JPH08213701A - 面発光レーザ - Google Patents

面発光レーザ

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JPH08213701A
JPH08213701A JP7294593A JP29459395A JPH08213701A JP H08213701 A JPH08213701 A JP H08213701A JP 7294593 A JP7294593 A JP 7294593A JP 29459395 A JP29459395 A JP 29459395A JP H08213701 A JPH08213701 A JP H08213701A
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ダガン ジョフリー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 連続波長単一モード電力出力の向上を可能に
するVCSELを提供する。 【解決手段】 面発光レーザは、発光源の供給に用いら
れる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビ
ティを備えている。上および下ミラーは、ＭＱＷ活性領
域の上および下にそれぞれ配置される。ＭＱＷ活性領域
は、その周辺部よりも中心部に、より多くの数の量子井
戸を有するように形成されている。他の実施態様におい
て、電流ガイド領域は、比較的小さなアパーチャを有し
ＭＱＷ活性領域の中心部へ延びている第１の電流ガイド
部および比較的大きなアパーチャを有する第２の電流ガ
イド部を有するように形成されている。ならびにミラー
の１つは、ミラーの断面領域の中心部における構造が断
面領域の周辺部の構造と異なる層構造を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、面発光レーザ、特
に、連続波長（cw）出力を有する垂直キャビティ(verti
cal cavity)面発光レーザ（VCSEL)に関する。VCSELは、
直線および２次元アレイであるので比較的製造し易く、
レーザプリントおよび走査、光相互接続、ファイバー通
信、光並行処理、データ記憶および表示など広範囲に使
用され得る。
【０００２】
【従来の技術】典型的に、VCSELは、光を成長板と垂直
な方向に放射するエピタキシャル型半導体 p-i-n 層構
造である。光キャビティが、それぞれ９９％を越える反
射率（Ｒ）を有する、典型的に４分の１波長（λ/４）
半導体または誘電分散形ブラッグ反射板（ＤＢＲ)から
なる上および下ミラーを有する薄い（１μｍ程度の）フ
ァブリ・ペローのエタロンの中心に配置される。発光源
を供給する１つ以上の光活性層は、光キャビティにおい
て電界分布の波腹になるよう配置され、光利得特性が、
エタロンの透過共振に合致する。上および下スペーサ層
は、通常、上ミラーと下ミラーとの間の光キャビティの
必要な長さを規定する活性層の上および下にそれぞれ配
設されている。
【０００３】VCSELに対して考え得る応用の多くは、出
力ビームプロファイルのガウス特性に依存している。単
一縦モード動作は、ミラーのストップバンド内の唯一の
ファブリ・ペロー共振を有するように設計されたVCSEL
に固有のものであるが、横モード特性は、それ程制御さ
れてない。直径が小さく（＜５μｍ）、指標ガイドされ
た「エッチングされたピラー」型VCSELは、TEM00単一横
モード動作を示し得るが、処理が難しく、活性量が少な
く、表面散乱および回折損失を有し、その結果、低電力
動作となる。さらに実用的な、直径の大きな（〜１５-
２０μｍ）利得ガイドされたVCSELは、閾近くで基本的
横モードで動作され得るが、空間ホールバーニング熱レ
ンジングと自己集束との組み合わせのために、閾以上で
はより高オーダーの横モード特性を発達させ得る。
【０００４】Morgan,R.A.らは、「垂直キャビティ上面
発光レーザの横モード制御」、IEEEPhoton.Tech.Lett.
4、374(1993)において、上金属リングコンタクトにおけ
る中央出口窓、および「利得ガイド」アパーチャ(apert
ure)（後者はマスクを用いるＨ+注入によって規定され
ている）の直径それぞれｗおよびｇが、別々に調節され
る、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層構造を有するVCSEL
を開示している。コンタクト窓の直径ｗは、単一モード
放射を選択するように小さな値（≦５μｍ）に調整さ
れ、一方、利得ガイドアパーチャの直径ｇは、処理生産
性および十分に低い電圧を維持するのに十分に大きく
（典型的に１５-２０μｍ）なるように制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術においては、次に示す問題があった。即ち、上
記の従来技術の構造を用いても、VCSELの最大連続波長
単一横モード動作出力は２.６ｍＷ以下に制限されると
いう課題があった。
【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、連続波長単
一横モード動作出力を向上するVCSELを提供することに
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による面発光レー
ザは、発光源の供給に用いられる多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）活性領域を有する光キャビティ、および該ＭＱＷ活
性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミ
ラーを備えている面発光レーザであって、該ＭＱＷ活性
領域が、その周辺部より中心部により多くの数の量子井
戸を有するように形成され、これにより上記目的が達成
される。
【０００８】より好適には、前記活性領域は、前記周辺
部が単一量子井戸（ＳＱＷ）を有するように形成されて
いる。
【０００９】より好適には前記量子井戸の数は、前記中
心部と前記周辺部との間に配置されている中間部を介し
て該中心部から該周辺部へ実質的に漸次減少する。
【００１０】より好適には、前記中心部は、一般的に、
単一基本横モード出力を生成する前記活性領域のモード
領域に限られる。
【００１１】より好適には、前記活性領域の中心部が、
約５μｍ以下の直径を有する。
【００１２】より好適には、前記活性領域は、その断面
領域のどこにおいても同数ｎの量子井戸を有するＭＱＷ
活性領域を形成し、それから、前記周辺部の該量子井戸
の少なくとも１つ（好適には、ｎ−１量子井戸）を除去
することによって製造されたものである。
【００１３】本発明による面発光レーザは、発光源の供
給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有す
る光キャビティ、電流を該ＭＱＷ活性領域へガイドする
電流ガイド領域、および該活性領域の上および下にそれ
ぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発光レ
ーザであって、該電流ガイド領域が、比較的小さなアパ
ーチャを有し該ＭＱＷ活性領域の中心部へ延びている第
１の電流ガイド部および比較的大きなアパーチャを有す
る第２の電流ガイド部を有するように形成され、これに
より上記目的が達成される。
【００１４】より好適には、前記電流ガイド領域の前記
第１および第２の電流ガイド部は、電気抵抗を増加させ
るためにイオン注入によって形成されたものである。
【００１５】より好適には、前記第１および第２の電流
ガイド部は、深さが異なるイオン注入部を有する。
【００１６】本発明による面発光レーザは、発光源の供
給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有す
る光キャビティ、および該ＭＱＷ活性領域の上および下
にそれぞれ配置される上および下ミラーを備えている面
発光レーザであって、該ミラーの１つは、ミラーの断面
領域の中心部における構造が該断面領域の周辺部の構造
と異なる層構造を有し、これにより上記目的が達成され
る。
【００１７】より好適には、前記ミラーの前記１つの層
構造は、前記周辺部より前記中心部において層の数が多
い。
【００１８】より好適には、前記ミラーの前記１つの層
の数が、前記中心領域から前記周辺領域へと実質的に漸
次減少する。
【００１９】より好適には、前記ミラーの前記１つが、
前記レーザの出力ミラーである。
【００２０】以下、作用について説明する。
【００２１】本発明の第１の局面によると、発光源の供
給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有す
る光キャビティ、およびＭＱＷ活性領域の上および下に
それぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発
光レーザであって、ＭＱＷ活性領域は、その周辺部より
もその中心部に、より多くの数の量子井戸を有するよう
に形成されている面発光レーザを提供している。
【００２２】好適には、活性領域は、周辺部が単一量子
井戸（ＳＱＷ）を有するように形成されている。
【００２３】また、好適には、量子井戸の数は、中心部
と周辺部との間に配置されている中間部を介して、中心
部から周辺部へ実質的に漸次減少する。
【００２４】通常、中心部は、単一基本横モード出力を
生成し、典型的に約５μｍ以下の直径を有する活性領域
のモード領域に限られる。
【００２５】好適には、活性領域は、その断面領域のど
こにおいても同数ｎの量子井戸を有するＭＱＷ活性領域
を形成し、それから、（例えば、選択的エッチングによ
り）、周辺部の少なくとも１つの量子井戸（好適には、
ｎ-１量子井戸）を除去することによって製造されたも
のである。
【００２６】本発明の第２の局面によると、発光源の供
給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有す
る光キャビティ、電流をＭＱＷ活性領域へガイドする電
流ガイド領域、および活性領域の上および下にそれぞれ
配置される上および下ミラーを備えている面発光レーザ
であって、電流ガイド領域が、比較的小さなアパーチャ
を有しＭＱＷ活性領域の中心部へ延びている第１の電流
ガイド部および比較的大きなアパーチャを有する第２の
電流ガイド部を有するように形成されている面発光レー
ザを提供している。
【００２７】電流ガイド領域の第１および第２の部分
は、好適には、電気抵抗を増加させるためにイオン注入
によって形成されたものである。イオンは、注入された
材料を考慮し適切であればどんなイオンでもかまわな
い。例えば、ＧａＡｓ以外の材料には、注入されるイオ
ンはＯ2-でかまわないが、ＧａＡｓ材料にはＨ+であり
得る。
【００２８】好適には、第１および第２の電流ガイド部
は、深さが異なるイオン注入部を有する。電流ガイド領
域は、活性領域の深さの少なくとも一部に延びるかまた
は、光キャビティのスペーサ領域の深さの少なくとも一
部に延びるかまたは、スペーサ領域の深さの少なくとも
一部および活性領域の深さの少なくとも一部に延び得
る。
【００２９】本発明の第３の局面によると、発光源の供
給に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有す
る光キャビティ、およびＭＱＷ活性領域の上および下に
それぞれ配置される上および下ミラーを備えている面発
光レーザであって、（好適には、レーザの出力ミラーを
規定する）ミラーの１つは、ミラーの断面領域の中心部
における構造が断面領域の周辺部の構造と異なる層構造
を有している面発光レーザを提供している。
【００３０】本発明の第３の局面の１つの実施態様にお
いて、ミラーの１つの層構造は、周辺部より中心部にお
いて層の数が多い。
【００３１】
【発明の実施の形態】本発明の第１、第２および第３の
局面をさらに詳しく図面を参照して説明する。
【００３２】図１において、従来のVCSELは、下ＤＢＲ
ミラー１２を順次形成する半導体基板１０、下半導体ス
ペーサ領域１４、ＭＱＷ活性領域１６、上半導体スペー
サ領域１８、上ＤＢＲミラー２０および中央出口窓２４
を有する上金属リング電気コンタクト２２を備えてい
る。上ミラー２０は、VCSELの出力ミラーを形成する。
ＤＢＲミラー１２および２０は、高および低反射率を有
する多数のペアの４分の１波長ミラー層、典型的には、
３０以上のペアのミラー層のそれ自体公知の方法で形成
される。下電気コンタクト（図示せず）は、基板１０の
下側に設けられる。VCSELからの光出力は、矢印Ｏの方
向である。
【００３３】VCSELは、利得ガイドされた構造を提供す
るために、半径の内側へのＨ+イオン注入により形成さ
れる円形電流ガイド領域２６を有する。円形領域２６
は、典型的に、利得ガイド直径を表す１５−２０μｍの
内径を有する。図１において、領域２６は、円筒内面を
有するはっきりした限界の明確な内周辺を有するように
示されている。しかし、これらの部分は、実際は、領域
２６を形成するために用いられたイオン注入工程の本来
の性質のために僅かに曲がっている（同様のことが図２
から図４の対応部分に当てはまる）。図１に示された実
施態様において、出口窓２４の直径は、電流ガイド領域
２６の内径とほぼ同じである。このような構造の欠点
は、閾を越えると、熱レンジング、空間ホールバーニン
グ、自己集束および不均一電流注入などの多くの効果の
ため、光出力対 VCSELの電流特性において「キンク」を
伴う高オーダーの横モードが現れることである（上記の
Morgan、R.A.参照）。この欠点を軽減するために、Morg
an、R.A.らは、レージングをTEM0 0モードに制限するた
めに、出口窓２４の直径を≦５μｍにまで減少させるこ
とを提案している。しかし、このように窓直径を減少し
ても、VCSELの最大連続波長（cw)単一横モード電力出力
はなお２.６ｍＷ以下に制限されている。
【００３４】図２において、本発明の第１の局面による
VCSELの実施態様は、図１と同様の構造を有し、同様の
部分は同じ参照符号で示されている。VCSELの光キャビ
ティは、ｎλ/2(λは、放射光の波長であり、ｎは整
数）の長さを有し、活性領域１６ならびに上および下ス
ペーサ領域１８および１４によって規定されている。本
実施態様において、ＭＱＷ活性領域１６は、先ず、下ス
ペーサ領域１４の上に数層（本実施態様では５層）の量
子井戸の層をエピタキシャルに堆積し、それから、活性
領域１６が、中央部１６ａにおいては全数の量子井戸か
ら、〜５μｍ離れた領域１６の周辺部１６ｂにおいて単
一井戸へと漸次減少するように層構造を放射状にエッチ
ングすることによって形成される。量子井戸の数の減少
は、部分１６ａと１６ｂとの間の円形中間部１６ｃにお
いて実質的に漸次減少する。この構造は、その上に上ス
ペーサ領域１８それから上ＤＢＲミラー２０となる。
【００３５】その必要な放射プロファイリングを生成す
るための活性領域１６のエッチングは、ウェット化学エ
ッチングまたはドライエッチングで行い得る。ドライエ
ッチングは、フォトレジストディスクの溶融を二次的ド
ライエッチング用のレンズライク（lens-like)マスクを
生成するために行うマイクロレンズ製造工程を用いて行
われ得る（例えば、(i)Matinaga、F.M.ら「４Ｋでの半
球形マイクロキャビティ単一量子井戸の低閾動作」、Ap
pl.Phys.Lett.62、443(1993)、 (ii) Daly、D.ら「フォ
トレジストの溶融によるマイクロレンズの製造」。Mea
s.Sci.Technol.1(1990)759-766、 および(iii) Mersere
au、K.ら[石英ガラスマイクロレンズアレイの製造およ
び測定」、SPIE Vol.1751、Miniature and Micro-Optic
s(1992)、229-233を参照）。レンズライクマスクおよび
活性領域が、同じ速度でエッチングされるエッチング方
法を用いることによって、レンズライクマスクのプロフ
ァイルが、活性領域にエッチングされ得る。
【００３６】量子井戸の光利得は、注入された電流が電
子状態の密度のステップライク（step-like)形態のため
に増加するに従って飽和する。従って、単一量子井戸
（ＳＱＷ）は、最低の注入電流強度で透明（transparen
cy)に達するが、入手可能な全利得は、多重量子井戸
（ＭＱＷ）になるに従い高くなる。モード中心でのＭＱ
Ｗから周辺エッジでのＳＱＷへの構造を放射状にエッチ
ングすることによって、適切に高い電流注入条件下で、
入手可能な全利得は放射状に変化し、基本横モードの維
持の寄与することが確実になる。この構造によって、VC
SELからの連続波長（CW)単一横モード電力出力の向上が
可能であると考えられる。
【００３７】同様の効果が、図３の実施態様に示される
構造によって達成され得る。ここでは、活性領域を放射
状にプロファイルするのではなく、イオン注入の位置お
よび深さを制御し、特定の電流パターンを規定する特定
に成形された電流ガイド領域２６を生成する。イオン注
入工程のイオン注入量の半径制御が、２つのステップに
おいて、異なった半径深さで行われ、電流ガイド領域２
６の周辺は、小さな内径（〜５μｍ）を有する第１の円
形電流ガイド部２６ａおよび大きな内径（〜１０μｍ）
を有する隣接する第２の円形電流ガイド部２６ｂによっ
て規定されている。本実施態様において、部分２６ａ
は、上スペーサ領域１８で形成され、部分２６ｂは、部
分的に上スペーサ領域１８および部分的に活性領域１６
に形成されている。
【００３８】部分２６ａの効果は、電流を主に活性領域
１６の中心部１６ａを流れさせることであり、一方、部
分２６ｂは、十分な電流が中間および周辺領域１６ｃお
よび１６ｂに流れることを可能にし、レージングがそこ
に起こるようにする。図３において、活性領域１６の量
子井戸の１つは、電流ガイド部２６ｂの内周辺によって
境界が定められているように示されている。構造的にい
うと、活性領域１６は、電気抵抗を増加させるためにイ
オン注入された活性領域１６の一部を含む電流ガイド領
域２６ｂを通って外側に延びている。要求される電気抵
抗を与えるのに必要な割合のイオン注入は、活性領域１
６の光透明度に実質的に影響しない。しかし、増加した
電気抵抗のために、部分２６ｂは、機能的に活性領域１
６の一部であるとみなされない。これは、VCSELが作動
する電圧入力レベルで、部分２６ｂを通る電流が、その
ような部分でレージングが起こるのに必要な閾電流より
低いためである。
【００３９】図３に示すように、電流ガイド部２６ａお
よび２６ｂは、発光方向Ｏにおいて互いに位置がずれて
いる。部分２６ａは、下向きすなわち窓２４から離れて
開いているファンネル構造が形成されるように窓２４の
近くに位置している。しかし、上向きに開いているファ
ンネル構造は、電流ガイド部２６ｂを部分２６ａより窓
２４に近くに形成することによって設けられ得る。
【００４０】VCSELは、このようなレーザにおける活性
層は非常に薄いのでパス毎に小さな利得有するのみであ
る。つまり、ミラー反射率は非常に高くなくてはならな
い（＞９９％）。これを達成するために、通常、前述し
たように、３０以上の４分の１波長ミラーペアからＤＢ
Ｒミラーを形成する。本発明の第３の局面によると（図
４参照）、出力ＤＢＲミラー２０の層構造は、図２また
は図３に関連して上記したようなプロファイルに代わっ
てまたはつけ加えて大幅な半径消失を生成するようにプ
ロファイルされている。ミラー２０のこのプロファイル
は、モード中心から数マイクロメートル１つまたは２つ
のミラーのペアを除去（例えば、エッチング）すること
によって行われ得る。従って、ミラー層構造は周辺部と
中心部とでは異なった構造を有している。これは、図２
に関連して上記したマイクロレンズ型ドライエッチング
工程によって行われ得る。図４の実施態様において、エ
ッチングは、TEM00単一横モード動作を促進するような
方法で、他の横モードの反射が優勢である、ミラー２０
のそれらの周辺部の反射率を減少させることによって行
われている。この結果は、不要な横モードの放射の活性
化を減少させることである。
【００４１】異なるモード形状を生成するようにミラー
２０の半径消失プロファイルを配置することもまた本発
明のこの第３の局面の範囲内である。例えば、モード中
心で１つまたは２つのミラーペアのエッチングは、「ド
ーナッツ」型横モードプロファイルを形成することによ
って行われ得る。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、連続波長単一モード電
力出力の向上を可能にするVCSELを提供することが可能
になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電流ガイド領域を有する従来のVCSELの模式
図。
【図２】本発明の第１の局面によるVCSELの実施態様の
模式図。
【図３】本発明の第２の局面によるVCSELの実施態様の
模式図。
【図４】本発明の第３の局面によるVCSELの実施態様の
模式図。
【符号の説明】
１２ 下ミラー １６ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域 ２０ 上ミラー ２６ 電流ガイド部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョフリー ダガン イギリス国 オックスフォードシャー オ ーエックス15 ０エスジェイ，ダディント ン，ハイ ストリート ６／７，キングス コテージ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発光源の供給に用いられる多重量子井戸
    （ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、および該Ｍ
    ＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ配置される上およ
    び下ミラーを備えている面発光レーザであって、該ＭＱ
    Ｗ活性領域が、その周辺部より中心部により多くの数の
    量子井戸を有するように形成されている面発光レーザ。
  2. 【請求項２】 前記活性領域は、前記周辺部が単一量子
    井戸を有するように形成されている請求項１に記載の面
    発光レーザ。
  3. 【請求項３】 前記量子井戸の数は、前記中心部と前記
    周辺部との間に配置されている中間部を介して該中心部
    から該周辺部へ実質的に漸次減少する請求項１または２
    に記載の面発光レーザ。
  4. 【請求項４】 前記中心部は、一般的に、単一基本横モ
    ード出力を生成する前記活性領域のモード領域に限られ
    る請求項１、２または３に記載のレーザ。
  5. 【請求項５】 前記活性領域の中心部が、約５μｍ以下
    の直径を有する請求項４に記載の面発光レーザ。
  6. 【請求項６】 前記活性領域は、その断面領域のどこに
    おいても同数ｎの量子井戸を有するＭＱＷ活性領域を形
    成し、それから、前記周辺部の該量子井戸の少なくとも
    １つを除去することによって製造されたものである請求
    項１、２、３、４または５のいずれかに記載の面発光レ
    ーザ。
  7. 【請求項７】 発光源の供給に用いられる多重量子井戸
    （ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、電流を該Ｍ
    ＱＷ活性領域へガイドする電流ガイド領域、および該活
    性領域の上および下にそれぞれ配置される上および下ミ
    ラーを備えている面発光レーザであって、該電流ガイド
    領域が、比較的小さなアパーチャを有し該ＭＱＷ活性領
    域の中心部へ延びている第１の電流ガイド部および比較
    的大きなアパーチャを有する第２の電流ガイド部を有す
    るように形成されている面発光レーザ。
  8. 【請求項８】 前記電流ガイド領域の前記第１および第
    ２の電流ガイド部は、電気抵抗を増加させるためにイオ
    ン注入によって形成されたものである請求項７に記載の
    面発光レーザ。
  9. 【請求項９】 前記第１および第２の電流ガイド部は、
    深さが異なるイオン注入部を有する請求項７または８に
    記載の面発光レーザ。
  10. 【請求項１０】 発光源の供給に用いられる多重量子井
    戸（ＭＱＷ）活性領域を有する光キャビティ、および該
    ＭＱＷ活性領域の上および下にそれぞれ配置される上お
    よび下ミラーを備えている面発光レーザであって、該ミ
    ラーの１つは、ミラーの断面領域の中心部における構造
    が該断面領域の周辺部の構造と異なる層構造を有してい
    る面発光レーザ。
  11. 【請求項１１】 前記ミラーの前記１つの層構造は、前
    記周辺部より前記中心部において層の数が多い請求項１
    ０に記載の面発光レーザ。
  12. 【請求項１２】 前記ミラーの前記１つの層の数が、前
    記中心領域から前記周辺領域へと実質的に漸次減少する
    請求項１０または１１に記載の面発光レーザ。
  13. 【請求項１３】 前記ミラーの前記１つが、前記レーザ
    の出力ミラーである請求項１０、１１または１２に記載
    の面発光レーザ。
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