JP2002261401A - 光通信モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産性に優れ、安価で信頼性に優れたシステ
ムの構築を可能とする光通信モジュールを提供する。 【解決手段】 レーザ素子を発光部が光導波部材の光導
波部の断面積よりも小さくなるように製作し、かつ光フ
ァイバのコアの断面積の範囲内に複数存在可能な密度で
配列する。コネクタ部のレーザの電極に対向する面には
レーザ用電極と外部駆動回路と接続する駆動回路用電極
とを選択的に接続するための所定の大きさ、形状の接続
用電極パターンを設置する。コネクタ部をレーザ素子部
に概略位置決めして設置すると、接続用電極パッドが接
触したレーザ素子のみが外部駆動回路と接続される。こ
れにより少なくとも電極パターンが接続した電極のうち
に、個々の光ファイバに入射可能なレーザを含んだ電気
的接続が可能となり、外部回路で駆動するレーザ素子に
よる光電送が可能な光モジュールを実現できる。

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、大容量
の通信を可能にした光通信モジュールに関する。

【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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００９】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。

【００１０】これを解決するためには、特開平８−３４
０１４６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。

【００１１】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。

【００１２】さらに、特開平11-307868に光ファイバと
面発光レーザとを簡易に光学的結合を可能にしたモジュ
ールの構成方法が示されている。これはコネクタ側にレ
ーザ選択用の電極パターンを設定して、組みつけの際に
前記電極パターンと光ファイバとの位置精度をもちい
て、光ファイバに結合可能なレーザの一つを選択してい
る構造を有している。

【００１３】しかし、特開平11-307868に示された方法
はファイバとの光結合を容易に実現してはいるが、たと
えばテープファイバ等のアレイファイバなどの複数本の
ファイバとの結合を前記方法で一括で行う場合には、フ
ァイバコアに対するレーザの入射位置がばらつくため、
各ファイバ間での信号強度のばらつきに起因して、伝送
速度が低下するなどの通信品質に問題が残る。また、選
択されたレーザ素子の性能が劣化していたりしていた場
合には結合する光ファイバでの通信に問題が残り、モジ
ュールとして歩留まりが低下するなどの問題がある。

【００１４】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、生産性に優れ、安価で信頼性に
優れたなシステムの構築を可能とする光通信モジュール
を提案することにある。

【００１５】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、生
産性に優れ、安価で信頼性に優れたシステムの構築を可
能とする光通信システムを提案することにある。

【００１６】さらに第３の目的は、このような光通信モ
ジュールにおいて、モジュールの組み付け工程を簡素化
して、生産性に優れ安価な光通信モジュールを提案する
ことにある。

【００１７】また第４の目的は、このような光通信モジ
ュールにおいて、生産性に優れ、信頼性に優れた光通信
モジュールを提案することにある。

【００１８】また第５の目的は、このような光通信モジ
ュールにおいて、不要な発光を抑え、生産性、信頼性に
優れた光通信モジュールを提案することにある。

【００１９】また第６の目的は、このような光通信モジ
ュールにおいて、安価で、信頼性に優れた光通信モジュ
ールを提案することにある。

【００２０】さらに第７の目的は、このような光通信モ
ジュールを安価に製作することにある。

【００２１】

【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ＡｌｘＧａ１−ｘ
Ａｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡ
ｌｙＧａ１−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ＡｌｚＧａ１−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モジュールで状
あって、前記レーザチップ上には所定の間隔に二次元状
に配置された複数のレーザ発光素子および該レーザ発光
素子おのおのに対応し電気的に結合された電極パターン
が形成されているとともに、少なくともひとつ以上から
なる光導波部材が配列して保持されている部材とを結合
してなる光モジュールであって、前記レーザ発光素子の
発光部は、前記光導波部材の光導波部の断面積より小さ
く、かつ前記断面積内に複数存在可能な密度で配列され
ていて、前記光導波部材に光学的に結合している複数の
前記レーザ発光素子に対応する前記複数の電極を選択的
に電気的に結合する手段を設けるようにした。

【００２２】また第２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ＡｌｘＧａ１
−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料は
ＡｌｙＧａ１−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
たとした光通信モジュールで状あって、前記レーザチッ
プ上には所定の間隔に二次元状に配置された複数のレー
ザ発光素子および該レーザ発光素子おのおのに対応し電
気的に結合された電極パターンが形成されているととも
に、少なくともひとつ以上からなる光導波部材が配列し
て保持されている部材とを結合してなる光モジュールで
あって、前記レーザ発光素子の発光部は、前記光導波部
材の光導波部の断面積より小さく、かつ前記断面積内に
複数存在可能な密度で配列されていて、前記光導波部材
に光学的に結合している複数の前記レーザ発光素子に対
応する前記複数の電極を選択的に電気的に結合する手段
を設けるようにした。

【００２３】さらに第３に、上記第１、第２の光通信モ
ジュールにおいて、前記光導波部材が配列して保持され
ている部材の前記発光素子搭載基板に対向する表面に前
記レーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された
電極パターンが少なくとも２つ以上と接触可能な大きさ
を有する外部回路への電気的接続を行う電極パターンを
設けるようにした。

【００２４】また第４に、上記第１、第２の光通信モジ
ュールにおいて、前記光導波部材と前記発光素子搭載基
板を所定の位置関係に設置した後、前記発光素子を駆動
するための外部回路への接続を行う前に、前記発光素子
基板上の発光素子おのおのに対応し電気的に結合された
電極を駆動して、前記光導波部材のもう一方の出射端面
からの光出射強度情報を元に前記外部駆動回路への接続
用電極と前記発光素子おのおのに対応し電気的に結合さ
れた電極パターンとを選択的に電気的接続を行うように
した。

【００２５】さらに第５に、上記第１、第２および第３
の光通信モジュールにおいて、前記光導波部材が配列し
て保持されている部材の前記発光素子搭載基板に対向す
る表面に設置される電極パターンと前記発光素子おのお
のに対応し電気的に結合された電極パターンとが所定の
範囲内でのみ電気的接触する手段を設けるようにした。

【００２６】また第６に、上記第１〜第６の光通信モジ
ュールにおいて、前記前記レーザ素子の配置位置が少な
くとも一部が不等間隔に配置してなるようにした。

【００２７】さらに第７に、上記第１、第２および第３
の光通信モジュールにおいて、前記レーザ発光素子と該
レーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された電
極パターンとを、別々の基板に製作するようにした。

【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。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。

【００２９】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−ＡｌｘＧａ１−
ｘＡｓ（ｘ＝１．０）（低屈折率層〜屈折率小の層）と
ｎ−ＡｌｙＧａ１−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−ＧａｘＩ
ｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層を積
層した。この例ではｎ−ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−
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。

【００３０】そしてその上にアンドープ下部ＧａＡｓス
ペーサ層と、３層のＧａｘＩｎ１−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（２
０ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上
部ＧａＡｓ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。

【００３１】さらにその上に、Ｃ（炭素）ドープのｐ−
ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝
１）層とＺｎドープｐ−ＡｌｘＧａ１−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−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝
０．９）とＺｎドープｐ−ＡｌｘＧａ１−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（Al0.9Ga0.1As/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−ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−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。

【００３２】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ＡｌｚＧ
ａ１−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）。

【００３３】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。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。

【００３４】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。

【００３５】より具体的には、ＡｌｚＧａ１−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〜ＡｌＡ
ｓ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、Ａ
ｌとＧａ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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝１．
０）（低屈折率層〜屈折率小の層）とＡｌｙＧａ１−ｙ
Ａｓ（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ＡｌｚＧａ１−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。

【００４１】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。

【００４２】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１．３μｍ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。

【００４３】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。

【００４４】再び図１に戻り、最上部の、ｐ−ＡｌｘＧ
ａ１−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。ここで、量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは
３９％（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、ＧａＡ
ｓ基板に対して約２．８％の圧縮歪を有していた。

【００４５】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。

【００４６】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。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。

【００４７】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
ａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦
１）の非発光再結合防止層としている。

【００４８】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。

【００４９】またこのＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ１−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。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。

【００５０】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。

【００５１】このＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ１−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、Ｇａｘ
Ｉｎ1-ｘＰｙＡｓ１−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ＧａｘＩｎ1-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。

【００５２】バンドギャップＥｇは、直接遷移でＥｇ
（Γ）＝1.351＋0.643ｘ＋0.786ｘ２、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ＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ１−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。

【００５３】さらにこのＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ１−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Ｇ
ａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ１−ｙ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦
１）層よりも大きく圧縮歪を有している。

【００５４】またこのＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ１−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。

【００５５】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。）

【００５６】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ＧａＡｓ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。

【００５７】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。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Ｇ
ａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−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
ｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦
１）を非発光再結合防止層としても良い。

【００５８】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ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−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。

【００５９】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）。

【００６０】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。

【００６１】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。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（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、ＭＱＷ）等を用いるこ
ともできる。

【００６２】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。

【００６３】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ＧａｘＩｎ１
−ｘＡｓ（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（ＧａＩｎＮＡ
ｓ活性層）とすればよい。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。この場合も図１
の場合と同様に面方位（１００）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−ＡｌｘＧａ１−
ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＡｌｘＧａ１−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（Al0.9Ga0.1As/GaAs下部反射鏡）を形成し、
その上にλ／４の厚さのｎ−ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ
１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層を積層した。この例で
はｎ−ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−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。

【００６７】そしてその上に、アンドープ下部ＧａＡｓ
スペーサ層と、３層のＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−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ＧａＡｓ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。

【００６８】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−ＧａｘＩ
ｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層、Ｃ
ドープｐ−ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化
層（厚さ３０ｎｍ）、厚さが（２λ／４−１５ｎｍ）の
Ｃドープｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．９））
と、厚さがλ／４のＧａＡｓ層（１周期）と、Ｃドープ
のｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．９）とｐ−Ａ
ｌｘＧａ１−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（Al0.9Ga0.1As/GaAs上部反射鏡）である。

【００６９】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ＡｌｚＧａ１
−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）を設けたものである。

【００７０】そして、最上部の、ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘ
Ａｓ（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。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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】さらにこの例では、所定の大きさのメサ部
分をｐ−ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙ（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層に達するまで、ｐ−ＡｌｚＧａ１−ｚＡ
ｓ（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ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（ｚ＝１）層を水蒸
気で側面から酸化してＡｌｘＯｙ電流狭さく層を形成し
ている。

【００７４】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。

【００７５】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ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−
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、Ｇ
ａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−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。

【００７６】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。なおこの例では、エッチングストップ
層を兼ねるＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−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。

【００７７】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ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１
−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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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ＧａｘＩｎ
１−ｘＰｙＡｓ１−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。

【００８２】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。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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】図５は長波長帯面発光半導体レーザを用い
た光通信モジュールの一例であり、本発明では、同一半
導体基板上にモノリシックに複数の上記面発光レーザ素
子と一対一に対応した電極を所定の間隔に製作してなる
素子基板と、前記基板上もしくは別基板上に外部レーザ
駆動回路へ接続するための電極パターンを形成して、電
気的には接続されていない状態でモジュール基板上に設
置してなり、光学的に結合する光導波部材（実施例では
光ファイバ）とそれを固定するためのコネクタ部材とを
所定の配置に設置してなる構造から光モジュールは構成
される。

【００９１】この時、前記レーザ素子はその発光部が前
記光導波部材の光導波部の断面積より小さくなるように
作製され、かつ前記光ファイバのコア断面積の範囲内に
複数存在可能な密度で配列されている。前記コネクタ部
の前記レーザの電極に対抗する面には前記レーザ用電極
と前記外部駆動回路と接続する駆動回路用電極とを選択
的に接続するための所定の大きさ、形状の接続用電極パ
ターンを設置している。

【００９２】前記接続用電極は、少なくとも前記レーザ
電極のうち少なくとも2つ以上と接続可能な大きさおよ
び形状を有していて、前記光ファイバを前記コネクタと
ともにモジュール基板に設置した際にファイバと前記接
続用電極との位置関係、たとえば、ファイバのコア中心
―接続用電極パッド中心間距離＝レーザ電極とレーザ素
子との間隔、に設定しておくと、前記光ファイバのコア
に光学的に接続可能な複数の前記レーザ素子に対応する
レーザ電極と対応する前記外部駆動回路接続用電極とを
電気的接続することが可能であり、選択的に光ファイバ
に光学的に結合する複数のレーザと外部駆動回路とを接
続し、通信時に前記レーザ素子を一対のレーザ素子とし
て駆動することにより通信を行う。

【００９３】第6図および第7図を用いて、より具体的に
説明する。本実施例では、前記レーザ素子は二次元上に
アレイ上に配列されて作製される。今、一つのレーザ素
子の光出射面の重心と対応するレーザ用電極のパッド部
分の重心との距離をLとする。この時、前記接続用電極
パッドの重心位置を光ファイバのコア中心からファイバ
配列方向に垂直な方向に、コア中心ととの距離がLにな
るように設定しておき、かつレーザ電極より大きく、同
時に二つ以上の前記電極と接触可能な大きさに前記電極
パッドを形成しておく。

【００９４】レーザ用電極のパッド部および接続用電極
パッドは他の配線パターンよりも高さ方向で大きく形成
するか、もしくは他の配線部は絶縁膜等で保護するなど
の構造とすることにより、不要な接続を防止しておく。

【００９５】コネクタ部をレーザ素子部に概略位置決め
して設置すると前記接続用電極パッドが接触したレーザ
素子のみが外部駆動回路と接続される。この時ファイバ
配列方向がレーザ配置に対して大きく傾かなければ（こ
れは、図示しないがモジュール基板にガイド用の穴を、
コネクタ側にピンを所定の位置に設置して、前記ガイド
にピンを挿入することにより、ラフなアライメントは実
現可能である）、少なくとも前記電極パターンが接続し
た電極のうちに、個々の光ファイバに入射可能なレーザ
を含んだ電気的接続が可能である。よって、外部回路で
駆動するレーザ素子による光伝送が可能な光モジュール
を実現できる。

【００９６】第8図および第9図に他の実施例を示す。本
実施例では、上記実施例とは異なりコネクタ側には接続
用電極パターンは設定しない。その代わり、第９図に示
すように光ファイバを設置後、たとえばワイヤボンディ
ング等の接続装置により選択的に外部駆動回路接続用電
極パターンとワイヤ接続することによりモジュールを作
製している。

【００９７】すなわち、ファイバコネクタと素子基板と
を組み付けた後、外部電源に接続したプローブ電極等で
レーザ素子基板の共通電極およびレーザ電極から電力を
供給して個別にレーザを発振させ、対応する光ファイバ
のもう一方の端面からの出射光強度をモニタリングす
る。そのときのレーザ電極と光強度から、所望の光パワ
ーが得られた電極データを記憶しておき、そのデータを
もとにボンディング装置により選択的に外部駆動回路接
続用電極パターンとワイヤ接続する。本方法のより、モ
ジュール検査と組み付けを同時に完了することも可能に
なる。

【００９８】また第１０図に他の実施例を示す。本実施
例では上記実施例のように、レーザ素子を均等に配置す
るのではなく、対向して設置してなる光導波部材の設置
間隔およびレーザ素子基板との相対設置位置精度に応じ
て発光素子の配置を一部不等間隔にすることにより、も
ともと前記光導波部材が設置されない部分のレーザ素子
を作製時に間引くなどすることにより製造コストを抑え
たり、さらに組み付け精度に応じて前記光導波部材が対
向する確率の高い部分にレーザ素子を密に配置すること
により、結合効率のばらつきを抑えることが可能であ
る。

【００９９】なお、図５〜図１０に示した例では、複数
の面発光型半導体レーザ素子とそれらのおのおのに対応
し電気的に結合された電極パターン（レーザ用電極）と
を同一のチップに形成したものであるが、面発光型半導
体レーザ素子を形成するチップと電極パターン（レーザ
用電極）を形成するチップを別々に形成することも可能
である。本発明のモジュールに使用される面発光型半導
体レーザ素子は、前述のように高価なＧａＡｓ基板上に
製作されるので、このように別々の基板に製作するよう
にし、電極パターン（レーザ用電極）を安価なＳｉ基板
上に形成することにより、このモジュールの製作コスト
を大幅に低減することができる。

【０１００】

【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
通信システムが実現できた。さらに、組み付け時の要求
精度を緩和する構造とすることにより生産性に優れ、安
価で信頼性に優れたなシステムの構築を可能とする光通
信モジュールが実現できた。

【０１０１】〔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が実現でき
た。さらに、組み付け時の要求精度を緩和する構造とす
ることにより生産性に優れ、安価で信頼性に優れたなシ
ステムの構築を可能とする光通信モジュールが実現でき
た。

【０１０２】〔請求項３に対応した効果〕このような光
通信システムにおいて、モジュールの組み付け工程を簡
素化して、生産性に優れ安価な光通信モジュールを実現
できた。

【０１０３】〔請求項４に対応した効果〕このような光
通信システムにおいて、モジュールの組み付けと検査工
程を一体化することにより、生産性に優れ安価な光通信
モジュールを実現できた。

【０１０４】〔請求項５に対応した効果〕このような光
通信システムにおいて、不要な発光を抑え、生産性、信
頼性に優れた光通信モジュールを実現できた。

【０１０５】〔請求項６に対応した効果〕このような光
通信モジュールにおいて、製造コストを抑えた安価で、
信頼性に優れた光通信モジュールを実現できた。

【０１０６】〔請求項７に対応した効果〕このような光
通信モジュールにおいて、面発光型半導体レーザ素子と
それらのおのおのに対応し電気的に結合された電極パタ
ーン（レーザ用電極）とを別々の基板に製作するように
したので、このモジュールの製作コストを大幅に低減す
ることができ、安価で、信頼性に優れた光通信モジュー
ルを実現できた。

【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
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の素子部断面図である。

【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
体レーザ素子を用いた光通信モジュールを示す斜視図で
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
体レーザ素子を用いた光通信モジュールを示す概略図で
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
体レーザ素子を用いた光通信モジュールの断面を示す概
略図である。

【図８】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子を用いた光通信モジュールを示す概略図で
ある。

【図９】本発明の一実施形態に係る光通信モジュールの
組み付けシステムの概略図である。

【図１０】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子を用いた光通信モジュールを示す概略図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 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 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 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 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 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 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） 2H037 AA01 BA05 CA34 DA04 5F073 AB17 AB28 BA01 CA07 CA17 CB02 DA05 DA23 EA15 EA23 FA01 FA07 FA11 GA01

Claims (7)

【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ＡｌｘＧａ１−ｘＡ
   ｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ
   ｙＧａ１−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ＡｌｚＧａ１−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モジュール状あっ
   て、前記レーザチップ上には所定の間隔に二次元状に配
   置された複数のレーザ発光素子および該レーザ発光素子
   おのおのに対応し電気的に結合された電極パターンが形
   成されているとともに、少なくともひとつ以上からなる
   光導波部材が配列して保持されている部材とを結合して
   なる光モジュールであって、前記レーザ発光素子の発光
   部は、前記光導波部材の光導波部の断面積より小さく、
   かつ前記断面積内に複数存在可能な密度で配列されてい
   て、前記光導波部材に光学的に結合している複数の前記
   レーザ発光素子に対応する前記複数の電極を選択的に電
   気的に結合する手段を設けたことを特徴とする光通信モ
   ジュール。
2. 【請求項２】 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ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ
   （０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料はＡｌｙＧ
   ａ１−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
   モジュール状あって、前記レーザチップ上には所定の間
   隔に二次元状に配置された複数のレーザ発光素子および
   該レーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された
   電極パターンが形成されているとともに、少なくともひ
   とつ以上からなる光導波部材が配列して保持されている
   部材とを結合してなる光モジュールであって、前記レー
   ザ発光素子の発光部は、前記光導波部材の光導波部の断
   面積より小さく、かつ前記断面積内に複数存在可能な密
   度で配列されていて、前記光導波部材に光学的に結合し
   ている複数の前記レーザ発光素子に対応する前記複数の
   電極を選択的に電気的に結合する手段を設けたことを特
   徴とする光通信モジュール。
3. 【請求項３】 前記光導波部材が配列して保持されてい
   る部材の前記発光素子搭載基板に対向する表面に前記レ
   ーザ発光素子おのおのに対応し電気的に結合された電極
   パターンが少なくとも２つ以上と接触可能な大きさを有
   する外部回路への電気的接続を行う電極パターンを設け
   たことを特徴とする請求項１または２記載の光通信モジ
   ュール。
4. 【請求項４】 前記光通信モジュールにおいて、前記光
   導波部材と前記発光素子搭載基板を所定の位置関係に設
   置した後、前記発光素子を駆動するための外部回路への
   接続を行う前に、前記発光素子基板上の発光素子おのお
   のに対応し電気的に結合された電極を駆動して、前記光
   導波部材のもう一方の出射端面からの光出射強度情報を
   元に前記外部駆動回路への接続用電極と前記発光素子お
   のおのに対応し電気的に結合された電極パターンとを選
   択的に電気的接続を行うことを特徴とする請求項１また
   は２記載の光通信モジュール。
5. 【請求項５】 前記光通信モジュールにおいて、前記光
   導波部材が配列して保持されている部材の前記発光素子
   搭載基板に対向する表面に設置される電極パターンと前
   記発光素子おのおのに対応し電気的に結合された電極パ
   ターンとが所定の範囲内でのみ電気的接触する手段を設
   けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記
   載の光通信モジュール。
6. 【請求項６】 前記光通信モジュールにおいて、前記レ
   ーザ素子の配置位置が少なくとも一部が不等間隔に配置
   してなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１
   項記載の光通信モジュール。
7. 【請求項７】 前記レーザ発光素子と該レーザ発光素子
   おのおのに対応し電気的に結合された電極パターンと
   を、別々の基板に製作したことを特徴とする請求項１か
   ら６のいずれか１項記載の光通信モジュール。