WO2008026721A1

WO2008026721A1 - Laser d'émission de surface de résonateur vertical

Info

Publication number: WO2008026721A1
Application number: PCT/JP2007/066986
Authority: WO
Inventors: Tomofumi Kise; Noriyuki Yokouchi
Original assignee: The Furukawa Electric Co., Ltd.
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2008-03-06
Also published as: US20090168829A1; JP5224310B2; JP2008060306A

Description

明細書

垂直共振器型面発光レーザ

技術分野

[0001] 本発明は、垂直共振器型面発光半導体レーザに関し、更に詳しくは、安定した偏波モードで発振可能な垂直共振器型面発光半導体レーザに関する。

背景技術

[0002] 垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,以下、単に V CSELと称する）は、その名が示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションをはじめ、通信用光源として、また、センサー用途などの様々なアプリケーション用デバイスとして注目されて!/、る。

[0003] 上記のように注目される理由として、 VCSELは、従来から用いられている端面発光型レーザと比較して、素子の 2次元配列が容易に形成できること、共振器のミラーを設けるために劈開する必要がないのでウェハレベルでテストが可能なこと、活性層の体積が格段に小さレ、ので極めて低レ、しき!/、値で発振でき、消費電力が小さレ、ことなどの利点が挙げられる。

[0004] 一般に、半導体レーザにおけるレーザ発振には、縦モード、横モード、偏波モードの 3つのモードがある。

[0005] まず、縦モードについていえば、 VCSELでは共振器長が極めて短いため、容易に基本縦モード発振が得られる。

[0006] また、横モードについていえば、 VCSELは一般には横モードの制御機構を有していないため、複数の高次モードで発振しやすい。複数の高次横モードによって発振したレーザ光を光伝送に用いると、特に高速変調時に伝送距離に比例した著しい劣化を引き起こす原因となる。 VCSELにおいて、基本横モード発振を得るための最も単純な方法は、発光領域の面積を、基本横モードのみが発振しうる程度に小さくすることである。し力、しながら、狭い発光面積を再現性よく作ることは困難であることに加え、発光面積が小さいことにより、出力が小さぐまた素子抵抗が大きく印加電圧が大きくならざるを得ない。 [0007] そこで、 VCSELにおいて大面積において基本横モード発振を得るための手段として、列えば、、文献「IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.5, pp.1439-1445, September/October 2003」（非特許文献 1)に示されるような構造が提案されている。図 15は、非特許文献 1に開示された VCSELの一部破断斜視図、図 16はその上面図である。この VCSELでは，基板 1上に積層された半導体分布反射多層膜からなる下部反射鏡 2、発光層 3、該発光層 3上に積層した半導体分布反射多層膜からなる上部反射鏡 4とからなる積層部 11の、積層面内において 2次元周期的に配列された複数の円孔 8が形成されている。積層面内における 2次元の円孔配列は、中央部に円孔のない点欠陥領域 9を有し、円孔 8は、上部反射鏡 4の上面側から積層方向の途中の深さまで設けられている。

[0008] 円孔配列の外側周辺部には上部電極 5が、基板 1の裏面には下部電極 6がそれぞれ形成されている。さらに、下部反射鏡 2の最上層付近、すなわち発光層 3に近い場所に位置する層は例えば P型の AlAs層 7で形成され、その外側の周縁部のみを選択的に酸化することによって Al O力、らなる絶縁領域 7aが形成され、これが発光層 3

2 3

に対する電流狭窄構造として働く。

[0009] この VCSEL10では、上記複数の円孔 8の配列により、円孔 8が配列された領域において光が感じる屈折率は円孔 8のない点欠陥領域（中央部） 9に比べて僅かに低くなつている。この結果、円孔が配列された部分は、円孔がない中央部の点欠陥領域 9 に対してクラッドとして働く。この VCSELに上部電極 5、下部電極 6を介して電流注入を行なうと、発光層 3においてレーザ発振が起こる。この場合、 2次元円孔配列中央部の点欠陥領域 9と、周囲の円孔が配列された部分とのわずかな屈折率差に基づ V、て，点欠陥領域 9を含む大面積の領域で基本横モードによるレーザ発振が起こる。（なお、このように、円孔配列を用いて屈折率差を形成し、横モード制御を行っている VCSELは、「フォトニック結晶 VCSEL」とも呼ばれている。）この VCSELでは、大面積において基本横モード発振ができ、高出力化、低抵抗化による低動作電圧化も可能となる。

[0010] 本発明者は、 VCSEL装置につ!/、て以下のような検討を行った。 VCSELの偏波モードについては一般に直線偏波が得られるものの、問題がある。すなわち、 VCSEL のデバイス構造自体は、図 16に符号 i〜vre示すように、点欠陥領域 9の中心軸じの周りで 6回の回転対称性（中心軸 Cを含む半平面内の電磁界分布力 60度回転したときにほぼ同等である。）を有しており、この円孔配列パターンの回転対称性によって決まる存在可能な各偏波モード間の利得及び損失がほぼ同等であることから、これら各偏波モード間で競合が起こる。その結果、環境温度や駆動電流などの外部的条件の微妙な変化によって、頻繁に偏波モードのスイッチングが起こってしまうなど、その偏波方向は安定しないのである。かかる偏波モードの不安定は、過剰雑音の原因となり、また、伝送媒体の偏波モード分散などを通じて伝送帯域が制限されることの原因ともなる。

[0011] この点、フォトニック結晶 VCSELではない、通常の VCSELにおける偏波モードの安定化の手法として、傾斜基板上に VCSELを作製する方法が知られている。この方法は，利得が結晶方位に依存することを利用するものであり、ある特定の方位の偏波モードに対して利得を大きくするために、たとえば（311) A面や（311) B面などの高指数方位の結晶面上に発光層を形成するものである。

[0012] しかしながら、通常の（100)面上に発光層を積層する場合に比べ，良質の結晶成長は難しぐ高出力が得られにくいという問題点がある。また、図 15のもののように電流狭窄構造として選択酸化層を設けてなる VCSELを傾斜基板上に積層した場合には、結晶方位による酸化レートの違い（異方性酸化）により、酸化部分の形状、ひいては発光領域の形状に歪みが生じ、ビーム形状の制御が困難であるという問題もあ

[0013] 上記方法のほかにも、デバイスのメサ形状に非対称性を導入した構造や、金属又は誘電体からなる回折格子を半導体分布反射多層膜からなる反射鏡に組み込んだ構造などが知られている (特許文献 1)が、いずれの構造も、デバイス加工が複雑なうえに、偏波制御性が十分とはレ、えなレ、。

[0014] 非特許文献 1 : IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.5, pp.1439-1445， September/October 2003

特許文献 1：特開平 11 54838号公報

発明の概要 [0015] 本発明は、 VCSELが有していた上記課題を解決するものであり、大面積での基本横モード発振が可能で、かつ、偏波モードが安定化された、し力、も作製が容易な VC SELを提供することを目的とする。

[0016] 本発明は、その第 1の態様において、基板と、前記基板上に順次に積層された第 1 の反射鏡、発光層、及び、第 2の反射鏡を含んでなる積層部と、前記積層部の積層面内における所定の領域を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔とを有し、前記所定の領域を挟んで対向する一対の空孔の大きさ又は形状力他の空孔の大きさ又は形状と異なることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ (VCSEUを提供する。

[0017] ここにおいて、上記所定の領域は、周期的に二次元配列された空孔が存在しない、点欠陥領域である。

[0018] 本発明は、その第 2の態様において、基板と、前記基板上に順次に積層された第 1 の反射鏡、発光層、及び、第 2の反射鏡を含んでなる積層部と、前記積層部の積層面内における所定の領域を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔とを有し、前記所定の領域の中心を通り前記積層面内に伸びる一の直線上に中心が位置する空孔の大きさ又は形状力他の空孔の大きさ又は形状と異なっていることを特徴とする VCSELを提供する。

[0019] 本発明は、その第 3の態様において、基板と、前記基板上に順次に積層された第 1 の反射鏡、発光層、及び、第 2の反射鏡を含んでなる積層部と、前記積層部の積層面内における所定の領域を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔とを有し、前記所定の領域の中心を一端として前記積層面内に伸びる一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が所定範囲内にある空孔の大きさ又は形状力他の空孔の大きさ又は形状と異なることを特徴とする VCSELを提供する。

[0020] 第 3の態様において、前記複数の空孔が前記積層面内において三角格子状に配歹 IJされている場合には、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 60度以上 120度以下の範囲内にある空孔の大きさ又は形状力 S、他の空孔の大きさ又は形状と異なるようにするのが好ましい。 [0021] また、第 3の態様において、前記複数の空孔が前記積層面内において正方格子状に配列されている場合には、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 45度以上 135度以下の範囲内にある空孔の大きさ又は形状が、他の空孔の大きさ又は形状と異なるようにするのが好ましい。

[0022] 本発明は、その第 4の態様において、基板と、前記基板上に順次に積層された第 1 の反射鏡、発光層、及び、第 2の反射鏡を含んでなる積層部と、前記積層部の積層面内における所定の領域を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔とを有し、前記所定の領域を挟んで対向する一対の空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体が充填されて!/、ることを特徴とする VCSELを提供する。

[0023] 本発明は、その第 5の態様において、基板と、前記基板上に順次に積層された第 1 の反射鏡、発光層、及び、第 2の反射鏡を含んでなる積層部と、前記積層部の積層面内における所定の領域を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔とを有し、前記所定の領域の中心を通り前記積層面内に伸びる一の直線上に中心が位置する空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体が充填されていることを特徴とする VCSELを提供す

[0024] 本発明は、その第 6の態様において、基板と、前記基板上に順次に積層された第 1 の反射鏡、発光層、及び、第 2の反射鏡を含んでなる積層部と、前記積層部の積層面内における所定の領域を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔とを有し、前記所定の領域の中心を一端として前記積層面内に伸びる一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が所定範囲内にある空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体が充填されていることを特徴とする VCSELを提供する。

[0025] 第 6の態様において、前記複数の空孔が前記積層面内において三角格子状に配歹 IJされている場合には、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 60度以上 120度以下の範囲内にある空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体が充填されて!/、ること力 S好ましレ、。 [0026] 第 6の態様において、前記複数の空孔が前記積層面内において正方格子状に配歹 IJされている場合には、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 45度以上 135度以下の範囲内にある空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体が充填されて!/、ること力 S好ましレ、。

[0027] 上記第 4乃至第 6の態様において、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体としては、ポリイミドを用いることが好ましレ、。

[0028] 前記第 1乃至第 6の態様において、前記複数の空孔は円孔であることが好ましい。

また、前記複数の空孔を正方形の空孔とする場合には、一つの正方形の対向する 2 辺が他の空孔の対応する対向する 2辺と平行となるように、すなわち、すべての正方形の方位が揃うように配列されることが好ましい。

[0029] 上記第 1乃至第 6の各態様の本発明においては、前記所定の領域、すなわち複数の空孔が周期的に二次元的に配置されてなる空孔配列の点欠陥領域の中心を通り、前記積層部の積層方向に伸びる軸を中心軸とする空孔配列パターンの回転対称性によって決まる存在可能な複数の偏波モードのうち、一つの偏波モードの損失が他の偏波モードの損失よりも小さくなる。このため、当該一つの偏波モードのみが選択的に発振し、偏波モード間の競合が防止され、発振する偏波モードが安定化する。したがって、偏波モード間のスイッチングによる雑音の発生が防止され、伝送媒体の偏波モード分散により、伝送帯域が制限されることが防止される。

[0030] 本発明の上記目的、他の目的、構成、及び、利点は、添付の図面を参照した以下の記述によって明らかになる。

図面の簡単な説明

[0031] [図 1]本発明の第 1の実施形態例に係る VCSELを示す上面図。

[図 2]図 1の VCSELを示す断面斜視図。

[図 3]図 1の VCSELの変形例を示す上面図。

[図 4]本発明の第 2の実施形態例に係る VCSELを示す上面図。

[図 5]図 4の VCSELを示す断面斜視図。

[図 6]本発明の第 3の実施形態例に係る VCSELを示す上面図。

[図 7]図 6の VCSELを示す断面斜視図。 [図 8]図 6の VCSELの変形例を示す上面図。

[図 9]本発明の第 4の実施形態例に係る VCSELを示す上面図。

[図 10]図 9の VCSELを示す断面斜視図。

[図 11]本発明の第 5の実施形態例に係る VCSELを示す上面図。

[図 12]図 11の VCSELを示す断面斜視図。

[図 13]本発明の第 6の実施形態例に係る VCSELを示す上面図。

[図 14]図 13の VCSELの変形例を示す上面図。

[図 15]従来の VCSELを示す一部破断斜視図。

[図 16]図 15の VCSELの上面図。

発明の実施形態

[0032] (第 1の実施形態例）

以下、図面に基づいて本発明の第 1の実施形態例について説明する。図 1は、本発明の第 1の実施形態例による VCSELの上面図、図 2は断面斜視図である。

[0033] 本発明の第 1の実施形態例に係る VCSEL100は、発振波長 850nmで使用されるフォトニック結晶 VCSELであり、 p型 GaAs基板 101の（100)面上に下部反射鏡 10 2、A1 Ga Asからなる下部クラッド層、 4ペアの GaAs/Al Ga Asからなる多

0. 3 0. 7 0. 2 0. 8 重量子井戸、 Al Ga Asからなる上部クラッド層からなる発光層 103、上部反射鏡

0. 3 0. 7

104を順次積層し、この上部反射鏡 104の最上層の表面に、 n型の GaAs層コンタクト層が形成され、全体の積層部を構成している。なお、上記積層部には、電流狭窄構造を形成するため、たとえば P型の AlAs層 107が介揷されている。

[0034] 下部反射鏡 102は、それぞれ厚み λ /4η (ηは屈折率、 λは動作波長）の ρ型 AlAsと p型 GaAsを交互に積層してなる 20ペアの半導体多層膜と、その上にそれぞれ厚み λ /4η (ηは屈折率、 λは動作波長）の ρ型 Al Ga Asと p型 Al Ga Asを交互

0. 9 0. 1 0. 2 0. 8

に積層してなる 15ペアの半導体多層膜とからなる。また、上部反射鏡 104は、それぞれ厚みえ/ 4nの n型 Al Ga Asと n型 Al Ga Asとを交互に積層してなる 25ぺ

0. 9 0. 1 0. 2 0. 8

ァの半導体多層膜からなってレ、る。

[0035] 上記積層部の上部から下部反射鏡 102のうちの少なくとも上面に至るまでの部分は、周辺部がエッチング除去されて、柱状層構造 120が形成されている。かかる柱状層構造 120のうち、発光層 103に近い場所に積層された p型の AlAs層 107は、柱状層構造 120の側面に露出する部分から内部に向力、つて一部が酸化され、 Al O力もな

2 3 る絶縁領域 107aを形成している。この絶縁領域 107aが、発光層 103に注入される電流に対して電流狭窄構造として働く。

[0036] 図 1に示すように、柱状層構造 120には，電子ビーム露光あるいはフォトリソグラフィ、およびドライエッチングにより、複数の円孔 108が積層面内において正三角形の三角格子状に二次元的に配列形成されている。この円孔配列は、その中央に円孔がない点欠陥領域 109を有している。これらの複数の円孔 108の配列周期は 5 111 (中心間の距離)であり、柱状層構造 120の上面から上部反射鏡 104の 17ペア分に相当する深さにまで設けられている。このような円孔配列により、円孔 108が形成された部分の平均屈折率は、円孔がない点欠陥領域 109の平均屈折率よりも小さくなるので、円孔 108が形成された部分は、点欠陥領域 109を伝搬する光に対してクラッドとして働く。円孔 108の配列周期、孔径、深さなどは、円孔 108が形成された部分の平均屈折率と円孔がない点欠陥領域 109の平均屈折率との差により、積層面方向において基本横モード発振が得られるよう、適宜調整される。

[0037] 柱状の層構造 120における円孔が配列された部分の周辺部には、例えば AuGeNi /Auからなる上部電極 105が形成されている。また、 p型 GaAs基板 101の裏面には Ti/Pt/Auからなる下部電極 106が形成されている。

[0038] 第 1の実施形態例では、図 1に示すように、中央の点欠陥領域 109を挟んで対向する中央部近傍の一対の円孔の径 dは、それ以外の円孔の径 dよりも大きくなつてい

2 1

る。本実施形態例では、円孔径 dは例えば 2 m、 dは 3 mである。このように、異

1 2

なった径の円孔を配置することによって、円孔の配列パターンは図 1に符号 I、 IIで示したように、点欠陥領域 109の中心を通り積層面に垂直な中心軸 Cの周りに、 2回の回転対称性を有するものとなっている。すなわち、中心軸を含む半平面内における V CSELの光電磁界分布は、該中心軸を中心として 180度回転したときと同等である。

[0039] 上記円孔配列パターンの対称性に対応し、この VCSEL100の偏波モードとしては、 2つの偏波モードが存在しうるところ、各偏波モードが受ける損失は異なるものとなる。本実施形態例では、図 1中に示した X方向（孔径の大きな円孔の中心を結んだ方向と平行な方向）に平行な電界成分を有する偏波モードに対する損失が y方向（積層面内で X方向に垂直な方向）に平行な偏波モードに対する損失より大きくなるので

、 y方向の偏波モードでの発振が支配的となる。

[0040] したがって、電極 105、 106を介して電流を注入した場合、これら 2つの偏波モードのうち、損失の小さい y方向の偏波モードのみにおいて選択的にレーザ発振が起こることになる。このため、環境温度や駆動電流などの変動などによって偏波モードのスイッチングが起こらない、安定した発振が起こる。

[0041] 第 1の実施形態例に関し、上記パラメータを用いて計算を行ったところ、 y方向の偏波モードでの発振が支配的に起こることが確認され、 X方向及び y方向の各偏波モード間の発振強度の比（直交偏波抑圧比）は 30dB以上であった。なお、横モードについては、基本横モード発振が確認されている。

[0042] なお、第 1の実施形態例では、図 1に示すように、中央の点欠陥領域 109を挟んで対向している円孔のうち、最も近接している一対の円孔の径 dを、それ以外の円孔の

2

径 dよりも大きくした。この例では、点欠陥領域 109に最も近い一対の円孔のみの径が他の円孔の径と異なっているため、点欠陥領域 109に存在する発振レーザ光の電界に対してより効果的に空孔の径を変化させたことの効果を及ぼすことができる点で有利である。し力、も、点欠陥領域 109の近傍を除く周辺部では、同一径の円孔が均一に二次元的に分布しており、積層面内における屈折率の分布に与える擾乱も少なくて済む。すなわち、発振レーザ光の形状に対する影響も少なくて済む。

[0043] もっとも、各偏波モードの損失を相違させるためには、上記のように点欠陥領域 109 に最も近接する一対の空孔の径を変化させるのではなぐ適宜、中央の点欠陥領域に最近接しなレ、一対の円孔の径を変更させても構わなレ、。

[0044] さらに、図 3のように、点欠陥領域 109の中心を通る積層面に平行な一の直線上に中心を有する円孔の径を、他の円孔の径と異ならしめてもよい。図 3に示した変形例では、点欠陥領域 109の中心を通過する X軸に平行な直線 L1上に中心が存在する円孔の径 dを、直線 L1上に中心がない他の円孔の径 dよりも小さくしている。このた

1 2

め、図 3の X軸方向の偏波モードに対する損失が y軸方向の偏波モードに対する損失よりも小さい。従って、 X軸方向の偏波モードにおいて選択的に発振が起こり、偏波モード間のスイッチングが防止される。このように、点欠陥領域 109の中心を通る積層面に平行な一の直線 L1上に中心を有するすべての円孔の径を、この一の直線 L1上にない他の円孔の径と異ならしめることによって、中心軸 Cの周りの回転非対称性の程度をさらに強めることができるので、発振する偏波モードの安定性がさらに高まる。

[0045] 上記では、複数の空孔（円孔）のうち、特定の位置にあるものの径を他の円孔の径と異ならせることとした力当該特定の位置の空孔の形状を他の空孔の形状と異なるもの、たとえば、正方形の孔など円孔以外の形状としてもよい。

[0046] (第 2の実施形態例）

図 4は、本発明の第 2の実施形態例による VCSELの上面図、図 5は断面斜視図であ

[0047] 本発明の第 2の実施形態例に係る VCSEL200は、発振波長 1300nmで使用されるフォトニック結晶 VCSELであり、 n型 GaAs基板 201の（100)面上に下部反射鏡 2 02を MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor D印 osition)法により積層し、しかる後に MBE(Molecular Beam Epitaxy)法によって、 GaAsからなる下部クラッド層、 4ペアの GalnNAsSb/GaNAsからなる多重量子井戸層、 GaAsからなる上部クラッド層からなる発光層 203を順次積層し、さらにその後再度 MOCVD法によって、上部反射鏡 204を順次積層し、全体の積層部を構成して!/、る。

[0048] 下部反射鏡 202は、それぞれ厚み λ /4η (ηは屈折率、 λは動作波長）の η型 AlAs と n型 GaAsを交互に積層してなる 35ペアの半導体多層膜からなる。また、上部反射鏡 204は、それぞれ厚みえ /4nの p型 Al Ga Asと p型 GaAsとを交互に積層して

0. 9 0. 1

なる 22ペアの半導体多層膜からなって!/、る。

[0049] 上記積層部の上部から下部反射鏡 202のうちの少なくとも上面に至るまでの部分は、周辺部がエッチング除去されて、柱状の層構造 220が形成されている。かかる柱状層構造 220の上面には、例えば Au/AuZnからなるリング状の上部電極 205が形成され、また、 n型 GaAs基板 201の裏面には Ti/Pt/Auからなる下部電極 206が形成される。

[0050] 第 2の実施形態の VCSELにおける電流狭窄構造は、フォトリソグラフィ一法を用いてフォトレジストマスク (不図示）を形成し、上部反射鏡 204の最下部付近が平均飛程となるような加速電圧で水素イオンを適切な量だけ注入し、高抵抗領域 207aに変質させることによって形成される。

[0051] 電流狭窄構造の形成後、図 4に示すように、柱状層構造 220には、電子ビーム露光あるいはフォトリソグラフィ、およびドライエッチングにより、複数の円孔 208が積層面内において三角格子状に二次元的に配列形成される。この円孔配列は、その中央に円孔がない点欠陥領域 209を有している。これらの複数の円孔 208の配列周期は 5 m (中心間の距離)であり、柱状層構造 220の上面から上部反射鏡 204の 15 ペア分に相当する深さにまで設けられている。このような円孔配列により、円孔 208が形成された部分の平均屈折率は、円孔がない点欠陥領域 209の平均屈折率よりも小さくなるので、円孔 208が形成された部分は、点欠陥領域 209を伝搬する光に対してクラッドとして働く。円孔 208の配列周期、孔径、深さなどは、円孔 208が形成された部分の平均屈折率と円孔がない点欠陥領域 209の平均屈折率との差により、積層面方向において基本横モード発振が得られるよう、適宜調整される。

[0052] 第 2の実施形態例では、点欠陥領域の中心を一端として積層面内に伸びる一の半直線との間で、中心と点欠陥領域の中心とを結ぶ線分のなす角度が所定範囲内である円孔の径を、他の円孔の径と異ならせている。すなわち、図 4において、中心と点欠陥領域 209の中心を結ぶ線分 liと、点欠陥領域 209の中心を一端として積層面内に伸びる X軸に平行な一の半直線 L0とのなす角度 α力 0° 以上 120° 以下である円孔 208iは、なす角度が 60° 未満又は 120° より大きい円孔よりも、径が大きい。図 4に示した例では、半直線 L0との間で 60° の角度をなす半直線 L60と 120° の角度をなす半直線 L120との間に中心が存在する円孔 (各半直線上に中心が存在する円孔を含む）の径 dを、 2· 5 mとし、他の円孔の径 dを 1. 5 mとしている。

2 1

[0053] 第 2の実施形態例では、このように異なった孔径の円孔を配置することによって、円孔の配列パターンは図 4に符号 I、 IIで示したように、点欠陥領域 209の中心を通り積層面に垂直な中心軸 Cの周りに、 2回の回転対称性を有するものとなっている。すなわち、中心軸を含む半平面内における VCSELの光電磁界分布は、該中心軸を中心として 180度回転したときと同等である。

[0054] 上記円孔配列パターンの対称性に対応し、この VCSEL200の偏波モードとしては、 2つの偏波モードが存在しうるところ、各偏波モードが受ける損失は異なるものとなる。第 2の実施形態例では、図 4中に示した X方向に平行な電界成分を有する偏波モードに対する損失が y方向に平行な偏波モードに対する損失より小さくなるので、x方向の偏波モードでの発振が支配的となる。

[0055] したがって、電極 205、 206を介して電流を注入した場合、これら 2つの偏波モードのうち、損失の小さい X方向の偏波モードのみにおいて選択的にレーザ発振が起こることになる。このため、環境温度や駆動電流などの変動などによって偏波モードのスイッチングが起こらない、安定した発振が起こる。

[0056] 第 2の実施形態例に関し、上記パラメータを用いて計算を行ったところ、 X方向の偏波モードでの発振が支配的に起こることが確認され、 X方向及び y方向の各偏波モード間の発振強度の比（直交偏波抑圧比）は、 30dB以上の値が得られた。横モードについては、基本横モード発振が確認されている。

[0057] なお、第 2の実施形態例では、点欠陥領域 209の中心を一端として積層面内に伸びる X軸に平行な一の半直線 L0と 60° の角度をなす半直線 L60と、 120° の角度をなす半直線 L120との間に中心が存在する円孔 (各半直線上に中心が存在する円孔を含む）の径を、他の円孔の径よりも大きくした力半直線 L0と任意の範囲内の角度をなす半直線上に中心が存在する円孔の径を、他の円孔の径と異ならせても、各偏波モード間で損失を異ならせることが可能である。

[0058] 換言すれば、第 2の実施形態例では、点欠陥領域 209の中心を通る一の半直線 L 0と、中心と点欠陥領域の中心を結ぶ線分 1とのなす角度 αが所定範囲内にある複数の円孔の径を他の円孔の径と異ならしめている。このため、中心軸 Cの周りの回転非対称性の程度をさらに強めることができるので、発振する偏波モードの安定性がさらに高まる。

[0059] 上記では、複数の空孔（円孔）のうち、特定の位置にあるものの径を他の円孔の径と異ならせることとした力当該特定の位置の空孔の形状を他の空孔の形状と異なるもの、たとえば、正方形の孔など円孔以外の形状としてもよい。

[0060] (第 3の実施形態例）

図 6は、本発明の第 3の実施形態例による VCSELの上面図、図 7は断面斜視図である。第 3の実施形態例は、第 1の実施形態例と同様、発振波長 850nmで使用されるフォトニック結晶 VCSELであり、円孔の配列が異なる点を除き、構成及び製造方法は同じである。

[0061] 第 3の実施形態例では、複数の円孔は、中央部の点欠陥領域 309を除いて、周期

5 mの正方格子状に配列されている。点欠陥領域 309近傍の一対の円孔の径 d

2 は、それ以外の円孔の径 dよりも大きくなつている。ここにおいて dは、 3 μ ΐη

1 2 、 dは 2

1 である。円孔の深さは、積層部上面から上部反射鏡 304の 17ペア分に相当する程度である。なお、円孔の周期、径、深さは、点欠陥領域 309の光が基本横モードで存在するものであれば、上記のものに限られない。

[0062] 第 3の実施形態例でも、異なった径の円孔を配置することによって、円孔の配列バタ一ンは図 6に符号 I、 IIで示したように、点欠陥領域 309の中心を通り積層面に垂直な中心軸 Cの周りに、 2回の回転対称性を有するものとなっている。すなわち、中心軸を含む半平面内における VCSELの光電磁界分布は、該中心軸を中心として 180度回転したときと同等である。

[0063] 上記円孔配列パターンの回転対称性に対応し、この VCSEL300の偏波モードとしては、 2つの偏波モードが存在しうるところ、各偏波モードが受ける損失は異なるものとなる。第 3の実施形態例では、図 6中に示した X方向（孔径の大きな円孔の中心を結んだ方向と平行な方向）に平行な電界成分を有する偏波モードに対する損失が y 方向（積層面内で X方向に垂直な方向）に平行な偏波モードに対する損失より大きくなるので、 y方向の偏波モードでの発振が支配的となる。

[0064] したがって、電極 305、 306を介して電流を注入した場合、これら 2つの偏波モードのうち、損失の小さい y方向の偏波モードのみにおいて選択的にレーザ発振が起こることになる。このため、環境温度や駆動電流などの変動などによって偏波モードのスイッチングが起こらない、安定した発振が起こる。

[0065] 第 3の実施形態例に関しても、上記パラメータを用いて計算を行ったところ、 y方向の偏波モードでの発振が支配的に起こることが確認され、 X方向及び y方向の各偏波モード間の発振強度の比（直交偏波抑圧比）は 30dB以上であった。なお、横モードにつ!/、ては、基本横モード発振が確認されてレ、る。 [0066] なお、第 3の実施形態例では、図 6に示すように、中央の点欠陥領域 309を挟んで対向している円孔のうち、最も近接している一対の円孔の径 dを、それ以外の円孔の

2

径 dよりも大きくした。この例では、点欠陥領域 309に最も近い一対の円孔のみの径が他の円孔の径と異なっているため、点欠陥領域 309に存在する発振レーザ光の電界に対してより効果的に円孔の径を変化させたことの効果を及ぼすことができる点で有利である。しかも、点欠陥領域 309の近傍を除く周辺部には、同一径の円孔が均一に二次元的に分布しており、積層面内における屈折率の分布に与える擾乱も少なくて済む。すなわち、発振レーザ光の形状に対する影響も少なくて済む。

[0067] もっとも、各偏波モードの損失を相違させるためには、上記のように点欠陥領域 30 9に最も近接する一対の空孔の径を変化させるのではなぐ点欠陥領域 309に最近接しな!/、一対の円孔の径を変更させても構わなレ、。

[0068] さらに、図 8のように、点欠陥領域 309の中心を通る積層面に平行な一の直線上に中心を有するすべての円孔の径を、他の円孔の径と異ならしめてもよい。図 8に示した変形例では、点欠陥領域 309の中心を通過する X軸に平行な直線 L1上に中心が存在する円孔の径 dを、直線 L1上に中心がない他の円孔の径 dよりも小さくしてい

1 2

るので、図 8の X軸方向の偏波モードに対する損失力軸方向の偏波モードに対する損失よりも小さい。このため、 X軸方向の偏波モードにおいて選択的に発振が起こり、偏波モード間のスイッチングが防止される。このように、点欠陥領域の中心を通る積層面に平行な一の直線上に中心を有するすべての円孔の径を、この一の直線上にない他の円孔の径と異ならしめることによって、中心軸 Cの周りの回転非対称性の程度をさらに強めることができるので、発振する偏波モードの安定性がさらに高まる。

[0069] 上記では、複数の空孔（円孔）のうち、特定の位置にあるものの径を他の円孔の径と異ならせることとした力当該特定の位置の空孔の形状を他の空孔の形状と異なるもの、たとえば、正方形の孔など円孔以外の形状としてもよい。

[0070] (第 4の実施形態例）

図 9は、本発明の第 4の実施形態例による VCSELの上面図、図 10は断面斜視図である。第 4の実施形態例は、第 2の実施形態例と同様、発振波長 1300nmで使用されるフォトニック結晶 VCSELであり、円孔の配列が異なる点を除き、構成及び製造方法は同じである。

[0071] 第 4の実施形態例では、図 9に示すように、点欠陥領域 409の中心を通り積層面内に伸びた一の半直線との間で、中心と点欠陥領域の中心とを結ぶ線分のなす角度が所定範囲内である円孔の径を、他の円孔の径と異ならせている。すなわち、図 9において、中心と点欠陥領域 409の中心を結ぶ線分 liと、点欠陥領域 409の中心を一端として積層面内に伸びる X軸に平行な一の半直線 L0とのなす角度 α力 5° 以上 135° 以下である円孔 408iは、なす角度が 45° 未満又は 135° より大きい円孔よりも、径が大きい。図 9に示した例では、半直線 L0と 45° の角度をなす半直線 L45と、 135° の角度をなす半直線 L135との間に中心が存在する円孔 (各半直線上に中心が存在する円孔を含む）の径 dを 2· 5 m、他の円孔の径 dを 1. 5 mとしている。

2 1

[0072] 第 4の実施形態例では、このように異なった径の円孔を配置することによって、円孔の配列パターンは図 9に符号 I、 IIで示したように、点欠陥領域 409の中心を通り積層面に垂直な中心軸 Cの周りに、 2回の回転対称性を有するものとなっている。すなわち、中心軸を含む半平面内における VCSELの光電磁界分布は、該中心軸を中心として 180度回転したときと同等である。

[0073] 上記円孔配列パターンの回転対称性に対応し、この VCSEL400の偏波モードとしては、 2つの偏波モードが存在しうるところ、各偏波モードが受ける損失は異なるものとなる。本実施形態例では、図 9中に示した X方向に平行な電界成分を有する偏波モードに対する損失が y方向に平行な偏波モードに対する損失より小さくなるので、χ方向の偏波モードでの発振が支配的となる。

[0074] したがって、電極 405、 406を介して電流を注入した場合、これら 2つの偏波モードのうち、損失の小さい X方向の偏波モードのみにおいて選択的にレーザ発振が起こることになる。このため、環境温度や駆動電流などの変動などによって偏波モードのスイッチングが起こらない、安定した発振が起こる。

[0075] 第 4の実施形態例に関し、上記パラメータを用いて計算を行ったところ、 X方向の偏波モードでの発振が支配的に起こることが確認され、 X方向及び y方向の各偏波モード間の発振強度の比（直交偏波抑圧比）は、 30dB以上の値が得られた。横モードについては、基本横モード発振が確認されている。 [0076] なお、第 4の実施形態例では、点欠陥領域の中心を一端として積層面内に伸びる X 軸に平行な一の直線 L0と 45° の角度をなす半直線 L45と、 135° の角度をなす半直線 L135との間に中心が存在する円孔 (各半直線上に中心が存在する円孔を含む )の径を、他の円孔の径よりも大きくした力半直線 L0と任意の範囲内の角度をなす半直線上に中心が存在する円孔の径を、他の円孔の径と異ならせても、各偏波モード間で損失を異ならせることが可能である。

[0077] 換言すれば、図 9に示した第 4の実施形態例では、点欠陥領域 409の中心を一端とする一の半直線 L0と、中心と点欠陥領域の中心を結ぶ線分 1とのなす角度 αが所定範囲内にある複数の円孔の径を他の円孔の径と異ならしめている。このため、中心軸 Cの周りの回転非対称性の程度をさらに強めることができるので、発振する偏波モードの安定性がさらに高まる。

[0078] 上記では、複数の空孔（円孔）のうち、特定の位置にあるものの径を他の円孔の径と異ならせることとした力当該特定の位置の空孔の形状を他の空孔の形状と異なるもの、たとえば、正方形の孔など円孔以外の形状としてもよい。

[0079] (第 5の実施形態例）

上記第 1乃至第 4の実施形態例においては、 2次元的に周期配列された複数の円孔のうち、特定の位置にある円孔の径を他の円孔の径と異ならしめることによって、存在可能な偏波モードを 2つとし、かつ、この 2つのうちの一方の偏波モードの受ける損失が他の偏波モードのうける損失よりも小さくなるようにした。

[0080] これに対し、第 5の実施形態例では、上記第 1乃至第 4の実施形態例における場合と同様にして特定される円孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体が充填されている。第 5の実施形態例では、二次元的に配列した複数の円孔のうち、所定の位置のものの径が他の円孔の径と異なっていることは、必ずしも要するものではない。

[0081] 図 11は、第 5の実施形態例に係る VCSELの上面図、図 12は、断面斜視図を示したものである。第 5の実施形態例では、点欠陥領域 509以外の部分に二次元的に周期的に配列された円孔の径 dは、すべて 2 であり、点欠陥領域を挟んで対向する一対の円孔の内部にのみ、発振レーザ光に対する損失媒体として、ポリイミド 511 が充填されている。これにより、図 11の X方向の偏波モードが受ける損失が y方向の偏波モードが受ける損失よりも大きくなるので、電極 506、 507を介して電流を注入した場合、比較的損失の小さい y方向の偏波モードのみにおいて選択的にレーザ発振が起こることになる。このため、環境温度や駆動電流などの変動などによって偏波モードのスイッチングが起こらな!/、、安定した発振が起こる。

[0082] 第 5の実施形態例においては、点欠陥領域を挟んで対向する一対の円孔内に損失媒体を充填する場合を挙げたが、これに限られるものではない。第 5の実施形態例の変形例としては、点欠陥領域の中心を通り積層面内に伸びる一の直線上に中心が位置する円孔内に損失媒体を充填するものであってもよい。

[0083] また、他の変形例としては、点欠陥領域の中心を一端として積層面内に伸びる一の半直線と、中心と点欠陥領域の中心を結ぶ線分とのなす角度が所定範囲内にある円孔内に損失媒体を充填してもよい。たとえば、複数の円孔が三角格子状に配列された場合において、点欠陥領域の中心を一端として積層面内に伸びる一の半直線と、中心と点欠陥領域の中心を結ぶ線分とのなす角度が 60度以上 120度以下の範囲内にある円孔内に損失媒体を充填してもよレ、し、複数の円孔が正方格子状に配列された場合において、点欠陥領域の中心を一端として積層面内に伸びる一の半直線と、中心と点欠陥領域の中心を結ぶ線分とのなす角度が 45度以上 135度以下の範囲内にある円孔内に、損失媒体を充填してもよい。

[0084] 上記いずれの場合においても、円孔配列の、点欠陥領域の中心を通り積層面に垂直な方向に伸びる軸 Cを中心軸とする円孔配列パターンの回転対称性によって決まる存在可能な複数の偏波モードのうち、一つの偏波モードにおいて選択的にレーザ発振が起こることになる。このため、環境温度や駆動電流などの変動などによって偏波モードのスイッチングが起こらな!/、、安定したレーザ発振が実現できる。

[0085] また、第 5の実施形態例において所定の位置にある円孔に損失媒体を充填させることに加え、第 1乃至第 4の実施形態例に述べたように所定の位置にある円孔の径を他の円孔の径と異ならせることを併用してもよい。

[0086] (第 6の実施形態例）

図 13は、第 6の実施形態例に係る VCSELの上面図である。上記第 1乃至第 5の実施形態例では、複数の空孔は、円孔であった。これに対し、第 6の実施形態例では、図 13に示すように、正方形の複数の空孔が、 X軸及び y軸の方向に正方格子配列されている。そして、本実施形態例では、正方形の空孔の各辺が、 X軸又は y軸と平行である。任意の一の空孔 608iの対向する 2辺（a , c )及び（b , d )が他の空孔 60¾の対応する対向する 2辺（a , 0 )及び03 , d )と平行となるように配列されている。そして

J J J J

、点欠陥領域 609を挟んで対向する一対の空孔の大きさ力他の空孔の大きさよりも大きくなつている。

[0087] 第 6の実施形態例では、図 13に示すように、中央の点欠陥領域 609を挟んで対向する中央部近傍の一対の空孔の大きさ d (正方形の一辺の長さ）は、それ以外の空

2

孔の大きさ dよりも大きくなつている。本実施形態例では、空孔の大きさ dは例えば 2 ^ m, dは 3 mである。このように、異なった大きさの正方形の孔を配置することによ

2

つて、空孔の配列パターンは図 13に符号 I、 IIで示したように、点欠陥領域 609の中心を通り積層面に垂直な中心軸 Cの周りに、 2回の回転対称性を有するものとなっている（すなわち、中心軸を含む半平面内における VCSELの光電磁界分布は、該中心軸を中心として 180度回転したときと同等である。）。

[0088] 上記空孔配列パターンの対称性に対応し、この VCSEL600の偏波モードとしては、 2つの偏波モードが存在しうるところ、各偏波モードが受ける損失は異なるものとなる。本実施形態例では、図 13中に示した X方向に平行な電界成分を有する偏波モードに対する損失が y方向に平行な偏波モードに対する損失より大きくなるので、 y方向の偏波モードでの発振が支配的となる。

[0089] したがって、上部電極 605、下部電極（不図示）を介して電流を注入した場合、これら 2つの偏波モードのうち、損失の小さい y方向の偏波モードのみにおいて選択的にレーザ発振が起こることになる。このため、環境温度や駆動電流などの変動などによつて偏波モードのスイッチングが起こらな!/、、安定した発振が起こる。

[0090] なお、第 6の実施形態例では、第 1の実施形態例に倣い、点欠陥領域 609を挟んで対向する一対の空孔の大きさを、他の空孔の大きさよりも大きくした力第 2乃至第 4の実施形態例の各々にならい、所定の位置にある空孔の大きさを他の空孔の大きさと異ならせることができる。 [0091] また、所定の位置のある空孔の大きさを変えることに代えて、空孔の形状を変えてもよいし、またはこれと併用して、第 5の実施形態例のように、所定の位置にある空孔に、発振するレーザ光に対して損失を与える、ポリイミドなどの損失媒体を充填してもよい。

[0092] また、第 6の実施形態例では、正方形の空孔は X軸及び y軸の方向に正方格子配列されていたが、図 14のように、 X軸及び y軸の方向に正三角形状に三角格子配列され、正方形の空孔の各辺が、 X軸又は y軸と平行であってもよい。

[0093] 以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明した力本発明の VCSELは、上記実施形態にのみ限定されるものではなぐ上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

Claims

請求の範囲

[1] 基板（101)と、

前記基板上に順次に積層された第 1の反射鏡（102)、発光層（103)、及び、第 2 の反射鏡（104)を含んでなる積層部と、

前記積層部の積層面内における所定の領域（109, 609)を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔（108, 608)とを有し、

前記所定の領域（109, 609)を挟んで対向する一対の空孔の大きさ又は形状が、他の空孔の大きさ又は形状と異なることを特徴とする面発光レーザ (VCSEL)。

[2] 基板（101)と、

前記積層部の積層面内における所定の領域（309, 609)を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔（308, 608)とを有し、

前記所定の領域（309, 609)の中心を通り前記積層面内に伸びる一の直線上に中心が位置する空孔の大きさ又は形状力 S、他の空孔の大きさ又は形状と異なっていることを特徴とする VCSEL。

[3] 基板（201 , 401)と、

前記基板上に順次に積層された第 1の反射鏡（202, 402)、発光層（203, 403)、及び、第 2の反射鏡（204, 404)を含んでなる積層部と、

前記積層部の積層面内における所定の領域（209, 409)を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔（208, 408)とを有し、

前記所定の領域（209, 409)の中心を一端として前記積層面内に伸びる一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が所定範囲内にある空孔の大きさ又は形状力他の空孔の大きさ又は形状と異なることを特徴とする VCSE し。

[4] 前記複数の空孔（208)は、前記積層面内において三角格子状に配列されており、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 60度以上 120度以下の範囲内にある空孔の大きさ又は形状力 S、他の空孔の大きさ又は形状と異なることを特徴とする請求項 3に記載の VCSEL。

[5] 前記複数の空孔 (408)は、前記積層面内において正方格子状に配列されており、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 45度以上 135度以下の範囲内にある空孔の大きさ又は形状力 S、他の空孔の大きさ又は形状と異なることを特徴とする請求項 3に記載の VCSEL。

[6] 基板（501)と、

前記基板上に順次に積層された第 1の反射鏡（502)、発光層（503)、及び、第 2 の反射鏡（504)を含んでなる積層部と、

前記積層部の積層面内における所定の領域（509)を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔（508)を有し、

前記所定の領域を挟んで対向する一対の空孔（509)内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体（511)が充填されて!/、ることを特徴とする VCSEL。

[7] 基板（501)と、

前記積層部の積層面内における所定の領域（509)を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔（508)とを有し、

前記所定の領域の中心を通り前記積層面内に伸びる一の直線上に中心が位置する空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体（511)が充填されて V、ることを特徴とする VCSEL。

[8] 基板（501)と、

前記基板上に順次に積層された第 1の反射鏡（502)、発光層（503)、及び、第 2 の反射鏡（504)を含んでなる積層部と、前記積層部の積層面内における所定の領域（509)を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孔（508)とを有し、

前記所定の領域の中心を一端として前記積層面内に伸びる一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が所定範囲内にある空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体（511)が充填されていることを特徴とする VCSEし。

[9] 前記複数の空孔（508)は、前記積層面内において三角格子状に配列されており、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 60度以上 120度以下の範囲内にある空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体が充填されていることを特徴とする請求項 8に記載の VCSEL。

[10] 前記複数の空孔（508)は、前記積層面内において正方格子状に配列されており、前記一の半直線と、中心と前記所定の領域の中心を結ぶ線分のなす角度が 45度以上 135度以下の範囲内にある空孔内に、発振するレーザ光に対して損失を与える損失媒体（511)が充填されていることを特徴とする請求項 8に記載の VCSEL。

[11] 前記損失媒体（511)はポリイミドであることを特徴とする請求項 6乃至 10のいずれ力、 1つに記載の VCSEL。

[12] 前記複数の空孔（108, 208, 308, 408, 508)は、円孔であることを特徴とする請求項 1乃至 11のいずれ力、 1つに記載の VCSEL。

[13] 前記複数の空孔（608)は、対向する 2辺が他の空孔の対応する対向する 2辺と平行となるように配列された正方形の孔であることを特徴とする請求項 1乃至 11のいずれか 1つに記載の VCSEL。

[14] 基板（皿， 201 , 301 , 401 , 501)と、

前記基板上に順次に積層された第 1の反射鏡（102, 302, 303, 403, 502)、発光層（103, 203, 303, 403, 503)、第 2の反射鏡（104, 204, 304, 404, 504) を含んでなる積層部と、

前記積層部の積層面内における所定の領域（109, 209, 309, 409, 509)を除く領域に、前記積層面内において周期的に二次元配列され、積層方向に設けられた複数の空孑し（108, 208, 308, 408, 508)とを有し、

前記所定の領域の中心を通り前記積層部の積層方向に伸びる軸を中心軸とする空孔配列パターンの回転対称性によって決まる存在可能な複数の偏波モードのうち、一つの偏波モードの損失が他の偏波モードの損失よりも小さレ、ことを特徴とする VC SEL。