効果的に確保するためには、光閉じ込め係数は０．０６％以下が好ましく、ＬＰ２１モードの光損失差を効果的に確保するためには、光閉じ込め係数は０．４５％以下が好ましい。

このような光閉じ込め係数の好ましい範囲は、以下で説明するように、電流狭窄層が複数であってもほぼ同じである。したがって、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００においても、ＬＰ１１モードの光損失差を効果的に確保するためには光閉じ込め係数は０．０６％以下が好ましく、ＬＰ２１モードの光損失差を効果的に確保するためには光閉じ込め係数は０．４５％以下が好ましい。

なお、光閉じ込め係数は、電流狭窄層の総層厚が同じであっても、電流狭窄層が１層だけ存在する場合と、互いに離間した複数の電流狭窄層が存在する場合とでは異なる。

図７は、層数が異なる場合の、電流狭窄層の総層厚と、電流狭窄層による光閉じ込め係数との関係を示す図である。図７において、１層とは、面発光レーザ素子１００において電流狭窄層８１だけが存在する場合であり、総層厚とは電流狭窄層８１の層厚を意味する。同様に、２層とは、電流狭窄層８１、８２が存在する場合であり、３層とは、電流狭窄層８１、８２、８３が存在する場合である。なお、層数が２、３の場合は、各電流狭窄層の層厚は等しいとしており、各電流狭窄層は、図２に示したようにレーザ光の定在波の異なる節に略対応する位置に配置されていると仮定している。

図７に示すように、電流狭窄層の総層厚が同じであっても、層数を増加させる程、これによって実現される光閉じ込め係数を低減させることができる。たとえば、層厚が６０ｎｍの電流狭窄層１層を定在波の節に配置させた場合の光閉じ込め係数は０．４５％であるが、層厚が３０ｎｍの電流狭窄層２層を異なる２つの定在波の節に配置させた場合の光閉じ込め係数は０．１７％と、１層の場合の０．３８倍の値に低減される。また、電流狭窄層が２層の場合、光閉じ込め係数が０．４５％以下となる時の各層厚は約４４ｎｍ以下であることも図７から読み取れる。

図８は、図７に示す電流狭窄層が１層または２層の場合の、電流狭窄層による光閉じ込め係数と、ＬＰ０１モードを基準とした光損失差との関係を示す図である。図８に示すように、層数が異なっていても、高次モードの光損失差の変化する傾向は同様であり、光閉じ込め係数の好ましい範囲はほぼ同じである。また、２層のほうが１層に比べて、ＬＰ０１とＬＰ１１との光損失差を大きく取ることができ、ＬＰ１１モードの発振をより抑制することができる。

図７、８からわかるように、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００のように、電流狭窄層を複数備えれば、光閉じ込め係数を、高次モードのレーザ発振を抑制できる程度の値に容易に低減でき、かつ電流狭窄層の１層あたりの層厚を抑制して素子の信頼性を向上しつつ、電流狭窄層の総層厚を厚くして寄生容量を低減でき、高速変調を実現できる。

以上説明したように、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００は、高速変調、高信頼性、および良好な伝送特性を同時に実現できる。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図９に示すように、面発光レーザ素子２００は、図１に示す実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００において、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層９１、９２、９３、およびｐ型コンタクト層１０を、上部半導体ＤＢＲミラー１５に置き換え、この上部半導体ＤＢＲミラー１５内に電流狭窄層８１、８２を配置した構成を有する。

上部半導体ＤＢＲミラー１５は、低屈折率層として機能するｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層１５ａと、高屈折率層として機能するｐ型ＧａＡｓ層１５ｂとを１ペアとする複合半導体層がたとえば２〜５ペア積層された、周期構造を有する半導体多層膜ミラーとして形成されている。上部半導体ＤＢＲミラー１５の複合半導体層を構成する低屈折率層および高屈折率層の層厚は、それぞれの光学長がλ／４となるように設定されている。上部誘電体ＤＢＲミラー１３および上部半導体ＤＢＲミラー１５は上部ＤＢＲミラー１６を構成しており、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１６とは光共振器Ｒ２を形成している。

また、電流狭窄層８１、８２は、上部半導体ＤＢＲミラー１５内に、活性層６から離れる方向に向かって、ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層１５ａ、電流狭窄層８１（８２）、ｐ型ＧａＡｓ層１５ｂの順に並ぶように配置されている。電流狭窄層が形成される複合層では、ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層１５ａとｐ型Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層８１ａの合計の層厚の光学長がλ／４となるように設定されている。

図１０は、図９に示す光共振器Ｒ２内に形成される定在波と電流狭窄層との関係を示す図である。図１０において、線Ｌ３は各層の屈折率を示している。線Ｌ４は光共振器Ｒ２内に形成される光の定在波を示している。

図１０に示すように、定在波は、活性層６から離れる方向において、ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層１５ａとｐ型ＧａＡｓ層１５ｂとの各界面の近傍に節が形成される。電流狭窄層８１、８２のそれぞれは、定在波の節Ｎ４、Ｎ５のそれぞれに略対応する位置に形成されているので、電流狭窄層８１、８２による光の横方向閉じ込めに与える影響は低減される。

この面発光レーザ素子２００も、実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００と同様に、複数の電流狭窄層８１、８２を備えるので、高速変調、高信頼性、および良好な伝送特性を同時に実現できる。さらに、上部ＤＢＲミラー１６内に電流狭窄層８１、８２を備えているので、光共振器Ｒ２の共振器長を短くすることができ、高速変調に適する構成である。

なお、上記実施の形態では、電流狭窄層の層数は２または３であるが、４以上でもよい。また、電流狭窄層は、定在波の活性層側から２番目以上の節に略対応する位置に形成されているが、活性層側から１番目の節に略対応する位置に形成されていてもよい。本実施の形態に係る面発光レーザ素子では、複数の電流狭窄層を備えることによって、１層あたりの層厚を薄くできるので、このように活性層に近い節に略対応する位置に形成しても、活性層におよぶ応力を小さくすることができる。また、上記実施の形態では、複数の電流狭窄層の層厚は互いに等しいが、互いに異なっていても良い。特に、活性層に近い電流狭窄層ほど層厚が薄くなるように設定すれば、活性層におよぶ応力を小さくすることができるので好ましい。また、活性層に最も近い電流狭窄層だけを他の電流狭窄層よりも薄い層厚にしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、複数の電流狭窄層の開口部の開口径は互いに等しいが、互いに異なっていても良い。特に、活性層に近い電流狭窄層ほど開口径が小さくなるように設定しても良い。また、活性層に最も近い電流狭窄層の開口径だけを他の電流狭窄層の開口径よりも小さくしても良い。電流狭窄の効果は、特に活性層に最も近い電流狭窄層の開口径でほぼ決定されるので、活性層に最も近い電流狭窄層を他の電流狭窄層よりも小さい開口径すれば、他の電流狭窄層による素子の電気抵抗の増大を抑制できる。なお、開口径は、電流狭窄層を形成するためのＡｌ含有層におけるＡｌ組成を高くすれば、酸化速度が速くなるので開口径を小さくでき、Ａｌ組成を低くすれば、開口径を大きくできる。

また、本発明は、イントラキャビティ構造でない面発光レーザ素子にも適用できる。すなわち、活性層に注入されるキャリアが、下部ＤＢＲミラーおよび／または上下部ＤＢＲミラーのそれぞれを経由して活性層に注入される構造の面発光レーザ素子にも本発明は適用できる。

また、上記実施の形態では、１．０μｍ波長帯用にその化合物半導体の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、所望のレーザ光の発振波長に応じて適宜設定されるものであり、特に限定はされない。

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。上述した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。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 基板
２ 下部ＤＢＲミラー
２ａ Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
２ｂ ＧａＡｓ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
７ ｐ型クラッド層
１０ ｐ型コンタクト層
１１ ｐ側電極
１２ 位相調整層
１３ 上部誘電体ＤＢＲミラー
１３ａ ＳｉＯ₂層
１３ｂ ＳｉＮｘ層
１５ 上部半導体ＤＢＲミラー
１５ａ ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層
１５ｂ ｐ型ＧａＡｓ層
１６ 上部ＤＢＲミラー
２０ ｎ型半導体層
２１ ｐ型半導体層
８１、８２、８３ 電流狭窄層
８１ａ、８２ａ、８３ａ 開口部
８１ｂ、８２ｂ、８３ｂ 選択酸化層
９１、９２、９３ ｐ型スペーサ層
１００、２００ 面発光レーザ素子
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 線
Ｍ メサポスト
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５ 節
Ｒ１、Ｒ２ 光共振器

Claims (10)

1. 高屈折率層と低屈折率層の周期構造から構成され、光共振器を構成している下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、
   前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に形成された活性層と、
   前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間または前記上部多層膜反射鏡内に形成された、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する複数の電流狭窄層と、
   を備え、
   前記複数の電流狭窄層は、基本モードと高次モードとの光損失差が飽和する、層厚がそれぞれ６０ｎｍ以下であるとともに、前記光共振器に形成される光の定在波の異なる複数の節に略対応する位置に形成されており、
   前記電流狭窄層が複数であることで、前記複数の電流狭窄層への光閉じ込め係数が、０．４５％以下であることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記複数の電流狭窄層への光閉じ込め係数は、０．０６％以下であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記複数の電流狭窄層は、前記活性層に対して同じ側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記複数の電流狭窄層は前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
5. 前記複数の電流狭窄層のうち前記活性層に最も近い電流狭窄層の層厚が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
6. 前記複数の電流狭窄層のうち前記活性層に最も近い電流狭窄層の層厚は、他の電流狭窄層の層厚よりも薄いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
7. 前記複数の電流狭窄層のうち前記活性層に最も近い電流狭窄層の電流注入部の開口径は、他の電流狭窄層の開口部よりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
8. 前記複数の電流狭窄層は、層厚がそれぞれ４４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
9. 前記複数の電流狭窄層の総層厚は、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
10. 前記複数の電流狭窄層の総層厚は、５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ素子。

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