JPH09260765A

JPH09260765A - 面発光半導体レーザ

Info

Publication number: JPH09260765A
Application number: JP6150896A
Authority: JP
Inventors: Iwao Komazaki; 岩男駒崎; Eiji Yamamoto; 英二山本
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1996-03-18
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】発振モード制御が困難であるとともに、高出力
時の偏光面の制御が困難である。【解決手段】ＧａＡｓ基板(1) 上に、下部ミラー層(2)
、下部半導体クラッド層(3) 、活性層(4) 、上部半導
体クラッド層(5) 、上部ミラー層(6) を順に積層した構
造を有し、かつこの積層構造に電流を注入する第１，第
２の電極(12,13) を備えた面発光半導体レーザにおい
て、下部ミラー層(2) 又は、下部半導体クラッド層(3)
、活性層(4) 、上部半導体クラッド層(5) 、上部ミラ
ー層(6) の一部又は全部を、基板面に垂直な軸を有する
柱状に形成した柱状部と、前記柱状部の側面に形成され
た、レーザ光の前記柱状部の側面からの滲みだし光を吸
収する光吸収層(8) と、光吸収層(8) と電気的に接続さ
れた第３の電極(15)とを具備することを特徴とする面発
光半導体レーザ。

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は面発光半導体レーザ
に関し、特に光情報処理や光センサ及び並列光通信に利
用される面発光半導体レーザに関する。【０００２】【従来の技術】従来、図６に示す構造の面発光半導体レ
ーザが知られている（特開昭６３−９５６９０）。この
レーザは、面発光半導体レーザとその光出力をモニタす
る光検出器を集積化した構成となっている。図中の符番
61はｐ形ＧａＡｓクラッド層であり、このｐ形クラッド
層61に中央部が開口したプロトン注入電流ブロック層６
２が形成されている。前記クラッド層６１上には、Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層63及びｎ形ＧａＡｓクラッド
層64が形成されている。前記ｎ形クラッド層64上にはｎ
側電極65が形成されている。前記ｐ形クラッド層61の裏
面中央には、該ｐ形クラッド層61とともにフォトダイオ
ードを構成するｎ形コンタクト層66、電極67が形成され
ている。前記クラッド層61の裏面には、前記電極67を囲
むように環状のｐ形電極68が形成されている。【０００３】こうした構成の光検出器付き面発光半導体
レーザの作用は次の通りである。電極65からの電流注入
により活性層63で発生した光は、第１の主面69ａともう
一方の第２の主面69ｂを鏡面として反射され、レーザ発
振を行う。この時、ｐ形クラッド層61とｎ形コンタクト
層66によって形成されたフォトダイオードによって、レ
ーザ出力光がモニタされ、出射される光出力を一定に保
つように注入電流値が制御される。また、フォトダイオ
ードの一部を構成するｎ形コンタクト層66は、この層を
往復する間のレーザ光の吸収率が５０％以下となるよう
に禁制帯幅が制御されている。このような制御は、ｎ形
コンタクト層66の組成制御、又はその厚さの制御で実行
される。更に、ｐ形クラッド層61とｎ形コンタクト層66
からなるｐｎ接合に印加するバイアス電圧を加減するこ
とで調整することも可能である。【０００４】また、従来、図７（Ａ），（Ｂ）に示す面
発光半導体レーザ（特開平４−１４４１８３）が知られ
ている。ここで、図７（Ａ）は面発光半導体レーザの構
造断面図、図７（Ｂ）はレーザ出射面側から見た光共振
器の透過断面図を示す。この面発光レーザの構造は、レ
ーザ光の偏向方向を特定の一方向に決定するものであ
る。【０００５】図中の符番71はｎ形のＧａＡｓ基板であ
る。前記ｎ形基板71上には、ｎ形下部ミラー層72、ｎ形
ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層73、ＧａＡｓ活性層74、ｐ
形ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層75、ｐ形ＡｌＧａＡｓ電
流通路層76及びｐ形ＡｌＧａＡｓコンタクト層77が順次
形成されている。【０００６】前記ｎ形下部ミラー層72は、ｎ形Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9 Ａｓ層とｎ形Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ層を１ペア
とし、その多層膜で形成されており、それぞれの層の屈
折率をｎ₁ 、ｎ₂ とすると、一層分の膜厚は各々λ／４
ｎ₁ 、λ／４ｎ₂ となっている。ここで、λは、高反射
率にしたい光の波長、即ち活性層の発光波長である８８
０ｎｍとし、多層膜のペア数は反射率９８％以上が得ら
れるよう３０ペアとしてある。【０００７】埋め込み層は、ｐ形ＡｌＧａＡｓ埋め込み
層78とｎ形ＡｌＧａＡｓ埋め込み層79で構成されてお
り、前記活性層74の周りを完全に埋め込んでいる。誘電
体多層膜で形成されている上部ミラー層80は前記活性層
74を完全に覆うように形成されており、同時に蒸着され
た誘電体多層膜の一部は電流ブロック層81として使用さ
れている。前記基板71の裏面には、ｎ形電極82が形成さ
れている。前記ｐ形ＡｌＧａＡｓコンタクト層77及び電
流ブロック層81上部には、上部ミラー層80を囲むように
ｐ形電極83が形成されている。【０００８】図７（Ｂ）に示すように、光共振器の上部
ミラー層80に平行な断面形状は楕円形をしており、点線
で示すように２つの対称面84、85を持っている。垂直光
共振器構造を有する面発光レーザから出射されるレーザ
光は直線偏光であることは知られているが、光共振器の
断面形状が正方形や真円の場合は、安定な偏光方向が定
まらない。しかし、２つの対称面を持つ断面形状とする
ことにより、対称面84に平行な方向に直線偏光したレー
ザ光を出射させることができる。【０００９】一方、レーザ光の各種応用展開のために
は、そのパワー分布を単峰性に即ち基本モード発振にす
る必要がある。従って、光のパワー分布を単峰性にする
ため、上部及び下部ミラー層に平行な共振器の断面寸法
を制御しなければならない。【００１０】Ｒ．Ｓ．ギールスらの国際電気電子技術者
協会発行の量子エレクトロニクス誌の１９９３年１２月
号２９７７ページに掲載された“ＩｎＧａＡｓ多重量子
井戸共振器垂直共振器面発光レーザの設計及び特性”
（Ｒ．Ｓ．Ｇｅｅｌｓｅｔａｌ：“Ｄesign and Ｃha
racterization of Ｉn Ｇa Ａs ＭＱＷＶertical Ｃ
avity Ｓurface Ｅmitting Ｌasers ”ＩＥＥＥ．Ｊ．
Ｑuantum Ｅlectronics，vol ．29．no．12．pp．2977
-2987 ）によれば、偏光特性を別にして単一基本モード
発振は、出射径１０μｍで可能であるが、低出力０．２
ｍＷ迄である。【００１１】これ以上の光出力では、高次モードも発振
する。この事実を踏まえて、光のモード制御のために、
上部及び下部ミラー層に平行な垂直共振器の断面寸法を
１０μｍ以下に抑制する必要がある。下限については、
光出力及びサイズ効果による素子抵抗を考慮して３μｍ
以上が望ましい。【００１２】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光検出器を備えた面発光半導体レーザは、垂直共振器を
構成する上下の鏡面間に光検出器を直接挿入しているの
で、レーザ発振に必要な利得が一部吸収されるため、動
作電流が増大するとともに、発振モードの制御が困難に
なる。また、従来の偏光面が制御された面発光半導体レ
ーザ装置においては、制御できるのは低出力動作時であ
り、光出力を上げると偏光面の制御は困難になる。【００１３】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、これらの問題を解決し、モード制御が可能であ
り、光出力をモニタできる光検出器を備えるとともに、
偏光面が安定に制御できる面発光半導体レーザを提供す
ることを目的とする。【００１４】【課題を解決するための手段】（請求項１）半導体基板上に、少なくとも下部ミラー
層、下部半導体クラッド層、化合物半導体よりなる活性
層、上部半導体クラッド層、上部ミラー層を順に積層し
た構造を有し、かつ、この積層構造に電流を注入する第
１，第２の電極を備えた面発光半導体レーザにおいて、
前記下部ミラー層又は、前記下部半導体クラッド層、前
記活性層、前記上部半導体クラッド層、前記上部ミラー
層の一部又は全部を、基板面に垂直な軸を有する柱状に
形成した柱状部と、前記柱状部の側面に形成された、レ
ーザ光の前記柱状部の側面からの滲みだし光を吸収する
光吸収層と、前記光吸収層と電気的に接続された第３の
電極とを具備することを特徴とする面発光半導体レー
ザ。【００１５】（作用）請求項１は、実施の形態１〜５に
対応する。柱状部からの滲みだした光量は、レーザの光
出力の増減に応じて増減する。よって柱状部の側面に光
吸収層を設けて、滲みだした光の光出力をモニタすれ
ば、レーザの光出力をモニタすることができる。このと
き、レーザのパワー分布のほとんどは柱状部内部にある
ので、滲みだした光を吸収しても全体の光利得に大きな
影響を与えることはない。従って、面発光半導体レーザ
の特性を保持しつつ、光出力がモニタできる。他の実施
の形態についても同様である。【００１６】（効果）光吸収層は柱状部で発生する光の
パワー分布の端の部分を吸収するが、光吸収層が薄けれ
ば、全体の光利得に大きな影響を与えることなく、光出
力をモニタできる。従って、面発光半導体レーザの特性
を保持し、光出力がモニタできる。【００１７】（請求項２）前記第２の電極は前記上部ミ
ラー層又は前記上部半導体クラッド層に設けられ、かつ
前記光吸収層の近傍もしくは内部にｐｎ接合の空乏層が
存在するように、前記第２の電極から前記第３の電極に
至る電気的な経路中にｐｎ接合が存在することを特徴と
する請求項１記載の面発光半導体レーザ。【００１８】（作用）請求項２は実施の形態１〜５に対
応する。電気的経路中にｐｎ接合が存在すれば、そこへ
空乏層が形成される。また、空乏層内のキャリアは大変
効率よく電極方向へ運ばれる。よって、第３の電極と電
気的に接続された光吸収層の内部又は近傍にｐｎ接合が
存在すれば、光吸収層で発生したキャリアが再結合する
ことなく、第３の電極より電気信号として取り出せ、効
率よく光出力をモニタできる。【００１９】（効果）光吸収層は、柱状部で発生する光
のパワー分布の端の部分を吸収するが、第３の電極から
第２の電極に対するバイアスが、第２の電極から面発光
レーザ、即ち、第１の電極に印加されるバイアス程度も
しくはゼロバイアスであるなら、空乏層の広がりは浅
い。それ故、光吸収が薄ければ、全体の光利得に大きな
影響を与えることなく、光出力をモニタできる。したが
って、面発光半導体レーザの特性を保持し、光出力がモ
ニタできる。【００２０】（請求項３）前記ｐｎ接合は前記光吸収層
をｉ層とするｐｉｎ構造であることを特徴とする請求項
２記載の面発光半導体レーザ。【００２１】（作用）請求項３は、実施の形態１，５に
対応する。通常、柱状部を有する面発光半導体レーザに
おいては、活性層への電流注入を効率よく行なうため
に、その周囲を導電率の低い材料で埋め込むか、空乏層
としている。もし、柱状部に接触する側面に配置する材
料を導電率の高い材料、即ち、ここでいう光吸収層とす
ると、柱状部との界面で注入電流のリークが起こり、電
流が拡散してしまい、活性層に効率的に電流が注入でき
なくなる。よって、ｐｎ接合が光吸収層をｉ層とするｐ
ｉｎ構造であり、柱状部と光吸収層の間に低導電率層が
存在するように構成することによって、面発光半導体レ
ーザの特性は保持され、かつ効率良く光出力がモニタで
きる。【００２２】（効果）柱状共振器内に比べ低い導電率の
ｐ形ＩｎＧａＰ層とｎ形ＩｎＧａＰ層の間の光吸収層を
ｉ層とするｐｉｎ構造によって、第２の電極から注入さ
れた電流は柱状部側面の界面での注入電流のリークが抑
えられ、効率良く活性層に電流を注入できる。また、光
吸収層は柱状部で発生する光のパワー分布の端の部分を
吸収するが、第３の電極から第２の電極に対するバイア
スが、第２の電極から第１の電極へのバイアス程度もし
くはゼロバイアスであるならば、ｐｎ接合の空乏層の広
がりは柱状部の一部の側面近傍のみとなり、吸収される
のは全体の光パワーの数％程度であり、柱状部内の光の
分布を変えないため、全体の光利得に大きな影響を与え
ることなく光出力をモニタできる。したがって、面発光
半導体レーザの特性を保持し、光出力をモニタできる。【００２３】【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。（実施の形態１）図１（Ａ），（Ｂ）を参照する。ここ
で、図１（Ａ）は実施の形態１に係る面発光半導体レー
ザの断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の平面図を示す。
図中の符番１は、Ｓｉドープの＜１００＞ＧａＡｓ基板
である。この基板１上には、ｎ形ＧａＡｓとｎ形Ａｌ
_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓの光学的１／４波長のペアを４０．５
周期形成した下部ミラー層２が設けられている。この下
部ミラー層２上には、ｎ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ下部ク
ラッド層３と、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓの歪多重量子井戸
構造の活性層４と、ｐ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ上部クラ
ッド層５からなる２波長分の短共振器が形成されてい
る。【００２４】更に、この短共振器上には、ｐ形ＧａＡｓ
とｐ形Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓの光学的１／４波長のペア
が２６周期積層された上部ミラー層６が形成されてい
る。そして、この上部ミラー層６と前記下部ミラー層２
とで９９％以上の高反射率を実現している。【００２５】垂直共振器の光出射部分の幅を８μｍとし
て、ドライエッチングによって上部クラッド層５に達す
るまで、垂直共振器の周辺部分が除去されている。そし
て、再成長により、ｐ形ＩｎＧａＰ層７、ノンドープの
ＧａＡｓとＩｎ_0.25Ｇａ
_{０．７５Ａｓからなる歪量子井戸構造の光吸収層８と、}
_{最後にｎ形ＩｎＧａＰ層９とを順次積層してｐｉｎ構造}
_{を構成し、垂直共振器を埋め込んでいる。前記ｐｉｎ構}
_{造の上部は、絶縁膜１０，11により覆われている。} _{【００２６】前記基板１の裏面側には、ｎ形の第１の電}
_{極12が設けられている。前記垂直共振器の光出射部分の}
_{端から内側へ１．５μｍ入る範囲に、ｐ形の第２の電極}
_{１３が設けられている。従って、光出射窓14は幅５．０}
_{μｍとなる。この寸法ならば、基本モード発振を高出力}
_{まで保てる。前記垂直共振器の周囲の前記ｎ形ＩｎＧａ}
_{Ｐ層９上には、前記光吸収層８と電気的に接続された第}
_{３の電極15が設けられている。} _{【００２７】こうした構成の面発光半導体レーザにおい}
_{て、第２の電極13より注入された電流は、絶縁膜10によ}
_{り、ｐｉｎ構造領域とは逆バイアスとなっているため、}
_{上部ミラー層６及びｐ形上部クラッド層５を通り、ほと}
_{んど活性層４に集中される。活性層４でキャリア再結合}
_{で発生した光は、活性層周辺に広がり、下部ミラー層２}
_{と上部ミラー層６間で光帰還、誘電放出を繰り返し、光}
_{のパワー分布16が垂直共振器内の損失と等しい光の利得}
_{を得た時レーザ発振する。} _{【００２８】光のパワー分布16は、単一モード条件から}
_{、柱状の共振器の側周から外側に少なくとも１μｍは漏}
_{れている。しかし、漏れている光パワーの量は全体の数}
_{％程度であり、レーザ発振を決める利得のほとんどは柱}
_{状の共振器内に閉じ込められている。従って、第３の電}
_{極15と第２の電極13との間に例えば３Ｖバイアスを印加}
_{すると、光の漏れ電磁界を吸収でき、光出力をモニタで}
_{きる。この時、上述のようにレーザ発振を決める利得に}
_{はほとんど影響を与えないので、面発光半導体レーザの}
_{特性は保たれる。従って、このような構造で、室温で基}
_{本モードＣＷ発振が動作電流数ｍＡで期待できる。} _{【００２９】（実施の形態２）図２を参照する。但し、}
_{図１と同部材は同符番を用いて説明する。Ｓｉドープ＜}
_{１００＞ＧａＡｓ基板１上には、ｎ形ＧａＡｓとｎ形Ａ}
_ｌ _0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓの光学的１／４波長のペアを４０．
５周期形成した下部ミラー層２が設けられている。該下
部ミラー層２上には、ｎ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ下部ク
ラッド層３と、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓの歪多重量子井戸
構造の活性層４と、ｐ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ上部クラ
ッド層５からなる２波長分の短共振器が形成されてい
る。【００３０】更に、この短共振器上には、ｐ形ＧａＡｓ
とｐ形Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓの光学的１／４波長のペア
が２６周期積層された上部ミラー層６が形成されてい
る。そして、この上部ミラー層６と前記下部ミラー層２
とで９９％以上の高反射率を実現している。【００３１】垂直共振器の光出射部分の幅を８μｍとし
て、ドライエッチングによって下部ミラー層２に達する
まで、除去されている。そして、光出射面14を除き、Ｇ
ａイオンビームが柱状部分のエッチング表面に注入され
ている。注入条件は加速電圧２５０ＫｅＶ，ドーズ量２
×１０¹⁵／ｃｍ² で、注入後４００℃でフラッシュアニ
ールされている。これにより、上部ミラー層６及び下部
ミラー層２の表面には、混晶化によって低屈折率層21が
形成される。また、下部クラッド層３及び下部ミラー層
２の表面には、抵抗が３桁以上低い低導電率層22が形成
される。これを電流ブロック層とする。【００３２】再成長により、ノンドープのＧａＡｓとＩ
ｎ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓの歪量子井戸構造の光吸収層８と、
ｎ形ＩｎＧａＰ層９とで光吸収領域を形成し垂直共振器
を埋め込んでいる。光吸収領域の上部は、絶縁膜10，11
により覆われている。前記垂直共振器の光出射部分の端
から内側へ１．５μｍ入る範囲に、ｐ形の第２の電極13
が設けられている。従って、光出射窓14は幅５．０μｍ
となる。この寸法ならば、基本モード発振を高出力まで
保てる。前記基板１の裏面側には、ｎ形の第１の電極12
が設けられている。前記垂直共振器の周囲の前記ｎ形Ｉ
ｎＧａＰ層９上には、第３の電極15が設けられている。【００３３】こうした構成の面発光半導体レーザにおい
て、第２の電極13より注入された電流は、絶縁膜10及び
低導電率層22により、柱状部の側周部を通って基板にリ
ークせず、光吸収領域とは逆バイアスとなっているた
め、上部ミラー層６及びｐ形上部クラッド層５を通り、
ほとんど活性層４に集中される。活性層４でキャリア再
結合で発生した光は活性層周辺に広がり、下部ミラー層
２と上部ミラー層６の間で、光帰還，誘導放出を繰り返
し、光のパワー分布16が垂直共振器内の損失と等しい光
の利得を得た時レーザ発振する。【００３４】光のパワー分布16は、単一モード条件か
ら、柱状の共振器の側周から外側に少なくとも１μｍは
漏れている。しかし、漏れている光パワーの量は全体の
数％程度であり、低屈折率層21により、柱状の共振器の
側周への光の滲みだし量は抑制され、柱状の共振器内に
集中するため、レーザ発振を決める利得のほとんどは柱
状の共振器内に閉じ込められている。【００３５】従って、第３の電極15と第２の電極13との
間に例えば３Ｖバイアスを印加すると、光の漏れ電磁界
を吸収でき、光出力をモニタできる。この時、上述のよ
うにレーザ発振を決める利得にはほとんど影響を与えな
いので、面発光半導体レーザの特性は保たれる。また、
Ｇａイオンビーム注入で低導電率層22を柱状部のｎ形領
域に形成して電流ブロック層としており、かつ低屈折率
層21を柱状部内に形成して、共振器内の利得の変化を抑
制しているため、光吸収層８を直接柱状部の側面に形成
できる。よって、光吸収層８をより薄くすることがで
き、これにより、第３の電極15に印加するバイアスを低
くしても、光出力モニター感度を維持できるようにな
る。この構造で、室温で基本モードＣＷ発振が動作電流
数ｍＡで期待できる。【００３６】（実施の形態３）図３を参照する。但し、
図１と同部材は同符番を用いて説明する。実施の形態３
は、垂直共振器形レーザ及び光検出器の構成は実施の形
態２と同じであり、実施の形態２との相違点は第３の電
極の設置位置と形状と数である。【００３７】図３のＹ方向においては、光吸収層８には
周囲からの拡散電流、あるいはビルトインポテンシャル
によって光吸収層８で発生した光起電力以外は、ほとん
ど電流が流れないため、ほぼ同電位である。つまり、こ
の方向に漏れたレーザ光は光吸収層８でわずかに吸収さ
れるのみである。【００３８】これに対し、Ｘ方向においては互いに共振
器を挟んで対向する第３の電極31，32を設けている。こ
こで、第２の電極13と第３の電極31，32との間に一定バ
イアス電圧を印加すると、下部ミラー層２と光吸収層８
との界面で空乏層が垂直共振器内に広がり、上部ミラー
層６及び下部ミラー層２に平行な実効的な共振器の断面
寸法が狭くなり、相対的に光の滲みだし量が増加し、共
振器内の利得増加を電流増加に対して抑制する。【００３９】出射光が、上下ミラー面に平行な垂直共振
器断面形状のＹ方向に偏光する場合、常に相対的にＹ方
向は、光のパワー利得をＸ方向に対して大きくでき、偏
光方向はＹ方向となる。よって、レーザ光の偏光面は常
にＹ方向に保持される。また、Ｘ方向の光を検出するこ
とにより、レーザ本体の光出力がモニタできる。【００４０】一方、上下ミラー面に平行な垂直共振器断
面形状のＸ方向に偏光する場合には、第３の電極31，32
にバイアスをかけることにより、利得の一部が吸収さ
れ、空乏層が柱状部共振器内に広がり、Ｘ方向の実効的
寸法は狭くなる。光出力が低いうちは、利得の一部がＸ
方向では吸収されるため、相対的に利得が大きいＹ方向
に偏光するが、柱状共振器内の利得分布が偏光方向に寄
与する光出力では、利得の一部が吸収される効果よりも
相対的に構造的な効果の方が強くなり、Ｘ方向に偏光変
換する。Ｘ方向の光を検出することにより、レーザ本体
の光出力がモニタできる。【００４１】この様な電極の配置構造で偏光面の安定な
基本モード発振が、室温でＣＷ動作が期待できる。（実施の形態４）図４を参照する。実施の形態４は実施
の形態３とほぼ同じ構造であり、相違点は柱状の共振器
断面形状のみである。つまり、実施の形態４では、光共
振器が図４に示すようにＹ方向に長軸を，Ｘ方向に短軸
を持っている。【００４２】出射光が、上下ミラー面に平行な垂直共振
器断面形状の長軸方向に偏光する場合、第３の電極31，
32にバイアスをかけなければ、光の偏光面はＹ方向に偏
光している。第３の電極31，32にバイアスをかけると、
この方向の吸収損失が増加し、空乏層の柱状共振器内へ
の広がりにより、実効的なＸ方向の共振器の断面寸法が
狭くなり、偏光面はＹ方向に更に安定となる。【００４３】一方、出射光が、上下ミラー面に平行な垂
直共振器断面形状の短軸方向に偏光する場合、第３の電
極31，32にバイアスをかけなければ、光の偏光面は、Ｘ
方向に偏光している。しかし、第３の電極31，32にバイ
アスをかけると、この方向の吸収損失が増加し、空乏層
の柱状共振器内への広がりにより、実効的なＸ方向の共
振器の断面寸法が狭くなり、光出力が低い時には、偏光
面は相対的にＹ方向の利得が大きくなりＹ方向となる。【００４４】しかしながら、光吸収層に滲み出す光利得
は、柱状部に対して数％程度であるため、高出力では実
効的なＸ方向の共振器の断面寸法が狭くなることが相対
的に支配的となり、偏光面はＸ方向に変わる。よって、
電気的に偏光面を切り替えることが可能となり、センサ
用の光源として２次元の情報をモニタ付きで検出するこ
とができる。【００４５】なお、実施の形態４では、光共振器の開口
断面形状は矩形としたが、楕円形など長軸と短軸を有し
ていれば、同様の効果が得られる。また、開口断面形状
が矩形であっても、屈折率分布がＸ方向とＹ方向で異な
り、実効的に長軸と短軸を有する場合も含む。【００４６】（実施の形態５）図５（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）を参照する。但し、図１，図４と同部材は同符番
を用いて説明する。Ｓｉドープ＜１００＞ＧａＡｓ基板
１上には、ｎ形ＧａＡｓとｎ形Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓの
光学的１／４波長のペアを４０．５周期形成した下部ミ
ラー層２が設けられている。この下部ミラー層２上に
は、ｎ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ下部クラッド層３と、Ｉ
ｎ_0.2Ｇａ_0.8 Ａｓの歪み多重量子井戸構造の活性層４
と、ｐ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ上部クラッド層５からな
る２波長分の短共振器が形成されている。【００４７】更に、この短共振器上には、ｐ形ＧａＡｓ
とｐ形Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓの光学的１／４波長のペア
が２６周期積層された上部ミラー層６が形成されてい
る。そして、この上部ミラー層６と前記下部ミラー層２
とで９９％以上の高反射率を実現している。【００４８】垂直共振器の光出射部分の幅を８μｍとし
て、周辺部がドライエッチングによって、ｎ形下部ミラ
ー層２に達するまで、除去されている。そして、上部ミ
ラー層６、下部ミラー層２のＸ方向のエッチング表面及
び光出射面14を除き、Ｇａイオンビームがエッチング表
面に注入されている。注入条件は加速電圧２５０Ｋｅ
Ｖ，ドーズ量２×１０¹⁵／ｃｍ² で、注入後４００℃で
フラッシュアニールされている。これにより、上部ミラ
ー層６及び下部ミラー層２のＹ方向の表面は混晶化し、
低屈折率層51が形成される。また、下部クラッド層３及
び下部ミラー層２の表面には、抵抗が３桁以上低い低導
電率層52が形成される。【００４９】次に、再成長により、ｐ形ＩｎＧａＰ層
７，ノンドープのＧａＡｓとＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓの歪
量子井戸構造の光吸収層８と、ｎ形ＩｎＧａＰ層９とを
順次積層して、ｐｉｎ構造を構成し垂直共振器を埋め込
んでいる。ｐｉｎ構造の表面は、絶縁膜10，11により覆
われている。前記垂直共振器の光出射部分の端から内側
へ１．５μｍ入る範囲に、ｐ形の第２の電極13が設けら
れている。従って、光出射窓14は幅５．０μｍとなる。
この寸法ならば、基本モード発振を高出力まで保てる。
前記基板１の裏面側には、ｎ形の第１の電極12が設けら
れている。前記垂直共振器の周囲の前記ｎ形ＩｎＧａＰ
層９上には、２つの分離した第３の電極31，32がＸ方向
に対向して設けられている。【００５０】Ｘ方向の光のパワー分布53は、単一モード
条件から、柱状の共振器の側周から外側に少なくとも１
μｍは漏れている。第２の電極13と第３の電極31，32と
の間に例えば５Ｖバイアスを印加すると、空乏層が垂直
共振器内の下部ミラー層２の埋め込み界面近傍に広が
り、実効的な共振器幅が狭くなり、光の漏れ電磁界の吸
収量が増加する。【００５１】また、バイアスをかけなくても、ビルトイ
ンポテンシャルで、相対的に光の滲みだし量が増加す
る。よって、光モニタ感度が上昇すると共に、Ｘ方向の
光利得を低く抑えることになる。一方、Ｙ方向は、Ｇａ
イオンを界面に注入した結果、混晶化され、屈折率が低
下し、柱状共振器の側周から外側への光の漏れ量が抑制
されている。【００５２】従って、注入電流を増やすとＹ方向の利得
を効率良く安定に増加でき、偏光面をこの方向に安定に
保持できる。従って、このような構造によって偏光面の
安定な基本モード発振が実現できる。また、室温で光出
力１ｍＷ以上のＣＷ動作が動作電流数ｍＡで期待でき、
また感度の良い光モニタ機能も付加できる。【００５３】以上、実施例に基づいて説明してきたが、
本明細書は以下の発明も含む。１．半導体基板上に、少なくとも下部ミラー層、下部半
導体クラッド層、化合物半導体よりなる活性層、上部半
導体クラッド層、上部ミラー層を順に積層した構造を有
し、かつ、この積層構造に電流を注入する第１，第２の
電極を備えた面発光半導体レーザにおいて、前記下部ミ
ラー層又は、前記下部半導体クラッド層、前記活性層、
前記上部半導体クラッド層、前記上部ミラー層の一部又
は全部を、基板面に垂直な軸を有する柱状に形成した柱
状部と、前記柱状部の側面に形成された、レーザ光の前
記柱状部の側面からの滲みだし光を吸収する光吸収層
と、前記光吸収層と電気的に接続された第３の電極とを
具備することを特徴とする面発光半導体レーザ。【００５４】（作用）前記１．記載の発明は、実施例１〜５に対応する。柱状
部からの滲みだした光量は、レーザの光出力の増減に応
じて増減する。よって柱状部の側面に光吸収層を設け
て、滲みだした光の光出力をモニタすれば、レーザの光
出力をモニタすることができる。このとき、レーザのパ
ワー分布のほとんどは柱状部内部にあるので、滲みだし
た光を吸収しても全体の光利得に大きな影響を与えるこ
とはない。従って、面発光半導体レーザの特性を保持し
つつ、光出力がモニタできる。他の実施例についても同
様である。【００５５】（効果）光吸収層は柱状部で発生する光の
パワー分布の端の部分を吸収するが、光吸収層が薄けれ
ば、全体の光利得に大きな影響を与えることなく、光出
力をモニタできる。従って、面発光半導体レーザの特性
を保持し、光出力がモニタできる。【００５６】２．前記第２の電極は前記上部ミラー層又
は前記上部半導体クラッド層に設けられ、かつ前記光吸
収層の近傍もしくは内部にｐｎ接合の空乏層が存在する
ように、前記第２の電極から前記第３の電極に至る電気
的な経路中にｐｎ接合が存在することを特徴とする前記
１．記載の面発光半導体レーザ。【００５７】（作用）前記２．記載の発明は実施例１〜５に対応する。電気的
経路中にｐｎ接合が存在すれば、そこへ空乏層が形成さ
れる。また、空乏層内のキャリアは大変効率よく電極方
向へ運ばれる。よって、第３の電極と電気的に接続され
た光吸収層の内部又は近傍にｐｎ接合が存在すれば、光
吸収層で発生したキャリアが再結合することなく、第３
の電極より電気信号として取り出せ、効率よく光出力を
モニタできる。【００５８】（効果）光吸収層は、柱状部で発生する光
のパワー分布の端の部分を吸収するが、第３の電極から
第２の電極に対するバイアスが、第２の電極から面発光
レーザ、即ち、第１の電極に印加されるバイアス程度も
しくはゼロバイアスであるなら、空乏層の広がりは浅
い。それ故、光吸収が薄ければ、全体の光利得に大きな
影響を与えることなく、光出力をモニタできる。したが
って、面発光半導体レーザの特性を保持し、光出力がモ
ニタできる。【００５９】３．前記ｐｎ接合は前記光吸収層をｉ層と
するｐｉｎ構造であることを特徴とする前記２．記載の
面発光半導体レーザ。（作用）前記３．記載の発明は、実施例１，５に対応する。通
常、柱状部を有する面発光半導体レーザにおいては、活
性層への電流注入を効率よく行なうために、その周囲を
導電率の低い材料で埋め込むか、空乏層としている。も
し、柱状部に接触する側面に配置する材料を導電率の高
い材料、即ち、ここでいう光吸収層とすると、柱状部と
の界面で注入電流のリークが起こり、電流が拡散してし
まい、活性層に効率的に電流が注入できなくなる。よっ
て、ｐｎ接合が光吸収層をｉ層とするｐｉｎ構造であ
り、柱状部と光吸収層の間に低導電率層が存在するよう
に構成することによって、面発光半導体レーザの特性は
保持され、かつ効率良く光出力がモニタできる。【００６０】（効果）柱状共振器内に比べ低い導電率の
ｐ形ＩｎＧａＰ層とｎ形ＩｎＧａＰ層の間の光吸収層を
ｉ層とするｐｉｎ構造によって、第２の電極から注入さ
れた電流は柱状部側面の界面で注入電流のリークが抑え
られ、効率良く活性層に電流を注入できる。また、光吸
収層は柱状部で発生する光のパワー分布の端の部分を吸
収するが、第３の電極から第２の電極に対するバイアス
が、第２の電極から第１の電極へのバイアス程度もしく
はゼロバイアスであるならば、ｐｎ接合の空乏層の広が
りは柱状部の一部の側面近傍のみとなり、吸収されるの
は全体の光パワーの数％程度であり、柱状部内の光の分
布を変えないため、全体の光利得に大きな影響を与える
ことなく光出力をモニタできる。したがって、面発光半
導体レーザの特性を保持し、光出力をモニタできる。【００６１】４．前記柱状部の側周に低導電率領域が形
成され、この領域が前記光吸収層に接することを特徴と
する前記２．記載の面発光半導体レーザ。（作用及び効果）前記４．記載の発明は、実施例２〜５に対応する。通
常、柱状部を有する面発光レーザにおいては、活性層へ
の電流注入を効率よく行うために、その周囲を導電率の
低い材料で埋め込むか空気層としている。もし、柱状部
の側面に接触する材料の導電率が高いと、柱状部側面と
の界面で電流のリークがおこり電流が拡散してしまい、
活性層に効率的に電流を注入できなくなる。ｐｎ接合を
形成する場合は、柱状部とその側周部とのｐｎ接合と同
時に柱状部の側周部と基板又は下部クラッド層の間にも
ｐｎ接合が存在する。前記４．記載の構成では、この側
周部を低導電率領域とすることにより、柱状部の上部電
極（第２の電極）から、前記柱状部の側周部を通って基
板の下部電極（第１の電極）に至る経路のシリーズ抵抗
が増大するので、上部電極から下部電極に流れる電流の
大部分が、柱状部の活性層に効率よく注入できる。従っ
て、面発光半導体レーザの特性は、接続されかつ効率よ
く光出力がモニタできる。【００６２】５．前記第３の電極は、前記柱状部を挟ん
で対向する、分離された少なくとも一組の電極であるこ
とを特徴とする前記２．記載の面発光半導体レーザ。（作用）前記５．記載の発明は、実施例３〜５に対応する。面発
光半導体レーザの偏光面をＸＹの２軸に対して、一方の
軸に偏光させるには、垂直共振器内の光の利得を一方に
安定して偏らせる必要がある。今、垂直共振器断面形状
が、Ｘ方向に短軸を有し、Ｙ方向に長軸を有する場合を
考えると、出射光が、上下ミラー面に平行な垂直共振器
断面形状の長軸方向に偏光する場合、図４に示すよう
に、Ｘ方向の垂直共振器内の光のパワー利得は、対向す
る２つの第３の電極にバイアスをかけることにより、利
得の一部が吸収され、空乏層が柱状共振器内に広がり、
Ｘ方向の実効的寸法は狭くなる。従って、常に相対的に
Ｙ方向は、光のパワー利得をＸ方向に対して大きくで
き、偏光方向は長軸方向となる。よって、レーザ光の偏
光面は常にＹ方向に保持される。また、Ｘ方向の光を検
出することにより、レーザ本体の光出力をモニタでき
る。【００６３】一方、出射光が、上下ミラー面に平行な垂
直共振器断面形状の短軸方向に偏光する場合には、対向
する２つの第３の電極にバイアスをかけることにより、
利得の一部が吸収され、空乏層が柱状共振器内に広が
り、Ｘ方向の実効的寸法は狭くなる。光出力が低いうち
は、利得の一部がＸ方向では吸収されるため、相対的に
利得が大きいＹ方向に偏光するが、柱状共振器内の利得
分布が偏光方向に寄与する光出力では、利得の一部が吸
収される効果よりも相対的に構造的な効果の方が強くな
り、短軸方向、つまりＸ方向に偏光変換する。このと
き、Ｘ方向の光を検出することにより、レーザ本体の光
出力がモニタできる。【００６４】（効果）偏光面の保持や切り替えが可能
で、かつ光出力をモニタできる光検出器付き面発光半導
体素子を提供できる。【００６５】なお、上述の実施の形態においては、第２
の電極は、上部ミラー層にのみ設けていたが、上部半導
体クラッド層にも接するように第２の電極を設けてもよ
い。また、実施の形態４，５においては、光共振器が長
軸、短軸を有するものにおいて、偏光面を制御している
が、長軸、短軸を有していない対称構造の場合について
も、対向する２つの第３の電極を配置してバイアスをか
けることにより、偏光面を制御できることはいうまでも
ない。【００６６】【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、発
振モード制御が可能であり、光出力をモニタできる光検
出器を備えるとともに、偏光面が安定に制御できる面発
光半導体レーザを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る面発光半導体レーザの
説明図で、図１（Ａ）は同面発光半導体レーザの断面
図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の平面図。

【図２】本発明の実施例２に係る面発光半導体レーザの
断面図。

【図３】本発明の実施例３に係る、２つの対向する第３
の電極を備えた面発光半導体レーザの平面図。

【図４】本発明の実施例４に係る、２つの対向する第３
の電極を備え，かつＹ方向に長軸をＸ方向に短軸をも
ち、光共振器を備えた面発光半導体レーザの平面図。

【図５】本発明の実施例５に係る面発光半導体レーザの
説明図で、図５（Ａ）は同半導体レーザの一部切欠した
断面斜視図、図５（Ｂ）はその切欠部の断面斜視図、図
５（Ｃ）は図５（Ａ）の要部Ｄの拡大図。

【図６】従来の面発光半導体レーザの断面図。

【図７】従来のその他の面発光半導体レーザの説明図
で、図７（Ａ）同半導体レーザの構造断面図、図７
（Ｂ）はレーザ出射面側から見た光共振器の透過断面
図。

【符号の説明】

１…ＧａＡｓ基板、２…下部ミラー層、３…ｎ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ下部クラッド層、４…活性層、５…ｐ形Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ上部クラッド層、６…上部ミラー層、７…ｐ形ＩｎＧａＰ層、８…光吸収層、９…ｎ形ＩｎＧａＰ層、 12…第１の電極、 13…第２の電極、 15、31、32…第３の電極、 21、51…低屈折率層、 22、52…低導電率層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、少なくとも下部ミラー
層、下部半導体クラッド層、化合物半導体よりなる活性
層、上部半導体クラッド層、上部ミラー層を順に積層し
た構造を有し、かつ、この積層構造に電流を注入する第
１，第２の電極を備えた面発光半導体レーザにおいて、前記下部ミラー層又は、前記下部半導体クラッド層、前
記活性層、前記上部半導体クラッド層、前記上部ミラー
層の一部又は全部を、基板面に垂直な軸を有する柱状に
形成した柱状部と、前記柱状部の側面に形成された、レ
ーザ光の前記柱状部の側面からの滲みだし光を吸収する
光吸収層と、前記光吸収層と電気的に接続された第３の
電極とを具備することを特徴とする面発光半導体レー
ザ。
【請求項２】前記第２の電極は前記上部ミラー層又は
前記上部半導体クラッド層に設けられ、かつ前記光吸収
層の近傍もしくは内部にｐｎ接合の空乏層が存在するよ
うに、前記第２の電極から前記第３の電極に至る電気的
な経路中にｐｎ接合が存在することを特徴とする請求項
１記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３】前記ｐｎ接合は前記光吸収層をｉ層とす
るｐｉｎ構造であることを特徴とする請求項２記載の面
発光半導体レーザ。