JPH0832168A

JPH0832168A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH0832168A
Application number: JP16181294A
Authority: JP
Inventors: So Otoshi; 創大歳; Takaro Kuroda; 崇郎黒田; Atsuko Niwa; 敦子丹羽; Shinji Tsuji; 伸二辻
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】偏光方向が制御された面発光レーザ装置を実現
する。【構成】活性層６を、（００１）面、（１１０）面方向
に６０°〜８５°傾斜した面、特に（２２１）面あるい
は（３３１）面上に形成する。【効果】偏光方向が制御され、動作電流の低い面発光レ
ーザが実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ装置に係
り、特に光インターコネクトなどの光源に好適な、偏光
が制御され動作電流の低い面発光型半導体レーザ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】光インターコネクトなどの光源として
は、２次元アレイ化が可能であることから面発光型レー
ザが有望視されている。面発光レーザとしては、活性層
が半導体多層膜（ブラッグ反射鏡）で挟まれた構造は広
く知られている。

【０００３】面発光レーザの偏光制御に関しては、（１
１０）基板に量子井戸構造を形成する方法が、理論的に
検討されている（文献１：畑、梶川、公開特許公報、特
開平５−１１０１９８、文献２：梶川他、ジャパニーズ
・ジャーナル・アプライド・フィジクス、第３０巻（第
９Ａ号）１９４４頁〜１９４５頁、１９９１年）。ま
た、（００１）面内に一軸性の応力を加える方法は公知
である。（文献３：ティー・ムカイハラほか、アイ・イ
ー・イー・イー・フォトニクス・テクノロジー・レター
ズ、第５巻（第２号）１３３頁〜１３５頁、１９９３
年）。（００１）オフ基板を用いた面発光レーザも公知
である（文献４：沼居ほか、電子情報通信学会・信学技
報ＯＱＥ９３−１０４、４３頁〜４８頁１９９３年）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】面発光レーザは、２次
元アレイ化が可能、光スポットが円形、また、低しきい
値電流である等の特長をもつ。しかし、円形の光スポッ
トを得るため、光導波路の断面を円形、すなわち等方的
にすると、偏光方向が制御できないという問題点があっ
た。つまり、偏光方向が素子ごとに異なり、場合によっ
ては、動作電流のレベルによって偏光の方向が変化して
しまうという問題を生じていた。

【０００５】この問題を解決するため、上述のように、
（１１０）基板上に量子井戸を形成する方法が考案され
ていたが、利得が低く動作電流が高いという問題点があ
った。また、一軸性の応力を加える方法、あるいは光導
波路の断面を楕円形にする方法が考えられていた。しか
し、素子の信頼性や再現性の観点から応力を加える方法
は実用的でない。さらに、光導波路の断面を楕円形にす
る方法も光スポットが楕円形になってしまうこと、ある
いは、長軸方向でキャリアのホールバーニングが生じ易
く、横モードが不安定になるという問題がある。

【０００６】したがって、本発明の目的は、上記従来の
問題点を解決することにあり、偏光方向が制御され、低
電流で動作する面発光レーザ装置を実現することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、半導体基
板上に、少なくとも活性層がエピタキシャル成長によっ
て形成され、その成長方向と平行な方向に光を放出する
面発光型半導体レーザにおいて、活性層が、（００１）
面から（１１０）面方向に６０°〜８５°傾斜した面、
およびこれらと等価な面、とくに（２２１）面あるいは
（３３１）面上に形成することによって達成される。

【０００８】

【作用】図３および図４は、本発明の原理の説明図であ
る。面発光レーザの偏光方向を制御する有力な方法は、
活性層面内での光学利得自体を異方的にしてしまうこと
である。そこで、５種類の基板面方位に対し、光学利得
の偏光角度依存性を理論解析した（図４）。偏光角度
は、図３に示したように、活性層面内の特定の軸と偏光
ベクトルのなす角度である。図４から、（００１）面お
よび（１１１）面の光学利得は、等方的であることがわ
かる。すなわち、（００１）面、（１１１）面上に活性
層（あるいは量子井戸層）を形成した場合、偏光方向は
０〜３６０°どの方向に向くか予測できない、すなわち
制御できないことがわかる。

【０００９】一方、図４から明らかなように、（２２
１）面、（１１２）面、あるいは（１１０）面の場合
は、特定の方向で利得が最大となる。このことは、この
利得が最大となる方向に偏光が固定でき、面発光レーザ
の偏光制御が可能であることを示している。特に、（２
２１）面の最大利得は、（１１０）面の最大利得よりも
高いため、面発光レーザとしては、（１１０）面より
は、（２２１）面の方が動作電流が低くなる。また、
（３３１）面の利得特性は（２２１）面と（１１０）面
の間に位置するため、（１１０）面に比べ高利得が得ら
れることは明らかである。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１１】＜実施例１＞図１は、本発明の第１の実施
例である面発光型レーザの断面構成図を示したものであ
る。また、図２は本レーザの上面図である。図１は、図
２のＡ−Ｂ部分の断面図となっている。以下これらの図
にしたがって、素子構造および製造工程を説明する。

【００１２】ｎ−ＧａＡｓ（２２１）面の基板１上に、
分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、Ｇａ_0.2Ａｌ_0.8
Ａｓ（ドナー濃度Ｎ_D＝２×１０¹⁸〔／cm³〕）の低屈折
率層２とｎ−ＧａＡｓ（Ｎ_D＝４×１０¹⁸〔／cm³〕）の
高屈折率層３を１０．５周期積層し、ｎ型ブラッグ反射
鏡４を形成する。ただし、各層の厚さは素子内部での波
長λの１／４とする。次に、アンドープＧａＡｓの高屈
折率層５、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ歪み量子井戸
層（厚さ７ｎｍ）６、アンドープＧａＡｓの高屈折率層
７から成る共振器８を設ける。ただし、共振器８の厚さ
はλとする。続けて、ｐ−Ｇａ_0.2Ａｌ_0.8Ａｓの低屈折
率層９（厚さλ／４、Ｎ_A＝２×１０¹⁸〔／cm³〕）とｐ
−ＧａＡｓの高屈折率層１０（厚さλ／４、Ｎ_A＝４×
１０¹⁸〔／cm³〕）を１０．５周期積層し、ｐ型ブラッ
グ反射鏡１１を形成する。また、電極との接触抵抗を下
げるため、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１２（厚さλ／４、
Ｎ_A＝６×１０¹⁸〔／cm³〕）を設ける。次に、表面から
ｎ型ブラッグ反射鏡４に到達するまでエッチングを行う
ことにより、５μｍφの円形のメサを形成する。最後
に、蒸着法を用いてｎ型電極１３を設け、さらに、メサ
の側部をポリイミド１４で埋め込んだ後、ｐ型電極１５
を蒸着し、図１および図２に示す実施例の面発光レーザ
を作製する。

【００１３】上記実施例の素子において、作製した素子
すべてが、同じ特定の方向に直線偏光したレーザ光を放
出した。また、平均のしきい電流は０．３ｍＡであっ
た。

【００１４】本実施例の面発光レーザを光インターコネ
クトの光源として用いることにより、高性能なシステム
を構成することができるようになった。

【００１５】＜実施例２＞図５は、本発明の第２の実施
例である面発光型レーザの断面構成図を示したものであ
る。以下この図にしたがって、素子構造および製造工程
を説明する。

【００１６】ｎ−ＩｎＰ（３３１）面の基板２１上に、
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、ＩｎＰ（ド
ナー濃度Ｎ_D＝２×１０¹⁸〔／cm³〕）の低屈折率層２２
とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（禁制帯幅波長１．３０μｍ、Ｎ
_D＝２×１０¹⁸〔／cm³〕）の高屈折率層２３を１５．５
周期積層し、ｎ型ブラッグ反射鏡２４を形成する。ただ
し、各層の厚さは素子内部での波長λの１／４とする。
次に、アンドープＩｎＧａＡｓＰ（禁制帯幅波長１．３
０μｍ）の高屈折率層２５、アンドープＩｎ_0.8Ｇａ_0.2
Ａｓ歪み量子井戸層（厚さ５ｎｍ）２６、アンドープＩ
ｎＧａＡｓＰ（禁制帯幅波長１．３０μｍ）の高屈折率
層２７から成る共振器２８を設ける。ただし、共振器２
８の厚さはλとする。続けて、ｐ−ＩｎＰ（厚さλ／
４、Ｎ_A＝２×１０¹⁸〔／cm³〕）の低屈折率層２９とＩ
ｎＧａＡｓＰ（禁制帯幅波長１．３０μｍ、厚さλ／
４、Ｎ_A＝２×１０¹⁸〔／cm³〕）の高屈折率層３０を１
５．５周期積層し、ｐ型ブラッグ反射鏡３１を形成す
る。次に、表面から共振器２８に到達するまでエッチン
グを行うことにより、５μｍφの円形のメサを形成す
る。最後に、蒸着法を用いてｎ型電極３２を設け、さら
に、メサの側部に露出した共振器２８の表面にｐ型電極
３３を蒸着し、図５に示す実施例の面発光レーザを作製
する。

【００１７】上記実施例の素子において、作製した素子
すべてが、同じ特定の方向に直線偏光したレーザ光を放
出した。また、平均のしきい電流は０．５ｍＡであっ
た。

【００１８】本実施例の面発光レーザを光インターコネ
クトの光源として用いることにより、高性能なシステム
を構成することができるようになった。

【００１９】なお本発明は、実施例に示した以外の構造
にも有効である。例えば、素子の直列抵抗を低減するた
めに、ブラッグ反射鏡を形成している高屈折率層と低屈
折率層の間にグレーデッド層（組成が徐々に変化した
層）を設けた構造にも適用できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、活性層が、（００１）
面から（１１０）面方向に６０°〜８５°傾斜した面、
およびこれらと等価な面、とくに（２２１）面あるいは
（３３１）面上に形成に形成されているので、偏光方向
が制御され、動作電流の低い面発光レーザが実現でき
る。さらに、本発明の半導体レーザを光インターコネク
トが導入されているコンピュータシステムに適用するこ
とで、システムの高性能化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となる半導体レーザ装置の断
面図。

【図２】図１の装置の上面図。

【図３】面発光レーザからの出射光の偏光角度の説明
図。

【図４】面発光レーザにおける光学利得の偏光角度依存
性の計算結果。

【図５】同じく他の実施例となる半導体レーザ装置の断
面図。

【符号の説明】

１、２１…ｎ型基板、２、２２…ｎ型低屈折率層、３、
２３…ｎ型高屈折率層、４、２４…ｎ型ブラッグ反射
鏡、５、２５…高屈折率層、６、２６…歪み量子井戸
層、７、２７…高屈折率層、８、２８…共振器、９、２
９…ｐ型低屈折率層、１０、３０…ｐ型高屈折率層、１
１、３１…ｐ型ブラッグ反射鏡、１２…ｐ型キャップ
層、１３、３２…ｎ型電極、１４…ポリイミド、１５、
３３…ｐ型電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者辻伸二東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、少なくとも活性層がエピ
タキシャル成長によって形成され、その成長方向と平行
な方向に光を放出する面発光型半導体レーザにおいて、
上記活性層が、（００１）面から（１１０）面方向に６
０°〜８５°傾斜した面、およびこれらと等価な面上に
形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】半導体基板上に、少なくとも活性層がエピ
タキシャル成長によって形成され、その成長方向と平行
な方向に光を放出する面発光型半導体レーザにおいて、
上記活性層が（２２１）面あるいはこれと等価な面から
５°以内のずれを有する面上に形成されていることを特
徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】半導体基板上に、少なくとも活性層がエピ
タキシャル成長によって形成され、その成長方向と平行
な方向に光を放出する面発光型半導体レーザにおいて、
上記活性層が（３３１）面あるいはこれと等価な面から
５°以内のずれを有する面上に形成されていることを特
徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】屈折率の異なる少なくとも２種類の半導体
層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡を上記活性層
の上下に設けて成る請求項１〜３の何れかに記載の半導
体レーザ装置。
【請求項５】屈折率の異なる少なくとも２種類の半導体
層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡を上記活性層
の上下に設け、半導体内での発光波長をλとしたとき、
ブラッグ反射鏡に挟まれた活性層を含む領域の厚さｄを
０．４λ≦ｄ≦０．６λとして成る請求項１〜３の何れ
かに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】屈折率の異なる少なくとも２種類の半導体
層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡を上記活性層
の上下に設け、半導体内での発光波長をλとしたとき、
ブラッグ反射鏡に挟まれた活性層を含む領域の厚さｄを
０．９λ≦ｄ≦１．１λとして成る請求項１〜３の何れ
かに記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】上記活性層が歪み量子井戸構造であり、井
戸層の膜厚が５ｎｍより小さくして成る請求項１〜６の
何れかに記載の半導体レーザ装置。