JP2002261400A - レーザ、レーザ装置および光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 個々のレーザ素子の相互作用を利用して高出
力の光源を提供し、高速で長距離伝送を可能とするレー
ザ、レーザ装置および光通信システムを提供する。 【解決手段】 レーザチップは発振波長が１．１μｍ〜
１．７μｍであり、光を発生する活性層の上部及び下部
に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光
型半導体レーザ素子チップとする。反射鏡は構成する材
料層の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干
渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡とする。
ここで、発光光源は、レーザ素子を所定の密度に配置し
てなり少なくとも１つのレーザ素子からの出射光が、他
の少なくとも１つ以上のレーザ素子に伝搬可能な光学的
結合手段を設けるようにする。また、活性層を挟んで設
けた反射鏡のうち少なくとも一方の反射鏡が複数の発光
素子に対して共通の反射鏡として設けられているように
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信などに用いら
れる半導体レーザならびにその光通信システムに関する
ものであり、中でも半導体レーザとして製作に使用する
半導体基板面に対して垂直方向に光を発するいわゆる面
発光レーザを用い複数のレーザ素子を形成して、高速大
容量の通信を可能にした光通信システムおよび高出力を
必要とする計測用レーザ光源装置等の高出力光源に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】面発光半導体レーザは、基板の表面から
垂直方向にレーザ光を放射するので２次元並列集積が可
能であり、更に、その出力光の広がり角が比較的狭い
（１０度前後）ので光ファイバとの結合が容易であるほ
か、素子の検査が容易であるという特徴を有している。
そのため、特に、並列伝送型の光送信モジュール（光イ
ンタコネクション装置）を構成するのに適した素子とし
て開発が盛んに行なわれている。光インタコネクション
装置の当面の応用対象は、コンピュータ等の筐体間やボ
ード間の並列接続のほか、短距離の光ファイバー通信で
あるが、将来の期待される応用として大規模なコンピュ
ータ・ネットワークや長距離大容量通信の幹線系があ
る。

【０００３】一般に、面発光半導体レーザは、ＧaＡs
又はＧaＩnＡs からなる活性層と、当該活性層を上下に
挟んで配置された上部の半導体分布ブラッグ反射鏡と基
板側の下部の半導体分布ブラッグ反射鏡からなる光共振
器をもって構成するのが普通であるが、端面発光型半導
体レーザの場合に比較して光共振器の長さが著しく短い
ため、反射鏡の反射率を極めて高い値(９９％以上)に設
定することによってレーザ発振を起こし易くする必要が
ある。このため、通常は、ＡlＡs からなる低屈折率材
料とＧaＡs からなる高屈折率材料を１／４波長の周期
で交互に積層することによって形成した半導体分布ブラ
ッグ反射鏡が使用されている。

【０００４】ところで上記のように、光通信に使用され
るようなレーザ波長が１．１μｍ以上の長波長帯レー
ザ、例えばレーザ波長が１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯
であるような長波長帯レーザは、製作基板にＩnＰが用
いられ、活性層にＩnＧaＡsＰが用いられるが、基板の
ＩnＰの格子定数が大きく、これに整合する反射鏡材料
では屈折率差が大きく取れず、従って積層数を４０対以
上とする必要がある。またＩnＰ基板上に形成される半
導体レーザには、別の問題として、温度によって特性が
大きく変化する点がある。そのため、温度を一定にする
装置を付加して使用する必要があり、民生用等一般用に
供することが困難であり、このような積層数と温度特性
の問題から、実用的な長波長帯面発光半導体は、未だ実
用化されるに至っていない。

【０００５】このような問題を解決するためになされた
発明として、特開平９−２３７９４２号公報に開示され
たものが知られている。それによると、製作基板として
ＧaＡs 基板を用い、基板側の下部上部のうち少なくと
も一方の半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基
板と格子整合が取れるＡlＩnＰからなる半導体層を用
い、さらに、下部上部のうち少なくとも一方の半導体分
布ブラッグ反射鏡の高屈折率層にＧaＩnＮＡs からなる
半導体層を用い、従来よりも大きい屈折率差を得るよう
にし、少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反
射鏡を実現しようというものである。

【０００６】また、ＧaＩnＮＡs を活性層の材料として
使用している。これは、Ｎ組成を増加させることによっ
てバンドギャップ（禁制帯幅）を１．４ｅＶから０ｅＶ
へ向かって低下させることができるので、０．８５μｍ
よりも長い波長を発光する材料として用いることが可能
となるからである。しかもＧaＡs 基板と格子整合が可
能なので、ＧaＩnＮＡs からなる半導体層は、１．３μ
ｍ帯及び１．５５μｍ帯の長波長帯面発光半導体レーザ
のための材料として好ましい点についても言及してい
る。

【０００７】しかしながら、従来は０．８５μｍよりも
長い波長帯の面発光半導体レーザ実現の可能性を示唆す
るにとどまっているだけであり、実際にはそのようなも
のは実現していない。これは基本的な構成は理論的には
ほぼ決まってはいるものの実際に安定したレーザ発光が
得られるようにするためのより具体的な構成がまだ不明
だからである。

【０００８】一例を挙げると、上記のようにＡlＡs か
らなる低屈折率材料とＧaＡs からなる高屈折率材料を
１／４波長の周期で交互に積層することによって形成し
た半導体分布ブラッグ反射鏡を使用したものや、あるい
は特開平９−２３７９４２号公報に開示されたもののよ
うに、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基板
と格子整合が取れるＡlＩnＰからなる半導体層を用いた
ものにおいては、レーザ素子が全く発光しなかったり、
あるいは、発光してもその発光効率が低く、実用レベル
には程遠いものであった。これは、Ａlを含んだ材料が
化学的に非常に活性であり、Ａlに起因する結晶欠陥が
生じ易いためである。これを解決するためには、特開平
８−３４０１４６号公報や特開平７−３０７５２５号公
報に開示された発明のようにＡlを含まないＧaＩnＮＰ
とＧaＡsとから半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する提
案がある。しかしながらＧaＩnＮＰとＧaＡs との屈折
率差はＡlＡsとＧaＡsとの屈折率差に比べて約半分であ
り、反射鏡の積層数を非常に多くなり製作が困難とな
る。

【０００９】すなわち現状では、コンピュータ・ネット
ワークなどで光ファイバー通信が期待されているが、そ
れに使用できるレーザ波長が１．１μｍ〜１．７μｍの
長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた通信シ
ステムが存在せず、その出現が切望されている。

【００１０】また、従来からあるストライプ型の端面発
光型レーザを１次元もしくは二次元に配列してなる高出
力レーザでは、レーザ発振に伴う発熱により高密度に集
積できず、個々のレーザ光の位相はばらばらであり単一
光源としての利用などに問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような光
通信などに用いられるレーザ発振波長が１．１μｍ〜
１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザならびにその
光通信システムに関するものであり、その第１の目的
は、動作電圧、発振閾値電流等を低くできるレーザ発振
波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光型半導
体レーザ素子チップを発光光源として利用し、個々のレ
ーザ素子の相互作用を利用して高出力の光源を提供し、
高速で長距離伝送を可能とするレーザ装置を提案するこ
とにある。

【００１２】また第２の目的は、安定して使用できるレ
ーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発
光半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、個
々のレーザ素子の相互作用を利用して高出力の光源を提
供し、高速で長距離伝送を可能とするレーザ装置を提案
することにある。

【００１３】さらに第３の目的は、動作電圧、発振閾値
電流等を低くできるレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．
７μｍの長波長帯面発光型半導体レーザ素子チップを発
光光源として利用し、個々のレーザ素子の相互作用を利
用して高出力の光源を提供し、高速で長距離伝送を可能
とする光通信システムを提案することにある。

【００１４】また第４の目的は、安定して使用できるレ
ーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発
光半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、個
々のレーザ素子の相互作用を利用して高出力の光源を提
供し、高速で長距離伝送を可能とする光通信システムを
提案することにある。

【００１５】さらに第５の目的は、このような光通信シ
ステムおよび光機器用光源において、個々のレーザ素子
の相互作用を利用して、レーザ光の位相を同期させる方
法を提案することにある。

【００１６】また第６の目的は、このような光通信シス
テム、および光機器用光源において、個々のレーザ素子
の相互作用を利用して、レーザ光の位相を同期させる方
法を提案することにある。

【００１７】さらにまた第７の目的は、このような光通
信システムおよび光機器用光源において、個々のレーザ
光の偏光方向をそろえることにより、安定したレーザ出
力を可能にするレーザ光源を提案することにある。また
第８の目的は、このような光通信システムおよび光機器
用光源において、個々のレーザ素子を回折格子を用いた
結合手段により実現することで、素子間隔の広い安定性
に優れたレーザを提案することにある

【００１８】さらに第９の目的は、このような光通信シ
ステムおよび光機器用光源において、個々のレーザ光の
位相を制御することによるビームの偏向機能や変調機能
などの付加機能を一体化する方法を提案することにあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために第１に、レーザチップと該レーザチップを配
置してなるレーザ装置において、前記レーザチップは発
振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する
活性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる
層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ
光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた
反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レー
ザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材
料層の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干
渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であると
ともに、前記屈折率が小の材料層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_y
Ｇａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、
かつ前記屈折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と
大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ
＜ｘ≦１）を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チッ
プを発光光源としたレーザ装置であって、前記発光光源
は、前記レーザ素子を所定の密度に配置してなり、少な
くとも１つの前記レーザ素子からの出射光が、他の少な
くとも１つ以上の前記レーザ素子に伝搬可能な光学的結
合手段を設けてなるようにした。

【００２０】また第２に、レーザチップと該レーザチッ
プを配置してなるレーザ装置において、前記レーザチッ
プは発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発
生する活性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓか
らなる層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、
レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設け
られた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導
体レーザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成
する材料の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光
波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であ
るとともに、前記屈折率が小の材料はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料はＡｌ_yＧ
ａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、前
記活性層と前記反射鏡の間にＧａＩｎＰもしくはＧａＩ
ｎＰＡｓよりなる非発光再結合防止層を設けてなる面発
光型半導体レーザ素子チップを発光光源としたレーザ装
置であって、前記発光光源は、前記レーザ素子を所定の
密度に配置してなり、少なくとも１つの前記レーザ素子
からの出射光が、他の少なくとも１つ以上の前記レーザ
素子に伝搬可能な光学的結合手段を設けてなるようにし
た。

【００２１】さらに第３に、レーザチップと該レーザチ
ップと接続される光通信システムにおいて、前記レーザ
チップは発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光
を発生する活性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａ
ｓからなる層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層と
し、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に
設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型
半導体レーザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを
構成する材料層の屈折率が小／大と周期的に変化し入射
光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射
鏡であるとともに、前記屈折率が小の材料層はＡｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料
層はＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡
であり、かつ前記屈折率が小と大の材料層の間に該屈折
率が小と大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０
≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けてなる面発光型半導体レーザ
素子チップを発光光源とした光通信システムであって、
前記発光光源は、前記レーザ素子を所定の密度に配置し
てなり、少なくとも１つの前記レーザ素子からの出射光
が、他の少なくとも１つ以上の前記レーザ素子に伝搬可
能な光学的結合手段を設けてなるようにした。

【００２２】また第４に、レーザチップと該レーザチッ
プと接続される光通信システムにおいて、前記レーザチ
ップは発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を
発生する活性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ
からなる層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層と
し、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に
設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型
半導体レーザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを
構成する材料の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光
を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡
であるとともに、前記屈折率が小の材料はＡｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料はＡｌ
_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、
前記活性層と前記反射鏡の間にＧａＩｎＰもしくはＧａ
ＩｎＰＡｓよりなる非発光再結合防止層を設けてなる面
発光型半導体レーザ素子チップを発光光源とした光通信
システムであって、前記発光光源は、前記レーザ素子を
所定の密度に配置してなり、少なくとも１つの前記レー
ザ素子からの出射光が、他の少なくとも１つ以上の前記
レーザ素子に伝搬可能な光学的結合手段を設けてなるよ
うにした。

【００２３】さらに第５に、上記第１〜４に記載のレー
ザ装置もしくは光通信システムにおいて、前記発光光源
は、活性層を挟んで設けた反射鏡のうち、少なくとも一
方の反射鏡が複数の発光素子に対して共通の反射鏡とし
て設けられているようにした。

【００２４】また第６に、上記第１〜４に記載のレーザ
装置もしくは光通信システムにおいて、前記発光光源
は、活性層を挟んで設けた反射鏡とは別に、複数の発光
素子に対して共通の反射鏡を設けているようにした。

【００２５】さらに第７に、上記第１〜６に記載のレー
ザ装置もしくは光通信システムにおいて、前記発光光源
は、前記各レーザ素子の発振光の偏光が所定の方向にな
るような偏光制御手段が設けられているようにした。

【００２６】また第８に、上記第１〜７に記載のレーザ
装置もしくは光通信システムにおいて、前記発光光源
は、前記各レーザ素子間の結合を回折機能を有する手段
により行うようにした。

【００２７】さらに第９に、上記第１〜８に記載のレー
ザ装置もしくは光通信システムにおいて、前記発光素子
の光路の一部に屈折率が外部より制御可能な部材を設置
してなるようにした。

【００２８】

【発明の実施の形態】最初に本発明の光通信システムに
適用される発光素子である伝送ロスの少ないレーザ発振
波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体
レーザの１例について図１を用いて説明する。

【００２９】前述のように、従来は本発明が適用しよう
としているレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの
長波長帯面発光半導体レーザに関しては、その可能性の
示唆があるのみで、実現のための材料、ならびにより具
体的、詳細な構成は不明であった。本発明では、活性層
としてＧaＩnＮＡs等の材料を使用し、さらに具体的な
構成を明確にした。以下にそれを詳述する。

【００３０】本発明では、面方位（１００）のｎ−Ｇａ
Ａｓ基板上に、それぞれの媒質内における発振波長λの
１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）でｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ（ｘ＝１．０）（低屈折率層〜屈折率小の層）とｎ−
Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｙ＝０）（高屈折率層〜屈折率大の
層）を交互に３５周期積層したｎ−半導体分布ブラッグ
反射鏡（AlAs/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射鏡）を
形成し、その上にλ／４の厚さのｎ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層を積層した。この例
ではｎ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝
１）層も下部反射鏡の一部であり低屈折率層（屈折率小
の層）となっている。

【００３１】そしてその上にアンドープ下部ＧａＡｓス
ペーサ層と、３層のＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ量子井戸層である
活性層（量子井戸活性層）とＧａＡｓバリア層（２０ｎ
ｍ）からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上部Ｇ
ａＡｓスペーサ層とが積層されて、媒質内における発振
波長λの１波長分の厚さ（λの厚さ）の共振器を形成し
ている。

【００３２】さらにその上に、Ｃ（炭素）ドープのｐ−
Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層とＺ
ｎドープｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）をそれぞれの
媒質内における発振波長λの１／４倍の厚さで交互に積
層した周期構造（１周期）を積層し、その上にＣドープ
のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．９）とＺｎドープｐ
−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）をそれぞれの媒質内にお
ける発振波長λの１／４倍の厚さで交互に積層した周期
構造（２５周期）とからなる半導体分布ブラッグ反射鏡
（Al_0.9Ga_0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射鏡）
を形成している。この例ではｐ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ
_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層も上部反射鏡の一部であ
り、低屈折率層（屈折率小の層）となっている。

【００３３】なおここで、上部／下部反射鏡ともそれぞ
れ低屈折率層（屈折率小の層）／高屈折率層（屈折率大
の層）を交互に積層して形成するが、本発明ではこれら
の間に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧ
ａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けている。図２
は、低屈折率層（屈折率小の層）と高屈折率層（屈折率
大の層）の間に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層
ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けた
半導体分布ブラッグ反射鏡の一部を示したものである
（図１では図が複雑になるので図示することを省略して
いる）。

【００３４】従来レーザ波長が０．８５μｍ帯の半導体
レーザに関して、このような材料層を設けることも検討
はされているが、まだ検討段階であり、その材料、ある
いはその厚さなどまで詳細には検討されていない。また
本発明のようなレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μ
ｍの長波長帯面発光半導体レーザに関しては全く検討さ
れていない。その理由はこの分野（レーザ発振波長が
１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レー
ザ）が新しい分野であり、まだほとんど研究が進んでい
ないからである。

【００３５】本発明者はいち早くこの分野（レーザ発振
波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体
レーザおよびそれを用いた光通信）の有用性に気付き、
それを実現するために鋭意検討を行った。

【００３６】このような材料層は形成時にガス流量をコ
ントロールするなどして、そのＡｌ組成を連続的もしく
は段階的に変えるようにしてその材料層の屈折率が連続
的もしくは段階的に変化するようにして形成する。

【００３７】より具体的には、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦
ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）層のｚの値を０から１．０まで変わる
ように、つまりＧａＡｓ〜ＡｌＧａＡｓ〜ＡｌＡｓとい
う具合にＡｌとＧａの比率が徐々に変わるようにして形
成する。これは前述のように層形成時にガス流量をコン
トロールすることによって作成される。また、ＡｌとＧ
ａの比率が前述のように連続的に変わるようにして形成
しても良いし、段階的にその比率が変わるようにしても
同等の効果がある。

【００３８】このような材料層を設ける理由は、半導体
分布ブラッグ反射鏡の持つ問題点の一つであるｐ−半導
体分布ブラッグ反射鏡の電気抵抗が高いという課題を解
決するためである。これは半導体分布ブラッグ反射鏡を
構成する２種類の半導体層の界面に生じるヘテロ障壁が
原因であるが、本発明のように低屈折率層と高屈折率層
の界面に一方の組成から他方の組成へ次第にＡｌ組成が
変化するようにして、屈折率も変化させることによって
ヘテロ障壁の発生を抑制することが可能である。

【００３９】またこのような屈折率が小と大の間の値を
とる材料層ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦
１）は本発明のようなレーザ発振波長が１．１μｍ〜
１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザの場合、５ｎ
ｍ〜５０ｎｍの厚さとするのが良く、これより薄いと抵
抗が大となり電流が流れにくく、素子が発熱したり、駆
動エネルギーが高くなるという不具合がある。また厚い
と抵抗が小となり、素子の発熱や、駆動エネルギーの面
で有利になるが、今度は反射率がとれないという不具合
があり、前述のように最適の範囲（５ｎｍ〜５０ｎｍの
厚さ）を選ぶ必要がある。

【００４０】なお、前述のように従来のレーザ波長が
０．８５μｍ帯の半導体レーザに関してこのような材料
層を設けることも検討されているが、本発明のようなレ
ーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発
光半導体レーザの場合は、より効果的である。なぜな
ら、例えば同等の反射率（例えば９９．５％以上）を得
るためには、０．８５μｍ帯よりも１．１μｍ帯〜１．
７μｍ帯の場合、このような材料層を約２倍程度にする
ことができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値
を低減させることができ、動作電圧、発振閾値電流等が
低くなり、レーザ素子の発熱防止ならびに安定発振、少
エネルギー駆動の面で有利となる。

【００４１】つまり半導体分布ブラッグ反射鏡にこのよ
うな材料層を設けることは、本発明のようなレーザ発振
波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体
レーザの場合に特に効果的な工夫といえる。

【００４２】なお効果的な反射率を得るためのより詳細
な検討結果の一例を挙げると、例えば１．３μｍ帯面発
光型レーザ素子では、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝１．０）
（低屈折率層〜屈折率小の層）とＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｙ
＝０）（高屈折率層〜屈折率大の層）を２０周期積層し
た場合においては、半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率
が９９．７％以下となるＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ
＜ｘ≦１）層の厚さは３０ｎｍである。また、反射率が
９９．５％以上となる波長帯域は５３ｎｍであり、反射
率を９９．５％以上と設計した場合、±２％の膜厚制御
ができればよい。そこでこれと同等およびこれより薄
い、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍのものを試作したと
ころ、反射率を実用上問題のない程度に保つことがで
き、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を低減させるこ
とができた１．３μｍ帯面発光型レーザ素子を実現、レ
ーザ発振に成功した。なお試作したレーザ素子の他の構
成は後述のとおりである。

【００４３】なお多層膜反射鏡においては設計波長（膜
厚制御が完全にできたとして）を含んで反射率の高い帯
域がある。高反射率の帯域（反射率が狙いの波長に対し
て必要値以上である領域を含む）と呼ぶ。設計波長の反
射率が最も高く、波長が離れるにしたがってごくわずか
ずつ低下している領域である。これはある領域から急激
に低下する。そして狙いの波長に対して必要な反射率以
上となるように、本来、多層膜反射鏡の膜厚を原子層レ
ベルで完全に制御する必要がある。しかし実際には±１
％程度の膜厚誤差は生じるので狙いの波長と最も反射率
の高い波長はずれてしまう。例えば狙いの波長が１．３
μｍの場合、膜厚制御が１％ずれたとき、最も反射率の
高い波長は１３ｎｍずれてしまう。よってこの高反射率
の帯域（ここでは反射率が狙いの波長に対して必要値以
上である領域）は広い方が望ましい。しかし中間層を厚
くするとこの帯域が狭くなる傾向にある。

【００４４】このように本発明のようなレーザ発振波長
が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レー
ザにおいて、このような半導体分布ブラッグ反射鏡の構
成を工夫、最適化することにより、反射率を高く維持し
たまま抵抗値を低減させることができるので、動作電
圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱防止
ならびに安定発振、少エネルギー駆動が可能となる。

【００４５】再び図１に戻り、最上部の、ｐ−Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）層は、電極とコンタクトを取るた
めのコンタクト層（ｐ−コンタクト層）としての役割も
持っている。

【００４６】ここで、量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは３
９％（Ga0.61In0.39As）とした。また量子井戸活性層の
厚さは７ｎｍとした。なお量子井戸活性層は、ＧａＡｓ
基板に対して約２．８％の圧縮歪を有していた。

【００４７】またこの面発光型半導体レーザ全体の成長
方法はＭＯＣＶＤ法で行った。この場合、格子緩和は見
られなかった。半導体レーザの各層を構成する原料に
は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリ
メチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、
ＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（フォスフィン）を用い
た。また、キャリアガスにはＨ₂を用いた。図１に示し
た素子の活性層（量子井戸活性層）のように歪が大きい
場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。ここでは、
ＧａＩｎＡｓ層（量子井戸活性層）は５５０℃で成長さ
せている。ここで使用したＭＯＣＶＤ法は過飽和度が高
く高歪活性層の結晶成長に適している。またＭＢＥ法の
ような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給
時間を制御すれば良いので量産性にも優れている。

【００４８】またこの例では、電流経路外の部分をプロ
トン（Ｈ⁺）照射によって絶縁層（高抵抗部）を作っ
て、電流狭さく部を形成した。

【００４９】そしてこの例では、上部反射鏡の最上部の
層であり上部反射鏡一部となっているｐ−コンタクト層
上に光出射部を除いてｐ側電極を形成し、基板の裏面に
ｎ側電極を形成した。

【００５０】この例では、上下反射鏡に挟まれた、キャ
リアが注入され再結合する活性領域（本実施例では上部
及び下部スペーサ層と多重量子井戸活性層とからなる共
振器）において、活性領域内にはＡｌを含んだ材料（II
I族に占める割合が１％以上）を用いず、さらに、下部
及び上部反射鏡の低屈折率層の最も活性層に近い層をＧ
ａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の非
発光再結合防止層としている。キャリアは、活性層に最
も近くワイドギャップである上部及び下部反射鏡の低屈
折率層間に閉じ込められるので、活性領域のみをＡｌを
含まない層（III族に占める割合が１％以下）で構成し
ても活性領域に接する反射鏡の低屈折率層（ワイドギャ
ップ層）にＡｌを含んだ構造としたのでは、キャリアが
注入され再結合する時、この界面で非発光再結合が生じ
発光効率は低下してしまう。よって活性領域はＡｌを含
まない層で構成することが望ましい。

【００５１】またこのＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ
＜１、０＜ｙ≦１）層よりなる非発光再結合防止層は、
その格子定数がＧａＡｓ基板よりも小さく、引張り歪を
有している。

【００５２】エピタキシャル成長では下地の情報を反映
して成長するので基板表面に欠陥があると成長層へ這い
上がっていく。しかし歪層があるとそのような欠陥の這
い上がりが抑えられ効果があることが知られている。

【００５３】上記欠陥が活性層に達すると発光効率を低
減させてしまう。また、歪を有する活性層では臨界膜厚
が低減し必要な厚さの層を成長できないなどの問題が生
じる。特に活性層の圧縮歪量が例えば２％以上と大きい
場合や、歪層の厚さ臨界膜厚より厚く成長する場合、低
温成長などの非平衡成長を行っても欠陥の存在で成長で
きないなど、特に問題となる。歪層があるとそのような
欠陥の這い上がりが抑えられるので、発光効率を改善し
たり、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上の層を成長で
きたり、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが
可能となる。

【００５４】このＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜
１、０＜ｙ≦１）層は活性領域に接しており活性領域に
キャリアを閉じ込める役割も持っているが、Ｇａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層は格子定
数が小さくなるほどバンドギャップエネルギーを大きく
取り得る。例えばＧａ_xＩｎ_1-xＰ（ｙ＝１の場合）の場
合、ｘが大きくなりＧａＰに近づくと格子定数が大きく
なり、バンドギャップは大きくなる。バンドギャップＥ
ｇは、直接遷移でＥｇ（Γ）＝1.351＋0.643ｘ＋0.786
ｘ²、間接遷移でＥｇ（Ｘ）＝2.24＋0.02ｘと与えられ
ている。よって活性領域とＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０
＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層のヘテロ障壁は大きくなるの
でキャリア閉じ込めが良好となり、しきい値電流低減、
温度特性改善などの効果がある。

【００５５】さらにこのＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜
ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層よりなる非発光再結合防止層
は、その格子定数がＧａＡｓ基板よりも大きく、圧縮歪
を有しており、かつ前記活性層の格子定数が前記Ｇａ_x
Ｉｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層より
も大きく圧縮歪を有している。

【００５６】またこのＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ
＜１、０＜ｙ≦１）層の歪の方向が活性層と同じ方向な
ので、活性層が感じる実質的な圧縮歪量を低減する方向
に働く。歪が大きいほど外的要因の影響を受けやすいの
で、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上と大きい場合
や、臨界膜厚を超えた場合に特に有効である。

【００５７】例えば発振波長が１．３μｍ帯の面発光型
レーザはＧａＡｓ基板上に形成するのが好ましく、共振
器には半導体多層膜反射鏡を用いる場合が多く、トータ
ル厚さが５〜８μｍで５０〜８０層の半導体層を活性層
成長前に成長する必要がある。（一方、端面発光型レー
ザの場合、活性層成長前のトータル厚さは２μｍ程度で
３層程度の半導体層を成長するだけで良い。）この場
合、高品質のＧａＡｓ基板を用いてもさまざまな原因
（一度発生した欠陥は基本的には結晶成長方向に這い上
がるし、ヘテロ界面での欠陥発生などがある）でＧａＡ
ｓ基板表面の欠陥密度に比べて活性層成長直前の表面の
欠陥密度はどうしても増えてしまう。活性層成長以前
に、歪層の挿入や、活性層が感じる実質的な圧縮歪量が
低減すると、活性層成長直前の表面にある欠陥の影響を
低減できるようになる。

【００５８】この例では、活性領域内及び反射鏡と活性
領域との界面にＡｌを含まない構成としたので、キャリ
ア注入時にＡｌに起因していた結晶欠陥が原因となる非
発光再結合がなくなり、非発光再結合が低減した。

【００５９】前述のように、反射鏡と活性領域との界面
にＡｌを含まない構成とする、すなわち非発光再結合防
止層を設けることを、上下反射鏡ともに適用することが
好ましいが、一方の反射鏡に適用するだけでも効果があ
る。またこの例では、上下反射鏡とも半導体分布ブラッ
グ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体分布ブラッグ
反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡としても良
い。また前述の例では、反射鏡低屈折率層の最も活性層
に近い層のみをＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、
０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止層としているが、複数
層のＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦
１）を非発光再結合防止層としても良い。

【００６０】さらにこの例では、ＧａＡｓ基板と活性層
との間の下部反射鏡にこの考えを適用し、活性層の成長
時に問題となる、Ａｌに起因する結晶欠陥の活性層への
這い上がりによる悪影響が押さえられ、活性層を高品質
に結晶成長することができる。これらにより、発光効率
は高く、信頼性は実用上十分な面発光型半導体レーザが
得られた。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率
層のすべてではなく、少なくとも活性領域に最も近い部
分をＡｌを含まないＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜
１、０＜ｙ≦１）層としただけなので、反射鏡の積層数
を特に増加させることなく、上記効果を得ることができ
ている。

【００６１】このようにして製作した面発光型半導体レ
ーザの発振波長は約１．２μｍであった。ＧａＡｓ基板
上のＧａＩｎＡｓは、Ｉｎ組成の増加で長波長化するが
歪み量の増加をともない、従来１．１μｍまでが長波長
化の限界と考えられていた（文献「ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔ
ｏｎｉｃｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．９
（１９９７）ｐｐ．１３１９−１３２１」参照）。

【００６２】しかしながら今回発明者が製作したよう
に、６００℃以下の低温成長などの非平衡度の高い成長
法により高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を従来より
厚くコヒーレント成長することが可能となり、波長は
１．２μｍまで到達できた。なおこの波長はＳｉ半導体
基板に対して透明である。従ってＳｉ基板上に電子素子
と光素子を集積した回路チップにおいてＳｉ基板を通し
た光伝送が可能となる。

【００６３】以上の説明より明らかなようにＩｎ組成が
大きい高圧縮歪のＧａＩｎＡｓを活性層に用いることに
より、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レー
ザを形成できることがわかった。

【００６４】なお前述のように、このような面発光型半
導体レーザは、ＭＯＣＶＤ法で成長させることができる
が、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。
また活性層の積層構造として、３重量子井戸構造（ＴＱ
Ｗ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構
造（ＳＱＷ、ＭＱＷ）等を用いることもできる。

【００６５】レーザの構造も他の構造にしてもかまわな
い。また共振器長はλの厚さとしたがλ／２の整数倍と
することができる。望ましくはλの整数倍である。また
半導体基板としてＧａＡｓを用いた例を示したが、Ｉｎ
Ｐなどの他の半導体基板を用いた場合でも上記の考え方
を適用できる。反射鏡の周期は他の周期でも良い。

【００６６】なおこの例では活性層として、主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層、すなわちＧａ_xＩｎ_1-x
Ａｓ（ＧａＩｎＡｓ活性層）の例を示したが、より長波
長のレーザ発振を行うためには、Ｎを添加し主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層（ＧａＩｎＮＡｓ活
性層）とすればよい。

【００６７】実際にＧａＩｎＮＡｓ活性層の組成を変え
ることにより、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯のそれぞ
れにおいて、レーザ発振を行うことが可能であった。組
成を検討することにより、さらに長波長の例えば１．７
μｍ帯の面発光レーザも可能となる。

【００６８】また、活性層にＧａＡｓＳｂを用いてもＧ
ａＡｓ基板上に１．３μｍ帯面発光レーザを実現でき
る。このように波長１．１μｍ〜１．７μｍの半導体レ
ーザは従来適した材料がなかったが、活性層に高歪のＧ
ａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用い、か
つ、非発光再結合防止層を設けることにより、従来安定
発振が困難であった波長１．１μｍ〜１．７μｍ帯の長
波長領域において、高性能な面発光レーザを実現できる
ようになった。

【００６９】次に本発明の光送受信システムに適用され
る発光素子である長波長帯面発光型半導体レーザの他の
構成について、図３を用いて説明する。

【００７０】この場合も図１の場合と同様に面方位（１
００）のｎ−ＧａＡｓ基板を使用している。それぞれの
媒質内における発振波長λの１／４倍の厚さ（λ／４の
厚さ）でｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−Ａ
ｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０）を交互に３５周期積層したｎ
−半導体分布ブラッグ反射鏡（Al_0.9Ga_0.1As/GaAs下部
反射鏡）を形成し、その上にλ／４の厚さのｎ−Ｇａ_x
Ｉｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層を積層し
た。この例ではｎ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層も下部反射鏡の一部であり低屈折率層と
なっている。

【００７１】そしてその上に、アンドープ下部ＧａＡｓ
スペーサ層と、３層のＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y量子井戸
層である活性層（量子井戸活性層）とＧａＡｓバリア層
（１５ｎｍ）から構成される多重量子井戸活性層（この
例では３重量子井戸(ＴＱＷ)）と、アンドープ上部Ｇａ
Ａｓスペーサ層とが積層されて、媒質内における発振波
長の１波長分の厚さ（λの厚さ）の共振器を形成してい
る。

【００７２】さらにその上に、ｐ−半導体分布ブラッグ
反射鏡（上部反射鏡）が形成されている。上部反射鏡
は、被選択酸化層となるＡｌＡｓ層を、ＧａＩｎＰ層と
ＡｌＧａＡｓ層で挟んだ３λ／４の厚さの低屈折率層
（厚さが（λ／４−１５ｎｍ）のＣドープｐ−Ｇａ_xＩ
ｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層、Ｃドープ
ｐ−Ａｌ _zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化層（厚さ３
０ｎｍ）、厚さが（２λ／４−１５ｎｍ）のＣドープｐ
−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層（ｘ＝０．９））と、厚さがλ／
４のＧａＡｓ層（１周期）と、Ｃドープのｐ−Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ層（ｘ＝０．９）とｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ＝０）層をそれぞれの媒質内における発振波長の１
／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２２周期）と
から構成されている半導体分布ブラッグ反射鏡（Al_0.9G
a_0.1As/GaAs上部反射鏡）である。

【００７３】なおこの例においても、図３では複雑にな
るので図示することは省略しているが、半導体分布ブラ
ッグ反射鏡の構造は、図２に示したような低屈折率層
（屈折率小の層）と高屈折率層（屈折率大の層）の間
に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-z
Ａｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けたものである。

【００７４】そして、最上部の、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ＝０）層は、電極とコンタクトを取るためのコンタ
クト層（ｐ−コンタクト層）としての役割も持たせてい
る。

【００７５】ここで量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは３７
％、Ｎ（窒素）組成は０．５％とした。また量子井戸活
性層の厚さは７ｎｍとした。

【００７６】またこの面発光型半導体レーザの成長方法
はＭＯＣＶＤ法で行った。半導体レーザの各層を構成す
る原料には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジ
ウム）、ＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（フォスフィ
ン）、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラ
ジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００
℃以下のような低温成長に適しており、特に低温成長の
必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合に好まし
い。なおキャリアガスにはＨ₂を用いた。

【００７７】またこの例では、ＧａＩｎＮＡｓ層（量子
井戸活性層）は５４０℃で成長した。ＭＯＣＶＤ法は過
飽和度が高くＮと他のＶ族を同時に含んだ材料の結晶成
長に適している。またＭＢＥ法のような高真空を必要と
せず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良い
ので量産性にも優れている。

【００７８】さらにこの例では、所定の大きさのメサ部
分をｐ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝
１）層に達するまで、ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＝１）
被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れた
Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＝１）層を水蒸気で側面から酸化
してＡｌ_xＯ_y電流狭さく層を形成している。

【００７９】最後にポリイミド（絶縁膜）でメサエッチ
ングで除去した部分を埋め込んで平坦化し、上部反射鏡
上のポリイミドを除去し、ｐ−コンタクト層上に光出射
部を除いてｐ側電極を形成し、ＧａＡｓ基板の裏面にｎ
側電極を形成した。

【００８０】この例においては、被選択酸化層の下部に
上部反射鏡の一部としてＧａ_xＩｎ_{1 -x}Ｐ_yＡｓ_1-y（０＜
ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層が挿入している。例えばウェッ
トエッチングの場合では、硫酸系エッチャントを用いれ
ば、ＡｌＧａＡｓ系に対してＧａＩｎＰＡｓ系はエッチ
ング停止層として用いることができるため、Ｇａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層が挿入さ
れていることで、選択酸化のためのメサエッチングの高
さを厳密に制御できる。このため、均一性、再現性を高
められ、低コスト化が図れる。

【００８１】またこの例の面発光型半導体レーザ（素
子）を一次元または二次元に集積した場合、素子製作時
における制御性が良好になることにより、アレイ内の各
素子の素子特性の均一性、再現性も極めて良好になると
いう効果がある。

【００８２】なおこの例では、エッチングストップ層を
兼ねるＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦
１）層を上部反射鏡側に設けたが、下部反射鏡側に設け
ても良い。

【００８３】またこの例においても、上下反射鏡に挟ま
れた、キャリアが注入され再結合する活性領域（本実施
例では上部及び下部スペーサ層と多重量子井戸活性層と
からなる共振器）において、活性領域内にはＡｌを含ん
だ材料を用いず、さらに下部及び上部反射鏡の低屈折率
層の最も活性層に近い層をＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０
＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止層としてい
る。つまりこの例では、活性領域内及び反射鏡と活性領
域との界面に、Ａｌを含まない構成としているので、キ
ャリア注入時に、Ａｌに起因していた結晶欠陥が原因と
なる非発光再結合を低減させることができる。

【００８４】なお反射鏡と活性領域との界面にＡｌを含
まない構成を、この例のように上下反射鏡に適用するこ
とが好ましいが、いずれか一方の反射鏡に適用するだけ
でも効果がある。またこの例では、上下反射鏡とも半導
体分布ブラッグ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体
分布ブラッグ反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡
としても良い。

【００８５】さらにこの例でも、ＧａＡｓ基板と活性層
との間の下部反射鏡に図１の例の場合と同様の考えを適
用したので、活性層の成長時に問題となるＡｌに起因す
る結晶欠陥の活性層への這い上がりによる悪影響が押さ
えられ、活性層を高品質に結晶成長することができる。

【００８６】なお、このような非発光再結合防止層は、
図１、図３のいずれの構成においても半導体分布ブラッ
グ反射鏡の一部を構成するので、その厚さは、媒質内に
おける発振波長λの１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）と
している。あるいはそれを複数層も設けても良い。

【００８７】以上の説明より明らかなように、このよう
な構成により、発光効率は高く、信頼性は実用上十分な
面発光型半導体レーザが得られた。また、半導体分布ブ
ラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてではなく、少なくと
も活性領域に最も近い部分をＡｌを含まないＧａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の非発光再
結合防止層としただけなので、反射鏡の積層数を特に増
加させることなく、上記効果を得ることができた。

【００８８】またこのような構成にしても、ポリイミド
の埋め込みは容易であるので、配線（この例ではｐ側電
極）が段切れしにくく、素子の信頼性は高いものが得ら
れる。

【００８９】このように製作した面発光型半導体レーザ
の発振波長は約１．３μｍであった。

【００９０】この例では、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、
Ｎ、Ａｓからなる層を活性層に用いた（ＧａＩｎＮＡｓ
活性層）ので、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半
導体レーザを形成できた。またＡｌとＡｓを主成分とし
た被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったの
で、しきい値電流は低かった。

【００９１】被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜か
らなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、
電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の
広がりを抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良く
キャリアを閉じ込めることができる。更に酸化してＡｌ
酸化膜となることで屈折率が小さくなり凸レンズの効果
でキャリアの閉じ込められた微小領域に効率良く光を閉
じ込めることができ、極めて効率が良くなり、しきい値
電流は低減できる。また容易に電流狭さく構造を形成で
きることから、製造コストを低減できる。

【００９２】以上の説明から明らかなように図３のよう
な構成においても図１の場合と同様に、１．３μｍ帯の
面発光型半導体レーザを実現でき、しかも低消費電力で
低コストの素子が得られる。

【００９３】なお、図３の面発光型半導体レーザも図１
の場合と同様にＭＯＣＶＤ法で成長させることができる
が、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。
また窒素の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒
素やＮＨ₃等他の窒素化合物を用いることもできる。

【００９４】さらに活性層の積層構造として３重量子井
戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井
戸を用いた構造（ＳＱＷ、ＤＱＷ、ＭＱＷ）等を用いる
こともできる。レーザの構造も他の構造にしてもかまわ
ない。

【００９５】また図３の面発光型半導体レーザにおい
て、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の組成を変えることで、１．
５５μｍ帯、更にはもっと長波長の１．７μｍ帯の面発
光型半導体レーザも可能となる。ＧａＩｎＮＡｓ活性層
にＴｌ、Ｓｂ、Ｐなど他のIII−Ｖ族元素が含まれてい
てもかまわない。また活性層にＧａＡｓＳｂを用いて
も、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の面発光型半導体レ
ーザを実現できる。

【００９６】なお活性層にＧａＩｎＡｓを用いた場合、
従来１．１μｍまでが長波長化の限界と考えられていた
が、６００℃以下の低温成長により高歪のＧａＩｎＡｓ
量子井戸活性層を従来よりも厚く成長することが可能と
なり、波長は１．２μｍまで到達できる。このように、
波長１．１μｍ〜１．７μｍの半導体レーザは従来適し
た材料がなかったが、活性層に高歪のＧａＩｎＡｓ、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用い、かつ非発光再結合
防止層を設けることにより、従来安定発振が困難であっ
た波長１．１μｍ〜１．７μｍ帯の長波長領域におい
て、高性能な面発光レーザを実現できるようになり、光
通信システムへの応用ができるようになった。

【００９７】図４はこのような長波長帯面発光半導体レ
ーザ素子を、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓウエハに
多数のチップとして形成した例、ならびにレーザ素子チ
ップを示したものである。ここで示したレーザ素子チッ
プには、１〜ｎ個のレーザ素子が形成されているが、そ
の個数ｎはその用途に応じて、数ならびに配列方法が決
められる。

【００９８】図５は長波長帯面発光半導体レーザを用い
た高出力光源の一例であり、図中、▲印はレーザ光出射
方向を示すものである。ここで一つのレーザ素子はその
出射光の一部が、他のレーザ素子に光学的に結合される
ことにより、出射する個々のレーザ光の位相は同期し、
図示しない後段の光学系により、単一のレーザ光のよう
に種々のビームに変換が可能である。例えば、同位相で
そろった光の場合は微小スポットへ集光可能で、光ファ
イバとのカップリングが可能である。図６により具体的
な構造を示す。本実施例では活性層を挟んで設けている
上記半導体多層膜反射鏡の一方（本実施例では基板側）
を活性層と所定の距離はなれた素子基板表面に各素子共
通に形成し、さらにその上に共通電極を設けた構造とし
ている。今、各素子に電流を注入してレーザ発振を起こ
させたとすると、各共振器内で多重反射して各活性層を
往復する光はその回折効果で活性層で微小スポットを形
成し、反射鏡付近で広がるビーム形状を有する。所定の
近傍に置かれた素子間では、前記基板上に設けた反射鏡
での反射光の一部は回折効果により、近接した他のレー
ザ素子に入射する。そのとき、前記入射光がこの素子に
おいて発振可能な位相条件を満たすように、前記共通反
射鏡と活性層とを所望な距離に設けていると、このレー
ザ素子は注入同期されて、前記レーザ素子と同期の取れ
たレーザ発振を行うことになる。これにより、位相のそ
ろった、もしくは所定の位相ずれを有する複数本のレー
ザ光が得られる。

【００９９】さらに図７に他の実施例を示す。本実施例
では共振器を形成する対の反射鏡とは別に、上記複数の
レーザを光学的に結合するための共通反射鏡を設けてい
る。このとき、お互いの光学的結合を強くするために、
基板側多層膜反射鏡の反射率を通常の単体で発振させる
ときの反射率よりも小さく設定しておく。これにより、
個々のレーザ発振を安定させるとともに、注入同期を可
能にしている。

【０１００】また図８に他の実施例を示す。本実施例で
は、各レーザ素子の発振光の偏光方向をそろえるため、
例えば図８ではレーザ素子の形状を各結晶層に平行な断
面形状が楕円になるように形成している。これにより、
楕円の長軸方向に平行な偏光成分を有する偏光光での発
振を容易にし、各素子の長軸が平行になるように素子を
形成することにより、偏光方向をそろえて確実かつ安定
した注入同期を実現している。

【０１０１】また図９に示すように結合用反射面に回折
格子などの偏向素子を集積することにより、レーザ素子
間隔を大きくすることも可能である。これにより、上記
実施例に示した正反射による反射角以上に伝搬光を大き
く偏向することが可能になり、素子間隔を開けることが
でき、各素子の熱的な影響を低減することが可能にな
り、素子の安定性、信頼性が向上する。

【０１０２】さらに図１０およびに図１１に他の実施例
を示す。本実施例では図１０に示すようにレーザ出射端
に空間変調素子を設け、出射する各レーザ光の位相をこ
の空間変調素子により位相変調して、所望の位相関係を
有するビーム群を生成する。例えば、図１１に示すよう
に空間変調素子に所定の各領域（以下ドットと呼ぶ）が
独立に駆動可能な液晶素子を用いる。各ドットは対応す
るレーザ素子の出射ビーム光路上になるように設置して
なり、各ドットに電圧が印加されると充填されている液
晶分子が電界に沿って整列する。このとき、印加電圧に
より液晶分子の整列角度が変化し、等価的に通過するレ
ーザビームに対する等価屈折率が変化する。これによ
り、各ビームは印加電圧による位相変調を受けることに
なる。各位相が少しずつ変化するように空間変調素子の
各ドットへの印加電圧を制御すると、その合成出力光は
所定の方向に偏向することになり、出力光の偏向機能を
本レーザ光源に付加することが可能になる。

【０１０３】

【発明の効果】（請求項１に対応した効果）コンピュー
タ・ネットワーク、長距離大容量通信の幹線系など光フ
ァイバー通信が期待されているレーザ発振波長が１．１
μｍ帯〜１．７μｍ帯の分野において、動作電圧、発振
閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱も少なく安定
した発振ができる面発光型半導体レーザおよびそれを用
いた通信システムが存在しなかったが、本発明のように
半導体分布ブラッグ反射鏡を工夫することにより、動作
電圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱も
少なく安定した発振ができ、また低コストで実用的な光
通信システムに利用できるレーザ装置が実現できた。

【０１０４】さらに、個々のレーザ素子の相互作用を利
用して高出力の光源を実現、従来にない高出力な高原を
提供することにより、高速で長距離伝送を可能とするに
利用できるレーザ装置が実現できた。

【０１０５】（請求項２に対応した効果）コンピュータ
・ネットワーク、長距離大容量通信の幹線系など光ファ
イバー通信が期待されているレーザ発振波長が１．１μ
ｍ帯〜１．７μｍ帯の分野において、安定して使用でき
る長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた通信
システムが存在しなかったが、本発明のように、非発光
再結合防止層を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チ
ップとすることにより安定した発振が可能となり、これ
を発光光源とした実用的な光通信システムに利用できる
レーザ装置が実現できた。

【０１０６】さらに、個々のレーザ素子の相互作用を利
用して高出力の光源を実現、従来にない高出力な高原を
提供することにより、高速で長距離伝送を可能とする光
通信システムに利用できるレーザ装置が実現できた。

【０１０７】（請求項３に対応した効果）コンピュータ
・ネットワーク、長距離大容量通信の幹線系など光ファ
イバー通信が期待されているレーザ発振波長が１．１μ
ｍ帯〜１．７μｍ帯の分野において、動作電圧、発振閾
値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱も少なく安定し
た発振ができる面発光型半導体レーザおよびそれを用い
た通信システムが存在しなかったが、本発明のように半
導体分布ブラッグ反射鏡を工夫することにより、動作電
圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱も少
なく安定した発振ができ、また低コストで実用的な光通
信システムが実現できた。

【０１０８】さらに、個々のレーザ素子の相互作用を利
用して高出力の光源を実現、従来にない高出力な高原を
提供することにより、高速で長距離伝送を可能とする光
通信システムが実現できた。

【０１０９】（請求項４に対応した効果）コンピュータ
・ネットワーク、長距離大容量通信の幹線系など光ファ
イバー通信が期待されているレーザ発振波長が１．１μ
ｍ帯〜１．７μｍ帯の分野において、安定して使用でき
る長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた通信
システムが存在しなかったが、本発明のように、非発光
再結合防止層を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チ
ップとすることにより安定した発振が可能となり、これ
を発光光源とした実用的な光通信システムが実現でき
た。

【０１１０】さらに、個々のレーザ素子の相互作用を利
用して高出力の光源を実現、従来にない高出力な高原を
提供することにより、高速で長距離伝送を可能とする光
通信システムが実現できた。

【０１１１】（請求項５に対応した効果）個々のレーザ
素子の相互作用を利用して、レーザ光の位相を同期させ
る方法を実現し、高出力なレーザ装置および光通信シス
テムが実現できた。

【０１１２】（請求項６に対応した効果）個々のレーザ
素子の相互作用を利用して、レーザ光の位相を同期させ
る方法を実現し、高出力なレーザ装置および光通信シス
テムが実現できた。

【０１１３】（請求項７に対応した効果）個々のレーザ
光の偏光方向をそろえることにより、安定したレーザ出
力を可能にするレーザ装置および光通信システムが実現
できた。

【０１１４】（請求項８に対応した効果）個々のレーザ
素子を回折格子による結合を実現することにより、素子
間隔を広げて安定性優れたレーザ装置および光通信シス
テムが実現できた。

【０１１５】（請求項９に対応した効果）個々のレーザ
光の位相を制御することによるビームの偏向などの付加
機能を一体化することレーザ装置および光通信システム
が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの素子部の断面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の構成の部分断面
を示す図である。

【図３】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの他の構成による素子部の断面図である。

【図４】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子を形成したウエハ基板ならびにレーザ素子
チップを示す平面図である。

【図５】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザによるレーザ光源の斜視図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザによるレーザ光源の素子断面図である。

【図７】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザによるレーザ光源の素子断面図である。

【図８】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザによるレーザ光源の斜視図である。

【図９】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザによるレーザ光源の素子断面図である。

【図１０】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザによるレーザ光源の斜視図である。

【図１１】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザによるレーザ光源の素子断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金井 健 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 宮垣 一也 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 和多田 篤行 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 曳地 秀一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 俊一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 鈴木 幸栄 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 菅原 悟 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 関谷 卓朗 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 新治 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 5F073 AA09 AA11 AA51 AA65 AA74 AB03 AB17 BA02 BA09 CA07 CA17 CB02 DA05 EA24

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザチップと該レーザチップを配置し
   てなるレーザ装置において、前記レーザチップは発振波
   長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活性
   層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層、
   もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ光を
   得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射
   鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素
   子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材料層
   の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干渉に
   よって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるととも
   に、前記屈折率が小の材料層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜
   ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_yＧａ_1-y
   Ａｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、かつ前記
   屈折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と大の間の
   値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦
   １）を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップを発
   光光源としたレーザ装置であって、前記発光光源は、前
   記レーザ素子を所定の密度に配置してなり、少なくとも
   １つの前記レーザ素子からの出射光が、他の少なくとも
   １つ以上の前記レーザ素子に伝搬可能な光学的結合手段
   を設けてなることを特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】 レーザチップと該レーザチップを配置し
   てなるレーザ装置において、前記レーザチップは発振波
   長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活性
   層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層、
   もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ光を
   得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射
   鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素
   子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材料の
   屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干渉によ
   って反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるととも
   に、前記屈折率が小の材料はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ
   ≦１）とし、前記屈折率が大の材料はＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ
   （０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、前記活性層と
   前記反射鏡の間にＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰＡｓよ
   りなる非発光再結合防止層を設けてなる面発光型半導体
   レーザ素子チップを発光光源としたレーザ装置であっ
   て、前記発光光源は、前記レーザ素子を所定の密度に配
   置してなり、少なくとも１つの前記レーザ素子からの出
   射光が、他の少なくとも１つ以上の前記レーザ素子に伝
   搬可能な光学的結合手段を設けてなることを特徴とする
   レーザ装置。
3. 【請求項３】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
   れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
   波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活
   性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる
   層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ
   光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた
   反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レー
   ザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材
   料層の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干
   渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であると
   ともに、前記屈折率が小の材料層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
   （０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_y
   Ｇａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、
   かつ前記屈折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と
   大の間の値をとる材料層Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｙ＜ｚ
   ＜ｘ≦１）を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チッ
   プを発光光源とした光通信システムであって、前記発光
   光源は、前記レーザ素子を所定の密度に配置してなり、
   少なくとも１つの前記レーザ素子からの出射光が、他の
   少なくとも１つ以上の前記レーザ素子に伝搬可能な光学
   的結合手段を設けてなることを特徴とする光通信システ
   ム。
4. 【請求項４】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
   れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
   波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活
   性層を、主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる
   層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ
   光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた
   反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レー
   ザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材
   料の屈折率が小／大と周期的に変化し入射光を光波干渉
   によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるとと
   もに、前記屈折率が小の材料はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜
   ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料はＡｌ_yＧａ_1-yＡ
   ｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、前記活性層
   と前記反射鏡の間にＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰＡｓ
   よりなる非発光再結合防止層を設けてなる面発光型半導
   体レーザ素子チップを発光光源とした光通信システムで
   あって、前記発光光源は、前記レーザ素子を所定の密度
   に配置してなり、少なくとも１つの前記レーザ素子から
   の出射光が、他の少なくとも１つ以上の前記レーザ素子
   に伝搬可能な光学的結合手段を設けてなることを特徴と
   する光通信システム。
5. 【請求項５】 前記発光光源は、活性層を挟んで設けた
   反射鏡のうち、少なくとも一方の反射鏡が複数の発光素
   子に対して共通の反射鏡として設けられていることを特
   徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレー
   ザ、レーザ装置もしくは光通信システム。
6. 【請求項６】 前記発光光源は、活性層を挟んで設けた
   反射鏡とは別に、複数の発光素子に対して共通の反射鏡
   を設けていることを特徴とする請求項１から４のいずれ
   か１項に記載のレーザ、レーザ装置もしくは光通信シス
   テム。
7. 【請求項７】 前記発光光源は、前記各レーザ素子の発
   振光の偏光が所定の方向になるような偏光制御手段が設
   けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれ
   か１項に記載のレーザ、レーザ装置もしくは光通信シス
   テム。
8. 【請求項８】 前記発光光源は、前記各レーザ素子間の
   結合を回折機能を有する手段により行うことを特徴とす
   る請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ、レー
   ザ装置もしくは光通信システム。
9. 【請求項９】 前記発光光源は、前記発光素子の光路の
   一部に屈折率が外部より制御可能な部材を設置してなる
   ことを特徴とする請求項１〜８に記載のレーザ、レーザ
   装置もしくは光通信システム。