JPH0277185A - グレーティング結合型表面発光レーザ素子およびその変調方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は先導波路に沿って形成された２次以」二の回折
格子によって光帰還を行う分布帰還型レーザ素子に係り
、その光出力を放射モードの形で取り出すグレーティン
グ結合型表面発光レーザ素子とその変調方法に関する。

（従来の技術） 近年、光通信や光学ディスク用の光源として、各種の半
導体発光素子が盛んに使用されている。

この中でも光導波路に沿って周期的摂動（回折格子）を
設けた分布帰還型（Ｄ　Ｆ　Ｂ）半導体レーザ素子は、
この回折格子の波長選択性により、単一波長（単一縦モ
ード）で発振できる。

現在、この素子は長距離高速光通信用の光源としてＧａ
１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いて実用化されている。

分布帰還型半導体レーザ素子の構造の中でも次の構造が
良く知られている。すなわち、両襞開端面にＡＲ（無反
射）コート等によってその反射率を低下させ、かつその
共振器の中央に回折格子の周期の不連続部（位相シフタ
）を有する構造である。この不連続量が管内波長の１／
４に相当する場合は、ブラッグ波長での発振が可能であ
る。かつ、この構造では他の縦モードとのゲイン差が大
きいため、単一縦モード動作に極めて有利である。

このような分布帰還型の発光素子に限らず、襞間端面か
ら光を取り出すタイプの半導体発光素子では、出射され
るビームの垂直方向の拡がりは非常に広い。この拡がり
は、薄い導波層（含活性層）を導波した光の端面でのス
ポット・サイズの回折限界で決まるため、ビーム指向性
は、たとえば半値全角で３０〜５０″以下にすることは
難しい。したがって、光ファイバ等の各種光学系への結
合効率も大きくすることができない。

また、端面を半ば手作業である襞間で形成したり、また
その臂開市に誘電体薄膜や金属膜をコートして反射率を
調整する等の手間がかかる。したがって、その製作工程
は著しく量産性が低い。

ところで、このような通常の端面出射型の素子に対し、
光出力を回折格子によって取り出す試みがなされている
。これは次の原理を利用している。

つまり、２次以上のブラッグ回折を生じる回折格子を用
いた場合には、その次数未満の回折光は放射モードとし
て狭いビームで外部に取り出すことができることである
。特に、次数が２次の場合にはその出力は導波路方向（
共振器方向）に対し、はぼ垂直に上下に取り出せる。し
かも、放射モード光は共振器方向のビームの拡がりが１
’程度と狭いため、各種光学系との高効率結合が期待さ
れる。最近では、ＧａＡ　ｌ＾ｓ／ＧａＡｓ系材料のＴ
ＪＳ型材料ザ素子で試作した例が知られている（光永他
電子情報通信学会０ＱＥ−８６−１５２）。

ところが、この半導体発光素子では、２次の回折格子を
利用した場合、鋭いビームを基板にほぼ垂直に取り出せ
る利点があるものの、その放射モード出力は共振器の全
長にわたって分布を示す。

故に、出力光を微小な一点に結像するのは困難である。

たとえば、これを第９図（ａ）に示す構造で説明する。

つまり、ｎ型ｌｎＰ基板１上に２次の回折格子２を形成
し、その上にｎ型Ｇａ１ｎＡｓＰ光導波路層３（λ−１
．１５．ｃｚ　ｔｓ帯組成）、アンドープＧａ　Ｉ　ｎ
ＡｓＰ活性層４（λ−１，３μｍ帯組成）、ｐ型１ｎＰ
クラッド層５、ｐ　＋　型Ｇａ１ｎＡｓＰオーミックコ
ンタクト層６（λ−１．１５μ−帯組成）を順次積層し
てなるＧａ１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ系分布帰還型半導体レー
ザ素子構造である。さらに、回折格子２が均一で、かつ
両端面の反射率がＯである構造と比較すると、導波モー
ドの軸方向の光強度分布は第９図（ｂ）の曲線すのよう
になる。ここで、２方向の前進波の複素振幅をＲ（Ｚ）
（以下Ｒと略）、後退波の複素振幅を５（Ｚ）（以下Ｒ
と略）とすると、光強度分布は１ＲＩ２＋１ｓ１２で示
される。

このとき、Ｈｅｎｒｙらが指摘しているように、ストッ
プバンドを挟んだ２本の縦モードのうち長波長側のモー
ド（−１次モード；モードは位相定数差で定義するため
、波長と符号が逆になる。）は、導波モードの前進波Ｒ
と後退波Ｓによって発生する２つの放射モード光が、強
め合う干渉を起こす。

したがって、大きな表面発光出力が得られる（ＩＥＥＥ
　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ、ＱＥ−２１゜ｐ、ｉ５１，１９
８５）。つまり、放射モード光の軸方向の近視野像のプ
ロファイルはｌＲ＋ｓ１２で表され、この場合は第９図
（ｂ）の曲線ａとなる。

これに対し、短波長側のモード（＋１次モード）は、互
いに反射方向に伝搬する２つの光波ＲとＳによっ゛Ｃ発
生する２つの放射モード光が、弱め合う干渉を起こす。

つまり、第９図（ｂ）の曲線Ｃに示すように共振器中央
が凹むため、表面発光出力は小さくなる。

ところで、両縦モードとも放射モード損がなければその
発振閾値ゲインは同じであるが、−１次モードは放射モ
ード損の大きい分だけ閾値が高いので発振しない。つま
り、強め合う干渉により放射モード損の大きい一１次モ
ードは発振に不利である。したがって、実際には放射モ
ード損の小さい＋１次モードで発振する。従って、放射
モード出力は第９図（ｂ）の曲線Ｃのように共振器中央
で殆ど０となる。つまり、端部にのみ僅かな出力が分離
するような好ましくない発光パターンを示す。このよう
に、このままでは効率が非常に悪く、鋭い面発光ビーム
を出射できるというグレーティング結合レーザ素子の長
所を活かせないでいた。

また、従来の変調方法は、半導体レーザ素子全体に注入
される電流でオン、オフしていた。しかしながら、半導
体レーザ素子全体に電流を注入し７て変調すると、比較
的大きな振幅で変調する必要があった。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来のグレーティング結合型表面発
光レーザ素子は、共振器方向の狭い領域に効率良く出力
光を集中できないという問題があった。また、従来の変
調方法は、半導体レーザ素子全体に電流を注入するので
比較的大きな振幅で変調しなければならないという問題
があった。

本発明は上述する問題を解決するもので、その目的とす
るところは、共振器方向の狭い領域に効率良く出力光を
集中できるグレーティング結合型表面発光レーザ素子を
提供することである。

また、小さな電流で、効率良く、かつ高速で変調ができ
るグレーティング結合型表面発光レーザ素子およびその
変調方法を提供することである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のグレーティング結合型表面発光レーザ素子は、
導波路光に対して２次以上の次数をもつ回折格子を導波
方向に沿って備えた発光可能な結晶層を電極層により挟
持してなるグレーティング結合型表面発光レーザ素子に
おいて、前記導波方向に沿う放射モードの発光パターン
の分布において、所定の光強度より大きい光強度をもつ
限定領域からのみ、表面発光出力を取り出すことを特徴
とする。

本発明の好ましいグレーティング結合型表面発光レーザ
素子は、前記電極層の１つの電極層が、独立に励起され
る複数の領域に分割されていることを特徴とする。

本発明の上記のグレーティング結合型表面発光レーザ素
子の変調方法は、前記複数の領域を独立に励起すること
により励起する共振器長を変化させて、または、前記複
数の領域を独立に励起させて前記回折格子の位相をシフ
トさせることにより、放射モードの導波方向の発光出力
パターンを制御することを特徴とする。

複数の領域は電流注入により励起してもよいし、光によ
り励起してもよいし、一部は電流注入により一部は光に
より励起してもよい。

本発明の別の好ましいグレーティング結合型表面発光レ
ーザ素子は、導波路光に対して２次以上の次数をもつ回
折格子を導波方向に沿って備えた発光可能な結晶層を電
極層により挟持してなるグレーティング結合型表面発光
レーザ素子において、前記導波方向に沿う放射モードの
発光パターンの分布において所定の光強度より大きい光
強度をもつ限定領域からのみ表面発光出力を取り出し、
さらに、前記回折格子の位相をシフトさせる位相シフト
手段を複数有することを特徴とする。

さらに好ましくは、前記位相手段の１つ以上が前記電極
層の１つの電極層が独立に励起される複数の領域に分割
されて構成されている。

ここで、位相シフト手段とは、回折格子に実際に固定し
た位相シフタを設けて構成してもよいし、電流を制御し
て活性層の屈折率および導波路の実効屈折率を変化させ
て構成してもよい。

本発明の上記のグレーティング結合型表面発光レーザ素
子の変調方法は、前記複数の領域を独立に励起すること
により１つ以上の位相シフト手段の位相シフト量を独立
に制御して放射モードの導波方向の発光出力パターンを
制御することを特徴とする。

複数の領域は電流注入により励起してもよいし、光によ
り励起してもよいし、一部は電流注入により一部は光に
より励起してもよい。

（作用） 本発明は、導波方向に沿う放射モードの発光パターンの
分布において、所定の光強度より大きい光強度をもつ限
定領域からのみ、表面発光出力を取り出すので、微小ス
ポットから指向性の良いビームを得ることができる。

たとえば、λ／４位相シフタを有するグレーティング結
合型表面発光半導体レーザ素子は、ブラッグ波長での発
振が可能である。しかも０次モードの軸方向の放射モー
ド界（ｌＲ＋５１２）と導波路モード界（ＩＲ１２＋１
Ｓ１２）とは、第１図にプロファイルを曲線ａで示すよ
うに相似の分布を示す。したがって、共振器長全体にわ
たって放射モード出力が得られる可能性がある。さらに
、この０次モードは他の縦モード（たとえば＋１次、−
１次モード）との閾値ゲイン差（ΔαＬ−αｔｈＬ　−
α　Ｌ　　５但し、共振器長りを乗じて規ｏ　　　ｔｈ
　　±１ 格化しである。）が大きい。したがって、第１図にプロ
ファイルを曲線すで示す＋１次モードの方が放射モード
損が少ないにもかかわらず、０次モードでの発振が実現
できる。なぜなら、０次モードの放射損にゲイン差が打
ち勝つためである。

また、規格化結合係数にＬが１．２５より大きい場合に
は、λ／４位相シフタ位置に放射モード光が集中してく
る。ここで、結合係数にはＲ波とＳ波の結合の程度を示
す。Ｌは共振器長である。したがって、共振器中央が凸
となる分布が実現され、効率良く放射モード出力が取り
出される（第１図はにＬ−２，０で、この場合に該当す
る）。

しかし、導波モードの光強度分布ｌＲ１”＋ｌ５１２に
大きな偏りがある場合には、軸方向の空間的ホールバー
ニング（！！■他、電子情報通信学会、光量子エレクト
ロニクス研究会ＯＱＥ　８７−７ｐ９．４９−５８．１
９８６年）の作用により、注入キャリア密度の空間的な
変化が縦モードの変化を誘引する。

したがって、λ／４位相シフタ位置に導波モード光が集
中した場合には、この軸方向ホールバーニングのため、
せっかく大きい値であったΔαＬが小さくなる。つまり
、発振直後に、しばしば＋１次モードへモードジャンプ
してしまう。

この軸方向ホールバーニングを防ぐには、規格化結合係
数にＬを１．２５付近として共振器長の全体にわたって
一様に発光するようにすれば良い。しかし、その場合は
、効率良く出力光を一点に集光しにくくなる。

このグレーティング結合型表面発光レーザ素子は、光出
力側の電極層を、独立に励起される複数の領域に分割し
て構成することもできる。それぞれ独立に複数の領域の
励起レベルを調整することにより、放射モード光強度分
布（ＩＲ＋Ｓ１２の形状）を制御できる。これにより、
微小な光取り出し窓面下の強度を変化させ、面発光出力
の変調を可能としている。

この変調方法について説明する。

まず、励起長りを変えてにＬの値を変えて変調する。一
般に、中央部にλ／４位相シフトがあっても、にＬ値が
１，２５よりはるかに小さければ、共振中央部での放射
モード分布は小さくなる。そのとき、この中央部上側に
光取り出し窓を設けても、光出力は殆ど得られない。し
かし、この素子のさらに外側を励起すれば、全共振器長
が長くなったことに対応し、にＬ値は大きくなる。

これによって、にＬ値が１．２５を超えると、中央部の
放射モード強度が増加して、光取り出し窓から出力を取
り出すことができる。

また、別の変調方法は等価的な位相シフト量を制御する
ことにより、その窓からの出力をコントロールするもの
である。つまり、にＬが１．２５よりも大きい時、等価
的な位相シフト量を制御してλ／４相当の光路の位相差
（伝搬定数差）を発生させると、そのブラッグ波長で発
振し、中央部で強い放射モード光が得られる。

すなわち、中央付近の導波路部の等偏屈折率が周囲と同
じであれば、共振器に沿っての放射モード光分布は、必
ず中央付近が０となる。これは、この凹型分布をもつ縦
モードのしきい値が最も低いからである。一方、中央部
の等偏屈折率を制御して、λ／４相当の光路の位相差（
伝搬定数差）を発生させると、そのブラッグ波長で発振
し、中央部で強い放射モード光が得られる。したがって
、中央部に窓を設ければ、表面発光出力の変調が可能と
なる。

また、本発明の別のグレーティング結合型表面発光レー
ザ素子は、導波方向に沿う放射モードの発光パターンの
分布において、所定の光強度より大きい光強度をもつ限
定領域からのみ、表面発光出力を取り出すグレーティン
グ結合型表面発光レーザ素子において、回折格子の位相
をシフトさせる位相シフト手段を複数有することにより
、軸方向ホールバーニングを防ぎながら、安定した放射
モード光の集中が得られる。

また、このグレーティング結合型表面発光レーザ素子は
、１つ以上の複数の位相手段が、独立に励起される段数
の電極領域に分割して構成し、複数の領域を独立に励起
することにより、位相シフト量を制御して放射モードの
導波方向の発光出力パターンを制御することができる。

すなわち、１つ以上の位相シフト手段の位相シフト量を
電流注入または光によって同時もしくは独立に調整する
ことにより、位相シフト部の間の放射モード光の発光パ
ターンを制御することができる。そして、これら位相シ
フト間に光取り出し用の出力窓を設けておけば、微小領
域での出力変調が可能である。

但し、下方に向って放射された光は裏面から反射して、
出力と望ましくない干渉を起こさないように、この反射
を防ぐ必要がある。もしくは裏面からの反射光は出力光
と強め合う干渉を起して強度を増強するようにするべき
である。

（実施例） 以下、本発明のグレーティング結合型表面発光半導体レ
ーザ素子およびその変調方法について図を参照して説明
する。

実施例１ 第２図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導体
レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。

ｎ型１ｎＰ基板１上には、λ／４位相シフタ１０を形成
した２次の回折格子２が刻設されており、その上にｎ型
Ｇａ１ｎＡｓＰ光導波路層３、アンドープＧａ１ｎＡｓ
Ｐ活性層４、ｐ型１ｎＰクラッド層５、ｐ＋型ＧａＪｎ
ＡｓＰオーミックコンタクト層６を液相エビキシャル成
長法によって順次積層した。この後エツチングによりメ
サ・ストライブ部を形成し、その周囲をｐ−ｎ逆接合を
有するｐ型１ｎＰ層７、ｎ型１ｎＰ層８とｐ型キャップ
層９を順次結晶成長させて埋め込んだＢＨ構造を構成し
た。この後、ｐ側電極１１およびｎ側電極１２を形成し
た。

導波路層３、活性層４により成る導波ストライブを、第
２図の平面図に点線で示す。

ｌｎＰ層７．８の境界ではダイオードの逆接合１３によ
り電流がブロックされている。このため電流は活性層ス
トライブ層４のみに効率良く注入される。共振器の端面
近傍ではｐ側電極１１を形成せず、非励起領域として事
実上の両端面無反射（たとえば、反射率５９６以下）と
し、襞間面を不要とした。

また、ｐ側電極１１は、λ／４位相シフタ１０のある中
央部付近に光取り出し用窓１４を有している。ｐ側電極
１１の長さをして示す。

第３図では共振器長りを１．０　ｍｎ＋以上と十分太き
くすることにより、にＬ＞２という大きな値を得ること
ができ、面発光パワーを中央部に集中させることが可能
であった。この光パワーの一部は２次の回折格子によっ
て生じる放射モードとして光取り出し用窓１４から放射
される。

実施例２ 第３図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導体
レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。

このグレーティング結合型表面発光半導体レーザ素子は
、実施例１と同様にＧａ１ｎＡｓＰ／ｌｎＰ系材料を用
いており、実施例１とはｐ側電極１１の構造のみが違う
。

つまり、ｐ側電極１１は、中央部付近の中央電極１１ａ
と、それ以外の周辺電極１１ｂとに分離形成され、それ
ぞれに独立に電流注入できるようになっている。

中央電極１１ａは、光取り出し用窓１４ををする。

２次の回折格子２による結合係数には約２０ｃｍ−’で
あった。中央電極１１ａによる励起領域長Ｌｃは約２０
０μ腸とし、にＬｃ＝０．４と設計した。周辺電極領域
長しＪ２、Ｌ「はそれぞれ４００μｍとし、に・　（Ｌ
Ｊ２＋Ｌｒ　）−１，６とした。

中央電極１１ａおよび周辺電極１１ｂに電流が注入され
た場合のにＬ値は２．０である。これは中央部に光パワ
ーを集中させるには十分な大きさである。

但し、あまりにＬが大きくてパワーが集中しすぎると、
軸方向ホールバーニングによる他モードへのジャンプが
起る。

周辺電極１１ｂのみにバイアス電極を約８０ｎＡ通電し
ている場合は、周辺電極領域りで、Ｌ「の強度分布は、
第３図（ｂ）に示すように、内部でエネルギーがロスし
ているだけである（端面付近および中央部での非励起領
域で減衰する。また、光取り出し用窓１４以外を吸収性
の電極材料で、もしくはバンドキャップの小さい四元キ
ャップ層で覆っておけば、放射モード光としても外部に
取り出されない）。また、それぞれの分布は前進波Ｒと
後退波Ｓの干渉がキャンセルするように働き、中央部が
落ち窪む。

さらに、中央電極１１ａに約２０ｒ＃Ａのスイッチング
電流を加えたときは、これは周辺電極１１ｂと同じ注入
電流密度である。第３図（ｄ）に示すように、光パワー
は中央部に集中した。故に、放射モードによる鋭い、高
輝度、高出力ビームを取り出すことができた。このとき
、にＬの値は約２．０であった。

このように小さなスイッチングパルスにより、大きな光
出力を取り出すことができる。

また、中央電極１１ａに対する電流励起に依らなくとも
、光ビームの入射による光励起によってもスイッチング
動作が可能である。このときバイアス電流が大きいとき
には光信号の増幅も可能であり、光増幅器を構成するこ
ともできる。

さらに、周辺電極１１ｂをオフ状態にしておき、中央電
極１１ａのみをオン状態にしておいた場合は、第３図（
ｃ）に示すような中央部が凹んだ光分布となり、低出力
レベルとなる。このとき周辺電極１１ｂに徐々に電流を
流していくか、あるいは周辺電極１１ｂを複数個に分割
して多レベルで動作させることにより、中央部からの光
出力レベルの調整（変調）を行うことも可能である。

実施例３ 第４図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導体
レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。

この、グレーティング結合型表面発光半導体レーザ素子
は、実施例２と同様にＧａ　Ｉ　ｎＡｓＰ／　Ｉ　ｎＰ
系材料を用いたグレーティング結合型表面発光型半導体
レーザ素子であり、実施例２との違いは、回折格子の中
央部には位相シック（第３図の１０）を設けていないこ
とである。また、中央電極１１ａの長さＬｃは８０μｍ
程度と短くなっている。

周辺電極１１ｂの長さＬＪ２、Ｌ「は各約１５０μ謬で
あり、中央電極１１ａの長さＬｃは３０μｍである。し
たがって、周辺電極１１ｂに３０１ＩＡ、中央電極１１
　ａ　ｌ：３ａ＋Ａの電流を流すと−様なキャリアの注
入が実現され、第４図（ｂ）に示すように、−１次モー
ドでの発振が開始された。つまり、中央部で放射モード
が極めて少なく周辺部に放射モードが現れる。このとき
、光取り出し用窓１４からは光出力は当然得られなかっ
た。

次に周辺電極１１ｂへの電流値をバイアス条件として、
中央電極１１ａに１０ＩＩＡの電流を流したところ、注
入キャリア密度の増加により、等側屈折率が変動し、等
測的なλ／４シフトの条件が満たされる。このとき、ブ
ラッグ条件で発振する０次モードが発振し、第４図（ｃ
）に示すように、中央部に放射モードが集中し、光取り
出し用窓１４から基板に対してほぼ垂直方向に放射角の
狭い（θ１１×θＬ　　３０’Ｘｌ”）ビームが得られ
た。

ただし、本実施例でも、数ｍ′ｌｄ以上の光を小さな光
取り出し用窓１４から得ようとすると、軸方向ホールバ
ーニングにより再び中央部が凹むモードにジャンプして
しまった。

本実施例の方法は、実施例２のようににＬを制御したの
ではなく、等測的に位相シフトの量を制御したものであ
る。

但し、実施例工ないし実施例３では、放射モード光のみ
を窓部に集中したのではなく、導波モードそのものをも
窓部直下に集中させている。したがって、軸方向ホール
バーニングの影響により、発光の安定性が悪くなる。つ
まり、これらの構造では、大きく放射モード光を集中す
るには限界があった。

従って、導波モードの軸方向光強度分布は一様で、放射
モード光のみ所望の窓の下で強（なる構造が望ましい。

このようなグレーティング結合型表面発光半導体レーザ
素子を、実施例４に述べる。

実施例４ 第５図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導体
レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。

この、グレーティング結合型表面発光半導体レーザ素子
は、実施例３と同様にＧａ１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を
用いたグレーティング結合型表面発光型半導体レーザ素
子であり、実施例３とは、ｐ側電極１１の構造および両
端面が違う。

両端面は、事実上の無反射端面とする。非励起吸収領域
としてもＡＲコートとしても良いが、ここでは簡単のた
めＡＲコート１５とした。

ｐ側電極１］は、中央部付近の中央電極１１ａと、それ
以外の周辺電極１１ｂとに分離形成され、それぞれに独
立に電流注入できるようになっている。

中央電極１１ａは３０μｍだけ離れた２μ−指幅の２本
の電極指で構成しである。また、中央電極１１ａの電極
指に挟まれた周辺電極１１ｂには、幅が５μ−の光取り
出し用窓１４が開孔している。

ｐ型１ｎＰクラッド層５を比較的厚く成長することによ
り、周辺電極１１ｂから注入された電流は光取り出し用
窓１４直下の活性層４にも拡がって流れ込み、−様な励
起が実現できる。

このようなグレーティング結合型表面発光型半導体レー
ザを用いると、電流を制御することにより、中央電極１
１ａの下の注入キャリア密度を、周辺電極１１ｂに対し
て相対的に変化させることができる。このキャリア密度
の変化が、活性層４の屈折率を相対的に変化させる。導
波路３の実効屈折率が変化するため、導波光が等測的に
回折格子２の位相に対してこの領域の通過前後で相対変
化を経験する。したがって、このような構成のｐ側電極
１１は、３０μ−だけ離れた位置に調整可能な２つの位
相シフタを設けたことと等価となる。

このとき、励起されている共振器長りは、３００μ−と
した。

なお、位相シフタの位相を調整可能にする必要のないと
きは、実際の回折格子に位相不連続部を固定して設ける
こともできる。このとき、ｐ側電極１１は中央電極１１
ａと周辺電極１１ｂとに分離する必要はない。

なお、にＬの値は導波路モードが比較的−様であるよう
に１．２５付近とし、軸方向ホールバーニングの影響を
少なくしている。

次に、このグレーティング結合型表面発光半導体レーザ
素子の動作を説明する。第６図は二つの位相シフタのシ
フトｍΔφ１、Δφ２を変化させた場合の軸方向の放射
モード強度分布（ｌＲ＋５１２）と、一部導波路モード
強度分布（ＩＲ＋２−１−　Ｉ　Ｓ　ｌ　２）を示す。

二つの等価位相シフタのシフト呈をΔφ１、△φ２とす
ると、△φ１−△φ２−λ／８，３λ／８（λ：管内波
長）のときは、導波路モードの軸方向の分布（ｌＲ１２
＋ｌｓ＋２）は、第６図において曲線ａで示され、比較
的−様である。また、△φ１−Δφ２−３λ／８とした
ときは、放射モード（ｌＲ＋５１２）の分布は曲線すで
示されるプロファイルである。つまり、中央部の光取り
出し用窓１４付近にのみ、強め合う干渉を起こすことが
できる。したがって、効率良く光取り出し用窓１４から
放射モード出力を取り出すことができる。

本発明のグレーティング結合型表面発光半導体レーザ索
子は、共振器長全体を流れる電流をオン、オフしても出
力を変調できる。しかし、もっと効果的な変調方法は、
ｐ側電極１１の周辺電極１１ｂにバイアスを加えて発振
状態Ｊこしておき、小さな電極指である中央電極１１ａ
に変調信号を印加することである。

つまり、Δφ１雛Δφ２＝ｍＯとなるように中央電極１
１ａに流す電流を調整した段階では、放射モード（ｌＲ
＋５１２）の分布は曲線ｄで示される。したがって、光
取り出し用窓１４から放射モード出力は殆ど取り出すこ
とができない（オフ状態）。これに対し、Δφ１−Δφ
２−３λ／８となるように中央電極１１量を変調すれば
、放ｑ・Ｉモードの分布は曲線すとなる。つまり、光取
り出し用窓１４から放射モード出力を取り出すことがで
きる（オン状態）。ここで、素子がバイアスされている
ことと、中央電極１１ａの電極面積が小さいため変調パ
ルスの振幅が小さくて済むことから、高速で、高効率な
変調が可能となる。

なお、これ以外の位相シフト量の条件でも変調すること
ができる。すなわち、Δφ１−△φ２−λ／８のときは
、曲線Ｃのように、中央部の光取り出し用窓１４にのみ
、弱め合う干渉を起こすことができる。このことを利用
して、△φ１−△φ２λ／８　（オフ状態）からΔφ１
−△φ２−３λ／８　（オン状態）へと変化させるよう
な変調を行っても光パルスの発生が可能である。

第７図に、本発明のグレーティング結合型表面発光レー
ザ素子の放射モード出力の遠視野像の模式図を示す。ビ
ームの拡がりは共振器方向では、約１°と非常に狭い。

導波路の幅方向では、通常の端面発光レーザと同様に、
拡がり角（半値全角）は約３０’であった。なお、発光
部の面積は５Ｘ２μＭである。このままでも、従来の半
導体レーザや発光ダイオードと比べて、十分に狭いビー
ムが。

得られている。したがって、直接光ファイバ等に結合し
ても実用的な結合効率が得られる。さらに、この光取り
出し用窓１４にシリンドリカル−レンズやグレーティン
グ豐レンズ等の加工を行えば、さらにビームを狭くする
ことができる。これらは、結晶ウェファの表面の加工で
形成できるため困難は少なく、量産に適している。

実施例５ 第８図を用いて本発明のグレーティング結合型表面発光
半導体レーザ素子を説明する。

本実施例では、３００μｍの共振器長の中央部から互い
に３０μＩ離して回折格子に２つのλ／４位相シフタを
設けた。このとき、２つの位相シフタのシフト量の合計
はλ／２となり、放射モード損がなければ発振すべき導
波路モードは、＋１次モードである。しかし、放射モー
ドのある場合は、第８図（ａ）の放射モード・プロファ
イルを持つ＋１次モードと、第８図（ｂ）の放射モード
・プロファイルを持つ一１次モードとなる。したがって
、放射モード損が少ない＋１次モードで発振する。しか
も、この場合は２つのλ／４位相シフタに囲まれた狭い
中央部の放射モードを強めることができる。このため、
この中央部から効率良く、放射モード出力を取り出すこ
とができる。

また、２つの位相シフタのうち、一方を回折格子に設け
、他方を位相シフト量を電気的に調整するようにしても
良い。すなわち、第８図（ｃ）に示すように、１つの位
相シフタの位相シフト量をΔφ２−３λ／８に固定して
、他の位相シフタの位相シフト二を△φ１−λ／８とす
ると、−１次モード発振するとともに、中央部で若干突
出し、光の取り出しが可能である。なお、この場合は、
出力パターンに非対称性が現れる。

さらに、２つの位相シフタをその位相シフト量を電気的
に調整可能に構成するとともに、１つの位相シフタの位
相シフト量を固定し、他の位相シフタの位相シフト量を
制御して変調しても良い。

さらにまた、本発明のグレーティング結合型表面発光レ
ーザ素子では、２つの位相シフタを有する場合に限るこ
となく、３つ以上の位相シフタを組合わせ、共振器方向
の任意の場所の放射モード光を選択的に強めるようにし
ても良い。

尚、光を取り出し用窓も、結晶成長側にある場合に限ら
ない。つまり、成長層側を下にしてマウントする場合に
は、ｎ側電極側に光取り出し用窓を設けても良い。この
際、放射光に対し基板が不透明な場合（ＧａＡｓ系の場
合）は、基板の一部を除去することも本発明の趣旨に含
まれる。

［発明の効果コ 以上述べたように、本発明によれば、放射モードの強め
合う干渉を狭い面積に集中させることができるため、効
率良く外部に放射モード出力を取り出すことができる。

さらに、電流または光による高速、高効率の変調が可能
である。加えて、小さな発光領域から、鋭い放射ビーム
を取り出すことができる。この放射角は、光取り出し用
窓の加工により、さらに狭めることができる。

したがって、光学結合および駆動回路の簡１１１化によ
り、この素子を用いた光学情報機器および光通信装置の
大幅な簡素化が可能となる。

また、この素子は面発光動作が本質であり、襞間および
襞間端面の加工等が不要である。さらに、ウェファ状態
のままでの評価も可能である。故に、素子の量産性の大
幅な向上が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のグレーティング結合型表面発光レーザ
素子の光強度分布を示す図、第２図（ａ）は本発明の第
１の実施例であるグレーティング結合型表面発光レーザ
素子の縦横断面図および平面図、第２図（ｂ）はその光
強度分布を示す図、第３図（ａ）は本発明の第２の実施
例であるグレーティング結合型表面発光レーザ素子の縦
横断面図および平面図、第３図（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそ
の光強度分布を示す図、第４図（ａ）は本発明の第３の
実施例であるグレーティング結合型表面発光レーザ素子
の縦横断面図および平面図、第４図（ｂ）（ｃ）はその
光強度分布を示す図、第５図（ａ）（ｂ）（（）は本発
明の第４の実施例であるグレーティング結合型表面発光
レーザ素子の縦横断面図および平面図、第６図は本発明
の第４の実施例における光強度分布を示す図、第７図は
本発明の第４の実施例における表面発光出力の遠視野像
の模式図、第８図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第５の
実施例であるグレーティング結合型表面発光レーザ素子
の光強度分布を示す図、第９図（ａ）は従来の半導体発
光レーザ素子を示す図、第９図（ｂ）はその光強度分布
を示す図である。 １・・・ｎ型１ｎＰ基板、 ２・・・２次の回折格子 ３・・・ｎ型Ｇａ１ｎＡｓＰ光導波路層４・・・アンド
ープＧａｌ口ＡｓＰ活性層５・・・ｐ型！ｎＰクラッド
層 ６・・・ｐ　＋　型Ｇａ１ｎＡｓＰオーミックコンタク
ト層７・・・ｐ型１ｎＰ層 ８・・・ｎ型１ｎＰ層 ９・・・ｐ型キャップ層 １０・・・λ／４位相シフタ １１・・・ｎ側電極 １１ａ・・・中央電極 １１ｂ・・・周辺電極 １２・・・ｎ側電極 １３・・・ｐ−ｎ逆接合 １４・・・光取り出し用窓 １５・・・ＡＲコート 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− −１次五−ドｔｌＲ＋ｓＭ） ＼　　。−−）’　（ＩＲ１Ｓｌ’、　ｌＲ１’＋　Ｉ
ｓＩ’、＼ ＼ ＼　　　只 ／・・。１＊ｔ−＝ ＋１次’ｅ−ド　”Ｒ””’　　　　　　　　　　　　
　　　　１ｌＲ１２＋１ｓ１２１第１図　　　Ｚ （ｂ） 第２図 （Ｃ） 第３図 （ｂ） （（ｊ 第４図 １１ｂ　　　　　１１ａ （ａ） （Ｃ） ｌＲ＋ＳＦ（Δψｓ＝　ΔＰ２＝ｏ、Ａ／４１　　　　
　　１ＲＩ２＋　１ｓｆ２（ｔｓＱｐ＋−Δ６＝）Ｖ８
，３／８）ゝ・　　　　　　　（ ゝ＼　　　　ＩＲ＋５ｔ２（、ムリｈ”Δ９２”〜８）
　　＼　　　　　　　　１ρ十８１２（Δφ１＝粂−人
人）＼　　＼、　　　　　　、／＜ 、５／

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）導波路光に対して２次以上の次数をもつ回折格子
   を導波方向に沿って備えた発光可能な結晶層を電極層に
   より挟持してなるグレーティング結合型表面発光レーザ
   素子において、前記導波方向に沿う放射モードの発光パ
   ターンの分布において、所定の光強度より大きい光強度
   をもつ限定領域からのみ、表面発光出力を取り出すこと
   を特徴とするグレーティング結合型表面発光レーザ素子
   。
2. （２）前記電極層の１つの電極層が、独立に励起される
   複数の領域に分割されていることを特徴とする請求項１
   記載のグレーティング結合型表面発光レーザ素子。
3. （３）請求項２記載のグレーティング結合型表面発光レ
   ーザ素子において、前記複数の領域を独立に励起するこ
   とにより励起する共振器長を変化させて放射モードの導
   波方向の発光出力パターンを制御することを特徴とする
   前記グレーティング結合型表面発光レーザ素子の変調方
   法。
4. （４）請求項２記載のグレーティング結合型表面発光レ
   ーザ素子において、前記複数の領域を独立に励起させて
   前記回折格子の位相をシフトさせることにより放射モー
   ドの導波方向の発光出力パターンを制御することを特徴
   とする前記グレーティング結合型表面発光レーザ素子の
   変調方法。
5. （５）前記回折格子の位相をシフトさせる位相シフト手
   段を複数有することを特徴とする請求項１記載のグレー
   ティング結合型表面発光レーザ素子。
6. （６）複数の前記位相手段の１つ以上が前記電極層の１
   つの電極層が独立に励起される複数の領域に分割されて
   構成されていることを特徴とする請求項５記載のグレー
   ティング結合型表面発光レーザ素子。
7. （７）請求項６記載のグレーティング結合型表面発光レ
   ーザ素子において、前記複数の領域を独立に励起するこ
   とにより１つ以上の位相シフト手段の位相シフト量を独
   立に制御して放射モードの導波方向の発光出力パターン
   を制御することを特徴とする前記グレーティング結合型
   表面発光レーザ素子の変調方法。